工程热力学—复习课讲稿

工程热力学,工程热力学,从工程技术观点出发，研究物质的热力学性质，热能转换为机械能的规律和方法，以及有效、合理地利用热能的途径。电能一一机械能锅炉一一 烟气 一一 水 一一水蒸气一一(直接利用) 供热锅炉一一 烟气 一一 水 一一水蒸气一一汽轮机一一 (间接利用)发电冰箱一一-(耗能) 制冷,本课程的研究对象及主要内容,研究对象：与热现象有关的能量利用与转换规律的科学。研究内容：（1）研究能量转换的客观规律，即热力学第一与第二定律。（2）研究工质的基本热力性质。（3）研究各种热工设备中的工作过程。（4）研究与热工设备工作过程直接有关的一些化学和物理化学问题。,第1章 基本概念,本章基本要求:深刻理解热力系统、外界、热力平衡状态、准静态过程、可逆过程、热力循环的概念，掌握温度、压力、比容的物理意义，掌握状态参数的特点。本章重点：取热力系统，对工质状态的描述，状态与状态参数的关系，状态参数，平衡状态，状态方程，可逆过程。,1. 1 热力系统,一、热力系统系统：用界面从周围的环境中分割出来的研究对象，或空间内物体的总和。外界：与系统相互作用的环境。界面：假想的、实际的、固定的、运动的、变形的 .依据：系统与外界的关系，系统与外界的作用：热交换、功交换、质交换。,二、闭口系统和开口系统(按系统与外界有无物质交换)闭口系统：系统内外无物质交换,称控制质量。开口系统：系统内外有物质交换,称控制体积。三、绝热系统与孤立系统绝热系统：系统内外无热量交换 (系统传递的热量可忽略不计时，可认为绝热)孤立系统：系统与外界既无能量传递也无物质交换=系统+相关外界=各相互作用的子系统之和= 一切热力系统连同相互作用的外界,四、根据系统内部状况划分可压缩系统：由可压缩流体组成的系统。简单可压缩系统：与外界只有热量及准静态容积变化均匀系统：内部各部分化学成分和物理性质都均匀一致的系统，是由单相组成的。非均匀系统：由两个或两个以上的相所组成的系统。单元系统：一种均匀的和化学成分不变的物质组成的系统。多元系统：由两种或两种以上物质组成的系统。单相系：系统中工质的物理、化学性质都均匀一致的系统称为单相系。复相系：由两个相以上组成的系统称为复相系，如固、液、气组成的三相系统。注意:系统的选取方法仅影响解决问题的繁复程度，与研究问题的结果无关。,12 工质的热力状态与状态参数,一、状态与状态参数状态：热力系统中某瞬间表现的工质热力性质的总状况。状态参数：描述工质状态特性的各种状态的宏观物理量。如：温度（T）、压力（P）、比容（）或密度（）、内能（u）、焓（h）、熵（s）、自由能（f）、自由焓（g）等。,状态参数的数学特性:1 表明：状态的路径积分仅与初、终状态有关，而与状态变化的途径无关。2 =0表明：状态参数的循环积分为零,基本状态参数：可直接或间接地用仪表测量出来的状态参数。如：温度、压力、比容或密度温度：宏观上，是描述系统热力平衡状况时冷热程度的物理量。微观上,是大量分子热运动强烈程度的量度.热力学第零定律：如两个物体分别和第三个物体处于热平衡，则它们彼此之间也必然处于热平衡。摄氏度与热力学温度的换算：,2压力：垂直作用于器壁单位面积上的力，称为压力，也称压强。 压力测量依据：力平衡原理 压力单位：MPa相对压力：相对于大气环境所测得的压力。工程上常用测压仪表测定的压力。以大气压力为计算起点，也称表压力。 （PB）（PT1-T2 所以：,卡诺定理：1、所有工作于同温热源、同温冷源之间的一切热机，以可逆热机的热效率为最高。2.