第1章 工程热力学基础ppt课件.ppt

1,第1章 工程热力学基础,1-1 热能与机械能的转换过程,1-2 基本概念,1-3 热力学基本定律,1-5 热力学的工程应用,1-4 热力过程与热力循环,2,一、工程热力学,定义：工程热力学是研究热能与机械能的转换规律、条件、方法，以及工程应用的一门学科。,1-1 热能与机械能的转换过程,燃料（化学能）热能 机械能 电能,燃料能源的利用方式：,3,二、热力发动机（热机）,定义：实现热能和机械能转换的机械设备。,热机的分类：,内燃机：一般指活塞式内燃机，广义上的内燃机也包括燃气轮机、喷气式发动机等。外燃机：蒸汽机（蒸汽膨胀推动活塞做功）、蒸汽轮机（蒸汽膨胀推动涡轮旋转做功）,4,（一）活塞式内燃机：1、结构：汽缸-活塞装置；曲柄-连杆机构；进气门、排气门；点火装置。,通过曲柄-连杆机构，把活塞的往复直线运动，转化为曲轴的旋转运动。,5,2、四冲程柴油机工作循环0-1：进气冲程1-6：压缩冲程（2-3-4燃烧过程）6-5：膨胀（作功）冲程5-0：排气冲程。,6,1.上止点2.下止点3.活塞行程4.冲程5.曲柄半径6.发动机排量7.工作循环8.压缩比,3、内燃机基本名词术语,7,4、内燃机系统组成：,（1）两大机构：曲柄连杆机构,配气机构,（2）四大系统：燃料供给系统,润滑系统,冷却系统；起动系统;点火系统（汽油机）,8,四缸直列式汽车发动机,传动轴（万向节）,9,（二）汽轮机装置,汽轮机装置属于外燃机，燃料在锅炉内燃烧。汽轮机内完成热能向机械能的转换，多用于热发电厂。,1、汽轮机装置组成,锅炉；汽轮机；冷凝器；循环水泵。,10,11,2、蒸汽动力循环-朗肯循环,朗肯循环由两个定压过程和两个定熵过程（绝热过程）组成；现代热力循环，在朗肯循环基础上，发展起来的回热循环和再热循环。,12,3、热电合供,热力发电厂效率小于40%。现代发电厂多采取热电联供方式，提高热能利用效率，称为热电厂。,（1）背压式汽轮机供热装置：取消冷凝器。发电效率降低，但是热能综合利用效率提高；特点-发电量受热负荷制约。,13,（2）凝汽式汽轮机抽汽供热,装置：保留冷凝器，系统存在部分冷凝损失，利用汽轮机抽汽供热。特点热负荷变动对电能生产影响较小，热效率较背压机组高。,14,1-2 基本概念,系统(thermodynamic system,system),人为选定的、作为热力学研究对象。,外界、环境(surrounding)：,与热力系统发生质、能交换的环境。,边界(boundary)：,系统与外界的分界面。,一、热力系统（系统）,15,状态参数是宏观量，是大量粒子的统计平均效 应，只有平衡状态才能用状态参数描述；热力学常用的状态参数：基本状态参数：温度T、压力p、体积V；其他常用参数：热力学能U、焓H、熵S。,二、热力系统的状态参数,描述热力系统所处状态的参数，称为状态参数。状态参数是热力过程计算的基础。,16,（一）温度T,1、温度的热力学定义：温度是反映两个系统是否处于热平衡的状态参数；是描述热平衡系统冷热状况的物理量；微观上，温度反映了构成热力系分子热运动的强弱。,热平衡：两个物体之间不发生热交换。,17,2、温标：温标是温度测量的标度（标尺）。,（1）摄氏温标 用符号“t”表示，单位。两点定度：冰点：0；沸点：100。,18,（2）华氏温标 用符号“t”表示，单位。两点定度：冰点：32；沸点：212。,欧美国家常用华氏温标：,t=1.8t+32,19,（3）热力学温标,根据热力学原理确定的温标，称为热力学温标（绝对温标）。相比经验温标，热力学温标不依赖工质的性质。,用符号“T”表示，单位K（开尔文）。单点定度：水的三相点为基准点（273.16K）,T(K)=t()+273.15,K,绝对零度0K（-273.15），为低温极限。,20,（二）压力p,1、压力的概念固体表面的压力通常是弹性形变的结果，一般属于接触力。