火电厂热工及热力设备基础.ppt

2023/11/15,-1-,火电厂热工及热力设备基础,止於至善,2023/11/15,-2-,主要内容：,1.工程热力学基础2.传热学基础3.锅炉设备4.汽轮机5.火电厂热力系统及其热经济性,止於至善,2023/11/15,-3-,2002年我国能源状况,一次能源消费量为14.8亿吨标准煤，为世界第二大能源消费国一次能源产量为13.87亿吨标准煤 煤炭产量13.8亿吨，居世界第1位原油1.67亿吨，居世界第5位天然气产量326.6亿立方米，居世界第16位发电装机容量3.57亿千瓦，居世界第2位,2023/11/15,-4-,目前全世界能源总消费量约为130亿吨标准煤,化石能源占80%以上工业国家能源消费经历由煤炭向优质能源（石油、天然气）转变，再进一步向可再生能源过渡为实现可持续发展，欧洲、日本等正大力发展风电、太阳能、生物质能等可再生能源，每年增长率达30%以上,世界能源发展趋势,2023/11/15,-5-,世界能源发展趋势（续）,人均能源消费量与人均GDP的增长有很强的相关性从世界范围看，人均GDP达1万美元（中等发达国家水平）以前，人均能源消费量增长较快，其值约为4吨标煤，其后增长变缓在人均GDP达1万美元阶段，日本人均能源消费量为4.25吨标煤(1980年)，韩国为4.07吨标煤(1997年)，而美国为8吨标煤(1960年),2023/11/15,-6-,世界能源发展趋势（续）,2023/11/15,-7-,未来我国能源需求预测,2020年，我国一次能源需求值在2533亿吨标煤之间，均值是29亿吨标煤煤 炭：2129亿吨石 油：4.56.1亿吨天然气：14001600亿立方米发电装机容量：8.69.5亿千瓦，其中水电2.02.4亿千瓦2050年要达到目前中等发达国家水平，人均能源消耗应达3.0吨标煤以上，能源需求总量约为50亿吨标煤,2023/11/15,-8-,我国能源面临的矛盾与挑战,1、能源供需矛盾突出 我国人均能源可采储量远低于世界平均水平,石油2.60吨，天然气1074立方米，煤炭90吨，分别为世界平均值的11.1%，4.3%，55.4%我国目前人均能源消费约为1吨标煤，世界平均值为2.1吨标煤，美国11.7吨标煤，OECD国家6.8吨标煤 到2050年，我国能源供应将面临更为严峻挑战，国内常规能源难以满足需求的增长,2023/11/15,-9-,我国能源面临的矛盾与挑战（续）,到2020年，我国石油消费量将为4.56.1亿吨，届时国内石油产量为1.82.0亿吨，对外依存度将达60%我国煤炭资源丰富，但探明程度低，可供建矿的精查储量严重不足,2、能源安全，尤其是石油安全问题凸现,2023/11/15,-10-,我国能源效率约为31.4%，与先进国家相差10个百分点，主要工业产品单位能耗比先进国家高出30%以上目前，我国正面临着重化工业新一轮增长，国际制造业转移以及城市化进程加速的新情况，经济发展对能源的依赖度增大，能源翻一番保GDP翻两番的任务艰巨,3、能源利用效率低下，节能任务十分艰巨,我国能源面临的矛盾与挑战（续）,2023/11/15,-11-,从环境容量看，二氧化硫为1620万吨，氮氧化物为1880万吨，到2020年，如不采取措施，两者的排放量将分别达到4000万吨和3500万吨我国CO2的排放量已成为世界第2位，未来将面临巨大的国际压力,4、环境污染严重，可持续发展面临较大压力,我国能源面临的矛盾与挑战（续）,2023/11/15,-12-,我国能源发展战略,我国应以保障供应为主线，实施“节能优先、供应安全、结构优化、环境友好”的可持续发展能源战略。远近结合、分阶段部署，争取用三个15年，初步实现我国能源可持续发展的目标。,2023/11/15,-13-,第一章、工程热力学基础,主要内容：工程热力学的任务及基本概念热力学第一定律理想气体的性质及其主要热力过程稳定流动能量方程及其分析水和水蒸汽的性质及其主要热力过程热力学第二定律蒸汽动力循环分析,2023/11/15,-14-,工程热力学的任务及基本概念,工程热力学的主要任务基本定义工程热力学的应用及其发展能量转换面临的三个问题工程热力学的理论支柱基本概念热力系工质、工质的状态与状态参数基本状态参数及其测量,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-15-,基本定义,热力发电厂：利用各种热能转换为电能的企业火电厂：热力发电厂中使用化石燃料的电厂火电厂中的能量转换：通过燃烧将燃料化学能转化为烟气的热能（炉内）烟气热能以辐射对流等方式加热水为蒸汽（锅内）蒸汽在汽缸各级内将热能转化为转子动能（汽机）凝汽器凝水经水泵升压加热器升温至锅炉（回热）涉及热力学原理、传热原理、热力设备工作原理热力学：研究热现象规律的科学工程热力学：研究热能与机械能转换的科学,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-16-,工程热力学的应用及其发展,工程热力学研究以提高热能利用率为核心热力机械、低温制冷、空气分离、采暖通风航空航天、海水淡化、超导传递、化学精炼工程热力学的研究方法现象或者经典热力学统计热力学工程热力学的发展同物理学、化学、生命科学等学科交叉渗透,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-17-,能量转换面临的三个问题,热能与机械能相互转换间的数量关系热能与机械能的转换是否存在定量？