華科大能源與動(dòng)力裝置基礎(chǔ)課件第1章 緒論

華中科技大學(xué)

能源與動(dòng)力工程學(xué)院第4章渦輪機(jī)

第9章鍋爐

第11章發(fā)電廠系統(tǒng)及其他動(dòng)力裝置系統(tǒng)：發(fā)電廠設(shè)備：渦輪機(jī)鍋爐能源的轉(zhuǎn)換與利用B：鍋爐S：鍋爐過(guò)熱器T：汽輪機(jī)C：冷凝器P：水泵STCPB火力發(fā)電廠示意圖TS1234

1′

2′

3′

4′發(fā)電廠有關(guān)數(shù)據(jù)900MW機(jī)組日發(fā)電量=2160萬(wàn)度上網(wǎng)電價(jià)0.22元，日產(chǎn)值475.2萬(wàn)元使用電價(jià)0.5元，日銷(xiāo)售額1080萬(wàn)元按10%利潤(rùn)額計(jì)，日利潤(rùn)108萬(wàn)日燃煤量：3240噸STCPB0.9-.940.45-0.47ηcp=ηbηpηiηmηg=0.38-0.420.990.99火力發(fā)電廠的效率指標(biāo)鍋爐效率管道效率汽輪機(jī)內(nèi)效率機(jī)械效率發(fā)電機(jī)效率全廠總效率兩點(diǎn)

要求：能源與動(dòng)力裝置基礎(chǔ)(1-0)厚基礎(chǔ)、寬口徑、重實(shí)踐聽(tīng)課（包括實(shí)習(xí)）：學(xué)習(xí)知識(shí)，掌握方法捷徑培養(yǎng)習(xí)慣，磨煉意志

是成績(jī)的一部分筆記（包括實(shí)習(xí)筆記和報(bào)告）：

記重點(diǎn)，是理解和工作能力的培養(yǎng)有助于注意力集中，提高效率第一章緒論專(zhuān)業(yè)內(nèi)容：熱能、化學(xué)能、機(jī)械能、電能等之間轉(zhuǎn)換原理及其裝置（機(jī)械、設(shè)備）專(zhuān)業(yè)背景：能源、動(dòng)力

裝置的現(xiàn)代設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行——數(shù)值化；創(chuàng)新，如7μm渦輪機(jī)；增加信息技術(shù)，如電噴發(fā)動(dòng)機(jī)能源是三大支柱之一，持續(xù)發(fā)展的源泉兩個(gè)標(biāo)志：當(dāng)時(shí)社會(huì)與科學(xué)技術(shù)水平；國(guó)家綜合國(guó)力。

※本課程內(nèi)容安排體現(xiàn)了知識(shí)的系統(tǒng)性、共同基礎(chǔ)和內(nèi)容的融合：（工作原理的整合）第一章是復(fù)習(xí)和總結(jié)；在二到九章討論單個(gè)機(jī)器、設(shè)備，主要針對(duì)某種過(guò)程；

在十、十一章裝置系統(tǒng)，主要是針對(duì)循環(huán)。第一、二章基礎(chǔ)部分有難度，面廣、第一次接觸專(zhuān)業(yè)※本課程的內(nèi)容

