1、2022-6-8- 1 -火电厂热工火电厂热工及热力设备基础及热力设备基础止於至善2022-6-8- 2 -主要内容：主要内容：1. 1. 工程热力学基础工程热力学基础2. 2. 传热学基础传热学基础3. 3. 锅炉设备锅炉设备4. 4. 汽轮机汽轮机5. 5. 火电厂热力系统及其热经济性火电厂热力系统及其热经济性止於至善2022-6-8- 3 -20022002年我国能源状况年我国能源状况 一次能源消费量为一次能源消费量为14.814.8亿吨亿吨标准煤，为世界标准煤，为世界第二大能源消费国第二大能源消费国 一次能源产量为一次能源产量为13.8713.87亿吨亿吨标准煤标准煤 煤炭产量煤炭产量
2、13.813.8亿吨，居世界第亿吨，居世界第1 1位位原油原油1.671.67亿吨，居世界第亿吨，居世界第5 5位位天然气产量天然气产量326.6326.6亿立方米，居世界第亿立方米，居世界第1616位位 发电装机容量发电装机容量3.573.57亿亿千瓦，居世界第千瓦，居世界第2 2位位2022-6-8- 4 -目前全世界能源总消费量约为目前全世界能源总消费量约为130130亿吨亿吨标准标准煤煤, ,化石能源占化石能源占80%80%以上以上工业国家能源消费经历由煤炭向优质能源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（石油、天然气）转变，再进一步向可再生能源过渡
3、能源过渡为实现可持续发展，欧洲、日本等正大力发为实现可持续发展，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，展风电、太阳能、生物质能等可再生能源，每年增长率达每年增长率达30%30%以上以上世界能源发展趋势世界能源发展趋势2022-6-8- 5 -世界能源发展趋势（续）世界能源发展趋势（续） 人均能源消费量与人均人均能源消费量与人均GDPGDP的增长有很强的相的增长有很强的相关性关性 从世界范围看，人均从世界范围看，人均GDPGDP达达1 1万美元万美元（中等发达（中等发达国家水平）以前，人均能源消费量增长较快，国家水平）以前，人均能源消费量增长较快，其值约为其值约为4 4吨标煤
4、吨标煤，其后增长变缓，其后增长变缓 在人均在人均GDPGDP达达1 1万美元阶段，日本人均能源消费万美元阶段，日本人均能源消费量为量为4.254.25吨吨标煤标煤 (1980(1980年年) )，韩国为，韩国为4.074.07吨吨标标煤煤(1997(1997年年) )，而美国为，而美国为8 8吨吨标煤标煤 (1960(1960年年) )2022-6-8- 6 -05,00010,00015,00020,00025,00019601970197519801985199019951999美元美元/人人美国（人均美国（人均PPP）日本日本韩国韩国中国中国0.002.004.006.008.0010.
5、0012.00吨标煤吨标煤/人人美国（人均能源消费）美国（人均能源消费）日本韩国中国世界能源发展趋势（续）世界能源发展趋势（续）2022-6-8- 7 -未来我国能源需求预测未来我国能源需求预测20202020年，我国一次能源需求值在年，我国一次能源需求值在25253333亿吨亿吨标煤之间，标煤之间，均值是均值是2929亿吨亿吨标煤标煤煤煤 炭：炭：21212929亿吨亿吨石石 油：油：4.54.56.16.1亿吨亿吨天然气天然气 ：1400140016001600亿立方米亿立方米发电装机容量：发电装机容量：8.68.69.59.5亿千瓦，其中水电亿千瓦，其中水电2.02.02.42.4亿千瓦
6、亿千瓦20502050年要达到目前中等发达国家水平，人均能源消耗年要达到目前中等发达国家水平，人均能源消耗应达应达3.03.0吨吨标煤以上，能源需求总量约为标煤以上，能源需求总量约为5050亿吨亿吨标煤标煤2022-6-8- 8 -我国能源面临的矛盾与挑战我国能源面临的矛盾与挑战1 1、能源供需矛盾突出、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我国人均能源可采储量远低于世界平均水平, ,石油石油2.602.60吨，天然气吨，天然气10741074立方米，煤炭立方米，煤炭9090吨，吨，分别为世界平均值的分别为世界平均值的11.1%11.1%，4.3%4.3%，55.4%55.4
7、% 我国目前人均能源消费约为我国目前人均能源消费约为1 1吨吨标煤，世界标煤，世界平均值为平均值为2.12.1吨吨标煤，美国标煤，美国11.711.7吨吨标煤，标煤，OECDOECD 国国家家6.86.8吨吨标煤标煤 到到20502050年，我国能源供应将面临更为严峻挑年，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战，国内常规能源难以满足需求的增长2022-6-8- 9 -我国能源面临的矛盾与挑战（续）我国能源面临的矛盾与挑战（续） 到到2020年，我国石油消费量将为年，我国石油消费量将为4.56.1亿吨亿吨，届时国内石油产量为届时国内石油产量为1.82.0亿吨亿吨，对外依
