燃气专业基础与实务

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,燃气专业基础与实务,辅导课程的安排,1.,专业基础知识（工程热力学、传热学、流体力学）（,3,月,31,日）,2.,燃气输配（,4,月,1,日）,3.,燃气燃烧、知识产权、论文写作（,4,月,7,日）,4.,燃气工程施工、,新知识、行业规范,（,4,月,8,日）,* 2,个周六、日全天,根据,北京市人事局关于工程技术等系列中、初级职称试行专业技术资格制度有关问题的通知,（京人发,200526,号）和,关于北京市中、初级专业技术资格考试、评审工作有关问题的通知,（京人发,200534,号）文件精神，从,2005,年开始，,考评结合,，申报人员参加专业技术资格考试，成绩合格即可参加相应系列专业的评审，通过评审后取得相应的,北京市中级专业技术资格证书,。,一、 报考条件,在北京地区工作，,（一）博士研究生毕业；,（二）硕士研究生毕业后，从事所申报专业工作满,2,年；,（三）,本科,毕业后，从事所申报专业工作满,5,年,；,（四）,专科,毕业后，从事所申报专业工作满,7,年,；,（五）专科及以上学历毕业后，取得助师级专业技术（职务任职）资格满,4,年；,（六）,1982,年底前取得中专学历，并从事所申报专业工作满,15,年；,（七）,中专,毕业后，从事农业技术及农田水利、水利建筑施工、农村能源、水产、林业等工程技术工作满,15,年。,上述专业工作年限计算截止日期为考试报名年度当年年底。,考试时间安排,评审时间安排,网上报名,现场报名,考试时间,网上申报,报送材料,答辩时间,2,月,1,日,-15,日,2,月,14,日,-16,日,4,月,15,日,6,月,18,日,-7,月,2,日,7,月,5,日,-7,日,9,月,1,日,-25,日,考试的相关情况,中级：,4,月,15,日,；,120,分钟 考试,（考评结合）,考试大纲,分值分布,专业基础知识：工程热力学 ； 传热学 ； 流体力学,燃气燃烧,知识产权,北京市人事考试网,1.,判断题,（,15,）,2.,单项选择题,（,15,）,3.,多项选择题,（,10,）,至少有两个,选项是符合题意的，错选、多选均不得分，少选但选择正确的，每个选项得分。,4.,简答题,（,5,）,5.,案例分析题,（,5,）,工程热力学,概述（什么是工程热力学）,工程热力学的基本概念,热力学基本定律,气体的基本热力过程,基本的热机循环,考试的应对与复习要点,一、 概述（什么是工程热力学）,热力学是研究与热现象有关的,能量转换,规律的科学。,主要内容：, 基本理论（,工质,的性质、热力学基本定律）, 基本理论的应用（应用于各种热力装置的热力过程）,二、工程热力学的基本概念,系统与外界（,绝热系统,、孤立系统）,根据所研究问题的需要 ，人为划定几何空间作为热力学研究对象。空间内物质的总和称为热力学系统，简称系统。系统之外的一切物质统称为外界。系统与外界的边界面称为边界。,系统与外界的相互作用通常有三种形式：,功,、,热,和,物,质交换,。,物质交换：闭口系统,（控制质量）,；开口系统,（控制容积）,。,能量交换：,绝热系统,：没有,热量,交换；,孤立系统,：既无,能量,交换，也无,质量,交换。,绝对的孤立系统是不存在的。孤立系统一定是闭口系统，一定是绝热的。,状态与状态参数（,温度,、,绝对,压力,、比容、,比热,、,熵,、,焓,）,气体的性质与气体状态方程（理想气体与实际气体）,平衡态、准静态过程、可逆过程,主要内容有三点：,一切物体都是由大量分子组成的，分子之间有空隙；,分子处于不停息地，无规则运动状态，这种运动称为热运动；,分子间存在着相互作用着的引力和斥力。,分子运动论,是从物质的,微观,结构出发来阐述热现象规律的理论，例如它阐明了,气体的,温度,是分子平均平动动能大小的标志（分子热运动激烈程度）,；,气体的,压力,是大量气体分子对容器器壁的碰撞而产生对容器壁的压强,。