热工基础与炉窑分析(北京科技大学)全套课件
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热工基础PPT课件
第四节 流体静力学基本方程及其应用
一、静力学基本方程
1.方程式的推导 • 建模：一盛有静止液体的容器
• 受力分析 液柱所受的质量力只有重力
G= -mg=-hAg
表面力： 液柱上表面：-p0A 液柱下表面：pA
热工基础 高职高专 ppt 高等职业教育 课件
根据受力平衡有：
p Ap0AghA 0
化简得：
•计示压强会随大气压的变化而改变
• 绝对压强和计示压强的关系
热工基础 高职高专 ppt 高等职业教育 课件
绝对压强和相对压强的应用
属于流体的物性和状态的有关公式、计 算、资料数据等多采用绝对压强，例如 理想气体状态方程，饱和蒸汽压，汽轮 机主汽门前的蒸汽参数，凝汽器或除氧 器参数等的压强值。
属于流体工程的强度、测试等有关压强 值多采用计示压强。例如计算受压容器 强度，管道附件公称压力，高压加热器 水侧压力，汽轮机调节和润滑油压，泵 与风机进出口压强等。
一部分是自由液面上的压强p0；另一部分是该点到
自由液面的单位面积上的液柱重量ρgh。当p0有变
化时，液体内部各点的压强也发生同样大小的变化， 这就是著名的帕斯卡原理，该原理在水压机、液压 传动等水利机械中得到广泛应用。
➢ 在重力作用下的静止液体中，静压强随深度按线性 规律变化，即随深度的增加，压强值成正比增大。
• 互不掺混的两种液体的分界面，如水和水
银等。
气 水
液
水银
热工基础 高职高专 ppt 高等职业教育 课件
例2-1 判断连通器中的等压面
油 水
Ⅲ
Ⅲ
9 10 11
Ⅱ5
Ⅱ
6
7
8
Ⅰ 1
Ⅰ
2
3
一、静力学基本方程
1.方程式的推导 • 建模：一盛有静止液体的容器
• 受力分析 液柱所受的质量力只有重力
G= -mg=-hAg
表面力： 液柱上表面：-p0A 液柱下表面：pA
热工基础 高职高专 ppt 高等职业教育 课件
根据受力平衡有：
p Ap0AghA 0
化简得：
•计示压强会随大气压的变化而改变
• 绝对压强和计示压强的关系
热工基础 高职高专 ppt 高等职业教育 课件
绝对压强和相对压强的应用
属于流体的物性和状态的有关公式、计 算、资料数据等多采用绝对压强，例如 理想气体状态方程，饱和蒸汽压，汽轮 机主汽门前的蒸汽参数，凝汽器或除氧 器参数等的压强值。
属于流体工程的强度、测试等有关压强 值多采用计示压强。例如计算受压容器 强度，管道附件公称压力，高压加热器 水侧压力，汽轮机调节和润滑油压，泵 与风机进出口压强等。
一部分是自由液面上的压强p0；另一部分是该点到
自由液面的单位面积上的液柱重量ρgh。当p0有变
化时，液体内部各点的压强也发生同样大小的变化， 这就是著名的帕斯卡原理，该原理在水压机、液压 传动等水利机械中得到广泛应用。
➢ 在重力作用下的静止液体中，静压强随深度按线性 规律变化，即随深度的增加，压强值成正比增大。
• 互不掺混的两种液体的分界面，如水和水
银等。
气 水
液
水银
热工基础 高职高专 ppt 高等职业教育 课件
例2-1 判断连通器中的等压面
油 水
Ⅲ
Ⅲ
9 10 11
Ⅱ5
Ⅱ
6
7
8
Ⅰ 1
Ⅰ
2
3
热工基础与应用PPT课件
SUN
缺氧
O3
雾Smog
第9页/共39页
第二节 热能的合理 利用
第10页/共39页
能源转换利用的关系
生物质
风 能
水 能
化 学 能
燃
料 电 池
风 车
水 轮 机
水 车
燃 烧
核 能
聚裂 变变
热
地太
热
阳
一次能源
能 能 (天然存在)
利 用
光转 热换
光 电
转
能 90%
换
机 械 能 热机
发电 电动 机机
直接利用
• 通过大量的实验和观察总结出基本规律，再以基本规律为依据，经过严密的 逻辑推导，导出描述物质性质的宏观物理量之间的普遍关系及其他一些重要 推论。
• 由于热力学基本定律是无数经验的总结，因而具有高度的可靠性和普遍性。 • 但是，宏观研究不涉及物质的微观结构，因此不能解释热现象的本质。
第32页/共39页
• 热能与机械能转换的基本原理与规律——热力学第一定律和热力学第二定 律。
• 工质的基本性质 • 热力过程与热力循环
第31页/共39页
• 工程热力学的主要研究方法是宏观方法。 • 特点：
• 不考虑物质的微观结构，把物质视为一个宏观的连续的整体，并且用宏观物 理量（如：压力、温度、体积、质量）对其状态进行描述。
第一节 自然界的能 源
及其利用
第1页/共39页
能源的概念与分类
• 能源 (Energy Sources) • 提供能量（Energy）和动力（power）的物质资源。
• 分类： • 来源 • 形态：一次能源、二次能源 • 使用程度和技术 • 污染程度 • 性质：含能体能源、过程性能源
热工基础课件及答案讲解(PPT文档)
问题: 能量是否还有其它的传递方式?
