第三讲 开口系统的热力学第一定律

1、12一.封闭系统的热力学第一定律如：内燃机气缸中正在膨胀的燃气WUQ3二.开口系统热力设备的实际工作过程，或多或少都存在工质流入流出的现象。4机油冷却器5柱塞式输油泵6空气压缩机开口系统：与外界存在物质交换的系统7三、开口系统的热力学第一定律一元流动：稳定流动：81.连续性方程设截面1-1，2-2的面积分别为 和 ；工质在截面1-1和2-2的比体积分别 和 ；速度分别为 和 。1A2A1v2v1gw2gw9稳定流动时，系统内的质量不变，进出口的质量流量应相等，且等于任一个与流动方向垂直的截面上的质量流量。12112212 (3-16)iggigiimmmA wA wA wvvv常数即常数102

2、.可逆流动方程开口系统的可逆过程：微元体沿流动方向的状态变化是连续的，且在流动过程中无耗散效应。微元隔离体的质量:fdxvfdxdm111可逆流动方程的推导：微元隔离体移动 时，流速从 变化到 ，1)动能变化量: dxgw)(ggdww 22112gggggggdmwdwwdm w dwAw dw dxv122)压力对微元隔离体作功为3)外界通过旋转轴对微元隔离体所作轴功动能定理：dp A dxAdpdx dxwd fvwddmwdmdWdssss111sggAdpdxAdw dxAw dw dxvv13整理得，微分形式的可逆流动方程：积分得，可逆流动方程：技术功：流动工质在开口系统中，所增加

3、的动能和对外界所作轴功之和称为技术功。单位质量的技术功称为比技术功，以符号 表示。17)-(3 sgsggwdwdwddwwvdp2218)-(3 21212221vdpwwwsggtw14对可逆过程，技术功：19)-(3 vdpwdwdwdsgt2220)-(3 21212221vdpwwwwsggt15比技术功的图示：比技术功可用面积12561表示。16开口系统与外界技术功交换的方向：1)当 时， ，即工质在开口系统中等压流动，系统与外界没有技术功的交换。2)当 时， ，即工质在开口系统中由正向压力差作用下流动时，系统对外界作技术功，该技术功以增加流动工质的动能和对外外输出轴功。3)当 时

4、， ，即工质在开口系统中要克服逆向压力差的作用而流动时，外界0dp0twd0dp0twd0dp0twd17必须对系统作技术功，该技术功是由流动工质动能的减少转换和外界输入的轴功而得。考虑工质的耗散效应时，可逆流动方程为21212221fsggwvdpwww 183、稳定流动的能量方程 焓稳定流动能量方程是一元稳定流动的开口系统热力学第一定律的数学表达式。19(1).进、出口处的参数：(2)进口处，外界对流入工质所作的流动功：单位质量的流动功 ，称为比流动功。出口处，流出工质对外界作的流动功：gwuvpf 和、dmvpdwfpdxfpg1111111111vpdmvp2220(3)外界输入系统的

5、能量和系统输出的能量输 入 能 量输 出 能 量1外界加给系统的热量系统对外界作的轴功2流入工质带进的内能流出工质带出内能3流入工质带进的动能流出工质带出的动能4外界对流入工质所作的流动功流出工质对外界作的流动功dmq dmu 1dwmg212 dmvp11dmvp22dmwsdmu 2dwmg222 21根据能量守恒定律：输入能量=输出能量，即上式两边除以 ，经过整理得dmvpdwmdmudmwdmvpdwmdmudmqgsg222221121122 dm 21)-(3 sggwwwvpuvpuq21221112222122把比内能 和比流动功 之和称为焓，以符号 表示。即对于质量m的均匀系

6、统，有将式(3-22)代入(3-21)得如果是微元过程，则有upvh22)-(3 pvuh23)-(3 mhH 24)-(3 sggwwwhhq2122122125)-(3 sgwddwdhqd22123式(3-24)和式(3-25)称为稳定流动的能量方程，它适用于任意过程工质和任意过程。它说明外界加给系统的热量用于增加流动工质的焓值以及对外界作技术功。 对于可逆过程，将可逆流动方程(3-17)代入(3-25)，得可逆过程的稳定流动能量方程为其积分形式为26)-(3 vdpdhdq27)-(3 2112vdphhq24三、稳定流动能量方程的应用可取为开口系统的典型热力设备(1)换热器(2)喷管

