能源與動力裝置基礎——基礎知識 XXXX

1、青島大學青島大學 機電工程學院機電工程學院能源與動力裝置基礎能源與動力裝置基礎鄭藝華 授課教師 鄭藝華 機電工程學院，熱能與動力工程系 辦公 ：85953720 電子郵件： 能源與動力裝置基礎厚基礎、寬口徑、重實踐專業(yè)背景專業(yè)背景：能源能源、動力動力 第一節(jié)第一節(jié) 緒論緒論 能源是近代社會發(fā)展三大支柱之一。人類利用能源的歷史，也就是人類認識和征服自然的歷史。這個歷史可以分為五個階段： 火的發(fā)現(xiàn)和利用； 畜力、風力、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。三次大的轉換： 木材等 煤炭 石油 多能源結構 能源分類能源分類 一次能源。直接從自然界

2、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、轉換得到的能源，如電力、蒸汽等。 可再生能源。如太陽能、生物質能、水能、風能、地熱能、波浪能、洋流能、潮汐能以及海洋表面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。 石油煤有機物沼氣天然氣風能水力海洋能地熱太陽能氫核裂變核聚變化工裝置工業(yè)熱裝置燃燒爐風車水輪機光電池燃料電池反應堆化工原料熱能機械能熱機發(fā)電機電動機電能磁流體發(fā)電電爐電力系統(tǒng) 本課程的內容：本課程的內容： 討論能源、動力部門（包括工藝過程與裝備）的機械、設備、裝置的組成、結構、工作原理和性能。 熱能、化

3、學能、機械能、電能等之間轉換原理及其裝置（機械、設備）。 動力系統(tǒng)之一：火電廠動力系統(tǒng)之一：火電廠 動力系統(tǒng)之二：水輪機動力系統(tǒng)之二：水輪機 動力系統(tǒng)之三：核電站動力系統(tǒng)之三：核電站 動力系統(tǒng)之四：風力發(fā)電動力系統(tǒng)之四：風力發(fā)電 動力系統(tǒng)之五：內燃機動力系統(tǒng)之五：內燃機工質在汽缸內進行壓縮、點火、燃燒、膨脹做功。 動力系統(tǒng)之六：燃氣輪機動力系統(tǒng)之六：燃氣輪機燃氣輪機是內燃機的一種形式，它又與蒸汽輪機同屬于熱力渦輪機，燃氣輪機的工質是燃氣而不是水蒸汽，因而與蒸汽輪機裝置相比，燃氣輪機裝置省去了鍋爐、凝汽器、給水處理等大型設備。 動力系統(tǒng)之七：空調系統(tǒng)動力系統(tǒng)之七：空調系統(tǒng)熱量熱量機械功機械功壓縮

4、機膨脹機或節(jié)流閥工質流動冷卻器蒸發(fā)器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)是通過工質膨脹將熱能轉變成機械功輸出的循環(huán)，常稱之為正循環(huán)。 逆循環(huán)是輸入機械功（或熱），對工質進行壓縮而獲得熱量(熱泵)或冷量(制冷)。 動力系統(tǒng)之八：泵站動力系統(tǒng)之八：泵站 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)其他動力系統(tǒng) 動力系統(tǒng)小結之一動力系統(tǒng)小結之一工質內能 動能勢能燃燒室 反應堆化學能 核能熱能機械功熱 交換器流體 機械電能發(fā) 電機 動力系統(tǒng)小結之二動力系統(tǒng)小結之二 機械功流體 機械工質內能 動能勢能流體 機械機械功 熱量壓縮機機械功換熱器換熱器膨

5、脹機 or 節(jié)流閥熱量機械功動力系統(tǒng)小結之三動力系統(tǒng)小結之三 動力系統(tǒng)的三大部件（按功能）動力系統(tǒng)的三大部件（按功能） 燃燒室（爐膛）燃燒室（爐膛） 換熱器換熱器 流體機械流體機械 第二節(jié)第二節(jié) 能源與動力裝置的分類能源與動力裝置的分類一、流體機械一、流體機械分類分類 v 根據流體是液體還是氣體:水力機械、氣體機械； v 根據能量是輸出還是輸入機械功：動力機械(或原動機)、工作機械； v 按工作原理：速度式(葉片式)、容積式(往復、回轉)、其它形式的流體機械(如射流泵等)。 流體（液體和氣體）為工質，與外界進行能量和質量傳遞的機械被稱為流體機械。 流體機械分類表流體機械分類表 原動機 工作機可

