热工基础PPT演示课件

热工基础,第零章绪论第一章热力学基础知识第二章热力学基本定律第三章水蒸气的热力性质第四章蒸汽动力循环第五章传热及换热器,1,主讲教师：孙玉新,职务：职称：讲师学历：硕士（热能工程）研究方向：热力设备状态监测与故障诊断电话-mail：QQ:104838294,2,热工基础课程的考核方法与学习要求考核方法：百分制1.平时作业成绩占40；2.期末考试占60。学习要求：1.按时、独立、认真完成作业（每人准备2本作业本），如果不交作业次数超过半数，则取消期末考试资格；2.认真听课，遵守课堂纪律。3次抽查点名，2次无故旷课者按未修处理。,3,一、能源、热能以及利用,能源是指能够直接或间接提供能量的物质资源。,1.能源分类：,1）按开发利用的情况：,常规能源：煤、石油、天然气、水能、核能等。,新能源：太阳能、风能、海洋能、生物质能、地热能、核聚变燃料等。,2）按开发的步骤：,一次能源:煤、石油、天然气、风能、水能、太阳能、地热能、海洋能等。,二次能源:电力、煤气、汽油、沼气、氢气、甲醇、酒精等。,4,3）按能否再生：,可再生能源：水能、太阳能、风能、海洋能、生物质能、地热能等；,非再生能源：煤、石油、天然气、核能等。,4）按开发利用过程中对环境的污染情况：,清洁能源：太阳能、风能、水能、海洋能等；,非清洁能源：煤、石油、天然气等。,5,2.热能利用的基本方式：,（1）热利用：,烧饭、采暖、烘干、熔炼等；,（2）动力利用：,通过热机将热能转换成机械能或者再通过发电机转换成电能加以利用。,由于热能转换为机械能的有效利用程度（即热机的热效率）较低，早期蒸汽机的热效率只有12，现代燃气轮机装置的热效率大约只有3742，蒸汽电站的热效率也只有40左右。因此，如何更有效地实现热能和机械能之间的转换，提高热机的热效率，是十分重要的课题。,6,二、火力发电厂的生产过程,7,1.热工基础课程的学习主要有两个目的：,（1）掌握工程热力学的基本概念、基本定律和基本分析方法，掌握热能和机械能之间相互转换的规律及提高转换经济性的方法和技术措施，树立节约能源、合理用能的观念；,（2）掌握传热学的基本概念、基本理论与基本分析计算和实验研究方法，为今后研究、处理、解决实际的传热工程问题奠定必要的技术理论基础。,三、热工基础的主要内容和应用,2.热工基础课程的学习必要性,热工基础是现代工程技术人才必备的技术基础知识，是面向21世纪工科各类专业人才工程素质的重要组成部分。,8,本章重点,工质和热力系、状态和基本状态参数、平衡状态和热力过程、功和热量,第一章热力学基础知识,9,课题一工质和热力状态及基本状态参数,一、工质、热机、热源和热力系（一）工质1.热机：能够将热能转变为机械能的设备热能机械能2.工质：在热机中热能不断的转变为机械能所借助的媒介物质3.工质的选择：热力学中热能与机械能之间的相互转换是通过物质的体积变化来实现的，常选气态物质作为工质,媒介物质,10,(二)、热力系、外界和边界1.热力系：具体制定的，用界面分离出来的研究对象。,2.外界：系统以外与之相关的所有有关物体,3.边界(界面)：系统与外界的分界面界面的性质：它可以是真实的，也可以假想；可以固定也可以移动,系统与外界的作用都通过边界,11,(三)、闭口系和开口系、绝热系和孤立系,热力系外界,物质交换能量交换,物质流进和流出热力系统,传热和作功两种形式,12,1.热力系分类：按热力系与外界进行物质交换的情况分：闭口系：系统与外界无物质交换，即无物质穿过边界开口系：系统与外界有物质交换，即有物质穿过边界,绝热系：系统与外界无热交换孤立系：系统与外界无任何相互作用，既没有物质穿过边界，也不与外界发生任何形式的能量交换。,绝对的绝热系和孤立系实际上不存在，是两种理想模型。某段时间内与外界传热量很少，对于系统的能量传递和能量转换所起的作用可忽略，就可看成绝热系；研究对象连同它直接相关的外界所有物体一起取做新的热力系，就是一个孤立系。