热工基础.PPT

2019/11/1,1,热工基础 传热学部分,2019/11/1,2,第一章 绪论,热传导 (heat conduction)： 定义: 温度不同的物体各部分之间或温度不同的各物体之间直接接触时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而进行热量传递的现象 付立叶定律 导热系数的定义、物理意义及单位？,2019/11/1,3,热对流 热对流与对流换热的定义及区别。 牛顿冷却公式： 表面传热系数h的定义、物理意义及单位？ 影响h的因素:流体的物性、流动的形态、流动的成因、物体表面的形状、尺寸，换热时有无相变 热辐射（heat radiation） 热辐射定义 斯蒂芬-玻尔兹曼定律,2019/11/1,4,传热过程与传热系数 传热过程定义 传热系数定义 传热过程计算,2019/11/1,5,第二章 稳态导热,2-1基本概念 温度场(temperature field) ： 等温面与等温线 温度梯度,2019/11/1,6,导热微分方程 建立基础：能量守恒和傅里叶定律 表达式： 各项含义 热扩散率定义、出处、物理意义，与导热系数区别,2019/11/1,7,2-2一维稳态导热 1 通过平壁的导热,2019/11/1,8,2 通过圆筒壁的导热,一无内热源圆筒壁稳态导热，外表面温度为t2，内表面温度为t1。请画出如下两种情况下的温度分布：（1）t1t2（2）t1t2,2019/11/1,9,第三章 非稳态导热,3-1非稳态导热过程 非稳态导热：周期性和非周期性 两个阶段：非正规状况阶段（初始状况阶段）、正规状况阶段,2019/11/1,10,边界条件对温度分布的影响 傅里叶数、毕渥数的表达式和物理意义,t0,2019/11/1,11,例题：写出毕渥数Bi的定义式并解释其意义。Bi0和Bi各代表什么样的换热条件。 是物体内部的导热热阻和表面的对流热阻的比值。 Bi0表明物体内部的导热热阻很小，物体内部温度近似均匀，这时可用集总参数法分析非稳态导热。 Bi表明物体表面的对流热阻很小，物体表面温度近似为周围流体的温度，是第一类边界条件。,2019/11/1,12,3-2 集总参数法 集总参数系统定义、特征 能量守恒温度分布 时间常数定义、表达式、影响因素 集总参数系统的判定,2019/11/1,13,2019/11/1,13,例：一温度计水银泡是圆柱形，长20mm，内径4mm，测量气体温度，表面传热系数h=12.5W/(m2K),若要温度计的温度与气体的温度之差小于初始过余温度的10%，求测温所需要的时间。水银 =10.36 W/(mK), = 13110 kg/m3, c = 0.138 kJ/(kgK). 解：,2019/11/1,14,2019/11/1,14,故可以用集总参数法。,由上式解得： = 333 s = 5.6 min,2019/11/1,15,第四章 对流换热原理,4-1对流换热概述 牛顿冷却公式 ,因此求解h 是对流换热计算的核心问题 对流换热微分方程式 对流换热影响因素:流速、流态、流动起因、换热面的几何因素、流体物性,2019/11/1,16, 4-2 层流流动换热的微分方程组 不可压缩牛顿型流体二维对流换热问题，常物性假定。 连续性方程 动量微分方程(2个) 能量微分方程 对流换热微分方程 求解途径,2019/11/1,17,4-3 对流换热过程的相似理论 无量纲准则的表达式和物理意义 Eu、Re、Pr、Pr、Nu（Bi）、Gr 努谢尔特准则与毕欧数的区别 对流换热准则关系式的实验获取方法,2019/11/1,18,4-4边界层（Boundary layer）理论 边界层定义 边界层厚度（相对大小决定于Pr）：画图（还包括速度和温度剖面） 边界层微分方程组 基本思路：对微分方程组中的各项进行数量级比较，略去高阶小量。 简化条件：Re足够大、Pe足够大 结论：忽略、方程变化、物理特征。,2019/11/1,19,例题：流体流过平板会在垂直流动方向上产生速度边界层和热边界层（如果流体与壁面存在温差），要使边界层的厚度远小于流动方向上平板长度的条件是什么？而速度边界层和热边界层的相对厚度又与什么因素相关？ 答：要使边界层为一个相对的薄层，必须流体黏性小、流速较大和平板有有一定的大小，综合起来就是足够大，应该有的数量级。 热边界层和速度边界层的相对厚度是与流体的热量扩散性能和动量扩散性能相对大小密切相关的，也就是与Pr准则有关。,2019/11/1,20,第五章 对流换热计算,5-1 管(槽)内流体受迫对流换热计算 5-2 流体外掠物体的对流换热计算 5-3 自然对流换热计算,2019/11/1,21,例题：写出格拉晓夫数Gr的定义式，解释其物理意义？ 答： 物理意义：反映了流体温差引起的浮升力所导致的自然对流流场中的流体惯性力与其黏性力之间的对比关系。,2019/11/1,22,第六章辐射换热原理,6-1 热辐射的基本概念 6-2黑体辐射和吸收的基本性质,2019/11/1,23,黑体辐射的基本定律 维恩位移定律 例题：加热金属时，试用维恩位移定律分析金属颜色随温度的变化。