在同温热源与同温冷源之间的一切可逆热机，其热效率均相等,5.4 熵与熵增原理一、熵的导出1865年克劳修斯依据卡诺循环和卡诺定理分析可逆循环，假设用许多定熵线分割该循环，并相应地配合上定温线，构成一系列微元卡诺循环。则有：因为 ，有 得到一新的状态参数不可逆过程熵：,二、熵增原理： 意义：可判断过程进行的方向。熵达最大时，系统处于平衡态。系统不可逆程度越大，熵增越大。可作为热力学第二定律的数学表达式,54熵产与作功能力损失一、建立熵方程一般形式为：(输入熵一输出熵)+熵产=系统熵变或熵产=(输出熵一输入熵)+系统熵变得到：称为熵流，其符号视热流方向而定，系统吸热为正，系统放热为负，绝热为零。称为熵产，其符号：不可逆过程为正，可逆过程为0。注意：熵是系统的状态参数，因此系统熵变仅取决于系统的初、终状态，与过程的性质及途径无关。然而熵流与熵产均取决于过程的特性。开口系统熵方程：,二、作功能力损失作功能力损失：,1.热力学第一定律告诉我们热机效率t 不可能（ a ），热力学第二定律告诉我们它也不能（ b ），而只能（ c ）。(a)大于1 (b)等于1 (c)小于12.未饱和湿空气中所含水蒸汽 ( D )。A. 只能是过热蒸汽B.可以是湿饱和蒸汽C.只能是干饱和蒸汽D.可以是干饱和蒸汽也可以是过热蒸汽3. 热力学第二定律表明 ( C )。A. 能量转换过程中, 能量的总量保持定恒不变B.第一类永动机不可能制造成功C.单热源热机不可能制造成功D.热量中含有有效能和无效能,两者可以相互转换,第7章 水蒸气,本章基本要求：水蒸气的产生过程、水蒸气状态参数的确定、水蒸气图表的结构和应用、以及水蒸气在热力过程中功量和热量的计算。本章重点：工业上水蒸气的定压生成过程，学会使用水蒸气热力学性质的图表，并能熟练的运用于各种热力过程的计算。注意：水蒸气是由液态水经汽化而来的一种气体，离液态较近，不是理想气体，是实际气体，只能通过查热力学性质图表进行各种热力过程的计算。,71 水的相变及相图,自然界中聚集态：固相、液相和气相。下面以水为例：融解过程：在一定压力下，固态冰-液态水（融点温度），汽化过程：水汽（沸点温度）AB-融点与压力关系，为融解曲线。A点固、液、汽三态共存的状态，为三相态，三相点。,水蒸汽的定压发生过程,一、工业上水蒸气的形成取定量0.01的纯水，1定压预热过程,2饱和水定压汽化过程 汽化潜热：1kg饱和液体加热成同温度下的干饱和蒸汽所需热量。干度：湿蒸汽中含干蒸汽的质量占湿蒸汽的总质量的百分比 x=干蒸汽质量/湿蒸汽总质量3干饱和蒸汽定压过热过程过热度：温度超过对应压力下的饱和温度。,二、水蒸汽的p-v T-s图水蒸汽定压形成特点：一点：临界点C 两线：饱和液体线、饱和蒸汽线三区：未饱和液体区、湿饱和蒸汽区、过热蒸汽区五种状态：未饱和水状态、饱和水状态、湿饱和蒸汽状态、干饱和蒸汽状态和过热蒸汽状态。,7.3 水蒸气表和焓一熵(h-s)图,在工程计算中,水和水蒸气的状态参数可根据水蒸气表和图查得。一、水蒸气参数的计算零点的规定1963年 第六届国际水蒸气会议的决定，以水物质在三相平衡共存状态下的饱和水作为基准点。规定在三相态时饱和水的内能和熵为零。液体热的计算：未饱和水加热到饱和水，所加的热量为液体热 采用公式计算了解。,二、水蒸汽表有三种：按温度排列的饱和水与饱和水蒸气表按压力排列的饱和水与饱和水蒸气表按压力和温度排列的未饱和水与过热蒸汽表。附表1、附表2和附表3。 三、水蒸气的焓-熵(h-s)图水蒸气表的数据是不连续的，在求间隔中的状态参数时，需用内插法。根据水蒸气各参数间的关系及实验数据制成图线，称为水蒸气线图。