,此外，它还初步揭示了气体的扩散、热传递和粘滞现象的本质，并解释了许多气体实验定律，分子运动论的成就促进了统计物理学的进一步发展。,分子运动论,理想气体,基于假设： 气体分子是不占体积的质点；, 分子间没有相互作用力。,理想气体实质上是：实际气体的,压力,p0,，或,v,时的极限状态的气体。,温度越高，比容越大越接近理想气体。,理想气体与实际气体没有明显界限。,一般来说，温度不太低（常温以上）、压力不太高（,12MPa,，,甚至常温下压力不超过,7MPa,）的单原子或双原子气体都可视为理想气体。常见工质，如空气、燃气，一般均视为理想气体。,理想气体状态方程：,式中：,n ,摩尔数；,R,0,通用气体常数，,8.314 kJ/(kmolk),，与气体种类及状态无关。,对于,1kg,气体，,R ,气体常数，与气体种类有关。,【,案例,】,燃气流量计计量某燃气用气设备的小时用气量为,100m,3,燃气供气压力为,50KPa,（表压）,温度为,15,，当地大气压为,95KPa,。试计算，燃气流量计计量数值经温度压力校正后应为多少标准立方米？（标准状态大气压按,105Pa,，温度按,273K,计。）,【,案例,】,某燃气用气设备，燃气供气压力为,10010,3,Pa,（表压）,温度为,20,，当地大气压为,9510,3,Pa,。试问：当燃气流量计显示的实际用气量为,1000m,3,时，经温度压力校正后，燃气用气量应为多少标准立方米？,（标准状态大气压按,10,5,Pa,，温度按,273K,计）,【,计算,】,混合气体的相对质量成分为：燃气,20%,，空气,80%,。已知燃气的气体常数,R,1,=400J/,（,kg,K,），空气的气体常数,R,2,=287J/,（,kg,K,）。试求混合气体的气体常数、相对容积成分和标准状态下的密度。,通用气体常数为,R,0,=8314J/,（,kmol,K,）。,【,计算,】,某燃气储罐中存储的天然气，储气压力为，气体容积成分为：,CH,4,：,90%,，,C,2,H,6,：,9%,，,N,2,：,1%,。试求该天然气的平均分子量、气体常数和各组分气体的分压力。,通用气体常数为,R,0,=8314J/,（,kmol,K,）。,状态与状态参数（温度、压力、比容、比热、,熵,、焓,）,比热,（比热容）：单位,物量,的物体，温度升高或降低,1K,（,）所吸收或放出的热量。,（质量比热、容积比热、摩尔比热）,不仅取决于物质的性质，还与气体的热力过程及所处状态有关。（,定容比热,c,v,、,定压比热,c,p,）,比热是温度的函数，随温度而变化。,内能,u,：气体内部所具有的分子动能与分子内能的总和。,内位能的大小与分子间的距离有关，即与气体的比容有关。,对于理想气体，分子间不存在相互作用力，没有内位能，其内能仅包括分子内动能，是温度的单值函数。,焓,h,：,工程上工质都是流动的，所以很少用内能的概念，而用焓。对流动工质，焓代表能量；,对静止工质（或闭口系统），焓不代表能量，只是一个数，没有物理意义。,内能,+,推进功,流动功是维持流体正常流动所必需传递的能量。,绝热节流,绝热节流,当气体在管道中流动时，由于局部阻力，如遇到缩口和调节阀门时，其压力显著下降，这种现象叫做节流。工程上由于气体经过阀门等流阻元件时，流速大时间短，来不及与外界进行热交换，可近似地作为绝热过程来处理，称为绝热节流。,节流过程是指流体（液体、气体）在流道中流经阀门、孔板或多孔堵塞等设备时压力降低的一种特殊流动过程。如果节流过程中流体与外界没有热量交换就称为绝热节流。节流过程在热力设备中常用于压力调节、流量调节或测量以及获得低温等方面。,节流过程是典型的不可逆过程，过程中流体处于非平衡状态。常见的实际产品就是膨胀阀。,压力降低,；,熵增大,；,焓不变,系统的状态参数不随时间变化,平衡状态,。,不平衡势差是驱使状态变化的原因。,工程热力学只研究系统的平衡状态。,如果造成系统状态改变的不平衡势差无限小，以致该系统在任意时刻均无限接近于某个平衡态，这样的过程称为,准静态过程,。