Video 0-2 热能转换装置工作过程简介在线视频

刚才我们说 热能的90%要转换成机械能

那么把热能转换成机械能的设备就叫做热机

我们这个小节就来关注这些热机的工作过程的简介

首先我们来看一下热机的种类

以及各类热机的能源利用率

我们列在这儿

首先是蒸汽动力装置

它主要是用在发电领域 比如说火力发电 还有核能发电

它利用的循环都是蒸汽动力装置

它的能源利用率是多少 大概是40%

也就是说

消耗一份的热量 它发出来的电是40%

第二类是燃气轮机装置

主要是我们的航空发动机 以及燃气轮机电站

它的能源利用率大概是20%到30%

第三类是我们的内燃机

各种车辆以及轮船发动机 它都是内燃机

它的能源利用率是25%到35% 大概是这样

最后一个 制冷空调 它不是热机

它是我们热机动力循环的反循环

热机是动力循环 而我们的空调 它是一个逆循环

它的工作原理与热机是完全类似的 但是它不是热机

它的能源利用率是多少

是200%以上 为什么会是这样 我们后面会讲

下面我们就来结合一些图片来看一下各类热机的特点

从工程热力学的角度看它有什么特点

首先是元宝山火电厂的照片

从外观你只能看出来 最左侧的是它的冷却塔

冷却塔冒出来的是水蒸气 是白雾 不是烟 是水蒸气

然后细高的是烟囱 它冒出来的是烟

接下来是这个建筑物 是蒸汽轮机 主体在房间里 外面是看不见的

然后再往右侧 它是电网的电线杆

往外输电的 这是我们从外观看到的东西

这个是大亚湾核电站刚才有说过

它是利用核裂变 变成热能 然后变成机械能的

这个是陕西韩城电厂的一个大型坑口电站

讲到工程热力学 什么是坑口电站 你应该有所了解

所谓的坑口 就是建在煤矿附近的电站叫做坑口电站

离着煤矿很近 叫做坑口电站

这个是我们火电厂蒸汽动力循环的一个示意图

看上去很复杂 它还不是一个实际的图

实际上比这还要复杂

我们能看见的是什么 我们从发电的循环来看

首先是煤 提供化学能 热能的

通过传输带 送到磨煤机里面

然后在磨煤机里磨成煤粉

然后再送到我们的锅炉里面进行燃烧 释放热量

这个时候在锅炉的壁面上有很多管子 管子里面有水

这个水就吸收了煤燃烧释放的热量 水变成水蒸气

然后到汽轮机里面进行膨胀 做功

做功 带动发电机发电 输到电网上

然后这做了功的水蒸气

它到凝汽器里被冷却

冷却成水 然后到水泵里

被水泵又打到锅炉里 到锅炉里再吸热

变成水蒸气 然后到汽轮机里膨胀做功

然后再到凝汽器里被冷却 然后再到水泵里去

然后再到锅炉里 周而复始的吸热 膨胀 做功

回到原态 这是它的整个过程的描述

我们把刚才那个很复杂的图给简化

从工程热力学的角度 我们简化成这样的一个示意图

蒸汽动力循环 锅炉

煤燃烧 水在里面吸收热量 水变成了蒸气

然后到我们的汽轮机里进行膨胀做功

然后到凝汽器里被冷却成水

然后再到水泵里 从水泵又升压 又到锅炉里

吸热 周而复始的 吸热 膨胀做功

我们从工程热力学的角度对它进行分析 看它有什么特点

首先 它有热源有冷源

热源在什么地方 在锅炉

在锅炉里吸热

冷源在凝汽器 在凝汽器里面放热

有热源 有冷源

然后是什么 有工质 工质是什么

是水和水蒸气

在水泵里是水 在锅炉里变成了水蒸气

水蒸气到汽轮机里进行膨胀做功 还是水蒸气 压力降低了

然后到凝汽器里被冷凝 变成了水

也就是说这个工质在循环过程中有两个状态

一个水 一个蒸气 总之它需要工质的

然后还有什么特点 它要膨胀做功

在汽轮机里要膨胀做功的 这是它的第三个特点

最后一个特点 它是一个循环

这个循环由哪些过程组成

主要有四个 一个是升压 在水泵里

第二个是加热 或者说吸收热量 在什么地方 在锅炉里面

第三个 膨胀做功 在什么地方 汽轮机里面

最后一个 是放热 在什么地方

凝汽器里面

这就是蒸汽动力循环从热力学角度分析的四个特点

我们来看一下 这是一个航空发动机

空气从左侧（我们照片上）进入我们的压气机里面

在里面进行升压 然后到燃烧室里

跟油一起进行燃烧 实际上是吸收热量

然后到我们高压透平进行膨胀做功

然后再到低压透平进一步进行膨胀做功

然后排到航空发动机的外侧

这面空气不断进来 升压吸热膨胀做功 出去 然后这边再进来吸热 膨胀做功 出去

这是我们燃气发电厂的一个剖面图

过程跟刚才完全类似的

空气进到压气机里面进行升压

然后到燃烧室里跟油一起燃烧 吸收热量

然后到汽轮机里进行膨胀 做功

然后排出去 然后再进来 再升压 再吸热 再膨胀做功 再出去

我们还是画一个简单的示意图来看一下

