绪论-能源概述

工程热力学,陶于兵能动学院、热流中心东三楼甲241,非常重要专业基础课工程热物理基础三大专业基础课能源与动力工程学院的专业基础,课程定位,概念多，术语多公式多，计算多工程背景与科学抽象多系统性强,课程特点,参考教材：1.何雅玲.工程热力学精要解析及典型题精解.西安交通大学出版社（2008版）2.国外教材:Y.A.Cengel，M.A.Boles.Thermodynamics-AnEngineeringApproach,教材,教材：工程热力学（第四版）.童钧耕主编，高等教育出版社,主要方法：课堂教学主导作用辅助方法：现场参观增强感性认识实验加强对理论的理解习题课培养灵活运用理论知识的能力计算机用现代计算方法解题,教学方法,准时上课、不要缺课或迟到，抽查点名;,作业+出勤(20)+期末考试(80)=100,独立完成作业，按时交,考核方法及要求,有问题及时解决，不要拖至考试,课程性质：是讲授热能与机械能相互转换基本理论，以提高热能利用完善程度的一门专业基础课。课程目的：为学习有关专业课程和将来解决热工领域的工程技术问题奠定基础。课程任务：通过课程学习，掌握热力学方面的热工理论知识，获得有关热科学的基本计算训练和解决有关热工工程问题的基本能力。,工程热力学是能源科学的一门基础理论课。,课程性质、目的及任务,01自然界的能源及其利用,03工程热力学的研究对象、内容和方法,02热能的合理利用,基本内容,第0章绪论,第一节自然界的能源及其利用,1、能源(EnergySources),大英百科全书对能源的解释为“能源是一个包括所有燃料、流水、阳光和风的术语，人类采用适当的转换手段，给人类自己提供所需的能量”。在现代汉语辞典中，对能源的注解是“能产生能量的物质，如燃料、水力、风力等”。,一、能源及其分类,为人类生产和日常生活提供各种能量和动力的物质资源。凡是能直接或者经过转换而获取某种能量的自然资源统称为能源。,自然界提供的能源有哪些呢？,2、能源的分类,能源可以根据来源、形态、使用程度和技术、污染程度以及性质等进行分类。,按地球上的能量来源分：来自地球外天体的能源直接获得：宇宙射线、太阳能间接获得：水力能、风能、波浪能、生物质能、海洋温差能、化石燃料（煤炭、石油、天然气）地球本身蕴藏的能源核能（核燃料）、地热能（温泉、岩浆等）地球与其它天体（月球等）相互作用的能源海洋的潮汐能,按能源存在形态分：一次能源可直接利用、未改变形态的自然界现存的能源可再生能源：风能、水能、地热能、太阳能等非再生能源：煤、石油、天然气、核燃料等二次能源一次能源直接或间接转换而来的能源电、高温蒸汽、焦炭、煤气、氢、汽油等,按使用程度和技术分:常规能源：开发利用时间长、技术成熟、大量生产并广泛使用，如煤炭、石油、天然气等新能源：开发利用较少或正在研究开发之中，太阳能、地热能、潮汐能、生物质能，核能,按对环境的污染程度分：清洁能源对环境无污染或污染很小的能源，如太阳能、水能、海洋能、风能、氢能等；非清洁能源对环境污染较大的能源，如煤、石油等。,按能源本身性质分：含能体能源集中储存于物质本身的能量如石油、煤、天然气、地热、氢等过程性能源通过物质运动过程而产生的能量，其无法直接储存并随过程结束而消失如水能、风能、潮汐能、电能等。,最常用的能源分类,二、能源利用与社会历史发展,人类利用能源的历史，也就是人类认识和征服自然的历史。从能源利用观点来看，人类发展经历了三个不同能源时期：(1)远古时期，火的发现和利用薪柴时期，畜力、风力、水力等自然动力的利用(2)18世纪工业革命煤炭时期，蒸汽机问世，电能的发现及开发利用(3)20世纪50年代，石油资源的发现和开发石油时期，交通运输及电力蓬勃发展(4)进入21世纪，原子核能的发现及开发利用，核能将成为世界能源的重要角色,公元前十万年,公元前一万年,公元前七千年,1400,1785,1950,薪柴时期,煤炭时期,石油时期,人均能耗越高，表明一个国家的人民生活水平越高。,仅是美国的16.7%、日本的31.5%、世界平均水平的77%。