热能与动力工程专业导论-第二讲1

IntroductiontoThermalEnergyandPowerEngineering饶国燃[e-mail]本节课程内容•能源概况•能量的转换系统•主要的动力装置•热能动力工程的理论基础•学科概况能源与新能源利用---宋长华4一、能源的重要性在工业、农业、交通、国防、日常生活中具有重要作用。当代社会最广泛使用的能源是煤炭、石油、天然气和水力，特别是石油和天然气的消耗量增长迅速，已占全世界能源消费总量的60％左右。但是，石油和天然气的储量是有限的，许多专家预言，石油和天然气资源将在40年、最多50—60年内被耗尽，而煤炭资源虽然远比石油和天然气资源丰富，但是直接应用煤炭严重污染环境，因此亟需研究把煤炭转化成为气体或液体燃料的技术。将日前的以化石能源为基础的常规能源系统，逐步过渡到持久的、多样化的、可以再生的新能源系统。以避免能源危机的出现。能源与新能源利用---宋长华51、能源：能够为人类提供某种形式能量（机械能、热能、电能、化学能等）的自然资源及其转化物。或者说是能量的来源称为能源。如太阳能、风能、化石燃料、水力等。2、能源的分类：（1）按能源的生成方式分：一次能源和二次能源（2）按能源在当代社会中的地位分：常规能源和新能源。（3）按能否再生分（对一次能源）：可再生和非再生能源。（4）按其来源分（对一次能源）：来自地球以外天体的能源：太阳能、风能、水能、生物质能来自地球内部的能源：地热能地球一其它天体的作用产生的能源：潮汐能能源与新能源利用---宋长华6柴草时期煤炭时期石油时期常规能源向新能源的过渡能量的形式机械能热能电能辐射能化学能核能_与物体宏观机械运动或空间状态相关的能量。_构成物质的微观分子运动的动能和势能总和称为热能。其它的形式能都可以转变为热能。_是和电子流动与累积有关的一种能量。_物体以电磁波形式发射的能量。_物质原子核外进行化学变化时放出的能量。_蕴藏在原子核内部的物质结构能。2-2能量的转换天然气石油煤核能太阳能水能风能热能电能燃烧炉工业加热装置核反应堆热电直接转换装置电热装置热机机械能发电机用户能量转换及利用图能源能源形态转换过程转换机械或系统石油、煤炭、天然气等矿物燃料氢和酒精等二次能源化学能热能化学能热能机械能化学能热能机械能电能化学能电能热能化学能电能炉子、燃烧器各种热力发动机热机、发电机，磁流体发电，EGD发电（压电效应）热力发电，热电子发电燃料电池能源能源形态转换过程转换机械或系统水力、风力、潮汐、海流、波浪太阳能机械能机械能机械能机械能电能光能热能光能热能机械能电能光能热能电能光能电能光能化学能光能生物能电磁波电能水车、风车。水轮机——发电机，波力发电、风力发电、潮汐发电、海流发电热水器，采暖、制冷、光化学反应，太阳灶太阳热发动机太阳热发电热力发电，热电子发电光电池、光化学电池光化学反应（水分解）光合成能源能源形态转换过程转换机械或系统核能核分裂热能机械能电能核分裂热能核分裂热能电能核分裂电磁能电能核聚变热能机械能电能电能光（激光）热能电能热能聚变核发电，磁流体发电核能炼钢热力发电，热电子发电光电池核聚变发电蒸汽动力循环能量转换系统（1）蒸汽动力循环能量转换系统（1）蒸汽动力循环能量转换系统（1）蒸汽动力循环能量转换系统（1）锅炉汽轮机发电机凝汽器给水泵蒸汽火力发电站系统图1锅炉汽轮机发电机凝汽器给水泵蒸汽火力发电站系统图2加热器再热器热交换器汽轮机发电机凝汽器给水泵蒸汽核电站系统示意图反应堆循环泵冷却剂燃气动力循环能量转换系统（2）燃气动力循环能量转换系统（2）燃气轮机发电机空气压气机燃烧室燃料排气燃气轮机发电示意图燃气-蒸汽联合循环发电系统示意图燃气轮机发电机压气机燃烧室燃料空气给水泵加热器凝汽器汽轮机发电机余热锅炉制冷循环能量转换系统（3）蒸发器压气机冷凝器节流阀蒸汽压缩式制冷示意图吸收低温处的热量向外界环境散失热量M锅炉主要动力装置（1）按用途分类电站锅炉工业锅炉船舶锅炉机车锅炉按蒸汽压力低压锅炉亚临界锅炉超临界锅炉低于2.5MPa17~18MPa大于22.19MPa按燃料分类燃煤锅炉燃油锅炉燃气锅炉按燃烧方式燃粉锅炉层燃锅炉流化床锅炉锅炉主要动力装置（1）锅炉主要动力装置（1）锅炉主要动力装置（1）锅炉主要动力装置（1）汽轮机主要动力装置（2）汽轮机主要动力装置（2）汽轮机主要动力装置（2）汽轮机主要动力装置（2）泵和风机主要动力装置（3）泵和风机主要动力装置（3）热质交换设备主要动力装置（4）热质交换设备主要动力装置（4）热质交换设备主要动力装置（4）水轮机主要动力装置（5）内燃机主要动力装置（6）蒸发器和冷凝器主要动力装置（7）热能动力工程的理论基础（1）工程热力学工程热力学是热能动力工程专业的一门骨干专业基础课;主要研究热能与机械能之间相互转换的规律，和如何科学地，有效地利用能源，以及实现将热能高效地转变成机械能的方法;该课程的主要内容有热力学第一定律，热力学第二定律，工质热力性质，热力过程和循环的分析方法，能量转的技术等。