,准静态过程是一种理想化的过程，要求过程进行地无限缓慢。,只要恢复平衡的速度很快，所需时间小于系统状态参数变化所经历的时间，也就是说系统有足够的时间恢复平衡，这样的过程就可以近似看成准静态过程。一般的工程问题都可以认为是准静态过程。,系统经历一个过程后，如令过程逆行而能使系统与外界同时恢复到初始状态而不留下任何痕迹，则此过程称为,可逆过程,。,实现可逆过程的充要条件： 准静态； 不存在耗散效应。即无耗散的准静态过程即为可逆过程。,平衡态、准静态过程、可逆过程,热力学第一定律,当热能与其它形式的能量相互转换时，能的总量保持不变。,自然界中一切物质都具有能量。能量既不可能被创造，也不可能被消灭，而只能从一种形式转变为另一种形式。转换中，能的总量保持不变。,三、热力学基本定律,在热力学中，系统发生变化是，设与环境之间交换的热为,Q,，与环境交换的功为,W,，可得热力学能（亦称,内能,）的变化为,U = Q+ W,或,U=Q-W,（目前通用这两种说法，以前一种用的多），为了避免混淆，,物理,中普遍使用第一种，而,化学,中通常是说系统对外做功，故会用后一种。,向系统输入的热量,Q,等于系统内能的增量,U,和系统对外界作功,W,之和,。,克劳修斯表述：不可能将热从低温物体传向高温物体而不引起其它变化；,开尔文表述：不可能从单一热源取热，并使之完全转变为有用功而不引起其它变化；,仅仅利用单一热源而产生机械功的热机称为第二类永动机，因而热力学第二定律可以表述为“第二类永动机是不可能制造成功的”。,热力学第二定律,三、热力学基本定律,任何循环的克劳修斯积分永远小于,0,，极限时等于,0,，而绝不可能大于,0,。,三、热力学基本定律,热力学第一定律,（能量的守恒与转换）,热力学第二定律,（能量转换的,方向性,与,不可逆性,）,能量具有量和质的双重属性,。,自发过程的不可逆性、,自发过程的反向过程必须存在另外的补偿过程,。,熵,（状态参数）,体系混乱度（或无序度）的量度。,物理学上指热能除以温度所得的商，标志,热,量转化为,功,的程度。,经典热力学中，可用增量定义为,dS,(dQ/T),可逆,，式中,T,为物质的热力学温度；,dQ,为熵增过程中加入物质的热量；下标“可逆”表示加热过程所引起的变化过程是可逆的。若过程是不可逆的,则,dS,(dQ/T),不可逆,。,孤立系统熵增原理,：孤立系统的一切实际过程总是朝着熵增加的方向进行。,热力学第三定律,（绝对零度不能达到，应用于低温学和化学热力学）,热力学第零定律,（,热平衡,定理）,如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡（,温度,相同），则它们彼此也必定处于热平衡。,热力学第零定律的重要性在于它给出了温度的定义和温度的测量方法。定律中所说的热力学系统是指由大量分子、原子组成的物体或物体系。它为建立温度概念提供了实验基础。,这个定律反映出：处在同一热平衡状态的所有的热力学系统都具有一个共同的宏观特征，这一特征是由这些互为热平衡系统的状态所决定的一个数值相等的状态函数，这个状态函数被定义为温度。而温度相等是热平衡之必要的条件。,热力学第零定律,（,热平衡,定理）,四、气体的基本热力过程,工程上实施热力过程的主要目的： 完成一定的能量交换； 使工质达到一定的热力状态。,研究热力过程的任务在于揭示状态变化与能量传递之间的关系。,过程的表示： ,p-v,图,（示功图）； ,t-s,图,（示热图）。,定容,过程、,定压,过程、,定温,过程、,绝热,过程、,多变,过程,定容过程,热量交换：,热力学第一定律,斜率,定压过程,热量交换：,功量交换：,热力学第一定律,斜率,定温过程,热量交换,=,功量交换：,绝热过程,绝热,节流,过程（,压力降低,；,熵增大,；,焓不变,）,比热比,绝热指数,绝热过程中，,压力与温度的变化趋势是一致的。,理想气体的可逆绝热过程,多变过程,气体吸热一定会膨胀；气体放热一定被压缩？,定压、定容、等温和绝热过程都是多变过程的特例！