不耗能而输出功的第一类永动机是否现实？热能与机械能相互转换间的质量关系热能与机械能是否存在质量上的差异？冷却单一热源作功的第二类永动机是否现实？工质的热力性质如何影响热与功的转换理想气体（空气或者烟气）实际工质（水和水蒸汽工质）,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-18-,工程热力学的理论支柱,热力学第一定律热能与机械能相互转换存在守恒关系！第一类永动机是不现实的！热力学第二定律能量的不等价表现为转换方向与限度的差异！第二类永动机是不现实的！工质的热力学性质理想气体的状态方程与典型热力过程水蒸汽的热力学性质方程与典型热力过程,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-19-,热力系,热力系的定义为分析问题方便而人为分离出来的研究对象其边界可真实可虚构；可以固定亦可涨缩热力系的种类流动系：热力系与外界有物质交换及能量交换封闭系：热力系与外界无物质交换有能量交换绝热系：热力系与外界有物质交换无能量交换孤立系：热力系与外界无物质交换无能量交换,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-20-,工质、工质的状态与状态参数,工质的定义工质是参与热功转换的媒介物质热功转换完成后工质本身并无变化工质的状态工质在某瞬间的物理特性工质的状态参数描述状态的物理量定义为状态参数状态参数与与达到该状态的路径无关基本状态参数物理意义明确且易于测量的状态参数,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-21-,温度及其测量,基本定义表示物体冷热程度的物理量单位绝对温度T是SI单位制的基本单位，单位为K摄氏温度t 是日常计量单位，单位为上述温度的相互关系为：Tt273.15温度测量利用物体的物理或者化学性质与温度相关性水银温度计、热电阻温度计、热电偶温度计半导体温度计、辐射式温度计,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-22-,压力及其测量,基本定义单位面积上受到的垂直作用力单位压力用符号p 表示；基本单位为N/m2；符号Pa单位液柱高：1mmHg=133.322(Pa)工程大气压：1kgf/cm2=9.8067104(Pa)压力测量压阻式、压磁式、压电式与力平衡式压力计大气压力、表压力（真空）与绝对压力当绝对压力高于大气压力时：p=pb+pg当绝对压力低于大气压力时：p=pb-pv,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-23-,热力学第一定律,热力学第一定律表达式内能、功量和热量,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-24-,热力学第一定律表达式,本质是能量转换与守恒定律在工程热力学中的应用没有一种机器可以不消耗能量而连续作功表述热功可以相互转换，而且在数量上守恒封闭系热力学第一定律的数学表达式能量平衡：Q-AW=E2-E1式中：Q为热量；W为功量；EEk+Epu对于封闭热力系：Q-AW=u2-u1对单位工质微小变化：dq=du+pdv,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-25-,内能、功量和热量,内能各种微观能量的总和为内能，其中内动能与温度有关而内势能取决与比容功与压容图微分功量为：dw=pdv压力是作功的推动力；比容变化是作功的标志热与温熵图微分热量为：dq=Tds由此定义：ds=dq/T温度是传热的推动力；比熵变化是传热的标志实际上热量需要由其他的定义式计算,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-26-,理想气体的性质及其主要热力过程,理想气体的性质理想气体的其他状态参数理想气体的定容过程理想气体的定压过程理想气体的定温过程理想气体的定熵过程理想气体的多变过程,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-27-,理想气体的性质,理想气体的定义与意义理想气体假设其分子不占体积，分子间无作用该模型的引入具有三个方面的意义状态方程（基本状态参数之间的关系）状态方程：pv=RT(R为气体常数)对同种气体，无论在什么状态，R恒为常数通用气体常数同温同压下，不同气体的比容不同，故R不同根据阿付加德罗定律，摩尔质量的容积相等通用气体常数：RmR103 