能源动力装置基础01a

?能源与动力装置根底?任课教师：刘华堂华中科技大学能源学院文华学院2021

1?能源与动力装置根底?使用教材：?能源与动力装置根底?主编：何国庚出版社：中国电力出版社2007年版2第一章根底知识第一节绪论一、能源能源、材料和信息是当前经济开展的三大支柱；分类：常规能源和新能源：煤、石油、天然气，水力能，风能，生物质等为常规能源；太阳能、核能、地热能、海洋潮汐能等为新能源。一次能源和二次能源：一次能源是指自然界中存在的天然能源，如煤、石油、天然气，草木燃料，太阳辐射能；水力，风力，波浪能，地热能，原子〔铀、釷、氘〕能等。凡依靠一次能源支取、转换的能源称为二次能源，如电能、煤气、甲醇、石油成品油等。非再生能源和再生能源：存在于地球，如煤、石油、天然气和铀、釷、氘等为非再生能源；在自然界循环、可被重复使用的能源为再生能源，如水力，风力，草木燃料等。3现代社会的主要能源形式：机械能、电能、热能。机械能：局部来源于一次能源中的水力、风力、海流、潮汐和波浪，大局部是通过热机从热能转换得来的，或者是由电动机转换得来的。电能〔电力〕：是当今社会应用最广泛、使用最方便、最清洁的能源。它是由一次能源转换得来的。热能：其获取方式有太阳热、地热、核反响，常规能源燃烧等得到。4.常规能源的合理开发和综合利用是十分必要的；能源和动力状态决定了一个国家的综合国力。二、热能动力专业研究对象：研究能量以热和功等形式在生产、转化、传递过程中的根本规律及相关设备及系统。三、电能和热能：电能是一种最清洁、使用最方便的能源。有火电、水电、核电、风力发电、地热发电等。热能是最遍的能源之一。4四、发电形式：〔一〕火力发电〔图1-1〕1.主机和辅机：三大主机，锅炉、汽轮机、发电机；主要辅机，风机、水泵、加热器、冷凝器、除氧器、制粉设备等。2.生产过程：煤粉燃烧将化学能转化为高温烟气的热能，热能通过锅炉的省煤器、水冷壁、过热器〔再热器〕使工质水变成过热蒸汽，蒸汽推动汽轮机旋转，将热能转化为旋转机械能，以带动发电机发电〔电能〕。汽轮机的排汽排凝汽器凝结成水；水通过低压加热器、除氧器、给水泵、高压加热器送锅炉的省煤器，完成闭合循环。567〔二〕核电：与火电不同之处：核燃料代替煤，核反响堆代替锅炉，其余的与火电根本相同。〔图1-2〕图1-28〔三〕水电：水的动能和位能通过水轮机转化为旋转机械能，带动发电机发电〔电能〕。9〔四〕燃汽轮机发电：利用液体或气体燃料在燃汽轮机中燃烧产生高温燃气〔烟气〕，冲动燃汽轮机旋转，以带动发电机发电〔电能〕。为了提高循环热效率，通常采用燃气—蒸汽联合循环〔以下图〕