,n ,多变指数,* p,、,v,不可能同时增大或减小！因此，,p-v,图,1,、,3,象限过程不存在。,T-s,图及,p-v,图,在,p-v,图上确定,T,增大及,s,增大方向,在,T-s,图上确定,p,增大及,v,增大方向,31,32,水蒸气,“,一点、两线、三区、五态”,重要特征：在湿蒸汽区，定温线和定压线重合,水蒸气的焓,-,熵（,h-s,）图,五、基本的热机循环,将热能转换为机械能的设备叫做,热机,。热机的工作循环称为,动力循环,。根据热机所用工质的不同，分为蒸汽动力循环和燃气动力循环两大类。,卡诺循环,（理想循环）,朗肯循环,（蒸汽动力基本循环）,再热循环、回热循环、热电循环,35,循环：,工质从某一状态出发，经过一连串的状态变化，而重新回到原来的状态，工质所经历的这些热力过程的综合，称为热力循环，简称循环。,若循环的膨胀功大于压缩功，则循环的效果是使热能在一定的条件下连续不断地转变为机械能，这种循环称为“,正向循环,”或“热力循环”。,每一个循环热机所作的净功为：,循环的热效率,若工质经过一个循环，从高温热源吸收的热量为,q,1,而向低温热源放出的热量为,q,2,，则循环的热效率：,36,热能所以能连续不断地转变为机械能，则是以向冷源放热为补充条件。,完成一个正向循环后的全部效果,:,（,1,）高温热源放出了热量,q,1,，,（,2,）低温热源获得了热量,q,2,；,（,3,）将（,q,1,q,2,）,q,0,的热量转化为功。,逆向循环,逆向循环的总效果是消耗外界的功，将机械能转变为热能，并使热量从低温物体传到高温物体。,逆向循环应用于制冷，如冷藏库或冰箱。,卡诺循环,4-1,绝热压缩,过程，对内作功,1-2,定温吸热,过程，,q,1,=,T,1,(,s,2,-,s,1,),2-3,绝热膨胀,过程，对外作功,3-4,定温放热,过程，,q,2,=,T,2,(,s,2,-,s,1,),卡诺循环,热机效率,T,1,T,2,Rc,q,1,q,2,w,t,c,只取决于,恒温热源,T,1,和,T,2,，与工质的性质无关。,卡诺循环,热机效率的说明,T,1,t,c ,T,2,c,，,温差越大，,t,c,越高。,当,T,1,=,T,2,，,t,c,= 0,单热源热机不可能。,三种,卡诺循环,T,0,T,2,T,1,制冷,制热,T,s,T,1,T,2,动力,T,0,c,卡诺,逆,循环,卡诺制冷循环,T,0,T,2,制冷,T,0,T,2,Rc,q,1,q,2,w,T,s,s,2,s,1,T,2,c,T,1,卡诺,逆,循环,卡诺制热循环,T,0,T,1,制热,T,s,T,1,T,0,Rc,q,1,q,2,w,s,2,s,1,T,0,卡诺定理,在两个不同温度的,恒温热源,间工作的所有热机，以,可逆热机,的热效率为,最高,。,卡诺定理推论,在两个不同温度的恒温热源间工作的一切可逆热机，具有相同的热效率，且与工质的性质无关。,在两个不同温度的恒温热源间工作的任何不可逆热机，其热效率总小于这两个热源间工作的可逆热机的效率。,卡诺定理的意义,从理论上确定了通过热机循环实现热能转变为机械能的条件，指出了提高热机热效率的方向，是研究热机性能不可缺少的准绳。,对热力学第二定律的建立具有重大意义。,水蒸气动力循环系统四个主要装置：,锅炉,汽轮机,凝汽器,给水泵,锅,炉,汽轮机,发电机,给水泵,凝汽器,朗肯循环,水蒸气卡诺循环有可能实现，,但：,1,）温限小；,2,）膨胀末端,x,太小；,3,）压缩两相物质的困难；,所以，实际并不实行卡诺循环。,水蒸气动力循环系统的简化,（理想化）,锅,炉,汽轮机,发电机,给水泵,凝汽器,1,3,4,2,p,v,1,2,汽轮机,s,膨胀,2,3,凝汽器,p,放热,3,4,给水泵,s,压缩,4,1,锅炉,p,吸热,朗肯循环功和热的,计算,h,s,1,3,2,4,汽轮机作功：,凝汽器中的定压放热量：,水泵绝热压缩耗功：,锅炉中的定压吸热量：,p,1,t,1,p,2,如何提高朗肯循环的热效率,影响热效率的参数？,s,6,5,4,3,2,1,T,49,提高朗肯循环热效率的途径,提高初温、初压；,降低背压。