能源與動(dòng)力裝置基礎(chǔ)-基礎(chǔ)知識(shí)

能源與動(dòng)力裝置根底鄭藝華授課教師鄭藝華機(jī)電工程學(xué)院，熱能與動(dòng)力工程系辦公：85953720電子郵件：能源與動(dòng)力裝置根底厚根底、寬口徑、重實(shí)踐專業(yè)背景：能源、動(dòng)力?能源與動(dòng)力裝置根底——根底知識(shí)?第一節(jié)緒論能源是近代社會(huì)開展三大支柱之一。人類利用能源的歷史，也就是人類認(rèn)識(shí)和征服自然的歷史。這個(gè)歷史可以分為五個(gè)階段：火的發(fā)現(xiàn)和利用；畜力、風(fēng)力、水力等自然動(dòng)力的利用；化石燃料的開發(fā)和熱的利用；電的發(fā)現(xiàn)及開發(fā)利用；原子能的發(fā)現(xiàn)和利用。三次大的轉(zhuǎn)換：木材等煤炭石油多能源結(jié)構(gòu)?能源與動(dòng)力裝置根底——根底知識(shí)?能源分類一次能源。直接從自然界取得的能源，如河流中流動(dòng)的水、開采出的原煤、原油、天然氣、天然鈾礦等。二次能源。對(duì)一次能源加工、轉(zhuǎn)換得到的能源，如電力、蒸汽等?？稍偕茉础Ｈ缣?yáng)能、生物質(zhì)能、水能、風(fēng)能、地?zé)崮堋⒉ɡ四?、洋流能、潮汐能以及海洋外表與深層之間的熱循環(huán)等。非再生能源。如煤炭、石油、天然氣、煤成氣等石化能源。?能源與動(dòng)力裝置根底——根底知識(shí)??能源與動(dòng)力裝置根底——根底知識(shí)?本課程的內(nèi)容：討論能源、動(dòng)力部門〔包括工藝過(guò)程與裝備〕的機(jī)械、設(shè)備、裝置的組成、結(jié)構(gòu)、工作原理和性能。熱能、化學(xué)能、機(jī)械能、電能等之間轉(zhuǎn)換原理及其裝置〔機(jī)械、設(shè)備〕。?能源與動(dòng)力裝置根底——根底知識(shí)?動(dòng)力系統(tǒng)之一：火電廠?能源與動(dòng)力裝置根底——根底知識(shí)?動(dòng)力系統(tǒng)之二：水輪機(jī)?能源與動(dòng)力裝置根底——根底知識(shí)?動(dòng)力系統(tǒng)之三：核電站?能源與動(dòng)力裝置根底——根底知識(shí)?動(dòng)力系統(tǒng)之四：風(fēng)力發(fā)電?能源與動(dòng)力裝置根底——根底知識(shí)?動(dòng)力系統(tǒng)之五：內(nèi)燃機(jī)工質(zhì)在汽缸內(nèi)進(jìn)行壓縮、點(diǎn)火、燃燒、膨脹做功。?能源與動(dòng)力裝置根底——根底知識(shí)?動(dòng)力系統(tǒng)之六：燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)廨啓C(jī)是內(nèi)燃機(jī)的一種形式，它又與蒸汽輪機(jī)同屬于熱力渦輪機(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)的工質(zhì)是燃?xì)舛皇撬羝?，因而與蒸汽輪機(jī)裝置相比，燃?xì)廨啓C(jī)裝置省去了鍋爐、凝汽器、給水處理等大型設(shè)備。?能源與動(dòng)力裝置根底——根底知識(shí)?動(dòng)力系統(tǒng)之七：空調(diào)系統(tǒng)低溫低壓濕蒸氣低壓干蒸氣高溫高壓蒸氣飽和液體熱力循環(huán)是通過(guò)工質(zhì)膨脹將熱能轉(zhuǎn)變成機(jī)械功輸出的循環(huán)，常稱之為正循環(huán)。逆循環(huán)是輸入機(jī)械功〔或熱〕，對(duì)工質(zhì)進(jìn)行壓縮而獲得熱量(熱泵)或冷量(制冷)。?能源與動(dòng)力裝置根底——根底知識(shí)?動(dòng)力系統(tǒng)之八：泵站?能源與動(dòng)力裝置根底——根底知識(shí)?

