能源与动力装置基础能动装置第一章-1

1、能源与动力装置基础能源与动力装置基础课程的发展沿革课程的发展沿革50年代90年代初课程建设与发展：2000年 讲义2001年 开始授课2003年 配套教学基地建设2004年 部级规划教材2005年 进入学科平台建设2008年 国家级十一五规划教材10个专业4个二级专业1个专业93年调整98年调整教学计划与行政机构调整锅炉涡轮机电厂热能风机压缩机制冷低温内燃机工程热物理水轮机 热能工程热力发动机制冷与低温工程流体机械与工程 能源与动力工程（热能与动力工程）学分制建立与教学计划调整原苏联教学体制多专业主干课大专业主干课多专业原理整合课程主体形成参考书郑贤德制冷原理与装置北京：机械工业出版社，200

2、8年黄树红汽轮机原理北京：中国电力出版社，2008年黄荣华内燃机原理北京：机械工业出版社，2010年 陈刚锅炉原理华中科技大学出版社出版社，2012年张克危流体机械原理（上）北京：机械工业出版社，2000年本课程的内容：本课程的内容： 讨论能源、动力部门（包括工艺过程与装备）的机械、设备、装置的组成、结构、工作原理和性能。本专业内容：本专业内容： 热能、化学能、机械能、电能等之间转换原理及其装置（机械、设备）。第一章第一章 基础知识基础知识第一节第一节 绪论绪论 能源是近代社会发展三大支柱之一。人类利用能源的历史，也就是人类认识和征服自然的历史。这个历史可以分为五个阶段： 火的发现和利用； 畜

3、力、风力、水力等自然动力的利用； 化石燃料的开发和热的利用； 电的发现及开发利用； 原子能的发现和利用。三次大的转换：木材等 煤炭 石油 多能源结构石油煤有机物沼气天然气风能水力海洋能地热太阳能氢核裂变核聚变化工装置工业热装置燃烧炉风车水轮机光电池燃料电池反应堆化工原料热能机械能热机发电机电动机电能磁流体发电电炉电力系统动力系统之一：火电厂动力系统之二：水轮机动力系统之三：核电站动力系统之四：风力发电动力系统之五：内燃机工质在汽缸内进行压缩、点火、燃烧、膨胀做功。动力系统之六：燃气轮机燃气轮机是内燃机的一种形式，它又与蒸汽轮机同属于热力涡轮机，燃气轮机的工质是燃气而不是水蒸汽，因而与蒸汽轮机装

4、置相比，燃气轮机装置省去了锅炉、凝汽器、给水处理等大型设备。动力系统之七：制冷空调系统热量热量机械功机械功压缩机膨胀机或节流阀工质流动冷却器蒸发器低温低压湿蒸气低压干蒸气高温高压蒸气饱和液体热力循环是通过工质膨胀将热能转变成机械功输出的循环，常称之为正循环。逆循环是输入机械功（或热能），对工质进行压缩而获得热量(热泵)或冷量(制冷)。动力系统之八：泵站 液压传动系统 液力传动系统 压缩空气系统 供水系统 供暖系统 控制系统 生命系统其他动力系统其他动力系统动力系统小结之一动力系统小结之一工质内能动能势能燃烧室反应堆化学能核能热能机械功热交换器流体机械电能发电机动力系统小结之二动力系统小结之二机

5、械功流体机械工质内能动能势能流体机械机械功热量压缩机机械功换热器换热器膨胀机or节流阀热量机械功动力系统小结之三动力系统小结之三动力系统的三大部件（按功能）动力系统的三大部件（按功能） 燃烧室（炉膛）燃烧室（炉膛） 换热器换热器 流体机械流体机械第二节第二节 能源与动力装置的分类能源与动力装置的分类一、流体机械一、流体机械分类分类v 根据流体是液体还是气体分为水力机械和气体机械；根据流体是液体还是气体分为水力机械和气体机械；v 根据能量是输出还是输入机械功可分为动力机械根据能量是输出还是输入机械功可分为动力机械( (或原动机或原动机) )和工作机械和工作机械；v 按工作原理又常分为速度式按工作

