热能与动力机械基础-绪论

热能与动力机械基础thermalenergyandpowermechanicsbasis，陆上汽车学院内燃机关系jingtian课程网站：一、本课程设置：专业调整后新开设的课程仅限于社会市场发展需求现代动力设备能源转换的特点21世纪的特点：信息化。 问题：能源问题，污染问题。 70年代“多、早、好、省”的过去：从内燃机的角度，如何有效地应用？ 专业化现在：从能源转换的角度，如何有效利用，节约能源，二是学习本课的目的，理解和掌握意义能源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、主要内容是在一些典型的动力设备装置中热能的转换和利用。 例如，1 .内燃机中热能转换2 .涡轮机和喷气发动机中的热能转换3 .锅炉和热交换器中的热能的利用4 .热能发电的基本原理5 .制冷和空调设备中的热能的利用等6 .新能源及其利用、一、三代能源人类进化发展的过程，是自然界不断追求能源的历史。 人类使用火后经历了三代能源文明： 1、柴马车农业文明人类的第一代主体能源是柴。 以树枝、杂草等为燃料，用于煮菜和取暖，用草饲养家畜，利用人力、畜牧力和一些简单的机械为动力，从事手工生产和交通运输活动。 从太古时代到中世纪农业文明时代。、第一章绪论、2、煤蒸汽机械工业文明18世纪西欧产业革命开始的工业文明，逐步扩大了煤炭的利用。 蒸汽机发明以煤为第二代主体能源。 以煤为燃料的蒸汽机主要应用于纺织、冶金、采矿、机械加工等工业，发展迅速。 同时，蒸汽机车、轮船的出现使交通运输业大有进步。 19世纪以来，随着电磁感应现象的发现，在汽轮机上工作的发电机开始出现，煤作为一次能源，转化为更加便于运输和利用的二次能源电能。 3、内燃机在现代文明公元前250年，中国人首先发现石油是可燃性液体。 1854年，美国宾夕法尼亚州打出了世界上第一口油井，石油工业发展起来。 19世纪末，发明了以汽油和柴油为燃料的奥托内燃机和柴油机。 1908年，福特开发了第一辆汽车。 之后，汽车、飞机、柴油船、内燃机车、石油发电等将人类迅速推进到了现代文明时代。 到了20世纪60年代，世界石油消费量超过煤炭，成为第三代主体能源。 随着世界人口的急剧膨胀，能源消费大幅度增加。 煤和石油都是矿物能源，是古生物在地下经过数亿年堆积的变迁形成的，不能再生，其储量极为有限。 根据现在的能源消费，世界的石油，天然气，煤等生物化石能源，在数十年到200年内逐渐枯竭。 另外，大量矿物能源的燃烧，成为大气污染、“酸雨”和“温室效应”的原因。 4、第四代绿色能源？ 从60年代开始探索中，“能源革命”的呼声高涨。 “能源革命”的目的是用矿物能源代替环境能源(原子能和可再生能源等，电能，生物能源，太阳能，风能，地热能，海洋能，氢能等)。 绿色能源有望为21世纪人类社会的发展提供持续的动力。 二、热能与动力机械概况热能：物质原子与分子热运动相关的能量是能量利用最基本、最主要的能量形式，宏观现象：温差。 动力机械：将其他形式的能量转换为机械能的动力装置、设备。在人类社会生活中的地位：不可分割的关系，各行业不能分离能源热能与动力机械的关系：热能是动力机械的能源，动力机械是能源利用的具体表现。 1 .自然界能源的存在形式：燃料类：煤炭、石油、天然气、木材、核燃料作为热能利用的水力：水的流动动能或位置可转化为机械能的太阳能：光能可转化为热能的沐浴、供暖、制冷地热能：热水(地热蒸汽)热能潮汐能：利用海水干涸时的能量，转化为其他能量。 海洋能源的利用：海水温差发电是热能机械能电能风力：空气的流动能机械能电能：可以直接转换为机械能的双热能的重要性：在能源转换过程中，热能是利用能源最基本、主要的在能源利用中，我国90%以上的“热”环节利用的世界各国平均85%以上的“热”环节利用能源。 第一章基本概念、热能利用装置和动力机械的本质：都是能量的传递、转换和利用的设备。 能量的传递、转换和利用过程必然有共同的规律和共同的内容。 主要内容：介绍这一能量传递和转化利用过程中基本概念的要求：能量转化的原理和特点、方式、第一节的热能及其利用、第一、了解能量存在形式的能量产生某种效应和变化的能力。 在某种效果或变化过程中伴随着能量的消耗和转换。 能量类型： 6种1 .机能：包括动能、位能、弹性能、表面张力能的特征：以功能的形式表现， 有效转化为其他形式的能量2 .