动力工程2

2020年3月10日1动力工程主讲：卞双副教授[e-mail]能源与动力工程学院010-617723512020年3月10日2第二章热工基础知识2020年3月10日3本章主要内容第一节工质及其状态参数第二节热力学基本定律第三节水蒸汽及其动力循环第四节传热学基础2020年3月10日4•热工基础,包括工程热力学和传热学。•工程热力学是热力学的一个分支，它主要研究热能转变为机械能的规律以及提高转变效率的途径，工质及其热力性质、热力过程以及热力学第一、二定律一起，构成了工程热力学的理论基础。•传热学是一门研究热能传递规律的学科。只要物体之间有温度差存在，就必然引起热量从高温物体向低温物体进行传递。2020年3月10日5工程热力学为人们正确理解发电厂中的能量转换过程，正确理解热力设备的原理等提供了必要的基础理论知识。第一节工质及其状态参数2020年3月10日61.1工质工质是指参与热功转换的媒介物质。如：汽轮机是以水蒸汽作为工质的。特点：具有良好的膨胀性和流动性。状态参数是描述工质在某一给定瞬间的物理特性的各个宏观物理量。基本状态参数—温度、压力、比体积2020年3月10日7•温度：表示物体冷热程度的物理量。温度的数值表示称为温标。•热力学中，温度的测量采用热力学温度（绝对温度）T，单位是开尔文（K）T=t+273.15(K)•温度计：测量温度的仪表•如：水银玻璃杆温度计•热电偶温度计•光学温度计等1.2温度、压力、比体积2020年3月10日8压力(p)：大量分子对容器壁面频繁撞击的平均结果以单位面积承受的力的大小来表示。压力的单位：Pa，kPa，MPa。(1Pa=1N/m2）非SI单位：mmHg、mmH2O、kgf/cm2、at等（换算见教材）。压力的测量:•当实际压力（绝对压力）P高于当地大气压Pb时，压力测量表的读数为表压力Pg；P=Pb+Pg•当实际压力（绝对压力）低于当地大气压时，压力测量表的读数为真空度Pv;P=Pb－Pv2020年3月10日90ppbpg0ppbpv2020年3月10日10•比体积(v)：单位质量的工质所占有的容积。单位：m3/kg密度(ρ)：比体积的倒数。单位容积内工质的质量。mVvvVm12020年3月10日11热力系统：工程热力学中把所要研究的，一定的边界围起来作为研究对象的物质的总和称为热力系统。•外界：热力系统以外的其它物体统称外界。•开口系：与外界有物质交换的热力系。•闭口系：与外界无物质交换的热力系。•绝热系：与外界无热量交换的热力系。•孤立系：与外界无物质交换无能量交换的热力系。1.3热能转换的基本概念2020年3月10日12热力学状态平衡状态：在外界条件不变的情况下，即使经历较长时间，热力系统的宏观特性仍不发生变化，称热力系统处于平衡状态。经典热力学所研究的热力学状态都是平衡状态。。热力过程：系统由其初始平衡状态，经过一系列中间状态而达到某一新的平衡状态的变化过程称为热力过程，简称过程。可逆过程：系统完成某一过程之后，若能够沿原路径返回其初始平衡态，且系统和外界均不留下任何宏观的变化痕迹，则称该过程为可逆过程；反之则为不可逆过程。2020年3月10日132.1热力学第一定律•热力学第一定律表述为：热可以变为功，功也可以变为热。一定量的热消失时，必产生数量与之相当的功；消耗一定量的功时，必产生数量与之相当的热。第二节热力学基本定律2020年3月10日14•工质的比热力学能•比热力学能是指工质在某种状态下内部所蕴藏的总能量，包括内动能和内势能。•内动能，分子运动的动能。工质内部分子运动的动能愈大，工质的温度愈高，即工质的内动能是温度T的单值函数；工质的比热力学能2020年3月10日15•内势能•分子之间由于相互作用力而具有的能量。•工质的内势能与工质的比体积有关，是比体积v的函数。理想气体由于不存在内聚力，故内势能为零。•工质的内能，决定于工质的热力学温度和比体积，即：u=f(T,v)。