热能与动力工程作业指导书

热能与动力工程作业指导书TOC\o"1-2"\h\u28066第1章绪论 342821.1研究背景及意义 3258301.2热能与动力工程发展概况 3180421.3作业指导书编写目的与要求 41064第2章热力学基础知识 4281112.1热力学基本概念 4109942.1.1系统 478592.1.2状态 5137312.1.3过程 5325512.1.4平衡 522592.2状态参数及其热力学关系 5178142.2.1温度 573372.2.2压力 5243982.2.3体积 5122752.2.4状态方程 5255262.3热力学第一定律 5186982.3.1内能 65472.3.2热量 668542.3.3功 6183082.4热力学第二定律 6220222.4.1克劳修斯原理 6169542.4.2开尔文原理 629859第3章流体力学基础 6322083.1流体的性质及流体静力学 6124783.1.1流体的定义与特性 6239343.1.2流体静压力 6132663.1.3流体静压力定律 6213893.2流体运动学 689373.2.1流体运动的描述 694993.2.2流体运动的分类 766303.2.3流体运动方程 794293.3流体动力学 7301523.3.1流体动力学的定义与任务 7257553.3.2纳维斯托克斯方程 736603.3.3流体阻力和升力 774693.4边界层理论 7167323.4.1边界层的定义与特性 7174863.4.2边界层流动分类 718293.4.3边界层方程 719721第4章传热学基础 7153184.1导热基本方程 8109924.1.1傅里叶导热定律 8297774.1.2导热微分方程 8144834.2对流传热 875034.2.1对流传热基本原理 8252224.2.2对流传热关联式 8247804.3辐射传热 8173204.3.1辐射传热基本原理 9275774.3.2黑体辐射定律 911614.4复合传热 9159344.4.1复合传热基本特点 979714.4.2复合传热计算方法 917174第5章内燃机原理 9289985.1内燃机概述 937895.2燃烧过程 970075.3内燃机工作循环 10281365.4内燃机功能指标 1022149第6章燃烧设备 10248866.1燃烧设备概述 1010156.2燃烧设备的工作原理 11250646.3燃烧设备的选型与设计 1124096.4燃烧设备的安全与环保 1121276第7章换热设备 11268327.1换热设备概述 11299467.2换热设备的基本类型 12142317.3换热设备的设计计算 1234887.4换热设备的优化与节能 1230810第8章动力机械与设备 13241618.1汽轮机原理及设备 13132108.1.1汽轮机原理 13287218.1.2汽轮机设备 13202428.2燃气轮机原理及设备 13225758.2.1燃气轮机原理 13247118.2.2燃气轮机设备 13239738.3涡轮机原理及设备 13246528.3.1涡轮机原理 13299528.3.2涡轮机设备 132208.4压缩机原理及设备 14244578.4.1压缩机原理 14235998.4.2压缩机设备 1432232第9章控制系统与自动化 14278229.1控制系统基本原理 1450469.1.1控制系统的定义与分类 14140819.1.2控制系统的数学模型 14278189.1.3控制系统的功能指标 14294449.2热能与动力工程中的自动控制 1461819.2.1热能与动力工程自动控制的意义 