此外，还有地热发电、磁流体发电、海洋潮汐发电、风力发电、太阳能发电、燃料电池等发电形式。10五、制冷循环：

正循环：前面所述各种发电装置是通过工质膨胀将热能转化为机械能输出

的循环，是正循环；

反循环：而输入机械功〔或加热〕对工质进行压缩以获得热量〔热泵〕或

制冷量〔制冷〕的循环是反循环。〔图1-4〕11〔一〕蒸汽压缩式制冷装置〔图1-5a〕主要部件：压缩机、冷凝器、节流〔膨胀〕机构、蒸发器。工作过程：①对压缩机输入机械功，以转换成工质的压力能和热能；②压缩机出来的高温高压工质〔蒸汽〕在冷凝器中放出热量并冷却为饱和液体；③液体通过节流膨胀成低温低压湿蒸汽；④湿蒸汽在蒸发器蒸发、吸热而使外界获得冷量。⑤蒸发器出来的干蒸汽又回到压缩机中。其中，冷凝器、蒸发器是换热设备，压缩机为运动机械〔图1-5a〕。而在图1-5c中是通过膨胀机实现工质膨胀的。12图1-5〔b)为吸收式制冷装置13第二节分类和应用一、分类：〔一〕流体机械：以流体为工质，与外界进行传递热量和质量的机械称为流体机械。其分类有：水力机械和气体机械；动力机械和工作机械等。按工作原理有：分速度式、容积式和其他形式。〔表1-1〕动力机械〔原动机〕：有汽轮机、燃气轮机、水轮机、风力机、内燃机、膨胀机等。由热能向机械能转变的动力机械称为热能动力机械〔热机〕。如汽轮机、燃气轮机、内燃机等。外燃机〔如汽轮机、燃气轮机〕和内燃机〔汽油机和柴油机〕。水轮机、风力机工作原理和汽轮机相同。142.速度式流体机械：其特点是都具有叶轮，也称叶轮机械。流体是连续的。3.容积式流体机械：其特点是都具有活塞在汽缸中往返运动；而回转容积式机械的转子与机壳组成的空间容积发生变化，流体参数要变化。喷射式流体机械：其工作原理为高压工作流体通过喷管形成高速射流，其区域内压力大大降低，从而被引入射流体，其后二者混合，使被引射流体得到能量。如电厂的抽气器〔喷射式真空泵〕。15〔二〕换热设备：火电厂有锅炉：省煤器、空气预热器、水冷壁、过热器〔再热器〕、凝汽器、加热器等。制冷装置中有：蒸发器、冷凝器。形式有：顺流式、逆流式、错流式、混流式等。按传热方式分：间壁式、混合式、蓄热式〔表1-2〕。而间壁式又分:管式和板式。热管：是一种新型的换热设备，是高性能的导热元件，其导热系数相当于金属银、铜的倍。热管相当于导热能力极高的导热体。16二、应用1.内燃机：如汽车、船舶、火车动力、拖拉机、军车坦克、装甲车的动力机；2.燃气轮机：航空发动机、火箭、导弹；船舶、坦克；火电厂、联合循环电厂的动力机；3.汽轮机：火电、核电厂的原动机；给水泵的小汽轮机；鼓风机；4.锅炉：电站锅炉，工业锅炉〔轻纺、造纸、钢铁〕；5.水轮机：用于水电站拖动发电机；176.制冷技术：人民生产、生活条件的改善，食物保存(p10);7.空气调节：供暖、降温、通风；8.流体机械：泵、鼓风机、通风机、压缩机。广泛应用的动力机械，化工、制冷、低温装置。9.换热设备：电厂、动力、化工、石油、制冷、空调、钢铁、船只。18第三节工程热力学和流体力学根底几个常用的名词：相变：物质气、固、液三态的改变称为相变。熔解〔融化〕，凝固、熔点，凝固点。气化〔蒸发、沸腾〕，饱和液体，饱和气体，饱和温度、饱和压力。一、流体的性质：1.状态参数和临界参数：(1)状态参数：压力p、温度T、密度〔比容v〕、音速(2)临界参数：临界状态下的气体参数称为临界参数。有临界压力、临界温度等。〔简介〕192.易流动性：

3.粘性流体的粘性是流体抵抗变形的能力。即不同速度层之间存在着内摩擦力〔或粘性切应力〕。粘性切应力与流体在y方向的速度梯度成正比，即式中，——为流体的动力粘性系数；y——与流体流动方向x垂直；u——流体速度。复合这一规律的称“牛顿流体〞。如水、空气；否那么称“非牛顿流体〞。理想流体：粘性系数为零的流体。在工程实际中，流体可看作理想流体。〔1-1〕204.压缩性和膨胀性〔1〕压缩性：流体体积随压力而变化的性质称为压缩性。常用流体的体积压缩率来表示。体积压缩率的倒数1/是弹性系数E，弹性系数E定义：为单位面积上因压缩性引起的弹性力。(2)膨胀性：流体体积随温度T而变化的性质称为膨胀性。常用流体的膨胀系数来表示。21二、状态方程式对于理想气体，其状态方程式为式中，R——为气体常数；p——为气体压力；T——绝对温度；v——为气体比容。对于过热蒸汽，可视为理想气体。通常，要进行修正。〔1-4〕22三、其他热力关系式比热〔容〕：根据物理，可分为质量比热和摩尔比热。质量比热定义为1kg气体的温度变化１ºＣ所传递的热量。在工程上通常用定压比热〔〕和定容比热〔〕。对于理想气体，定压比热、定容比热和气体常数R之间的关系有：内能〔热力学能〕和〔热〕焓内能U：工质分子热运动所产生的动能和分子间相互作用产生的位能之和。1kg工质的内能u称比内能，单位为J/kg。焓：在工程热力学中，焓被定义为：单位为J/kg。理想气体的焓、内能都是温度的函数：(1—6〕(1—7〕233.熵：在可逆过程中，只要工质与外界有压力差就能作功，压力p为作功的推动力。其作功情况由比容变化dv确定：

