热能与动力机械基础绪论

热能与动力机械基础ThermalEnergyandPowerMechanicsBasis田径汽车学院内燃机系[e-mail]课程网站:cc.jlu.edu.cn一、本课程的设置：专业调整后新开设的课，是社会市场发展的需要；不仅限于现代动力设备的能量转换特点；能源结构的变化、能源利用方式的更新。21世纪的特点：信息化。问题：能源问题、污染问题。70年代的“多、快、好、省”过去：从内燃机角度，如何有效应用？专业化现在：从能量转换的角度，如何更有效利用，并节省能源；二、学本课的目的意义了解和掌握能量转换的基本原理和节能途径，不同能源的特点、利用方法及其评价。三、主要内容典型的几种动力设备装置中热能的转换与利用。如1．内燃机中的热功转换2．涡轮机及喷气发动机中的热功转换3．锅炉及换热器中的热能的利用4．热力发电的基本原理5.制冷与空调设备中热能的利用等6.新能源及其利用一、三代能源文明人类文明的每一步，都和能源的利用息息相关。人类进化发展的过程，是一部不断向自然界索取能源的历史。人类发现用火以来经历了三代能源文明：1、柴薪——马车农业文明人类第一代主体能源是柴薪。用树枝、杂草等作为燃料，用于燃烧煮食和取暖，用草饲养牲畜，靠人力、畜力并利用一些简单机械作动力，从事手工生产和交通运输活动。从远古时代直至中世纪——农业文明时代。第一章绪论2、煤炭——蒸汽机工业文明18世纪西欧产业革命开创的工业文明，逐步扩大了煤炭的利用。蒸汽机的发明，使煤炭成为第二代主体能源。以煤炭作燃料的蒸汽机，主要应用于使纺织、冶金、采矿、机械加工等工业，使之获得迅速发展。同时，蒸汽机车、轮船的出现，使交通运输业得到巨大进步。19世纪以来，电磁感应现象的发现，使得由蒸汽轮机作动力的发电机开始出现，煤炭作为一次能源被转换成更加便于输送和利用的二次能源――电能。3、石油——内燃机现代文明公元前250年，中国人首先发现石油是一种可燃的液体。1854年，美国宾夕法尼亚州打出了世界上第一口油井，石油工业由此发展。19世纪末，人们发明了以汽油和柴油为燃料的奥托内燃机和狄塞尔内燃机。1908年，福特研制成功了第一辆汽车。此后，汽车、飞机、柴油机轮船、内燃机车、石油发电等，将人类飞速推进到现代文明时代。到20世纪60年代，全球石油的消费量超过煤炭，成为第三代主体能源。随着全球人口的急剧膨胀，能源消费大幅度增长。煤炭、石油均为矿物能源，是古生物在地下历经数亿年沉积变迁而形成的，不可再生，其储量极为有限。按现在的能源消耗，世界上石油、天然气和煤等生物化石能源，将在几十年至200年内逐渐耗尽。另外，大量矿物能源的燃烧，是造成大气污染、“酸雨”和“温室效应”的罪魁祸首。4、第四代绿色能源——？探索中60年代以来，“能源革命”的呼声日渐高涨。“能源革命”的目的，是以绿色能源，（包括如核能和可再生能源，如水电能、生物质能、太阳能、风能、地热能、海洋能和氢能等）逐步代替矿物能源。绿色能源将有望为21世纪人类社会的发展提供持久的动力。二、热能及动力机械概述热能：与物质的原子和分子热运动有关的能量，是能量利用的最基本、最主要的能量形式，宏观现象：温差。动力机械：将其它形式的能量转换成机械能的动力装置、设备。在人类社会生活中的地位：不可分割的关系，各行各业离不开能源热能与动力机械的关系：热能是动力机械的一种能源；而动力机械是能源利用的具体体现。；1．自然界能源的存在形式：燃料类：煤炭、石油、天然气、木材、核燃料——以热能形式利用；水力：水的流动动能或位能转换为机械能；太阳能：光能转换成热能；洗浴、供暖、制冷；地热能：直接利用地热水（地热蒸汽）的热能，转换为供热，或间接地用于地热发电。潮汐能：利用海水涨落时的能量，使之转换为其它能。海洋能的利用：海水温差发电——通过热能→机械能→电能风能：将空气的流动能量→机械能→电能电能：可直接转化为机械能2热能的重要性：在能量转换过程中，热能是利用能源的最基本和最主要的能量形式。