8.3143(分子量),第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-28-,理想气体的其他状态参数,气体比热定义气体比热：c=dq/dT 据此有：dqcdT种类、单位、过程和温度区间是影响c的因素理想气体内能（用第一定律分析定容过程）第一定律：dqv=cvdT=du 则：du=cvdT理想气体比焓（用第一定律分析定压过程）第一定律：dqp=cPdT=dh 则：dh=cpdT理想气体比熵熵定义：ds=dq/T=(du+pdv)/T=(cvdT+pdv)/T,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-29-,理想气体的定容过程,定容过程方程：vconst状态方程：p/T=R/v=const 过程膨胀功：dw=pdv=0过程吸热量：dq=du+pdv=du=cvdT熵增：ds=cvdT/T 在温熵图上为对数曲线定容过程在压容图上垂直于比容坐标轴,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-30-,理想气体的定压过程,定压过程方程：pconst状态方程：v/T=R/p=const 过程膨胀功：dw=pdv w=p(v2-v1)过程吸热量：dq=cpdT熵增：ds=cpdT/T 在温熵图上为对数曲线定压过程在压容图上垂直于压力坐标轴,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-31-,理想气体的定温过程,定温过程方程：Tconst状态方程：pv=RT=const 过程膨胀功：dw=pdv=RTdv/v内能du=cvdT=0；比焓dh=cpdT=0过程吸热量：dq=du+pdv=dw=RTdv/v定温过程在温熵图上垂直于温度坐标轴定温过程在压容图上为双曲线,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-32-,理想气体的定熵过程,定熵过程方程：pvkconst(k为绝热指数)状态方程：pv=RT过程膨胀功：dw=pdv=(p2v2-p1v1)/(1-k)=内能du=cvdT；比焓dh=cpdT过程吸热量：dq=Tds=0定熵过程在温熵图上垂直于比熵坐标轴定熵过程在压容图上为不等边高次双曲线,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-33-,定熵过程方程的推导,由焓的定义：h=u+pv 即dh=du+pdv+vdp第一定律为：dq=du+pdv=dh-vdp绝热过程中：dq0由上式得：cvdT=-pdv以及cpdT=vdp两式相除：cp/cv=k=-vdp/pdv分离变量得：dp/p=-kdv/v两边积分整理得：pvk=const,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-34-,理想气体的多变过程,定熵过程方程：pvnconst(n为多变指数)状态方程：pv=RT过程膨胀功：dw=pdv=(p2v2-p1v1)/(1-n)=内能du=cvdT；比焓dh=cpdT过程吸热量：dq=cvdT-R(T2-T1)/(n-1)=多变过程在温熵图上为一簇曲线多变过程在压容图上也为一簇曲线,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-35-,稳定流动能量方程,流动热力系系统储能的变化维持系统流动的推动功系统进出能量（热量与功量）稳定流动能量方程,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-36-,流动热力系,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-37-,热力系内工质储能变化,热力系内工质储能为EEkEPU进口处单位工质储能e1ek1ep1+u1宏观动能：ek1(c1)2/2宏观势能：ep1g(z1)进口处单位工质储能e2ek2ep2+u2宏观动能：ek2(c2)2/2宏观势能：ep2g(z2)储能变化：e ek ep u,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-38-,维持系统流动的推动功,流动系的特点包含工质进出（与外界有物质交换）工质进出系统需要额外消耗推动功工质进出系统的推动功工质进入系统，外界作功p1v1，克服流动阻力工质离开系统，系统作功p2v2，克服流动阻力维持流动系统付出的推动功出口与进口的耗功差(pv)p2v2 