33
观察下面的过程,看热能是如何转换为功的
气缸
活塞
飞轮
热 源
工质、机器和热源组成的系统
假设过程是可逆的。 问题：过程可逆的条件是什么？
34
气缸
可逆过程模拟
活塞
飞轮
热 源
左止点
p
1
v
35
气缸
活塞
续4飞1 轮
热 源
左止点
p
1
2
v
36
气缸
热 源
左止点
p
1
续4飞1 轮
第二章 热力学第一定律
教学目标：使学生深入理解并熟练掌握热力学第一定律 的内容和实质，能将工程实际问题建立热力学模型。 知识点：理解和掌握热力学第一定律基本表达式——基 本能量方程；理解和掌握闭口系、开口系和稳定流动能 量方程及其常用的简化形式；掌握能量方程的内在联系 与共性，热变功的实质。 能力点：培养学生正确、灵活运用基本能量方程，对工 程实际中的有关问题进行简化和建立模型的能力。培养 学生结合系统的特点推导出闭口系、开口系及稳定流动 过程能量方程的逻辑思维能力和演绎思维能力。 1
?进入系统的能量qdvpde???2??111cvdeiwdvpde?22?离开系统的能量?控制容积系统储存能量的增加量57cvidewdvpdeqdvpde??????222111??icvwdvpdedvpdedeq????????111222进入系统的能量离开系统的能量系统储存能量的增加量pvuhgzcuemvvmeef???????212?58iffcvwmgzchmgzchdeq????????????????????????????112112222222此式为开口系能量方程的一般表达式????????????????2f2f?进出系统的工质有若干股则方程为
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观察下面的过程,看热能是如何转换为功的
气缸
活塞
飞轮
热 源
工质、机器和热源组成的系统
假设过程是可逆的。 问题：过程可逆的条件是什么？
34
气缸
可逆过程模拟
活塞
飞轮
热 源
左止点
p
1
v
35
气缸
活塞
续4飞1 轮
热 源
左止点
p
1
2
v
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气缸
热 源
左止点
p
1
续4飞1 轮
第二章 热力学第一定律
教学目标：使学生深入理解并熟练掌握热力学第一定律 的内容和实质，能将工程实际问题建立热力学模型。 知识点：理解和掌握热力学第一定律基本表达式——基 本能量方程；理解和掌握闭口系、开口系和稳定流动能 量方程及其常用的简化形式；掌握能量方程的内在联系 与共性，热变功的实质。 能力点：培养学生正确、灵活运用基本能量方程，对工 程实际中的有关问题进行简化和建立模型的能力。培养 学生结合系统的特点推导出闭口系、开口系及稳定流动 过程能量方程的逻辑思维能力和演绎思维能力。 1
?进入系统的能量qdvpde???2??111cvdeiwdvpde?22?离开系统的能量?控制容积系统储存能量的增加量57cvidewdvpdeqdvpde??????222111??icvwdvpdedvpdedeq????????111222进入系统的能量离开系统的能量系统储存能量的增加量pvuhgzcuemvvmeef???????212?58iffcvwmgzchmgzchdeq????????????????????????????112112222222此式为开口系能量方程的一般表达式????????????????2f2f?进出系统的工质有若干股则方程为
热工基础与窑炉分析
图1.6 动压头之间的转换
例4 如图1.7所示倒焰窑，高3.2m，窑内烟气温度为1200℃，烟气标态 密度ρf,0=1.3kg/m3，外界空气温度20℃，空气标态密度ρa,0=1.293kg/m3， 当窑底平面的静压头为0Pa，-17Pa，-30Pa时，不计流体阻力损失，求 三种情况下，窑顶以下空间静压头，几何压头分布状况。
图1.7
解：根据题意分析，由于窑炉空间气体流速不大，可近似采用 两气体静力学方程式进行计算。选择截面如图，基准面选择在 窑顶II－II截面上。 列出静力学方程式
hs1 +hg1 = hs2 +hg2 由于基准面取在截面II上，hg2= 0 代入具体公式进行计算：
hg1 = Hg(ρa-ρf) ρa = ρa,0·T0/T = 1.293×273/293 = 1.20kg/m3 ρf = ρf,0·T0/T = 1.30×273/1473 = 0.24kg/m3 hg1 = 3.2×9.81×(1.20-0.24 )= 30Pa
图1.5 热气体在垂直管道中运动时压头间的相互转换 a.由上向下运动；b.由下向上运动
＊当热气体由上向下运动时气体在管道内由II－II截面I－I截面流动的 柏努利方程式
hs2 + hg2 + hk2 = hs1 + hg1 + hk1 + hl2-1 管道截面未发生变化 hk2 = hk1 又基准面取在II－II截面上，hg2=0。 ∴ hs2 = hs1 + hg1 + hl1-2
图1.7b所示。其能量总和为：hs+hg=c2 =13Pa 在第三种情况下，窑炉空间的静压头、几何压头分布如
图1.7c所示。其能量总和为：hs+hg=c3 =0
例4 如图1.7所示倒焰窑，高3.2m，窑内烟气温度为1200℃，烟气标态 密度ρf,0=1.3kg/m3，外界空气温度20℃，空气标态密度ρa,0=1.293kg/m3， 当窑底平面的静压头为0Pa，-17Pa，-30Pa时，不计流体阻力损失，求 三种情况下，窑顶以下空间静压头，几何压头分布状况。
