熱能工程基礎(1)

1、l第一章第一章 能源利用與動力工程概論（能源利用與動力工程概論（2學時）學時）l第二章第二章 熱工理論基礎（熱工理論基礎（8學時）學時）l第三章第三章 鍋爐與換熱器（鍋爐與換熱器（8學時）學時）l第四章第四章 制冷與空氣調節(jié)（制冷與空氣調節(jié)（4學時）學時）l第五章第五章 動力機械（動力機械（6學時）學時）l第六章第六章 熱力發(fā)電工程（熱力發(fā)電工程（4學時）學時）1-1 能源概論l一次能源與二次能源 一次能源指自然界中存在的天然能源。二次能源是由一次能源直接或間接加工轉換而成的人工能源。l可再生能源與非再生能源 可重復產生的一次能源稱為可再生能源。不能重復產生的自然能源稱為非再生能源。l常規(guī)能源

2、與新能源 常規(guī)能源指技術上已經成熟、已大量生產并廣泛利用的能源。新能源是指技術上正在開發(fā)、尚未大量生產和廣泛利的能源。l清潔能源與非清潔能源 在開發(fā)和利用中對環(huán)境無污染或污染程度很輕的能源叫做清潔能源，否則為非清潔能源。 l化石燃料化石燃料煤炭、石油、天然氣、油頁巖和油砂煤炭、石油、天然氣、油頁巖和油砂l(fā)核燃料核燃料核聚變、核裂變核聚變、核裂變l太陽能太陽能光熱轉換、光電轉換、光化學轉換光熱轉換、光電轉換、光化學轉換l水能水能l風能風能l地熱能地熱能l海洋能海洋能l生物質能生物質能l熱能熱能來源：太陽熱能、地熱、燃料燃燒、核聚變、核裂變、機械能來源：太陽熱能、地熱、燃料燃燒、核聚變、核裂變、機

3、械能l機械能機械能來源：水力、風能、海洋能、熱機（內燃機、燃氣輪機、來源：水力、風能、海洋能、熱機（內燃機、燃氣輪機、蒸汽輪機）、電能轉換蒸汽輪機）、電能轉換l電能電能來源：熱能、化學能、電磁能直接轉換，機械能間接轉換來源：熱能、化學能、電磁能直接轉換，機械能間接轉換l結合能源資源和能源消費的特點，提出能源發(fā)結合能源資源和能源消費的特點，提出能源發(fā)展的長期規(guī)劃，并嚴格執(zhí)行，認真落實。展的長期規(guī)劃，并嚴格執(zhí)行，認真落實。l要抓好能源發(fā)展的戰(zhàn)略重點。要抓好能源發(fā)展的戰(zhàn)略重點。l高度重視新能源和可再生能源的開發(fā)和利用。高度重視新能源和可再生能源的開發(fā)和利用。一、熱能轉變成機械能的途徑一、熱能轉變成機

4、械能的途徑1、熱能動力裝置、熱能動力裝置燃料燃燒產生熱能，在熱能動力裝置中將熱能轉化為機械能。燃料燃燒產生熱能，在熱能動力裝置中將熱能轉化為機械能。內燃機、燃氣輪機、蒸汽機、汽輪機等。內燃機、燃氣輪機、蒸汽機、汽輪機等。2、工質、工質實現(xiàn)熱能和機械能相互轉化的媒介物質稱為工質，是完成熱實現(xiàn)熱能和機械能相互轉化的媒介物質稱為工質，是完成熱功轉換所必需的載體。功轉換所必需的載體。燃氣、空氣、水蒸汽、新型復合工質等。燃氣、空氣、水蒸汽、新型復合工質等。1、按能量轉換方向分類、按能量轉換方向分類原動機：將燃料的化學能、原子能和生物質能等所產生原動機：將燃料的化學能、原子能和生物質能等所產生的熱能轉換為

