热工基础知识.ppt

第四章热工基础知识 姓名 于少杰单位 临沂市节能监察支队电话 0539 811527313969940927邮箱 zixun2020 公邮 jienengpeixun 密码 05398314454 第一节工程热力学第二节传热学第三节流体力学第四节热工测量技术 第一节工程热力学 第一节知识结构 一 热力学第一定律二 理想气体性质及热力过程三 热力学第二定律四 水蒸气五 气体和蒸汽流动六 气体和蒸汽动力循环七 湿空气 基本概念 工质 生产过程中工作物质的简称 热源 工质从中吸收热能的物体或系统 冷源 接受工质排出热能的物体 状态参数 描述系统状态的物理量 常用参数 压力p 温度T 比体积v 热力学能U 焓H和熵S 平衡状态 热力系统不受外界影响 始终保持不变 基本概念 热力过程 系统从一个状态变化到另一个状态经历的全部状态的总和 准平衡过程 平衡被破坏后能迅速达到新的平衡 工质偏离平衡状态极小 可逆过程 逆向沿原过程回到初态 相关外界回到原态不给外界留下任何影响 基本概念 正向循环 高温热源吸热q1 向低温热源放热q2 部分热量转换为功 效率 w q1逆向循环 向高温热源放热 从低温热源吸热 同时消耗外界的功 热力学能 储存在系统内部的能量 焓 H U pV 即热力学能加推动功 总能 E U Ek Ep 一 热力学第一定律 表述 当热能与其他形式的能量相互转换时 能量的总量保持不变 闭口系统表达式 q u wP51例题1 一 热力学第一定律 例题1 气体在某一过程中吸收了60kJ的热量 同时热力学能增加了86kJ 问此过程是膨胀还是压缩过程 做功是多少 解 根据闭口系统能量方程可得对外做功为负 表明此过程被压缩 对外做功 26kJ 即消耗外界功26kJ 一 热力学第一定律 开口系统表达式 P51例题2 二 理想气体性质及热力过程 理想气体模型 对实际气体的简化 忽略分子容积 忽略分子间作用力 理想气体状态方程 P1V1 T1 P2V2 T2 PV T R理想气体参数比热容 定容比热 定压比热 热力学能差 公式 u1 2 焓差 公式 h1 2 熵差 公式4 1 18 4 1 20 二 理想气体性质及热力过程 热力过程 4个基本过程P1V1 T1 P2V2 T2定容过程 比体积不变的过程 P1 T1 P2 T2定压过程 压力不变的过程 V1 T1 V2 T2定温过程 温度不变的过程 P1V1 P2V2绝热过程 工质与外界没有热量交换的过程 pvk 常数 三 热力学第二定律 主要描述 1 克劳修斯说法 2 开尔文说法 卡诺循环与卡诺定律 1 卡诺循环 见图4 1 6 由两个定温过程和两个绝热过程组成的理想循环 热效率 t 1 T2 T1 三 热力学第二定律 2 卡诺定理 定理1 相同高温热源和低温热源间工作的可逆循环热效率相等定理2 温度相同的高温热源和低温热源间工作的可逆热机热效率大于不可逆热机热效率孤立系统熵增原理 孤立系统内的熵只能够增大或维持不变 不可能减小 三 热力学第二定律 例题7 一个热机循环工作在1000K和250K的两个热源之间 从高温热源吸热100kJ 做功77kJ 判断该循环是否可行 为什么 解 根据卡诺定律 循环热效率的极值为 该循环的热效率超过了卡诺循环的效率 故该循环不能实现 四 水蒸气 饱和状态 水的汽化与液化速度相等 汽 液两相共存达到动态平衡的状态 特点 饱和温度和饱和压力一一对应水的定压加热汽化过程 1 二线三区五态2 相关定义汽化潜热 饱和水变为饱和蒸汽所需的热量临界点 温度ts为374 15 压力Ps为22 212MPa 四 水蒸气 水和水蒸气表 四 水蒸气 水和水蒸气焓 熵图 五 气体和蒸汽的流动 基本方程 促使流速改变的条件 Ma1时 若使流速增大 应有dA 0 横截面积应逐步增大 六 气体和蒸汽动力循环 气体动力循环1 混合加热理想循环 5个过程 2绝热2定压1定容 2 定容加热理想循环 4个过程 2绝热2定容 蒸汽动力循环1 郎肯循环 4个过程 2绝热2定压 2 再热循环 朗肯循环的改进3 回热循环 七 理想气体混合物和湿空气 理想气体混合物1 分压力 2 分压力定律 混合物总压力等于各组分分压力之和湿空气 含有水蒸气的空气 1 相对湿度 2 含湿量 3 湿空气焓 4 焓 含湿图 湿空气过程1 加热 或冷却 过程2 冷却去湿过程3 干燥过程 第二节传热学 第二节知识结构 绪论导热传热对流换热辐射传热传热过程分析与换热器计算 