8、存，对外依存度将达度将达60% 我国煤炭资源丰富，但探明程度低，可供建我国煤炭资源丰富，但探明程度低，可供建矿的精查储量严重不足矿的精查储量严重不足2022-6-8- 10 - 我国能源效率约为我国能源效率约为31.4%31.4%，与先进国家相差，与先进国家相差1010个百分点个百分点，主要工业产品单位能耗比先进国，主要工业产品单位能耗比先进国家高出家高出30%30%以上以上 目前，我国正面临着重化工业新一轮增长，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，能源翻况，经济发展对能源的依赖度增大
9、，能源翻一番保一番保GDPGDP翻两番的任务艰巨翻两番的任务艰巨3 3、能源利用效率低下，节能任务十分艰巨、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）我国能源面临的矛盾与挑战（续）2022-6-8- 11 - 从环境容量看，二氧化硫为从环境容量看，二氧化硫为16201620万吨万吨，氮氧化，氮氧化物为物为18801880万吨万吨，到，到20202020年，如不采取措施，两年，如不采取措施，两者的排放量将分别达到者的排放量将分别达到40004000万吨万吨和和35003500万吨万吨 我国我国COCO2 2的排放量已成为世界第的排放量已成为世界第2 2位，未来将面位，未来将
10、面临巨大的国际压力临巨大的国际压力4 4、环境污染严重，可持续发展面临较大压力、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）我国能源面临的矛盾与挑战（续）2022-6-8- 12 -我国能源发展战略我国能源发展战略 我国应以保障供应为主线，实施我国应以保障供应为主线，实施“节能优节能优先、供应安全、结构优化、环境友好先、供应安全、结构优化、环境友好”的可持的可持续发展能源战略。远近结合、分阶段部署，争续发展能源战略。远近结合、分阶段部署，争取用三个取用三个1515年，初步实现我国能源可持续发展年，初步实现我国能源可持续发展的目标。的目标。2022-6-8- 13 -第一章
11、、工程热力学基础第一章、工程热力学基础主要内容：主要内容： 工程热力学的任务及基本概念工程热力学的任务及基本概念 热力学第一定律热力学第一定律 理想气体的性质及其主要热力过程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水和水蒸汽的性质及其主要热力过程 热力学第二定律热力学第二定律 蒸汽动力循环分析蒸汽动力循环分析2022-6-8- 14 -工程热力学的任务及基本概念工程热力学的任务及基本概念 工程热力学的主要任务工程热力学的主要任务基本定义基本定义工程热力学的应用及其发展工程热力学的应用及其发展能量转换面临的三个问题能量转换
12、面临的三个问题工程热力学的理论支柱工程热力学的理论支柱 基本概念基本概念热力系热力系工质、工质的状态与状态参数工质、工质的状态与状态参数基本状态参数及其测量基本状态参数及其测量第一章、工程热力学基础第一章、工程热力学基础2022-6-8- 15 -基本定义基本定义 热力发电厂：利用各种热能转换为电能的企业热力发电厂：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：热力发电厂中使用化石燃料的电厂 火电厂中的能量转换：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）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
13、）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）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）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、工程热力学基础第一章、工程热力学基础2022-6-8- 16 -工程热力学的应用及其发展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
14、为核心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工程热力学的研究方法 现象或者经典热力学现象或者经典热力学 统计热力学统计热力学 工程热力学的发展工程热力学的发展 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、工程热力学基础第一章、工程热力学基础2022-6-8- 17 -能量转换面临的三个问题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相互转换间的数量关系 热能