这表明：工质内能的大小完全取决于它所处的热力学状态。•理想气体的内能，是温度的单值函数。2020年3月10日16功与压容图力学中，功被定义为力及沿力方向所产生位移的乘积。国际单位制中，功的单位是焦耳（用“J”表示）膨胀功是气体体积变化而与外界交换的功。2020年3月10日17设气缸中盛有1kg气体，缸内装有一个无摩擦可移动的活塞，其截面积为f，若缸内气体压力为P，作用于活塞外测的力为Fout，且作用于活塞里侧的力Pf稍大于外侧的力Fout，则气体将发生膨胀而使活塞向右移动dx的距离。则缸内气体对活塞所作的功为：当此1kg气体从状态1变化到状态2时，所作的膨胀功为：（J/kg）pdvpfdxdw21vvpdvwp-v图：示功图2020年3月10日18功的“正”与“负”•热力学规定，正值代表膨胀功，如蒸汽在汽轮机中所作的功是膨胀功。而负值代表压缩功，如压气机压缩空气所作的功就是压缩功。2020年3月10日19功与热量•作功与传热是能量传递的两种基本方式•“功”是由压力差的作用而传递的能量；•“热量”是由温差的作用而传递的能量。•二者都是能量在传递过程中的度量，且可相互转换。二者都不是状态参数。2020年3月10日20p-v图和T-s图功可用p-v图上过程线与v轴包围的面积表示；热量可用T-s图上过程线与s轴包围的面积表示，所以p-v图和T-s图是分析气体热力过程的能量变化的有力工具。在p-v图能够确定过程功的正或负；在T-s图上能够确定过程热量的正或负，对过程能量转换分析带来极大的方便2020年3月10日21热量与温熵图热量是由温度差的作用而产生的能量。可逆过程中过程中的传热量可表示如下：由此得到比熵的定义式：TdqdsTdsqTdsdqss212020年3月10日22•在温熵图上，每—点代表一个平衡状态，每一条曲线代表一个可逆过程，而过程曲线下面的面积，如图中的面积（12mn1），表示过程1-2中l公斤工质与外界所交换的热量。•ds＞0，q为正值，吸热•ds＜0，q为负值，放热；•ds＝0，则dq＝0，没有发生热量交换，称为定熵过程或绝热过程，其状态变化过程在T-s图上表现为一垂直线2020年3月10日23闭口系的热力学第一定律解析式•热力学第一定律解析式：q=△u+w上式表明：加给工质的热量，一部分用来改变工质的内能，另一部分则用来使工质膨胀而对外作功。注：该式仅适用于闭口系。2020年3月10日24开口系的热力学第一定律解析式（稳定流动能量方程式）•在常见的热力设备中，如电厂锅炉、汽轮机、给水泵等，工质的流动接近稳定流动。就是说工质的流动情况不随时间而变化。实现稳定流动的必要条件，即•（1）进、出口截面的参数不随时间变化。•（2）系统与外界进行功和热的交换不随时间变化。•（3）系统与外界进行物质交换不随时间改变，且进口质量流量与出口的质量流量相等。2020年3月10日25概括性热力设备示意图2020年3月10日26•在进口截面1-1处加入系统的总能量为11121vpgzcu2112020年3月10日27•出口截面2-2处，工质带出系统的总能量为2222vpgzcu22212020年3月10日28•根据能量守恒与转换定律s2222221112112121wvpgzcuqvpgzcuwgzgzccvpvpuuqs1221221122122121pvuhwgzgzccwst1221222121ttwΔhwhhq12比焓技术功2020年3月10日292.2热力学第二定律1.克劳修斯说法：热不可能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体。2.开尔文-浦朗克说法：任何发动机都不可能只从单一的热源吸热，并把它连续不断地转变为功。