液体表面的压力是重力作用的结果。气体表面的压力通常是分子运动的结果。习惯上，在力学和多数工程学科中，“压力”一词与物理学中的“压强”同义。,21,2、压力单位,压力的基本单位是“帕斯卡”，1pa=1N/m2,常用单位：,1kpa=1103pa，1Mpa=1106pa,其他单位：,1bar=1105pa；mH2O；mmHg,1atm=760 mmHg=10.34 mH2O=1.01325105pa,标准大气压：北纬45度海平面常年平均大气压力。,22,3、压力的测量,测量气体压力时，由于测量压力表受到气体压力和大气压的共同作用，所以测量压力表的读数总是气体压力和大气压力的差值，需要计算才能得到真实压力。,23,（1）气体压力大于大气压时，采取压力表测量。,（2）气体压力小于大气压时，采取真空计测量。,式中，p-绝对压力;pe-表压力;pv-真空度;pb-当地大气压。,24,（三）体积V,体积V：体积是指物质或物体所占空间的大小。比体积v：单位质量的工质占有体积。,比体积与密度互为倒数关系:,25,（四）热力学能U,概念：构成热力系的微观粒子储存的能量，kJ;热力学能组成：内动能+内位能、化学能、原子能.（内能）一般不涉及化学、原子反应时：U=Uk+Up比热力学能u：单位质量工质的热力学能：u=U/m，kJ/kg,内动能Uk：主要取决于系统温度T；内位能Up：主要取决于系统压力p。,26,（五）焓H,概念：流体的热力学能与推动功之和，kJ；焓的定义式：H=U+pV，kJ 比焓h：单位质量工质的焓：h=H/m=u+pv，kJ/kg,27,（六）熵S,物理意义：构成热力系统微观粒子运动混乱程度的度量。,玻尔兹曼公式：S=kBln,-系统处于平衡状态的微观状态总数。,熵可以判断自发过程方向：系统自发地向熵增加的方向进行。,28,熵S的定义式：dS=dQ/T，kJ/K；（熵变）比熵s：单位质量工质的熵：s=S/m=dq/T，kJ/(kgK)。,29,1-3 热力学基本定律,一、热力学第一定律：,（一）热力学第一定律的表述表述：“热能与机械能可以互相转换，转换前后能量的总量保持不变”。本质：“能量守恒与转化定律”在热力学中的应用。,30,（二）热力学第一定律表达式：,1、闭口系统的表达式,Q=U+W，kJ,q=u+w，kJ/kg,Q-吸热量；W-膨胀功；U-热力学能变化。,31,2、稳定流动开口系统的表达式,kJ,H 进出口焓变化；,kJ/kg,动能变化；,位能变化；,Ws 系统输出轴功。,32,例题1、进入某汽轮机的新蒸汽比焓为h1=3441kJ/kg，流速为c1=50m/s。由汽轮机排出的乏汽的比焓降为h2=2248kJ/kg，流速为c1=120m/s。设通过汽轮机的蒸汽流量为50吨/小时。求：该汽轮机的功率。解：根据稳定流动开口系能量方程，,得，,汽轮机功率：,33,二、热力学第二定律,与热力学能相关的能量传递和转化过程，都具有方向性，如传热、自由膨胀等。自发过程：能够自动进行，不需要附加条件；非自发过程：自发过程的反方向过程，需要在一定的附加条件才能进行；,热力学第二定律研究内容：研究能量传递和转换的方向、条件与转换限度。,（一）热力学第二定律的研究内容,34,非自发过程条件分析：,热量从低温热源传到高温热源，为非自发过程。在制冷循环中，通过消耗机械能，实现热量从低温热源传导高温热源。消耗机械能就是附加条件。,能量转换分析：,非发过程的进行需要伴随一个自发过程才能进行。,结论：,35,（二）热力学第二定律的表述,1、克劳修斯论述 1850年，克劳修斯指出“热不可能自发地、不付代价地从低温物体传向高温物体”。,2、开尔文论述1851年，开尔文指出：“不可能制造出从单一热源吸热，将之全部转化为功，而不留下其他变化的热力发动机”。,非发过程的进行需要伴随一个自发过程才能进行。