15、与机械能的转换是否存在定量？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？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？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？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）理想气体（空气或者烟气） 实际工质（水和水蒸汽工质）实际工质（水和水蒸汽工质）第一章、工程热力学基础第一章、工程热力学基础2022-6-8- 18
16、-工程热力学的理论支柱工程热力学的理论支柱 热力学第一定律热力学第一定律 热能与机械能相互转换存在守恒关系！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！第一类永动机是不现实的！ 热力学第二定律热力学第二定律 能量的不等价表现为转换方向与限度的差异！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！第二类永动机是不现实的！ 工质的热力学性质工质的热力学性质 理想气体的状态方程与典型热力过程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、工程热力学基础第一章、工程热力学基础2022-6-8- 19 -
17、热力系热力系 热力系的定义热力系的定义 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；可以固定亦可涨缩其边界可真实可虚构；可以固定亦可涨缩 热力系的种类热力系的种类 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、工程热力学基础第一章、工程热力学基础2022-6
18、-8- 20 -工质、工质的状态与状态参数工质、工质的状态与状态参数 工质的定义工质的定义 工质是参与热功转换的媒介物质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热功转换完成后工质本身并无变化 工质的状态工质的状态 工质在某瞬间的物理特性工质在某瞬间的物理特性 工质的状态参数工质的状态参数 描述状态的物理量定义为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状态参数与与达到该状态的路径无关 基本状态参数基本状态参数 物理意义明确且易于测量的状态参数物理意义明确且易于测量的状态参数第一章、工程热力学基础第一章、工程热力学基础2022-6-8- 21 -
19、温度及其测量温度及其测量 基本定义基本定义 表示物体冷热程度的物理量表示物体冷热程度的物理量 单位单位 绝对温度绝对温度T是是SI单位制的基本单位，单位为单位制的基本单位，单位为K 摄氏温度摄氏温度t 是日常计量单位，单位为是日常计量单位，单位为 上述温度的相互关系为：上述温度的相互关系为： Tt273.15 温度测量温度测量 利用物体的物理或者化学性质与温度相关性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、辐射式温度计半导体温度计、辐射式温度计第一章、工程热力学基础第一章、工程热力学基础2022-6-8-
20、 22 -压力及其测量压力及其测量 基本定义基本定义 单位面积上受到的垂直作用力单位面积上受到的垂直作用力 单位单位 压力用符号压力用符号p 表示；基本单位为表示；基本单位为N/m2；符号符号Pa 单位液柱高：单位液柱高：1mmHg=133.322 (Pa) 工程大气压：工程大气压：1kgf/cm2=9.8067 104 (Pa) 压力测量压力测量 压阻式、压磁式、压电式与力平衡式压力计压阻式、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：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：当绝对
21、压力低于大气压力时：p=pb- pv第一章、工程热力学基础第一章、工程热力学基础2022-6-8- 23 -热力学第一定律热力学第一定律 热力学第一定律表达式热力学第一定律表达式 内能、功量和热量内能、功量和热量第一章、工程热力学基础第一章、工程热力学基础2022-6-8- 24 -热力学第一定律表达式热力学第一定律表达式 本质本质 是能量转换与守恒定律在工程热力学中的应用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没有一种机器可以不消耗能量而连续作功 表述表述 热功可以相互转换，而且在数量上守恒热功可以相互转换，而且在数量上守恒 封闭系热力学第一定律的数学表
