《热工基础》绪论

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热能利用的基本方式
（1） 热利用： 烧饭、采暖、烘干、熔炼等；
（2）动力利用： 通过热机将热能转换成机械能 或者再通过发电机转换成电能加以
利用。
由于热能转换为机械能的有效利用程度（即热 机的热效率）较低，早期蒸汽机的热效率只有1％ 2％，现代燃气轮机装置的热效率只有37％42％， 蒸汽电站的热效率也只有40％左右。因此，如何更 有效地实现热能和机械能之间的转换，提高热机的 热效率，是十分重要的课题。
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电动汽车锂电池热失控
2019年4月21日，上海徐 汇区一小区地下车库内， 一辆特斯拉轿车突然起火 燃烧，火势还殃及了周遭 停泊的其他车辆。
2019年5月3日，一辆特斯拉 Model S在美国旧金山的一 个私人车库中自燃。
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电动汽车锂电池热管理
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核能
核反应
燃烧 集热器
热机 90％
热 能 直接利用
燃烧
太阳能 光合作用
生物质能 食物利用
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据统计，目前通过热能形式利用 的能源在我国占总能源利用的90％以上， 世界其他各国平均也超过85％。由此可 见，在能量转换与利用过程中，热能不 仅是最常见的形式，而且具有特殊重要 的作用。热能的有效利用对于解决我国 的能源问题乃至对人类社会的发展有着 重大意义。
Potentials of Heat-island Reduction Strategies[J]. Energy Policy, 2005, 33: 721-756）
洛杉矶 年用电量2310亿kW·h（2012《福布斯》发布的对全球150个大城
市的年耗电量统计）
加州家庭每kW·h的电费为17.97美分（美国能源信息管理局2016年
CoolSeal是GuardTop 生产的一种超高性能沥青基密 封涂层，可通过其较浅的表面和更高的反射率实现更 低的表面温度。适合学校，停车场和美国LEED绿色认 证建筑等。清凉路面不仅可以降低当地的环境温度； 同时，更强的反光可以节省道路和停车场照明所需的 能源。
根据报道，如果像洛杉矶这样的城市在35%的街道使 用，那么一年就可以节省大约一亿美元的费用。
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2.传热学的研究内容与研究方法
（1）研究内容
传热学主要研究热量传递的规律。
所谓热量，是指在温差的作用下传递的热 能的数量。由于在人们的日常生活和生产实 践中温差几乎无处不在，所以热量传递是普 遍存在的物理现象。
一切热能利用过程都离不开传热，热能 利用率和传热过程密切相关。
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反应器热应力分析
2021/2/11 氯化氢催化氧化反应器
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反应器热应力分析
温差→换热系数→流场
128根→3700根管子 中试→示范装置
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火 灾
✓ 火灾空间温度场分布 ✓ 热过程对材料耐火性能的影响 ✓ 传热数值计算方法
计算流体动力学+传热/传质+燃烧动力学
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绪论
热工在生活中的应用 热工在安全工程中的应用 热工的学科背景——能量与能源 热工基础的研究内容
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0-0-1热工在生活中的应用
汽车除雾
➢5、水蒸气与湿空气 老司机也不一定知道 空调除雾使用细节
• 制冷除雾
• 取暖除雾
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处理器
性能—频率—电压—能耗
• •
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2. 能源
能源是指能够直接或间接提供能量的物
质资源。
（1）能源分类
1）按开发利用的情况 常规能源：煤、石油、天然气、水能等。 新能源：太阳能、风能、海洋能、生物质能、
地热能、 核聚变燃料等。
2）按开发的步骤 一次能源: 煤、石油、天然气、风能、水能、 太阳能、 地热能、海洋能等。
11月数据）
0.55/（0.9-0.65）*0.33*0.35*2%*2310*108/4*17.97*10-2=5.3*107 $
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管理失误 个人原因、环境因素
能量意外释放 理论
不安全行为
不安全状态
作业安全分析 教育训练 思想工作 人员选择
能量或危险物质意外释放
作业安全分析 设计检查
发达国家能源的终端利用效率大于42％。
