《发电厂动力设备》教案1文档格式.docx
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(结合实际事例说明电能在国民经济中的作用和地位)
二、电力生产的特点及基本要求
1.安全可靠
2.力求经济
3.保证电能质量
4.控制污染,保护环境
三、电厂的类型
(一)按使用的能源分
1.火力发电厂
化学能转换成电能
2.水力发电厂(图0-1)
水能转换成电能
3.原子能发电厂(图0-2)
原子能转换成电能
4.生物发电厂
生物质能转换成电能
5.抽水蓄能电厂
多余电能转换成水势能再转换成电能
6.风力发电厂(图0-3)
风能转换成电能
7.太阳能发电厂(图0-4)
太阳能转换成电能
8.地热发电厂(图0-5)
地热能转换成电能
(二)按输出能源分类
1.发电厂
2.热电厂
(三)按供电范围分类
1.区域性电厂
2.孤立发电厂
3.自备发电厂
(四)按发电厂总装机容量的多少分类
1.小容量发电厂(100MW以下)
2.中容量发电厂(100~250MW)
3.大中容量电厂(250~600MW)
4.大容量发电厂(250~600MW)
5.特大容量电厂(1000MW以上)
四、火力发电厂基本生产过程
煤、石油、天然气作为燃料(化学能)在锅炉设备中燃烧和传热转换成水蒸气(热能)通过汽轮机(机械能)发电机(电能)
(凝汽式火力发电厂生产过程示意图如图0-6所示)
五、本课程的主要内容
第一篇《基础知识》部分将对热能转换成机械能的规律、条件、方法等进行较全面的阐述,从理论高度上来认识火力发电厂。
第二篇《锅炉设备》和第三篇《汽轮机设备》部分对燃料的化学能转换成蒸汽的热能和蒸汽的热能转换成机械能的原理、系统、设备等进行较具体的介绍,以便从理论和实际的结合上,进一步加深对火力发电厂的认识。
发电厂动力设备2007年至2008年第2学期第2次课
第一章工质及其热力状态
1、了解工质及其热力状态的基本概念
2、理解工质的热力状态及基本状态参数
3、理解理想气体的状态方程
1、工质的热力状态及基本状态参数
2、平衡状态及气体的状态方程
1、先了解基本概念
2、介绍热力状态及基本状态参数
3、介绍什么是平衡状态及状态方程
讲述、图示、举例;
2008年2月26日
第一篇基础知识
包括工程力学、传热学、流体力学等内容。
工程力学主要研究热能和机械能之间的转换规律及方法;
传热学主要研究由于温差引起的热能传递规律;
流体力学主要研究流体的机械运动规律。
第一章工质及其热力状态
1.1基本概念
热能转换成机械能的设备统称为热机。
汽轮机、蒸汽机、燃气轮机等都属于热机。
热机中用来实现热能转换成机械能的工作介质称为工质。
对工质的要求:
1、有良好的膨胀性与流动性
2、价廉、易得、热力性能稳定、不腐蚀设备、无毒等
所以气态物质最适宜作工质,目前火力发电厂主要以水蒸气为工
质。
理想气体不考虑气体分子的体积和气体分子之间的相互作用力,凡不符合这两个条件的气体都称为实际气体。
锅炉中产生的水蒸气,由于离液态较近,只能作为实际气体来处理。
在工程力学中,常把能不断地供给热能的物体称为高温热源,简称热源。
热源特点:
热容量无限大,不因向工质传热而降低温度。
(温度恒定)
接收工质排除剩余热能的物体称为低温热源,简称冷源。
(温度恒定不变)
热能动力装置工作过程:
工质从高温热源吸收热能,将其中一部分转化为机械能,并把余下的一部分传给低温热源。
按照系统与外界进行物质交换的情况,系统可分为:
(1)封闭热力系统
(2)开口热力系统
按照系统与外界进行能量交换的情况,又可定义:
(1)绝热热力系统
(2)孤立热力系统
1.2工质的热力状态及基本状态参数
在热力学中,常用的状态参数有6个:
