热工基础综合

WHENYOUNEEDTOBESURE目录•1、热力学基础•2、流体力学基础•3、传热学基础•4、热工测量技术WHENYOUNEEDTOBESURE一、热力学基础1、热力系统人为分割出来作为热力学分析对象的有限物质系统如图：用界面分离出的研究对象。外界：系统以外的所有物质边界（界面）：系统与外界的分界面系统与外界的作用都通过边界进口出口WHENYOUNEEDTOBESUREpVW示功图pdVW⑴功（过程量）系统对外做功，w0;外界对系统做功，w0。2、功和热量WHENYOUNEEDTOBESURE⑵热量（过程量）热量是热力系与外界相互作用的另一种方式，在温度的推动下，以微观无序运动方式传递的能量。系统从外界吸热，Q0;系统向外界放热，Q0。TSQ温熵(示热)图TdsqWHENYOUNEEDTOBESURE3、热力学第一定律⑴热力学第一定律实质：一切物质都具有能量。能量既不可能创造，也不能消灭，它只能在一定的条件下从一种形式转变为另一种形式。而在转换中，能量的总量恒定不变。⑵热力学第一定律可表述为：①热可以变为功，功也可以变为热，在相互转变时能的总量是不变的。②热是能的一种，机械能变热能，或热能变机械能，它们的总量是一定的。⑶根据热力学第一定律，为了获得机械能，则必须花费热能或其他形式能量，第一类永动机是不可能实现的。WHENYOUNEEDTOBESURE4、理想气体理想气体：是一种假想的气体模型，气体分子是一些弹性的、不占体积的质点，分子之间没有相互作用力，认为分子之间只存在弹性碰撞。理想气体是一种假想的气体必须符合两条假定：①气体分子本身不占有容积；②气体分子间没有相互作用力。现实中没有理想气体WHENYOUNEEDTOBESURE比定压热容与比定容热容的关系气体在定压下受热时，由于温度升高的同时，还要克服外力膨胀做功；定容过程中，并不膨胀对外做功，故同样升高1K，定压时比定容下受热需要更多的热量，也就意味着定压比热比定容比热大。结论：理论和实践证明定压比热定容比热两者关系cp－cv＝R（迈耶公式）比热容比，结合上式有ccvpRcgv11RcgP1WHENYOUNEEDTOBESURE⑴、定容过程等容过程：是工质在变化过程中容积保持不变的热力过程。1.建立过程方程式：v=常数（定值）2.基本状态参数间的关系式：按理想气体状态方程式pv＝RT，可得定容过程中系统的压力和温度成正比，即21vv及1212TTpp5、理想气体的热力过程WHENYOUNEEDTOBESURE定容过程的过程曲线pvTs12122'2'0q0q定容过程的p-v图定容过程的T-s图WHENYOUNEEDTOBESURE⑵、定压过程等压过程：定压过程是工质在变化过程中压力保持不变的热力过程。1.建立过程方程式：p=常数（定值）2.基本状态参数间的关系式：按理想气体状态方程式pv＝RT，可得定压过程中系统的比容和温度成正比，即1212TTvvWHENYOUNEEDTOBESUREpvTs1212v2'2'0q0q0w0w定压过程的p-v图定压过程的T-图WHENYOUNEEDTOBESURE⑶、定温过程等温过程：是工质在变化过程中温度保持不变的热力过程1.建立过程方程式：T=常数（定值）即pv＝定值2.基本状态参数间的关系式：按理想气体状态方程式pv＝RT，可得定温过程中系统的压力和比容成反比，即2211vpvp2112pvpv或WHENYOUNEEDTOBESUREpvTs12120q0q2'2'0w0w定温过程的p-v图定温过程的T-s图WHENYOUNEEDTOBESURE⑷、绝热过程（定熵过程）绝热过程：是系统与外界没有热交换的情况下发生的热力过程。1.