能源動(dòng)力裝置基礎(chǔ)01a

?能源與動(dòng)力裝置根底?任課教師：劉華堂華中科技大學(xué)能源學(xué)院文華學(xué)院2021

1?能源與動(dòng)力裝置根底?使用教材：?能源與動(dòng)力裝置根底?主編：何國庚出版社：中國電力出版社2007年版2第一章根底知識(shí)第一節(jié)緒論一、能源能源、材料和信息是當(dāng)前經(jīng)濟(jì)開展的三大支柱；分類：常規(guī)能源和新能源：煤、石油、天然氣，水力能，風(fēng)能，生物質(zhì)等為常規(guī)能源；太陽能、核能、地?zé)崮?、海洋潮汐能等為新能源。一次能源和二次能源：一次能源是指自然界中存在的天然能源，如煤、石油、天然氣，草木燃料，太陽輻射能；水力，風(fēng)力，波浪能，地?zé)崮?，原子〔鈾、釷、氘〕能等。凡依靠一次能源支取、轉(zhuǎn)換的能源稱為二次能源，如電能、煤氣、甲醇、石油成品油等。非再生能源和再生能源：存在于地球，如煤、石油、天然氣和鈾、釷、氘等為非再生能源；在自然界循環(huán)、可被重復(fù)使用的能源為再生能源，如水力，風(fēng)力，草木燃料等。3現(xiàn)代社會(huì)的主要能源形式：機(jī)械能、電能、熱能。機(jī)械能：局部來源于一次能源中的水力、風(fēng)力、海流、潮汐和波浪，大局部是通過熱機(jī)從熱能轉(zhuǎn)換得來的，或者是由電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換得來的。電能〔電力〕：是當(dāng)今社會(huì)應(yīng)用最廣泛、使用最方便、最清潔的能源。它是由一次能源轉(zhuǎn)換得來的。熱能：其獲取方式有太陽熱、地?zé)帷⒑朔错?，常?guī)能源燃燒等得到。4.常規(guī)能源的合理開發(fā)和綜合利用是十分必要的；能源和動(dòng)力狀態(tài)決定了一個(gè)國家的綜合國力。二、熱能動(dòng)力專業(yè)研究對(duì)象：研究能量以熱和功等形式在生產(chǎn)、轉(zhuǎn)化、傳遞過程中的根本規(guī)律及相關(guān)設(shè)備及系統(tǒng)。三、電能和熱能：電能是一種最清潔、使用最方便的能源。有火電、水電、核電、風(fēng)力發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電等。熱能是最遍的能源之一。4四、發(fā)電形式：〔一〕火力發(fā)電〔圖1-1〕1.主機(jī)和輔機(jī)：三大主機(jī)，鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)；主要輔機(jī)，風(fēng)機(jī)、水泵、加熱器、冷凝器、除氧器、制粉設(shè)備等。2.生產(chǎn)過程：煤粉燃燒將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為高溫?zé)煔獾臒崮?，熱能通過鍋爐的省煤器、水冷壁、過熱器〔再熱器〕使工質(zhì)水變成過熱蒸汽，蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，將熱能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，以帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電〔電能〕。汽輪機(jī)的排汽排凝汽器凝結(jié)成水；水通過低壓加熱器、除氧器、給水泵、高壓加熱器送鍋爐的省煤器，完成閉合循環(huán)。567〔二〕核電：與火電不同之處：核燃料代替煤，核反響堆代替鍋爐，其余的與火電根本相同。〔圖1-2〕圖1-28〔三〕水電：水的動(dòng)能和位能通過水輪機(jī)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電〔電能〕。