温度、压力、比体积、热力学能、焓、熵。
其中,温度、压力、比体积是工质的基本状态参数,
热力学能、焓、熵是导出的状态参数。
一、温度
温度是标志物体冷热程度的一个物理量。
处于热平衡的物体具有相同的温度,温度的数值表示方法称为温标。
摄氏温标规定在1标准大气压下纯水的冰点温度为0度,沸点的温度为100度,国际单位制采用绝对温标为基本温标。
两种温标之间的关系为t=T-273.15,在热力计算时,通常取t=T-273。
从微观角度分析,物体的冷热程度取决于物体内部微粒运动的状况。
按分子运动理论,气体的绝对温度与气体分子的平均动能成正比。
气体分子平均动能越大,物体的温度就越高。
所以,温度标志着物体内部分子无规则热运动的强烈程度。
二、压力
(一)压力的单位
在国际单位中,压力的单位为帕斯卡,简称帕(Pa),1Pa=1N/m2。
压力的大小也可以用液柱高度表示,常用的有mmHg和mmH2O。
1mmHg=133.3Pa
1mmH2O=9.81Pa
(二)大气压力
空气层由于其自身的重量而对地面上的物体产生压力,这个压力
称为大气压力,简称大气压。
物理学中,将纬度45o海平面上的常年平
均气压定作“标准大气压”,或称为“物理大气压”,用atm表示。
1atm=760mmHg=1.013×
105Pa=1.033×
104mmH2O
(三)绝对压力、表压力、真空
工质的真实压力称为绝对压力,以p表示。
一般用弹簧管式压力
计(图1-1)和U形管式压力计(图1-2)测量。
测得的是工质的绝对压力和大气压力之间的差值。
只有绝对压力才能作为工质的状态参数,表压力和真空都不是状态参数。
三、密度及比体积
单位质量的工质所占有的体积称为该工质的比体积,用符号“v”表示,单位为m3/kg。
相反,单位体积的工质所具有的质量称为该工质的密度,用符号“ρ”表示,单位为kg/m3。
显然v=1/ρ
1.3平衡状态及气体的状态方程
一、平衡状态
系统内工质各点相同的状态参数均匀一致的状态在热力学上称作“平衡状态”。
描绘状态的各状态参数并不都是独立的,往往都有联系。
例如,在气体的压力、温度、比体积这三个基本状态参数中,三个状态参数之间的内在联系可用数学式表达如下:
f(p,v,T)=0
这样的函数关系称为状态方程式,它们的具体形式取决于工质的性质。
二、理想气体的状态方程式
当理想气体处于平衡状态时,对1kg质量的气体,其状态方程式为
pv=RT
式中:
R为理想气体的气体常数,J/kg·
K。
对mkg质量的气体,其状态方程式为
pV=mRT
气体常数R与状态无关,只决定于气体的性质。
不同的气体,一般具有不同的气体常数。
发电厂动力设备2007年至2008年第2学期第3次课
第二章热力学定律
2.1准平衡过程和可逆过程2.2功和p-v图
1、了解准平衡过程和可逆过程
2、掌握p-v图的运用
1、准平衡过程和平衡过程
2、p-v图
1、先分析准平衡过程及可逆过程
2、通过示例分析p-v图
多媒体课堂教学、举例、图示、黑板板书
2008年3月18日
2.1准平衡过程和可逆过程
一、准平衡过程
工质从一个状态经过一系列的中间状态连续地变化到另一个状态,它所经历的全部过程称为热力过程,简称过程。
工质在热力设备中受到外界的作用,其平衡状态被破坏,因此,热力过程都是不平衡的。
但是倘若这个过程进行得很慢,使外界对工质的作用时间远大于工质从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的时间,即在过程中工质有足够时间来恢复平衡,随时都不致远离平衡状态。
这种由一系列平衡状态所组成的过程称为准平衡过程。
平衡状态在p-v图上可以表示为一个点,那么由一系列平衡状态组成的热力过程在p-v图上就可以表示为一条线。