图1.7
解：根据题意分析，由于窑炉空间气体流速不大，可近似采用 两气体静力学方程式进行计算。选择截面如图，基准面选择在 窑顶II－II截面上。 列出静力学方程式
hs1 +hg1 = hs2 +hg2 由于基准面取在截面II上，hg2= 0 代入具体公式进行计算：
hg1 = Hg(ρa-ρf) ρa = ρa,0·T0/T = 1.293×273/293 = 1.20kg/m3 ρf = ρf,0·T0/T = 1.30×273/1473 = 0.24kg/m3 hg1 = 3.2×9.81×(1.20-0.24 )= 30Pa
图1.5 热气体在垂直管道中运动时压头间的相互转换 a.由上向下运动；b.由下向上运动
＊当热气体由上向下运动时气体在管道内由II－II截面I－I截面流动的 柏努利方程式
hs2 + hg2 + hk2 = hs1 + hg1 + hk1 + hl2-1 管道截面未发生变化 hk2 = hk1 又基准面取在II－II截面上，hg2=0。 ∴ hs2 = hs1 + hg1 + hl1-2
图1.7b所示。其能量总和为：hs+hg=c2 =13Pa 在第三种情况下，窑炉空间的静压头、几何压头分布如
图1.7c所示。其能量总和为：hs+hg=c3 =0
热工基础ppt传热过程与换热器
北京科技大学能源与环境工程学院
24
（1）换热器的传热平均温差：
传热过程的计算公式： kAt
换热器的传热过程：
kAtm
北京科技大学能源与环境工程学院
25
1-热流体 2-冷流体 '-进口 ''-出口
对数平均 温差：
tm
tmax tmin ln tmax
tmin
tmax tmin 2 时：
tf1 tf 2
tf1 tf 2
1 1 ln d2 1
Rh1 R Rh2
d1lh1 2l d1 d2lh2
上式可以写成
d2lko tf1 tf2 d2lkot
1 ko d2 1 d2 ln d2 1
d1 h1 2 d1 h2
以圆管外壁面积为基 准计算的传热系数
北京科技大学能源与环境工程学院
北京科技大学能源与环境工程学院
23
换热器的传热计算
换热器的传热计算分为两种类型：
设计计算：根据换热条件和要求，设计一台新换 热器，为此需要确定换热器的类型、 结构及换热面积。
校核计算：核算已有换热器能否满足换热要求， 一般需要计算流体的出口温度、换热 量及流动阻力等。
换热器的常用计算方法 - 平均温差法
北京科技大学能源与环境工程学院
2
通过多层平壁的稳态传热过程
tf1 tf 2
n
Rh1 Ri Rh2
i 1
Ak tf1 tf 2 Akt
k
1
1
n i
1
h1 i1 i h2
tf1 t tw1 h1
h2
twn tf2
0 x
北京科技大学能源与环境工程学院
3
《热工基础》绪论PPT
年 中国 世界先进
g / kW. h
1960 1970 600 502
1980 1991 1997 448 424 408
2006 366 305
600 500 400 300 200 100 0 1960 1970 1980 1991 1997 2006 中国 世界先进
二Hale Waihona Puke 火力发电厂生产过程火力发电厂: 利用燃料燃烧放热生产电能的工厂
风 能
风 车
水 力 能
水水 力 车机 械
化 学 能
核 能
燃 裂 聚 烧 变 变
地 热 能
传 热
太 阳 能
光 热 光 电 反 应
热
热 机
温 差 发 电
能 (95%)
磁 流 体 发 电 热 用 户
机 械 能
发 电 机
电 动 机
电
能
太 阳 能 发 电
秦 山 核 电 站
西 藏 羊 八 井 地 热 发 电 站
《热工基础及应用》
课 程 性 质
岗位群
火电厂集控运行值班员、巡视员
专业
火电厂集控运行
课程
热工基础及应用(职业能力核心课程)
本课程为火电厂集控运行专业的职业能力核心课程，是针对大中型火力发
电厂运行与管理等岗位职业能力培养而设置的课程，旨在为大中型火电厂培 养具有运行操作基本技能、确保热力设备安全、经济运行的高素质技能型专 门人才。
传热过程是由导热、热对流、
热辐射三种基本方式组合形 成的
三、本课程主要内容及研究方法
（二）热工学主要研究方法
宏观方法为主，微观方法为辅
①宏观方法:即不考虑物质的微观结构，而是
从宏观现象出发来描述客观规律。用宏观物理量
g / kW. h
1960 1970 600 502
1980 1991 1997 448 424 408
2006 366 305
600 500 400 300 200 100 0 1960 1970 1980 1991 1997 2006 中国 世界先进
二Hale Waihona Puke 火力发电厂生产过程火力发电厂: 利用燃料燃烧放热生产电能的工厂
风 能
风 车
水 力 能
水水 力 车机 械
化 学 能
核 能
燃 裂 聚 烧 变 变
地 热 能
传 热
太 阳 能
光 热 光 电 反 应
热
热 机
温 差 发 电
能 (95%)
磁 流 体 发 电 热 用 户
机 械 能
发 电 机
电 动 机
电
能
太 阳 能 发 电
秦 山 核 电 站
西 藏 羊 八 井 地 热 发 电 站
《热工基础及应用》
课 程 性 质
岗位群
火电厂集控运行值班员、巡视员
专业
火电厂集控运行
课程
热工基础及应用(职业能力核心课程)
本课程为火电厂集控运行专业的职业能力核心课程，是针对大中型火力发
电厂运行与管理等岗位职业能力培养而设置的课程，旨在为大中型火电厂培 养具有运行操作基本技能、确保热力设备安全、经济运行的高素质技能型专 门人才。