p1v1,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-39-,系统进出能量（热量与功量）,进出系统的热量系统与外界交换的热量为Q加入系统的热量为正，反之为负进出系统的功量在流动系中的功量称为轴功轴功伴随能量形式的变化而不同于膨胀功系统对外作功为正，反之为负,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-40-,稳定流动能量方程,流动系稳定流动能量方程稳定流动方程：qewi(pv)稳定流动能量方程的意义对稳定流动系中的工质加热，产生以下效果可以改变工质的储能可以转化为轴功输出可以获得工质流动的推动功,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-41-,稳定流动能量方程分析,状态参数焓技术功技术功的意义技术功的表达式膨胀功稳定流动能量方程的第二种微分表达式膨胀功与技术功的关系,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-42-,状态参数焓,状态参数焓的定义焓定义为：hupv焓的微分表达：dhdupdvvdp状态参数焓的意义焓定义为内能与推动功之和焓在流动系的能量转换分析中具有重要作用焓用以表达直接取决于工质状态的能量单位质量的焓为比焓,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-43-,技术功,技术功的意义定义技术功是宏观动能、宏观势能与轴功和是稳定流动能量方程中与机械功相关的能量技术功是流动系输出的技术上可利用的能量技术功的表达式定义式：wt(c2)/2gzwi由稳定流动能量方程：wtqu(pv)技术功以压力变化为标志：wt v p,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-44-,膨胀功,膨胀功的意义与特点膨胀功是封闭系输出的功量膨胀功由热能直接转换，无其他能量形式变化膨胀功是热能转换为机械能的根本途径膨胀功的表达式定义式：wpdv由封闭系的能量方程：wqu,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-45-,能量平衡的第二微分表达式,稳定流动能量方程原型：q(c2)/2gzu(pv)wi变形：qu(c2)/2gz(pv)wi代入：qu pv（第一微分表达式）整理：wt(c2)/2gzwiv p转化：q(upv)wt hvp结论：dqdhvdp（第二微分表达式）源自热能的机械能恒等于膨胀功流动系中膨胀功等价于技术功与推动功之和,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-46-,膨胀功与技术功的关系,相同点技术功是流动系的作功形式，但源自膨胀功是热力系对外输出的机械能，具有相同单位相异点膨胀功对应封闭系，技术功对应流动系数值不等膨胀功是pv图中压力曲线与比容轴间面积技术功是pv图中压力曲线与压力轴间面积形式不同膨胀功是工质热能直接转化为机械能技术功是工质热能转为工质动能，再转为轴的机械能,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-47-,水蒸汽的性质及其主要热力过程,水蒸汽的定压形成及相图水蒸汽性质图表及其应用水蒸汽性质的数值计算水蒸汽的典型热力过程,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-48-,水蒸汽的定压形成及相图,水蒸汽的定压形成过程水蒸汽的状态变化水蒸汽的相图水蒸汽相图的分析,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-49-,水蒸汽的定压形成,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-50-,水和水蒸汽的状态变化,未饱和水(a1)状态未饱和水受热后，温度升高，比容略增饱和水(a)湿蒸汽(ax)与饱和汽(a”)状态当温度升高至饱和温度，水始沸腾，为饱和水饱和水加热，温度不变，汽量增加，比容增加继续加热使水全变为汽，温度不变，为饱和汽过热蒸汽(a2)状态饱和蒸汽受热后，温度升高，比容增加,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-51-,水蒸汽的相图,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-52-,水蒸汽相图的分析,相图中的一点临界点（CR）相图中的两线饱和水线（x0）与饱和汽线（x1）相图中的三区（未饱和）水区、饱和区、（过热）汽区水蒸汽的五态未饱和水、饱和水、湿蒸汽、饱和汽、过热汽,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-53-,水蒸汽性质图表及其应用,水蒸汽性质图表简介水蒸汽图表应用（一）水蒸汽图表应用（二）,