热能与动力机械基础绪论

热能与动力机械基础

ThermalEnergyandPowerMechanicsBasis田径汽车学院内燃机系课程网站

一、本课程的设置：专业调整后新开设的课，是社会市场发展的需要；不仅限于现代动力设备的能量转换特点；能源结构的变化、能源利用方式的更新。

21世纪的特点：信息化。问题：能源问题、污染问题。

70年代的“多、快、好、省”过去：从内燃机角度，如何有效应用？专业化 现在：从能量转换的角度，如何更有效利用，并节省能源；二、学本课的目的意义 了解和掌握能量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 典型的几种动力设备装置中热能的转换与利用。如

1．内燃机中的热功转换

2．涡轮机及喷气发动机中的热功转换

3．锅炉及换热器中的热能的利用

4．热力发电的基本原理

5.制冷与空调设备中热能的利用等

6.新能源及其利用一、三代能源文明 人类文明的每一步，都和能源的利用息息相关。人类进化发展的过程，是一部不断向自然界索取能源的历史。 人类发现用火以来经历了三代能源文明：1、柴薪——马车农业文明 人类第一代主体能源是柴薪。用树枝、杂草等作为燃料，用于燃烧煮食和取暖，用草饲养牲畜，靠人力、畜力并利用一些简单机械作动力，从事手工生产和交通运输活动。

从远古时代直至中世纪——农业文明时代。第一章绪论

2、煤炭——蒸汽机工业文明

18世纪西欧产业革命开创的工业文明，逐步扩大了煤炭的利用。 蒸汽机的发明，使煤炭成为第二代主体能源。 以煤炭作燃料的蒸汽机，主要应用于使纺织、冶金、采矿、机械加工等工业，使之获得迅速发展。 同时，蒸汽机车、轮船的出现，使交通运输业得到巨大进步。

19世纪以来，电磁感应现象的发现，使得由蒸汽轮机作动力的发电机开始出现，煤炭作为一次能源被转换成更加便于输送和利用的二次能源――电能。3、石油——内燃机现代文明 公元前250年，中国人首先发现石油是一种可燃的液体。

1854年，美国宾夕法尼亚州打出了世界上第一口油井，石油工业由此发展。

19世纪末，人们发明了以汽油和柴油为燃料的奥托内燃机和狄塞尔内燃机。

1908年，福特研制成功了第一辆汽车。此后，汽车、飞机、柴油机轮船、内燃机车、石油发电等，将人类飞速推进到现代文明时代。 到20世纪60年代，全球石油的消费量超过煤炭，成为第三代主体能源。随着全球人口的急剧膨胀，能源消费大幅度增长。 煤炭、石油均为矿物能源，是古生物在地下历经数亿年沉积变迁而形成的，不可再生，其储量极为有限。 按现在的能源消耗，世界上石油、天然气和煤等生物化石能源，将在几十年至200年内逐渐耗尽。另外，大量矿物能源的燃烧，是造成大气污染、“酸雨”和“温室效应”的罪魁祸首。4、第四代绿色能源——？探索中

60年代以来，“能源革命”的呼声日渐高涨。“能源革命”的目的，是以绿色能源，（包括如核能和可再生能源，如水电能、生物质能、太阳能、风能、地热能、海洋能和氢能等）逐步代替矿物能源。绿色能源将有望为21世纪人类社会的发展提供持久的动力。二、热能及动力机械概述热能：与物质的原子和分子热运动有关的能量，是能量利用的最基本、最主要的能量形式，宏观现象：温差。动力机械：将其它形式的能量转换成机械能的动力装置、设备。

在人类社会生活中的地位：不可分割的关系，各行各业离不开能源 热能与动力机械的关系：热能是动力机械的一种能源；而动力机械是能源利用的具体体现。；

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

——以热能形式利用；水力：水的流动动能或位能转换为机械能；太阳能：光能转换成热能；洗浴、供暖、制冷；地热能：直接利用地热水（地热蒸汽）的热能，转换为供热，或间接地用于地热发电。潮汐能：利用海水涨落时的能量，使之转换为其它能。海洋能的利用：海水温差发电——通过热能→机械能→电能风能：将空气的流动能量→机械能→电能电能：可直接转化为机械能2热能的重要性： 在能量转换过程中，热能是利用能源的最基本和最主要的能量形式。 在能源利用中，我国90%以上是通过“热”的环节而利用；世界各国平均85%以上都是通过热而利用能源。第一章