传热过程是由导热、热对流、
热辐射三种基本方式组合形 成的
三、本课程主要内容及研究方法
（二）热工学主要研究方法
宏观方法为主，微观方法为辅
①宏观方法:即不考虑物质的微观结构，而是
从宏观现象出发来描述客观规律。用宏观物理量
热工基础单元PPT学习教案
计量：铂电阻温度计 Platinum 34 第33页/共52页
2021/7/2
34
基本状态参数
压力 p、温度 T、比容 v （容易测量）
3、比容 v
v V [m3/kg] m
工质聚集的疏密程度
v 1
物理上常用密度density [kg/m3]
35
第34页/共52页
2021/7/2
35
二、热力过程及参数坐标图
微观：衡量分子平均动能的量度
T 0.5 m w 2
对气体：
BT = 0.5mw2
2021/7/2
第27页/共52页
28 28
温度的热力学定义
热力学第零定律（R.W. Fowler in 1931）
如果两个系统分别与第三个系统处于 热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡。
2021/7/2
温度测量的 理论基础 B 温度计
1bar = 105 Pa
1 MPa = 106 Pa
1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa
1 mmHg = 133.3 Pa
1 at = 1 kgf/cm2 = 9.80665104 Pa
23
第22页/共52页
2021/7/2
23
压力p测量
绝对压力与环境压力的相对值 ——相对压力
如 质量m、容积 V、内能 U、焓 H、熵S
比参数： v V
m
uU m
h H m
s S m
比容 比内 比焓 比熵 能
单位：/kg 核/k动m力装o置l研究所具有强度参数的性20质
第19页/共52页
2021/7/2
20
强度参数与广延参数
速度 （强） Velocity
2021/7/2
34
基本状态参数
压力 p、温度 T、比容 v （容易测量）
3、比容 v
v V [m3/kg] m
工质聚集的疏密程度
v 1
物理上常用密度density [kg/m3]
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二、热力过程及参数坐标图
微观：衡量分子平均动能的量度
T 0.5 m w 2
对气体：
BT = 0.5mw2
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28 28
温度的热力学定义
热力学第零定律（R.W. Fowler in 1931）
如果两个系统分别与第三个系统处于 热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡。
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温度测量的 理论基础 B 温度计
1bar = 105 Pa
1 MPa = 106 Pa
1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa
1 mmHg = 133.3 Pa
1 at = 1 kgf/cm2 = 9.80665104 Pa
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压力p测量
绝对压力与环境压力的相对值 ——相对压力
如 质量m、容积 V、内能 U、焓 H、熵S
比参数： v V
m
uU m
h H m
s S m
比容 比内 比焓 比熵 能
单位：/kg 核/k动m力装o置l研究所具有强度参数的性20质
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20
强度参数与广延参数
速度 （强） Velocity
热工基础基本概念ppt课件
如果两个系统分别与 第三个系统处于热平衡， 则两个系统彼此必然处 于热平衡。
（温度计测温的基本原理）
精选ppt
1.3 热力学状态及基本状态参数
(2) 温度T——温标
• 摄氏温标Celsius scale (Swedish, A. Celsius, 1701-1744）
• 热力学温标（绝对温标）Kelvin scale （Britisher, L. Kelvin, 1824-1907）
固定、活动
真实、虚构
fixed 、 movable
real 、 imaginary
边界的特精选p性pt
1.2 热力系统
分类：
(1) 闭口系统：只有能量交换，而无质量交换 (2) 开口系统：有能量交换，也有质量交换。 (3) 绝热系统：无热量交换。 (4) 孤立系统：既无能量交换，又无质量交换。
张小军20150303basisheatenergyengineering水电站太阳能热水器太阳能电动汽车能源转换利用的关系一次能源天然存在二次能源能energysaving节能是近年来的基本国策开发和节约幵重节能任重道远是我们的责任热机高温热源低温热源动力循环简图热效率thermalefficiency热机种类heatengin发电火力核能40车辆发动机内燃机2535轮船发动机2535航空发动机2030制冷空调非热机同理200能量利用率energyefficiency吨煤吨合成氨总利用率中国日本热工学是重要的丏业基础课热工学是机械工程类丏业开设的必修课程
