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1、第二章热工学基础2.1 2.1 工质工质的热力学状态的热力学状态2.2 2.2 水蒸气水蒸气和湿空气和湿空气2.3 2.3 传热传热的基本方式的基本方式2.4 2.4 传热传热过程与传热系数过程与传热系数 热学是采用宏观方法研究热现象的理论,其中采用观察与试验方法得到的热能性质及其他能量转换的规律称为热力学。 在建筑工程专业领域中更是不乏涉及利用传热问题,例如,建筑新墙体材料的研制及其热物理性质的测试;热源和冷源设备的选择;供热通风空调及燃气产品的开发、设计和实验研究;各种热力设备及管道的保温材料的研制,热损失的分析计算;各类换热器的设计、选择和性能评价;建筑物的节能计算等。2.1工质的热力学
2、状态工质的热力学状态 工质在热力设备中,必须经过吸热、膨胀、排热等过程才能完成将热能转化为机械能的工作,在这些过程中,工质的宏观物理状况随时在起变化。我们把工质在热力变化过程中的某一瞬间所呈现的宏观物理状况称为工质的热力学状态,简称状态。 描述工质所处状态的宏观物理量称为状态参数。状态参数一旦完全确定,工质的状态也就确定了,因而状态参数是热力系统状态的单值函数,它的值取决于给定的状态,而与如何达到这一状态的途径无关。研究热力过程时,常用的状态参数有压力p、温度T、体积V、热力学能U、焓H和熵S,其中p、T和V可直接用仪器测量,使用最多,称为基本状态参数。其余状态参数可根据基本状态参数间接算出。
3、2.1工质的热力学状态工质的热力学状态1 温度温度T 温度是宏观上反映物体的冷热程度。从微观上看,温度标志物质分子热运动的激烈程度。国际单位K。温度值的高低用温标表示。常用的温标有热力学温标T(单位K)和摄氏温标t(单位),两者之间的关系为 t=T-273.15(2-1) 测量温度的仪器称为温度计。2.1工质的热力学状态工质的热力学状态2 压力压力p 压力是指单位面积上所受的垂直作用力,即压强,单位为Pa。 1)大气压力B:地球表面单位面积上所受到的大气的压力称为大气压力。大气压力不是一个定值,随着海拔、季节和气候条件而变化。通常把0下、北纬45处海平面上作用的大气压作为一个标准大气压(atm
4、),其值为 1atm=101325Pa=1.01325bar 2)相对压力:压力计指示的压力。2.1工质的热力学状态工质的热力学状态 3)绝对压力p:工质的真实压力,是热力学状态参数。 绝对压力、相对压力和大气压之间的关系如下: 当pB时p=B+pg 当pB时 p=B-H 式中B当地大气压力,单位为Pa; pg高于当地大气压时的压力,称为表压力,单位为Pa; H低于当地大气压时的压力,称为真空度,单位为Pa。3 比体积比体积v 工质所占有的空间称为工质的容积,单位质量工质所占有的容积称为工质的比体积。如果工质的容积为V,质量为m,那么比体积v (m3/kg)为 v=V/m(2-2)2.1工质的
5、热力学状态工质的热力学状态4 热力学能热力学能(内能内能)U 热力学能是气体内部所具有的分子动能与分子位能的总和,单位为J。它包括下面各项: 1)分子直线运动的动能。 2)分子旋转运动的动能。 3)分子内部原子和电子的振动能。 4)分子位能。 5)与分子结构有关的化学能和原子核内的原子能等。 由上分析可知,热力学能是温度和比体积的函数,即 U=f(T,v)(2-3)2.1工质的热力学状态工质的热力学状态5 焓焓h 对于流动的工质,焓表示流动工质向流动前进方向传递的总能量中取决于热力状态的那部分能量。每1kg干空气的焓加上与其同时存在的dkg水蒸气的焓的总和,称为(1+d)kg湿空气的焓,其单位