,7.4 水蒸汽的基本热力过程基本热力过程：定容、定压、定温、绝热 四种分析蒸汽热力过程的一般步骤为：1.用蒸汽图表由初态的两个已知参数求其它参数。2.根据题示的过程性质，如压力不变、容积不变、温度不变和绝热，加上另一个终态参数即可在图上确定进行的方向和终态,并读得终态参数。3.根据已求得的初、终态参数，应用热力学第一和第二定律等基本方程计算过程量。,一、定压过程,二、定容过程,三、定温过程,四、绝热过程q=0,本章习题:,1. 水蒸气从p1=10bar,t1=300的初态可逆绝热膨胀到1bar。试用h-s图求1kg水蒸气所作的膨胀功和技术功。（10分）,解:（1）初始状态：p1=1bar，t1=300，从h-s图上找出10bar的定压线和300的定温线，两线的交点1即为初始状态，并从h-s图中查出：h1=3052kJ/kg，v1=0,26m3/kg，s1=7.12kJ/(kg.K),则:u1=h1-p1v1=2792 kJ/kg (2)终态参数: p2=1bar,因绝热过程s2=s1=7.12 kJ/(kg.K),从1点作垂线交1bar的定压线于点2,即为终态: h2=2592 kJ/kg,v2=1.62 m3/kg，x2=0.96,t2=100,则:u2=h2-p2v2=2430 kJ/kg (3) 膨胀功w和技术功wtw=u1-u2=362 kJ/kg wt=h1-h2=460 kJ/kg,第8章 湿 空 气,本章基本要求理解绝对湿度、相对湿度、含湿量、饱和度、湿空气密度、干球温度、湿球温度、露点温度和角系数等概念的定义式及物理意义。熟练使用湿空气的焓湿图。掌握湿空气的基本热力过程的计算和分析。,8.1 湿空气性质,一、湿空气成分及压力湿空气=干空气+水蒸汽 二、饱和空气与未饱和空气未饱和空气=干空气+过热水蒸汽 饱和空气=干空气+饱和水蒸汽 注意：由未饱和空气到饱和空气的途径：等压降温等温加压露点温度：维持水蒸汽含量不变，冷却使未饱和湿空气的温度降至水蒸汽的饱和状态，所对应的温度。,三、湿空气的分子量及气体常数,结论：湿空气的气体常数随水蒸汽分压力的提高而增大,四、绝对湿度和相对湿度 绝对湿度：每立方米湿空气终所含水蒸汽的质量。 相对湿度：湿空气的绝对湿度与同温度下饱和空气的饱和绝对湿度的比值，相对湿度反映湿空气中水蒸气含量接近饱和的程度。 相对湿度的范围：00)，必导致气体的压力下降(dp0)。,三、临界压力比及临界流速,特别的对双原子气体：,四、流量与临界流量,kg/s,96 绝热节流定义：气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。特点：绝热节流过程的焓相等，但绝不是等焓过程。因为在缩孔附近，由于流速增加，焓是下降的，流体在通过缩孔时动能增加，压力下降并产生强烈扰动和摩擦。扰动和摩擦的不可逆性，使节流后的压力却不能回复到与节流前.,绝热节流前后状态参数的变化：对理想气体：,、,、,、,、,本章习题:,1.空气可逆绝热流过一喷管，入口压力p1=0.7MPa，温度t1=800，出口压力p2=0.15MPa，此喷管是什么外型的喷管?入口空气流速忽略不计，比热容和比热比取定值，分别为cp=1.004kJ/(kgK)，k=1.4，求喷管出口空气的温度、流速、马赫数。,第10章 动力循环及制冷循环,本章基本要求熟练掌握水蒸气朗肯循环、回热循环、再热循环以及热电循环的组成、热效率计算及提高热效率的方法和途径。热机：将热能转换为机械能的设备叫做热力原动机。热机的工作循环称为动力循环。动力循环可分：蒸汽动力循环和燃气动力循环两大类。