9〔四〕燃汽輪機(jī)發(fā)電：利用液體或氣體燃料在燃汽輪機(jī)中燃燒產(chǎn)生高溫燃?xì)狻矡煔狻?，沖動(dòng)燃汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，以帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電〔電能〕。為了提高循環(huán)熱效率，通常采用燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)〔以下圖〕

此外，還有地?zé)岚l(fā)電、磁流體發(fā)電、海洋潮汐發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電、燃料電池等發(fā)電形式。10五、制冷循環(huán)：

正循環(huán)：前面所述各種發(fā)電裝置是通過工質(zhì)膨脹將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能輸出

的循環(huán)，是正循環(huán)；

反循環(huán)：而輸入機(jī)械功〔或加熱〕對(duì)工質(zhì)進(jìn)行壓縮以獲得熱量〔熱泵〕或

制冷量〔制冷〕的循環(huán)是反循環(huán)?！矆D1-4〕11〔一〕蒸汽壓縮式制冷裝置〔圖1-5a〕主要部件：壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流〔膨脹〕機(jī)構(gòu)、蒸發(fā)器。工作過程：①對(duì)壓縮機(jī)輸入機(jī)械功，以轉(zhuǎn)換成工質(zhì)的壓力能和熱能；②壓縮機(jī)出來的高溫高壓工質(zhì)〔蒸汽〕在冷凝器中放出熱量并冷卻為飽和液體；③液體通過節(jié)流膨脹成低溫低壓濕蒸汽；④濕蒸汽在蒸發(fā)器蒸發(fā)、吸熱而使外界獲得冷量。⑤蒸發(fā)器出來的干蒸汽又回到壓縮機(jī)中。其中，冷凝器、蒸發(fā)器是換熱設(shè)備，壓縮機(jī)為運(yùn)動(dòng)機(jī)械〔圖1-5a〕。而在圖1-5c中是通過膨脹機(jī)實(shí)現(xiàn)工質(zhì)膨脹的。12圖1-5〔b)為吸收式制冷裝置13第二節(jié)分類和應(yīng)用一、分類：〔一〕流體機(jī)械：以流體為工質(zhì)，與外界進(jìn)行傳遞熱量和質(zhì)量的機(jī)械稱為流體機(jī)械。其分類有：水力機(jī)械和氣體機(jī)械；動(dòng)力機(jī)械和工作機(jī)械等。按工作原理有：分速度式、容積式和其他形式。〔表1-1〕動(dòng)力機(jī)械〔原動(dòng)機(jī)〕：有汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、水輪機(jī)、風(fēng)力機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、膨脹機(jī)等。由熱能向機(jī)械能轉(zhuǎn)變的動(dòng)力機(jī)械稱為熱能動(dòng)力機(jī)械〔熱機(jī)〕。如汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)等。外燃機(jī)〔如汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)〕和內(nèi)燃機(jī)〔汽油機(jī)和柴油機(jī)〕。水輪機(jī)、風(fēng)力機(jī)工作原理和汽輪機(jī)相同。142.速度式流體機(jī)械：其特點(diǎn)是都具有葉輪，也稱葉輪機(jī)械。流體是連續(xù)的。3.