华科大能源与动力装置基础课件第1章 绪论

华中科技大学

能源与动力工程学院第4章涡轮机

第9章锅炉

第11章发电厂系统及其他动力装置系统：发电厂设备：涡轮机锅炉能源的转换与利用B：锅炉S：锅炉过热器T：汽轮机C：冷凝器P：水泵STCPB火力发电厂示意图TS1234

1´

2´

3´

4´发电厂有关数据900MW机组日发电量=2160万度上网电价0.22元，日产值475.2万元使用电价0.5元，日销售额1080万元按10%利润额计，日利润108万日燃煤量：3240吨STCPB0.9-.940.45-0.47ηcp=ηbηpηiηmηg=0.38-0.420.990.99火力发电厂的效率指标锅炉效率管道效率汽轮机内效率机械效率发电机效率全厂总效率两点

要求：能源与动力装置基础(1-0)厚基础、宽口径、重实践听课（包括实习）：学习知识，掌握方法捷径培养习惯，磨炼意志

是成绩的一部分笔记（包括实习笔记和报告）：

记重点，是理解和工作能力的培养有助于注意力集中，提高效率第一章绪论专业内容：热能、化学能、机械能、电能等之间转换原理及其装置（机械、设备）专业背景：能源、动力

装置的现代设计、制造、运行——数值化；创新，如7μm涡轮机；增加信息技术，如电喷发动机能源是三大支柱之一，持续发展的源泉两个标志：当时社会与科学技术水平；国家综合国力。

※本课程内容安排体现了知识的系统性、共同基础和内容的融合：（工作原理的整合）第一章是复习和总结；在二到九章讨论单个机器、设备，主要针对某种过程；

在十、十一章装置系统，主要是针对循环。第一、二章基础部分有难度，面广、第一次接触专业※本课程的内容

讨论能源动力部门（包括工艺过程与装备）的机械、设备、装置的组成、结构、工作原理和性能流体机械+换热设备+其它…=能源动力装置图1-1火力发电厂的生产过程图能源动力装置之一：电厂系统汽轮机，二种风机，五种泵，11种热交换设备(水冷壁)，还有煤粉系统(包括风机)，发电输送系统汽轮机送风机引风机循环水泵凝结水泵省煤器给水泵锅炉过热器凝汽器低压加热器高压加热器除氧器预热器烟气烟囱给水锅炉过热蒸汽除尘器预热器大气-烟气-大气；水-蒸汽-水；冷却水循环水在锅炉中变蒸汽Q1Q2W能源动力装置之二：制冷(热)循环(冷凝器)(蒸发器)（膨胀机）可以看到：机械、设备与装置的关系四通阀第一节分类和应用流体机械：表1.1装置和系统——流体机械和换热设备组成：图1.1,1.2,1.5等电厂系统：正循环，动力循环(过程组成)制冷系统：逆循环换热设备：表1.2一、分类(一)流体机械以流体（液体和气体）为工质，与外界进行传递能量和质量的机械被称为流体机械;根据流体是液体还是气体分为水力机械和气体机械；根据能量是输出还是输入机械功可分为动力机械(或原动机)和工作机械。按工作原理又常分为速度式、容积式(往复、回转)和其它形式的流体机械(如射流泵等),本书主要讨论前两大类的流体机械。根据结构型式流体机械还可以细分，见表1-1。1.速度式：流体在流道中连续流动

(1)轴流式(2)径流(3)混流(斜流)式

(4)横流式2.容积式：流体在流道中间断流动

(1)

往复式：活塞式

(2)