,2006年环球能源网统计,三、能源与环境,环境污染温室效应与热污染酸雨臭氧层的破坏放射性污染烟尘等,大气和江海污染土地退化森林面积急剧减少淡水资源日益短缺生物多样化受到威胁,环境恶化,能源在开采、输送、加工、转换、利用及消费的过程中，对生态系统产生了重要影响，成为环境污染的主要根源，具体表现在：,设在华盛顿的地球政策研究所曾预测说，由于温室效应造成海平面上升，大洋洲岛国图瓦卢的居民将被迫举国搬迁。,气温上升、冰川熔化、海平面上升。,（一）温室效应,地球为什么会变暖？人类大量使用能源放出的热量使地球变暖的吗？,人类一年使用的全部能源80亿吨标准石油331016kJ,人类使用能源一天所放出的热量0.11016kJ地球一天从太阳获得的热量15001016kJ,太阳能辐射能中到达地球表面的能量分布,二氧化碳氮氧化物水蒸气氟利昂,温室效应气体,空气：氮气、氧气、氢气、二氧化碳、水蒸气等；,双原子分子透明体多原子分子短波辐射可以自由通过，吸收长波辐射,环境污染日益严重，全球变暖趋势愈发明显,温室气体的来源,森林消失导致全球变暖,树木燃烧释放出二氧化碳,火山释放二氧化碳的固体微粒,牲畜通过反刍或呼吸增大甲烷、二氧化碳和水蒸气的含量,农业是二氧化碳和水蒸气的重要来源,工厂和发电厂是二氧化碳、氧化硫、氧化亚氮等很多温室效应气体的制造者,焚烧固体废物,汽车尾气,背景介绍,据统计，2009年，中国CO2排放量（60亿吨）已超过美国（59亿吨），跃居世界第一。但是从人均排放量来看，澳大利亚第一、美国第二。,2003年统计,2009年12月7日-18日，哥本哈根气候变化会议，第15次联合国气候变化框架公约会议。温家宝总理做出2020年我国碳排放强度下降40%45%承诺。,1992年，里约热内卢成立了联合国气候变化框架公约,何谓酸雨：天然降水的PH值为6.55,一般将PH值小于5.6的降雨称为酸雨。酸雨的分类酸雨正确的名称应为酸性沉降，它可分为湿沉降（下雨时，高空雨滴吸收并冲刷酸性物质降到地面）与干沉降（大气中酸性物质被植被吸附或重力沉降到地面）两大类。,（二）酸雨,湿沉降,干沉降,自然来源：火山爆发喷出的硫化物及悬浮固体物、自然水域表面释放的硫化氢等,酸雨的成因,人为来源：一氧化碳、硫化氢二氧化硫、氮氧化物等,酸雨的危害,臭氧层：由臭氧构成，离地面大约35km左右的平流层中；功用：吸收大部分太阳辐射中有害的紫外线，是地球防止紫外线辐射的屏障。,（三）臭氧层的破坏,近几十年来，由于人类大量使用含氯、氟等化学合成物质作为制冷剂，导致臭氧空洞的出现和不断扩大。,Cl+O3ClO+O2，ClO+OCl+O2。反应反复进行，据统计，平均一个氯（氟）原子可以消耗10万个臭氧分子。,臭氧层破坏的原因和机理,在臭氧层中存在着氧原子（O）氧分子（O2）和臭氧（O3）的动态平衡。,根据BP世界能源统计，全球化石燃料可用情况如下：,40.6年,164年,65.1年,1636亿吨,179.8万亿立方米,9091亿吨,储量,储采比,BP世界能源统计2006,四、能源利用与人类社会的可持续发展,而世界人均的能量消耗则不断上升，在过去一世纪中总能耗增长了18倍！,1kg标准煤的发热值=29308kJ,年份总人口人均能耗(亿）吨标准煤/(人.年)190015.710.493195025.011.026200060.502.300,探明的化石燃料藏量有限，而工业与生活所需数值不断增长，这是世界能源所面临的主要问题之一。,我国的能源形势更为严峻:我国人均能源拥有量仅为世界平均值的一半，化石燃料的储采比低于世界平均值;但工业能耗又高于工业发达国家,2003年我国国民经济的GDP仅占世界总值的3.9，而主要资源的消耗已经列世界前茅。,2006中国能源发展报告,*百万吨当量石油;*百万吨,2003年我国主要资源消耗及环境状况,3、能源结构极不合理,世界终端用能消费结构比较,OECD-OrganizationforEconomicCooperationandDevelopment:经济合作与发展组织,能源构成不合理,74%,20%,21%,5%,水电、核电,60%,22%,6%,12%,中国原油需求预测,43.9%,51.2%,能源短缺问题,环境污染问题,开源,节流,五、能源问题的可能解决途径,节能（节流）：采用技术上可行、经济上合理以及环境和社会可以接受的措施，减少从能源生产到能源消费中各个环节的损失和浪费，以便更有效、更合理地利用能源，提高能源利用率和能源利用的经济效益。