热工专业培训课件

热工专业培训课件第一章热工专业概述与培养目标热能与动力工程专业简介热能与动力工程是一个涵盖面广、应用性强的工程学科,主要研究热能的高效转换、传递与利用技术专业包含五大核心方向:电厂热能动力-火力发电系统设计与运行优化热力发动机-内燃机、燃气轮机等动力装置制冷空调工程-低温制冷与建筑环境控制流体机械-泵、风机、压缩机等流体设备新能源技术-太阳能、生物质能等可再生能源培养目标与专业特色扎实基础理论强化实践能力创新思维培养理论体系完整实验实训丰富科研能力提升系统学习热力学、传热学、流体力学等核心通过大量实验课程和工程训练,培养动手能鼓励参与科研项目和创新竞赛,培养创新意课程,构建坚实的理论基础力和问题解决能力识和研发能力热工专业核心课程体系010203基础理论模块专业技术模块机械设计模块工程热力学、传热学、流体力学、工程力学等核热工测试技术、热工自动化、能源与环境工程、机械设计基础、工程图学、材料力学、机械制造心基础课程燃烧学等技术等0405控制与测试模块工程实践模块自动控制原理、测试技术、计算机控制系统、传感器技术等专业实验、课程设计、生产实习、毕业设计等实践环节第二章热工基础理论热力学基础热力学定律热力学第一定律揭示了能量守恒原理,在封闭系统中,能量的总量保持不变,只能从一种形式转换为另一种形式这一定律是分析热机、制冷机等能量转换设备的理论基础热力学第二定律指出了能量转换的方向性和不可逆性,热量不可能自发地从低温物体传向高温物体该定律定义了热机效率的理论上限,即卡诺效率工程应用•热机效率分析与优化设计•能量损失识别与节能改造•㶲分析方法评估系统性能内燃机能流图火电站能流图燃料化学能→热能→机械能,典型汽油机效率仅25-30%,大量能量以废热形式损失传热学基础传热学研究热量传递的规律和计算方法,是热工专业的核心课程之一热量传递有三种基本方式,在实际工程中往往以复合形式出现导热热传导物体内部或接触物体间的热量传递,遵循傅立叶定律:热流量与温度梯度和导热系数成正比金属材料导热系数高,适合散热器制造对流对流换热流体与固体表面间的热量交换,由牛顿冷却公式描述对流换热系数取决于流体性质、流动状态和表面几何形状,是强化传热的主要途径辐射热辐射以电磁波形式传递能量,遵循斯蒂芬-玻尔兹曼定律高温设备如锅炉炉膛、航天器表面等场合,辐射传热占主导地位傅立叶定律物理本质:热量总是自发地从高温区域流向低温区域,热流密度与温度梯度成正比,比例系数即为材料的导热系数,反映了材料传递热量的能力流体力学基础12流体静力学流体动力学研究静止流体的压力分布规律帕斯卡原理指出静止流体内部各点压力相等,流体静力学基本方程描述了重力场中压力随高度的变化研究流动流体的运动规律伯努利方程揭示了流速、压力和位置高度之间的能量守恒关系,是分析管道流动、泵与风机的理论基础34湍流流动多相流动当雷诺数超过临界值时,流体从层流转变为湍流湍流的无规则脉动特性增强了动量和能量传递,工程中大多数流动属于湍流状态气液、气固、液固等多相混合流动广泛存在于锅炉、反应器、输送管道等设备中多相流动涉及相间作用力、相变传热等复杂现象工程意义•流体输送系统设计与阻力计算•泵、风机、压缩机等流体机械选型•换热器内流动与传热耦合分析热工自动化与控制理论热工过程自动化系统组成传感器控制器检测装置控制单元温度、压力、流量、液位等参数测量PLC、DCS等可编程控制系统执行器显示系统执行机构人机界面调节阀、变频器等控制设备监控画面与操作终端控制策略PID控制串级控制前馈控制比例-积分-微分控制,是最常用的经典控制算法,适用于大多数工业过两个或多个控制器串联,主控制器输出作为副控制器设定值,提高控制根据扰动信号提前调节,与反馈控制结合使用,可大幅提升系统响应速度程控制品质传感器测量技术第三章典型实验与实训内容传热学实验热传导实验设计通过稳态平板导热实验,测定材料的导热系数实验装置由加热器、试件、冷却水套和温度测点组成改变加热功率和冷却水流量,测量不同工况下的温度分布,利用傅立叶定律计算导热系数数据分析方法•温度场测量与热流密度计算•导热系数的实验确定与误差分析•边界条件对传热过程的影响研究•实验结果与理论计算的对比验证实验案例:非稳态圆球冷却过程测定实验准备数据处理加热金属球至恒定高温,准备恒温水浴和数据采集系统绘制温度-时间曲线,计算对流换热系数和毕渥数1234冷却过程结果分析将热球投入水浴,记录球心和表面温度随时间变化验证非稳态传热理论,分析影响冷却速率的因素热力学实验热机效率测定与能量损失分析通过内燃机或蒸汽机实验台架,测定热机的指示功率、有效功率和燃料消耗量,计算指示热效率和有效热效率同时测量冷却水带走的热量、排气损失和散热损失,建立完整的能量平衡燃料输入能量有效功冷却损失100%25-30%30-35%排气损失其他损失30-35%5-10%实验探究汽油机效率调查与改进建议:效率影响因素改进技术方向压缩比-提高压缩比可显著提升热效率•采用可变气门正时技术VVT空燃比-理论空燃比下燃烧最完全•缸内直喷与增压技术结合点火时刻-最佳点火提前角确保充分燃烧•废气涡轮增压回收排气能量进排气系统-减少进排气阻力提高充气效率•余热回收装置利用冷却水和排气热量流体力学实验喷管特性实验1研究收缩喷管和缩放喷管中气体流动规律测量不同背压下喷管进出口压力、温度和流量,验证等熵流动理论,观察激波现象,确定临界压力比和流量系数流场测量技术2采用皮托管、热线风速仪、激光多普勒测速仪LDV等设备测量流场速度分布学习边界层测量、湍流度测定等实验技能,掌握流场可视化技术如烟线法、染色法、PIV粒子图像测速等湍流多相流动模拟与实验验证利用计算流体力学CFD软件模拟气固两相流动过程,如燃煤锅炉内煤粉燃烧、流化床内颗粒运动等通过实验测量压降、颗粒浓度分布和速度场,验证数值模拟结果的准确性,优化模型参数数值模拟步骤实验验证方法