液壓傳動(dòng)系統(tǒng)液力傳動(dòng)系統(tǒng)壓縮空氣系統(tǒng)供水系統(tǒng)供暖系統(tǒng)控制系統(tǒng)

‥‥‥其他動(dòng)力系統(tǒng)?能源與動(dòng)力裝置根底——根底知識(shí)?動(dòng)力系統(tǒng)小結(jié)之一工質(zhì)內(nèi)能動(dòng)能勢(shì)能燃燒室反應(yīng)堆化學(xué)能核能熱能機(jī)械功熱交換器流體機(jī)械電能發(fā)電機(jī)?能源與動(dòng)力裝置根底——根底知識(shí)?動(dòng)力系統(tǒng)小結(jié)之二機(jī)械功流體機(jī)械工質(zhì)內(nèi)能動(dòng)能勢(shì)能流體機(jī)械機(jī)械功?能源與動(dòng)力裝置根底——根底知識(shí)?熱量壓縮機(jī)機(jī)械功換熱器換熱器膨脹機(jī)or節(jié)流閥熱量機(jī)械功動(dòng)力系統(tǒng)小結(jié)之三?能源與動(dòng)力裝置根底——根底知識(shí)?動(dòng)力系統(tǒng)的三大部件〔按功能〕燃燒室〔爐膛〕換熱器流體機(jī)械?能源與動(dòng)力裝置根底——根底知識(shí)?第二節(jié)能源與動(dòng)力裝置的分類一、流體機(jī)械分類

根據(jù)流體是液體還是氣體:水力機(jī)械、氣體機(jī)械；根據(jù)能量是輸出還是輸入機(jī)械功：動(dòng)力機(jī)械(或原動(dòng)機(jī))、工作機(jī)械；按工作原理：速度式(葉片式)、容積式(往復(fù)、回轉(zhuǎn))、其它形式的流體機(jī)械(如射流泵等)。流體〔液體和氣體〕為工質(zhì)，與外界進(jìn)行能量和質(zhì)量傳遞的機(jī)械被稱為流體機(jī)械。?能源與動(dòng)力裝置根底——根底知識(shí)?

流體機(jī)械分類表

原動(dòng)機(jī)工作機(jī)可壓縮不可壓縮可壓縮不可壓縮汽輪機(jī)水輪機(jī)透平壓縮機(jī)葉片泵

燃?xì)廨啓C(jī)風(fēng)機(jī)

葉片式蒸汽機(jī)液壓馬達(dá)容積式壓縮機(jī)容積泵

氣壓傳動(dòng)

內(nèi)燃機(jī)

容積式?能源與動(dòng)力裝置根底——根底知識(shí)?容積式流體機(jī)械活塞式壓縮機(jī)、活塞泵、柱塞泵、內(nèi)燃機(jī)、膨脹機(jī)齒輪式：泵、壓縮機(jī)、液壓馬達(dá)螺桿式：?jiǎn)温輻U、雙螺桿、三螺桿、五螺桿泵，壓縮機(jī)，液壓馬達(dá)、膨脹機(jī)羅茨式：泵、風(fēng)機(jī)滑片式：泵、壓縮機(jī)和液壓馬達(dá)渦旋式：壓縮機(jī)、泵、膨脹機(jī)滾動(dòng)活塞式：壓縮機(jī)、泵回轉(zhuǎn)式往復(fù)式(2)螺桿式式積容(1)活塞式3噴射式?能源與動(dòng)力裝置根底——根底知識(shí)?

容積式機(jī)器的特點(diǎn)：

工作時(shí)形成一個(gè)封閉的工作腔

工作腔的容積不斷變化

工作機(jī)構(gòu)作用于流體的力是靜壓力

流體的壓力與速度沒(méi)有直接的關(guān)系?能源與動(dòng)力裝置根底——根底知識(shí)?

葉片式流體機(jī)械：轉(zhuǎn)動(dòng)的葉片;連續(xù)繞流;流體與外界的能量傳遞是通過(guò)旋轉(zhuǎn)的葉片與流體的相互作用到達(dá)的，葉輪是葉片式流體機(jī)械中唯一與外界傳遞能量的部件。?能源與動(dòng)力裝置根底——根底知識(shí)?

