热能工程基础PPT演示课件

第二章热工理论基础,1,一、工质1、工质在热机中，热能转变为机械能是通过某种物质的一系列状态变化过程而实现的，用以实现热功转换的媒介物质称为工质。2、工质特点良好的膨胀性（状态变化过程中可获得较多的功）；良好的流动性（易于流入与排出，使热机连续工作）。如汽轮机中的工质是水蒸气，内燃机的工质是燃气。,2.1工质及其状态参数,2,二、基本状态参数压力、温度、比体积、比热力学能、比焓、比熵1、温度温度是表示物体冷热程度的物理量。国际单位制中采用热力学温标（绝对温标、开尔文温标），T（K）表示。t为摄氏温标。T=t+273.15(K),3,2、压力压力指单位面积上承受的垂直作用力。气体的压力是大量分子向窗口壁面撞击的平均结果。（1）单位国际Pa工程大气压（at）液注（mmHgmmH2O）1at=1kgf/cm2=98067Pa1mmHg=133.321Pa1mmH2O=9.8067Pa（2）表压力、绝对压力和真空度工质的实际压力p为绝对压力。表压力pg=ppb真空度（负压）pv=pbp,4,3、比体积单位质量物质所占有的体积。用表示，单位m3/kg。比体积与质量密度互为倒数。m3/kg,5,三、热能转换的基本概念,1、热力系统（1）封闭系统（闭口系）系统与外界没有物质交换。如，把内燃机气缸中正进行膨胀的燃气选作系统。（2）开口系统系统与外界有物质交换。例如，把汽轮机的汽缸选作系统，有工质的流入和流出。（3）绝热系统系统与外界没有热量的交换。例如，汽轮机的汽缸外包以绝热材料，当工质流经汽轮机时，其散热量非常小，可忽略，则此热力系统可认为是绝热系统。（4）孤立系统系统与外界既没有物质交换，也没有热和功的交换。,6,7,2、热力状态的变化过程（1）平衡状态在外界条件不变的情况下，即使经历较长时间，热力系统的宏观特性仍不发生变化，称热力系统处于平衡状态。经典热力学所研究的热力学状态都是平衡状态。（2）热力过程系统由其初始平衡状态，经过一系列中间状态而达到某一新的平衡状态的变化过程称为热力过程，简称过程。（3）可逆过程系统完成某一过程之后，若能够沿原路径返回其初始平衡态，且系统和外界均不留下任何宏观的变化痕迹，则称该过程为可逆过程，反之为不可逆过程。实际的热力过程都是不可逆过程，因为过程中都存在着各种各样的能量损失，系统与外界会留下变化而返回到初始状态。,8,（4）准静态过程过程中热力学系统经历的是一系列平衡状态并在每次状态变化时仅无限小地偏离平衡状态，称为准静态过程。表示过程进行得如此缓慢而似乎处于静止不变的状态之中。热力学中主要研究准静态过程。,9,无摩擦绝热可逆，有摩擦有散热不可逆,10,2.2热力学基本定律,一、热力学第一定律1、工质的比热力学能比热力学能指单位质量的工质在储存于热力学内部各种形式能量的总和，包括内动能和内势能。单位：J/kg或kJ/kg热力学规定：工质比热力学能增加时，其比热力学能变化量为正，即工质比热力学能减小时，其比热力学能变化量为负，即,11,2、功与压容图功的定义：力与沿力方向产生位移的乘积。单位：J,mkg工质所做的总功为,热力学功是热力学系统和外界通过边界而传递的能量，其全部效果可表面为举起重物。,12,结论：（1）工质与外界交换功量，由两个状态参数p、v来描述。（2）气体与外界有压差即可能做功，比体积的改变与否标志有无做功。,工质对外膨胀做功；,工质被压缩获得功；,表示气体即未膨胀做功，也未获压缩功。（3）工质由状态1可以经过多条途径到达状态2。途径不同，做功大小不同。做功的大小与过程的初态和终态有关，而且还决定于过程所经过的途径。说明功是和过程有关的量，而不是状态参数。可通过图下的面积来判断做功的大小。（4）工程上，更需要知道的是热机功率的大小，也就是热机在单位时间内所做的功。单位W或kW。,13,3、热量与温熵图,s-传递热量作用的状态参数，1kg工质的比熵，J/(kg.K)。标志有无传热。,14,结论：（1）工质与外界交换热量，由两个状态参数T、s来描述。（2）气体与外界有温差即有可能传热，比熵的改变与否标志有无热量交换。