1工程热力学定义将经典热力学理论与工程实际应用相结合的应用基础学科。2任务研究工程中能量转换的基本规律以及能量转换与工质（工作物质）性质之间的关系。•热与功转换,数量上的关系及热功转换中的代价•热与功转换过程对热与功转换数量的影响•不同工质对热与功转换数量的影响4特点•宏观性•相对静止性•分散性抓住主线理论联系实际重视基本技能训练◦分析计算能力、实验技能◦认真完成作业热能动力工程的理论基础（2）传热学传热学—是研究热量传递规律的一门学科，其内容包括热量传递的方式、机理、计算和测试等。热传导（导热）热对流热辐射1T2T2020/7/8501传热学的概念①研究热量传递规律的一门科学具体来讲主要有热量传递的机理、规律、计算和测试方法热？热量？热能？2020/7/851钻木取火太阳电热器地热现实生活和生产中存在大量的传热问题2020/7/852②热量传递所依据的基本定律能量守恒定律：能量有各种形式；各种形式的能量之间可以相互转化；能量的总数是守恒的。能量贬值原理：热量可以自发地从高温热源传给低温热源，但不能无代价地从低温热源传给高温热源;可见有温差必有传热，温差是热量传递的驱动力；能量在传递的过程中，伴随着能量品质的下降。传热学以能量守恒定律(热力学第一定律)和能量贬值原理(热力学第二定律)为基础，再结合一些实验规律，以此来研究热量传递的速率，不但要计算传递了多少热量，还要计算在多长时间内传递了这些热量。2020/7/853①求解温度分布②计算热量传递的速率热力学+传热学=热科学(ThermalScience)系统从一个平衡态到另一个平衡态的过程中传递热量的多少。关心的是热量传递的过程，即热量传递的速率。水，M220oC铁块,M1300oC热力学：tm,Q传热学)();,,,(fQzyxft2020/7/8542020/7/855123443a3b3a3b透平能量损失烟囱能量损失透平温降（压降）烟囱温降（压降）动能损失太阳能烟囱电站空气循环温熵图TS1'太阳能热气流能机械能电能2020/7/8562020/7/857自然界与生产过程到处存在温差—传热很普遍①日常生活中的例子：为什么水壶的提把要包上橡胶？2020/7/858②特别是在下列技术领域大量存在传热问题：动力、化工、制冷、建筑、机械制造、新能源、微电子、核能、航空航天、微机电系统（MEMS）、新材料、军事科学与技术、生命科学与生物技术…2020/7/859航天器发射2020/7/8602020/7/86112342020/7/862办公室空气流动与传热模拟2020/7/863牛与周围空气传热流动模拟热能动力工程的理论基础（3）流体力学流体力学—是研究流体平衡和运动规律，是力学的基本原理在液体和气体中实际应用的一门科学。主要内容包括：流体的物性；流体平衡的条件及平衡时压强分布规律；理想流体和黏性流体运动的基本方程；管道流动分析及管路计算；绕过物体流动及边界层理论。理论分析方法、实验方法、数值方法相互配合，互为补充理论研究方法力学模型→物理基本定律→求解数学方程→分析和揭示本质和规律实验方法相似理论→模型实验装置数值方法计算机数值方法是现代分析手段中发展最快的方法之一1研究内容和研究方法流体力学的研究任务流体在外力作用下平衡和运动的规律1．高尔夫球：表面光滑还是粗糙？高尔夫球运动起源于15世纪的苏格兰，当时人们认为表面光滑的球飞行阻力小，因此用皮革制球。后来发现表面有很多划痕的旧球反而飞得更远，这个谜直到20世纪建立流体力学边界层理论后才解开。现在的高尔夫球表面有很多窝坑，在同样大小和重量下，飞行距离为光滑球的5倍。高尔夫球的表面做成有凹点的粗糙表面，就是利用粗糙度使层流转变为紊流的临界雷诺数减小，使流动变为紊流，以减小阻力。思考：乒乓球表面为什么是光滑的？2流体力学的应用2.汽车阻力：来自前部还是后部？箱型车，阻力系数（CD）很大，约为0.8。甲壳虫型，阻力系数降至0.6。船型，阻力系数为0.45。鱼型，阻力系数为0.3，楔型，阻力系数为0.2未来型汽车，阻力系数仅为0.137。2流体力学的应用（1）舰船、航空、航天（飞机的（风洞）实验、火箭上天）；（2）城市给排水；（3）水利、水电（三峡水利工程）；（4）矿山应用。流体力学的应用2流体力学的应用