熱能工程與動力類專業(yè)知識點--工程熱力學(xué)知識點講義整理

1、工程熱力學(xué)知識點 1什么是工程熱力學(xué) 從工程技術(shù)觀點出發(fā)， 研究物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)，熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的規(guī)律和方法，以及有效、 合理地利用熱能的途徑。 2能源的地位與作用及我國能源面臨的主要問題 3.熱能及其利用 1 熱能：能量的一種形式 2 來源：一次能源：以自然形式存在，可利用的能源。 如風(fēng)能，水力能，太陽能、地?zé)崮?、化學(xué)能和核能等。 二次能源：由一次能源轉(zhuǎn)換而來的能源，如機(jī)械能、機(jī)械能等。 3 利用形式： 直接利用：將熱能利用來直接加熱物體。如烘干、采暖、熔煉（能源消耗比例大） 間接利用：各種熱能動力裝置，將熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能或者再轉(zhuǎn)換成電能， 4.熱能動力轉(zhuǎn)換裝置的工作過程 5熱能利用的方向

2、性及能量的兩種屬性 1 過程的方向性：如：由高溫傳向低溫 2 能量屬性：數(shù)量屬性、,質(zhì)量屬性（即做功能力） 3 數(shù)量守衡、質(zhì)量不守衡 4 提高熱能利用率：能源消耗量與國民生產(chǎn)總值成正比。 1. 1熱力系統(tǒng) 假怨邊畀 慶平 一、熱力系統(tǒng) 系統(tǒng)： 用界面從周圍的環(huán)境中分割出來的研究對象，或空間內(nèi)物體的總和。 外界： 與系統(tǒng)相互作用的環(huán)境。 界面： 假想的、實際的、固定的、運動的、變形的。 邊界 依據(jù)：系統(tǒng)與外界的關(guān)系 系統(tǒng)與外界的作用： 熱交換、功交換、質(zhì)交換。 、閉口系統(tǒng)和開口系統(tǒng) 閉口系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)外無物質(zhì)交換，稱控制質(zhì)量。 開口系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)外有物質(zhì)交換，稱控制體積。 、絕熱系統(tǒng)與孤立系統(tǒng) 絕熱

3、系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)外無熱量交換 （系統(tǒng)傳遞的熱量可忽略不計時，可認(rèn)為絕熱 孤立系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界既無能量傳遞也無物質(zhì)交換 =系統(tǒng)+相關(guān)外界=各相互作用的子系統(tǒng)之和 =一切熱力系統(tǒng)連同相互作用的外界 |L r 宀 JI ! r ; J- 1 Bi * + ;J L l b - 界 孤立?縫覺- 1 I II * 四、根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部狀況劃分 可壓縮系統(tǒng)：由可壓縮流體組成的系統(tǒng)。 簡單可壓縮系統(tǒng)：與外界只有熱量及準(zhǔn)靜態(tài)容積變化 均勻系統(tǒng)：內(nèi)部各部分化學(xué)成分和物理性質(zhì)都均勻一致的系統(tǒng)，是由單相組成的。 非均勻系統(tǒng)：由兩個或兩個以上的相所組成的系統(tǒng)。 單元系統(tǒng)：一種均勻的和化學(xué)成分不變的物質(zhì)組成的系統(tǒng)。 多元系統(tǒng)

4、：由兩種或兩種以上物質(zhì)組成的系統(tǒng)。 單相系：系統(tǒng)中工質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)都均勻一致的系統(tǒng)稱為單相系。 復(fù)相系：由兩個相以上組成的系統(tǒng)稱為復(fù)相系，如固、液、氣組成的三相系統(tǒng)。 1. 2工質(zhì)的熱力狀態(tài)與狀態(tài)參數(shù) 一、狀態(tài)與狀態(tài)參數(shù) 狀態(tài)：熱力系統(tǒng)中某瞬間表現(xiàn)的工質(zhì)熱力性質(zhì)的總狀況。 狀態(tài)參數(shù)：描述工質(zhì)狀態(tài)特性的各種狀態(tài)的宏觀物理量。 女口：溫度（T）、壓力（P）、比容（u）或密度（p）、內(nèi)能（u）、焓（h）、熵（s）、自由能 （f）、自由焓（g）等。 狀態(tài)參數(shù)的數(shù)學(xué)特性： 1. dx x2 x1 1 表明：狀態(tài)的路徑積分僅與初、終狀態(tài)有關(guān)，而與狀態(tài)變化的途徑無關(guān)。 2. 、dx =0 表明：狀態(tài)參數(shù)