，q为正值，工质对从外界吸收热量；，q为负值，工质向外界放出热量；，则，表示气体与外界没有发生热量交换。称为定熵过程或绝热过程。（3）工质由状态1可以经过多条途径到达状态2。途径不同，热量交换多少不同。热量交换的多少与过程的初态和终态有关，而且还决定于过程所经过的途径。说明热量也是和过程有关的量，而不是状态参数。（4）温熵图可以用过程曲线下面的面积来表示热量的大小，而且还可以判断气体在过程中是从外界吸入热量还是向外界放出热量。,15,4、热力学第一定律的表达形式热力学第一定律可以表述为：热能作为一种能量形态，可以和其他能量形态相互转换，转换中能量的总量守恒。即热可以变为功，功也可以变为热。一定量的热消失时，必产生数量与之相当的功，消耗一定量的功时，也必将出现相应数量的热。热力循环中，工质所接受的净热量应该等于对外所作的净功，即,说明工质比热力学能不变U,16,5、热力学第一定律的解析式,（1）闭口系的热力学第一定律解析式,根据能量守恒与转换定律,若工质的质量是mkg，则,17,（2）开口系的热力学第一定律解析式,在1-1截面处，工质带入系统的总能量为,在2-2截面处，工质带出系统的总能量为,外界对工质加热量为,工质对外做功为,能量平衡方程可写为,开口系统和外界间通过进、出口截面以外的边界（通常为机器轴）所传递的功，称为轴功。,在进、出口截面上为推动工质进、出系统所传递的功，称为推动功。,18,稳定流动过程中，转换为机械能的热能先通过工质容积膨胀以容积变化功转换为机械能。则对于准静态过程，有,结论：稳定流动过程中开口系统所作的轴功，是工质受热而得到的相当于容积变化功的机械能，在扣除了推动工质流动的净推动功以及增加流动动能、重力位能后通过边界输出的功。,19,令,则,上式即为开口系的热力学第一定律的表达式，又称为稳定流动能量方程式。,状态参数比焓的定义,（J/kg）,技术功,20,结论：稳定流动过程中，系统接受的热量一部分用于对外输出轴功及净推动功，另一部分则用于使流过系统的工质增加热力学能、宏观动能及重力位能。,21,22,二、热力学第二定律第一种描述：热量不可能自发地、无代价地从低温物体向高温物体传递。这种说法指出了传热过程的方向性。如制冷机。必须消耗机械能做为补偿。第二种描述：不可能制成一种循环工作的热机，只从一个热源取热，并完全变为有用功，而不发生任何其它改变。这种说法从热、功转换的角度表述热力学第二定律，指出热功转换过程的方向性，以及热变功所需要的条件。如，单一热源的热机，即所谓的第二类永动机是不可能制造成功的。,23,2.3理想气体性质及热力过程,分析热力过程的一般方法和步骤为：（1）根据热力过程的特征确定过程方程式。过程方程式是指以基本状态参数p、v、T来表征过程特点的方程式。（2）在状态参数坐标图（p-v、T-s）上绘出过程曲线。依照状态参数坐标图上的过程曲线，可定性地分析过程说明状态参数变化的情况以及过程中能量交换的情况。（3）确定过程中基本状态参数p、v、T和关系式，以及过程说明系统内的热力学能、焓及熵的变化（、）。（4）计算过程功量和热量。过程中系统与外界交换的功量和热量，可根据具体的条件采用不同的方法来求得。即热力学第一定律闭口系统及稳定流动开口系统表达式。,24,一、理想气体典型热力过程,1、定容过程,（1）过程方程式,=C,（2）过程在p-v图和T-s图上的表示,定容过程曲线的斜率为,在定容过程中系统比熵的变化为,25,（3）状态参数关系式,（4）过程功量和热量,即系统接受的热量全部用于增加系统的热力学能,对于稳定流动的开口系统，若工质的流动动能与重力位能的变化可以忽略，则定容过程中系统所作的轴功为,26,2、定压过程,（1）过程方程式,=C,（2）过程在p-v图和T-s图上的表示,在定压过程中系统比熵的变化为,定压过程曲线的斜率为,27,（3）状态参数关系式,（4）过程功量和热量,为定值，则,对于稳定流动的开口系统，若工质的流动动能与重力位能的变化可以忽略，则定压过程中系统所作的轴功为,按热力学第一定律有能量方程式，定压过程中能量转换的关系为,28,3、定温过程,（1）过程方程式T=C,（2）过程在p-v图和T-s图上的表示,（3）状态参数关系式,29,（4）过程功量和热量,定温过程中系统吸收的热量等于系统所作的容积变化功。