,2019/11/1,24,斯蒂芬-玻尔兹曼定律 兰贝特余弦定律 波段辐射与辐射函数,2019/11/1,25,6-3实际物体的辐射和吸收 实际物体的辐射黑度（发射率） 实际物体的吸收灰体 基尔霍夫定律表述、成立条件,2019/11/1,26,基尔霍夫定律的两种数学表达式。,在热平衡条件下，任何物体的辐射力和它对来自黑体辐射的吸收比的比值恒等于同温度下黑体的辐射力。,热平衡时任意物体对黑体投入辐射的吸收比等于同温度下该物体的发射率。,或,2019/11/1,27,例题：按照基尔霍夫定律的要求，物体表面的黑度等于其吸收率应该在什么条件下成立？灰体是否需要这些条件？ 答：按照基尔霍夫定律的要求，物体表面的黑度应等于其对同温度的黑体辐射的吸收率，条件就是，发射体为黑体，且温度与吸收体的温度相同。 由于灰体是单色吸收率为常数的物体，不需要这些条件。,2019/11/1,28,第七章 辐射换热计算,7-1 被透明介质隔开的黑体表面间的辐射换热 7-2 被透明介质隔开的灰体表面间的辐射换热,2019/11/1,29,例题：有一圆柱体，如图所示，表面1（上表面）的温度T1=550K，发射率1=0.8，表面2（下表面）的温度T2=275K ，发射率2=0.4 ，圆柱面3为绝热表面。已知角系数X3,1=0.308，求绝热面3的温度。,2019/11/1,30,2019/11/1,31,2019/11/1,32,热工基础 热力学部分,2019/11/1,33,第一节 热能及其利用 第二节 热力学的发展概况和趋势 第三节 工程热力学的研究对象、内容和方法,第0章 概 论,2019/11/1,34,第一章 基本概念 1.1 热能和机械能转换 1.2 热力系统 1.3 热力学平衡 1.4 状态和状态参数 1.5 基本状态参数 1.6 热力过程 1.7 热力循环 1.8 状态公理,2019/11/1,35,准静态过程 (Quasi-equilibrium processes),定义：所谓准静态过程是指状态变化过程中的每个中间状态都无限接近平衡状态的过程。,可逆过程 (Reversible Process),定义：系统完成某一过程后，若能沿该路径逆行而使系统及其外界都回复到原来的状态，不遗留下任何变化，则称此过程为可逆过程，否则为不可逆(irreversible)过程,2019/11/1,36,例题：什么是热力过程？可逆过程的主要特征是什么？ 答：热力系统从一个平衡态到另一个平衡态，称为热力过程。 可逆过程的主要特征是驱动过程进行的势差无限小，即准静过程，且无耗散。,2019/11/1,37,第二章 热力学第一定律 2.1 热力学第一定律的实质 2.2 功 2.3 热量 2.4 控制质量(CM)能量分析 2.5 控制容积（CV）能量分析 2.6 稳定流动能量方程应用举例, q = du + w, q = u + w,2019/11/1,38,例题：热力学第一定律解析式有时分别写成下列两种形式： q=u +w 试讨论上述两式的适用范围。 第一个公式为热力学第一定律的最普遍表达，原则上适用于不作宏观运动的一切系统的所有过程；第二个表达式中由于将过程功表达成 ，这只是对简单可压缩物质的可逆过程才正确，因此该公式仅适用于简单可压缩物质的可逆过程。,2019/11/1,39,刚性绝热容器中间用隔板分为两部分，A中存有高压空气，B中保持真空，如右图所示。若将隔板抽去，试分析容器中空气的状态参数（T、P、u、s、v）如何变化，并简述为什么。 答：u、T不变，P减小，v增大，s增大。,定义容器内的气体为系统，这是一个控制质量。由于气体向真空作无阻自由膨胀，不对外界作功，过程功W = 0；容器又是绝热的，过程的热量Q = 0因此，根据热力学第一定律Q = U + W应有U = 0,2019/11/1,40,第三章 理想气体的性质 3-1 理想气体的概念 3-2 理想气体状态方程 3-3 理想气体的比热容 3.4 理想气体的热力学能、焓和熵 3-5 理想气体混合物,2019/11/1,41,例题：试简单综述理想气体有哪些主要的热力特性。 答：遵循状态方程Pv = RT ；内能u焓h、和比热c均仅为温度的函数；遵循迈耶公式。,2019/11/1,42,第四章 理想气体的热力过程分析,2019/11/1,43,第五章 热力学第二定律 5-1 热力学第二定律 5-2 卡诺循环及其热效率 5-3 卡诺定理 5-4 状态参数熵的导出 5-5 熵产原理 5-6 孤立系统熵增原理 5-7 熵方程 5-8 Ex及其计算,2019/11/1,44,试给出热力学第二定律原理的任一种文字表述，以及一个数学表达式（要求说明式中各项的含义）。 答：克劳修斯说法：热不可能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体。 克劳修斯不等式可作为热力学第二定的数学表达式： 式中“”号对不可逆过程成立；“=”对可逆过程成立。,2019/11/1,45,循环热效率公式 和 是否完全相同？各适用于哪些场合？ 答：不完全相同。前者是循环热效率的普遍表达，适用于任何循环；后者是卡诺循环热效率的表达，仅适用于卡诺循环，或同样工作于温度为T1的高温热源和温度为T2的低温热源间的一切可逆循环。,2019/11/1,4