热能工程基础(1)

1、l第一章第一章 能源利用与动力工程概论（能源利用与动力工程概论（2学时）学时）l第二章第二章 热工理论基础（热工理论基础（8学时）学时）l第三章第三章 锅炉与换热器（锅炉与换热器（8学时）学时）l第四章第四章 制冷与空气调节（制冷与空气调节（4学时）学时）l第五章第五章 动力机械（动力机械（6学时）学时）l第六章第六章 热力发电工程（热力发电工程（4学时）学时）1-1 能源概论l一次能源与二次能源 一次能源指自然界中存在的天然能源。二次能源是由一次能源直接或间接加工转换而成的人工能源。l可再生能源与非再生能源 可重复产生的一次能源称为可再生能源。不能重复产生的自然能源称为非再生能源。l常规能源

2、与新能源 常规能源指技术上已经成熟、已大量生产并广泛利用的能源。新能源是指技术上正在开发、尚未大量生产和广泛利的能源。l清洁能源与非清洁能源 在开发和利用中对环境无污染或污染程度很轻的能源叫做清洁能源，否则为非清洁能源。 l化石燃料化石燃料煤炭、石油、天然气、油页岩和油砂煤炭、石油、天然气、油页岩和油砂l核燃料核燃料核聚变、核裂变核聚变、核裂变l太阳能太阳能光热转换、光电转换、光化学转换光热转换、光电转换、光化学转换l水能水能l风能风能l地热能地热能l海洋能海洋能l生物质能生物质能l热能热能来源：太阳热能、地热、燃料燃烧、核聚变、核裂变、机械能来源：太阳热能、地热、燃料燃烧、核聚变、核裂变、机

3、械能l机械能机械能来源：水力、风能、海洋能、热机（内燃机、燃气轮机、来源：水力、风能、海洋能、热机（内燃机、燃气轮机、蒸汽轮机）、电能转换蒸汽轮机）、电能转换l电能电能来源：热能、化学能、电磁能直接转换，机械能间接转换来源：热能、化学能、电磁能直接转换，机械能间接转换l结合能源资源和能源消费的特点，提出能源发结合能源资源和能源消费的特点，提出能源发展的长期规划，并严格执行，认真落实。展的长期规划，并严格执行，认真落实。l要抓好能源发展的战略重点。要抓好能源发展的战略重点。l高度重视新能源和可再生能源的开发和利用。高度重视新能源和可再生能源的开发和利用。一、热能转变成机械能的途径一、热能转变成机

4、械能的途径1、热能动力装置、热能动力装置燃料燃烧产生热能，在热能动力装置中将热能转化为机械能。燃料燃烧产生热能，在热能动力装置中将热能转化为机械能。内燃机、燃气轮机、蒸汽机、汽轮机等。内燃机、燃气轮机、蒸汽机、汽轮机等。2、工质、工质实现热能和机械能相互转化的媒介物质称为工质，是完成热实现热能和机械能相互转化的媒介物质称为工质，是完成热功转换所必需的载体。功转换所必需的载体。燃气、空气、水蒸汽、新型复合工质等。燃气、空气、水蒸汽、新型复合工质等。1、按能量转换方向分类、按能量转换方向分类原动机：将燃料的化学能、原子能和生物质能等所产生原动机：将燃料的化学能、原子能和生物质能等所产生的热能转换为

5、机械能的动力装置称为原动机。的热能转换为机械能的动力装置称为原动机。蒸汽机、蒸汽轮机、燃气轮机、内燃机等。蒸汽机、蒸汽轮机、燃气轮机、内燃机等。工作机：通过消耗机械能而使流体获得能量或使系统形工作机：通过消耗机械能而使流体获得能量或使系统形成真空的动力装置称为工作机。成真空的动力装置称为工作机。离心泵、真空泵、风机、螺杆泵、压缩机等。离心泵、真空泵、风机、螺杆泵、压缩机等。2、按机械运动方式分类、按机械运动方式分类回转式：转子或叶轮在缸内做回转运动以实现能量的转换。回转式：转子或叶轮在缸内做回转运动以实现能量的转换。蒸汽轮机、燃气轮机、离心泵、真空泵、风机等。蒸汽轮机、燃气轮机、离心泵、真空泵

