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热能与动力机械基础 Thermal Energy and Power Mechanics Basis,主讲：林学东 教授 单位：汽车学院内燃机系 联系电话85095271（O）,专业调整后新开设的课，是社会发展的需要,一、本课程的设置,不仅限于现代动力设备的能量转换特点； 能源结构的变化、能源利用方式的更新。,21世纪的特点：信息化。 问题：能源及地球环境污染问题。,过去：从内燃机角度，如何有效应用？专业化 现在：从能量转换角度，如何更有效利用，并节能而且环保。,了解和掌握能量转换的基本原理和节能途径，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装置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热力发电的基本原理 5. 制冷与空调设备中热能的利用等 6. 新能源及其利用,二、学本课的目的意义,主要参考教材：热能与动力机械基础 王中铮 主编 机械工业出版社 出版 四、考核方式和要求 本专业的学科基础课 考试课：平时占2030%，期末考试7080%； 平时成绩：作业 平时出勤情况,一、三代能源文明 人类文明的发展，都和能源的利用息息相关。人类进化过程，是不断向自然界索取能源的历史。 人类发现用火以来经历了三代能源文明： 1、柴薪马车农业文明 人类第一代主体能源柴薪。树枝、杂草等作为燃料，用于燃烧煮食和取暖; 用草饲养牲畜，靠人力、畜力+利用一些简单机械作动力，从事手工生产和交通运输活动。 从远古时代至中世纪，在马车的低吟声中，人类渡过了悠长的农业文明时代。,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，逐步扩大了煤炭的利用。煤气灯的使用，照彻人类漫长夜。 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，主要应用于纺织、冶金、采矿、机械加工等工业，使之获得迅速发展。 同时，蒸汽机车、轮船的出现交通运输业得到巨大进步。 19世纪以来，电磁感应现象的发现，使得由蒸汽轮机作动力的发电机开始出现，煤炭作为一次能源被转换成更加便于输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，中国人首先发现石油是一种可燃液体。 1854年，美国宾夕法尼亚州打出了世界上第一口油井，石油工业由此得到发展。 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，福特研制成汽车并量产。此后，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过煤炭，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沉积变迁而形成的，不可再生，其储量极为有限。 按现在的能源消耗，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，大量矿物能源的燃烧，是造成大气污染、“酸雨”和“温室效应”的罪魁祸首。 4、第四代绿色能源H2？探索中 60年代以来，“能源革命”的呼声日渐高涨。“能源革命”的目的，是以绿色能源逐步代替矿物能源。 绿色能源: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。 绿色能源有望为21世纪人类社会的发展提供持久的动力。,石油能源存在的问题,热能：与物质的原子和分子热运动有关的能量， 是能量利用的最基本、最主要的能量形式， 宏观现象：温差。,二、热能及动力机械概述,动力机械：将其它形式的能量转换成机械能的动力 装置、设备。,在人类社会生活中的地位：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具体体现。,燃料类：煤炭、石油、天然气、木材、核燃料 以热能形式利用； 水利：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：海水温差发电通过热能机械能 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 核能：,1自然界能源的存在形式,在能量转换过程中，热能是利用能源的最基本和最主要的能量形式。,2 热能的重要性,在能源利用中，我国90%以上是通过“热”的环 节而利用；,世界各国平均85%以上都是通过热而利用能源。,第一章 基本概念,热能利用装置和动力机械的特点： 都属于能量的传递、转换和利用的设备。 所以，在能量的传递、转换和利用过程中必有共同的规律和共同的内容。 