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1、热能与动力机械基础热能与动力机械基础ThermalEnergyandPowerMechanicsBasis主讲主讲：林学东林学东教授教授单位单位：汽车学院内燃机系汽车学院内燃机系联系电话联系电话：1504309790085095271（O）专业调整后新开设的课，是专业调整后新开设的课，是社会发展的社会发展的需要需要 一、本课程的设置一、本课程的设置不仅限于现代动力设备的能量转换特点；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。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。世纪的特点：信息化。问题：能源及地球环境污染问题。问题：能源及地球环境污染问题。过
2、去：从内燃机角度，如何有效应用？专业化过去：从内燃机角度，如何有效应用？专业化现在：从能量转换角度，如何更有效利用，并现在：从能量转换角度，如何更有效利用，并节能而且环保。节能而且环保。了了解解和和掌掌握握能能量量转转换换的的基基本本原原理理和和节节能能途途径径，不不同同能源的特点、利用方法及其评价。能源的特点、利用方法及其评价。 三、主要内容三、主要内容典型的几种动力设备装置中热能的转换与利用。如典型的几种动力设备装置中热能的转换与利用。如1 1内燃机中的热功转换内燃机中的热功转换2 2涡轮机及喷气发动机中的热功转换涡轮机及喷气发动机中的热功转换3 3锅炉及换热器中的热能的利用锅炉及换热器中
3、的热能的利用4 4热力发电的基本原理热力发电的基本原理5. 5. 制冷与空调设备中热能的利用等制冷与空调设备中热能的利用等6. 6. 新能源及其利用新能源及其利用 二、学本课的目的意义二、学本课的目的意义主要参考教材：热能与动力机械基础主要参考教材：热能与动力机械基础王中铮王中铮主编主编机械工业出版社机械工业出版社出版出版四、考核方式和要求四、考核方式和要求本专业的学科基础课本专业的学科基础课考试课：平时占考试课：平时占2030%，期末考试，期末考试7080%；平时成绩：作业平时成绩：作业平时出勤情况平时出勤情况一、三代能源文明一、三代能源文明 人人类类文文明明的的发发展展，都都和和能能源源的
4、的利利用用息息息息相相关关。人人类进化过程，是不断向自然界索取能源的历史。类进化过程，是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：人类发现用火以来经历了三代能源文明：1 1、柴薪、柴薪马车农业文明马车农业文明人人类类第第一一代代主主体体能能源源柴柴薪薪。树树枝枝、杂杂草草等等作作为为燃料，用于燃烧燃料，用于燃烧煮食和取暖煮食和取暖; ;用用草草饲饲养养牲牲畜畜，靠靠人人力力、畜畜力力+ +利利用用一一些些简简单单机机械械作动力，从事手工作动力，从事手工生产和交通运输活动生产和交通运输活动。从从远远古古时时代代至至中中世世纪纪，在在马马车车的的低低吟吟声声中中，人人类类渡
5、过了悠长的农业文明时代。渡过了悠长的农业文明时代。绪论绪论 2、煤炭、煤炭蒸汽机工业文明蒸汽机工业文明18世世纪纪西西欧欧产产业业革革命命开开创创的的工工业业文文明明，逐逐步步扩扩大大了了煤炭的利用。煤气灯的使用，照彻人类漫长夜。煤炭的利用。煤气灯的使用，照彻人类漫长夜。蒸汽机蒸汽机的发明，使煤炭成为第二代主体能源。的发明，使煤炭成为第二代主体能源。以以煤煤炭炭作作燃燃料料的的蒸蒸汽汽机机，主主要要应应用用于于纺纺织织、冶冶金金、采矿、机械加工等工业，使之获得迅速发展。采矿、机械加工等工业，使之获得迅速发展。同同时时，蒸蒸汽汽机机车车、轮轮船船的的出出现现交交通通运运输输业业得得到到巨巨大进步
6、。大进步。19世世纪纪以以来来，电电磁磁感感应应现现象象的的发发现现，使使得得由由蒸蒸汽汽轮轮机机作作动动力力的的发发电电机机开开始始出出现现，煤煤炭炭作作为为一一次次能能源源被被转换成更加便于输送和利用的二次能源转换成更加便于输送和利用的二次能源电能电能。3、石油、石油内燃机现代文明内燃机现代文明公元前公元前250，中国人，中国人首先发现石油首先发现石油是一种可燃液体。是一种可燃液体。1854年年，美美国国宾宾夕夕法法尼尼亚亚州州打打出出了了世世界界上上第第一一口口油油井井，石油工业由此得到发展。，石油工业由此得到发展。19世世纪纪末末，人人们们发发明明了了以以汽汽油油和和柴柴油油为为燃燃料
7、料的的奥奥托托内燃机和狄塞尔内燃机。内燃机和狄塞尔内燃机。1908年年，福福特特研研制制成成汽汽车车并并量量产产。此此后后，汽汽车车、飞飞机机、柴柴油油机机轮轮船船、内内燃燃机机车车、石石油油发发电电等等，将将人人类类飞速推进到现代文明时代。飞速推进到现代文明时代。到到20世世纪纪60年年代代，全全球球石石油油的的消消费费量量超超过过煤煤炭炭，成成为第三代主体能源。为第三代主体能源。随着全球人口的急剧膨胀，随着全球人口的急剧膨胀，能源消费能源消费大幅度增长。大幅度增长。煤煤炭炭、石石油油均均为为矿矿物物能能源源，是是古古生生物物在在地地下下历历经经数数亿亿年年沉沉积变迁而形成的，积变迁而形成的
