绪论一、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Ø煤炭产量13.8亿吨,居世界第1位Ø原油1.67亿吨,居世界第5位Ø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位二、世界能源发展趋势:•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•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)三、未来我国能源需求预测:•2020年,我国一次能源需求值在25~33亿吨标煤之间,均值是29亿吨标煤Ø煤炭:21~29亿吨Ø石油:4.5~6.1亿吨Ø天然气:1400~1600亿立方米Ø发电装机容量:8.6~9.5亿千瓦,其中水电2.0~2.4亿千瓦•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50亿吨标煤四、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2、能源安全,尤其是石油安全问题凸现•到2020年,我国石油消费量将为4.5~6.1亿吨,届时国内石油产量为1.8~2.0亿吨,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3、能源利用效率低下,节能任务十分艰巨•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4、环境污染严重,可持续发展面临较大压力•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五、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第一章、工程热力学基础一、工程热力学的任务及基本概念(一)工程热力学的主要任务1、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2、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3、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)4、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(二)基本概念1、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2、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(三)基本状态参数及其测量1、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: T=t+273.15·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2、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=9.8067 104 (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二、热力学第一定律(一)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;E=E k+E p+u–对于封闭热力系:Q-AW=u2-u1–对单位工质微小变化:dq=du+pdv(二)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=p3dv;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=T3ds 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三、理想气体的性质及其主要热力过程(一)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):p3v=R3T (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:Rm=m3R3103 =8.3143 (m分子量)(二)理想气体的其他状态参数·气体比热:定义:c=dq/dT 据此有:dq=c3dT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:dq v=c v dT=du 则:du=c v dT·理想气体比焓(用第一定律分析定压过程)第一定律:dq p=c P dT=dh 则:dh=c p dT·理想气体比熵:熵定义:ds=dq/T=(du+pdv)/T=(c v dT+pdv)/T(三)理想气体的定容过程 •定容过程方程:v =const •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 (五)理想气体的定温过程 •定温过程方程:T =const •状态方程:p 3v=R 3T=const •过程膨胀功:dw=pdv=R 3T 3dv/v •内能du=cvdT=0;比焓dh=cpdT=0 •过程吸热量:dq=du+pdv=dw=R 3T 3dv/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 ★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:dq =0•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 (四)理想气体的定压过程 •定压过程方程:p =const •状态方程:v/T=R/p=const•过程膨胀功:dw=pdv w=p 3(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 六)理想气体的定熵过程•定熵过程方程:pvk =const (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 (七)理想气体的多变过程•定熵过程方程:pvn =const (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 3(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四、稳定流动能量方程及其分析 (一)稳定流动能量方程 1、流动热力系2、热力系内工质储能变化•热力系内工质储能为E =Ek +EP +U•进口处单位工质储能e1=ek1+ep1+u1 –宏观动能:ek1=(c1)2 /2–宏观势能:ep1=g3(z1)•进口处单位工质储能e2=ek2+ep2+u2 –宏观动能:ek2=(c2)2 /2–宏观势能:ep2=g3(z2)•储能变化:△e = △ek + △ep + △u 3、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-p1v14、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5、稳定流动能量方程•流动系稳定流动能量方程: q=△e+wi+△(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(二)稳定流动能量方程分析1、状态参数焓•状态参数焓的定义:h=u+pv;焓的微分表达:dh=du+pdv+vdp•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2、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)/2+g△z+wi–由稳定流动能量方程:wt=q-△u-△(pv)–技术功以压力变化为标志:wt =-v △p3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:w=∫pdv–由封闭系的能量方程: w=q-△u4、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:–原型:q=△(c2) /2+g△z+△u+△(pv)+wi–变形:q-△u =△(c2) /2+g△z+△(pv)+wi–代入:q-△u= p△v (第一微分表达式)–整理:wt=△(c2) /2+g△z+wi=-v △p–转化:q=△(u+pv) + wt =△h-v△p–结论:dq=dh-vdp (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5、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:(1)膨胀功对应封闭系,技术功对应流动系;(2)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(3)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,再转为轴的机械能五、水蒸汽的性质及其主要热力过程(一)水蒸汽的定压形成及相图1、水蒸汽的定压形成过程(课本图1-13,27页)2、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3、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(x=0)与饱和汽线(x=1)•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(二)水蒸汽性质图表及其应用1、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2、水蒸汽图表应用(一)•未饱和水与过热蒸汽的状态参数: h=f(p,t);s=f(p,t);v=f(p,t)•饱和水与饱和汽的状态参数:–饱和压力与温度:ps=f(ts);ts=f(ps)–饱和水(压力):h’=f(ps); s’=f(ps); v’=f(ps);–饱和汽(压力):h”=f(ps); s”=f(ps);v”=f(ps);–饱和水(温度):h’=f( ts); s’=f( ts); v’=f( ts);–饱和汽(温度):h”=f( ts); s”=f( ts);v”=f( ts);3、水蒸汽图表应用(二)•湿蒸汽的干度:X =饱和蒸汽质量/总质量•湿蒸汽的状态参数:–湿蒸汽焓:hx=h’+X×(h”-h’);–湿蒸汽熵:sx=s’+ X ×(s”-s’);–湿蒸汽比容: vx=v’+ 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 =(hx-h’)/(h”-h’)–计算湿蒸汽熵:sx=s’+ X ×(s”-s’)(三)水蒸汽的性质及其主要热力过程1、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2、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(四)水蒸汽的典型热力过程1、定压流动换热过程•过程特点:–轴功:wi=0–动能:ek ≈0–势能:ep ≈0•能量平衡:–方程:q=△h=h2-h1•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2、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:wi=h1-h2•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3、通过喷嘴的绝热流动•过程特点:–热量:q =0–轴功:wi=0–势能:ep =0•能量平衡方程:ek =h1-h2•意义:–工质热能可变为动能–使用焓降可计算速度4、热节流过程•过程特点:–热量:q =0–轴功:wi=0–动能:ek=0–势能:ep=0•能量平衡方程: h1=h2•意义:–绝热过程中焓值相等六、热力学第二定律(一)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(二)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(三)卡诺循环过程P—V图T—S图(四)卡诺循环效率•卡诺循环的能量平衡:–微分表达:dq=dh-vdp –循环积分:qb-qc=wn=wt-wp•循环效率:–定义:ηt=wn / qb=1- qc / qb•卡诺循环效率:–循环吸热量:qb=Tb△s –循环放热量:qc=Tc△s–循环热效率:ηt=1- qc / qb=1-Tc / Tb(五)卡诺循环效率的分析1、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2、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(六)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•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七、蒸汽动力循环分析(一)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(二)朗肯循环过程(三)朗肯循环效率•朗肯循环的能量平衡:qb-qc=wn=wt-wp•循环效率:ηt=wn / qb=1-qc / qb•朗肯循环效率:–单位工质循环吸热量:qb=h0-h3;–单位工质循环放热量:qc=h1-h2 –单位工质循环净功量:wn=(h0-h1)-(h3-h2);–循环效率:ηt=1-qc / qb=f(p0,t0,pc)0.381137 0.373329 0.365905 (h0-hct)/(h0-hwc) effi kJ/kg163.3742 163.3742 163.3742 wat(ts(pc),pc,1) hwc 0.8733570.855044 0.83553 phx(pc,hct) xc kJ/kg 2267.501 2223.383 2176.367 h0-hht*eff_ri hct kJ/kg1295.864 1227.217 1161.6 hht(p0,t0,pc) hht kJ/kg3563.365 3450.599 3337.967 ste(t0,p0,1) h0 kPa 7 7 7 排汽压力 已知 pc ℃550 500 450 主汽温度 已知 t0 MPa 3.5 3.5 3.5 主汽压力 已知p00.4209560.413846 0.365905 (h0-hct)/(h0-hwc) effi kJ/kg163.3742 163.3742 163.3742 wat(ts(pc),pc,1) hwc0.711338 0.737474 0.83553 phx(pc,hct) xc kJ/k g 1877.159 1940.127 2176.367 h0-hht*eff_ri hct kJ/k g1245.892 1254.453 1161.6 hht(p0,t0,pc) hht kJ/k g3123.051 3194.581 3337.967 ste(t0,p0,1) h0 kPa 7 7 7 排汽压力 已知 pc ℃450 450 450 主汽温度 已知 t0 MPa 17 13 3.5 主汽压力 已知p0 (四)朗肯循环效率的分析 1、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:wp =h3-h2=v ×(p3-p2)≈0 –循环净功:wn =wt -wp ≈wt =h0-h12、单位工质循环吸放热量:·循环吸热量:qb =h0-h3≈h0-h2; ·循环放热量:qc =h1-h2·循环效率分析:因为:h0=f(p0,t0);h1=f(p0,t0,pc);h2=f(pc);所以:ηt =f (p0,t0,pc )(五)提高火电机组经济性的途径1、 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2、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0.37540.3703080.365905(h0-hct)/(h0-hw c)effikJ/k g137.7707 151.5005 163.3742 wat(ts(pc),pc,1) hwc0.824666 0.830499 0.83553 phx(pc,hct) xc kJ/k g2136.613 2157.994 2176.367 h0-hht*eff_ri hct kJ/k g 1201.355 1179.973 1161.6 hht(p0,t0,pc) hht kJ/k g 3337.967 3337.967 3337.967 ste(t0,p0,1) h0 kPa 567排汽压力 已知 pc ℃ 450 450 450 主汽温度 已知 t0 MPa 3.5 3.5 3.5 主汽压力 已知 p0 3、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 4、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。