Engineering Thermodynamics 工 程 热 力 学

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1 Engineering Thermodynamics 工 程 热 力 学
主讲教师 王承阳 phone: , (O) Office: 冶金馆303 东北大学 热能与动力工程专业 新能源科学与工程专业

2 参考教材 沈维道, 童钧耕. 工程热力学(第四版), 高等教育出版社, 东北大学 王承阳

3 0 绪论 0.1 热能动力类学科与专业 0.2 能源与热力工程 0.3 工程热力学的主要内容 东北大学 王承阳

4 Specialty about Thermal energy and power engineering 0.1 热能动力类专业

5 能源与信息、材料、生物工程等同属于二十一世纪最重要的科学，具有广泛的应用领域和良好的发展前景。
0.1 热能动力类专业 能源与信息、材料、生物工程等同属于二十一世纪最重要的科学，具有广泛的应用领域和良好的发展前景。 能源也是地球上最重要的战略资源，中东问题久拖不决的根源就在于能源。 几乎所有能源都需要转换成为热能的形式才能为人们所利用。 热能与动力工程专业培养掌握能量的释放、转换、传输和有效利用的科学原理，从事热工理论、热能、环保、动力、供热、制冷与空调工程的研究、设计、制造、运行、管理和试验等方面的高级工程技术人才。 新能源科学与工程专业：2009年教育部要求各主要大学积极筹办战略性新兴产业专业，我校2010年获得教育部[批准，2011年开始招生。顾名思义，培养掌握新能源开发与利用技术的高级工程技术人才。即：培养掌握能量的释放、转换、传输和有效利用的科学原理，从事新能源开发与利用中研究、设计、制造、运行、管理和试验等方面的高级人才。 东北大学 王承阳

6 热能动力类专业毕业生应获得以下知识和能力： １．掌握本专业的基础知识、基础理论和技术，了解学科发展的前沿；
0.1 热能动力类专业 热能动力类专业毕业生应获得以下知识和能力： １．掌握本专业的基础知识、基础理论和技术，了解学科发展的前沿； ２．掌握热工设备、能源转换装置和动力装置的工作原理，及其设计制造和试验研究的基本方法和技能； ３．掌握对生产工艺、过程热工和设备进行检测和控制的原理及方法； ４．具备对热工问题和生产系统进行理论分析、试验研究、经济评价和环境评价的基本能力。 毕业生适应范围： 本专业的专业面宽、适应性强、就业范围广、社会需求迫切，毕业生可以报考各高校和研究部门的研究生，品学兼优者可直接攻读硕士或博士学位；可在各类企业、公司等相关部门从事技术开发、工程应用、生产经营和管理决策工作；可在高等学校、科研单位和国家机关任职。 东北大学 王承阳

7 0.1 热能动力类专业 热能动力类专业，对应于学位教育中工学门类的动力工程与工程热物理一级学科（Power Engineering and Engineering Thermophysics，0807）和国家自然科学基金项目管理中的工程与材料科学部工程热物理与能源利用学科。 按照国务院学位委员会授予博士、硕士学位和培养研究生的学科、专业目录(1997年颁布)，大学的“学术性”学科专业的体系划分为：01 哲学、02 经济学、03 法学、04 教育学、05 文学、06 历史学、07 理学、08 工学、09 农学、10 医学、11 军事学、12 管理学。共12个门类。这就是我国教育系统对知识的领域划分。 工学门类是最大的门类，其中包括30个一级学科：如力学、机械工程等，动力工程及工程热物理是其中第7个一级学科，代号0807。 年初颁布的新版目录中，工学门类的一级学科增加到38个，动力工程及工程热物理一级学科不变。 东北大学 王承阳

8 动力工程及工程热物理一级学科 动力工程领域 0.1 热能动力类专业 工程热物理二级学科(080701)
0.1 热能动力类专业 动力工程及工程热物理一级学科 工程热物理二级学科(080701) Engineering Thermophysics 新增应用型硕士培养——专业学位硕士。在工程领域称为工程硕士，发工程硕士学位证书。与我们相应的是： 动力工程领域 热能工程二级学科(080702) Thermal Engineering 动力机械及工程二级学科(080703) Power engine and Engineering 流体机械及工程二级学科(080704) Fluid Mechanism and Engineering 制冷及低温工程二级学科(080705) Refrigeration and Low Temperature Engineering 化工过程机械二级学科(080706) Chemical Process Mechanism 东北大学 王承阳

9 两类课题不是绝对地相互独立的，更不是相互对立的。往往是你中有我，我中有你。
0.1 热能动力类专业 如何更有效地、更持久地、更清洁地利用能源，是动力工程及工程热物理所面临的首要的、最重要的课题。但如果仅仅从能源利用的观点来看待动力工程及工程热物理，则会大大束缚动力工程及工程热物理学者的思维，限制动力工程及工程热物理的发展。利用工程热物理理论解决各种工业工艺过程与自然过程中有关热的问题是动力工程及工程热物理另一类重要课题。例如化工、冶金、建筑等工业工艺过程热的利用，地质运动、天体运动中的热的作用，以及生命体中的流体流动、能量传递和作用等等。 两类课题不是绝对地相互独立的，更不是相互对立的。往往是你中有我，我中有你。 东北大学 王承阳