6、、风机等。往复式：活塞在气缸内做往复运动而实现能量的转换。往复式：活塞在气缸内做往复运动而实现能量的转换。蒸汽机、汽油机、柴油机、柱塞泵、往复式压缩机等。蒸汽机、汽油机、柴油机、柱塞泵、往复式压缩机等。3、按工质流动方式分类、按工质流动方式分类轴流式：流体的主要运动方向与旋转轴平行。轴流式：流体的主要运动方向与旋转轴平行。蒸汽轮机、燃气轮机、轴流式压气机等。蒸汽轮机、燃气轮机、轴流式压气机等。径流式：流体的主要运动方向为沿着旋转轴的直径方向。径流式：流体的主要运动方向为沿着旋转轴的直径方向。离心泵、离心式压缩机、向心透平等。离心泵、离心式压缩机、向心透平等。混流式：液体的主要运动方向与旋转轴成

7、某一锐角。混流式：液体的主要运动方向与旋转轴成某一锐角。4、按用途分类、按用途分类发动机、泵、风机、压缩机等。发动机、泵、风机、压缩机等。一、热经济性一、热经济性1、循环的热经济指标、循环的热经济指标l热经济性是评价热能动力设备性能优劣的一个重要热经济性是评价热能动力设备性能优劣的一个重要指标。指标。 经济指标经济指标=得到的收获得到的收获/花费的代价花费的代价 （1）热能动力循环）热能动力循环l热效率等于循环功与吸热量的比值。热效率等于循环功与吸热量的比值。 12121101qqqqqqwt（2）制冷循环）制冷循环l 制冷系数制冷系数 等于从低温热源带走的热量与制冷循环等于从低温热源带走的热

8、量与制冷循环耗功量的比值。耗功量的比值。 c21202qqqwqc（3）热泵循环）热泵循环l热泵系数热泵系数 等于向高温热源放出的热量与循环耗功等于向高温热源放出的热量与循环耗功的比值。的比值。h21101qqqwqh2、提高循环热经济性的途径、提高循环热经济性的途径 定性分析，利用循环的平均吸热温度定性分析，利用循环的平均吸热温度 ，循环的平，循环的平均放热温度均放热温度 来进行分析。来进行分析。（1）热能动力循环）热能动力循环1T2T12121211011TTqqqqqqwt（2）逆向循环）逆向循环 对制冷循环与热泵循环对制冷循环与热泵循环21221202TTTqqqwqc21221121

9、1011TTTTTTqqqwqh二、功率二、功率功率：作功快慢程度的量度，通常用单位时间内所作的功率：作功快慢程度的量度，通常用单位时间内所作的功或消耗的功来表示。功或消耗的功来表示。 原动机功率的大小直接反映了设备进行热功转换的能力，工原动机功率的大小直接反映了设备进行热功转换的能力，工作机功率的大小则表示了设备工作时需要向设备输入的功。作机功率的大小则表示了设备工作时需要向设备输入的功。额定功率：原动机长期连续运行中所能保持的最大功率。额定功率：原动机长期连续运行中所能保持的最大功率。单位用单位用kW来表示。来表示。 蒸汽轮机、燃气轮机、内燃机最大功率依次降低。（蒸汽轮机、燃气轮机、内燃机

10、最大功率依次降低。（1300、226、40MW）经济功率：设计机器时作为热力计算依据的功率。一般经济功率：设计机器时作为热力计算依据的功率。一般电厂运行时常在满负荷状态下，经济功率即为额定电厂运行时常在满负荷状态下，经济功率即为额定功率，而发动机则较少在满负荷下工作，经济功率功率，而发动机则较少在满负荷下工作，经济功率通常小于额定功率。通常小于额定功率。三、体积与重量三、体积与重量 体积与重量也是评价热能动力设备的一项重要指标。体积与重量也是评价热能动力设备的一项重要指标。 同一类设备，容量越大，单位重量功率越小，机组的制造成本就越低。同一类设备，容量越大，单位重量功率越小，机组的制造成本就越

11、低。四、其它评价指标及热能动力设备应用范围四、其它评价指标及热能动力设备应用范围1、其它评价指标、其它评价指标l排放排放l使用寿命使用寿命l变负荷能力变负荷能力l使用燃料使用燃料l装置效率装置效率l循环热经济指标仅仅是动力循环热经济性，不能准确反映整个装置循环热经济指标仅仅是动力循环热经济性，不能准确反映整个装置的热效率。热功转换全过程的经济性必须用装置效率来衡量。的热效率。热功转换全过程的经济性必须用装置效率来衡量。2、热能动力设备的应用范围、热能动力设备的应用范围l蒸汽轮机蒸汽轮机优点：单机功率大、效率较高、运行平衡可靠、使用寿命长，能使用各种廉优点：单机功率大、效率较高、运行平衡可靠、使

