《热能转换原理》课件

热能转换原理欢迎来到《热能转换原理》课程本课程将带您深入探索热能转换的基本理论与应用技术，从基础热力学定律到现代能源转换系统我们将系统学习能量如何在不同形式之间转换，特别关注热能向其他能源形式的转变过程，如热-功转换、热-电转换等随着全球能源危机和环境问题日益严峻，理解并优化热能转换过程对于开发高效、清洁的能源系统至关重要本课程旨在培养学生分析和解决实际热能工程问题的能力，为未来能源领域的创新奠定坚实基础课程简介课程背景1《热能转换原理》是能源与动力工程专业的核心课程，融合了热力学、流体力学和传热学等学科知识，为研究各类热能装置的工作原理与设计方法提供理论基础课程内容2课程共十章，涵盖热能基础知识、热力学定律、各种热能转换循环和系统、可再生能源利用以及新兴热能转换技术等内容，旨在建立完整的热能转换知识体系应用领域3本课程的应用领域广泛，包括发电厂、内燃机、制冷空调、太阳能利用和生物质能转换等多个工业和民用方向，是现代能源工程师的必备知识学习目标创新应用1能提出热能系统改进方案系统分析2掌握热能系统性能评估方法原理应用3能应用原理解决实际问题原理掌握4理解热能转换的基本规律基础知识5掌握热力学基础概念通过《热能转换原理》的学习，学生将建立热能转换的系统性认知，能够分析各类热能设备的工作原理和性能特点在此基础上，培养学生应用热力学定律和原理解决工程问题的能力，为后续专业课程和工程实践奠定坚实基础第一章热能概述1热能的本质2热能的特点3热能的研究意义热能是物质分子热运动的能量形式热能具有普遍性、方向性和品位特研究热能转换对提高能源利用效率，与物质微观粒子的运动状态直接性热能的转换遵循热力学定律，、减少环境污染和促进可持续发展相关它是能量的基本形式之一，总是从高温向低温自发传递，且在具有重要意义随着全球能源需求可以通过各种方式转化为其他能量转换过程中不可避免地产生损失增加和环境问题加剧，高效热能转形式换技术日益受到重视热能的定义物理学定义热力学定义从物理学角度看，热能是由物质热力学将热能定义为在温度差的微观粒子无规则运动所具有的动驱动下，可以从一个系统传递到能总和，是一种与温度直接相关另一个系统的能量它是系统内的能量形式热能的大小取决于部能量的一部分，可以通过传热物体的温度和质量方式进行交换工程定义在工程领域，热能常被视为可以进行转换和利用的能源形式，是许多能源系统的重要输入或输出工程师关注热能的收集、储存、传递和转换过程热能的形式感热潜热化学能感热是与物质温度变化直接相关的热能潜热是物质在发生相变过程中吸收或释化学能是储存在物质化学键中的热能形，不引起物质状态变化当物质获得感放的热能，如冰融化为水时吸收的融化式，通过化学反应释放燃料燃烧过程热时，其温度升高；失去感热时，温度潜热，水蒸发为蒸汽时吸收的汽化潜热中释放的热能即是化学能转化的结果降低感热的大小取决于物质的质量、在相变过程中，虽然系统吸收或释放这是最常见的热能获取方式之一，广泛比热容和温度变化热量，但温度保持不变应用于发电和工业生产中热能在自然界中的分布太阳能地热能海洋热能生物质能其他热源太阳是地球最主要的热能来源，通过辐射方式向地球传递能量太阳辐射能维持着地球表面的温度，推动全球大气和海洋环流，是几乎所有可再生能源的直接或间接来源地热能源自地球内部，主要来自地核放射性元素衰变释放的热量海洋作为巨大的热能储存库，吸收并储存了大量太阳辐射能生物质能则是通过光合作用将太阳能转化为化学能的形式存储在植物体内热能的重要性工业生产民用生活生态环境热能在工业生产中具有热能是民用生活的必需热能循环是维持地球生