討論能源動(dòng)力部門(mén)（包括工藝過(guò)程與裝備）的機(jī)械、設(shè)備、裝置的組成、結(jié)構(gòu)、工作原理和性能流體機(jī)械+換熱設(shè)備+其它…=能源動(dòng)力裝置圖1-1火力發(fā)電廠的生產(chǎn)過(guò)程圖能源動(dòng)力裝置之一：電廠系統(tǒng)汽輪機(jī)，二種風(fēng)機(jī)，五種泵，11種熱交換設(shè)備(水冷壁)，還有煤粉系統(tǒng)(包括風(fēng)機(jī))，發(fā)電輸送系統(tǒng)汽輪機(jī)送風(fēng)機(jī)引風(fēng)機(jī)循環(huán)水泵凝結(jié)水泵省煤器給水泵鍋爐過(guò)熱器凝汽器低壓加熱器高壓加熱器除氧器預(yù)熱器煙氣煙囪給水鍋爐過(guò)熱蒸汽除塵器預(yù)熱器大氣-煙氣-大氣；水-蒸汽-水；冷卻水循環(huán)水在鍋爐中變蒸汽Q1Q2W能源動(dòng)力裝置之二：制冷(熱)循環(huán)(冷凝器)(蒸發(fā)器)（膨脹機(jī)）可以看到：機(jī)械、設(shè)備與裝置的關(guān)系四通閥第一節(jié)分類(lèi)和應(yīng)用流體機(jī)械：表1.1裝置和系統(tǒng)——流體機(jī)械和換熱設(shè)備組成：圖1.1,1.2,1.5等電廠系統(tǒng)：正循環(huán)，動(dòng)力循環(huán)(過(guò)程組成)制冷系統(tǒng)：逆循環(huán)換熱設(shè)備：表1.2一、分類(lèi)(一)流體機(jī)械以流體（液體和氣體）為工質(zhì)，與外界進(jìn)行傳遞能量和質(zhì)量的機(jī)械被稱為流體機(jī)械;根據(jù)流體是液體還是氣體分為水力機(jī)械和氣體機(jī)械；根據(jù)能量是輸出還是輸入機(jī)械功可分為動(dòng)力機(jī)械(或原動(dòng)機(jī))和工作機(jī)械。按工作原理又常分為速度式、容積式(往復(fù)、回轉(zhuǎn))和其它形式的流體機(jī)械(如射流泵等),本書(shū)主要討論前兩大類(lèi)的流體機(jī)械。根據(jù)結(jié)構(gòu)型式流體機(jī)械還可以細(xì)分，見(jiàn)表1-1。1.速度式：流體在流道中連續(xù)流動(dòng)

(1)軸流式(2)徑流(3)混流(斜流)式

(4)橫流式2.容積式：流體在流道中間斷流動(dòng)

(1)

往復(fù)式：活塞式

(2)

回轉(zhuǎn)式：螺桿式，羅茨式，渦旋式，齒輪式，滾動(dòng)活塞式，滑片式……3.噴射式：旋轉(zhuǎn)軸(1)軸流、(2)徑流(離心)壓縮機(jī)軸流離心1

速度式(3)混流(斜流)式

照片子午面(軸面)(2)螺桿式式積容2不連續(xù)流動(dòng)(1)活塞式3噴射式(二)換熱設(shè)備（質(zhì)量交換）換熱設(shè)備是動(dòng)力工程中常見(jiàn)的能量(熱能)交換裝備。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(yù)熱器、過(guò)熱器、再熱器、凝汽器、加熱器等；燃?xì)廨啓C(jī)裝置內(nèi)的中冷器、回?zé)崞鳌⒌?。這些熱交換器一般是固體兩邊壁面的流體通過(guò)對(duì)流進(jìn)行熱交換，也有通過(guò)輻射、兩流體直接接觸等方式進(jìn)行熱交換的。按結(jié)構(gòu)分類(lèi)，表1-2：對(duì)于兩流體進(jìn)行換熱的熱交換器，按熱、冷流體的流動(dòng)方向可以分為順流式（兩流體同向平行流動(dòng)），逆流式（兩流體反向平行流動(dòng)），錯(cuò)流式（兩流體垂直交叉流動(dòng)）和混流式（順流逆流兩種形式同時(shí)存在）。1.間壁式：(1)管式(2)板式(3)(熱)管式2.混合式3.蓄熱式1.間壁式：(1)管式(2)板式(3)(熱)管式2.混合式3.蓄熱式二、應(yīng)用2010年有生產(chǎn)1000萬(wàn)輛汽車(chē)的能力，艦船、飛機(jī)、巡航導(dǎo)彈發(fā)電裝機(jī)容量96年2.5億KW，2000年3億KW，2004年4億KW，2020年到9億Kw風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)的用電量占全國(guó)發(fā)電量1/3左右制冷、空調(diào)1~2000萬(wàn)臺(tái)/年、低溫、冷藏鏈能源動(dòng)力、電力、冶金、航空航天、石油、化工、藥業(yè)、農(nóng)業(yè)、礦業(yè)、天然氣、激光、衛(wèi)星、芯片與國(guó)外有差距，需要研究和發(fā)展基地總體參觀了解流體機(jī)械和換熱設(shè)備的分類(lèi)、動(dòng)力裝置與這些機(jī)械設(shè)備的關(guān)系。(一)實(shí)習(xí)的目的(二)實(shí)習(xí)思考題1．將表1．1中的各種機(jī)械的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖與實(shí)物模型對(duì)比，重點(diǎn)了解其中幾種，建立一些實(shí)物模型的概念，例如徑流式、活塞式、．．．．．．

