第二讲热工学基本概念20160919案例

第二讲热工学基本概念（一）韩巧丽太阳能利用技术主要内容一、太阳能利用绪论转换原理利用工程技术发展方向二、热工学理论基本概念热工学第一定律热工学第二定律太阳能利用技术太阳能特点(1)独特优点(2)局限性1)分散性2)间歇性3)变化性我国太阳辐射资源及其分布太阳能资源是指到达整个地球表面的太阳辐射能源。中国的太阳能资源，西部的年总辐射量高于东部，北部高于南部，高原高于平原；2/3地区的年日照时数达2000h以上，年总辐射量大于5.0×106kJ/m2。中国太阳能资源的区划类别全年日照时数/h太阳辐射年总量kJ/m2主要地区同一类别的其他国家或地区13200-3300(6.7～8.4)×106宁夏北部、甘肃北部、新疆南部、青海西部、西藏西部印度巴基斯坦北23000-3200(5.9～6.7)×106河北西北部、山西北部、内蒙、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部印度尼西亚的雅加达32200-3000(5.0～5.9)×106山东、河南、河北东南部、山西部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、海南、福建南部、江苏北部、安徽北部美国的华盛顿41400-2200(4.2～5.0)×106湖南、湖北、广西、江西、浙江、福建北部、广东北部、陕西南部、江苏南部、安徽南部、黑龙江意大利的米兰51000-1400(3.4～4.2)×106四川、贵州法国的巴黎和俄罗斯的莫斯科太阳能利用太阳能热利用太阳能光伏发电太阳能热发电太阳能热水系统太阳能空调、制冷太阳能海水淡化太阳能利用太阳能热利用太阳能光伏发电太阳能热发电太阳能热水系统太阳能空调、制冷太阳能海水淡化200℃以下的低温热利用发展最快。太阳热水器、太阳能温室、太阳能干燥、太阳能制冷与空调、海水及苦咸水淡化、太阳消毒器、太阳水泵低温热利用。200-500℃中温热利用技术，如太阳能水泵系统、聚光太阳灶、中温太阳热力发电等。500℃以上高温热利用技术，如高温太阳炉（热处理等）、高温太阳热发电、太阳能焊接机等。中、高温应用则由于技术较复杂，材料和加工要求高及经济效益较小等情况，大多仍处于研究和试点的阶段。太阳热发电热发电系统组成一般由太阳能集热系统、蓄热与换热系统和汽轮机发电系统组成。集热系统包括聚光装置、接受器和跟踪机构，小型的采用盘式或槽式抛物面聚光装置；大型的设有布置聚光镜的大面积的太阳能场，现有主要形式是中心塔式及抛物面槽式两种聚光方式。发电系统需根据所能供给汽轮机入口参数的太阳能热源的温度等级和热量等情况进行选择。目前应用的有汽轮机、燃气轮机、斯特林发动机、低沸点工质汽轮机等形式。温度等级大致相同的，可选用现有的发电系统。还可以研制专用的涡轮机组及电力控制设备，使太阳能热电转换效率达到最高。太阳集热器型干燥装置利用太阳空气集热器把空气加热到设定温度后，通入干燥室进行干燥，干燥室有窑式、箱式、流动床式和固定床式等。应用较多的为隧道窑式。通过太阳空气集热器阵列，把大量空气加热成50-75℃的热风，再进入干燥室。此类型太阳干燥器可以较好地与常规能源干燥装置相结合，可用太阳能全部或部分地代替常规能源，故它适用于大型干燥装置。其优点是，节能效果显著，广泛应用于不同品种的农副产品干燥。其缺点是与温室型比较成本较高。光伏利用的基本原理以PN结为例，当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N区到P区的电流。光伏利用的基本原理然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源。单晶硅太阳电池多晶硅太阳电池非晶硅(a-Si)太阳电池铜铟镓硒太阳能电池板光伏系统的组成和原理光伏系统的组成主要包括以下三部分：太阳电池组件；充、放电控制器、逆变器、测试仪表和计算机监控等电力电子设备；蓄电池或其他蓄能和辅助发电设备。光伏系统的基本形式可分为三大类：独立发电系统、并网发电系统和混合光伏系统。光伏系统的应用领域主要在太空航空器、通信系统、微波中继站、电视差转台、光伏水泵和无电缺电地区户用供电等。二、热工学理论工程热力学是重要的技术基础课工程热力学是一门研究热能有效利用及热能和其它形式能量转换规律的科学能源转换利用的关系热能电能机械能风能水能化学能核能地热能太阳能一次能源(天然存在)二次能源光电转换燃料电池光热聚变裂变燃烧水车水轮机风车热机电动机发电机90%转换直接利用供暖§1-1热力系统热力系统(热力系、系统)：人为地研究对象1、系统的定义ThermodynamicsystemsystemAquantityofmatteroraregioninspacechosenforstudy§1-1热力系统外界：系统以外的所有物质2、系统、外界与边界边界(界面)：系统与外界的分界面系统与外界的作用都通过边界surroundingsboundary边界特性真实、虚构固定、活动fixed、movablereal、imaginary热力系统分类以系统与外界关系划分：有无是否传质开口系闭口系是否传热非绝热系绝热系是否传功非绝功系绝功系是否传热、功、质非孤立系孤立系TypesofSystem开口系绝热系孤立系ClosedsystemControlmassIsolatedsystemOpensystemControlvolume闭口系Adiabaticsystem1234mQW1开口系§1-1热力系统非孤立系＋相关外界＝孤立系1+2闭口系1+2+3绝热闭口系1+2+3+4孤立系热力系统其它分类方式其它分类方式物理化学性质均匀系非均匀系工质种类多元系单元系相态多相单相简单可压缩系统最重要的系统简单可压缩系统只交换热量和一种准静态的容积变化功容积变化功压缩功膨胀功Simplecompressiblesystem§1-2状态和状态