热工学
Basis of Heat Energy Engineering
张小军
2015-03-03
精选ppt
能源转换利用的关系
风 能
水 能
（温度计测温的基本原理）
精选ppt
1.3 热力学状态及基本状态参数
(2) 温度T——温标
• 摄氏温标Celsius scale (Swedish, A. Celsius, 1701-1744）
• 热力学温标（绝对温标）Kelvin scale （Britisher, L. Kelvin, 1824-1907）
固定、活动
真实、虚构
fixed 、 movable
real 、 imaginary
边界的特精选p性pt
1.2 热力系统
分类：
(1) 闭口系统：只有能量交换，而无质量交换 (2) 开口系统：有能量交换，也有质量交换。 (3) 绝热系统：无热量交换。 (4) 孤立系统：既无能量交换，又无质量交换。
张小军20150303basisheatenergyengineering水电站太阳能热水器太阳能电动汽车能源转换利用的关系一次能源天然存在二次能源能energysaving节能是近年来的基本国策开发和节约幵重节能任重道远是我们的责任热机高温热源低温热源动力循环简图热效率thermalefficiency热机种类heatengin发电火力核能40车辆发动机内燃机2535轮船发动机2535航空发动机2030制冷空调非热机同理200能量利用率energyefficiency吨煤吨合成氨总利用率中国日本热工学是重要的丏业基础课热工学是机械工程类丏业开设的必修课程
热工学
Basis of Heat Energy Engineering
张小军
2015-03-03
精选ppt
能源转换利用的关系
风 能
水 能
热工基础PPT 第一章 基本概念
������������������
状态参数是状态的单值函数，值取决于工质所处 状态，与过程无关
设x为任意状态参数，则
������2 ������1
������������ = ������2 − ������1 ,
������������ = 0
若x = f(y, z)，则可得 ������������ ������������ ������������ = ������������ + ������������ ������������ ������������ 状态参数的积分与路径,状态参数 的微量是一个全微分
比体积和密度(v，ρ) ������ = ������ =
������ ������ ������ ������
������������/������3 ������3 /������������
密度单位体积内物质的质量
比体积指的是单位质量的物质所占的体积
比体积是一个状态参数，则密度肯定也是工质的一个状态
绝热 pm
pout
分析：(1)该系统满足弛豫时间短的条件； (2)设过程进行时 a. 无摩擦(无耗散效应)； b. 没有压差(无势差损失)。
3.可逆条件
(1) 系统内外要随时处于力平衡和热平衡；
(2) 弛豫时间短； (3) 没有耗散效应 。
结论：可逆过程=没有耗散效应的v
1.2 状态参数 1.3 平衡状态 1.4 准静态过程及可逆过程 1.5 功和热量
系统中各处压力、温度均匀一致的状态，称为平衡状态。
当系统处于平衡状态的时候，系统中所有的状态参数都有
确定的数值，并且是一个定值。只有处于平衡状态的系统，
它的所有状态参数才会有确定的数值。
《热工基础》第一章 基本概念(北京科技大学)
➢ 当两个温度不同的物体相互接触时，它们之间 将发生热量传递，如果没有其它物体影响，这 两个物体的温度将逐渐趋于一致，最终将达到 热平衡（即温度相等），所以温度是热平衡的 判据
AB
北京科技大学能源与环境工程学院
14
热力学第零定律 (Zeroth law of thermodynamics)
热力学第零定律 (R.W. Fouler in 1939) ：
12
压力测量
U形管压力表
弹簧管式压力表
绝对压力p、大气压力pb、表压力pe、真空度pv
p pb pe
p pb pv
➢ 压力计的外界压力不一定是大气压 力（习题1-3）
➢ 只有绝对压力p才是状态参数
北京科技大学能源与环境工程学院
13
基本状态参数——温度
➢ 温度的物理意义：温度是反映物体冷热程度的 物理量，温度的高低反映物体内部微观粒子热 运动的强弱
恢复平衡所需时间
（外部作用时间） >>
（驰豫时间）
一般的工程过程都可认为是准平衡过程， 但具体工程问题需具体分析。
北京科技大学能源与环境工程学院
24
1-4 准平衡过程和可逆过程
例如： 如果系统完成了某一过程 之后可以沿原路逆行恢复 到原来的状态，并且不给 外界留下任何变化，这样 的过程为可逆过程。
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33
讨论与思考1
平衡状态与稳定状态的区别？ -稳定(steady)是参数不随时间变化 -平衡(Equilibrium)是不存在不平衡势差
T1
T2
稳定但存在不平衡势差
稳定不一定平衡 平衡一定稳定
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讨论与思考2
AB
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14
热力学第零定律 (Zeroth law of thermodynamics)
热力学第零定律 (R.W. Fouler in 1939) ：