容積式流體機(jī)械：其特點(diǎn)是都具有活塞在汽缸中往返運(yùn)動(dòng)；而回轉(zhuǎn)容積式機(jī)械的轉(zhuǎn)子與機(jī)殼組成的空間容積發(fā)生變化，流體參數(shù)要變化。噴射式流體機(jī)械：其工作原理為高壓工作流體通過噴管形成高速射流，其區(qū)域內(nèi)壓力大大降低，從而被引入射流體，其后二者混合，使被引射流體得到能量。如電廠的抽氣器〔噴射式真空泵〕。15〔二〕換熱設(shè)備：火電廠有鍋爐：省煤器、空氣預(yù)熱器、水冷壁、過熱器〔再熱器〕、凝汽器、加熱器等。制冷裝置中有：蒸發(fā)器、冷凝器。形式有：順流式、逆流式、錯(cuò)流式、混流式等。按傳熱方式分：間壁式、混合式、蓄熱式〔表1-2〕。而間壁式又分:管式和板式。熱管：是一種新型的換熱設(shè)備，是高性能的導(dǎo)熱元件，其導(dǎo)熱系數(shù)相當(dāng)于金屬銀、銅的倍。熱管相當(dāng)于導(dǎo)熱能力極高的導(dǎo)熱體。16二、應(yīng)用1.內(nèi)燃機(jī)：如汽車、船舶、火車動(dòng)力、拖拉機(jī)、軍車坦克、裝甲車的動(dòng)力機(jī)；2.燃?xì)廨啓C(jī)：航空發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭、導(dǎo)彈；船舶、坦克；火電廠、聯(lián)合循環(huán)電廠的動(dòng)力機(jī)；3.汽輪機(jī)：火電、核電廠的原動(dòng)機(jī)；給水泵的小汽輪機(jī)；鼓風(fēng)機(jī)；4.鍋爐：電站鍋爐，工業(yè)鍋爐〔輕紡、造紙、鋼鐵〕；5.水輪機(jī)：用于水電站拖動(dòng)發(fā)電機(jī)；176.制冷技術(shù)：人民生產(chǎn)、生活條件的改善，食物保存(p10);7.空氣調(diào)節(jié)：供暖、降溫、通風(fēng)；8.流體機(jī)械：泵、鼓風(fēng)機(jī)、通風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)。廣泛應(yīng)用的動(dòng)力機(jī)械，化工、制冷、低溫裝置。9.換熱設(shè)備：電廠、動(dòng)力、化工、石油、制冷、空調(diào)、鋼鐵、船只。18第三節(jié)工程熱力學(xué)和流體力學(xué)根底幾個(gè)常用的名詞：相變：物質(zhì)氣、固、液三態(tài)的改變稱為相變。熔解〔融化〕，凝固、熔點(diǎn)，凝固點(diǎn)。氣化〔蒸發(fā)、沸騰〕，飽和液體，飽和氣體，飽和溫度、飽和壓力。一、流體的性質(zhì)：1.狀態(tài)參數(shù)和臨界參數(shù)：(1)狀態(tài)參數(shù)：壓力p、溫度T、密度〔比容v〕、音速(2)臨界參數(shù)：臨界狀態(tài)下的氣體參數(shù)稱為臨界參數(shù)。有臨界壓力、臨界溫度等?！埠喗椤?92.易流動(dòng)性：

3.粘性流體的粘性是流體抵抗變形的能力。即不同速度層之間存在著內(nèi)摩擦力〔或粘性切應(yīng)力〕。粘性切應(yīng)力與流體在y方向的速度梯度成正比，即式中，——為流體的動(dòng)力粘性系數(shù)；y——與流體流動(dòng)方向x垂直；u——流體速度。復(fù)合這一規(guī)律的稱“牛頓流體〞。如水、空氣；否那么稱“非牛頓流體〞。理想流體：粘性系數(shù)為零的流體。在工程實(shí)際中，流體可看作理想流體?！?-1〕204.壓縮性和膨脹性〔1〕壓縮性：流體體積隨壓力而變化的性質(zhì)稱為壓縮性。常用流體的體積壓縮率來表示。體積壓縮率的倒數(shù)1/是彈性系數(shù)E，彈性系數(shù)E定義：為單位面積上因壓縮性引起的彈性力。(2)膨脹性：流體體積隨溫度T而變化的性質(zhì)稱為膨脹性。常用流體的膨脹系數(shù)來表示。21二、狀態(tài)方程式對(duì)于理想氣體，其狀態(tài)方程式為式中，R——為氣體常數(shù)；p——為氣體壓力；T——絕對(duì)溫度；v——為氣體比容。