02-01工程熱力學(xué)課件緒論

1、工程熱力學(xué)課件華北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院工程熱物理教研室郭喜燕辦公室：主樓F613電話：61772472（O）工程熱力學(xué) Engineering Thermodynamics 緒 論一.熱能及其利用二、熱力學(xué)發(fā)展簡史三 學(xué)習(xí)工程熱力學(xué)的重要意義四 工程熱力學(xué)研究內(nèi)容和研究方法五 參考書目及課時安排一.熱能及其利用 1 能源定義 能源：提供各種能量的物質(zhì)資源。2 能源分類 按開發(fā)步驟分為（1）一次能源：不需要加工或轉(zhuǎn)換，可以直接利用的能源。 如原煤、原油、天然氣的化學(xué)能，水能，風(fēng)能，太陽能、 地?zé)崮?、核能等。?）二次能源：由一次能源加工轉(zhuǎn)換后的能源。 如電力、煤氣、汽油、沼氣、氫氣等。 按

2、被利用程度分為（1）常規(guī)能源：如原煤、原油、天然氣的化學(xué)能，水能、核能等。（2）新能源：如風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮艿取?按能否再生分為（1）可再生能源：不會隨它自身的轉(zhuǎn)化或人類的利用而日益減少的能源。如水能、風(fēng)能、太陽能等。（2）非再生能源：隨著人類的利用越來越少的能源。如原煤、原油、天然氣的化學(xué)能，核能等。 按對環(huán)境的污染情況分為（1）清潔能源：對環(huán)境無污染或污染很小的能源。如水能、風(fēng)能、太陽能等。（2）非清潔能源：對環(huán)境污染較大的能源。如原煤、原油等。 各種能量之間的轉(zhuǎn)化圖 傳統(tǒng)能源 以煤炭為主，油氣資源匱乏。 “富煤、貧油、少氣”。 利用煤帶來的問題： 能源利用率低，浪費(fèi)能源 煤礦的安全問題

3、、環(huán)境污染問題等。 目前已成為石油進(jìn)口大國 天然氣資源雖有好的前景，但資源量有限，需從鄰國購買 新能源/可再生能源 風(fēng)能、生物質(zhì)能和太陽能資源都比較豐富， “十三五”期間，從補(bǔ)充能源向替代能源轉(zhuǎn)變。 多元能源供應(yīng)體系 集中式+分布式3 我國的能源狀況2000年-2017年全國電力裝機(jī)增長情況(來自北極星電力網(wǎng)“2017全國電力版圖”)電力與新能源發(fā)電組單位：萬千瓦電力與新能源發(fā)電組 2017年裝機(jī)容量結(jié)構(gòu)(來自北極星電力網(wǎng)“2017全國電力版圖大揭秘”) 截至2017年底，全國火電裝機(jī)110604(105388)萬千瓦、水電34119 (33211) 萬千瓦、風(fēng)電16367(14864) 萬千

4、瓦、太陽能發(fā)電13025 (7742)萬千瓦、核電3582(3364) 萬千瓦。(注:括號內(nèi)為2016年數(shù)據(jù))2017年2016年我國大型火電站（來自北極星電力網(wǎng)2016“中國火電裝機(jī)百強(qiáng)企業(yè)榜單” ） 我國十大水電站 2017年來自北極星電力網(wǎng)1.三峽水電站： 總裝機(jī)容量1820萬KW(加地下共2240萬KW）,世界第一2.溪洛渡水電站： 總裝機(jī)容量1260萬KW3.白鶴灘水電站： 裝機(jī)容量1250萬KW4.烏東德水電站：初選電站裝機(jī)容量870萬千瓦5.向家壩水電站： 裝機(jī)容量640萬KW我國十大水電站 2017年來自北極星電力網(wǎng)6.糯扎渡水電站： 總裝機(jī)容量585萬千瓦7.龍灘水電站： 裝

5、機(jī)容量420萬千瓦(后期540萬千瓦)8.錦屏二級水電站,總裝機(jī)480萬千瓦9.小灣水電站： 總裝機(jī)容量420萬KW 10.兩家人水電站：總裝機(jī)容量400萬KW 我國大型風(fēng)電基地（來自北極星風(fēng)力發(fā)電網(wǎng) ）截止2014年6月底，全國已累計核準(zhǔn)大型風(fēng)電基地8個： 酒泉基地一期和酒泉基地二期共680萬千瓦 張家口基地一期和張家口基地二期共300萬千瓦 承德基地100萬千瓦 通遼開魯基地150萬千瓦 巴彥淖爾烏拉特右中旗基地210萬千瓦 包頭達(dá)茂旗基地160萬千瓦 哈密東南部基地200萬千瓦 甘肅民勤紅沙崗基地100萬千瓦 2014-2020年，我國重點(diǎn)規(guī)劃建設(shè)酒泉、內(nèi)蒙古西部、內(nèi)蒙古東部、冀北、吉林

