热工基础绪论-教学课件

2024/7/271绪论l l热工在生活中的应用l l热工在安全工程中的应用l l热工的学科背景能量与能源l l热工基础的研究内容2023/8/171绪论热工在生活中的应用2024/7/2720-0-1热工在生活中的应用l l汽 车 除 雾制冷除雾制冷除雾取暖除雾取暖除雾5 5、水蒸气与湿空气、水蒸气与湿空气老司机也不一定知道 空调除雾使用细节2023/8/1720-0-1热工在生活中的应用汽车除2024/7/273l l处理器i78565Uvsi58600K热设计功耗(TDP)性能频率电压能耗工艺指标10nm核心数2023/8/173处理器i78565Uvsi52024/7/274l l处理器散热9 9、导热、导热-数值计算数值计算1010、对流换热、对流换热2023/8/174处理器散热9、导热-数值计算10、对2024/7/275l l手机散热2023/8/175手机散热2024/7/276l l世界上最大的动物是什么？l l为什么没有动物比蓝鲸更大了？发热总细胞 vs 散热皮肤细胞 Vl3 vs S l230m+170t+2023/8/176世界上最大的动物是什么？30m+172024/7/27l l穿衣服一定会更暖和吗？htit1R1tR2triro绝热层的分析示意图增加绝热层厚度，热损失一定减小。增加绝热层厚度，热损失可能增加，2023/8/17穿衣服一定会更暖和吗？htit1R1t7l我以为腾格里的冰雪让我学会了抗冻l然而到了杭州才发现这帮连雪都没见过的人才真是抗冻！l离了暖气我踏马就什么都不是l北方人取暖靠暖气l南方人真的只能靠一身正气一位来自西北的学子2024/7/27参考毕导“一个清华博士在供暖前给广大学子最中肯的建议”8我以为腾格里的冰雪让我学会了抗冻2023/8/17参考毕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？2024/7/279冬季穿衣法则一个拷问良心的问题：2023/8/179“非常符合实际的假设”：1 1、人可以看作一个恒温、人可以看作一个恒温3737，底面半径为，底面半径为20 cm20 cm，高为高为175cm175cm的圆柱体！的圆柱体！2 2、衣服可以看作均匀包在这个圆柱体外部的圆筒！、衣服可以看作均匀包在这个圆柱体外部的圆筒！2024/7/2710“非常符合实际的假设”：2023/8/1710理论推导l根据柱坐标下圆筒壁的径向热流量方程l秋衣秋裤的主要成分是棉导热系数k1=0.050W/mKl风衣的主要成分是羊毛和聚酯纤维导热系数k2=0.029W/mK2024/7/2711理论推导根据柱坐标下圆筒壁的径向热流量方程2023/8/17lAmazingAmazing！l如果你用我的方法秋衣外穿如果你用我的方法秋衣外穿l在外面站上整整两天在外面站上整整两天l那就能节省出整整一个鸡蛋的热量！那就能节省出整整一个鸡蛋的热量！2024/7/2712Amazing！2023/8/1712穿衣禦寒奧義第九章l厚度较小、传热系数较大的秋衣应该穿在外层l而厚度较大、传热系数较小的大衣才应该贴身穿着！l所以科学的穿法是这样的2024/7/2713穿衣禦寒奧義第九章厚度较小、传热系数较大的秋衣应该穿在2024/7/27l l电厂发电效率能有多少？40%！6 6、动力装置循环、动力装置循环2023/8/17电厂发电效率能有多少？40%！6、动力装142024/7/27l l天太热，洛杉矶往路上刷油漆，竟能降10 http:/ lCoolSealCoolSeal是是GuardTopGuardTop生产的一种超高性能沥青基密封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，停车场和美国的表面温度。适合学校，停车场和美国LEEDLEED绿色认证绿色认证建筑等。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时，更强的反光可以节省道路和停车场照明所需的能源。源。l l根据报道，如果像洛杉矶这样的城市在根据报道，如果像洛杉矶这样的城市在35%35%的街道使用，的街道使用，那么一年就可以节省大约那么一年就可以节省大约一亿美元一亿美元的费用。的费用。2023/8/17天太热，洛杉矶往路上刷油漆，竟能降10152024/7/27l lGuardTopGuardTop的的CoolSealCoolSeal已经过测试和认证，满足行业标已经过测试和认证，满足行业标准准33%33%的太阳能的太阳能反射率反射率设计目标，同时具有较好的耐久设计目标，同时具有较好的耐久性。