華科大能源與動力裝置基礎課件第1章 緒論

華中科技大學

能源與動力工程學院第4章渦輪機

第9章鍋爐

第11章發(fā)電廠系統(tǒng)及其他動力裝置系統(tǒng)：發(fā)電廠設備：渦輪機鍋爐能源的轉換與利用B：鍋爐S：鍋爐過熱器T：汽輪機C：冷凝器P：水泵STCPB火力發(fā)電廠示意圖TS1234

1′

2′

3′

4′發(fā)電廠有關數(shù)據(jù)900MW機組日發(fā)電量=2160萬度上網(wǎng)電價0.22元，日產(chǎn)值475.2萬元使用電價0.5元，日銷售額1080萬元按10%利潤額計，日利潤108萬日燃煤量：3240噸STCPB0.9-.940.45-0.47ηcp=ηbηpηiηmηg=0.38-0.420.990.99火力發(fā)電廠的效率指標鍋爐效率管道效率汽輪機內(nèi)效率機械效率發(fā)電機效率全廠總效率兩點

要求：能源與動力裝置基礎(1-0)厚基礎、寬口徑、重實踐聽課（包括實習）：學習知識，掌握方法捷徑培養(yǎng)習慣，磨煉意志

是成績的一部分筆記（包括實習筆記和報告）：

記重點，是理解和工作能力的培養(yǎng)有助于注意力集中，提高效率第一章緒論專業(yè)內(nèi)容：熱能、化學能、機械能、電能等之間轉換原理及其裝置（機械、設備）專業(yè)背景：能源、動力

裝置的現(xiàn)代設計、制造、運行——數(shù)值化；創(chuàng)新，如7μm渦輪機；增加信息技術，如電噴發(fā)動機能源是三大支柱之一，持續(xù)發(fā)展的源泉兩個標志：當時社會與科學技術水平；國家綜合國力。

※本課程內(nèi)容安排體現(xiàn)了知識的系統(tǒng)性、共同基礎和內(nèi)容的融合：（工作原理的整合）第一章是復習和總結；在二到九章討論單個機器、設備，主要針對某種過程；

在十、十一章裝置系統(tǒng)，主要是針對循環(huán)。第一、二章基礎部分有難度，面廣、第一次接觸專業(yè)※本課程的內(nèi)容

討論能源動力部門（包括工藝過程與裝備）的機械、設備、裝置的組成、結構、工作原理和性能流體機械+換熱設備+其它…=能源動力裝置圖1-1火力發(fā)電廠的生產(chǎn)過程圖能源動力裝置之一：電廠系統(tǒng)汽輪機，二種風機，五種泵，11種熱交換設備(水冷壁)，還有煤粉系統(tǒng)(包括風機)，發(fā)電輸送系統(tǒng)汽輪機送風機引風機循環(huán)水泵凝結水泵省煤器給水泵鍋爐過熱器凝汽器低壓加熱器高壓加熱器除氧器預熱器煙氣煙囪給水鍋爐過熱蒸汽除塵器預熱器大氣-煙氣-大氣；水-蒸汽-水；冷卻水循環(huán)水在鍋爐中變蒸汽Q1Q2W能源動力裝置之二：制冷(熱)循環(huán)(冷凝器)(蒸發(fā)器)（膨脹機）可以看到：機械、設備與裝置的關系四通閥第一節(jié)分類和應用流體機械：表1.1裝置和系統(tǒng)——流體機械和換熱設備組成：圖1.1,1.2,1.5等電廠系統(tǒng)：正循環(huán)，動力循環(huán)(過程組成)制冷系統(tǒng)：逆循環(huán)換熱設備：表1.2一、分類(一)流體機械以流體（液體和氣體）為工質，與外界進行傳遞能量和質量的機械被稱為流體機械;根據(jù)流體是液體還是氣體分為水力機械和氣體機械；根據(jù)能量是輸出還是輸入機械功可分為動力機械(或原動機)和工作機械。按工作原理又常分為速度式、容積式(往復、回轉)和其它形式的流體機械(如射流泵等),本書主要討論前兩大類的流體機械。根據(jù)結構型式流體機械還可以細分，見表1-1。1.速度式：流體在流道中連續(xù)流動

(1)軸流式(2)徑流(3)混流(斜流)式

(4)橫流式2.容積式：流體在流道中間斷流動

(1)

往復式：活塞式

(2)

