常见热能转换装置的工作过程

1、常见热能转换装置的工作过程本文通过简要介绍常见的热能转换装置的工作过程，建 立工质、热力系统、热力状态、状态参数、可逆过程、循环 等概念，使我们能正确理解这些基本概念的定义和意义。常见热能转换装置的工作过程：1、柴油机工作过程柴油机是活塞式内燃机的一种，它的基本构造由固定部 件、运动部件、配气系统、燃油系统、润滑系统、冷却系统、 操纵系统组成，图1是四冲程柴油机工作原理示意图。柴油以雾状喷入气缸，在气缸中与高温高压的空气混合并燃 烧，燃烧后的高温高压燃气推动活塞下行并带动曲轴转动。 燃料的化学能通过燃烧转化为热能，又通过曲柄连杆机构转 化为输出的机械能，通过进、排气过程完成新鲜空气与废气 的置

2、换。 图1四冲程柴油机工作原理示意图1）燃气轮机装置工作过程简单的燃气轮机装置包括压气机、燃气轮机、燃油泵和 燃烧室。图2是燃气轮机装置的示意图。油泵和压气机向燃 烧室供应增压后的燃油和空气，它们在其中混合并燃烧，释 放出热能，燃烧后的高温燃气在叶轮前的喷管中膨胀，把热 能转换成动能，高温燃气转变成高速气流，高速气流冲击叶 轮叶片，并使叶轮轮轴转动，向外输出机械能，作功后的废 气由排气口排向大气并在大气中放热。图2燃气轮机装置示意图2）、蒸汽动力装置工作过程蒸汽动力装置由锅炉、蒸汽轮机、冷凝器、水泵所组成， 燃料在锅炉的炉膛内燃烧，将燃料的化学能转变成烟气的热 能，经炉膛沸水管壁传热给管内的水

3、，水受热后变成蒸汽储 藏在汽包内，包内的蒸汽又通过过热器进一步加热后，输送 到汽轮机，蒸汽进入汽轮机后，先在汽轮机进口处的喷管中 膨胀，转变成高速气流，高速气流冲击汽轮机叶片，并使汽 轮机轮轴转动，向外输出机械能。作功后的乏汽排入冷凝器, 在冷凝器中放热并冷凝成水，水再由水泵送入锅炉，经加热 后又变成蒸汽。如此循环往复，蒸汽动力装置就不断地将热 能转换成机械能并传输给外界。3）、蒸汽压缩制冷装置的工作过程产生并保持比环境温度低的温度需要制冷装置。在船上 及生活等领域普遍采用蒸汽压缩制冷装置。蒸汽压缩制冷装 置的基本设备由压缩机、冷凝器、热力膨胀阀、蒸发器（冷 库）所组成，图4为它的示意图。图4

4、蒸汽压缩制冷装置工作示意图从对上述四个热能转换装置工作过程的介绍可以看出, 柴油机、燃气动力装置、蒸汽动力装置虽然它们的工作原理、 设备各不一样，但都是将热能转变成机械能的装置，这也是 一切热动力机能量转换的共同方式；而蒸汽压缩制冷装置那么 是用消耗机械能的方式将低温制冷剂升高温度，使从冷库中 取出的低温热量和消耗的压缩功一起放给环境。消耗一定的 能量才能使低温热量传向高温环境，这也是一切制冷装置的 工作原理。2、工质从上述热力设备的工作过程中我们知道，在热能和机械 能的相互转换中必须要有一个工作物质，例如柴油机的工作 物质为空气和燃气，蒸汽动力装置的工质为水和水蒸汽，蒸 汽压缩制冷装置的工作

5、物质为制冷剂。在热力转换过程中由 这个工作物质来吸收热量膨胀并对外做功，或者由这个工作 物质把从冷库吸收的热量放给环境，没有这个工作物质，就 不可能实现热能和机械能之间的转换。我们把这个工作物质 称为工质，即实现热能和机械能相互转换的媒介物称为工质。作为工质的物质必须具有良好的膨胀性、压缩性和流动 性。所以，热动力装置所用的工质都为气态物质，如空气、 燃气和蒸汽。1）热力学系统从上述热能转换装置的工作过程我们知道，任何一种能 量转换装置都是由几个相互作用的实现能量转换或传递的 热力设备所组成的。例如蒸汽动力装置是由锅炉、蒸汽轮机、 冷凝器、水泵所组成。为了开展热力学分析，首先我们要在 相互作用