7、和扩压管(3)产生功的装置：蒸汽轮机和燃气轮机(4)消耗功的装置：泵和压缩机(5)节流装置：膨胀阀251.换热器流动工质通过换热器与外界发生热交换，包括锅炉、冷凝器、空气冷却器和回热器等。26换热器与外界没有轴功的交换，而且进出口工质的流速变化不大，工质动能的变化 与加热量 相比，小到可略而不计。将式(3-24)应用到换热器，得若质量流量为 ，则有212221 ggwwq28)-(3 12hhqm 29)-(3 HHhhmqmQ121227工质在换热器中可逆流动的条件为2.喷管和扩压管喷管：扩压管：0dp281) 来不及与外界进行热交换2) 与外界没有轴功交换，即所以对于喷管，因 ，所以对于扩

8、压管，因 ，所以0q0sw30)-(3 21212221hhwwgg12ggww 21hh 12ggww 21hh 29将可逆流动方程(3-18)应用于喷管和扩压管，则有对于喷管，因为 ，所以对于扩压管，因为 ，所以31)-(3 21212221vdpwwgg12ggww0dp12ggww0dp303.汽轮机分为蒸汽轮机和燃气轮机，都是由喷管和叶轮组成。31气轮机的工况分析：因为工质在气轮机内流速很高，来不及与外界进行热交换， ；而且，工质在气轮机进出口处流速变化不大，动能的变化略去不计。所以对气轮机，有将可逆流动方程(3-19)应用于气轮机，有0q0212122 ggww32)-(3 21h

9、hws33)-(3 21vdpws32气轮机输出的轴功可用面积12561表示：334.泵和压缩机34工作原理泵和压缩机是气轮机的逆过程，它们消耗外界的轴功使工质的压力升高。将式(3-32)和式(3-33)中的轴功 取为负值即可。sw32)-(3 21hhws33)-(3 21vdpws355.节流36节流的工况特征：由于工质流经小孔前后，由于流道断面的突然收缩和扩大，流动工质中产生了大量的漩涡。工质内部磨擦很剧烈，压力不能恢复到原来的数值。节流的能量分析：1）节流前后工质动能的变化与焓值相比可略而不计，即2）节流时，工质流经小孔时的流速较大，来不及与外界进行热交换。即0212122 ggww0

10、q373）工质流经小孔时，与外界没有轴功交换，即因此，节流的能量方程：常用热力设备的能量方程汇总：换热器：喷管和扩压管：气轮机或压缩机：节流装置：0sw34)-(3 21hh 12hhq21212221hhwwgg 12hhws21hh 38例4：某蒸汽轮机动力装置中的蒸汽锅炉的蒸汽发生量为 ，耗油量为 ，燃油的发热量为 ，锅炉的效率为 ，蒸汽轮机发出的功率为 。试求(1)工质在锅炉内比焓的增加量； (2)工质在蒸汽轮机中比焓的增加量； (3)该动力装置的实际效率。hkg18000hkg1400kgkJ41800%4 .82kW550039解：(1)工质在锅炉中比焓的增加量锅炉为换热器，比能量方程为总能量方程为所以12hhq12hhmQ kgkJhkg0.824kgkJhkg9 .26781800041800140012mQhh40(2)工质在汽轮机中比焓的变化量由气轮机的比能量转换方程得总能量转换方程为：所以有21hhws21hhmWs kgkJhkghsskJ1100180003600550021mWhhs41(3)该动力装置的实际效率例5：以R12为制冷剂的蒸汽压缩制冷装置中，膨胀阀前工质的比焓 ，工质经膨胀阀进行节流后流入冷库中的蒸发器，工质在蒸发器中吸收冷库的热量使比焓增加，工质在离开蒸发器时比焓 ，如果工质在蒸发器中每小时的吸热量为 。试