2．將表1．2中的各種熱交換器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖與實(shí)物模型對(duì)比，重點(diǎn)了解其中幾種，建立一些實(shí)物模型的概念，例如管式、板式、．．．．．．

3．根據(jù)流體流動(dòng)方向，觀察并說(shuō)明所見(jiàn)到機(jī)器設(shè)備中面積（速度、壓力）是如何變化？4．觀察所見(jiàn)到的系統(tǒng)裝置，了解其中有幾種流體流動(dòng)，每種流體經(jīng)過(guò)的部件分別是哪些機(jī)械和設(shè)備。(三)實(shí)習(xí)要求5．根據(jù)參觀和了解，寫(xiě)出第一次的報(bào)告：時(shí)間、地點(diǎn)、內(nèi)容（記述）、小結(jié)．單獨(dú)計(jì)算學(xué)分工程熱力學(xué)和流體力學(xué)基礎(chǔ)▲工質(zhì)狀態(tài)：固、液氣第二節(jié)制冷劑；水；凝結(jié)

<

飽和溫度、壓力

<

汽化熱流體的知識(shí)熱力學(xué)是研究能量、能量轉(zhuǎn)換以及物質(zhì)性質(zhì)之間的關(guān)系，研究物質(zhì)系統(tǒng)的狀態(tài)、狀態(tài)變化及變化時(shí)系統(tǒng)間的相互作用；流體力學(xué)是研究流體在外力作用下平衡和運(yùn)動(dòng)規(guī)律；臨界參數(shù)Tc、pc▲可壓縮性定義體積壓縮率κ=-(dV/dp)/V

彈性系數(shù)E=1/κ=ρdp/dρ；E是單位面積上彈性力

M2=慣性力/彈性力

馬赫數(shù)大<=>

彈性力小<=>

壓縮性大

M<0.2常?？闯刹豢蓧阂弧⒘黧w的性質(zhì)▲基本狀態(tài)參數(shù)：P,T,ρ可以測(cè)量的,由此可得其他參數(shù)，例如▲臨界參數(shù)：M=c/a=1時(shí)的參數(shù)如pcr、Tcr音速a=(dp/dρ)0.5=(kRT)0.5

▲粘性——流體抵抗變形的能力▲理想流體μ是損失、阻力的根源和內(nèi)因μ機(jī)理？——流體力學(xué)中粘性為0，熱力學(xué)中遵守pv=RT分子的內(nèi)聚力；流層之間動(dòng)量交換粘性切應(yīng)力τ=μdu/dy