6、、黑龍江、山東、哈密、江蘇等9個大型現(xiàn)代風(fēng)電基地以及配套送出工程。太陽熱發(fā)電項(xiàng)目中電投100MW（2X50MW）格爾木太陽能聚熱電站國電青松吐魯番新能源有限公司180千瓦槽式太陽能熱發(fā)電中試裝置并網(wǎng)運(yùn)行華能三亞1.5MW菲涅耳式太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目內(nèi)蒙古鄂爾多斯100千瓦碟式斯特林光熱電站（以上來自“2017-2022年中國太陽能光熱發(fā)電市場深度調(diào)查及未來發(fā)展趨勢報告”） 2016年9月14日，國家能源局關(guān)于建設(shè)太陽能熱發(fā)電示范項(xiàng)目的通知正式印發(fā)，共20個項(xiàng)目入選，總計裝機(jī)容量134.9萬千瓦，包括9個塔式電站，7個槽式電站和4個菲涅爾電站，無碟式項(xiàng)目入圍，項(xiàng)目分布在甘肅（9個）、青海（4個）、河

7、北（4個）、內(nèi)蒙古（2個）、新疆（1個）五地。(來自北極星太陽能光伏網(wǎng)“淺析關(guān)于建設(shè)太陽能熱發(fā)電示范項(xiàng)目的通知”)太陽熱發(fā)電項(xiàng)目太陽熱發(fā)電項(xiàng)目 中國核電站（來自北極星電力網(wǎng)“中國大陸核電機(jī)組運(yùn)行已達(dá)279.13堆年”） 截止2018年02月28日，我國共有商業(yè)運(yùn)行核電機(jī)組38臺（不含臺灣地區(qū)），運(yùn)行堆年為279.13年. 中國核電站（來自北極星電力網(wǎng)“中國大陸核電機(jī)組運(yùn)行已達(dá)279.13堆年”）開發(fā)能源環(huán)保利用能源節(jié)能開發(fā)新能源、可再生能源節(jié)約現(xiàn)存資源能源是全球關(guān)注的焦點(diǎn)做到：“開源節(jié)流” 熱力學(xué)分支 按照研究目的和內(nèi)容可分為：理論熱力學(xué)、化學(xué)熱力學(xué)、工程熱力學(xué)、生物熱力學(xué) 熱力學(xué)是研究能量、

8、能量轉(zhuǎn)換及其與物質(zhì)性質(zhì)之間關(guān)系的普遍學(xué)說。二、熱力學(xué)發(fā)展簡史工程熱力學(xué)（熱力學(xué)的工程分支） 研究熱能和其它形式能量（主要是機(jī)械能）之間相互轉(zhuǎn)化的規(guī)律及其工程應(yīng)用1、熱力學(xué)建立時期 原始人 取火和用火，并不是熱力學(xué)的開始。 1784年，瓦特（J.Watt)對原始蒸汽機(jī)進(jìn)行改造 蒸汽機(jī)運(yùn)用到航海 船上儲煤空間寶貴 研究提高蒸汽機(jī)的工作效率、節(jié)約用煤問題 蒸汽機(jī)的發(fā)展促進(jìn)了熱力學(xué)的建立與發(fā)展。 在十九世紀(jì)中葉開始形成“熱力學(xué)”這門學(xué)科，和“電磁學(xué)”一道從牛頓力學(xué)上分支出來。2、 兩大定律提出奠定了熱力學(xué)的理論基礎(chǔ)。1）熱力學(xué)第一定律建立 到十九世紀(jì)中葉，焦耳（J.P.Joule.1818-1889)

9、前后用了20多年時間，做過多種多樣的實(shí)驗(yàn)，測定了熱功當(dāng)量。1850年當(dāng)焦耳寫出第一篇總結(jié)論文時，他的各種精確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性，已經(jīng)給出了能量守恒定律的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。 此外，邁爾（Julius Robert Von Mayer 1814-1878）和赫姆霍茲（Hermann Von Helmholtz 1821-1894）等人也都對熱力學(xué)第一定律作出了貢獻(xiàn)。焦耳：能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)者之一 焦耳，J.P.（James Prescott Joule 18181889） 英國物理學(xué)家。2)熱力學(xué)第二定律建立1824年，卡諾（Sadi Carnot 1796-1832）提出了卡諾循環(huán)和卡諾定理，發(fā)現(xiàn)這從本