1.建立几何模型并划分网格•压力降测量与模拟对比

2.设定边界条件和物性参数•流场速度分布验证

3.选择湍流模型和多相流模型•颗粒浓度分布测量

4.求解并后处理分析结果•传热系数实验确定控制理论与测试技术实验热工自动化系统的传感器校准与控制实验通过温度、压力、流量等传感器的标定实验,学习传感器的工作原理、安装方法和校准技术利用单容、双容等实验对象,设计并实现PID控制器,研究控制参数对系统性能的影响010203传感器选型安装与接线校准标定根据测量对象选择合适的传感器类型和量程正确安装传感器并完成信号线连接与屏蔽使用标准器具对传感器进行多点校准0405控制器整定性能测试采用临界比例度法或经验法整定PID参数测试系统的阶跃响应、抗干扰能力等性能指标测试技术实验流速、压力及气体组分测量:流速测量压力测量气体组分皮托管:测量局部流速,结构简单但需修正系数U型压差计:简单直观,精度较高气相色谱:分离并定量分析多组分₂热线风速仪:响应快速,适合湍流测量压力传感器:电信号输出,便于自动化红外分析仪:快速测量CO、CO等超声波流量计:非接触测量,适用于大管径真空计:测量低于大气压的压力氧化锆探头:高温烟气含氧量测量第四章热工专业应用案例热工专业知识在能源、动力、制冷、航天等众多领域有广泛应用本章通过典型工程案例,展示热工理论如何指导实际工程设计与优化,帮助学生建立理论与实践的联系,培养解决复杂工程问题的能力电厂热能动力系统火电站能流图及能量损失分析现代火力发电厂是复杂的能量转换系统,包括燃烧、传热、做功、冷却等多个环节能量从燃料化学能转化为蒸汽热能,再转化为涡轮机械能,最后通过发电机转化为电能内燃机热效率提升内燃机能流图详解内燃机将燃料化学能转化为机械功的过程效率较低,典型汽油机有效热效率仅25-30%,柴油机可达35-40%大量能量以冷却水、排气和辐射散热形式损失效率瓶颈分析热力学损失-受卡诺循环限制,理论效率上限约60%燃烧损失-燃烧不完全、传热损失等机械损失-摩擦、泵气等机械功消耗冷却损失-缸体冷却带走大量热量排气损失-高温排气携带大量热能制冷与空调系统制冷循环原理与性能优化蒸气压缩制冷循环是最常用的制冷方式,由压缩、冷凝、节流、蒸发四个过程组成制冷剂在系统中循环,从低温热源吸热,向高温热源放热,实现热量的逆向转移压缩过程冷凝过程压缩机冷凝器低压蒸气被压缩成高压高温蒸气,消耗电功高温蒸气向环境放热,冷凝成高压液体蒸发过程节流过程蒸发器节流阀低温制冷剂吸收环境热量蒸发成低压蒸气高压液体经节流降压成低温低压湿蒸气低温工程与节能技术应用案例性能评价指标应用实例COP性能系数=制冷量/压缩机功率数据中心冷却:采用自然冷却、液冷等技术,PUE能效比降至

