《熱能工程基礎》課件

熱能工程基礎熱能工程是一門綜合性學科,涉及熱力學、流體力學、傳熱學等多個領(lǐng)域。本課程將全面系統(tǒng)地介紹熱能工程的基礎知識和核心原理,為后續(xù)的專業(yè)學習奠定堅實基礎。課程導言課程簡介本課程將全面介紹熱能工程的基礎理論知識,包括熱量和溫度的基本概念、熱量傳輸方式、熱力定律、熱機原理等。學習目標通過本課程的學習,學生將掌握熱能工程的基礎知識,并了解熱能利用技術(shù)在各行業(yè)中的廣泛應用。課程大綱課程內(nèi)容涵蓋熱量測量、傳熱機理、熱力循環(huán)、熱機與制冷原理等,并結(jié)合工程實例深入探討熱能工程的現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢。教學方式采用理論講授、案例分析、實驗實踐相結(jié)合的方式,注重培養(yǎng)學生的動手能力和創(chuàng)新思維。熱量和溫度的基本概念熱量的定義熱量是物體內(nèi)部分子熱運動能量的總和，是一種能量形式。熱量可以進行轉(zhuǎn)換和傳遞。溫度的測量溫度是反映物體熱狀態(tài)的物理量，可以用溫度計來測量。常見的溫度單位有攝氏度、華氏度等。熱量與功的關(guān)系熱量和功都是能量的一種形式，可以相互轉(zhuǎn)換。熱機等設備就是利用熱量轉(zhuǎn)換為功的裝置。熱量的測量1熱量單位焦耳(J)、千卡(kcal)2測量儀器溫度計、熱量計、熱流計3測量原理利用熱量引起物質(zhì)溫度變化或相態(tài)變化4測量方法直接測量和間接測量熱量的測量是熱能工程中的基礎工作。根據(jù)熱量的單位,主要使用溫度計、熱量計和熱流計等儀器進行測量。測量的原理是利用熱量引起的物質(zhì)溫度變化或相態(tài)變化。測量方法包括直接測量和間接測量兩種。通過精準測量,為熱量分析和熱能利用提供基礎數(shù)據(jù)支撐。熱量的傳播方式傳導熱量通過物質(zhì)內(nèi)部微粒之間的振動和碰撞在物體內(nèi)部傳播。金屬是良好的導熱材料。對流熱量通過流體的運動在空間傳播。熱空氣上升和冷空氣下沉就是對流傳熱的典型例子。輻射熱量以電磁波的形式從高溫物體向四周傳播。太陽熱量到達地球就是輻射傳熱的例子。熱力定律1第一定律能量可以轉(zhuǎn)換但不能被創(chuàng)造或銷毀,任何系統(tǒng)的能量總量是恒定的。2第二定律熱量自發(fā)地從高溫物體流向低溫物體,不能完全轉(zhuǎn)換為功。3第三定律絕對零度是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的最低狀態(tài),任何溫度都不可能低于絕對零度。4熱力學溫度熱力學溫度是熱量轉(zhuǎn)換為功的效率,用于描述系統(tǒng)熱狀態(tài)的標準。熱機原理能量轉(zhuǎn)換熱機能夠?qū)崮苻D(zhuǎn)換為機械能,這是熱能工程的核心原理。熱源和冷源熱機需要有高溫熱源和低溫冷源之間的溫差,才能驅(qū)動工作過程。工作介質(zhì)熱機通過工作介質(zhì)(如氣體、蒸汽等)在熱源與冷源之間循環(huán),完成能量轉(zhuǎn)換。熱機循環(huán)熱機以特定的循環(huán)過程(如卡諾循環(huán)、布拉頓循環(huán)等)運行,以提高能量轉(zhuǎn)換效率。汽油機工作過程1進氣汽缸內(nèi)吸入適量的空氣和燃料混合氣體2壓縮活塞上升壓縮空氣燃料混合氣體3爆燃點火裝置引發(fā)混合氣體瞬間爆燃4排氣產(chǎn)生的高溫高壓氣體推動活塞下行,并排出廢氣汽油機工作過程包括進氣、壓縮、爆燃和排氣四個主要步驟。通過精心設計的進氣和排氣系統(tǒng)、高效的點火系統(tǒng)以及優(yōu)化的活塞壓縮比等,可以實現(xiàn)汽油機的高效工作。柴油機工作過程1進氣沖程在活塞下行過程中,氣缸內(nèi)產(chǎn)生負壓,柴油機進氣閥打開,新鮮空氣被吸入氣缸。2壓縮沖程活塞上行時,壓縮空氣至高溫高壓狀態(tài)。燃料在此時被噴入并自燃。3功沖程燃料爆炸產(chǎn)生的高溫高壓氣體推動活塞下行,帶動曲軸轉(zhuǎn)動并產(chǎn)生輸出功率。