6、原理又常分为速度式( (叶片式叶片式) )、容积式、容积式( (往往复、回转复、回转) )和其它形式的流体机械和其它形式的流体机械( (如射流泵等如射流泵等) )。流体（液体和气体）为工质，与外界进行能量和质流体（液体和气体）为工质，与外界进行能量和质量传递的机械被称为流体机械。量传递的机械被称为流体机械。 流体机械分类表流体机械分类表 原动机 工作机可压缩 不可压缩 可压缩 不可压缩汽轮机 水轮机 透平压缩机 叶片泵燃气轮机 风机叶片式蒸汽机 液压马达 容积式压缩机 容积泵气压传动内燃机容积式容积式流体机械活塞式压缩机、活塞泵、柱塞泵、内燃机、膨胀机齿轮式：泵、压缩机、液压马达螺杆式：单螺杆

7、、双螺杆、三螺杆、五螺杆泵，压缩机，液压马达、膨胀机罗茨式：泵、风机滑片式：泵、压缩机和液压马达涡旋式：压缩机、泵、膨胀机滚动活塞式：压缩机、泵回转式往复式 容积式机器的特点：v 工作时形成一个封闭的工作腔v 工作腔的容积不断变化v 工作机构作用于流体的力是静压力v 流体的压力与速度没有直接的关系 叶片式流体机械： 转动的叶片; 连续绕流; 流体与外界的能量传递是通过旋转的叶片与流体的相互作用达到的，叶轮是叶片式流体机械中唯一与外界传递能量的部件。 叶片式流体机械分类 型式分类 流体 动力机械 工作机械速度式反动式冲动式径流式轴流式斜流式气体液体气体液体气体液体气体液体汽轮机膨胀机水轮机汽轮机

8、膨胀机水轮机汽轮机膨胀机水轮机汽轮机水轮机压缩机 鼓风机、风机泵 压缩机 鼓风机、风机泵压缩机 鼓风机、风机泵横流风机v 换热设备是动力工程中常见的能量(热能)交换装备。 二、二、 换热设备（热量交换）换热设备（热量交换）v 换热设备包括各种的热交换器和锅炉、燃烧器等，例如制冷装置中的蒸发器、冷凝器；火力发电装置中的省煤器、预热器、过热器、再热器、凝汽器、加热器等；燃气轮机装置内的中冷器、回热器等。v 热交换器一般是固体两边壁面的流体通过对流进行热交换，也有通过辐射、两流体直接接触等方式进行热交换的。 换热器的分类按流动方向分：顺流式、逆流式、错流式、混流式按传热方式分：间壁式、混合式、蓄热式

9、沉浸式、喷淋式、套管式、管壳式、翅片管式、热管式波纹平板式、板壳式、螺旋板式、板翅式 管式板式间壁式混合式蓄热式直接接触式如冷却塔 回热式或再生式 如热风炉 1. 间壁式：间壁式：(1) 管式(2)板式(3)(热热)管管式式2. 混合式混合式3. 蓄蓄热式热式 三、应用2010年有生产1000万辆汽车的能力，舰船、飞机、巡航导弹96年统计，人均发电900Kw.h，仅世界平均值的1/3，装机容量2.5亿KW， 2010年到5亿Kw。风机、泵、压缩机的用电量占全国发电量1/3左右。能源动力、电力、冶金、航空航天、石油、化工、药业、农业、矿业、天然气、激光、卫星、芯片。冰箱、空调（超1亿台/年）、冷

10、藏链、低温。 我国能源与动力领域和国际先进水平相比，差距仍很大。v火力发电的热效率很低，每度电消耗煤高达366克，比发达国家多45克。v一次能源转化成电力的比例只有22%，而发达国家平均为36%。v 工业炉的热效率一般为60%左右，而日本达到80%以上。v内燃机的油耗率也要比国际先进水平高8-15%。v我国人平均能耗仅为世界平均水平的1/3，而单位产值能耗则是世界上最高的国家之一。 基地总体参观一、实习的目的 了解流体机械和换热设备的分类、动力装置与这些机械设备的关系。二、 实习要求 根据参观和了解，写出第一次的报告：时间、地点、内容（记述）、小结。 单独计算学分。 三、三、 实习思考题实习思

