热工学基础与应用

热工学基础与应用2内容课程内容介绍课程重要性成绩构成介绍第1章热能综述3内容：简单来讲热工学是研究自然界一切热现象的发生过程的一门学科。主要分为热力学和传热学两个分支。通过学习热工学我们会掌握热的本质、热与其他能量形式转换的规律、各种工质的热力性质，热量传递规律、各种设备在运行过程中热量的产生或损失对其性能和寿命的影响等等。形式：理论+实验重要性：能源动力设备等热现象成绩构成：平时成绩+考试成绩到20世纪80年代热工学成为各个国家能源、动力、机械、建筑设备类等专业的必修课，有的学校还设为工科学生基础课程。

第一章热能综述能源能量形式：——凡是能够提供某种形式能量的物质，或是物质的运动，统称为能源。机械能、声能、光能、电能、磁能、化学能、生物能…

一、能源与能量5能源与能量有何区别？6

凡是能够提供某种形式能量的物质，或是物质的运动，统称为能源。能源是一种物质，是一种可以提供能量的物质，如煤、石油、天然气等通过燃烧，可以提供热能；也有些物质只有在运动中才能提供能量，这些物质的运动也称为能源。如空气和水，只有在运动中，才能提供动能——风能和水能。7所谓能量，是指物体做功的能力。能量的形式很多，如热能、光能、电能、机械能、化学能、重力位能等。能源物质中储存着各种形式的能量，并为人类提供各种形式的能量（见下表）。如煤蕴藏着大量的化学能，通过燃烧释放出热能，即化学能转变成热能；如果通过内燃机、发电机等机械，可以将热能进一步转变为机械能或电能，就可以做功。8

能量形式与其有关能源重力位能水力，潮汐能化学能煤，石油，天然气，生物质能，燃料电池原子核能铀、钍等核裂变燃料，氘、氚等核聚变燃料热能地热，高温岩体动能风力辐射能太阳能能源

分类一次能源二次能源第三类能源第二类能源新能源常规能源可再生能源非可再生能源按照能源获取方式分类按照能源的性质分类按照利用能源的技术状况分类按照能源的形成和来源分类第一类能源

二、能源的分类按照能源转换和传递方式分类一次能源如:煤、石油、天然气、水能、风能、生物能、沼气、太阳能、核能、潮汐能、地热能…

…二次能源如:汽油、煤气、焦炭、蒸汽、电能、氢能、酒精、热水…

…按照能源的性质分类非可再生能源：如:煤、石油、天然气、核能…可再生能源：如：太阳能、生物能、水能、风能、地热能、潮汐能、波浪能…按照利用能源的技术状况分类常规能源可再生能源——水能非可再生能源——煤炭、石油、天然气新能源可再生能源——太阳能、风能、地热能、潮汐能、波浪能、生物能非可再生能源——核能按照能源的形成和来源分类第一类能源：来自地球以外天体的能量太阳能、风能、水能、波浪能、煤、石油、天然气、生物能第二类能源：来自地球本身的能量

核能、地热、温泉第三类能源：来自天体间的引力能潮汐能14

1、目前世界能源主要取自于化石能源

（石油、天然气与煤炭）；

2、随着社会经济的发展，对能源的需求

也日益增长。预计，2020年达到128.89亿吨当量，2025年则达到136.50亿吨当量，平均年增率为2%；三、世界能源现状153、目前世界的化石能源岌岌可危：截止到2003年底，全球剩余的石油已探明的可开采量为1565.8亿吨，如果，以后没有发现新的蕴藏量可观的油田的话，估计到2040年，最多到2050年就要用完；而天然气估计可以用到2050年，加上可能再发现的天然气田,最多用到2090年；煤炭的情况好一些，估计可以再用200年甚至300年。综上所述，到本世纪末，除煤炭外,其它的化石能源就要开采殆尽！

“能源危机”之说绝不是危言耸听！164、与此同时，化石能源的碳排放带来的环境污染也日趋严重，减排任务相当艰巨！2009年12月18日在哥本哈根召开的世界气候会议的主要议题是，工业化国家减少温室气体的排放目标与帮助发展中国家适应气候的变迁。由于欧美等发达国家的消极态度，最后没有达成实质性协议。可见，世界性的减排、低碳之路任重而道远！17