,对于稳定流动的开口系统，若工质的流动动能与重力位能的变化可以忽略，则定容过程中系统所作的轴功为,30,4、绝热过程,系统和外界不发生热量交换时，系统状态变化经历的过程称为绝热过程。当绝热过程为可逆过程时，有,（1）过程方程式,C,（2）过程在p-v图和T-s图上的表示,根据绝热过程的过程方程式可知，在p-v图上绝热过程线是一条较定温线陡的高次双曲线，而在T-s图上为一条垂直线。,等熵指数,31,（3）状态参数关系式,（4）过程功量和热量,32,5、多变过程,（1）过程方程式,C,(指数n称为多变指数，可以为任意常数),当n=0时，p=C，即为定压过程；当n=1时，pv=C，即为定温过程；当n=k时，,C，即为绝热过程；,，即为定容过程。,当n=时，,（2）过程在p-v图和T-s图上的表示,33,（3）状态参数关系式,（4）过程功量和热量,34,多变过程中系统吸收的热量可按能量方程式求出，为,若按比热容的定义把多变过程中系统吸收的热量表示为,称为多变比热容，则,35,对于稳定流动的开口系统，若其工质的流动动能及重力位能可能忽略不计，则系统所作轴功可以按轴功公式表示为,多变过程,36,二、理想气体循环,1、热机循环,过程a-b吸热量,过程c-d放热量,循环净功量,循环热效率,37,2、制冷循环,过程b-c吸热量,过程d-a放热量,循环净功量,制冷系数,38,3、卡诺循环,过程a-b吸热量,过程c-d放热量,绝热过程b-c及d-a中工质参数变化关系,循环热效率,39,结论：（1）卡诺循环的热效率仅决定于高温热源的温度T1及低温热源的温度T2，而与工质的种类无关。（2）提高T1及降低T2可以提高卡诺循环的热效率。（3）由于T1不可能为无限大，T2不可能为零，所以卡诺循环的热效率不可能达到100%。（4）当T1和T2相等时，卡诺循环的热效率为零，说明利用单一热源吸热而循环作功是不可能的。卡诺定理：在两个给定的热源间工作的所有热机，不可能具有比可逆热机更高的热效率。,40,2.4水蒸气性质及热力过程,一、水蒸气在定压下的形成过程,未饱和水-饱和水-汽水混合物-饱和水蒸气-过热蒸汽,41,一点（临界点）二线（上界线、下界线）三区（液态区、湿蒸气区、气态区）五态（未饱和水、饱和水、湿饱和蒸汽、干饱和蒸汽、过热蒸汽）,42,43,二、水蒸气的热力过程,1、定容过程,过程方程式,过程功量,过程热量,2、定压过程,过程方程式,过程功量,过程热量,开口系统无轴功,44,过程方程式,过程功量,过程热量,过程方程式,过程功量,过程热量,3、定温过程,4、定熵过程,45,三、水蒸气典型循环,简单蒸汽动力装置主要包括：蒸汽锅炉汽轮机冷凝器给水泵,0,1,2,3,1、朗肯循环,46,过程01定压吸热过程,过程12绝热膨胀过程,过程23定压放热过程,过程30绝热加压过程,下面横线代表定压,两个定压两个定熵,47,工质作出净功为汽轮机输出的轴功和给水泵消耗的轴功之差，即,朗肯循环的热效率为,通常情况下,则热效率为,48,2、再热循环,49,过程01定压吸热过程,过程1a绝热膨胀过程,过程a1定压再热过程,过程1-2绝热膨胀过程,过程23定压放热过程,过程30绝热加压过程,过程总吸热量,50,再热循环的热效率可表示为,朗肯循环热效率为,可改写为,只有当,时，再热循环热效率才高于朗肯循环热效率,结论：采用再热措施时，由于工质平均加热温度得到提高，可以得到更高的蒸汽初压，因此循环热效率得到提高。,51,3、回热循环,52,过程1a绝热膨胀过程,过程a2绝热膨胀过程,过程23定压放热过程,过程30绝热加压过程,过程0-1定压吸热过程,0b定压预热过程,过程b0绝热加压热过程,a-b过程放热量,0,0,b,1,3,2,a,53,根据热力学第一定律,其中,如果忽略水泵所消耗的轴功，则,其中,则抽汽系数为,54,则一级抽汽回热循环热效率为,朗肯循环热效率为,总结：与朗肯循环热效率相对比，抽汽回热循环的热效率总是高于朗肯循环热效率。