在能源利用中，我国90%以上是通过“热”的环节而利用；世界各国平均85%以上都是通过热而利用能源。第一章基本概念热能利用装置和动力机械的本质：都属于能量的传递、转换和利用的设备。在能量的传递、转换和利用过程中必有共同的规律和共同的内容。主要内容：介绍这种能量传递及转换利用过程中的基本概念要求：了解能量转换原理和特点、方式第一节热能及其利用一、能量的存在形式能量？产生某种效果或变化的能力。产生某种效果或变化过程中伴随能量的消耗和转换。能量的类型：6种1．机械能：包括动能、位能（势能）、弹性能、表面张力能特点：以功的形式表现，有效地转化为其它形式的能2．热能：与原子和分子的运动有关的能量特点：宏观上以温度的高低表现；是基本的能量形式—其它形式的能都能完全转换为热能3．电能：与电子的流动和积累有关的能。特点：以静电场能或感应电场能的形式储存；以电流形传递电能；能有效地转换为其它形式的能。4．辐射能（电磁能）：物体以电磁波形式发射的能。特点：以电磁射线形式表现；根据电磁波的波长分为γ射线、x射线、热辐射、微波、毫米射线、无线电波等。热辐射——是原子振动而产生的电磁能，包括紫外线、可见光射线、红外线等。辐射强度与物质温度有关，并产生热效应——叫热辐射。5．化学能：仅以贮存形式存在的能量形式。如燃料的化学能。特点：与其它物质的原子和分子相结合时释放出来。如通过燃烧将化学能转换为热能而释放。6．核能：蕴藏在原子核内部的能量，仅以贮存形式存在。如原子能等。特点：在原子核中的粒子相互作用——原子核反应时释放出来；原子核反应，有放射性衰变、核裂变、核聚变三种，核裂变、聚变反应时释放大量能量。二、能源及其分类能源？：直接或经过转换而获取某种能量的资源。1．按能源形式和来源分类为：三种1）来自太阳的能量：太阳辐射能、煤炭、石油、天然气、生物质能、水能、风能、海洋能等间接地来自太阳能。2）来自地球的能量：储存于地球内部的地热能和原子能。3）天体对地球的引力作用产生的能量：月球和太阳作用的潮汐能。2．按能源利用形态分类为：二种一次能源：凡自然界中现存的、可直接取得而不改变其基本形态的能源。二次能源：由一次能源经加工或转换而成的另一种形态的能源。一次能源又分为：再生能源和非再生能源。3．按人类使用能源的习惯分类：常规能源和新能源常规能源：人类使用最多的常用能源。如煤炭、石油、天然气、水能等。新能源：尚未大规模应用的正开发应用或尚未应用的能源。如太阳能、地热能、生物质能、风能、海洋能、核聚变能等。三、热能的发生热能发生途径：直接产生——如地热能、海洋热能通过能量形式转换产生——化学能的转换：燃烧放热反应，生成CO2和水电能转换：焦耳效应辐射能转换：热辐射核能转换：核裂变和核聚变中释放出大量的热机械能的转换：摩擦生热四、热能的特点能量的转换：人类所用能源基本上都是由一次能源经一次或多次转换而来。汽轮机：化学能——蒸汽的热能——经汽轮机转换为机械能；内燃机：化学能——燃气的热能——经活塞连杆机构转换为热能。热能的转换：机械能——内燃机、汽轮机电能——热电发电热能的传递：换热器——不同温度水平的流体，通过固体壁从高温向低温流体进行传热。五、热能的利用热能的应用在国民经济中的重要地位（使用领域）：1）电力工业——火力发电或核发电，均应用热能转换。2）钢铁工业——炼钢、轧钢、高炉炼铁等均用热能；3）有色金属工业——铝、铜等有色金属的冶炼用热能；4）化学工业——酸、碱、合成氨的生产过程5）石油工业——采油、炼制、输送等用热能；6）建材工业—建材的生产过程用热能。如水泥、陶瓷等；7）机械工业——铸造、锻压、焊接等用热能；8）轻纺工业——造纸、制糖、化纤、印染等用热能9）交通运输—汽车、火车、船舶、飞机等动力来之热能；10）农业及水产养殖业——电力灌溉、温室培植、鱼池加温等11）生活需要——供暖、空调、烹饪。