10 工程热物理是热能动力类专业的理论基础，它包括：
0.1 热能动力类专业 工程热物理是热能动力类专业的理论基础，它包括： Engineering Thermodynamics （工程热力学） Engineering Fluid Mechanics（工程流体力学） Heat and Mass Transfer（传热传质学） Combustion（燃烧学） 此外，学好热能动力类专业还需要掌握：机械基础、电子电工基础和热工仪表与测量技术、自动控制技术基础。 东北大学 王承阳

11 Energy and Thermal Engineering 0.2 能源与热力工程
东北大学 王承阳

12 人类社会的发展与社会生产力的发展密切相关，而社会生产力的重要组成部分之一就是能源与动力工程。能源与动力工程为生产过程提供动力。
0.2 能源与热力工程 能源利用与生产力发展 人类社会的发展与社会生产力的发展密切相关，而社会生产力的重要组成部分之一就是能源与动力工程。能源与动力工程为生产过程提供动力。 人类学会使用火 从猿变成人 18世纪蒸汽机发明 第一次工业革命 19世纪开始使用电力 奠定了现代化自动化大生产的基础 20世纪70年代能源危机 后工业化社会或信息化社会建立 东北大学 王承阳

13 0.2.2 热能与机械能及其它形式能源之间的相互转换
0.2 能源与热力工程 热能与机械能及其它形式能源之间的相互转换 自然界存在的能源称为一次能源，包括石油、天然气、煤炭、水力、核能、风力、太阳能、地热能、生物质能、海洋热能、波浪能、潮汐能等等。其中石油、天然气、煤炭、水力、核能等作为常规能源几乎占了人类所用能源的全部。 　热能是人类使用最广泛的能源。 几乎所有的能源必须首先转换成为热能才能被人类使用，或者转换为热能后再转变成为其他形式的能源来使用。 东北大学 王承阳

14 Fig.0-1 Change and conservation of energy
0.2 能源与热力工程 5% 机械能 水力、风力、潮汐能、波浪能等等… 煤、石油、天然气、核能、地热能、太阳能、生物质能、海洋热能等等… 热能 电力 人类生产和生活 15% 30% 95% 55% 40% Fig.0-1 Change and conservation of energy 东北大学 王承阳

15 0.2 能源与热力工程 Representative Example of Heat-Work Change: Operation Process of Thermal Power Plant Hi-temperature and Hi-pressure Steam Steam Generator Turbine Boiler Condenser Feed Pump Water 东北大学 王承阳

16 0.2.3 热能工程的发展历史 BC130, Heron, an Egyptian, made Heron enginery.
0.2 能源与热力工程 热能工程的发展历史 BC130, Heron, an Egyptian, made Heron enginery. In 1593年，Galileo made an air thermometer. In 1695, Denis Papin, a Frenchman, invented steam engine with cylinder and piston. An Englishman Thomas Savery did as such in 1697. 东北大学 王承阳

17 0.2 能源与热力工程 热能工程的发展历史 In 1724, Dutchman Gabriel Danile Fahrenheit （华伦海特， ） devised the Fahrenheit scale. The Swedish astronomer Anders Celsius ( ) and Marten Stromer devised the Celsius scale in In 1769, James Watt （瓦特， ） invented condenser with Newcomen’s steam engine and made up of modern steam engine. 东北大学 王承阳

18 0.2 能源与热力工程 The French mathematical physicist Joseph Fourier（傅立叶， ） published the analytic theory of heat on Paris in He discussed the problem about heat conduction and devised the theory of Fourier analysis and Fourier progression. In 1824, Nicolas-Leonard-Sadi Carnot（萨迪·卡诺, French engineer, ） advanced the concepts of thermal cycle and reversibly. He cognized that the efficiency of real thermal engine is not bigger than reversible ideal engine, and the efficiency of ideal engine is independent of working fluid and is related to temperature of heat sources. 东北大学 王承阳

19 Fig.0-2 Nicolas-Leonard-Sadi Carnot
0.2 能源与热力工程 Fig.0-2 Nicolas-Leonard-Sadi Carnot 东北大学 王承阳

20 0.2 能源与热力工程 William Thomson (Lord Kelvin, ) constituted the thermodynamic thermometric scale according as Carnot cycle and point out absolute zero is lower limit of temperature In 1848. In 1850, Rudolf Julius Emmanuel Clausius（克劳修斯, ） expressed the Clausius statement of the second law of thermodynamics. William Thomson expressed the Kelvin-Planck statement of the second law of thermodynamics at Clausius bring up the concept of entropy and the increase of entropy principle with isolated system at 1865. In 1906, German chemist Walther Nerst（能斯脱, ） gets the thermal axioms of Nerst, that educes the third law of thermodynamics. 东北大学 王承阳