6、用J/kg(干)表示。焓h(J/kg)的表达式为 h=U+pv(2-4) 对于流动工质,焓是一个状态参数;对于不流动工质,焓只是一个复合状态。6 熵熵s 熵是热力学第二定律非常重要的一个参数,1865年克劳修斯将定义为熵,单位为J/(kgK)。熵变的表达式为2.2水蒸气和湿空气水蒸气和湿空气2.2.1水蒸气 由于水蒸气容易获得,热力参数适宜且不污染环境,它是工业上广泛使用的工质。比如水蒸气作为热源加热供热网路中的循环水,空调中用水蒸气对空气进行加热或者加湿。 水蒸气是由液态水经汽化而来的一种气体,它离液态较近,性质较为复杂。2.2水蒸气和湿空气水蒸气和湿空气2.2.1水蒸气1 水的三相点水的三
7、相点 如图2-1水的p-T所示,水的三相点为Ttp,C为临界点。TtpA、TtpB、TtpC分别为气固、液固和气液相平衡曲线,即三条相平衡曲线的交点称为三相点。2.2水蒸气和湿空气水蒸气和湿空气2.2.1水蒸气2 水蒸气的计算参数水蒸气的计算参数 1)温度为0.01、压力为p的未饱和水。 2)温度为tn、压力为p的饱和水。 3)压力为p的干饱和蒸汽。 4)压力为p的湿饱和蒸汽。 5)压力为p的湿过热蒸汽。3 水蒸气表和图水蒸气表和图 水蒸气一般是在锅炉中制备的,是在定压的过程中产生的。在工程实际中,水蒸气的状态参数可根据水蒸气表和图查得。2.2水蒸气和湿空气水蒸气和湿空气2.2.1水蒸气 水蒸
8、气表一般有三种:按压力排列的饱和水与饱和水蒸气表;按温度排列的饱和水与饱和水蒸气表;按温度和压力排列的未饱和水与过热蒸汽表。 1)饱和水与饱和水蒸气表,因为在饱和线上和饱和区内压力和温度只有一个独立变量,因而可以用tn或者ps或者两者均有为独立变量列表。 2)未饱和水与过热蒸汽表,由于液体和过热蒸汽都是单相物质,需要两个独立参数才能确定。一般取p和T为独立变量。2.2水蒸气和湿空气水蒸气和湿空气2.2.2湿空气 在通风、空调和干燥工程中,为使空气达到一定的温度和湿度,以符合生产工艺和生活上的要求,就不能忽略空气中水蒸气,在这种情况下,称空气为湿空气。湿空气是一种混合气体,其总压力为大气压力,其
9、压力很低,组成湿空气的各种气体及水蒸气的分压力更低。 湿空气中水蒸气的含量比较少,但其变化却对空气环境的干燥和潮湿程度产生重要影响,而且水蒸气含量的变化也对一些工业生产的产品质量产生影响。因此,研究湿空气中水蒸气含量的调节在空气调节中占有重要地位。2.2水蒸气和湿空气水蒸气和湿空气2.2.2湿空气1 湿空气的焓湿图湿空气的焓湿图 湿空气的状态参数有很多,可以把与空气调节最密切的几个主要状态参数绘制在焓湿图(h-d图)上,如图2-2所示。2.2水蒸气和湿空气水蒸气和湿空气2.2.2湿空气2 湿空气的压力湿空气的压力 1)水蒸气分压力pq:湿空气中水蒸气单独占有湿空气的容积,并具有与湿空气相同温度
10、时所产生的压力称为湿空气中水蒸气的分压力。 水蒸气分压力的大小反映空气中水蒸气含量的多少。空气中水蒸气含量越多,水蒸气分压力就越大。 2)饱和水蒸气分压力pqb:在一定温度下,湿空气中水蒸气含量达到最大限度时称湿空气处于饱和状态,此时相应的水蒸气分压力称为饱和水蒸气分压力。 湿空气的饱和水蒸气分压力是温度的单值函数。2.2水蒸气和湿空气水蒸气和湿空气2.2.2湿空气3 含湿量含湿量d 含湿量：定义为对应于1kg干空气的湿空气中所含有的水蒸气质量。它的单位为kg/kg(干空气)。含湿量的大小随空气中水蒸气含量的多少而改变,它可以确切地反映空气中水蒸气含量的多少。4 相对湿度相对湿度 相对湿度：定