,13,二、工质热力状态与状态参数,1.状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观物理状况,2.状态参数：描述工质状态的宏观物理量,3.状态参数的特征：,(1)、状态确定，则状态参数也确定，反之亦然,(2)、状态参数的积分特征：状态参数的变化量与路径无关，只与初终态有关。数学表达式如下：,式中，x1，x2分别代表两种状态的状态参数,14,4.基本状态参数：常用的三个状态参数是压力、温度和比体积，它们都是可以直接测量的物理量，并且物理意义简单易懂,三、基本状态参数,(一)、压力1.压力：单位面积上所承受的垂直作用力，以表示,注意：,物理学：压强压力工程：压力总压,对应,绝对压力,15,2.表压与真空：工程上，工质的压力常用压力表或真空表来测量,测量压力的仪表通常处于大气环境中，不能直接测量出绝对压力，显示的是绝对压力和当时当地大气压的差值。,16,表压力：当气体的绝对压力高于大气压力时，压力计显示的绝对压力超出大气压力的部分。,表压力=绝对压力-大气压力,(2)真空度：当气体的绝对压力低于大气压力时，真空计显示的绝对压力低于大气压力的部分。,真空度=大气压力-绝对压力,要想知道气体的绝对压力，还要知道当时当地的大气压力，然后通过上述公式进行计算。,17,pb,pg,p,pv,p,如左侧图所示，如果大气压力发生变化，即使工质的绝对压力不变，测压计的对数也会变，所以只有绝对压力才是状态参数。工程计算中，必须选取绝对压力,3.压力的单位：,国际单位制中压力的单位:Pa,1Pa=1N/m21MPa=106Pa,18,常用单位：1atm(标准大气压)=760mmHg(毫米汞柱)=1.013105Pa1mmHg=133.3Pa1at(工程大气压)=735.6mmHg=9.80665104Pa,(二)、温度1.温度：标志物体冷热程度的物理量。其数值称为温标,摄氏温标：用t表示，单位为热力学(开尔文或绝对)温标：用T表示，单位为K,可以看出两种温标的温差是相等的,19,(三)、比体积比体积：单位质量的物质所占有的体积，用v表示。,式中V体积；m质量。比体积是表示物质内部分子疏密程度的状态参数。,比体积大,物质内部分子间的距离大,比体积的倒数为密度，用表示,20,课题二热力过程及参数坐标图,一、平衡状态、状态方程和参数坐标图,1.平衡状态：在没有外界影响的情况下，系统内工质的宏观性质不随时间而变化的状态。2.平衡状态的特性：工质各点相同的状态参数均匀一致，有确定的数值只有平衡状态下才可以用确定的状态参数来描述工质的状态特性,3.状态方程：描述热力系状态的各状态参数不都是独立的，不必给出全部状态参数。三个基本参数之间联系表示为：,21,这样的函数关系式就称为状态方程。具体形式取决于工质的性质。,3.参数坐标图：热力学中为了分析问题的方便和直观，常采用任意两个独立参数组成的一个平面直角坐标图。,p,v,0,p1,p2,v1,v2,1,2,此图为p-v图，称为压容图，图中每一点代表工质的某一平衡状态。还有其他形式的坐标图。,22,二、热力过程,热力过程：工质从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态所经历的全部状态的总和。,1.准平衡过程：工质从一个平衡状态连续经历一系列平衡的中间状态过渡到另一个平衡状态。准平衡过程的特点：由于热力系经历的过程中每一状态均可称为平衡态，因而准平衡过程可在状态参数坐标图中用连续曲线表示，称过程曲线；准平衡过程是一种理想化的过程，是实际过程进行得足够缓慢的极限情况，一切实际过程只能接近于准平衡过程，在工程实际设备中进行的过程常常可作为准平衡过程。,23,2.可逆过程(1)定义：当工质完成某一热力过程之后，若能沿原来路径逆向进行，能使系统与外界同时恢复到初始状态而不留下任何痕迹。反之，为不可逆过程。