2第二講 熱工基礎(chǔ).ppt

1、第二講 熱工基礎(chǔ),2008年10月22日,臧建彬,課程,聯(lián)系方式:,內(nèi)容: 問題1：什么是熱工 問題2：基本概念 問題3：工質(zhì)（理想氣體、水蒸氣、濕空氣 ） 問題4：熱力循環(huán) 問題5：基本傳熱方式 問題6：傳熱過程,熱 工 基 礎(chǔ) （熱工理論基礎(chǔ)）,工程熱力學 Engineering Thermodynamics,傳熱學 Heat Transfer,熱工基礎(chǔ)主要研究熱能利用的基本規(guī)律以及熱能利用過程及其它熱現(xiàn)象中熱量傳遞的基本規(guī)律。,問題1：什么是熱工（Thermal Engineering）？,工程熱力學主要研究熱能和機械能之間相互轉(zhuǎn)換的規(guī)律及提高能量轉(zhuǎn)換經(jīng)濟性的途

2、徑和技術(shù)措施 。,傳熱學主要研究熱量傳遞的規(guī)律。,能量的利用過程，實質(zhì)上是能量的傳遞與轉(zhuǎn)換過程。,氫、酒精等二次能源,電 能,機械能,輻射能,熱 能,風能、水能、海洋能,機械能,煤、石油、天然氣,熱 能,核 能,太陽能,生物質(zhì)能,90,問題2：基本概念,熱機：能將熱能轉(zhuǎn)換為機械能的機器。如蒸汽機、蒸汽輪機、燃氣輪機、內(nèi)燃機和噴氣發(fā)動機等。,工質(zhì)：實現(xiàn)熱能和機械能之間轉(zhuǎn)換的媒介物質(zhì)。,熱源：本身熱容量很大，且在放出或吸收有限量熱量時自身溫度及其它熱力學參數(shù)沒有明顯變化的物體。高溫熱源/低溫熱源,熱力系統(tǒng)：在工程熱力學中，通常選取一定的工質(zhì)或空間作為研究的對象，簡稱系統(tǒng)。系統(tǒng)以外的物體稱為外界或環(huán)

3、境。系統(tǒng)與外界之間的分界面稱為邊界。,閉口系統(tǒng)：與外界無物質(zhì)交換的系統(tǒng)。系統(tǒng)的質(zhì)量始終保持恒定，也稱為控制質(zhì)量系統(tǒng)。,邊界,閉口系統(tǒng),外界,開口系統(tǒng)：與外界有物質(zhì)交換的系統(tǒng)。系統(tǒng)的容積始終保持不變，也稱為控制容積系統(tǒng)。,絕熱系統(tǒng)：與外界沒有熱量交換的系統(tǒng)。,孤立系統(tǒng)：與外界 既無能量（功、熱量）交換又無物質(zhì)交換的系統(tǒng),熱力狀態(tài)：系統(tǒng)在某一瞬間所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況稱為系統(tǒng)的熱力狀態(tài)，簡稱狀態(tài)。,平衡狀態(tài)：系統(tǒng)內(nèi)部各處的宏觀性質(zhì)均勻一致、不隨時間而變化的狀態(tài)。熱平衡狀態(tài),狀態(tài)參數(shù)：用于描述系統(tǒng)平衡狀態(tài)的物理量。,狀態(tài)方程式：表示狀態(tài)參數(shù)之間關(guān)系的方程式。如：f(p,t,v)=0,基本狀態(tài)參數(shù)溫度、

4、壓力、比體積,（1）壓力,單位面積上所受到的垂直作用力（即壓強）,絕對壓力p、大氣壓力pb、表壓力pe、真空度pv,常用壓力單位： 1 bar（巴） = 105 Pa 1 atm（標準大氣壓）= 1.013105 Pa 1 at（工程大氣壓）= 0.981105 Pa 1 mmH2O（毫米水柱）= 9.81 Pa 1 mmHg（毫米汞柱）= 133.3 Pa,（）溫度,溫標：溫度的數(shù)值表示法。 攝氏溫標用符號t 表示，單位為 。在標準大氣壓下，純水的冰點溫度為0 ，純水的沸點溫度為100 ，純水的三相點（固、液、汽三相平衡共存的狀態(tài)點）溫度為0.01 。 熱力學溫標（絕對溫標/開氏溫標）用符號