對(duì)于過熱蒸汽，可視為理想氣體。通常，要進(jìn)行修正?！?-4〕22三、其他熱力關(guān)系式比熱〔容〕：根據(jù)物理，可分為質(zhì)量比熱和摩爾比熱。質(zhì)量比熱定義為1kg氣體的溫度變化１oＣ所傳遞的熱量。在工程上通常用定壓比熱〔〕和定容比熱〔〕。對(duì)于理想氣體，定壓比熱、定容比熱和氣體常數(shù)R之間的關(guān)系有：內(nèi)能〔熱力學(xué)能〕和〔熱〕焓內(nèi)能U：工質(zhì)分子熱運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)能和分子間相互作用產(chǎn)生的位能之和。1kg工質(zhì)的內(nèi)能u稱比內(nèi)能，單位為J/kg。焓：在工程熱力學(xué)中，焓被定義為：單位為J/kg。理想氣體的焓、內(nèi)能都是溫度的函數(shù)：(1—6〕(1—7〕233.熵：在可逆過程中，只要工質(zhì)與外界有壓力差就能作功，壓力p為作功的推動(dòng)力。其作功情況由比容變化dv確定：

①當(dāng)dv=0，不作功；

②dv>0工質(zhì)對(duì)外膨脹作功；

③當(dāng)dv<0，工質(zhì)獲得外界的壓縮功，作功大小為同理，在可逆過程中，只要工質(zhì)與外界有溫度差就能傳熱，溫度T為傳熱的推動(dòng)力。其傳熱情況由熵的變化ds確定：①ds=0，與外界絕熱；②ds>0，表示工質(zhì)從外界吸熱；③ds<0，表示工質(zhì)對(duì)外界放熱。熵被定義為：，它是過程是傳熱的標(biāo)致。244.：為了從數(shù)量和質(zhì)量兩個(gè)方面來評(píng)價(jià)循環(huán)或過程的經(jīng)濟(jì)性引入?yún)?shù)。也可看成為一個(gè)狀態(tài)參數(shù)，它是指某一狀態(tài)的熱力系統(tǒng)可逆地變化到環(huán)境狀態(tài)時(shí)，可轉(zhuǎn)化為最大的有用功?！?-10a〕25四、連續(xù)性方程連續(xù)性方程是質(zhì)量守恒定律在流體力學(xué)中的數(shù)學(xué)表達(dá)式。在無源無匯的穩(wěn)定的一元流動(dòng)時(shí)，流道任意截面的面積A、密度與垂直該截面上的速度c的關(guān)系為式中，——為質(zhì)量流量。討論：〔1〕連續(xù)性方程實(shí)質(zhì)是物質(zhì)不滅定律，對(duì)于穩(wěn)定流動(dòng)，其質(zhì)量流量不變；〔2〕對(duì)于不可壓縮流體，密度為常數(shù)，其容積流量為常數(shù)：〔3〕可用連續(xù)性方程，如果知道流道通流面積，那么可求得流速；如果知道流速，那么可求得流道通流面積?！?-11〕26五、能量方程式能量守恒與轉(zhuǎn)換定律：各種形式的能量可以互相轉(zhuǎn)換，但能量總和保持不變。熱力學(xué)第一定律是能量守恒與轉(zhuǎn)換定律在熱力學(xué)上的應(yīng)用，即熱和功可以互相轉(zhuǎn)換。也就是說，輸入系統(tǒng)的能量-系統(tǒng)輸出的能量=系統(tǒng)內(nèi)能量的變化。閉口系統(tǒng)的能量方程式：閉口系統(tǒng)與外界無質(zhì)量交換，但與外界有熱量和機(jī)械功的交換。對(duì)于閉口系統(tǒng)1kg氣體，與外界有熱量交換為q，它使一局部工質(zhì)內(nèi)能變化u，作功為w，那么能量方程式為式中，q>0時(shí)，系統(tǒng)吸熱，q<0時(shí)，系統(tǒng)放熱；>0時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)能增加，u<0時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)能減少；w>0時(shí)，系統(tǒng)對(duì)外作功，w<0時(shí)，外界對(duì)系統(tǒng)作功。