工程热力学课件0

,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,工程热力学课件,华北电力大学（北京）,动力工程系,工程热物理教研室制作,2005年5月,工程热力学课件华北电力大学（北京）,工程热力学,Engineering Thermodynamics,工程热力学,绪论,绪论,一.热能及其利用,人类在生产和日常生活中需要各种形式的 能量。能量的开发和利用程度是一个社会发展的重要标志。,能源：提供各种能量的物质资源。,一次能源：以原始状态存在于自然界，不需要加工或转换，可以直接利用的能源。亦称为天然能源。如原煤、原油、天然气、可燃冰、水能、风能、太阳能等。,二次能源：由一次能源加工转换后的能源。主要是是热能、机械能和电能。,一.热能及其利用 人类在生产和日常生活中需要各种形式,各种能量之间的转化图,各种能量之间的转化图,我国的能源结构、生产、消费情况,我国的能源结构是以煤炭为主，这在世界上也是比较独特的。带来的问题：煤矿的安全问题、环境污染问题等。,石油进口的依赖性增加。,我国的能源结构、生产、消费情况我国的能源结构是以煤炭为主，这,2000年,人均能耗（toe/人）,美国 8.17 中国 0.735 世界 1.50,单位产值能耗（toe/百万美元）,美国 263 德国 127 日本 92.3 中国 892 世界 264,人均发电量,（kWh）,挪威 31890 美国 13474 德国 6814 中国 1063,发电量（TWh）,美国 4609 德国 567 日本 1082 中国 1354 世界 15360,人口（百万）,美国 312 德国82.2 日本 127 中国 1262,发电煤耗,中国 363（2001 357 2002 356）,装机容量（万千瓦）,中国 2002 35657.09（水8607046 火 25664.67 核 446.80 其他 48.18）,2000年 人均能耗（toe/人）美国 8.17 中,中国已建、在建核电站 （万千瓦）,秦山一期 30 国产压水堆 1991年,秦山二期 2*60 国产压水堆 2002、2003年,秦山三期 2*70 加拿大重水堆 2003年,广东大亚湾 2*90 法马通 压水堆 1994年,广东岭澳 2*98.4 同上 2002、2003年,江苏田湾 2*100 俄罗斯 压水堆 2004、2005年,中国已建、在建核电站 （万千瓦）秦山一期 30,我国已建、在建大型水电站 （万千瓦）,三峡 1820,二滩 330 (1998),广州抽水蓄能 240 (2000),葛洲坝 271.5 (1981),李家峡 200 (1987),我国已建、在建大型水电站 （万千瓦）三峡,我国能源探明剩余可采储量1392亿吨标准煤，58.8%煤炭、3.4%石油、1.3%天然气、36.5%水能,石油的储采比 15(世界平均为40)，2003年进口约1亿吨，石油的缺口很大。,天然气虽有好的前景，但资源量有限。,我国能源探明剩余可采储量1392亿吨标准煤，58.8,电力与新能源发电组,装机容量规划建议,电力与新能源发电组 装机容量规划建议,2010年新增机组 5CFB，15亚临界，25超临界，5超超临界，所以CFB超临界有前景。,2010年煤炭洗选50，2020年95以上经加工处理煤泥发电。,2010年新增机组 5CFB，15亚临界，25超临界，,对应我国小康社会水平的主要国家人均发电量,国家,项目,美国,日本,中 国,年 份,1942,1967,1990,2000,2010,2020,2050,人均发电量,kWh/人.年,3500,5000,547,1106,2129,2428,4502,摘自中国能源战略研究总报告,中国工程院咨询报告 97-00-01-01,对应我国小康社会水平的主要国家人均发电量 国,污染控制市场预测,到2020年，新装600MW火电机组约700台；新装机组均装置脱硫、脱硝设备。