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-54-,水蒸汽性质图表简介,使用水蒸汽图表的目的查取或计算水蒸汽的相关状态参数未饱和水与过热汽的性质未饱和水与过热汽需要两个独立的状态参数未饱和水与过热汽图表以压力和温度为自变量饱和水与饱和汽的性质饱和水与饱和汽仅需要一个独立状态参数饱和水与饱和汽图表分别使用压力或温度排列湿蒸汽的性质使用包含湿度在内的两个独立参数,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-55-,水蒸汽图表应用（一）,未饱和水与过热蒸汽的状态参数状态参数：hf(p,t)；sf(p,t)；vf(p,t)饱和水与饱和汽的状态参数饱和压力与温度：psf(ts)；tsf(ps)饱和水（压力）：hf(ps);sf(ps);vf(ps);饱和汽（压力）：h”f(ps);s”f(ps);v”f(ps);饱和水（温度）：hf(ts);sf(ts);vf(ts);饱和汽（温度）：h”f(ts);s”f(ts);v”f(ts);,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-56-,水蒸汽图表应用（二）,湿蒸汽的干度干度的定义：X 饱和蒸汽质量/总质量湿蒸汽的状态参数湿蒸汽焓：hxhX(h”h)；湿蒸汽熵：sxs X(s”s)；湿蒸汽比容：vxv X(v”v)；已知压力p与焓hx，求湿蒸汽熵sx由压力p，查表计算h、h”、s和s”计算干度：X（hxh）/（h”h）计算湿蒸汽熵：sxs X(s”s),第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-57-,水蒸汽的性质及其主要热力过程,水蒸汽的定压形成及相图水蒸汽性质图表及其应用水蒸汽性质的数值计算水蒸汽的典型热力过程,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-58-,水蒸汽性质的数值计算,水蒸汽是实际气体，其性质以实验为基础通过实验获得水蒸汽性质的骨架表根据骨架表实验数据整理计算模型数值计算的发展历史50年代，采用骨架表数据各国发展独立标准60年代，国际公式化委员会提出国际标准70年代，根据需要，拟合小范围高精度模型90年代，国际水和水蒸汽性质协会推新标准,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-59-,算法模型与通用计算,拟合模型根据骨架表数据，拟合公式供分析使用典型的全苏热工所模型，哈汽厂模型等标准模型国际公式化委员会IFC67模型国际水和水蒸汽性质协会IAPWS模型通用计算实现多变量组合的通用实现跨区域计算的通用,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-60-,水蒸汽的典型热力过程,定压流动换热过程绝热流动作功过程通过喷嘴的绝热流动绝热节流过程,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-61-,定压流动换热过程,过程特点轴功：wi0动能：ek 0势能：ep 0能量平衡方程：qhh2h1意义加热可使工质焓升高使用焓升可计算热量此式适于各换热设备,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-62-,绝热流动作功过程,过程特点热量：q 0动能：ek 0势能：ep 0能量平衡方程：wih1h2意义作功表现为工质焓降利用焓降可计算功量此式适于各作功设备,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-63-,通过喷嘴的绝热流动,过程特点热量：q 0轴功：wi0势能：ep 0能量平衡方程：ek h1h2意义工质热能可变为动能使用焓降可计算速度,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-64-,绝热节流过程,过程特点热量：q 0轴功：wi0动能：ek0势能：ep0能量平衡方程：h1h2意义绝热过程中焓值相等,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-65-,热力学第二定律,热力学第二定律的本质与表述卡诺循环的组成卡诺循环过程卡诺循环效率卡诺循环效率的分析卡诺定理,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-66-,热力学第二定律的本质与表述,本质阐明了热力过程进行的方向性及其限度为提高能量转换的效率奠定了基础表述只冷却单一热源不可能实现连续循环作功热能无法自发或无代价地由低温传向高温意义热变功是有条件和有限度的，两者不等价热转变为功的条件是使用高低温两个热源热转变为功的极限是理想卡诺循环的效率,