u〔1-12a〕27對(duì)于閉口系統(tǒng)的可逆過程，因w=pdv，那么開口系統(tǒng)能量方程式：閉口系統(tǒng)與外界既有質(zhì)量交換，也有熱量和機(jī)械功的交換。對(duì)于穩(wěn)定流動(dòng)，有輸入系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)輸出的能量對(duì)于穩(wěn)定流動(dòng)，1kg氣體的能量方程為〔因h=u+pv)(1-12b)(1-13b)28對(duì)于理想氣體，并忽略位能變化，那么有29六、熱力過程在動(dòng)力裝置中，熱能與機(jī)械功之間的轉(zhuǎn)換都是由熱力過程或循環(huán)來完成的。通常有等溫過程、等壓過程、等容過程、等熵過程及多變過程。定容過程在狀態(tài)變化過程中，工質(zhì)的比容保持不變，即v=常數(shù)，dv=0。那么根據(jù)狀態(tài)方程pv=RT，有即壓力與溫度成正比。定容過程不膨脹作功，所以容積功w=0。吸熱全部用于內(nèi)能增加。(1-20)式中，——表示平均比熱容。302.定溫過程在狀態(tài)變化過程中，工質(zhì)的溫度保持不變，即T=常數(shù)或dT=0那么根據(jù)狀態(tài)方程pv=RT，那么比容和壓力的關(guān)系有：pv=常數(shù)，顯然，有

即壓力與比容成反比。定溫過程工質(zhì)的技術(shù)功為：〔1-21〕31因定溫過程內(nèi)能變化為零〔Δu=0)，故系統(tǒng)與外界熱交換為：上式說明，定溫吸熱時(shí)，系統(tǒng)對(duì)外界做的容積功等于吸熱量；定溫放熱時(shí)，外界對(duì)系統(tǒng)做的容積功等于放熱量。3.絕熱過程：在狀態(tài)變化過程中，系統(tǒng)與外界沒有熱交換，即s=常數(shù)ds=0。此時(shí)，理想氣體的狀態(tài)方程為：〔1-22〕(1-23)式中，k——為絕熱指數(shù)。對(duì)于絕熱過程，初、終參數(shù)之間的關(guān)系也可以導(dǎo)出：〔1-24a)(1-24b)324.定壓過程：在狀態(tài)變化過程中，工質(zhì)的壓力保持不變，即p=常數(shù)dp=0那么根據(jù)狀態(tài)方程pv=RT，有即比容與溫度成正比。定壓過程的技術(shù)功等于0，焓的增加等于吸熱量〔1—27〕33七、熱力循環(huán)熱力循環(huán)分正熱力循環(huán)和逆熱力循環(huán)。動(dòng)力循環(huán)：為正熱力循環(huán)，它從高溫?zé)嵩传@得熱量并將其局部轉(zhuǎn)換成機(jī)械功，最后向低溫?zé)嵩磁欧诺臀粺崃?。如蒸汽?dòng)力循環(huán)〔火電廠〕，燃?xì)鈩?dòng)力循環(huán)〔燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電〕。動(dòng)力循環(huán)的熱效率η為輸出功W與吸熱量Q之比

(1-30)34制冷循環(huán)為逆熱力循環(huán)，它使熱量從低溫?zé)嵩磁畔蚋邷責(zé)嵩?。其代價(jià)是輸入機(jī)械功〔制冷〕。制冷裝置是以制冷為目的，維持低溫區(qū)持續(xù)低于環(huán)境溫度。制冷循環(huán)經(jīng)濟(jì)性由制冷系數(shù)表示：式中，W——裝置耗功；Q2-——制冷量。熱泵循環(huán)也是逆熱力循環(huán)，熱泵是以制熱為目的，維持高溫區(qū)持續(xù)高于環(huán)境溫度。其熱效率用供暖系數(shù)表示式中，W——裝置耗功；Q1——制熱量〔向熱源放熱〕。