①当dv=0，不作功；

②dv>0工质对外膨胀作功；

③当dv<0，工质获得外界的压缩功，作功大小为同理，在可逆过程中，只要工质与外界有温度差就能传热，温度T为传热的推动力。其传热情况由熵的变化ds确定：①ds=0，与外界绝热；②ds>0，表示工质从外界吸热；③ds<0，表示工质对外界放热。熵被定义为：，它是过程是传热的标致。244.：为了从数量和质量两个方面来评价循环或过程的经济性引入参数。也可看成为一个状态参数，它是指某一状态的热力系统可逆地变化到环境状态时，可转化为最大的有用功。〔1-10a〕25四、连续性方程连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的数学表达式。在无源无汇的稳定的一元流动时，流道任意截面的面积A、密度与垂直该截面上的速度c的关系为式中，——为质量流量。讨论：〔1〕连续性方程实质是物质不灭定律，对于稳定流动，其质量流量不变；〔2〕对于不可压缩流体，密度为常数，其容积流量为常数：〔3〕可用连续性方程，如果知道流道通流面积，那么可求得流速；如果知道流速，那么可求得流道通流面积。〔1-11〕26五、能量方程式能量守恒与转换定律：各种形式的能量可以互相转换，但能量总和保持不变。热力学第一定律是能量守恒与转换定律在热力学上的应用，即热和功可以互相转换。也就是说，输入系统的能量-系统输出的能量=系统内能量的变化。闭口系统的能量方程式：闭口系统与外界无质量交换，但与外界有热量和机械功的交换。对于闭口系统1kg气体，与外界有热量交换为q，它使一局部工质内能变化u，作功为w，那么能量方程式为式中，q>0时，系统吸热，q<0时，系统放热；>0时，系统内能增加，u<0时，系统内能减少；w>0时，系统对外作功，w<0时，外界对系统作功。u〔1-12a〕27对于闭口系统的可逆过程，因w=pdv，那么开口系统能量方程式：闭口系统与外界既有质量交换，也有热量和机械功的交换。对于稳定流动，有输入系统的能量=系统输出的能量对于稳定流动，1kg气体的能量方程为〔因h=u+pv)(1-12b)(1-13b)28对于理想气体，并忽略位能变化，那么有29六、热力过程在动力装置中，热能与机械功之间的转换都是由热力过程或循环来完成的。通常有等温过程、等压过程、等容过程、等熵过程及多变过程。定容过程在状态变化过程中，工质的比容保持不变，即v=常数，dv=0。那么根据状态方程pv=RT，有即压力与温度成正比。定容过程不膨胀作功，所以容积功w=0。吸热全部用于内能增加。(1-20)式中，——表示平均比热容。302.定温过程在状态变化过程中，工质的温度保持不变，即T=常数或dT=0那么根据状态方程pv=RT，那么比容和压力的关系有：pv=常数，显然，有

即压力与比容成反比。定温过程工质的技术功为：〔1-21〕31因定温过程内能变化为零〔Δu=0)，故系统与外界热交换为：上式说明，定温吸热时，系统对外界做的容积功等于吸热量；定温放热时，外界对系统做的容积功等于放热量。3.绝热过程：在状态变化过程中，系统与外界没有热交换，即s=常数ds=0。此时，理想气体的状态方程为：〔1-22〕(1-23)式中，k——为绝热指数。对于绝热过程，初、终参数之间的关系也可以导出：〔1-24a)(1-24b)324.定压过程：在状态变化过程中，工质的压力保持不变，即p=常数dp=0那么根据状态方程pv=RT，有即比容与温度成正比。定压过程的技术功等于0，焓的增加等于吸热量〔1—27〕33七、热力循环热力循环分正热力循环和逆热力循环。动力循环：为正热力循环，它从高温热源获得热量并将其局部转换成机械功，最后向低温热源排放低位热量。如蒸汽动力循环〔火电厂〕，燃气动力循环〔燃气轮机发电〕。动力循环的热效率η为输出功W与吸热量Q之比