1.2以下COP越高,系统越节能家用空调COP通常为

2.5-

3.5,意味着消耗1kW电能可产生

2.5-

3.5kW制冷量食品冷链:复叠式制冷实现-80°C超低温冷冻优化措施LNG液化:多级压缩和膨胀制冷达到-162°C•采用变频压缩机匹配负荷变化•提高换热器效率减小温差损失航天器热控制技术航天器在太空极端环境中面临严峻的热控制挑战:向阳面温度超过100°C,背阴面低至-100°C以下,且无法通过对流散热有效的热控制系统是确保航天器正常工作的关键技术之一被动热控制系统通过表面涂层、多层隔热材料MLI、热管等无需能源消耗的手段控制温度多层隔热毯由数十层铝化聚酯薄膜组成,有效隔绝太阳辐射和深空冷黑环境热管利用工质相变传热,导热系数是铜的数千倍,快速均衡温度主动热控制系统采用电加热器、流体回路、制冷机等需要能源驱动的设备主动调节温度空间站等大型航天器使用流体回路收集设备废热,通过散热器辐射到太空可调百叶窗根据温度自动调节散热面积,实现精确控温环控生保系统热管理技术介绍载人航天器的环境控制与生命保障ECLSS系统为航天员提供适宜的生存环境,包括温湿度控制、空气净化、供水等功能热管理是环控系统的核心,需要:温湿度控制设备热管理应急预案•舱内温度维持在18-26°C•收集电子设备散热•冗余设计确保可靠性•相对湿度控制在30-70%•传递至热交换器•故障模式分析与处理•空气循环与热交换•最终通过散热器排出•应急降温与升温措施微纳尺度热工技术随着微电子、纳米技术的快速发展,微纳尺度的热量传递和流体流动呈现出与宏观世界不同的特性,传统连续介质理论不再适用,需要采用新的理论和方法进行研究微纳渗流多尺度传热在微纳米尺度孔隙中的流体流动,表面力作用显著增强,出现滑移流动、电动效应等特殊现象应用于页岩气开采、燃料电池、微流控芯热量传递涉及分子、介观和宏观多个尺度,需要耦合分子动力学、玻尔兹曼方程和连续介质方程进行模拟关键技术包括跨尺度耦合、片等领域界面热阻计算等半导体与纳米材料热管理最新进展芯片热管理挑战高性能芯片功率密度超过100W/cm²,局部热点温度可达150°C以上过高温度导致性能下降、可靠性降低创新解决方案微通道液冷:在芯片表面加工微米级流道,直接液体冷却石墨烯散热膜:利用石墨烯超高导热率快速扩散热量相变材料:通过固-液相变吸收大量热量,削峰填谷热电制冷:利用帕尔贴效应主动制冷,无需制冷剂纳米材料应用碳纳米管:导热系数是铜的10倍以上,用于高性能导热界面材料第五章数值模拟与未来发展计算机数值模拟已成为热工研究和工程设计的重要工具本章介绍数值传热、分子模拟等前沿方法,展望热工专业的未来发展方向,帮助学生把握学科前沿,培养创新思维和研究能力数值传热基础与软件应用Fluent流动换热问题的数值模拟方法计算流体力学CFD通过求解质量、动量和能量守恒方程,预测流体流动和传热过程基本步骤包括几何建模、网格划分、物理模型选择、边界条件设定、求解计算和结果后处理物理建模前处理选择湍流模型k-ε、k-ω、LES等、辐射模型、多相流模型等建立几何模型并生成高质量网格,网格质量直接影响计算精度和收敛性后处理求解计算提取温度场、速度场、压力分布等数据,绘制云图、流线、矢量图设置求解器参数、松弛因子,监控残差和关键物理量,确保收敛芯片冷却、微通道流动传热案例分析案例背景模拟结果某高性能CPU芯片尺寸10×10mm,功耗150W,需设计微通道液冷系统确保芯片温度不超过85°C当流量达到50ml/min时,芯片最高温度82°C,压降12kPa温度分布不均匀,中心区域温度高于边缘模拟设