我国每万元GDP的能耗是日本的6倍、美国 的3倍、韩国的4.5倍。
我国单位产品的能耗平均比发达国家高40 ％左右。
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3）环境污染严重
工业的发展带来了严重的环境污染，据调查，
我国57%的城市空气中总悬浮颗粒超标； 48个大中城市空气中的SO2浓度超标； 82%城市出现过酸雨；
——一位来自西北的学子
2021/2/11 参考 毕导“一个清华博士在供暖前给广大学子最中肯的建议”
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冬季穿衣法则
一个拷问良心的问题： 秋衣和外套哪个穿在外面更暖和？
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“非常符合实际的假设” ：
1、人可以看作一个恒温37℃，底面半径为20 cm， 高为175cm的圆柱体！ 2、衣服可以看作均匀包在这个圆柱体外部的圆筒！
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穿衣禦寒の奧義——第九章
厚度较小、传热系数较大的秋衣应该穿在外层 而厚度较大、传热系数较小的大衣才应该贴身
穿着！ 所以科学的穿法是这样的
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电厂发电效率能有多少？ <40%！
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➢6、动力装置循环
天太热，洛杉矶往路上刷油漆，竟能降 10 ℃ http://www.sohu.com/a/157907172_565993
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λ
穿衣服一定会更暖和吗？ t∞ ro
h ri
ti
t1
R1
R2
t∞
绝热层的分析示意图
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增加绝热层厚度， 热损失可能增加，
增加绝热层厚度， 热损失一定减小。
我以为腾格里的冰雪让我学会 了抗冻
然而到了杭州才发现这帮连雪 都没见过的人才真是抗冻！
离了暖气我踏马就什么都不是 北方人取暖靠暖气 南方人真的只能靠一身正气
工艺指标10nm 核心数
热设计功耗(TDP)
i7 8565U vs i5 8600K
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处理器散热
➢9、导热---数值计算
➢10、对流换热
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手机散热
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世界上最大的动物是什么？ 为什么没有动物比蓝鲸更大了？？
30m+ 170t+
发热总细胞 vs 散热皮肤细胞 V∝l3 vs S ∝l2
技术维修审查
减少 数量
人员或财产损失
急救修理 调查危险分析
安全意识
防护装置 及构造
0-0-2热工在安全工程中的应用
三星boom 7的 安全性问题
研究发现，导致锂离子电池热失控甚至是燃烧 和爆炸的原因，主要是对电池大电流的充电， 或者是其使用过程中受到猛烈撞击或挤压等。 因此，研究锂离子电池的热安全性，分析充放 电过程中电池的温度分布和变化情况，对于预 测和评估锂离子电池的可靠性，从而控制其热 安全问题是非常有意义的。
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传热学的应用非常广泛，传热学知识 在能源、电力、冶金、动力机械、石油化 工、低温工程、环境与建筑等工业领域以 及在许多高科技领域都发挥着极其重要的 作用。如电子信息工程、航空航天、医学 和生命科学等 。
（2）研究方法
传热学主要采用理论分析、数值模拟和 实验研究相结合的研究方法。
二次能源: 电力、煤气、汽油、沼气、氢气、 甲醇、酒精等。
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3）按能否再生 可再生能源：水能、太阳能、风能、海洋能、
生物质能、地热能等； 非再生能源：煤、石油、天然气、核能等。 4）按开发利用过程中对环境的污染情况
清洁能源：太阳能、风能、水能、海洋能等；
非清洁能源：煤、石油、天然气等。
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0-2 热工基础的研究内容
热工基础
（热工理论基础）
工程热力学篇 传热学篇
主要研究内容：
热工基础主要研究热能利用的基 本规律以及热能利用过程及自然界所 有热现象中热量传递的基本规律。
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1.工程热力学的研究内容与研究方法
（1）研究内容
工程热力学主要研究热能和机械能 之间相互转换的规律及提高能量转换经 济性的途径和技术措施 。
Effect of Pavements’ Temperatures on Air Temperatures in Large Cities, LBNL-43442[R]. Berkeley, CA: Lawrence Berkeley National Laboratory, 2000）
