热能与动力工程技术作业指导书

热能与动力工程技术作业指导书TOC\o"1-2"\h\u28102第1章热能基础理论 3242101.1热力学第一定律 3257281.1.1基本概念 3205941.1.2表达式 3162211.1.3应用 457691.2热力学第二定律 4124631.2.1基本原理 484271.2.2表述 4315181.2.3应用 4304581.3热量传递方式 46321.3.1导热 4182981.3.2对流 4214881.3.3辐射 59800第2章动力工程概述 5270132.1动力工程发展历程 5196372.2动力工程分类及特点 5187842.3动力系统评价方法 66617第3章内燃机原理与设计 6269923.1内燃机工作原理 6149363.1.1四冲程内燃机工作原理 6165213.2内燃机燃烧过程 7234043.2.1燃烧类型 7311823.2.2燃烧过程影响因素 7110653.3内燃机排放控制 792713.3.1排放物种类 7145093.3.2排放控制技术 718284第4章燃烧设备与燃烧技术 760144.1燃烧设备分类及特点 8205564.1.1燃烧设备的分类 843584.1.2燃烧设备的特点 868724.2燃烧过程分析 8125574.2.1燃烧反应机理 8195544.2.2燃烧过程的影响因素 8137534.3燃烧优化技术 820834.3.1燃烧器设计优化 9256684.3.2燃烧过程控制优化 965774.3.3燃烧参数优化 941404.3.4燃料与空气混合优化 9194304.3.5燃烧污染物排放控制 920715第5章换热设备与换热技术 961955.1换热设备分类及功能 96435.1.1板式换热器 9311075.1.2管式换热器 9203265.1.3复合型换热器 9181835.1.4蒸发器和冷凝器 10139405.2换热原理及计算方法 10242375.2.1对数平均温差法 10220635.2.2传热方程法 10256205.2.3热平衡法 10200555.3换热器设计与选型 10164275.3.1确定换热器类型 10213805.3.2计算换热面积 10120145.3.3选材及结构设计 11113895.3.4优化传热功能 11214645.3.5考虑安装和维护 1120317第6章流体力学与泵阀应用 11212456.1流体力学基础 11176036.1.1流体的性质与状态 1171516.1.2流体力学的三大基本方程 11270416.1.3流体流动的分类 11155806.2泵与风机原理及选型 11113676.2.1泵与风机的工作原理 1119256.2.2泵与风机的类型 1122016.2.3泵与风机的选型 12243196.3阀门类型及在动力工程中的应用 12235786.3.1阀门的分类 12318316.3.2阀门在动力工程中的应用 12193656.3.3阀门故障与维护 1210649第7章自动控制技术在动力工程中的应用 12226147.1自动控制原理 12117187.2传感器与执行器 1256787.2.1传感器 12147807.2.2执行器 12132977.3控制策略与系统设计 13258887.3.1控制策略 13181397.3.2系统设计 13962第8章热能与动力系统仿真 1384358.1系统仿真概述 1379698.1.1系统仿真的基本概念 13284248.1.2系统仿真的原理 14319818.1.3系统仿真的方法 149338.2数学模型与仿真方法 1488908.2.1数学模型 1477968.2.2仿真方法 1421228.3热能与动力系统仿真软件及应用 