22、达式封闭系热力学第一定律的数学表达式 能量平衡：能量平衡：Q-AW=E2-E1 式中：式中：Q为热量；为热量；W为功量；为功量；EEk+Epu 对于封闭热力系：对于封闭热力系：Q-AW=u2-u1 对单位工质微小变化：对单位工质微小变化：dq=du+pdv第一章、工程热力学基础第一章、工程热力学基础2022-6-8- 25 -内能、功量和热量内能、功量和热量 内能内能 各种微观能量的总和为内能，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其中内动能与温度有关而内势能取决与比容 功与压容图功与压容图 微分功量为：微分功量为：dw=pdv 压力是作功的推动力；比容变化是作功的
23、标志压力是作功的推动力；比容变化是作功的标志 热与温熵图热与温熵图 微分热量为：微分热量为：dq=Tds由此定义：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、工程热力学基础第一章、工程热力学基础2022-6-8- 26 -理想气体的性质及其主要热力过程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性质 理想气体的其他状态参数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容过程 理想气体的定压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
24、定温过程 理想气体的定熵过程理想气体的定熵过程 理想气体的多变过程理想气体的多变过程第一章、工程热力学基础第一章、工程热力学基础2022-6-8- 27 -理想气体的性质理想气体的性质 理想气体的定义与意义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（基本状态参数之间的关系） 状态方程：状态方程：pv=RT (R为气体常数为气体常数) 对同种气体，无论在什么状态，对同种气体，无论在什么状态，R恒为常数恒为常数 通用气体常数通用气体常
25、数 同温同压下，不同气体的比容不同，故同温同压下，不同气体的比容不同，故R不同不同 根据阿付加德罗定律，摩尔质量的容积相等根据阿付加德罗定律，摩尔质量的容积相等 通用气体常数：通用气体常数：RmR103 8.3143 (分子量分子量)第一章、工程热力学基础第一章、工程热力学基础2022-6-8- 28 -理想气体的其他状态参数理想气体的其他状态参数 气体比热气体比热 定义气体比热：定义气体比热：c=dq/dT 据此有：据此有：dqcdT 种类、单位、过程和温度区间是影响种类、单位、过程和温度区间是影响c的因素的因素 理想气体内能（用第一定律分析定容过程）理想气体内能（用第一定律分析定容过程）
26、第一定律：第一定律：dqv=cvdT=du 则：则：du=cvdT 理想气体比焓（用第一定律分析定压过程）理想气体比焓（用第一定律分析定压过程） 第一定律：第一定律：dqp=cPdT=dh 则：则：dh=cpdT 理想气体比熵理想气体比熵 熵定义：熵定义：ds=dq/T=(du+pdv)/T=(cvdT+pdv)/T第一章、工程热力学基础第一章、工程热力学基础2022-6-8- 29 -理想气体的定容过程理想气体的定容过程 定容过程方程：定容过程方程：vconst 状态方程：状态方程：p/T=R/v=const 过程膨胀功：过程膨胀功：dw=pdv=0 过程吸热量：过程吸热量：dq=du+pd
27、v=du=cvdT 熵增：熵增：ds=cvdT/T 在温熵图上为对数曲线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、工程热力学基础第一章、工程热力学基础2022-6-8- 30 -理想气体的定压过程理想气体的定压过程 定压过程方程：定压过程方程：pconst 状态方程：状态方程：v/T=R/p=const 过程膨胀功：过程膨胀功：dw=pdv w=p(v2-v1) 过程吸热量：过程吸热量：dq=cpdT 熵增：熵增：ds=cpdT/T 在温熵图上为对数曲线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定压过程在压容图上垂直于压力坐
28、标轴第一章、工程热力学基础第一章、工程热力学基础2022-6-8- 31 -理想气体的定温过程理想气体的定温过程 定温过程方程：定温过程方程：Tconst 状态方程：状态方程：pv=RT=const 过程膨胀功：过程膨胀功：dw=pdv=RTdv/v 内能内能du=cvdT=0；比焓比焓dh=cpdT=0 过程吸热量：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定温过程在压容图上为双曲线第一章、工程热力学基础第一章、工程热力学基础2022-6-8- 32 -理想气体的定熵过程理想气体的定熵过