12、用寿命长，能使用各种廉价燃料，是火力发电厂的主要原动机，也可作为大型船舶及军舰的推价燃料，是火力发电厂的主要原动机，也可作为大型船舶及军舰的推进动力，也可驱动大型工作机。还可满足生产和生活用汽、用热的需进动力，也可驱动大型工作机。还可满足生产和生活用汽、用热的需要，实现高效益的热电联产。要，实现高效益的热电联产。缺点：体积庞大、变负荷能力差、须配套有锅炉、凝汽器、水泵、水处理等缺点：体积庞大、变负荷能力差、须配套有锅炉、凝汽器、水泵、水处理等设备，机动化差，不便于移动。设备，机动化差，不便于移动。l燃气轮机燃气轮机优点：单机功率较大，效率较高，转速高，运行可靠，重量较轻，体积较小，优点：单机功

13、率较大，效率较高，转速高，运行可靠，重量较轻，体积较小，启动快，负荷适应性好，维护方便，自动化程度高，无太多附属设备启动快，负荷适应性好，维护方便，自动化程度高，无太多附属设备及复杂的热力系统，电力系统中常用作承担尖峰负荷和半尖峰负荷的及复杂的热力系统，电力系统中常用作承担尖峰负荷和半尖峰负荷的调峰机组，或作为燃气调峰机组，或作为燃气-蒸汽联合发电装置的主力设备之一。也可作为蒸汽联合发电装置的主力设备之一。也可作为移动式电站、列车电站及机车的原动机。船舶领域作为加速机组占有移动式电站、列车电站及机车的原动机。船舶领域作为加速机组占有绝对主力地位。绝对主力地位。缺点：单机功率较小，运行寿命较短，

14、燃料种类要求较高。缺点：单机功率较小，运行寿命较短，燃料种类要求较高。l内燃机内燃机优点：热效率高，体积小，重量轻，移动灵活，操作方便，启动快，负荷适优点：热效率高，体积小，重量轻，移动灵活，操作方便，启动快，负荷适应性强，没有附属设备。应用于交通运输、工业机械、农业机械等领应性强，没有附属设备。应用于交通运输、工业机械、农业机械等领域，或小型应急性发电装置的原动机。域，或小型应急性发电装置的原动机。缺点：一般为往复式机械，噪音较大，转速低，功率小，运行寿命较短，燃缺点：一般为往复式机械，噪音较大，转速低，功率小，运行寿命较短，燃料种类要求高，不能用作电厂的原动机。料种类要求高，不能用作电厂的

15、原动机。五、热能动力设备的主要技术参数五、热能动力设备的主要技术参数1、锅炉、锅炉（1）蒸发量）蒸发量 t/h （2）蒸汽参数）蒸汽参数 （3）给水温度）给水温度 （4）锅炉效率）锅炉效率 2、汽轮机、汽轮机 （1）蒸汽参数）蒸汽参数 （2）排汽参数）排汽参数 （3）容量）容量 （4）相对内效率）相对内效率 表征汽轮机本身热功转换完善程度的指标，其值等表征汽轮机本身热功转换完善程度的指标，其值等于蒸汽在汽轮机中的实际作功与蒸汽具有的作功能于蒸汽在汽轮机中的实际作功与蒸汽具有的作功能力之比。力之比。ir,（5）热经济指标）热经济指标绝对内效率绝对内效率 -是衡量汽轮机组热经济性的指标，等于是衡量

16、汽轮机组热经济性的指标，等于汽轮机输出的有用功与工质的吸热量之比，即相对内汽轮机输出的有用功与工质的吸热量之比，即相对内效率效率 与循环热效率与循环热效率 的乘积。的乘积。汽轮机组的热耗率汽轮机组的热耗率 -每生产每生产3.6106J（1kW.h）机）机械能所消耗的热量（工质的吸热量，不含锅炉热损失）械能所消耗的热量（工质的吸热量，不含锅炉热损失）汽轮机装置的热经济性：汽轮机装置的热经济性：还需考虑锅炉效率还需考虑锅炉效率 ，装置的热耗率，装置的热耗率 为生产为生产1kW.h机机械能所消耗燃料的热量械能所消耗燃料的热量iir,t qiq3600 Bqq/ Bq3、燃气轮机、燃气轮机（1）容量（