14153388.3.1常见热能与动力系统仿真软件 14299688.3.2软件应用 155945第9章热能与动力系统节能技术 15109719.1节能技术概述 1563549.2热能回收利用技术 15201689.3动力系统优化与节能 1532258第10章热能与动力工程案例解析 161918810.1热电厂工程案例 161086110.1.1案例背景 163033810.1.2热电厂工艺流程 162316010.1.3案例分析 163248610.1.4案例启示 162607710.2汽车动力系统案例 16937910.2.1案例背景 163174110.2.2汽车动力系统组成 161199510.2.3案例分析 162039910.2.4案例启示 172159210.3工业锅炉及热能利用案例 17578910.3.1案例背景 17358510.3.2工业锅炉类型及特点 17830010.3.3案例分析 17968810.3.4案例启示 17第1章热能基础理论1.1热力学第一定律热力学第一定律，又称能量守恒定律，表述了能量在系统与外界之间传递和转换过程中守恒的原理。本节主要介绍热力学第一定律的基本概念、表达式及其应用。1.1.1基本概念能量守恒：在一个封闭系统内，能量不会凭空消失或产生，只能从一种形式转换为另一种形式。1.1.2表达式热力学第一定律的数学表达式为：\[Q=W\DeltaU\]其中，Q表示系统与外界之间的热量交换，W表示系统对外界所做的功，ΔU表示系统内能的变化。1.1.3应用热力学第一定律在实际工程中的应用非常广泛，如在热机、热泵、制冷装置等设备的设计与优化中起着关键作用。1.2热力学第二定律热力学第二定律主要研究热现象中的方向性，阐述了能量转换和传递过程中的不可逆性。本节将介绍热力学第二定律的基本原理和表述。1.2.1基本原理热力学第二定律指出，在自然过程中，热量不能完全转化为功，总是有一部分热量以废热的形式散失到环境中。1.2.2表述热力学第二定律有多种表述方式，其中最具代表性的是克劳修斯表述和开尔文表述：克劳修斯表述：在自然过程中，一个封闭系统的熵不可能减少。开尔文表述：不可能从单一热源吸热并完全转化为功，而不引起其他影响。1.2.3应用热力学第二定律在热能工程领域的应用主要体现在热机效率的限制、热泵和制冷循环的设计等方面。1.3热量传递方式热量传递是热能工程中一个基本而重要的过程。热量传递方式主要有三种：导热、对流和辐射。1.3.1导热导热是指物体内部热量通过分子、原子等微观粒子的碰撞和传递而传递的过程。导热的基本规律由傅里叶热传导定律描述：\[q=k\frac{dT}{dx}\]其中，q表示单位时间内通过单位面积的热量，k表示热导率，dT/dx表示温度梯度。1.3.2对流对流是指流体与固体表面之间的热量传递过程。对流热传递的基本规律由牛顿冷却定律描述：\[q=h\DeltaT\]其中，q表示单位时间内通过单位面积的热量，h表示对流换热系数，ΔT表示流体与固体表面之间的温差。1.3.3辐射热辐射是指物体表面因温度而发出的电磁波。热辐射的基本规律由斯蒂芬玻尔兹曼定律描述：\[q=\varepsilon\sigmaAT^4\]其中，q表示单位时间内通过单位面积的热量，ε表示物体的发射率，σ为斯蒂芬玻尔兹曼常数，A表示物体表面积，T表示物体表面温度。第2章动力工程概述2.1动力工程发展历程动力工程起源于人类对能源的利用和转换，其发展历程可追溯至第一次工业革命。早期动力工程主要以蒸汽动力为核心，科学技术进步，逐步发展形成了涵盖热能、机械能、电能等多种能源形式的高效转换与利用技术。从蒸汽时代、内燃机时代到现代能源时代，动力工程不断发展，为人类社会的生产和生活提供了强大的动力支持。