不可替代的作用，几乎能源，用于家庭供暖、态系统平衡的关键因素所有工业过程都需要使热水供应、烹饪和各种全球气候模式、海洋用热能，如金属冶炼、家用电器随着生活水环流和大气对流都受热石油炼制、食品加工等平提高，人们对热能的能分布影响了解热能高效的热能利用系统需求质量和数量都在不在自然环境中的流动规是现代工业的基础，直断增长，推动热能利用律，对预测和应对气候接影响生产效率和成本技术的持续创新变化具有重要意义控制第二章热力学基础热力学系统热力学系统是研究热力学问题的基本对象，是与周围环境有明确边界的物质集合根据与环境的相互作用方式，可分为开放系统、封闭系统和孤立系统状态参数状态参数是描述热力学系统状态的物理量，包括压力、温度、密度、内能等状态参数之间存在函数关系，通过状态方程联系在一起，如理想气体状态方程PV=nRT热力学过程热力学过程是系统从一个状态变化到另一个状态的路径根据特性可分为等温过程、绝热过程、等压过程、等容过程等热力学过程的分析是理解能量转换效率的关键热力学平衡热力学平衡是系统达到稳定状态，各宏观参数不再随时间变化的状态包括热平衡、力学平衡和相平衡系统总是自发向平衡状态演变，这是热力学第二定律的本质体现热力学第一定律能量守恒数学表达1热力学第一定律是能量守恒定律在热学中的表2ΔU=Q-W述普适性4物理含义3适用于所有热力学过程系统内能变化等于吸收的热量减去对外做功热力学第一定律是研究热能转换的基础，它揭示了热能与功的等价关系，确立了热能作为能量形式的地位根据这一定律，能量不会凭空产生或消失，只会从一种形式转变为另一种形式，或从一个系统转移到另一个系统该定律的另一种表述形式是对于任何循环过程，系统从环境中吸收的热量等于系统对环境所做的功这为热机工作原理提供了理论基础，使我们能够定量分析各种热能转换装置的能量流动和转换效率热力学第二定律克劳修斯表述1热量不能自发地从低温物体传递到高温物体开尔文-普朗克表述2不可能构造一种循环工作的热机，从单一热源吸热并完全转化为功卡诺原理3所有可逆热机效率相等，且大于不可逆热机热力学第二定律比第一定律更深刻，它不仅规定了能量转换的可能性，还确立了能量转换的方向性它引入了熵这一关键概念，指出在孤立系统中，熵总是趋于增加，过程的不可逆性是自然界的普遍规律从工程角度看，第二定律揭示了热能转换的极限，表明热能不可能完全转化为功，必然存在能量损失这就是为什么所有热机都存在效率上限，这促使工程师们不断寻求提高热能转换效率的创新方法热力学第三定律1基本表述2不可达性原理当温度接近绝对零度时，所有通过有限次操作，不可能使任完美晶体的熵趋于零这意味何系统冷却到绝对零度这表着在绝对零度，系统处于完全明绝对零度只是一个理论极限有序状态，微观粒子的热运动，在实际工程中无法完全达到几乎完全停止，熵值达到最小，但可以无限接近3工程意义第三定律为低温工程提供了理论基础，明确了制冷过程的基本限制，对超导体、量子计算等依赖极低温环境的技术研发具有重要指导意义热力学第三定律是热力学理论体系的重要组成部分，它与前两个定律共同构成了研究热能现象和热能转换的完整理论框架了解这一定律，有助于我们更深入理解物质的低温行为和能量转换的极限条件热力学性质性质类型定义符号单位基本性质描述系统基本状态的参数P,V,T Pa,m³,K热力学能量与系统能量相关的状态函数U,H,G,A J,kJ熵描述系统无序度的状态函数S