29、程 定熵过程方程：定熵过程方程：pvkconst (k为绝热指数为绝热指数) 状态方程：状态方程：pv=RT 过程膨胀功：过程膨胀功：dw=pdv=(p2v2-p1v1)/(1-k)= 内能内能du=cvdT；比焓比焓dh=cpdT 过程吸热量：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、工程热力学基础第一章、工程热力学基础2022-6-8- 33 -定熵过程方程的推导定熵过程方程的推导 由焓的定义：由焓的定义：h=u+pv 即即dh=du+pdv+vdp 第
30、一定律为：第一定律为：dq=du+pdv=dh-vdp 绝热过程中：绝热过程中：dq0 由上式得：由上式得：cvdT=-pdv以及以及cpdT=vdp 两式相除：两式相除：cp/cv=k=-vdp/pdv 分离变量得：分离变量得：dp/p=-kdv/v 两边积分整理得：两边积分整理得：pvk=const第一章、工程热力学基础第一章、工程热力学基础2022-6-8- 34 -理想气体的多变过程理想气体的多变过程 定熵过程方程：定熵过程方程：pvnconst (n为多变指数为多变指数) 状态方程：状态方程：pv=RT 过程膨胀功：过程膨胀功：dw=pdv=(p2v2-p1v1)/(1-n)= 内能
31、内能du=cvdT；比焓比焓dh=cpdT 过程吸热量：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温熵图上为一簇曲线 多变过程在压容图上也为一簇曲线多变过程在压容图上也为一簇曲线第一章、工程热力学基础第一章、工程热力学基础2022-6-8- 35 -稳定流动能量方程稳定流动能量方程 流动热力系流动热力系 系统储能的变化系统储能的变化 维持系统流动的推动功维持系统流动的推动功 系统进出能量（热量与功量）系统进出能量（热量与功量） 稳定流动能量方程稳定流动能量方程第一章、工程热力学基础第一章、工程热力学基础2022-6-8- 36 -流动热力
32、系流动热力系第一章、工程热力学基础第一章、工程热力学基础2022-6-8- 37 -热力系内工质储能变化热力系内工质储能变化 热力系内工质储能为热力系内工质储能为EEkEPU 进口处单位工质储能进口处单位工质储能e1ek1ep1+u1 宏观动能：宏观动能：ek1(c1)2 /2 宏观势能：宏观势能：ep1g(z1) 进口处单位工质储能进口处单位工质储能e2ek2ep2+u2 宏观动能：宏观动能：ek2(c2)2 /2 宏观势能：宏观势能：ep2g(z2) 储能变化：储能变化：e ek ep u第一章、工程热力学基础第一章、工程热力学基础2022-6-8- 38 -维持系统流动的推动功维持系统流
33、动的推动功 流动系的特点流动系的特点 包含工质进出（与外界有物质交换）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需要额外消耗推动功 工质进出系统的推动功工质进出系统的推动功 工质进入系统，外界作功工质进入系统，外界作功p1v1，克服流动阻力克服流动阻力 工质离开系统，系统作功工质离开系统，系统作功p2v2，克服流动阻力克服流动阻力 维持流动系统付出的推动功维持流动系统付出的推动功 出口与进口的耗功差出口与进口的耗功差(pv) p2v2 p1v1第一章、工程热力学基础第一章、工程热力学基础2022-6-8- 39 -系统进出能量（热量与功量）系统进出能量（热量与
34、功量） 进出系统的热量进出系统的热量 系统与外界交换的热量为系统与外界交换的热量为Q 加入系统的热量为正，反之为负加入系统的热量为正，反之为负 进出系统的功量进出系统的功量 在流动系中的功量称为轴功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，反之为负系统对外作功为正，反之为负第一章、工程热力学基础第一章、工程热力学基础2022-6-8- 40 -稳定流动能量方程稳定流动能量方程 流动系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：稳定流动方程：qewi(pv) 稳定流动能量方程的意义稳定流动能量方程的意义 对稳定
35、流动系中的工质加热，产生以下效果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改变工质的储能 可以转化为轴功输出可以转化为轴功输出 可以获得工质流动的推动功可以获得工质流动的推动功第一章、工程热力学基础第一章、工程热力学基础2022-6-8- 41 -稳定流动能量方程分析稳定流动能量方程分析 状态参数焓状态参数焓 技术功技术功 技术功的意义技术功的意义 技术功的表达式技术功的表达式 膨胀功膨胀功 稳定流动能量方程的第二种微分表达式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膨胀功与技术功的关系第一章、工程热力学基础第一章、工程热力学基础2022-6-8- 42 -状