2.2动力工程分类及特点动力工程可分为以下几类：（1）热力发电工程：以化石燃料、核燃料等为主要能源，通过热力循环将热能转换为电能。（2）流体动力工程：利用流体（如水、空气等）的能量进行能量转换，如水力发电、风力发电等。（3）气体动力工程：以燃料与氧气的化学反应为动力来源，如内燃机、燃气轮机等。（4）电力动力工程：以电能为主要能源，通过电机将电能转换为机械能或其他形式能量。特点：（1）能源转换效率高：动力工程通过科学的设计和优化，实现能源的高效转换，提高能源利用率。（2）适用范围广：动力工程技术广泛应用于工业、农业、交通、建筑等多个领域。（3）环保性强：动力工程在发展过程中，注重环境保护，不断研究和应用低污染、低排放的能源转换技术。（4）技术更新迅速：动力工程技术科技进步不断进行创新和升级，以满足社会发展的需求。2.3动力系统评价方法动力系统评价方法主要包括以下几种：（1）热效率评价：以热效率为核心指标，评估动力系统的能量转换效率。（2）经济性评价：从投资、运行、维护等角度，分析动力系统的经济功能。（3）环境评价：通过对动力系统排放物、能耗等指标的监测，评估其对环境的影响。（4）可靠性评价：通过统计分析动力系统的故障率、维修周期等数据，评估其运行可靠性。（5）综合功能评价：综合考虑动力系统的热效率、经济性、环境功能和可靠性等多方面因素，进行全面评价。第3章内燃机原理与设计3.1内燃机工作原理内燃机是一种将燃料在气缸内燃烧产生的热能转化为机械能的发动机。其工作原理基于奥托循环或柴油循环，以下将以四冲程内燃机为例进行说明。3.1.1四冲程内燃机工作原理四冲程内燃机一个工作循环包括四个基本过程：进气、压缩、做功和排气。（1）进气过程：活塞自上死点向下死点运动，气缸内压力降低，通过进气门吸入新鲜空气和燃油混合气体。（2）压缩过程：活塞向上死点运动，将进气过程吸入的混合气体压缩，使气体温度和压力升高。（3）做功过程：在压缩过程末端，火花塞产生电火花点燃混合气体，产生高温高压气体，推动活塞向下死点运动，完成做功过程。（4）排气过程：活塞再次向上死点运动，将燃烧后的废气排出气缸，完成排气过程。3.2内燃机燃烧过程内燃机的燃烧过程对发动机功能具有重大影响，以下介绍燃烧过程的关键因素。3.2.1燃烧类型根据燃烧方式的不同，内燃机可分为火花点火燃烧和压缩点火燃烧。（1）火花点火燃烧：在奥托循环内燃机中，采用火花点火方式，燃油混合气体在压缩过程末端被火花点燃。（2）压缩点火燃烧：在柴油循环内燃机中，采用压缩点火方式，燃油在高压下直接喷入气缸，与高温气体混合后自燃。3.2.2燃烧过程影响因素（1）燃油喷射：燃油喷射的雾化质量、喷射时刻和喷射量对燃烧过程具有重要影响。（2）进气混合：进气混合均匀性、进气温度和湿度等影响燃烧效率。（3）压缩比：压缩比的大小直接影响燃烧温度和压力，进而影响发动机功能和排放。3.3内燃机排放控制内燃机排放物对环境产生严重影响，必须采取相应措施进行控制。3.3.1排放物种类内燃机排放物主要包括：碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）和颗粒物（PM）。3.3.2排放控制技术（1）机内净化技术：优化燃烧过程，提高燃烧效率，降低排放物。（2）尾气后处理技术：采用催化转化器、颗粒捕集器等设备降低排放物浓度。（3）燃油品质提升：使用高辛烷值燃油，减少碳氢化合物和颗粒物排放。（4）排放控制系统：采用电子控制单元（ECU）对内燃机燃烧过程进行精确控制，降低排放。第4章燃烧设备与燃烧技术4.1燃烧设备分类及特点4.1.1燃烧设备的分类燃烧设备主要分为以下几种类型：（1）层燃炉：包括链条炉、往复炉等，其特点是燃料在炉排上燃烧，热量主要通过辐射和对流方式传递给受热面。