5、的循環(huán)積分為零 基本狀態(tài)參數(shù)：可直接或間接地用儀表測量出來的狀態(tài)參數(shù)：溫度、壓力、比容或密度 溫度：宏觀上，是描述系統(tǒng)熱力平衡狀況時冷熱程度的物理量。 微觀上，是大量分子熱運動強烈程度的量度 2 .壓力: 垂直作用于器壁單位面積上的力，稱為壓力，也稱壓強。 p F式中：F整個容器壁受到的力，單位為牛頓（N）; f 容器壁的總面積（m2）。 微觀上：分子熱運動產(chǎn)生的垂直作用于容器壁上單位面積的力。 壓力測量依據(jù)：力平衡原理壓力單位：MPa 相對壓力：相對于大氣環(huán)境所測得的壓力。工程上常用測壓儀表測定的壓力。 以大氣壓力為計算起點，也稱表壓力。 P B Pg (PB) (PT1-T2所以: 1c

6、制冷系數(shù) :生 :1 c q2 T2 Wo q q2 T1T2 供熱系數(shù) q 2c q T1 Woq1 q2 T 1 T2 關(guān)系： 2c 1c 卡諾定理： 1、所有工作于同溫?zé)嵩础⑼瑴乩湓粗g的一切熱機(jī)，以可逆熱機(jī)的熱效率為最高。 2. 在同溫?zé)嵩磁c同溫冷源之間的一切可逆熱機(jī)，其熱效率均相等 壓氣機(jī)的熱力過程 1壓氣機(jī)的理論壓縮功 壓氣機(jī)：用來壓縮氣體的設(shè)備 、單機(jī)活塞式壓氣機(jī)工作過程 吸氣過程、壓縮過程、排氣過程。理想化為可逆過程、無阻力損失 1 定溫壓縮軸功的計算 2P2 wst = wtvdpp1v1 l n - 1P1 按穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流能量方程，壓氣機(jī)所消耗的功，一部分用于增加氣體的焓，一部

7、分轉(zhuǎn)化為熱能向 外放出. 對理想氣體定溫壓縮，表示消耗的軸功全部轉(zhuǎn)化成熱能向外放出 Wst = Qt kRT 2 .定熵壓縮軸功的計算 2 Pi Wtvdp 11 i k 1 按穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流能量方程，絕熱壓縮消耗的軸功全部用于增加氣體的焓，使氣體溫度升高，該式 也適用于不可逆過程 3 多變壓縮軸功的計算 wt vdp 1 P2 n p1 n% 按穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流能量方程，多變壓縮消耗的軸功部分用于增加氣體的焓，部分對外放熱，該式同 樣適用于不可逆過程 結(jié)論：WstWsn%T2sTsnT?t 可見定溫過程耗功最少，絕熱過程耗功最多 8. 2多級壓縮及中間冷卻 活塞式壓氣機(jī)的容積效率：活塞式壓氣機(jī)的有效容積和

8、活塞排量之比， 即：壓力比越大，其壓縮終了溫度越高， 較高壓縮氣體常采用中間冷卻設(shè)備，稱多級壓氣機(jī) 最佳增壓比：使多級壓縮中間冷卻壓氣機(jī)耗功最小時，各級的增壓比稱為最佳增壓比。 壓氣機(jī)的效率：在相同的初態(tài)及增壓比條件下，可逆壓縮過程中壓氣機(jī)所消耗的功與實際不 可逆壓縮過程中壓氣機(jī)所消耗的功之比，稱為壓氣機(jī)的效率。 特點： 1 .減小功的消耗，由p-v圖可知 2 .降低氣體的排氣溫度，減少氣體比容 3 每一級壓縮比降低，壓氣機(jī)容積效率增高 中間壓力的確定：原則：消耗功最小。 以兩級壓縮為例，得到：P2 / P1 P3 / P2 結(jié)論:兩級壓力比相等，耗功最小。 推廣為Z級壓縮 12 : Pz 1