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-67-,卡诺循环的组成,循环：持续热变功需要工质状态循环变化卡诺循环：两等温过程与两等熵过程组成吸热过程：工质从高温热源等温吸热qb作功过程：高温工质经等熵膨胀作功wt放热过程：工质向低温热源等温放热qc压缩过程：低温工质经等熵过程升压wp卡诺循环的特点：等温吸放热过程及等熵胀缩过程是理想化的与工质的种类及热力系的特点无关,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-68-,卡诺循环过程,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-69-,卡诺循环效率,卡诺循环的能量平衡微分表达：dqdhvdp循环积分：qbqcwnwtwp循环效率定义：twn/qb1 qc/qb卡诺循环效率循环吸热量：qbTbs循环放热量：qcTcs循环热效率：t1 qc/qb1Tc/Tb,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-70-,卡诺循环效率的分析,卡诺循环效率分析卡诺效率取决于两个热源温度与工质无关高低温热源温度相等，卡诺循环效率为 0卡诺循环效率恒低于100提高高温热源温度可以提高卡诺循环效率降低低温热源温度可以提高卡诺循环效率卡诺循环的意义卡诺循环效率在理论上确定了热变功的条件卡诺循环效率在理论上确定了热变功的限度卡诺循环效率在理论上指明提高效率的途径,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-71-,卡诺定理,卡诺定理在两恒温热源间工作的热机效率低于可逆热机卡诺定理的推论在两恒温热源间可逆热机同效率且与工质无关在两恒温热源间不可逆热机效率小于可逆热机意义热变功需要高低温两个热源在两恒温热源间可逆热机效率即卡诺循环效率热变功的极限取决于两热源温度的比值非恒温热源的分析可以使用平均吸放热温度,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-72-,蒸汽动力循环分析,朗肯循环的组成朗肯循环过程朗肯循环效率朗肯循环效率的分析提高火电机组经济性的途径,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-73-,朗肯循环的组成,朗肯循环：两等压过程与两等熵过程组成吸热过程：工质从高温热源等压吸热qb作功过程：高温工质经等熵膨胀作功wt放热过程：工质向低温热源等压放热qc压缩过程：低温工质经等熵过程升压wp朗肯循环的特点：锅炉内等压吸收水的预热、汽化及过热热量高温高压的蒸汽在汽轮机级内膨胀输出轴功在凝汽器中的等压放热过程等价于等温放热给水泵对（不可压缩）水工质加压耗功极低,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-74-,朗肯循环过程,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-75-,朗肯循环效率,朗肯循环的能量平衡能量平衡：qbqcwnwtwp循环效率定义：twn/qb1 qc/qb朗肯循环效率单位工质循环吸热量：qbh0h3单位工质循环放热量：qch1h2单位工质循环净功量：wn(h0h1)(h3h2)循环效率：t1 qc/qbf（p0，t0，pc）,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-76-,朗肯循环效率分析,单位工质循环净功的分析由于水不可压缩，水的比容很小且几乎不变给水泵耗功：wph3h2v(p3p2)0循环净功：wnwtwpwth0h1单位工质循环吸放热量循环吸热量：qbh0h3h0h2循环放热量：qch1h2循环效率分析因为：h0f(p0,t0)；h1=f(p0,t0,pc)；h2=f(pc)所以：tf（p0，t0，pc）,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-77-,提高朗肯循环效率的途径,提高初温度提高初温度提高平均吸热温度并改善循环效率受金属耐温性能的影响其上升空间有限提高初压力在常用范围内提高初压可以提高平均吸热温度负面影响是进汽比容和排汽干度会下降虽受金属耐压性能影响但提升空间较大降低终压力降低终压可以降低平均放热温度改善循环效率受制于环境温度、凝汽器传热性能的影响,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-78-,提高初温度,以中参数电厂为基准，分析主蒸汽温度由450到550变化对效率的影响,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-79-,提高初压力,以中参数电厂为基准，分析主蒸汽温度由3.5MPa到17.0MPa变化对效率的影响,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-80-,降低终温度,以中参数电厂为基准，分析主蒸汽温度由7kPa到5kPa变化对效率的影响,第一章、工程热力学基础,2023/11/15,-81-,第二章、传热学基础,主要内容：传热学的任务及基本概念导热对流换热辐射换热传热过程与换热器,2023/11/15,-82-,传热学的基本概念,传热学的任务热量传递是自然界普遍存在的热现象传热学研究热量传递规律的科学传热学的应用能源、环境、化工、冶金、航天、电气、机械是现代科学技术中充满活力的一门基础学科传热学与热力学研究的差异热力学可计算两平衡态间能量交换的总效果热量传递方式？