（2）悬浮燃烧炉：如煤粉炉、气体燃料炉等，燃料在炉内以悬浮状态燃烧，具有燃烧速度快、传热效率高等特点。（3）沸腾燃烧炉：利用高速气流使燃料颗粒在炉内沸腾燃烧，具有燃烧充分、负荷调节范围大等特点。（4）熔融燃烧炉：如焦炉、玻璃熔炉等，燃料在高温下熔融燃烧，热量传递方式以辐射和对流为主。4.1.2燃烧设备的特点（1）层燃炉：结构简单，操作方便，但燃烧效率较低，污染排放较高。（2）悬浮燃烧炉：燃烧效率高，负荷调节范围大，但设备复杂，运行维护成本较高。（3）沸腾燃烧炉：燃烧充分，传热效果好，但能耗较高，对燃料颗粒度要求严格。（4）熔融燃烧炉：热效率高，但设备投资大，操作要求高，对环境污染严重。4.2燃烧过程分析4.2.1燃烧反应机理燃烧是一种氧化还原反应，燃烧过程中燃料与氧化剂发生反应，释放出热能。燃烧反应包括预混合、扩散、反应和排放四个阶段。4.2.2燃烧过程的影响因素（1）燃料性质：燃料的热值、挥发分、灰分等对燃烧过程产生影响。（2）燃烧设备：燃烧设备的设计、结构、操作参数等影响燃烧效果。（3）氧化剂：氧化剂的温度、压力、浓度等影响燃烧速度和燃烧效率。（4）环境条件：如温度、湿度、氧气浓度等，对燃烧过程也有一定影响。4.3燃烧优化技术4.3.1燃烧器设计优化根据燃料特性和燃烧设备要求，合理设计燃烧器结构，提高燃烧效率。4.3.2燃烧过程控制优化采用先进的控制策略，实现燃烧过程的自动调节，保证燃烧效率稳定。4.3.3燃烧参数优化通过调整燃烧设备操作参数，如燃料供给、空气流量、燃烧温度等，实现燃烧优化。4.3.4燃料与空气混合优化采用先进的混合技术，如旋流混合、脉冲混合等，提高燃料与氧化剂的混合程度，从而提高燃烧效率。4.3.5燃烧污染物排放控制采用低氮氧化物（NOx）、低颗粒物（PM）等燃烧技术，减少污染物排放，保护环境。第5章换热设备与换热技术5.1换热设备分类及功能换热设备是热能转化与传递过程中不可或缺的组成部分，其主要功能是使冷热流体之间进行热量交换，以满足生产过程的热能需求。换热设备按照其结构形式、工作原理及用途，可分为以下几类：5.1.1板式换热器板式换热器由一系列具有一定波纹的金属板组成，冷热流体在相邻板之间流动，通过板表面的波纹促进流体湍流，提高传热系数。其优点为结构紧凑、传热效率高、易于清洗和拆卸。5.1.2管式换热器管式换热器是由许多金属管组成的，冷热流体分别在管内和管外流动，通过管壁进行热量交换。根据管子排列方式的不同，可分为直管式、螺旋管式和壳管式等。管式换热器具有传热面积大、适应性强、结构简单等特点。5.1.3复合型换热器复合型换热器是将多种换热方式结合在一起的换热设备，如板壳式、板式与管式相结合的换热器。其综合了各种换热方式的优点，具有传热效率高、占地面积小、适应范围广等优点。5.1.4蒸发器和冷凝器蒸发器和冷凝器是制冷系统中的关键换热设备，分别负责吸收热量和排放热量。蒸发器主要用于吸收低温流体的热量，使其蒸发；冷凝器则将高温气态制冷剂冷凝成液态，排放热量。5.2换热原理及计算方法换热原理基于热量守恒定律，即冷热流体在换热过程中，单位时间内传递的热量相等。换热计算主要包括以下方法：5.2.1对数平均温差法对数平均温差法是换热计算中最常用的方法，适用于壳管式、板式等换热设备。其计算公式为：Q=U×A×ΔTm其中，Q为换热热量，U为总传热系数，A为换热面积，ΔTm为对数平均温差。5.2.2传热方程法传热方程法是根据能量守恒原理，建立流体与固体壁面之间的传热方程，结合边界条件和初始条件，求解温度场、速度场等参数。适用于复杂结构的换热设备计算。5.2.3热平衡法热平衡法是根据热能守恒原理，列出冷热流体在换热过程中的热平衡方程，求解换热器所需的传热面积。适用于各类换热设备。