4排氣沖程活塞上行,排氣閥打開,燃燒后的廢氣被排出氣缸。一個完整的工作循環(huán)結(jié)束。燃氣輪機工作過程空氣吸入燃氣輪機通過壓縮機吸入大量空氣,并將其壓縮到高壓。燃料噴入壓縮后的空氣進入燃燒室,此時燃料也被噴入并與空氣混合。燃燒和膨脹混合氣體在燃燒室內(nèi)燃燒,產(chǎn)生高溫高壓的燃氣,推動渦輪葉片旋轉(zhuǎn)。排氣和尾氣處理高溫高壓的燃氣經(jīng)過渦輪做功后排出,并可進一步用于發(fā)電或其他用途。蒸汽輪機工作過程1發(fā)生汽化在高溫高壓下,鍋爐中的水汽化為高溫高壓蒸汽。2蒸汽膨脹高溫高壓蒸汽進入渦輪機,在壓力下進行膨脹。3轉(zhuǎn)動渦輪膨脹過程中蒸汽對渦輪葉片施加推力,驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)動。4發(fā)電渦輪連接發(fā)電機,轉(zhuǎn)動發(fā)電機產(chǎn)生電能。蒸汽輪機工作過程可以概括為:在鍋爐中將水加熱至高溫高壓蒸汽,蒸汽進入渦輪機并推動葉片轉(zhuǎn)動,帶動發(fā)電機產(chǎn)生電能的過程。這種將熱能轉(zhuǎn)換為機械能再轉(zhuǎn)換為電能的過程是熱力發(fā)電系統(tǒng)的核心。制冷機工作過程1制冷循環(huán)制冷機通過制冷循環(huán)將熱量從較低溫度的空間轉(zhuǎn)移到較高溫度的環(huán)境中。這個過程包括壓縮、凝結(jié)、膨脹和蒸發(fā)幾個步驟。2壓縮壓縮機將制冷劑壓縮至高壓和高溫狀態(tài),并將熱量排出到環(huán)境中。3凝結(jié)高溫高壓的制冷劑通過冷凝器放出熱量后變成液體。這個過程將熱量轉(zhuǎn)移到環(huán)境中。4膨脹液態(tài)制冷劑通過膨脹閥大幅降低壓力和溫度,形成低溫低壓的制冷劑。5蒸發(fā)低溫低壓的制冷劑在蒸發(fā)器中吸收熱量并蒸發(fā)成氣體,從而實現(xiàn)對被冷卻空間的制冷。熱泵工作原理熱源吸收熱能熱泵利用環(huán)境中的熱量(熱源)來加熱室內(nèi),通過壓縮循環(huán)驅(qū)動的工質(zhì)將熱量從低溫環(huán)境轉(zhuǎn)移到高溫環(huán)境。壓縮循環(huán)傳熱工質(zhì)在壓縮機內(nèi)被壓縮,溫度升高,向室內(nèi)傳熱。經(jīng)過蒸發(fā)器吸收熱量后再次進入壓縮機,形成循環(huán)。多種工質(zhì)選擇常用工質(zhì)包括氟利昂、氨氣等,根據(jù)具體應用選擇不同的工質(zhì)以提高熱泵的性能和節(jié)能效果。熱交換器熱交換器是一種廣泛應用于熱能工程中的設備,它可以在保持兩個流體彼此隔離的前提下,實現(xiàn)熱量從高溫流體向低溫流體的傳輸。熱交換器的設計關(guān)乎到傳熱效率、壓降、可靠性及經(jīng)濟性等多方面因素。常見的熱交換器類型包括管殼式、板式、列管式等,各種類型都有其適用的場合。熱工工程師需要根據(jù)具體應用條件選擇合適的熱交換器類型,并優(yōu)化設計參數(shù)以達到最佳性能。熱量平衡熱量平衡的數(shù)學表述熱量平衡是對能量變化過程進行定量描述的重要原理。它通過數(shù)學公式表述熱量輸入、儲存和輸出之間的關(guān)系,為熱能工程的計算分析提供基礎。熱機的熱效率計算熱量平衡為熱機的熱效率計算提供理論依據(jù),通過分析熱量的輸入和輸出,可以準確地評估熱機的能量轉(zhuǎn)換效率。熱交換過程的熱量平衡在熱交換過程中,熱量平衡反映了熱量的流動方向和數(shù)量關(guān)系,為熱交換設備的設計和分析提供重要依據(jù)。熱效率概述25%平均熱電轉(zhuǎn)換效率40%燃氣輪機最高熱效率90%熱泵最高熱效率50%現(xiàn)代熱電廠熱效率熱效率是表示熱能轉(zhuǎn)換效率的重要指標。不同類型的熱能設備熱效率各不相同,取決于工藝流程、載體選擇、設備規(guī)模等因素。提高熱效率是熱能工程發(fā)展的核心目標之一。熱效率計算熱效率反映了熱能轉(zhuǎn)換為有用能量的比例。