熱能與動(dòng)力工程專業(yè)導(dǎo)論-第二講1

熱能與動(dòng)力工程專業(yè)導(dǎo)論

IntroductiontoThermalEnergyandPowerEngineering饒國(guó)燃ransan@163第二講熱能與動(dòng)力工程

學(xué)科介紹本節(jié)課程內(nèi)容能源概況能量的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)主要的動(dòng)力裝置熱能動(dòng)力工程的理論根底學(xué)科概況能源與新能源利用---宋長(zhǎng)華42-1能源含義、分類及歷史演變一、能源的重要性在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、國(guó)防、日常生活中具有重要作用。當(dāng)代社會(huì)最廣泛使用的能源是煤炭、石油、天然氣和水力，特別是石油和天然氣的消耗量增長(zhǎng)迅速，已占全世界能源消費(fèi)總量的60％左右。但是，石油和天然氣的儲(chǔ)量是有限的，許多專家預(yù)言，石油和天然氣資源將在40年、最多50—60年內(nèi)被耗盡，而煤炭資源雖然遠(yuǎn)比石油和天然氣資源豐富，但是直接應(yīng)用煤炭嚴(yán)重污染環(huán)境，因此亟需研究把煤炭轉(zhuǎn)化成為氣體或液體燃料的技術(shù)。將日前的以化石能源為根底的常規(guī)能源系統(tǒng)，逐步過渡到持久的、多樣化的、可以再生的新能源系統(tǒng)。以防止能源危機(jī)的出現(xiàn)。能源與新能源利用---宋長(zhǎng)華5二、能源的含義及其分類1、能源：能夠?yàn)槿祟愄峁┠撤N形式能量〔機(jī)械能、熱能、電能、化學(xué)能等〕的自然資源及其轉(zhuǎn)化物?；蛘哒f是能量的來源稱為能源。如太陽(yáng)能、風(fēng)能、化石燃料、水力等。2、能源的分類：〔1〕按能源的生成方式分：一次能源和二次能源〔2〕按能源在當(dāng)代社會(huì)中的地位分：常規(guī)能源和新能源?！?〕按能否再生分〔對(duì)一次能源〕：可再生和非再生能源?！?〕按其來源分〔對(duì)一次能源〕：來自地球以外天體的能源：太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能、生物質(zhì)能來自地球內(nèi)部的能源：地?zé)崮艿厍蛞黄渌祗w的作用產(chǎn)生的能源：潮汐能能源與新能源利用---宋長(zhǎng)華6三、人類利用能源的歷史演變柴草時(shí)期煤炭時(shí)期石油時(shí)期常規(guī)能源向新能源的過渡能量的形式機(jī)械能熱能電能輻射能化學(xué)能核能_與物體宏觀機(jī)械運(yùn)動(dòng)或空間狀態(tài)相關(guān)的能量。_構(gòu)成物質(zhì)的微觀分子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和勢(shì)能總和稱為熱能。其它的形式能都可以轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋是和電子流動(dòng)與累積有關(guān)的一種能量。_物體以電磁波形式發(fā)射的能量。_物質(zhì)原子核外進(jìn)行化學(xué)變化時(shí)放出的能量。_蘊(yùn)藏在原子核內(nèi)部的物質(zhì)結(jié)構(gòu)能。2-2能量的轉(zhuǎn)換天然氣石油煤核能太陽(yáng)能水能風(fēng)能熱能電能燃燒爐工業(yè)加熱裝置核反響堆熱電直接轉(zhuǎn)換裝置電熱裝置熱機(jī)機(jī)械能發(fā)電機(jī)用戶能量轉(zhuǎn)換及利用圖能量轉(zhuǎn)換過程及轉(zhuǎn)換設(shè)備或系統(tǒng)能源能源形態(tài)轉(zhuǎn)換過程轉(zhuǎn)換機(jī)械或系統(tǒng)石油、煤炭、天然氣等礦物燃料氫和酒精等二次能源化學(xué)能熱能化學(xué)能熱能機(jī)械能化學(xué)能熱能機(jī)械能電能化學(xué)能電能熱能化學(xué)能電能爐子、燃燒器各種熱力發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)、發(fā)電機(jī)，磁流體發(fā)電，EGD發(fā)電（壓電效應(yīng)）熱力發(fā)電，熱電子發(fā)電燃料電池能量轉(zhuǎn)換過程及轉(zhuǎn)換設(shè)備或系統(tǒng)能源能源形態(tài)轉(zhuǎn)換過程轉(zhuǎn)換機(jī)械或系統(tǒng)水力、風(fēng)力、潮汐、海流、波浪太陽(yáng)能機(jī)械能機(jī)械能機(jī)械能機(jī)械能電能光能熱能光能熱能機(jī)械能電能光能熱能電能光能電能光能化學(xué)能光能生物能電磁波電能水車、風(fēng)車。