5、機械能的動力裝置稱為原動機。的熱能轉換為機械能的動力裝置稱為原動機。蒸汽機、蒸汽輪機、燃氣輪機、內燃機等。蒸汽機、蒸汽輪機、燃氣輪機、內燃機等。工作機：通過消耗機械能而使流體獲得能量或使系統(tǒng)形工作機：通過消耗機械能而使流體獲得能量或使系統(tǒng)形成真空的動力裝置稱為工作機。成真空的動力裝置稱為工作機。離心泵、真空泵、風機、螺桿泵、壓縮機等。離心泵、真空泵、風機、螺桿泵、壓縮機等。2、按機械運動方式分類、按機械運動方式分類回轉式：轉子或葉輪在缸內做回轉運動以實現(xiàn)能量的轉換?；剞D式：轉子或葉輪在缸內做回轉運動以實現(xiàn)能量的轉換。蒸汽輪機、燃氣輪機、離心泵、真空泵、風機等。蒸汽輪機、燃氣輪機、離心泵、真空泵

6、、風機等。往復式：活塞在氣缸內做往復運動而實現(xiàn)能量的轉換。往復式：活塞在氣缸內做往復運動而實現(xiàn)能量的轉換。蒸汽機、汽油機、柴油機、柱塞泵、往復式壓縮機等。蒸汽機、汽油機、柴油機、柱塞泵、往復式壓縮機等。3、按工質流動方式分類、按工質流動方式分類軸流式：流體的主要運動方向與旋轉軸平行。軸流式：流體的主要運動方向與旋轉軸平行。蒸汽輪機、燃氣輪機、軸流式壓氣機等。蒸汽輪機、燃氣輪機、軸流式壓氣機等。徑流式：流體的主要運動方向為沿著旋轉軸的直徑方向。徑流式：流體的主要運動方向為沿著旋轉軸的直徑方向。離心泵、離心式壓縮機、向心透平等。離心泵、離心式壓縮機、向心透平等?；炝魇剑阂后w的主要運動方向與旋轉軸成

7、某一銳角。混流式：液體的主要運動方向與旋轉軸成某一銳角。4、按用途分類、按用途分類發(fā)動機、泵、風機、壓縮機等。發(fā)動機、泵、風機、壓縮機等。一、熱經濟性一、熱經濟性1、循環(huán)的熱經濟指標、循環(huán)的熱經濟指標l熱經濟性是評價熱能動力設備性能優(yōu)劣的一個重要熱經濟性是評價熱能動力設備性能優(yōu)劣的一個重要指標。指標。 經濟指標經濟指標=得到的收獲得到的收獲/花費的代價花費的代價 （1）熱能動力循環(huán)）熱能動力循環(huán)l熱效率等于循環(huán)功與吸熱量的比值。熱效率等于循環(huán)功與吸熱量的比值。 12121101qqqqqqwt（2）制冷循環(huán)）制冷循環(huán)l 制冷系數(shù)制冷系數(shù) 等于從低溫熱源帶走的熱量與制冷循環(huán)等于從低溫熱源帶走的熱

8、量與制冷循環(huán)耗功量的比值。耗功量的比值。 c21202qqqwqc（3）熱泵循環(huán)）熱泵循環(huán)l熱泵系數(shù)熱泵系數(shù) 等于向高溫熱源放出的熱量與循環(huán)耗功等于向高溫熱源放出的熱量與循環(huán)耗功的比值。的比值。h21101qqqwqh2、提高循環(huán)熱經濟性的途徑、提高循環(huán)熱經濟性的途徑 定性分析，利用循環(huán)的平均吸熱溫度定性分析，利用循環(huán)的平均吸熱溫度 ，循環(huán)的平，循環(huán)的平均放熱溫度均放熱溫度 來進行分析。來進行分析。（1）熱能動力循環(huán)）熱能動力循環(huán)1T2T12121211011TTqqqqqqwt（2）逆向循環(huán)）逆向循環(huán) 對制冷循環(huán)與熱泵循環(huán)對制冷循環(huán)與熱泵循環(huán)21221202TTTqqqwqc21221121

9、1011TTTTTTqqqwqh二、功率二、功率功率：作功快慢程度的量度，通常用單位時間內所作的功率：作功快慢程度的量度，通常用單位時間內所作的功或消耗的功來表示。功或消耗的功來表示。 原動機功率的大小直接反映了設備進行熱功轉換的能力，工原動機功率的大小直接反映了設備進行熱功轉換的能力，工作機功率的大小則表示了設備工作時需要向設備輸入的功。作機功率的大小則表示了設備工作時需要向設備輸入的功。額定功率：原動機長期連續(xù)運行中所能保持的最大功率。額定功率：原動機長期連續(xù)運行中所能保持的最大功率。單位用單位用kW來表示。來表示。 蒸汽輪機、燃氣輪機、內燃機最大功率依次降低。（蒸汽輪機、燃氣輪機、內燃機