9、 / Pi 推理： 1 .每級進(jìn)口、出口溫度相等 2 各級壓氣機(jī)消耗功相等 3 .各級氣缸及各中間冷卻放出和吸收熱量相等 8. 5活塞式壓氣機(jī)余隙影響 一、余隙對排氣量的影響 余隙：為了安置進(jìn)、排氣閥以及避免活塞與汽缸端蓋間的碰撞，在汽缸端蓋與活塞行程終點 間留有一定的余隙，稱為余隙容積，簡稱余隙 V4V3 結(jié)論：余隙使一部分汽缸容積不能被有效利用，壓力比越大越不利。 余隙對理論壓縮軸功的影響 Wns niPW V2)1 P2 式中：V h V4為實際吸入的氣體體積。 Pl 結(jié)論：不論壓氣機(jī)有無余隙，壓縮每kg氣體所需的理論壓縮軸功都相同，所以應(yīng)減少余隙 容積。 氣體動力循環(huán) 9. 2活塞式內(nèi)

10、燃機(jī)實際循環(huán)的簡化 開式循環(huán)(open cycle) ; 燃燒、傳熱、排氣、膨脹、壓縮均為不可逆; 各環(huán)節(jié)中工質(zhì)質(zhì)量、成分稍有變化。 9. 3活塞式內(nèi)燃機(jī)的理想循環(huán) 一、混合加熱理想循環(huán) 01吸氣 1 2壓縮 2 3噴油、燃燒 3 4燃燒 4 5膨脹作功 5 0排氣 蒸汽動力裝置循環(huán) 熱機(jī)：將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的設(shè)備叫做熱力原動機(jī)。熱機(jī)的工作循環(huán)稱為動力循環(huán)。 動力循環(huán)可分：蒸汽動力循環(huán)和燃?xì)鈩恿ρh(huán)兩大類。 10. 1蒸汽動力基本循環(huán)一朗肯循環(huán) 朗肯循環(huán)是最簡單的蒸汽動力理想循環(huán)，熱力發(fā)電廠的各種較復(fù)雜的蒸汽動力循環(huán)都是在朗 肯循環(huán)的基礎(chǔ)上予以改進(jìn)而得到的。 一、裝置與流程 蒸汽動力裝置：鍋爐

11、、汽輪機(jī)、凝汽器和給水泵等四部分主要設(shè)備。 工作原理：p-v、T-s和h-s。 朗肯循環(huán)可理想化為：兩個定壓過程和兩個定熵過程。 、朗肯循環(huán)的能量分析及熱效率 取汽輪機(jī)為控制體，建立能量方程 h1 h2 hi h3 笈電機(jī) (刖圖 (d)工作啊圖 三、提高朗肯循環(huán)熱效率的基本途徑 依據(jù)：卡諾循環(huán)熱效率 1、提高平均吸熱溫度 直接方法式提高蒸汽壓力和溫度。 2、降低排氣溫度 (c) 7亠調(diào) trf) *-J0B 制冷循環(huán) 11. 1空氣壓縮制冷循環(huán) 空氣壓縮式制冷：將常溫下較高壓力的空氣進(jìn)行絕熱膨脹，會獲得低溫低壓的空氣。 原則：實現(xiàn)逆卡諾循環(huán) 工作原理如圖： 4 注意：空氣的熱物性決定了空氣壓

12、縮致冷循環(huán)的致冷系數(shù)低和單位工質(zhì)的致冷能力小。 1 k (電廠1 Pl 11. 2蒸汽壓縮制冷循環(huán) 側(cè)工作黒理圖 (A)F-jffi 一、實際壓縮式制冷循環(huán) 蒸氣壓縮致冷裝置：壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥及蒸發(fā)器組成。 原理：由蒸發(fā)器出來的致冷劑的干飽和蒸氣被吸入壓縮機(jī)，絕熱壓縮后成為過熱蒸氣（過程 1-2），蒸氣進(jìn)入冷凝器，在定壓下冷卻 （過程2-3），進(jìn)一步在定壓定溫下凝結(jié)成飽和液體（過程 3- 4）。飽和液體繼而通過一個膨脹閥（又稱節(jié)流閥或減壓閥）經(jīng)絕熱節(jié)流降壓降溫而變成低干度的 濕蒸氣。 注意：工業(yè)上，用節(jié)流閥取代膨脹機(jī)。 二、制冷劑的壓焓圖（lgp-h圖） 原理：以致冷劑焓作為橫坐標(biāo)，以壓力對數(shù)為縱坐標(biāo)，共繪出致冷劑的六種狀態(tài)參數(shù)線簇： 定焓（h）、定壓力（p）、定溫度（T）、定比容（v）、定熵（s）及定干度（x）線. 蒸氣壓縮式致冷循環(huán)各熱力過程在 1-2表示壓縮機(jī)中的絕熱壓縮過程。 4- 5為膨脹閥中