锅炉热力系统演示要点课件.ppt

1、第一章第一章 基本概念基本概念 教学目标教学目标: : 使学生熟练掌握热力学研究的基本概念。使学生熟练掌握热力学研究的基本概念。知识点：知识点：热力系统；工质热力状态及基本状态参数；热力系统；工质热力状态及基本状态参数；平衡状态；准静态过程、可逆过程；热力循环。平衡状态；准静态过程、可逆过程；热力循环。重重 点：点：三种典型的热力系统；三种典型的热力系统；p、v、T三个状态参三个状态参数的物理意义；测温测压装置；绝对压力和相对压力数的物理意义；测温测压装置；绝对压力和相对压力的计算；可逆过程的判定准则。的计算；可逆过程的判定准则。难难 点：点：使学生理解并掌握抽象的热力学基本概念，使学生理解并

2、掌握抽象的热力学基本概念，是本章的难点。是本章的难点。1-1 1-1 热能在热机中转变为机热能在热机中转变为机 械能的过程械能的过程活塞活塞曲柄连杆机构曲柄连杆机构气缸气缸两冲程内燃机工作过程进气排气四冲程内燃机工作过程进气排气燃气热能机械能燃料化学能排入大气压缩燃烧、膨胀吸气排气工作过程：能量转换：工作物质：燃气蒸汽动力装置流程简图蒸汽动力装置流程简图蒸汽动力装置流程简图蒸汽动力装置流程简图550过过热热器器锅锅炉炉给水泵给水泵冷凝器冷凝器冷冷却却水水汽汽轮轮机机发电机发电机Q QQ Q12W20高温高压蒸汽高温高压蒸汽WWp汽轮机汽轮机水泵水泵冷凝器冷凝器锅炉锅炉1-2 简单蒸汽动力循环过

3、程图简单蒸汽动力循环过程图锅 炉(热源):燃料燃烧产生热量,将水变成蒸汽(吸热过程)汽轮机:将蒸汽携带的热能动能转子旋转机械能(对外作功过程)冷凝器(冷源):将作功后的低温低压蒸汽凝结成水(对外放热过程)水 泵:提高水的压力,将水送入锅炉(消耗外功)工 质:水问题: 由哪些典型过程组成?热动力装置工作过程的共同点:1.从高温热源吸热(吸热过程)2.将其中一部分转变为功(对外作功过程)3.将其余部分传给低温热源(对外放热过程)4.工质提高压力需要耗功(消耗外功)1-2 热力系（或称热力系统）热力系（或称热力系统） 一、热力系的定义一、热力系的定义 通常根据所研究问题的需要，人为地划定一个或多个任

4、通常根据所研究问题的需要，人为地划定一个或多个任意几何面所围成的空间作为热力学的研究对象。这种空间内意几何面所围成的空间作为热力学的研究对象。这种空间内的物质的总和称为的物质的总和称为热力学系统热力学系统, ,简称为系统或简称为系统或热力系热力系。 系统以外的一切物质统称为系统以外的一切物质统称为外界外界。系统与外界的界面称。系统与外界的界面称为为边界边界。 系统与外界之间，通过边界进行能量的传递与物质的迁系统与外界之间，通过边界进行能量的传递与物质的迁移移。界面的特性界面的特性:可以是可以是真实的真实的， 也可以是也可以是虚拟的虚拟的；可以是可以是固定的固定的， 也可以是也可以是运动的运动的

5、。界面热热源源外界外界热力系统热力系、界面、外界热力系、界面、外界例例研究气缸中的气体。研究气缸中的气体。是什么热力系？是什么热力系？热力系、界面、外界热力系、界面、外界界面热热源源外界外界热力系统续4热力系、界面、外界热力系、界面、外界界面热热源源外界外界热力系统续4界面热热源源外界外界热力系统续4热力系、界面、外界热力系、界面、外界界面热热源源外界外界热力系统热力系、界面、外界热力系、界面、外界续4系系 统统系系 统统热力系、界面、外界热力系、界面、外界例例研究气缸中的气体研究气缸中的气体(打开阀门打开阀门)。是什么热力系？。是什么热力系？系系 统统外界外界热力系、界面、外界热力系、界面、