10、最大功率依次降低。（1300、226、40MW）經濟功率：設計機器時作為熱力計算依據(jù)的功率。一般經濟功率：設計機器時作為熱力計算依據(jù)的功率。一般電廠運行時常在滿負荷狀態(tài)下，經濟功率即為額定電廠運行時常在滿負荷狀態(tài)下，經濟功率即為額定功率，而發(fā)動機則較少在滿負荷下工作，經濟功率功率，而發(fā)動機則較少在滿負荷下工作，經濟功率通常小于額定功率。通常小于額定功率。三、體積與重量三、體積與重量 體積與重量也是評價熱能動力設備的一項重要指標。體積與重量也是評價熱能動力設備的一項重要指標。 同一類設備，容量越大，單位重量功率越小，機組的制造成本就越低。同一類設備，容量越大，單位重量功率越小，機組的制造成本就越

11、低。四、其它評價指標及熱能動力設備應用范圍四、其它評價指標及熱能動力設備應用范圍1、其它評價指標、其它評價指標l排放排放l使用壽命使用壽命l變負荷能力變負荷能力l使用燃料使用燃料l裝置效率裝置效率l循環(huán)熱經濟指標僅僅是動力循環(huán)熱經濟性，不能準確反映整個裝置循環(huán)熱經濟指標僅僅是動力循環(huán)熱經濟性，不能準確反映整個裝置的熱效率。熱功轉換全過程的經濟性必須用裝置效率來衡量。的熱效率。熱功轉換全過程的經濟性必須用裝置效率來衡量。2、熱能動力設備的應用范圍、熱能動力設備的應用范圍l蒸汽輪機蒸汽輪機優(yōu)點：單機功率大、效率較高、運行平衡可靠、使用壽命長，能使用各種廉優(yōu)點：單機功率大、效率較高、運行平衡可靠、使

12、用壽命長，能使用各種廉價燃料，是火力發(fā)電廠的主要原動機，也可作為大型船舶及軍艦的推價燃料，是火力發(fā)電廠的主要原動機，也可作為大型船舶及軍艦的推進動力，也可驅動大型工作機。還可滿足生產和生活用汽、用熱的需進動力，也可驅動大型工作機。還可滿足生產和生活用汽、用熱的需要，實現(xiàn)高效益的熱電聯(lián)產。要，實現(xiàn)高效益的熱電聯(lián)產。缺點：體積龐大、變負荷能力差、須配套有鍋爐、凝汽器、水泵、水處理等缺點：體積龐大、變負荷能力差、須配套有鍋爐、凝汽器、水泵、水處理等設備，機動化差，不便于移動。設備，機動化差，不便于移動。l燃氣輪機燃氣輪機優(yōu)點：單機功率較大，效率較高，轉速高，運行可靠，重量較輕，體積較小，優(yōu)點：單機功

13、率較大，效率較高，轉速高，運行可靠，重量較輕，體積較小，啟動快，負荷適應性好，維護方便，自動化程度高，無太多附屬設備啟動快，負荷適應性好，維護方便，自動化程度高，無太多附屬設備及復雜的熱力系統(tǒng)，電力系統(tǒng)中常用作承擔尖峰負荷和半尖峰負荷的及復雜的熱力系統(tǒng)，電力系統(tǒng)中常用作承擔尖峰負荷和半尖峰負荷的調峰機組，或作為燃氣調峰機組，或作為燃氣-蒸汽聯(lián)合發(fā)電裝置的主力設備之一。也可作為蒸汽聯(lián)合發(fā)電裝置的主力設備之一。也可作為移動式電站、列車電站及機車的原動機。船舶領域作為加速機組占有移動式電站、列車電站及機車的原動機。船舶領域作為加速機組占有絕對主力地位。絕對主力地位。缺點：單機功率較小，運行壽命較短，