葉片式流體機(jī)械分類

型式分類流體動(dòng)力機(jī)械工作機(jī)械速度式反動(dòng)式?jīng)_動(dòng)式徑流式軸流式斜流式氣體液體氣體液體氣體液體氣體液體汽輪機(jī)膨脹機(jī)水輪機(jī)汽輪機(jī)膨脹機(jī)水輪機(jī)汽輪機(jī)膨脹機(jī)水輪機(jī)汽輪機(jī)水輪機(jī)壓縮機(jī)鼓風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)泵

壓縮機(jī)鼓風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)泵壓縮機(jī)鼓風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)泵橫流風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)軸(1)軸流、(2)徑流(離心)壓縮機(jī)軸流離心速度式(3)混流(斜流)式

照片子午面(軸面)?能源與動(dòng)力裝置根底——根底知識(shí)?

換熱設(shè)備是動(dòng)力工程中常見(jiàn)的能量(熱能)交換裝備。

二、換熱設(shè)備〔熱量交換〕

換熱設(shè)備包括各種的熱交換器和鍋爐、燃燒器等，例如制冷裝置中的蒸發(fā)器、冷凝器；火力發(fā)電裝置中的省煤器、預(yù)熱器、過(guò)熱器、再熱器、凝汽器、加熱器等；燃?xì)廨啓C(jī)裝置內(nèi)的中冷器、回?zé)崞鞯取?/p>

熱交換器一般是固體兩邊壁面的流體通過(guò)對(duì)流進(jìn)行熱交換，也有通過(guò)輻射、兩流體直接接觸等方式進(jìn)行熱交換的。?能源與動(dòng)力裝置根底——根底知識(shí)?

換熱器的分類按流動(dòng)方向分：順流式、逆流式、錯(cuò)流式、混流式按傳熱方式分：間壁式、混合式、蓄熱式沉浸式、噴淋式、套管式、管殼式、翅片管式、熱管式波紋平板式、板殼式、螺旋板式、板翅式

管式板式間壁式混合式蓄熱式直接接觸式如冷卻塔

回?zé)崾交蛟偕饺鐭犸L(fēng)爐

間壁式：(1)管式板式(熱)管式混合式蓄熱式?能源與動(dòng)力裝置根底——根底知識(shí)?

三、應(yīng)用2021年有生產(chǎn)1000萬(wàn)輛汽車的能力，艦船、飛機(jī)、巡航導(dǎo)彈96年統(tǒng)計(jì)，人均發(fā)電900Kw.h，僅世界平均值的1/3，裝機(jī)容量2.5億KW，2021年到5億Kw。風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)的用電量占全國(guó)發(fā)電量1/3左右。制冷、空調(diào)1~2000萬(wàn)臺(tái)/年、低溫、冷藏鏈能源動(dòng)力、電力、冶金、航空航天、石油、化工、藥業(yè)、農(nóng)業(yè)、礦業(yè)、天然氣、激光、衛(wèi)星、芯片。?能源與動(dòng)力裝置根底——根底知識(shí)?

我國(guó)能源與動(dòng)力領(lǐng)域和國(guó)際先進(jìn)水平的差距火力發(fā)電的熱效率很低，每度電消耗煤高達(dá)366克，比興旺國(guó)家多45克。一次能源轉(zhuǎn)化成電力的比例只有22%，而興旺國(guó)家平均為36%。工業(yè)爐的熱效率一般為60%左右，而日本到達(dá)80%以上。內(nèi)燃機(jī)的油耗率也要比國(guó)際先進(jìn)水平高8-15%。我國(guó)人平均能耗僅為世界平均水平的1/3，而單位產(chǎn)值能耗那么是世界上最高的國(guó)家之一。?能源與動(dòng)力裝置根底——根底知識(shí)?第三節(jié)工程熱力學(xué)和流體力學(xué)根底

熱力學(xué)是一門研究能量的儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移以及物質(zhì)性質(zhì)的科學(xué)。能量的儲(chǔ)存形式有：內(nèi)能〔與溫度相關(guān)聯(lián)〕、動(dòng)能〔由于運(yùn)動(dòng)引起〕、勢(shì)能〔由于位置升高引起〕和化學(xué)能〔由化學(xué)組成引起〕。

能量會(huì)從一種形式轉(zhuǎn)化到其它的形式。

能量以熱或功的方式穿越邊界進(jìn)行轉(zhuǎn)移。

流體力學(xué)是研究流體在外力作用下平衡和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科。?能源與動(dòng)力裝置根底——根底知識(shí)?一、物質(zhì)的三態(tài)〔p-v-T外表〕物質(zhì)的三態(tài)：固體、液體和氣體。固體、液體和氣體三個(gè)狀態(tài)之間的改變稱為相變。