见效快、但难于解决根本问题。开源：提高自产能源比例，推动可再生能源及清洁能源的开发利用。可以解决根本问题，但短期内受成本和技术制约。节约与开发并举的能源政策,目前全球每年消耗能量为4.1x1020J，到本世纪中叶至少需要增到两倍以上，到本世纪末要增加到三倍以上。在节能减排的基础上，需要开发新能源以满足日益紧张的能源需求。,环保要求新供给的能源无温室效应。不排CO2的新能源(CO2-freeenergy)主有两大类：,1)核能,安全问题和后处理问题；,2)可再生能源,重要途径。,全球水能可用量小于0.1TW,全球潮汛总能量小于2TW,地热总储量为12TW，只有小部分可利用,尽管到达地球大气层的太阳能仅为其总辐射的22亿分子之一，已经高达1.73X105TW！,全球风能可用量为：24TW,在可再生能源中太阳能前景最广阔。据联合国估计：,全球能源需求预测,目前主要应用,太阳能光伏发电,太阳能空调，制冷，干燥,太阳能热力发电,转化为电能（光电）,转化为热能（光热）,太阳能建筑一体化,太阳能集热器,太阳能灶，太阳房，温室,转为化学能（光化）,太阳能海水淡化,水蒸汽,气体(烟囱，Stirling),槽式,蝶式,塔式,自然光合作用(效率低，1),人工光合作用(基因转换，催化),制氢(光催化，热分解),能源植物(switchgrass),低沸点工质(太阳池),其它：光光；热机,太阳能利用方式分类：,太阳能热电系统示范,美国加州BastowSolar-1,10MW,美国南加州SEGS,13-80MW，加热有机油到390,西班牙PlataformSolardeAlmeria的蝶式Stirling机系统,(风能最低、太阳能次之，生物质最高),国际能源署预测：到2020年的可再生能源的开发成本随时间的变化图。,可再生能源的开发成本随时间的变化图,01自然界的能源及其利用,03工程热力学的研究对象、内容和方法,02热能的合理利用,基本内容,第0章绪论,第二节热能的合理利用,能源的合理利用实际上就是热能的合理利用。热能的合理利用非常重要。,一、热能的利用,人类利用的自然界能源主要有：煤、石油、天然气、生物质能核燃料太阳能、地热能水力能、风能、潮汐能等。,热能的合理利用,1、直接利用是指直接用热能加热物体，热能的形式不发生变化（传热学）。冶金、化工、干燥等工业和生活应用。,2、间接利用是指把热能转换为机械能(或进一步转化为电能)，以满足人类生产生活对动力的需要（工程热力学）。,热能机械能（或电能）,如：热力发电厂、车辆、船舶、飞机等动力装置。,(ThermalEnergy-MechanicalEnergy),二、热能利用的形式和热力学发展简史,远古时期，燧人氏砖木取火18世纪初，欧洲采矿、航海、纺织等工业部门对热机的巨大需求，促进了热力学的快速发展1714年，德国华伦海特根据物体的热胀冷缩原理建立华氏温标，热力学走向实验科学道路1784年，英国瓦特改进了原始的蒸汽机(第一次工业大革命，导致涉及热能间接利用的“工程热力学”的出现)1824年，法国卡诺提出卡诺定理与卡诺循环，发现热转变为机械能的根本条件，即必须有不同的热源与冷源(热力学第二定律),热力学发展简史,热质学说：热是一种无质量流体，可以进入一切物质，不生不灭（19世纪中期废弃）热运动学说：热是运动的表现。如摩擦生热，热是大量分子不规则运动的能量,1842年，德国迈耶提出能量守恒定律：热是一种能量，并计算得到热功当量1Cal4.18J.