回转式：螺杆式，罗茨式，涡旋式，齿轮式，滚动活塞式，滑片式……3.喷射式：旋转轴(1)轴流、(2)径流(离心)压缩机轴流离心1

速度式(3)混流(斜流)式

照片子午面(轴面)(2)螺杆式式积容2不连续流动(1)活塞式3喷射式(二)换热设备（质量交换）换热设备是动力工程中常见的能量(热能)交换装备。包括各种的热交换器和锅炉、燃烧器等，例如制冷装置中的蒸发器、冷凝器；火力发电装置中的省煤器、预热器、过热器、再热器、凝汽器、加热器等；燃气轮机装置内的中冷器、回热器、等。这些热交换器一般是固体两边壁面的流体通过对流进行热交换，也有通过辐射、两流体直接接触等方式进行热交换的。按结构分类，表1-2：对于两流体进行换热的热交换器，按热、冷流体的流动方向可以分为顺流式（两流体同向平行流动），逆流式（两流体反向平行流动），错流式（两流体垂直交叉流动）和混流式（顺流逆流两种形式同时存在）。1.间壁式：(1)管式(2)板式(3)(热)管式2.混合式3.蓄热式1.间壁式：(1)管式(2)板式(3)(热)管式2.混合式3.蓄热式二、应用2010年有生产1000万辆汽车的能力，舰船、飞机、巡航导弹发电装机容量96年2.5亿KW，2000年3亿KW，2004年4亿KW，2020年到9亿Kw风机、泵、压缩机的用电量占全国发电量1/3左右制冷、空调1~2000万台/年、低温、冷藏链能源动力、电力、冶金、航空航天、石油、化工、药业、农业、矿业、天然气、激光、卫星、芯片与国外有差距，需要研究和发展基地总体参观了解流体机械和换热设备的分类、动力装置与这些机械设备的关系。(一)实习的目的(二)实习思考题1．将表1．1中的各种机械的结构简图与实物模型对比，重点了解其中几种，建立一些实物模型的概念，例如径流式、活塞式、．．．．．．

2．将表1．2中的各种热交换器的结构简图与实物模型对比，重点了解其中几种，建立一些实物模型的概念，例如管式、板式、．．．．．．

3．根据流体流动方向，观察并说明所见到机器设备中面积（速度、压力）是如何变化？4．观察所见到的系统装置，了解其中有几种流体流动，每种流体经过的部件分别是哪些机械和设备。(三)实习要求5．根据参观和了解，写出第一次的报告：时间、地点、内容（记述）、小结．单独计算学分工程热力学和流体力学基础▲工质状态：固、液气第二节制冷剂；水；凝结

<

饱和温度、压力

<

汽化热流体的知识热力学是研究能量、能量转换以及物质性质之间的关系，研究物质系统的状态、状态变化及变化时系统间的相互作用；流体力学是研究流体在外力作用下平衡和运动规律；临界参数Tc、pc▲可压缩性定义体积压缩率κ=-(dV/dp)/V

弹性系数E=1/κ=ρdp/dρ；E是单位面积上弹性力

M2=惯性力/弹性力

马赫数大<=>

弹性力小<=>

压缩性大

M<0.2常常看成不可压一、流体的性质▲基本状态参数：P,T,ρ可以测量的,由此可得其他参数，例如▲临界参数：M=c/a=1时的参数如pcr、Tcr音速a=(dp/dρ)0.5=(kRT)0.5

▲粘性——流体抵抗变形的能力▲理想流体μ是损失、阻力的根源和内因μ机理？——流体力学中粘性为0，热力学中遵守pv=RT分子的内聚力；流层之间动量交换粘性切应力τ=μdu/dy

适用牛顿流体uy流向二、状态方程式

三、其它热力关系式p=ZRTρ，基本状态参数的关系

比内能u、比熵s、比热容c、▲状态方程式：▲其它热力学参数:比热焓h、音速a状态（点）}下面从热力学角度讨论工质（流体）：工质的状态、过程、循环的表示和评价▲同一点上状态参数之间关系Z=1是理想流体；真实流体Z不等于1φ、任一状态参数是另两个状态参数的函数四、热力过程▲过程方程式：pvn=constp2/p1=(T2/T1)n=1，0，∞，k是标准(理想？)过程，(k与气体有关)过程描述基本状态参数关系实际过程的n与损失有关（偏离理想过程程度）——过程（线）二个任意点1、2之间关系：流体有效能量变化/输入功（工作机）——损失评价（经济性）损失为分母与分子之差例如：输出功/流体有效能量变化（原动机）得到有效能量/消耗能量例:管1-2、2-3段的效率都为70%，速度c1=3c2=2c3，求1-3段效率？能量平衡(量)；质？▲过程的评价

