热能与动力机械基础绪论

热能与动力机械根底

ThermalEnergyandPowerMechanicsBasis田径汽车学院内燃机系jingtian@课程网站:一、本课程的设置：专业调整后新开设的课，是社会市场开展的需求；不仅限于现代动力设备的能量转换特点；能源构造的变化、能源利用方式的更新。21世纪的特点：信息化。问题：能源问题、污染问题。70年代的“多、快、好、省〞过去：从内燃机角度，如何有效运用？专业化 如今：从能量转换的角度，如何更有效利用，并节省能源；二、学本课的目的意义 了解和掌握能量转换的根本原理和节能途径，不同能源的特点、利用方法及其评价。三、主要内容 典型的几种动力设备安装中热能的转换与利用。如 1．内燃机中的热功转换 2．涡轮机及喷气发动机中的热功转换 3．锅炉及换热器中的热能的利用 4．热力发电的根本原理 5.制冷与空调设备中热能的利用等 6.新能源及其利用一、三代能源文明 人类文明的每一步，都和能源的利用息息相关。人类进化开展的过程，是一部不断向自然界索取能源的历史。 人类发现用火以来阅历了三代能源文明：1、柴薪——马车农业文明 人类第一代主体能源是柴薪。用树枝、杂草等作为燃料，用于熄灭煮食和取暖，用草豢养家畜，靠人力、畜力并利用一些简单机械作动力，从事手工消费和交通运输活动。 从远古时代直至中世纪——农业文明时代。第一章绪论

2、煤炭——蒸汽机工业文明 18世纪西欧产业革命开创的工业文明，逐渐扩展了煤炭的利用。 蒸汽机的发明，使煤炭成为第二代主体能源。 以煤炭作燃料的蒸汽机，主要运用于使纺织、冶金、采矿、机械加工等工业，使之获得迅速开展。 同时，蒸汽机车、轮船的出现，使交通运输业得到宏大提高。 19世纪以来，电磁感应景象的发现，使得由蒸汽轮机作动力的发电机开场出现，煤炭作为一次能源被转换成更加便于保送和利用的二次能源――电能。3、石油——内燃机现代文明 公元前250年，中国人首先发现石油是一种可燃的液体。 1854年，美国宾夕法尼亚州打出了世界上第一口油井，石油工业由此开展。 19世纪末，人们发明了以汽油和柴油为燃料的奥托内燃机和狄塞尔内燃机。 1908年，福特研制胜利了第一辆汽车。以后，汽车、飞机、柴油机轮船、内燃机车、石油发电等，将人类飞速推进到现代文明时代。 到20世纪60年代，全球石油的消费量超越煤炭，成为第三代主体能源。随着全球人口的急剧膨胀，能源消费大幅度增长。 煤炭、石油均为矿物能源，是古生物在地下历经数亿年堆积变化而构成的，不可再生，其储量极为有限。 按如今的能源耗费，世界上石油、天然气和煤等生物化石能源，将在几十年至200年内逐渐耗尽。另外，大量矿物能源的熄灭，是呵斥大气污染、“酸雨〞和“温室效应〞的罪魁祸首。4、第四代绿色能源——？探求中 60年代以来，“能源革命〞的呼声日渐高涨。“能源革命〞的目的，是以绿色能源，〔包括如核能和可再生能源，如水电能、生物质能、太阳能、风能、地热能、海洋能和氢能等〕逐渐替代矿物能源。绿色能源将有望为21世纪人类社会的开展提供耐久的动力。二、热能及动力机械概述热能：与物质的原子和分子热运动有关的能量，是能量利用的最根本、最主要的能量方式，宏观景象：温差。动力机械：将其它方式的能量转换成机械能的动力安装、设备。

在人类社会生活中的位置：不可分割的关系，各行各业离不开能源 热能与动力机械的关系：热能是动力机械的一种能源；而动力机械是能源利用的详细表达。；1．自然界能源的存在方式：燃料类：煤炭、石油、天然气、木材、核燃料——以热能方式利用；水力：水的流动动能或位能转换为机械能；太阳能：光能转换成热能；洗浴、供暖、制冷；地热能：直接利用地热水〔地热蒸汽〕的热能，转换为供热，或间接地用于地热发电。潮汐能：利用海水涨落时的能量，使之转换为其它能。海洋能的利用：海水温差发电——经过热能→机械能→电能风能：将空气的流动能量→机械能→电能电能：可直接转化为机械能2热能的重要性： 在能量转换过程中，热能是利用能源的最根本和最主要的能量方式。 在能源利用中，我国90%以上是经过“热〞的环节而利用；世界各国平均85%以上都是经过热而利用能源。第一章