11、义为湿空气的水蒸气分压力与同温度下饱和湿空气的水蒸气分压力之比,即=pq/pqb 相对湿度反映了湿空气中水蒸气接近饱和含量的程度,反映了空气的潮湿程度。当相对湿度=0时,是干空气;当相对湿度=100%时,为饱和湿空气。2.2水蒸气和湿空气水蒸气和湿空气2.2.2湿空气5 焓焓h 每1kg干空气的焓加上与其同时存在的dkg水蒸气的焓的总和,称为(1+d)kg湿空气的焓,其单位用kJ/kg(干)表示。 在空气调节中,空气的压力变化一般很小,可近似为定压过程,因此湿空气变化时初、终状态的焓差,反映了状态变化过程中热量的变化。6 露点温度露点温度tl 在含湿量保持不变的条件下,湿空气冷却达到饱和状态时
12、所具有的温度称为该空气的露点温度,用tl表示。 当湿空气被冷却时,只要湿空气温度大于或等于其露点温度,就不会出现结露现象,因此湿空气的露点温度是判断是否结露的依据。2.2水蒸气和湿空气水蒸气和湿空气2.2.2湿空气7 湿球温度湿球温度ts 在理论上,湿球温度是在定压绝热条件下,空气与水直接接触达到稳定热湿平衡时的绝热饱和温度,即在湿空气焓保持不变的条件下,湿空气冷却达到饱和状态时所具有的温度,用ts表示。 在现实中,在温度计的感温包上包敷纱布,纱布下端浸在盛有水的容器中,在毛细现象的作用下,纱布处于湿润状态,这支温度计称为湿球温度计,所测量的温度称为空气的湿球温度。2.2水蒸气和湿空气水蒸气和
13、湿空气2.2.2湿空气 没有包纱布的温度计称为干球温度计,所测量的温度称为空气的干球温度,也就是空气的实际温度,用t表示。 湿球温度计的读数反映了湿球纱布中水的温度。对于一定状态的空气,干、湿球温度的差值实际上反映了空气相对湿度的大小。差值越大,说明该空气相对湿度越大。 相对湿度为100%时:tl=ts=t。 相对湿度小于100%时:tltstw2。单位时间内从表面1传导到表面2的热流量Q(W)与壁面两侧表面温差t=tw1-tw2和垂直于热流方向的面积A成正比,与平板的厚度成反比,即 单位时间内通过单位面积的热流量q(W/m2)为 式中,比例系数称为热导率,是表征材料导热能力的物性量,单位为W
14、/(mK);不同材料的热导率不同,金属材料的热导率最高,是良导电体,也是良导热体,液体次之,气体最小;q 又称为热流密度。2.3传热的基本方式传热的基本方式2.3.1热传导2.3传热的基本方式传热的基本方式2.3.2热对流 热对流：指由于流体的宏观运动,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。 热对流仅发生在流体中。由于流体微团的宏观运动不是孤立的,与周围流体微团也存在相互碰撞和相互作用,因此,对流过程必然伴随有导热现象。流体既充当载体,又充当导热体。 对流换热：指流体与固体壁面之间有相对运动,且两者之间存在温度差时所发生的热量传递现象。对流换热概念在本质上有别于热对
15、流,在实际工程应用中,普遍关心的问题是流体与固体壁面之间的热量传递。2.3传热的基本方式传热的基本方式2.3.2热对流 当流体流过某一截面时,流体的温度按一定的规律变化着。 除了流体各部分之间产生冷热流体相互掺混所引起的热量传递过程之外,相邻流体接触时也发生导热行为,因此对流换热是对流与导热共同作用的热量传递过程。对流换热的基本定律是英国科学家牛顿于1701年提出的牛顿冷却定律,其方程式为 Q=TA(2-8) 或q=T(2-9) 式中Q对流换热量,单位为W; A与流体接触的壁面换热面积,单位为m2 ; T流体与壁面之间的温差,单位为K或; 表面传热系数或放热系数,单位为W/(m2K)。 表示在
16、单位时间内,当流体与壁面温差为1K时,流体通过壁面单位面积所交换的热量。其大小表征对流换热的强烈。2.3传热的基本方式传热的基本方式2.3.2热对流 对于表面传热系时或放热系数的物理意义,一般来说,可认为是系统的几何形状、流体的物性和流体流动的状况(如层流、湍流及层流边界层等)以及温差T的函数,近似计算时,可参照表2-1选取。2.3传热的基本方式传热的基本方式2.3.3热辐射 热辐射是另一种热传递方式。 物体以电磁波方式向外传递能量的过程称为辐射,被传递的能量称为辐射能。但是,通常也把辐射这个术语用来表明辐射能本身。物体可因多种不同的原因产生电磁波从而发出辐射能。无线电台利用强大的高频电流通过
