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(xué) Engineering Thermodynamics,傳熱學(xué) 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(xué)主要研究熱能和機(jī)械能之間相互轉(zhuǎn)換的規(guī)律及提高能量轉(zhuǎn)換經(jīng)濟(jì)性的途

2、徑和技術(shù)措施 。,傳熱學(xué)主要研究熱量傳遞的規(guī)律。,能量的利用過程，實(shí)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(jī)械能,輻射能,熱 能,風(fēng)能、水能、海洋能,機(jī)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(jī)：能將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的機(jī)器。如蒸汽機(jī)、蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)和噴氣發(fā)動機(jī)等。,工質(zhì)：實(shí)現(xiàn)熱能和機(jī)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(shí)自身溫度及其它熱力學(xué)參數(shù)沒有明顯變化的物體。高溫?zé)嵩?低溫?zé)嵩?熱力系統(tǒng)：在工程熱力學(xué)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(shí)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(qiáng)）,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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)：溫度的數(shù)值表示法。 攝氏溫標(biāo)用符號t 表示，單位為 。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，純水的冰點(diǎn)溫度為0 ，純水的沸點(diǎn)溫度為100 ，純水的三相點(diǎn)（固、液、汽三相平衡共存的狀態(tài)點(diǎn)）溫度為0.01 。 熱力學(xué)溫標(biāo)（絕對溫標(biāo)/開氏溫標(biāo)）用符號

5、T 表示，單位為 K（開）。熱力學(xué)溫標(biāo)取水的三相點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，并定義其溫度為273.16K。溫差1K相當(dāng)于水的三相點(diǎn)溫度的1/273.16。,t = T 273.15 K,溫度的測量： 接觸式水銀溫度計(jì)、酒精溫度計(jì)、熱電偶、電阻溫度計(jì)等。 非接觸式光學(xué)輻射高溫計(jì)、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(jìn)行較慢、弛豫時(shí)間非常短的情況下，可以將實(shí)際過程近似地看作為準(zhǔn)平衡過程。,在狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖上，準(zhǔn)平衡過程可以近似地用連續(xù)的實(shí)線表示。,準(zhǔn)平衡過程（準(zhǔn)靜態(tài)過程）：所經(jīng)歷的每一個(gè)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(gè)狀態(tài)到達(dá)另一個(gè)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(fù)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(fù)規(guī)定：系統(tǒng)對外界做功為正； 外界對系統(tǒng)做功為負(fù)。,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(fù)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(jì)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(gè)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(xué)第一定律,熱力學(xué)第一定律實(shí)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(fèi)能量就可以產(chǎn)生功的第一類永動機(jī)是不可能制造成功的。,進(jìn)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(jī)械 絕熱節(jié)流,問題3：工質(zhì)（Working Fluid）,熱機(jī)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(shí)際氣體及其混合物都可以近似為理想氣體。另外，大氣或燃?xì)庵猩倭康姆謮毫艿偷乃魵庖部勺鳛槔硐霘怏w處理。,理想氣體狀態(tài)方程式,比熱容c 熱力學(xué)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(jì)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(jì)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(xué)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(jìn)行的過程。 自發(fā)過程是不可逆的,熱力學(xué)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(fù)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(jī)械能的循環(huán)，也稱為動力循環(huán)或熱機(jī)循環(huán)。 逆向循環(huán)：消耗功將熱量從低溫?zé)嵩崔D(zhuǎn)移到高溫?zé)嵩吹难h(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(jī)工作循環(huán)，它由兩個(gè)可逆定溫過程和兩個(gè)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?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩撮g工作的一切可逆熱機(jī)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?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩撮g工作的任何不可逆熱機(jī)的熱效率都小于可逆熱機(jī)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(jī)械能的設(shè)備，也稱為熱力發(fā)動機(jī)，簡稱熱機(jī)。,研究熱機(jī)循環(huán)的目的：分析其熱能利用的經(jīng)濟(jì)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(gè)簡化的理想蒸汽動力循

12、環(huán)，由4個(gè)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(jī)熱電聯(lián)供循環(huán),抽汽式汽輪機(jī)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(dǎo)：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(yùn)動而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象。 導(dǎo)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(dǎo)熱,材料的熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）表明材料的導(dǎo)熱能力，W/(mK)。,國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，溫度低于350時(shí)熱導(dǎo)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(yùn)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(yùn)動而產(chǎn)生的導(dǎo)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(dǎo)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(xí)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(qiáng)弱，與以下因素有關(guān)：,（1）流體的物性（熱導(dǎo)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(shí)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(yùn)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(gè)波段 。,熱輻射的主要特點(diǎn)：,（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(qiáng)。,（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(jìn)行的熱量傳遞是雙向的。,輻射換熱：,以熱輻射的方式進(jìn)行的熱量交換。,輻射換熱的主要影響因素： （1）物體本身的