14、燃料種類要求較高。缺點：單機功率較小，運行壽命較短，燃料種類要求較高。l內燃機內燃機優(yōu)點：熱效率高，體積小，重量輕，移動靈活，操作方便，啟動快，負荷適優(yōu)點：熱效率高，體積小，重量輕，移動靈活，操作方便，啟動快，負荷適應性強，沒有附屬設備。應用于交通運輸、工業(yè)機械、農業(yè)機械等領應性強，沒有附屬設備。應用于交通運輸、工業(yè)機械、農業(yè)機械等領域，或小型應急性發(fā)電裝置的原動機。域，或小型應急性發(fā)電裝置的原動機。缺點：一般為往復式機械，噪音較大，轉速低，功率小，運行壽命較短，燃缺點：一般為往復式機械，噪音較大，轉速低，功率小，運行壽命較短，燃料種類要求高，不能用作電廠的原動機。料種類要求高，不能用作電廠的

15、原動機。五、熱能動力設備的主要技術參數(shù)五、熱能動力設備的主要技術參數(shù)1、鍋爐、鍋爐（1）蒸發(fā)量）蒸發(fā)量 t/h （2）蒸汽參數(shù)）蒸汽參數(shù) （3）給水溫度）給水溫度 （4）鍋爐效率）鍋爐效率 2、汽輪機、汽輪機 （1）蒸汽參數(shù)）蒸汽參數(shù) （2）排汽參數(shù)）排汽參數(shù) （3）容量）容量 （4）相對內效率）相對內效率 表征汽輪機本身熱功轉換完善程度的指標，其值等表征汽輪機本身熱功轉換完善程度的指標，其值等于蒸汽在汽輪機中的實際作功與蒸汽具有的作功能于蒸汽在汽輪機中的實際作功與蒸汽具有的作功能力之比。力之比。ir,（5）熱經濟指標）熱經濟指標絕對內效率絕對內效率 -是衡量汽輪機組熱經濟性的指標，等于是衡量

16、汽輪機組熱經濟性的指標，等于汽輪機輸出的有用功與工質的吸熱量之比，即相對內汽輪機輸出的有用功與工質的吸熱量之比，即相對內效率效率 與循環(huán)熱效率與循環(huán)熱效率 的乘積。的乘積。汽輪機組的熱耗率汽輪機組的熱耗率 -每生產每生產3.6106J（1kW.h）機）機械能所消耗的熱量（工質的吸熱量，不含鍋爐熱損失）械能所消耗的熱量（工質的吸熱量，不含鍋爐熱損失）汽輪機裝置的熱經濟性：汽輪機裝置的熱經濟性：還需考慮鍋爐效率還需考慮鍋爐效率 ，裝置的熱耗率，裝置的熱耗率 為生產為生產1kW.h機機械能所消耗燃料的熱量械能所消耗燃料的熱量iir,t qiq3600 Bqq/ Bq3、燃氣輪機、燃氣輪機（1）容量（

17、）容量（2）轉速（）轉速（3）空氣流量（）空氣流量（4）燃料）燃料（5）溫比：表示工質在燃氣輪機裝置中被加熱的程度。）溫比：表示工質在燃氣輪機裝置中被加熱的程度。其值為循環(huán)最高滯止絕對溫度與壓氣機進氣絕對溫度其值為循環(huán)最高滯止絕對溫度與壓氣機進氣絕對溫度之比。溫比越高，熱經濟性越好，但對耐熱材料與冷之比。溫比越高，熱經濟性越好，但對耐熱材料與冷卻技術的要求也越高。卻技術的要求也越高。（6）壓比：表示工質被壓縮的程度。其值等于壓氣機出）壓比：表示工質被壓縮的程度。其值等于壓氣機出口滯止壓力與進口滯止壓力之比。壓比與溫比的配合，口滯止壓力與進口滯止壓力之比。壓比與溫比的配合，對循環(huán)性能起著決定性的