水輪機(jī)——發(fā)電機(jī)，波力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、潮汐發(fā)電、海流發(fā)電熱水器，采暖、制冷、光化學(xué)反應(yīng)，太陽(yáng)灶太陽(yáng)熱發(fā)動(dòng)機(jī)太陽(yáng)熱發(fā)電熱力發(fā)電，熱電子發(fā)電光電池、光化學(xué)電池光化學(xué)反應(yīng)（水分解）光合成能量轉(zhuǎn)換過程及轉(zhuǎn)換設(shè)備或系統(tǒng)能源能源形態(tài)轉(zhuǎn)換過程轉(zhuǎn)換機(jī)械或系統(tǒng)核能核分裂熱能機(jī)械能電能核分裂熱能核分裂熱能電能核分裂電磁能電能核聚變熱能機(jī)械能電能電能光（激光）熱能電能熱能聚變核發(fā)電，磁流體發(fā)電核能煉鋼熱力發(fā)電，熱電子發(fā)電光電池核聚變發(fā)電蒸汽動(dòng)力循環(huán)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)〔1〕蒸汽動(dòng)力循環(huán)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)〔1〕蒸汽動(dòng)力循環(huán)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)〔1〕蒸汽動(dòng)力循環(huán)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)〔1〕鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)凝汽器給水泵蒸汽火力發(fā)電站系統(tǒng)圖1鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)凝汽器給水泵蒸汽火力發(fā)電站系統(tǒng)圖2加熱器再熱器熱交換器汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)凝汽器給水泵蒸汽核電站系統(tǒng)示意圖反響堆循環(huán)泵冷卻劑燃?xì)鈩?dòng)力循環(huán)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)〔2〕燃?xì)鈩?dòng)力循環(huán)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)〔2〕燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)空氣壓氣機(jī)燃燒室燃料排氣燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電示意圖燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)示意圖燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)壓氣機(jī)燃燒室燃料空氣給水泵加熱器凝汽器汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)余熱鍋爐制冷循環(huán)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)〔3〕蒸發(fā)器壓氣機(jī)冷凝器節(jié)流閥蒸汽壓縮式制冷示意圖吸收低溫處的熱量向外界環(huán)境散失熱量M鍋爐主要?jiǎng)恿ρb置〔1〕按用途分類電站鍋爐工業(yè)鍋爐船舶鍋爐機(jī)車鍋爐按蒸汽壓力低壓鍋爐亞臨界鍋爐超臨界鍋爐低于2.5MPa17~18MPa大于22.19MPa按燃料分類燃煤鍋爐燃油鍋爐燃?xì)忮仩t按燃燒方式燃粉鍋爐層燃鍋爐流化床鍋爐鍋爐主要?jiǎng)恿ρb置〔1〕鍋爐主要?jiǎng)恿ρb置〔1〕鍋爐主要?jiǎng)恿ρb置〔1〕鍋爐主要?jiǎng)恿ρb置〔1〕汽輪機(jī)主要?jiǎng)恿ρb置〔2〕汽輪機(jī)主要?jiǎng)恿ρb置〔2〕汽輪機(jī)主要?jiǎng)恿ρb置〔2〕汽輪機(jī)主要?jiǎng)恿ρb置〔2〕泵和風(fēng)機(jī)主要?jiǎng)恿ρb置〔3〕泵和風(fēng)機(jī)主要?jiǎng)恿ρb置〔3〕熱質(zhì)交換設(shè)備主要?jiǎng)恿ρb置〔4〕熱質(zhì)交換設(shè)備主要?jiǎng)恿ρb置〔4〕熱質(zhì)交換設(shè)備主要?jiǎng)恿ρb置〔4〕水輪機(jī)主要?jiǎng)恿ρb置〔5〕內(nèi)燃機(jī)主要?jiǎng)恿ρb置〔6〕蒸發(fā)器和冷凝器主要?jiǎng)恿ρb置〔7〕熱能動(dòng)力工程的理論根底〔1〕工程熱力學(xué)工程熱力學(xué)是熱能動(dòng)力工程專業(yè)的一門骨干專業(yè)根底課;主要研究熱能與機(jī)械能之間相互轉(zhuǎn)換的規(guī)律，和如何科學(xué)地，有效地利用能源，以及實(shí)現(xiàn)將熱能高效地轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的方法;該課程的主要內(nèi)容有熱力學(xué)第一定律，熱力學(xué)第二定律，工質(zhì)熱力性質(zhì)，熱力過程和循環(huán)的分析方法，能量轉(zhuǎn)的技術(shù)等。工程熱力學(xué)內(nèi)容及特點(diǎn)

