热能工程基础(1)

热能工程基础第一章能源利用与动力工程概论内容介绍第一章能源利用与动力工程概论（2学时）第二章热工理论基础（8学时）第三章锅炉与换热器（8学时）第四章制冷与空气调节（4学时）第五章动力机械（6学时）第六章热力发电工程（4学时）第一章能源利用与动力工程概论第一章能源利用与动力工程概论第一章能源利用与动力工程概论§1-1能源概论一、能源分类一次能源与二次能源一次能源指自然界中存在的天然能源。二次能源是由一次能源直接或间接加工转换而成的人工能源。可再生能源与非再生能源可重复产生的一次能源称为可再生能源。不能重复产生的自然能源称为非再生能源。常规能源与新能源常规能源指技术上已经成熟、已大量生产并广泛利用的能源。新能源是指技术上正在开发、尚未大量生产和广泛利的能源。清洁能源与非清洁能源在开发和利用中对环境无污染或污染程度很轻的能源叫做清洁能源，否则为非清洁能源。第一章能源利用与动力工程概论一次能源：化石燃料、核能、太阳能、水能、风能、地热能、海洋能、生物质能二次能源：电能、热水、蒸汽、压缩气、石油制品、煤制品、酒精、氢气、沼气、合成燃料等第一章能源利用与动力工程概论生物质15%煤炭24%石油34%天然气17%核能4%水电6%世界能源资源状况第一章能源利用与动力工程概论010203040506070(%)煤炭石油天然气水（核）电世界美国中国能源消费结构对比第一章能源利用与动力工程概论化石燃料煤炭、石油、天然气、油页岩和油砂核燃料核聚变、核裂变太阳能光热转换、光电转换、光化学转换水能风能地热能海洋能生物质能第一章能源利用与动力工程概论二、人类需要的能源形式热能来源：太阳热能、地热、燃料燃烧、核聚变、核裂变、机械能机械能来源：水力、风能、海洋能、热机（内燃机、燃气轮机、蒸汽轮机）、电能转换电能来源：热能、化学能、电磁能直接转换，机械能间接转换第一章能源利用与动力工程概论三、能源建设形势结合能源资源和能源消费的特点，提出能源发展的长期规划，并严格执行，认真落实。要抓好能源发展的战略重点。高度重视新能源和可再生能源的开发和利用。第一章能源利用与动力工程概论§1-2热能利用与动力工程一、热能转变成机械能的途径1、热能动力装置燃料燃烧产生热能，在热能动力装置中将热能转化为机械能。内燃机、燃气轮机、蒸汽机、汽轮机等。2、工质实现热能和机械能相互转化的媒介物质称为工质，是完成热功转换所必需的载体。燃气、空气、水蒸汽、新型复合工质等。第一章能源利用与动力工程概论二、热能动力设备的分类1、按能量转换方向分类原动机：将燃料的化学能、原子能和生物质能等所产生的热能转换为机械能的动力装置称为原动机。蒸汽机、蒸汽轮机、燃气轮机、内燃机等。工作机：通过消耗机械能而使流体获得能量或使系统形成真空的动力装置称为工作机。离心泵、真空泵、风机、螺杆泵、压缩机等。第一章能源利用与动力工程概论2、按机械运动方式分类回转式：转子或叶轮在缸内做回转运动以实现能量的转换。蒸汽轮机、燃气轮机、离心泵、真空泵、风机等。往复式：活塞在气缸内做往复运动而实现能量的转换。蒸汽机、汽油机、柴油机、柱塞泵、往复式压缩机等。第一章能源利用与动力工程概论3、按工质流动方式分类轴流式：流体的主要运动方向与旋转轴平行。蒸汽轮机、燃气轮机、轴流式压气机等。径流式：流体的主要运动方向为沿着旋转轴的直径方向。离心泵、离心式压缩机、向心透平等。混流式：液体的主要运动方向与旋转轴成某一锐角。4、按用途分类发动机、泵、风机、压缩机等。第一章能源利用与动力工程概论§1.3热能动力设备的评价指标一、热经济性1、循环的热经济指标热经济性是评价热能动力设备性能优劣的一个重要指标。