12
压力测量
U形管压力表
弹簧管式压力表
绝对压力p、大气压力pb、表压力pe、真空度pv
p pb pe
p pb pv
➢ 压力计的外界压力不一定是大气压 力（习题1-3）
➢ 只有绝对压力p才是状态参数
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13
基本状态参数——温度
➢ 温度的物理意义：温度是反映物体冷热程度的 物理量，温度的高低反映物体内部微观粒子热 运动的强弱
恢复平衡所需时间
（外部作用时间） >>
（驰豫时间）
一般的工程过程都可认为是准平衡过程， 但具体工程问题需具体分析。
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1-4 准平衡过程和可逆过程
例如： 如果系统完成了某一过程 之后可以沿原路逆行恢复 到原来的状态，并且不给 外界留下任何变化，这样 的过程为可逆过程。
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33
讨论与思考1
平衡状态与稳定状态的区别？ -稳定(steady)是参数不随时间变化 -平衡(Equilibrium)是不存在不平衡势差
T1
T2
稳定但存在不平衡势差
稳定不一定平衡 平衡一定稳定
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讨论与思考2
《热工基础》第一讲_661605842
能源分类
3）按能否再生分类： 可再生能源：水能、太阳能、风能、海洋能、生物质能、 地热能等； 非再生能源：煤、石油、天然气、核能等。
4）按是否产生污染分类： 清洁能源：太阳能、风能、水能、海洋能等。 非清洁能源：煤、石油、天然气等。
环境污染
我国有57%的城市空气中总悬浮颗粒超标； 有48个大中城市空气中的SO2浓度超标； 有82%城市出现过酸雨； 我国的CO2排放量居世界第一；
课程主要教学内容
第六章 动力装置循环及制冷装置循环 6-1 涡轮喷气发动机循环 6-2 涡扇、涡轴发动机循环* 6-3 活塞式内燃机循环* 6-4 空气压缩式制冷循环 6-5 飞机座舱舱内温、湿度控制
课程主要教学内容
第二篇 传热学 第七章 导热 7-1 导热理论基础——傅里叶定律 7-2 导热微分方程 7-3 稳态导热 7-4 非稳态导热 7-5 导热问题的数值解法基础*
• 燃油带走PAO液冷回路，液压 及润滑系统热量；
• 燃油冷却器将燃油热量排放 给冲压空气。
19
热科学：研究热能、热量及热现象的科学
热学
工程热
力学
热科学
传热学
热测试
燃烧学
● 热学：研究自然界中物质与冷热有关的性质及这些性 质变化的规律。
● 工程热力学：研究能量转换（热功转换）的规律及提 高能量转换效率的途径。
1. 能量
能量与能源
能量是物质运动的度量。 世界是由物质构成的，一切物质都处于运动状态，
所以一切物质都具有能量。 能量是人类社会进步的动力。
能量的主要形式
机械能： 宏观物体的动能与势能； 热 能： 物质分子热运动动能与位能之和；不涉及
化学变化和核反应的热力学能，也称为内 热能； 电 能： 与电荷的运动和积蓄有关的能量。 化学能： 通过化学反应释放的能量。 核 能：通过核反应释放的能量。 辐射能： 物体以电磁波的形式发射的能量。
北科大工业热工基础课件07电热原理
5
6
A.3 感应加热 (用于金属熔炼、压力加工前加热、热处理等) (最适用于工件的表面热处理)
1
** 加热速度快 (加热时间是火焰炉的1/10) ** 加热质量高 (氧化脱碳薄、质量均一、自控准确使得温差小) ** 便于表面加热和局部加热 ** 热效率比电阻炉高 (50~60%) ** 劳动条件好
** 易于加工焊接，价格便宜
3
7. 1 间接加热电阻炉
1
(如表8- 10 、8- 11 、8~12)
** 金属：镍铬系、铁铬铝系、钨、钼、钽系等
( 结构：线料螺旋状、线料波浪形、带料波形，电热丝等)
** 非金属：碳化硅系、二硅化钼系、碳质(如石墨)、各种
盐类(钾盐、钠盐、钡盐等)
( 结构：棒状、螺旋管状)
7 电热原理
1
1
** 炉温便于控制 ** 炉内气氛可自由选择 ** 热效率பைடு நூலகம்(30~70%)
** 设备简单紧凑 ** 操作方便劳动条件好
1
** 基建投资大 ** 耗用电能多 ** 处理成本高
1
** ** **
(电阻炉)
电阻丝 传热 工件
----被加热工件本身作为发热电阻 ----工件在交变磁场内产生感应电流
1
(对压力加工前的加热)
表面电流直接加热 表面向中心传导加热
(如表8- 14)
8
9
1
** 设备复杂，造价高 ** 消耗大量电能，成本高
7
A.3 感应加热
1
交变电流通过导体，表面电流密度大于中心
：径向向内，电流密度减少到表面的1/e处
δ = 5030
ρ μf
μ----工件的磁导率
f ---- 电流频率
北科大工业热工基础课件06金属加热工艺
珠光体>铁素体或马氏体>奥氏体
1 平均比热容： 化学成分、温度、组织结构
1 热扩散率： 化学成分、温度
4
5
6
7
6.1 钢的热物理性质及机械性质
影响热传导过程
影响加热速度和加热温度
(导热系数/比热容/热扩散率) (弹性模量/泊松比)
1 弹性模量： E =
σ
ε
1 泊松比： ν =
0.3
8
6.2 钢的加热温度 ----加热完成时钢的表面温
加热温度与含碳量：
ω(C) 个, t ↓
11
6.2 钢的加热温度 ----加热完成时钢的表面温度