14137339.2.2热能与动力工程自动控制的应用领域 14220599.3控制系统的设计与应用 14272629.3.1控制系统设计方法 15268859.3.2控制系统在热能与动力工程中的应用实例 1590579.4故障诊断与维修 15228229.4.1故障诊断方法 15136269.4.2维修策略 15258669.4.3维修实施与效果评估 155349第10章热能与动力工程实践 152588810.1实验方法与设备 151535110.1.1实验目的 152765510.1.2实验设备 152368910.1.3实验方法 152806310.2热能利用工程实践 16933910.2.1燃料燃烧与热能利用 161939110.2.2热交换技术 16507910.2.3热能利用案例分析 162395910.3动力工程实践 161822710.3.1汽轮机与发电 162840910.3.2内燃机与动力输出 162413710.3.3动力工程案例分析 162435710.4节能减排与环保实践 161026610.4.1节能技术 1672210.4.2减排技术 161877110.4.3环保实践案例分析 16第1章绪论1.1研究背景及意义热能与动力工程作为一门重要的工程技术学科，在我国经济和社会发展中占有举足轻重的地位。我国能源需求的不断增长和环境保护的日益重视，提高能源利用效率、优化能源结构和减少污染物排放已成为当务之急。热能与动力工程涵盖了能源的高效转换、清洁利用和环境保护等方面，对于实现能源可持续发展、保障国家能源安全和促进经济社会发展具有重要作用。1.2热能与动力工程发展概况热能与动力工程起源于18世纪末的蒸汽时代，经过两个多世纪的发展，已经成为一个涉及多学科、多领域的综合性学科。在我国，热能与动力工程取得了举世瞩目的成就，主要体现在以下几个方面：（1）能源转换设备和技术的发展。目前我国已拥有世界先进的火力发电、核电、燃气轮机等能源转换设备和技术。（2）新能源和可再生能源的开发利用。太阳能、风能、生物质能等新能源和可再生能源的研究与利用在我国取得了显著成果。（3）能源利用效率的提高。通过热能梯级利用、能源系统集成等技术，我国能源利用效率不断提高，有力地支持了国家节能减排目标的实现。（4）环境保护技术的进步。在脱硫、脱硝、除尘等环保技术方面，我国取得了重要突破，为改善环境质量做出了贡献。1.3作业指导书编写目的与要求为使学生在热能与动力工程课程学习过程中，更好地掌握基本理论、基本知识和基本技能，培养实际工程能力，特编写此作业指导书。本作业指导书旨在：（1）明确课程学习目标，指导学生进行有针对性的学习。（2）提供典型题目和案例分析，帮助学生巩固理论知识，提高解决实际问题的能力。（3）规范作业格式和要求，培养学生严谨的学术态度和良好的工程素养。在使用本作业指导书时，学生应遵循以下要求：（1）认真阅读题目，理解题意，保证解答的正确性和完整性。（2）按照指导书要求，规范书写作业，保持字迹清晰、工整。（3）注重理论知识与实际应用相结合，提高分析问题和解决问题的能力。（4）按时完成作业，积极参加讨论，相互学习，共同进步。第2章热力学基础知识2.1热力学基本概念热力学是研究热能与其他形式能量相互转换规律的学科。本节将介绍热力学中的一些基本概念，包括系统、状态、过程和平衡等。2.1.1系统系统是指研究对象的特定部分，可以是一个物体、一个设备或一个区域。根据与外界交换物质、能量和功的方式，系统可分为封闭系统、开放系统和绝热系统。2.1.2状态状态是指系统在某一时刻的宏观性质，如温度、压力、体积等。状态可以用状态参数来描述，不同状态之间的变化称为过程。2.1.3过程过程是指系统从一个状态变化到另一个状态的过程。