一 导热传热 导热定义 温度不同的物体各部分或温度不同的两物体间直接接触时 依靠分子 原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象 又称热传导 导热特点 必须有温差 物体直接接触 依靠分子 原子及自由电子等微观粒子热运动传递热量 引力场下单纯导热只发生在密实固体中 一 导热传热 一维稳态导热傅里叶公式 导热过程的单值性条件 是导热微分方程确定唯一解的附加补充说明条件 包含几何 物理 时间 边界 边界条件分三类 第一类边界条件 第二类边界条件 第三类边界条件 一 导热传热 典型几何形状物体的稳态导热平壁导热 1 第一类边界条件图示 4 2 7 4 2 8 4 2 9公式 4 2 8 4 2 92 第三类边界条件图示 4 2 9公式 4 2 10 4 2 113 应用 P75例题6 一 导热传热 例题 一双层玻璃窗由宽1m 高1 2m 厚3mm的玻璃和其中间的厚为5mm空气间隙组成 设空气层仅起导热作用 导热系数为0 026W m K 室内外温度分别为26 及 11 内外表面表面传热系数分别为20W m2 K 15W m2 K 试求该玻璃窗的散热量 解 A 1 1 2 1 2m2 k 1 1 h1 1 1 2 2 3 3 1 h2 3 2W m2 K t 26 11 37 k A t 141W 一 导热传热 例题 导热系数分别为 1 0 08W m K 2 0 03W m K 的材料 厚度分别为2mm和1mm 中间紧夹一层厚度可以不计的加热膜 加热膜的温度维持在70 材料1一侧维持在t1 28 材料2一侧与维持在tf 18 的表面传热系数h为50W m2 K 的气流相通 假设过程为稳态 试计算加热膜所施加的热流密度大小 解 材料1侧 q1 t0 t1 1 1 1680W m2 材料2侧 q2 t0 tf 2 2 1 h 975W m2 q q1 q2 2655W m2 一 导热传热 圆筒壁导热1 第一类边界条件图示 4 2 10公式 4 2 12 4 2 132 第三类边界条件图示 4 2 10公式 4 2 12 4 2 133 应用 P75例题7 二 对流换热 对流1 定义 流体 气体或液体 中温度不同的各部分之间 由于发生相对宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象 又称热对流 2 基本公式 牛顿冷却公式 二 对流换热 对流换热1 定义 流体与温度不同的固体壁面接触时所发生的传热过程2 特点 导热与对流同时存在的复杂过程 必须有直接接触面 宏观运动和温差 紧贴壁面会形成速度梯度较大的边界层 二 对流换热 3 影响因素 5方面流动起因和状态 流体热物理性质 流体相变 定性温度与定型尺寸4 单相流体对流换热 管内受迫流动换热 外掠圆管流动换热5 凝结换热与沸腾换热 三 辐射传热 辐射 热辐射 1 定义 由热运动产生的 以电磁波 或光子 形式传递能量的现象 2 特点 高于0K的任何物体 就会不停地向周围空间发出热辐射 可在真空中传播 伴随能量形式的转变 具有强烈的方向性 辐射能与温度 波长有关 辐射能取决于温度的4次方 3 基本公式 斯蒂芬 波尔兹曼定律 三 辐射传热 辐射换热 1 定义 物体间靠热辐射进行的热量传递2 特点 不需要冷热物体直接接触 先有热能变为电磁波而后变为热能 物体相互间辐射能量 最终热能由高温物体传到低温物体3 基本概念黑体 辐射力 单色辐射力 角系数 三 辐射传热 4 基本定律 普朗克定律 描述黑体辐射能量沿波长分布的规律 斯蒂芬 玻尔兹曼定律 描述黑体辐射力随温度的变化规律 兰贝特定律 描述黑体辐射能量沿半球空间方向的变化规律 基尔霍夫定律 描述单色定向发射率与单色定向吸收率的变化规律 四 传热过程分析与换热器计算 通过肋壁的传热强化传热与削弱传热的方法1 强化传热定义 方法 7种 扩展传热面 改变流动状态 改变流动物性 改变表面状况 增加粗糙度 改变表面状况 改变换热面积形状和大小 改变能量传递方式 靠外力产生振荡 四 传热过程分析与换热器计算 2 削弱传热定义 方法 2种覆盖绝缘材料 改变表面状况 对数平均温差用于换热器设计计算 第三节流体力学 第三节知识结构 一 流体力学重点 流体静力学基本方程 流体动力学方程及流体阻力计算二 泵与风机重点 性能参数 运行调节 一 基本概念 流体 