能源與動力裝置基礎(chǔ)-基礎(chǔ)知識

能源與動力裝置根底鄭藝華授課教師鄭藝華機(jī)電工程學(xué)院，熱能與動力工程系辦公：85953720電子郵件：能源與動力裝置根底厚根底、寬口徑、重實(shí)踐專業(yè)背景：能源、動力?能源與動力裝置根底——根底知識?第一節(jié)緒論能源是近代社會開展三大支柱之一。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)?能源與動力裝置根底——根底知識?能源分類一次能源。直接從自然界取得的能源，如河流中流動的水、開采出的原煤、原油、天然氣、天然鈾礦等。二次能源。對一次能源加工、轉(zhuǎn)換得到的能源，如電力、蒸汽等?？稍偕茉?。如太陽能、生物質(zhì)能、水能、風(fēng)能、地?zé)崮?、波浪能、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。?能源與動力裝置根底——根底知識??能源與動力裝置根底——根底知識?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(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〕。?能源與動力裝置根底——根底知識?動力系統(tǒng)之一：火電廠?能源與動力裝置根底——根底知識?動力系統(tǒng)之二：水輪機(jī)?能源與動力裝置根底——根底知識?動力系統(tǒng)之三：核電站?能源與動力裝置根底——根底知識?動力系統(tǒng)之四：風(fēng)力發(fā)電?能源與動力裝置根底——根底知識?動力系統(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。?能源與動力裝置根底——根底知識?動力系統(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蚨c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。?能源與動力裝置根底——根底知識?動力系統(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〕，對工質(zhì)進(jìn)行壓縮而獲得熱量(熱泵)或冷量(制冷)。?能源與動力裝置根底——根底知識?動力系統(tǒng)之八：泵站?能源與動力裝置根底——根底知識?

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

‥‥‥其他動力系統(tǒng)?能源與動力裝置根底——根底知識?動力系統(tǒng)小結(jié)之一工質(zhì)內(nèi)能動能勢能燃燒室反應(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)?能源與動力裝置根底——根底知識?動力系統(tǒng)小結(jié)之二機(jī)械功流體機(jī)械工質(zhì)內(nèi)能動能勢能流體機(jī)械機(jī)械功?能源與動力裝置根底——根底知識?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)械功動力系統(tǒng)小結(jié)之三?能源與動力裝置根底——根底知識?動力系統(tǒng)的三大部件〔按功能〕燃燒室〔爐膛〕換熱器流體機(jī)械?能源與動力裝置根底——根底知識?第二節(jié)能源與動力裝置的分類一、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：動力機(jī)械(或原動機(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。?能源與動力裝置根底——根底知識?

流體機(jī)械分類表

原動機(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

內(nèi)燃機(jī)

容積式?能源與動力裝置根底——根底知識?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：單螺桿、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?能源與動力裝置根底——根底知識?

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有直接的關(guān)系?能源與動力裝置根底——根底知識?

葉片式流體機(jī)械：轉(zhuǎn)動的葉片;連續(xù)繞流;流體與外界的能量傳遞是通過旋轉(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。?能源與動力裝置根底——根底知識?

葉片式流體機(jī)械分類

型式分類流體動力機(jī)械工作機(jī)械速度式反動式?jīng)_動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)?能源與動力裝置根底——根底知識?

換熱設(shè)備是動力工程中常見的能量(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對流進(jìn)行熱交換，也有通過輻射、兩流體直接接觸等方式進(jìn)行熱交換的。?能源與動力裝置根底——根底知識?

換熱器的分類按流動方向分：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?能源與動力裝置根底——根底知識?

三、應(yīng)用2021年有生產(chǎn)1000萬輛汽車的能力，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)的用電量占全國發(fā)電量1/3左右。制冷、空調(diào)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。?能源與動力裝置根底——根底知識?

我國能源與動力領(lǐng)域和國際先進(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，比興旺國家多45克。一次能源轉(zhuǎn)化成電力的比例只有22%，而興旺國家平均為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)的油耗率也要比國際先進(jìn)水平高8-15%。我國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家之一。?能源與動力裝置根底——根底知識?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存、轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移以及物質(zhì)性質(zhì)的科學(xué)。能量的儲存形式有：內(nèi)能〔與溫度相關(guān)聯(lián)〕、動能〔由于運(yùn)動引起〕、勢能〔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)動規(guī)律的學(xué)科。?能源與動力裝置根底——根底知識?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：?能源與動力裝置根底——根底知識?二、流體的性質(zhì)根本狀態(tài)參數(shù)是可測量的狀態(tài)參數(shù)，被稱為根本狀態(tài)參數(shù)。通過根本狀態(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)。?能源與動力裝置根底——根底知識?

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?能源與動力裝置根底——根底知識?

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?？闯刹豢蓧厚R赫數(shù)2＝慣性力/彈性力?能源與動力裝置根底——根底知識?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：?能源與動力裝置根底——根底知識?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?能源與動力裝置根底——根底知識?五、典型的熱力過程對于簡單可壓縮系統(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)不變的過程被稱為根本熱力過程，如等溫過程、等壓過程、等容過程、等熵過程。

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

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

?能源與動力裝置根底——根底知識?六、熱力循環(huán)及其評價(jià)特征:狀態(tài)參數(shù)變化為零;功、能量發(fā)生轉(zhuǎn)換;由不同過程組成正熱力循環(huán)：是通過工質(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)。?能源與動力裝置根底——根底知識?熱力循環(huán)的完善程度評價(jià)動力循環(huán)：用熱效率評價(jià)制冷系數(shù)評價(jià)〔制冷〕供熱系數(shù)評價(jià)〔熱泵〕熱力系統(tǒng)還會引入其它的評價(jià)方法，如熵方法、傭方法等。逆循環(huán)：能量利用系數(shù)：總稱。?能源與動力裝置根底——根底知識?七、連續(xù)性方程〔質(zhì)量守恒〕在一維定常流動中：對不可壓縮流體：?能源與動力裝置根底——根底知識?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)對于理想氣體開口系統(tǒng)

對于穩(wěn)定流動，輸入系統(tǒng)的能量＝系統(tǒng)輸出的能量用熱焓表示的方程：?能源與動力裝置根底——根底知識?對于開口系統(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，既適用于可逆過程也適用于不可逆過程。可逆時(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，與外界沒有能量交換，h*=const或h1*=h2*T*=const或T1*=T2*?能源與動力裝置根底——根底知識?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、緩變流；對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)伯努利方程便沒有意義；計(jì)算截面之間與外界沒有機(jī)械能交換時(shí)，W=0。對于不可壓液體，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：?能源與動力裝置根底——根底知識?第四節(jié)實(shí)際過程中常見的能量轉(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。?能源與動力裝置根底——根底知識?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)宏觀動能勢能的變化可忽略(7)不是實(shí)用的流體機(jī)械?能源與動力裝置根底——根底知識?2、開口系穩(wěn)定過程能量平衡：輸入E1：推動功，殼體傳熱,輸出E2：推動功,輸出軸功?能源與動力裝置根底——根底知識?開口系與閉口系的不同：

機(jī)械功與工質(zhì)的壓力能、動能和位能相互轉(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)過程有關(guān)

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