能源与动力工程综合导论

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1、能源与动力工程综合导论,课程内容 能源动力工程专业初论 能量与能源 动力机械概述 汽轮机 锅炉 热力发电原理与系统 制冷与空调,教学目的 从能源及热能利用，动力机械的主要装置 与系统组成、工作原理、结构和性能方面，建立 一个总体的和基本的认识。 教学基本要求 了解热能与其它形式能量的转换过程 了解动力机械与动力系统的基本原理、工作过程 了解我国能源结构及能源使用政策 了解新能源利用,前 言 能源动力工程专业初论,能源动力学科,能源动力学科是集前沿科学理论与高新技术为特征、人类生活与社会发展所必需的开拓型工程学科 。 在高科技领域与日常生活中有着广泛的应用。,良好的发展机遇,能源工程与材料工程、

2、信息工程和生物工程一起，被公认为当代文明的四大支柱。 热科学理论和能源动力工程及技术已成为世界各国科技与生产的发展基础。 世界能源形势和我国能源事业发展需求。 因此，热能与动力工程、核工程与核技术和新能源科学与工程专业是国家重点支持和发展的能源产业的人才支撑。,培养目标,本专业培养基础扎实、知识面宽、创新能力强、富于理想与追求，具有一定国际竞争力的能源与动力工程高层次研究人才和技术人才。,专业的主要内容,能源与动力类专业是学习数学、热力学、传热学、流体力学、燃烧学、计算机科学与控制学、电学、机械学、核能技术等科学的基本原理，应用于设计、制造和运行管理高效、经济、安全的能源动力装置及系统，研究开

3、发利用新能源（可再生能源） 。,学习与就业前景,学习前景：提供本硕博全程学历学位教育；与国外（境外）大学联合培养博士。 就业主要去向：能源研究开发机构、生产及利用企业，动力装置制造业，制冷与空调产业。其它：如保险、银行、IT企业、政府机关等。或学习深造，以从事科学研究和高等教育、技术教育。,现代科技社会离不开能源动力,能源动力和我们的生活息息相关,第一章 能量与能源,物质和能量是构成客观世界的基础 科学史观认为，世界是由物质构成的；运动是物质存在的方式，是物质固有的属性； 能量是物质运动的度量 宇宙间一切运动着的物体，都具有能量，人类的一切活动都与能量及其使用紧密相关。 所谓能量，也就是“产生

4、某种效果（变化）的能力”。反过来说，产生某种效果（变化），必然伴随能量的消耗和转换。,第一节 能量、能源资源,人类所认识的六种能量形式 机械能 热 能 电 能 辐射能 化学能 核 能,机械能,机械能是与物体宏观机械运动或空间状态相关的能量，前者称为动能，后者称为势能。它包括固体和流体的动能、势能、弹性能及表面张力能等。动能和势能统称为宏观机械能，是人类最早认识的能量。,机械能,如果质量为m的物体的运动速度为v，则该物体的动能Ek可以用下式计算： 重力势能Ep可以用下式计算：,机械能,弹性势能 的计算式为： 表面能 可用下式计算：,热能,构成物质的微观分子运动的动能和势能总和称为热能。这种能量的

5、宏观表现是温度的高低，它反映了分子运动的激烈程度。 Q = cpT,电能,电能是和电子流动与积累有关的一种能量，通常由电池中的化学能转换而来，或是通过发电机由机械能转换得到；反之，电能也可以通过电动机转换为机械能，从而显示出电做功的本领。,辐射能,辐射能是物体以电磁波形式发射的能量。如地球表面所接受的太阳能就是辐射能的一种。 物体的辐射能Er可由下式计算：,化学能,化学能是物质结构能的一种，即原子核外进行化学变化时放出的能量。 按化学热力学定义，物质或物系在化学反应过程中以热能形式释放的内能称为化学能。 人类利用最普遍的化学能是燃烧碳和氢，而这两种元素正是煤、石油、天然气、薪柴等燃料中最主要的

6、可燃元素。,核能,核能是蕴藏在原子核内部的物质结构能。释放巨大核能的核反应有两种，即核裂变反应和核聚变反应。 轻质量的原子核（氘、氚等）和重质量的原子核（铀等）核子之间的结合力比中等质量原子核的结合力小，这两类原子核在一定的条件下可以通过核聚变和核裂变转变为在自然界更稳定的中等质量原子核，同时释放出巨大的结合能。这种结合能就是核能。 核裂变：1kg 铀235 相当于2880t 标煤 核聚变：1kg 氢同位数(氘、氚) 相当于11816t 标煤,能量的性质,状态性 可加性 传递性 转换性 做功性 贬值性,第二节 能源的定义及分类,所谓能源，是指能够直接或经过转换而获取某种能量的自然资源。能源是自