6、壓縮 不可壓縮 可壓縮 不可壓縮汽輪機 水輪機 透平壓縮機 葉片泵 燃氣輪機 風機 葉片式蒸汽機 液壓馬達 容積式壓縮機 容積泵 氣壓傳動 內燃機 容積式 容積式流體機械容積式流體機械活塞式壓縮機、活塞泵、柱塞泵、內燃機、膨脹機齒輪式：泵、壓縮機、液壓馬達 螺桿式：單螺桿、雙螺桿、三螺桿、五螺桿泵，壓縮機，液壓馬達、膨脹機 羅茨式：泵、風機 滑片式：泵、壓縮機和液壓馬達 渦旋式：壓縮機、泵、膨脹機 滾動活塞式：壓縮機、泵回轉式往復式 (2) 螺桿式螺桿式式式積積容容(1) 活塞式活塞式 3 噴射式噴射式 容積式機器的特點：容積式機器的特點：v 工作時形成一個封閉的工作腔v 工作腔的容積不斷變化

7、v 工作機構作用于流體的力是靜壓力v 流體的壓力與速度沒有直接的關系 葉片式流體機械：葉片式流體機械： 轉動的葉片; 連續(xù)繞流; 流體與外界的能量傳遞是通過旋轉的葉片與流體的相互作用達到的，葉輪是葉片式流體機械中唯一與外界傳遞能量的部件。 葉片式流體機械分類 型式分類 流體 動力機械 工作機械速度式反動式沖動式徑流式 軸流式 斜流式氣體 液體氣體 液體氣體 液體氣體 液體汽輪機膨脹機水輪機汽輪機膨脹機水輪機汽輪機膨脹機水輪機汽輪機水輪機壓縮機 鼓風機、風機泵 壓縮機 鼓風機、風機泵壓縮機 鼓風機、風機泵橫流風機 旋轉軸(1)軸流、軸流、 (2)徑流徑流(離心離心)壓縮機壓縮機軸流離心速速 度度

8、 式式 (3)混流混流(斜流斜流)式式 照照 片片子午面子午面(軸面軸面) v 換熱設備是動力工程中常見的能量(熱能)交換裝備。 二、二、 換熱設備（熱量交換）換熱設備（熱量交換）v 換熱設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、預熱器、過熱器、再熱器、凝汽器、加熱器等；燃氣輪機裝置內的中冷器、回熱器等。v 熱交換器一般是固體兩邊壁面的流體通過對流進行熱交換，也有通過輻射、兩流體直接接觸等方式進行熱交換的。 換熱器的分類換熱器的分類按流動方向分：順流式、逆流式、錯流式、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

9、、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 回熱式或再生式 如熱風爐 間壁式：間壁式：(1) 管式 板式(熱熱)管式管式 混合式混合式蓄熱式蓄熱式 三、應用三、應用2021年有生產1000萬輛汽車的能力，艦船、飛機、巡航導彈96年統(tǒng)計，人均發(fā)電900Kw.h，僅世界平均值的1/3，裝機容量2.5億KW， 2021年到5億Kw。風機、泵、壓縮機的用電量占全國發(fā)電量1/3左右。 制冷、空調制冷、空調12000萬臺萬臺/年、低溫、冷藏鏈年、低溫、冷藏鏈能源動力、電力、冶金、航空航天、石油、化工、藥業(yè)、農業(yè)、礦業(yè)、天然氣、激光、衛(wèi)星、芯片。