5、T 表示，單位為 K（開）。熱力學溫標取水的三相點為基準點，并定義其溫度為273.16K。溫差1K相當于水的三相點溫度的1/273.16。,t = T 273.15 K,溫度的測量： 接觸式水銀溫度計、酒精溫度計、熱電偶、電阻溫度計等。 非接觸式光學輻射高溫計、激光全息干涉儀,在系統(tǒng)內(nèi)外的不平衡勢（如壓力差、溫度差等）較小、過程進行較慢、弛豫時間非常短的情況下，可以將實際過程近似地看作為準平衡過程。,在狀態(tài)參數(shù)坐標圖上，準平衡過程可以近似地用連續(xù)的實線表示。,準平衡過程（準靜態(tài)過程）：所經(jīng)歷的每一個狀態(tài)都無限地接近平衡狀態(tài)的過程。,熱力過程：系統(tǒng)由一個狀態(tài)到達另一個狀態(tài)的變化過程。,可逆過程:

6、如果系統(tǒng)完成了某一過程之后可以沿原路逆行回復到原來的狀態(tài)，并且不給外界留下任何變化。,定壓過程/定溫過程/定容過程/定熵過程/多變過程,功量與示功圖,膨脹功W,對于微元可逆過程，,對于可逆過程12：,單位質(zhì)量工質(zhì)做功,示功圖,功是過程量而不是狀態(tài)量。,功的正負規(guī)定：系統(tǒng)對外界做功為正； 外界對系統(tǒng)做功為負。,熱量與示熱圖,系統(tǒng)與外界之間依靠溫差傳遞的能量稱為熱量。符號：Q ；單位：J 或kJ。 單位質(zhì)量工質(zhì)所傳遞的熱量用q 表示，單位為 J/kg 或 kJ/kg。,熱量正負的規(guī)定：系統(tǒng)吸熱：q 0 ; 系統(tǒng)放熱：q 0 。,熱量和功量都是系統(tǒng)與外界在相互作用的過程中所傳遞的能量，都是過程量而不

7、是狀態(tài)量。,熱量的計算公式與功格式一致。,比熵的定義式,可逆過程,比熵的單位為J/ (kgK) 或 kJ/ (kgK) 。比熵同比體積 v 一樣是工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)。,根據(jù)熵的變化判斷一個可逆過程中系統(tǒng)與外界之間熱量交換的方向：,系統(tǒng)吸熱 系統(tǒng)放熱 系統(tǒng)絕熱（定熵過程）,溫熵圖（示熱圖 ）,熱力學第一定律,熱力學第一定律實質(zhì)就是熱力過程中的能量守恒和轉(zhuǎn)換定律 ，可表述為： 在熱能與其它形式能的互相轉(zhuǎn)換過程中，能的總量始終不變。 不花費能量就可以產(chǎn)生功的第一類永動機是不可能制造成功的。,進入系統(tǒng)的能量離開系統(tǒng)的能量 = 系統(tǒng)儲存能量的變化,U,開口系統(tǒng)示意圖,焓的定義式：,比焓是狀態(tài)參數(shù)；對于流動工

8、質(zhì)，比焓表示每千克工質(zhì)沿流動方向向前傳遞的總能量中取決于熱力狀態(tài)的部分。,熱交換器 動力機械 絕熱節(jié)流,問題3：工質(zhì)（Working Fluid）,熱機的工質(zhì)通常采用氣態(tài)物質(zhì)：水、氣體或蒸氣（汽）。,理想氣體在自然界并不存在，但常溫下，壓力不超過5 MPa，的O2、N2、H2、CO等實際氣體及其混合物都可以近似為理想氣體。另外，大氣或燃氣中少量的分壓力很低的水蒸氣也可作為理想氣體處理。,理想氣體狀態(tài)方程式,比熱容c 熱力學能 u 焓h 熵s,混合氣體與道爾頓分壓力定律,理想氣體的基本熱力過程,定容過程 定壓過程 定溫過程 定熵過程 多變過程,定容過程,定壓過程,定溫過程,定熵過程,各種熱力過程

9、的計算公式,蒸氣,由液體汽化而產(chǎn)生的。汽化兩種方法：蒸發(fā)和沸騰,飽和狀態(tài) 飽和壓力 飽和壓力,水蒸氣：ps0.101325 MPa，ts=100 C,p,tts,v0,p,ts,v,p,tts,v,汽化潛熱r 濕飽和蒸氣（濕蒸氣）的干度x,水蒸氣的狀態(tài)參數(shù) 一般情況下，水蒸氣的性質(zhì)與理想氣體差別很大 ,為了便于工程計算，將不同溫度和不壓力下的未飽和水、飽和水、干飽和蒸汽和過熱蒸汽的狀態(tài)參數(shù)列成表或繪成線算圖。,水蒸氣的焓熵圖,水蒸氣的基本熱力過程,定壓,定熵,問題4：熱力循環(huán)（Thermodynamic cycle）,熱力學第二定律揭示了熱力過程發(fā)生的方向、條件和限度。,自發(fā)過程：不需要任何外