效率：70%1270%3解：(p2-p1)/ρ0.5(c12-c22)=0.7；0.5(c32-c22)ρ/(p2-p3)=0.7总效率=(p3-p1)/0.5ρ(c12-c32)p2=0.35*8ρc22+p1；p2=0.5ρ(1.25c22)/0.7+p3总效率=(1.9ρc22)/3.375ρ

c22=56.3%

考虑最大可用能q(1-T0/T)有用功的损失主要用于对热能的评价冷凝器的热效率低，排热量大；但因温度T低，能量质量差而作功能力损失不大烟气T=2000K，水蒸气T=600K,T0=300K,两种工质的热量相等烟气最大可用能q(1-T0/T)=q17/20=0.85q,

水蒸气最大可用能q(1-T0/T)=q3/6=0.5q;

效率：例：现代锅炉热效率>90%；效率50%

五、循环

功、能量发生转换▲关系：不同过程组成（闭合线）例如理想卡诺循环：两个等温(吸热、放热)过程和两个绝热(膨胀、压缩)过程▲特征：状态参数变化为零冷、热源温度为T2,T1一定时，功最大（经济性与完善程度）※经济性效率η

=输出功/消耗热量=w/Q正循环制冷系数ε=制冷量/机械功=Q2/w制热系数ε’=制热量/机械功=Q1/wQ1=

Q2+w,ε’=ε+1>1,ε’>ε逆循环能量利用系数：η，ε

，ε’的统称▲循环的评价※完善程度η

：能量利用系数的实际值与理想值之比

例如η=ε/εc,η’=ε’/εc’

最高能量利用系数ηc，εc，εc’ηc=w/Q=(T1-T2)/T1=1-T2/T1εc=Q2/w=T2/(T1-T2)εc’=Q1/w=T1/(T1-T2)是理想卡诺循环的值以上内容除满足上述关系外，还必须遵循基本规律六、连续性方程▲质量守恒▲方程式▲讨论：——三大守恒之一qm=ρA●c=const条件？1、速度与面积相互垂直、矢量点乘2、不可压时与外界无质量交换3、按截面速度不均匀计算时q

m=∫ρc

dA=const

qv=qm/ρ=A●c=const

P19例题1-1：▲应用：求速度、面积（几何尺寸）、流量已知水流在直径d1=100mm的管中速度

C1=10m/s，求出口为直径d2=400mm的圆柱面上(圆环与园盘面组成通道)的流量和速度c2？解：进口为圆面积、出口是圆柱面积。出口速度c2=qv2/(π*d2*b)=6.25m/s离心叶轮出口的面积如何表示？与其垂直的是什么速度？qv2=qv1=c1*π*d12/4=0.07854m3/s七、能量方程式能量守恒：系统内能量变化=输入能量-输出能量

q=Δu+W

=Δu+∫p

dv

=cv(T2-T1)+∫p

dv

稳定流动时，系统的输入能量=输出能量闭口系统开口系统：q±W+u1+p1v1+gz1+0.5c12=u2+p2v2+gz2+0.5c22

q±W=h2-h1+g(z2-z1)+0.5(c22-c12)

在q=0，并且忽略气体位能的变化后有

讨论±W=h2-h1+0.5(c22-c12)=h2*

-h1*

1、热力学第一定律是能量守恒与转换定律的一种形式；4、没有回答能量损失了多少？能量如何分布？2、运动部件，如叶轮、活塞连杆等，与外界交换机械能；包括交换功部件的任意两截面间，W不等于03、静止部件，如管道、静叶等，与外界没有能量交换