8、，不可再生，其储量极为有限不可再生，其储量极为有限。按按现现在在的的能能源源消消耗耗，世世界界上上石石油油、天天然然气气和和煤煤等等生生物物化化石石能源，将在几十年至能源，将在几十年至200年内逐渐耗尽。年内逐渐耗尽。另另外外，大大量量矿矿物物能能源源的的燃燃烧烧，是是造造成成大大气气污污染染、“酸酸雨雨”和和“温室效应温室效应”的罪魁祸首。的罪魁祸首。4、第四代绿色能源、第四代绿色能源H2？探索中？探索中60年年代代以以来来，“能能源源革革命命”的的呼呼声声日日渐渐高高涨涨。“能能源源革革命命”的目的，是以的目的，是以绿色能源绿色能源逐步代替矿物能源。逐步代替矿物能源。绿绿色色能能源源:如如
9、核核能能和和可可再再生生能能源源-如如水水电电能能、生生物物质质能能、太太阳能、风能、地热能、海洋能和氢能等。阳能、风能、地热能、海洋能和氢能等。绿色能源有望为绿色能源有望为21世纪人类社会的发展提供持久的动力。世纪人类社会的发展提供持久的动力。石油能源存在的问题石油能源存在的问题热能热能：与物质的原子和分子热运动有关的能量，：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，是能量利用的最基本、最主要的能量形式，宏观现象：温差。宏观现象：温差。二、热能及动力机械概述二、热能及动力机械概述动力机械动力机械：将其：将其它形式的能量它形式的能量转换成机械能的动力转换成机械能
10、的动力装置、设备。装置、设备。在人类社会生活中的地位：不可分割的关系，各行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；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。而动力机械是能源利用的具体体现。燃料类燃料类：煤炭、石油、天然气、木材、核燃料：煤炭、石油、天然气、木材、核燃料以热能形式利用；以热能形式利用；水利：水利：水的流动动能或位能转换为机械能；水的流动动能或位能转换为机械能；太阳能太阳能：光能转换成热能；洗浴、供暖、制冷；：光能转换成热能；洗浴、供暖、制冷；地热能地热能：直接利用
11、地热水（地热蒸汽）的热能，转换为：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。供热，或间接地用于地热发电。潮汐能潮汐能：利用海水涨落时的能量，使之转换为其它能。：利用海水涨落时的能量，使之转换为其它能。海洋能的利用海洋能的利用：海水温差发电：海水温差发电通过热能通过热能机械能机械能电能电能风能风能：将空气的流动能量：将空气的流动能量机械能机械能电能电能电能电能：可直接转化为机械能：可直接转化为机械能核能：核能：1自然界能源的存在形式自然界能源的存在形式在在能能量量转转换换过过程程中中，热热能能是是利利用用能能源源的的最最基基本本和和最主要的能量形式。最主要的能量形式。2
12、热能的重要性热能的重要性在在能能源源利利用用中中，我我国国90%以以上上是是通通过过“热热”的的环环 节而利用；节而利用；世界各国平均世界各国平均85%以上都是通过热而利用能源。以上都是通过热而利用能源。第一章第一章基本概念基本概念热能利用热能利用装置装置和和动力机械动力机械的特点：的特点：都属于能量的都属于能量的传递传递、转换转换和和利用利用的设备。的设备。所以，在能量的传递、转换和利用过程中必有所以，在能量的传递、转换和利用过程中必有共同的共同的规律规律和共同的内容。和共同的内容。故本章的主要内容：介绍这种能量传递及转换故本章的主要内容：介绍这种能量传递及转换利用过程中的基本概念利用过程中
13、的基本概念要求：了解和掌握能量转换原理和特点、方式要求：了解和掌握能量转换原理和特点、方式第一节第一节 热能及其利用热能及其利用一、能量的存在形式一、能量的存在形式能量？：产生某种效果或变化的能力。能量？：产生某种效果或变化的能力。产生某种产生某种效果效果或或变化过程变化过程中伴随中伴随能量能量的消耗和转换。的消耗和转换。能量的类型：能量的类型：6种种1机械能：包括动能、位能（势能）、弹性能、表面机械能：包括动能、位能（势能）、弹性能、表面张力能。张力能。W=F* x特点：以功的形式表现，有效地转化为其它形式的能特点：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