適用牛頓流體uy流向二、狀態(tài)方程式

三、其它熱力關(guān)系式p=ZRTρ，基本狀態(tài)參數(shù)的關(guān)系

比內(nèi)能u、比熵s、比熱容c、▲狀態(tài)方程式：▲其它熱力學(xué)參數(shù):比熱焓h、音速a狀態(tài)（點(diǎn)）}下面從熱力學(xué)角度討論工質(zhì)（流體）：工質(zhì)的狀態(tài)、過(guò)程、循環(huán)的表示和評(píng)價(jià)▲同一點(diǎn)上狀態(tài)參數(shù)之間關(guān)系Z=1是理想流體；真實(shí)流體Z不等于1φ、任一狀態(tài)參數(shù)是另兩個(gè)狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)四、熱力過(guò)程▲過(guò)程方程式：pvn=constp2/p1=(T2/T1)n=1，0，∞，k是標(biāo)準(zhǔn)(理想？)過(guò)程，(k與氣體有關(guān))過(guò)程描述基本狀態(tài)參數(shù)關(guān)系實(shí)際過(guò)程的n與損失有關(guān)（偏離理想過(guò)程程度）——過(guò)程（線）二個(gè)任意點(diǎn)1、2之間關(guān)系：流體有效能量變化/輸入功（工作機(jī)）——損失評(píng)價(jià)（經(jīng)濟(jì)性）損失為分母與分子之差例如：輸出功/流體有效能量變化（原動(dòng)機(jī)）得到有效能量/消耗能量例:管1-2、2-3段的效率都為70%，速度c1=3c2=2c3，求1-3段效率？能量平衡(量)；質(zhì)？▲過(guò)程的評(píng)價(jià)

效率：70%1270%3解：(p2-p1)/ρ0.5(c12-c22)=0.7；0.5(c32-c22)ρ/(p2-p3)=0.7總效率=(p3-p1)/0.5ρ(c12-c32)p2=0.35*8ρc22+p1；p2=0.5ρ(1.25c22)/0.7+p3總效率=(1.9ρc22)/3.375ρ

c22=56.3%

考慮最大可用能q(1-T0/T)有用功的損失主要用于對(duì)熱能的評(píng)價(jià)冷凝器的熱效率低，排熱量大；但因溫度T低，能量質(zhì)量差而作功能力損失不大煙氣T=2000K，水蒸氣T=600K,T0=300K,兩種工質(zhì)的熱量相等煙氣最大可用能q(1-T0/T)=q17/20=0.85q,

水蒸氣最大可用能q(1-T0/T)=q3/6=0.5q;

效率：例：現(xiàn)代鍋爐熱效率>90%；效率50%

五、循環(huán)

功、能量發(fā)生轉(zhuǎn)換▲關(guān)系：不同過(guò)程組成（閉合線）例如理想卡諾循環(huán)：兩個(gè)等溫(吸熱、放熱)過(guò)程和兩個(gè)絕熱(膨脹、壓縮)過(guò)程▲特征：狀態(tài)參數(shù)變化為零冷、熱源溫度為T(mén)2,T1一定時(shí)，功最大（經(jīng)濟(jì)性與完善程度）※經(jīng)濟(jì)性效率η

=輸出功/消耗熱量=w/Q正循環(huán)制冷系數(shù)ε=制冷量/機(jī)械功=Q2/w制熱系數(shù)ε’=制熱量/機(jī)械功=Q1/wQ1=

Q2+w,ε’=ε+1>1,ε’>ε逆循環(huán)能量利用系數(shù)：η，ε

，ε’的統(tǒng)稱▲循環(huán)的評(píng)價(jià)※完善程度η

：能量利用系數(shù)的實(shí)際值與理想值之比

例如η=ε/εc,η’=ε’/εc’

最高能量利用系數(shù)ηc，εc，εc’ηc=w/Q=(T1-T2)/T1=1-T2/T1εc=Q2/w=T2/(T1-T2)εc’=Q1/w=T1/(T1-T2)是理想卡諾循環(huán)的值以上內(nèi)容除滿足上述關(guān)系外，還必須遵循基本規(guī)律六、連續(xù)性方程▲質(zhì)量守恒▲方程式▲討論：——三大守恒之一qm=ρA●c=const條件？1、速度與面積相互垂直、矢量點(diǎn)乘2、不可壓時(shí)與外界無(wú)質(zhì)量交換3、按截面速度不均勻計(jì)算時(shí)q

