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1、热工基础,主要内容,湿空气的状态参数 焓湿图 传热计算,1 湿空气的构成,组成：,空气的组成,物理模型： 干空气：理想气体 水蒸气：近视作为理想气体,环境大气中水蒸气的分压力只有0.0030.004MPa,湿空气的压力,压力：符合道尔顿分压定律 大气压力干空气的压力与水蒸气压力之和,湿空气与一般理想混合气体的最大区别是水蒸气的成分可能变化。,饱和空气和未饱和空气,在不同的温度和压力下水蒸气有过热与饱和之分， 由于湿空气中的水蒸气的含量不同（表现为分压力的高低）以及温度不同，或者处于过热状态，或者处于饱和状态，因而湿空气有未饱和与饱和之分,饱和空气,在一定温度和压力下，当湿空气中的水蒸气达到饱和
2、时，即在该温度和压力下湿空气已经不能再容纳过多的水蒸气，称此时的湿空气为饱和湿空气。,pv ps(T),T,s,ps,温度一定，不能再加入水蒸气,未饱和空气,由干空气和过热水蒸气组成的就是未饱和湿空气。,pv ps(T),从未饱和到饱和的途径,T,s,pv,ps,a,b,d,c,e,结露,Td 露点温度,定义：空气在水汽含量和气压都不改变的条件下，冷却到饱和时的温度。 形象地说，就是空气中的水蒸气变为露珠时候的温度叫露点温度。,Td = Ts(pv),结露与露点,湿润的夏天水管上常出现水珠?,冷水管t=20oC,T,s,d,td=28.98oC,干燥的冬天pv小，,td 0.0 oC,结霜 f
3、rost,结雾？fog,湿空气的参数,分子量 气体常数,湿空气的参数,湿空气的密度 等于干空气密度与水蒸气密度之和,湿空气的参数,绝对湿度水蒸气的密度 饱和绝对湿度：湿空气达到饱和时绝对湿度达到最大值 相对湿度：湿空气的绝对湿度与同温度下湿空气的绝对饱和湿度的比值,单位体积湿空气中含有的水汽质量, 1 饱和湿空气,在相同的温度下：,相对湿度, 0 干空气,0 1 未饱和湿空气,表明湿空气与同温下饱和湿空气的偏离程度,反映所含水蒸气的饱和程度,湿空气的参数,湿空气的含湿量 （比湿度）d ：每公斤干空气中水蒸气的含量,湿空气的参数,比体积：每kg干空气中湿空气的比体积,湿空气的参数,湿空气焓:以单
4、位质量干空气为基准，理想混合气体 h=ha+0.001dhv,工程上，取0oC时,干空气的焓,水蒸气的焓,温度t下,饱和水的焓hv=0,绝热饱和确定湿空气的d1和1,热力学湿球温度,tw,P,t1,d1,i1,P,t2,d2,i2,模型特点： 1 定压，绝热 2 接触时间无限长,参数不变,time,tw,t2,参数的变化,t2=tw; 100,1,2,绝热饱和确定湿空气的d1和1,由物质平衡和能量平衡：,只要测出进出口空气的温度和压力,干球温度和湿球温度,湿空气的相对湿度和含湿量d的简便测量通常采用干湿球温度计测定。 干球温度计(即普通温度计)测出的是湿空气的真实温度t。另一支温度计的感温球上
5、包裹有浸在水中的湿纱布，称为湿球温度计,tw绝热饱和温度T2,1.湿球表面与周围 空气的温差传热 2.水蒸发所需的 汽化潜热,Ta,da,pg,Ts,ds,pq,ta,浸水纱布,dq1,dq2,湿球表面与周围空气的换热状况,干球温度,湿球温度与露点温度,图5-9 干湿球温度计,t = tw= td,tw,td,t,t tw td,湿球温度,湿球温度计上的湿纱布水分蒸发，达到热平衡时，水气化所需的潜热完全来自空气，最后这部分潜热又回到空气中，不考虑蒸发掉水本身的焓，对湿空气来说，认为焓不变， 所以通过湿球的湿空气加湿过程可认为是一个等焓过程,温标 摄氏温标 t 开尔文温标 T 华氏温标 t,2