故本章的主要内容：介绍这种能量传递及转换利用过程中的基本概念 要求：了解和掌握能量转换原理和特点、方式,第一节 热能及其利用,一、能量的存在形式 能量？：产生某种效果或变化的能力。 产生某种效果或变化过程中伴随能量的消耗和转换。 能量的类型：6种 1机械能：包括动能、位能（势能）、弹性能、表面 张力能。 W=F*x 特点：以功的形式表现，有效地转化为其它形式的能 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； 是基本的能量形式其它形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形式贮存； 以电流形式传递电能； 能有效地转换为其它形式的能。 4辐射能（电磁能）：物体以电磁波形式发射的能。 特点：以电磁射线形式表现； 根据电磁波的波长分为 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、红外线等波长及其范围。 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：仅以贮存形式存在的能量形式。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。 如通过燃烧将化学能转换为热能而释放。 即，在化学反应过程中以热能形式释放的内能。 6核能：蕴藏在原子核内部的能量，仅以贮存形式存在。如原子能等。 特点：在原子核中的粒子相互作用原子核反应时释放出来； 原子核反应，有放射性衰变、核裂变、核聚变三种，核裂变、聚变反应时释放大量能量。,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按能源形式和来源分类为：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。 地球上的生命现象的根源，取决于太阳能的入射和光合作用。 从生态学，将具有光合作用的太阳能的固定量称为纯一次生产。 太阳能对地球生态的影响可用太阳能的入射量以及其纯一次生产量的比较来分析。例：,例：太阳向地球照射的能量约17万MW； 其中，经反射及大气吸收后，地球表面吸收的能量为：86000MW； 地球表面吸收的能量中，仅有550MW的能量，被光合作用而利用； 其中，考虑光合成效率以及 植物呼吸所吸收的部分以后， 约97MW为有效的太阳能， 即纯一次生产量。 所以，纯一次生产量是地表 面吸收太阳能的0.11%；太阳向 地球照射的全部太阳光入射量 的0.057%。,据统计，全世界的能量消耗量，用石油换算，约为90亿吨； 用功率换算，约为12MW； 与太阳能的入射量比较，1/10。 表明：地球上的能源的可贵，及利用程度。以及太阳能的利用价值和前景。,2）来自地球的能量：储存于地球内部的地热能和原子能。 地热能：以热能形式贮存， 类型：地下热水、地下蒸汽、干热岩等。 原子能：地球上的铀2U、钍3Th等核燃料 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按能源利用形态分类为：二种 一次能源：凡自然界中现存的、可直接取得而不改变其基本形态的能源。 如，煤、天然气、水能、生物质能、地热能、风能、太阳能等。 二次能源：由一次能源经加工或转换而成的另一种形态的能源。 如：电力、蒸汽、焦碳、煤气、氢气、石油制品等； 生产过程排出的余热（高温烟气、可燃废气、排放、有压流体等）。,按能源形成分为：再生能源和非再生能源。 再生能源：不断再生并有规律地得到补充的能源。如水能、太阳能、生物质能、风能、海洋能等，取之不尽，用之不竭。 非再生能源：经亿万年形成短期内不能再生的能源。如煤炭、石油、天然气、核燃料等。,两次石油危机，非再生能源储量日益减少。 能源问题：再生能源的利用技术，新能源的开发利用节能。,3按人类使用能源的习惯分类：常规能源和新能源 常规能源：人类使用最多的常用能源。如煤炭、石油、天然气、水能等。 新能源：尚未大规模应用的正开发应用或尚未应用的能源。 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、海洋热能通过能量形式； 转换产生化学能的转换：燃烧放热反应，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：人类所用能源基本上都是由一次能源经一次或多次转换而来。 太阳能的转换：太阳照射使植物内叶绿素发生光合作用，将太阳能转换为生物质能； 太阳能的光热转换； 太阳能的光电转换，太阳能电池； 燃料化学能的转换：通过燃烧，将化学能热能机械能。如 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：两种能量形式，即 机械能内燃机、汽轮机 电能热电发电,热能的储存：三种基本储存方式，如 显热贮存利用升高固体或液体温度来蓄热； 潜热贮存物体相变时吸收或释放的热。