回轉式：螺桿式，羅茨式，渦旋式，齒輪式，滾動活塞式，滑片式……3.噴射式：旋轉軸(1)軸流、(2)徑流(離心)壓縮機軸流離心1

速度式(3)混流(斜流)式

照片子午面(軸面)(2)螺桿式式積容2不連續(xù)流動(1)活塞式3噴射式(二)換熱設備（質量交換）換熱設備是動力工程中常見的能量(熱能)交換裝備。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、預熱器、過熱器、再熱器、凝汽器、加熱器等；燃氣輪機裝置內(nèi)的中冷器、回熱器、等。這些熱交換器一般是固體兩邊壁面的流體通過對流進行熱交換，也有通過輻射、兩流體直接接觸等方式進行熱交換的。按結構分類，表1-2：對于兩流體進行換熱的熱交換器，按熱、冷流體的流動方向可以分為順流式（兩流體同向平行流動），逆流式（兩流體反向平行流動），錯流式（兩流體垂直交叉流動）和混流式（順流逆流兩種形式同時存在）。1.間壁式：(1)管式(2)板式(3)(熱)管式2.混合式3.蓄熱式1.間壁式：(1)管式(2)板式(3)(熱)管式2.混合式3.蓄熱式二、應用2010年有生產(chǎn)1000萬輛汽車的能力，艦船、飛機、巡航導彈發(fā)電裝機容量96年2.5億KW，2000年3億KW，2004年4億KW，2020年到9億Kw風機、泵、壓縮機的用電量占全國發(fā)電量1/3左右制冷、空調1~2000萬臺/年、低溫、冷藏鏈能源動力、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、芯片與國外有差距，需要研究和發(fā)展基地總體參觀了解流體機械和換熱設備的分類、動力裝置與這些機械設備的關系。(一)實習的目的(二)實習思考題1．將表1．1中的各種機械的結構簡圖與實物模型對比，重點了解其中幾種，建立一些實物模型的概念，例如徑流式、活塞式、．．．．．．

2．將表1．2中的各種熱交換器的結構簡圖與實物模型對比，重點了解其中幾種，建立一些實物模型的概念，例如管式、板式、．．．．．．

3．根據(jù)流體流動方向，觀察并說明所見到機器設備中面積（速度、壓力）是如何變化？4．觀察所見到的系統(tǒng)裝置，了解其中有幾種流體流動，每種流體經(jīng)過的部件分別是哪些機械和設備。(三)實習要求5．根據(jù)參觀和了解，寫出第一次的報告：時間、地點、內(nèi)容（記述）、小結．單獨計算學分工程熱力學和流體力學基礎▲工質狀態(tài)：固、液氣第二節(jié)制冷劑；水；凝結

<

飽和溫度、壓力

<

汽化熱流體的知識熱力學是研究能量、能量轉換以及物質性質之間的關系，研究物質系統(tǒng)的狀態(tài)、狀態(tài)變化及變化時系統(tǒng)間的相互作用；流體力學是研究流體在外力作用下平衡和運動規(guī)律；臨界參數(shù)Tc、pc▲可壓縮性定義體積壓縮率κ=-(dV/dp)/V

彈性系數(shù)E=1/κ=ρdp/dρ；E是單位面積上彈性力

M2=慣性力/彈性力

馬赫數(shù)大<=>

彈性力小<=>

壓縮性大

M<0.2常?？闯刹豢蓧阂弧⒘黧w的性質▲基本狀態(tài)參數(shù)：P,T,ρ可以測量的,由此可得其他參數(shù)，例如▲臨界參數(shù)：M=c/a=1時的參數(shù)如pcr、Tcr音速a=(dp/dρ)0.5=(kRT)0.5

▲粘性——流體抵抗變形的能力▲理想流體μ是損失、阻力的根源和內(nèi)因μ機理？——流體力學中粘性為0，熱力學中遵守pv=RT分子的內(nèi)聚力；流層之間動量交換粘性切應力τ=μdu/dy

適用牛頓流體uy流向二、狀態(tài)方程式

三、其它熱力關系式p=ZRTρ，基本狀態(tài)參數(shù)的關系

比內(nèi)能u、比熵s、比熱容c、▲狀態(tài)方程式：▲其它熱力學參數(shù):比熱焓h、音速a狀態(tài)（點）}下面從熱力學角度討論工質（流體）：工質的狀態(tài)、過程、循環(huán)的表示和評價▲同一點上狀態(tài)參數(shù)之間關系Z=1是理想流體；真實流體Z不等于1φ、任一狀態(tài)參數(shù)是另兩個狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)四、熱力過程▲過程方程式：pvn=constp2/p1=(T2/T1)n=1，0，∞，k是標準(理想？)過程，(k與氣體有關)過程描述基本狀態(tài)參數(shù)關系實際過程的n與損失有關（偏離理想過程程度）——過程（線）二個任意點1、2之間關系：流體有效能量變化/輸入功（工作機）——損失評價（經(jīng)濟性）損失為分母與分子之差例如：輸出功/流體有效能量變化（原動機）得到有效能量/消耗能量例:管1-2、2-3段的效率都為70%，速度c1=3c2=2c3，求1-3段效率？能量平衡(量)；質？▲過程的評價