是一种受任何微小剪切力作用都能连续变形的物质 特征 流动性 易变形 性质 4种 压缩性与膨胀性 粘性 流体内部产生的摩擦阻力 动力黏度 实验证实 F AU h A面积 U速度 h板间距压强 气体和液体粘性随压强的变化很小温度 升高气体粘性增大 液体粘性减小 表面张力和毛细力 作用力 一 基本概念 例题 动力黏度 0 065N s m2的油充满在活塞和气缸间隙中 气缸直径D 12mm 间隙 0 4mm 活塞长度L 14cm 如对活塞施以F 8 6N的力 使其匀速运动 求活塞运动速度 解 活塞匀速运动说明 F等于摩擦阻力F AU h A D 2 L 0 05243m2h 0 0004m 0 065N s m2 F 8 6NU F A 1 0095m s 二 流体静力学 适用范围 理想流体和黏性流体静压强特性1 方向与作用面相垂直 并指向内法线方向2 静止流体任一点压强与作用面在空间方向无关静力学方程 1 公式4 3 6位势能 压强势能 常数2 方程应用 P100例题2 三 流体动力学 连续性方程 公式4 3 15定常流动两截面间流体质量不变动量方程 公式4 3 17伯努利方程 能量守恒定律流体力学的应用1 公式4 3 18动能 位势能 压强势能 机械能 常数2 伯努利方程应用 P103例题3 四 流动阻力和能量损失 产生原因 实际流体存在粘性 流动中产生摩擦阻力 为了克服摩擦阻力 流体中一部分机械能不可逆地损失掉流动阻力和损失 2部分1 沿程阻力与沿程损失2 局部阻力与局部损失流动状态 1 层流和紊流 2 判据 雷诺数公式4 3 23圆管的临界雷诺数Recr 2000 四 流动阻力和能量损失 流体阻力计算1 沿程阻力 计算公式 公式4 3 20沿程阻力系数计算 2 局部阻力 计算公式 公式4 3 21局部阻力系数计算 3 总阻力 总阻力 沿程损失 局部损失4 简单管道流动计算 P108例题4 五 不可压缩流体的二维流动 边界层1 概念 2 区分判据 雷诺数Rex 5 105绕流物体的阻力1 压差阻力 作用在物体表面法向应力在来流方向的分力总和 2 摩擦阻力 作用在物体表面切向应力在来流方向的分力总和 七 泵与风机 分类及工作原理主要性能参数流量 扬程 功率 转速 汽蚀余量 损失效率性能曲线 3种流量与扬程 流量与轴功率 流量与效率运行调节并联与串联运行工况调节 3种方法 P118选型 七 泵与风机 例题 离心泵装置泵系统 已知该泵的静扬程 几何给水高度 H 15m 管道总阻抗S 72000s2 m5 当水泵的流量qv 6 50L s时 求水泵的扬程 解 由题意知 水泵的扬程H p1 p2 g Hz h1 H1 Sq2 18 04m 第四节热工测量技术 第四节知识结构 基本知识实际应用中的测量误差分析及数据处理 一 基本知识 测量方法 分类被测参数 仪表组成 测量范围和仪表精度 1 量程或测量范围 仪表或测量系统所能测量的最大输入量与最小输入量间的范围2 仪表精度 测量结果与被测量真值相一致的程度3 仪表精度等级 仪表可能产生的最大误差与仪表量程之比 二 实际应用中的测量 温度 压力 流速 流量 气体成分液位 转速和功率 湿度 煤量 温度测量 温度测量 压力测量 流量测量 三 误差分析及数据处理 误差 测量结果与真值之间的差值误差的表示方法1 绝对误差 仪表指示值与被测量真实值之间的差值2 相对误差 绝对误差值与标准值之比3 引用误差 仪表的绝对误差折合成该仪表测量范围的百分数绝对误差反映测量结果偏离真值的程度 引用误差反映本次测量的精确程度 三 误差分析及数据处理 例题 某测量范围0 100 温度计测量环境温度 读数为22 3 用经校准的标准温度计测量读数为22 7 求本次测量的绝对误差 相对误差和引用误差 解 绝对误差 a b 22 3 22 7 0 4 相对误差A b 0 4 22 7 100 1 8 引用误差B 100 0 100 0 4 三 误差分析及数据处理 测量误差的分类1 粗大误差 操作者主观过失 可避免2 系统误差 由于测量仪表本身 或仪表使用不当及测量环境条件发生较大改变等原因引起3 随机误差 在相同条件下 多次测量同一被测量时 不可预知地变化着的误差 三 误差分析及数据处理 数据处理1 有效数字 欠准数字和可靠数字2 0 的使用原则 2条3 有效数字的运算规则 常数 加减法 乘除法4 数字修约 GB T8170 2008 三 误差分析及数据处理 不确定度 表征合理赋