6、的各种热力设备中划分一个（或几个）热力设备作 为研究对象，这种被划分出来的研究对象称为热力学系统， 简称系统。系统之外的其它热力设备统称为外界。系统与外 界的分接口称为边界。边界可以是真实的，也可以是设想的。 例如取压缩空气瓶内的空气为系统，那么瓶的内壁面就是真实 的边界；而当取废气涡轮内的空气作为系统时，那么进出口处 的边界是设想的。热力学系统与外界一般有三种相互作用：系统与外界的 物质交换，热的交换和功的交换。按照系统与外界相互作用 的特点，在热力学中往往把系统分为下述几类。闭口（封闭）系统：系统与外界没有物质的交换。例如 把柴油机气缸中正开展膨胀的燃气选作系统，尽管燃气会从 气缸与活塞的

7、缝隙间漏泄一点，但泄漏量极小，可以足够准 确地看作系统与外界没有物质交换，这就是封闭系统，如图 5所示。封闭系统是由闭合外表包围的质量恒定的物质集合。 封闭系统与外界可以有热和功的交换，也可以没有。开口系统：系统与外界有物质的交换。例如把废气涡轮 选作系统，它有工质的流入与流出，这就是开口系统，如图 6所示。开口系统与外界可以有热和功的交换，也可以没有。图5封闭系统图6开口系统图7绝热系统绝热系统：系统与外界没有热量的交换。如图7所示的 燃气膨胀时有热量传给冷却水，如取燃气和冷却水（通常称 为冷源）为系统，那么包括燃气和冷却水的系统与外界没有热 交换，因而该系统为绝热系统。孤立系统：系统与外界

8、没有物质交换，也没有热和功的 交换。如果把所有发生相互作用的各种热力设备作为一个整 体，并把这个整体选定为所研究的系统，虽然这个系统内部 的各局部可以有物质交换、热和功的交换，但这个系统作为 整体与外界没有任何相互作用，那么这个系统就是孤立系统。与系统发生作用的外界也可分为以下几种:热源：热力学中将与系统只发生热的相互作用的外界， 称为“热源”。温度高的热源称为高温热源，温度低的热源 称为低温热源，并且认为热源的容量足够大，它吸入和放出 有限热量时温度保持不变。功源：热力学中将与系统只发生功的相互作用的外界定 义为“功源功源与封闭系统交换的功是直接通过系统中 工质膨胀或压缩引起的容积改变实现的

9、，称为“容积功”； 功源与开口系统交换的功通过转轴传递，称为“轴功”。习 惯上，系统对外界（功源）作功为正值，外界（功源）对系 统作功为负值。质源：热力学中将与系统开展物质交换的外界定义为 “质源”2）热力系统的状态参数从上面的讨论可以知道，当系统处于平衡状态时，可以 用确定的唯一的一组状态参数值来描述它。在工程热力学里, 常用的状态参数有六个，即压力、温度、容积、内能、焰和 炳。在这六个状态参数中，只需知道其中任意两个独立的状 态参数就可以决定一个状态，所以工质的状态也可以用参数 坐标图表示。工程上把可直接观察和测量的状态参数称为基本状态 参数，它们是压力、温度和比容。在工程热力学中，把工质

10、指向系统外表（真实的容器壁 或假想的分接口）单位面积上的垂直作用力，称为“压力” （即压强）。分子运动论把气体压力看作是气体分子撞击壁 面的宏观表现，数值上等于单位容积内的分子数与分子的平均移动动能乘积的三分之二。压力的定义式：上式中：P工质指向外表的垂直作用力，单位为牛顿，用N表不；f作用面积，单位为平方米，用m2表示。压力的国际单位为N/m2,称为帕斯卡，简称“帕”，符 号为Pa。系统的真实压力称为绝对压力，绝对压力p是工质的状 态参数。因为不管用什么测压仪表，如图8弹簧管压力表、 图9U形管压力计，测得的是工质的绝对压力p与大气压力 pb之间的相对值。因为大气压力随时随地都会发生变化，所 以测量值不等于系统的真实压力值，不能真实地表