锅炉热力系统演示要点课件

第一章基本概念

教学目标:使学生熟练掌握热力学研究的基本概念。知识点：热力系统；工质热力状态及基本状态参数；平衡状态；准静态过程、可逆过程；热力循环。重点：三种典型的热力系统；p、v、T三个状态参数的物理意义；测温测压装置；绝对压力和相对压力的计算；可逆过程的判定准则。难点：使学生理解并掌握抽象的热力学基本概念，是本章的难点。第一章基本概念教学目标:使学生熟练掌握热力学研究的基11-1热能在热机中转变为机械能的过程1-1热能在热机中转变为机2

内燃机的工作原理图活塞曲柄连杆机构气缸内燃机的工作原理图活塞曲柄连杆机构气缸3两冲程内燃机工作过程进气排气两冲程内燃机工作过程进气排气4四冲程内燃机工作过程进气排气四冲程内燃机工作过程进气排气5内燃机（汽油机）燃气热能机械能燃料化学能排入大气压缩燃烧、膨胀吸气排气工作过程：能量转换：工作物质：燃气内燃机（汽油机）燃气机械能燃料排入大气压缩吸气工作过程：能量6蒸汽动力装置流程简图蒸汽动力装置流程简图550℃过热器锅炉给水泵冷凝器冷却水汽轮机发电机QQ12W20℃高温高压蒸汽Wp蒸汽动力装置流程简图蒸汽动力装置流程简图550℃过锅给水泵冷7汽轮机水泵冷凝器锅炉1-2简单蒸汽动力循环过程图锅炉(热源):燃料燃烧产生热量,将水变成蒸汽(吸热过程)汽轮机:将蒸汽携带的热能→动能→转子旋转机械能(对外作功过程)冷凝器(冷源):将作功后的低温低压蒸汽凝结成水(对外放热过程)水泵:提高水的压力,将水送入锅炉(消耗外功)工质:水问题:由哪些典型过程组成?汽轮机水泵冷凝器锅炉1-2简单蒸汽动力循环过程图锅炉8热动力装置工作过程的共同点:1.从高温热源吸热(吸热过程)2.将其中一部分转变为功(对外作功过程)3.将其余部分传给低温热源(对外放热过程)4.工质提高压力需要耗功(消耗外功)热动力装置工作过程的共同点:91-2热力系（或称热力系统）

一、热力系的定义

通常根据所研究问题的需要，人为地划定一个或多个任意几何面所围成的空间作为热力学的研究对象。这种空间内的物质的总和称为热力学系统,简称为系统或热力系。系统以外的一切物质统称为外界。系统与外界的界面称为边界。系统与外界之间，通过边界进行能量的传递与物质的迁移。1-2热力系（或称热力系统）一、热力系的定义10界面的特性:可以是真实的，也可以是虚拟的；可以是固定的，也可以是运动的。界面的特性:可以是真实的，11界面热源外界外界热力系统热力系、界面、外界例Ⅰ研究气缸中的气体。是什么热力系？界面热外界外界热力系统热力系、界面、外界例Ⅰ研究气缸中的气体12热力系、界面、外界界面热源外界外界热力系统续4热力系、界面、外界界面热外界外界热力系统续413热力系、界面、外界界面热源外界外界热力系统续4热力系、界面、外界界面热外界外界热力系统续414界面热源外界外界热力系统续4热力系、界面、外界界面热外界外界热力系统续4热力系、界面、外界15界面热源外界外界热力系统热力系、界面、外界续4界面热外界外界热力系统热力系、界面、外界续416系统系统界面热力系、界面、外界例Ⅱ研究气缸中的气体(打开阀门)。是什么热力系？系统系统界面热力系、界面、外界例Ⅱ研究气缸中的气体(17系统界面外界外界热力系、界面、外界例Ⅲ系统界面外界外界热力系、界面、外界例Ⅲ18热力系、界面、外例Ⅳ系统界面热力系、界面、外例Ⅳ系统界面19热二、热力系统的分类物质功功热物质物质功物质绝热热力系孤立热力系闭口热力系开口热力系(一)按系统与外界之间的相互联系划分：1.闭口系—与外界无物质交换的热力系。2.开口系—与外界有物质交换的热力系。3.绝热系—与外界无热量交换的热力系。4.孤立系—与外界无任何联系的热力系。热二、热力系统的分类物质功功热物质物质功物质绝热热力系孤立热20闭口热力系闭口热力系21开口热力系开口热力系22开口举例热力系（管道）稳定流动开口系统开口举例热力系（管道）稳定流动开口系统23开口热力系续15开口热力系续1524开口热力系（锅炉示意图）来自水泵过热器炉墙蒸发管去汽轮机燃料与空气开口热力系（锅炉示意图）来自水泵过热器炉墙蒸发管去汽轮机燃料25锅炉的简化热力学分析模型(主要考虑蒸汽的发生)热力系热量（热源）(高温蒸汽)物质(锅炉给水)物质锅炉的简化热力学分析模型锅炉的简化热力学分析模型热力系热量（热源）(高温蒸汽)物质26开口热力系汽轮机去凝汽器调速器来自锅炉喷管叶片汽轮机发电机开口热力系汽轮机示意图开口热力系汽轮机去凝汽器调速器来自锅炉喷管叶片汽轮机27轴功（水蒸汽）物质汽轮机的简化热力学分析模型热力系（水蒸汽）物质汽轮机的简化热力学分析模型轴功（水蒸汽）物质汽轮机的简化热力学分析模型热力系（水蒸汽）28来自汽轮机的水蒸汽去水泵的凝结水冷却水冷却水开口热力系（冷凝器）来自汽轮机的水蒸汽去水泵的凝结水冷却水冷却水开口热力系（冷凝29(凝结水）