J/K物性参数物质特性相关的参数Cp,Cv,α,βJ/kg·K,1/K热力学性质是描述物质热力学行为的基本参数，可分为广度性质与系统大小有关和强度性质与系统大小无关内能U、焓H、吉布斯自由能G和亥姆霍兹自由能A是四个重要的热力学势函数，用于预测系统的平衡状态和自发变化方向这些性质之间存在着特定的数学关系，通过麦克斯韦关系式等热力学基本方程联系起来掌握这些性质及其关系，是分析复杂热力系统和优化热能转换过程的基础熵的概念熵的定义熵是表征系统无序程度的状态函数，由克劳修斯提出对于可逆过程，熵变等于传递的热量除以绝对温度dS=δQ/T熵是热力学第二定律的核心概念熵增原理在孤立系统中，自发过程总是朝着熵增加的方向进行，系统熵的总变化必然大于或等于零这一原理决定了自然过程的方向性熵与能量品位熵可用于表征能量的品位低熵能源如电能具有高品位，可以高效转化为其他形式；高熵能源如低温废热品位低，利用难度大从统计力学角度看，熵与系统可能的微观状态数量直接相关，表示为S=k·lnW，其中k是玻尔兹曼常数，W是系统可能存在的微观状态数这一关系将宏观热力学与微观统计物理紧密连接，为我们理解热现象提供了更深层次的视角第三章热能转换的基本原理能量转换过程热力循环效率优化热能转换是能量从热能形式转变为其他能热力循环是热能装置实现连续能量转换的提高热能转换效率是热能工程的核心任务量形式的过程，包括热-功转换、热-电转关键，通过工质的状态变化完成能量转换，可通过改善循环设计、减少不可逆损失换等多种方式每种转换过程都遵循热力根据不同的工作介质和状态变化路径，、提高热源温度或降低冷源温度等多种方学定律，存在特定的效率限制形成了多种特定的热力循环式实现能量守恒定律能量守恒定律是热能转换原理的基础，它指出能量不能被创造或销毁，只能在不同形式之间转换对于热能系统，总输入能量等于总输出能量加上系统储存的能量变化量这一原理可表述为方程式Ein=Eout+ΔEstored在工程应用中，能量守恒原理用于建立热能系统的能量平衡方程，是系统分析的起点通过追踪能量流动路径，可以识别系统中的能量损失环节，为系统优化提供依据能量平衡分析常结合热力学第一定律和质量守恒原理一起应用能量转换效率100%理想效率在完全可逆过程中的理论最大效率，实际系统永远无法达到30-45%火电效率现代燃煤发电厂的热能转换效率范围60%联合循环燃气-蒸汽联合循环电站可达到的最高效率10-20%太阳能效率常规太阳能热发电系统的典型效率水平能量转换效率是评价热能系统性能的关键指标，定义为有用能量输出与能量输入之比工程中常用的效率指标包括热效率、等熵效率、机械效率等，它们从不同角度反映系统性能提高能量转换效率对节约能源和减少环境污染具有重要意义根据热力学第二定律，热能转换效率存在卡诺效率这一理论上限η≤1-Tc/Th，其中Tc和Th分别是冷热源温度这表明提高热源温度或降低冷源温度是提高效率的基本途径可逆过程和不可逆过程可逆过程的特征不可逆性的来源可逆过程是一种理想化的过程，系统可以沿着完全相同的路径返实际热力过程都是不可逆的，主要不可逆性来源包括热传导、回初始状态，且不在环境中留下任何变化可逆过程的特征包括流体流动摩擦、自由膨胀、化学反应不完全、混合过程等这些无摩擦、无热传导、无温差传热、准静态变化等不可逆因素导致系统熵增加，降低了能量转换效率可逆过程是热能转换效率的理论基准，实际过程的效率通常通过每种不可逆性都可以通过特定的熵产生量来量化，熵产生越多，与可逆过程效率的比较来评估卡诺循环由四个可逆过程组成，过程的不可逆性越强，能量品位损失越大工程设计中，减少不代表了在给定温度范围内工作的热机的最高可能效率可逆性是提高系统性能的重要手段卡诺循环等温膨胀绝热膨胀工质从高温热源吸收热量，温度保持不工质与外界无热交换，继续膨胀做功，变，体积膨