工程熱力學(xué)第4章氣體與蒸汽的熱力過(guò)程課件

1、工程熱力學(xué)第4章 氣體與蒸汽的熱力過(guò)程引 言實(shí)施熱力過(guò)程的目的：2、達(dá)到預(yù)期的狀態(tài)變化，如： 定壓吸熱過(guò)程（鍋爐：水的焓，液汽，獲作功能力） 定壓放熱過(guò)程（凝氣器：乏汽焓，汽液，便于泵送）1、實(shí)現(xiàn)預(yù)期的能量轉(zhuǎn)換，如： 絕熱膨脹過(guò)程（熱機(jī)：Q W；噴管： Q c） 絕熱壓縮過(guò)程（壓縮機(jī)： W p；泵： W p ）研究熱力過(guò)程的目的：揭示過(guò)程中工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律以及能量轉(zhuǎn)化情況，進(jìn)而找出影響轉(zhuǎn)化的主要因素。研究熱力過(guò)程的一般方法 根據(jù)實(shí)際過(guò)程的特點(diǎn)，將實(shí)際過(guò)程近似地概括為幾種典型過(guò)程：定容、定壓、定溫和絕熱過(guò)程。 不考慮實(shí)際過(guò)程中不可逆的耗損，視為可逆過(guò)程。 工質(zhì)視為理想氣體 比熱容取定值實(shí)際

2、過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜過(guò)程，很難確定其變化規(guī)律。為簡(jiǎn)化分析，假設(shè)：分析熱力過(guò)程的一般步驟 確定過(guò)程方程 p = f ( v ) 確定初態(tài)、終態(tài)參數(shù)的關(guān)系及熱力學(xué)能、焓、熵的變化量 確定過(guò)程中系統(tǒng)與外界交換的能量 在p-v圖和T-s圖畫出過(guò)程曲線，直觀地表達(dá)過(guò)程中工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律及能量轉(zhuǎn)換4-1 理想氣體的熱力過(guò)程過(guò)程分析：1. 過(guò)程方程2. 初、終態(tài)參數(shù)關(guān)系，u 、h、s3. 系統(tǒng)與外界交換的能量 Q、W、Wt4. 過(guò)程的p-v圖和T-s圖典型熱力過(guò)程：定容、定壓、定溫、絕熱過(guò)程。假設(shè)：理想氣體、可逆過(guò)程、定值比熱容基本公式：一、定容過(guò)程1、過(guò)程方程2. 初、終態(tài)參數(shù)的關(guān)系3. 能量轉(zhuǎn)換4. p

3、-v圖和T-s圖二、定壓過(guò)程1. 過(guò)程方程2. 初、終態(tài)參數(shù)的關(guān)系3. 能量轉(zhuǎn)換 4. p-v圖和T-s圖定v 線比定p 線陡Why?定v：三、定溫過(guò)程1. 過(guò)程方程2. 初、終態(tài)參數(shù)的關(guān)系3. 能量轉(zhuǎn)換 4. p-v 圖和T-s 圖四、絕熱過(guò)程可逆的絕熱過(guò)程是定熵過(guò)程可逆過(guò)程：ds = 0絕熱過(guò)程：q = 01. 過(guò)程方程 即：定熵過(guò)程方程為指數(shù)方程2. 初、終態(tài)參數(shù)的關(guān)系3. 能量轉(zhuǎn)換絕熱線比定T 線陡Why? 4. p-v圖和T-s圖定T：四種典型熱力過(guò)程 p-v 圖和T-s 圖例1分析 安全閥起跳前：定v；起跳后：定pV=0.15m3p1=0.55MPat=38, m1V=0.15m3

4、p2=0.7MPat2=123, m1V=0.15m3p3=0.7MPat3=285, m3定v定p定v： T2 / T1 = p2 / p1T2 =396 K=123 氧氣儲(chǔ)罐上安全閥起跳壓力為0.7MPa,問(wèn)：加熱到285 時(shí)，加入的Q=？判斷安全閥是否起跳：V=0.15m3p1=0.55MPat1=38方法1：假設(shè)沒(méi)有起跳，p：0.550.7，看t 能否達(dá)到285定v： T2 / T1 = p2 / p1 p2 =0.987MPa方法2：假設(shè)沒(méi)有起跳， T ：38285，看p是否大于0.7MPaV=0.15m3p1=0.55MPat=38, m1V=0.15m3p2=0.7MPat2=1