17、天线向空间发出无线电波,就是辐射过程的例子。无线电波是电磁波的一种,此外,尚有由于其他种种原因而产生的宇宙射线、 射线、X射线、紫外线、可见光和红外线等电磁波。从热传递的角度出发,并不需要涉及全部的电磁波类型,而只研究起因于热的原因的电磁波辐射。这种由于热的原因而发生的辐射称为热辐射。热辐射的电磁波是由物体内部微观粒子在运动状态改变时所激发出来的。2.3传热的基本方式传热的基本方式2.3.3热辐射 在热辐射过程中,物体把它的热能不断地转换成辐射能。只要设法维持物体的温度不变,其发射辐射能的数量也不变。当物体的温度升高或降低时,辐射能也相应增加或减少。此外,任何物体在向外发出辐射能的同时,还在不
18、断地吸收周围其他物体发出的辐射能,并把吸收的辐射能重新转换成热能。所谓辐射换热指物体之间的相互辐射和吸收过程的总效果。例如,在两个温度不等的物体之间进行的辐射换热,温度较高的物体辐射多于吸收,而温度较低的物体则辐射少于吸收,因此辐射换热的结果是高温物体向低温物体转移了热量。若两个换热物体温度相等,此时它们辐射和吸收的能量恰好相等,因此,物体间辐射换热量等于零。值得注意的是,此时物体间的辐射和物体间吸收过程仍在进行,这种情况称为热动平衡。2.3传热的基本方式传热的基本方式2.3.3热辐射 物体表面每单位时间、单位面积对外辐射的热量称为辐射力,用E表示,单位W/m2,其大小与物体表面性质及温度有关
19、。对于绝对黑体,它的辐射力Eb与表面热力学温度的四次方成正比,即斯蒂芬-玻耳兹曼定律。 Eb=Cb(T/1000)4(2-10) 式中Eb绝对黑体辐射力,单位为W/m2; Cb绝对黑体辐射系数,Cb=5.67W/(m2K); T热力学温度,单位为K。 一切实际物体的辐射力E都低于同温度下绝对黑体的辐射力,有 Eb=bCb(T/1000)4 式中实际物体表面的发射率,也叫黑度,其值为01。2.4传热过程与传热系数传热过程与传热系数2.4.1传热过程 工业生产中所遇到的许多实际热交换过程常常是热介质将热量传给换热面,然后由换热面再传给冷介质,这种热量由热流体通过间壁传给冷流体的过程称为传热过程。
20、例如,有一墙壁如图2-4所示,其壁厚为,面积为A,在壁面温度为tw1的一侧有温度为t1的热流体,其与壁表面之间的表面传热系数为1。在壁面温度tw2的一侧有温度为t2的冷流体,其与壁面之间的表面传热系数为2,在稳态传热过程中,上述各温度将不随时间而变化,2.4传热过程与传热系数传热过程与传热系数2.4.1传热过程则墙一侧表面的对流换热、墙壁的导热量以及墙另一侧表面的对流换热量三者应相等,依据式(2-6)、式(2-8)和式(2-9)可列出以下三个等式 q=1(t1-tw1)(2-11) q=(tw1-tw2)(2-12) q=2(tw2-t2)(2-13) 三式相加可得 式中2.4传热过程与传热系数传热过程与传热系数2.4.2传热系数 传热系数的意义是当壁面两侧流体的温差为1K时,单位时间内通过每平方米的壁面所传递的热量。K值越大,传热量越多。因此,对于上述情况K值表示了热流体的热量通过墙壁传递给冷流体的能力。各种不同情况下传热系数计算式不一样,式(2-16)是平面壁单位面积的传热系数K值的计算公式。 对于多层壁 对圆管等其他情况的传热系数计算公式,可参阅有关传热学的书籍。思考题思考题 1 工质的热力状态由哪些参数确定? 2 什么是导热、热对流、热辐射现象? 3 简述实际工程中的热传递现象,并举例说明。本章完本章完 谢谢！
