《热能与动力机械基础第2版 教学课件 ppt 作者 王中铮 主编 2 第一章 导 论》由会员分享，可在线阅读，更多相关《热能与动力机械基础第2版 教学课件 ppt 作者 王中铮 主编 2 第一章 导 论（103页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第一章 导 论,1.1 能源(热能)及其利用,1.3 能量转换与利用的基本定律,1.2 能源利用与循环经济,1.4 能源有效利用的评估,1.5 热能与动力装置的组成和工作条件及基本要求,1.7 热能与动力技术和环境,1.6 动力机械与动力传动,1.1 能源(热能)及其利用,1.1.1 能源及其分类 1能源可以直接或经过转换而能获得某种能量的自然资源。 2分类 1）能源按其形成和来源大致可分为三大类 第一类来自太阳的能量，有煤炭、石油、天然气、生物质能、水能、风能、海洋能、（直接的）太阳辐射能等； 第二类是来自地球本身的能量，有地热能、核燃料 (即原子能)； 第三类是月球和太阳等天体对地球引力作
2、用所产生的能量，如潮汐能。,2）按是否经过转换来分 一次能源凡自然界现已存在的、并可直接取得而不改变其基本形态的能源，有水能、太阳能、生物质能、风能、地热能、海洋能等可再生能源； 煤炭、石油、天然气、核燃料等非再生能源； 二次能源由一次能源经过加工或转换而成为另一种形态的能源产品，如电力、蒸汽、焦炭、煤气、氢气、各种石油制品等等。此外，在生产过程中排出的余能、余热，如高温烟气、可燃废气、排放的乏汽和有压流体。,3）按能源利用状况来分 常规能源煤炭、石油、天然气和水能等； 新能源结合我国的国情，有太阳能、地热能、生物质能、风能、海洋能、核能、氢能等。 4）按能源的性质来分 燃料能源凡须经过燃烧或
3、反应才能被利用的，有矿物燃料、生物燃料(柴草、沼气等)、化工燃料(丙烷、甲醇、酒精等)、核燃料四种； 非燃料能源水能、风能、潮汐能、地热能、海洋能和太阳光能等。,1.1.2 能量的形式 能量产生某种效果或变化的一种能力，它是为能源所拥有的。而且，产生某种效果或变化的过程必然要伴随着能量的消耗和转化。例如，煤燃烧发生热，在这一过程中，可燃物质的化学能以热能的形式释放。 能量的形式可分为六种： 机械能。它包括物质的动能、势能、弹性能及表面张力能等。 热能。它是与构成物质的原子和分子的运动(振动)有关的一种能量。它的宏观表现是温度的高低。热能是一种基本的能量形式，所有其他能量形式都能完全转换为热能。
4、,电能。它是和电子的流动和积累有关的一种能。电能也能方便而有效地转换为其他形式的能。 辐射能。也称电磁能。这种能量仅以传递如光速变迁能量的形式存在。辐射能常依电磁波的波长分为几种不同的电磁射线，热辐射是其中一种由原子振动而产生的电磁能，包含紫外线、可见(光)射线和红外线。 化学能。这是一种仅以贮存能的形式存在的能量，当不同物质的原子和(或)分子相结合时释放出来。 核能。核能(原子能)又是一种仅以贮存能形式存在的能量形式。它是蕴藏在原子核内部的能量，又称核内能。核裂变和核聚变反应可释放大量能量，有广阔的应用前景。,1.1.3 热能的发生 热能的发生途径： 1直接产生，如地热能和海洋热能； 2通过
5、转换产生，方法有 化学能的转换。 通过燃料中可燃质的发热化学反应即燃烧反应，使它们的化学能转换成热能释放出来。,电能的转换。 根据焦耳效应，因电路中电阻的存在，电流流过时必产生热。 辐射能的转换。 这主要是指能使被照射的物体产生热效应的热辐射。 核能的转换。 这主要是指在核裂变和核聚变反应中，大量的核能释放转换成热能。 机械能的转换。 这一典型过程就是摩擦，通常由此产生的热能都不能被利用。,1.1.4 热能的储存、传递与转换 1储存热能是可以储存的能量形式之一。热能的储存有三种基本方式： 显热贮存。这是利用升高固体或液体的温度来蓄热。 潜热贮存。当物体发生相变时会吸收或释放大量的热，实际应用中