一般利 用从固体到液体的相变蓄热 半潜热贮存与潜热贮存类似，贮存时发生可逆 的吸热反映，热能化学能。,热能的传递：换热器不同温度水平的流体，通过固体壁从高温向低温流体进行传热。,五、热能的利用,热能的应用在国民经济中的重要地位（使用领域）： 1）电力工业火力发电或核发电，均应用热能转换。 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、合成氨的生产过程； 5）石油工业采油、炼制、输送等用热能； 6）建材工业建材的生产过程用热能。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）生活需要供暖、空调、烹饪。,热能应用之庞大，存在： 能源问题节能。指非再生能源。节能措施 污染问题环保。净化技术。,第二节 能量转换基本定律,一、热力循环 循环：工质从一个热力状态经过一系列的状态变化，完成热功转换后，回到初始状态的热力过程。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，消耗外功，净功0，如制冷循环。,卡诺于1824年，奥托发动机问世前52年，在拿破仑军营中，关于活力动力及其内燃机的考察中揭示卡诺循环。 当时28岁，1828年退伍。 E/G热平衡：做功1/3； 排损1/3；冷却损失1/3 现在发动机，努力逼近卡诺效率 循环效率：,卡诺循环：,二 、热力学第一定律,实质：能量守恒与转换定律在热物理与化学等过程中的应用。 内容：能量形式可转换，但总量不变。 ：工质的能量 或,1对闭口系统：与外界无物质交换的系统 对微小变化过程： 单位工质： 膨胀功的利用：W中推动活塞作功的同时，要克服大气环境压力 所以， 可利用的功为： 对可逆过程：,2开口系统：系统与外界有能量传递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。则,对微小变化过程： 对单位工质：,三、热力学第二定律,第一定律：只表明能量传递和转换时，数量上的关系守恒；未表明是否转换及条件。,第二定律：表明能量传递和转换的方向性。 实质：一切自发过程都是不可逆的， 非自发过程的完成，必须要有另一个自发过程来推动。 如，发动机实现热功转换的非自发过程，为此必须一部分热量从高温热源向低温热源（大气排气）传递。,第二定律的数学描述：熵增原理 孤立系统热力过程总是向熵增方向进行，即 孤立系统：与外界无能量转换和传递，也无物质交换。 设，由工质、高低热源构成的孤立系统内进行不可逆循环，则,12：T1热源放热 ： 34：T2热源放热 ： 工质经不可逆循环12341， 从T1吸热 ，将部分转换为功w， 其余向T2放热 后回到原状态， 所以，,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1234112341，则， ， 即孤立系统内的热力过程只能熵增或不变，熵不会减小。 地球温暖化的熵增效果。,第三节 能源的利用及评价,意义：非再生能源的有限性，能源利用率又不高； 能源是人类生存与发展的重要基础。,所以，有效地、有计划地利用能源是很重要，为此对能源利用进行评价。,评价的目的：就是监督，并提高能源利用效率。 可持续发展的需要,一、有效利用能源的途径,1提高能量转换或传递装置及系统的效率 2按能量的品位合理使用能源，防止高品位能量的降级使用（图1-5） 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，如燃烧控制技术、热管技术、热泵技术 5开发能量利用的运行控制技术，实现能量利用的最经济运行，如空调变频运行、供热系统的用户供热独立调节等 6开发新能源的利用技术，如太阳能、地热能、海洋能等,二、利用能源的评价指标,能源利用的主要评价指标： 1能源消耗系数r： 定义：指单位国民经济产值所平均消耗的能源数量。 设E：能源消耗量，M：同期国民经济生产总值 则， 公斤/元 表明一国家能源利用的水平、和节能潜力。,2单位产品能耗C： 定义：每单位产品产量所消耗的能量。 设 ：E p产品能耗；A：产品产量 则 式中， E p为一种能量的消耗量时，C为单耗； E p为一次能源、二次能源的总量时，C为综合消耗。 综合能耗：包含生产产品时的直接能耗和间接能耗。 直接能耗：生产时直接消耗的能量； 间接能耗：生产产品时所用原材料在生产过程中消耗的能量 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消耗的能量之比。 