效率：70%1270%3解：(p2-p1)/ρ0.5(c12-c22)=0.7；0.5(c32-c22)ρ/(p2-p3)=0.7總效率=(p3-p1)/0.5ρ(c12-c32)p2=0.35*8ρc22+p1；p2=0.5ρ(1.25c22)/0.7+p3總效率=(1.9ρc22)/3.375ρ

c22=56.3%

考慮最大可用能q(1-T0/T)有用功的損失主要用于對熱能的評價冷凝器的熱效率低，排熱量大；但因溫度T低，能量質量差而作功能力損失不大煙氣T=2000K，水蒸氣T=600K,T0=300K,兩種工質的熱量相等煙氣最大可用能q(1-T0/T)=q17/20=0.85q,

水蒸氣最大可用能q(1-T0/T)=q3/6=0.5q;

效率：例：現(xiàn)代鍋爐熱效率>90%；效率50%

五、循環(huán)

功、能量發(fā)生轉換▲關系：不同過程組成（閉合線）例如理想卡諾循環(huán)：兩個等溫(吸熱、放熱)過程和兩個絕熱(膨脹、壓縮)過程▲特征：狀態(tài)參數(shù)變化為零冷、熱源溫度為T2,T1一定時，功最大（經(jīng)濟性與完善程度）※經(jīng)濟性效率η

=輸出功/消耗熱量=w/Q正循環(huán)制冷系數(shù)ε=制冷量/機械功=Q2/w制熱系數(shù)ε’=制熱量/機械功=Q1/wQ1=

Q2+w,ε’=ε+1>1,ε’>ε逆循環(huán)能量利用系數(shù)：η，ε

，ε’的統(tǒng)稱▲循環(huán)的評價※完善程度η

：能量利用系數(shù)的實際值與理想值之比

例如η=ε/εc,η’=ε’/εc’

最高能量利用系數(shù)ηc，εc，εc’ηc=w/Q=(T1-T2)/T1=1-T2/T1εc=Q2/w=T2/(T1-T2)εc’=Q1/w=T1/(T1-T2)是理想卡諾循環(huán)的值以上內(nèi)容除滿足上述關系外，還必須遵循基本規(guī)律六、連續(xù)性方程▲質量守恒▲方程式▲討論：——三大守恒之一qm=ρA●c=const條件？1、速度與面積相互垂直、矢量點乘2、不可壓時與外界無質量交換3、按截面速度不均勻計算時q

m=∫ρc

dA=const

qv=qm/ρ=A●c=const

P19例題1-1：▲應用：求速度、面積（幾何尺寸）、流量已知水流在直徑d1=100mm的管中速度

C1=10m/s，求出口為直徑d2=400mm的圓柱面上(圓環(huán)與園盤面組成通道)的流量和速度c2？解：進口為圓面積、出口是圓柱面積。出口速度c2=qv2/(π*d2*b)=6.25m/s離心葉輪出口的面積如何表示？與其垂直的是什么速度？qv2=qv1=c1*π*d12/4=0.07854m3/s七、能量方程式能量守恒：系統(tǒng)內(nèi)能量變化=輸入能量-輸出能量

q=Δu+W

=Δu+∫p

dv

=cv(T2-T1)+∫p

dv

穩(wěn)定流動時，系統(tǒng)的輸入能量=輸出能量閉口系統(tǒng)開口系統(tǒng)：q±W+u1+p1v1+gz1+0.5c12=u2+p2v2+gz2+0.5c22

q±W=h2-h1+g(z2-z1)+0.5(c22-c12)

在q=0，并且忽略氣體位能的變化后有

討論±W=h2-h1+0.5(c22-c12)=h2*

-h1*

1、熱力學第一定律是能量守恒與轉換定律的一種形式；4、沒有回答能量損失了多少？能量如何分布？2、運動部件，如葉輪、活塞連桿等，與外界交換機械能；包括交換功部件的任意兩截面間，W不等于03、靜止部件，如管道、靜葉等，與外界沒有能量交換