一般抽汽加热的级数为38级，且回热与再热同时使用，以求蒸汽动力装置得到尽可能高的热效率。但装置投资成本也大大增加。,55,4、热电联产及蒸汽-燃气联合循环,（1）背压式热电联产循环,热能利用系数,结论：背压式热电联产循环的循环热效率低于单纯供电的凝汽式蒸汽动力循环的循环热效率。但由于循环中乏汽的热量得到了利用，从总的经济效果看，热电联产循环比单纯供电的凝汽式蒸汽动力循环优越。,K=0.650.7,56,（2）调节抽汽式热电联产循环,结论：调节抽汽式热电联产循环的最大优点是能够调节装置的供电量和供汽（供热）量以及供汽参数，从而可以较好地满足用户在不周时期对供电量和供热量的需求。其热能利用系数介于背压式热电联产循环和凝汽式蒸汽动力循环之间。,57,（3）蒸汽-燃气联合循环,结论：总能系统是指将能量按照质和量逐级匹配综合利用的系统。联合循环系统体现了能量按其品位梯级利用的思想，是总能系统的一种形式。联合循环的热效率高于单独的燃气或蒸汽循环的热效率。,联合循环热效率,58,2.4湿空气,一、湿空气的概念,湿空气：空气中多或少都含有一些水蒸气，完全不含水蒸气的空气称为干空气。湿空气是干空气和水蒸气的混合物。未饱和湿空气：湿空气中水蒸气的分压力总是低于空气温度所对应的饱和压力，即水蒸气处于过热状态。过热水蒸气与干空气组成的湿空气称为未饱和湿空气。饱和湿空气：如保持湿空气的温度不变，使湿空气中水蒸气的含量增加，则湿空气中水蒸气的分压力也随之增大。当达到空气温度所对应的饱和压力时，水蒸气达到饱和状态。此时湿空气中水蒸气的含量达到对应温度下的最大值。由饱和水蒸气和干空气所组成的湿空气称为饱和湿空气。,59,二、绝对湿度、相对湿度和含湿量,绝对湿度：每立方米湿空气中含有的水蒸气质量称为湿空气的绝对湿度。绝对湿度等于湿空气湿度及水蒸气分压力下确定的状态下的水蒸气密度。在一定温度下，饱和湿空气中所含水蒸气的量达到最大值，故其绝对湿度值最大，用表示。,相对湿度：取未饱和湿空气的绝对湿度和饱和湿空气的绝对湿度的比值表示湿空气中水蒸气含量的饱和程度，称为相对湿度。通常用表示。,含湿量：用单位质量干空气的湿空气中所含有的水蒸气质量表示湿空气中水蒸气的含量，称为含湿量，用表示，单位g/kg（干空气）。,g/kg干空气,60,结论：当湿空气压力和温度一定时，湿空气的含湿量取决于湿空气的相对湿度。当相对湿度为100%时，即水蒸气的分压力等于饱和压力时，含湿量就达到最大值。如果提高湿空气的温度，则对应的水蒸气的饱和压力也增高，因而湿空气的最大含湿量也随之增大。,61,三、湿空气的焓含湿量图,在焓含湿量图上有下述图线：定含湿量线：一组垂直线定焓线：与垂直线成135角的一组直线定温线：为一组直线，但不同温度其定温线其斜率不同定相对湿度线：一组曲线。的曲线为饱和曲线区域为未饱和湿空气区,62,63,四、湿空气的热力过程,1、加热过程,加热过程的特征是湿的温度升高，含湿量保持不变。湿空气焓值增加，相对湿度降低。加热过程中，湿空气的吸热量等于其焓值的增加，即,2、冷却及冷却去湿过程,为凝结水的比焓,64,在绝热条件下，湿空气吸收水分其含湿量增加的过程称为湿空气的绝热加湿过程。,3、绝热加湿过程,结论：即绝热加湿过程沿等焓线向含湿量增大的方向进行。,65,4、绝热混合过程,将状态不同的湿空气气流混合，可得到满足温度及湿度要求的湿空气。忽略混合过程中气流与外界的热量交换，可认为混合过程是绝热条件下进行的。对于工程上常见的两股湿空气的混合过程，有,整理上两式，得,结论：即左边项是状态点2到混合状态点0直线的斜率，右边项为状态点1到混合状态点0直线的斜率。两个斜率相等并有共同的混合状态点，因此混合状态点0必定在连接状态点1、2的直线上。,66,2.6热量传递的基本方式及参数,一、导热,导热是指物体各部分之间不发生相对位移，依靠分子、原子、自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递。,1、傅立叶定律,W/m