这个燃气动力循环的组成有压气机 有燃烧室 还有燃气轮机

然后我们来看一下它的特点

对于它而言 从我们热力学角度而言 它也是

有刚才类似的特点 首先有热源 有冷源 热源在什么地方

燃烧室 吸收热量

冷源 冷源在哪

实际上

在燃气轮机里膨胀做功之后的废气要排到大气中去

这边 新的空气又进来

这个过程就是一个向大气放热的过程 所以说这个冷源就是大气

所以它也有冷源 也有热源 然后还有工质 工质是什么

是以空气为主的燃气

然后第三个特点是什么 膨胀做功

在燃气轮机里进行膨胀做功

最后一个特点是什么 循环 这跟刚才完全类似

循环 而且这循环是有顺序的

首先是升压 在压气机里 然后

加热 在燃烧室里面 然后 膨胀做功

在什么地方 在燃气轮机里

最后一个是放热 在哪儿 向大气放热

所以这个跟刚才的特点是完全类似的

我们再来看一下内燃机的

这个照片是一个单缸的汽油发动机的一个剖面图

然后这个是沃尔沃汽车的一个发动机的照片

我们看这个不太好分析 我们来画一个示意图来进行分析

首先内燃机 刚才说的那个都是内燃机

沃尔沃汽车 或者说单缸的汽油机 都是内燃机 我们来看一下

左侧的进气阀

首先是吸气过程

进气阀打开活塞向下移动空气就进来

空气和油一起 对于汽油机而言一起就进来了

然后进行压缩 活塞向上移动

工质被压缩

然后这个时候开始点火

工质就要燃烧 空气和油一起进行燃烧

燃烧的话就要膨胀做功 推动活塞向下移动

接下来干什么

把气排出去 活塞再向上移动 排气阀打开 气体就出去了

这就是我们内燃机工作装置的一个示意图

它要吸气 压缩 然后膨胀 然后排气

我们对它也进行刚才类似的分析

它跟刚才那两类热机的特点是完全类似的

它也有热源 有冷源 热源是什么

就是内燃机里面的燃烧

冷源 向大气放热

工质 以空气为主的燃气

然后也有膨胀做功

也有循环 循环也是加压 加热 膨胀做功 放热

同样的 四个特点

我们再来看最后一个热力设备 它不是热机

是我们的制冷空调 它的工作特点

这是它的照片 有压缩机 有冷凝器 有节流阀 还有蒸发器

工质的工作过程简单叙述一下

蒸发器出来的

是制冷剂的蒸气 在压缩机里被升压升温

变成了过热的蒸气 然后到凝汽器里面

被冷却 变成了过冷的液体

然后到节流阀 经过绝热节流 压力降低

变成了两相流 然后到蒸发器里 吸收热量 又变成了蒸气

这样周而复始的

对于空调 夏天制冷的话 蒸发器是在屋里的要吸热 所以可以制冷

我们来看一下他的工作特点 跟刚才完全类似 也是有热源有冷源也有工质

但第三个特点是不一样的 刚才的动力循环是要膨胀做功

而对于这个制冷空调 它是要外界对它做功

压缩机输入功

然后它也是循环 循环的顺序是加压放热膨胀吸热

这是我们的制冷空调

从工程热力学的角度来分析 它的特点是这样的

我们把热力装置 包括热机

前面的三类 还有我们的制冷空调

放在一起看一下他们的共同特点

有什么 有热源 有冷源 有工质

还有容积变化功

对于动力循环来说 是膨胀做功

对于制冷空调来说 是外界要对它进行做功的

最后一个它们一定是循环的

我们对动力循环画一个简图

然后给出它的评价指标 这个简图也很形象

上面是高温热源 也叫做热源

下面是低温热源 也可以叫做冷源

中间是一个热机

这个热机从热源吸收热量

然后膨胀做功 然后剩下那份不能做功的热量放给冷源

这就是我们动力循环的一个示意图

对它来进行评价 好还是坏 用什么来进行评价

用我们的热效率 所谓的热效率 就是收益比上代价

动力循环的收益是什么

做了多少功

所以它的收益是W

是功 净功

代价 是你从高温热源吸收了多少热量

所以说对于动力设备 它的热效率是输出的净功比上从高温热源吸收的热量

讲了这些之后 我们想给大家出几个思考题

你可以来思考一下 以目前你掌握的内容可能不能完全回答这些问题

你带着这些问题来学习这门课岂不更有意思吗 我们来看一下

为什么永动机不能实现 什么叫永动机

而且永动机是两类 为什么永动机不能实现 这是一个问题

第二个 我们刚才说了

不管是动力循环 还是制冷循环 它为什么要有冷源和热源

特别是对于动力循环 我不放热可不可以 我吸收的热量全部输出功可不可以

为什么

这是我们第二个问题

第三个问题 我们刚才也说了 火力发电的效率一般只有40%左右

它有什么途径可以提高它的效率

而提高的极限又在什么地方

现在你可能回答不了这个问题 带着这个问题来学习这门课

最后一个 热能是通过什么介质转换成机械能的 这个你可能可以回答