5、23, m1V=0.15m3p3=0.7MPat3=285, m3定v定p（1）定v：T2 / T1 = P2 / P1T2 =396 K=123Qv= m1 Cv (T2 - T1) = 56.3kJ（2）定p ：變質(zhì)量，寫出 Qp的微分式：= 126.2kJ需加熱量：Q = Qv + Qp = 56.3+126.2=182.5 kJ例2： 1kg空氣：t1=100、p1=2bar； t3=0 、p3=1bar，其中1-2為不可逆絕熱膨脹過(guò)程，其熵變?yōu)?.1kJ/kgK，2-3為可逆定壓放熱過(guò)程，求：1）s123 ；2）q12312pv3分析：理想氣體、定比熱容1）求s123， s12已知，

6、要求s23要求T2T2可由求出2）q123 =+q12 + q23 0可逆定壓0證可逆：例3：某氣體的狀態(tài)方程為p(v-b)=RT，熱力學(xué)能u=cvT+u0，其中cv、u0為常數(shù)。試證明在可逆絕熱過(guò)程中該氣體滿足下列方程式：可逆絕熱：ds = 0kbvp=-定值)(kbvp=-定值)(例4：將理想氣體在可逆絕熱過(guò)程中所作技術(shù)功的大小，表示在T-s圖上。分析：絕熱過(guò)程技術(shù)功：面積1ba21122baTS五、多變過(guò)程 工程實(shí)際中有些熱力過(guò)程，p、v、T有明顯變化，且系統(tǒng)與外界交換的Q不可忽略。則不能用上述4種基本熱力過(guò)程來(lái)描述。 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這種過(guò)程 p、v 的關(guān)系依然保持近似的指數(shù)函數(shù), 因此提出

7、了一種具有廣泛代表性的過(guò)程-多變過(guò)程，其過(guò)程方程為：n -多變指數(shù)， ntd）td露點(diǎn)d繼續(xù)冷卻到 =100%：露點(diǎn) 含濕量值相同、狀態(tài)不同的濕空氣，具有相同的露點(diǎn)。一、 加熱 (或冷卻) 過(guò)程二、絕熱加濕過(guò)程 噴水加濕1-2： tw查取方法：定h線與 =100%線交點(diǎn)處的溫度值結(jié)果：（1） d、t(2) h1h2絕熱加濕近似為定h過(guò)程 h值相同、狀態(tài)不同的濕空氣，具有相同的濕球溫度tw(2) 凝水量：22d2d1h2濕空氣：(t1 、1) t2 冷卻三、冷卻去濕過(guò)程(1) 過(guò)程曲線空調(diào)工程常用方法四、絕熱混合過(guò)程五、工程應(yīng)用（1） 烘干過(guò)程（2） 冷卻塔作 業(yè)P113：思考題 58P113：

8、習(xí)題 54.4 絕熱節(jié)流節(jié)流：流體流經(jīng)截面突縮的孔口時(shí)壓力下降的現(xiàn)象。原因(機(jī)理)：熱力學(xué)、流體力學(xué)一、絕熱節(jié)流分析 節(jié)流過(guò)程不可逆 節(jié)流前后流體的焓不變 節(jié)流后壓力下降、比體積增大絕熱節(jié)流過(guò)程為定焓過(guò)程？0000理想氣體孔口附近，動(dòng)能不可忽略：二、焦耳 - 湯姆遜效應(yīng)焦耳-湯姆遜效應(yīng)（1852年）：絕熱節(jié)流后流體的溫度發(fā)生變化。也稱為“節(jié)流溫度效應(yīng)” 對(duì)于理想氣體：多數(shù)氣體的T；少數(shù)氣體如H2、He的T節(jié)流后，p節(jié)流前、后：節(jié)流系數(shù)(焦-湯系數(shù)):T：節(jié)流冷效應(yīng) 因?yàn)楣?jié)流過(guò)程壓力下降，即 dp 0T：節(jié)流熱效應(yīng)T不變：節(jié)流零效應(yīng)節(jié)流微分效應(yīng)：微元壓降導(dǎo)致的溫度變化節(jié)流積分效應(yīng)：有限壓降導(dǎo)致的

9、溫度變化回轉(zhuǎn)溫度（inversion temperature）：節(jié)流微分效應(yīng) J = 0 時(shí)的氣體溫度，Ti例：范德瓦爾氣體狀態(tài)方程：Ti回轉(zhuǎn)曲線：將T-p圖分為兩區(qū) ,不存在冷效應(yīng)冷效應(yīng)區(qū): 微元dp、有限p, T均熱效應(yīng)區(qū): 微元dp : T、一定的p : T但壓降大到一定程度后，T+狀態(tài)方程節(jié)流的應(yīng)用壓力、流量（功率）調(diào)節(jié)-各類閥門制冷：普冷、低溫工程-熱力膨脹閥、節(jié)流閥計(jì)量：孔板流量計(jì)、飽和水蒸汽干度測(cè)量導(dǎo)出實(shí)際氣體狀態(tài)方程4.5 壓氣機(jī)中的熱力過(guò)程引 言壓氣機(jī)：消耗外功使氣體壓縮升壓的機(jī)器（1）按產(chǎn)氣壓力分壓氣機(jī)分類：通風(fēng)機(jī)（115 kPa）鼓風(fēng)機(jī)（115 300 kPa）壓氣機(jī)（3

