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1、能源与动力装置基础,郑艺华,授课教师,郑艺华 机电工程学院，热能与动力工程系 办公电话：85953720 电子邮件：yh_,能源与动力装置基础,厚基础、宽口径、重实践 专业背景：能源、动力,能源与动力装置基础基础知识,第一节 绪论,能源是近代社会发展三大支柱之一。人类利用能源的历史，也就是人类认识和征服自然的历史。这个历史可以分为五个阶段： 火的发现和利用； 畜力、风力、水力等自然动力的利用； 化石燃料的开发和热的利用； 电的发现及开发利用； 原子能的发现和利用。,三次大的转换： 木材等 煤炭 石油 多能源结构,能源与动力装置基础基础知识,能源分类 一次能源。直接从自然界取得的能源，如河流中流
2、动的水、开采出的原煤、原油、天然气、天然铀矿等。 二次能源。对一次能源加工、转换得到的能源，如电力、蒸汽等。 可再生能源。如太阳能、生物质能、水能、风能、地热能、波浪能、洋流能、潮汐能以及海洋表面与深层之间的热循环等。 非再生能源。如煤炭、石油、天然气、煤成气等石化能源。,能源与动力装置基础基础知识,能源与动力装置基础基础知识,本课程的内容： 讨论能源、动力部门（包括工艺过程与装备）的机械、设备、装置的组成、结构、工作原理和性能。,热能、化学能、机械能、电能等之间转换原理及其装置（机械、设备）。,能源与动力装置基础基础知识,动力系统之一：火电厂,能源与动力装置基础基础知识,动力系统之二：水轮机
3、,能源与动力装置基础基础知识,动力系统之三：核电站,能源与动力装置基础基础知识,动力系统之四：风力发电,能源与动力装置基础基础知识,动力系统之五：内燃机,工质在汽缸内进行压缩、点火、燃烧、膨胀做功。,能源与动力装置基础基础知识,动力系统之六：燃气轮机,燃气轮机是内燃机的一种形式，它又与蒸汽轮机同属于热力涡轮机，燃气轮机的工质是燃气而不是水蒸汽，因而与蒸汽轮机装置相比，燃气轮机装置省去了锅炉、凝汽器、给水处理等大型设备。,能源与动力装置基础基础知识,动力系统之七：空调系统,热力循环是通过工质膨胀将热能转变成机械功输出的循环，常称之为正循环。 逆循环是输入机械功（或热），对工质进行压缩而获得热量(
4、热泵)或冷量(制冷)。,能源与动力装置基础基础知识,动力系统之八：泵站,能源与动力装置基础基础知识,液压传动系统 液力传动系统 压缩空气系统 供水系统 供暖系统 控制系统 ,其他动力系统,能源与动力装置基础基础知识,动力系统小结之一,能源与动力装置基础基础知识,动力系统小结之二,能源与动力装置基础基础知识,动力系统小结之三,能源与动力装置基础基础知识,动力系统的三大部件（按功能）,燃烧室（炉膛） 换热器 流体机械,能源与动力装置基础基础知识,第二节 能源与动力装置的分类,一、流体机械,分类 根据流体是液体还是气体:水力机械、气体机械； 根据能量是输出还是输入机械功：动力机械(或原动机)、工作机
5、械； 按工作原理：速度式(叶片式)、容积式(往复、回转)、其它形式的流体机械(如射流泵等)。,流体（液体和气体）为工质，与外界进行能量和质量传递的机械被称为流体机械。,能源与动力装置基础基础知识,流体机械分类表,原动机 工作机,可压缩 不可压缩 可压缩 不可压缩,汽轮机 水轮机 透平压缩机 叶片泵,燃气轮机 风机,叶片式,蒸汽机 液压马达 容积式压缩机 容积泵,气压传动,内燃机,容积式,能源与动力装置基础基础知识,容积式流体机械,活塞式压缩机、活塞泵、柱塞泵、内燃机、膨胀机,齿轮式：泵、压缩机、液压马达 螺杆式：单螺杆、双螺杆、三螺杆、五螺杆泵，压缩机，液压马达、膨胀机 罗茨式：泵、风机 滑片