这种过程可以是直线,也可以是曲线。
只有准平衡过程才能在坐标图上用连续线表示。
建立准平衡过程的概念,其好处是:
1、可以用确定的状态参数变化来描述过程;
2、亦可在参数坐标图上表示过程;
3、可以用状态方程式进行必要的计算;
4、可以计算过程中系统与外界的能量转换。
二、可逆过程
示例分析:
图2-1为一个由工质、热机和热源组成的热力系,活塞通过曲柄连接一个飞轮。
定义:
当一个过程进行完了以后,如果能使工质沿相同的路径逆行回复至原来状态,并使整个系统和外界全部都回复到原来状态而不留下任何改变,这一过程就叫做可逆过程。
反之则为不可逆过程。
实现可逆过程需满足的条件:
1、过程中没有摩擦和温差;
2、过程必定是准平衡过程。
准平衡过程和可逆过程的联系与区别:
共同点:
都是无限缓慢进行的、由无限接近于平衡态所组成的过程;
因此可逆过程和准平衡过程一样,在状态参数坐标图上也可用连续的实线描绘。
区别:
准平衡过程虽是理想化了的过程,但并不排斥过程中的能量损耗,而可逆过程是一个理想化的极限过程。
可逆过程必然是准平衡过程,而准平衡过程只是可逆过程的条件之一。
2.2功和p-v图
系统与外界之间在不平衡势的作用下会发生能量交换。
能量交换的方式有两种——做功和传热。
一、功的定义
功是系统与外界交换能量的一种方式。
力学:
功定义为系统所受的力和沿力作用方向所产生的位移的乘积。
热力学:
系统与外界在边界上发生的一种相互作用,其位移效果
可归结为外界举起了一个重物。
(图2-2所示)
功是系统与外界之间能量传递的一种方式,所以,功不是状态参数,而是过程量。
热力学中规定,系统对外界做功取正值;
外界对系统做功为负值。
1J的功相当于物体在1N力作用下产生1m位移时完成的功量,即
1J=1N·
m
单位质量的工质所做的功称为比功,用ω表示
ω=W/m
单位时间内完成的功称为功率。
单位为W(瓦特)
1W=1J/s
1kW=1kJ/s
二、体积变化功——膨胀功和压缩功
对于由可压缩气体组成的简单系统来说,系统与外界只交换一种形式的功,就是在不平衡压力推动下产生的系统体积膨胀或压缩的功,通常称为膨胀功或压缩功。
工质做功示意图如图2-3所示,工资由状态1经历一个可逆膨胀过程到状态2。
工质所做的微小功为
整个过程中工质所做的功为
对mkg工质,则所做功为
发电厂动力设备2007年至2008年第2学期第4次课
2.3热量、熵和T-s图2.4热力学第一定律
1、了解热量、熵的概念
2、掌握T-s图的运用
3、理解热力学第一定律
热量、熵、T-s图
热力学第一定律
1、介绍热量、熵等一些热力学概念
2、分析热力学第一定律
讲述、图示、举例等
20年月日
2.3热量、熵和T-s图
一、热量
系统与外界之间依靠温差传递的能量称为热量。
热量是系统与外界之间所传递的能量,而不是系统本身所具有的能量,其值并不由系统的状态确定,而是与传热时所经历的过程有关。
因此,热量不是状态参数,而是一个与过程特征有关的过程量。
热力学中规定:
系统吸热时热量为正值,放热时为负值。
二、熵
类比热量和功:
1、两者均为过程量,与系统本身的状态无关;
2、实现可逆过程体积变化功的推动力是压力势差,传热的推动力是温度差,压力与温度均为系统的状态参数;
3、可逆过程体积变化功的标志是比体积的变化量dv,作为可逆过程传热的标志也是某个状态参数的微笑增量,我们把这个新的状态参数叫做熵,以符号s表示。
熵的性质:
ds>
0表示系统吸热,ds<
0表示系统放热,ds=0表示系统与外界无
热量交换。
可逆过程传热量的计算式为:
可得熵的定义式为:
式中,s表示1kg质量的气体的熵,单位是J/kg·
mkg工质的熵用S表示,单位是J/K。
三、T-s图
