第1章-緒論石油大學熱工學

熱工學

ThermalEngineering熱能與動力工程系2013-2014-1課程簡介熱工學是工程力學專業(yè)的一門技術基礎課程，也是一門重要的提高素質(zhì)的課程。本課程主要以熱能利用為線索，闡述熱能利用中所涉及到的基本概念、基本定律和基本理論，以提高熱能利用經(jīng)濟性為主要目的。本課程分為工程熱力學和傳熱學兩大部分內(nèi)容。教材主要參考資料：1《熱工基礎》，張學學、李桂馥編，高等教育出版社，20002《熱工基礎》，童鈞耕、盧萬成編，上海交通大學出版社，20013《工程熱力學》（Ⅲ

），沈維道等，高等教育出版社，20014《傳熱學》（Ⅲ

），楊世銘等，高等教育出版社，20017《傳熱學》（Ⅲ

），俞佐平等，高等教育出版社，1999本課程主講章節(jié)第一章緒論第二章熱能轉(zhuǎn)換的基本概念和基本定律第三章常用工質(zhì)的熱力性質(zhì)和熱力過程第四章熱量傳遞的基本理論第五章熱工基礎的應用只講部分內(nèi)容

工程熱力學（宋文霞）

傳熱學（張偉）能源是提供能量的物質(zhì)資源，是人類社會賴以生存和發(fā)展的源泉。能源建設是世界各國國民經(jīng)濟建設的基礎。能源的開發(fā)利用水平是人類社會文明的重要標志之一。學習本課程的主要目的

——認識和掌握能源開發(fā)利用的基本規(guī)律，為合理、高效地開發(fā)利用能源奠定理論基礎。第一章緒論1-1自然界的能源及其應用1-2熱能的利用1-3熱工基礎的研究對象、內(nèi)容和方法

1-1自然界的能源及其應用一、能量能量是物質(zhì)運動的度量。世界由物質(zhì)構成，一切物質(zhì)都處于運動狀態(tài)。

一切物質(zhì)都具有能量。

*能量形式*(1)機械能

(2)熱能

物質(zhì)分子的熱運動動能和分子間相互作用力具有的位能之和。

溫度是物體具有熱能多少的宏觀標志之一(3)電能(4)化學能(5)核能(6)輻射能

能量是物質(zhì)運動的度量。一切物質(zhì)都具有能量。能源——能夠直接或間接提供能量的物質(zhì)資源。通常的分類方法類別常規(guī)能源新能源一次能源煤、石油、天然氣、水力能等核能、太陽能、風能、地熱能、海洋能、生物能等二次能源電、汽油、柴油、蒸汽、煤氣、焦炭、液化石油氣、等沼氣、氫能等三、能源利用與人類社會的關系能源是人類社會生存的基礎。能源的開發(fā)和利用是人類社會發(fā)展的動力，而能源開發(fā)和利用水平又是人類社會文明的重要標志之一。三個能源時期：薪柴時期煤炭時期石油時期能源與國民經(jīng)濟關系能源消費彈性系數(shù)

一般，發(fā)展中國家

>1；工業(yè)發(fā)達國家

<1。能源與人民生活關系能源與環(huán)境環(huán)境污染：（一）溫室效應與熱污染（二）酸雨(PH<5.6)

（三）臭氧層的破壞（四）放射性污染（五）其他污染二氧化碳和水蒸氣等多原子氣體

冷卻水排熱

SO2和NOx

氟氯烴類物質(zhì)的應用燃料燃燒產(chǎn)生的N2O紫外線輻射

核電站：核燃料

、核反應堆燃煤電站：煙囪排放物中存在放射性物質(zhì)(主要是氡-222)大氣污染物：煙霧事件

排氣、煙塵和排渣：微量重金屬汞會；鎳、鉻致癌物質(zhì)；煙塵中吸附的環(huán)芳烴是強致癌物。能源利用與人類社會的可持續(xù)發(fā)展

能源問題、環(huán)境污染、可持續(xù)發(fā)展

大力開發(fā)新能源和清潔能源節(jié)約能源

“節(jié)能”——采用技術上可行、經(jīng)濟上合理以及環(huán)境和社會可以接受的措施，減少從能源生產(chǎn)到能源消費中各個環(huán)節(jié)的損失和浪費，以便更有效、更合理地利用能源，提高能源利用率和能源利用的經(jīng)濟效益。節(jié)能與煤炭、石油及天然氣、水力和核能四大能源相提并論，稱之為“第五能源”。四、我國的能源事業(yè)（一）儲量豐富且種類齊全（二）多種能源生產(chǎn)結(jié)構（三）我國能源工業(yè)面臨的問題

(1)人均能源儲備量少，遠低于世界平均水平。

(2)能源開發(fā)利用設備和技術落后，能源利用效率低，浪費嚴重。

(3)環(huán)境污染嚴重。

——我國能源構成以煤炭為主，約75％的能源需求由煤炭提供。

——絕大多數(shù)的工業(yè)鍋爐以煤為燃料，眾多城市人口的生活和取暖還在用煤，加上農(nóng)村8.6億人口的生活用能還以燃燒柴薪和秸稈為主，煙氣的排放使大氣受到嚴重的污染。