10、00 kPa）（2）按結(jié)構(gòu)分活塞式葉輪式離心式軸流式一、 活塞式壓氣機(jī) 的工作過(guò)程（1）理想情況：排氣結(jié)束：活塞運(yùn)動(dòng)到左止點(diǎn)，將汽缸中的氣體排盡。1234Vp進(jìn)氣閥排氣閥吸氣壓縮排氣左止點(diǎn)右止點(diǎn)忽略動(dòng)能差、位能差：壓縮機(jī)的功耗近似為技術(shù)功近似為穩(wěn)流開口系：（2）實(shí)際工作過(guò)程最大容積：V1汽缸行程容積：Vh V1 V3有效進(jìn)氣容積： Ve V1 V4余隙容積：Vc工作過(guò)程： 4-1：吸氣 1- 2：壓縮 2- 3 ：排汽 3-4 ：膨脹余隙容積: 防止活塞與汽缸蓋撞擊、便于安排進(jìn)、排氣閥等。Vc左止點(diǎn)右止點(diǎn)Ve二、壓氣功的計(jì)算設(shè)壓縮、膨脹為多變過(guò)程。 1、理想壓氣功1234Vp2、有余隙的壓氣功

11、等于1-2壓縮功與3-4 膨脹功之差。有余隙時(shí)功耗下降？Ve3、壓氣機(jī)功率：設(shè)吸入狀態(tài)下體積流量為qve ，則壓氣機(jī)功率為：壓縮1kg氣體的功耗：壓縮1kg氣體的功耗：1、理想壓氣功:2、有余隙的壓氣功:相同wt相同, 為何有余隙時(shí)Wt ？原因：吸氣量三、容積效率由于余隙容積的存在，有效吸氣容積V1V4 總是小于行程容積Vh， Vh不能充分利用。其比值定義為容積效率V p2/ p1 V ，可使V =0。單級(jí)壓縮p2/ p1 一般為8，需要更高壓力時(shí)，應(yīng)采用多級(jí)壓縮。Vc相對(duì)余隙容積：=Vc / Vh ， = 0.030.08VhVc四、壓氣機(jī)汽缸冷卻的作用sT12sp1p22n2T壓縮過(guò)程三種

12、情況：絕熱、定溫和多變壓縮。壓縮過(guò)程會(huì)使氣體溫度升高：定溫壓縮功耗最少!汽缸為什么要冷卻？2、減少功耗。1、避免壓縮機(jī)潤(rùn)滑油因高溫而氧化變質(zhì)（壓縮機(jī)油氧化溫度130）3、有利于延長(zhǎng)材料壽命五、多級(jí)壓縮與級(jí)間冷卻 1、為什么要采用多級(jí)壓縮？2、為什么要采用級(jí)間冷卻？sT12ab為了獲得較高容積效率。單級(jí)壓縮p2/ p1 應(yīng)8。需要更高壓力時(shí)，采用多級(jí)壓縮，使每級(jí)氣缸的增壓比不會(huì)過(guò)高，以得到較高的容積效率。降低壓縮過(guò)程中氣體的溫度。使：(1)安全。材料、潤(rùn)滑油不能超溫；（2）壓氣機(jī)功耗（p-V圖中陰影面積)。ab定溫線222中間壓力對(duì)耗功的影響 設(shè)兩級(jí)壓氣機(jī)中間壓力為pa，兩級(jí)氣缸中壓縮過(guò)程的多變

13、指數(shù)相同，功耗為：設(shè)氣體在中冷器得到充分冷卻，即TbT1，則上式為 對(duì)上式其求極值： 得功耗的為極小值時(shí)的壓力比-最佳壓力比：每級(jí)耗功為：z 級(jí)總耗功為：對(duì)于z 級(jí)壓縮：如：3級(jí)壓縮，將空氣從0.1MPa壓縮到2.7MPa。求最佳壓比及中間壓力。最佳壓比：一級(jí)出口壓力：二級(jí)出口壓力：多級(jí)壓縮機(jī)對(duì)外散熱量散熱量：1、汽缸夾套冷卻帶走的熱量Qn2、級(jí)間冷卻器帶走的熱量Qp124Vp356781、夾套散熱量Qn若采用最佳中間壓比、間冷器完全回冷（T3=T1），則兩級(jí)夾套散熱量相等：2、間冷器帶走的熱量Qp壓縮機(jī)總散熱量：例兩級(jí)活塞式壓縮機(jī)，p1=0.1MPa, t1=27,壓縮到p4 = 6.4 M