14、。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；特点：宏观上以温度的高低表现；是基本的能量形式是基本的能量形式其它形式的能都能完全转换其它形式的能都能完全转换为热能。为热能。3电能：与电子的流动和积累有关的能。电能：与电子的流动和积累有关的能。特点：以特点：以静电场能静电场能或或感应电场能感应电场能的形式的形式贮存贮存；以以电流形式电流形式传递传递电能；电能；能有效地转换为其它形式的能。能有效地转换为其它形式的能。4辐射能（电磁能）：物体以辐射能（电磁能）：物体以电磁波形式发射电磁波形式发射的能。的能。特点：以电磁特点：以电磁射线射线形式表现；形式表现；根据电磁波的波长分为
15、根据电磁波的波长分为射线、射线、x射线、热辐射、射线、热辐射、微波、毫米射线、无线电波等。微波、毫米射线、无线电波等。热辐射热辐射是是原子振动原子振动而产生的电磁能，包括紫外线、而产生的电磁能，包括紫外线、可见光射线、红外线等可见光射线、红外线等波长及其范围波长及其范围。辐射强度与物质辐射强度与物质温度温度有关，并产生热效应有关，并产生热效应叫热辐射。叫热辐射。5化化学学能能：仅仅以以贮贮存存形形式式存存在在的的能能量量形形式式。如如燃燃料料的的化化学能。学能。特点：与其它物质的原子和分子相结合时释放出来。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。如通过
16、燃烧将化学能转换为热能而释放。即，在化学反应过程中以热能形式释放的内能。即，在化学反应过程中以热能形式释放的内能。6核核能能：蕴蕴藏藏在在原原子子核核内内部部的的能能量量，仅仅以以贮贮存存形形式式存存在在。如原子能等。如原子能等。特特点点：在在原原子子核核中中的的粒粒子子相相互互作作用用原原子子核核反反应应时时释释放出来；放出来；原原子子核核反反应应，有有放放射射性性衰衰变变、核核裂裂变变、核核聚聚变变三三种种，核裂变、聚变反应时释放大量能量。核裂变、聚变反应时释放大量能量。二、能源及其分类二、能源及其分类能源？：直接或经过转换而获取某种能量的资源。能源？：直接或经过转换而获取某种能量的资源。
17、1按能源形式和来源分类为：三种按能源形式和来源分类为：三种1）来来自自太太阳阳的的能能量量：太太阳阳辐辐射射能能、煤煤炭炭、石石油油、天天然然气气、生生物物质质能能、水水能能、风风能能、海海洋洋能能等等间间接接地地来自太阳能。来自太阳能。地地球球上上的的生生命命现现象象的的根根源源，取取决决于于太太阳阳能能的的入入射射和光合作用。和光合作用。从从生生态态学学，将将具具有有光光合合作作用用的的太太阳阳能能的的固固定定量量称称为为纯一次生产纯一次生产。太太阳阳能能对对地地球球生生态态的的影影响响可可用用太太阳阳能能的的入入射射量量以以及其纯一次生产量的比较来分析。例：及其纯一次生产量的比较来分析。
18、例：例：太阳向地球照射的能量约例：太阳向地球照射的能量约17万万MW；其其中中，经经反反射射及及大大气气吸吸收收后后，地地球球表表面面吸吸收收的的能能量量为为：86000MW；地地球球表表面面吸吸收收的的能能量量中中，仅仅有有550MW的的能能量量，被被光光合作用而利用；合作用而利用；其中，考虑光合成效率以及其中，考虑光合成效率以及植物呼吸所吸收的部分以后，植物呼吸所吸收的部分以后，约约97MW为有效的太阳能，为有效的太阳能，即纯一次生产量。即纯一次生产量。所以，纯一次生产量是地表所以，纯一次生产量是地表面吸收太阳能的面吸收太阳能的0.11%；太阳向；太阳向地球照射的全部太阳光入射量地球照射的
19、全部太阳光入射量的的0.057%。据据统统计计，全全世世界界的的能能量量消消耗耗量量，用用石石油油换换算算，约约为为90亿亿吨吨；用功率换算，约为用功率换算，约为12MW；与太阳能的入射量比较，与太阳能的入射量比较，1/10。表表明明：地地球球上上的的能能源源的的可可贵贵，及及利利用用程程度度。以以及及太太阳阳能能的的利用价值和前景。利用价值和前景。2）来自地球的能量：储存于）来自地球的能量：储存于地球内部地球内部的地热能和原子能。的地热能和原子能。地热能：以热能形式贮存，地热能：以热能形式贮存，类型：地下热水、地下蒸汽、干热岩等。类型：地下热水、地下蒸汽、干热岩等。原子能：地球上的铀原子能：
20、地球上的铀2U、钍、钍3Th等核燃料等核燃料3）天体对地球的引力作用产生的能量：月球和太阳作用的）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。潮汐能。2按能源按能源利用形态利用形态分类为：二种分类为：二种一次能源一次能源：凡自然界中现存的、可：凡自然界中现存的、可直接取得直接取得而不改而不改变其基本形态的能源。变其基本形态的能源。如，煤、天然气、水能、生物质能、地热能、风如，煤、天然气、水能、生物质能、地热能、风能、太阳能等。能、太阳能等。二次能源二次能源：由一次能源经：由一次能源经加工或转换而成加工或转换而成的另一种的另一种形态的能源。形态的能源。如：电力、蒸汽、焦碳、煤气、氢气