固體變?yōu)橐后w稱為熔解(或融化)

液體變?yōu)楣腆w叫做凝固固體變?yōu)闅怏w的現(xiàn)象稱為升華

反映三態(tài)關(guān)系的：?能源與動(dòng)力裝置根底——根底知識(shí)?二、流體的性質(zhì)根本狀態(tài)參數(shù)是可測(cè)量的狀態(tài)參數(shù)，被稱為根本狀態(tài)參數(shù)。通過(guò)根本狀態(tài)參數(shù)可以導(dǎo)出其它參數(shù)。臨界參數(shù)當(dāng)氣體速度c與當(dāng)?shù)匾羲賏相等時(shí)(即馬赫數(shù)M=c/a=1)，氣體到達(dá)臨界狀態(tài)，相應(yīng)的氣體參數(shù)也被稱為臨界參數(shù)。?能源與動(dòng)力裝置根底——根底知識(shí)?

粘性

流體抵抗變形的能力，是由流體的分子內(nèi)聚力和流體層之間的動(dòng)量交換引起的。粘性切應(yīng)力：

適用牛頓流體uy流向理想流體：du/dy<<1粘性力≈0?能源與動(dòng)力裝置根底——根底知識(shí)?

可壓縮性體積壓縮率：流體的體積V隨壓力p變化的屬性稱為流體的壓縮性

彈性系數(shù)：流體的體積隨溫度T變化的屬性稱為流體的膨脹性

體膨脹系數(shù)馬赫數(shù)大彈性力小壓縮性大

M<0.2常常看成不可壓馬赫數(shù)2＝慣性力/彈性力?能源與動(dòng)力裝置根底——根底知識(shí)?三、狀態(tài)方程式表述了壓力、溫度和密度三個(gè)根本狀態(tài)參數(shù)的關(guān)系狀態(tài)方程式：z為壓縮因子，z＝1時(shí)為理想氣體，z可以大于1或小于1。有許多狀態(tài)方程被推薦用于計(jì)算非理想氣體的狀態(tài)。如vanderWaals(范德華)狀態(tài)方程：?能源與動(dòng)力裝置根底——根底知識(shí)?四、幾個(gè)重要的熱力學(xué)概念比熱〔容〕質(zhì)量比熱：是單位質(zhì)量氣體的溫度變化一度時(shí)傳遞的熱量

比內(nèi)能比〔熱〕焓

比熵定壓比熱、定容比熱?能源與動(dòng)力裝置根底——根底知識(shí)?五、典型的熱力過(guò)程對(duì)于簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng)，有兩個(gè)獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)。保持其中一個(gè)狀態(tài)參數(shù)不變的過(guò)程被稱為根本熱力過(guò)程，如等溫過(guò)程、等壓過(guò)程、等容過(guò)程、等熵過(guò)程。

流體各狀態(tài)參數(shù)都同時(shí)發(fā)生變化的過(guò)程被稱為多變過(guò)程，其過(guò)程方程式為

動(dòng)力裝置中，熱能與機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換都是由熱力過(guò)程或熱力過(guò)程組成的循環(huán)來(lái)完成。

?能源與動(dòng)力裝置根底——根底知識(shí)?六、熱力循環(huán)及其評(píng)價(jià)特征:狀態(tài)參數(shù)變化為零;功、能量發(fā)生轉(zhuǎn)換;由不同過(guò)程組成正熱力循環(huán)：是通過(guò)工質(zhì)膨脹將熱能轉(zhuǎn)變成機(jī)械功輸出的循環(huán)。逆熱力循環(huán)：輸入機(jī)械功〔或熱能〕，對(duì)工質(zhì)進(jìn)行壓縮而獲得熱量(熱泵)或冷量(制冷)。實(shí)現(xiàn)功與熱能轉(zhuǎn)換的循環(huán)是熱力循環(huán)。?能源與動(dòng)力裝置根底——根底知識(shí)?熱力循環(huán)的完善程度評(píng)價(jià)動(dòng)力循環(huán)：用熱效率評(píng)價(jià)制冷系數(shù)評(píng)價(jià)〔制冷〕供熱系數(shù)評(píng)價(jià)〔熱泵〕熱力系統(tǒng)還會(huì)引入其它的評(píng)價(jià)方法，如熵方法、傭方法等。逆循環(huán)：能量利用系數(shù)：總稱。?能源與動(dòng)力裝置根底——根底知識(shí)?七、連續(xù)性方程〔質(zhì)量守恒〕在一維定常流動(dòng)中：對(duì)不可壓縮流體：?能源與動(dòng)力裝置根底——根底知識(shí)?八、能量方程能量守恒：系統(tǒng)內(nèi)能量變化=輸入系統(tǒng)的能量-系統(tǒng)輸出的能量