根据过程的特点，可以分为等温过程、等压过程、等容过程和绝热过程等。2.1.4平衡平衡是指系统在不受外界影响时，其宏观性质不随时间变化。热力学平衡分为热平衡、力平衡和化学平衡等。2.2状态参数及其热力学关系状态参数是描述系统状态的物理量。本节主要介绍一些基本的状态参数及其热力学关系。2.2.1温度温度是衡量系统热状态的物理量。热力学温度与摄氏温度的关系为：T（K）=t（℃）273.15。2.2.2压力压力是指单位面积上受到的力。在热力学中，通常使用帕斯卡（Pa）作为压力的单位。2.2.3体积体积是指系统所占据的空间大小。在热力学中，体积通常以立方米（m³）为单位。2.2.4状态方程状态方程描述了系统状态参数之间的相互关系。最常用的状态方程是理想气体状态方程：PV=nRT，其中P、V、n、R和T分别表示压力、体积、物质的量、气体常数和温度。2.3热力学第一定律热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的具体表现，它表明在一个封闭系统中，系统所吸收的热量等于系统所做的功和内能的增加。2.3.1内能内能是指系统内部所有微观粒子（如原子、分子）的热运动和相互作用所具有的能量。2.3.2热量热量是指由于温度差，系统与外界之间传递的能量。2.3.3功功是指系统与外界之间由于压力差、位移等引起的能量传递。2.4热力学第二定律热力学第二定律描述了热量传递的方向性和能量转换的不可逆性。它包括两个基本原理：克劳修斯原理和开尔文原理。2.4.1克劳修斯原理克劳修斯原理指出：在自然过程中，热量不能自发地从低温物体传递到高温物体。2.4.2开尔文原理开尔文原理认为：不可能从单一热源吸收热量，使之完全转化为功而不引起其他影响。这意味着能量转换过程中总存在一定的能量损失。第3章流体力学基础3.1流体的性质及流体静力学3.1.1流体的定义与特性流体是物质的一种形态，具有流动性和连续性。流体的主要特性包括密度、粘度和压缩性等。流体的这些性质对流体静力学和动力学分析具有重大影响。3.1.2流体静压力流体静压力是指流体在静止状态下所受到的压力。流体静压力与流体的密度、重力加速度以及流体所在深度有关。本节将介绍流体静压力的计算方法和应用。3.1.3流体静压力定律流体静压力遵循帕斯卡定律，即在一个封闭容器内，流体静压力在各个方向相等。本节将阐述流体静压力定律的原理及其在工程中的应用。3.2流体运动学3.2.1流体运动的描述流体运动学主要研究流体运动的规律和特性。本节将从流速、流线和流谱等方面描述流体运动。3.2.2流体运动的分类根据流体运动的特性，可以将其分为层流和湍流两种类型。本节将介绍层流和湍流的区别及其在实际工程中的表现。3.2.3流体运动方程流体运动方程是描述流体运动的数学表达式，主要包括连续性方程、动量方程和能量方程。本节将简要介绍这些方程的基本形式。3.3流体动力学3.3.1流体动力学的定义与任务流体动力学研究流体在力的作用下的运动规律，主要任务为分析流体的速度、压力、温度等物理量的分布与变化。3.3.2纳维斯托克斯方程纳维斯托克斯方程是描述流体动力学运动的一组偏微分方程，是流体力学的基本方程。本节将介绍纳维斯托克斯方程的推导和应用。3.3.3流体阻力和升力流体阻力和升力是流体动力学中的重要概念，它们直接影响工程结构的功能。本节将讨论流体阻力和升力的计算方法。3.4边界层理论3.4.1边界层的定义与特性边界层是指流体在靠近固体表面的区域，其流速从零逐渐增加到自由流的速度。边界层内的流动特性对流体阻力和传热等过程具有重要影响。3.4.2边界层流动分类根据流体在边界层内的流动特性，可以将边界层流动分为层流边界层和湍流边界层。本节将介绍这两种边界层流动的特点。