基本概念 热能利用装置和动力机械的本质： 都属于能量的传递、转换和利用的设备。 在能量的传递、转换和利用过程中必有共同的规律和共同的内容。 主要内容：介绍这种能量传递及转换利用过程中的基本概念 要求：了解能量转换原理和特点、方式第一节热能及其利用一、能量的存在形式能量？ 产生某种效果或变化的能力。产生某种效果或变化过程中伴随能量的消耗和转换。能量的类型：6种1．机械能：包括动能、位能（势能）、弹性能、表面张力能 特点：以功的形式表现，有效地转化为其它形式的能2．热能：与原子和分子的运动有关的能量 特点：宏观上以温度的高低表现；是基本的能量形式—其它形式的能都能完全转换为热能3．电能：与电子的流动和积累有关的能。 特点：以静电场能或感应电场能的形式储存；以电流形传递电能；能有效地转换为其它形式的能。4．辐射能（电磁能）：物体以电磁波形式发射的能。 特点：以电磁射线形式表现； 根据电磁波的波长分为γ

射线、x射线、热辐射、微波、毫米射线、无线电波等。 热辐射——是原子振动而产生的电磁能，包括紫外线、可见光射线、红外线等。 辐射强度与物质温度有关，并产生热效应——叫热辐射。

5．化学能：仅以贮存形式存在的能量形式。如燃料的化学能。 特点：与其它物质的原子和分子相结合时释放出来。如通过燃烧将化学能转换为热能而释放。6．核能：蕴藏在原子核内部的能量，仅以贮存形式存在。如原子能等。 特点：在原子核中的粒子相互作用——原子核反应时释放出来；原子核反应，有放射性衰变、核裂变、核聚变三种，核裂变、聚变反应时释放大量能量。二、能源及其分类能源？：直接或经过转换而获取某种能量的资源。1．按能源形式和来源分类为：三种1）来自太阳的能量：太阳辐射能、煤炭、石油、天然气、生物质能、水能、风能、海洋能等间接地来自太阳能。2）来自地球的能量：储存于地球内部的地热能和原子能。3）天体对地球的引力作用产生的能量：月球和太阳作用的潮汐能。2．按能源利用形态分类为：二种一次能源：凡自然界中现存的、可直接取得而不改变其基本形态的能源。 二次能源：由一次能源经加工或转换而成的另一种形态的能源。 一次能源又分为：再生能源和非再生能源。3．按人类使用能源的习惯分类：常规能源和新能源常规能源：人类使用最多的常用能源。如煤炭、石油、天然气、水能等。新能源：尚未大规模应用的正开发应用或尚未应用的能源。如太阳能、地热能、生物质能、风能、海洋能、核聚变能等。三、热能的发生热能发生途径： 直接产生——如地热能、海洋热能 通过能量形式转换产生—— 化学能的转换：燃烧放热反应，生成CO2和水 电能转换：焦耳效应 辐射能转换：热辐射 核能转换：核裂变和核聚变中释放出大量的热 机械能的转换：摩擦生热

四、热能的特点 能量的转换：人类所用能源基本上都是由一次能源经一次或多次转换而来。 汽轮机：化学能——蒸汽的热能——经汽轮机转换为机械能； 内燃机：化学能——燃气的热能——经活塞连杆机构转换为热能。 热能的转换： 机械能——内燃机、汽轮机 电能——热电发电 热能的传递： 换热器——不同温度水平的流体，通过固体壁从高温向低温流体进行传热。五、热能的利用热能的应用在国民经济中的重要地位（使用领域）：1）电力工业——火力发电或核发电，均应用热能转换。2）钢铁工业——炼钢、轧钢、高炉炼铁等均用热能；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、炼制、输送等用热能；6）建材工业—建材的生产过程用热能。如水泥、陶瓷等；7）机械工业——铸造、锻压、焊接等用热能；8）轻纺工业——造纸、制糖、化纤、印染等用热能9）交通运输—汽车、火车、船舶、飞机等动力来之热能；10）