参数状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况状态参数：描述热力系状态的物理量状态参数的特征：1、状态确定，则状态参数也确定，反之亦然2、状态参数的积分特征：状态参数的变化量与路径无关，只与初终态有关3、状态参数的微分特征：全微分Stateandstateproperties状态参数的微分特征设z=z(x,y)dz是全微分yxzzdzdxdyxy充要条件：22zzxyyx可判断是否是状态参数Totaldifferentials强度参数与广延参数强度参数：与物质的量无关的参数如压力p、温度T广延参数：与物质的量有关的参数可加性如质量m、容积V、内能U、焓H、熵S比参数：比容VvmUum比内能Hhm比焓Ssm比熵单位：/kg/kmol具有强度参数的性质IntensivepropertiesExtensiveproperties强度参数与广延参数速度动能高度位能内能温度应力摩尔数（强）（强）（强）（强）（广）（广）（广）（广）VelocityKineticEnergyHeightPotentialEnergyTemperatureInternalEnergyStressMol内能及闭口系热一律表达式定义dU=Q-W内能U状态函数Q=dU+WQ=U+W闭口系热一律表达式！！！两种特例绝功系Q=dU绝热系W=-dU内能U的物理意义dU=Q-WWQdU代表某微元过程中系统通过边界交换的微热量与微功量两者之差值，也即系统内部能量的变化。U代表储存于系统内部的能量内储存能（内能、热力学能）内能的组成分子动能分子位能bindingforces化学能chemicalenergy核能nuclearenergy内能microscopicformsofenergy移动translation转动rotation振动vibration系统总能totalenergy外部储存能macroscopicformsofenergy宏观动能kineticEk=mc2/2宏观位能potentialEp=mgz机械能系统总能E=U+Ek+Epe=u+ek+ep一般与系统同坐标，常用U,dU,u,du内能的说明内能是状态量statepropertyU:广延参数[kJ]u:比参数[kJ/kg]内能总以变化量出现，内能零点人为定热一律的文字表达式热一律:能量守恒与转换定律=进入系统的能量离开系统的能量系统内部储存能量的变化-TotalenergyenteringthesystemTotalenergyleavingthesystemChangeinthetotalenergyofthesystem=-能量之间数量的关系热力学第一定律能量守恒与转换定律所有满足能量守恒与转换定律的过程是否都能自发进行热力学第二定律的实质能不能找出共同的规律性?能不能找到一个判据?自然界过程的方向性表现在不同的方面热力学第二定律§4-1热二律的表述与实质热功转换传热热二律的表述有60-70种1851年开尔文－普朗克表述热功转换的角度1850年克劳修斯表述热量传递的角度开尔文－普朗克表述不可能从单一热源取热，并使之完全转变为有用功而不产生其它影响。Kelvin－PlanckStatementItisimpossibleforanydevicethatoperatesonacycletoreceiveheatfromasinglereservoirandproduceanetamountofwork.开尔文－普朗克表述不可能从单一热源取热，并使之完全转变为有用功而不产生其它影响。热机不可能将从热源吸收的热量全部转变为有用功，而必须将某一部分传给冷源。理想气体T过程q=wKelvin－PlanckStatementHeatreservoirsThermalEnergySourceHeatThermalEnergySink冷热源:容量无限大，取、放热其温度不变§2-3闭口系能量方程WQ一般式Q=dU+WQ=U+Wq=du+wq=u+w单位工质适用条件：1）任何工质2)任何过程EnergybalanceforclosedsystemPointfunction---Exactdifferentials---dPathfunction---Inexactdifferentials---热二律的实质•自发过程都是具有方向性的•表述之间等价不是偶然，说明共同本质•若想逆向进行，必付出代价热一律否定第一类永动机热机的热效率最大能达到多少？又与哪些因素有关？热一律与热二律t100％不可能热二律否定第二类永动机t=100％不可能§4-2卡诺循环与卡诺定理法国工程师卡诺(S.Carnot)，1824年提出卡诺循环热二律奠基人效率最高卡诺循环—理想可逆热机循环卡诺循环示意图4-1绝热压缩过程，对内作功1-2定温吸热过程，q1=T1(s2-s1)2-3绝热膨胀过程，对外作功3-4定温放热过程，q2=T2(s2-s1)CarnotcycleCarnotheatenginet1wq2212t,C121111TssTTssT卡诺循环热机效率卡诺循环热机效率T1T2Rcq1q2w122111qqqqqCarnotefficiency•t,c只取决于恒温热源T1和T2而与工质的性质无关；2t,C11TT卡诺循环热机效率的说明•T1t,c,T2c，温差越大，t,c越高•当T1=T2，t,c=0,单热源热机不可能•T1=K,T2=0K,t,c100%，热二律ConstantheatreservoirT0c卡诺逆循环卡诺制冷循环T0T2制冷2212Cqqwqq221202122102()()()TssTTssTssTTT0T2Rcq1q2w0211TTTss2s1T2cT1’卡诺逆循环卡诺制热循环T0T1制热Ts'1112qqwqq121112102110()()()TssTTssTssTTT1T0Rcq1q2w0111TTs2s1T0’三种卡诺循环T0T2T