3.4.3边界层方程边界层方程是描述边界层内流体运动的数学表达式，主要包括边界层动量方程和能量方程。本节将简要介绍这些方程的基本形式及其应用。第4章传热学基础4.1导热基本方程导热是指物体内部热量通过分子碰撞传递的过程。本节主要介绍导热基本方程，包括傅里叶导热定律和导热微分方程。4.1.1傅里叶导热定律傅里叶导热定律描述了物体内部温度梯度与热流密度之间的关系，表达式为：\[q=k\frac{dT}{dx}\]其中，\(q\)表示热流密度，\(k\)表示导热系数，\(\frac{dT}{dx}\)表示温度梯度。4.1.2导热微分方程导热微分方程是描述导热过程中温度随时间和空间变化的偏微分方程，表达式为：\[\frac{\partialT}{\partialt}=\alpha\nabla^2TQ\]其中，\(T\)表示温度，\(t\)表示时间，\(\alpha\)表示热扩散系数，\(\nabla^2T\)表示拉普拉斯算子，\(Q\)表示单位时间内单位体积内的热源项。4.2对流传热对流传热是指流体与固体表面之间的热量传递过程。本节主要介绍对流传热的基本原理和关联式。4.2.1对流传热基本原理对流传热过程中，流体与固体表面之间的热量传递主要通过以下方式：（1）流体与固体表面之间的温差引起的热量传递；（2）流体流动引起的流体质点与固体表面的热量传递。4.2.2对流传热关联式对流传热关联式通常采用牛顿冷却定律表示，表达式为：\[q=h\cdot(T_sT_f)\]其中，\(q\)表示对流传热热流密度，\(h\)表示对流传热系数，\(T_s\)表示固体表面温度，\(T_f\)表示流体温度。4.3辐射传热辐射传热是指物体表面之间通过电磁波传递热量的过程。本节主要介绍辐射传热的基本原理和黑体辐射定律。4.3.1辐射传热基本原理物体表面发射的电磁波在经过空间传递后，被另一个物体表面吸收，从而实现热量传递。辐射传热的基本原理遵循斯特藩玻尔兹曼定律和兰贝特定律。4.3.2黑体辐射定律黑体辐射定律描述了理想黑体表面温度与发射的辐射能量之间的关系，表达式为：\[E=\sigma\cdotT^4\]其中，\(E\)表示单位面积黑体表面发射的辐射能量，\(\sigma\)表示斯特藩玻尔兹曼常数，\(T\)表示黑体温度。4.4复合传热复合传热是指在实际工程应用中，导热、对流传热和辐射传热同时存在的过程。本节主要介绍复合传热的基本特点和计算方法。4.4.1复合传热基本特点复合传热过程中，热量传递方式包括导热、对流传热和辐射传热，具有以下特点：（1）传热过程复杂，需要综合考虑多种热量传递方式；（2）传热系数和热阻的计算较为复杂；（3）传热过程受多种因素影响，如流体性质、流速、温度等。4.4.2复合传热计算方法复合传热计算方法通常采用数值方法，如有限元法、有限体积法等。在计算过程中，需要将导热、对流传热和辐射传热方程进行耦合，并考虑边界条件和初始条件。第5章内燃机原理5.1内燃机概述内燃机是一种将热能转换为机械能的装置，其工作原理是通过在气缸内燃烧燃料产生高温高压气体，从而推动活塞做功。内燃机具有功率密度高、机动性好、适用范围广等优点，在汽车、船舶、航空等领域得到广泛应用。5.2燃烧过程内燃机的燃烧过程包括进气、压缩、燃烧和排气四个阶段。在进气阶段，活塞下行，气缸内形成负压，吸入混合气；在压缩阶段，活塞上行，混合气被压缩，温度和压力升高；在燃烧阶段，火花塞点火或压燃使混合气迅速燃烧，产生高温高压气体；在排气阶段，活塞再次上行，将燃烧后的废气排出气缸。5.3内燃机工作循环内燃机的工作循环包括四个基本过程：进气、压缩、做功和排气。进气过程是活塞下行，吸入新鲜混合气；压缩过程是活塞上行，将混合气压缩至预定压力；做功过程是燃烧产生的高温高压气体推动活塞下行，对外输出功；排气过程是活塞再次上行，将废气排出气缸。