根本概念 热能利用安装和动力机械的本质： 都属于能量的传送、转换和利用的设备。 在能量的传送、转换和利用过程中必有共同的规律和共同的内容。 主要内容：引见这种能量传送及转换利用过程中的根本概念 要求：了解能量转换原理和特点、方式第一节热能及其利用一、能量的存在方式能量？ 产生某种效果或变化的才干。产生某种效果或变化过程中伴随能量的耗费和转换。能量的类型：6种1．机械能：包括动能、位能〔势能〕、弹性能、外表张力能 特点：以功的方式表现，有效地转化为其它方式的能2．热能：与原子和分子的运动有关的能量 特点：宏观上以温度的高低表现；是根本的能量方式—其它方式的能都能完全转换为热能3．电能：与电子的流动和积累有关的能。 特点：以静电场能或感应电场能的方式储存；以电流形传送电能；能有效地转换为其它方式的能。4．辐射能〔电磁能〕：物体以电磁波方式发射的能。 特点：以电磁射线方式表现； 根据电磁波的波长分为γ射线、x射线、热辐射、微波、毫米射线、无线电波等。 热辐射——是原子振动而产生的电磁能，包括紫外线、可见光射线、红外线等。 辐射强度与物质温度有关，并产生热效应——叫热辐射。5．化学能：仅以储存方式存在的能量方式。如燃料的化学能。 特点：与其它物质的原子和分子相结合时释放出来。如经过熄灭将化学能转换为热能而释放。6．核能：蕴藏在原子核内部的能量，仅以储存方式存在。如原子能等。 特点：在原子核中的粒子相互作用——原子核反响时释放出来；原子核反响，有放射性衰变、核裂变、核聚变三种，核裂变、聚变反响时释放大量能量。二、能源及其分类能源？：直接或经过转换而获取某种能量的资源。1．按能源方式和来源分类为：三种1〕来自太阳的能量：太阳辐射能、煤炭、石油、天然气、生物质能、水能、风能、海洋能等间接地来自太阳能。2〕来自地球的能量：储存于地球内部的地热能和原子能。3〕天体对地球的引力作用产生的能量：月球和太阳作用的潮汐能。2．按能源利用形状分类为：二种一次能源：凡自然界中现存的、可直接获得而不改动其根本形状的能源。 二次能源：由一次能源经加工或转换而成的另一种形状的能源。 一次能源又分为：再生能源和非再生能源。3．按人类运用能源的习惯分类：常规能源和新能源常规能源：人类运用最多的常用能源。如煤炭、石油、天然气、水能等。新能源：尚未大规模运用的正开发运用或尚未运用的能源。如太阳能、地热能、生物质能、风能、海洋能、核聚变能等。三、热能的发生热能发生途径： 直接产生——如地热能、海洋热能 经过能量方式转换产生—— 化学能的转换：熄灭放热反响，生成CO2和水 电能转换：焦耳效应 辐射能转换：热辐射 核能转换：核裂变和核聚变中释放出大量的热 机械能的转换：摩擦生热四、热能的特点 能量的转换：人类所用能源根本上都是由一次能源经一次或多次转换而来。 汽轮机：化学能——蒸汽的热能——经汽轮机转换为机械能； 内燃机：化学能——燃气的热能——经活塞连杆机构转换为热能。 热能的转换： 机械能——内燃机、汽轮机 电能——热电发电 热能的传送： 换热器——不同温度程度的流体，经过固体壁从高温向低温流体进展传热。五、热能的利用热能的运用在国民经济中的重要位置〔运用领域〕：1〕电力工业——火力发电或核发电，均运用热能转换。2〕钢铁工业——炼钢、轧钢、高炉炼铁等均用热能；3〕有色金属工业——铝、铜等有色金属的冶炼用热能；4〕化学工业——酸、碱、合成氨的消费过程5〕石油工业——采油、炼制、保送等用热能；6〕建材工业—建材的消费过程用热能。如水泥、陶瓷等；7〕机械工业——铸造、锻压、焊接等用热能；8〕轻纺工业——造纸、制糖、化纤、印染等用热能9〕交通运输—汽车、火车、船舶、飞机等动力来之热能；10〕

农业及水产养殖业——电力灌溉、温室培植、鱼池加温等11〕生活需求——供暖、空调、烹饪。第二节能量转换根本定律一、热力循环 循环：工质从一个热力形状经过一系列的形状变化，完成热功转换后，回到初始形状的热力过程。p-V图或T-S图 正循环：热力过程顺时针方向，对外作功，净功>0，如内燃机循环； 逆循环：热力过程反时针方向，耗费外功，净功<0，如制冷循环。奥托发动机问世前52年，1824年〔军旅生活中〕在<关于活力动力及其内燃机的调查>中提示卡诺循环。热平衡：做功1/3；排气损失1/3；冷却损失1/3如今发动机，努力逼近卡诺效率循环效率：STT1T2S1S2卡诺循环：二、热力学第一定律本质：能量守恒与转换定律在热物理与化学等过程中的运用。内容：能量方式可转换，但总量不变。：工质的能量或1．对闭口系统：