性。l l将路面对太阳辐射的将路面对太阳辐射的吸收率吸收率从从0.90.9降低到降低到0.650.65，整个城，整个城市的气温将降低市的气温将降低0.550.55。（POMERANTZ M,PON B,AKBARI H,et a1.The POMERANTZ M,PON B,AKBARI H,et a1.The Effect of Pavements Temperatures on Air Temperatures in Large Cities,LBNL-Effect of Pavements Temperatures on Air Temperatures in Large Cities,LBNL-43442R.Berkeley,CA:Lawrence Berkeley National Laboratory,200043442R.Berkeley,CA:Lawrence Berkeley National Laboratory,2000）l l在夏季，城市温度每增加在夏季，城市温度每增加ll，就会导致城市用电量增，就会导致城市用电量增加加1.5%3.0%1.5%3.0%。（AKBARI H,KONOPACKI S.Calculating Energy-saving AKBARI H,KONOPACKI S.Calculating Energy-saving Potentials of Heat-island Reduction StrategiesJ.Energy Policy,2005,33:721-Potentials of Heat-island Reduction StrategiesJ.Energy Policy,2005,33:721-756756）l l洛杉矶洛杉矶 年用电量年用电量23102310亿亿kWkW h h（20122012福布斯福布斯发布的对全球发布的对全球150150个大城个大城市的年耗电量统计）市的年耗电量统计）l l加州家庭每加州家庭每kWkW h h的电费为的电费为17.9717.97美分美分（美国能源信息管理局（美国能源信息管理局20162016年年1111月数据）月数据）0.55/0.55/（0.9-0.650.9-0.65）*0.33*0.35*2%*2310*10*0.33*0.35*2%*2310*108 8/4/4*17.9717.97*1010-2-2=5.3=5.3*10107 7$2023/8/17GuardTop的CoolSeal已经过16管理失误管理失误不安全行为不安全行为个人原因、环境因素个人原因、环境因素不安全状态不安全状态能量或危险物质意外释放能量或危险物质意外释放人员或财产损失人员或财产损失急救修理急救修理调查危险分析调查危险分析安全意识安全意识减少减少数量数量防护装置防护装置及构造及构造作业安全分析作业安全分析教育训练教育训练思想工作思想工作人员选择人员选择作业安全分析作业安全分析设计检查设计检查技术维修审查技术维修审查能量意外释放能量意外释放理论理论管理失误不安全行为个人原因、环境因素不安全状态能量或危险物质172024/7/27180-0-2热工在安全工程中的应用l l三星boom 7的 安全性问题l l研究发现，导致研究发现，导致锂离子电池热失控锂离子电池热失控甚至是燃烧甚至是燃烧和爆炸的原因，主要是对电池大电流的充电，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。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。安全问题是非常有意义的。2023/8/17180-0-2热工在安全工程中的应用三星b2024/7/2719l l电动汽车锂电池热失控20192019年年5 5月月3 3日日，一一辆辆特特斯斯拉拉Model Model S S在在美美国国旧旧金金山山的的一一个私人车库中自燃。个私人车库中自燃。20192019年年4 4月月2121日，上海徐日，上海徐汇区一小区地下车库内，汇区一小区地下车库内，一辆特斯拉轿车突然起火一辆特斯拉轿车突然起火燃烧，火势还殃及了周遭燃烧，火势还殃及了周遭停泊的其他车辆。停泊的其他车辆。