2020年3月10日30克劳修斯（1822~1888ClausiusRudolph)德国物理学家热力学奠基人之一2020年3月10日31克劳修斯生平简介•1822年出生于普鲁士的克斯林•1840年入柏林大学•1847年获哈雷大学哲学博士学位•1850年因发表论文《论热的动力以及由此导出的关于热本身的诸定律》而闻名•1855年任苏黎世工业大学教授•1867年任德国维尔茨堡大学教授•1869年起任波恩大学教授•1888年8月24日卒于波恩2020年3月10日32克劳修斯主要科学贡献•在《论热的运动力……》一文中，克劳修斯首次提出了热力学第二定律的定义：“热量不能自动地从低温物体传向高温物体。”2020年3月10日33自然界的能量不但存在能量守恒的问题，而且存在转化方向的问题。热力学第一定律：解释能量守恒的问题热力学第二定律：解释能量的品位高低的问题，可以确定能量传递的方向。热力学第二定律实质能量是具有品位也就是能量是具有品质的，热力学第二定律说自然界的能量只能朝着一个方向转换，从可利用到不可利用。说明了节能的重要性。2020年3月10日34热力学定律视频3:112020年3月10日35第三节水蒸汽及其动力循环2020年3月10日361.1水蒸汽在定压下的形成过程未饱和水饱和水湿蒸汽干蒸汽过热蒸汽其温度超过饱和温度之值，称为过热度。饱和温度ts2020年3月10日37水蒸汽形成过程在p-v图和T-s图上的表示Mc——饱和水线；Nc——干饱和蒸汽线；——液体热；——汽化潜热；——过热热量；c——临界点lqrsuq2020年3月10日38过热度：过热蒸汽的温度t超过相应于同一压力下的饱和温度ts的数值。干度：湿蒸汽中所含干蒸汽的质量百分数。水的临界点参数：tc=374.15℃pc=22.129MPavc=0.00326m3/kg2020年3月10日39水蒸汽焓熵图（h-s图）2020年3月10日40水蒸汽的典型热力过程定压流动过程工质在设备中进行定压流动时所吸入（或放出的热量等于其焓的增加（或减小）。绝热流动的作功过程水蒸汽在绝热情况下流经汽轮机时乃是依靠它的焓降转变为技术功。12hhq21hhwt2020年3月10日41通过喷管的绝热流动•能量方程式：工质流经喷管时，如果发生绝热膨胀，则其动能必将增大。212122)(21hhcc2020年3月10日42•喷管的型式根据喷管截面形状的不同，喷管可分为两种型式：渐缩喷管和渐缩渐扩喷管。渐缩喷管渐缩渐扩喷管（拉伐尔喷管）2020年3月10日43•喷管型式的选取：当p2/p1≥βc时，采用渐缩喷管，喷管出口能获得亚音速或音速流动；当p2/p1＜βc时，采用渐缩渐扩喷管，喷管出口能获得超音速流动，在最小界面处的流速理论上等于当地音速。注：βc=pc/p12020年3月10日44绝热节流•节流：流体在管道中流动时，如果流经阀门、挡板、孔板等障碍物，流体则产生涡流和摩擦，即产生局部阻力损失，因而引起压力显著下降，这种现象，称为节流。•工质通过孔板时的绝热节流2020年3月10日45•绝热节流后，工质的作功能力将下降。•节流后•h2=h1•p2＜p1s2＞s1•绝热节流在h-s图上表示2020年3月10日463.3循环•循环：工质从某一状态出发，经过一连串的状态变化，而重新回到原来的状态，工质所经历的这些热力过程的综合，称为热力循环，简称循环。•若循环的膨胀功大于压缩功，则循环的效果是使热能在一定的条件下连续不断地转变为机械能，这种循环称为“正向循环”或“热力循环”。每一个循环热机所作的净功为：012210ba•循环的热效率若工质经过一个循环，从高温热源吸收的热量为q1而向低温热源放出的热量为︱q2︱，则根据热力学第一定律：则循环的热效率：0du0021wwduqq12121101qqqqqqwt2020年3月10日48完成一个正向循环后的全部效果热能所以能连续不断地转变为机械能，则是以向冷源放热为补充条件。完成一个正向循环后的全部效果:•(1)高温热源放出了热量q1，•(2)低温热源获得了热量q2；•(3)