1工程熱力學(xué)定義

將經(jīng)典熱力學(xué)理論與工程實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的應(yīng)用根底學(xué)科。2任務(wù)研究工程中能量轉(zhuǎn)換的根本規(guī)律以及能量轉(zhuǎn)換與工質(zhì)〔工作物質(zhì)〕性質(zhì)之間的關(guān)系。熱與功轉(zhuǎn)換,數(shù)量上的關(guān)系及熱功轉(zhuǎn)換中的代價(jià)熱與功轉(zhuǎn)換過程對(duì)熱與功轉(zhuǎn)換數(shù)量的影響不同工質(zhì)對(duì)熱與功轉(zhuǎn)換數(shù)量的影響4特點(diǎn)

宏觀性相對(duì)靜止性分散性

3研究的主要問題5

工程熱力學(xué)的學(xué)習(xí)方法

抓住主線理論聯(lián)系實(shí)際重視根本技能訓(xùn)練分析計(jì)算能力、實(shí)驗(yàn)技能認(rèn)真完成作業(yè)熱能動(dòng)力工程的理論根底〔2〕傳熱學(xué)傳熱學(xué)—是研究熱量傳遞規(guī)律的一門學(xué)科，其內(nèi)容包括熱量傳遞的方式、機(jī)理、計(jì)算和測(cè)試等。熱傳導(dǎo)〔導(dǎo)熱〕熱對(duì)流熱輻射2023/12/5501傳熱學(xué)的概念①

研究熱量傳遞規(guī)律的一門科學(xué)具體來講主要有熱量傳遞的機(jī)理、規(guī)律、計(jì)算和測(cè)試方法熱？

熱量？熱能？2023/12/551鉆木取火太陽(yáng)電熱器地?zé)岈F(xiàn)實(shí)生活和生產(chǎn)中存在大量的傳熱問題2023/12/552②熱量傳遞所依據(jù)的根本定律

能量守恒定律：能量有各種形式；各種形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化；能量的總數(shù)是守恒的。

能量貶值原理：熱量可以自發(fā)地從高溫?zé)嵩磦鹘o低溫?zé)嵩?，但不能無代價(jià)地從低溫?zé)嵩磦鹘o高溫?zé)嵩?可見有溫差必有傳熱，溫差是熱量傳遞的驅(qū)動(dòng)力；能量在傳遞的過程中，伴隨著能量品質(zhì)的下降。傳熱學(xué)以能量守恒定律(熱力學(xué)第一定律)和能量貶值原理(熱力學(xué)第二定律)為根底，再結(jié)合一些實(shí)驗(yàn)規(guī)律，以此來研究熱量傳遞的速率，不但要計(jì)算傳遞了多少熱量，還要計(jì)算在多長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)傳遞了這些熱量。2023/12/5532傳熱學(xué)的根本任務(wù)①求解溫度分布②

