[研究生入學考試]熱能與動力工程專業(yè)導論 第二講1

1、Introduction to Thermal Energy and Power Engineering饒國燃饒國燃ransan163 能源概況能源概況能量的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)能量的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)主要的動力裝置主要的動力裝置熱能動力工程的理論基礎(chǔ)熱能動力工程的理論基礎(chǔ)學科概況學科概況4一、能源的重要性 在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、國防、日常生活中具有重要作用。當代社會最廣泛使用的能源是煤炭、石油、天然氣和水力，特別是石油和天然氣的消耗量增長迅速，已占全世界能源消費總量的60左右。但是，石油和天然氣的儲量是有限的，許多專家預言，石油和天然氣資源將在40年、最多5060年內(nèi)被耗盡，而煤炭資源雖然遠比石油和天然氣資源豐富，

2、但是直接應(yīng)用煤炭嚴重污染環(huán)境，因此亟需研究把煤炭轉(zhuǎn)化成為氣體或液體燃料的技術(shù)。將日前的以化石能源為基礎(chǔ)的常規(guī)能源系統(tǒng)，逐步過渡到持久的、多樣化的、可以再生的新能源系統(tǒng)。以避免能源危機的出現(xiàn)。51、能源：能夠為人類提供某種形式能量（機械能、熱能、電能、化學能等）的自然資源及其轉(zhuǎn)化物?；蛘哒f是能量的來源稱為能源。如太陽能、風能、化石燃料、水力等。2、能源的分類：（1）按能源的生成方式分：一次能源和二次能源（2）按能源在當代社會中的地位分：常規(guī)能源和新能源。（3）按能否再生分（對一次能源）：可再生和非再生能源。（4）按其來源分（對一次能源） ：來自地球以外天體的能源：太陽能、風能、水能、生物質(zhì)能來自

3、地球內(nèi)部的能源：地熱能地球一其它天體的作用產(chǎn)生的能源：潮汐能6柴草時期煤炭時期石油時期常規(guī)能源向新能源的過渡能量的形式能量的形式機械能機械能熱熱 能能電電 能能輻射能輻射能化學能化學能核核 能能_ _與物體宏觀機械運動或空間狀態(tài)相關(guān)的能量。與物體宏觀機械運動或空間狀態(tài)相關(guān)的能量。_ _構(gòu)成物質(zhì)的微觀分子運動的動能和勢能總和稱為熱能。其它構(gòu)成物質(zhì)的微觀分子運動的動能和勢能總和稱為熱能。其它的形式能都可以轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。的形式能都可以轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋 _是和電子流動與累積有關(guān)的一種能量。是和電子流動與累積有關(guān)的一種能量。_ _物體以電磁波形式發(fā)射的能量。物體以電磁波形式發(fā)射的能量。_ _物質(zhì)原子核外進行

4、化學變化時放出的能量。物質(zhì)原子核外進行化學變化時放出的能量。_ _蘊藏在原子核內(nèi)部的物質(zhì)結(jié)構(gòu)能。蘊藏在原子核內(nèi)部的物質(zhì)結(jié)構(gòu)能。天然氣天然氣石油石油煤煤核能核能太陽能太陽能水能水能風能風能熱熱能能電電能能燃燒爐燃燒爐工業(yè)加工業(yè)加熱裝置熱裝置核反應(yīng)堆核反應(yīng)堆熱電直接熱電直接轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換裝置電熱裝置電熱裝置熱熱機機機機械械能能發(fā)發(fā)電電機機用用 戶戶能量轉(zhuǎn)換及利用圖能量轉(zhuǎn)換及利用圖蒸汽動力循環(huán)蒸汽動力循環(huán)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（1 1）蒸汽動力循環(huán)蒸汽動力循環(huán)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（1 1）蒸汽動力循環(huán)蒸汽動力循環(huán)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（1 1）蒸汽動力循環(huán)蒸汽動力循環(huán)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（能量轉(zhuǎn)