14、Pa?？赡媲覂杉?jí)n=1.2，對(duì)外供壓縮氣4m3/h，求: (1)最佳中間壓力；(2)總功耗；(3)總散熱量解124Vp35678(1)最佳中間壓力(2)總功耗124Vp35678(3)總散熱量空氣質(zhì)量流量：多變壓縮過(guò)程的熱量（夾套散熱量）Qn ：間冷器帶走的熱量Qp ：總散熱量：124Vp35678作 業(yè)P113：習(xí)題114-6 鍋爐生產(chǎn)蒸汽的熱力過(guò)程1、什么是鍋爐？鍋爐: 是一種將電能或燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，再將熱能傳遞給水，以生產(chǎn)熱水或蒸汽的熱工設(shè)備。鍋爐分類（按用途）：工業(yè)鍋爐：供熱（生產(chǎn)中的各類工藝加熱、生活中的采暖、空調(diào)、食品蒸煮、洗浴等。通常低參數(shù)、小容量。動(dòng)力鍋爐：發(fā)電、艦船動(dòng)

15、力。高壓、高溫、大容量開封135t流化床2、鍋爐的構(gòu)造與工作過(guò)程送風(fēng)機(jī)空氣：送風(fēng)機(jī) 空預(yù)器 爐排煤：爐前煤斗爐排灰坑煤倉(cāng)灰渣供汽水汽：水汽水混合物汽煙氣： 爐膛引風(fēng)機(jī)給水泵鍋爐房設(shè)備組成3、水蒸汽生產(chǎn)的熱力過(guò)程水的定壓汽化過(guò)程：預(yù)熱過(guò)程（ab）：未飽和水飽和水汽化過(guò)程（bd）：飽和水干飽和蒸汽過(guò)熱過(guò)程（de）：干飽和蒸汽過(guò)熱蒸汽（2）鍋爐的熱效率 正平衡：反平衡：（1）熱平衡組成4、鍋爐的熱平衡qr每公斤燃料帶入鍋爐的熱量q1鍋爐有效利用熱量q2排煙熱損失q3氣體不完全燃燒熱損失q4固體不完全燃燒熱損失q5鍋爐散熱損失q6灰渣物理熱損失及其它熱損失4.7 熱能與動(dòng)能轉(zhuǎn)換的熱力過(guò)程實(shí)際應(yīng)用廣泛熱

16、能動(dòng)能長(zhǎng)征三號(hào)丙1、熱能與動(dòng)能轉(zhuǎn)換的基本方程假設(shè)：一元、穩(wěn)流、可逆絕熱流動(dòng)連續(xù)方程:能量方程：過(guò)程方程:聲速方程:馬赫數(shù)：氣體的流速與當(dāng)?shù)芈曀俚谋戎?Ma1 亞聲速流動(dòng)Ma1 聲速流動(dòng)（氣流速度等于當(dāng)?shù)芈曀伲㎝a1 超聲速流動(dòng)0.8 Ma 1.2 跨聲速流動(dòng)0002、熱能與動(dòng)能轉(zhuǎn)換的條件（1）力學(xué)條件0能量方程熱一律結(jié)論：c需有壓差 c p（2）幾何條件結(jié)論：來(lái)流Ma1: cA3、轉(zhuǎn)換設(shè)備及熱力過(guò)程應(yīng)用：壓縮機(jī)械(葉輪式壓氣機(jī)、離心泵等)（2）擴(kuò)壓管：動(dòng)能(高速氣流)熱能(壓力能)（1）噴管：熱能動(dòng)能（高速氣流）應(yīng)用：葉輪機(jī)械(汽輪機(jī)、膨脹機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)) 各類射流（高壓水槍、噴霧等） 飛行器尾