不同熱力工藝的熱效率有顯著差異,如鍋爐高達85%,而汽輪機僅35%。這些數(shù)據(jù)對于整體能源利用效率的評估和改進具有重要意義。散熱與絕熱1散熱機理熱量可通過導熱、對流和輻射三種方式從高溫物體散發(fā)到周圍環(huán)境。合理的散熱設計能確保設備高效工作。2絕熱原理絕熱材料能有效阻隔熱量流動,提高設備和管道的能源利用效率,降低能耗。常見的絕熱材料有隔熱棉、玻璃纖維等。3散熱與絕熱的平衡需要根據(jù)具體應用場景,找到散熱和絕熱的最佳平衡點,既確保設備安全工作,又避免不必要的能源浪費。4案例分析如何在蒸汽管道上合理配置散熱和絕熱設計,既保證供熱效率,又最小化熱量損失是一個典型案例。熱能利用的環(huán)境影響排放污染過度利用熱能會造成嚴重的大氣污染,如溫室氣體排放、酸雨等。生態(tài)系統(tǒng)影響熱能開發(fā)和利用過程中可能破壞動植物棲息地,導致生態(tài)平衡失調(diào)。資源消耗熱能利用涉及大量燃料和水資源的消耗,會加劇資源枯竭。廢棄物處理熱能轉(zhuǎn)換過程中會產(chǎn)生大量的固體廢棄物,需要妥善處置。熱能工程應用實例熱能工程在生活和工業(yè)中有廣泛應用。從供熱、發(fā)電到制冷,熱能被高效利用,為社會提供必需的能源。汽車、飛機等運輸工具,以及各類工廠、設施的制造過程中,熱能在轉(zhuǎn)換和傳輸中發(fā)揮關(guān)鍵作用。通過熱能工程的創(chuàng)新應用,提高能源利用效率,降低能源消耗和排放,對實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。熱力發(fā)電系統(tǒng)1鍋爐燃燒化石燃料產(chǎn)生蒸汽2汽輪機利用蒸汽驅(qū)動發(fā)電機組3冷卻塔將汽輪機排出的低壓蒸汽冷卻凝結(jié)4發(fā)電廠整合鍋爐、汽輪機和其他設備熱力發(fā)電系統(tǒng)是以鍋爐為核心的蒸汽動力循環(huán)系統(tǒng)。燃料在鍋爐內(nèi)燃燒產(chǎn)生高溫蒸汽,推動汽輪機轉(zhuǎn)動發(fā)電機產(chǎn)生電力。冷卻塔用于將排出的低壓蒸汽冷卻凝結(jié),實現(xiàn)熱量回收。這種發(fā)電方式廣泛應用于發(fā)電廠,是目前主流的電力生產(chǎn)技術(shù)之一。供熱系統(tǒng)鍋爐供熱鍋爐是供熱系統(tǒng)的核心,通過燃燒燃料產(chǎn)生熱量,將其轉(zhuǎn)化為熱水或蒸汽輸送至各用戶。管網(wǎng)輸送熱水或蒸汽通過管網(wǎng)輸送至各用戶,管網(wǎng)設計關(guān)系到系統(tǒng)的安全可靠和供熱效率。末端利用用戶利用供給的熱水或蒸汽進行供暖、熱水供給等,以滿足生活和生產(chǎn)的需求。工業(yè)爐窯1高溫加熱工業(yè)爐窯可提供高達上千攝氏度的溫度2加工多樣品種從金屬熔煉到陶瓷燒制都有用武之地3節(jié)能減排先進的爐窯設計可大幅提高能效,降低污染4遠程監(jiān)控智能化控制系統(tǒng)可實現(xiàn)爐窯的自動化運行工業(yè)爐窯是生產(chǎn)過程中不可或缺的關(guān)鍵設備,用于對原材料或半成品進行高溫加熱處理?，F(xiàn)代工業(yè)爐窯已經(jīng)發(fā)展成為高溫、節(jié)能、自動化的智能設備,廣泛應用于金屬冶煉、陶瓷制造、玻璃熔制等眾多領(lǐng)域。熱能儲存與轉(zhuǎn)換熱能儲存技術(shù)通過熱能儲存技術(shù),可以將余熱或電能轉(zhuǎn)化為熱能進行臨時儲存,以便日后使用。常見的熱能儲存方式包括蓄熱水系統(tǒng)、潛熱儲能材料和熱能電池等。這些技術(shù)能提高熱能利用效率,減少能源消耗。熱能轉(zhuǎn)換原理熱能轉(zhuǎn)換指將熱能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量,如電能、機械能等。常見熱能轉(zhuǎn)換技術(shù)包括熱電轉(zhuǎn)換、熱光伏發(fā)電、熱化學轉(zhuǎn)換等。