11、考题1将表11中的各种机械的结构简图与实物模型对比，重点了解其中几种，建立一些实物模型的概念，例如径流式、活塞式2将表12中的各种热交换器的结构简图与实物模型对比，重点了解其中几种，建立一些实物模型的概念，例如管式、板式3根据流体流动方向，观察并说明所见到机器设备中面积（速度、压力）是如何变化？4观察所见到的系统装置，了解其中有几种流体流动，每种流体经过的部件分别是哪些机械和设备第三节第三节 工程热力学和流体力学基础工程热力学和流体力学基础热力学是一门研究能量的储存、转化和转移以及物质性质的科学。能量的储存形式有：内能（与温度相关联）、动能（由于运动引起）、势能（由于位置升高引起）和化学能（由

12、化学组成引起）。能量会从一种形式转化到其它的形式。能量以热或功的方式穿越边界进行转移。流体力学是研究流体在外力作用下平衡和运动规律的学科。一、物质的三态（一、物质的三态（p-v-Tp-v-T表面）表面）物质的三态：固体、液体和气体。固体、液体和气体三个状态之间的改变称为相变。v 固体变为液体称为熔解(或融化)v 液体变为固体叫做凝固v 固体变为气体的现象称为升华 反映三态关系的：二、流体的性质二、流体的性质v 基本状态参数、 、pT 是可测量的状态参数，被称为基本状态参数。通过基本状态参数可以导出其它参数。0.50.5dpa=( RT)d 临界参数当气体速度c与当地音速a相等时(即马赫数M=c

13、/a=1)，气体达到临界状态，相应的气体参数也被称为临界参数 。crcrcrpT、临界压力临界温度临界密度v 可压缩性dvd/v/dpdp 体积压缩率：流体的体积V随压力p变化的属性称为流体的压缩性 弹性系数：dpEd 流体的体积随温度T变化的属性称为流体的膨胀性 dv/vdT 体膨胀系数马赫数大马赫数大 弹性力小弹性力小 压缩性大压缩性大 M0.2M0.2常常看成不可压常常看成不可压马赫数2惯性力/弹性力v 粘性 流体抵抗变形的能力，是由流体的分子内聚力和流体层之间的动量交换引起的。 粘性切应力： dudy适用牛顿流体uy流向流向理想流体：du1dy粘性力0三、状态方程式三、状态方程式表述了

14、压力、温度和密度三个基本状态参数的关系状态方程式：pz RTz为压缩因子，z1时为理想气体，z可以大于1或小于1。有许多状态方程被推荐用于计算非理想气体的状态。2RTaPvbv如van der Waals状态方程：四、几个重要的热力学概念四、几个重要的热力学概念v 比热（容）质量比热：是单位质量气体的温度变化一度 时传递的热量。v 比内能v 比（热）焓v 比熵定压比热、定容比热v 五、典型的热力过程五、典型的热力过程 对于简单可压缩系统，有两个独立的状态参数。保持其中一个状态参数不变的过程被称为基本热力过程，如等温过程、等压过程、等容过程、等熵过程。 流体各状态参数都同时发生变化的过程被称为多

15、变过程，其过程方程式为 npvconst. 动力装置中，热能与机械能之间的转换都是由热力过程或热力过程组成的循环来完成。 n= 1，0，k六、热力循环及其评价六、热力循环及其评价特征:状态参数变化为零; 功、能量发生转换; 由不同过程组成正热力循环：是通过工质膨胀将热能转变成机械功输出的循环 。逆热力循环：输入机械功（或热能），对工质进行压缩而获得热量(热泵)或冷量(制冷)。 实现功与热能转换的循环是热力循环。 热力循环的完善程度评价动力循环：用热效率评价wQ制冷系数评价（制冷）供热系数评价（热泵）热力系统还会引入其它的评价方法，如熵方法、佣方法等。2QW1QW 逆循环：能量利用系数： 总称。