5、換系統(tǒng)（1 1）鍋爐鍋爐汽輪機汽輪機發(fā)電機發(fā)電機凝凝汽汽器器給水泵給水泵蒸汽蒸汽火力發(fā)電站系統(tǒng)圖火力發(fā)電站系統(tǒng)圖1 1鍋鍋爐爐汽輪機汽輪機發(fā)電機發(fā)電機凝凝汽汽器器給水泵給水泵蒸汽蒸汽火力發(fā)電站系統(tǒng)圖火力發(fā)電站系統(tǒng)圖2 2加加熱熱器器再熱器再熱器熱熱交交換換器器汽輪機汽輪機發(fā)電機發(fā)電機凝凝汽汽器器給水泵給水泵蒸汽蒸汽核電站系統(tǒng)示意圖核電站系統(tǒng)示意圖反反應(yīng)應(yīng)堆堆循環(huán)泵循環(huán)泵冷卻劑冷卻劑燃氣動力循環(huán)燃氣動力循環(huán)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（2 2）燃氣動力循環(huán)燃氣動力循環(huán)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（2 2）燃氣輪機燃氣輪機發(fā)電機發(fā)電機空氣空氣壓氣機壓氣機燃燒室燃燒室燃料燃料排氣排氣燃氣輪機發(fā)電示意圖燃

6、氣輪機發(fā)電示意圖燃氣燃氣- -蒸汽聯(lián)合循環(huán)蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)示意圖發(fā)電系統(tǒng)示意圖燃氣輪燃氣輪機機發(fā)電機發(fā)電機壓壓氣氣機機燃燒室燃燒室燃料燃料空氣空氣給水泵給水泵加熱器加熱器凝汽器凝汽器汽輪機汽輪機發(fā)電機發(fā)電機余熱鍋爐余熱鍋爐制冷循環(huán)制冷循環(huán)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（3 3）蒸發(fā)器蒸發(fā)器壓氣機壓氣機冷凝器冷凝器節(jié)流閥節(jié)流閥蒸汽壓縮式制冷示意圖蒸汽壓縮式制冷示意圖吸收低溫吸收低溫處的熱量處的熱量向外界環(huán)向外界環(huán)境散失熱境散失熱量量MM鍋鍋 爐爐主要動力裝置（主要動力裝置（1 1）按按用用途途分分類類電站鍋爐電站鍋爐工業(yè)鍋爐工業(yè)鍋爐船舶鍋爐船舶鍋爐機車鍋爐機車鍋爐按按蒸蒸汽汽壓壓力力低壓鍋爐低壓

7、鍋爐亞臨界鍋爐亞臨界鍋爐超臨界鍋爐超臨界鍋爐低于1718 MPa大于22.19 MPa按按燃燃料料分分類類燃煤鍋爐燃煤鍋爐燃油鍋爐燃油鍋爐燃氣鍋爐燃氣鍋爐按按燃燃燒燒方方式式燃粉鍋爐燃粉鍋爐層燃鍋爐層燃鍋爐流化床鍋爐流化床鍋爐鍋鍋 爐爐主要動力裝置（主要動力裝置（1 1）鍋鍋 爐爐主要動力裝置（主要動力裝置（1 1）鍋鍋 爐爐主要動力裝置（主要動力裝置（1 1）鍋鍋 爐爐主要動力裝置（主要動力裝置（1 1）汽輪機汽輪機主要動力裝置（主要動力裝置（2 2）汽輪機汽輪機主要動力裝置（主要動力裝置（2 2）汽輪機汽輪機主要動力裝置（主要動力裝置（2 2）汽輪機汽輪機主要動力裝置（主要動力裝置（2 2

8、）泵和風機泵和風機主要動力裝置（主要動力裝置（3 3）泵和風機泵和風機主要動力裝置（主要動力裝置（3 3）熱質(zhì)交熱質(zhì)交換設(shè)備換設(shè)備主要動力裝置（主要動力裝置（4 4）熱質(zhì)交熱質(zhì)交換設(shè)備換設(shè)備主要動力裝置（主要動力裝置（4 4）熱質(zhì)交熱質(zhì)交換設(shè)備換設(shè)備主要動力裝置（主要動力裝置（4 4）水輪機水輪機主要動力裝置（主要動力裝置（5 5）內(nèi)燃機內(nèi)燃機主要動力裝置（主要動力裝置（6 6）蒸發(fā)器和蒸發(fā)器和冷凝器冷凝器主要動力裝置（主要動力裝置（7 7）熱能動力工程的理論基礎(chǔ)（熱能動力工程的理論基礎(chǔ)（1 1）工程熱力學工程熱力學工程熱力學是熱能動力工程專業(yè)的一門骨干專業(yè)基礎(chǔ)課;主要研究熱能與機械能之間相互