胀在此过程中，热能转化12温度从Th降至Tc此过程为可逆绝热过为功此过程为可逆等温过程，熵变为程，熵保持不变Q/Th等温压缩绝热压缩工质向低温热源放出热量，温度保持不工质与外界无热交换，被压缩，温度从43变，体积减小在此过程中，外界对工Tc升至Th，回到初始状态此过程为可质做功此过程为可逆等温过程，熵变逆绝热过程，熵保持不变为-Q/Tc卡诺循环是由法国工程师萨迪·卡诺提出的理想热力循环，由两个等温过程和两个绝热过程组成它是所有在相同温度限制下工作的热力循环中效率最高的循环，其效率取决于高、低温热源的温度η=1-Tc/Th理想气体循环奥托循环狄塞尔循环奥托循环是火花点火发动机的理论基狄塞尔循环是压燃式发动机的理论基础，包括等熵压缩、等容加热、等熵础，包括等熵压缩、等压加热、等熵膨胀和等容冷却四个过程其理论热膨胀和等容冷却四个过程与奥托循效率取决于压缩比η=1-1/rᵏ⁻¹，环相比，狄塞尔循环在相同压缩比下其中r为压缩比，k为比热比热效率较低，但允许更高的压缩比布雷顿循环布雷顿循环是燃气轮机和喷气发动机的基本循环，由等熵压缩、等压加热、等熵膨胀和等压冷却组成其效率受压力比和温度限制影响，是开式循环的典型代表理想气体循环是热能转换系统分析的基础模型，采用理想气体作为工质，通过简化的热力学过程描述能量转换装置的工作原理实际系统会因流体摩擦、热损失等因素导致效率低于理想循环第四章热功转换-基本原理热-功转换是将热能转化为机械功的过程，是动力装置的核心原理根据热力学第二定律，热能无法完全转化为功，必然有部分热能被排放到低温热源转换方式主要转换方式包括容积式（如往复式发动机）、动力式（如汽轮机、燃气轮机）和直接转换（如热电偶、热电子发电）等不同转换方式适用于不同的应用场景和能源类型效率影响因素热-功转换效率受多种因素影响，包括热源温度、冷源温度、工质性质、循环类型、机械损失等提高效率的关键是减少各环节的不可逆损失，优化系统设计应用领域热-功转换广泛应用于发电、交通运输、机械驱动等领域根据能源类型和应用需求，形成了多种特定的热-功转换系统，如火电站、内燃机、燃气轮机等蒸汽动力循环工作介质1蒸汽动力循环以水作为工质，利用水的相变过程实现热能转换水在常压下沸点低、潜热大、化学性质稳定、来源丰富，是理想的工质选择基本组件2一个完整的蒸汽动力系统包括锅炉（或蒸汽发生器）、汽轮机、冷凝器和给水泵四个主要组件，分别完成加热、膨胀做功、冷凝和压缩四个过程循环特点3蒸汽循环的特点是利用水的相变过程，在汽化过程中吸收大量热能，在膨胀过程中释放能量做功其效率受锅炉温度、冷凝器温度和各组件效率影响应用领域4蒸汽动力循环是火力发电、核电和太阳能热发电的基础，也广泛应用于船舶推进和工业驱动根据不同热源和应用需求，发展出多种改进型循环朗肯循环熵值kJ/kg·K温度°C朗肯循环是最常用的蒸汽动力循环，由苏格兰工程师威廉·朗肯提出基本朗肯循环包括四个主要过程给水泵等熵压缩、锅炉等压加热（包括预热、蒸发和过热）、汽轮机等熵膨胀和冷凝器等压冷凝朗肯循环的性能通常用热效率ηth、功率输出和背压来评价影响循环效率的主要因素包括蒸汽温度和压力、冷凝温度、泵和汽轮机的等熵效率等提高蒸汽初温和初压，降低冷凝温度，都可以提高循环效率再热循环基本原理目的1将工质部分膨胀后重新加热提高平均热源温度并减少湿度2应用范围效率提升43广泛用于大型火电和核电站比基本朗肯循环提高3-5%再热循环是朗肯循环的一种改进形式，旨在解决两个问题一是提高循环的热效率，二是减少汽轮机末级叶片的水滴侵蚀在再热循环中，蒸汽在高压汽轮机膨胀后返回锅炉重新加热，然