m=∫ρc

dA=const

qv=qm/ρ=A●c=const

P19例題1-1：▲應(yīng)用：求速度、面積（幾何尺寸）、流量已知水流在直徑d1=100mm的管中速度

C1=10m/s，求出口為直徑d2=400mm的圓柱面上(圓環(huán)與園盤(pán)面組成通道)的流量和速度c2？解：進(jìn)口為圓面積、出口是圓柱面積。出口速度c2=qv2/(π*d2*b)=6.25m/s離心葉輪出口的面積如何表示？與其垂直的是什么速度？qv2=qv1=c1*π*d12/4=0.07854m3/s七、能量方程式能量守恒：系統(tǒng)內(nèi)能量變化=輸入能量-輸出能量

q=Δu+W

=Δu+∫p

dv

=cv(T2-T1)+∫p

dv

穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)的輸入能量=輸出能量閉口系統(tǒng)開(kāi)口系統(tǒng)：q±W+u1+p1v1+gz1+0.5c12=u2+p2v2+gz2+0.5c22

q±W=h2-h1+g(z2-z1)+0.5(c22-c12)

在q=0，并且忽略氣體位能的變化后有

討論±W=h2-h1+0.5(c22-c12)=h2*

-h1*

1、熱力學(xué)第一定律是能量守恒與轉(zhuǎn)換定律的一種形式；4、沒(méi)有回答能量損失了多少？能量如何分布？2、運(yùn)動(dòng)部件，如葉輪、活塞連桿等，與外界交換機(jī)械能；包括交換功部件的任意兩截面間，W不等于03、靜止部件，如管道、靜葉等，與外界沒(méi)有能量交換

h*=const或h1*=h2*；粘性引起的能量損失隱含在焓差或溫差項(xiàng)

應(yīng)用：用滯止焓降表示流體的總能量理想氣體常常用于求溫度，h=cpT

T*=const或T1*=T2*

八、伯努利方程式▲機(jī)械能守恒▲討論——能量守恒的另一形式包括與外界交換的機(jī)械能W和流體本身的機(jī)械能的變化： 壓力能∫v

dp+動(dòng)能0.5Δc2+勢(shì)能gΔz

W=∫12vdp+0.5（c22-c12）+g（z2-z1）+ΣδW

1、使用條件是符合穩(wěn)定流動(dòng)、緩變流截面；可壓縮流體應(yīng)與外界無(wú)熱傳遞；

2、技術(shù)功-∫12vdp在膨脹機(jī)械中稱為膨脹功；而壓縮機(jī)械中該功∫12vdp又簡(jiǎn)稱為壓縮功；

3、對(duì)于工質(zhì)為水的不可壓流體，常常引入總水頭（水輪機(jī)）或揚(yáng)程（泵裝置）H=W/g后,該式表示為：

±H=(p2-p1)/(ρg)+0.5（c22-c12）/g+（z2-z1）+ΣδH

氣體不可壓縮時(shí)？

動(dòng)量守恒在第二章討論4、損失ΣδW是各種機(jī)械能的損失,與W的表示有關(guān)；例

Wth=∫12vdp+0.5（c22-c12）+g（z2-z1）+ΣδWhyd

回答了流體能量的分布情況；±W=(p2-p1)/ρ+0.5（c22-c12）+g（z2-z1）+ΣδW

10m2m2m/s3.125m/s課內(nèi)題:例1-2中水面上漲1m，管道進(jìn)出口直徑相等；流量和流動(dòng)損失δWhyd與例1-2的相同,求水泵的理論功率?例1-2：p21解:由