,101蒸汽动力基本循环一朗肯循环朗肯循环是最简单的蒸汽动力理想循环，热力发电厂的各种较复杂的蒸汽动力循环都是在朗肯循环的基础上予以改进而得到的。一、装置与流程蒸汽动力装置：锅炉、汽轮机、凝汽器和给水泵等四部分主要设备。工作原理：p-v、T-s和h-s。朗肯循环可理想化为：两个定压过程和两个定熵过程。,3-4-5-1水在蒸汽锅炉中定压加热变为过热水蒸气，1-2过热水蒸气在汽轮机内定煽膨胀，2-3湿蒸气在凝汽器内定压(也定温)冷却凝结放热，3-3凝结水在水泵中的定情压缩。,二、朗肯循环的能量分析及热效率取汽轮机为控制体，建立能量方程:三、提高朗肯循环热效率的基本途径依据：卡诺循环热效率1.提高平均吸热温度 直接方法式提高蒸汽压力和温度。2.降低排气温度,10.2 回热循环与再热循环,目的：提高等效卡诺循环的平均吸热温度一、回热循环抽气回热循环：用分级抽汽来加热给水的实际回热循环。设有1kg过热蒸汽进入汽轮机膨胀作功。当压力降低至时，由汽轮机内抽取1kg蒸汽送入一号回热器，其余的(1-1) kg蒸汽在汽轮机内继续膨胀，到压力降至时再抽出2kg蒸汽送入二号回热器，汽轮机内剩余的(1-1-2) kg蒸汽则继续膨胀，直到压力降至时进入凝汽器。凝结水离开凝汽器后，依次通过二号、一号回热器，在回热器内先后与两次抽汽混合加热，每次加热终了水温可达到相应抽汽压力下的饱和温度。,注意：电厂都采用表面式回热器(即蒸汽不与凝结水相混合),其抽汽回热的作用相同。,二、再热循环再热的目的：克服汽轮机尾部蒸汽湿度太大造成的危害。再热循环：将汽轮机高压段中膨胀到一定压力的蒸汽重新引到锅炉的中间加热器(称为再热器)加热升温， 然后再送入汽轮机使之继续膨胀作功。,103 热电循环背压式热电循环优点：热能利用率高缺点：热负荷和电负荷不能调节调节抽气式热电循环,实质：利用气轮机中间抽气来供热。,本章习题:,1.内燃机定容加热循环p-v图如下所示。若循环初始状态为p2=0.103MPa,t2=100,内燃机的压缩比=0.75，定容加热到p4=3.4MPa。工质视为空气，其定容比容为：cv=0.717kJ/(kg.K)，绝热指数k=1.4。试求：（1）各状态点的基本热力参数p、v、T；（2）循环中对1kg工质加入的热量q1；（3）循环热效率t。,2. 一级抽汽回热蒸汽动力循环,已知新蒸汽焓h1=3500Kj/kg, h01=504.8kJ/kg, 汽轮机排汽焓h2=2057kj/kg, 抽汽焓h01=2565kJ/kg; 排汽, 抽汽压力对应的饱和水焓h01=504.8kJ/kg, 水泵功可忽略不计, 回热加热器均为混合式, 求其循环热效率.,第11章 致冷循环,本章要求：熟练空气和蒸汽压缩制冷循环的组成、制冷系数的计算及提高制冷系数的方法和途径。了解吸收制冷、蒸汽喷射制冷及热泵的原理。致冷：对物体进行冷却，使其温度低于周围环境的温度，并维持这个低温称致冷。为了保持或获得低温，必须从冷物体或致冷空间把热量带走，致冷装置便是以消耗能量(功量或热量)为代价来实现这一目标的设备。,111 空气压缩致冷循环空气压缩式致冷：将常温下较高压力的空气进行绝热膨胀，会获得低温低压的空气。原则：实现逆卡诺循环工作原理如图：,注意：空气的热物性决定了空气压缩致冷循环的致冷系数低和单位工质的致冷能力小。,或：,11.2 蒸汽压缩致冷循环,一、实际压缩式致冷循环蒸气压缩致冷装置：压缩机、冷凝器、膨胀阀及蒸发器组成。原理：由蒸发器出来的致冷剂的干饱和蒸气被吸入压缩机，绝热压缩后成为过热蒸气(过程1-2)，蒸气进入冷凝器，在定压下冷却