(1-30)34制冷循环为逆热力循环，它使热量从低温热源排向高温热源。其代价是输入机械功〔制冷〕。制冷装置是以制冷为目的，维持低温区持续低于环境温度。制冷循环经济性由制冷系数表示：式中，W——装置耗功；Q2-——制冷量。热泵循环也是逆热力循环，热泵是以制热为目的，维持高温区持续高于环境温度。其热效率用供暖系数表示式中，W——装置耗功；Q1——制热量〔向热源放热〕。向热源放热Q1等于从冷源吸热量与所耗的外功之和，即所以，两边同除以w得(1-31a)(1-31b)35由上式可知：正〔动力〕循环〔η〕的热效率总是小于1；逆循环的制冷系数〔ε〕可以大于1；供暖系数〔ε‘〕总是大于1的。能量利用系数：通常用理想循环的能量利用系数来评价循环的完善程度。在一定温度范围内工作的一切循环，以理想的正、逆卡诺循环的能量利用系数最高。即正卡诺循环的热效率〔〕和逆卡诺循环制冷系数〔〕最高。(1-32)36八、伯努利方程：伯努利方程是能量方程另一种形式。对于稳定流动，1kg理想流体其机械功为：上式右边第一项为技术功，第二项为动能差，第三项为位能差，第四项为损失。讨论：〔1〕伯努利方程是能量转换与守恒定律的一种表达形式。它适合于计算截面是符合稳定流动、缓变流。对于与外界有热交换的可压缩流体，那么不满足能量转换与守恒条件。因此，有热传递的容积式机器不使用此方程。(1-34a)37〔2〕技术功在不同情况下有不同的名称。如，在膨胀机械中称膨胀功；在压缩机械中之压缩过程消耗的功称压缩功。对于不可压缩流体，密度ρ为常数，，显然静压力差。对于只有机械能转换的不可压缩流体，又引入水头〔水轮机〕或扬程，这样，伯努利方程表成下式：〔3〕计算截面之间与外界无机械能交换时，。如一般管道、流体机械中之固定部件〔喷嘴、扩压管等〕。这种情况下，流体动能变化转换成压能或热能的变化。〔4〕计算截面之间与外界有机械能交换时，。如叶轮机械中任意两个截面包括叶轮与外界交换机械功为理论功时，有(1-34b)(1-34c)38式中，工作机种取正号，叶轮输入的机械功使流体的位能、静压能和动能增加。由于实际流体的粘性存在，会产生损失，输入的机械功不可能全变为位能、静压能和动能。39第四节实际过程中常见的能量转换在流体机械中，流体的能量与外界机械功发生转换的有：不可压缩流体的机械功与外界机械功的转换；可压缩流体，流体的热能与外界机械功的转换是通过流体的膨胀与压缩过程来实现的。热量交换〔吸热和放热〕是常见的实际过程。在能量转换过程，是通过工质的参数的变化，来实现能量转换的。一、流体机械中的能量转换等容过程——机械功的转换〔不可压缩流体〕在流体机械中，对于不可压缩流体，其机械功与外界机械功的转换是在流体密度不变条件下进行的。能量转换只是由于流体进出口机械能的差值不同，由伯努利方程402.压缩过程与膨胀过程——功热转换〔可压缩流体〕流体机械中的热能向机械功转换是由工质的膨胀来实现的〔原动机〕；而机械功转换成热能是通过压缩工质〔工作机〕来完成的。对于1kg工质，其〔输入〕压缩功或膨胀做功分别是〔1-35〕〔1-36〕其中，下标y、p分别代表压缩和膨胀。如果用gy、dy分别表示高、低压，那么上二式可合并为〔1-37〕41二、吸热过程和放热过程——热量交换当物体参加或移出热量时，那么物体的热力学能发生改变。如果热量变化只改变了物质内部动能，那么物质只有温度变化，但不发生相变；如果热量变化改变了物质内部位能，那么物质发生相变，而温度不变化。固体与液体之间发生相变，其参加或移出的热量称为熔解潜热；液体与液体之间发生相变，其参加或移出的热量称为汽化潜热。其参加或移出的热量的过程称为称为吸热或放热过程。1.固体溶解为液体，液体蒸发为气体，固体升华为气体，这些过程都要吸收潜热，因此可利用以到达制冷的目的。如制冷装置的蒸发器，制冷液在其中蒸发，吸收房间内的热量，使房间温度下降。锅炉中水吸热蒸发为高温、高压蒸汽，而蒸汽送汽轮机膨胀做功。42工质从气态凝结为液态要放出潜热。如制冷、制热，电厂之冷凝器都有凝结放热过程。根据能量守恒定律，对于某一系统发生放热过程，失去热量；那么周围外界必然会发生吸热过程，得到热量。如制冷装置的冷凝器，是将热量排给外界，为放热过程；而外界得到热量，为吸热过程。