热工基础(第二版)-张学学(1)绪论

2020/6/251热工学2020/6/252绪论1.能量0-1能量与能源能量是物质运动的度量。能量是人类社会生存、发展的动力。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。2020/6/253能量的主要形式:机械能：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；电能化学能核能辐射能:物体的动能与势能；热能：与电荷的运动和积蓄有关的能量；：通过化学反应释放的能量；：通过核反应释放的能量；：物体以电磁波的形式发射的能量。2020/6/2542.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、核能等。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。二次能源:电力、煤气、汽油、沼气、氢气、甲醇、酒精等。2020/6/2553）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。（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，能源开发和利用水平是人类社会文明的重要标志之一。2020/6/256能源问题是全世界关注的重大问题，从20世纪70年代起，就被列入世界5大问题之一。全世界关注的5大问题：1）能源2）人口3）粮食4）环境5）资源能源建设也是我国四化建设的战略重点之一。2020/6/257（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。1）人均储备量少，远低于世界平均水平原煤：95吨/人（世界人均209吨/人）；原油：3吨/人（世界人均28吨/人）；天然气：1416m3/人（世界人均28400m3/人）。我国能源利用现状及存在的主要问题：2020/6/258我国大陆地区年总发电量2.5亿千瓦，人均0.2千瓦/（人·年）；台湾地区人均1.0千瓦/（人·年）；欧、美、日本等发达国家6千瓦/人·年）。我国的人均能源消费水平低，并且远低于世界发达国家的水平：人均能源消费水平2020/6/2592）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％；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。2020/6/2510中国与日本工业能耗比较00.511.522.533.5吨煤/吨钢吨煤/吨合成氨总利用率中国日本2020/6/2511中国发电的平均耗煤量010020030040050060019601970198019911997中国世界先进g/(kW.h)2020/6/25123）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；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。2020/6/2513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。2020/6/25143.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。氢、酒精等二次能源燃料电池电能机械能辐射能热能风能、水能、海洋能机械机械能直接利用发电机煤、石油、天然气热能热机直接利用核能核反应太阳能光合作用生物质能燃烧食物利用集热器光电池90％燃烧2020/6/2515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，世界其它各国平均也超过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。2020/6/2516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大约只有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。2020/6/25170-2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、提高热能利用率的方法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。2020/6/25181.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。（2）研究方法工程热力学采用经典热力学的宏观（不涉及微观，整体对待）研究方法，还普遍采用抽象、概括、理想化和简化处理方法。2020/6/2519热机工作过程示意图高温热源吸热Q1热机作功W机械能放热Q2低温热源锅炉汽轮机冷凝器水泵冷却水过热蒸汽乏汽循环水发电机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。2020/6/25202.传热学的研究内容与研究方法（1）研究内容传热学以热力学第一、第二定律为基础，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。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。2020/6/2521（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。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。工程热力学和传热学对同一现象或过程在研究中各有侧重，例如一杯水放在桌上冷却，工程热力学研究可提供热水温度下降到室温放出的热量，传热学研究热量如何传出、放热过程的快慢等。2020/6/2522热工理论发展简史第一次工业革命的到来催生了热工理论的建立与高速发展。19世纪中叶，以迈耶和焦耳为代表的科学家提出了能量守恒的理论，建立了热力学第一定律；在寻求发展大型、高效的热机的过程中，卡诺提出了卡诺定理，克劳修斯和开尔文建立了热力学第二定律。热力学第一定律和第二定律奠定了热力学理论基础。20世纪初，能斯特归纳出热力学第三定律，指出绝对热力学零度不能达到，从而使热力学理论更臻完善。随着可用能的概念和方法的建立，现在对热能装置的分析已从能量数量发展到能量质量方面。2020/6/2523为了更有效的利用热能，迫切需要对热量传递的基本规律进行深入研究，这就导致了传热学的产生和发展。19世纪初，傅里叶奠定了导热理论的基础—傅里叶热传导定律；以纳维、斯托克斯、雷诺、努塞尔等为代表的科学家在长达近百年的时间里，对对流传热进行了不懈的理论和实验研究，直到20世纪初，对流传热的研究才取得重大突破；19世纪末，斯忒藩-玻尔兹曼黑体辐射力四次方定律的建立，以及20世纪初普朗克光谱能量分布公式，奠定了热辐射理论的基础。20世纪后半叶，电子计算机的运用，对传热学的发展做出了卓越贡献。传热学目前正在向广度和深度进一步发展。2020/6/2524热工基础课程的学习主要有两个目的（1）掌握工程热力学的基本概念、基本定律和基本分析方法，掌握热能和机械能之间相互转换的规律及提高转换经济性的方法和技术措施，树立节约能源、合理用能的观念；（2）掌握传热学的基本概念、基本理论与基本分析计算和实验研究方法，为今后研究、处理、解决实际的传热工程问题奠定必要的技术理论基础。2020/6/2525热工基础是现代工程技术人才必备的技术基础知识，是21世纪工科各类专业人才工程素质的重要组成部分。除了能源、动力类专业学生必须进一步深入学习工程热力学与传热学之外，热工基础课程应该是机械类、交通运输类、航空航天类、武器类、土建类、材料类、化工与制药类、轻工纺织食品类、环境与安全类等各类专业大学本科生必修的一门技术基础课。热工基础课程在人才培养中的地位与作用