热量传递速率？温度分布？,第二章、传热学基础,2023/11/15,-83-,传热学的研究内容,传热现象及其方式传热现象是十分复杂的物理过程导热、对流与辐射是三种基本传热方式实际传热过程往往是上述基本传热方式的复合传热学研究方法利用实验技术，针对具体传热问题建立模型传热学在火电厂热力设备中的应用电厂热力设备中包含大量换热设备改善设备换热效果具有重大经济效益,第二章、传热学基础,2023/11/15,-84-,导 热,导热的定义与机理物体内部微观粒子热运动造成的热量传递气体导热是气体分子不规则热运动的结果导电固体导热是晶格间自由电子热运动的结果非导电固体导热是晶格结构振动的的结果液体导热的机理尚无公认的解释傅立叶定律及导热系数通过平壁及复合壁的稳态导热通过圆柱与球壁的稳态导热复杂导热问题,第二章、传热学基础,2023/11/15,-85-,傅立叶定律及导热系数,傅立叶定律单位时间内导热量与温度梯度及面积成正比数学模型：QF(dt/dx)单位面积的热流量：qQ/F(dt/dx)传热方向与温度梯度相反，与第二定律一致导热系数表征导热性能的物性参数，与材料及温度有关导热系数排序：金属、液体和气体良导体也是良导热体，不良导体导热性能差,第二章、传热学基础,2023/11/15,-86-,通过平壁的稳态导热,假设长度与宽度远远大于厚度(一维导热)两侧壁温分别为t1和t2且恒定(稳态)导热系数不随温度变化(常物性)温度分布与导热量计算方程：q(dt/dx)积分：t(q x)/C代入：q/(t1t2)(t1t2)/Rt意义壁内温度分布为直线，斜率为t/稳态传热量是定值，不随时间变化,第二章、传热学基础,2023/11/15,-87-,通过复合壁的稳态导热,假设长度与宽度远远大于厚度(一维导热)两侧壁温分别为t1和t2且恒定(稳态)各板导热系数不随温度变化(常物性)电拟法求解复合壁导热问题串联电路：i(u1u2)/R复合壁导热：q(t1t2)/Rt壁内温度曲线斜率：ti/i意义温度分布为折线，各斜率为ti/i稳态传热量是定值，不随时间变化,第二章、传热学基础,2023/11/15,-88-,通过圆柱壁的稳态导热,假设轴向尺度远大于径向(径向一维导热)两侧壁温分别为t1和t2且恒定(稳态)导热系数不随温度变化(常物性)圆柱坐标系傅立叶方程及其解析解方程：qQ/l(2r)(dt/dr)积分：tq/(2)ln(r)C代入：q(t1t2)/ln(d2/d1)/(2)意义壁内温度分布为对数曲线稳态传热量是定值，不随时间变化,第二章、传热学基础,2023/11/15,-89-,通过复合圆柱壁的稳态导热,单位热流量及热阻平壁：qQ/F；圆柱壁：qQ/l平壁：Rt/；圆柱：Rtln(d2/d1)/2复合圆柱壁导热串联电路：i(u1u2)/R复合壁导热：q(t1t2)/Rt温度分布：ti+1-tiq/Rti q/ln(di+1/di)/2其中：Rt ln(di+1/di)/2(i=1,2,n),第二章、传热学基础,2023/11/15,-90-,通过球壁的稳态导热,假设空心球壁径向导热(径向一维导热)两侧壁温分别为t1和t2且恒定(稳态)导热系数不随温度变化(常物性)球坐标系傅立叶方程及其解析解方程：Q(4r2)(dt/dr)积分：tQ/(4)(1/r)C代入：q(t1t2)/(1/r1-1/r2)/(4)意义壁内温度分布为双曲线稳态传热量是定值，不随时间变化,第二章、传热学基础,2023/11/15,-91-,复杂导热问题,简单导热问题一维导热（圆柱及球壁问题转化为径向导热）稳态导热（传热量及温度分布不随时间变化）定常物性（导热系数等物性参数可取为常数）第三类边界条件（定值边界条件）无内热源复杂导热问题的求解根据傅立叶方程，建立问题的微分方程组使用数值方法求解。