,朗肯循环由于工质的平均吸热温度比循环的最高温度低得多，因而其循环热效率低。火力发电厂都不直接采用上述简单的朗肯循环，而是采用平均吸热温度比较高的回热循环和再热循环,.,再热循环,再热循环，就是指新蒸汽在汽轮机内作了一部分功以后，从汽轮机的某一中间位置（一般为高压缸排汽）全部引出来送到锅炉再热器中再一次进行加热，经再热升高温度后的蒸汽又送回汽轮机的中、低压缸中继续作功，最后成为乏汽。,50,整个再热循环由两个部分叠加而成,一是基本部分，即原来的朗肯循环,1-c-3-4-5-6-1,，另一是因再热而附加的部分，即附加循环,a-2-c-b-a,；,附加循环的热效率与再热时所取的中间压力,p,b,有关。,增多机组的,再热次数,，固然可进一步提高再热循环效率，但因投资过大，反而得不偿失，故一般再热次数不宜超过两次。,51,回热循环,利用从汽轮机内抽出的蒸汽来加热锅炉给水，称为回热。,回热循环也是在朗肯循环基础上，从汽轮机的某些中间部位抽出一部分做过部分功的蒸汽，送入回热加热器中加热，锅炉中水的预热起点温度的提高，使得工质在锅炉内的平均吸热温度也提高，从而使循环热效率提高。,由于技术上无法实现无穷多级，且随着级数的增加，热效率增加的幅度将随之减小，而循环系统的设备投资等费用却随之增加，故实际上只采用有限的几级回热。,52,两级抽汽回热循环,2024年9月27日,53,热电联产,循环,现代凝汽式汽轮机发电厂虽然采用了高参数的抽汽回热循环和再热循环等项措施，但其理想循环热效率仍然没有到达,50,，还有一半多点的热能不起任何有益的作用而散失于环境中。,热电联产循环，是既发电又供热的动力循环。当蒸汽在汽轮机中绝热膨胀作功到达某一规定压力后，即将此乏汽全部引出以供工业或者生活方面使用。,此类供热汽轮机直接以其热用户的用热设备作为自己的凝汽器，称为“背压式汽轮机”。,54,热电联产循环的热经济性,“,热量利用系数”,K,引入“热量利用系数”,K,，综合评价热电联产循环的经济性,热量利用系数的大小，说明工质从热源所吸收到的热量中究竟有多大部分已经得到利用。在理想条件下，,K,值应为,100,。,在热电联产中多采用热电循环，这种动力循环有哪两种基本形式，评价热电循环经济性的指标是什么？,1,）背压式热电循环：排汽压力高于大气压，蒸汽在汽轮机内做功后仍具有一定的压力，提供管路供给热用户作为热源，放热后，凝结水全部或部分流回发电厂。若不考虑各种损失，在理想条件下，燃料放出的热量可全部被利用。所以从总的经济效果来看热电循环要优于郎肯循环。背压式热电循环系统简单，热能利用率高。但具有一个致命的缺点供热和供电相互制约：用户热负荷发生变化时热电厂无法进行调节。,2,）调节抽汽式热电循环：蒸汽在调节抽汽式热轮机内膨胀至一定压力时被抽出，一部分供给热用户，其余部分在汽轮机低压段内继续膨胀作功，乏汽进入凝汽器。这种热电循环的最大优点是能调节供热供电出力，以满足热用户对热、电负荷的不同需求，在冬季可加大供热、夏季相反；其热能利用率介于背压式热电循环好普通郎肯循环之间。,3,）评价热电循环的经济性指标为循环热效率和热能利用率,K,两个指标。,57,调节抽汽式汽轮机,当外界热负荷变动时，可以同时调节供热用的抽汽量和汽轮机总的进汽量，以使发电量保持不变。,动力循环的一般规律,:,动力循环,都是以消耗,热能,为,代价,；以,作功,为,目的,升压是前提,加热是手段,作功是目的,放热是必须,顺序不可变,步骤不可缺,化学平衡常数,是指在一定温度下,可逆反应无论从正反应开始,还是从逆反应开始,也不管反应物起始浓度大小,最后都达到平衡,这时各生成物浓度的化学计量数次幂的乘积除以各反应物浓度的化学计量数次幂的乘积所得的比值是个常数,用,K,表示,这个常数叫化学平衡常数。,对于化学反应,在一定温度下达到化学平衡时，其平衡常数表达式为：,六、考试的应对与复习要点,传热学,概述（什么是传热学）,传热的基本方式,导热,对流换热,辐射换热,传热和换热器,质交换（扩散的基本定律）,考试的应对与复习要点,一、 概述（什么是传热学）,传热学是研究,热量传递过程,规律的科学。