,(2)可逆过程必须满足的条件：过程必须是准平衡过程作机械运动时不存在摩擦传热无温差,可逆过程是热力学的抽象，实际过程是无法实现的，但人们可以无限的接近它。研究可逆过程的目的，在于抓主要矛盾，反映本质。把可逆过程作为实际过程中能量转化效果的比较标准。在实际热力学计算中，通常是把某一实际过程理想化为可逆过程计算，然后引入必要的经验修正,24,热力系在实施热力过程时，与外界发生能量交换只能是作功和传热两种形式。功是热力系与外界交换机械能的量度；热量是热力系与外界交换热能的量度。,三、容积功与p-v图,1.功：在物理学中，把物体通过力的作用而传递的能量称为功，功等于力F和物体在力的作用方向上的位移x的乘积，即,25,2.功的符号和单位：用符号W表示，单位J或kJ。单位物质所做的体积变化功用w表示，单位J/kg或kJ/kg。,3.可逆过程的体积变化功和p-v图：体积变化功用：可压缩系统通过体积的变化（膨胀或压缩）来和外界交换的功量。(2)规定：系统外界功是传递过程中的一种能量形式。它是伴随着相互作用而产生的，不是系统所含有的能量，所以我们不能说一个系统具有多少功。,功量正,功量负,26,(3)功的计算：,单位工质：,可逆过程的比容变化功w的大小可以在p-v图上用过程曲线下面的面积表示，如图所示。单位质量气体的膨胀功为：,27,功的大小不仅与过程的初、终状态有关，还与工质所经历的过程有关，所以说功不是状态参数，只是一个过程量。,四、热量、熵与T-S图,1.热量：热力系与外界之间仅仅由于温度不同而通过边界所传递的能量。,2.热量符号和单位：用符号Q表示，单位J或kJ。单位物质所做的体积变化功用q表示，单位J/kg或kJ/kg。是一个过程量系统吸热系统放热,热量为正热量为负,28,3.热量的计算，熵和T-s图：,单位工质：,熵（S）：状态参数，是可逆过程有无热量传递的标志性参数。单位质量物质的熵称为比熵，用s表示。比熵增大,系统吸热；比熵减小，系统放热。,温熵图T-s如图所示,T,S,Q,温熵(示热)图,29,熵的说明,1.熵是状态参数,3.熵的物理意义：熵体现了可逆过程传热的大小与方向,2.符号规定,系统吸热时为正Q0dS0系统放热时为负Q0dS0)，必导致气体的压力下降(dp0)，这就是扩压管中的流动特征。喷管截面与流速变化关系式：1、喷管（降压增速）渐缩喷管：当进入喷管的气流速度是M1的亚声速气流时，则沿气流方向喷管截面积必须逐渐缩小。渐扩喷管：当进入喷管的气流是M1的超音速气流时，则沿气流方向喷管截面逐渐扩大。渐缩渐扩喷管：将M1的亚声速气流增大到成为M1的超声速气流，则喷管截面由逐渐缩小转为逐渐扩大。收缩与扩张之间的最小截面处称为喉部。,108,2、扩压管（减速增压）,渐缩扩压管：当进入扩压管的气流速度是M1的超声速气流时，则沿气流方向扩压管的截面积应逐渐缩小。渐扩扩压管：当进入扩压管的气流是M1的亚声速气流时，则气流方向扩压管的截面积应逐渐扩大。渐缩渐扩扩压管：气流的速度在扩压管中由M1的超声速一直降低到M1的亚声速，则扩压管截面由逐渐缩小转为逐渐扩大。,109,三、临界参数,临界截面：Ma1的涯声速流动与Ma1的超声速流动的转折点，又称喉部。此处的参数称为临界参数。临界流速是渐缩喷管可能达到的最大出口速度，也是缩放性喷管喉部的速度。理想气体的临界流速：,110,第三节喷管的计算,一、流量计算1.渐缩喷管：如出口截面处的流速为v2，比容为c2，出口截面积为f2，则由连续性方程可得：,/s,最大流量为：,/s,2.渐缩渐扩喷管：,/s,111,二、临界压力比,临界压力Pcr与进口压力P1之比为临界压力比。过热蒸汽：干饱和蒸汽：,112,三、流速的计算,出口流速：临界流速：,113,四、喷管内有摩擦阻力的绝热流动速度系数：,114,第四节绝热节流及其应用,一、绝热节流的概念,流体在管道中流过突然缩小的截面，而又未及与外界进行热量交换的过程。