热工基础与应用

英国 40 67 27 20 70
能源与环境
• 燃煤：SO2、 粉尘、 CO2
（酸雨） （温室效应） acid rain Greenhouse effect
• 车辆：NOx、 HC 、 CO
SUN
缺氧
O3
雾Smog
第二节 热能的合理利用
能源转换利用的关系
生物质
风 能
水 能
化 学 能
燃
料 电 池
• 传热学：
– 热量Q 传递过程的规律
– 传热学研究过程和非平 衡态
– 以热力学第一定律和第 二定律为基础
本章小结
本章主要内容
• 能源的概念与分类 • 能源转换利用关系 • 能源的利用与社会的发展 • 中国的能源结构与能源现状 • 能源与环境 • 能源利用与人类社会的可持续发展 • 热能的合理利用 • 能量转换装置 • 热工基础的研究对象、内容和方法
制冷空调装置基本特点
1、热源，冷源
2、工质 （制冷剂）
3、容积变化功 4、循环
(加压、放热、 膨 胀、吸热)
制冷循环简图
• 制冷系数
Coefficient of Performance (COP)
收益 代价
Q2 Wnet
热力装置/制冷空调装置共同基本 特点
• 热源，冷源 • 工质
• 容积变化功
(Turbine)
(Feed Pump)
(Condenser)
蒸汽动力装置基本特点
过热器
锅 炉
汽轮机
发电机 冷 凝 器
1、热源，冷源 2、工质
（水，蒸汽） 3、膨胀做功 4、循环
(加压、加热、膨
胀做功、放热)
给水泵
内燃机装置
internal combustion engine
内燃机装置
internal combustion engine
第一章 能源概述（绪论）
第一节 自然界的能源 及其利用
能源的概念与分类
• 能源 (Energy Sources)
–提供能量（Energy）和动力（power）的物 质资源。
• 分类：
–来源 –形态：一次能源、二次能源 –使用程度和技术 –污染程度 –性质：含能体能源、过程性能源
能源的利用与社会的发展
Q1 Q2
空气 油
废气
内燃机装置基本特点
1、热源，冷源 2、工质
（燃气） 3、膨胀做功 4、循环
(加压、加热、膨 胀做功、放热)
动力循环简图
• 热效率 Thermal efficiency
高温热源 （热源）
Q1
热机
W
Q2
低温热源 （冷源）
• 压缩制冷装置 冰箱 refrigerator
• 空调 (Air-condition)
• 薪柴时期 • 煤炭时期 • 石油时期 • 核能与其他新能源
能源现状
• 2000.12.30《世界能源报道》：
–石油 Petroleum
• 世界40-50年 •我国探明可开采储量32.74亿吨
可开采15~20年
能源现状
• 2000.12.30《世界能源报道》
–天然气 Natural Gas
• 世界60年 • 我国探明可开采储量11704亿m3
风 车
水水
轮 机
车
燃 烧
核 能
聚裂 变变
热
地太
热
阳
一次能源
能 能 (天然存在)
利 用
光转 热换
光 电
转
能 90%
换
热机
机械能 发电 电动 机机
直接利用
二次能源
电
能
能量转换装置 • 热能动力装置
• 制冷装置
Power Plant
• 火力发电（蒸汽动力）装置简图
• 蒸汽动力装置原理图
(Boiler)
• 循环
heat reservoir
medium, working substance
moving boundary work
cycle
热机种类
能量利用率
heat engine Energy effiHale Waihona Puke Baiduiency
发电（火力、核能） 车辆发动机（内燃机） 轮船发动机 航空发动机 制冷空调(非热机，同理）
学习要求
• 通过本章学习，要求学生
– 了解能源的概念与分类 – 建立节能与环保意识，了解能源与人类社会可
持续发展的关系 – 了解本课程的主要研究对象、内容和方法
40% 25~35%
25~35% 20~30% >200%
第三节 热工基础的研究对象、 内容和方法
热工基础的课程目的与内容
• 课程目的
– 是讲授热能和机械能相互转换基本理论以及热 量传递规律、以提高热能利用完善程度的一门 技术基础课。
• 课程内容
– 工程热力学 – 传热学
工程热力学是一门研究热能有效利用及热能 和其它形式能量转换规律的科学。
– 通过大量的实验和观察总结出基本规律，再以 基本规律为依据，经过严密的逻辑推导，导出 描述物质性质的宏观物理量之间的普遍关系及 其他一些重要推论。
– 由于热力学基本定律是无数经验的总结，因而 具有高度的可靠性和普遍性。
– 但是，宏观研究不涉及物质的微观结构，因此 不能解释热现象的本质。
• 传热学是研究热量传递规律的一门科学。 • 基本内容：
– 导热 – 对流换热 – 热辐射及辐射换热 – 传热过程与换热器
• 理论基础：
– 热力学第一定律 – 热力学第二定律
• 研究方法：
– 理论分析 – 数值计算 – 实验研究
传热学与工程热力学的关系
• 工程热力学：
– 热能的性质、热能与机 械能及其他形式能量之 间相互转换的规律
– 热力学研究平衡态
– 以热力学第一定律和第 二定律为基础
可开采28~58年
能源现状
• 2000.12.30《世界能源报道》
–煤炭 Coal
• 世界220年 •我国探明可开采储量1145亿吨
可开采54~81年
各国能源利用效率
项目 总的能源利用效率
其中：工业 电力 交通 民用
中国 30 35 24 15 25
日本 57 78 30 25 80
美国 51 77 30 25 30
研究内容包括：
– 热能与机械能转换的基本原理与规律——热力 学第一定律和热力学第二定律。
– 工质的基本性质 – 热力过程与热力循环
• 工程热力学的主要研究方法是宏观方法。
• 特点：
– 不考虑物质的微观结构，把物质视为一个宏观 的连续的整体，并且用宏观物理量（如：压力、 温度、体积、质量）对其状态进行描述。