《基础》第四章

能源与节能管理基础第四章热工基础知识 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 本章内容 第一节工程热力学 一 知识结构 热力学第一定律理想气体性质及热力过程热力学第二定律水蒸气气体和蒸汽流动气体和蒸汽动力循环湿空气 二 了解内容 工程热力学的研究内容和研究方法气体动力循环热效率计算蒸汽动力循环热效率计算火用的概念火用损失计算 三 理解要点 一 基本概念和基本参数1 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系统 闭口系统 开口系统 绝热系统 孤立系统平衡状态 热力系统不受外界影响 始终保持不变 三 理解要点 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正向循环 高温热源吸热 向低温热源放热 部分热量转换为功逆向循环 向高温热源放热 从低温热源吸热 同时消耗外界的功 三 理解要点 2 状态参数 描述系统状态的物理量 压力p 力除以面积 又称压强温度T 物体的冷热程度比体积v 体积除以质量 又称比容热力学能U 储存在系统内部的能量焓H H U pV 即热力学能加推动功总能E E U Ek Ep熵S 三 理解要点 二 热力学第一定律的实质和描述热力学第二定律的实质和描述 三 孤立系统熵增原理 三 理解要点 四 水蒸汽1 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2 水的定压汽化过程 二线三区五态 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 三 理解要点 3 水和水蒸气表 三 理解要点 3 水和水蒸气焓 熵图 三 理解要点 五 气体和蒸汽的流动1 基本方程 2 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 三 理解要点 六 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 七 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 三 理解要点 八 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 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 四 掌握重点 一 热力学第一定律1 表述 理解 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 2 能量方程式 闭口系统能量方程式 重点 q u wP50例题1 开口系统表达能量方程式 重点 P51例题2 技术功 四 掌握重点 二 理想气体性质1 状态方程 P1V1 T1 P2V2 T2 PV T R2 比热容 比定容比热容cv 比定压比热容cp3 热力学能 焓和熵的计算 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 四 掌握重点 三 理想气体热力过程 4个基本过程1 定容过程 比体积不变 P1 T1 P2 T22 定压过程 压力不变 V1 T1 V2 T23 定温过程 温度不变 P1V1 P2V24 绝热过程 工质与外界没有热量交换 pvk 常数 四 掌握重点 四 热力学第二定律1 主要描述 理解 克劳修斯说法 开尔文说法 2 卡诺循环与卡诺定律 掌握 卡诺循环 见图4 1 6 2个定温过程和2个绝热过程热效率 t 1 T2 T1 四 掌握重点 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 理解 孤立系统内的熵只能够增大或维持不变 不可能减小 第二节传热学 一 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 二 了解内容 传热过程和传热系数二维稳态导热和非稳态导热边界层和相似原理对数温差与换热器的计算黑体和灰体表面间的辐射换热计算 三 理解要点 一 导热 对流和辐射换热特点1 导热 有温差 直接接触 依靠微观粒子热运动传递热量 单纯导热只发生在密实固体中2 对流换热 不是传热的基本方式 是导热与热对流两种方式的综合作用 必须存在流体与固体壁面的相对运动 在壁面处会形成边界层3 辐射换热 不需要中间介质 伴随着能量形式的转换 大于0K的物体 相互间辐射能量 总结果热量由高温物体传到低温物体 三 理解要点 二 导热基本概念1 温度场 某时刻空间所有各点温度分布的总称 