6、湿空气的焓湿图,湿空气状态确定：三个独立的状态参数。 工程上，一般用焓湿图进行分析计算。 确定状态、状态变化过程。,湿空气的焓湿图,坐标系,焓 i,含湿量d,135,d,h,t,100,40,焓 h,含湿量d,1 .几种等值线的形状 h，d，t， 2. 湿空气状态点的确定 I，d，T，Pq,Pq,d,焓湿图的结构,d=0 干空气,d,h,135度,焓湿图的结构,d,h,正斜率的直线,等干球温度线,d,h,是一组向上凸的线,4.等相对湿度线,饱和线,上部未饱和线,下部无意义,干空气d=0,d,h,d,h,6、露点td,pv下饱和湿空气,td,d,h,7、湿球温度tw,绝热饱和温度,td,tw,t
7、,焓湿图的结构,d,h,不同的pb 不同的h-d图,P 坐标轴 五条线 -等湿线 等焓线 等干球温度线 等相对湿度线 水蒸汽分压线,二、焓湿图的应用,确定空气状态参数（由点确定参数）,2. 确定空气状态,已知 td and d 已知 td and ts 已知 td and tdew 注意：已知的两个状态参数必须是独立的。,3. 空气混合过程的确定,例：已知湿空气的干球温度t=30，相对湿度=0.6， 求湿空气的 含湿量d，露点td、湿球温度tas。,A,d=0.016kg/kg干气,D,C,第三节传热计算,导热 对流换热 辐射换热 传热过程,热量传递的三种基本方式,一、导热（热传导） 1 、概
8、念 定义：物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递称导热。 如：固体与固体之间及固体内部的热量传递。,必须有温差 物体直接接触 不发生宏观的相对位移 依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量,2、导热的特点,式中 是比例系数，称为热导率，又称导热系数，负号表示热量传递的方向与温度升高的方向相反。,2 ）热流量 单位时间内通过某一给定面积的热量称为热流量，记为 ，单位 w。 3 ）热流密度（面积热流量） 单位时间内通过单位面积的热量称为热流密度，记为 q ，单位 w/ 。 当物体的温度仅在 x 方向放生变化时，按傅立叶定律，热流密度的表
9、达式为:,说明：傅立叶定律又称导热基本定律，上两式是一维稳态导热时傅立叶定律的数学表达式。,导热系数：表征材料导热性能优劣的参数，是一种物性参数，单位：W/mk 。 同材料的导热系数值不同，即使同一种材料导热系数值与温度等因素有关。 金属材料最高，良导电体，也是良导热体，液体次之，气体最小。,二、对流 1 、基本概念 1) 对流：是指由于流体的宏观运动，从而使流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混所引起的热量传递过程。 对流仅发生在流体中，流体中有温差 对流的同时必伴随有导热现象。 自然界不存在单一的热对流,2) 对流换热：流体流过一个物体表面时的热量传递过程，称为对流换热。,2 、对流
10、换热的分类 1）根据对流换热时是否发生相变分：有相变的对流换热和无相变的对流换热。 沸腾换热及凝结换热：液体在热表面上沸腾及蒸汽在冷表面上凝结的对流换热，称为沸腾换热及凝结换热（相变对流沸腾）。,2）根据引起流动的原因分：自然对流和强制对流。 自然对流： 由于流体冷热各部分的密度不同而引起流体的流动。如：暖气片表面附近受热空气的向上流动。 强制对流： 流体的流动是由于水泵、风机或其他压差作用所造成的。,3、对流换热的特点 对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热；不是基本传热方式 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温差,4 、对流换热的基本
11、规律(牛顿冷却公式),流体被加热时：,流体被冷却时：,式中， 及 分别为壁面温度和流体温度，。,如果把温差（亦称温压）记为 ，并约定永远取正值，则牛顿冷却公式可表示为,其中 h 比例系数（表面传热系数） 单位:,（1-5）,（1-6）,h 的物理意义：单位温差作用下通过单位面积的热流量。 表面传热系数的大小与传热过程中的许多因素有关。 它不仅取决于物体的物性、换热表面的形状、大小相对位置，而且与流体的流速有关。,例题:一室内暖气片的散热面积为3m2，表面温度为tw 为50，和温度为20的室内空气之间自然对流换热的表面传热系数为h=4 W/(m2K)。试问该暖气片相当于多大功率的电暖器? 解：,