经济指标=得到的收获/花费的代价第一章能源利用与动力工程概论（1）热能动力循环热效率等于循环功与吸热量的比值。12121101qqqqqqwt第一章能源利用与动力工程概论（2）制冷循环制冷系数等于从低温热源带走的热量与制冷循环耗功量的比值。c21202qqqwqc第一章能源利用与动力工程概论（3）热泵循环热泵系数等于向高温热源放出的热量与循环耗功的比值。h21101qqqwqh第一章能源利用与动力工程概论2、提高循环热经济性的途径定性分析，利用循环的平均吸热温度，循环的平均放热温度来进行分析。（1）热能动力循环1T2T12121211011TTqqqqqqwt第一章能源利用与动力工程概论（2）逆向循环对制冷循环与热泵循环21221202TTTqqqwqc212211211011TTTTTTqqqwqh第一章能源利用与动力工程概论二、功率功率：作功快慢程度的量度，通常用单位时间内所作的功或消耗的功来表示。原动机功率的大小直接反映了设备进行热功转换的能力，工作机功率的大小则表示了设备工作时需要向设备输入的功。额定功率：原动机长期连续运行中所能保持的最大功率。单位用kW来表示。蒸汽轮机、燃气轮机、内燃机最大功率依次降低。（1300、226、40MW）经济功率：设计机器时作为热力计算依据的功率。一般电厂运行时常在满负荷状态下，经济功率即为额定功率，而发动机则较少在满负荷下工作，经济功率通常小于额定功率。第一章能源利用与动力工程概论三、体积与重量体积与重量也是评价热能动力设备的一项重要指标。同一类设备，容量越大，单位重量功率越小，机组的制造成本就越低。四、其它评价指标及热能动力设备应用范围1、其它评价指标排放使用寿命变负荷能力使用燃料装置效率循环热经济指标仅仅是动力循环热经济性，不能准确反映整个装置的热效率。热功转换全过程的经济性必须用装置效率来衡量。第一章能源利用与动力工程概论2、热能动力设备的应用范围蒸汽轮机优点：单机功率大、效率较高、运行平衡可靠、使用寿命长，能使用各种廉价燃料，是火力发电厂的主要原动机，也可作为大型船舶及军舰的推进动力，也可驱动大型工作机。还可满足生产和生活用汽、用热的需要，实现高效益的热电联产。缺点：体积庞大、变负荷能力差、须配套有锅炉、凝汽器、水泵、水处理等设备，机动化差，不便于移动。燃气轮机优点：单机功率较大，效率较高，转速高，运行可靠，重量较轻，体积较小，启动快，负荷适应性好，维护方便，自动化程度高，无太多附属设备及复杂的热力系统，电力系统中常用作承担尖峰负荷和半尖峰负荷的调峰机组，或作为燃气-蒸汽联合发电装置的主力设备之一。也可作为移动式电站、列车电站及机车的原动机。船舶领域作为加速机组占有绝对主力地位。缺点：单机功率较小，运行寿命较短，燃料种类要求较高。内燃机优点：热效率高，体积小，重量轻，移动灵活，操作方便，启动快，负荷适应性强，没有附属设备。应用于交通运输、工业机械、农业机械等领域，或小型应急性发电装置的原动机。缺点：一般为往复式机械，噪音较大，转速低，功率小，运行寿命较短，燃料种类要求高，不能用作电厂的原动机。第一章能源利用与动力工程概论五、热能动力设备的主要技术参数1、锅炉（1）蒸发量t/h（2）蒸汽参数（3）给水温度（4）锅炉效率2、汽轮机（1）蒸汽参数（2）排汽参数（3）容量（4）相对内效率表征汽轮机本身热功转换完善程度的指标，其值等于蒸汽在汽轮机中的实际作功与蒸汽具有的作功能力之比。ir,第一章能源利用与动力工程概论（5）热经济指标绝对内效率-----是衡量汽轮机组热经济性的指标，等于汽轮机输出的有用功与工质的吸热量之比，即相对内效率与循环热效率的乘积。