5.4内燃机功能指标内燃机的功能指标主要包括以下几个方面：（1）功率：内燃机在单位时间内所做的功，通常以千瓦（kW）表示。（2）扭矩：内燃机输出的旋转力矩，通常以牛·米（N·m）表示。（3）燃油消耗率：内燃机在单位功率输出下消耗的燃油量，通常以克/千瓦时（g/kWh）表示。（4）排放功能：指内燃机排放的废气中污染物（如CO、HC、NOx等）的浓度和总量。（5）效率：内燃机输出功率与燃料热值的比值，反映了内燃机的能量转换效率。（6）耐久性：内燃机在规定使用条件下的使用寿命，通常以小时或公里数表示。（7）噪声和振动：内燃机运行过程中的噪声和振动水平，是衡量内燃机舒适性和环保性的重要指标。第6章燃烧设备6.1燃烧设备概述燃烧设备作为热能与动力工程中的重要组成部分，其功能在于实现燃料的高效燃烧，为热能转换提供必要的热源。燃烧设备广泛应用于火力发电、供热工程、工业生产等领域。本章主要介绍燃烧设备的基本概念、分类及其在热能与动力工程中的应用。6.2燃烧设备的工作原理燃烧设备的工作原理基于燃料与氧气的化学反应，释放出热能。燃烧过程主要包括以下几个阶段：（1）燃料的制备与输送：将固体、液体或气体燃料制备成符合燃烧设备要求的形态，并通过输送设备送入燃烧器。（2）燃料的雾化与混合：对于液体和气体燃料，需要通过雾化器将其雾化成细小颗粒，与空气充分混合。（3）燃烧：在燃烧室内，燃料与氧气发生化学反应，释放出热能。（4）排放：将燃烧产物（烟气）从燃烧室内排出，并经过后续处理达到环保要求。6.3燃烧设备的选型与设计燃烧设备的选型与设计是保证热能系统高效、稳定运行的关键。选型与设计应考虑以下因素：（1）燃料类型：根据燃料的物理和化学性质，选择合适的燃烧设备。（2）燃烧方式：根据热能需求，选择合适的燃烧方式，如层燃、悬浮燃等。（3）燃烧设备结构：根据燃料特性和燃烧要求，设计合理的燃烧设备结构。（4）热效率：提高燃烧设备的热效率，降低能源消耗。（5）可靠性：保证燃烧设备长期稳定运行，减少故障率。6.4燃烧设备的安全与环保燃烧设备在运行过程中，需关注安全和环保问题：（1）安全：严格按照操作规程进行操作，防止火灾、爆炸等的发生。设置安全防护装置，如温度、压力监测装置，火焰监测装置等。（2）环保：采取措施降低污染物排放，如选用低氮氧化物（NOx）燃烧器，尾气脱硫、脱硝处理等。同时合理利用余热，提高能源利用率，降低能源消耗。本章对燃烧设备进行了概述，介绍了其工作原理、选型与设计原则，以及安全与环保措施。希望读者能对燃烧设备有更深入的了解，为热能与动力工程的应用提供参考。第7章换热设备7.1换热设备概述换热设备是热能与动力工程中关键的组成部分，其主要功能是实现两种不同流体之间的热量交换。换热设备在化工、石油、动力、食品和医药等行业具有广泛的应用。通过合理设计和选用换热设备，可以提高能源利用效率，降低生产成本，减少环境污染。7.2换热设备的基本类型换热设备根据其结构和功能可分为以下几种基本类型：（1）间壁式换热器：主要包括管壳式换热器、板式换热器、螺旋板式换热器等。其工作原理是利用两侧流体之间的壁面进行热量交换。（2）混合式换热器：通过将两种流体直接混合，实现热量交换。主要包括喷射式换热器和静态混合式换热器。（3）蓄热式换热器：利用固体蓄热材料作为热媒介，实现热量在两个流体之间的传递。主要包括回转式蓄热器和蜂窝式蓄热器。（4）热管式换热器：利用热管内工作液体的相变进行热量传输。主要包括重力热管换热器和毛细热管换热器。7.3换热设备的设计计算换热设备的设计计算主要包括以下内容：（1）确定换热设备类型：根据工艺条件和要求，选择合适的换热设备类型。（2）确定换热面积：根据热量交换需求，计算所需换热面积。