置优化方案•几何:50条100μm×200μm矩形微通道•采用变截面通道改善流量分配•工质:去离子水,入口温度25°C•增加通道数量降低单通道流速•边界:恒热流150W,质量流量优化•在热点区域加密通道布置•网格:边界层加密,总数约500万•使用纳米流体提高换热系数工程价值:通过数值模拟可以在设计阶段快速评估多种方案,优化结构参数,大幅缩短研发周期,降低试验成本,已成为现代工程设计的必备手段热科学中的分子模拟方法当系统尺度减小到纳米量级,连续介质假设不再成立,需要从分子层面研究热量传递机理分子模拟方法通过追踪每个分子的运动,揭示微观传热机制分子动力学模拟MD基于牛顿运动定律和分子间相互作用势,追踪每个原子/分子的运动轨迹可以计算导热系数、界面热阻、相变过程等微观热物理现象常用软件有LAMMPS、GROMACS等适用于纳米尺度系统,时间尺度纳秒级,空间尺度数十纳米蒙特卡罗模拟MC基于统计力学和概率论,通过随机抽样计算系统的统计平均性质特别适合研究相平衡、吸附、扩散等问题可以模拟更大尺度和更长时间,但不能直接获得动力学信息常用于材料筛选和性质预测计算机模拟在热工研究中的应用实例界面热阻研究纳米流体强化传热相变材料优化通过MD模拟计算固-固、固-液模拟纳米颗粒在基液中的布朗预测储能材料的相变温度、潜热界面的卡皮查热阻,揭示声子散运动和聚团行为,解释导热系数和导热系数,加速新材料开发射机制,指导界面材料设计增强机理热工专业未来发展趋势智能制造新能源技术人工智能融合清洁能源转型AI驱动的热工系统优化设计、故障诊断和预测性太阳能、氢能、储能等技术发展,推动能源结构变维护革节能减排跨学科融合碳中和目标多领域协同余热利用、能效提升、CCUS技术助力碳达与材料、化工、电子、生物等学科交叉创新峰碳中和智能控制微纳技术自动化升级尺度效应研究数字孪生、物联网、云计算赋能热工系统智能化微纳尺度传热传质、量子热传递等前沿科学问题热工专业正处于转型升级的关键时期智能制造与热工自动化的深度融合将极大提升生产效率和产品质量;新能源与绿色节能技术创新是应对气候变化、实现可持续发展的必由之路未来的热工工程师需要具备更广阔的视野和更强的创新能力,在新技术革命中发挥重要作用热工专业人才职业发展路径热工专业毕业生就业面广,职业发展前景良好根据个人兴趣和特长,可以选择不同的职业方向,在各自领域发挥专业优势,实现个人价值12设计研发岗位工程管理岗位在能源、动力、制冷、航空航天等企业从事产品设计、技术研发、性能测试等工作担任项目经理、技术主管,负责工程实施、质量控制、团队管理等工作34科研教学岗位技术服务岗位在高校、科研院所从事教学和科研工作,培养人才,推动学科发展从事技术咨询、系统集成、运维服务,为客户提供专业解决方案国际视野与跨学科能力培养重要性国际化能力跨学科素养•英语读写能力,阅读国际文献•掌握机械、电气、控制等相关知识•参加国际会议,拓展学术视野•了解材料、化工、环境等领域•了解国际标准和行业规范•具备数据分析和编程能力•具备跨文化沟通与合作能力•培养系统思维和创新思维在全球化背景下,热工行业的国际交流与合作日益频繁,具备国际视野的人才更具竞争力现代工程问题越来越复杂,需要多学科知识的综合运用,跨学科能力是解决复杂问题的关键典型热工专业成功案例分享山东大学热能与动力工程专业发展历程山东大学热能与动力工程专业历史悠久,是国内最早设立该专业的高校之一经过几代人的努力,专业建设取得显著成就,培养了大批优秀人才,为国家能源动力事业做出了重要贡献1952年1专业创建,开始招收本科生,奠定学科基础21