21、、石油制品等；如：电力、蒸汽、焦碳、煤气、氢气、石油制品等；生产过程排出的余热（高温烟气、可燃废气、排生产过程排出的余热（高温烟气、可燃废气、排放、有压流体等）。放、有压流体等）。按能源形成分为：再生能源和非再生能源。按能源形成分为：再生能源和非再生能源。再再生生能能源源：不不断断再再生生并并有有规规律律地地得得到到补补充充的的能能源源。如如水水能能、太太阳阳能能、生生物物质质能能、风风能能、海海洋洋能能等等，取之不尽，用之不竭。取之不尽，用之不竭。非非再再生生能能源源：经经亿亿万万年年形形成成短短期期内内不不能能再再生生的的能能源。如煤炭、石油、天然气、核燃料等。源。如煤炭、石油、天然气、核
22、燃料等。 两次石油危机，非再生能源储量日益减少。两次石油危机，非再生能源储量日益减少。 能源问题：再生能源的利用技术，新能源的开发能源问题：再生能源的利用技术，新能源的开发利用利用节能。节能。3按按人人类类使使用用能能源源的的习习惯惯分分类类：常常规规能能源源和和新新能能源源常常规规能能源源：人人类类使使用用最最多多的的常常用用能能源源。如如煤煤炭炭、石油、天然气、水能等。石油、天然气、水能等。新新能能源源：尚尚未未大大规规模模应应用用的的正正开开发发应应用用或或尚尚未未应应用的能源。用的能源。如如太太阳阳能能、地地热热能能、生生物物质质能能、风风能能、海海洋洋能能、核聚变能等。核聚变能等。三
23、、热能的发生三、热能的发生热能发生途径：热能发生途径：直接产生直接产生如地热能、海洋热能通过能量形式；如地热能、海洋热能通过能量形式；转换产生转换产生化学能的转换：燃烧放热反应，生成化学能的转换：燃烧放热反应，生成CO2和水；和水；电能转换：焦耳效应，电能转换：焦耳效应，辐射能转换：热辐射辐射能转换：热辐射核能转换：核裂变和核聚变中释放出核能转换：核裂变和核聚变中释放出大量的热大量的热机械能的转换：摩擦生热机械能的转换：摩擦生热四、热能的特点四、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。多次转换而来。太阳能的
24、转换：太阳照射使植物内叶绿素发生光合作用，太阳能的转换：太阳照射使植物内叶绿素发生光合作用，将太阳能转换为生物质能；将太阳能转换为生物质能；太阳能的光太阳能的光热转换；热转换；太阳能的光太阳能的光电转换，太阳能电池；电转换，太阳能电池；燃料化学能的转换：通过燃烧，将化学能燃料化学能的转换：通过燃烧，将化学能热能热能机机械能。如械能。如汽轮机：化学能汽轮机：化学能蒸汽的热能蒸汽的热能经汽轮机转换为机经汽轮机转换为机械能；械能；内燃机：化学能内燃机：化学能燃气的热能燃气的热能经活塞连杆机构转经活塞连杆机构转换为热能。换为热能。热能的热能的转换转换：两种能量形式，即：两种能量形式，即机械能机械能内燃
25、机、汽轮机内燃机、汽轮机电能电能热电发电热电发电热能的热能的储存储存：三种基本储存方式，如：三种基本储存方式，如显热贮存显热贮存利用升高固体或液体温度来蓄热；利用升高固体或液体温度来蓄热；潜热贮存潜热贮存物体相变时吸收或释放的热。一般利物体相变时吸收或释放的热。一般利用从固体到液体的相变蓄热用从固体到液体的相变蓄热半潜热贮存半潜热贮存与潜热贮存类似，贮存时发生可逆与潜热贮存类似，贮存时发生可逆的吸热反映，热能的吸热反映，热能化学能。化学能。热热能能的的传传递递：换换热热器器不不同同温温度度水水平平的的流流体体，通通过固体壁从高温向低温流体进行传热。过固体壁从高温向低温流体进行传热。五、热能的利
26、用五、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）：热能的应用在国民经济中的重要地位（使用领域）：1）电力工业电力工业火力发电或核发电，均应用热能转换。火力发电或核发电，均应用热能转换。2）钢铁工业钢铁工业炼钢、轧钢、高炉炼铁等均用热能；炼钢、轧钢、高炉炼铁等均用热能；3）有色金属工业有色金属工业铝、铜等有色金属的冶炼用热能；铝、铜等有色金属的冶炼用热能；4）化学工业化学工业酸、碱、合成氨的生产过程；酸、碱、合成氨的生产过程；5）石油工业石油工业采油、炼制、输送等用热能；采油、炼制、输送等用热能；6）建材工业建材工业建材的生产过程用热能。如水泥、陶瓷等；建材的生产过程用热能。如水泥、
27、陶瓷等；7）机械工业机械工业铸造、锻压、焊接等用热能；铸造、锻压、焊接等用热能；8）轻纺工业轻纺工业造纸、制糖、化纤、印染等用热能；造纸、制糖、化纤、印染等用热能；9）交通运输交通运输汽车、火车、船舶、飞机等动力来之热能；汽车、火车、船舶、飞机等动力来之热能；10）农业及水产养殖业农业及水产养殖业电力灌溉、温室培植、鱼池加温等电力灌溉、温室培植、鱼池加温等11）生活需要）生活需要供暖、空调、烹饪。供暖、空调、烹饪。热能应用之庞大，存在：热能应用之庞大，存在：能源问题能源问题节能。指非再生能源。节能措施节能。指非再生能源。节能措施污染问题污染问题环保。净化技术。环保。净化技术。第二节第二节能量转