,一些传热过程还伴随着由于物质浓度差引起的质量传递，即,传质,过程。,二、 传热的基本方式,导热,、热对流、热辐射,依靠流体的运动，把热量由一处传递到另一处的现象，称为热对流。,对流换热,过程既有热对流作用，亦有导热作用，不是基本传热方式。,三、 导热,单纯的导热一般只发生在密实的固体中。,大平壁导热,是导热的典型问题。,传热学中，常用电学欧姆定律的形式分析热量传递过程中热量与温差的关系。,热阻,导热的关系类比电流通过电阻：,热流,-,电流；,热阻,-,电阻；,温差,-,电势差（电压）,金属的导热，主要是通过自由电子的相互作用和碰撞来实现的。介电体的导热，通过晶格的振动来实现。,导热理论的任务是找出任何,时刻,物体中各处的温度,温度场,。,稳态导热、非稳态导热,傅里叶定律,（,导热基本定律,）,垂直导过等温面的热流密度，正比于该处的温度梯度，方向与温度梯度相反。,傅里叶定律只适用于,各向同性材料。,导热系数,导热系数与,温度,、湿度、压力等因素有关。,气体的导热系数随温度升高而增大,；液体复杂。,金属导热与导电的机理一致，大部分,金属,随温度升高而减小；任何杂质的掺入都会使导热系数减小。大部分,合金,随温度升高而增大。,非金属,材料随温度升高而增大。,各向同性材料、各向异性材料,导热微分方程,（傅里叶定律,+,热力学第一定律）,单值性条件： 几何条件； 物理条件； 时间条件； 边界条件（,3,类）,大平壁导热,非稳态导热（周期性、瞬态）,通过圆筒壁的导热：,临界绝缘直径,在小直径管外采用性能不好的绝热材料，有时反而会使热损失增加。,一般电线的直径都小于临界绝缘直径，其外面的绝缘胶皮更利于电线的散热。,四、 对流换热,流体与固体壁面直接接触时所发生的热量传递过程。,基本计算公式,牛顿冷却公式,。,流动的起因：自然对流、受迫对流。,流态,：层流、紊流。,流体的物性,：比热、导热系数、密度、粘度。,比热与密度大的流体，单位体积能携带更多的热量，所以对流作用传递热量的能力也高。,粘度大，有碍流体流动，而不利于热对流。,液体，粘度随温度升高而降低；气体相反,。,换热表面的几何尺寸、形状及流体的相对位置（外掠、内流）,对流换热微分方程,连续性方程（质量守恒）,动量微分方程（,N-S,方程，描述流体的速度场；动量守恒）,能量微分方程（描述流体的温度场；能量守恒）,边界层,换热,流动边界层、热边界层,雷诺数,惯性力,/,粘滞力,普朗特数,物性准则，把全部流体的属,性作了高度的概括分类。,努谢尔特数,对流换热,/,导热,（假想）,格拉晓夫数 浮升力,/,粘滞力，反映了自然,对流流态对换热的影响。,五、 辐射换热,发射辐射能是各类物质的固有属性，,一切物体只要其温度,T0 K,，都会不断地发射热射线。,辐射换热,不需要中间介质,，与导热和热对流不同。,辐射换热过程伴随着能量形式的两次转换。,热射线：红外线、可见光、紫外线,吸收、反射、透射,黑体、白体、透热体,黑体、白体、透明体都是对全波辐射而言，在一般温度条件下由于可见光只占全波长射线中一小部分，因此物体对外来射线吸收能力的高低，不能凭物体的颜色来判断。白颜色的物体不一定是白体,74,被外界投入到一物体表面上的总辐射能量为,Q,0,，其中被反射的能量为,Q,r,，被物体所吸收的能量为,Q,a,，穿过该物体的能量为,Q,d,。则：,a,= 1,的物体，称为“,黑体,”。,自然界中，烟炱、黑丝绒和雪最接近黑体,r,= 1,的物体，称为“,白体,”。,d,= 1,的物体，称为“,透热体,”。,氧、氮等双原子气体接近于透热体；固体和液态在一般情况下都是不透热的，即,d,= 0,，,a+ r = 1,，这就是说，凡是善于反射的物体一定不善于吸收辐射能；反之亦然。,实际物体的光谱,吸收比对投入辐射的波长有,选择性,。,物体的颜色,玻璃对光的选择透过性（温室效应）,气体的辐射带,气体只能辐射和吸收某一定波长范围内的能量，具有明显的选择性。