是时间和空间的函数 2 等温面 同一时刻 温度场中所有温度相同的点连接起来所构成的面 3 等温线 用一个平面与各等温面相交 在这个平面上得到一个等温线簇 4 导热系数 物质的重要热物性参数 其数值是物体中单位温度梯度 单位时间通过单位面积的导热量 三 理解要点 三 导热过程的单值性条件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 边界条件可分为三类 1 第一类边界条件 任一瞬间导热体边界上温度值2 第二类边界条件 物体边界热流密度的分布及变化规律3 第三类边界条件 边界面周围流体的温度和传热系数 三 理解要点 四 对流换热的影响因素1 流动的起因和流动状态 自然对流与强迫对流 层流与紊流2 流体的热物理性质 比热容 热导率 密度 动力黏度 运动黏度 膨胀系数3 流体的相变 单相 相变4 换热的几何因素 壁面尺寸 粗糙度 形状 流体相对位置5 定性温度与定型尺寸 三 理解要点 五 辐射换热基本概念1 黑体 指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的物体 是一种科学假想的物体 2 辐射力 指单位时间内物体的单位表面积向半球空间发射的所有波长的能量总和 3 单色辐射力 指单位时间内物体单位面积在波长附近的单位波长间隔内 向半球空间所发射的辐射能 4 角系数 指表面发射出的辐射能中直接落到另一表面上的百分数 四 掌握重点 一 导热热阻 对流热阻 辐射热阻定义1 导热热阻 当热量在物体内部以热传导的方式传递时遇到的热阻 2 对流热阻 在对流换热过程中 固体壁面与流体之间的热阻 3 辐射热阻 两个温度不同的物体相互辐射换热时的热阻 四 掌握重点 二 毕渥数 雷诺数和普朗特数1 毕渥数 又称毕渥准则 是一个准则数 无量纲 具有物理意义 表示导热热阻与对流热阻的比值 2 雷诺数 表征流体受迫流动时惯性力与黏滞力的相对比值 反映了流体流态对对流换热的影响 3 普朗特数 又称物性准则 反映流体的动量传递能力与热量传递能力的相对大小 四 掌握重点 三 自然对流换热因温差引起流体的密度差产生浮升力而形成的流体换热 1 层流和紊流2 大空间和有限空间 四 掌握重点 四 辐射换热基本定律1 普朗克定律 描述黑体辐射能量沿波长分布的规律 2 斯蒂芬 玻尔兹曼定律 描述黑体辐射力随温度的变化规律 3 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 4 基尔霍夫定律 了解 描述单色定向发射率与单色定向吸收率的变化规律 四 掌握重点 五 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 四 掌握重点 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 14 4 2 153 应用 P76例题7 四 掌握重点 六 单相流体对流换热1 管内受迫流动换热2 外掠圆管流动换热 单管 管束 四 掌握重点 七 凝结换热与沸腾换热1 凝结换热 膜状凝结与珠状凝结影响因素 蒸气速度 蒸气含不凝性气体 表面粗糙度 蒸气含油 过热蒸气增强措施 改变表面几何特征 有效排除不凝性气体 加速凝结液的排除 形成珠状凝结的方法2 沸腾换热 大空间沸腾与强制对流沸腾 饱和沸腾和过冷沸腾 影响因素 不凝结气体 过冷度 液位高度 重力加速度 沸腾表面结构增强措施 在管表面用烧结法覆盖一层多孔铜或多孔铝或用机械加工方法使管表面形成微孔层 四 掌握重点 八 强化传热与削弱传热的方法1 强化传热方法 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 2 削弱传热的方法 2种覆盖绝缘材料 改变表面状况 第三节流体力学 一 知识结构 流体力学基本概念 流体静力学 流体动力学流动阻力及能量损失 气体流动泵与风机种类 工作原理及特点 性能 调节 安装选型 二 了解内容 流体的表面张力和毛细力流体流动的分类流体动力学的基本概念非圆形管道沿程损失的计算简单管道流动的计算泵与风机的工作原理与特点泵与风机的选型原则与方法 三 理解要点 一 压力体 与该体积内有无液体或是否充满液体无关 是曲面和自由液面或者自由液面的延长面包容的体积 二 绝对压强 相对压强 真空绝对压强 以完全真空为基准相对压强 以当地压强为基准真空 低于的数值 三 动能修正系数 1 P103 特征 取决于过流断面上流速分布的均匀程度及断面的形状和大小 流速分布愈均匀 愈接近1 流速分布愈不均匀 愈大 三 理解要点 四 雷诺数 判别流体流动状态的准则数 工程中 一般取圆管的临界雷诺数Recr 2000 五 声速与马赫数声速 