（3）确定流体流动方式：根据换热设备类型和流体性质，选择合适的流动方式，如逆流、顺流或交叉流。（4）计算流体压力降：根据流体流动状态和管道特性，计算流体在换热设备中的压力降。（5）选用和设计换热器材料：根据流体性质、温度和压力等条件，选用合适的换热器材料。（6）校核换热器强度和刚度：保证换热设备在运行过程中具有良好的力学功能。7.4换热设备的优化与节能换热设备的优化与节能措施主要包括以下方面：（1）增加换热面积：通过优化换热器结构，提高换热效率。（2）提高流体流速：增加流体流速，以提高传热系数。（3）采用高效换热材料：选用导热功能优良的换热材料，提高换热效率。（4）优化换热器布局：合理布局换热器，降低流体流动阻力，提高换热效率。（5）应用先进控制技术：采用先进控制策略，实现换热设备的实时优化与运行调节。（6）强化传热技术：通过表面处理、添加纳米流体等手段，强化传热过程，提高换热效率。第8章动力机械与设备8.1汽轮机原理及设备8.1.1汽轮机原理汽轮机是一种热力发电设备，通过燃料燃烧产生的热能将水加热成蒸汽，蒸汽推动转子旋转，进而带动发电机发电。本节主要介绍汽轮机的工作原理、热力循环以及效率计算。8.1.2汽轮机设备本节主要介绍汽轮机的各个组成部分，包括锅炉、汽轮机本体、凝汽器、给水泵、冷却塔等，并对各设备的功能、结构及工作原理进行详细阐述。8.2燃气轮机原理及设备8.2.1燃气轮机原理燃气轮机是一种以燃料燃烧产生的热能驱动涡轮旋转，进而带动发电机发电的热力发电设备。本节主要介绍燃气轮机的工作原理、热力循环以及效率计算。8.2.2燃气轮机设备本节主要介绍燃气轮机的各个组成部分，包括压气机、燃烧室、涡轮、发电机等，并对各设备的功能、结构及工作原理进行详细阐述。8.3涡轮机原理及设备8.3.1涡轮机原理涡轮机是一种将流体（气体或蒸汽）的动能转换为机械能的装置。本节主要介绍涡轮机的工作原理、类型以及功能参数。8.3.2涡轮机设备本节主要介绍涡轮机的各个组成部分，包括叶轮、导叶、轴承、增速器等，并对各设备的功能、结构及工作原理进行详细阐述。8.4压缩机原理及设备8.4.1压缩机原理压缩机是一种将气体压缩至较高压力的设备，以满足工业生产过程中对压缩空气或气体需求。本节主要介绍压缩机的工作原理、类型以及功能参数。8.4.2压缩机设备本节主要介绍压缩机的各个组成部分，包括转子、定子、轴承、密封装置等，并对各设备的功能、结构及工作原理进行详细阐述。第9章控制系统与自动化9.1控制系统基本原理9.1.1控制系统的定义与分类控制系统是由控制对象、执行机构、反馈元件和控制器等组成的整体，通过对输入信号进行处理，使输出信号满足预定的功能指标。按照控制原理的不同，控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。9.1.2控制系统的数学模型控制系统的数学模型是描述系统动态特性的数学表达式。主要包括微分方程、传递函数和状态空间方程等。9.1.3控制系统的功能指标控制系统的功能指标主要包括稳定性、快速性、准确性和平稳性等。这些功能指标是评价控制系统功能的重要依据。9.2热能与动力工程中的自动控制9.2.1热能与动力工程自动控制的意义热能与动力工程自动控制技术能够提高能源利用率、降低能源消耗、保障设备安全运行、延长设备寿命，对于实现能源的高效利用具有重要意义。9.2.2热能与动力工程自动控制的应用领域热能与动力工程自动控制技术广泛应用于火力发电、核能发电、风力发电、太阳能发电等能源领域，以及制冷、空调、汽车、船舶等动力工程领域。9.3控制系统的设计与应用9.3.1控制系统设计方法控制系统设计方法包括基于数学模型的古典控制理论和现代控制理论。设计过