农业及水产养殖业——电力灌溉、温室培植、鱼池加温等11）生活需要——供暖、空调、烹饪。第二节言能叹量转换指基本定蜘律一、热力狱循环循环：工质镇从一个敬热力状敢态经过滥一系列移的状态才变化，斤完成热厕功转换铸后，回蜡到初始形状态的狗热力过区程。p-V图或T-S图正循环：热力镜过程顺硬时针方疤向，对披外作功屋，净功>0，如内朝燃机循墙环；逆循环：热力过鹅程反时针踢方向，消确耗外功，虽净功<0，如制冷泡循环。奥托发动管机问世前52年，1824年（军孙旅生活鬼中）在《关于活剂力动力拿及其内昌燃机的革考察》中揭示卡毫诺循环。热平衡涝：做功1/3；排气贤损失1/3；冷却维损失1/3现在发动渠机，努力六逼近卡诺貌效率循环效率异：STT1T2S1S2卡诺循催环：二、怖热力学毫第一定职律实质：火能量守怪恒与转解换定律港在热物员理与化池学等过奴程中的四应用。内容：能全量形式可庙转换，但项总量不变芳。：工质的会能量或1．对闭沉口系统咏：对微小变探化过程：单位工质摄：膨胀功郑的利用朱：W中推动厦活塞作僚功的同朴时，要妖克服大灯气环境拨压力所以，可利用艰的功为：2．开口猫系统：侵系统与辫外界有击能量传笋递和转搬换的同剥时有工算质交换冶。对稳定流守动系统：所以，对流动厌系，有群用功为林轴功悟，工质爪流入、请流出时牢的损失行功为故令，H=（U+pV）定义为跃焓。则对微小促变化过栋程：对单位浅工质：三、热力确学第二定肢律第一定到律：只表明趴能量传母递和转计换时，扎数量上迎的关系——守恒；未表明是四否转换？暗及条件第二定品律：表明能糖量传递默和转换皱的方向养性实质：一切自发呀过程都是拘不可逆的装，沫非自发鹿过程的完盟成，必须杏要有另一榜个自发过彼程来推动顿。第二定律钉的数学描苏述：熵增原理孤立系统员热力过程脚总是向熵堡增方向进仿行。孤立系统拨：与外界旅无能量转稼换和传递页，也无物去质交换。设，由工港质、高低抵热源构成得的孤立系奴统内进行界不可逆循那环，则1→2：T1热源放驻热3→4：T2热源吸热工质经冬不可逆配循环1234缸1，从T1吸热插，将部踪蝶分转换为谊功w，其余向T2放热辽后回到蜂原状态,所以，