二、绝热节流的一般分析1、过程的基本特性h1h22、节流过程分析,115,理想气体：节流后，焓不变、温度不变、压力降低、比容增大，由于是不可逆绝热过程，节流后熵的值增大。2.实际气体：节流前后焓不变，但温度有三种可能，即升高、不变或降低。绝热节流引起的温度变化，称绝热节流温度效应。节流后温度升高，称为热效应；节流后温度降低，称为冷效应；节流前后温度不变，称为零效应，所有理想气体都是零效应。,116,三、实际应用,1、利用节流降低工质的压力2、利用节流测定蒸汽的流量3、利用节流减少汽轮机汽封系统的蒸汽泄漏量。利用节流调节汽轮机的功率,117,第七章蒸汽动力循环,本章重点朗肯循环、蒸汽参数对循环热效率的影响，再热循环、回热循环、热电合供循环。,118,第一节朗肯循环,一、朗肯循环1、装置示意图进行朗肯循环的蒸汽动力装置包括锅炉、汽轮机、凝汽器和给水泵等四部分主要设备。如图所示。,119,二、T-S图,120,三、工作流程,朗肯循环的工作流程：3-4-5-1水在蒸汽锅炉中定压预热、汽化并过热，变成过热蒸汽；1-2过热水蒸汽在汽轮机内的定熵膨胀过程；2-3湿蒸汽在凝汽器内的定压定温冷却凝结放热过程；3-3凝结水在水泵中的定熵压缩过程。,121,四、朗肯循环的热经济性指标,1、热效率,1kg水蒸汽在流经汽轮机的定熵膨胀过程1-2中所做的理论轴功为：ws.t=h1h2水泵中定熵压缩过程3-3消耗功为：ws.p=h3h3=v3(p1-p2)蒸汽在定压过3-1中从锅炉吸收的热量：q1=h1h3乏气在定压凝结过程2-3中向冷凝器放出的热量：q2=h2h3循环热效率,122,通常水泵消耗功与汽轮机做功量相比很小，可忽略不计，故h3h3朗肯循环热效率简化为,123,2、汽耗率,汽耗率指的是每产生1KWh的功（3600KJ）需要消耗多少Kg的蒸汽量，用d表示。,124,第二节蒸汽参数对朗肯循环热效率的影响,卡诺循环给我们指出了提高热机热效率的根本途径，为便于分析，我们引入平均吸热温度的概念。如图所示，以一个等效的卡诺循环2-3-9-8-2代替郎肯循环1-2-3-4-1，则平均吸热温度为：,125,于是等效卡诺循环热效率为：故提高郎肯循环热效率的基本途径是提高平均吸热温度及降低放热温度，可以采取以下措施：一、提高蒸汽初温度保持初压、终压不变，蒸汽初温由T1提高到T1，可以看出新循环的平均吸热温度提高了，故而提高了热效率。,126,提高蒸汽初温度T1的T-S图如下,127,二、提高蒸汽初压力,保持初始温度及终压力不变，将初压由p1提高到p1，由图中可以看出，新循环的平均吸热温度增高了，所以热效率得到了提高。但随着初压的提高，乏汽的干度变大，对汽轮机的运行不利。,128,三、降低排汽压力,初参数不变而将终压p2降低至p2，相应的放热温度降低，因而提高了循环的热效率。然而终压的数值主要取决于冷却水的温度，并不能任意降低。,129,第三节再热循环,一、再热循环的装置系统图和T-S图,130,二、再热循环工作原理,从图可以看出，再热部分实际上相当于在原来的郎肯循环的基础上增加了一个新的循环。一般而言，采用再热循环可以提高3%左右的热效率。三、再热循环经济性指标的计算1、热效率2、汽耗率,131,四、再热循环分析,1、采用再热循环后，可明显提高汽轮机排汽干度，增强了汽轮机工作的安全性；2、采用再热循环后，可明显提高循环热效率；3、采用再热循环后，可明显降低汽耗率；4、因要增设再热管道、阀门等设备，采用再热循环要增加电厂的投资，故我国规定单机容量在125MW及以上机组才采用此循环。,132,第四节回热循环,一、回热循环的装置系统图和T-S图分析朗肯循环，导致平均吸热温度不过的原因是水的预热过程温度较低，故设法使吸热过程不包括这一段水的预热过程，提出了回热循环。回热是指从汽轮机的适当部位抽出尚未完全膨胀的压力、温度相对较高的少量蒸汽，去回热器中加热低温冷凝水。这部分抽汽未经凝汽器，因而没有向冷源放热，但是加热了冷凝水，达到了回热的目的，这