28、换基本定律能量转换基本定律一、热力循环一、热力循环循循环环：工工质质从从一一个个热热力力状状态态经经过过一一系系列列的的状状态态变变化化，完完成成热热功功转转换换后后，回回到到初初始始状状态态的的热热力力过程。过程。p-V图或图或T-S图图正正循循环环：热热力力过过程程顺顺时时针针方方向向，对对外外作作功功，净净功功0，如内燃机循环；，如内燃机循环；逆逆循循环环：热热力力过过程程反反时时针针方方向向，消消耗耗外外功功，净净功功0，如制冷循环。，如制冷循环。卡卡诺诺于于1824年年，奥奥托托发发动动机机问问世世前前52年年，在在拿拿破破仑仑军军营营中中，关关于于活活力力动动力力及及其其内内燃燃机
29、机的的考考察察中中揭示卡诺循环。揭示卡诺循环。当时当时28岁，岁，1828年退伍。年退伍。E/G热热平衡：做功平衡：做功1/3；排损排损1/3；冷却损失；冷却损失1/3现在发动机，努力逼近卡诺效率现在发动机，努力逼近卡诺效率循环效率：循环效率：STT1T2S1S2卡诺循环：卡诺循环：二二、热力学第一定律、热力学第一定律实实质质：能能量量守守恒恒与与转转换换定定律律在在热热物物理理与与化化学学等等过过程中的应用。程中的应用。内容：能量形式可转换，但总量不变。内容：能量形式可转换，但总量不变。：工质的能量：工质的能量或或1对闭口系统：与外界无物质交换的系统对闭口系统：与外界无物质交换的系统对微小变
30、化过程：对微小变化过程：单位工质：单位工质：膨膨胀胀功功的的利利用用：W中中推推动动活活塞塞作作功功的的同同时时，要要克克服服大气环境压力大气环境压力所以，所以，可利用的功为：可利用的功为：对可逆过程：对可逆过程：2开开口口系系统统：系系统统与与外外界界有有能能量量传传递递和和转转换换的的同同时时有工质交换。有工质交换。对稳定流动系统：对稳定流动系统：所以，所以，对对流流动动系系，有有用用功功为为轴轴功功，工工质质流流入入、流流出出时时的损失功为的损失功为故故令，令，H=（U+pV）定义为焓。则定义为焓。则对微小变化过程：对微小变化过程：对单位工质：对单位工质：三、热力学第二定律三、热力学第二
31、定律第第一一定定律律：只只表表明明能能量量传传递递和和转转换换时时，数数量量上上的的关关系系守恒；未表明是否转换及条件。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。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，实质：一切自发过程都是不可逆的，非非自自发发过过程程的的完完成成，必必须须要要有有另另一一个个自自发发过过程来推动。程来推动。如如，发发动动机机实实现现热热功功转转换换的的非非自自发发过过程程，为为此此必必须须一一部部分分热热量量从从高高温温热热源源向向低低温温热热源源（大大气气排气）传递。排气）传递。第二定律的数学描述：熵增原理第二定律的数
32、学描述：熵增原理孤立系统热力过程总是向熵增方向进行，即孤立系统热力过程总是向熵增方向进行，即孤孤立立系系统统：与与外外界界无无能能量量转转换换和和传传递递，也也无无物物质质交换。交换。设设，由由工工质质、高高低低热热源源构构成成的的孤孤立立系系统统内内进进行行不不可逆循环，则可逆循环，则12：T1热源放热热源放热：34：T2热源放热热源放热：工质经不可逆循环工质经不可逆循环12341，从从T1吸热吸热，将部分转换为功，将部分转换为功w，其余向其余向T2放热放热后回到原状态，后回到原状态，所以，所以，T1T2T12343HsDssDLsDs循循环环的的效效果果：T1放放热热，T2吸吸热热，工工质
33、质作作功功w，孤孤立立系系统统总总熵熵变化为变化为因，系统内部的不可逆因数，因，系统内部的不可逆因数，又，又所以，所以，即即当可逆循环时时，循环当可逆循环时时，循环1234112341，则，则，即孤立系统内的热力过程只能熵增或不变，熵不会减小。即孤立系统内的热力过程只能熵增或不变，熵不会减小。地球温暖化的熵增效果。地球温暖化的熵增效果。第三节第三节能源的利用及评价能源的利用及评价意义：非再生能源的有限性，能源利用率又不高；意义：非再生能源的有限性，能源利用率又不高；能源是人类生存与发展的重要基础。能源是人类生存与发展的重要基础。所所以以，有有效效地地、有有计计划划地地利利用用能能源源是是很很重
34、重要要，为为此此对能源利用进行评价。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。评价的目的：就是监督，并提高能源利用效率。可持续发展的需要可持续发展的需要一、有效利用能源的途径一、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提高能量转换或传递装置及系统的效率2按按能能量量的的品品位位合合理理使使用用能能源源，防防止止高高品品位位能能量量的的降降级级使使用用（图（图1-5）3建建立立总总能能系系统统概概念念，优优化化整整体体用用能能系系统统，使使一一次次能能源源、二二次次能能源源及及余余热热均均得得到到充充分分利利用用，提提高高总总能能系系统统的的能能源源利利用用效率