5.3换热器设计与选型换热器的设计与选型是保证热能动力系统高效运行的关键环节，主要包括以下几个方面：5.3.1确定换热器类型根据工艺要求、流体特性、传热特性等因素，选择合适的换热器类型。如对传热效率要求较高，可选用板式或复合型换热器；对于高压、高温场合，可选用管式换热器。5.3.2计算换热面积根据换热原理及计算方法，结合工艺条件，计算所需换热面积。同时考虑换热器在实际运行过程中可能出现的污垢、磨损等因素，适当放大换热面积。5.3.3选材及结构设计根据流体性质、温度、压力等参数，选择合适的材料；同时结合换热器类型和工艺要求，进行结构设计，保证换热器在长期运行中的稳定性和可靠性。5.3.4优化传热功能通过采用先进的换热技术，如强化传热、增设中间介质、优化流动状态等，提高换热器的传热功能，降低能耗。5.3.5考虑安装和维护在设计换热器时，充分考虑设备的安装空间、维护方便性等因素，以提高换热系统的整体功能和经济效益。第6章流体力学与泵阀应用6.1流体力学基础6.1.1流体的性质与状态流体是热能与动力工程中常见的物质形态，包括气体和液体。本节将介绍流体的基本性质，如密度、粘度和压缩性等，并分析流体在不同状态下的特点。6.1.2流体力学的三大基本方程流体力学的基本方程包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。本节将详细解释这三大基本方程的物理意义及其在工程中的应用。6.1.3流体流动的分类流体流动可分为层流和湍流。本节将对这两种流动类型进行详细描述，并探讨其产生条件和工程应用。6.2泵与风机原理及选型6.2.1泵与风机的工作原理泵和风机是流体输送设备，广泛应用于热能与动力工程领域。本节将阐述泵和风机的工作原理，以及它们在工程中的作用。6.2.2泵与风机的类型根据工作原理和结构特点，泵和风机可分为多种类型。本节将介绍离心泵、轴流泵、混流泵、罗茨风机等常见泵与风机的结构及功能特点。6.2.3泵与风机的选型泵与风机的选型对热能与动力工程系统的稳定运行。本节将阐述泵与风机选型的主要依据，包括流量、扬程、效率、噪音等因素，并提供选型方法。6.3阀门类型及在动力工程中的应用6.3.1阀门的分类阀门是流体控制设备，用于调节、切断和分配流体。本节将介绍阀门的主要分类，包括截止阀、闸阀、球阀、蝶阀等，并分析其结构及功能特点。6.3.2阀门在动力工程中的应用阀门在热能与动力工程中具有重要作用。本节将探讨阀门在工程中的应用，包括调节系统压力、流量和温度等，以及阀门选型和安装要求。6.3.3阀门故障与维护阀门在使用过程中可能会出现故障，影响热能与动力系统的正常运行。本节将分析常见阀门故障及其原因，并提供相应的维护方法。第7章自动控制技术在动力工程中的应用7.1自动控制原理自动控制技术是动力工程中不可或缺的一部分，它通过自动调节系统内的各个环节，使设备运行在最佳状态，提高生产效率和安全性。自动控制原理主要基于反馈控制，包括开环控制和闭环控制。在动力工程中，常用的控制原理有比例（P）、积分（I）、微分（D）控制，以及先进的控制算法如模糊控制、神经网络控制等。7.2传感器与执行器7.2.1传感器传感器是自动控制系统的感知部分，用于检测系统中的各种物理量。在动力工程中，常用的传感器包括温度传感器、压力传感器、流量传感器、液位传感器等。这些传感器将各种物理量转换为电信号，为控制系统提供实时、准确的数据。7.2.2执行器执行器是自动控制系统的执行部分，根据控制器的输出信号，对动力工程设备进行调节和控制。常见的执行器有电动调节阀、气动调节阀、变频器等。它们可以实现对温度、压力、流量等参数的精确控制。7.3控制策略与系统设计7.3.1控制策略在动力工程中，控制策略的选择对系统功能具有重要影响。根据设备特性和工艺要求，可以采用以下几种控制策略：（1）串级控制：适用于多变量、多级控制场合，可以提高系统的稳定性和响应速度。