——我國C02排放量僅次于美國，居世界第二位，占世界總排放量13.6％。能源建設要走可持續(xù)發(fā)展的道路，必須兩條腿走路：一是合理利用能源，提高能源利用率，包括從技術上改進現(xiàn)有的能源利用系統(tǒng)和設備，將可用能的損失減少到最低限度，并積極開發(fā)高效、低污染的能源利用系統(tǒng)和先進的節(jié)能設備；二是大力開發(fā)對環(huán)境無污染或污染很小的新能源，如太陽能、風能、水能、地熱能、海洋能、生物質(zhì)能以及核能等。1-2熱能的利用基本要求：（1）了解能量轉(zhuǎn)換與利用過程。（2）掌握熱能利用的分類。（3）了解熱科學發(fā)展簡史。【自學】一、能量的轉(zhuǎn)換與利用能量的利用過程實質(zhì)上是能量的傳遞與轉(zhuǎn)換過程。風能海洋能化學能核能地熱能太陽能機械能電能

熱能風車水車水力機械發(fā)電機光合作用生物質(zhì)能光電反應燃料電池（酒精、氫）燃燒核反應傳熱熱機溫差發(fā)電磁流體發(fā)電熱用戶【85%以上】通過熱能形式被利用的能源，世界平均超過85％，我國90％以上。電動機水力能二、熱能的利用在能量轉(zhuǎn)換與利用過程中，熱能不僅是最常見的形式，而且具有特殊重要的作用。熱能的直接利用：直接用熱能加熱物體。

如取暖、烘干、冶煉、蒸煮以及化工過程中分餾等熱能的間接利用：把熱能轉(zhuǎn)換為機械能或電能，為生產(chǎn)和生活提供動力。

如火力發(fā)電、交通運輸、石油化工、機械制造及各種動力裝置

熱能形式不變熱能形式發(fā)生變化

為了有效、經(jīng)濟地利用熱能，提高熱能的利用率，需要掌握有關熱能及其轉(zhuǎn)換和熱量傳遞有關規(guī)律的科學——熱工學。熱力學發(fā)展史上的重要事件及人物：1．18世紀初，帶動往復式水泵的原始蒸汽機出現(xiàn)。2．1763-1784年間，英國人瓦特改進了原始蒸汽機；研制成功了應用高于大氣壓力的蒸汽和帶有獨立凝汽器的單缸蒸汽機。3．1824年，法國人卡諾提出了卡諾定理與卡諾循環(huán)，發(fā)現(xiàn)了循環(huán)熱機中熱能變?yōu)闄C械能的根本條件一必須有熱源和冷源。4．1840-1851年間，邁耶、焦耳等人建立了熱力學第一定律。5．1850-1851年間，克勞修斯和湯姆遜先后提出了熱力學第二定律。6．1906-1912年間，能斯特建立了熱力學第三定律。7．1942年，凱南提出有效能概念。8．19世紀末，發(fā)明汽輪機，內(nèi)燃機出現(xiàn)；20世紀40年代，出現(xiàn)燃氣輪機，得到越來越廣泛的應用。9．近年來，新能源技術不斷涌現(xiàn)：燃料電池，溫差電池，熱能直接轉(zhuǎn)化為電能；磁流體發(fā)電；增壓硫化床燃燒技術等。傳熱學發(fā)展史上的重要人物：傅里葉(法國)、牛頓(英國)、雷諾(英國)、努塞爾(德國)、普朗特(德國)施密特(德國)等。1-3熱工基礎的研究對象、內(nèi)容和方法

一、熱工基礎的研究對象

研究熱能利用的基本原理和規(guī)律，以提高熱能利用經(jīng)濟性為主要目的一門學科。工程熱力學的研究范疇：熱能間接利用所涉及的熱能和機械能之間的轉(zhuǎn)換。傳熱學的研究范疇：熱能直接利用和其他領域的熱設計及熱控制問題。二、熱工基礎的主要內(nèi)容和研究方法（1）主要內(nèi)容工程熱力學：熱力學兩大定律、工質(zhì)的熱力性質(zhì)和熱力過程等理論基礎。傳熱學：導熱、對流換熱、輻射換熱的基本規(guī)律和求解方法，控制熱量傳遞過程的技術措施等。應用：對實際工程中的熱力過程、熱力循環(huán)、熱工設備以及傳熱過程等實際應用內(nèi)容進行分析，以提高能量的利用經(jīng)濟性。（2）研究方法