981年获批硕士学位授予权,研究生教育起步1998年3获批博士学位授予权,形成完整人才培养体系42007年入选国家特色专业建设点,专业影响力提升2019年5获批国家一流本科专业建设点,迈入新发展阶段典型企业与科研项目合作成果展示产学研合作与中国华能、国家电投、海尔集团等大型企业建立长期合作关系,共建联合实验室和研发中心•超超临界机组关键技术研发•燃煤电厂污染物控制技术•变频空调智能控制系统•工业余热回收利用技术实践教学与创新能力培养多样化实验实训平台建设专业建立了完善的实验教学体系,包括基础实验、专业实验、综合实验和创新实验四个层次,覆盖热工专业的各个方向实验室配备先进的仪器设备,为学生提供良好的实践条件热工基础实验室热工专业实验室传热学、热力学、流体力学等课程配套实验,掌握基本测试方法和实验技能锅炉、汽轮机、制冷空调、内燃机等专业设备实验,培养工程实践能力热工测试实验室数值模拟实验室温度、压力、流量、热流等参数测试,学习先进测试技术和仪器使用CFD计算、有限元分析等数值模拟软件应用,提升计算分析能力创新竞赛与产学研结合模式介绍创新竞赛平台产学研结合节能减排竞赛-全国性赛事,设计节能装置或系统企业实习:安排学生到合作企业进行生产实习和毕业实习,了解实际工程挑战杯-科技创新与创业计划竞赛联合培养:企业工程师参与课程教学和项目指导,提升实践教学质量热工技能大赛-实操技能考核,提升动手能力协同创新:校企共建研发平台,联合申报科研项目,实现成果转化数学建模竞赛-培养数学应用和编程能力通过参加各类竞赛,学生将课堂所学应用于实践,锻炼创新思维和团队协作能力,提升综合素质课程总结与学习建议理论与实践并重注重问题解决能力热工专业既需要扎实的理论基础,也需要丰富的实践经验在学习中要注重理论工程问题往往是复杂的、多因素的,没有标准答案要培养分析问题、建立模型、联系实际,通过实验、实习、课程设计等实践环节加深对理论的理解,培养解决提出方案、验证优化的系统思维能力遇到问题不要急于求助,先独立思考,尝实际问题的能力不要只满足于书本知识,要多动手、多思考试多种方法,在解决问题的过程中提升能力持续学习与技术更新适应行业发展需求热工领域技术发展迅速,新理论、新方法、新技术层出不穷要树立终身学习的随着能源转型、智能制造、绿色发展的推进,热工行业对人才的要求也在变化理念,关注学科前沿动态,及时更新知识结构学会查阅文献、参加学术会议、要主动适应行业需求,拓展知识面,学习新能源技术、智能控制、数据分析等交交流学习经验,保持知识的时效性和前瞻性叉领域知识,提升自身竞争力,为未来职业发展打下坚实基础工程是理论与实践的桥梁,创新是推动发展的动力热工专业的学习不仅是知识的积累,更是能力的培养和思维的训练希望大家珍惜学习机会,勤奋努力,勇于创新,成长为德才兼备的优秀热工人才致谢与互动问答感谢聆听感谢各位学员认真聆听本次热工专业培训课程本课程系统介绍了热工专业的基础理论、实验方法、应用案例和发展趋势,希望能够帮助大家建立完整的知识体系,激发学习兴趣和创新热情期待交流热工是一个充满挑战和机遇的专业领域,欢迎大家提出问题、分享想法、交流心得通过互动讨论,我们可以更深入地理解专业知识,拓展思维视野,共同进步成长美好祝愿期待大家在热工领域取得精彩表现,为国家能源事业和科技创新贡献智慧和力量,在各自的岗位上创造不凡业绩,实现人生价值!305100+培训模块专业方向知识点涵盖理论、实验、应用、前沿电厂、内燃机、制冷、航天、微纳系统全面的专业知识体系现在开始问答环节请踊跃提问,让我们一起探讨热工领域的有趣问题!。