2第二讲 热工基础.ppt

1、第二讲 热工基础,2008年10月22日,臧建彬,课程,联系方式:,内容: 问题1：什么是热工 问题2：基本概念 问题3：工质（理想气体、水蒸气、湿空气 ） 问题4：热力循环 问题5：基本传热方式 问题6：传热过程,热 工 基 础 （热工理论基础）,工程热力学 Engineering Thermodynamics,传热学 Heat Transfer,热工基础主要研究热能利用的基本规律以及热能利用过程及其它热现象中热量传递的基本规律。,问题1：什么是热工（Thermal Engineering）？,工程热力学主要研究热能和机械能之间相互转换的规律及提高能量转换经济性的途

2、径和技术措施 。,传热学主要研究热量传递的规律。,能量的利用过程，实质上是能量的传递与转换过程。,氢、酒精等二次能源,电 能,机械能,辐射能,热 能,风能、水能、海洋能,机械能,煤、石油、天然气,热 能,核 能,太阳能,生物质能,90,问题2：基本概念,热机：能将热能转换为机械能的机器。如蒸汽机、蒸汽轮机、燃气轮机、内燃机和喷气发动机等。,工质：实现热能和机械能之间转换的媒介物质。,热源：本身热容量很大，且在放出或吸收有限量热量时自身温度及其它热力学参数没有明显变化的物体。高温热源/低温热源,热力系统：在工程热力学中，通常选取一定的工质或空间作为研究的对象，简称系统。系统以外的物体称为外界或环

3、境。系统与外界之间的分界面称为边界。,闭口系统：与外界无物质交换的系统。系统的质量始终保持恒定，也称为控制质量系统。,边界,闭口系统,外界,开口系统：与外界有物质交换的系统。系统的容积始终保持不变，也称为控制容积系统。,绝热系统：与外界没有热量交换的系统。,孤立系统：与外界 既无能量（功、热量）交换又无物质交换的系统,热力状态：系统在某一瞬间所呈现的宏观物理状况称为系统的热力状态，简称状态。,平衡状态：系统内部各处的宏观性质均匀一致、不随时间而变化的状态。热平衡状态,状态参数：用于描述系统平衡状态的物理量。,状态方程式：表示状态参数之间关系的方程式。如：f(p,t,v)=0,基本状态参数温度、

4、压力、比体积,（1）压力,单位面积上所受到的垂直作用力（即压强）,绝对压力p、大气压力pb、表压力pe、真空度pv,常用压力单位： 1 bar（巴） = 105 Pa 1 atm（标准大气压）= 1.013105 Pa 1 at（工程大气压）= 0.981105 Pa 1 mmH2O（毫米水柱）= 9.81 Pa 1 mmHg（毫米汞柱）= 133.3 Pa,（）温度,温标：温度的数值表示法。 摄氏温标用符号t 表示，单位为 。在标准大气压下，纯水的冰点温度为0 ，纯水的沸点温度为100 ，纯水的三相点（固、液、汽三相平衡共存的状态点）温度为0.01 。 热力学温标（绝对温标/开氏温标）用符号

5、T 表示，单位为 K（开）。热力学温标取水的三相点为基准点，并定义其温度为273.16K。温差1K相当于水的三相点温度的1/273.16。,t = T 273.15 K,温度的测量： 接触式水银温度计、酒精温度计、热电偶、电阻温度计等。 非接触式光学辐射高温计、激光全息干涉仪,在系统内外的不平衡势（如压力差、温度差等）较小、过程进行较慢、弛豫时间非常短的情况下，可以将实际过程近似地看作为准平衡过程。,在状态参数坐标图上，准平衡过程可以近似地用连续的实线表示。,准平衡过程（准静态过程）：所经历的每一个状态都无限地接近平衡状态的过程。,热力过程：系统由一个状态到达另一个状态的变化过程。,可逆过程:

6、如果系统完成了某一过程之后可以沿原路逆行回复到原来的状态，并且不给外界留下任何变化。,定压过程/定温过程/定容过程/定熵过程/多变过程,功量与示功图,膨胀功W,对于微元可逆过程，,对于可逆过程12：,单位质量工质做功,示功图,功是过程量而不是状态量。,功的正负规定：系统对外界做功为正； 外界对系统做功为负。,热量与示热图,系统与外界之间依靠温差传递的能量称为热量。符号：Q ；单位：J 或kJ。 单位质量工质所传递的热量用q 表示，单位为 J/kg 或 kJ/kg。,热量正负的规定：系统吸热：q 0 ; 系统放热：q 0 。,热量和功量都是系统与外界在相互作用的过程中所传递的能量，都是过程量而不

7、是状态量。,热量的计算公式与功格式一致。,比熵的定义式,可逆过程,比熵的单位为J/ (kgK) 或 kJ/ (kgK) 。比熵同比体积 v 一样是工质的状态参数。,根据熵的变化判断一个可逆过程中系统与外界之间热量交换的方向：,系统吸热 系统放热 系统绝热（定熵过程）,温熵图（示热图 ）,热力学第一定律,热力学第一定律实质就是热力过程中的能量守恒和转换定律 ，可表述为： 在热能与其它形式能的互相转换过程中，能的总量始终不变。 不花费能量就可以产生功的第一类永动机是不可能制造成功的。,进入系统的能量离开系统的能量 = 系统储存能量的变化,U,开口系统示意图,焓的定义式：,比焓是状态参数；对于流动工