第二节能量转换基本定律一、热力循环循环：工质从一个热力状态经过一系列的状态变化，完成热功转换后，回到初始状态的热力过程。p-V图或T-S图正循环：热力过程顺时针方向，对外作功，净功0，如内燃机循环；逆循环：热力过程反时针方向，消耗外功，净功0，如制冷循环。•奥托发动机问世前52年，1824年（军旅生活中）在《关于活力动力及其内燃机的考察》中揭示卡诺循环。热平衡：做功1/3；排气损失1/3；冷却损失1/3•现在发动机，努力逼近卡诺效率•循环效率：STT1T2S1S21212111TTQQQQW卡诺循环：二、热力学第一定律实质：能量守恒与转换定律在热物理与化学等过程中的应用。内容：能量形式可转换，但总量不变。：工质的能量或WQEWEQE1．对闭口系统：对微小变化过程：单位工质：膨胀功的利用：W中推动活塞作功的同时，要克服大气环境压力所以，可利用的功为：UEWUQdWdUdQdwdudq0puWVpWuW02．开口系统：系统与外界有能量传递和转换的同时有工质交换。对稳定流动系统：所以，对流动系，有用功为轴功，工质流入、流出时的损失功为故令，H=（U+pV）定义为焓。则gZmcmUE221pVWgZmcmUWEQu221uWpVpVuWW••对微小变化过程：•对单位工质：uWgZmcmHQ221udWgdZmdcmdHdQ22udwgdZdcdhdq221三、热力学第二定律第一定律：只表明能量传递和转换时，数量上的关系——守恒；未表明是否转换？及条件第二定律：表明能量传递和转换的方向性实质：一切自发过程都是不可逆的，非自发过程的完成，必须要有另一个自发过程来推动。第二定律的数学描述：熵增原理孤立系统热力过程总是向熵增方向进行。孤立系统：与外界无能量转换和传递，也无物质交换。设，由工质、高低热源构成的孤立系统内进行不可逆循环，则0s1→2：T1热源放热3→4：T2热源吸热工质经不可逆循环12341，从T1吸热，将部分转换为功w，其余向T2放热后回到原状态,所以，T1T2T12343HsssLss1q2111TdqsH2q4322TdqsL0ws1q2q循环的效果：T1放热，T2吸热，工质作功w，孤立系统总熵变化为因，系统内部的不可逆因数，，又所以，即当可逆循环时时，循环12341→123`41，则，，即孤立系统内进行的热力过程只能熵增或不变，而熵决不减小。地球温暖化的熵增效果。•43222111)(0TdqTdqssssLHws12qq21TT21114322TdqTdq0ssLHss0ss第三节能源的利用及评价意义：非再生能源的有限性，以及能源利用率又不高。能源是人类生存与发展的重要基础。所以，有效地、有计划地利用能源是很重要，为此对能源利用进行评价。评价的目的，就是监督，并提高能源利用效率。一、有效利用能源的途径1．提高能量转换或传递装置及系统的效率2．按能量的品位合理使用能源，防止高品位能量的降级使用3．建立总能系统概念，优化整体用能系统，使一次能源、二次能源及余热均得到充分利用，提高总能系统的能源利用效率4．开发节能技术，如燃烧控制技术、热管技术、热泵技术5．开发能量利用的运行控制技术，实现能量利用的最经济运行，如空调变频运行、供热系统的用户供热独立调节等6．开发新能源的利用技术，如太阳能、地热能、海洋能等二、利用能源的评价指标能源利用的主要评价指标：1．能源消耗系数r：定义：指单位国民经济产值所平均消耗的能源数量。设E：能源消耗量，M：同期国民经济生产总值则，公斤/元表明一国家能源利用的水平、和节能潜力MEr2．单位产品能耗C：定义：每单位产品产量所消耗的能量。设：Ep产品能耗；A：产品产量则式中，Ep为一种能量的消耗量时，C为单耗；Ep为一次能源、二次能源的总量时，C为综合消耗。综合能耗，包含生产产品时的直接能耗和间接能耗。直接能耗：生产时直接消耗的能量；间接能耗：生