吉大工程熱力學(xué)講義第0章 緒論VIP

0-1熱能動力工程的重要地位人類社會的發(fā)展是和社會生產(chǎn)力的發(fā)展密切相關(guān)的，而社會生產(chǎn)力的一個重要組成部分就是為生產(chǎn)過程提供原動力的動力工程。動力工程不僅應(yīng)該提供數(shù)量上足夠的原動力，而且所提供的原動力裝置應(yīng)該功率大、重量輕、體積小。只有當(dāng)原動力工程能充分滿足生產(chǎn)需要時，社會生產(chǎn)才能得到迅速的發(fā)展，從而推動熱能動力工程是利用熱能轉(zhuǎn)化成為機械能而獲得生產(chǎn)所需原動力的。它最初出現(xiàn)于18世紀(jì)，當(dāng)時生產(chǎn)規(guī)模已日趨擴大，所用機械也日益增多，而所用的原動力還停留在人力、畜力等原始水平，嚴(yán)重地阻礙了生產(chǎn)的發(fā)展。在生產(chǎn)發(fā)展的強烈推動下，1784年瓦特制成了一種通用的蒸汽機，為生產(chǎn)提供了一種強有力的動力裝置，開始了熱能動力工程的新紀(jì)元。蒸汽機的廣泛應(yīng)用推動了生產(chǎn)飛速發(fā)展，從而掀起了歷史上著名的“工業(yè)革命”，徹底改變了原來自然經(jīng)濟的小生產(chǎn)方式，奠定了工業(yè)化生產(chǎn)的牢固的在現(xiàn)代社會生產(chǎn)中，熱能動力工程的地位是極為重要的。今天，工農(nóng)業(yè)各部門及人民生活所消耗的電力絕大部分是由熱能動力的發(fā)電廠所生產(chǎn)的電能提供的；各生產(chǎn)部門中直接用于驅(qū)動機械設(shè)備的原動機幾乎全部是汽輪機、內(nèi)燃機、燃?xì)廨啓C等熱能動力裝置；在人類征服宇宙空間的偉大斗爭中，也正是熱能動力家族中的一員——強大的火箭發(fā)動機建立了功勛?？傊?，對于現(xiàn)代的社會生產(chǎn)的發(fā)展，熱能動力工程起著十分重要的保證作隨著社會生產(chǎn)的發(fā)展，熱能動力工程本身也在進步，特別是面對未來生產(chǎn)發(fā)展對原動力需要迅速增加的趨勢，熱能動力工程正在積極地向采用原子能和太陽能等新能源的方向努力前進。從20世紀(jì)50年代起，人們就開始研究利用原子核反應(yīng)產(chǎn)生的巨大熱能作為熱能動力裝置的能源，并且已經(jīng)取得了很大的成就?，F(xiàn)在，利用濃縮的鈾235發(fā)生核反應(yīng)所產(chǎn)生的能量為能源的核電廠，已經(jīng)在許多地方建立起來和正式發(fā)電。我國已經(jīng)掌握了設(shè)計、制造、運行核電廠的技術(shù)。由于熱核反應(yīng)可產(chǎn)生更巨大的能量，特別是熱核反應(yīng)物質(zhì)氘的儲量極大，可在相當(dāng)長的時期內(nèi)為熱能動力工程提供穩(wěn)定的能源，因此人們特別重視熱核反在地球表面上，按太陽光垂直照射的面積計算，在每平方米面積上太陽能提供的功率可達數(shù)百瓦至一千瓦左右。太陽能幾乎是一個永遠(yuǎn)不會枯竭的能源，而且太陽能到處可取又無任何污染。因此，長期以來人們對太陽能利用進行了許多研究工作，現(xiàn)在已經(jīng)建立了幾個以太陽能為能源的試驗性熱能動力裝置?？梢灶A(yù)見，隨著社會生產(chǎn)的發(fā)展，熱能動力工程必將不斷趨于完善并在新的0-2能量轉(zhuǎn)換裝置工作過程簡單介紹本節(jié)將簡單介紹蒸汽動力裝置、內(nèi)燃機、燃?xì)廨啓C汽壓縮制冷裝置的工作過程，以便后面各章討論這些裝置中能量蒸汽動力裝置是最早得到應(yīng)用的一種熱能動力裝置。由于它可以燃用固體燃料，甚至燃用廉價的劣質(zhì)燃料，又可以制成功率很大的機組(例如：其鍋爐每小時可生產(chǎn)數(shù)百噸甚至上千噸的高溫高壓水蒸氣，其汽輪機的單機功率可達數(shù)十千瓦甚至上千兆瓦)，因此蒸汽動力裝置現(xiàn)在仍然是一種極重要的動力設(shè)備，特別是在大型固定式動力設(shè)備方面。它主要用作熱力發(fā)電廠的動力圖0-1為簡單蒸汽動力裝置的示意圖。它由鍋爐、汽輪機、冷凝器及給水泵四部分組成。