河南农业大学工程热力学教学课件.ppt

1、工程热力学 学时：60；学分：3； 考核方式：考试加平常考查； 主讲教师：徐桂转 实验课时：10 实验课指导教师：杨群发；李刚；郭前辉,工程热力学,绪论 第一章 基本概念 第二章 热力学第一定律 第三章 理想气体及热力过程 第四章 热力学第二定律 第五章 气体的流动 第六章 气体动力循环 第七章 水蒸汽及其热力循环 第八章 制冷循环 第九章 湿空气,能量转换装置工作过程简介,锅炉产生蒸汽（将燃料的化学转换为热能并传递给工质） 汽轮机将蒸汽的热能转换为机械能。 冷凝器将乏汽冷凝成水。 水泵使得工作介质循环（保证系统内部的高压）。,工质（水、蒸汽） 锅炉 汽轮机 冷凝器 水泵,内燃机内燃气循环过程

2、示意图,按燃料划分，内燃机可分为柴油机和汽油机，从热力学的观点看，其工作过程是相同的，先以柴油机为例说明其工作过程。 进气过程：进气阀开，排气阀关，活塞下行，将空气吸入气缸。 压缩过程：进、排气门关，活塞上行压缩空气，使其温度和压力得以升高。 燃烧过程：喷油嘴喷油，燃料燃烧，气体压力和温度急剧升高（燃料的化学能转换为热能）。 膨胀过程：高温高压气体推动活塞下行，曲轴向外输出机械功。 排气过程：活塞接近下死点时，排气门开，在压差的作用下废气流出气缸。随后，活塞上行，将残余气体推出气缸。 重复上述过程，将热能转换为机械能。,压气机从大气环境吸气，并将其压缩，使得其压力和温度得以提高。 燃烧室空气和

3、燃料在其中混合并燃烧（将燃料的化学能转换为热能），得到高温高压的燃气。 涡轮机高温高压的燃气推导涡轮机叶轮旋转对外输出机械功（将热能,转换为机械能），其中一部分能量用来驱动压气机。 工质（空气、燃气）在装置内周而复始地循环，进而实现将热能转换为机械能的任务,燃 气 轮 机 装 置 工 作 示 意 图,工 程 热 力 学 课 程 设 置,1.基本概念及基本理论：第一章、第二章、第四章的内容。 2.工质的物性：第三章的部分内容、第七章的部分内容、第八章及第九章的内容，介绍了理想气体和实际气体两类工质。 3.热力过程：第三章中的基本热力过程、第六章、第七章、第八章、第九章，介绍了热机循环和制冷、供热

4、循环。,课 程 学 时 分 配,本课程60学时，3学分，课堂教学50学时，内容及学时安排如下： 一、绪论 2学时 二、基本概念 2学时 三、热力学第一定律及其应用 4学时 四、气体的热力性质和热力过程 8学时 五、热力学第二定律 10学时 六、气体的流动和压缩 5学时 七、气体动力循环 5学时 八、水蒸气性质和蒸汽动力循环 8学时 九、制冷循环 4学时 十、湿空气 4 学时,课 程 考 核 方 式,工程热力学课时安排达到了60学时，中间有一次期中考试，放在热力学第二定律内容之后，具体考核方法安排如下： 总成绩100分：期中考试100分，期末考试100分，平时作业20分，平时课堂讨论及小测验10

5、分，实验20分，全部加起来共250分，然后换算到100分，即期中考试占40，考查前四章基本理论的内容；期末考试占40，考查后五章关于实际应用的内容；平时成绩及实验占20，考查平常的学习态度及实验的认真态度及对学习内容的掌握情况。,第二章热力学第一定律及其应用,本章学习内容： 1.热力学第一定律在闭口系中的具体表达 2.热力学第一定律在开口稳定流动系统中的具体表达 3.热力学第一定律的具体应用 4.应掌握的内容及题型,热力学第一定律在闭口系中的具体表达,热力学第一定律的含义：,Ein dE Eout,其中，E和E是热力系通过边界与外界进行的能量交换，有体积功和热量两种形势； E是热力系中能量的积

