热能及动力机械基础绪论

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1、热能与动力机械基础 Thermal Energy and Power Mechanics Basis,田径 汽车学院内燃机系 课程网站:,一、本课程的设置：专业调整后新开设的课，是社会市场发展的需要；不仅限于现代动力设备的能量转换特点；能源结构的变化、能源利用方式的更新。 21世纪的特点：信息化。问题：能源问题、污染问题。 70年代的“多、快、好、省” 过去：从内燃机角度，如何有效应用？专业化 现在：从能量转换的角度，如何更有效利用，并节省能源；,二、学本课的目的意义 了解和掌握能量转换的基本原理和节能途径，不同能源的特点、利用方法及其评价。 三、主要内容 典型的几种动力设备装置中热能的转换

2、与利用。如 1内燃机中的热功转换 2涡轮机及喷气发动机中的热功转换 3锅炉及换热器中的热能的利用 4热力发电的基本原理 5. 制冷与空调设备中热能的利用等 6. 新能源及其利用,一、三代能源文明 人类文明的每一步，都和能源的利用息息相关。人类进化发展的过程，是一部不断向自然界索取能源的历史。 人类发现用火以来经历了三代能源文明： 1、柴薪马车农业文明 人类第一代主体能源是柴薪。用树枝、杂草等作为燃料，用于燃烧煮食和取暖，用草饲养牲畜，靠人力、畜力并利用一些简单机械作动力，从事手工生产和交通运输活动。 从远古时代直至中世纪农业文明时代。,第一章 绪论,2、煤炭蒸汽机工业文明 18世纪西欧产业革命

3、开创的工业文明，逐步扩大了煤炭的利用。 蒸汽机的发明，使煤炭成为第二代主体能源。 以煤炭作燃料的蒸汽机，主要应用于使纺织、冶金、采矿、机械加工等工业，使之获得迅速发展。 同时，蒸汽机车、轮船的出现，使交通运输业得到巨大进步。 19世纪以来，电磁感应现象的发现，使得由蒸汽轮机作动力的发电机开始出现，煤炭作为一次能源被转换成更加便于输送和利用的二次能源电能。,3、石油内燃机现代文明 公元前250年，中国人首先发现石油是一种可燃的液体。 1854年，美国宾夕法尼亚州打出了世界上第一口油井，石油工业由此发展。 19世纪末，人们发明了以汽油和柴油为燃料的奥托内燃机和狄塞尔内燃机。 1908年，福特研制成

4、功了第一辆汽车。此后，汽车、飞机、柴油机轮船、内燃机车、石油发电等，将人类飞速推进到现代文明时代。 到20世纪60年代，全球石油的消费量超过煤炭，成为第三代主体能源。,随着全球人口的急剧膨胀，能源消费大幅度增长。 煤炭、石油均为矿物能源，是古生物在地下历经数亿年沉积变迁而形成的，不可再生，其储量极为有限。 按现在的能源消耗，世界上石油、天然气和煤等生物化石能源，将在几十年至200年内逐渐耗尽。 另外，大量矿物能源的燃烧，是造成大气污染、“酸雨”和“温室效应”的罪魁祸首。 4、第四代绿色能源？探索中 60年代以来，“能源革命”的呼声日渐高涨。“能源革命”的目的，是以绿色能源，（包括如核能和可再生

5、能源，如水电能、生物质能、太阳能、风能、地热能、海洋能和氢能等）逐步代替矿物能源。绿色能源将有望为21世纪人类社会的发展提供持久的动力。,二、热能及动力机械概述 热能：与物质的原子和分子热运动有关的能量， 是能量利用的最基本、最主要的能量形式， 宏观现象：温差。 动力机械：将其它形式的能量转换成机械能的动力装置、设备。 在人类社会生活中的地位：不可分割的关系，各行各业 离不开能源 热能与动力机械的关系：热能是动力机械的一种能源； 而动力机械是能源利用的具体体现。,；,1自然界能源的存在形式： 燃料类：煤炭、石油、天然气、木材、核燃料 以热能形式利用； 水力：水的流动动能或位能转换为机械能； 太