閉口系統(tǒng)對(duì)于理想氣體開口系統(tǒng)

對(duì)于穩(wěn)定流動(dòng)，輸入系統(tǒng)的能量＝系統(tǒng)輸出的能量用熱焓表示的方程：?能源與動(dòng)力裝置根底——根底知識(shí)?對(duì)于開口系統(tǒng)，理想氣體，并忽略位能的變化，那么有：討論：

上述能量方程是包含熱能和機(jī)械能的能量守恒和轉(zhuǎn)換方程，既適用于可逆過(guò)程也適用于不可逆過(guò)程?？赡鏁r(shí)±W不包括損失；不可逆時(shí)±W中有損失；粘性引起的能量損失隱含在焓差或溫差項(xiàng)中。運(yùn)動(dòng)部件，如葉輪、活塞連桿等，與外界交換機(jī)械能，W不等于0。靜止部件，如噴嘴、擴(kuò)壓器等，與外界沒(méi)有能量交換，h*=const或h1*=h2*T*=const或T1*=T2*?能源與動(dòng)力裝置根底——根底知識(shí)?九、伯努利方程

伯努利方程是能量方程的另一種表達(dá)式，主要反映機(jī)械能守恒。

使用條件是計(jì)算截面上符合穩(wěn)定流動(dòng)、緩變流；對(duì)于與外界有熱傳遞的可壓縮流體，機(jī)械能守恒的原那么受到破壞，此時(shí)伯努利方程便沒(méi)有意義；計(jì)算截面之間與外界沒(méi)有機(jī)械能交換時(shí)，W=0。對(duì)于不可壓液體，引入水頭〔水輪機(jī)〕或揚(yáng)程〔泵裝置〕H=W/g，此時(shí)該式表示為：?能源與動(dòng)力裝置根底——根底知識(shí)?第四節(jié)實(shí)際過(guò)程中常見(jiàn)的能量轉(zhuǎn)換

流體能量與外界機(jī)械功的轉(zhuǎn)換；熱量交換；化學(xué)能與熱能的轉(zhuǎn)換。?能源與動(dòng)力裝置根底——根底知識(shí)?一、流體機(jī)械內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換1、閉口系(1)dv≠0(2)不可壓工質(zhì)不作功(3)與過(guò)程有關(guān)(4)功與內(nèi)能、熱量相互轉(zhuǎn)換(5)膨脹功或壓縮功(6)宏觀動(dòng)能勢(shì)能的變化可忽略(7)不是實(shí)用的流體機(jī)械?能源與動(dòng)力裝置根底——根底知識(shí)?2、開口系穩(wěn)定過(guò)程能量平衡：輸入E1：推動(dòng)功，殼體傳熱,輸出E2：推動(dòng)功,輸出軸功?能源與動(dòng)力裝置根底——根底知識(shí)?開口系與閉口系的不同：

機(jī)械功與工質(zhì)的壓力能、動(dòng)能和位能相互轉(zhuǎn)換

多數(shù)情況下，壓力變化項(xiàng)∫vdp是主要的，dp≠0

∫vdp的數(shù)值與熱力學(xué)過(guò)程有關(guān)

∫vdp稱為技術(shù)功?能源與動(dòng)力裝置根底——根底知識(shí)?壓縮過(guò)程——功轉(zhuǎn)換為熱壓縮機(jī)、工作機(jī)膨脹過(guò)程——熱轉(zhuǎn)換為功膨脹機(jī)、原動(dòng)機(jī)對(duì)于不同的過(guò)程，將過(guò)程方程帶入，那么可得到具體的計(jì)算公式。?能源與動(dòng)力裝置根底——根底知識(shí)?定溫過(guò)程?能源與動(dòng)力裝置根底——根底知識(shí)?絕熱〔定熵〕過(guò)程q=0?能源與動(dòng)力裝置根底——根底知識(shí)?定容過(guò)程多變過(guò)程在初始狀態(tài)相同和