（2）分程控制：将控制任务分解为几个子任务，分别由不同的控制器完成，适用于复杂的控制场合。（3）集中控制：将多个控制任务集中在一个控制器上完成，便于管理和维护。（4）智能控制：采用先进的控制算法，如模糊控制、神经网络控制等，实现系统的高功能控制。7.3.2系统设计自动控制系统设计主要包括以下步骤：（1）分析工艺要求，确定控制目标和功能指标。（2）选择合适的传感器、执行器、控制器等设备。（3）设计控制策略，包括控制算法、参数整定等。（4）搭建系统硬件结构，包括传感器、执行器、控制器、通信网络等。（5）开发系统软件，实现数据采集、控制算法、人机界面等功能。（6）调试和优化系统，保证系统稳定、可靠、高效地运行。通过以上内容，本章对自动控制技术在动力工程中的应用进行了详细阐述。自动控制技术在实际应用中，需根据具体设备特性和工艺要求，选择合适的控制策略和系统设计方法，以实现动力工程的优化控制。第8章热能与动力系统仿真8.1系统仿真概述热能与动力系统仿真是研究热能与动力工程问题的重要手段，通过对实际系统进行模拟和计算，为工程设计、运行优化及故障诊断提供理论依据。本章主要介绍热能与动力系统仿真的基本概念、原理及方法。8.1.1系统仿真的基本概念系统仿真是指利用数学模型、计算机技术和专业知识，对实际系统进行模拟、分析和预测的过程。热能与动力系统仿真主要包括热力系统仿真、流体动力系统仿真和控制系统仿真等。8.1.2系统仿真的原理系统仿真的基本原理是利用数学模型描述实际系统的行为，通过计算机求解模型方程，得到系统在不同工况下的功能参数，从而对系统进行分析和优化。8.1.3系统仿真的方法系统仿真方法主要包括连续系统仿真、离散系统仿真和混合系统仿真。热能与动力系统主要采用连续系统仿真方法。8.2数学模型与仿真方法热能与动力系统仿真的核心是建立准确的数学模型，并采用合适的仿真方法进行求解。8.2.1数学模型数学模型是对实际系统进行抽象和简化的结果，主要包括以下几种类型：（1）热力学模型：描述热能传递和转换过程的基本规律。（2）流体力学模型：描述流体流动和压力分布的基本规律。（3）传热学模型：描述热量传递过程的基本规律。（4）控制模型：描述系统控制策略和控制器设计的基本规律。8.2.2仿真方法热能与动力系统仿真方法主要包括以下几种：（1）数值求解法：利用数值计算方法求解模型方程，如有限差分法、有限元法等。（2）模拟法：利用物理模型或等效电路模拟实际系统，进行实验研究。（3）优化法：采用数学规划方法，对系统功能进行优化。8.3热能与动力系统仿真软件及应用热能与动力系统仿真软件是进行热能与动力系统仿真的重要工具，其主要功能包括建模、求解、分析和优化等。8.3.1常见热能与动力系统仿真软件目前市场上常用的热能与动力系统仿真软件有：AspenPlus、Fluent、CFX、MATLAB/Simulink等。8.3.2软件应用热能与动力系统仿真软件在以下领域具有广泛的应用：（1）工程设计：辅助设计人员完成热力设备、流体设备和控制系统的设计。（2）运行优化：通过对实际系统进行模拟，优化操作参数，提高系统功能。（3）故障诊断：分析系统运行异常，诊断故障原因，为维修提供依据。（4）科学研究：为热能与动力领域的科学研究提供理论支持。（5）教育培训：作为教学辅助工具，提高学生对热能与动力工程的理解和认识。第9章热能与动力系统节能技术9.1节能技术概述本章主要介绍热能与动力系统中的节能技术。在能源日益紧张和环境保护要求不断提高的背景下，节能技术的研究和应用具有重要意义。热能与动力系统节能技术主要包括热能回收利用技术、动力系统优化技术等。这些技术的应用可以降低能源消耗，提高能源利用效率，减少污染物排放，为我国能源可