9、轉(zhuǎn)換的規(guī)律，和如何科學地，有效地利用能源，以及實現(xiàn)將熱能高效地轉(zhuǎn)變成機械能的方法;該課程的主要內(nèi)容有熱力學第一定律，熱力學第二定律，工質(zhì)熱力性質(zhì)，熱力過程和循環(huán)的分析方法，能量轉(zhuǎn)的技術(shù)等。1 工程熱力學定義工程熱力學定義 將經(jīng)典熱力學理論與工程實際應(yīng)用相結(jié)合的應(yīng)用基礎(chǔ)學科。2 任務(wù)任務(wù)研究工程中能量轉(zhuǎn)換的基本規(guī)律以及能量轉(zhuǎn)換與工質(zhì)（工作物質(zhì)）性質(zhì)之間的關(guān)系。熱與功轉(zhuǎn)換,數(shù)量上的關(guān)系及熱功轉(zhuǎn)換中的代價熱與功轉(zhuǎn)換過程對熱與功 轉(zhuǎn)換數(shù)量的影響不同工質(zhì)對熱與功轉(zhuǎn)換數(shù)量的影響4 特點特點 宏觀性 相對靜止性 分散性 抓住主線 理論聯(lián)系實際 重視基本技能訓練 分析計算能力、實驗技能 認真完成作業(yè)熱能動力工

10、程的理論基礎(chǔ)（熱能動力工程的理論基礎(chǔ)（2 2）傳熱學傳熱學傳熱學傳熱學是研究是研究熱量傳遞規(guī)律的一門學科熱量傳遞規(guī)律的一門學科，其內(nèi)容包括熱量傳遞的方式、機理、計算其內(nèi)容包括熱量傳遞的方式、機理、計算和測試等。和測試等。熱傳導（導熱）熱傳導（導熱）熱對流熱對流熱輻射熱輻射1T2T2022-6-1501 傳熱學的概念傳熱學的概念 研究熱量傳遞規(guī)律的一門科學研究熱量傳遞規(guī)律的一門科學 具體來講主要有熱量傳遞的機理、規(guī)律、計算具體來講主要有熱量傳遞的機理、規(guī)律、計算和測試方法和測試方法熱熱？ 熱量熱量？ 熱能熱能？2022-6-151鉆木取火鉆木取火 太陽太陽電熱器電熱器 地熱地熱2022-6-15

11、22022-6-153 求解溫度分布求解溫度分布 計算熱量傳遞的速率計算熱量傳遞的速率 熱力學熱力學 + + 傳熱學傳熱學= =熱科學熱科學(Thermal (Thermal Science)Science) 系統(tǒng)從一個平系統(tǒng)從一個平衡態(tài)到另一個衡態(tài)到另一個平衡態(tài)的過程平衡態(tài)的過程中傳遞熱量的中傳遞熱量的多少。多少。 關(guān)心的是熱關(guān)心的是熱量傳遞的過量傳遞的過程，即熱量程，即熱量傳遞的速率。傳遞的速率。水，水，MM2 22020o oC C鐵塊鐵塊, , MM1 1300300o oC C熱力學：熱力學：t tm m , Q , Q 傳熱學傳熱學)( );,( fQzyxft 2022-6-15

12、42022-6-155123443a3b3a3b透平能透平能量損失量損失煙囪能煙囪能量損失量損失透平溫降透平溫降（壓降）（壓降）煙囪溫降煙囪溫降（壓降）（壓降）動能損失動能損失太陽能煙囪電站空氣循環(huán)溫熵圖太陽能煙囪電站空氣循環(huán)溫熵圖TS1 太陽能太陽能熱氣流能熱氣流能機械能機械能電電 能能2022-6-1562022-6-157自然界與生產(chǎn)過程到處存在溫差自然界與生產(chǎn)過程到處存在溫差傳熱很普遍傳熱很普遍日常生活中的例子：日常生活中的例子：為什么水壺的提把要包上橡膠？為什么水壺的提把要包上橡膠？2022-6-158特別是在下列技術(shù)領(lǐng)域大量存在傳熱問題：特別是在下列技術(shù)領(lǐng)域大量存在傳熱問題：動力、