36、态参数焓状态参数焓 状态参数焓的定义状态参数焓的定义 焓定义为：焓定义为：hupv 焓的微分表达：焓的微分表达：dhdupdvvdp 状态参数焓的意义状态参数焓的意义 焓定义为内能与推动功之和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单位质量的焓为比焓第一章、工程热力学基础第一章、工程热力学基础2022-6-8- 43 -技术功技术功 技术功的意义技术功的意义 定义技术功是宏观动能、宏观势能与轴功和定义技术功是宏观动能、宏观势能与轴功和 是稳定流
37、动能量方程中与机械功相关的能量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是流动系输出的技术上可利用的能量 技术功的表达式技术功的表达式 定义式：定义式：wt(c2)/2gzwi 由稳定流动能量方程：由稳定流动能量方程：wtqu(pv) 技术功以压力变化为标志：技术功以压力变化为标志：wt v p第一章、工程热力学基础第一章、工程热力学基础2022-6-8- 44 -膨胀功膨胀功 膨胀功的意义与特点膨胀功的意义与特点 膨胀功是封闭系输出的功量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由热能直接转换，无其他能量形式变化 膨胀功
38、是热能转换为机械能的根本途径膨胀功是热能转换为机械能的根本途径 膨胀功的表达式膨胀功的表达式 定义式：定义式：wpdv 由封闭系的能量方程：由封闭系的能量方程： wqu第一章、工程热力学基础第一章、工程热力学基础2022-6-8- 45 -能量平衡的第二微分表达式能量平衡的第二微分表达式 稳定流动能量方程稳定流动能量方程 原型：原型：q(c2) /2gzu(pv)wi 变形：变形：qu (c2) /2gz(pv)wi 代入：代入：qu pv （第一微分表达式）第一微分表达式） 整理：整理：wt(c2) /2gzwiv p 转化：转化：q(upv) wt hvp 结论：结论：dqdhvdp （第
39、二微分表达式）第二微分表达式） 源自热能的机械能恒等于膨胀功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、工程热力学基础第一章、工程热力学基础2022-6-8- 46 -膨胀功与技术功的关系膨胀功与技术功的关系 相同点相同点 技术功是流动系的作功形式，但源自膨胀功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，具有相同单位是热力系对外输出的机械能，具有相同单位 相异点相异点 膨胀功对应封闭系，技术功对应流动系膨胀功对应封闭系，技术功对应流动系 数值不等数值不等 膨胀功是膨胀功是pv图中压力曲线与比容轴间面积图
40、中压力曲线与比容轴间面积 技术功是技术功是pv图中压力曲线与压力轴间面积图中压力曲线与压力轴间面积 形式不同形式不同 膨胀功是工质热能直接转化为机械能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、工程热力学基础第一章、工程热力学基础2022-6-8- 47 -水蒸汽的性质及其主要热力过程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的定压形成及相图 水蒸汽性质图表及其应用水蒸汽性质图表及其应用 水蒸汽性质的数值计算水蒸汽性质的数值计算 水蒸汽的典型热力过程水蒸汽的典型热力过程第一章、工程热力学基
41、础第一章、工程热力学基础2022-6-8- 48 -水蒸汽的定压形成及相图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定压形成过程 水蒸汽的状态变化水蒸汽的状态变化 水蒸汽的相图水蒸汽的相图 水蒸汽相图的分析水蒸汽相图的分析第一章、工程热力学基础第一章、工程热力学基础2022-6-8- 49 -水蒸汽的定压形成水蒸汽的定压形成第一章、工程热力学基础第一章、工程热力学基础2022-6-8- 50 -水和水蒸汽的状态变化水和水蒸汽的状态变化 未饱和水未饱和水(a1)状态状态 未饱和水受热后，温度升高，比容略增未饱和水受热后，温度升高，比容略增 饱和水饱和水(a)湿蒸汽湿蒸汽(ax)与饱和汽
42、与饱和汽(a”)状态状态 当温度升高至饱和温度，水始沸腾，为饱和水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，为饱和汽继续加热使水全变为汽，温度不变，为饱和汽 过热蒸汽过热蒸汽(a2)状态状态 饱和蒸汽受热后，温度升高，比容增加饱和蒸汽受热后，温度升高，比容增加第一章、工程热力学基础第一章、工程热力学基础2022-6-8- 51 -水蒸汽的相图水蒸汽的相图第一章、工程热力学基础第一章、工程热力学基础2022-6-8- 52 -水蒸汽相图的分析水蒸汽相图的分析 相图中的一点相图中的一点