制冷装置的蒸发器是从外界得到热量，为吸热过程；而外界失去热量，为放热过程。热量传递有三种形式——导热、对流和辐射〔1〕导热：热量从温度较高的物体〔局部〕向温度较低的物体〔局部〕传递过程。其导热量为〔1—44〕其中，——为导热系数，；——面积，〔〕；——温差(K)；——导热体厚度(m)。43〔2〕对流换热：温度不同的流体之间发生相对移动而引起的传热过程。对流换热量为〔1—45〕其中，h——为放热系数；A——面积，〔〕；ΔT——温差(K)。换热系数h与流体的无形参数、流动状态、物态变化、换热面的形状与布置有关。自然对流换热：由于流体各局部温度不同引起的密度不同而产生的换热现象。强迫对流换热：流体在外力作用下而产生流动进行换热。无相变的对流换热、沸腾换热、凝结换热沸腾换热：液体外表和内部同时产生蒸发而换热；凝结：流体由气体变化为液体。又分膜状凝结和珠状凝结。44〔3〕辐射换热：高温物体以电磁波的形式向周围物体传递热量的过程。辐射换热量为〔1—46〕式中，——辐射换热系数。〔4〕综合传热〔1—47〕式中，K——传热系数。45三、燃烧过程——化学能转换为热能燃烧：是将燃料的化学能转换为热能的过程。有内燃和外燃。燃料：常规燃料有固体燃料〔煤〕、液体燃料〔油〕、气体燃料〔天然气、煤气〕。燃烧时，燃料和氧气发生急剧化学反响，放出热量，并有发光现象。1.固体燃料〔煤〕燃烧：当煤粉进入锅炉炉膛后，先是预热，水分蒸发〔枯燥〕；当温度达120~450℃时，挥发份析出，着火燃烧；剩下焦炭，焦炭吸热后着火燃烧，并放出大量热量；最后是燃尽阶段。固体燃料燃烧的关键是着火〔挥发份〕和燃尽。462.液体燃料——汽油、煤油、柴油和重油内燃机的燃料为汽油、柴油；液体燃料容易着火。油的燃烧过程分5个阶段：雾化、蒸发、扩散混合、着火、燃烧。前三个阶段为物理过程，是保证着火、充分燃烧的必要条件。3.气体燃料——天然气、煤气气体燃料最容易着火燃烧。燃烧的三个要素：燃料、氧气、活化所需能量。完全燃烧的满足条件：着火温度，适当的空气，及时排除燃烧产物，保证燃烧时间和空间。47*第五节典型流动分析流体在流动时，有三种情况：等速流动，加速流动，减速流动。对于不可压缩流体，用一元分析，等截面管道中的流动，就是等速流动，在管道系统和热交换器的管束一般都是等截面管道；在亚音速条件下，加速流动一般发生在截面积逐渐减小的流道内。如原动机之进汽管、喷嘴、叶轮通道等；工作机之吸气室。如速度式工作机内的大局部流道的截面积是逐渐增大的，其流速是逐渐减小的。如叶轮、扩压管、涡室等。48一、加速〔或减速〕流动——喷嘴〔或扩压管〕〔图1-7〕流体在喷嘴中的流动是沿流动方向加速，压力下降；而在扩压管中那么与之相反。例如，①蒸汽在喷嘴中膨胀加速，压力降低，将热能变为动能，推动叶轮旋转作功；②流体在压缩机中减速流动，将流体的动能转换为压力能，为后面的部件提供小的速度以减少压力损失。在亚音速情况下，喷嘴面积逐渐减小，在超音速情况下，喷嘴面积逐渐增加；而扩压管的面积变化相反〔图1—7a〕。在不考虑能量损失时，流体通过喷嘴、扩压管是其总能量不变。由伯努利方程可知，流体通过喷嘴时，引起焓值下降；而在扩压管那么引起焓升。对于气体来说，可忽略位能变化，根据伯努利方程那么有：49对于液体，稳定流体由伯努利方程，那么有：以上各式中，下标0、1分别代表喷嘴进出口处，相应参数为进出口处的参数。下标3、4分别代表扩压管进出口处，相应参数为进出口处的参数。50二、等截面管道流动等速流动——直管道管道有：直管道、变截面管道。流体在变截面管道流动，有加速流动〔管道截面积沿流动方向减少，如喷嘴〕和减速流动〔管道截面积沿流动方向减少，如扩压管〕。而在直管道中，理想不可压缩流体的流动是等度流动。对于实际流体，因摩擦而又一定的压力损失。2.弯管流动对于等截面管道中非一元流动，局部的加速和减速取决于流道的形状。流体在弯管中的流动如图1-8所示。流体流过弯管的外侧〔凸边〕时，先减速，后加速；相反，流体流过弯管的内侧〔凹边〕时，先加速，后减速。在实际动力机械的叶轮和叶片通道中，可用此来分析。51对于流体弯曲流动，由于离心力作用，外侧压力高于内侧压力。运用伯努利方程进行分析，各截面的能量总和不变，那么压力高的截面〔外侧〕速度小