对微小变化过程：单位工质： 膨胀功的利用：W中推进活塞作功的同时，要抑制大气环境压力所以，可利用的功为：

2．开口系统：系统与外界有能量传送和转换的同时有工质交换。对稳定流动系统：所以，对流动系，有用功为轴功，工质流入、流出时的损失功为故令，H=〔U+pV〕定义为焓。那么

对微小变化过程：对单位工质：三、热力学第二定律 第一定律：只阐明能量传送和转换时，数量上的关系——守恒；未阐明能否转换？及条件 第二定律：阐明能量传送和转换的方向性本质：一切自发过程都是不可逆的，非自发过程的完成，必需求有另一个自发过程来推进。第二定律的数学描画：熵增原理 孤立系统热力过程总是向熵增方向进展。

孤立系统：与外界无能量转换和传送，也无物质交换。 设，由工质、高低热源构成的孤立系统内进展不可逆循环，那么1→2：T1热源放热3→4：T2热源吸热 工质经不可逆循环12341，从T1吸热，将部分转换为功w， 其他向T2放热后回到原形状,所以，

T1

T2

T

1

2

3

43

HsDssD

LsD

s

循环的效果：T1放热，T2吸热，工质作功w，孤立系统总熵变化为因，系统内部的不可逆因数，，又所以，即

当可逆循环时时，循环12341→123`41，那么，， 即孤立系统内进展的热力过程只能熵增或不变，而熵决不减小。 地球暖和化的熵增效果。

第三节能源的利用及评价 意义：非再生能源的有限性，以及能源利用率又不高。能源是人类生存与开展的重要根底。所以，有效地、有方案地利用能源是很重要，为此对能源利用进展评价。评价的目的，就是监视，并提高能源利用效率。一、有效利用能源的途径1．提高能量转换或传送安装及系统的效率2．按能量的档次合理运用能源，防止高档次能量的降级运用3．建立总能系统概念，优化整体用能系统，使一次能源、二次能源及余热均得到充分利用，提高总能系统的能源利用效率4．开发节能技术，如熄灭控制技术、热管技术、热泵技术5．开发能量利用的运转控制技术，实现能量利用的最经济运转，如空调变频运转、供热系统的用户供热独立调理等6．开发新能源的利用技术，如太阳能、地热能、海洋能等二、利用能源的评价目的能源利用的主要评价目的：1．能源耗费系数r： 定义：指单位国民经济产值所平均耗费的能源数量。设E：能源耗费量，M：同期国民经济消费总值那么，公斤/元 阐明一国家能源利用的程度、和节能潜力2．单位产品能耗C：定义：每单位产品产量所耗费的能量。设：Ep产品能耗；A：产品产量那么式中，Ep为一种能量的耗费量时，C为单耗；Ep为一次能源、二次能源的总量时，C为综合耗费。 综合能耗，包含消费产品时的直接能耗和间接能耗。 直接能耗：消费时直接耗费的能量； 间接能耗：消费该产品时所用的原资料在消费过程中耗费的能量 全能耗=直接能耗+间接能耗3．能源利用效率：能量利用率定义：被有效利用的能量与所耗费的能量之比。设Ee：有效利用的能量，Ec：所耗费〔投入〕的能量，那么，表示用能的完善程度。能源利用效率的含义：热效率——热功转换时制冷系数——制冷循环，制冷量/耗费功制冷量：由低温热源汲取的热量三、Ex()及Ex效率

1．Ex的概念对能量的评价，要思索被利用的能量的数量和质量。能量的质量：就是能量的档次，用能转换为机械功的才干来衡量。不同形状的能量，其质量不同；同一能量方式，不同的形状能的质量也不同。某一形状的能量转变为机械能的越多，其质量〔档次〕就越高。

火用

Ex就是从能量的数量和质量角度，评价处于某一形状的热力系的作功才干的目的。即能的可用性。定义：处于某一形状的热力系，可逆变化到与环境形状相平衡时，可以转化为有用功的能量，即有效能成为该热力系的Ex。特点：相对环境形状的最大作功才干。即比：热：设任一热源温度为T，那么在其热功转换中，最大的功为卡诺循环功。即热与工质Ex的区别：是取决于由Q热源放热时的温度T；工质的Ex是只决议于工质的热力形状。燃料的：燃料与氧气可逆地进展熄灭反响和变化后，与周围环境到达平衡时，所能提供的最大有用功。也称燃料的化学火用普通，等于燃料的高热值。即2．Ex效率用于评价最大有用功的实践运用的程度。用实践被利用的有效火用和投入的火用之比表示。即a〕定义：