35、效率4开发节能技术，如燃烧控制技术、热管技术、热泵技术开发节能技术，如燃烧控制技术、热管技术、热泵技术5开开发发能能量量利利用用的的运运行行控控制制技技术术，实实现现能能量量利利用用的的最最经经济济运运行，如空调变频运行、供热系统的用户供热独立调节等行，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二、利用能源的评价指标能源利用的主要评价指标：能源利用的主要评价指标：1能源消耗系数能源消耗系数r：定义：指单位国民经济产值所平均消耗的能源数量。定义：指单位国民经济产值所平均消耗的
36、能源数量。设设E：能源消耗量，能源消耗量，M：同期国民经济生产总值同期国民经济生产总值则，则，公斤公斤/元元表明一国家能源利用的水平、和节能潜力。表明一国家能源利用的水平、和节能潜力。2单位产品能耗单位产品能耗C：定义：每单位产品产量所消耗的能量。定义：每单位产品产量所消耗的能量。设设：Ep产品能耗；产品能耗；A：产品产量产品产量则则式中，式中，Ep为一种能量的消耗量时，为一种能量的消耗量时，C为单耗；为单耗；Ep为一次能源、二次能源的总量为一次能源、二次能源的总量时，时，C为综合消耗。为综合消耗。综合能耗综合能耗：包含生产产品时的直接能耗和间接能耗。：包含生产产品时的直接能耗和间接能耗。直接
37、能耗直接能耗：生产时直接消耗的能量；：生产时直接消耗的能量；间接能耗间接能耗：生产产品时所用原材料在生产过程中消耗的能量：生产产品时所用原材料在生产过程中消耗的能量全能耗全能耗=直接能耗直接能耗+间接能耗间接能耗3能源利用效率：能量利用率能源利用效率：能量利用率定义：被有效利用的能量与所消耗的能量之比。定义：被有效利用的能量与所消耗的能量之比。设设Ee：有有效效利利用用的的能能量量，Ec：所所消消耗耗（投投入入）的的能量，能量，则则表示表示用能的完善程度用能的完善程度。能源利用效率的含义：热效率能源利用效率的含义：热效率热功转换时热功转换时制冷系数制冷系数制冷循环，制冷循环，制冷量制冷量/消耗
38、功消耗功制冷量制冷量：由低温热源吸取的热量：由低温热源吸取的热量三、三、Ex()及及Ex效率效率1Ex的概念的概念对能量的评价，要考虑被利用的能量的数量和质量。对能量的评价，要考虑被利用的能量的数量和质量。火火 用用能能量量的的质质量量：就就是是能能量量的的品品位位，用用能能转转换换为为机机械械功功的的能力来衡量。能力来衡量。不不同同形形态态的的能能量量，其其质质量量不不同同；相相同同能能量量形形式式，不不同同的状态能的质量也不同。的状态能的质量也不同。某一形态的能量转变为机械能的越多，其质量（品某一形态的能量转变为机械能的越多，其质量（品位）就越高。位）就越高。特点：相对环境状态的最大作功能
39、力。即特点：相对环境状态的最大作功能力。即比：比：Ex就就是是从从能能量量的的数数量量和和质质量量角角度度，评评价价处处于于某某一一状态的热力系的作功能力的指标。即能的状态的热力系的作功能力的指标。即能的可用性可用性。定定义义：处处于于某某一一状状态态的的热热力力系系，可可逆逆变变化化到到与与环环境境状状态态相相平平衡衡时时，可可以以转转化化为为有有用用功功的的能能量量，即即有效能成为该热力系的有效能成为该热力系的Ex。燃燃料料的的：燃燃料料与与氧氧气气可可逆逆地地进进行行燃燃烧烧反反应应和和变变化化后后，与与周周围围环环境境达达到到平平衡衡时时，所所能能提提供供的的最最大大有有用用功功。也也
40、称称燃燃料的化学料的化学火用：火用：一般，等于燃料的一般，等于燃料的高热值高热值，即，即热热与工质与工质Ex的区别：的区别：是取决于由是取决于由Q热源放热时的温度热源放热时的温度T；而工质的而工质的Ex是只决定于工质的热力状态。是只决定于工质的热力状态。热热：设设任任一一热热源源温温度度为为T，则则在在其其热热功功转转换换中中，最最大大的功为卡诺循环功。即的功为卡诺循环功。即实际过程都是不可逆的，所以存在实际过程都是不可逆的，所以存在火用火用损失。损失。设稳定流动系，不可逆过程设稳定流动系，不可逆过程12，忽略动能、位，忽略动能、位能，工质与环境之间的传热量能，工质与环境之间的传热量Q，则，则
41、2Ex效率效率用用于于评评价价最最大大有有用用功功的的实实际际应应用用的的程程度度。用用实实际际被利用的有效火用被利用的有效火用和投入的火用和投入的火用之比表示。即之比表示。即a）定义：定义：因不可逆，所以工质的熵变，因不可逆，所以工质的熵变，即即熵产：熵产：所以，不可逆过程中的功为所以，不可逆过程中的功为即即其中，其中，热二定律其中，最大可逆功为其中，最大可逆功为则，则，不可逆不可逆过程的过程的功损失功损失为：为：可可逆逆时时，可可利利用用的的能能量量为为工工质质进进出出热热力力系系的的火火用用值值之差，之差，不不可可逆逆过过程程的的Ex损损失失：，表表示示作作功功能能力力的的损失。损失。因