10、我國能源與動力領域和國際先進水平的差距v火力發(fā)電的熱效率很低，每度電消耗煤高達366克，比發(fā)達國家多45克。v一次能源轉化成電力的比例只有22%，而發(fā)達國家平均為36%。v 工業(yè)爐的熱效率一般為60%左右，而日本達到80%以上。v內燃機的油耗率也要比國際先進水平高8-15%。v我國人平均能耗僅為世界平均水平的1/3，而單位產值能耗則是世界上最高的國家之一。 第三節(jié)第三節(jié) 工程熱力學和流體力學基礎工程熱力學和流體力學基礎熱力學是一門研究能量的儲存、轉化和轉移以及物質性質的科學。能量的儲存形式有：內能（與溫度相關聯(lián)）、動能（由于運動引起）、勢能（由于位置升高引起）和化學能（由化學組成引起）。能量會

11、從一種形式轉化到其它的形式。能量以熱或功的方式穿越邊界進行轉移。流體力學是研究流體在外力作用下平衡和運動規(guī)律的學科。 一、物質的三態(tài)（一、物質的三態(tài)（p-v-Tp-v-T表面）表面）物質的三態(tài)：固體、液體和氣體。 固體、液體和氣體三個狀態(tài)之間的改變稱為相變。 v 固體變?yōu)橐后w稱為熔解(或融化) v 液體變?yōu)楣腆w叫做凝固 v 固體變?yōu)闅怏w的現(xiàn)象稱為升華 反映三態(tài)關系的： 二、流體的性質二、流體的性質v 基本狀態(tài)參數、 、pT 是可測量的狀態(tài)參數，被稱為基本狀態(tài)參數。通過基本狀態(tài)參數可以導出其它參數。0.50.5dpa=( RT)d 臨界參數當氣體速度c與當地音速a相等時(即馬赫數M=c/a=1)

12、，氣體達到臨界狀態(tài)，相應的氣體參數也被稱為臨界參數 。crcrcrpT、臨界壓力臨界溫度臨界密度 v 粘性 流體抵抗變形的能力，是由流體的分子內聚力和流體層之間的動量交換引起的。 粘性切應力： dudy適用牛頓流體uy流向流向理想流體：du/dy1粘性力0 v 可壓縮性dvd/v/dpdp 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：dpEd 流體的體積隨溫度T變化的屬性稱為流體的膨脹性 dv/vdT 體膨脹系數馬赫數大馬赫數大 彈性力小彈性力小 壓縮性大壓縮性大 M0.2M0.2常?？闯刹豢蓧撼３？闯刹豢蓧厚R赫數2慣性力/彈性力 三、狀態(tài)方程式三、狀態(tài)方程式表述了壓

13、力、溫度和密度三個基本狀態(tài)參數的關系狀態(tài)方程式：pz RTz為壓縮因子，z1時為理想氣體，z可以大于1或小于1。有許多狀態(tài)方程被推薦用于計算非理想氣體的狀態(tài)。2RTaPvbv如van der Waals(范德華)狀態(tài)方程： 四、幾個重要的熱力學概念四、幾個重要的熱力學概念v 比熱（容）質量比熱：是單位質量氣體的溫度變化一度時傳遞的熱量v 比內能v 比（熱）焓v 比熵定壓比熱、定容比熱 五、典型的熱力過程五、典型的熱力過程 對于簡單可壓縮系統(tǒng)，有兩個獨立的狀態(tài)參數。保持其中一個狀態(tài)參數不變的過程被稱為基本熱力過程，如等溫過程、等壓過程、等容過程、等熵過程。 流體各狀態(tài)參數都同時發(fā)生變化的過程被稱

14、為多變過程，其過程方程式為 npvconst. 動力裝置中，熱能與機械能之間的轉換都是由熱力過程或熱力過程組成的循環(huán)來完成。 六、熱力循環(huán)及其評價六、熱力循環(huán)及其評價特征:狀態(tài)參數變化為零; 功、能量發(fā)生轉換; 由不同過程組成正熱力循環(huán)：是通過工質膨脹將熱能轉變成機械功輸出的循環(huán) 。逆熱力循環(huán)：輸入機械功（或熱能），對工質進行壓縮而獲得熱量(熱泵)或冷量(制冷)。 實現(xiàn)功與熱能轉換的循環(huán)是熱力循環(huán)。 熱力循環(huán)的完善程度評價熱力循環(huán)的完善程度評價動力循環(huán)：用熱效率評價wQ制冷系數評價（制冷） 供熱系數評價（熱泵）熱力系統(tǒng)還會引入其它的評價方法，如熵方法、傭方法等。2QW1QW 逆循環(huán)：能量利用系