2023/8/1719电动汽车锂电池热失控2019年5月3日2024/7/2720l l电动汽车锂电池热管理2023/8/1720电动汽车锂电池热管理2024/7/2721l l反应器热应力分析氯化氢催化氧化反应器2023/8/1721反应器热应力分析氯化氢催化氧化反应器2024/7/2722l l反应器热应力分析128根根3700根管子根管子中试中试示范装置示范装置温差换热系数流场2023/8/1722反应器热应力分析128根3700根管2024/7/2723l火 灾火灾空间温度场分布火灾空间温度场分布热过程对材料耐火性能的影响热过程对材料耐火性能的影响传热数值计算方法传热数值计算方法计算流体动力学计算流体动力学+传热传热/传质传质+燃烧动力学燃烧动力学2023/8/1723火灾计算流体动力学+传热/传质+燃2024/7/2724l l校内相关研究储罐腐蚀产物自热特性模拟与热源反演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隧道火灾温度场分布规律及安全性分析l l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广东省核电热灾害防治工程技术研究中心2023/8/1724校内相关研究2024/7/27251.能量0-10-1 能量与能源能量是物质运动的度量。能量是物质运动的度量。能量是人类社会进步的动力。能量是人类社会进步的动力。世世界界是是由由物物质质构构成成的的，一一切切物物质质都都处处于于运动状态，所以一切物质都具有能量。运动状态，所以一切物质都具有能量。2023/8/17251.能量0-1能量与2024/7/2726能量的主要形式:机械能机械能：物质分子热运动动能与位能之和，即不涉：物质分子热运动动能与位能之和，即不涉：物质分子热运动动能与位能之和，即不涉：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及化学变化和核反应的及化学变化和核反应的及化学变化和核反应的热力学能热力学能热力学能热力学能，也称为，也称为，也称为，也称为内内内内热能热能热能热能；电能电能化学能化学能核能核能辐射能辐射能:物体的物体的物体的物体的动能动能动能动能与与与与势能势能势能势能；热能热能：与电荷的运动和积蓄有关的能量；与电荷的运动和积蓄有关的能量；与电荷的运动和积蓄有关的能量；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；通过化学反应释放的能量；通过化学反应释放的能量；通过化学反应释放的能量；：通过核反应释放的能量；通过核反应释放的能量；通过核反应释放的能量；通过核反应释放的能量；：物体以电磁波的形式发射的能量。物体以电磁波的形式发射的能量。物体以电磁波的形式发射的能量。物体以电磁波的形式发射的能量。2023/8/1726能量的主要形式:机械能：物质分子热运2024/7/27272.能源能能源源是是指指能能够够直直接接或或间间接接提提供供能能量量的的物物质资源质资源。（1）能源分类）能源分类 1 1）按开发利用的情况按开发利用的情况常规能源常规能源：煤、石油、天然气、水能等。煤、石油、天然气、水能等。新能源新能源：太阳能、风能、海洋能、生物质能、：太阳能、风能、海洋能、生物质能、地热能、地热能、核聚变燃料等。核聚变燃料等。2）按开发的步骤）按开发的步骤一次能源一次能源:煤、石油、天然气、风能、水能、煤、石油、天然气、风能、水能、太阳能、太阳能、地热能、海洋能等。地热能、海洋能等。二次能源二次能源:电力、煤气、汽油、沼气、氢气、电力、煤气、汽油、沼气、氢气、甲醇、酒精等。甲醇、酒精等。2023/8/17272.能源能源2024/7/27283 3）按能否再生）按能否再生可再生能源可再生能源：水能、太阳能、风能、海洋能、：水能、太阳能、风能、海洋能、生物质能、地热能等；生物质能、地热能等；非再生能源非再生能源：煤、石油、天然气、核能等。：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）按开发利用过程中对环境的污染情况清洁能源清洁能源：太阳能、风能、水能、海洋能等；：太阳能、风能、水能、海洋能等；非清洁能源非清洁能源：煤、石油、天然气等。：煤、石油、天然气等。2023/8/17283）按能否再生可再生能源：水能、太阳能2024/7/2729（2）能源对人类社会发展的重要意义）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。水平是人类社会文明的重要标志之一。2023/8/1729（2）能源对人类社会发展的重要意义2024/7/2730（3）我国能源利用的现状及我国能源利用的现状及主要问题主要问题正常情况下，每个国家能源消费总量及增正常情况下，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，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而能源的人均消费量的多少则反映国民生活水平的高低。