43、 临界点（临界点（CR） 相图中的两线相图中的两线 饱和水线（饱和水线（x0）与饱和汽线（与饱和汽线（x1） 相图中的三区相图中的三区 （未饱和）水区、饱和区、（过热）汽区（未饱和）水区、饱和区、（过热）汽区 水蒸汽的五态水蒸汽的五态 未饱和水、饱和水、湿蒸汽、饱和汽、过热汽未饱和水、饱和水、湿蒸汽、饱和汽、过热汽第一章、工程热力学基础第一章、工程热力学基础2022-6-8- 53 -水蒸汽性质图表及其应用水蒸汽性质图表及其应用 水蒸汽性质图表简介水蒸汽性质图表简介 水蒸汽图表应用（一）水蒸汽图表应用（一） 水蒸汽图表应用（二）水蒸汽图表应用（二）第一章、工程热力学基础第一章、工程热力学基础2
44、022-6-8- 54 -水蒸汽性质图表简介水蒸汽性质图表简介 使用水蒸汽图表的目的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 湿蒸汽的性质湿蒸汽的性质 使
45、用包含湿度在内的两个独立参数使用包含湿度在内的两个独立参数第一章、工程热力学基础第一章、工程热力学基础2022-6-8- 55 -水蒸汽图表应用（一）水蒸汽图表应用（一） 未饱和水与过热蒸汽的状态参数未饱和水与过热蒸汽的状态参数 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水与饱和汽的状态参数 饱和压力与温度：饱和压力与温度：psf(ts)；tsf(ps) 饱和水（压力）：饱和水（压力）：hf(ps); sf(ps); vf(ps); 饱和汽（压力）：饱和汽（压力）：h”f(ps); s”f(ps);v”f(ps); 饱和水（温度）：饱和水（
46、温度）：hf( ts); sf( ts); vf( ts); 饱和汽（温度）：饱和汽（温度）：h”f( ts); s”f( ts);v”f( ts);第一章、工程热力学基础第一章、工程热力学基础2022-6-8- 56 -水蒸汽图表应用（二）水蒸汽图表应用（二） 湿蒸汽的干度湿蒸汽的干度 干度的定义：干度的定义： X 饱和蒸汽质量饱和蒸汽质量/总质量总质量 湿蒸汽的状态参数湿蒸汽的状态参数 湿蒸汽焓：湿蒸汽焓：hxhX(h”h)； 湿蒸汽熵：湿蒸汽熵：sxs X (s”s)； 湿蒸汽比容：湿蒸汽比容： vxv X (v”v)； 已知压力已知压力p与焓与焓hx，求湿蒸汽熵求湿蒸汽熵sx 由压力由
47、压力p，查表计算查表计算h、h”、s和和s” 计算干度：计算干度： X （hxh）/（h”h） 计算湿蒸汽熵：计算湿蒸汽熵：sxs X (s”s)第一章、工程热力学基础第一章、工程热力学基础2022-6-8- 57 -水蒸汽的性质及其主要热力过程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的定压形成及相图 水蒸汽性质图表及其应用水蒸汽性质图表及其应用 水蒸汽性质的数值计算水蒸汽性质的数值计算 水蒸汽的典型热力过程水蒸汽的典型热力过程第一章、工程热力学基础第一章、工程热力学基础2022-6-8- 58 -水蒸汽性质的数值计算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
48、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根据骨架表实验数据整理计算模型 数值计算的发展历史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、工程热力学基础第一章、工程热力学基础2022-6-8- 59 -算法模型与通用计算算法
49、模型与通用计算 拟合模型拟合模型 根据骨架表数据，拟合公式供分析使用根据骨架表数据，拟合公式供分析使用 典型的全苏热工所模型，哈汽厂模型等典型的全苏热工所模型，哈汽厂模型等 标准模型标准模型 国际公式化委员会国际公式化委员会IFC67模型模型 国际水和水蒸汽性质协会国际水和水蒸汽性质协会IAPWS模型模型 通用计算通用计算 实现多变量组合的通用实现多变量组合的通用 实现跨区域计算的通用实现跨区域计算的通用第一章、工程热力学基础第一章、工程热力学基础2022-6-8- 60 -水蒸汽的典型热力过程水蒸汽的典型热力过程 定压流动换热过程定压流动换热过程 绝热流动作功过程绝热流动作功过程 通过喷嘴的
50、绝热流动通过喷嘴的绝热流动 绝热节流过程绝热节流过程第一章、工程热力学基础第一章、工程热力学基础2022-6-8- 61 -定压流动换热过程定压流动换热过程 过程特点过程特点 轴功：轴功：wi0 动能：动能：ek 0 势能：势能：ep 0 能量平衡能量平衡 方程：方程：qhh2h1 意义意义 加热可使工质焓升高加热可使工质焓升高 使用焓升可计算热量使用焓升可计算热量 此式适于各换热设备此式适于各换热设备第一章、工程热力学基础第一章、工程热力学基础2022-6-8- 62 -绝热流动作功过程绝热流动作功过程 过程特点过程特点 热量：热量：q 0 动能：动能：ek 0 势能：势能：ep 0 能量平