向熱源放熱Q1等于從冷源吸熱量與所耗的外功之和，即所以，兩邊同除以w得(1-31a)(1-31b)35由上式可知：正〔動(dòng)力〕循環(huán)〔η〕的熱效率總是小于1；逆循環(huán)的制冷系數(shù)〔ε〕可以大于1；供暖系數(shù)〔ε‘〕總是大于1的。能量利用系數(shù)：通常用理想循環(huán)的能量利用系數(shù)來評(píng)價(jià)循環(huán)的完善程度。在一定溫度范圍內(nèi)工作的一切循環(huán)，以理想的正、逆卡諾循環(huán)的能量利用系數(shù)最高。即正卡諾循環(huán)的熱效率〔〕和逆卡諾循環(huán)制冷系數(shù)〔〕最高。(1-32)36八、伯努利方程：伯努利方程是能量方程另一種形式。對(duì)于穩(wěn)定流動(dòng)，1kg理想流體其機(jī)械功為：上式右邊第一項(xiàng)為技術(shù)功，第二項(xiàng)為動(dòng)能差，第三項(xiàng)為位能差，第四項(xiàng)為損失。討論：〔1〕伯努利方程是能量轉(zhuǎn)換與守恒定律的一種表達(dá)形式。它適合于計(jì)算截面是符合穩(wěn)定流動(dòng)、緩變流。對(duì)于與外界有熱交換的可壓縮流體，那么不滿足能量轉(zhuǎn)換與守恒條件。因此，有熱傳遞的容積式機(jī)器不使用此方程。(1-34a)37〔2〕技術(shù)功在不同情況下有不同的名稱。如，在膨脹機(jī)械中稱膨脹功；在壓縮機(jī)械中之壓縮過程消耗的功稱壓縮功。對(duì)于不可壓縮流體，密度ρ為常數(shù)，，顯然靜壓力差。對(duì)于只有機(jī)械能轉(zhuǎn)換的不可壓縮流體，又引入水頭〔水輪機(jī)〕或揚(yáng)程，這樣，伯努利方程表成下式：〔3〕計(jì)算截面之間與外界無機(jī)械能交換時(shí)，。如一般管道、流體機(jī)械中之固定部件〔噴嘴、擴(kuò)壓管等〕。這種情況下，流體動(dòng)能變化轉(zhuǎn)換成壓能或熱能的變化。〔4〕計(jì)算截面之間與外界有機(jī)械能交換時(shí)，。如葉輪機(jī)械中任意兩個(gè)截面包括葉輪與外界交換機(jī)械功為理論功時(shí)，有(1-34b)(1-34c)38式中，工作機(jī)種取正號(hào)，葉輪輸入的機(jī)械功使流體的位能、靜壓能和動(dòng)能增加。由于實(shí)際流體的粘性存在，會(huì)產(chǎn)生損失，輸入的機(jī)械功不可能全變?yōu)槲荒堋㈧o壓能和動(dòng)能。39第四節(jié)實(shí)際過程中常見的能量轉(zhuǎn)換在流體機(jī)械中，流體的能量與外界機(jī)械功發(fā)生轉(zhuǎn)換的有：不可壓縮流體的機(jī)械功與外界機(jī)械功的轉(zhuǎn)換；可壓縮流體，流體的熱能與外界機(jī)械功的轉(zhuǎn)換是通過流體的膨脹與壓縮過程來實(shí)現(xiàn)的。熱量交換〔吸熱和放熱〕是常見的實(shí)際過程。在能量轉(zhuǎn)換過程，是通過工質(zhì)的參數(shù)的變化，來實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的。一、流體機(jī)械中的能量轉(zhuǎn)換等容過程——機(jī)械功的轉(zhuǎn)換〔不可壓縮流體〕在流體機(jī)械中，對(duì)于不可壓縮流體，其機(jī)械功與外界機(jī)械功的轉(zhuǎn)換是在流體密度不變條件下進(jìn)行的。能量轉(zhuǎn)換只是由于流體進(jìn)出口機(jī)械能的差值不同，由伯努利方程402.壓縮過程與膨脹過程——功熱轉(zhuǎn)換〔可壓縮流體〕流體機(jī)械中的熱能向機(jī)械功轉(zhuǎn)換是由工質(zhì)的膨脹來實(shí)現(xiàn)的〔原動(dòng)機(jī)〕；而機(jī)械功轉(zhuǎn)換成熱能是通過壓縮工質(zhì)〔工作機(jī)〕來完成的。對(duì)于1kg工質(zhì)，其〔輸入〕壓縮功或膨脹做功分別是〔1-35〕〔1-36〕其中，下標(biāo)y、p分別代表壓縮和膨脹。