42、实际能量转换过程都是不可逆的，所以必有因实际能量转换过程都是不可逆的，所以必有副产品和废料带走的副产品和废料带走的Ex如锅炉、内燃机排烟等；如锅炉、内燃机排烟等；向环境散热造成向环境散热造成Ex损失。如换热器对流和热辐射。损失。如换热器对流和热辐射。装置内的不可逆过程装置内的不可逆过程如不可逆化学反应，温差传热等；如不可逆化学反应，温差传热等；b）产生）产生ExL的原因：来自以下三方面的原因：来自以下三方面c）效率的实际应用或表达式效率的实际应用或表达式常用实际获得的收益与投入之比表示。如常用实际获得的收益与投入之比表示。如发发动动机机：进进入入和和离离开开发发动动机机的的工工质质的的有有效效
43、能能分分别别为为 ，产生的功为，产生的功为W12，则则：包含进入气缸的混合气的流动功和化学能。：包含进入气缸的混合气的流动功和化学能。：废气带走的热量和流动功。：废气带走的热量和流动功。不常用。而常用热效率。不常用。而常用热效率。锅锅炉炉：投投入入高高温温烟烟气气对对水水蒸蒸气气的的加加热热，烟烟气气在在平平均均温温度度Tm下放热，则投入的有效能为；下放热，则投入的有效能为；收益收益水蒸气有效能的增加水蒸气有效能的增加所以，所以，只反映烟气温差传热造成的有效能损失。只反映烟气温差传热造成的有效能损失。若锅炉消耗燃料的有效能若锅炉消耗燃料的有效能为投入，则为投入，则可同时反映温差传热、燃可同时反
44、映温差传热、燃烧过程和排烟等不可逆过烧过程和排烟等不可逆过程造成的有效能损失。程造成的有效能损失。间壁式换热器间壁式换热器：投入：投入热流体进出换热器的有效热流体进出换热器的有效能之差；能之差； 收益：冷流体进出换热器的有效能差。收益：冷流体进出换热器的有效能差。 所以，所以， 一一般般，换换热热器器的的冷冷流流体体吸吸收收的的热热量量与与热热流流体体的放热量不相等的放热量不相等, ,即存在热损失。即存在热损失。 动力循环动力循环：工质被加热，并输出功的循环。：工质被加热，并输出功的循环。设设工质加热量工质加热量-Q；平均温度平均温度Tm；输出功输出功W；环境温度；环境温度T0；则则四、四、总
45、能系统及其评价（自学）总能系统及其评价（自学）第四节第四节动力机械与动力机械与动力传动动力传动一、动力机械的分类：两种分类方法一、动力机械的分类：两种分类方法1按工质作功的物质分类：按工质作功的物质分类：蒸汽动力机蒸汽动力机蒸汽机、汽轮机；蒸汽机、汽轮机；燃气动力机燃气动力机汽、柴油机、燃气轮机；汽、柴油机、燃气轮机；水动力机水动力机水轮机水轮机2按加热方式分类：按加热方式分类：内燃机；燃气轮机内燃机；燃气轮机外燃机外燃机汽轮机、蒸汽机汽轮机、蒸汽机水轮机水轮机无加热无加热动力机械的动力机械的特点特点是，其动力输出是通过能量的是，其动力输出是通过能量的一一次直接转换次直接转换而获得；故又称为一
46、次动力机，或而获得；故又称为一次动力机，或原原动机；动机；二二次次动动力力机机是是指指通通过过两两次次能能量量转转换换完完成成动动力力输出的机械。输出的机械。如如电电动动机机：通通过过原原动动机机将将某某种种能能源源转转换换成成电电能能，然后再将电能转换为机械能。然后再将电能转换为机械能。用途：根据工作原理和结构特点，其用途不同。用途：根据工作原理和结构特点，其用途不同。二、动力机械的性能二、动力机械的性能动动力力机机械械的的评评价价，从从能能量量转转换换和和动动力力传传递递角角度度考考虑虑，要求良好的性能指标和运行特性。要求良好的性能指标和运行特性。这这种种性性能能指指标标和和运运行行特特性
47、性，不不同同种种类类的的动动力力机机械械，因其工作原理和用途不同而不同；因其工作原理和用途不同而不同；但主要性能指标，有但主要性能指标，有动力性、经济性、排放特性动力性、经济性、排放特性等等; ;动动力力性性：常常用用输输出出的的功功和和扭扭矩矩的的大大小小及及其其随随转转速速的的变化特性来表示；变化特性来表示；对对E/G：全负荷速度特性、部分负荷速度特性全负荷速度特性、部分负荷速度特性 经经济济性性：所所消消耗耗的的能能源源资资源源和和获获得得的的机机械械能能之之比比来来表示；负荷特性表示；负荷特性排放特性：排放特性：有害气体的排放量有害气体的排放量环境角度环境角度特特性性曲曲线线的的研研究
48、究目目的的，了了解解和和掌掌握握不不同同工工况况下下的的性性能指标的变化规律。能指标的变化规律。动动力力机机械械的的工工作作特特点点：变变工工况况负负荷荷和和转转速速变变化化。一般性能指标与工况有关。所以，一般性能指标与工况有关。所以，原则：尽可能选择性能指标最佳的工况点工作；原则：尽可能选择性能指标最佳的工况点工作； 改进常用工况点的性能指标，使之达到最佳。改进常用工况点的性能指标，使之达到最佳。三、动力传动三、动力传动 动动力力传传动动是是发发动动机机和和动动力力机机械械之之间间通通过过某某种种机机构构进进行行传动的。传动的。传动方式：按工作机械或动力分配方式分类为几种传动方式：按工作机械