建立过程方程式：0dTqs常数kpv为比热容比或绝热指数，vpcck单原子气体k=1.66双原子气体k=1.4多原子气体k=1.29WHENYOUNEEDTOBESUREpvTs1212T2'2'0w0w绝热过程的p-v图绝热过程的T-s图WHENYOUNEEDTOBESURE⑸、多变过程以上四种基本热力过程中均为某一状态参数保持不变的过程。在工程中常常有一些过程，其状态参数均在变化，且与外界有热量、功量交换。多变过程：凡工质按定值而变化的过程称为多变过程。其中：n为多变指数，在0～±∞之间变化，每个n值代表一个多变过程。常数npvWHENYOUNEEDTOBESUREpvTsn=0n=0n=1n=1n=＋∞n=—∞n=—∞多变过程在坐标图上的表示与分析WHENYOUNEEDTOBESURE热力学第一定律的实质是能量守恒，它揭示了热力过程中参与转换与传递的各种能量在数量上是守恒的。它指出一切过程都必须满足能量守恒原则，但是它没有说明，满足能量守恒原则的一切过程是否都能实现。热力学第二定律的两种描述方式：⑴克劳休斯说法：热不可能自发地、不付任何代价地从低温传递到高温物体。⑵开尔文说法：不可能从单一热源吸热，使之全部转化为功而不留下任何变化。6、热力学第二定律及其表述WHENYOUNEEDTOBESURE⑴卡诺循环是由两个可逆定温过程和两个可逆绝热过程组成的理想循环。卡诺循环与卡诺定理卡诺循环示意图WHENYOUNEEDTOBESURE⑵卡诺定理•定理1：在相同温度的高温热源和相同温度的低温热源之间工作的可逆循环热效率都相等，与工质和循环本身无关。•定理2：在温度相同的高温热源和低温热源之间工作的可逆热机的热效率大于不可逆热机的热效率WHENYOUNEEDTOBESURE•1流体静力学流体静压强有两个重要的特性：(1)流体静压强的方向必然是垂直指向受压面的，即与受压面的内法线方向一致。(2)在静止或相对静止的流体中，任一点各方向的流体静压强大小均等。即静止流体中任一点的流体静压强与作用面在空间的方位无关。二、流体力学基础WHENYOUNEEDTOBESURE•流体静力学基本方程式此式适用于平衡状态下的不可压均质流体。方程式中，从物理的角度来说，Z项是单位重量液体质点相对于基准面的位置势能，项是单位重量液体质点的压力势能，项是单位重量液体的总势能，表明在静止液体中，各液体质点单位重量的总势能均相等。常数）(Cgpz常数）(Cgpzgpgpz常数）(CgpzWHENYOUNEEDTOBESURE2、流体动力学⑴连续性方程当流体不可压缩时密度为常数，，有⑵定常流动的动量方程⑶恒定流能量方程式222111uAuA212211AuAu)(12iiviqFCgugpz22（常数）WHENYOUNEEDTOBESURE•3、简单管道流动的计算串联和并联管道：在串联管道中各管段的流量相同，管道损失等于各管段损失之和。在并联管道中总管的流量等于分管流量之和，总损失等于分管道的损失。hhhwnww.......1hhhwnww.......1Q1H2Q3Qds1122ds33dsabh123abWHENYOUNEEDTOBESURE•4.气体流动基础⑴喷管亚声速时，增大流速应有：，采用渐缩喷管。超声速时，增大流速应有：，采用渐缩喷管。流速从亚声速变化到超声速，增大流速应采用缩扩管（拉法尔喷管），截面处达到声速。ffcdcMaAdA)1(21Ma1Ma0,0dpdA0,0dpdAWHENYOUNEEDTOBESURE⑵扩压管亚声速时，减小流速应有：，采用渐扩管。超声速时，减小流速应有：，采用渐缩管。流速从超声速降至亚声速，减小流速应采用缩扩管（拉法尔喷管），截面处达到声速。1Ma1Ma0,0dpdA0,0dpdAWHENYOUNEEDTOBESURE5、泵与风机•1.根据泵与风机的工作原理，通常可将其分为：叶片式、容积式和其它类型等。•2.几种主要泵与风机的工作原理及特点⑴叶片式泵与风机①离心泵与风机：离心泵主要部件有叶轮、吸入室、压力室、密封装置等；离心风机主要部件有叶轮、蜗壳、集流器、进气箱。