锅炉热力系统演示要点课件.ppt

第一章 基本概念,教学目标: 使学生熟练掌握热力学研究的基本概念。知识点：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。重 点：三种典型的热力系统；p、v、T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的计算；可逆过程的判定准则。难 点：使学生理解并掌握抽象的热力学基本概念，是本章的难点。,1-1 热能在热机中转变为机 械能的过程,内燃机的工作原理图,活塞,曲柄连杆机构,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,内燃机（汽油机）,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,1-2 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）,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热力学系统,简称为系统或热力系。 系统以外的一切物质统称为外界。系统与外界的界面称为边界。 系统与外界之间，通过边界进行能量的传递与物质的迁移。,界面的特性:,可以是真实的， 也可以是虚拟的；可以是固定的， 也可以是运动的。,界面,热源,外界,外界,热力系统,热力系、界面、外界例,研究气缸中的气体。是什么热力系？,热力系、界面、外界,界面,热源,外界,热力系统,续4,热力系、界面、外界,界面,热源,外界,热力系统,续4,界面,热源,外界,热力系统,续4,热力系、界面、外界,界面,热源,外界,热力系统,热力系、界面、外界,续4,系 统,系 统,界面,热力系、界面、外界例,研究气缸中的气体(打开阀门)。是什么热力系？,系 统,界面,外界,外界,热力系、界面、外界例,热力系、界面、外例,系 统,界面,二、热力系统的分类,绝热热力系,孤立热力系,闭口热力系,开口热力系,(一)按系统与外界之间的相互联系划分： 1.闭口系与外界无物质交换的热力系。 2.开口系与外界有物质交换的热力系。 3.绝热系与外界无热量交换的热力系。 4.孤立系与外界无任何联系的热力系。,闭口热力系,开口热力系,开口举例热力系（管道）,稳定流动开口系统,开口热力系,续15,开口热力系,（锅炉示意图）,来自水泵,过热器,炉墙,蒸发管,去汽轮机,燃料与空气,锅炉的简化热力学分析模型(主要考虑蒸汽的发生),锅炉的简化热力学分析模型,开口热力系 汽轮机,去凝汽器,调速器,来自锅炉,喷管 叶片 汽轮机,发电机,开口热力系 汽轮机示意图,汽轮机的简化热力学分析模型,热力系,汽轮机的简化热力学分析模型,来自汽轮机的水蒸汽,去水泵的凝结水,冷却水,冷却水,开口热力系（冷凝器）,蒸汽放热给冷却水,冷凝器的简化热力学分析模型,热力系,冷凝器的简化热力学分析模型(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,冷却水带走热量,（工质放热量）,向外输出功,（汽轮机）,（水泵耗功）,（工质吸热量）,蒸汽动力装置的简化 热力学分析模型,热力系,向系统输入功,热源供热,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,1.均匀热力系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。2.非均匀热力系由两个或两个以上的相态组成的热力系。3.单元热力系由一种化学成分组成的热力系。4.多元热力系由两种或两种以上物质组成的热力系。5.可压缩系统由可压缩流体组成的热力系。6.简单可压缩系统与外界只有热量和机械功交换的可压 缩系统。,热力系统的分类,1-3 工质的热力学状态及其基本状态参数,一、热力学状态 定义: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。,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、外部势差。,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,温度、压力、比容、热力学能（内能）、焓、熵。,.状态参数的数学特性,或,如果某物理量具有上述数学特性，它就是状态参数。,三、状态参数,.状态参数的分类, 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。, 导出状态参数,不能用仪器仪表直接或间接测量的参数称为。,如 ：温度、压力、比容,如：热力学（内能）、焓、熵。,）按能否用仪器或仪表进行直接或间接测量划分,）按与系统内包含物质多少有无关系划分,强度参数与系统内包含物质的多少无关。,广延参数与系统内包含物质的多少有关。,如：温度、压力、比容、比内能、比焓、比熵等。,如：总内能、总焓、总熵等。,四、基本状态参数,.比容、密度和重度, 比容 单位质量物质所占有的容积，称为比容。,表达式, 密度 单位容积的物质所具有的质量，称为密度。,表达式,表达式, 重度 单位容积内所含有物质的重量，称为重度。,.压力 热力系的单位面积上所受到的垂直作用力。,表达式,或,上式计算出的是热力系的真实压力称为绝对压力 p。,由压力表测量出来的压力称为表压力 pg。,由气压计测量出来的压力称为大气压力 pb。,表压力pg、大气压力pb和绝对压力p之间的关系如下：,常用的压力单位间的关系,U形管式压力计示意图,真空度,U形管式压力计示意图,3.温度,）热力学第零定律 与第三个系统处于热平衡的系统， 彼此也处于热平衡。,）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 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。,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。