1、新能源的开发利用（开源）2、节能（节流）

四、解决能源危机的办法五、新能源核能太阳能地热能风能海洋能生物能氢能1、核能

原子核结构发生变化时释放出的能量——统称为核能，也称为原子能。n+U→Sr+Xe+2n+能量10235

9293

3893

541

0中子铀锶氙中子1千克铀核发生裂变时，放出的能量相当于燃烧2700吨标准煤。核电站中使用的主要是铀核裂变。⑴核能产生的原理重核裂变轻核聚变两个较轻原子核，聚合成一个较重的原子核+能量氘氚氦中子原子核聚变时，放出的能量比核裂变时还要大。但氢弹中的核聚变目前人们还无法控制。科学家们正在研究可控制的核聚变，以造福人类。世界第一颗氢弹——麦克“麦克”爆炸成功

我国第一颗氢弹爆炸生成的蘑菇云（2）核电站1954年，前苏联建成世界上第一座核电站；现在世界上有30多个国家的400多座核电站在运行，占世界总电力的20%左右；中国核电建设已有30年的历史，截至目前中国共有核电站8座，共有15台机组，其中已建成运行的9台，正在建造的两台，已报送国务院并得到批准近期将开工的4台

崛起的新能源－核电26

目前世界核电站的状况

经过50多年的发展，核电已成为30多个国家能源组成中不可或缺的部分。全世界正在运行的核动力堆已超过440座，总装机容量超过387千兆瓦，其中法国核电占其国内总电力的74.6%，比利时56.8%，韩国44.7%，瑞典39%，日本33.8%，德国30.6%，英国22%，美国20%，俄罗斯16%，而中国仅为1.1%。

目前中国核电站的状况27

我国的已经运行的核电站有：

1）秦山核电站（浙江嘉兴的杭州湾畔）一期工程（30万KW，1994年商业运行，）、二期工程（2×60万

KW，2002年商业运行）、三期工程（2×70万KW）

2）大亚湾核电站（广东深圳大亚湾）（2×984MW）；

3）田湾核电站（江苏连云港田湾）

（2×106万KW，05年建成投产）

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4）岭澳核电站（广东大亚湾西海岸大鹏半岛东南侧）（2×100万KW04年投入商业运行），二期工程正在建设中。

正在建设中的核电站有：

1）阳江核电站（广东西南沿海的阳江市东平镇沙环村）（6×100万

KW）；

2）三门核电站（浙江台州市三门健

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跳镇猫头山半岛上南部）（6×100万KW）；3）海阳核电站（山东海阳冷家庄）;4）宁德核电站（福建省宁德市辖福鼎市秦屿镇的备湾村）；5）福清核电站（福建三山镇前薛村）6）红沿河核电站（辽宁瓦房店市东岗镇）。……等等。

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秦山三期核电站31

广东大亚湾核电站32

连云港田湾核电站一般来说，如果防范措施得当，核电站是很安全的。历史上曾发生过两次核电站核泄露事故：一次是1979年3月18日，美国三里岛核电站堆芯熔毁；另一次是1986年4月26日，前苏联切尔诺贝利核电站4号反应堆发生爆炸。核电站的安全性核能利用的前景核电站最先使用的是铀-235，以后扩展到铀-238、钍-232，它们在地壳中蕴藏量巨大，如果全部利用可供人类用上几千年。海水中含有大量的氘，因此科学家正在研究解决从海水中提取氘作为核动力，使海水中的全部核能释放出来，足够人类用上百亿年。所以说核能是一种理想的新能源。核聚变能源开发2、太阳能地球上可以直接接收并利用的太阳辐射能。太阳能介绍动画

太阳能特点太阳能取之不尽，用之不竭；太阳能在转换过程中不会产生危及环境的污染；太阳能资源遍及全球，可以分散地、区域性地开采。我国约有2/3的地区可以较好利用太阳能资源；太阳能能流密度低、其强度受各种因素（季节、地点、气候等）的影响不能维持常量。直接利用太阳辐射能的方式光—热转换光—电转换光—化学转换光—热转换太阳能发电太阳能高温炉冶炼高温材料太阳能节能建筑太阳能海水谈化太阳池39太阳能热水器结构太阳热能应用40真空管集热器41太阳能温室来自太阳的太阳光为短波长的电磁波，其对玻璃具有穿透力，而进入密闭空间，加热空间内部空气或对象，但是受热的空气或对象，因为温度不似太阳那么地高（也就是所谓的室温），所以释放的辐射波为短波长，而无法再穿透玻璃，所以，热量被保持于装有玻璃的密闭空间，这就是所谓的温室效应。42太阳能海水淡化应用蒸馏原理，以太阳辐射热为动能，将海水蒸发成水蒸气，然后凝结于蒸馏器之玻璃面盖上，并沿着倾斜之玻璃藉由重力下滑至集水沟，最后汇流于集水槽当中。太阳能高温炉冶炼太阳炉的焦点