后进入中、低压汽轮机继续膨胀做功再热可以提高循环的平均吸热温度，从而提高热效率同时，由于蒸汽在进入低压部分前被再次加热，可以显著减少排气湿度，降低汽轮机叶片的水滴侵蚀风险现代大型电站通常采用一次或两次再热循环，蒸汽参数可达600°C以上、30MPa以上再生循环基本原理1利用部分膨胀蒸汽预热给水实现方式2采用闭式或开式给水加热器热力效益3提高给水平均温度，减少不可逆损失再生循环是另一种重要的朗肯循环改进方式，通过从汽轮机抽取部分膨胀蒸汽来预热锅炉给水，提高循环效率这种设计使得给水在进入锅炉前温度更高，减少了锅炉中的不可逆热传递，更接近理想的卡诺循环再生循环通常采用多级给水加热器，包括低压加热器、除氧器和高压加热器每个加热器从汽轮机不同阶段抽取蒸汽，形成阶梯式的给水加热系统根据抽汽与给水的接触方式，给水加热器可分为闭式管壳式换热器和开式直接混合式两种现代火电站通常采用7-9级给水加热，可提高循环效率约10%联合循环系统构成关键设备性能优势联合循环发电系统由上循环（通常是布雷余热锅炉（HRSG）是联合循环的核心设联合循环发电效率可达60%以上，远高于顿循环）和下循环（通常是朗肯循环）组备，负责回收燃气轮机排出的高温烟气热常规火电厂的35-40%同时具有启动迅速成上循环的排热作为下循环的热源，实量，产生蒸汽驱动汽轮机余热锅炉设计、负荷调节灵活、环境友好等优点，是近现能量的梯级利用，提高整体能源利用效影响系统的整体性能和经济性年来发展最快的发电技术之一率第五章内燃机原理内燃机是将燃料的化学能直接在机器内部转化为机械能的热力装置，是现代交通和动力系统的核心根据工作方式，内燃机可分为往复式（如汽油机、柴油机）和回转式（如旺克尔转子发动机）；根据工作循环，可分为四冲程和二冲程发动机内燃机的工作过程包括进气（或吸气）、压缩、燃烧（做功）和排气四个基本过程与外燃机相比，内燃机具有热效率高、启动迅速、结构紧凑等优点，但也面临排放控制、燃料适应性等挑战随着环保要求提高和能源多元化发展，内燃机技术不断创新，朝着高效、清洁、智能的方向发展往复式内燃机基本结构工作循环往复式内燃机由气缸、活塞、连杆、曲轴、气门系统、燃料供给根据完成一个工作循环所需的活塞行程数，内燃机分为四冲程和系统和点火系统等组成活塞在气缸内做往复运动，通过连杆和二冲程两种四冲程发动机需要活塞四个行程（进气、压缩、做曲轴将直线运动转化为旋转运动，输出动力功、排气）完成一个循环；二冲程仅需两个行程完成相同工作现代内燃机通常采用多气缸设计，可以分为直列式、V型、水平对置和W型等多种布局形式，以满足不同的空间限制和性能要求四冲程发动机结构复杂但效率高、排放低，是现代汽车和发电设备的主流；二冲程结构简单、功率密度高，但排放较高，主要用于小型设备和特殊用途奥托循环等熵压缩过程1活塞从下止点向上止点运动，压缩气缸内的混合气体此过程无热交换（绝热），气体温度和压力升高压缩比通常为8-12，是影响发动机效率的关键参数等容加热过程2活塞接近上止点位置，混合气被火花塞点燃，发生迅速燃烧此过程近似为等容过程，压力和温度急剧升高，可达2500℃和6MPa以上等熵膨胀过程3高温高压气体推动活塞向下运动做功此过程近似为绝热膨胀，气体内能转化为机械能，是奥托循环的有效功输出阶段等容冷却过程4活塞达到下止点，排气阀打开，废气排出此过程压力急剧下降，完成循环实际发动机中还包括进气和排气过程，构成完整的四冲程工作循环柴油循环工作原理柴油循环是由德国工程师鲁道夫·狄塞尔发明的热力循环，是压燃式发动机的理论基础不同于奥托循环，柴油循环在压缩过程中只压缩空气，然后在压缩终了