6、外界例例例例热热二、热力系统的分类二、热力系统的分类物质物质功功热热物质物质物质物质功功物质物质绝热热力系绝热热力系孤立热力系孤立热力系闭口热力系闭口热力系开口热力系开口热力系( (一一) )按系统与外界之间的相互联系划分：按系统与外界之间的相互联系划分： 1.1.闭口系闭口系与外界无物质交换的热力系。与外界无物质交换的热力系。 2.2.开口系开口系与外界有物质交换的热力系。与外界有物质交换的热力系。 3.3.绝热系绝热系与外界无热量交换的热力系。与外界无热量交换的热力系。 4.4.孤立系孤立系与外界无任何联系的热力系。与外界无任何联系的热力系。开口举例热力系（管道）开口举例热力系（管道）续1

7、5锅炉锅炉的简化热力学分析模型的简化热力学分析模型(主要考虑蒸汽的发生主要考虑蒸汽的发生)锅炉锅炉的简化热力学分析模型的简化热力学分析模型去凝汽器去凝汽器调速器调速器来自锅炉来自锅炉喷管喷管 叶片叶片 汽轮机汽轮机发电机发电机开口热力系 汽轮机示意图轴功轴功（水蒸汽）（水蒸汽）物质物质汽轮机汽轮机的简化热力学分析模型的简化热力学分析模型热力系热力系（水蒸汽）（水蒸汽）物质物质汽轮机汽轮机的简化热力学分析模型的简化热力学分析模型来自汽轮机的水蒸汽来自汽轮机的水蒸汽去水泵的凝结水去水泵的凝结水冷却水冷却水冷却水冷却水( (凝结水）凝结水）物质物质蒸汽放热给冷却水蒸汽放热给冷却水冷凝器冷凝器的简化热

8、力学分析模型的简化热力学分析模型热力系热力系（水蒸汽）（水蒸汽）物质物质冷凝器冷凝器的简化热力学分析模型的简化热力学分析模型(主要考虑蒸汽的凝结主要考虑蒸汽的凝结)蒸汽动力装置流程简图蒸汽动力装置流程简图蒸汽动力装置流程简图蒸汽动力装置流程简图冷却水带走热量冷却水带走热量（工质放热量）（工质放热量）向外输出功向外输出功（汽轮机）（汽轮机）（水泵耗功）（水泵耗功）（工质吸热量）（工质吸热量）热力系热力系向系统输入功向系统输入功热源供热热源供热蒸汽动力装置的简化热力学分析模型蒸汽动力装置的简化热力学分析模型（二）按照系统内部的情况可划分（二）按照系统内部的情况可划分1.1.均匀热力系均匀热力系系统

9、内部各部分化学成分和物理性质都均系统内部各部分化学成分和物理性质都均 匀一致的系统，它是由单相组成的。匀一致的系统，它是由单相组成的。2.2.非均匀热力系非均匀热力系由两个或两个以上的相态组成的热力系。由两个或两个以上的相态组成的热力系。3.3.单元热力系单元热力系由一种化学成分组成的热力系。由一种化学成分组成的热力系。4.4.多元热力系多元热力系由两种或两种以上物质组成的热力系。由两种或两种以上物质组成的热力系。5.5.可压缩系统可压缩系统由可压缩流体组成的热力系。由可压缩流体组成的热力系。6.6.简单可压缩系统简单可压缩系统与外界只有热量和机械功交换的可压与外界只有热量和机械功交换的可压

10、缩系统。缩系统。热力系统的分类热力系统的分类1-3 1-3 工质的热力学状态及其基本状态参数工质的热力学状态及其基本状态参数一、热力学状态一、热力学状态 定义定义: :工质在热力变化过程中某一瞬间所呈现的全部宏工质在热力变化过程中某一瞬间所呈现的全部宏观物理状况观物理状况。二、平衡状态的描述二、平衡状态的描述 在不受外界影响（重力场除外）的条件下，如果系统宏在不受外界影响（重力场除外）的条件下，如果系统宏观特性不随时间变化，则该系统所处的状态称为平衡状态。观特性不随时间变化，则该系统所处的状态称为平衡状态。状态和平衡状态实现平衡的充要条件：无内部、外部势实现平衡的充要条件：无内部、外部势差。差