18、影響。對循環(huán)性能起著決定性的影響。 （7）比功：指單位質量工質所作的有用功。發(fā)動機比功）比功：指單位質量工質所作的有用功。發(fā)動機比功越大，發(fā)出一定功率所需的流量就越小，發(fā)動機和進、越大，發(fā)出一定功率所需的流量就越小，發(fā)動機和進、排氣管道的尺寸就越小。裝置比功則指流過燃氣輪機排氣管道的尺寸就越小。裝置比功則指流過燃氣輪機單位質量空氣所作的有用凈功，也就是氣耗率的倒數(shù)，單位質量空氣所作的有用凈功，也就是氣耗率的倒數(shù)，近似等于透平比功近似等于透平比功 與壓氣機比功與壓氣機比功 之差。之差。TWCW（8）有用功系數(shù)）有用功系數(shù) 裝置比功與透平比功的比值，因而有時也稱為功比。裝置比功與透平比功的比值，因

19、而有時也稱為功比。它表明變工況時裝置性能對各部件性能變化的敏感它表明變工況時裝置性能對各部件性能變化的敏感性。性。（9）內效率）內效率 內效率與汽輪機相對內效率含義相同，等于燃氣在內效率與汽輪機相對內效率含義相同，等于燃氣在透平中的實際作功與燃氣具有的作功能力之比。透平中的實際作功與燃氣具有的作功能力之比。（10）裝置熱效率）裝置熱效率 裝置輸出功與輸入的燃料熱量之比。表征燃氣輪機裝置輸出功與輸入的燃料熱量之比。表征燃氣輪機裝置熱功轉化的完善程度，是發(fā)動機熱經濟性的重裝置熱功轉化的完善程度，是發(fā)動機熱經濟性的重要指標。要指標。 熱耗率熱耗率 即為生產即為生產1kW.h機械能所消耗燃料的熱量機械

20、能所消耗燃料的熱量ir,3600qq4、內燃機、內燃機（1）功率）功率指示功率指示功率-發(fā)動機單位時間內所作的指示功。發(fā)動機單位時間內所作的指示功。有效功率有效功率-從發(fā)動機功率輸出軸上所得到的凈功率。從發(fā)動機功率輸出軸上所得到的凈功率。機械效率機械效率-有效功率與指示功率之比。發(fā)動機功率是指有效功率與指示功率之比。發(fā)動機功率是指 發(fā)動機最大有效功率。發(fā)動機最大有效功率。（2）轉速（）轉速（3）氣缸直徑（）氣缸直徑（4）活塞行程（）活塞行程（5）活塞平均）活塞平均速度（速度（6）燃料（）燃料（7）循環(huán)沖程數(shù)（）循環(huán)沖程數(shù)（8）氣缸數(shù)）氣缸數(shù)（9）平均有效壓力和升功率）平均有效壓力和升功率平均有

21、效壓力平均有效壓力-發(fā)動機單位氣缸工作所發(fā)出的有效功。發(fā)動機單位氣缸工作所發(fā)出的有效功。它是衡量發(fā)動機動力性能的一個重要指標。對于氣缸它是衡量發(fā)動機動力性能的一個重要指標。對于氣缸總工作容積一定的發(fā)動機而言，其平均有效壓力反映總工作容積一定的發(fā)動機而言，其平均有效壓力反映了發(fā)動機輸出扭矩的大小。了發(fā)動機輸出扭矩的大小。升功率升功率-標定工況下發(fā)動機每升氣缸工作容積所發(fā)出的標定工況下發(fā)動機每升氣缸工作容積所發(fā)出的有效功率。升功率與平均有效壓力和轉速的乘積成正有效功率。升功率與平均有效壓力和轉速的乘積成正比。比。（10）有效熱效率和比油耗）有效熱效率和比油耗有效熱效率有效熱效率-實際循環(huán)有效功與得到此有效功所消耗的實際循環(huán)有效功與得到此有效功所消耗的熱量之比值。熱量之比值。比油耗比油耗-單位有效功的耗油量。單位有效功的耗油量。 5、泵與風機、泵與風機（1）流量）流量 泵與風機在單位時間內所輸送的流體量。泵與風機在單位時間內所輸送的流體量。（2）揚程（風壓）揚程（風壓） 泵的揚程指泵的揚程指1kg液體從泵進口到泵出口所獲得的能量增加量。液體從泵進口到泵出口所獲得的能量增加量。 風機的風壓指全壓，包括靜壓與動壓。指風機的風壓指全壓，包括靜壓與動壓。指1m3氣體流過風機氣體流過風機時所獲得的能量增加值。時所獲得的能量增加值。（3）轉速）轉速（4）功率