,投资成本：SO2=250 元/千瓦装机量；NOx：200 元/千瓦装机量,至2020年SO2、NOx市场前景预测,污染控制市场预测到2020年，新装600MW火电机组约700,3.,海底天然气水合物,为一种白色固体物质,外形象冰,有极强的燃烧力.有水分子和燃气分子,主要是甲烷分子组成,最近二十年才被人们广泛发现.具有能量高,分布广,埋藏浅,规模大等特点。,全球天然气水合物中的总含碳量约为地球上所有化石燃料,含碳总量的两倍,。绝大部分分布在海洋中,水深300500米海底之下5001000米的范围内,海洋里天然气水合物的资源量约为1.8亿立方米,约合11万亿吨,是陆地资源量的100倍.,天然气水合物形成需要三个条件:,1.足够低的温度,2.较高的压力,3.原始物质-气和水的足够富集,3.海底天然气水合物为一种白色固体物质,外形象冰,有极强的,天然气水合物的结构,中部是,甲烷分子，碳1（黄色），氢4（灰色）外部是,水分子组成的网笼,多个天然气水合物分子的组合,天然气水合物的结构多个天然气水合物分子的组合,天然气水合物可能造成的全球变化和海底灾害,天然气水合物可能造成的全球变化和海底灾害,天然气水合物的资源量相当于化石燃料（包括煤、天然气和石油）资源量的两倍,全球有机碳的分布,天然气水合物的资源量相当于化石燃料（包括煤、天然气和石油）资,左图为天然气水合物的外貌,右图为天然气水合物呈脉状存在于海底沉积物之中,左图为天然气水合物的外貌,天然气水合物的燃烧过程：,1、天然气水合物置于铁罐中；,2、点火；,3、天然气水合物被点燃；,4、熊熊烈火,天然气水合物的燃烧过程：,天然气水合物在手中燃烧,天然气水合物在手中燃烧,中国发电的平均耗煤量,g/kW.h,中国发电的平均耗煤量g/kW.h,二、热力学发展简史,1.热力学是研究能量、能量转换及其与物质性质之间关系的普遍学说。,2.原始人在争取自己生存条件的自然斗争中学会了取火和用火，这是人类取得的第一个巨大成就，是人类启蒙性地发掘利用热能的第一步。恩格斯曾对此给予了高度评价。但这并不是热力学的开始。,3.在人类历史上，水力的利用曾长期占据统治地位。,二、热力学发展简史1.热力学是研究能量、能量转换及其与物质性,4.1784年，瓦特（J.Watt,1736-1819)对原始蒸汽机进行改造，增加了曲轴、进汽阀、排汽阀。瓦特的发明引发了产业革命。,蒸汽机运用到航海也以后，由于船上储煤空间宝贵，促使人们对如何提高蒸汽机的工作效率、节约用煤问题进行了系统的研究，并在十九世纪中叶开始形成“热力学”这门学科，和“电磁学”一道从牛顿力学上分枝出来。,4.1784年，瓦特（J.Watt,1736-1819)对原,5.热力学第一、二定律的出现标志着热力学的建立,1）到十九世纪中叶，焦耳（J.P.Joule.1818-1889)前后用了20多年时间，做过多种多样的实验，测定了热功当量。1850年当焦耳写出第一篇总结论文时，他的各种精确的实验结果的一致性，已经给出了能量守恒定律的实验基础。,5.热力学第一、二定律的出现标志着热力学的建立1）到十九世纪,焦耳：能量守恒定律的发现者之一,焦耳，J.P.（James Prescott Joule 18181889）,英国物理学家。1818年12月24日生于索尔福。他父亲是酿酒厂的厂主。焦耳从小体弱不能上学，在家跟父亲学酿酒，并利用空闲时间自学化学、物理。他很喜欢电学和磁学，对实验特别感兴趣。后来成为英国曼彻斯特的一位酿酒师和业余科学家。焦耳可以说是一位靠自学成才的杰出的科学家。,焦耳：能量守恒定律的发现者之一 焦耳，J.P.（James,此外，迈尔（Julius Robert Von Mayer 1814-1878）和赫姆霍兹（Hermann Von Helmholtz 1821-1894）等人也都对热力学第一定律作出了贡献。