如果用gy、dy分別表示高、低壓，那么上二式可合并為〔1-37〕41二、吸熱過程和放熱過程——熱量交換當(dāng)物體參加或移出熱量時(shí)，那么物體的熱力學(xué)能發(fā)生改變。如果熱量變化只改變了物質(zhì)內(nèi)部動(dòng)能，那么物質(zhì)只有溫度變化，但不發(fā)生相變；如果熱量變化改變了物質(zhì)內(nèi)部位能，那么物質(zhì)發(fā)生相變，而溫度不變化。固體與液體之間發(fā)生相變，其參加或移出的熱量稱為熔解潛熱；液體與液體之間發(fā)生相變，其參加或移出的熱量稱為汽化潛熱。其參加或移出的熱量的過程稱為稱為吸熱或放熱過程。1.固體溶解為液體，液體蒸發(fā)為氣體，固體升華為氣體，這些過程都要吸收潛熱，因此可利用以到達(dá)制冷的目的。如制冷裝置的蒸發(fā)器，制冷液在其中蒸發(fā)，吸收房間內(nèi)的熱量，使房間溫度下降。鍋爐中水吸熱蒸發(fā)為高溫、高壓蒸汽，而蒸汽送汽輪機(jī)膨脹做功。42工質(zhì)從氣態(tài)凝結(jié)為液態(tài)要放出潛熱。如制冷、制熱，電廠之冷凝器都有凝結(jié)放熱過程。根據(jù)能量守恒定律，對(duì)于某一系統(tǒng)發(fā)生放熱過程，失去熱量；那么周圍外界必然會(huì)發(fā)生吸熱過程，得到熱量。如制冷裝置的冷凝器，是將熱量排給外界，為放熱過程；而外界得到熱量，為吸熱過程。制冷裝置的蒸發(fā)器是從外界得到熱量，為吸熱過程；而外界失去熱量，為放熱過程。熱量傳遞有三種形式——導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射〔1〕導(dǎo)熱：熱量從溫度較高的物體〔局部〕向溫度較低的物體〔局部〕傳遞過程。其導(dǎo)熱量為〔1—44〕其中，——為導(dǎo)熱系數(shù)，；——面積，〔〕；——溫差(K)；——導(dǎo)熱體厚度(m)。43〔2〕對(duì)流換熱：溫度不同的流體之間發(fā)生相對(duì)移動(dòng)而引起的傳熱過程。對(duì)流換熱量為〔1—45〕其中，h——為放熱系數(shù)；A——面積，〔〕；ΔT——溫差(K)。換熱系數(shù)h與流體的無形參數(shù)、流動(dòng)狀態(tài)、物態(tài)變化、換熱面的形狀與布置有關(guān)。自然對(duì)流換熱：由于流體各局部溫度不同引起的密度不同而產(chǎn)生的換熱現(xiàn)象。強(qiáng)迫對(duì)流換熱：流體在外力作用下而產(chǎn)生流動(dòng)進(jìn)行換熱。無相變的對(duì)流換熱、沸騰換熱、凝結(jié)換熱沸騰換熱：液體外表和內(nèi)部同時(shí)產(chǎn)生蒸發(fā)而換熱；凝結(jié)：流體由氣體變化為液體。又分膜狀凝結(jié)和珠狀凝結(jié)。44〔3〕輻射換熱：高溫物體以電磁波的形式向周圍物體傳遞熱量的過程。輻射換熱量為〔1—46〕式中，——輻射換熱系數(shù)。〔4〕綜合傳熱〔1—47〕式中，K——傳熱系數(shù)。45三、燃燒過程——化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能燃燒：是將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能的過程。有內(nèi)燃和外燃。燃料：常規(guī)燃料有固體燃料〔煤〕、液體燃料〔油〕、氣體燃料〔天然氣、煤氣〕。燃燒時(shí)，燃料和氧氣發(fā)生急劇化學(xué)反響，放出熱量，并有發(fā)光現(xiàn)象。1.固體燃料〔煤〕燃燒：當(dāng)煤粉進(jìn)入鍋爐爐膛后，先是預(yù)熱，水分蒸發(fā)〔枯燥〕；當(dāng)溫度達(dá)120~450℃時(shí)，揮發(fā)份析出，著火燃燒；剩下焦炭，焦炭吸熱后著火燃燒，并放出大量熱量；最后是燃盡階段。