平的高低。1）人均储备量少，远低于世界平均水平人均储备量少，远低于世界平均水平 例如：我国例如：我国2012年探明的煤炭可开采储量年探明的煤炭可开采储量位于世界第三位，但是由于我国拥有位于世界第三位，但是由于我国拥有13亿人口，亿人口，所以人均储量远低于世界平均水平。所以人均储量远低于世界平均水平。我国能源利用现状及存在的我国能源利用现状及存在的主要问题主要问题：2023/8/1730（3）我国能源利用的现状及主要问题2024/7/27312）能源开发利用设备和技术落后，能源利能源开发利用设备和技术落后，能源利用效率低，浪费严重用效率低，浪费严重我国能源的终端利用效率为我国能源的终端利用效率为3233；发达国家能源的终端利用效率大于发达国家能源的终端利用效率大于42。我国每万元我国每万元GDP的能耗是日本的的能耗是日本的6倍倍、美国美国的的3倍倍、韩国的韩国的4.5倍。倍。我国单位产品的能耗平均比发达国家高我国单位产品的能耗平均比发达国家高40左右。左右。2023/8/17312）能源开发利用设备和技术落后，能源利2024/7/27323）环境污染严重环境污染严重工业的发展带来了严重的环境污染，据调查，工业的发展带来了严重的环境污染，据调查，我国我国57%的城市空气中总悬浮颗粒超标；的城市空气中总悬浮颗粒超标；48个大中城市空气中的个大中城市空气中的SO2浓度超标；浓度超标；82%城市出现过酸雨；城市出现过酸雨；我国的我国的CO2排放量仅次于美国，居世界第二，占排放量仅次于美国，居世界第二，占世界总排放量的世界总排放量的13.6%。据据世世界界银银行行报报导导，我我国国城城市市空空气气污污染染对对人人体体健健康康和和生生产产造造成成的的损损失失估估计计每每年年200亿亿美美元元；酸酸雨雨使使农农作物减产每年损失达作物减产每年损失达50亿美元。亿美元。2023/8/17323）环境污染严重工业的发展带来了严重2024/7/2733我国的能源建设要走可持续发展的道我国的能源建设要走可持续发展的道路，必须两条腿走路：路，必须两条腿走路：（1）合理利用能源，提高能源利用率。）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主要途径就是改造或更新技术落后的能源利用终端设备。利用终端设备。（2）大力开发对环境无污染或污染很小）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。热能、海洋能、生物质能以及核能等。2023/8/1733我国的能源建设要走可持续发展的2024/7/27343.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。能量的利用过程，实质上是能量的传递与转换过程。氢、酒精等二次能源氢、酒精等二次能源燃料电池燃料电池电电能能机械能机械能辐射能辐射能热热能能风能、水能、海洋能风能、水能、海洋能机机械械机械能机械能直接利用直接利用发电机发电机煤、石油、天然气煤、石油、天然气热热能能热机热机直接利用直接利用核核能能核反应核反应太阳能太阳能光合作用光合作用生物质能生物质能燃烧燃烧食物利用食物利用集热器集热器光电池光电池90燃烧燃烧2023/8/17343.能量的转换与利用能量的利用过程，2024/7/2735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。2023/8/1735据统计，目前通过2024/7/2736热能利用的基本方式热能利用的基本方式（1 1）热利用：热利用：烧饭、采暖、烘干、熔炼等；烧饭、采暖、烘干、熔炼等；（2）动力利用：动力利用：通通过过热热机机将将热热能能转转换换成成机机械械能能或或者者再再通通过过发发电电机机转转换换成成电电能能加加以以利用。利用。由由于于热热能能转转换换为为机机械械能能的的有有效效利利用用程程度度（即即热热机机的的热热效效率率）较较低低，早早期期蒸蒸汽汽机机的的热热效效率率只只有有1 2，现现代代燃燃气气轮轮机机装装置置的的热热效效率率只只有有37 42，蒸蒸汽汽电电站站的的热热效效率率也也只只有有40左左右右。因因此此，如如何何更更有有效效地地实实现现热热能能和和机机械械能能之之间间的的转转换换，提提高高热热机机的的热效率，是十分重要的课题。热效率，是十分重要的课题。