7、然界中能为人类提供某种形式能量的物质资源 自然资源包括煤、石油、天然气、太阳能、风能、水能、地热能、核能等。 为了便于运输和使用，上述资源经加工可得到一些更符合使用要求的能量，如煤气、电力、焦炭、蒸汽、沼气、氢能等。,能源的分类,由于能源形式多样，因此有下列不同的分类方法 （1）按地球上的能量来源分； （2）按被利用的程度分； （3）按获得的方法分； （4）按能否再生分； （5）按能源本身的性质分； （6）按对环境的污染情况分。,地球本身蕴藏的能源，如核能、地热能等； 来自地球外天体的能源，如宇宙射线及大阳能，以及由太阳能引起的水能、风能、波浪能、海洋温差能、生物质能、光合作用、化石燃料(如煤

8、、石油、天然气等，由一亿年前由积存下来的有机物质转化而来的)； 地球与其它天体相互作用的能源，如潮汐能。,按地球上的能量来源分,按被利用的程度分,常规能源，如煤炭、石油、天然气、薪柴燃料、水能等； 新能源，如太阳能、地热能、潮汐能、生物质能等，另外还有核能。 核能通常也被看作新能源，尽管核燃料提供的核能将在一次能源的消耗中占14，但从被利用的程度看还远不能和已有的常规能源比；另外，核能利用的技术非常复杂，可控核聚变反应至今还未实现，这也是将核能仍视为新能源的主要原因之一。,按获得的方法分,一次能源，即可供直接利用的能源，如煤、石油、天然气、风能、水能等； 二次能源，即由一次能源直接或间接转换而

9、来的能源，如电、蒸汽、焦炭、煤气、氢等，它们使用方便，是高品质的能源。,按能源能否再生分,可再生能源，即不会随其本身的转化或人类的利用而越来越少的能源，如水能、风能、潮汐能、太阳能等； 非再生能源，它随人类的利用而越来越少，如石油、煤、天然气、核燃料等。,按能源本身的性质分 含能体能源，如石油、煤、天然气、地热、氢等，它们可以直接储存； 过程性能源，它们无法直接储存，如水能、风能、电能等。 按对环境的污染情况分 清洁能源，即对环境无污染或污染很小的能源，如太阳能、水能、海洋能等； 非清洁能源，即对环境圬染较大的能源，如煤、石油等。,第三节 能源的转换与利用,能量守恒与转换定律,能量守恒和转换定

10、律指出：“自然界的一切物质都具有能量；能量既不能创造，也不能消灭，而只能从一种形式转换成另一种形式，从一个物体传递到另一个物体；在能量转换与传递过程中，能量的总量恒定不变。”,能量相互转换,热量传递有方向性,能量转换的效率 在能量利用中热效率和经济性是非常重要的两个指标。 由于存在着耗散作用、不可逆过程以及可用能损失，在能量转换和传递过程中，各种热力循环、热力设备和能量利用装置的效率都不可能达到100%。,Energy efficiency of some common energy conversion device,火电站的能量转换效率是多少？,Overall efficiency: 88

11、% 46% 98% = 40%,能源的转换方法,化学能转换为热能,燃料燃烧是化学能转换为热能的最主要方式。 所谓燃料，就是能在空气中容易燃烧并释放出大量热能的气体、液体或固体物质，是能在经济上值得利用其发热量的物质的总称。 燃料通常按形态分为固体燃料、液体燃料和气体燃料。,天然的固体燃料有煤炭和木材；人工的固体燃料有焦炭、型煤、木炭等。其中煤炭应用最为普遍，是我国最基本的能源。 天然的液体燃料有石油（原油）；人工的液体燃料有汽油、煤油、柴油、重油等。 天然的气体燃料有天然气，人工的气体燃料则有焦炉煤气、高炉煤气、水煤气和液化石油气等。,燃烧设备_通过燃料燃烧将化学能转换为热能的装置,锅炉,煤粉

