第三講 開口系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律

1、12一.封閉系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律如：內(nèi)燃機(jī)氣缸中正在膨脹的燃?xì)釽UQ3二.開口系統(tǒng)熱力設(shè)備的實(shí)際工作過程，或多或少都存在工質(zhì)流入流出的現(xiàn)象。4機(jī)油冷卻器5柱塞式輸油泵6空氣壓縮機(jī)開口系統(tǒng)：與外界存在物質(zhì)交換的系統(tǒng)7三、開口系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律一元流動：穩(wěn)定流動：81.連續(xù)性方程設(shè)截面1-1，2-2的面積分別為 和 ；工質(zhì)在截面1-1和2-2的比體積分別 和 ；速度分別為 和 。1A2A1v2v1gw2gw9穩(wěn)定流動時，系統(tǒng)內(nèi)的質(zhì)量不變，進(jìn)出口的質(zhì)量流量應(yīng)相等，且等于任一個與流動方向垂直的截面上的質(zhì)量流量。12112212 (3-16)iggigiimmmA wA wA wvvv常數(shù)即常數(shù)102

2、.可逆流動方程開口系統(tǒng)的可逆過程：微元體沿流動方向的狀態(tài)變化是連續(xù)的，且在流動過程中無耗散效應(yīng)。微元隔離體的質(zhì)量:fdxvfdxdm111可逆流動方程的推導(dǎo)：微元隔離體移動 時，流速從 變化到 ，1)動能變化量: dxgw)(ggdww 22112gggggggdmwdwwdm w dwAw dw dxv122)壓力對微元隔離體作功為3)外界通過旋轉(zhuǎn)軸對微元隔離體所作軸功動能定理：dp A dxAdpdx dxwd fvwddmwdmdWdssss111sggAdpdxAdw dxAw dw dxvv13整理得，微分形式的可逆流動方程：積分得，可逆流動方程：技術(shù)功：流動工質(zhì)在開口系統(tǒng)中，所增加

3、的動能和對外界所作軸功之和稱為技術(shù)功。單位質(zhì)量的技術(shù)功稱為比技術(shù)功，以符號 表示。17)-(3 sgsggwdwdwddwwvdp2218)-(3 21212221vdpwwwsggtw14對可逆過程，技術(shù)功：19)-(3 vdpwdwdwdsgt2220)-(3 21212221vdpwwwwsggt15比技術(shù)功的圖示：比技術(shù)功可用面積12561表示。16開口系統(tǒng)與外界技術(shù)功交換的方向：1)當(dāng) 時， ，即工質(zhì)在開口系統(tǒng)中等壓流動，系統(tǒng)與外界沒有技術(shù)功的交換。2)當(dāng) 時， ，即工質(zhì)在開口系統(tǒng)中由正向壓力差作用下流動時，系統(tǒng)對外界作技術(shù)功，該技術(shù)功以增加流動工質(zhì)的動能和對外外輸出軸功。3)當(dāng) 時

4、， ，即工質(zhì)在開口系統(tǒng)中要克服逆向壓力差的作用而流動時，外界0dp0twd0dp0twd0dp0twd17必須對系統(tǒng)作技術(shù)功，該技術(shù)功是由流動工質(zhì)動能的減少轉(zhuǎn)換和外界輸入的軸功而得。考慮工質(zhì)的耗散效應(yīng)時，可逆流動方程為21212221fsggwvdpwww 183、穩(wěn)定流動的能量方程 焓穩(wěn)定流動能量方程是一元穩(wěn)定流動的開口系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。19(1).進(jìn)、出口處的參數(shù)：(2)進(jìn)口處，外界對流入工質(zhì)所作的流動功：單位質(zhì)量的流動功 ，稱為比流動功。出口處，流出工質(zhì)對外界作的流動功：gwuvpf 和、dmvpdwfpdxfpg1111111111vpdmvp2220(3)外界輸入系統(tǒng)的

5、能量和系統(tǒng)輸出的能量輸 入 能 量輸 出 能 量1外界加給系統(tǒng)的熱量系統(tǒng)對外界作的軸功2流入工質(zhì)帶進(jìn)的內(nèi)能流出工質(zhì)帶出內(nèi)能3流入工質(zhì)帶進(jìn)的動能流出工質(zhì)帶出的動能4外界對流入工質(zhì)所作的流動功流出工質(zhì)對外界作的流動功dmq dmu 1dwmg212 dmvp11dmvp22dmwsdmu 2dwmg222 21根據(jù)能量守恒定律：輸入能量=輸出能量，即上式兩邊除以 ，經(jīng)過整理得dmvpdwmdmudmwdmvpdwmdmudmqgsg222221121122 dm 21)-(3 sggwwwvpuvpuq21221112222122把比內(nèi)能 和比流動功 之和稱為焓，以符號 表示。即對于質(zhì)量m的均勻系

6、統(tǒng)，有將式(3-22)代入(3-21)得如果是微元過程，則有upvh22)-(3 pvuh23)-(3 mhH 24)-(3 sggwwwhhq2122122125)-(3 sgwddwdhqd22123式(3-24)和式(3-25)稱為穩(wěn)定流動的能量方程，它適用于任意過程工質(zhì)和任意過程。它說明外界加給系統(tǒng)的熱量用于增加流動工質(zhì)的焓值以及對外界作技術(shù)功。 對于可逆過程，將可逆流動方程(3-17)代入(3-25)，得可逆過程的穩(wěn)定流動能量方程為其積分形式為26)-(3 vdpdhdq27)-(3 2112vdphhq24三、穩(wěn)定流動能量方程的應(yīng)用可取為開口系統(tǒng)的典型熱力設(shè)備(1)換熱器(2)噴管