6、式：泵、压缩机和液压马达 涡旋式：压缩机、泵、膨胀机 滚动活塞式：压缩机、泵,回转式,往复式,(2) 螺杆式,式积容,(1) 活塞式,3 喷射式,能源与动力装置基础基础知识,容积式机器的特点：,工作时形成一个封闭的工作腔,工作腔的容积不断变化,工作机构作用于流体的力是静压力,流体的压力与速度没有直接的关系,能源与动力装置基础基础知识,叶片式流体机械： 转动的叶片; 连续绕流; 流体与外界的能量传递是通过旋转的叶片与流体的相互作用达到的，叶轮是叶片式流体机械中唯一与外界传递能量的部件。,能源与动力装置基础基础知识,叶片式流体机械分类,型式分类 流体 动力机械 工作机械,速度式,反动式,冲动式,径
7、流式,轴流式,斜流式,气体 液体,气体 液体,气体 液体,气体 液体,汽轮机膨胀机水轮机,汽轮机膨胀机水轮机,汽轮机膨胀机水轮机,汽轮机水轮机,压缩机 鼓风机、风机泵,压缩机 鼓风机、风机泵,压缩机 鼓风机、风机泵,横流风机,旋转轴,(1)轴流、 (2)径流(离心)压缩机,轴流,离心,速 度 式,(3)混流(斜流)式,照 片,子午面(轴面),能源与动力装置基础基础知识,换热设备是动力工程中常见的能量(热能)交换装备。,二、 换热设备（热量交换）,换热设备包括各种的热交换器和锅炉、燃烧器等，例如制冷装置中的蒸发器、冷凝器；火力发电装置中的省煤器、预热器、过热器、再热器、凝汽器、加热器等；燃气轮机
8、装置内的中冷器、回热器等。,热交换器一般是固体两边壁面的流体通过对流进行热交换，也有通过辐射、两流体直接接触等方式进行热交换的。,能源与动力装置基础基础知识,换热器的分类,按流动方向分：顺流式、逆流式、错流式、混流式,按传热方式分：间壁式、混合式、蓄热式,间壁式：,(1) 管式,板式,(热)管式,混合式,蓄热式,能源与动力装置基础基础知识,三、应用,2010年有生产1000万辆汽车的能力，舰船、飞机、巡航导弹,96年统计，人均发电900Kw.h，仅世界平均值的1/3，装机容量2.5亿KW， 2010年到5亿Kw。,风机、泵、压缩机的用电量占全国发电量1/3左右。 制冷、空调12000万台/年、
9、低温、冷藏链,能源动力、电力、冶金、航空航天、石油、化工、药业、农业、矿业、天然气、激光、卫星、芯片。,能源与动力装置基础基础知识,我国能源与动力领域和国际先进水平的差距,火力发电的热效率很低，每度电消耗煤高达366克，比发达国家多45克。,一次能源转化成电力的比例只有22%，而发达国家平均为36%。,工业炉的热效率一般为60%左右，而日本达到80%以上。,内燃机的油耗率也要比国际先进水平高8-15%。,我国人平均能耗仅为世界平均水平的1/3，而单位产值能耗则是世界上最高的国家之一。,能源与动力装置基础基础知识,第三节 工程热力学和流体力学基础,热力学是一门研究能量的储存、转化和转移以及物质性
10、质的科学。,能量的储存形式有：内能（与温度相关联）、动能（由于运动引起）、势能（由于位置升高引起）和化学能（由化学组成引起）。,能量会从一种形式转化到其它的形式。,能量以热或功的方式穿越边界进行转移。,流体力学是研究流体在外力作用下平衡和运动规律的学科。,能源与动力装置基础基础知识,一、物质的三态（p-v-T表面）,物质的三态：固体、液体和气体。 固体、液体和气体三个状态之间的改变称为相变。,固体变为液体称为熔解(或融化) 液体变为固体叫做凝固 固体变为气体的现象称为升华,反映三态关系的：,能源与动力装置基础基础知识,二、流体的性质,基本状态参数,是可测量的状态参数，被称为基本状态参数。通过基