,固体的辐射和吸收是在很薄的表面层进行，而气体的辐射和吸收是在整个气体容积中进行。,气体吸收定律,光谱吸收比与波长无关的物体，称为,灰体,。,灰体也是一种理想物体！,工业上的辐射传热计算一般都按灰体来处理。,热辐射的基本定律,普朗克定律,普朗克定律揭示了黑体辐射能按照波长分布的规律，它给出黑体单色辐射力与波长和温度的关系。,斯蒂芬,-,玻尔兹曼定律,黑体的辐射力,E,0,与黑体的绝对温度,T,的四次方成正比，即,C,0,称为黑体辐射系数，其值为,5.67 W/(m,2,K,4,),；,称为物体的黑度。,兰贝特定律,黑体的辐射定向辐射强度与方向无关。也就是在半球空间各个方向上的定向辐射强度相等，称为兰贝特定律。,基尔霍夫定律,在热平衡条件下，物体的吸收率等于同温度下该物体的黑度，即,a=,。这就是说,物体的吸收能力愈强，则其辐射能力亦愈强,。,太阳辐射,太阳是一个超高温气团,太阳常数（当地球位于和太阳的平均距离上，在大气层外缘并与太阳射线相垂直的单位表面所接收到的太阳辐射能为,1353W/m,2,）,大气层对太阳辐射的减弱：吸收、散射、反射。,太阳辐射能主要集中在,0.33,m,的波长范围内。因此，在太阳能利用中，作为太阳能吸收器表面材料，要求它对,0.33,m,波长范围的单色吸收率尽可能接近,1,，而对,3,m,波长范围的单色吸收率尽可能接近,0,。选择性表面,六、 传热和换热器,传热的增强和削弱,（强化换热）,换热设备中，常使用肋壁增强换热。,（肋应当加装在,较低的一侧。）,换热器的型式,间壁式换热器,混合式换热器,回热式换热器,80,热量由热流体通过固体壁面传递给冷流体的过程叫做传热过程。单位时间内通过单位面积所传递的热量为：,K,传热系数；,R,0,总热阻；,t,f,1,、,t,f,2,热流体和冷流体的温度（）。,传热与换热器,81,总热阻等于三个局部热阻之和，对于平壁固体壁面有：,强化传热的措施,强化传热可采取减小传热总热阻、增大传热面积以及增加传热温差,T,等措施。,削弱传热的措施,削弱传热必须增大传热总热阻。通常采用增加一附加导热热阻的方法，例如在管道外壁面上敷设热绝缘层来削弱传热。,七、 质交换,浓度差,是发生质交换的推动力。,（,压力差,、,温度差,、质量差）,质交换的两种基本形式,分子扩散,（类似于导热）,对流扩散,（类似于对流换热）,质交换、热交换及动量交换三者在机理上是类似的。,斐克定律,：,扩散速度与物质的,浓度梯度,成正比。,密度,八、考试的应对与复习要点,流体力学与流体机械,概述（什么是流体力学）,流体的主要物理性质,流体静力学,流体运动的基本概念,流体运动微分方程,相似原理,流动阻力和能量损失,泵与风机的性能曲线、选用原则、气蚀现象,一、概述（什么是流体力学）,流体力学研究流体的机械,运动规律,，并运用这些规律解决实际工程问题。,流体：液体、气体。既有共性，又有各自的特性。,流体的流动性：静止时不能承受剪切力，也不能承受拉力。只能承受压力。,没有固定形状，其形状由约束它的边界形状所决定，不同的边界必将产生不同的流动。,边界条件,流体运动时，其内部各质点之间有着复杂的相对运动，因此流体的运动又和它本身的物理力学性质密切相关。,流体力学所要探讨的运动规律，实质上就是要研究,流体的物理性质,和,流动的边界条件,对流体运动所产生的作用和影响。,液体和气体是有差别的：,气体易于压缩；液体不易压缩。,气体一定充满容纳它的空间，没有自由表面；液体可以不充满容器，有自由表面。,连续介质模型,作用于流体上的力：表面力和质量力。,二、流体的主要物理性质,流体的压缩性和膨胀性,一般情况下，液体视为不可压缩流体；气体视为可压缩流体。,密度,流体的粘性,内摩擦力（粘滞力）,流体有粘性才是产生流动阻力原因，如果流体没有粘性，流动时就不会出现阻力。,粘性只有在流体运动时才显示出来,，静止状态的流体，粘性不表现有任何作用。,流体在流动过程中流体层间所产生的剪应力与法向速度梯度成正比，与压力无关。,流体的这一规律与固体表面的摩擦力规律不同。