,36,永动机：,第一类永动机：不消耗能源而不断做功的机器（违反热力学第一定律）；第二类永动机：从单一热源吸热，将之全部转化为功的热力发动机（违反热力学第二定律）。,1775年法国科学院通过决议，宣布永不接受永动机，现在美国专利及商标局严禁将专利证书授予永动机类申请。,热力学第二定律的表述：第二类永动机不可能实现。,37,（三）热力学第二定律的表达式,1、熵参数形式,对于孤立系统：,孤立系统热力过程向熵增加的方向进行。,2、火用参数形式,热力学第二定律：能量转换前后火用损失总是正值（火用值下降，能质蜕变）。,38,1-4 热力过程与热力循环,一、热力过程热力学能与机械能的转换是通过气体工质的膨胀、压缩、吸热、放热等热力过程实现的。热力过程可以在坐标图上表示出来。,p-v图表示压力变化情况；T-S图表示温度变化情况。,39,（一）膨胀功计算,工质膨胀时，对外做膨胀功；工质被压缩时，外界对气体做压缩功。,膨胀功可以用p-v图上过程线与v轴包围的面积表示。,kJ,示功图,40,（二）传热量计算,系统与外界的传热量，可由工质熵变化计算。吸热时，系统的熵增加；放热时系统的熵减少。,kJ,吸热量可以用T-S图上过程线与S轴包围的面积表示。,热量的单位：kJ。,1kcal=4.1868kJ。,示热图,41,二、热力循环 热力过程：实现热能与机械能的一次转换。热力循环：实现热能与机械能的连续转换。,四冲程柴油机热力循环,气体热力膨胀过程,42,（一）正向循环（热机循环）,在pv图及Ts图上按照顺时针方向进行；能量转换分析：,净输出功：Wnet=W1-2-3-W3-4-1,循环吸热量Q1，放热量Q2。,循环热效率：,热机模型,43,（二）逆向循环（制冷循环）,在pv图及Ts图上按照逆时针方向进行；能量转换分析：,净消耗功：Wnet=W3-4-1 W1-2-3,循环吸热量Q2，放热量Q1。,制冷系数：,制冷机模型,44,1-5 热力学的工程应用,一、喷管及应用,流体通过一段截面变化的管道，压力下降、流速升高，这样的变截面管道，称为喷管。,A-渐缩喷管,B-渐扩喷管,C-LAVAL喷管,渐缩喷管-使亚音速流体加速；渐扩喷管-使超音速流体加速；LAVAL喷管（缩放喷管）-亚音速流体变成超音速流体。,45,喷管出口流速计算：,根据稳定流动开口系统能量方程：,简化得到：,喷管出口流速c2，取决于喷管入口压力p1与喷管出口环境压力pb（背压）之比；进出口压力之比越大，喷管出口流速越高。,46,喷管是一种能量转换部件，通过截面的变化把系统的储存能变成动能（提高流速）。,应用1：涡轮喷气发动机：,47,48,应用2：喷射泵喷射泵是一种流体动力泵，不耗电能、没有机械传动构件，借助另一种工作流体的能量做动力源来输送液体；喷射泵主要由喷嘴（LAVAL喷管）、混合室和扩压管等部分构成。包括水蒸气喷射泵、空气喷射泵、水喷射泵等；喷射泵用来抽吸易燃易爆的物料时，具有很好的安全性。喷射泵适用于高温、高压、高真空领域。,50,应用3：文丘里管流量计,文丘里流量计是一种常用的测量有压管道流量的装置，属压差式流量计，常用于测量空气、天然气、煤气、水等流体的流量。它包括“收缩段”、“喉道”和“扩散段”三部分，安装在需要测定流量的管道上。,51,二、活塞式内燃机,1、分类,按燃料：煤气机(gas engine)汽油机(petrol engine)柴油机(diesel engine),按冲程：二冲程(two-stroke)四冲程(four-stroke),按点火方式：点燃式(spark ignition engine)压燃式(compression ignition engine),52,2、四冲程柴油机热力循环,四冲程柴油机实际循环：0-1：进气冲程1-2：压缩冲程（c-3-4燃烧过程）2-5：膨胀（作功）冲程5-0：排气冲程。