热工基础知识

热工基础知识第1页，共63页，2023年，2月20日，星期六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2页，共63页，2023年，2月20日，星期六第一节工程热力学第3页，共63页，2023年，2月20日，星期六第一节知识结构一、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、湿空气第4页，共63页，2023年，2月20日，星期六基本概念工质：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。第5页，共63页，2023年，2月20日，星期六基本概念热力过程：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。第6页，共63页，2023年，2月20日，星期六基本概念正向循环：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η=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

第7页，共63页，2023年，2月20日，星期六一、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=Δu+wP51例题1第8页，共63页，2023年，2月20日，星期六一、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。第9页，共63页，2023年，2月20日，星期六一、热力学第一定律开口系统表达式：P51例题2

第10页，共63页，2023年，2月20日，星期六二、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Δu1-2=

焓差：公式Δh1-2=

熵差：公式4.1-18~4.1-20

第11页，共63页，2023年，2月20日，星期六二、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=常数第12页，共63页，2023年，2月20日，星期六三、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：ηt=1–T2/T1第13页，共63页，2023年，2月20日，星期六三、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

第14页，共63页，2023年，2月20日，星期六三、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。第15页，共63页，2023年，2月20日，星期六四、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第16页，共63页，2023年，2月20日，星期六四、水蒸气水和水蒸气表第17页，共63页，2023年，2月20日，星期六四、水蒸气水和水蒸气焓-熵图第18页，共63页，2023年，2月20日，星期六五、气体和蒸汽的流动基本方程：促使流速改变的条件：Ma<1时，若使流速增大，应有dA<0，横截面积应逐步缩小；Ma>1时，若使流速增大，应有dA>0，横截面积应逐步增大。第19页，共63页，2023年，2月20日，星期六六、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、回热循环第20页，共63页，2023年，2月20日，星期六七、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21页，共63页，2023年，2月20日，星期六第二节传热学第22页，共63页，2023年，2月20日，星期六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第23页，共63页，2023年，2月20日，星期六一、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：①必须有温差；②物体直接接触；③依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动传递热量；④引力场下单纯导热只发生在密实固体中。第24页，共63页，2023年，2月20日，星期六一、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：第25页，共63页，2023年，2月20日，星期六一、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第26页，共63页，2023年，2月20日，星期六一、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+δ1/λ1+δ2/λ2+δ3/λ3+1/h2）=3.2W/(m2•K)Δt=26-(-11)=37℃,φ=k*A*Δt=141W第27页，共63页，2023年，2月20日，星期六一、导热传热例题：导热系数分别为λ1=0.08W/(m•K)，λ2=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)/(δ1/λ1)=1680W/m2,

材料2侧:q2=(t0-tf)/(δ2/λ2+1/h)=975W/m2,q=q1+q2=2655W/m2第28页，共63页，2023年，2月20日，星期六一、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第29页，共63页，2023年，2月20日，星期六二、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：牛顿冷却公式第30页，共63页，2023年，2月20日，星期六二、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：①导热与对流同时存在的复杂过程；②必须有直接接触面、宏观运动和温差；③紧贴壁面会形成速度梯度较大的边界层。第31页，共63页，2023年，2月20日，星期六二、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①管内受迫流动换热②外掠圆管流动换热

5、凝结换热与沸腾换热第32页，共63页，2023年，2月20日，星期六三、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：①高于0K的任何物体，就会不停地向周围空间发出热辐射；②可在真空中传播；③伴随能量形式的转变；④具有强烈的方向性；⑤辐射能与温度、波长有关；⑥辐射能取决于温度的4次方。

3、基本公式：斯蒂芬-波尔兹曼定律第33页，共63页，2023年，2月20日，星期六三、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：①不需要冷热物体直接接触；②先有热能变为电磁波而后变为热能；③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、角系数第34页，共63页，2023年，2月20日，星期六三、辐射传热4、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：描述单色定向发射率与单色定向吸收率的变化规律第35页，共63页，2023年，2月20日，星期六四、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。第36页，共63页，2023年，2月20日，星期六四、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37页，共63页，2023年，2月20日，星期六第三节流体力学第38页，共63页，2023年，2月20日，星期六第三节知识结构一、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、运行调节第39页，共63页，2023年，2月20日，星期六一、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

①压缩性与膨胀性

②粘性：流体内部产生的摩擦阻力，μ动力黏度。实验证实:F=μAU/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