工程熱力學的研究方法：宏觀研究方法——經(jīng)典熱力學（主要方法）以熱力學第一定律、第二定律作為分析和推理的基礎，對宏觀的熱力過程進行研究，不涉及物質(zhì)的微觀結(jié)構和物質(zhì)分子、原子的微觀行為，因此分析推理的結(jié)果具有可靠性和普遍性。微觀研究方法——統(tǒng)計熱力學必要時引用微觀的氣體分子論和統(tǒng)計熱力學的方法、觀點和理論對一些物理現(xiàn)象、物質(zhì)的性質(zhì)等進行說明和解釋。普遍采用抽象、概括、理想化和簡化處理方法突出實際現(xiàn)象的本質(zhì)和主要矛盾，忽略次要因素，建立合理簡化的物理模型，集中反映客觀事物的本質(zhì)。

傳熱學的研究方法：主要有解析法、數(shù)值計算法和實驗研究法。解析法是依據(jù)基本定律對某些熱傳遞現(xiàn)象進行分析研究，建立合理的物理模型和數(shù)學模型，然后利用數(shù)學分析方法進行求解。數(shù)值計算法是用數(shù)值方法和電子計算機進行計算難以利用解析法求解的問題。實驗研究法是在傳熱理論指導下通過實驗測定、建立實驗方程，然后進行分析和求解的一種方法。（主要方法）這幾種方法針對所研究問題的特點雖各自獨立，卻又相輔相成、互相補充，并且隨著科學技術的發(fā)展而不斷發(fā)展和完善。學習方法1、明確主要線索2、掌握研究方法3、重視計算技術與習題作業(yè)課程的考核方法與學習要求考核方法：百分制、閉卷考試

1.平時成績占20％；

2.期末考試占80％。學習要求：

1.認真聽課，遵守課堂紀律。不定時點名抽查，超過3次無故曠課者按未修處理。

2.按時、獨立、認真完成作業(yè)。如果不交作業(yè)次數(shù)超過50%，將取消期末考試資格。1-4能量轉(zhuǎn)換裝置簡介熱能動力裝置：——從燃料燃燒中得到熱能，以及利用熱能得到動力的整套設備?！羝麆恿ρb置、燃氣動力裝置制冷裝置或熱泵：——消耗外部機械功或其他能量，以實現(xiàn)熱能從低溫物體到高溫物體的轉(zhuǎn)移?！评溲b置、熱泵等能量轉(zhuǎn)換裝置簡介1、熱能動力裝置如：（1）蒸汽動力裝置（2）內(nèi)燃機（3）燃氣輪機裝置（4）核動力裝置2、制冷裝置如（1）冰箱（2）空調(diào)一、蒸汽動力裝置（水蒸氣）鍋爐B汽輪機T凝汽器C水泵P過熱器S圖5-47凝汽式熱力發(fā)電廠的設備布置示意圖燃料（熱源）冷卻水環(huán)境介質(zhì)（冷源）發(fā)電機給水過熱蒸汽乏汽凝結(jié)水吸熱膨脹放熱升壓對外做功圖5-51蒸汽動力循環(huán)的系統(tǒng)示意圖二、內(nèi)燃機

（燃氣）氣缸活塞圖5-3538內(nèi)燃機裝置排氣管氣缸曲軸空氣廢氣上死點下死點吸氣

壓縮燃燒

膨脹排氣柴油機噴油嘴對外做功三、燃氣輪機裝置（空氣-燃氣）壓氣機燃燒室透平渦輪空氣燃料廢氣圖5-41轉(zhuǎn)速高、工質(zhì)流量大；單機功率遠大于內(nèi)燃機。升壓吸熱膨脹放熱空氣廢氣燃料（熱源）大氣（冷源）~負荷燃氣高壓氣體對外做功圖5-42四、制冷裝置（或熱泵）制冷裝置：以制冷為目的熱泵：以制熱為目的雙制式空調(diào)：又制冷又制熱圖5-60

空調(diào)（家用壁掛式）圖5-61圖5-64舉例：蒸汽壓縮制冷裝置冷源熱源吸熱壓縮放熱膨脹降降壓溫

低溫液體（低壓）低壓蒸氣（高溫）高壓蒸氣（常溫）高壓液體

消耗外部功各種能量轉(zhuǎn)換裝置的不同之處：裝置系統(tǒng)不同設備結(jié)構不同工作特性不同熱能與機械能的轉(zhuǎn)換方式不同工程熱力學只研究共性問題。能量轉(zhuǎn)換過程中的共性問題必須要有一套設備熱能→機械能（熱機）；機械能→熱能（制冷機或熱泵）必須借助工質(zhì)-熱能與機械能相互轉(zhuǎn)換的媒介物質(zhì)

一般為氣態(tài)物質(zhì)：膨脹性好；流動性好；載能性好。必須通過工質(zhì)狀態(tài)的連續(xù)變化—熱力循環(huán)吸熱、放熱；壓縮、膨脹等一系列狀態(tài)變化熱機中，熱能只能部分地轉(zhuǎn)化為機械能，其余部分排向大氣或冷卻水。熱源的概念—在能量轉(zhuǎn)換過程中與工質(zhì)有熱量交換的物體。

高溫熱源—溫度較高的物體，簡稱熱源

例如鍋爐爐膛中