Wth=∫12vdp+0.5（c22-c12）+g（z2-z1）+ΣδWhyd

壓力項(xiàng)∫12vdp=(p2-p1)/ρ=(1-1.2)105/1000速度項(xiàng)c2=3.125m/s,c1=2m/s第三節(jié)實(shí)際過(guò)程中常見(jiàn)的能量轉(zhuǎn)換流體能量與外界機(jī)械功的轉(zhuǎn)換；而熱量交換；化學(xué)能與熱能的轉(zhuǎn)換。在這些能量轉(zhuǎn)換中，工質(zhì)的參數(shù)發(fā)生了相應(yīng)的變化。或者說(shuō)通過(guò)工質(zhì)參數(shù)的變化來(lái)表示能量轉(zhuǎn)換的值。

由于密度ρ是常數(shù)，流體與外界交換的能量W僅僅與流體的機(jī)械能變化值(壓能差Δp/ρ、動(dòng)能差、勢(shì)能差)有關(guān)，由伯努利方程：

±Wth=Δp/ρ+0.5(c22-c12)+g(z2-z1)+δWhyd一、流體機(jī)械內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換1、等容過(guò)程——機(jī)械功的轉(zhuǎn)換（不可壓流體）一般溫度T、密度ρ不變化壓縮過(guò)程——功轉(zhuǎn)換熱焓，壓縮機(jī)、工作機(jī)膨脹過(guò)程——熱焓轉(zhuǎn)換功，膨脹機(jī)、原動(dòng)機(jī)Wp

=-∫21vdp=∫12vdpWy=∫21vdp等熵功=(hgy-hdy)s

=cp(

Tgy-Tdy

)s2、壓縮過(guò)程和膨脹過(guò)程——功熱轉(zhuǎn)換（可壓流體）1進(jìn)口2出口（與過(guò)程有關(guān)）等溫壓縮功WT，y=RT1ln(p2/p1)

例1-3已知壓比為2.5，進(jìn)口溫度為27℃，計(jì)算氫氣、空氣、氟利昂-12三種不同R的氣體的等熵壓縮功Ws，y。若空氣多變指數(shù)n/(n-1)=2.8，計(jì)算空氣的多變壓縮功Wpol，y和等溫壓縮功WT，y。

工質(zhì)R[J.(kg.K)-1]分子量kWs，y(J.kg-1)Wpol，yWT，y氫氣4124.02.0161.411299013

空氣287.028.9661.40901839333378893氟利昂-1268.8120.921.1420017解：計(jì)算結(jié)果列于下表注：1、等熵壓縮功氫氣Ws，y>空氣Ws，y>氟利昂-12Ws，y2、空氣Wpol，y>

Ws，y>等溫壓縮功WT，y(見(jiàn)圖)Wpol，p

1<Ws，p1<等溫膨脹功WT，p

3、進(jìn)口溫度T的影響，壓縮時(shí)低有利減少功；膨脹時(shí)高有利增加功；R大(小)，分子量小(大)，輕(重)氣體，很難(容易)壓縮二、吸熱過(guò)程與放熱過(guò)程——熱量交換熱量在熱力學(xué)上為由高溫物體傳遞到低溫物體的能量吸熱放熱潛熱(T不變，分子內(nèi)部位能變化)顯熱(T變，分子內(nèi)部動(dòng)能變化)溶解,汽化凝固,冷凝蒸發(fā)器發(fā)生器省煤器鍋爐…..應(yīng)用例？冷凝器吸收器凝汽器冷卻器…1、定義：2、交換熱量的計(jì)算Q=KA△TA——面積△T——溫差K——傳熱系數(shù)，與導(dǎo)熱系數(shù)、放熱系數(shù)、輻射換熱系數(shù)等有關(guān)，常用實(shí)驗(yàn)圖表或經(jīng)驗(yàn)公式?jīng)Q定。強(qiáng)化換熱的主要手段是增大K能量守恒：放熱量=吸熱量3、熱交換量評(píng)價(jià)解：熱損失δQ=Q2-Q1=Q2*5%熱效率=Q1/Q2=1-δQ/Q2=1-5%=95%熱水的高品質(zhì)熱量變成清水(平均溫度低)的低品質(zhì)熱量熱量平衡效率=例1-