时将燃料喷入气缸，依靠高温空气自燃循环过程柴油循环包括四个主要过程等熵压缩、等压加热（燃料燃烧）、等熵膨胀和等容排热其特点是燃烧过程在近似等压条件下进行，这与奥托循环的等容燃烧不同效率特点柴油循环的热效率由压缩比和截止比共同决定与奥托循环相比，在相同压缩比下柴油循环效率较低，但柴油机可以使用更高的压缩比（通常为14-22），因此实际效率常高于汽油机应用优势柴油机具有燃油经济性好、扭矩大、耐久性强等优点，广泛应用于卡车、工程机械、船舶、发电机组等领域现代柴油机通过高压共轨、电控喷射等技术，显著改善了排放和性能燃气轮机循环布雷顿循环实际循环偏差燃气轮机工作基于布雷顿循环，实际燃气轮机循环与理想布雷顿包括等熵压缩、等压加热、等熵循环存在差异，主要来自压气机膨胀和等压冷却四个过程理想和涡轮的不可逆损失、燃烧室压布雷顿循环的热效率取决于压力力损失和热损失等这些偏差导比η=1-1/rk-1/k，其中r为致实际效率低于理论值，需要通压力比，k为比热比过等熵效率等参数加以修正性能改进技术提高燃气轮机性能的主要技术包括提高涡轮入口温度（使用高温材料和先进冷却技术）、增加压气机压力比、采用多轴设计、引入再生、中间冷却和再热等复杂循环形式喷气发动机基本原理喷气发动机是利用反作用原理产生推力的热力装置，通过加速气流产生反向推力根据牛顿第三定律，气流后喷产生的反作用力推动飞行器前进主要类型现代喷气发动机主要包括涡喷、涡扇、涡轴、涡桨和冲压发动机等类型其中涡扇发动机因兼具良好的推力性能和燃油经济性，成为现代商用和军用飞机的主流动力装置工作过程以涡扇发动机为例，其工作过程包括进气、压缩、燃烧、涡轮膨胀和尾喷五个主要阶段其中核心机部分（压气机、燃烧室、涡轮）基于布雷顿循环，而风扇部分提供额外的推力和效率提升第六章制冷与热泵原理1制冷与供热2性能系数制冷循环是将热量从低温热源制冷系统性能用制冷系数转移到高温热源的过程，需要COPR表示，定义为制冷量输入外部功同一循环系统可与输入功的比值；热泵性能用以用于制冷或供热，当关注低供热系数COPH表示，定义温侧的冷却效果时称为制冷机为供热量与输入功的比值理，当关注高温侧的加热效果时论上，COPH=COPR+1称为热泵3理论基础制冷循环的理论基础是热力学第二定律，热量不能自发地从低温物体传到高温物体，必须借助外界功的输入逆卡诺循环是理想制冷循环，实际制冷循环如蒸气压缩循环、吸收式循环等是其工程实现逆卡诺循环等温压缩绝热压缩1在高温T1下吸收热量温度从T2升至T12绝热膨胀等温膨胀43温度从T1降至T2在低温T2下放出热量逆卡诺循环是理想制冷循环，由两个等温过程和两个绝热过程组成，与卡诺循环方向相反在逆卡诺循环中，工质从低温热源吸收热量，在外界做功的条件下，将热量传递给高温热源逆卡诺循环的制冷系数为COPR=TL/TH-TL，供热系数为COPH=TH/TH-TL，其中TH和TL分别是高温热源和低温热源的绝对温度逆卡诺循环效率是所有在相同温度范围内工作的制冷循环中最高的，是评价实际制冷循环性能的标准蒸气压缩制冷循环熵kJ/kg·K温度°C蒸气压缩制冷循环是最常用的制冷循环，包括四个基本过程压缩机绝热压缩、冷凝器等压冷凝、节流阀绝热节流和蒸发器等压蒸发其工作原理是利用制冷剂的相变过程传递热量，在蒸发器中吸收热量，在冷凝器中释放热量影响循环性能的主要因素包括制冷剂选择、蒸发温度、冷凝温度、压缩比和各组件效率提高蒸发温度或降低冷凝温度都可以提高制冷系数实际循环中常采用过冷和过热设计，以提高系统性能并保护压缩机现代制冷系统还采用多级压缩、闪蒸、再热等改进措施，进一步提高能效。