49、或动力分配方式分类为几种;直接传动：直接传动：工作机械和发动机直接联结；工作机械和发动机直接联结；特点：动力损失少、结构简单；特点：动力损失少、结构简单；缺缺点点：不不能能变变速速离离合合，改改变变转转矩矩和和方方向向，不不能能长长距距离离能量传递、差动传动、转动变换成直线运动等。能量传递、差动传动、转动变换成直线运动等。间间接接传传动动机机械械传传动动：通通过过某某种种机机械械机机构构传传动动，应用最广；应用最广； 如摩擦传动、齿轮传动、杠杆传动等如摩擦传动、齿轮传动、杠杆传动等 流流体体动动力力传传动动：用用液液压压或或气气动动系系统统，接接受受原原动动机机传传递递的的动动力力，产产生生液
50、液体体或或气气体体的的压压力力，经经液液体体或或气体的内部传递，推动工作机械作功气体的内部传递，推动工作机械作功 如，液压传动、液力传动、气压传动如，液压传动、液力传动、气压传动 电电力力或或磁磁力力传传动动：包包括括电电力力拖拖动动、电电磁磁离离合合或或制制动等。动等。第五节第五节热能与动力技术和环境热能与动力技术和环境热能与动力机械的应用与发展对地球环境的影响：热能与动力机械的应用与发展对地球环境的影响： 破坏物质平衡、能量平衡和生态平衡破坏物质平衡、能量平衡和生态平衡一、一、环境污染内容环境污染内容1 1热污染：热污染：热热能能利利用用和和动动力力技技术术的的应应用用中中的的能能量量损损
51、失失，以以热热能能形形式式传传给给环环境境，使使环环境境温温度度升升高高，造造成成对对环环境境的的危害。危害。 如如海海洋洋或或河河水水发发电电站站，冷冷却却水水的的热热量量排排放放到到自自然然水水源源中中，使使水水温温升升高高，造造成成水水中中含含氧氧量量降降低低，影响水生物的生存；影响水生物的生存；地地球球升升温温，冰冰雪雪覆覆盖盖区区缩缩小小，反反射射率率下下降降，吸吸收收更更多多太太阳阳能能，地地球球温温度度进进一一步步升升高高，造造成成升升温温连连锁反映。锁反映。温室效应已非抽象概念，已影响动植物行为温室效应已非抽象概念，已影响动植物行为。2空空气气污污染染：指指各各种种车车辆辆、供
52、供热热设设备备、发发电电厂厂、工工业业用用锅锅炉炉等等的的废废气气废废料料向向环环境境排排放放造造成成的的大大气气污染。污染。有有害害污污染染物物主主要要有有：CO2、NOx、SO、HC、CO、碳烟、微粒、铅、金属氧化物等。碳烟、微粒、铅、金属氧化物等。1）CO2的温室效应：的温室效应：CO2的的特特点点：吸吸收收光光谱谱恰恰好好在在地地球球辐射的主要波长段内，辐射的主要波长段内，所所以以，对对地地球球辐辐射射能能吸吸收收力力强强，但但对太阳能辐射透明；对太阳能辐射透明；CO2的的作作用用：吸吸收收地地面面辐辐射射能能后后，重重新新辐辐射射，一一部部分分返返回回地地面面，另另一一部分传给更上层
53、的部分传给更上层的CO2；CO2含含量量越越高高更更多多的的热热量量被被阻阻留留在在低低层层大大气气中中，使使地地球球温温度度升升高高，造造成温室效应。成温室效应。正常状态充满温室效应气体时温暖化的影响温暖化的影响：海平面上升；海平面上升；气象条件气象条件异常；异常；自然环境自然环境动植物灭绝动植物灭绝;农作物减产；农作物减产；国民经济；国民经济；健康健康气温上升最大时估计气温上升最大时估计气温上升最小时估计气温上升最小时估计折衷估计折衷估计2）NOxNOx对臭氧层很敏感，直接破坏臭氧层的自然平衡；对臭氧层很敏感，直接破坏臭氧层的自然平衡；NOx浓度越高，臭氧浓度下降，对紫外线的吸收能力下降。
54、浓度越高，臭氧浓度下降，对紫外线的吸收能力下降。地面紫外线辐射强度增高。皮肤癌率增加；地面紫外线辐射强度增高。皮肤癌率增加；与与HC一一起起在在太太阳阳光光照照射射下下形形成成光光化化学学烟烟雾雾由由臭臭氧氧、NO、甲醛、乙醛等组成；能见度降低，影响交通安全；甲醛、乙醛等组成；能见度降低，影响交通安全；3）硫硫化化物物：SO2、SO3、H2S等等都都是是有有害害物物；主主要要来来之之煤煤炭炭燃烧。燃烧。SO2影响呼吸道；影响呼吸道；H2S对呼吸道的刺激更严重；对呼吸道的刺激更严重；SO3使烟气露点提高，易形成酸雨或酸雾。使烟气露点提高，易形成酸雨或酸雾。在地热流体中在地热流体中H2S含量较多。含量较多。汽油车25%柴油车75%城市大气污染NOx源光化学烟雾光化学烟雾PM源：資源別消費量推移資源別消費量推移 消費推移消費推移(1997?2020) 能量消耗量3噪声噪声危危害害：对对人人的的心心理理、生生理理、听听力力、工工作作、睡睡眠眠有不利的影响。有不利的影响。4放射性污染放射性污染主主要要对对核核燃燃料料等等的的放放射射性性物物质质，直直接接对对生生命命有有威胁威胁二、环境污染的防治二、环境污染的防治能量的利用污染不可避免，但可以治理和减小能量的利用污染不可避免，但可以治理和减小1 1控制排放的技术控制排放的技术2 2新能源的利用新能源的利用