8、质，比焓表示每千克工质沿流动方向向前传递的总能量中取决于热力状态的部分。,热交换器 动力机械 绝热节流,问题3：工质（Working Fluid）,热机的工质通常采用气态物质：水、气体或蒸气（汽）。,理想气体在自然界并不存在，但常温下，压力不超过5 MPa，的O2、N2、H2、CO等实际气体及其混合物都可以近似为理想气体。另外，大气或燃气中少量的分压力很低的水蒸气也可作为理想气体处理。,理想气体状态方程式,比热容c 热力学能 u 焓h 熵s,混合气体与道尔顿分压力定律,理想气体的基本热力过程,定容过程 定压过程 定温过程 定熵过程 多变过程,定容过程,定压过程,定温过程,定熵过程,各种热力过程

9、的计算公式,蒸气,由液体汽化而产生的。汽化两种方法：蒸发和沸腾,饱和状态 饱和压力 饱和压力,水蒸气：ps0.101325 MPa，ts=100 C,p,tts,v0,p,ts,v,p,tts,v,汽化潜热r 湿饱和蒸气（湿蒸气）的干度x,水蒸气的状态参数 一般情况下，水蒸气的性质与理想气体差别很大 ,为了便于工程计算，将不同温度和不压力下的未饱和水、饱和水、干饱和蒸汽和过热蒸汽的状态参数列成表或绘成线算图。,水蒸气的焓熵图,水蒸气的基本热力过程,定压,定熵,问题4：热力循环（Thermodynamic cycle）,热力学第二定律揭示了热力过程发生的方向、条件和限度。,自发过程：不需要任何外

10、界作用而自动进行的过程。 自发过程是不可逆的,热力学第二定律有多种表述方式，并且彼此是等效的。,克劳修斯表述：不可能将热从低温物体传至高温物体而不引起其它变化。,开尔文普朗克表述：不可能从单一热源取热，并使之完全转变为功而不产生其它影响。,热力循环：工质经过一系列的状态变化，重新回复到原来状态的全部过程。 可逆循环：全部由可逆过程组成的循环 不可逆循环：循环中有部分过程或全部过程是不可逆过程的循环。,正向循环：将热能转变为机械能的循环，也称为动力循环或热机循环。 逆向循环：消耗功将热量从低温热源转移到高温热源的循环，如制冷装置循环或热泵循环。,正向循环示意图,循环热效率,逆向循环,制冷系数,供

11、热系数,是法国工程师卡诺（S. Carnot）于1824年提出的一种理想热机工作循环，它由两个可逆定温过程和两个可逆绝热过程组成。,卡诺循环,卡诺循环热效率,卡诺制冷循环：,制冷系数,供热系数,卡诺定理：在相同的高温热源和低温热源间工作的一切可逆热机具有相同的热效率，与工质的性质无关。 卡诺定理：在相同高温热源和低温热源间工作的任何不可逆热机的热效率都小于可逆热机的热效率。,蒸汽动力装置循环,热能动力装置：将热能转换为机械能的设备，也称为热力发动机，简称热机。,研究热机循环的目的：分析其热能利用的经济性（即热效率）、影响热效率的因素、寻找提高热效率的途径。,朗肯循环：是一个简化的理想蒸汽动力循

12、环，由4个理想化的可逆过程组成：绝热压缩过程，定压加热过程，绝热膨胀过程，定压放热过程,热电联供：,背压式汽轮机热电联供循环,抽汽式汽轮机热电联供循环,问题：基本传热方式,热量传递 三种基本方式:,热传导：在物体内部或相互接触的物体表面之间，由于分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递现象。 导热现象发生在固体内部，也可发生在静止的液体和气体之中。,大平壁的一维稳态导热,材料的热导率（导热系数）表明材料的导热能力，W/(mK)。,国家标准规定，温度低于350时热导率小于0.12 W/(mK)的材料称为保温材料。,热对流：由于流体的宏观运动使不同温度的流体相对位移而产生的热量传递现

13、象。,热对流只发生在流体之中，并伴随有微观粒子热运动而产生的导热。,对流换热:流体与相互接触的固体表面之间的热量传递现象，是导热和热对流两种基本传热方式共同作用的结果。,牛顿冷却公式:,h 称为对流换热的表面传热系数（习惯称为对流换热系数） 单位为W/(m2K),表面传热系数的影响因素：,h 的大小反映对流换热的强弱，与以下因素有关：,（1）流体的物性（热导率、粘度、密度、比热容等）； （2）流体流动的形态（层流、紊流）； （3）流动的成因（自然对流或受迫对流）； （4）物体表面的形状、尺寸； （5）换热时流体有无相变（沸腾或凝结）。,一些表面传热系数的数值范围：,热辐射,电磁波的波谱：,热辐射：由于物体内部微观粒子的热运动而使物体向外发射辐射能的现象。,热辐射的波长主要在0.1m至100m之间,包括部分紫外线、可见光和部分红外线三个波段 。,热辐射的主要特点：,（1）所有温度大于0 K的物体都具有发射热辐射的能力，温度愈高，发射热辐射的能力愈强。,（2）热辐射不依靠中间媒介，可以在真空中传播；,（3）物体间以热辐射的方式进行的热量传递是双向的。,辐射换热：,以热辐射的方式进行的热量交换。,辐射换热的主要影响因素： （1）物体本身的