热力学温度T作为纵坐标,熵s为衡坐标构成T-s图,称为温熵图。
如图2-5所示,图上任何一点都表示一个平衡态。
状态1到2过程中任一状态若产生一个ds的微小变化,则系统与外界交换的微小热量
为图中的微元面积。
因此整个过程,对工质加入的热量为
=过程曲线下的面积
所以T-s图又称为示热图。
熵的变化量可用来标志热力过程有无传热和传热的方向。
2.4热力学第一定律
一、热力学能
工质内部所具有的各种能量统称为热力学能。
对工程热力学所研究的范围,工质的热力学能主要包括分子的内动能和内位能两部分,工质的热力学能决定于它的温度T和比体积v,也就是决定于气体所处的状态,那么热力学能也应该是一个状态参数。
1kg的工质所具有的热力学能用符号u来表示,单位是J/kg。
对mkg的工质的热力学能用符号U表示,单位为J。
对于理想气体,因为不考虑分子之间的吸引力,也就是不考虑分子的内位能,所以它的热力学能就是内动能,因此,理想气体的热力学能u仅仅是温度T的函数。
二、热力学第一定律的实质
当热能与其他形式的能量相互转换时,能的总量保持不变。
对于任何系统,各项能量之间的平衡关系一般表示为:
进入系统的能量—离开系统的能量=系统内部能量的变化
三、闭口系统的热力学第一定律表达式
即
对mkg质量的工质,可相应地得出
在一个热力过程中,工质从外界吸收的热量等于工质热力学能的增量和对外做功之和。
四、开口系统的热力学第一定律表达式
1、稳定流动
工程上,一般热力设备除了启动、停止或加减负荷外,常处在稳定工作的情况下,即开口系统内任何一点的工质,其热力参数及运动参数都不随时间而变,称这种流动过程为稳定流动过程。
稳定流动满足条件:
(1)单位时间内进入热力系统的工质质量与流出热力系统的工质质量不变。
(2)单位时间内加入热力系统的热量及热力系统做出的功都不随时间而变。
2、推动力
开口系统与外界交换的功除了体积变化功外,还有因工质出、入开口系统而传递的功,这种功叫推动力。
推动力是为推动工质流动所必需的功,它常由泵、风机等所供给。
3、焓
热力学能和推动功之和(u+pv)可以理解为由于工质流动而携带的,取决与热力状态参数的能量。
我们把(u+pv)定义为焓,用符号h表示,单位为J/kg,mkg工质的焓用H表示,单位为J,即h=u+pv。
焓也是一个取决于工质状态的状态参数。
特性如下:
(1)任一状态参数的变化量完全取决于过程始点和终点的状态,而与中间经历的过程路线无关。
(2)如果工质从某一状态出发,经过一系列过程又回到初始状态,则状态参数的变化量为零。
4、开口系统的热力学第一定律表达式
5、开口系统的热力学第一定律在工程上的应用
(1)汽轮机
(2)热交换器
(3)水泵和风机
(4)喷管
发电厂动力设备2007年至2008年第2学期第5次课
2.5热力过程2.6热力循环
1、理解几种热力过程的工作原理
2、理解热力循环过程
1、等容过程、等压过程、等温过程和绝热过程
2、热力循环过程
1、首先分析几种热力过程的工作过程
2、介绍热力循环的概念
讲述、分析、图示
2.5热力过程
一、等容过程
在体积保持不变的情况下所进行的热力过程称为等容过程。
1、过程方程式
v=常数
2、过程中的能量转换
由于过程中比体积保持不变,因此体积变化功为零。
根据热力学第一定律可知,在等容过程中,工质与外界所交换的热量只用来改变工质本身的热力学能,并不对外做功。
二、等压过程
在压力不变的情况下进行的热力过程称为等压过程。
p=常数
2、p-v图(如图2-9所示)
3、过程中的能量转换
等压过程中,工质所做的膨胀功w=p(v2-v1)。
根据热力学第一定律表达式可知q=h2-h1,即在等压过程中对工质加入的热量等于工质焓的增量。
三、等温过程