11、。描述工质宏观特性的物理量称为状态参数。描述工质宏观特性的物理量称为状态参数。. .热力学中常用的状态参数热力学中常用的状态参数温度、压力、比容、热力学能（内能）、焓、熵。温度、压力、比容、热力学能（内能）、焓、熵。. .状态参数的数学特性状态参数的数学特性2211dxxx0dx 或或如果某物理量具有上述数学特性，它就是状如果某物理量具有上述数学特性，它就是状态参数。态参数。三、状态参数三、状态参数. .状态参数的分类状态参数的分类 基本状态参数基本状态参数 能够用仪器仪表直接或间接测量的参数称为能够用仪器仪表直接或间接测量的参数称为。 导出状态参数导出状态参数不能用仪器仪表直接或间接测量的参

12、数称为不能用仪器仪表直接或间接测量的参数称为。如如 ：温度、压力、比容：温度、压力、比容如：热力学如：热力学（内能）、焓、熵。内能）、焓、熵。）按能否用仪器或仪表进行直接或间接测量划分）按能否用仪器或仪表进行直接或间接测量划分3m /kgVvm3kg/mmV3N/mGmgVV. .压力压力 热力系的单位面积上所受到的垂直作用力。热力系的单位面积上所受到的垂直作用力。2N/mFpA表达式表达式或或Pa上式计算出的是热力系的真实压力称为上式计算出的是热力系的真实压力称为绝对压力绝对压力 p。由压力表测量出来的压力称为由压力表测量出来的压力称为表压力表压力 pg。由气压计测量出来的压力称为由气压计测

13、量出来的压力称为大气压力大气压力 pb。表压力表压力pg、大气压力大气压力pb和绝对压力和绝对压力p之间的关系如下：之间的关系如下：3561kPa10 Pa1bar10 Pa1MPa=10 Pa常用的压力单位间的关系常用的压力单位间的关系bppbppgpvpbpbpppbgpppbvppp真空度U U形管式压力计示意图形管式压力计示意图3.3.温度温度）热力学第零定律热力学第零定律 与第三个系统处于热平衡的系统，与第三个系统处于热平衡的系统， 彼此也处于热平衡。彼此也处于热平衡。）温度温度 将描述热平衡的这一宏观特性的物理量，称为温度。将描述热平衡的这一宏观特性的物理量，称为温度。）温标温标

14、为进行温度测量，需要有温度的数值表示方法，测量温为进行温度测量，需要有温度的数值表示方法，测量温 度的标尺称为温标。度的标尺称为温标。建立任何一种温标都要选择测温物质及其物质的特性、规定温建立任何一种温标都要选择测温物质及其物质的特性、规定温标的基准点及分度方法。标的基准点及分度方法。状态参数温度热力学温标热力学温标常用的温标常用的温标摄氏温标摄氏温标 t 基基 准准 点：标准大气压力下纯水的冰点和沸点温度为基准点：标准大气压力下纯水的冰点和沸点温度为基准 点，规定冰点温度为点，规定冰点温度为0。沸点温度为。沸点温度为100。分度方法：认定测温物质的测温属性随温度的变化是线性分度方法：认定测温

15、物质的测温属性随温度的变化是线性 的。的。00与与100100这两个基准点之间分成这两个基准点之间分成100100等分等分, , 每一等分为每一等分为1 1度。度。基基 准准 点：纯水的汽、液、固三相平衡共存的状态点点：纯水的汽、液、固三相平衡共存的状态点( (三相三相 点点) )为基准点，并规定它的温度为为基准点，并规定它的温度为273.16K。 t = T273.15热力学温标与热力学温标与摄氏温标之间的关系：摄氏温标之间的关系：常用的温标常用温标常用温标绝对绝对K摄氏摄氏 华氏华氏F100373.150.01273.160273.15-17.80-273.1521237.8100032-

16、459.670冰熔点冰熔点水三相点水三相点盐水熔点盐水熔点发烧发烧水沸点水沸点1-4 1-4 平衡状态平衡状态, ,状态方程状态方程, ,坐标图坐标图一、平衡状态一、平衡状态 定义定义: :一个热力系一个热力系, ,如果在不受外界影响下如果在不受外界影响下, ,系统的状态系统的状态能够始终保持不变能够始终保持不变, ,则系统的这种状态称为平衡状态则系统的这种状态称为平衡状态. . 热平衡状态热平衡状态 力平衡状态力平衡状态 化学平衡状态化学平衡状态问题：如何定量描述工质的状态？平衡与稳定平衡与稳定稳定：稳定：参数不随时间变化参数不随时间变化稳定不一定平衡，但平衡一定稳定稳定不一定平衡，但平衡一