21 Fig.0-4 Rudolf Julius Emmanuel Clausius
0.2 能源与热力工程 Fig.0-4 Rudolf Julius Emmanuel Clausius Fig.0-3 Lord Kelvin, William Thomson 东北大学 王承阳

22 Mostly contents of engineering thermodynamics 0.3 工程热力学的主要内容
东北大学 王承阳

23 0.3.1 What is Engineering Thermodynamics？
0.3 工程热力学的主要内容 What is Engineering Thermodynamics？ 工程热力学课程是热工类及机械类动力机械等专业的一门重要技术基础课。 工程热力学是研究热能有效利用以及热能和其它能量转换规律的科学。本课程的主要任务是，使学生掌握热力学的基本规律，并能正确运用这些规律进行热工过程和热力循环的分析。在本课程的教学过程中还应注意培养学生的逻辑思维能力。 ––––引自《高等工业学校工程热力学教学基本要求（参考学时范围：55～70学时）》 东北大学 王承阳

24 0.3 工程热力学的主要内容 热能—动力转换 东北大学 王承阳

25 0.3 工程热力学的主要内容 A. 热力发电厂生产过程及设备简介 东北大学 王承阳

26 0.3 工程热力学的主要内容 东北大学 王承阳

27 0.3 工程热力学的主要内容 东北大学 王承阳

28 0.3 工程热力学的主要内容 HG-440/13.7-L.HM28型循环流化床锅炉简图 东北大学 王承阳

29 0.3 工程热力学的主要内容 核电厂的汽轮机 东北大学 王承阳

30 小型汽轮发电机组、汽轮机叶片（末级）和汽轮机剖面图
0.3 工程热力学的主要内容 小型汽轮发电机组、汽轮机叶片（末级）和汽轮机剖面图 东北大学 王承阳

31 0.3 工程热力学的主要内容 单级工业汽轮机（向心式？） 东北大学 王承阳

32 0.3 工程热力学的主要内容 汽轮机低压缸转子 东北大学 王承阳

33 0.3 工程热力学的主要内容 高压加热器 U形管管壳式换热器 东北大学 王承阳

34 0.3 工程热力学的主要内容 Representative Example of Heat-Work Change: Operation Process of Thermal Power Plant Hi-temperature and Hi-pressure Steam Steam Generator Turbine Boiler Condenser Feed Pump Water 东北大学 王承阳

35 国产一次再热凝汽式机组的发电厂原则性热力系统 （N300-16.18(165)/550/550，早期定型产品）
0.3 工程热力学的主要内容 东北大学 王承阳

36 通过热力学的分析研究和开发，改进热能动力装置的工作方式，使得其热效率得到大幅度提高。
热效率= 0.3 工程热力学的主要内容 东北大学 王承阳

37 0.3 工程热力学的主要内容 B. 燃气轮机 F16的发动机-燃气轮机 东北大学 王承阳

38 0.3 工程热力学的主要内容 进气道 压气机 燃烧室 涡轮机 尾喷管 涡轮动叶片 涡轮静叶 燃气轮机的组成 东北大学 王承阳

39 燃气轮机的组成 0.3 工程热力学的主要内容 通过热力学的分析研究和开发，改进热能动力装置的工作方式，使得其热效率得到大幅度提高。 热效率=
0.3 工程热力学的主要内容 通过热力学的分析研究和开发，改进热能动力装置的工作方式，使得其热效率得到大幅度提高。 热效率= 燃气轮机的组成 东北大学 王承阳

40 0.3.3 工程热力学的主要内容 锅炉内的燃烧过程——燃烧学 锅炉中热烟气与水传热、冷凝器中蒸汽与水的传热——传热学
0.3 工程热力学的主要内容 工程热力学的主要内容 锅炉内的燃烧过程——燃烧学 锅炉中热烟气与水传热、冷凝器中蒸汽与水的传热——传热学 蒸汽、水、烟气等在管道和设备内的流动——流体力学 在不考虑燃烧、传热、流体流动对热能动力装置整体性能的影响时，如何提高热机的整体性能就是工程热力学的任务。 东北大学 王承阳

41 0.3.3 工程热力学的主要内容 基本概念和基本定律 热力过程和热力循环的分析、研究和计算 工质的热物理性质
0.3 工程热力学的主要内容 工程热力学的主要内容 基本概念和基本定律 Basic concepts and fundamental laws. 热力过程和热力循环的分析、研究和计算 Analysis, research and calculation about thermal processes and thermal cycles. 工质的热物理性质 Thermal-physical properties of common work fluid. 东北大学 王承阳

42 0.3.4 How to research and study thermodynamics
0.3 工程热力学的主要内容 How to research and study thermodynamics 热学的研究方法与力学不同，热学也代表了与力学不同的一种自然观和宇宙观。 热学的研究有两个途径，一种是宏观的、唯象的研究方法，即经典热力学的研究方法；另一种是微观的、统计的研究方法，即统计物理或统计热力学的研究方法。 东北大学 王承阳