设 Ee：有效利用的能量，Ec：所消耗（投入）的能量， 则 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/消耗功 制冷量：由低温热源吸取的热量,三、Ex( )及Ex效率,1 Ex的概念 对能量的评价，要考虑被利用的能量的数量和质量。,能量的质量：就是能量的品位，用能转换为机械功的能力来衡量。 不同形态的能量，其质量不同；相同能量形式，不同的状态能的质量也不同。,某一形态的能量转变为机械能的越多，其质量（品位）就越高。,特点：相对环境状态的最大作功能力。即 比：,Ex就是从能量的数量和质量角度，评价处于某一状态的热力系的作功能力的指标。即能的可用性。,定义：处于某一状态的热力系，可逆变化到与环境状态相平衡时，可以转化为有用功的能量，即有效能成为该热力系的Ex 。,燃料的 ：燃料与氧气可逆地进行燃烧反应和变化后，与周围环境达到平衡时，所能提供的最大有用功。也称燃料的化学火用： 一般，等于燃料的高热值，即,热 与工质Ex的区别： 是取决于由Q热源放热时的温度T； 而工质的Ex是只决定于工质的热力状态。,热 ：设任一热源温度为T，则在其热功转换中，最大的功为卡诺循环功。即,实际过程都是不可逆的，所以存在火用 损失。 设稳定流动系，不可逆过程12，忽略动能、位能，工质与环境之间的传热量Q，则,2Ex 效率 用于评价最大有用功的实际应用的程度。用实际被利用的有效火用 和投入的火用 之比表示。即 a）定义：,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，,热二定律,其中，最大可逆功为 则，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： ，表示作功能力的损失。,因实际能量转换过程都是不可逆的，所以必有,副产品和废料带走的Ex如锅炉、内燃机排烟等；,向环境散热造成Ex损失。如换热器对流和热辐射。,装置内的不可逆过程如不可逆化学反应，温差传热等；,b）产生ExL的原因：来自以下三方面,c） 效率的实际应用或表达式 常用实际获得的收益与投入之比表示。如 发动机：进入和离开发动机的工质的有效能分别为 ，产生的功为W12，则 ：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，则投入的有效能为； 收益水蒸气有效能的增加 所以， 只反映烟气温差传热造成的有效能损失。 若锅炉消耗燃料的有效能 为投入，则,可同时反映温差传热、燃烧过程和排烟等不可逆过程造成的有效能损失。,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， 一般，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。 设 工质加热量-Q；平均温度Tm； 输出功W；环境温度 T0；则 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，其动力输出是通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；,二次动力机是指通过两次能量转换完成动力输出的机械。 如电动机：通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：根据工作原理和结构特点，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递角度考虑，要求良好的性能指标和运行特性。 这种性能指标和运行特性，不同种类的动力机械，因其工作原理和用途不同而不同； 但主要性能指标，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：所消耗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,特性曲线的研究目的，了解和掌握不同工况下的性能指标的变化规律。,动力机械的工作特点：变工况负荷和转速变化。一般性能指标与工况有关。所以， 原则：尽可能选择性能指标最佳的工况点工作； 改进常用工况点的性能指标，使之达到最佳。,三、动力传动,动力传动是发动机和动力机械之间通过某种机构进行传动的。 传动方式：按工作机械或动力分配方式分类为几种; 直接传动：工作机械和发动机直接联结； 特点：动力损失少、结构简单； 缺点：不能变速离合，改变转矩和方向，不能长距离能量传递、差动传动、转动变换成直线运动等。,间接传动机械传动：通过某种机械机构传动，应用最广； 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，接受原动机传递的动力，产生液体或气体的压力，经液体或气体的内部传递，推动工作机械作功 如，液压传动、液力传动、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