热能与动力工程专业导论 第二讲1

热能与动力工程专业导论,Introduction to Thermal Energy and Power Engineering饶国燃,第二讲 热能与动力工程学科介绍,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,4,2-1 能源含义、分类及历史演变,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5060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,5,二、能源的含义及其分类,1、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,6,三、人类利用能源的历史演变,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,能量转换过程及转换设备或系统,能量转换过程及转换设备或系统,能量转换过程及转换设备或系统,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2.5MPa,1718 MPa,大于22.19 MPa,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。,工程热力学内容及特点,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,3 研究的主要问题,5 工程热力学的学习方法,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,2018/1/9,50,1 传热学的概念, 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？,2018/1/9,51,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,2018/1/9,52, 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。,2018/1/9,53,2 传热学的基本任务, 求解温度分布 计算热量传递的速率 热力学 + 传热学=热科学(Thermal Science), 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。,热力学：tm , Q 传热学,2018/1/9,54,大规模太阳能热气流综合发电,2018/1/9,55,热力学研究：热力学循环和能量转换效率,2018/1/9,56,传热学研究：系统内的温度、压力和速度场,2018/1/9,57,3 传热学应用举例,自然界与生产过程到处存在温差传热很普遍日常生活中的例子：,为什么水壶的提把要包上橡胶？,2018/1/9,58,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,2018/1/9,59,航天器发射,2018/1/9,60,坦克与周围环境的换热模拟,2018/1/9,61,厨房内部气体传热流动模拟,1,2,3,4,2018/1/9,62,办公室空气流动与传热模拟,2018/1/9,63,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。,流体力学的研究方法,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