6、累，在工程热力学中该项内容应为热力系微观能量和宏观能量的加和，微观能量为热力学能，宏观能量包括宏观位能和宏观动能两部分。,热力学第一定律在闭口系统中的具体表达式,根据上述公式，在闭口系统中，热力系的宏观能量变化很小，可 以忽略，因此，热力系中能量的变化就等于热力学能的变化量， 即：EU。,则，热力学第一定律在闭口系中的具体表达式为：,微元热力过程下：,总热力过程下：,可逆热力过程下，其中的热量和功量可以表示为：,热力学第一定律在开口稳定流动系统中的具体表达,当流体流过开口系统时，有能量的输入和输出，此时输入的能量、输出的能量及系统积累的能量分别为：,流入 min;uin;pin;vin;cin

7、;zin,流出 mout;uout;pout;vout;cout;zout,W, Q,dE,流入的能量：流入流体携带的热力学能、宏观动能及位能、流体流入时得到的流动能、流体从外界获得的热能。,流出的能量：流出流体携带的热力学能、宏观动能及位能、流体流出时得到的流动能、流体通过转动部件对外界传出的机械能。,流入的能量具体为：,微观能即热力学能：,宏观动能：,宏观位能：,流体流动能：,流体从外界获得的热能为：,流出的能量具体为：,微观能即热力学能：,宏观动能：,宏观位能：,流体流动能：,热力系对输出的机械能为：,其中：,则根据热力学第一定律，应有：,即：,热力学第一定律在开口稳定流动系统中的具体表

8、达式：,开口稳定流动系统定义及特征：热力系中各个参数稳定，即无能量和质量的积累。,开口稳定流动系统满足的表达式：,则热力学第一定律在开口稳定流动热力系中的具体表达式为：,化简为：,其中：,单位kg的热力系：,热力学第一定律的具体应用：,换热器中的应用：,内燃机中的应用：,喷管中的应用：,压缩机的应用：,例题及习题,例2-1已知：空气质量流量为10kg/s;h1=290kJ/kg;h2=580kJ/kg;h3=1250kJ/kg; h4=780kJ/kg,求：1.压气机消耗的功率；2.燃料消耗量，燃料发热量为：43960kJ/kg，3.燃气轮机发出的功率；4.燃气轮机装置的功率,1,2,3,4,

9、压气机,燃烧室,燃气轮机,对其中的任意一个控制体，其能量守恒方程式应为：,作为三个控制体，则每一个控制体的能量方程式具体为：,压气机：,压气机消耗的功率为：,燃烧室：,燃烧室消耗的消耗量：,燃气轮机：,燃气轮机发出的功率：,燃气轮机装置输出的功率为：,作为整个控制体，只有燃烧室与外界有热量交换，其交换的热量应为：,那么，整个控制体的能量守恒方程式为：,工质流过整个控制体时，其宏观动能和宏观位能的变化很小，可以忽略，,整个装置对外输出的功率为：,循环过程中总功量与总热量之间的关系：,本章重点内容：,1.热力学第一定律在闭口系统中的表达及应用 2.热力学第一定律在开口稳定流动系统中的表达及应用 3

10、.状态参数与过程参数特征及把握,理想气体状态方程和气体常数,理想气体状态方程式：,或,其中，R为通用气体常数，或摩尔气体常数；R为气体常数,理想气体的状态方程式可以表示为：,3-3理想混合气体,1.混合气体满足的道尔顿分压定律和阿美加分体积定律,道尔顿分压定律：组成混合气体的各组分，具有有混合气体相同的体积时，各组分的压力成为分压力，混合气体的分压力即为各组分分压力之和。,即：,有：,成立,即：,成立,阿美加分体积定律：当理想混合气体各组分具有与混合气体相同的压力时，各组分具有的体积为分体积，分体积之和为理想混合气体的总体积。,应有：,成立,即：,有：,成立,2.混合气体成分：,质量分数：,摩

11、尔分数：,体积分数：,有：,摩尔质量为：,3-3 理想气体的内能、焓、熵,3-4基本热力过程,1.定压过程,过程特征：PConst.,过程方程：,过程在P-,T图上的表达,P,v,T,s,内能、焓、熵的变化量,过程的功量和热量,功量：,热量：,2.定容过程,过程特征：VConst.,过程方程：,过程在P-,T图上的表达,P,v,T,s,内能、焓、熵的变化量,过程的功量和热量,功量：,热量：,3.定温过程,过程特征：TConst.,过程方程：,过程在P-,T图上的表达,P,v,T,s,内能、焓、熵的变化量,过程的功量和热量,功量：,热量：,4.定熵过程，绝热过程,过程特征：,过程方程：,过程在P