热能：与原子和分子运动相关的能量特征：以宏观温度高低表现的基本能量形式，其他形式的能量完全可以转化为热能3 .电能：与电子的流动和蓄积相关的能量。 特点：以静电场能或感应场能的形式储存的电流形式传导电能，能有效地转化为其他形式的能量。 4 .放射能(电磁能):物体作为电磁波放射的能量。 特点：根据电磁线形式表现的电磁波波长，有射线、x射线、热辐射、微波、毫米波、电波等。 热辐射是原子振荡产生的电磁能量，包括紫外线、可见光、红外线等。 辐射强度与物质的温度有关，能产生热效应。 5 .化学能：只存在于储藏形式中的能量形式。 就像燃料的化学能。 特点：与其他物质的原子或分子结合时释放。 通过燃烧把化学能转化成热能释放出来。 6 .核能：原子核内部储藏的能量只能以储藏形式存在。 核能等。 特征：原子核中的粒子相互作用，原子核立即释放出来的原子核反应有放射性衰变、核裂变、核聚变3种，核裂变、聚变反应时释放出大量的能量。 二、能源及其分类，能源？直接或转换获得能源的资源。 1 .按能源形式和来源分类，太阳能：太阳辐射能、煤、石油、天然气、生物质、水能、风能、海洋能等间接来源于太阳能。 2 )来自地球的能源：地球内部储存的地热能和原子能。 3 )天体作用于地球引力的能量：月亮和太阳作用的潮汐能。 2、按能源利用形态分类的话，两种一次能源：自然界中存在的，不改变基本形态就能直接获得的能源。 二次能量：一次能量被加工或转换的另一种形式的能量。 一次能源还分为再生能源和非再生能源。 3 .按人类使用能源的习惯分类：普通能源和新能源；普通能源：人类使用最多的常用能源。 煤炭、石油、天然气、水力等。 新能源：尚未大规模应用的开发中的应用和尚未应用的能源。例如太阳能、地热能、生物质能、风能、海洋能、核聚变能等。 三、热能的产生、热能的产生途径：直接例如热能，海洋热能通过能量形式的转换化学能的转换：燃烧放热反应， CO2和水能的转换：焦耳效应辐射能的转换：热辐射能的转换：核裂变和核聚变释放大量热力学能的转换：摩擦发热，四、热能特征，能量的转换：人类使用的能量基本上从一次能量转换一次或几次。 汽轮机：化学能蒸汽的热能通过汽轮机转换成机械能的内燃机：化学能气体的热能通过活塞连杆机构转换成热能。 热能的转换：机械能内燃机、汽轮机电能热电发电热能的传送：热交换器的不同温度级的流体经由固体壁从高温向低温流体传送热。 五、热能利用、热能应用于国民经济的重要地位(使用领域):1 )电力工业火力发电或核电，都应用热能转换。 2 )钢铁工业炼钢、轧制、高炉炼铁等所使用的热能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、精制、运输等热能6 )建材工业建材的生产过程中热能水泥、陶瓷等； 7 )机械工业在铸造、锻压、焊接等方面使用热能8 )轻纺工业造纸、制糖、化学纤维、印染等为热能9 )交通运输汽车、列车、船舶、飞机等动力的热能10 )农业和水产养殖业的电力灌溉、温室栽培、鱼池的加温等11 )生活中3354的供暖第二节能量转换的基本规律，第一，热循环：工程从一个热态经过一系列的状态变化，完成热功转换后，返回到初始状态的热过程。 p-V图或T-S图的正循环：热过程为顺时针方向，外部工作，净工作0，例如内燃机的循环反循环：热过程为逆时针方向，消耗外部工作，净工作为零，例如制冷循环。 奥托引擎出现前的52年，1824年(军旅生活中)，关于活力动力及其内燃机的考察年宣布了卡诺循环。 热平衡：工作1/3排气损失的1/3冷却损失的1/3现在发动机正在努力逼近卡诺效率循环效率：卡诺循环：二，热力学第一定律，本质：能量守恒和转化定律在热物理和化学等过程中的应用。 内容：能量形式可以转换，但总量不变。工质能量或，1 .闭口系统：微小变化过程：单位工质：利用膨胀工作： w推进活塞工作的同时，为克服大气环境的压力，可利用的工作是：2 .开口系统：在系统和外部的能量传递和转换的同时稳定流动系统：因此，在流动系统中，以工作为轴工作，以工作的流入、流出时的损失工作为故障指令，将H=(U pV )定义为焓。、微变过程：单位工程：三、热力学第二定律的第一定律：是否仅在能量传递和转换时，表示数量关系存在转换？ 条件二定律：表明能量传递和转化方向的本质：一切自发过程都是不可逆的，非自发过程的完成，必须有另一个自发过程来推进。 