10、界作用而自動進行的過程。 自發(fā)過程是不可逆的,熱力學第二定律有多種表述方式，并且彼此是等效的。,克勞修斯表述：不可能將熱從低溫物體傳至高溫物體而不引起其它變化。,開爾文普朗克表述：不可能從單一熱源取熱，并使之完全轉(zhuǎn)變?yōu)楣Χ划a(chǎn)生其它影響。,熱力循環(huán)：工質(zhì)經(jīng)過一系列的狀態(tài)變化，重新回復到原來狀態(tài)的全部過程。 可逆循環(huán)：全部由可逆過程組成的循環(huán) 不可逆循環(huán)：循環(huán)中有部分過程或全部過程是不可逆過程的循環(huán)。,正向循環(huán)：將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的循環(huán)，也稱為動力循環(huán)或熱機循環(huán)。 逆向循環(huán)：消耗功將熱量從低溫熱源轉(zhuǎn)移到高溫熱源的循環(huán)，如制冷裝置循環(huán)或熱泵循環(huán)。,正向循環(huán)示意圖,循環(huán)熱效率,逆向循環(huán),制冷系數(shù),供

11、熱系數(shù),是法國工程師卡諾（S. Carnot）于1824年提出的一種理想熱機工作循環(huán)，它由兩個可逆定溫過程和兩個可逆絕熱過程組成。,卡諾循環(huán),卡諾循環(huán)熱效率,卡諾制冷循環(huán)：,制冷系數(shù),供熱系數(shù),卡諾定理：在相同的高溫熱源和低溫熱源間工作的一切可逆熱機具有相同的熱效率，與工質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。 卡諾定理：在相同高溫熱源和低溫熱源間工作的任何不可逆熱機的熱效率都小于可逆熱機的熱效率。,蒸汽動力裝置循環(huán),熱能動力裝置：將熱能轉(zhuǎn)換為機械能的設(shè)備，也稱為熱力發(fā)動機，簡稱熱機。,研究熱機循環(huán)的目的：分析其熱能利用的經(jīng)濟性（即熱效率）、影響熱效率的因素、尋找提高熱效率的途徑。,朗肯循環(huán)：是一個簡化的理想蒸汽動力循

12、環(huán)，由4個理想化的可逆過程組成：絕熱壓縮過程，定壓加熱過程，絕熱膨脹過程，定壓放熱過程,熱電聯(lián)供：,背壓式汽輪機熱電聯(lián)供循環(huán),抽汽式汽輪機熱電聯(lián)供循環(huán),問題：基本傳熱方式,熱量傳遞 三種基本方式:,熱傳導：在物體內(nèi)部或相互接觸的物體表面之間，由于分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運動而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象。 導熱現(xiàn)象發(fā)生在固體內(nèi)部，也可發(fā)生在靜止的液體和氣體之中。,大平壁的一維穩(wěn)態(tài)導熱,材料的熱導率（導熱系數(shù)）表明材料的導熱能力，W/(mK)。,國家標準規(guī)定，溫度低于350時熱導率小于0.12 W/(mK)的材料稱為保溫材料。,熱對流：由于流體的宏觀運動使不同溫度的流體相對位移而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)

13、象。,熱對流只發(fā)生在流體之中，并伴隨有微觀粒子熱運動而產(chǎn)生的導熱。,對流換熱:流體與相互接觸的固體表面之間的熱量傳遞現(xiàn)象，是導熱和熱對流兩種基本傳熱方式共同作用的結(jié)果。,牛頓冷卻公式:,h 稱為對流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（習慣稱為對流換熱系數(shù)） 單位為W/(m2K),表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響因素：,h 的大小反映對流換熱的強弱，與以下因素有關(guān)：,（1）流體的物性（熱導率、粘度、密度、比熱容等）； （2）流體流動的形態(tài)（層流、紊流）； （3）流動的成因（自然對流或受迫對流）； （4）物體表面的形狀、尺寸； （5）換熱時流體有無相變（沸騰或凝結(jié)）。,一些表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的數(shù)值范圍：,熱輻射,電磁波的波譜：,熱輻射：由于物體內(nèi)部微觀粒子的熱運動而使物體向外發(fā)射輻射能的現(xiàn)象。,熱輻射的波長主要在0.1m至100m之間,包括部分紫外線、可見光和部分紅外線三個波段 。,熱輻射的主要特點：,（1）所有溫度大于0 K的物體都具有發(fā)射熱輻射的能力，溫度愈高，發(fā)射熱輻射的能力愈強。,（2）熱輻射不依靠中間媒介，可以在真空中傳播；,（3）物體間以熱輻射的方式進行的熱量傳遞是雙向的。,輻射換熱：,以熱輻射的方式進行的熱量交換。,輻射換熱的主要影響因素： （1）物體本身的