17、噴管hsp22sp121噴管12擴(kuò)壓管4.8 汽輪機(jī)中蒸汽膨脹的熱力過(guò)程1、什么叫汽輪機(jī)？一、汽輪機(jī)概述火力發(fā)電原理圖汽輪機(jī)（Steam Turbine）：是一種以水蒸汽為工質(zhì)，將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的旋轉(zhuǎn)式原動(dòng)機(jī)。鍋爐汽輪機(jī) 發(fā)電機(jī)凝汽器過(guò)熱器 冷卻水給水泵 (電能機(jī)械能壓力能)(化學(xué)能熱能)(熱能機(jī)械能) (機(jī)械能電能)(熱能熱能)2、汽輪機(jī)的基本結(jié)構(gòu)汽輪機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)-轉(zhuǎn)子汽輪機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)-靜子靜止部分：汽缸、靜葉柵(噴嘴,導(dǎo)葉)、隔板、密封、軸承轉(zhuǎn)動(dòng)部分（總稱為轉(zhuǎn)子）：軸、輪盤（或轉(zhuǎn)鼓）、動(dòng)葉柵 基本結(jié)構(gòu):級(jí)：一列靜葉柵 + 一列動(dòng)葉柵 汽流3、汽輪機(jī)的分類（1）按工作原理分：沖動(dòng)式汽輪機(jī)反動(dòng)式

18、汽輪機(jī)（2）按熱力特性分：凝汽式汽輪機(jī)調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機(jī)背壓式汽輪機(jī)抽汽背壓式汽輪機(jī)中間再熱式汽輪機(jī)（3）按主蒸汽壓力分汽輪機(jī)類別主蒸汽壓力（MPa)低壓汽輪機(jī) 1.5中壓汽輪機(jī)24高壓汽輪機(jī)610超高壓汽輪機(jī)1214亞臨界壓力汽輪機(jī)1618超臨界壓力汽輪機(jī)22.1超超臨界壓力汽輪機(jī)32（4）按用途分電站汽輪機(jī)（凝汽式） ：定速：3000rpm，大型化、采用再熱、回?zé)岬葟?fù)雜循環(huán)-經(jīng)濟(jì)性；工業(yè)汽輪機(jī)（背壓式/抽汽背壓式/抽凝式） ：變速：幾千幾萬(wàn)rpm，用于工業(yè)驅(qū)動(dòng)、工業(yè)發(fā)電，應(yīng)用廣泛（石油、化工、冶金、建材、輕紡等工業(yè)部門和企業(yè)自備電站、區(qū)域熱電聯(lián)供、余熱發(fā)電、垃圾電站、燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)等）。

19、艦船用汽輪機(jī)（凝汽式） ：特點(diǎn)：強(qiáng)調(diào)機(jī)動(dòng)性，有倒車級(jí)（特有）。經(jīng)濟(jì)性其次，簡(jiǎn)單循環(huán)。4、汽輪機(jī)的應(yīng)用1、發(fā)電（火電、核電）：汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組所發(fā)的電占全世界發(fā)電總量的80%，是現(xiàn)代化國(guó)家中的重要?jiǎng)恿C(jī)械。2、供熱：汽輪機(jī)的排汽或中間抽汽可用來(lái)滿足生產(chǎn)和生活 上供熱的需要，這種用于熱-電聯(lián)產(chǎn)的熱電式汽輪機(jī)，具有更高的經(jīng)濟(jì)性（熱效率70%）3、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)：冶金、化工、艦船行業(yè)各種從動(dòng)機(jī)械如泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、螺旋槳的直接驅(qū)動(dòng)。二、汽輪機(jī)級(jí)的熱力過(guò)程1、汽輪機(jī)的“級(jí)”級(jí)一列靜葉柵:熱能動(dòng)能一列動(dòng)葉柵:動(dòng)能機(jī)械能靜葉動(dòng)葉轉(zhuǎn)軸輪盤動(dòng)葉靜葉隔板汽缸2、動(dòng)能機(jī)械能的原理：沖動(dòng)、反動(dòng)（1）沖動(dòng)作用原理沖動(dòng)力：改變其速度的大小和方向則產(chǎn)生一沖動(dòng)力或汽流改變流動(dòng)方向?qū)ζ喇a(chǎn)生一離心力。此力的大小取決于單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)動(dòng)葉通道的蒸汽質(zhì)量及其速度的變化。c1w1uFt（2）反動(dòng)作用原理w1w2FtFrF定義：蒸汽在動(dòng)葉柵中膨脹時(shí)的理想焓降hb 和整個(gè)級(jí)的理想滯止焓降h t*之比。衡量在動(dòng)葉中膨脹的程度。（3）級(jí)的反動(dòng)度反動(dòng)力：因汽流膨脹產(chǎn)生一相反力（如火箭）。此力的大小取決于氣體壓力的變化。(4) 沖動(dòng)級(jí)和反動(dòng)級(jí)特點(diǎn)：蒸汽的膨脹大部分在噴嘴葉柵中進(jìn)行，只有一小部分在動(dòng)葉柵