微弱扰动波在弹性介质中的传播速度马赫数 气体在某点的流速与当地声速之比 六 泵与风机的性能曲线1 性能曲线 在一定的转速下 以流量作为基本变量 其他各参数随流量改变而变化的曲线 2 种类 流量与扬程 流量与轴功率 流量与效率 四 掌握重点 一 流体的粘性1 定义 流体内部产生的摩擦阻力2 性质 流体的固有属性 只有在运动的时候才能表现出来3 形成原因 一是流体分子间的引力 一是流体分子的热运动4 变化规律 气体和液体粘性随压强的变化很小升高气体粘性增大 液体粘性减小 四 掌握重点 二 静力学基本方程适用范围 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流体静力学方程式 P98 1 公式 或2 方程应用 P100例题2 四 掌握重点 三 连续性方程和动量方程1 连续性方程 定常流动两截面间流动空间内流体质量不变 可压缩流体 4 3 15 不可压缩流体 4 3 16 2 定常流动的动量方程 P102 4 3 17 适应范围 任何流体求解注意问题 矢量方程 具有方向性3 应用 P103例题3 四 掌握重点 四 黏性流体总流的伯努利方程1 理想流体 公式 4 3 18 适用于理想不可压缩重力流体作一维定常流动时一条流线或一个微元流管2 黏性流体 公式 4 3 19 适用于在重力作用下不可压缩粘性流体作定常流动时的任意两个缓变流截面 不必顾及这两个缓变流截面之间是否有急变流的存在 四 掌握重点 五 流体流动的状态层流 当流场中流动的流体质点互不干扰 迹线层次分明紊流 当流场中流动的流体质点相互掺混 杂乱无章地向某一方向运动 六 边界层的概念定义 当粘性流体以大雷诺数平滑地绕流静止物体时 在壁面附近出现一个流速由壁面上的零值迅速增至与来流速度相同数量级的薄层处理 边界层内为粘性流体的有旋流动 边界层以外可看作理想流体的无旋流动 判断 Rex 5 105 四 掌握重点 七 绕流物体的阻力1 物体阻力分为压差阻力和摩擦阻力 2 摩擦阻力 作用在物体表面的切向应力在来流方向上的分力总和产生原因 流体黏性3 压差阻力 作用在物体表面法向应力在来流方向的分力的总和 产生原因 由于物体尾部形成旋涡使流体的能量耗损 从而形成前后压强差 四 掌握重点 八 泵与风机的主要性能参数1 流量 单位时间内输送的流体量 用体积流量或质量流量表示2 扬程 全压 单位重量 体积 液体 气体 通过泵 风机 时所获得的能量增加值3 功率 有效功率 轴功率和原动机功率 4 转速 泵或风机轴每分种的转数 5 汽蚀余量 正吸入压头 泵汽蚀性能的重要参数6 损失与效率 损失 机械损失 容积损失和流动损失有效功率 轴功率除去这些能量损失 四 掌握重点 九 离心式泵与风机的工况调节 P118 1 方法 改变管路特性曲线 改变泵或风机本身性能曲线 两条曲线同时改变2 改变管路性能曲线的调节方法在泵或风机转数不变的情况下 调节管路阀门开度 节流 改变管路性能曲线3 改变泵或风机性能曲线的调节方法改变泵或风机的转数 改变风机进口导流阀的叶片角度 切削泵的叶轮外径及改变风机的叶片宽度和角度 第四节热工测量技术 一 知识结构 基本知识实际应用测量 如温度 压力 流量等误差分析及数据处理 二 了解内容 测量方法分类 5种测量仪表组成 感受件 传送件 显示件煤量测量仪表湿度测量仪表 三 理解要点 一 测量范围和仪表精度 1 量程或测量范围 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 分为0 1 0 2 0 5 1 0 1 5 2 5和5 0共7个等级 三 理解要点 二 误差的分类及表示方法1 误差分析的目的 根据测量误差的规律性 找出消除或减少误差的方法 科学地表达测量结果 合理地设计测量系统2 误差表示方法绝对误差 定量反映测量结果偏离真值的程度相对误差 引用误差 反映本次测量的精确程度 3 测量误差 粗大误差 系统误差和随机误差 四 掌握重点 一 数据处理1 有效数字 将测量结果中能准确读出的可靠数字和估读出来的欠准数字 2 0 的使用原则 只与计量单位有关的数字 0 不计入有效数字 小数点后的 0 一般不能随意省略3 有效数字的运算 常数运算 根据需要 加减法运算 计算取舍位数至比有效数字最少的多一位 结果按最少位数取 乘除法运算 同上 四 掌握重点 4 数据修约测量结果修约 比被测量允许误差多一个数量级修约规则 四舍五入 奇进偶不进5 不确定度 定义 表征合理赋予被测量之值的分散性 与测量结果相联系的参数 分类 A类不确定度 用统计学方法评定的不确定度B类不确定度 用非统计学方法评定的不确定度 计算 P145 146公式 4 4 7 4 4 12 四 掌握重点 二 温度测量测温仪表的分类