T1

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循环的饮效果：T1放热，T2吸热，饶工质作阔功w，孤立系究统总熵变唉化为因，系累统内部杏的不可绢逆因数阁，知，又所以，澡即当可逆循披环时时，呀循环123宝41→智123吨`41，则，，即孤立骡系统内旬进行的邮热力过家程只能谊熵增或唐不变，醒而熵决缠不减小诱。地球温暖夜化的熵增鹊效果。第三节桨能咐源的利用孝及评价意义：非活再生能源辅的有限性耀，以及能抵源利用率粱又不高。薯能源是人鸣类生存与检发展的重卧要基础。所以，有窜效地、有课计划地利省用能源是钟很重要，暖为此对能绵源利用进腊行评价。评价的男目的，匠就是监吃督，并充提高能缎源利用岂效率。一、有贷效利用过能源的菜途径1．提高能偷量转换或成传递装置甩及系统的肿效率2．按能朵量的品坛位合理匙使用能嘱源，防幼止高品挺位能量愿的降级择使用3．建立总桑能系统概念，优化算整体用忽能系统姑，使一阿次能源腿、二次诞能源及图余热均经得到充暖分利用细，提高碰总能系馅统的能怀源利用查效率4．开发久节能技规术，如毅燃烧控嚷制技术用、热管驴技术、寸热泵技挥术5．开发能遮量利用的归运行控制锈技术，实资现能量利衫用的最经拳济运行，济如空调变和频运行、债供热系统耍的用户供基热独立调误节等6．开发绪新能源佳的利用辣技术，会如太阳筐能、地有热能、料海洋能刊等二、利辞用能源鱼的评价期指标能源利营用的主秤要评价后指标：1．能源消妈耗系数r：定义：指划单位国民塞经济产值握所平均消嘱耗的能源颂数量。设E：能源壤消耗量请，M：同期国逃民经济生孤产总值则，狠公斤/元表明一炉国家能垮源利用胳的水平续、和节此能潜力2．单位产领品能耗C：定义：每扯单位产品石产量所消蜘耗的能量见。设：Ep产品能耗而；A：产品产您量则式中，Ep为一种能井量的消耗弯量时，C为单耗竖；Ep为一次能恶源、二次寇能源的总疼量时，C为综合淡消耗。综合能引耗，包地含生产揪产品时驳的直接乒能耗和抗间接能粉耗。直接能品耗：生翠产时直璃接消耗点的能量膨；间接能臂耗：生淋产该产柄品时所掠用的原妄材料在阁生产过垒程中消争耗的能耗量全能耗=直接能耗+间接能耗3．能堵源利用桥效率：可能量利拆用率定义：被私有效利用劈燕的能量与罚所消耗的徒能量之比惠。设Ee：有效利粥用的能量超，Ec：所消耗羞（投入）掠的能量，则，表示用能的完鲜善程度。能源利考用效率吵的含义贵：热效排率——热功转铁换时制冷系数——制冷循环痛，制冷量/消耗功制冷量际：由低私温热源承吸取的急热量三、Ex(作)及Ex效率1．Ex的概念对能量的观评价，要谁考虑被利俭用的能量羽的数量和玩质量。能量的质岁量：就是巨能量的品需位，用能栗转换为机钻械功的能宰力来衡量左。不同形各态的能霜量，其收质量不某同；同榨一能量钞形式，箭不同的煎状态能仆的质量薪也不同凯。某一形态均的能量转杯变为机械轻能的越多纳，其质量通（品位）产就越高。火用Ex就是从能量的数鼻量和质量抖角度，评价处朝于某一状啊态的热力叮系的作功翠能力的指概标。即能飞的可用性。定义：处渠于某一状炎态的热力秧系，可逆暴变化到与环境状亏态相平衡仰时，可热以转化红为有用造功的能贞量，即闷有效能觉成为该策热力系扬的Ex。特点：相皆对环境状驼态的最大哀作功能力竖。即比：热昌：设任乌一热源誉温度为T，则在叉其热功稠转换中善，最大开的功为贵卡诺循短环功。彻即热挠与工质Ex的区别：袋是取折决于由Q热源放热孤时的温度T；工质的Ex是只决春定于工徐质的热妄力状态投。燃料的寺：茅燃料与暂氧气可描逆地进绿行燃烧纤反应和巴变化后挑，与周闸围环境华达到平才衡时，破所能提费供的最孙大有用再功。也载称燃料坊的化学看火用一般，等简于燃料的杜高热值。班即2．Ex效率用于评价蔑最大有用横功的实际狮应用的程后度。用实天际被利用柜的有效火悔用和痰投入的火白用之比拴表示。即a）定义：实际过程魔都是不可气逆的，所检以存在火期用损服失。设稳定群流动系嫌，不可搁逆过程1→2，忽略裕动能、逐位能，齐工质与待环境之筛间的传元热量Q，则因不可逆闲，所以工独质的熵变缝，即熵品产：所以，不步可逆过程火中的功为即其中，己最大可室逆功为则，不赞可逆过贯程的功切损失为况：可逆时值，可利拣用的能钞量为工勿质进出线热力系贺的火用唉值澡之差，不可逆过院程的Ex损失：粒，和表示作贝功能力外的损失详。b）产生ExL的原因：酸三方面装置内的崇不可逆过增程——如不可蔽逆化学恨反应，饿温差传胜热等；副产品和容废料带走菠的Ex——如锅炉、含内燃机排忽烟等；向环境散挑热造成Ex损失。如相换热器对辟流和热辐柴射因实际爪能量转尖换过程荣都是不咱可逆的打，所以烂必有，虎。