6、通常是利用材料从固体到液体的相变蓄热。 热化学法储存。其特点是利用化学反应或浓度差或化学结构变化，将热能转换为化学能。,2传递热能也是可以输送和传递的。热能常依靠携带能量的物质通过管道实现远距离输送。热能可以利用换热器这种热传递装置进行不同工作物质和温度水平之间的热传递。 3转换人类利用的各种形式的能量基本上都是由一次能源经过一次或多次转换而来的。表1-1显示了各种能源的不同能量间的转换。 对于热能，通过一次转换可成为三种能量形式： 机械能，如推动内燃机、汽轮机。 电能，如热电发电。 化学能，如吸热反应。,1.1.5 热能的利用 热能在一些主要工农业方面的应用，如： 1)电力工业，如燃烧煤、天
7、然气、油等火力发电及使用核燃料的核发电等。 2)钢铁工业，如平炉、转炉、电炉炼钢，轧钢加热炉、高炉炼铁等。 3)有色金属工业，如铝、铜等各种有色金属的冶炼。 4)化学工业，如酸、碱、合成氨等生产过程。,5)石油工业，如油的开采、炼制、输送等。 6)建材工业，如水泥、陶瓷等行业中各种窑炉的大量耗热。 7)机械工业，如各种设备制造过程中所需要的铸造、锻压、焊接等。 8)轻纺工业，如造纸、制糖、化纤、印染等过程中需要消耗大量蒸汽。 9)交通运输，如汽车、火车、船舶、飞机等的动力拖动。,10)航天领域，如宇宙飞船、航天飞机等火箭的推进。 11)农业及水产养殖业，如电力灌溉、温室培植、鱼池加温等。 12
8、)生活需要，如供暖、空调、烹饪等。 有关热能利用方面需要关注两大问题： 提高能源利用率。 减少环境污染。在全社会的持续发展中，这是首要关注的问题。,1.2 能源利用与循环经济,1.2.1 循环经济的含义 传统经济是由“资源产品污染排放”所构成的物质单向流动的线性经济，其特征是“高开采、低利用、高排放”。如长此以往，其结果必然是资源枯竭、环境恶化，带来种种人类生存和社会发展问题。,循环经济是由“资源产品再生资源”所构成的物质反复流动的经济发展模式。它要求在经济活动中以“3 R原则”作为行为准则： (1)减量化(Reduce)原则。用较少的原料和能源投入来达到既定的生产或消费的目的。 (2)再使用
9、（Reuse)原则。产品和包装容器能以初始的形式被反复使用。 (3)再循环(Recycle)原则。生产出来的物品在完成其使用功能后能重新变成可以利用的资源，而不是不可恢复的垃圾。,循环经济的特征低开采、高利用、低排放，它是一种与环境和谐相处的经济发展模式。通过循环经济，使资源的使用减量化、产品能反复使用和废弃物资源化，从而实现“最佳生产、最适消费、最少废弃”。 实例，如，美国杜邦公司将“3 R原则”应用到化学工业上。,1.2.2 我国能源利用现状 改革开放25年内(19782003)，我国GDP年均增长率为9.4%，但增长方式是高投入、高消耗、高排放、低效率的粗放型增长。 按照“十一五”规划，
10、2010年单位GDP的能耗要比“十五”末期下降20，折合到2006年上半年，单位GDP的能耗应该下降2。然而，2006年上半年我国单位能耗同比上升.。这个对比无疑凸显出我国节能形势的严峻，我们不能以加大能源消耗率为代价来获得GDP的增长，如插图11所示。,插图11,1表现在能源利用上，效率低下，如： 水泥综合能耗高出国际先进水平23.6% 大中型钢铁企业吨钢可比能耗高15.1% 火电供电煤耗高20.5% 载货汽车百吨公里油耗比国际先进水平高1倍以上 中小锅炉约50万台，运行效率比国际先进水平低1520个百分点。,2在能源开采上，资源浪费惊人，如： 从1978年到2005年我国小煤矿消耗资源储量
11、约800亿吨，生产煤炭仅120亿吨左右，比正规情况少产了近300亿吨的煤炭，相当于改革开放以来全国煤炭的总产量。 3在对环境的影响上，煤炭对环境的影响大如： 煤矿地表沉陷、煤田自燃火灾、矸石山自燃等所引发的植被破坏、地下水位下降、水体污染等现象比较严重 每年矿井排水量超过20亿吨，相当于整个钢铁工业耗水的一半左右 每年的瓦斯排放量达100亿立方米，绝大部分自然排放，造成重大安全隐患。我国是二氧化硫排放量最大的国家，导致区域性的环境酸化，酸雨区已超过国土面积的40%。,4我国的能源需求： 国内能源的缺口量到2030年约为2.5亿吨标准煤 石油的需求上到2020年前后，我国的石油进口量有可能超过3