③表面张力和毛细力④作用力第40页，共63页，2023年，2月20日，星期六一、基本概念例题：动力黏度μ=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δ=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=μAU/h，A=π（D-2δ）L=0.05243m2h=δ=0.0004m,μ=0.065N·s/m2,F=8.6NU=Fδ/(μA)=1.0095m/s第41页，共63页，2023年，2月20日，星期六二、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第42页，共63页，2023年，2月20日，星期六三、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第43页，共63页，2023年，2月20日，星期六四、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第44页，共63页，2023年，2月20日，星期六四、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第45页，共63页，2023年，2月20日，星期六五、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。第46页，共63页，2023年，2月20日，星期六七、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选型第47页，共63页，2023年，2月20日，星期六七、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)/(ρg)+Hz+h1=H1+Sq2=18.04m第48页，共63页，2023年，2月20日，星期六第四节热工测量技术第49页，共63页，2023年，2月20日，星期六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第50页，共63页，2023年，2月20日，星期六一、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第51页，共63页，2023年，2月20日，星期六二、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、煤量第52页，共63页，2023年，2月20日，星期六温度测量温度计分类精度测温原理使用温度范围接触式膨胀式压力式温度计±（1.5%~2.5%）利用液体（水银、酒精）或固体（双金属片）受热产生膨胀的特性－80~500℃双金属温度计±（1%~2.5%）－100~600℃水银温度计±（0.1%~1%）－38~356℃有机液体温度计±（0.1%~2.5%）－100~100℃电阻式铂电阻温度计±（0.1%~0.3%）利用导体或半导体受热其电阻值变化的性质13.81~961.78K铜电阻温度计±（0.1%~0.3%）－50~150℃铑铁电阻温度计±（0.001~0.01）K0.1~273K锗电阻温度计±（0.002~0.02）K0.015~100K镍电阻温度计±（0.2%~0.5%）－60~180℃碳电阻温度计±0.01K70K以下至mK热敏电阻温度计±（0.3%~1.5%）－40~150℃第53页，共63页，2023年，2月20日，星期六温度测量热电偶式铜—康铜±（0.4%~1.5%）利用物体的热电性质－200~400℃铂铑—铂±（0.25%~0.5%）0~1800℃镍铬—铜镍（康铜）±（0.4%~1.5%）－40~800℃镍铬—镍硅（铝）±（0.4%~1.5%）0~1300℃辐射式全辐射高温计————利用物体辐射能随温度变化的性质700~2000℃光学高温计±（20~80）℃700~2000℃比色高温计±（0.5%~1.5%）800~2000℃红外温度计±（0.5%~1.5%）100~700℃第54页，共63页，2023年，2月20日，星期六压力测量类型测量范围(Pa)精确度优缺点主要用途液柱式压力计0～2.66×105（0~2000mmHg）0.51.01.5结构简单，使用方便，但测量范围窄，只能测量低压或微压，易损坏用来测量低压及真空，或作压力标准计量仪器弹性式压力表-105～109（-1～10000kgf/cm2)精密：0.2、0.250.35、0.5一般：1.0、1.52.5测量范围宽,结构简单，使用方便，价格便宜，可制成电气远传式，广泛使用用来测量压力及真空，可就地指示,也可集中控制,具有记录、发信报警远传性能电气压力表7×102～5×108（7×10-3～5×103kgf/cm2)0.2～1.5测量范围广,便于远传和集中控制用来测量压力需要远传和集中控制的场合活塞式压力表-105～2.5×1055×106～2.5×108（-1～2.5至50～2500kgf/cm2）一等：0.02二等：0.05三等：0.2测量精确度高,但结构复杂，价格较贵用来检定精密压力表和普通压力表第55页，共63页，2023年，2月20日，星期六流量测量类型名称输出信号形式适用流体及其参数界限主要技术特性流体种类压力MPa温度℃雷诺数精度%适用管径mm压力损失容积型椭圆齿轮流量计腰轮流量计刮板流量计转速液、气6.4360不限±(0.2～0.5)10～500速度型节流式标准孔板标准喷嘴标准文丘里管差压液、气蒸汽326005000～8000>2000>3000±1.5±(1.0～2.0)±(1.5～4.0)50～10050～600150～400大中小动压式皮托管差压液、气32600>2000±(1.5～4.0)100～1600很小转子式玻璃转子流量计金属转子流量计转子位置液、气1.62.5120400>10000±2.54～150中靶式流量计力液、气6.4400<2000±5.015～250大涡轮流量计转速液、气32150±(0.1～0.5)4～600中涡街流量计频率液、气32400104～106±1.516～1600较小电磁流量计电动势导电液1.660±1.525～400无超声波流量计电压液6.4120流速>0.02m/s±1>10无第56页，共63页，2023年，2月20日，星期六三、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