11、本状态参数可以导出其它参数。,临界参数,当气体速度c与当地音速a相等时(即马赫数M=c/a=1)，气体达到临界状态，相应的气体参数也被称为临界参数 。,能源与动力装置基础基础知识,粘性,流体抵抗变形的能力，是由流体的分子内聚力和流体层之间的动量交换引起的。,粘性切应力：,适用牛顿流体,理想流体：du/dy1,粘性力0,能源与动力装置基础基础知识,可压缩性,体积压缩率：,流体的体积V随压力p变化的属性称为流体的压缩性,弹性系数：,流体的体积随温度T变化的属性称为流体的膨胀性,体膨胀系数,马赫数大 弹性力小 压缩性大,M0.2常常看成不可压,马赫数2惯性力/弹性力,能源与动力装置基础基础知识,三、
12、状态方程式,表述了压力、温度和密度三个基本状态参数的关系,状态方程式：,z为压缩因子，z1时为理想气体，z可以大于1或小于1。,有许多状态方程被推荐用于计算非理想气体的状态。,如van der Waals(范德华)状态方程：,能源与动力装置基础基础知识,四、几个重要的热力学概念,比热（容）,比内能,比（热）焓,比熵,定压比热、定容比热,能源与动力装置基础基础知识,五、典型的热力过程,对于简单可压缩系统，有两个独立的状态参数。保持其中一个状态参数不变的过程被称为基本热力过程，如等温过程、等压过程、等容过程、等熵过程。,流体各状态参数都同时发生变化的过程被称为多变过程，其过程方程式为,动力装置中，
13、热能与机械能之间的转换都是由热力过程或热力过程组成的循环来完成。,能源与动力装置基础基础知识,六、热力循环及其评价,特征:状态参数变化为零; 功、能量发生转换; 由不同过程组成,正热力循环：是通过工质膨胀将热能转变成机械功输出的循环 。,逆热力循环：输入机械功（或热能），对工质进行压缩而获得热量(热泵)或冷量(制冷)。,实现功与热能转换的循环是热力循环。,能源与动力装置基础基础知识,热力循环的完善程度评价,动力循环：用热效率评价,制冷系数评价（制冷） 供热系数评价（热泵）,热力系统还会引入其它的评价方法，如熵方法、佣方法等。,逆循环：,能量利用系数： 总称。,能源与动力装置基础基础知识,七、连
14、续性方程（质量守恒）,在一维定常流动中：,对不可压缩流体：,能源与动力装置基础基础知识,八、能量方程,能量守恒：系统内能量变化=输入系统的能量-系统输出的能量,闭口系统,对于理想气体,开口系统,对于稳定流动，输入系统的能量系统输出的能量,用热焓表示的方程：,能源与动力装置基础基础知识,对于开口系统，理想气体，并忽略位能的变化，则有：,讨论：,上述能量方程是包含热能和机械能的能量守恒和转换方程，既适用于可逆过程也适用于不可逆过程。可逆时W不包括损失；不可逆时W中有损失；粘性引起的能量损失隐含在焓差或温差项中。 运动部件，如叶轮、活塞连杆等，与外界交换机械能，W不等于0。 静止部件，如喷嘴、扩压器
15、等，与外界没有能量交换 ， h*=const 或 h1* =h2* T*=const 或 T1* =T2*,能源与动力装置基础基础知识,九、伯努利方程,伯努利方程是能量方程的另一种表达式，主要反映机械能守恒。,使用条件是计算截面上符合稳定流动、缓变流； 对于与外界有热传递的可压缩流体，机械能守恒的原则受到破坏，此时伯努利方程便没有意义； 计算截面之间与外界没有机械能交换时，W=0。 对于不可压液体，引入水头（水轮机）或扬程（泵装置）H=W/g，此时该式表示为：,能源与动力装置基础基础知识,第四节 实际过程中常见的能量转换,流体能量与外界机械功的转换； 热量交换； 化学能与热能的转换。,能源与动力装置基础基础知识,一、流体机械内的能量转换,1、闭口系,(1)dv0 (2)不可压工质不作功 (3)与过程有关 (4)功与内能、热量相互转换 (5)膨胀功或压缩功 (6)宏观动能势能的变化可忽略 (7)不是实用的流体机械,能源与动力装置基础基础知识,2、开口系