16、、 、七、连续性方程（质量守恒）七、连续性方程（质量守恒）uvw0txyz在一维定常流动中：mqAcconst对不可压缩流体：VqAcconst八、能量方程八、能量方程能量守恒：系统内能量变化=输入系统的能量-系统输出的能量 闭口系统qupdv 对于理想气体v21qc (TT )pdv开口系统 对于稳定流动，输入系统的能量系统输出的能量22111112222211qWup vgzcup vgzc22用热焓表示的方程：222121211qWhhg(zz )(cc )2对于开口系统，理想气体，并忽略位能的变化，则有：22p21211qWc (TT )(cc )2讨论：v 上述能量方程是包含热能和机

17、械能的能量守恒和转换方程，既适用于可逆过程也适用于不可逆过程。可逆时W不包括损失；不可逆时W中有损失；粘性引起的能量损失隐含在焓差或温差项中。v 运动部件，如叶轮、活塞连杆等，与外界交换机械能，W不等于0。v 静止部件，如喷嘴、扩压器等，与外界没有能量交换 ， h h* *=const =const 或或 h h1 1* * =h=h2 2* * T T* *=const =const 或或 T T1 1* * =T=T2 2* * 九、伯努利方程九、伯努利方程 伯努利方程是能量方程的另一种表达式，主要反映机械能守恒。 222212111Wvdp(cc )g(zz )W2v 使用条件是计算截面

18、上符合稳定流动、缓变流；v 对于与外界有热传递的可压缩流体，机械能守恒的原则受到破坏，此时伯努利方程便没有意义；v 计算截面之间与外界没有机械能交换时，W=0。v 对于不可压液体，引入水头（水轮机）或扬程（泵装置）H=W/g，此时该式表示为： 222212111Hvdp(cc )g(zz )H2任意两个截面i-j之间的参数关系可压缩流体：)/()() 1/(2) 1/()/(122jjjnnijijijijjjmjRTpTTppTkRkcckRkwTFqc不可压缩流体：jmj22jijijicq /( A )ccpp Wg(zz )W2式中的功W和损失W对于不同的机器有不同的表示方法。例11已

19、知一个直径 的圆管壁面和直径 的圆环、圆盘各一个面组成的通道，圆管壁面和圆环、圆盘面的中心相同，圆环与圆盘面之间宽 ，进口水流速 ，求通道出口流量和速度？1d100mm2d400mmb10mm1c10m/s例12管道中间有一台水泵，使水得到的机械能 是100J/kg，管道进口在水下2m管道进出口的高度相差10m，管道进、出口直径分别为0.4、0.32m，流量 为0.2513m/s，求系统的损失 、总的流动损失功率及水泵的理论功率。如果还已知除流动损失外的损失w为20J/kg，求泵的总功率？thwvqhydw第四节第四节 实际过程中常见的能量转换实际过程中常见的能量转换v 流体能量与外界机械功的

20、转换；v 热量交换；v 化学能与热能的转换。一、流体机械内的能量转换一、流体机械内的能量转换1、闭口系Wpdv1、dv02、不可压工质不作功3、与过程有关4、功与内能、热量相互转换5、膨胀功或压缩功6、宏观动能势能的变化可忽略7、不是实用的流体机械2、开口系稳定过程能量平衡：输入E1：推动功，壳体传热,输出E2：推动功, 输出轴功2122s12121wvdp(cc )g(zz )2 22212121sccqhhg(zz )w2开口系与闭口系的不同：1、机械功与工质的压力能、动能和位能相互转换2、多数情况下，压力变化项vdp 是主要的，dp03、vdp 的数值与热力学过程有关4、vdp 称为技术功vdppdv压缩过程功转换为热 压缩机、工作机膨胀过程热转换为功 膨胀机、原动机gydyvdp2y1Wvdp2p1Wvdp 对于不同的过程，将过程方程带入，则可得到具体的计算公式。定温过程pvconst12T.y21pvwpvlnRTlnpv1221pvqpvlnRTlnpv绝热（定熵）过程pvconst1gydygydysdypRWRT1(hh )1pq=0定容过程vconst12wv(pp )v21qc (TT )多变过程npvco