第二定律的数学描述：熵增原理孤立系统的热过程总是向熵增方向发展。 孤立系统：与外界无能量转换和传递，无物质交换。 如果在由工质、高低热源构成的孤立系统内进行不可逆循环，则12:T1热源散热34:T2热源吸热工质经过不可逆循环12341，从T1吸热，将部分变换成功w，其馀部分散热到T2而返回到原来的状态，因此循环的效果： T1散热、T2吸热、功w、孤立系统的总熵变化， 在系统中的不可逆系数(即，非可逆循环)的情况下，循环1234112341，即，在孤立系统中执行的热处理只是熵增加或改变，并且熵从不减少。全球变暖的熵增效应。、第三节能的利用与评价，意义：非再生能源的有限性，能源利用率不高。 能源是人类生存和发展的重要基础。 因此，有效、有计划地利用能源是很重要的，因此对能源利用进行评价。 评价的目的是监督，提高能源利用效率。 一、有效利用能源的途径，一.提高能源转换和传输装置和系统效率，二.根据能源质量合理使用能源，防止高质量能源降级，三.总体确立系统概念，优化总体能源使用系统，初级能源充分利用二次能源和馀热，提高常时系统能源利用效率，四是开发节能技术，如燃烧控制技术、热管技术、热泵技术5 .能源利用运行控制技术，实现能源利用最经济的运行，如空调变频器运行供热系统用户供热独立调节等6 .开发新能源利用技术，如太阳能、地热能、海洋能源等，二是能源利用评价指标，能源利用主要评价指标：1.能源消耗系数r :定义：指以单位国民经济产值平均消耗的能源量。 e :能源消费量，m :同期国民经济总产量，公里/元表示一国能源利用水平和节能潜力，2 .单位产品能源消费量c :定义：单位产品每产量的能源消费量。 设定： Ep产品的能源消耗量a :产品的生产量为式中，Ep为能源消耗量时，c为消耗量，Ep为一次能源，二次能源的总量时，c为综合消耗量。 综合能源消耗包括生产产品时的直接能源消耗和间接能源消耗。 直接消耗电力：生产时直接消耗的能源间接能源：生产该产品时使用的原材料在生产过程中消耗的能源总能源=直接能源间接能源，3 .能源利用效率：能源利用率定义：有效利用的能源与消耗的能源之比。 作为Ee :有效利用的能源，Ec :消费(投入)的能源，显示了使用能源的完备度。 能源利用效率的意思：热效率热电力变换时的冷冻系数冷冻循环，冷冻量/耗电冷冻量：低温热源吸收的热量，三、Ex ()及Ex效率，1.Ex的概念能的评价，考虑所利用的能源的数量和品质。 能量的质量：能量的品位，用转化为机械工作的能力来测量。 不同形态的能量是其品质不同的相同能量形式，根据状态不同能量的质量也不同。 某种形态的能量变化为机械能量，其质量(品位)越高。Ex是从能量的量和品质的观点来评价某种状态下的热系统的作用力的指标。 可用性。 定义：处于某种状态的热系统，如果与环境状态的平衡发生可逆性变化的话，学习的能量，即有效地成为该热系统的Ex。 特点：对环境状态的最大功能。 也就是说，如果将比：热：热源温度中的任意一个设为t，那么在其热电转换中，最大的工作就是卡诺循环工作。 也就是说，热量和工学Ex的不同，依赖于q热源散热时的温度t的工质的Ex仅由工质的热状态决定。 燃料：燃料和氧气可逆地与燃烧反应发生变化后，在与周围环境取得平衡时能够提供的最大学习。 又称燃料的化学火用，等于燃料的高热值。 也就是说，2.Ex效率用于评价最大学习的实用程度。 用实际应用的有效火用和投入的火用的比来表示。 即a )定义：由于实际过程是不可逆的，所以存在火用损失。 设定为稳定流动系统、不可逆过程12时，忽视动能、能量，工程与环境之间的热传导量q是不可逆的，因此，工程熵发生变化，产生熵：因此，不可逆过程中的功能是不可逆的，最大可逆的功能是不可逆的， 可用能量是工程进出热系统的火焰值的差，表示不可逆的工作的Ex损失：作为机能的损失。，b)Exl发生的原因：三方面装置内的不可逆过程，不可逆化学反应，温差传热等副产物和废弃物运送的Ex，例如锅炉，内燃机的排烟等向环境的散热造成的ex损失。 例如换热器的对流和热辐射是必要的，因为实际的能量转换过程是不可逆的。 c )效率的实际应用和公式多以实际获得的收益和投入的比率来表现。 发动机：进入发动机的功能和远离发动机的功能各自，如果发生的功能是W12，则包括进入气缸的混合气体的流动功能和化学功能。 废气运送的热量和流动工作很少使