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1、热工基础,巫英伟,西安交通大学 Tel: 13992832620 Email: wyw810,课程名称：热工基础 Fundaments of Thermodynamics and Heat Transfer,教 材：热工基础与应用 (傅秦生等编),教学计划：总学时40学时,扩展参考教材：工程热力学 沈维道等编 (第三版) 传热学 杨世铭等编 (第三版),参考教材：蒋汉文主编. 热工学. 北京：高等教育出版社 1994,热工基础与应用 是讲授热能和机械能相互转换基本理论和热量传递规律，以提高热能利用完善程度的一门技术基础课。 希望通过同学们和老师的共同努力，圆满完成本学期的教学和学习任务。,第一
2、章 能源概论,第一节 热能及利用 (Thermal Energy and its Utilization),一、能源 (Energy Sources),为人类一生产和日常生活提供各种能量和动力的物质资源。,自然界的能源,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。,能源的分类,形态,一次能源 煤、石油、天然气 二次能源 电力、焦炭、汽油,使用程度和技术,常规能源 煤、石油、水能 新能源 太阳能、核能,太阳辐射，煤，石油 地热能，核能 海洋潮汐能,开发的步骤,污染程度,清洁能源 非清洁能源,能源问题
3、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。,中国能源结构,中国原油需求预测,能源储备的比较,中国、美国与世界能源储备的比较,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：1416 m3/人（世界人均 28400 m3/人）。,能源利用率(%),各国能源利用效率,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；,
4、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。,中国与日本工业能耗比较,中国发电的平均耗煤量,g / (kW. h),3）环境污染严重,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。,温室效应与热污染 酸雨(SO2,NOx) 臭氧层破坏 放射性污染
5、粉尘，烟雾,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。,一 热能的利用,人类利用的主要能源有：水力能、风能、地热能、太阳能、燃料的化学能和原子核能。,第二节 热能及利用 (Thermal Energy and its Utilization),从某种意义上讲，能源的开发和利用就是热能的开发和利用。,二 热能利用的形式,直接利用,直接用热能加热物体，热能的形式不发生变化。,间接利用,把热能转换为
6、机械能，以满足人类生产生活对动力的需要。,三 热科学发展简史,1847年，亥姆霍兹（Helmholtz）在新成立的德国物理学会发表了著名的“关于力的守恒“讲演，第一次用数学方式详细地提出今天大家所理解的能量守恒定律 ；,詹姆斯瓦特（James Watt，17361819） 1784年发明了蒸气机；,萨迪卡诺（NLSadi Carnot，17961832）1824年提出了卡诺循环和卡诺定理；（泊松、盖吕萨克、安培 ）,克劳修斯（R. J. E. Clausius，18221888年）热力学第一定律、热力学第二定律、克劳修斯不等式、熵增原理、理想气体压强公式、克劳修斯克拉珀龙方程、气体分子平均自由
7、程等；,迈耶（J. R. Mayer，18141878年） 热力学第一定律、热功当量,开尔文（J. R. Mayer，18241907年） 热力学第二定律、热力学温标,三 热科学发展简史,范得瓦尔（JDvan der Waals，18371923年）van der Waals方程、毛细管现象等；,朗肯(W.J.M. Rankine，18201872年) 朗肯循环（蒸汽动力发电厂性能的对比标准 ）,布雷顿(G.B. Brayton，1830 1892年) Brayton 循环,吉布斯(J.W. Gibbs，18391903年) 近代物理学的统计理论及其研究方法,三 热科学发展简史,三 热科学发展
8、简史,1822年，法国数学家傅里叶（Fourier）在实验研究基础上，发现导热基本规律 傅里叶定律；,N-S方程：1821年，Navier提出、1845年Stokes简化；,1904年，普朗特（Prandtl）提出了著名的边界层理论； 机翼理论,Planck定律,Stefan-Boltzmann定律：1879年由Stefan根据实验结果提出，1884年由Boltzmann用理论分析法予以证实；,雷诺（Osborne Reynolds，1842-1912 ） 湍流理论,努塞尔（Wilhelm Nusselt 1882 - 1957 ） 无量纲；凝结液膜分析解等,1-3 热工基础的研究对象、内容和
9、方法,一 研究对象,热能间接利用,如何实现热功转换？,热能直接利用,热量如何传递？,二 主要内容,热能间接利用,热能直接利用,热力学基本定律 工质的热力性质 热力过程,热传导 对流换热 辐射换热,应用,对实际工程中的热力过程、热力循环、装置和换热设备进行分析研究。,三 研究方法,热工基础所涉及的两大学科都是采用宏观和唯象的方法进行研究的。,热力学：以基本定律为基础，通过演绎、推理、归纳得出普适性的结论、公式等；,传热学：解析法、数值计算法、实验法。,Power Plant,PC机芯片的冷却方法: 散热器加风扇 空气强制对流换热,PC 机散热翅片的演变,基板，铝或铜,翅片,铝或铜,分段翅片,开缝翅片,整体式翅片,冷却气流,用热管冷却笔记本电脑原理图,用热管冷却笔记本电脑芯片与散热器,所有的生物都运用传热学原理来调节体内的温度,翅片并非人类的发明：古代动物身上早就用上了,夏天犬类都伸出舌头 以增大散热面积,人的肺是一个高度紧凑的热、质交换设备,非典期间中启用的红外测温仪 （罗湖口岸）,谢谢！,