12、-,T图上的表达,P,v,T,s,内能、焓、熵的变化量,过程的功量和热量,功量：,热量：,3-5 多变热力过程,过程方程：,内能、焓、熵的变化量,过程的功量和热量,功量：,热量：,过程在p-v,T-s图上的表达,p,v,T,s,n=0,n=0,第四章 热力学第二定律,主要内容： 热力学第二定律的两种表述 卡诺循环和卡诺定理 克劳修斯积分不等式 孤立系统熵增原理 有用能即火用的概念 例题及习题,一、 热力学第二定律的两种表述, 克劳修斯对热力学第二定律的表述: 热量不可能从低温物体传递到高温物体而不造成任何影响 开尔文的表述: 不可能从单一热源吸热并将其全部转变成功而不造成任何影响 两种表述实质

13、完全一致，违反其中一种必定违反另一表述,二、卡诺循环及卡诺定理,循环效率的表达 热机吸热 q1 热机放热 q2 循环净功 热机循环效率,二、卡诺循环及卡诺定理,卡诺循环 卡诺循环由两个定温过程和两个定熵过程组成，为理想可逆循环。,卡诺循环效率,q1=T1(sa-sb) q2=T2(sd-sc),二、卡诺循环及卡诺定理,卡诺定理 卡诺循环热效率只与高、低温热源有关，升高高温热源温度或降低低温热源温度均会提高卡诺循环效率. 所有在高、低温热源间工作 的一切热机以卡诺循环的热效率为最高，可逆热机具有与卡诺热机相同的热效率;不可逆热机的热效率小于卡诺热机热效率。,等效卡诺循环,二、卡诺循环及卡诺定理,

14、卡诺定理的证明 如图，将A、B机组合在一起，因B为可逆机， 令其作制冷循环。有：,如果,则有,第五章 气体的流动,基本内容： 气体流动的基本方程 连续性方程、能量方程、动量方程、过程方程、状态方程、音速方程 喷管截面变化与气体流速之间的关系 喷管中气流流速与流量的计算 压气机的压气过程,一 、 气体流动的方程,连续性方程,能量方程,动量方程,状态方程 过程方程,音速方程,二 、 喷管截面变化与气体流动速度之间的关系,经过前面的分析，取,则喷管内气流速度与喷管几何尺寸间的函数关系如下：,讨论： 1.Ma1时，超音速流动， 截面面积A增大，cf增大， P减小，v增大 2.Ma1时，亚音速流动， 截

15、面面积A减小，cf增大， P减小，v增大,（a）减缩喷管，亚音速流动；（b）图，拉法尔喷管，从亚音速流动变换到超音速流动，喉部气流流速等于当地音速。,四、压气机的压气过程,为了减少压气过程的耗功量，使压气过程尽量接近等温过程，实际上并不等达到等温过程，而是多变过程，压气过程的p-v,T-s图如图所示，过程的耗功量如下：,P2/P1为增压比,第六章 气体动力循环,主要内容： 1.混合加热循环（萨巴特循环） 2.定容加热循环和定压加热循环 3.活塞式内燃机各种理想循环的比较 4.燃气轮机装置循环,1,2,3,4,5,吸热过程为：2-3和3-4； 放热过程为：51； 做功过程为：4-5； 消耗功的过

16、程为：1-2,第七章 水蒸气及其热力过程,主要内容： 1.水蒸气的定压发生过程 2.水蒸气的p-v,T-s图，湿蒸汽的概念 3.水蒸气的焓湿图，水蒸气的热力学性质表 4.朗肯循环，水蒸气的热力过程 5.提高朗肯循环效率的方法 6.抽汽循环,A,C,B,A,C,B,2. 水的汽化过程过程使水由饱和温度下的饱和水汽化称为饱和蒸汽，此过程中水吸收的热量为潜热q1。,3. 水的过热过程使水由饱和温度下蒸汽变成为高于饱和温度的过热水蒸汽，此时水蒸气可以看做为理想气体，此过程吸收的热量为过热水蒸气的焓值与饱和水蒸气焓值之差q2。,水蒸气的焓熵图,h,S,等压线,等温线,等湿度线,饱和水线,饱和蒸汽线,一、提高蒸汽初温对热效率的影响,采用再热循环同时减小了乏汽的湿度，有利于汽轮机的正常运行。,一级抽汽回热循环的热效率即为：,抽汽回热循环中吸热量与朗肯循环相同，没有变化,如图所示，制冷剂蒸汽从蒸发器中吸热后，进入压气机中升压成为高压、高温的制冷剂过热蒸汽，即1-2过程；然后进入冷凝器中定压放热，成为饱和