物质蒸汽放热给冷却水冷凝器的简化热力学分析模型热力系（水蒸汽）物质冷凝器的简化热力学分析模型

(主要考虑蒸汽的凝结)(凝结水）物质蒸汽放热给冷却水冷凝器的简化热力学分析模型热30蒸汽动力装置流程简图蒸汽动力装置流程简图蒸汽动力装置流程简图蒸汽动力装置流程简图31冷却水带走热量（工质放热量）向外输出功（汽轮机）（水泵耗功）（工质吸热量）蒸汽动力装置的简化热力学分析模型热力系向系统输入功热源供热蒸汽动力装置的简化热力学分析模型冷却水带走热量（工质放热量）向外输出功（汽轮机）（水泵耗功）32（二）按照系统内部的情况可划分1.均匀热力系—系统内部各部分化学成分和物理性质都均匀一致的系统，它是由单相组成的。2.非均匀热力系—由两个或两个以上的相态组成的热力系。3.单元热力系—由一种化学成分组成的热力系。4.多元热力系—由两种或两种以上物质组成的热力系。5.可压缩系统—由可压缩流体组成的热力系。6.简单可压缩系统—与外界只有热量和机械功交换的可压缩系统。热力系统的分类Ⅱ（二）按照系统内部的情况可划分1.均匀热力系—系统内部各部分331-3工质的热力学状态及其基本状态参数一、热力学状态

定义:工质在热力变化过程中某一瞬间所呈现的全部宏观物理状况。二、平衡状态的描述在不受外界影响（重力场除外）的条件下，如果系统宏观特性不随时间变化，则该系统所处的状态称为平衡状态。状态和平衡状态实现平衡的充要条件：无内部、外部势差。1-3工质的热力学状态及其基本状态参数一、热力学状态二、34描述工质宏观特性的物理量称为状态参数。２.热力学中常用的状态参数温度、压力、比容、热力学能（内能）、焓、熵。１.状态参数的数学特性或如果某物理量具有上述数学特性，它就是状态参数。三、状态参数描述工质宏观特性的物理量称为状态参数。２.热力学中常用的状态35３.状态参数的分类