汽轮机组的热耗率------每生产3.6×106J（1kW.h）机械能所消耗的热量（工质的吸热量，不含锅炉热损失）汽轮机装置的热经济性：还需考虑锅炉效率，装置的热耗率为生产1kW.h机械能所消耗燃料的热量iir,t'qiq3600'Bqq/'Bq第一章能源利用与动力工程概论3、燃气轮机（1）容量（2）转速（3）空气流量（4）燃料（5）温比：表示工质在燃气轮机装置中被加热的程度。其值为循环最高滞止绝对温度与压气机进气绝对温度之比。温比越高，热经济性越好，但对耐热材料与冷却技术的要求也越高。（6）压比：表示工质被压缩的程度。其值等于压气机出口滞止压力与进口滞止压力之比。压比与温比的配合，对循环性能起着决定性的影响。（7）比功：指单位质量工质所作的有用功。发动机比功越大，发出一定功率所需的流量就越小，发动机和进、排气管道的尺寸就越小。装置比功则指流过燃气轮机单位质量空气所作的有用净功，也就是气耗率的倒数，近似等于透平比功与压气机比功之差。TWCW第一章能源利用与动力工程概论（8）有用功系数装置比功与透平比功的比值，因而有时也称为功比。它表明变工况时装置性能对各部件性能变化的敏感性。（9）内效率内效率与汽轮机相对内效率含义相同，等于燃气在透平中的实际作功与燃气具有的作功能力之比。（10）装置热效率装置输出功与输入的燃料热量之比。表征燃气轮机装置热功转化的完善程度，是发动机热经济性的重要指标。热耗率即为生产1kW.h机械能所消耗燃料的热量ir,3600qq第一章能源利用与动力工程概论4、内燃机（1）功率指示功率-----发动机单位时间内所作的指示功。有效功率-----从发动机功率输出轴上所得到的净功率。机械效率-----有效功率与指示功率之比。发动机功率是指发动机最大有效功率。（2）转速（3）气缸直径（4）活塞行程（5）活塞平均速度（6）燃料（7）循环冲程数（8）气缸数第一章能源利用与动力工程概论（9）平均有效压力和升功率平均有效压力----发动机单位气缸工作所发出的有效功。它是衡量发动机动力性能的一个重要指标。对于气缸总工作容积一定的发动机而言，其平均有效压力反映了发动机输出扭矩的大小。升功率----标定工况下发动机每升气缸工作容积所发出的有效功率。升功率与平均有效压力和转速的乘积成正比。（10）有效热效率和比油耗有效热效率----实际循环有效功与得到此有效功所消耗的热量之比值。比油耗----单位有效功的耗油量。第一章能源利用与动力工程概论5、泵与风机（1）流量泵与风机在单位时间内所输送的流体量。（2）扬程（风压）泵的扬程指1kg液体从泵进口到泵出口所获得的能量增加量。风机的风压指全压，包括静压与动压。指1m3气体流过风机时所获得的能量增加值。（3）转速第一章能源利用与动力工程概论（4）功率有效功率：指流体在通过泵或风机时所获得的能量，即泵或风机的输出功率。轴功率：从原动机传递给泵或风机轴上的功率。配套功率：称原动机功率，考虑到泵与风机运行时可能出现过负荷现象，配套功率必须比轴功率大些，以确保安全。（5）效率有效功率与轴功率之比称为泵与风机的效率。泵与风机工作时，由于摩擦等因素会消耗掉一部分能量，因此原动机传递给泵与风机的机械功不可能完全变成流体所增加的能量。第一章能源利用与动力工程概论§1.4热能利用与环境保护一、热能动力设备对环境的影响1、热污染及水污染2、大气污染煤烟型，汽车尾气。主要产物：粉尘、CO2NOXSO2CO3、噪声污染4、热能利用中的其它污染主要为核燃料的放射性污染、石油泄漏污染二、环境保护的策略提高能源转换效率；实现煤炭的清洁利用；新能源与可再生能源的开发与利用；研发代用燃料及新的代用工质；改进技术实现低污染排放；环境污染的综合防治。