实践过程都是不可逆的，所以存在火用损失。设稳定流动系，不可逆过程1→2，忽略动能、位能，工质与环境之间的传热量Q，那么因不可逆，所以工质的熵变，即熵产：所以，不可逆过程中的功为

即其中，最大可逆功为

那么，不可逆过程的功损失为：可逆时，可利用的能量为工质进出热力系的火用值之差，不可逆过程的Ex损失：，表示作功才干的损失。b〕产生ExL的缘由：三方面安装内的不可逆过程——如不可逆化学反响，温差传热等；副产品和废料带走的Ex——如锅炉、内燃机排烟等；向环境散热呵斥Ex损失。如换热器对流和热辐射因实践能量转换过程都是不可逆的，所以必有，。c〕效率的实践运用或表达式常用实践获得的收益与投入之比表示。如★发动机：进入和分开发动机的工质的有效能分别为，产生的功为W12，那么

——包含进入气缸的混合气的流动功和化学能。——废气带走的热量和流动功不常用。而常用热效率。★★锅炉：投入——高温烟气对水蒸气的加热，烟气在平均温度Tm下放热，那么投入的有效能为；收益——水蒸气有效能的添加

所以，

只反映烟气温差传热呵斥的有效能损失。假设锅炉耗费燃料的有效能为投入，那么那么，同时反映温差传热、熄灭过程和排烟等不可逆过程呵斥的有效能损失。间壁式换热器：投入——热流体进出换热器的有效能之差；收益：冷流体进出换热器的有效能差。所以，普通，换热器的冷流体吸收的热量与热流体的放热量不相等,即存在热损失。

动力循环：工质被加热，并输出功的循环。工质加热量-——Q；平均温度——Tm；输出功——W；环境温度——T0；那么

四、

总能系统及其评价〔自学〕第四节

动力机械与动力传动一、动力机械的分类：两种分类方法1．按工质作功的物质分类：蒸汽动力机——蒸汽机、汽轮机；燃气动力机——汽、柴油机、燃气轮机；水动力机——水轮机2．按加热方式分类：内燃机；燃气轮机外燃机——汽轮机、蒸汽机水轮机——无加热 动力机械的特点是，其动力输出是经过能量的一次直接转换而获得；故又称为一次动力机，或原动机； 二次动力机——是指经过两次能量转换完成动力输出的机械，如电动机：经过原动机将某种能源转换成电能，然后再将电能转换为机械能。 用途：根据任务原理和构造特点，其用途不同。二、动力机械的性能

动力机械的评价，从能量转换和动力传送角度思索，要求良好的性能目的和运转特性。 这种性能目的和运转特性，不同种类的动力机械，因其任务原理和用途不同而不同； 但主要性能能目的，有动力性、经济性、排放特性等； 动力性：常用输出的功和扭矩的大小及其随转速的变化特性来表示； 对E/G：全负荷速度特性、部分负荷速度特性 经济性：所耗费的能源资源和获得的机械能之比来表示；负荷特性 排放特性：有害气体的排放量——环境角度特性曲线的研讨目的，了解和掌握不同工况下的性能目的的变化规律。 动力机械的任务特点：变工况——负荷和转速变化。普通性能目的与工况很有关。所以， 原那么：尽能够选择性能目的最正确的工况点任务；改良常用工况点的性能目的，使之到达最正确。三、动力传动 动力传动是发动机和动力机械之间经过某种机构进展传动的。 传动方式：按任务机械或动力分配方式分类为几种； 直接传动：任务机械和发动机直接结合； 特点：动力损失少、构造简单；但，不能变速离合，改动转矩和方向，不能长间隔能量传送、差动传动、转动变换成直线运动等。 间接传动——机械传动：经过某种机械机构传动，运用最广； 如，摩擦传动、齿轮传动、杠杆传动等 流体动力传动：用液压或气动系统，接受原动机传送的动力，产生液体或气体的压力，经液体或气体的内部传送，推开任务机械作功 如，液压传动、气压传动 电力或磁力传动：包括电力拖动、电磁离合或制动等。第五节

热能与动力技术和环境

热能与动力机械的运用与开展对地球环境的影响： 破坏物质平衡、能量平衡和生态平衡一、

环境污染内容1．热污染： 热能利用和动力技术的运用中的能量损失，以热能方式传给环境，使环境温度升高，呵斥对环境的危害。 如海洋或河水发电站