1 热处理工艺： 由相变温度决定
1 热加工工艺： 由钢的性质、工艺要求、设备性能、消耗指标等确定
加热温度与合金化程度：
** 碳钢(C0.2~0.4%) ： 塑性温度 800~1200 ℃
** 不锈耐热钢(Cr25Ni20) ：塑性温度 1000~1150 ℃
t
(与高产矛盾)
1
： 危害
措施
当被加热金属冷却时，开始形成的应力
由于温度较高产生塑性变形而得到松
弛，等到表面冷却至周围介质温度，而 中心温度尚高时，中心温度进一步冷却
加热
冷却
τ
会对表面施加压缩应力，而中心受张应 力，等到内外温度完全相等时金属内部 仍然保持有应力的存在，这种应力叫残 余应力。
表面： 内部：
----要求慢加热或冷却
t
(与高产矛盾)
加热
冷却
加热
冷却
τ
表面： 内部：
高温时，因塑 性好而缓解
15
6.4 钢加热与冷却时的温度应力
温差
热工基础与窑炉分析
K－局部阻力系数，K决定于局部阻力性质（障碍形 状与尺寸）
三、气体通过散料层的阻力
在散料层中，所形成的孔隙小且形状不规则，气体通 过时其流速、方向都要发生变化。要把气体在散料层中的 流动，看成在若干不规则的孔隙通道中的流动，采用计算 摩擦阻力的基本公式，但气体通过孔隙通道的流速和孔隙 的当量直径难于确定，为此还需结合散料层的特点进行变 换。
hs→hk→hl ↓
hg
气体由下而上流动，
有：hs2+hg2+hk2 = hs1+hg1+ hk1 + hl2-1 选I－I为基准面，hg1 = -hk1)-hl2-1 200-hs2 = 10g(1.2-0.75) + (30-12)-15； hs2 =153Pa
图1.5 热气体在垂直管道中运动时压头间的相互转换 a.由上向下运动；b.由下向上运动
＊当热气体由上向下运动时
气体在管道内由II－II截面向I－I截面流动的 柏努利方程式
hs2 + hg2 + hk2 = hs1 + hg1 + hk1 + hl2-1 管道截面未发生变化 hk2 = hk1 又基准面取在II－II截面上，hg2=0。 ∴ hs2 = hs1 + hg1 + hl1-2
f1u1ρ1=f2u2ρ2=f3u3ρ3=常数
对于不可压缩气体，ρ不变，故 f1u1=f2u2=f3u3=qv=常数
式中： qv：气体的体积流量，m3/s。 上式还可写成：
u1/u2=f2/f1 即气体流速与截面面积成反比。
三、柏努利方程式
对于不可压缩的理想流体，ρ=常数，带入 dp+ρgdz +ρd(u2/2)=0 积分得： p+ρgz+ρu2/2=常数 对于同一流线上1、2两点，柏努利方程式可表示为： p1+ρgz1+ρu12/2=p2+ρgz2+ρu22/2 若考虑流体在流动过程中因摩擦、冲击而消耗部分能量，1-2 处柏努利方程式为： p1+ρgz1+ρu12/2=p2+ρgz2+ρu22/2+h l1-2
三、气体通过散料层的阻力
在散料层中，所形成的孔隙小且形状不规则，气体通 过时其流速、方向都要发生变化。要把气体在散料层中的 流动，看成在若干不规则的孔隙通道中的流动，采用计算 摩擦阻力的基本公式，但气体通过孔隙通道的流速和孔隙 的当量直径难于确定，为此还需结合散料层的特点进行变 换。
hs→hk→hl ↓
hg
气体由下而上流动，
有：hs2+hg2+hk2 = hs1+hg1+ hk1 + hl2-1 选I－I为基准面，hg1 = -hk1)-hl2-1 200-hs2 = 10g(1.2-0.75) + (30-12)-15； hs2 =153Pa
图1.5 热气体在垂直管道中运动时压头间的相互转换 a.由上向下运动；b.由下向上运动
＊当热气体由上向下运动时
气体在管道内由II－II截面向I－I截面流动的 柏努利方程式
hs2 + hg2 + hk2 = hs1 + hg1 + hk1 + hl2-1 管道截面未发生变化 hk2 = hk1 又基准面取在II－II截面上，hg2=0。 ∴ hs2 = hs1 + hg1 + hl1-2
f1u1ρ1=f2u2ρ2=f3u3ρ3=常数
对于不可压缩气体，ρ不变，故 f1u1=f2u2=f3u3=qv=常数
式中： qv：气体的体积流量，m3/s。 上式还可写成：
u1/u2=f2/f1 即气体流速与截面面积成反比。
三、柏努利方程式
对于不可压缩的理想流体，ρ=常数，带入 dp+ρgdz +ρd(u2/2)=0 积分得： p+ρgz+ρu2/2=常数 对于同一流线上1、2两点，柏努利方程式可表示为： p1+ρgz1+ρu12/2=p2+ρgz2+ρu22/2 若考虑流体在流动过程中因摩擦、冲击而消耗部分能量，1-2 处柏努利方程式为： p1+ρgz1+ρu12/2=p2+ρgz2+ρu22/2+h l1-2
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例2：如图所示的窑炉，内部充满热烟气，温度为1000℃， 烟气标态密度ρf,0为1.30kg/m3，窑外空气温度20℃，空气标 态密度ρa,0为1.293kg/m3，窑底内外压强相等，均为 1atm(101325Pa)。求距离窑底0.7m处窑内、外气体压强各多 大？其相对压强多大？
例2
解：根据公式ρt /ρo=To /Tt，则烟气、空气分别在 1000℃、20℃时的密度：
ρt=ρ0T0 /Tt=1.293×273/523 =0.67 kg/m3
由此可知，空气经过加热后体积明显增
加，密度明显下降，因此在窑炉的热工计算 中，不能忽略气体体积和气体密度随温度的