12、亿吨，将成为世界第一大油品进口国。 能源问题已成为我国发展经济中的瓶颈问题，在我国推行循环经济已刻不容缓。,1.2.3 循环经济模式及在我国的推行 目前世界各国发展循环经济可归纳为四个阶段和四种模式： 单一企业内部的循环经济模式 区域生态工业园区模式 城市层面上的循环经济发展模式 全社会的循环经济模式，把整个社会建成循环型社会,我国十分重视发展循环经济，首先在部分企业、工业园区和生态城市内逐步推行。如，2002年5月，国家环保总局将贵阳确认为全国首个建设循环经济生态试点城市； 2006年国家发改委等六部委正式起动了曹妃甸工业区、天津经济技术开发区等十三个国家循环经济试点园区的工作。,1.2.4
13、 能源的合理有效利用原则 我国应以循环经济的模式来开发和利用能源。因而，对于能源的合理、有效利用应遵循以下原则： 最小外部损失原则。 高能源利用效率原则。 最佳推动力原则，使过程在最佳热力势差（温度差、压力差、化学位差等）推动下完成。,回收利用原则。 综合利用原则。 节约优先，适度消费原则。 积极开发与利用可再生能源和清洁能源的原则，以减少不可再生能源和易污染能源的消耗和污染。,1.3 能量转换与利用的基本定律,1.3.1 热力循环 热力循环就是工质从某一热力状态起始，经过一系列状态变化后又回到原来初始状态的热力过程。在状态参数坐标图上，循环成为一封闭曲线，如，图11。 循环有正循环和逆向循环
14、之分。,正循环（热机循环）如图1-1所示，当循环按顺时针1a2b1的方向时。该循环净功大于零，即 （| w1a2| w2b1|） 0，如，实现火力发电的循环。 逆向循环当循环按逆钟向即1b2a1进行时。该循环净功(|w1b2| w2a1|)0,如，制冷循环。 工程上实际的热力循环有多种形式(如，单一工质的水蒸汽热力发电循环；双工质的水蒸汽-燃气热力发电循环)，但从其进行的总方向或总结果来看可分属这两种或为这两者的复合。,1.3.2 热力学第一定律 热力学第一定律就是能量转换与守恒定律在伴有热效应的物理及化学等过程中的应用，它广泛地适用于热能和其他能量形式之间的转换。 今以一简单的具有代表性的例
15、子说明热能向机械能 的转换。图1-2表示一个热力系，根据能量守恒与转换定律，工质能量的增量E必等于工质从外界吸收的热量Q和工质的膨胀作功W之差 EQW 或 QEW 该式就是热力学第一定律的数学表达式。,对于图1-2，可忽略工质宏观的动能和位能变化。 这样，则 QUW 对于微小变化过程，则有 QdUW 如工质为单位质量，则上式为 qduw,图1-2所示的热力系为闭口系。工质的膨胀功大部分用于推动重块，对外界作出有用功Wu。少量用于克服大气压力所作功为大气压力p0与体积变化V之乘积，即p0V，因它不用于推动重块，故称无用功。它们的关系可以表达为 Wu = W- p0V 当工质的膨胀为可逆过程时，则
16、,工程应用的热力设备中能量转换情况概念性地表示 于图1-3，并讨论其能量转换与守恒问题。对于这样的稳定流动系统，能量变化有： 热力学能变化 动能变化 重力位能变化,工质流过热力系进、出口界面时必须克服界面右边阻力而作流动功，故总的流动功为 外界加入的热量Q； 热力系对外界作出的有用功Wu， 对于流动系常称轴功，以Ws表示。显然，工质对外所做的功应为两者之和，即（Ws+pV）。,热力系储存能量的变化E应为 则得 按焓的定义式 H =（U +pV），则上式可表示为 (1-7),对于微小的过程 (1-8) 如工质为单位质量，则上式成为 (1-9) 式(1-7)式(1-9)即为热力学第一定律应用于工质在稳定流动时的数学表达式。,1.3.3 热力学第二定律 对于能量传递和