10、質(zhì)上說明了熱力學(xué)第二定律。在卡諾研究的基礎(chǔ)上，18501851年間，克勞修斯和開爾文先后提出了熱力學(xué)第二定律（熱量傳遞、熱變成功）。開爾文在1848年根據(jù)卡諾定理制定了“熱力學(xué)溫標(biāo)”，克勞修斯在1850年根據(jù)卡諾定理提出了“熵”?？ㄖZ（Sadi Carnot） ：英年早逝的奠基者28歲時發(fā)表 關(guān)于火的動力 36歲去世。3. 熱力學(xué)第三定律提出使其更完善 1906年，能斯特（walter Nernst 1869-1941)根據(jù)低溫下化學(xué)反應(yīng)的大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)歸納出了新的規(guī)律，并于1912年將之表述為絕對零度不能達(dá)到，即熱力學(xué)第三定律。 熱力學(xué)第三定律的建立，使經(jīng)典熱力學(xué)理論更加完善。4.熱力學(xué)理論上

11、的成就促進(jìn)了熱動力機(jī)的不斷改進(jìn)與發(fā)展。早期蒸汽機(jī)的熱效率只有1%2%，目前蒸汽電站的 熱效率達(dá)40%，燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)的熱效率已接近60%十九世紀(jì)末，發(fā)明汽輪機(jī)：高參數(shù)、高效率、大功率。十九世紀(jì)末，發(fā)明內(nèi)燃機(jī)：重量輕、熱效率高近幾十年來，燃?xì)廨啓C(jī)已發(fā)展并改進(jìn)成為適合實(shí)際應(yīng)用的一種重要的熱動力設(shè)備：軍艦、噴氣式飛機(jī)、燃機(jī)電站。三 學(xué)習(xí)工程熱力學(xué)的重要意義1）是第一門、也是最重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。是眾多院校研究生入學(xué)的考試科目。2）應(yīng)用廣泛：電廠熱能動力工程、建筑環(huán)境與設(shè)備工程（暖通、空調(diào)）、化工、汽車、火箭、核電站等。3）能解決很多專業(yè)方面的問題和日常生活方面問題?；鹆Πl(fā)電原理圖革凝汽器的命？我

12、國的能源短缺，而一般蒸汽火電廠的熱效率只有40%左右，煤燃燒產(chǎn)生的熱量中大約50%由冷卻塔（cooling tower)排放到周圍環(huán)境。為什么不能不要凝汽器（即所謂“革凝汽器的命”）？為什么要將汽輪機(jī)切開？為什么要在汽輪機(jī)上打孔？例3：哥倫比亞航天飛機(jī)失事2003年2月1日22點(diǎn)（北京時間），美國哥倫比亞航天飛機(jī)在返回地面前16分鐘解體，7宇航員罹難 。失事時，飛行高度為203,000英尺，時速為12,500英里。老化：服務(wù)21年 。滯止溫度：在點(diǎn)火升空時，其巨大的外部燃料箱隔熱瓦脫落，并且擊中了飛機(jī)的左翼的熱保護(hù)系統(tǒng)，形成裂縫。 附：隔熱瓦絕熱瓦是用來保護(hù)燃料箱免于高溫或低溫的損害，圖中的樣

13、品與懷疑從固體火箭助推器外部燃料箱左側(cè)脫落的絕熱瓦屬于同一類型。例四：汽化潛熱為什么用蒸鍋熱剩飯剩菜時，沒有必要放很多水？四 工程熱力學(xué)研究內(nèi)容和研究方法1 研究內(nèi)容（1）基本概念與基本定律（2）常用工質(zhì)熱物性研究（3）理想氣體、水蒸氣熱力過程，氣體與蒸汽的流動，氣體壓縮（4）動力循環(huán)與制冷循環(huán)的分析與計算（5）化學(xué)熱力學(xué)工程熱力學(xué)基本內(nèi)容的框架結(jié)構(gòu)2 研究方法（1）宏觀研究方法 宏觀熱力學(xué)（經(jīng)典熱力學(xué)） 以兩大定律為基礎(chǔ)，建立宏觀分析模型來推導(dǎo)分析熱力過程，不考慮物質(zhì)分子和原子的微觀結(jié)構(gòu)。 研究對象：大量粒子構(gòu)成的集合體。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)論具有普遍性，不受對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)認(rèn)識 的影響。 缺點(diǎn)：不能闡明體系性質(zhì)的內(nèi)在原因（2）微觀研究方法 統(tǒng)計熱力學(xué) 應(yīng)用統(tǒng)計法則和概率法則的研究方法 研究對象：大量粒子構(gòu)成的集合體。 優(yōu)點(diǎn)：揭示了體系宏觀現(xiàn)象的微觀本質(zhì)， 缺點(diǎn)：對分子微觀結(jié)構(gòu)的假設(shè)是近似的，得出的理論 結(jié)果未必精確 兩種方法相互結(jié)合來學(xué)習(xí)工程熱力學(xué)3 建議工程熱力學(xué)是一門很重要、很有意思的課，但同時也是公認(rèn)的很難學(xué)的一門課：概念抽象、內(nèi)容繁多。課