[研究生入学考试]热能与动力工程专业导论 第二讲1

1、Introduction to Thermal Energy and Power Engineering饶国燃饶国燃ransan163 能源概况能源概况能量的转换系统能量的转换系统主要的动力装置主要的动力装置热能动力工程的理论基础热能动力工程的理论基础学科概况学科概况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，

2、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。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

3、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能量的形式机械能机械能热热 能能电电 能能辐射能辐射能化学能化学能核核 能能_ _与物体宏观机械运动或空间状态相关的能量。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。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。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。物体以电磁波形式发射的能量。_ _物质原子核外进行

4、化学变化时放出的能量。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。蕴藏在原子核内部的物质结构能。天然气天然气石油石油煤煤核能核能太阳能太阳能水能水能风能风能热热能能电电能能燃烧炉燃烧炉工业加工业加热装置热装置核反应堆核反应堆热电直接热电直接转换装置转换装置电热装置电热装置热热机机机机械械能能发发电电机机用用 户户能量转换及利用图能量转换及利用图蒸汽动力循环蒸汽动力循环能量转换系统（能量转换系统（1 1）蒸汽动力循环蒸汽动力循环能量转换系统（能量转换系统（1 1）蒸汽动力循环蒸汽动力循环能量转换系统（能量转换系统（1 1）蒸汽动力循环蒸汽动力循环能量转换系统（能量转

5、换系统（1 1）锅炉锅炉汽轮机汽轮机发电机发电机凝凝汽汽器器给水泵给水泵蒸汽蒸汽火力发电站系统图火力发电站系统图1 1锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机凝凝汽汽器器给水泵给水泵蒸汽蒸汽火力发电站系统图火力发电站系统图2 2加加热热器器再热器再热器热热交交换换器器汽轮机汽轮机发电机发电机凝凝汽汽器器给水泵给水泵蒸汽蒸汽核电站系统示意图核电站系统示意图反反应应堆堆循环泵循环泵冷却剂冷却剂燃气动力循环燃气动力循环能量转换系统（能量转换系统（2 2）燃气动力循环燃气动力循环能量转换系统（能量转换系统（2 2）燃气轮机燃气轮机发电机发电机空气空气压气机压气机燃烧室燃烧室燃料燃料排气排气燃气轮机发电示意图燃

6、气轮机发电示意图燃气燃气- -蒸汽联合循环蒸汽联合循环发电系统示意图发电系统示意图燃气轮燃气轮机机发电机发电机压压气气机机燃烧室燃烧室燃料燃料空气空气给水泵给水泵加热器加热器凝汽器凝汽器汽轮机汽轮机发电机发电机余热锅炉余热锅炉制冷循环制冷循环能量转换系统（能量转换系统（3 3）蒸发器蒸发器压气机压气机冷凝器冷凝器节流阀节流阀蒸汽压缩式制冷示意图蒸汽压缩式制冷示意图吸收低温吸收低温处的热量处的热量向外界环向外界环境散失热境散失热量量MM锅锅 炉炉主要动力装置（主要动力装置（1 1）按按用用途途分分类类电站锅炉电站锅炉工业锅炉工业锅炉船舶锅炉船舶锅炉机车锅炉机车锅炉按按蒸蒸汽汽压压力力低压锅炉低压

7、锅炉亚临界锅炉亚临界锅炉超临界锅炉超临界锅炉低于1718 MPa大于22.19 MPa按按燃燃料料分分类类燃煤锅炉燃煤锅炉燃油锅炉燃油锅炉燃气锅炉燃气锅炉按按燃燃烧烧方方式式燃粉锅炉燃粉锅炉层燃锅炉层燃锅炉流化床锅炉流化床锅炉锅锅 炉炉主要动力装置（主要动力装置（1 1）锅锅 炉炉主要动力装置（主要动力装置（1 1）锅锅 炉炉主要动力装置（主要动力装置（1 1）锅锅 炉炉主要动力装置（主要动力装置（1 1）汽轮机汽轮机主要动力装置（主要动力装置（2 2）汽轮机汽轮机主要动力装置（主要动力装置（2 2）汽轮机汽轮机主要动力装置（主要动力装置（2 2）汽轮机汽轮机主要动力装置（主要动力装置（2 2