,柴油机与汽油机主要区别：进气冲程：空气进入气缸；压缩冲程：压缩比=1222；燃烧过程：压燃式，无点火装置；,53,3、四冲程汽油机热力循环,四冲程汽油机实际循环：0-1：进气冲程1-2：压缩冲程2-5：膨胀（作功）冲程5-0：排气冲程。,汽油机与柴油机主要区别：进气冲程：燃料空气进入气缸；压缩冲程：压缩比=912；燃烧过程：点燃式，点火装置；,内燃机压缩比：,54,内燃机热效率对比：,汽油机热效率：=35%；柴油机热效率：=45%,缸内直喷（GDI）：压缩比高达12，提高热效率；涡轮增压（Turbo）：增加进气量，提高功率。,提高汽油机热效率措施：,55,汽轮机装置属于外燃机，燃料在锅炉内燃烧。汽轮机内完成热能向机械能的转换，多用于热发电厂。,1、蒸汽动力循环装置,锅炉、汽轮机；冷凝器、循环水泵。,三、蒸汽动力循环装置,汽轮机结构：,57,2、蒸汽动力循环-朗肯循环,水蒸气朗肯循环：0-1：锅炉内吸热：未饱和水过热蒸汽；1-2：汽轮机内绝热膨胀：过热蒸汽湿蒸汽；2-3：冷凝器内定压放热：湿蒸汽饱和水；0-3：水泵内绝热压缩：饱和水未饱和水,58,3、水蒸气定压加热发生过程,水蒸气概念：未饱和水：tts,59,水蒸气饱和状态：饱和温度ts与压力p有关：ts=f(p),60,四、制冷循环,（一）蒸气压缩式制冷,1、制冷装置压缩机：压缩制冷剂；冷凝器：向环境放热；节流阀：节流降压降温；蒸发器：从冷库吸热。,冰箱制冷装置,61,汽车空调系统：,62,冰箱制冷系统：,63,2、制冷原理,定熵压缩过程1-2：气态制冷剂进入压缩机压缩，变成过热蒸汽，温度压力同时升高；定压放热过程2-3：过热蒸汽进入冷凝器向环境放热，凝结成饱和液体，温度下降；绝热节流过程3-4：高压制冷剂液体，经膨胀阀进行绝热膨胀降压，同时温度继续下降；定压吸热过程4-1：低温制冷剂液体在蒸发器内吸热蒸发，在出口变成饱和蒸汽。,64,3、冷库制冷系统主要设备：,（1）活塞式压缩机 压缩机是制冷机的主要（设备）机器，它的主要功用是吸取蒸发器中的低压低温制冷剂蒸汽，将其压缩成高压高温的过热蒸气。,65,（2）冷凝器作用：使高压高温的过热蒸汽冷却，冷凝成高压液态，并将热量传递给周围介质（水或空气）。冷凝器按其结构及冷却介质的不同，可分为壳管式、淋水式、双管对流式、组合式、蒸发式、空气冷却式等。,冷水塔,冷凝器,油分离器,66,（3）膨胀阀膨胀阀又称节流阀，作用是降低制冷剂的压力和温度，并控制制冷剂的流量。高压液态制冷剂通过膨胀阀时，经节流而降压，部分液体制冷剂蒸发吸热，而使本身的温度降低。分为手动节流阀和热力节流阀两种。手动膨胀阀结构类似普通截止阀。,67,（4）蒸发器蒸发器是制冷系统的四大重要部件之一。蒸发器布置在冷库内，制冷剂通过蒸发器管束吸热，冷却周围空气，达到制冷目的。常用的蒸发器有立管式及卧式两种。,68,（二）吸收式制冷,1、循环装置冷凝器；节流阀；蒸发器；吸收器-发生器-液泵（取代压缩式制冷的压气机）。,空调制冷：水（制冷剂）+溴化锂（吸收剂）；冷库制冷：氨（制冷剂）+水（吸收剂）,吸收式制冷采用两种沸点相差较大的物质组成的二元溶液，其中沸点低的物质为制冷剂，沸点高的物质为吸收剂。,69,2、工作原理,（1）制冷剂循环：吸收器中，溴化锂溶液吸收来自蒸发器的水蒸气，释放的溶解热，由冷却水带走。稀释的溴化锂溶液经过液泵加压后送入蒸气发生器；蒸气发生器内，溴化锂溶液被加热，水蒸汽溶解度下降，逸出形成高压水蒸汽，进入冷凝器。,（2）溴化锂循环：蒸气发生器中水蒸气蒸发后的高浓度溴化锂溶液，经调节阀节流降压后流回吸收器重新利用。,70,3、吸收式制冷循环应用能量转换本质：与压缩式制冷不同，吸收式制冷是通过消耗热能，实现热量从低温物体传向高温物体；特点：循环耗功很小，主要消耗外来的低温热能；应用：装置较大，主要用于有低温余热的场合。,溴化锂吸收式制冷机组,