13、化工、制冷、建筑、機械制造、新能源、動力、化工、制冷、建筑、機械制造、新能源、微電子、核能、航空航天、微機電系統(tǒng)微電子、核能、航空航天、微機電系統(tǒng)（MEMSMEMS）、新材料、軍事科學與技術(shù)、生命科）、新材料、軍事科學與技術(shù)、生命科學與生物技術(shù)學與生物技術(shù)2022-6-1592022-6-1602022-6-16112342022-6-1622022-6-163熱能動力工程的理論基礎(chǔ)（熱能動力工程的理論基礎(chǔ)（3 3）流體力學流體力學流體力學流體力學是研究是研究流體平衡和運動規(guī)律流體平衡和運動規(guī)律，是力學的基本原理在液體和氣體中實際應(yīng)是力學的基本原理在液體和氣體中實際應(yīng)用的一門科學。用的一門科學

14、。主要內(nèi)容包括：流體的物性；流體平衡的主要內(nèi)容包括：流體的物性；流體平衡的條件及平衡時壓強分布規(guī)律；理想流體和條件及平衡時壓強分布規(guī)律；理想流體和黏性流體運動的基本方程；管道流動分析黏性流體運動的基本方程；管道流動分析及管路計算；繞過物體流動及邊界層理論。及管路計算；繞過物體流動及邊界層理論。 理論分析方法、實驗方法、數(shù)值方法相互配合，互為補充理論分析方法、實驗方法、數(shù)值方法相互配合，互為補充理論研究方法理論研究方法力學模型力學模型物理基本定律物理基本定律求解數(shù)學方程求解數(shù)學方程分析和揭示本質(zhì)和規(guī)律分析和揭示本質(zhì)和規(guī)律實驗方法實驗方法相似理論相似理論模型實驗裝置模型實驗裝置數(shù)值方法數(shù)值方法計算

15、機數(shù)值方法是現(xiàn)代分析手段中發(fā)展最快的方法之一計算機數(shù)值方法是現(xiàn)代分析手段中發(fā)展最快的方法之一1 1 研究內(nèi)容和研究方法研究內(nèi)容和研究方法流體力學的研究任務(wù)流體力學的研究任務(wù) 流體在外力作用下平衡和運動的規(guī)律流體在外力作用下平衡和運動的規(guī)律 1高爾夫球：表面光滑還是粗糙？高爾夫球：表面光滑還是粗糙？ 高爾夫球運動起源于高爾夫球運動起源于1515世紀的蘇格蘭，世紀的蘇格蘭，當時人們認為表面光滑的球飛行阻力小，當時人們認為表面光滑的球飛行阻力小，因此用皮革制球。后來發(fā)現(xiàn)表面有很多劃因此用皮革制球。后來發(fā)現(xiàn)表面有很多劃痕的舊球反而飛得更遠，這個謎直到痕的舊球反而飛得更遠，這個謎直到2020世世紀建立流

16、體力學邊界層理論后才解開?，F(xiàn)紀建立流體力學邊界層理論后才解開。現(xiàn)在的高爾夫球表面有很多窩坑，在同樣大在的高爾夫球表面有很多窩坑，在同樣大小和重量下，飛行距離為光滑球的小和重量下，飛行距離為光滑球的5 5倍。倍。 高爾夫球的表面做成有凹點的粗糙表面，高爾夫球的表面做成有凹點的粗糙表面，就是利用粗糙度使層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鞯呐R界雷諾就是利用粗糙度使層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鞯呐R界雷諾數(shù)減小，使流動變?yōu)槲闪?，以減小阻力數(shù)減小，使流動變?yōu)槲闪?，以減小阻力 。思考：乒乓球表面為什么是光滑的？思考：乒乓球表面為什么是光滑的？2 2 流體力學的應(yīng)用流體力學的應(yīng)用2. 汽車阻力：來自前部還是后部？汽車阻力：來自前部還是后部？ 箱型車，阻力系數(shù)（箱型車，阻力系數(shù)（C CD D）很大，約為。）很大，約為。甲殼蟲型，阻力系數(shù)降至。甲殼蟲型，阻力系數(shù)降