6、阳能：光能转换成热能；洗浴、供暖、制冷； 地热能：直接利用地热水（地热蒸汽）的热能，转换为供热，或间接地用于地热发电。 潮汐能：利用海水涨落时的能量，使之转换为其它能。 海洋能的利用：海水温差发电通过热能机械能 电能 风能：将空气的流动能量机械能电能 电能：可直接转化为机械能,2 热能的重要性： 在能量转换过程中，热能是利用能源的最基本和最主要的能量形式。 在能源利用中，我国90%以上是通过“热”的环节而利用；世界各国平均85%以上都是通过热而利用能源。,第一章 基本概念,热能利用装置和动力机械的本质： 都属于能量的传递、转换和利用的设备。 在能量的传递、转换和利用过程中必有共同的规律和共同的

7、内容。 主要内容：介绍这种能量传递及转换利用过程中的基本概念 要求：了解能量转换原理和特点、方式,第一节 热能及其利用,一、能量的存在形式 能量？ 产生某种效果或变化的能力。产生某种效果或变化过程中伴随能量的消耗和转换。 能量的类型：6种 1机械能：包括动能、位能（势能）、弹性能、表面张力能 特点：以功的形式表现，有效地转化为其它形式的能 2热能：与原子和分子的运动有关的能量 特点：宏观上以温度的高低表现；是基本的能量形式其它形式的能都能完全转换为热能,3电能：与电子的流动和积累有关的能。 特点：以静电场能或感应电场能的形式储存；以电流形传递电能；能有效地转换为其它形式的能。 4辐射能（电磁能

8、）：物体以电磁波形式发射的能。 特点：以电磁射线形式表现； 根据电磁波的波长分为 射线、x射线、热辐射、微波、毫米射线、无线电波等。 热辐射是原子振动而产生的电磁能，包括紫外线、可见光射线、红外线等。 辐射强度与物质温度有关，并产生热效应叫热辐射。,5化学能：仅以贮存形式存在的能量形式。如燃料的化学能。 特点：与其它物质的原子和分子相结合时释放出来。 如通过燃烧将化学能转换为热能而释放。 6核能：蕴藏在原子核内部的能量，仅以贮存形式存在。如原子能等。 特点：在原子核中的粒子相互作用原子核反应时释放出来； 原子核反应，有放射性衰变、核裂变、核聚变三种，核裂变、聚变反应时释放大量能量。,二、能源及

9、其分类,能源？：直接或经过转换而获取某种能量的资源。 1按能源形式和来源分类为：三种 1）来自太阳的能量：太阳辐射能、煤炭、石油、天然气、生物质能、水能、风能、海洋能等间接地来自太阳能。 2）来自地球的能量：储存于地球内部的地热能和原子能。 3）天体对地球的引力作用产生的能量：月球和太阳作用的潮汐能。,2按能源利用形态分类为：二种 一次能源：凡自然界中现存的、可直接取得而不改变其基本形态的能源。 二次能源：由一次能源经加工或转换而成的另一种形态的能源。 一次能源又分为：再生能源和非再生能源。 3按人类使用能源的习惯分类：常规能源和新能源 常规能源：人类使用最多的常用能源。如煤炭、石油、天然气、

10、水能等。 新能源：尚未大规模应用的正开发应用或尚未应用的能源。如太阳能、地热能、生物质能、风能、海洋能、核聚变能等。,三、热能的发生,热能发生途径： 直接产生如地热能、海洋热能 通过能量形式转换产生 化学能的转换：燃烧放热反应，生成CO2和水 电能转换：焦耳效应 辐射能转换：热辐射 核能转换：核裂变和核聚变中释放出大量的热 机械能的转换：摩擦生热,四、热能的特点,能量的转换：人类所用能源基本上都是由一次能源经一次或多次转换而来。 汽轮机：化学能蒸汽的热能经汽轮机转换为机械能； 内燃机：化学能燃气的热能经活塞连杆机构转换为热能。 热能的转换： 机械能内燃机、汽轮机 电能热电发电 热能的传递： 换