论无机性质的力1843年，英国焦耳实验测定热功当量值1848年，英国物理学家开尔文确立热力学温标，提出绝对零度是温度的下限18401851年，迈耶及焦耳等建立热力学第一定律：第一类永动机不可能实现18501851年，德国克劳修斯和开尔文先后提出热力学第二定律：第二类永动机不可能实现1906年，德国能斯特得出了热力学第三定律，人们称之为“能斯特热定理”或“绝对零度不能达到原理”，获1920年诺贝尔化学奖1910年，荷兰范德瓦尔的实际气体状态方程获诺贝尔物理奖,1911年,德国普朗克也提出了对热力学第三定律的表述(绝对零度不可达到但可以无限趋近)，量子物理学的开创者和奠基人，1918年获得诺贝尔物理学奖。1878年，普朗克提交博士论文论热力学的第二定律，亥姆霍兹以及克劳修斯等对普朗克关于热力学第二定律的新思想加以反对、嘲笑与抵制普朗克：新的科学理论不是靠通过说服反对者而获胜的，它最后的胜利是由于反对者们终于死去而赞同它的年轻一代成长了起来。1942年，美国凯南提出有效能概念，能量的有效能分析方法广泛应用,三、能量转换装置简介,1、热能动力装置如：（1）蒸汽动力装置（2）内燃机（3）燃气轮机装置（4）核动力装置,2、制冷装置如（1）冰箱（2）空调,例1蒸汽动力装置,PowerPlant,蒸汽动力装置简图,例1蒸汽动力装置,B,流程图,例1蒸汽动力装置,T1,T2,热力学原理图,热效率(ThermalEfficiency),例2制冷装置,流程图,热力学原理图,流程图,例2制冷装置,制冷系数,CoefficientofPerformance(COP),冷凝器,压缩机,蒸发器,毛细管,01自然界的能源及其利用,03工程热力学的研究对象、内容和方法,02热能的合理利用,基本内容,第0章绪论,一、研究对象,工程热力学的研究对象：能量转换。特别是热能转化成机械能的规律、方法以及提高转化效率的途径。主要目的：提高热能利用经济性（节能）。(如何实现热功转换，及提高转换的经济性),第三节工程热力学的研究对象、内容和方法,二、主要内容,（一）基本概念和基本定律：热力学基本概念热力学第一定律热力学第二定律,（二）工质的热力性质：理想气体水和水蒸气实际气体,（三）过程及循环分析：过程分析动力循环分析制冷循环分析,（四）化学热力学不做讲述,经典热力学方法：宏观、唯象的方法通过对宏观现象的观察和实验得到的规律为基础，经过一些抽象的假定，然后应用逻辑推理的方法得到一些有用的结论。,宏观的：根据大量分子的平均行为唯象的：长期观察，某些实验,三、研究方法,1、宏观的研究方法（宏观热力学或经典热力学）,热力学第一定律、第二定律等基本定律是宏观方法的基础。,统计热力学方法：对分子的行为进行描述，仍建立在牛顿力学的基础上，用统计方法把大量分子的行为表现出来。因此它是微观的、理论的。,2、微观的研究方法（应用统计法则和概率法则的研究方法，统计热力学）,宏观、唯象方法为主，个别场合微观理论方法为辅鲜明的工程应用观点，概念的理解，问题的解决密切联系工程实际问题(工程热力学),逻辑推理,普遍结论,实际应用,牢记研究对象：能量转换（如何实现热功转换，及提高转换的经济性）；培养抽象思维：从具体的物理问题中抽象简化出热力学本质，应用热力学基本定理和基本方法进行分析研究；注重习题和实验环节：通过习题和实验训练，培养对具体问题进行抽象和分析的能力，进一步加深对基本概念的理解。,四、学习方法,本课程将要用到的一些关键设备图,喷管第7章,压气机（活塞式、叶轮式）第8章,活塞式内燃机第9章,燃气轮机第9章,燃气轮机第9章,蒸汽动力系统（电厂）第10章,锅炉Boiler设备图,核电厂汽轮机,凝汽器Condenser和冷却塔系统图,冷却塔实体图,Natural-driftCoolingTower,制冷空调装置第11章,第一节自然界的能源及其利用,小结,能源,为人类生产和日常生活提供各种能量和动力的物质资源。,能源及其分类,来源、形态、使用程度和技术、污染程度以及性质等。,常用的能源分类,1.1、能源及其分类,1.2、能源利用与社会历史发展,(1)薪柴时期火的发现和利用(2)煤炭时期18世纪工业革命，蒸汽机问世(3)石油时期20世纪50年代，石油资源的发现和开发,1.3、能源与环境,环境污染温室效应酸雨臭氧层的破坏,1.4、我国能源所面临的问题,人均占有