固體燃料燃燒的關(guān)鍵是著火〔揮發(fā)份〕和燃盡。462.液體燃料——汽油、煤油、柴油和重油內(nèi)燃機(jī)的燃料為汽油、柴油；液體燃料容易著火。油的燃燒過程分5個(gè)階段：霧化、蒸發(fā)、擴(kuò)散混合、著火、燃燒。前三個(gè)階段為物理過程，是保證著火、充分燃燒的必要條件。3.氣體燃料——天然氣、煤氣氣體燃料最容易著火燃燒。燃燒的三個(gè)要素：燃料、氧氣、活化所需能量。完全燃燒的滿足條件：著火溫度，適當(dāng)?shù)目諝?，及時(shí)排除燃燒產(chǎn)物，保證燃燒時(shí)間和空間。47*第五節(jié)典型流動(dòng)分析流體在流動(dòng)時(shí)，有三種情況：等速流動(dòng)，加速流動(dòng)，減速流動(dòng)。對(duì)于不可壓縮流體，用一元分析，等截面管道中的流動(dòng)，就是等速流動(dòng)，在管道系統(tǒng)和熱交換器的管束一般都是等截面管道；在亞音速條件下，加速流動(dòng)一般發(fā)生在截面積逐漸減小的流道內(nèi)。如原動(dòng)機(jī)之進(jìn)汽管、噴嘴、葉輪通道等；工作機(jī)之吸氣室。如速度式工作機(jī)內(nèi)的大局部流道的截面積是逐漸增大的，其流速是逐漸減小的。如葉輪、擴(kuò)壓管、渦室等。48一、加速〔或減速〕流動(dòng)——噴嘴〔或擴(kuò)壓管〕〔圖1-7〕流體在噴嘴中的流動(dòng)是沿流動(dòng)方向加速，壓力下降；而在擴(kuò)壓管中那么與之相反。例如，①蒸汽在噴嘴中膨脹加速，壓力降低，將熱能變?yōu)閯?dòng)能，推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)作功；②流體在壓縮機(jī)中減速流動(dòng)，將流體的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓力能，為后面的部件提供小的速度以減少壓力損失。在亞音速情況下，噴嘴面積逐漸減小，在超音速情況下，噴嘴面積逐漸增加；而擴(kuò)壓管的面積變化相反〔圖1—7a〕。在不考慮能量損失時(shí)，流體通過噴嘴、擴(kuò)壓管是其總能量不變。由伯努利方程可知，流體通過噴嘴時(shí)，引起焓值下降；而在擴(kuò)壓管那么引起焓升。對(duì)于氣體來說，可忽略位能變化，根據(jù)伯努利方程那么有：49對(duì)于液體，穩(wěn)定流體由伯努利方程，那么有：以上各式中，下標(biāo)0、1分別代表噴嘴進(jìn)出口處，相應(yīng)參數(shù)為進(jìn)出口處的參數(shù)。下標(biāo)3、4分別代表擴(kuò)壓管進(jìn)出口處，相應(yīng)參數(shù)為進(jìn)出口處的參數(shù)。50二、等截面管道流動(dòng)等速流動(dòng)——直管道管道有：直管道、變截面管道。流體在變截面管道流動(dòng)，有加速流動(dòng)〔管道截面積沿流動(dòng)方向減少，如噴嘴〕和減速流動(dòng)〔管道截面積沿流動(dòng)方向減少，如擴(kuò)壓管〕。而在直管道中，理想不可壓縮流體的流動(dòng)是等度流動(dòng)。對(duì)于實(shí)際流體，因摩擦而又一定的壓力損失。2.彎管流動(dòng)對(duì)于等截面管道中非一元流動(dòng)，局部的加速和減速取決于流道的形狀。流體在彎管中的流動(dòng)如圖1-8所示。流體流過彎管的外側(cè)〔凸邊〕時(shí)，先減速，后加速；相反，流體流過彎管的內(nèi)側(cè)〔凹邊〕時(shí)，先加速，后減速。在實(shí)際動(dòng)力機(jī)械的葉輪和葉片通道中，可用此來分析。51對(duì)于流體彎曲流動(dòng)，由于離心力作用，外側(cè)壓力高于內(nèi)側(cè)壓力。運(yùn)用伯努利方程進(jìn)行分析，各截面的能量總和不變，那么壓力高的截面〔外側(cè)〕速度小