①基本状态参数能够用仪器仪表直接或间接测量的参数称为┄。②导出状态参数不能用仪器仪表直接或间接测量的参数称为┄。如：温度、压力、比容如：热力学（内能）、焓、熵。１）按能否用仪器或仪表进行直接或间接测量划分３.状态参数的分类①基本状态参数②导出状态参数36２）按与系统内包含物质多少有无关系划分①强度参数——与系统内包含物质的多少无关。②广延参数——与系统内包含物质的多少有关。如：温度、压力、比容、比内能、比焓、比熵等。如：总内能、总焓、总熵等。２）按与系统内包含物质多少有无关系划分①强度参数——与系统内37四、基本状态参数１.比容、密度和重度①比容单位质量物质所占有的容积，称为比容。表达式②密度单位容积的物质所具有的质量，称为密度。表达式表达式③重度单位容积内所含有物质的重量，称为重度。四、基本状态参数１.比容、密度和重度①比容单位质量物质38２.压力热力系的单位面积上所受到的垂直作用力。表达式或上式计算出的是热力系的真实压力称为绝对压力

p。由压力表测量出来的压力称为表压力

pg。由气压计测量出来的压力称为大气压力

pb。表压力pg、大气压力pb和绝对压力p之间的关系如下：常用的压力单位间的关系２.压力热力系的单位面积上所受到的垂直作用力。表达式或上39U形管式压力计示意图真空度U形管式压力计示意图U形管式压力计示意图真空度U形管式压力计示意图403.温度１）热力学第零定律与第三个系统处于热平衡的系统，彼此也处于热平衡。２）温度将描述热平衡的这一宏观特性的物理量，称为温度。３）温标为进行温度测量，需要有温度的数值表示方法，测量温度的标尺称为温标。建立任何一种温标都要选择测温物质及其物质的特性、规定温标的基准点及分度方法。状态参数温度3.温度１）热力学第零定律２）温度３）温标建立任何一种温标都41②热力学温标ＴＫ常用的温标①摄氏温标

t℃基准点：标准大气压力下纯水的冰点和沸点温度为基准点，规定冰点温度为0℃。沸点温度为100℃。分度方法：认定测温物质的测温属性随温度的变化是线性的。0℃与100℃这两个基准点之间分成100等分,每一等分为1度。基准点：纯水的汽、液、固三相平衡共存的状态点(三相点)为基准点，并规定它的温度为273.16K。

t=T—273.15热力学温标与摄氏温标之间的关系：常用的温标②热力学温标ＴＫ常用的温标①摄氏温标t℃基准点：标准42常用温标绝对K摄氏℃

华氏F100373.150.01273.160273.15-17.80-273.1521237.8100032-459.670冰熔点水三相点盐水熔点发烧水沸点常用温标绝对K摄氏℃华氏F100373.150.01273431-4平衡状态,状态方程,坐标图一、平衡状态定义:一个热力系,如果在不受外界影响下,系统的状态能够始终保持不变,则系统的这种状态称为平衡状态.热平衡状态力平衡状态化学平衡状态问题：如何定量描述工质的状态？1-4平衡状态,状态方程,坐标图一、平衡状态问题：如何定44平衡与稳定稳定：参数不随时间变化稳定不一定平衡，但平衡一定稳定平衡与稳定稳定：参数不随时间变化稳定不一定平衡，但平衡一定稳45平衡与均匀平衡：时间上均匀：空间上平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的平衡与均匀平衡：时间上平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀46二、状态方程对于简单可压缩系统,状态方程:或三、状态参数坐标图1反映工质处于平衡状态时基本状态参数之间的关系式，称为状态方程。二、状态方程对于简单可压缩系统,状态方程:或三、状态参数坐标471-5工质的状态变化过程1系统状态的连续变化称为系统经历了一个热力过程简称过程。12pv21-5工质的状态变化过程1系统状态的连续变化称为系统经历481一、准静态过程(准平衡过程)1、针阀的开度非常小（Δp→0），内部无压差；过程实施的假设条件：4、活塞与汽缸壁无摩擦；5、在任何时刻，工质1的内部是均匀的。2、工质内部无温差；3、工质内部无化学反应；1一、准静态过程(准平衡过程)1、针阀的开度非常小（Δp→04912v21p一、准静态过程(准平衡过程)212v21p一、准静态过程(准平衡过程)250

准静态过程:若过程进行得很缓慢,工质在平衡被破坏后自动回复平衡所需要的时间(即所谓的弛豫时间)又短,工质有足够的时间来恢复平衡,随时都不致于显著偏离平衡状态,这样的过程称为准静态过程。