8、）泵和风机泵和风机主要动力装置（主要动力装置（3 3）泵和风机泵和风机主要动力装置（主要动力装置（3 3）热质交热质交换设备换设备主要动力装置（主要动力装置（4 4）热质交热质交换设备换设备主要动力装置（主要动力装置（4 4）热质交热质交换设备换设备主要动力装置（主要动力装置（4 4）水轮机水轮机主要动力装置（主要动力装置（5 5）内燃机内燃机主要动力装置（主要动力装置（6 6）蒸发器和蒸发器和冷凝器冷凝器主要动力装置（主要动力装置（7 7）热能动力工程的理论基础（热能动力工程的理论基础（1 1）工程热力学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

9、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

10、程的理论基础（热能动力工程的理论基础（2 2）传热学传热学传热学传热学是研究是研究热量传递规律的一门学科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、计算其内容包括热量传递的方式、机理、计算和测试等。和测试等。热传导（导热）热传导（导热）热对流热对流热辐射热辐射1T2T2022-6-1501 传热学的概念传热学的概念 研究热量传递规律的一门科学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、计算具体来讲主要有热量传递的机理、规律、计算和测试方法和测试方法热热？ 热量热量？ 热能热能？2022-6-151钻木取火钻木取火 太阳太阳电热器电热器 地热地热2022-6-15

11、22022-6-153 求解温度分布求解温度分布 计算热量传递的速率计算热量传递的速率 热力学热力学 + + 传热学传热学= =热科学热科学(Thermal (Thermal Science)Science) 系统从一个平系统从一个平衡态到另一个衡态到另一个平衡态的过程平衡态的过程中传递热量的中传递热量的多少。多少。 关心的是热关心的是热量传递的过量传递的过程，即热量程，即热量传递的速率。传递的速率。水，水，MM2 22020o oC C铁块铁块, , MM1 1300300o oC C热力学：热力学：t tm m , Q , Q 传热学传热学)( );,( fQzyxft 2022-6-15

12、42022-6-155123443a3b3a3b透平能透平能量损失量损失烟囱能烟囱能量损失量损失透平温降透平温降（压降）（压降）烟囱温降烟囱温降（压降）（压降）动能损失动能损失太阳能烟囱电站空气循环温熵图太阳能烟囱电站空气循环温熵图TS1 太阳能太阳能热气流能热气流能机械能机械能电电 能能2022-6-1562022-6-157自然界与生产过程到处存在温差自然界与生产过程到处存在温差传热很普遍传热很普遍日常生活中的例子：日常生活中的例子：为什么水壶的提把要包上橡胶？为什么水壶的提把要包上橡胶？2022-6-158特别是在下列技术领域大量存在传热问题：特别是在下列技术领域大量存在传热问题：动力、

13、化工、制冷、建筑、机械制造、新能源、动力、化工、制冷、建筑、机械制造、新能源、微电子、核能、航空航天、微机电系统微电子、核能、航空航天、微机电系统（MEMSMEMS）、新材料、军事科学与技术、生命科）、新材料、军事科学与技术、生命科学与生物技术学与生物技术2022-6-1592022-6-1602022-6-16112342022-6-1622022-6-163热能动力工程的理论基础（热能动力工程的理论基础（3 3）流体力学流体力学流体力学流体力学是研究是研究流体平衡和运动规律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是力学的基本原理在液体和气体中实际应用的一门科学。用的一门科学

14、。主要内容包括：流体的物性；流体平衡的主要内容包括：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。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理论研究方法力学模型力学模型物理基本定律物理基本定律求解数学方程求解数学方程分析和揭示本质和规律分析和揭示本质和规律实验方法实验方法相似理论相似理论模型实验装置模型实验装置数值方法数值方法计算

15、机数值方法是现代分析手段中发展最快的方法之一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 1 研究内容和研究方法研究内容和研究方法流体力学的研究任务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：表面光滑还是粗糙？ 高尔夫球运动起源于高尔夫球运动起源于1515世纪的苏格兰，世纪的苏格兰，当时人们认为表面光滑的球飞行阻力小，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，这个谜直到痕的旧球反而飞得更远，这个谜直到2020世世纪建立流

16、体力学边界层理论后才解开。现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小和重量下，飞行距离为光滑球的5 5倍。倍。 高尔夫球的表面做成有凹点的粗糙表面，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？思考：乒乓球表面为什么是光滑的？2 2 流体力学的应用流体力学的应用2. 汽车阻力：来自前部还是后部？汽车阻力：来自前部还是后部？ 箱型车，阻力系数（箱型车，阻力系数（C CD D）很大，约为。）很大，约为。甲壳虫型，阻力系数降至。甲壳虫型，阻力系数降