2023/8/1736热能利用的基本方式（1）热利用：烧饭2024/7/27370-2 热工基础的研究内容 热热工工基基础础（热工理论基础）（热工理论基础）工程热力学篇工程热力学篇传热学篇传热学篇主要研究内容：主要研究内容：热热工工基基础础主主要要研研究究热热能能利利用用的的基基本本规规律律以以及及热热能能利利用用过过程程及及自自然然界界所所有热现象中热量传递的基本规律。有热现象中热量传递的基本规律。2023/8/17370-2热工基础的研究内容热2024/7/27381.工程热力学的研究内容与研究方法（1 1）研究内容研究内容工工程程热热力力学学主主要要研研究究热热能能和和机机械械能能之之间间相相互互转转换换的的规规律律及及提提高高能能量量转转换换经经济性的途径和技术措施济性的途径和技术措施。（2 2）研究方法研究方法工工程程热热力力学学采采用用经经典典热热力力学学的的宏宏观观研研究究方方法法，还还普普遍遍采采用用抽抽象象、概概括括、理理想化和简化处理方法。想化和简化处理方法。2023/8/17381.工程热力学的研究内容与研究方法（12024/7/2739热机工作过程示意图高温热源高温热源吸热吸热Q1热机热机作功作功W机械能放热放热Q2低温热源低温热源锅锅炉炉汽轮机汽轮机冷凝器冷凝器水泵水泵水泵水泵冷却水冷却水冷却水冷却水过热蒸汽过热蒸汽过热蒸汽过热蒸汽乏汽乏汽乏汽乏汽循环水循环水循环水循环水发电机发电机发电机发电机如如何何提提高高热热机机的的热热能能利利用用率率（热热效效率率）是是工程热力学的主要研究内容之一工程热力学的主要研究内容之一。2023/8/1739热机工作过程示意图高温热源吸热Q1热机2024/7/27402.传热学的研究内容与研究方法（1 1）研究内容研究内容传热学主要研究传热学主要研究热量传递热量传递的规律的规律。所所谓谓热热量量，是是指指在在温温差差的的作作用用下下传传递递的的热热能能的的数数量量。由由于于在在人人们们的的日日常常生生活活和和生生产产实实践践中中温温差差几几乎乎无无处处不不在在，所所以以热热量量传传递递是是普遍存在的物理现象。普遍存在的物理现象。一一切切热热能能利利用用过过程程都都离离不不开开传传热热，热热能能利用率和传热过程密切相关。利用率和传热过程密切相关。2023/8/17402.传热学的研究内容与研究方法（1）研2024/7/2741传传热热学学的的应应用用非非常常广广泛泛，传传热热学学知知识识在在能能源源、电电力力、冶冶金金、动动力力机机械械、石石油油化化工工、低低温温工工程程、环环境境与与建建筑筑等等工工业业领领域域以以及及在在许许多多高高科科技技领领域域都都发发挥挥着着极极其其重重要要的的作作用用。如如电电子子信信息息工工程程、航航空空航航天天、医医学学和生命科学等和生命科学等。（2 2）研究方法研究方法传传热热学学主主要要采采用用理理论论分分析析、数数值值模模拟拟和和实验研究相结合的研究方法。实验研究相结合的研究方法。2023/8/1741传热学的应用非常广泛，2024/7/2742热工基础课程的学习主要有两个目的：（1 1）掌掌握握工工程程热热力力学学的的基基本本概概念念、基基本本定定律律和和基基本本分分析析方方法法，掌掌握握热热能能和和机机械械能能之之间间相相互互转转换换的的规规律律及及提提高高转转换换经经济济性性的的方方法法和和技术措施，树立节约能源、合理用能的观念；技术措施，树立节约能源、合理用能的观念；（2 2）掌掌握握传传热热学学的的基基本本概概念念、基基本本理理论论与与基基本本分分析析计计算算和和实实验验研研究究方方法法，为为今今后后研研究究、处处理理、解解决决实实际际的的传传热热工工程程问问题题奠奠定定必必要要的的技术理论基础。技术理论基础。2023/8/1742热工基础课程的学习主要有两个目的：（2024/7/2743热热工工基基础础是是现现代代工工程程技技术术人人才才必必备备的的技技术术基基础础知知识识，是是21世世纪纪工工科科各各类类专专业业人人才才工工程程技技术术与与科科学学素素质质的的重重要要组组成成部部分分。除除了了能能源源动动力力类类专专业业学学生生必必须须进进一一步步深深入入学学习习工工程程热热力力学学与与传传热热学学之之外外，热热工工基基础础课课程程应应该该是是安安全全类类、机机械械类类、交交通通运运输输类类、航航空空航航天天类类、武武器器类类、土土建建类类、材材料料类类、化化工工与与制制药药类类、轻轻工工类类、纺纺织织类类、环环境境科科学学与与工工程程类类等等各各类类专业大学本科生必修的一门技术基础课。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2023/8/1743热工基础是现代工程技术