,此外，迈尔（Julius Robert Von Mayer,2)1824年，卡诺（Sadi Carnot 1796-1832）提出了卡诺循环和卡诺定理，发现了热能转变为机械能的根本条件，即必须有温度不同的热源和冷源，这从本质上说明了热力学第二定律。,在卡诺研究的基础上，18501851年间，克劳修斯和开尔文先后提出了热力学第二定律。,开尔文在1848年根据卡诺定理制定了“热力学温标”，克劳修斯在1850年根据卡诺定理提出了“熵”。,2)1824年，卡诺（Sadi Carnot 1796-18,卡诺（Sadi Carnot）：英年早逝的奠基者,卡诺的父亲拉扎尔卡诺是拿破仑第一执政手下的战争部长及滑铁卢战争前百日政权的内政部长,1812年，萨迪卡诺考入巴黎理工学院，在那里受教于泊松盖吕萨克、安培和阿喇戈这样一批卓有成就的老师。他主要攻读了分析数学、分析力学、画法几何和化学。,28岁时发表 关于火的动力 36岁去世。,卡诺（Sadi Carnot）：英年早逝的奠基者卡诺的父亲,6.1906年，能斯特（walter Nernst 1869-1941)根据低温下化学反应的大量实验事实归纳出了新的规律，并于1912年将之表述为绝对零度不能达到，即,热力学第三定律,。热力学第三定律的建立，使经典热力学理论更加完善。,6.1906年，能斯特（walter Nernst 1869,7.热力学的建立与理论研究上的成就反过来又促进了热动力机的不断改进与发展。,早期蒸汽机的热效率只有1%2%，目前蒸汽电站的热效率达40%，燃气蒸汽联合循环的热效率已接近60%,十九世纪末，发明了汽轮机：高参数、高效率、大功率。,十九世纪末，还发明了内燃机：重量轻、热效率高、能移动。,近几十年来，燃气轮机已发展并改进成为适合实际应用的一种重要的热动力设备：军舰、喷气式飞机、燃机电站。,7.热力学的建立与理论研究上的成就反过来又促进了热动力机的不,三、学习工程热力学的重要意义,1.是第一门、也是最重要的一门专业基础课。是众多院校研究生入学的考试科目。,2.应用广泛：电厂热能动力工程、建筑环境与设备工程（暖通、空调）、化工、汽车、火箭、核电站等。,3.能解决很多专业方面的问题和日常生活方面的问题。,三、学习工程热力学的重要意义1.是第一门、也是最重要的一门专,例1：革凝汽器的命？,我国的能源短缺，而一般蒸汽火电厂的热效率只有40%左右，煤燃烧产生的热量中大约50%由冷却塔（cooling tower)排放到周围环境。为什么不能不要凝汽器（即所谓“革凝汽器的命”）？,例1：革凝汽器的命？我国的能源短缺，而一般蒸汽火电厂的热效率,例二：火力发电原理图,例二：火力发电原理图,为什么要将汽轮机切开？为什么要在汽轮机上打孔？,为什么要将汽轮机切开？为什么要在汽轮机上打孔？,例3：哥伦比亚航天飞机失事,2003年2月1日22点（北京时间），美国哥伦比亚航天飞机在返回地面前16分钟解体，7宇航员罹难。,失事时，飞行高度为203,000英尺，时速为12,500英里。,老化：服务21年。,滞止温度,：在点火升空时，其巨大的外部燃料箱物体脱落，并且击中了飞机的左翼，隔热瓦脱落。,例3：哥伦比亚航天飞机失事2003年2月1日22点（北京时间,附：隔热瓦,绝热瓦是用来保护燃料箱免于高温或低温的损害，图中的样品与怀疑从固体火箭助推器外部燃料箱左侧脱落的绝热瓦属于同一类型。,附：隔热瓦绝热瓦是用来保护燃料箱免于高温或低温的损害，图中的,例四：汽化潜热,为什么用蒸锅热剩饭剩菜时，没有必要放很多水？,例四：汽化潜热为什么用蒸锅热剩饭剩菜时，没有必要放很多水？,例5：酒精灯,为什么牙科医生和耳鼻喉医生的诊台上要放一个酒精灯？,例5：酒精灯为什么牙科医生和耳鼻喉医生的诊台上要放一个酒精灯,四：如何学好工程热力学？,虽然工程热力学是一门很重要、很有意思的课，但同时也是公认的很难学的一门课：概念抽象、内容繁多。,课前预习，上课认真听讲，做笔记。,课后复习，独立、认真完成作业。,热力学的直观语言很重要：P-V图、T-s图、h-s图、h-d图。,适当地看一些参考书。,四：如何学好