7、和擴(kuò)壓管(3)產(chǎn)生功的裝置：蒸汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)(4)消耗功的裝置：泵和壓縮機(jī)(5)節(jié)流裝置：膨脹閥251.換熱器流動工質(zhì)通過換熱器與外界發(fā)生熱交換，包括鍋爐、冷凝器、空氣冷卻器和回?zé)崞鞯取?6換熱器與外界沒有軸功的交換，而且進(jìn)出口工質(zhì)的流速變化不大，工質(zhì)動能的變化 與加熱量 相比，小到可略而不計(jì)。將式(3-24)應(yīng)用到換熱器，得若質(zhì)量流量為 ，則有212221 ggwwq28)-(3 12hhqm 29)-(3 HHhhmqmQ121227工質(zhì)在換熱器中可逆流動的條件為2.噴管和擴(kuò)壓管噴管：擴(kuò)壓管：0dp281) 來不及與外界進(jìn)行熱交換2) 與外界沒有軸功交換，即所以對于噴管，因 ，所以對于擴(kuò)

8、壓管，因 ，所以0q0sw30)-(3 21212221hhwwgg12ggww 21hh 12ggww 21hh 29將可逆流動方程(3-18)應(yīng)用于噴管和擴(kuò)壓管，則有對于噴管，因?yàn)?，所以對于擴(kuò)壓管，因?yàn)?，所以31)-(3 21212221vdpwwgg12ggww0dp12ggww0dp303.汽輪機(jī)分為蒸汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)，都是由噴管和葉輪組成。31氣輪機(jī)的工況分析：因?yàn)楣べ|(zhì)在氣輪機(jī)內(nèi)流速很高，來不及與外界進(jìn)行熱交換， ；而且，工質(zhì)在氣輪機(jī)進(jìn)出口處流速變化不大，動能的變化略去不計(jì)。所以對氣輪機(jī)，有將可逆流動方程(3-19)應(yīng)用于氣輪機(jī)，有0q0212122 ggww32)-(3 21h

9、hws33)-(3 21vdpws32氣輪機(jī)輸出的軸功可用面積12561表示：334.泵和壓縮機(jī)34工作原理泵和壓縮機(jī)是氣輪機(jī)的逆過程，它們消耗外界的軸功使工質(zhì)的壓力升高。將式(3-32)和式(3-33)中的軸功 取為負(fù)值即可。sw32)-(3 21hhws33)-(3 21vdpws355.節(jié)流36節(jié)流的工況特征：由于工質(zhì)流經(jīng)小孔前后，由于流道斷面的突然收縮和擴(kuò)大，流動工質(zhì)中產(chǎn)生了大量的漩渦。工質(zhì)內(nèi)部磨擦很劇烈，壓力不能恢復(fù)到原來的數(shù)值。節(jié)流的能量分析：1）節(jié)流前后工質(zhì)動能的變化與焓值相比可略而不計(jì)，即2）節(jié)流時，工質(zhì)流經(jīng)小孔時的流速較大，來不及與外界進(jìn)行熱交換。即0212122 ggww0

10、q373）工質(zhì)流經(jīng)小孔時，與外界沒有軸功交換，即因此，節(jié)流的能量方程：常用熱力設(shè)備的能量方程匯總：換熱器：噴管和擴(kuò)壓管：氣輪機(jī)或壓縮機(jī)：節(jié)流裝置：0sw34)-(3 21hh 12hhq21212221hhwwgg 12hhws21hh 38例4：某蒸汽輪機(jī)動力裝置中的蒸汽鍋爐的蒸汽發(fā)生量為 ，耗油量為 ，燃油的發(fā)熱量為 ，鍋爐的效率為 ，蒸汽輪機(jī)發(fā)出的功率為 。試求(1)工質(zhì)在鍋爐內(nèi)比焓的增加量； (2)工質(zhì)在蒸汽輪機(jī)中比焓的增加量； (3)該動力裝置的實(shí)際效率。hkg18000hkg1400kgkJ41800%4 .82kW550039解：(1)工質(zhì)在鍋爐中比焓的增加量鍋爐為換熱器，比能量方程為總能量方程為所以12hhq12hhmQ kgkJhkg0.824kgkJhkg9 .26781800041800140012mQhh40(2)工質(zhì)在汽輪機(jī)中比焓的變化量由氣輪機(jī)的比能量轉(zhuǎn)換方程得總能量轉(zhuǎn)換方程為：所以有21hhws21hhmWs kgkJhkghsskJ1100180003600550021mWhhs41(3)該動力裝置的實(shí)際效率例5：以R12為制冷劑的蒸汽壓縮制冷裝置中，膨脹閥前工質(zhì)的比焓 ，工質(zhì)經(jīng)膨脹閥進(jìn)行節(jié)流后流入冷庫中的蒸發(fā)器，工質(zhì)在蒸發(fā)器中吸收冷庫的熱量使比焓增加，工質(zhì)在離開蒸發(fā)器時比焓 ，如果工質(zhì)在蒸發(fā)器中每小時的吸熱量為 。試