在夏季，城市温度每增加l℃，就会导致城市用电量增 加1.5%~3.0%。（AKBARI H, KONOPACKI S. Calculating Energy-saving
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GuardTop 的CoolSeal已经过测试和认证，满足行业 标准33%的太阳能反射率设计目标，同时具有较好的 耐久性。
将路面对太阳辐射的吸收率从0.9降低到0.65，整个城 市的气温将降低0.55℃。（POMERANTZ M, PON B, AKBARI H, et a1. The
我国的CO2排放量仅次于美国，居世界第二，占 世界总排放量的13.6%。
据世界银行报导，我国城市空气污染对人体健 康和生产造成的损失估计每年200亿美元；酸雨使农 作物减产每年损失达50亿美元。
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我国的能源建设要走可持续发展的道 路，必须两条腿走路：
（1）合理利用能源，提高能源利用率。 主要途径就是改造或更新技术落后的能源 利用终端设备。
（2）大力开发对环境无污染或污染很小 的新能源，如太阳能、风能、水能、地 热能、海洋能、生物质能以及核能等。
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பைடு நூலகம்
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3. 能量的转换与利用
能量的利用过程，实质上是能量的传递与转换过程。
燃料电池
机械能
氢、酒精等二次能源
电能
辐射能
光电池
发电机
机械
风能、水能、海洋能
机械能
热能 直接利用
煤、石油、天然气
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（2）能源对人类社会发展的重要意义
能源是人类社会生存的基础，能源的开发和 利用是人类社会发展的动力，能源的开发和利用 水平是人类社会文明的重要标志之一。
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（3）我国能源利用的现状及主要问题
正常情况下，每个国家能源消费总量及增 长速度与其国民经济总产值及增长速度成正比， 而能源的人均消费量的多少则反映国民生活水 平的高低。
我国能源利用现状及存在的主要问题：
1）人均储备量少，远低于世界平均水平
例如：我国2012年探明的煤炭可开采储量 位于世界第三位，但是由于我国拥有13亿人口， 所以人均储量远低于世界平均水平。
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2）能源开发利用设备和技术落后，能源利 用效率低，浪费严重
我国能源的终端利用效率为32 ％ ～33％；
（2）研究方法
工程热力学采用经典热力学的宏观 研究方法，还普遍采用抽象、概括、理 想化和简化处理方法。
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热机工作过程示意图
过热蒸汽
发电机
锅 汽轮机 炉
乏汽 循环水
冷凝器
高温热源 吸热Q1 作功W
热机 机械能
放热Q2
水泵
冷却水
低温热源
如何提高热机的热能利用率（热效率）是
工程热力学的主要研究内容之一 。
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理论推导
根据柱坐标下圆筒壁的径向热流量方程
秋衣秋裤的主要成分是棉 导热系数k1=0.050 W/mK 风衣的主要成分是羊毛和聚酯纤维 导热系数k2=0.029 W/mK
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Amazing！ 如果你用我的方法秋衣外穿 在外面站上整整两天 那就能节省出整整一个鸡蛋的热量！
能量是物质运动的度量。
世界是由物质构成的，一切物质都处于 运动状态，所以一切物质都具有能量。
能量是人类社会进步的动力。
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能量的主要形式 :
机械能 : 物体的动能与势能； 热能 ：物质分子热运动动能与位能之和，即不涉
及化学变化和核反应的热力学能，也称为内 热能；
电能 ：与电荷的运动和积蓄有关的能量； 化学能 ：通过化学反应释放的能量； 核能 ：通过核反应释放的能量； 辐射能 ：物体以电磁波的形式发射的能量。
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校内相关研究
–储罐腐蚀产物自热特性模拟与热源反演 –消防战斗服隔热特性分析 –隧道火灾温度场分布规律及安全性分析
国内相关研究机构
–中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室 –热安全技术国家地方联合工程研究中心 –广东省核电热灾害防治工程技术研究中心
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1.能量
0-1 能量与能源