計(jì)算熱量傳遞的速率熱力學(xué)+傳熱學(xué)=熱科學(xué)(ThermalScience)

系統(tǒng)從一個(gè)平衡態(tài)到另一個(gè)平衡態(tài)的過程中傳遞熱量的多少。

關(guān)心的是熱量傳遞的過程，即熱量傳遞的速率。水，M220oC鐵塊,M1300oC熱力學(xué)：tm,Q傳熱學(xué)2023/12/554大規(guī)模太陽(yáng)能熱氣流綜合發(fā)電2023/12/555熱力學(xué)研究：熱力學(xué)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)換效率1234透平能量損失煙囪能量損失透平溫降（壓降）煙囪溫降（壓降）動(dòng)能損失太陽(yáng)能煙囪電站空氣循環(huán)溫熵圖TS太陽(yáng)能熱氣流能機(jī)械能電能2023/12/556傳熱學(xué)研究：系統(tǒng)內(nèi)的溫度、壓力和速度場(chǎng)2023/12/5573傳熱學(xué)應(yīng)用舉例自然界與生產(chǎn)過程到處存在溫差—傳熱很普遍①日常生活中的例子：為什么水壺的提把要包上橡膠？2023/12/558②特別是在以下技術(shù)領(lǐng)域大量存在傳熱問題：動(dòng)力、化工、制冷、建筑、機(jī)械制造、新能源、微電子、核能、航空航天、微機(jī)電系統(tǒng)〔MEMS〕、新材料、軍事科學(xué)與技術(shù)、生命科學(xué)與生物技術(shù)…2023/12/559航天器發(fā)射2023/12/560坦克與周圍環(huán)境的換熱模擬2023/12/561廚房?jī)?nèi)部氣體傳熱流動(dòng)模擬12342023/12/562辦公室空氣流動(dòng)與傳熱模擬2023/12/563牛與周圍空氣傳熱流動(dòng)模擬熱能動(dòng)力工程的理論根底〔3〕流體力學(xué)流體力學(xué)—是研究流體平衡和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，是力學(xué)的根本原理在液體和氣體中實(shí)際應(yīng)用的一門科學(xué)。主要內(nèi)容包括：流體的物性；流體平衡的條件及平衡時(shí)壓強(qiáng)分布規(guī)律；理想流體和黏性流體運(yùn)動(dòng)的根本方程；管道流動(dòng)分析及管路計(jì)算；繞過物體流動(dòng)及邊界層理論。

流體力學(xué)的研究方法理論分析方法、實(shí)驗(yàn)方法、數(shù)值方法相互配合，互為補(bǔ)充理論研究方法力學(xué)模型→物理根本定律→求解數(shù)學(xué)方程→分析和揭示本質(zhì)和規(guī)律實(shí)驗(yàn)方法相似理論→模型實(shí)驗(yàn)裝置數(shù)值方法計(jì)算機(jī)數(shù)值方法是現(xiàn)代分析手段中開展最快的方法之一1研究?jī)?nèi)容和研究方法流體力學(xué)的研究任務(wù)流體在外力作用下平衡和運(yùn)動(dòng)的規(guī)律

1．高爾夫球：外表光滑還是粗糙？高爾夫球運(yùn)動(dòng)起源于15世紀(jì)的蘇格蘭，當(dāng)時(shí)人們認(rèn)為外表光滑的球飛行阻力小，因此用皮革制球。后來發(fā)現(xiàn)外表有很多劃痕的舊球反而飛得更遠(yuǎn)，這個(gè)謎直到20世紀(jì)建立流體力學(xué)邊界層理論后才解開?，F(xiàn)在的高爾夫球外表有很多窩坑，在同樣大小和重量下，飛行距離為光滑球的5倍。高爾夫球的外表做成有凹點(diǎn)的粗糙外表，就是利用粗糙度使層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鞯呐R界雷諾數(shù)減小，使