变化。
二、气体粘度与温度之间的关系
粘性流体所产生的内摩擦力由牛顿粘性定律确定
η=μdu/dy N/m2 式中 du/dy：速度梯度，1/s； η：剪切力，N/m2； μ：粘度，也称动力粘度系数，N· s/m2即Pa· s。 在流体力学计算中，也经常用 υ=μ/ρm2/s，υ 为运动粘度系数。
气体
空气 N 2 O2 CO 2 CO H2 CH 4 C2H 4 NH3 SO 2 H2O 发生炉煤气 燃烧产物
7 μ× 0 10 （Pa· s） 1.71 1.66 1.87 1.37 1.66 0.84 1.20 0.96 0.96 1.17 0.82 ~1.45 ~1.47
C(K)
114 118 138 239.7 118 71.7 198 225.9 377 416 673 ~150 ~170
§2 气体力学基本定律
一、静力学基本方程式
重力场作用下的静止流体，将欧拉平衡微分方程 式在密度不变的情况下进行积分求解，得到静力学基 本方程式：
p+ρgz=常数
对处于平衡状态流体内的1、2点， p1+ρgz1= p2+ρgz2 为应用方便，上式可写成： p1=p2+ρg（z2－z1）=p2－ρgH
ρa=1.293×273/293=1.21kg/m3 ρf =1.30×273/(273+1000)=0.28kg/m3 根据基本方程式求出气体压强： pa1=pa2-ρagH=101325-1.21×9.81×0.7=101317Pa pf1=pf2-ρfgH=101325-0.28×9.81×0.7=101323Pa
第一章 窑炉气体力学
本章要点： 窑炉气体力学用来研究窑炉工作过程中气体的宏观物理 与化学行为。本章的研究中心问题是气体流动。只有了解了
气体的特性，才能把流体力学的知识准确地应用于窑炉系统
的气体力学研究中。
第一章 窑炉气体力学
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 第八节 气体的主要特征 气体力学基本定律 气体运动过程中的阻力损失 气体的流出 可压缩气体的流动 流股及流股作用下窑内气体运动 烟囱与喷射器 流态化原理
对于不可压缩气体，ρ不变，故 f1u1=f2u2=f3u3=qv=常数 式中： qv：气体的体积流量，m3/s。 上式还可写成： u1/u2=f2/f1 即气体流速与截面面积成反比。
三、柏努利方程式
对于不可压缩的理想流体，ρ=常数，带入 dp+ρgdz +ρd(u2/2)=0 积分得：
p+ρgz+ρu2/2=常数
气体粘度与温度之间的关系表示为：
μt=μ0 [(273+C)/(T+C)](T/273)3/2 Pa· s 式中 μt：在t℃时气体的粘度，Pa· s； μ0：在0℃时气体的粘度，Pa· s； T ：气体的温度，K； C ：与气体性质有关的常数。几种气值
距窑底0.7m处相对压强
pf1-pa1=101323-101317=6Pa。
二、连续性方程式 连续性方程式表示为： 当流体在管道内作稳定流 动时，通过管道任一截面 的质量流量都相等。故I－ I，II－II，III－III断面处： 图1.2 流体在管道中的流动
f1u1ρ1=f2u2ρ2=f3u3ρ3=常数
§1 气体的主要特征
一、理想气体状态方程 对于理想气体，温度－压强－体积之间的 关系可以用理想气体状态方程式表示： pV=nRT 由于 n=m/M，公式又可写成:
pV=(m/M)RT
＊恒温条件下， T=常数 pυ=常数，p/ρ=常数 p1 /p2 =υ2 /υ1 =ρ1 /ρ2 ＊ 恒压条件下，
对于同一流线上1、2两点，柏努利方程式可表示为： p1+ρgz1+ρu12/2=p2+ρgz2+ρu22/2 若考虑流体在流动过程中因摩擦、冲击而消耗部分能量，1-2 处柏努利方程式为： p1+ρgz1+ρu12/2=p2+ρgz2+ρu22/2+h l1-2
由于平均流速计算的动压头与各流线动压头的 平均值不等，为此应该引入修正系数a。 实际流体由I－I截面流至II－II截面时总流的柏努 利方程式可表示为：
p=常数
υ/T=常数，ρT=常数，
υt/υ0=Tt/T0，Vt /V0=Tt /T0， ρt/ρo=To/Tt
例1 将1000m3，0℃空气送入加热器中加热，标况下空气密 度为1.293kg/m3，求加热至250℃时气体的体积和密度。
解：Vt=V0Tt /T0=1000×523/273=1916 m3
p1+ρgz1+a1
ρu12 ρu 22 = p2+ρgz2+a2 +h l1-2 2 2
a=2（圆管层流）；a=1.03－1.1（圆管湍流）
例3 如图，风机吸入口直径200mm， 压力测量计测得 水柱高度40mm， 空气密度1.2kg/m3， 不计气体流动过 程的能量损失，求风机的风量？
解：选取图中I－I、II－II截面，列出柏 努利方程式： p1+ρgz1+ρu12/2=p2+ρgz2+ρu22/2+hl1-2 因I、II截面处于同一高度，有 z1=z2；空气静止u1=0；不计压头损失， hl1-2=0， 得到：p1=p2+ρu22/2
C值适用的温度范围 (℃) 0~300 50~100 17~186 －21~302 15~100 －21~302 17~100 －21~302 15~184 18~100 － － －
三、气体所受的浮力
在已往的液体计算中，极少考虑大气的浮
力，而在窑炉中所存在的热气体进行计算时，务 必要考虑。
例如：对于1m3密度为0.5kg/m3的热气体自重 仅为4.9N，浮力则为11.76N，故不能忽略。