它們利用熱能與其他能量形式之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,實現(xiàn)熱能的高效利用。應用實例熱能儲存和轉(zhuǎn)換技術(shù)廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)、建筑供暖、汽車發(fā)動機等領(lǐng)域。如利用太陽能熱水系統(tǒng)存儲熱能,提高熱水使用效率;利用熱電發(fā)電技術(shù)將工業(yè)爐窯廢熱轉(zhuǎn)化為電能。干燥設備蒸發(fā)干燥將含水物質(zhì)加熱蒸發(fā),以去除水分的干燥設備。如噴霧干燥機和真空干燥機。輻射干燥采用紅外線或微波輻射加熱的干燥設備,適用于薄層物料的干燥。流化床干燥利用氣流將物料懸浮的方式進行干燥,適用于細粉狀物料的連續(xù)干燥。機械干燥利用機械力如離心力去除水分的干燥設備,如離心機和滾筒式干燥機。熱能回收利用提高能源效率通過回收和再利用熱能,我們可以大幅提高能源的利用效率,減少不必要的熱量浪費。這可以降低運營成本并減少碳排放。創(chuàng)新技術(shù)應用先進的熱能回收技術(shù),如余熱回收裝置和熱泵系統(tǒng),能夠有效回收工業(yè)過程、建筑供暖和電力發(fā)電等領(lǐng)域的余熱。這些創(chuàng)新應用正在助力構(gòu)建更加綠色可持續(xù)的能源體系。多領(lǐng)域應用熱能回收技術(shù)廣泛應用于工業(yè)、建筑和交通領(lǐng)域,不僅可以回收熱量,還能將其轉(zhuǎn)化為電力、熱水和空調(diào)等有用的能源形式。這些應用極大地提高了能源的綜合利用率。社會價值熱能回收利用不僅能提高能源效率,還有助于降低能源消耗和碳排放,為應對氣候變化和建設低碳社會做出貢獻。這項技術(shù)對社會經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。未來熱能工程發(fā)展趨勢可再生能源未來熱能工程將更加重視利用太陽能、風能、地熱等可再生能源，減少對化石燃料的依賴。能源效率通過采用先進的技術(shù)和工藝，提高熱能系統(tǒng)的能源利用效率，降低能源消耗。減排技術(shù)開發(fā)清潔燃燒技術(shù)和碳捕集技術(shù)，降低熱能工程中的溫室氣體排放。智能化熱能工程將與智能電網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)深度融合，實現(xiàn)更智能化的監(jiān)測和控制。本課程總結(jié)綜合應用知識本課程全面介紹了熱能工程的基礎理論與實際應用,涵蓋了熱量、溫度、傳熱、熱力定律等概念,以及熱機、制冷、熱交換等熱能利用技術(shù)。深化理解原理通過詳細分析各種熱能轉(zhuǎn)換過程的工作原理,幫助學生更好地理解熱能工程的基本原理與運行機制。拓展實踐應用結(jié)合熱能工程在發(fā)電、供暖、工業(yè)制造等領(lǐng)域的實際應用案例,增強學生將所學理論應用于實踐的能力。問題討論在熱能工程基礎課程中,我們探討了熱量和溫度的基本概念、熱量的測量和傳播方式、熱力定律以及各種熱機和熱設備的工作原理。在這一環(huán)節(jié),我們將就以下幾個方面進行深入的討論和交流:1.熱能工程在實際應用中的挑戰(zhàn)熱能工程涉及諸多領(lǐng)域,在能源效率優(yōu)化、環(huán)境影響降低、可靠性提升等方面仍存在諸多技術(shù)難題有待解決。大家可以分享自己的經(jīng)驗和觀點。2.熱能工程未來發(fā)展趨勢隨著新材料、新技術(shù)的不斷涌現(xiàn),熱能工程正在朝著智能化、綠色化、系統(tǒng)化的方向發(fā)展。我們可以討論一下這些趨勢對行業(yè)帶來的影響和機遇。3.個人學習和發(fā)展建議對于有志于從事熱能工程相關(guān)工作的同學來說,在課程學習和實踐中需要重點關(guān)注哪些方面?大家分享一下自己的學習心得和發(fā)展規(guī)劃。參考文獻11.熱能工程基礎(第二版)劉玉生,于樂華著.機械工業(yè)出版社,2016年3月.22.