11、热器不同温度水平的流体，通过固体壁从高温向低温流体进行传热。,五、热能的利用,热能的应用在国民经济中的重要地位（使用领域）： 1）电力工业火力发电或核发电，均应用热能转换。 2）钢铁工业炼钢、轧钢、高炉炼铁等均用热能； 3）有色金属工业铝、铜等有色金属的冶炼用热能； 4）化学工业酸、碱、合成氨的生产过程 5）石油工业采油、炼制、输送等用热能； 6）建材工业建材的生产过程用热能。如水泥、陶瓷等； 7）机械工业铸造、锻压、焊接等用热能； 8）轻纺工业造纸、制糖、化纤、印染等用热能 9）交通运输汽车、火车、船舶、飞机等动力来之热能； 10） 农业及水产养殖业电力灌溉、温室培植、鱼池加温等 11）生活

12、需要供暖、空调、烹饪。,第二节 能量转换基本定律,一、热力循环 循环：工质从一个热力状态经过一系列的状态变化，完成热功转换后，回到初始状态的热力过程。p-V图或T-S图 正循环：热力过程顺时针方向，对外作功，净功0，如内燃机循环； 逆循环：热力过程反时针方向，消耗外功，净功0，如制冷循环。,奥托发动机问世前52年， 1824年（军旅生活中）在关于活力动力及其内燃机的考察中揭示卡诺循环。 热平衡：做功1/3； 排气损失1/3；冷却损失1/3 现在发动机，努力逼近卡诺效率 循环效率：,卡诺循环：,二 、热力学第一定律,实质：能量守恒与转换定律在热物理与化学等过程中的应用。 内容：能量形式可转换，但

13、总量不变。 ：工质的能量 或,1对闭口系统： 对微小变化过程： 单位工质： 膨胀功的利用：W中推动活塞作功的同时，要克服大气环境压力 所以， 可利用的功为：,2开口系统：系统与外界有能量传递和转换的同时有工质交换。 对稳定流动系统： 所以， 对流动系，有用功为轴功 ，工质流入、流出时的损失功为 故 令，H=（U+pV）定义为焓。则,对微小变化过程： 对单位工质：,三、热力学第二定律 第一定律：只表明能量传递和转换时，数量上的关系守恒；未表明是否转换？及条件 第二定律：表明能量传递和转换的方向性 实质：一切自发过程都是不可逆的， 非自发过程的完成，必须要有另一个自发过程来推动。,第二定律的数学描

14、述：熵增原理 孤立系统热力过程总是向熵增方向进行。 孤立系统：与外界无能量转换和传递，也无物质交换。 设，由工质、高低热源构成的孤立系统内进行不可逆循环，则,12：T1热源放热 34：T2热源吸热 工质经不可逆循环12341，从T1吸热 ，将部分转换为功w， 其余向T2放热 后回到原状态,所以，,循环的效果：T1放热，T2吸热，工质作功w，孤立系统总熵变化为 因，系统内部的不可逆因数， ，又 所以， 即 当可逆循环时时，循环1234112341，则， ， 即孤立系统内进行的热力过程只能熵增或不变，而熵决不减小。 地球温暖化的熵增效果。,第三节 能源的利用及评价,意义：非再生能源的有限性，以及能

15、源利用率又不高。能源是人类生存与发展的重要基础。 所以，有效地、有计划地利用能源是很重要，为此对能源利用进行评价。 评价的目的，就是监督，并提高能源利用效率。,一、有效利用能源的途径,1提高能量转换或传递装置及系统的效率 2按能量的品位合理使用能源，防止高品位能量的降级使用 3建立总能系统概念，优化整体用能系统，使一次能源、二次能源及余热均得到充分利用，提高总能系统的能源利用效率 4开发节能技术，如燃烧控制技术、热管技术、热泵技术 5开发能量利用的运行控制技术，实现能量利用的最经济运行，如空调变频运行、供热系统的用户供热独立调节等 6开发新能源的利用技术，如太阳能、地热能、海洋能等,二、利用能源的评价指标,能源利用的主要评价指标： 1能源消耗系数r： 定义：指单位国民经济产值所平均消耗的能源数量。 设E：能源消耗量，M：同期国民经济生产总值 则， 公斤/元 表明一国家能源利用的水平、和节能潜力,2单位产品能耗C： 定义：每单位产品产量所消耗的能量。 设 ：E p产品能耗；A：产品产量 则 式中， E p为一种能量的消耗量时，C为单耗； E p为一次能源、二次能源的总量时，C为综合消耗。 综合能耗，包含生产产品时的直接能耗和间接能耗。 直接能耗：生产时直接消耗的能量； 间接能耗：生