12、炉,循环流化床锅炉,热能转换为机械能和电能,将热能转换为机械能是目前获得机械能的最主要的方式。 热能转换成机械能的装置称为热机。因为热机能为各种机械提供动力，故通常又将其称为动力机械。 应用最广泛的热机有蒸汽轮机、内燃机、燃气轮机等。,能源转换设备,蒸汽机它是和用高温高压的水蒸汽推动活塞往覆运动而作功的热机，曾在历史上产生过重要作用，但目前已趋淘汰。 蒸汽轮机它是利用高温高压的水蒸汽推动叶轮，使轴转动而作功的回转式热机，是现代火力发电厂应用最广的原动机。也是核电站和大型舰船上的主要动力机械。,蒸汽轮机,发电机,将蒸汽轮机或燃气轮机的机械能转换成电能。 同步发电机由定子（铁心和绕组）、转子（钢心

13、和绕组）、机座等组成。,贵州某电厂发电机定子,发电机定子转子穿装,600MW定子的吊装（重量达250吨）,内燃机,它是在机器内利用燃料与空气混合燃烧产生的高温高压燃气来推动活塞运动而作功的热机。由于这一能量转换的过程完全是在热机内部完成的故称为内燃机。内燃机具有热效率高，功率和转速范围大，使用寿命长，操作简单，价格相对比较低，故被广泛地用于汽车、拖拉机、机车、战车及舰船上。,应用广泛,内燃机,航空和航天工业领域,燃气轮机,它是将空气压缩后同燃油混合燃烧，产生高温燃气，进入燃气轮机膨胀作功，使部分热能转换成机械能的高速回转式动力机械。由于其具有重量轻、尺寸小、功率大的特点，主要用于飞机上作为航空

14、发动机及大中型舰船上作为推进用发动机。 其它：水轮机、风力发动机、太阳能电池、,compressor,Combustion chamber,turbine,燃气轮机,火力发电厂,作用: 将燃料的化学能转换成为电能。 主要设备: 锅炉、汽轮机、发电机 辅助系统：燃料系统、化水系统、除尘及 灰渣系统,火力发电厂,电厂鸟瞰图 沿海、沿江区域火电厂无冷却塔,内陆区域火电厂配有冷却塔,华能玉环41000MW 机组,开封2600MW 机组,火电厂夜景,夕阳下的火电厂,火力发电厂,火电厂基本生产过程,电能的转换 燃料的化学能 蒸汽的热能 装置的机械能 电能,在发电之外其他的工业领域，动力机械发挥着非常重要的

15、作用。如大型的泵、风机等。,水泥工艺生产过程,水煤浆加压气化过程,合成氨工艺过程,制冷系统（冷库）,泵,风机,第四节 能源与人类社会,能源与社会发展,人类利用能源的历史，也就是人类认识和征服自然的历史。 (1)火的发现和利用； (2)畜力、风力、水力等自然动力的利用； (3)化石燃料的开发和热的利用； (4)电的发现及开发利用； (5)原子核能的发现及开发利用。,能源与社会发展,人类社会已经历了三个能源时期： 薪柴时期； 煤炭时期； 石油时期。,薪柴时期,主要以薪柴等生物质燃料为主要能源的 时代，生产和生活水平极低，社会发展 缓慢。,煤炭时期,18世纪，以煤炭取代薪柴作为主要能源，蒸汽机成为生

16、产的主要动力，工业迅速发展，劳动生产力增长很快。 19世纪，电力成为工矿企业的主要动力，成为生产和生活照明的主要来源。但这时的电力工业主要是依靠煤炭作为主要燃料。,石油时期,石油资源的发展，开始了能源利用的新时期。近50年来，世界上许多国家依靠石油和天然气，创造了人类历史上空前的物资文明。 进入21世纪，核能将成为世界能源的主角，清洁能源的时代也将随之到来。,能源与国民经济,能源是发展社会生产和提高人民生活 水平的重要物质基础，是推动国民经 济发展的强大动力。,能源与国民经济,经济的增长和经济发展水平的提高都需要能源来支撑，因此，能源消费与经济发展有着密不可分的关系。从世界能源消费的增长趋势看，能源消费与世界经济发展的趋势是一致的。,能源与国民经济,世界各国经济发展的实践证明，在经济正常发展的情况下，能源消耗总量和能源消耗增长速度与国民经济生产总值和国民经济生产总值增长率成正比例关系。,能源与国民经济,世界经济和能源发展的历史显示，处于工业化初期的国家，经济的增长主要依靠能源密集型工业的发展，能源效率也