12、暖气片和室内空气之间是稳态的自然对流换热，,Q= Ah(tw tf) = 34(50-20)= 360W = 0.36 kW 即相当于功率为0.36kW的电暖器,三、热辐射,1、基本概念 1 ）辐射和热辐射 辐射：物体通过电磁波来传递能量的方式 热辐射：因热的原因而发出辐射能的现象 2 ）辐射换热 辐射与吸收过程的综合作用造成了以辐射方式进行的物体间的热量传递称辐射换热。,2.辐射换热的特点,不需要冷热物体的直接接触；即：不需要介质的存在，在真空中就可以传递能量,无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁波能、相互辐射能量；高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量;总的结果是
13、热由高温传到低温,自然界中的物体都在不停的向空间发出热辐射，同时又不断的吸收其他物体发出的辐射热。 说明：辐射换热是一个动态过程，当物体与周围环境温度处于热平衡时，辐射换热量为零，但辐射与吸收过程仍在不停的进行，只是辐射热与吸收热相等。,3 ）导热、对流、辐射的评述 导热、对流两种热量传递方式，只在有物质存在的条件下，才能实现，而热辐射不需中间介质，可以在真空中传递，而且在真空中辐射能的传递最有效。 在辐射换热过程中，不仅有能量的转换，而且伴随有能量形式的转化。,在辐射时，辐射体内热能 辐射能；在吸收时，辐射能 受射体内热能，因此，辐射换热过程是一种能量互变过程。 辐射换热是一种双向热流同时存
14、在的换热过程，即不仅高温物体向低温物体辐射热能，而且低温物体向高温物体辐射热能， 物体的辐射能力与其温度性质有关。这是热辐射区别于导热，对流的基本特点。,2 、热辐射的基本规律： 所谓绝对黑体：把吸收率等于 1 的物体称黑体，是一种假想的理想物体。 黑体的吸收和辐射能力在同温度的物体中是最大的 黑体在单位时间内发出的辐射热量服从于玻耳兹曼定律,其中 T 黑体的热力学温度 K ； 玻耳兹曼常数（黑体辐射常数），其值为 ； A辐射表面积 m2 。,黑体：能全部吸收投射到其表面辐射能的物体。 或称绝对黑体。（Black body）,实际物体辐射热流量根据玻耳兹曼定律求得： 其中 物体自身向外辐射的热
15、流量，而不是辐射换热量； 物体的发射率（黑度），其值总小于1，它与物体的种类及表面状态有关。,要计算辐射换热量，必须考虑投到物体上的辐射热量的吸收过程，即收支平衡量。 物体包容在一个很大的表面温度为的空腔内，物体与空腔表面间的辐射换热量,传热过程和传热系数,一、传热过程 1 、概念 热量由壁面一侧的流体通过壁面传到另一侧流体中去的过程称传热过程。,2 、传热过程的组成 一般包括串联的三个环节： 热流体 壁面高温侧； 壁面高温侧 壁面低温侧； 壁面低温侧 冷流体。 稳态过程通过串联环节的热流量相同。,3 、传热过程的计算,（a）,（b）,（c）,针对稳态的传热过程，即 Q=const 如图 1- 3 ，其传热环节有三种情况，则其热流量的表达式如下：,将式（a）、（b）、（c）改写成温差的形式：,（d）,（e）,（f）,三式相加，整理可得:,也可以表示成:,式中， 称为传热系数，单位为 。,二、传热系数 1 、概念 是指用来表征传热过程强烈程度的指标。数值上等于冷热流体间温差为 ， 传热面积 时热流量的值。 K 值越大，则传热过程越强，反之，则弱。其大小受较多的因素的影响： 参与传热过程的两种流体的种类； 传热过程是否有相变,说明：若流体与壁面间有辐射换热现象，上述计算未考虑之。要计算辐射换热，则：表面传热系数应取复合换热表面传热