工作原理：利用旋转叶轮产生离心力，借离心力的作用，输送流体并提高其压力特点：性能范围广、效率高、体积小、重量经，能与高速原动机直联。WHENYOUNEEDTOBESURE②轴流式泵与风机：主要部件有叶轮、导叶、吸入室、扩压筒等。工作原理：利用旋转叶轮、叶片对流体作用的升力来输送流体并提高其压力。特点：流量大、压力小，一般用于大流量低扬程的场合。③斜流式泵：工作原理：部分利用了离心力，部分利用了升力，在两种力的共同作用下，输送流体，并提高其压力。WHENYOUNEEDTOBESURE•⑵容积式泵与风机①往复式泵与风机工作原理：利用工作容积周期性的改变来输送流体，并提高压力。特点：产生压力较高，流量小而不均匀，不利于高速原动机直联，调节复杂。适用于压力高、量小的场合。②回转式泵与风机工作原理：利用一对或几个特殊形状的回转体（齿轮、螺杆），在壳体内作旋转运动来输送流体并提高压力。WHENYOUNEEDTOBESURE3.泵与风机的主要性能参数•（1）流量：是指泵与风机在单位时间内所输送的流体量，它可以用体积流量qv或质量流量qm表示。单位为m3／s和Kg/s。•（2）扬程（全压或压头）：单位重量流体通过泵与风机后获得的能量增量。对于水泵，此能量增量叫做扬程，以符号H表示，单位是m；对于风机，此能量增量叫做全压或压头，以符号P表示，单位是Pa。•（3）功率：功率主要有有效功率、轴功率和原动机功率。有效功率：是指在单位时间内通过泵与风机的全部流体获得的总能量。这部分功率完全传递给通过泵与风机的流体，以符号Pe表示，它等于流量和扬程（全压）的乘积，常用的单位是kW，可按下式计算：HgqPveWHENYOUNEEDTOBESURE轴功率：是指原动机加在泵或风机转轴上的功率，以符号P表示，常用的单位是kW，计算如下：泵或风机不可能将原动机输入的功率完全传递给流体，还有一部分功率被损耗掉了，即P与Pe的差值。效率：反映了泵或风机将轴功率P转化为有效功率Pe的程度，有效功率Pe与轴功率P的比值称为效率η。HgqpPveppeWHENYOUNEEDTOBESURE•（4）转速：是指泵与风机叶轮每分钟旋转的圈数，用符号n表示，单位是r/min(rpm)。•（5）允许吸上真空高度Hs及汽蚀余允许吸上真空高度是指水泵在标准状况下(即水温为20℃、水泵工作环境压力为一个标准大气压101.325KPa)运转时，水泵吸入口处(一般指真空表连接处)所允许的最大吸上真空高度。单位为m水柱。汽蚀余量是指水泵吸入口处单位重量液体必须具有的超过饱和蒸汽压力的富余能量，也称为必须的净正吸入水头。汽蚀余量一般用来反映泵的吸水性能，其单位仍为m水柱。hWHENYOUNEEDTOBESURE•4.管路性能曲线及工作点泵或风机与管路系统的合理匹配是保证管网正常运行的前提。当泵或风机接入管路系统，并作为动力源工作时,泵或风机所提供的扬程或风压总是与管路系统所需的扬程或风压相一致,这时泵或风机的流量就是管路的流量。图泵或风机的工作点曲线1——泵或风机的性能曲线曲线2——管路特性曲线WHENYOUNEEDTOBESURE•并联工作的特点是各台设备扬程相同，而总流量等于各台设备流量之和。见图中（a）和（b）分别是两台泵和两台风机并联工作示意图。图并联工作（a）两台泵并联；（b）两台风机并联5.泵与风机的联合运行WHENYOUNEEDTOBESURE•并联工作一般应用于以下场合：①用户需要的流量大，而大流量的泵或风机制造困难或造价太高；②用户对流量的需求变化幅度较大，通过改变设备运行台数来调节流量更经济合理；③用户有可靠性要求，当一台设备出现事故时仍要保证供气或供水，作为检修和事故备用。WHENYOUNEEDTOBESURE•多台相同型号泵或风机并联工作多台相同型号泵或风机并联工作时，工况分析如图所示。Ⅰ是单机的性能曲线，Ⅱ是两台设备并联时的性能曲线，Ⅲ是三台设备并联时的性能曲线，