水蒸氣是蒸汽動力裝置的工作物質(zhì)，稱為工質(zhì)。鍋爐是水蒸氣的發(fā)生器。鍋爐產(chǎn)生的高溫高壓的過熱蒸汽首先送入蒸汽輪機作功。在汽輪機中(如圖0-2所示)，使汽輪機輸出機械功，驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。從汽輪機排出的乏汽被其體積驟降為原體積的萬分之一左右，因而在冷凝器中及汽輪機脹，從而能推動渦輪作出更多的機械功。從冷凝器出來的冷凝水經(jīng)給水泵加壓后重新送回鍋爐，受熱產(chǎn)生蒸汽。在鍋爐中，供燃料燃燒用的空氣從大氣吸入后，先在鍋爐的空氣預(yù)熱器中受熱提高溫度，然后送入爐膛和燃料混合并進行燃燒，把燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成熱能，產(chǎn)生高溫的煙氣。及水冷壁等蒸發(fā)受熱面，受熱汽化而產(chǎn)生水蒸氣，再進一步在過熱器中繼續(xù)受熱升高溫度成為過熱水蒸氣。于是，過熱水蒸氣又輕、體積小、使用方便、熱效率高，因而得到廣泛的應(yīng)用，特別是在交通運輸工具和移動式中小型機械上都應(yīng)用內(nèi)燃機作為動力設(shè)備?，F(xiàn)代用于船舶、機車及發(fā)電的大型內(nèi)燃機的單機功率已達圖0-3為柴油機的示意圖。其工作過程分為吸氣、壓縮、燃燒、膨脹及排氣幾個階段。吸氣開始時進氣閥打開，排氣門關(guān)閉，活塞向下運動把空氣吸入氣缸。活塞到達下死點，即活塞位移的最低點時，進氣閥關(guān)閉，吸氣過程結(jié)束。然后關(guān)閉進氣閥，活塞向上運動壓縮氣缸內(nèi)的空氣，而使空氣的壓力和溫度不斷增高。當(dāng)活塞運動到接近上死點，即活塞位移最高點時，噴油嘴適時地把適量柴油噴入氣缸。由于這時氣缸中的溫度已超過柴油的自燃溫度，因而當(dāng)活塞到達上死點時，柴油正好開始猛烈燃燒。燃燒過程進行得很快，當(dāng)活塞稍微離開上死點時，燃燒過程已結(jié)束。接著燃燒產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)獍l(fā)生膨脹，推動活塞向下運動并輸出機械功?；钊竭_下死點時排氣閥打開。因氣缸內(nèi)氣體的溫度和壓力還比較高，故當(dāng)排氣閥打開時立即有一部分氣體沖出氣缸排入大氣，使氣缸壓力降至大氣壓力。接著，在活塞向上運動時氣缸內(nèi)剩余的氣體被活塞排出氣缸至大氣中，直到活塞到達上死點時排氣完畢。當(dāng)活塞再一次自上死點向下運動時又重新吸汽油機的工作過程基本上和柴油機差不多。對汽化器式或進氣道燃油噴射式汽油機，汽油預(yù)先在化油器內(nèi)或進氣道內(nèi)霧化并和空氣混合成可燃?xì)怏w，在吸氣過程中一起被吸入氣缸。在壓縮終了活塞接近上死點時，混合氣體的溫度仍低于其自燃溫度，必須用電火花點燃后才開始燃燒過程。其他過程則和上述柴油機的燃?xì)廨啓C裝置是20世紀(jì)40年代后才得到迅速發(fā)展的熱能動力裝置。由于它是輪機式機械，具有轉(zhuǎn)速高及工質(zhì)流量大的優(yōu)點，因此燃?xì)廨啓C裝置每單位功率的機體重量及體積都比內(nèi)燃機正是這些因素使得它首先在航空上得到應(yīng)用，燃?xì)廨啓C裝置和噴氣技術(shù)相結(jié)合而成的航空用渦輪噴氣發(fā)動機，已成為航空發(fā)動機最主要的型式。此外，燃?xì)廨啓C也常用作艦船動力設(shè)備及發(fā)電裝圖0-4為燃?xì)廨啓C裝置的示意圖。它由壓氣機、燃燒室及渦輪機三部分組成。它由大氣吸入空氣后，在軸流式或離心式壓氣機中對空氣進行增壓，提高空氣的壓力及溫度。經(jīng)增壓后的空氣送至燃燒室，一部分空氣供噴入燃燒室的燃料進行燃燒用，另一部分空氣則用于和燃燒生成的高溫燃?xì)饣旌?，以降低燃?xì)獾臏囟?，使進入渦輪機的燃?xì)鉁囟群蜏u輪葉片允許的最高溫度相適合。當(dāng)燃?xì)膺M入渦輪機后，先在噴管中提高過渦輪的葉片，推動渦輪轉(zhuǎn)動并輸出機械功，其工作過程與汽輪制冷就是以消耗機械功或其它能量為代價，使物體獲得低于廣泛。由于制冷實際上也是熱能和其它能量間進行轉(zhuǎn)換，故也屬蒸氣壓縮制冷裝置是常用的一種制冷裝置。