h*=const或h1*=h2*；粘性引起的能量損失隱含在焓差或溫差項

應用：用滯止焓降表示流體的總能量理想氣體常常用于求溫度，h=cpT

T*=const或T1*=T2*

八、伯努利方程式▲機械能守恒▲討論——能量守恒的另一形式包括與外界交換的機械能W和流體本身的機械能的變化： 壓力能∫v

dp+動能0.5Δc2+勢能gΔz

W=∫12vdp+0.5（c22-c12）+g（z2-z1）+ΣδW

1、使用條件是符合穩(wěn)定流動、緩變流截面；可壓縮流體應與外界無熱傳遞；

2、技術功-∫12vdp在膨脹機械中稱為膨脹功；而壓縮機械中該功∫12vdp又簡稱為壓縮功；

3、對于工質為水的不可壓流體，常常引入總水頭（水輪機）或揚程（泵裝置）H=W/g后,該式表示為：

±H=(p2-p1)/(ρg)+0.5（c22-c12）/g+（z2-z1）+ΣδH

氣體不可壓縮時？

動量守恒在第二章討論4、損失ΣδW是各種機械能的損失,與W的表示有關；例

Wth=∫12vdp+0.5（c22-c12）+g（z2-z1）+ΣδWhyd

回答了流體能量的分布情況；±W=(p2-p1)/ρ+0.5（c22-c12）+g（z2-z1）+ΣδW

10m2m2m/s3.125m/s課內(nèi)題:例1-2中水面上漲1m，管道進出口直徑相等；流量和流動損失δWhyd與例1-2的相同,求水泵的理論功率?例1-2：p21解:由

Wth=∫12vdp+0.5（c22-c12）+g（z2-z1）+ΣδWhyd

壓力項∫12vdp=(p2-p1)/ρ=(1-1.2)105/1000速度項c2=3.125m/s,c1=2m/s第三節(jié)實際過程中常見的能量轉換流體能量與外界機械功的轉換；而熱量交換；化學能與熱能的轉換。在這些能量轉換中，工質的參數(shù)發(fā)生了相應的變化?；蛘哒f通過工質參數(shù)的變化來表示能量轉換的值。

由于密度ρ是常數(shù)，流體與外界交換的能量W僅僅與流體的機械能變化值(壓能差Δp/ρ、動能差、勢能差)有關，由伯努利方程：

±Wth=Δp/ρ+0.5(c22-c12)+g(z2-z1)+δWhyd一、流體機械內(nèi)的能量轉換1、等容過程——機械功的轉換（不可壓流體）一般溫度T、密度ρ不變化壓縮過程——功轉換熱焓，壓縮機、工作機膨脹過程——熱焓轉換功，膨脹機、原動機Wp

=-∫21vdp=∫12vdpWy=∫21vdp等熵功=(hgy-hdy)s

=cp(

Tgy-Tdy

)s2、壓縮過程和膨脹過程——功熱轉換（可壓流體）1進口2出口（與過程有關）等溫壓縮功WT，y=RT1ln(p2/p1)

例1-3已知壓比為2.5，進口溫度為27℃，計算氫氣、空氣、氟利昂-12三種不同R的氣體的等熵壓縮功Ws，y。若空氣多變指數(shù)n/(n-1)=2.8，計算空氣的多變壓縮功Wpol，y和等溫壓縮功WT，y。

工質R[J.(kg.K)-1]分子量kWs，y(J.kg-1)Wpol，yWT，y氫氣4124.02.0161.411299013

空氣287.028.9661.40901839333378893氟利昂-1268.8120.921.1420017解：計算結果列于下表注：1、等熵壓縮功氫氣Ws，y>空氣Ws，y>氟利昂-12Ws，y2、空氣Wpol，y>

Ws，y>等溫壓縮功WT，y(見圖)Wpol，p

1<Ws，p1<等溫膨脹功WT，p

3、進口溫度T的影響，壓縮時低有利減少功；膨脹時高有利增加功；R大(小)，分子量小(大)，輕(重)氣體，很難(容易)壓縮二、吸熱過程與放熱過程——熱量交換熱量在熱力學上為由高溫物體傳遞到低溫物體的能量吸熱放熱潛熱(T不變，分子內(nèi)部位能變化)顯熱(T變，分子內(nèi)部動能變化)溶解,汽化凝固,冷凝蒸發(fā)器發(fā)生器省煤器鍋爐…..應用例？冷凝器吸收器凝汽器冷卻器…1、定義：2、交換熱量的計算Q=KA△TA——面積△T——溫差K——傳熱系數(shù)，與導熱系數(shù)、放熱系數(shù)、輻射換熱系數(shù)等有關，常用實驗圖表或經(jīng)驗公式?jīng)Q定。強化換熱的主要手段是增大K能量守恒：放熱量=吸熱量3、熱交換量評價解：熱損失δQ=Q2-Q1=Q2*5%熱效率=Q1/Q2=1-δQ/Q2=1-5%=95%熱水的高品質熱量變成清水(平均溫度低)的低品質熱量熱量平衡效率=例1-