15、數： 總稱。、 、 七、連續(xù)性方程（質量守恒）七、連續(xù)性方程（質量守恒）uvw0txyz在一維定常流動中：mqAcconst對不可壓縮流體：VqAcconst 八、能量方程八、能量方程能量守恒：系統(tǒng)內能量變化=輸入系統(tǒng)的能量-系統(tǒng)輸出的能量 閉口系統(tǒng)qupdv 對于理想氣體v21qc (TT )pdv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22111112222211qWup vgzcup vgzc22用熱焓表示的方程：222121211qWhhg(zz )(cc )2 對于開口系統(tǒng)，理想氣體，并忽略位能的變化，則有：22p21211qWc (TT )(cc )2討論：v 上述能量

16、方程是包含熱能和機械能的能量守恒和轉換方程，既適用于可逆過程也適用于不可逆過程?？赡鏁rW不包括損失；不可逆時W中有損失；粘性引起的能量損失隱含在焓差或溫差項中。 v 運動部件，如葉輪、活塞連桿等，與外界交換機械能，W不等于0。 v 靜止部件，如噴嘴、擴壓器等，與外界沒有能量交換 ， h h* *=const =const 或或 h h1 1* * =h=h2 2* * T T* *=const =const 或或 T T1 1* * =T=T2 2* * 九、伯努利方程九、伯努利方程 伯努利方程是能量方程的另一種表達式，主要反映機械能守恒。 222212111Wvdp(cc )g(zz )W2

17、v 使用條件是計算截面上符合穩(wěn)定流動、緩變流； v 對于與外界有熱傳遞的可壓縮流體，機械能守恒的原則受到破壞，此時伯努利方程便沒有意義； v 計算截面之間與外界沒有機械能交換時，W=0。 v 對于不可壓液體，引入水頭（水輪機）或揚程（泵裝置）H=W/g，此時該式表示為： 222212111Hvdp(cc )g(zz )H2 第四節(jié)第四節(jié) 實際過程中常見的能量轉換實際過程中常見的能量轉換 流體能量與外界機械功的轉換； 熱量交換； 化學能與熱能的轉換。 一、流體機械內的能量轉換一、流體機械內的能量轉換1 1、閉口系、閉口系Wpdv(1)dv0 (2)不可壓工質不作功 (3)與過程有關 (4)功與內

18、能、熱量相互轉換 (5)膨脹功或壓縮功 (6)宏觀動能勢能的變化可忽略 (7)不是實用的流體機械 2 2、開口系、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2122s12121wvdp(cc )g(zz )2 22212121sccqhhg(zz )w2 開口系與閉口系的不同： 機械功與工質的壓力能、動能和位能相互轉換 多數情況下，壓力變化項vdp 是主要的，dp0 vdp 的數值與熱力學過程有關 vdp 稱為技術功vdppdv 壓縮過程功轉換為熱 壓縮機、工作機膨脹過程熱轉換為功 膨脹機、原動機gydyvdp2y1Wvdp2p1Wvdp 對于不同的過程，將過程方程帶入，則可得到具體的計算公式。 定溫過程pvconst12T.y21pvwpvlnRTlnpv1221pvqpvlnRTlnpv 絕熱（定熵）過程pvconst1gydygydysdypRWRT1(hh )1pq=0 定容過程vconst12wv(pp )v21qc (TT ) 多變過程npvconst.在初始狀態(tài)相同和壓力變化相同的條件下，壓縮功（技術功）隨n值增大而增大 膨脹功？ 不可壓工質const能量方程仍然成立22s1212221212121wvdp(cc )g(zz )2ppccg(zz )2 v 沒有熱能（內能）與機械功的相互轉換 v 熱量的