17、定稳定平衡与均匀平衡与均匀平衡平衡：时间上：时间上均匀均匀：空间上：空间上平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的二、状态方程二、状态方程对于简单可压缩系统对于简单可压缩系统, ,状态方程状态方程: :( , )vf T p( , , )0f T p v 或或三三、状态参数坐标图状态参数坐标图pv11p1v反映工质处于平衡状态时基本状态参数之间的关系式，反映工质处于平衡状态时基本状态参数之间的关系式，称为状态方程。称为状态方程。Tv1v11T1系统状态的连续变化称系统状态的连续变化称为系统经历了一个为系统经历了一个热力热力过程过程简称简称过程过程。12p

18、v211、针阀的开度非常小（p0），内部无压差；过程实施的假设条件：4、活塞与汽缸壁无摩擦；5、在任何时刻，工质1的内部是均匀的。2、工质内部无温差；3、工质内部无化学反应；12v21p2 准静态过程:若过程进行得很缓慢,工质在平衡被破坏后自动回复平衡所需要的时间(即所谓的弛豫时间)又短,工质有足够的时间来恢复平衡,随时都不致于显著偏离平衡状态,这样的过程称为准静态过程。 准静态过程又称为准平衡过程。只有准静态过程才能在坐标图中用连续曲线表示。 实际过程都是不平衡的。准静态过程有实际意义吗？准静态过程有实际意义吗？疑问：疑问：理论上理论上准静态准静态应无限应无限缓慢，缓慢，工程上工程上怎样处理

19、？怎样处理？准静态过程的工程条件准静态过程的工程条件破坏平衡所需时间破坏平衡所需时间（外部作用时间）（外部作用时间）恢复平衡所需时间恢复平衡所需时间（驰豫时间）（驰豫时间）有足够时间恢复新平衡有足够时间恢复新平衡 准静态过程准静态过程准静态过程的工程应用准静态过程的工程应用例：例：活塞式内燃机活塞式内燃机 2000转转/分分 曲柄曲柄 2冲程冲程/转，转，0.15米米/冲程冲程活塞运动速度活塞运动速度=2000 2 0.15/60=10 m/s压力波恢复平衡速度（声速）压力波恢复平衡速度（声速）350 m/s破坏平衡所需时间破坏平衡所需时间（外部作用时间）（外部作用时间）恢复平衡所需时间恢复平

20、衡所需时间（驰豫时间）（驰豫时间）一般的工程过程都可认为是准静态过程一般的工程过程都可认为是准静态过程具体工程问题具体分析。具体工程问题具体分析。“突然突然”“”“缓慢缓慢”可逆过程的描述：可逆过程的描述： 系统经历一个过程后，如令过程系统经历一个过程后，如令过程逆行而能使系统与外界同时恢复到初逆行而能使系统与外界同时恢复到初始状态而始状态而不留下任何痕迹不留下任何痕迹，则此过程，则此过程称为可逆过程称为可逆过程可逆过程的描述可逆过程的描述注意：注意：可逆过程只是指可能性，并不可逆过程只是指可能性，并不 是指必须要回到初态的过程。是指必须要回到初态的过程。二、可逆过程二、可逆过程可逆过程的实现

21、可逆过程的实现准静态过程准静态过程 + 无耗散效应无耗散效应 = 可逆过程可逆过程无不平衡势差无不平衡势差通过摩擦使功通过摩擦使功变热的效应变热的效应(摩阻，电阻，摩阻，电阻，非弹性变性，非弹性变性，磁阻等）磁阻等） 不平衡势差不平衡势差不可逆根源不可逆根源 耗散效应耗散效应 耗散效应耗散效应典型的不可逆过程典型的不可逆过程不等温传热不等温传热节流过程节流过程 ( (阀门）阀门）自由膨胀自由膨胀混合过程混合过程可逆过程与准平衡过程的区别：可逆过程与准平衡过程的区别：1.1.可逆过程一定是准平衡过程；可逆过程一定是准平衡过程；2.2.准平衡过程不准平衡过程不一定是可逆过程。一定是可逆过程。实际过