,状态参数温度,热力学温标,常用的温标,摄氏温标 t ,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0。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 的。0与100这两个基准点之间分成100等分, 每一等分为1度。,基 准 点：纯水的汽、液、固三相平衡共存的状态点(三相 点)为基准点，并规定它的温度为273.16K。,t = T273.15,热力学温标与摄氏温标之间的关系：,常用的温标,常用温标,绝对K,摄氏,华氏F,100,373.15,0.01,273.16,0,273.15,-17.8,0,-273.15,212,37.8,100,0,32,-459.67,0,冰熔点,水三相点,盐水熔点,发烧,水沸点,1-4 平衡状态,状态方程,坐标图,一、平衡状态 定义:一个热力系,如果在不受外界影响下,系统的状态能够始终保持不变,则系统的这种状态称为平衡状态. 热平衡状态 力平衡状态 化学平衡状态,问题：如何定量描述工质的状态？,平衡与稳定,稳定：参数不随时间变化,稳定不一定平衡，但平衡一定稳定,平衡与均匀,平衡：时间上均匀：空间上,平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的,二、状态方程,对于简单可压缩系统,状态方程:,或,三、状态参数坐标图,1,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。,1-5 工质的状态变化过程,1,系统状态的连续变化称为系统经历了一个热力过程简称过程。,1,2,p,v,2,1,一、准静态过程(准平衡过程),1、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；,1,2,v,2,1,p,一、准静态过程(准平衡过程),2,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？,既是平衡，又是变化,既可以用状态参数描述，又可进行热功转换,疑问：理论上准静态应无限缓慢，工程上怎样处理？,准静态过程的工程条件,破坏平衡所需时间（外部作用时间）,恢复平衡所需时间（驰豫时间）,有足够时间恢复新平衡 准静态过程,准静态过程的工程应用,例：活塞式内燃机 2000转/分 曲柄 2冲程/转，0.15米/冲程,活塞运动速度=20002 0.15/60=10 m/s,压力波恢复平衡速度（声速）350 m/s,破坏平衡所需时间（外部作用时间）,恢复平衡所需时间（驰豫时间）,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。“突然”“缓慢”,可逆过程的描述： 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始状态而不留下任何痕迹，则此过程称为可逆过程。,可逆过程的描述,注意：可逆过程只是指可能性，并不 是指必须要回到初态的过程。,二、可逆过程,可逆过程的实现,准静态过程 + 无耗散效应 = 可逆过程,无不平衡势差,通过摩擦使功变热的效应(摩阻，电阻，非弹性变性，磁阻等）,不平衡势差不可逆根源 耗散效应,耗散效应,典型的不可逆过程,不等温传热,节流过程 (阀门）,自由膨胀,混合过程,可逆过程与准平衡过程的区别：,1.可逆过程一定是准平衡过程；,2.准平衡过程不一定是可逆过程。,实际过程都是不可逆过程！,三、循环过程,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。,v,1,p,v,p,可逆循环,不可逆循环,循环过程及在坐标图上的表示,1-6 过程功和热量,一、功的定义 定义:力和力的方向上位移的乘积.,对于过程1-2:,符号约定:热力系统对外输出功为正,外界对系统作功为负.,二、可逆过程的功,功有何性质?,1.是过程量,不是状态量,2.其大小与初、终状态有关, 也与路径有关,三、过程热量 定义: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. 计算公式:,热量单位:J,kJ,微小热量 ：, 0 表示系统从外界吸热； 0 表示系统向外界放热。,总热量：,积分与过程有关 。,热量是过程量,系统可以和外界交换热量,熵（ Entropy）的定义,熵的简单引入,比参数 kJ/kg.K,ds: 可逆过程 qrev除以传热时的T所得的商,广延量 kJ/K,热量与容积变化功,能量传递方式 容积变化功 传热量,性质 过程量 过程量,推动力 压力 p 温度 T,标志 dV , dv dS , ds,公式,条件 准静态或可逆 可逆,循环过程物质系统经历一系列状态变化过程又回到初始状态，称这一周而复始的变化过程为循环过程。热机持续不断地将热 转换为功的装置。工质在热机中参与热 功转换的媒介物质。,1-7 热力循环,一、循环概说,循环过程的特点经一个循环后系统的内能不变。 净功 A = 循环过程曲线所包围的面积,热机的效率:,循环经济性指标一般定义:,经济性指标=,得到的收获,花费的代价,循环的经济性,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,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,正循环,p,V,T,S,净效应：对外作功,净效应：吸热,正循环：顺时针方向,2,1,1,2,正循环的评价指标,正循环：净效应（对外作功，吸热）,Wnet,T1,Q1,Q2,T2,动力循环：热效率,三、逆向循环,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,逆循环,p,V,T,S,净效应：对内作功,净效应：放热,逆循环：逆时针方向,2,1,1,2,逆循环的评价指标,逆循环：净效应（对内作功，放热）,Wnet,T0,Q1,Q2,T2,制冷循环：制冷系数,制热循环：制热系数,本章结束！,