在温度不变的情况下所进行的热力过程称为等温过程。
T=常数
2、T-s图(如图2-10所示)
由于等温,又是理想气体,所以Δu=0,根据热力学第一定律,当对气体加热做等温膨胀时,所加的热量全部用来对外做膨胀功,热力学能不变。
四、绝热过程
在与外界没有热量交换的情况下所进行的热力过程称为绝热过程。
1、过程特点
q=0
2、T-s图(图2-11所示)
绝热过程在T-s图上是一条垂直直线。
可逆的绝热过程是等熵过程,对有损失的、不可逆的绝热过程是熵增加的过程。
2.6热力循环
工质从某一状态经过一系列的状态变化过程,又回到原来状态的全部过程的组合就称为热力循环,简称循环。
如果组成热力循环的各个热力过程都是可逆过程,那么该热力循环为可逆循环,否则为不可逆循环。
对于一个循环来说,由于工质回复到原来的状态,所以整个循环在参数坐标图上表示出来应该是一条封闭的曲线,而且工质的任意一个状态参数的净变化量都等于零。
循环随着效果的不同,可分为正向循环和逆向循环。
如果循环的总效果是将热能转变为机械能,则称为正向循环,各种热机实施的循环都是正向循环,故也称为热机循环。
正向循环产生的净功等于循环中工质对外界所做的膨胀功和外界对工质所做的压缩功的代数和。
这个净功就是可以由外界加以利用的功,所以也称其为有用功,用w0表示。
热机循环变热能为机械能的有效程度称作循环的热效率,它是衡量动力装置经济效益的一种指标,用ηt表示。
热效率ηt愈大,表示循环的经济性愈好。
如果循环中压缩过程所消耗的功大于膨胀过程所做的功,循环的总效果不是产生功,而是消耗外界的功,即将机械能转变为热能,这样的循环称为逆向循环。
逆向循环虽不断消耗机械能,但却不断从低温热源吸热并将其排向高温热源。
逆向循环主要用于制冷机,用机械能使冷藏库或冰箱中的热量排向温度较高的大气,以及用机械能使大气中的热量排向温度较高的室内供暖设备——热泵。
发电厂动力设备2007年至2008年第2学期第6次课
2.7热力学第二定律2.8卡诺循环
1、理解热力学第二定律
2、了解卡诺循环过程
1、热力学第二定律
2、卡诺循环
1、分析热力学第二定律的实质并了解其表述
2、通过分析了解卡诺循环的概念及特性
2.7热力学第二定律
热力学第一定律揭示了热力过程中参与转换与传递的各种能量在数量上是守恒的,揭示热力过程方向、条件与限度的定律是热力学第二定律。
一、自然过程的方向性
一个非自发过程的进行要伴随一个自发的过程来作为补偿。
所以,在没有补偿的条件下,自然界的一切过程只能朝着自发的方向进行,这就是过程的方向性,任何过程都具有这种方向性。
二、热力学第二定律的实质与表述
1、克劳修斯说法
1850年,克劳修斯从热量传递方向性的角度将热力学第二定律表述为:
“热量不可能自发地不付代价地从低温物体传到高温物体。
”反之热从高温物体传至低温物体可以自发地进行,直到两物体达到热平衡为止。
它指出了传热过程的方向、条件及限度。
2、开尔文——普朗克说法
1851年,开尔文和普朗克从热功转换的角度,将热力学第二定律表述为:
“不可能制成一种循环动作的热机,只从一个热源吸收热量,使之完全变为有用功,而其他物体不发生任何变化。
”
2.8卡诺循环
1824年法国工程师卡诺提出了一个循环,它是由两个可逆等温过程与两个可逆绝热过程组成的,称为卡诺循环。
(如图2-13所示)
循环的吸热量为
放热量为
循环的净功为
卡诺循环的热效率为
通过对卡诺循环的分析可得结论:
(1)卡诺循环的热效率取决于高温热源温度T1和低温热源温度T2,与工质的性质无关。
提高T1,降低T2,可提高循环热效率。
(2)卡诺循环的热效率只能小于1
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