h*=const或h1*=h2*；粘性引起的能量损失隐含在焓差或温差项

应用：用滞止焓降表示流体的总能量理想气体常常用于求温度，h=cpT

T*=const或T1*=T2*

八、伯努利方程式▲机械能守恒▲讨论——能量守恒的另一形式包括与外界交换的机械能W和流体本身的机械能的变化： 压力能∫v

dp+动能0.5Δc2+势能gΔz

W=∫12vdp+0.5（c22-c12）+g（z2-z1）+ΣδW

1、使用条件是符合稳定流动、缓变流截面；可压缩流体应与外界无热传递；

2、技术功-∫12vdp在膨胀机械中称为膨胀功；而压缩机械中该功∫12vdp又简称为压缩功；

3、对于工质为水的不可压流体，常常引入总水头（水轮机）或扬程（泵装置）H=W/g后,该式表示为：

±H=(p2-p1)/(ρg)+0.5（c22-c12）/g+（z2-z1）+ΣδH

气体不可压缩时？

动量守恒在第二章讨论4、损失ΣδW是各种机械能的损失,与W的表示有关；例

Wth=∫12vdp+0.5（c22-c12）+g（z2-z1）+ΣδWhyd

回答了流体能量的分布情况；±W=(p2-p1)/ρ+0.5（c22-c12）+g（z2-z1）+ΣδW

10m2m2m/s3.125m/s课内题:例1-2中水面上涨1m，管道进出口直径相等；流量和流动损失δWhyd与例1-2的相同,求水泵的理论功率?例1-2：p21解:由

Wth=∫12vdp+0.5（c22-c12）+g（z2-z1）+ΣδWhyd

压力项∫12vdp=(p2-p1)/ρ=(1-1.2)105/1000速度项c2=3.125m/s,c1=2m/s第三节实际过程中常见的能量转换流体能量与外界机械功的转换；而热量交换；化学能与热能的转换。在这些能量转换中，工质的参数发生了相应的变化。或者说通过工质参数的变化来表示能量转换的值。

由于密度ρ是常数，流体与外界交换的能量W仅仅与流体的机械能变化值(压能差Δp/ρ、动能差、势能差)有关，由伯努利方程：

±Wth=Δp/ρ+0.5(c22-c12)+g(z2-z1)+δWhyd一、流体机械内的能量转换1、等容过程——机械功的转换（不可压流体）一般温度T、密度ρ不变化压缩过程——功转换热焓，压缩机、工作机膨胀过程——热焓转换功，膨胀机、原动机Wp

=-∫21vdp=∫12vdpWy=∫21vdp等熵功=(hgy-hdy)s

=cp(

Tgy-Tdy

)s2、压缩过程和膨胀过程——功热转换（可压流体）1进口2出口（与过程有关）等温压缩功WT，y=RT1ln(p2/p1)

例1-3已知压比为2.5，进口温度为27℃，计算氢气、空气、氟利昂-12三种不同R的气体的等熵压缩功Ws，y。若空气多变指数n/(n-1)=2.8，计算空气的多变压缩功Wpol，y和等温压缩功WT，y。

工质R[J.(kg.K)-1]分子量kWs，y(J.kg-1)Wpol，yWT，y氢气4124.02.0161.411299013

空气287.028.9661.40901839333378893氟利昂-1268.8120.921.1420017解：计算结果列于下表注：1、等熵压缩功氢气Ws，y>空气Ws，y>氟利昂-12Ws，y2、空气Wpol，y>

Ws，y>等温压缩功WT，y(见图)Wpol，p

1<Ws，p1<等温膨胀功WT，p

3、进口温度T的影响，压缩时低有利减少功；膨胀时高有利增加功；R大(小)，分子量小(大)，轻(重)气体，很难(容易)压缩二、吸热过程与放热过程——热量交换热量在热力学上为由高温物体传递到低温物体的能量吸热放热潜热(T不变，分子内部位能变化)显热(T变，分子内部动能变化)溶解,汽化凝固,冷凝蒸发器发生器省煤器锅炉…..应用例？冷凝器吸收器凝汽器冷却器…1、定义：2、交换热量的计算Q=KA△TA——面积△T——温差K——传热系数，与导热系数、放热系数、辐射换热系数等有关，常用实验图表或经验公式决定。强化换热的主要手段是增大K能量守恒：放热量=吸热量3、热交换量评价解：热损失δQ=Q2-Q1=Q2*5%热效率=Q1/Q2=1-δQ/Q2=1-5%=95%热水的高品质热量变成清水(平均温度低)的低品质热量热量平衡效率=例1-