如松弛变量法、有限元法,第二章、传热学基础,2023/11/15,-92-,对流换热,对流与对流换热牛顿冷却定律与对流换热系数对流换热的各种影响因素准则数以及准则方程典型对流换热的准则方程,第二章、传热学基础,2023/11/15,-93-,对流与对流换热,对流的定义流体内部发生相对位移致使冷热流体相互掺混对流仅能够发生在流体内部且必然伴随着导热对流换热的定义流体流经物体表面时对流与导热联合作用结果对流换热的分类自然对流换热，温差作用下密度不同并流动强迫对流换热，在外界功的作用下强制流动相变对流换热，流体在物体表面发生了相变,第二章、传热学基础,2023/11/15,-94-,牛顿冷却定律与对流换热系数,牛顿冷却定律对流换热量与传热面积及传热温差成正比流体被加热：Q(twtf)F流体被冷却：Q(tftw)F对流换热热阻：Rt1/(F)不单纯是物性参数典型对流换热系数的取值空气自然对流310；空气强迫对流20100水自然对流2001000；水强迫100015000蒸汽强迫对流5003500水沸腾250025000；蒸汽凝结500015000,第二章、传热学基础,2023/11/15,-95-,对流换热的各种影响因素,流动产生的原因自然对流会在引力作用使密度不等的流体流动自然对流流速低换热强度低需要较大传热面积强迫对流则是在外界强制力作用下的流体流动强迫对流流速高换热强度大流体的流动状况层流流动指流体低速流动时的分层流动状况紊流流动指流体高速流动时的紊乱流动状况流动状况的判据：使用与流速相关的准则数流体及物体的物性参数（如导热系数等）,第二章、传热学基础,2023/11/15,-96-,准则数以及准则方程,反映自然对流强度的格拉晓夫数格拉晓夫数：Gr=（gd3t）/2反映强迫对流强度的雷诺数雷诺数：Recd/反映物性参数的普朗特数普朗特数：Prcp/反映对流换热系数的努谢尔特数努谢尔特数：Nud/定性温度与定型尺寸规定温度为定性温度；当量直径为定型尺寸,第二章、传热学基础,2023/11/15,-97-,典型对流换热的准则方程,层流流动准则方程Nu0.15Ref0.33Prf0.43Grf0.1(Prf/Prw)0.25旺盛紊流准则方程Nu0.21Ref0.8Prf0.43(Prf/Prw)0.25式中下脚标f 表示对应流体物性下脚标w表示对应物体物性定性温度为流体平均温度：tf(tf1tf2)/2定型尺寸为当量直径：de4f/u当量直径中，f为流道截面积；u为浸润周长,第二章、传热学基础,2023/11/15,-98-,辐射换热,热辐射的基本概念吸收辐射分析对外辐射与热辐射基本定律辐射换热计算,第二章、传热学基础,2023/11/15,-99-,热辐射的基本概念,热辐射的基本定义辐射指通过电磁波方式传递能量的过程为辐射热辐射指由于热的原因而发生的辐射为热辐射辐射换热是发射与吸收辐射能的综合效果辐射换热的特点辐射换热是一个动态平衡的过程辐射换热伴随着能量形式的变化热辐射热辐射可以在真空中进行辐射的影响因素辐射与温度有密切的关系辐射还与物体的表面性状、相对位置等有关,第二章、传热学基础,2023/11/15,-100-,吸收辐射分析,吸收辐射投射辐射Qe吸收辐射Qa;透射辐射Qd;反射辐射Qr能量平衡：Qe QaQdQr相对能量平衡：1ADR定义黑体：A1，物体吸收全部投射辐射白体：R1，物体反射全部投射辐射透热：D1，物体透射全部投射辐射固体和液体：D=0，易吸收则反射少气体：R0，易吸收则透射少,第二章、传热学基础,2023/11/15,-101-,对外辐射与热辐射基本定律,斯蒂芬波尔兹曼定律黑体辐射：Eb0T4(0为黑体辐射常数)灰体辐射：EEb0T4(为黑度)温度的影响：辐射力以绝对温度四次方成正比基尔霍夫定律热平衡条件下物体吸收率等于同温该物之黑度基尔霍夫定律：A基尔霍夫定律的意义物体的吸收能力越强，其辐射能力也越强黑体吸收能力最大，其辐射力也是最大的,第二章、传热学基础,2023/11/15,-102-,辐射换热的计算,相关定义本身辐射：物体向外发出的辐射EEb有效辐射：本身辐射与反射辐射和Eef辐射换热：Q12Qef1Qef2凸表面包容灰体辐射换热计算Q120F1(T14-T24)/1/1+F1/F2(1/2-1)式中F1、F2分别是被包容小物体与包容物体面积两平行大板间辐射换热计算（F1F2）Q120F1(T14-T24)/1/11/2-1若被包容灰体相对很小（F1F2）Q1201F1(T14-T24),第二章、传热学基础,2023/11/15,-103-,传热过程与换热器,传热过程与传热系数传热的强化与消弱大平壁传热的强化与消弱圆柱壁传热的强化与消弱换热器换热器的基本概念换热器的热力计算设计计算与校核计算设计计算步骤校核计算步骤,第二章、传热学基础,2023/11/15,-104-,传热过程与传热系数,传热过程的定义复杂换热：由两种及以上传热方式组成的过程传热过程：由冷热流体经固体壁面的换热过程稳态传热过程假设：冷热流体温度为tf1、tf2；导热系数假设：冷热流体对流换热系数1和2传热方程：q（tf1tf2）/RtK(tf1tf2)传热热阻单层平壁：Rt1/1/1/2复合平壁：Rt1/1+i/i+1/2复合圆柱：Rt1/d11+ln(di+1/di)/(2i)+1/dn+1 2式中：K为传热系数，是热阻的倒数。,第二章、传热学基础,2023/11/15,-105-,大平壁传热的强化与消弱,本质根据需要减少或者增加传热热阻的问题关键：改善传热环节中热阻较大侧的传热条件平壁传热过程分析若壁面导热热阻极