c）完效姥率的实际矩应用或表浓达式常用实际并获得的收嘱益与投入掘之比表示安。如★发为动机：由进入和惰离开发毛动机的呈工质的逆有效能膨分别为凉，产生脖的功为W12，则——包含进入味气缸的混般合气的流亡动功和化味学能。——废气带犁走的热乘量和流防动功不常用睛。而常引用热效音率。★★锅炉：投遗入——高温烟气比对水蒸气同的加热，父烟气在平蔑均温度Tm下放热丑，则投热入的有盾效能为弄；收益——水蒸气纱有效能雨的增加所以，只反映烟老气温差传小热造成的刷有效能损怎失。若锅炉锅消耗燃以料的有晋效能诞为投入斧，则则，同时孩反映温差顺传热、燃峰烧过程和搬排烟等不砍可逆过程碌造成的有责效能损失条。间壁式走换热器溜：投入——热流体往进出换猜热器的木有效能铅之差；收益：冷衡流体进出爬换热器的磁有效能差役。所以，一般，换已热器的冷注流体吸收烛的热量与川热流体的移放热量不焰相等,即存在猴热损失捧。动力循环免：工质被每加热，并愤输出功的唉循环。工质加均热量-——Q；平均腐温度——Tm；输出巷功——W；环境温度——T0；则四、总能系统辛及其评价初（自学）第四节动力机械凑与动力传塘动一、动零力机械绍的分类盈：两种报分类方理法1．按工质滑作功的物丽质分类：蒸汽动力嫂机——蒸汽机、者汽轮机；燃气动乔力机——汽、柴油餐机、燃气枕轮机；水动力逼机——水轮机2．按加宵热方式幕分类：内燃机；动燃气轮机外燃机——汽轮机宝、蒸汽土机水轮机——无加热动力机械待的特点是陆，其动力将输出是通辟过能量的罚一次直接英转换而获臂得；故又枪称为一次魄动力机，丢或原动机丑；二次动力俩机——是指通贼过两次娃能量转俊换完成坏动力输蹄出的机疫械，如电动俩机：通疗过原动棵机将某同种能源杯转换成绿电能，研然后再搭将电能倡转换为菌机械能终。用途：赖根据工锯作原理士和结构宗特点，满其用途躲不同。二、动狗力机械涝的性能动力机械公的评价，从能诵量转换参和动力跨传递角床度考虑列，要求应良好的性能指址标和运达行特性。这种性能善指标和运稼行特性，星不同种类培的动力机委械，因其弊工作原理买和用途不叔同而不同衫；但主要性租能能指标治，有动力齐性、经济步性、排放屑特性等；动力性抄：常用输出围的功和扭越矩的大小鞭及其随转投速的变化钥特性来表涌示；对E/G：全负荷旨速度特性轧、部分负提荷速度特阴性经济性：所消耗的私能源资源对和获得的勺机械能之减比来表示控；负荷恳特性排放特厅性：有害气体绍的排放量——环境角度特性曲他线的研版究目的稍，了解暑和掌握把不同工喝况下的健性能指面标的变隙化规律图。动力机械铅的工作特触点：变工况——负荷和黄转速变艺化。一交般性能林指标与源工况很旁有关。葛所以，原则：尽乔可能选择企性能指标义最佳的工涌况点工作蓬；改进常用侦工况点的霉性能指标爱，使之达蓬到最佳。三、动力愈传动动力传缘瑞动是发社动机和雷动力机勺械之间拐通过某助种机构植进行传窃动的。传动方遗式：按工作壶机械或妻动力分化配方式极分类为写几种；直接传涉动：工作机唱械和发动温机直接联渣结；特点：吩动力损弯失少、床结构简敢单；但，不孔能变速贤离合，耐改变转壁矩和方富向，不奥能长距萍离能量虾传递、泽差动传困动、转蛾动变换牛成直线孟运动等锐。间接传昆动——机械传动：通过某传种机械机肤构传动，亩应用最广偶；如，摩碌擦传动虫、齿轮羡传动、皇杠杆传恭动等流体动力触传动：用液丢压或气活动系统银，接受额原动机挣传递的盟动力，怎产生液堂体或气槐体的压面力，经此液体或片气体的广内部传洒递，推委动工作胃机械作栋功如，液狡压传动煌、气压佣传动电力或磁梢力传动：包括电踩力拖动、智电磁离合牛或制动等蓄。第五节热能与动吩力技术和盼环境热能与砌动力机脂械的应娃用与发付展对地块球环境船的影响蔬：破坏物图质平衡去、能量价平衡和总生态平必衡一、环境污染亲内容1．热污透染：热能利用容和动力技抖术的应用径中的能量恒损失，以详热能形式酒传给环境倒，使环境袄温度升高枝，造成对箱环境的危旋害。如海洋或棋河水发电少站，冷却骨水的热量紫排放到自躁然水源中特，使水温秒升高，造渣成水中含缠氧量降低赞，影响水岔生物的生职存。地球升温声，冰雪覆搁盖区缩小琴，反射率貌下降，吸挖收更多太唐阳能，地誓球温度进沟一步升高衣，造成升睁温连锁反羊应。温室效应馒已非抽象胳概念，已男影响动植鉴物行为。2．空气货污染：竿指各种搞车辆、环供热设乏备、发经电厂、腿工业用黄锅炉等围的废气步废料向产环境排涛放造成拔的大气寺污染。有害污染志物主要有言：CO2、NOx、SO、HC、CO、碳烟、抹微粒、铅杰、金属氧完化物等。1）CO2的温室效先应：CO2的特点迈：吸收墙光谱恰去好在地驰球辐射瞎的主要弯波长段栗内，所以，灿对地球喷辐射能羞吸收力茄强，但倍对太阳热能