准静态过程又称为准平衡过程。只有准静态过程才能在坐标图中用连续曲线表示。

实际过程都是不平衡的。准静态过程:若过程进行得很缓慢,工质在平衡被51准静态过程有实际意义吗？既是平衡，又是变化既可以用状态参数描述，又可进行热功转换疑问：理论上准静态应无限缓慢，工程上怎样处理？准静态过程有实际意义吗？既是平衡，又是变化既可以用状态参数描52准静态过程的工程条件破坏平衡所需时间（外部作用时间）恢复平衡所需时间（驰豫时间）>>有足够时间恢复新平衡

准静态过程准静态过程的工程条件破坏平衡所需时间恢复平衡所需时间>>有足53准静态过程的工程应用例：活塞式内燃机2000转/分曲柄2冲程/转，0.15米/冲程活塞运动速度=200020.15/60=10m/s压力波恢复平衡速度（声速）350m/s破坏平衡所需时间（外部作用时间）>>恢复平衡所需时间（驰豫时间）一般的工程过程都可认为是准静态过程具体工程问题具体分析。“突然”“缓慢”准静态过程的工程应用例：活塞式内燃机2000转/分活塞运动54可逆过程的描述：系统经历一个过程后，如令过程逆行而能使系统与外界同时恢复到初始状态而不留下任何痕迹，则此过程称为可逆过程。可逆过程的描述注意：可逆过程只是指可能性，并不是指必须要回到初态的过程。二、可逆过程可逆过程的描述：可逆过程的描述注意：可逆过程只是指可能性，并55可逆过程的实现准静态过程+无耗散效应=可逆过程无不平衡势差通过摩擦使功变热的效应(摩阻，电阻，非弹性变性，磁阻等）不平衡势差

不可逆根源耗散效应

耗散效应可逆过程的实现准静态过程+无耗散效应56典型的不可逆过程不等温传热节流过程(阀门）自由膨胀混合过程典型的不可逆过程不等温传热节流过程自由膨胀混合过程57可逆过程与准平衡过程的区别：1.可逆过程一定是准平衡过程；2.准平衡过程不一定是可逆过程。实际过程都是不可逆过程！可逆过程与准平衡过程的区别：1.可逆过程一定是准平衡过程；258三、循环过程工质从一个状态出发经过一系列的状态变化又回到了原来的状态称之经历了一个热力循环。v1pvp可逆循环不可逆循环循环过程及在坐标图上的表示三、循环过程工质从一个状态出发经过一系列的状态变化又回到了原591-6过程功和热量一、功的定义定义:力和力的方向上位移的乘积.对于过程1-2:

符号约定:热力系统对外输出功为正,外界对系统作功为负.

1-6过程功和热量一、功的定义对于过程1-2:符60二、可逆过程的功

二、可逆过程的功61功有何性质?1.是过程量,不是状态量2.其大小与初、终状态有关,也与路径有关v1p2ab功有何性质?1.是过程量,不是状态量2.其大小与初、终状态有62三、过程热量定义:热力系和外界之间仅仅由于温度不同而通过边界传递的能量.计算公式:sT21热量单位:J,kJ三、过程热量sT21热量单位:J,kJ63微小热量：>0表示系统从外界吸热；<0表示系统向外界放热。总热量：积分与过程有关。热量是过程量系统可以和外界交换热量微小热量：>0表示系统从外界吸热；总热量：积分与64熵（Entropy）的定义熵的简单引入比参数[kJ/kg.K]ds:

可逆过程

qrev除以传热时的T所得的商

广延量[kJ/K]熵（Entropy）的定义熵的简单引入比参数[kJ/k65热量与容积变化功能量传递方式容积变化功传热量性质过程量过程量

推动力压力p

温度T标志dV,dvdS,ds公式条件准静态或可逆可逆热量与容积变化功能量传递方式容积变化功66循环过程——物质系统经历一系列状态变化过程又回到初始状态，称这一周而复始的变化过程为循环过程。热机——持续不断地将热转换为功的装置。工质——在热机中参与热功转换的媒介物质。1-7热力循环PV01243一、循环概说

循环过程——物质系统经1-7热力循环PV01243一、循67循环过程的特点——经一个循环后系