利用新型太阳炉的高温熔化15mm的钢板

利用新型太阳炉熔化钨板

441954年第一个太阳电池由贝尔实验室制作成功。1957年开始太空应用。1970年开始太阳光发电系统地面应用。1980年消费性薄膜太阳电池应用。1990年与公用电力并联之太阳光发电系统技术成熟。1992年起欧、美、日各国推动太阳光发电系统之补助奖励政策。2000年建材一体型太阳电池应用。太阳能发电之重要历史45太阳能电池原理自由电子N型半导体P型半导体电洞hνn-+h+光激发电子电洞对4647家用太阳能光电系统48空中无线通讯平台应用资料来源：SkyOneInc.Taiwan飞行高度：5-7万英呎(最高记录96,000英呎)时速：60mph(起飞25mph)翼展：247英呎重量：2,000磅太阳电池效率要求：>22%资料来源：/home.html太阳光发电航天应用例

(NASAHelios)太阳能光伏电站

深圳园博园太阳能光伏并网电站

3、地热能

是来自地球深处的可再生热能。它来源于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变。地下水的深处循环和来自极深处的岩浆侵入到地壳后，把热量从地下深处带至近表层。在有些地方，热能随自然涌出的热蒸汽和水而到达地面，这种热能的储量相当大。据估计，每年从地球内部传到地面的热能相当于100PW·h。地热发电

西藏的羊八井地热电站的供电量已占拉萨市电网供电量的40％以上，而且利用热发电的排放水还建立了50000M2的农业温室，使之成为拉萨市的主要蔬菜生产基地。羊八井地热电站4、风能

全球的风能约为2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。四大优点是：蕴量巨大；可以再生；分布广泛；没有污染。三大弱点是：密度低；不稳定；地区差异大。风能.未来.独立运行方式并网运行方式[视频]风力发电5、海洋能海洋能(oceanenergy)是指依附在海水中的可再生能源，包括：潮汐能、波浪能、海洋温差能、海洋盐差能和海流能等，更广义的海洋能源还包括海洋上空的风能、海洋表面的太阳能以及海洋生物质能等。海洋能理论上可再生的总量为766亿千瓦。海洋能开发利用的方式主要是发电，其中潮汐发电和小型波浪发电技术已经实用化。6、生物能以生物质为载体的能量。生物界一切有生命的可以生长的有机物质，包括动植物和微生物。所有生物质都有一定的能量，而作为能源利用的主要是农林业的副产品及其加工残余物，也包括人畜分粪便和有机废弃物。生物质能为人类提供了基本燃料。

林业废弃物下角料农业废弃物能源作物7、氢能氢是宇宙中最丰富的元素之一，但是在地球上单质氢的含量微乎其微。氢能属于二次能源，只能由其他能源进行转化而得到。其主要优点有：燃烧热值高，每千克氢燃烧后的热量，约为汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。燃烧的产物是水，是世界上最干净的能源。58由于氢在地球上无所不在，没有用尽的一天，因此「明日能源」一书的作者PeterHoffmann称氢为一种「永远的能源」。此外，燃烧氢气并不像石油或煤碳会产生二氧化碳等有毒物质，水和热是氢燃料电池的唯一产物。因此，使用氢气这种清洁能源最大的好处就是保护环境。发展氢能经济的好处就是可以大量利用国内资源来生产，不需要像石油一样仰赖其它国家的进口。氢能不是能源的一种，它必须被生产出来。它可以利用煤碳、天然气、核能或是太阳能等其它替代能源被生产出来。我们必须大幅度减少生产氢气的成本到目前的十分之一左右。氢能经济的另一项巨大挑战就是在安全方面。由于氢气无色无味，它的火焰也是肉眼看不见的，如何安全的储存氢气在车辆中、以及如何到类似加油站的地点补充氢气都是问题。不过