22、程都是不可逆过程！工质从一个状态出发经过一系列的状态变化又工质从一个状态出发经过一系列的状态变化又回到了原来的状态称之经历了一个热力循环。回到了原来的状态称之经历了一个热力循环。v1pvp1可逆循环可逆循环不可逆循环不可逆循环循环过程及在坐标图上的表示一、功的定义一、功的定义 定义定义: :力和力的方向上位移的乘积力和力的方向上位移的乘积. . 2121FdxWFdxW 对于过程对于过程1-2:1-2: 符号约定符号约定: :热力系统对外输出功为正热力系统对外输出功为正, ,外界对系统外界对系统作功为负作功为负. . 二、可逆过程的功二、可逆过程的功 pdVpAdxFdxW212121)(dV

23、VfpdVW212121)( dvvfpdvw功有何性质功有何性质? ?1.1.是过程量是过程量, ,不是状态量不是状态量2.2.其大小与初其大小与初、终状态有关终状态有关, , 也与路径有关也与路径有关v1p2ab1V2V2121baWW三、过程热量三、过程热量 定义定义: :热力系和外界之间仅仅由于温度不同而通过边界热力系和外界之间仅仅由于温度不同而通过边界传递的能量传递的能量. . 计算公式计算公式: :Tdsq 2121TdsqdssT21s2s10热量单位热量单位:J,kJ:J,kJ微小热量微小热量 ：dQ 0 表示系统从外界吸热；表示系统从外界吸热； 0 表示系统向外界放热。表示系

24、统向外界放热。总热量：总热量： QdQ12积分与过程有关积分与过程有关 。u 热量是过程量热量是过程量系统可以和外界交换热量系统可以和外界交换热量熵（熵（ Entropy）的定义的定义revQdST熵的简单引入熵的简单引入revqdsT比参数比参数 kJ/kg.Kds: 可逆过程可逆过程 qrev除以传热时的除以传热时的T所得的商所得的商 广延量广延量 kJ/K热量与容积变化功热量与容积变化功能量传递方式能量传递方式 容积变化功容积变化功 传热量传热量性质性质 过程量过程量 过程量过程量 推动力推动力 压力压力 p 温度温度 T 标志标志 dV , dv dS , ds公式公式wpdvTdsq

25、 pdvw Tdsq条件条件 准静态或可逆准静态或可逆 可逆可逆循环过程循环过程物质系统经物质系统经历一系列状态变化过程又历一系列状态变化过程又回到初始状态，称这一周回到初始状态，称这一周而复始的变化过程为循环而复始的变化过程为循环过程。过程。热机热机持续不断地将热持续不断地将热 转换为功的装置。转换为功的装置。工质工质在热机中参与热在热机中参与热 功转换的媒介物质。功转换的媒介物质。PV01243一、循环概说一、循环概说 循环过程的特点循环过程的特点经一个循环后系统的内能不变。经一个循环后系统的内能不变。 净功净功 A = 循环过程曲线所包围的面积循环过程曲线所包围的面积 V0Aa21QQP

26、热机的效率热机的效率:1QA循环经济性指标一般定义循环经济性指标一般定义:经济性指标经济性指标=得到的收获得到的收获花费的代价花费的代价q循环的经济性花费的代价得到的收获经济性指标q可逆循环与不可逆循环全部由可逆过程组成的循环为可逆循环；循环中有一个过程不可逆，即为不可逆循环。可逆循环在状态参数坐标图上为一封闭的曲线。二、正向循环二、正向循环q定义把热能转化为机械能的循环叫正向循环，也叫动力循环，它使外界得到功热源冷源热机Q2Q112netWQQ正循环正循环pVTS净效应：净效应：对外作功对外作功净效应：净效应：吸热吸热正循环：顺时针方向正循环：顺时针方向2112正循环的评价指标正循环的评价指

27、标正循环：净效应（对外作功，吸热）正循环：净效应（对外作功，吸热）1netWQ收 益代 价净 功吸 热WnetT1Q1Q2T2动力循环：热效率动力循环：热效率三、逆向循环三、逆向循环q定义把热量从低温热源传给高温热源的循环叫逆向循环，也叫制冷循环或热泵循环，它消耗外界的功热源冷源热机Q2Q112netWQQ逆循环逆循环pVTS净效应：净效应：对内作功对内作功净效应：净效应：放热放热逆循环：逆时针方向逆循环：逆时针方向2112逆循环的评价指标逆循环的评价指标逆循环：净效应（对内作功，放热）逆循环：净效应（对内作功，放热）WnetT0Q1Q2T2制冷循环：制冷系数制冷循环：制冷系数制热循环：制热系数制热循环：制热系数2netqwnetwq1