圖0-5為蒸氣壓縮制冷裝置的示意圖。高壓常溫的液體工質(zhì)先通過節(jié)流閥節(jié)流降壓，使溫度降低到所需的低溫。然后把低溫的液體工質(zhì)送入庫的蒸發(fā)器中，便可從冷藏庫內(nèi)其它物體吸熱而使這些物體處于低溫。當(dāng)?shù)蜏氐囊后w工質(zhì)吸熱后，便汽化成為低壓的蒸氣。于是再送入壓氣機壓縮提高壓力，經(jīng)冷凝器冷卻降溫，重新得到高壓綜合上面所述各種熱能動力裝置的工作過程可知：為實現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)換為機械能，總是利用工質(zhì)吸收燃料燃燒產(chǎn)生的熱能，使工質(zhì)體積膨脹推動機器而作機械功，但為了連續(xù)地實現(xiàn)這種能量轉(zhuǎn)換，必須接著使工質(zhì)向環(huán)境放熱或排出廢氣，以便重新開始新的從上述蒸氣壓縮制冷裝置的工作過程可以看到：通過降程可使常溫的工質(zhì)達到所需的低溫，并用來制冷。但為了連續(xù)地實現(xiàn)制冷，必須消耗機械功壓縮工質(zhì)提高其壓力，然后經(jīng)過冷卻，即向環(huán)境放熱而使工質(zhì)恢復(fù)高壓常溫的狀態(tài)，以便重新通過為了合理地設(shè)計各種能量轉(zhuǎn)換的設(shè)備，必須掌能轉(zhuǎn)換的規(guī)律，以及掌握能量轉(zhuǎn)換過程的分析方法，這些正是工0-3工程熱力學(xué)的研究對象及研究方法熱力學(xué)也稱經(jīng)典熱力學(xué)，是研究熱能的性質(zhì)以及熱能和其它雖然人類很早就在生產(chǎn)和生活中利用了各種熱現(xiàn)象，但直到19世紀(jì)中下葉才認(rèn)識熱的本質(zhì)并相繼確立熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律。以無數(shù)實踐經(jīng)驗為基礎(chǔ)而總結(jié)得到的這兩條基本定律，是整個熱力學(xué)理論的基礎(chǔ)。以熱力學(xué)兩條定律為基本依據(jù)，經(jīng)過研究又得到了各種熱現(xiàn)象的具體規(guī)律，從而形成了一門完整的學(xué)科——熱力學(xué)。它涉及的范圍包括物理、化學(xué)及工程等熱力學(xué)采用宏觀的研究方法，即完全從直接觀察的宏觀現(xiàn)象出發(fā)描述客觀規(guī)律。這種方法，首先把物質(zhì)看成連續(xù)的整體，采用一些宏觀物理量來描述物質(zhì)所處的狀況，并通過實驗找出所研究現(xiàn)象中的一些可測定的物理量的變化關(guān)系。由于可測定的物理量是有限的，實驗所得的關(guān)系也往往是不全面的，因此還必須根據(jù)熱力學(xué)基本定律導(dǎo)出各宏觀物理量之間固有的內(nèi)在關(guān)系。把這些普遍關(guān)系和實驗結(jié)果相結(jié)合，便可求得所研究現(xiàn)象中各種物理研究熱現(xiàn)象的微觀理論稱為統(tǒng)計熱力學(xué)，它應(yīng)用力學(xué)的規(guī)律來研究單個分子的運動，然后用統(tǒng)計方法來說明大量分子紊亂運動的統(tǒng)計平均性質(zhì)，從而找出宏觀熱現(xiàn)象所服從的基本規(guī)律。因此，統(tǒng)計熱力學(xué)能夠從物質(zhì)內(nèi)部分子運動的微觀機理更好地說明宏觀熱現(xiàn)象的物理實質(zhì)。但它的分析過程較為復(fù)雜、抽象，不像工程熱力學(xué)是熱力學(xué)的一個分支，它著重研究與熱能工程有關(guān)的熱能和機械能相互轉(zhuǎn)換的規(guī)律。它在闡明熱力學(xué)兩條基本定律的基礎(chǔ)上，著重應(yīng)用這兩個定律分析熱能工程中有關(guān)的各種熱力過程及熱力循環(huán)，從理論上研究提高熱能和機械能轉(zhuǎn)換有效程度的途徑。此外，能量轉(zhuǎn)換過程所用工質(zhì)的熱力性質(zhì)，也是工程熱力學(xué)研究的重要內(nèi)容之一。工程熱力學(xué)的研究