17、）容量（2）转速（）转速（3）空气流量（）空气流量（4）燃料）燃料（5）温比：表示工质在燃气轮机装置中被加热的程度。）温比：表示工质在燃气轮机装置中被加热的程度。其值为循环最高滞止绝对温度与压气机进气绝对温度其值为循环最高滞止绝对温度与压气机进气绝对温度之比。温比越高，热经济性越好，但对耐热材料与冷之比。温比越高，热经济性越好，但对耐热材料与冷却技术的要求也越高。却技术的要求也越高。（6）压比：表示工质被压缩的程度。其值等于压气机出）压比：表示工质被压缩的程度。其值等于压气机出口滞止压力与进口滞止压力之比。压比与温比的配合，口滞止压力与进口滞止压力之比。压比与温比的配合，对循环性能起着决定性的

18、影响。对循环性能起着决定性的影响。 （7）比功：指单位质量工质所作的有用功。发动机比功）比功：指单位质量工质所作的有用功。发动机比功越大，发出一定功率所需的流量就越小，发动机和进、越大，发出一定功率所需的流量就越小，发动机和进、排气管道的尺寸就越小。装置比功则指流过燃气轮机排气管道的尺寸就越小。装置比功则指流过燃气轮机单位质量空气所作的有用净功，也就是气耗率的倒数，单位质量空气所作的有用净功，也就是气耗率的倒数，近似等于透平比功近似等于透平比功 与压气机比功与压气机比功 之差。之差。TWCW（8）有用功系数）有用功系数 装置比功与透平比功的比值，因而有时也称为功比。装置比功与透平比功的比值，因

19、而有时也称为功比。它表明变工况时装置性能对各部件性能变化的敏感它表明变工况时装置性能对各部件性能变化的敏感性。性。（9）内效率）内效率 内效率与汽轮机相对内效率含义相同，等于燃气在内效率与汽轮机相对内效率含义相同，等于燃气在透平中的实际作功与燃气具有的作功能力之比。透平中的实际作功与燃气具有的作功能力之比。（10）装置热效率）装置热效率 装置输出功与输入的燃料热量之比。表征燃气轮机装置输出功与输入的燃料热量之比。表征燃气轮机装置热功转化的完善程度，是发动机热经济性的重装置热功转化的完善程度，是发动机热经济性的重要指标。要指标。 热耗率热耗率 即为生产即为生产1kW.h机械能所消耗燃料的热量机械

20、能所消耗燃料的热量ir,3600qq4、内燃机、内燃机（1）功率）功率指示功率指示功率-发动机单位时间内所作的指示功。发动机单位时间内所作的指示功。有效功率有效功率-从发动机功率输出轴上所得到的净功率。从发动机功率输出轴上所得到的净功率。机械效率机械效率-有效功率与指示功率之比。发动机功率是指有效功率与指示功率之比。发动机功率是指 发动机最大有效功率。发动机最大有效功率。（2）转速（）转速（3）气缸直径（）气缸直径（4）活塞行程（）活塞行程（5）活塞平均）活塞平均速度（速度（6）燃料（）燃料（7）循环冲程数（）循环冲程数（8）气缸数）气缸数（9）平均有效压力和升功率）平均有效压力和升功率平均有

21、效压力平均有效压力-发动机单位气缸工作所发出的有效功。发动机单位气缸工作所发出的有效功。它是衡量发动机动力性能的一个重要指标。对于气缸它是衡量发动机动力性能的一个重要指标。对于气缸总工作容积一定的发动机而言，其平均有效压力反映总工作容积一定的发动机而言，其平均有效压力反映了发动机输出扭矩的大小。了发动机输出扭矩的大小。升功率升功率-标定工况下发动机每升气缸工作容积所发出的标定工况下发动机每升气缸工作容积所发出的有效功率。升功率与平均有效压力和转速的乘积成正有效功率。升功率与平均有效压力和转速的乘积成正比。比。（10）有效热效率和比油耗）有效热效率和比油耗有效热效率有效热效率-实际循环有效功与得到此有效功所消耗的实际循环有效功与得到此有效功所消耗的热量之比值。热量之比值。比油耗比油耗-单位有效功的耗油量。单位有效功的耗油量。 5、泵与风机、泵与风机（1）流量）流量 泵与风机在单位时间内所输送的流体量。泵与风机在单位时间内所输送的流体量。（2）扬程（风压）扬程（风压） 泵的扬程指泵的扬程指1kg液体从泵进口到泵出口所获得的能量增加量。液体从泵进口到泵出口所获得的能量增加量。 风机的风压指全压，包括静压与动压。指风机的风压指全压，包括静压与动压。指1m3气体流过风机气体流过风机时所获得的能量增加值。时所获得的能量增加值。（3）转速）转速（4）功率