,牛顿内摩擦定律,（动力,粘度,、运动粘度）、,牛顿流体,动力粘度；,运动粘度。,仅与,温度,有关！（,液体,、,气体,）,多数分子结构简单的液体和一般气体都是牛顿流体。,理想流体,（无粘性流体）,质点之间没有切应力作用；,固体表面上流体速度可不等于固体表面的速度；,固体表面上流体温度可不等于固体表面的温度；,质点之间没有热的传输（,无粘性流体必然是无热传导的流体,）。,液体的,表面张力,和毛细管现象,分子力使液体表面尽量缩小。,液体润湿固体（润湿性好），液体在毛细管中液面会上升；若液体不润湿固体（润湿性不好），液体在毛细管中的液面则下降。,三、流体静力学,流体静力学的中心问题是求任一点的压强。,流体中，任一点各方向的静压强均相等,。,帕斯卡原理、,静水压强,基本方程,等压面,绝对压强,、相对压强（,表压,）和,真空度,阿基米德原理,四、流体运动的基本概念,描述流体运动的两种方法,拉格朗日法,：单个质点的运动轨迹（哪个质点？）,欧拉法,：以流体运动的空间作为观察对象。流场,流体力学中广泛采用欧拉法。,流线（质点瞬时速度的切线方向）,流线不能相交；,流线不能是折线，只能是光滑曲线；,流线是对某一瞬时来说的，不同瞬时有不同的流线。,积分形式的方程,：可以给出有限流体与周围物体之间的相互作用，以及边界面处流动参数之间的关系。但无法给出内部各质点的流动细节。,控制体,输运公式,伯努利方程,单位体积流体的压力能、重力势能和动能，在沿流线运动过程中，总和保持不变，即总能量守恒。,微分形式的方程,：微元体分析，获得流动细节。,过流断面：与所有流线正交的横截面。,过流断面不一定是平面。只有在流线都相互平行的地方，过流断面才是平面。,五、流体运动微分方程（微分形式的,动量方程,）,粘性流体运动微分方程,N-S,方程,理想流体运动微分方程,欧拉运动方程,流场可以划分为两个区：边界层区和主流区。边界层区是流体粘性起作用的区域，流体的运动用粘性流体运动微分方程（,N-S,方程）描述；而主流区，速度梯度为,0,，可视为无粘性的理性流体，欧拉方程适用。,连续性微分方程和运动微分方程描述的是流体运动的一般规律，自然界中的一切牛顿流体的流动都满足这一方程组。反映的是流体运动的共性。,每个具体的流动都还有自己的特性,边界条件,与,初始条件,六、相似原理,量纲和谐,原理：凡正确反映客观规律的物理方程，其各项的量纲一定是一致的。（凡正确反映客观规律的物理方程，都可以表示成由无量纲项组成的无量纲方程。）,量纲分析,流动相似：,几何相似,：夹角相等，长度成比例。,运动相似,：速度方向相同，大小成比例。,动力相似,：受同名力作用，方向相同，大小成比例。,边界条件和初始条件相似,相似准则,：几何相似和独立准则成立是实现流体力学相似的必要条件和充分条件。,雷诺准则：,雷诺数,（惯性力与粘滞力之比）,柯西准则：马赫数（惯性力与弹性力之比）,七、流动阻力与能量损失,水头损失,：流过控制体的单位重量流体的平均机械能损失。,水头损失的计算公式,沿程水头损失,（圆管）,局部水头损失,粘性流体的两种流态：,层流,、,紊流,雷诺数,临界雷诺数,（,2000,）,流态的转化过程（,惯性力,/,粘滞力,）,粘性（层流）底层,当量粗糙度,当量管径：水力半径相等,八、泵与风机的性能曲线、选用原则、气蚀现象,泵与风机的性能参数,流量,能头（扬程、风压）,功率,效率,泵与风机的损失与效率：,机械损失,容积损失,水力损失,泵与风机在实际运行中会产生哪几类能量损失？能量损失的主要原因是什么？,1,）水力损失包括局部阻力损失和沿程阻力损失，主要是由于流体流过的部件几何形状、壁面粗糙度及流体粘滞力等引起的损失，还包括机内局部阻力（出口及撞击等）损失；,2,）容积损失是由于机内运动部件和固定部件之间存在缝隙，部分被加压过的气体回流或剩余在气缸中，使泵与风机部分介质被二次加压，容积效率降低，实际流量减少，造成容积损失；,3,）机械损失是由于轴承和轴封、叶轮转动等部位摩擦造成的损失。,管道阻力,：,管道阻力,S,Q,p,串联管道阻力：,管道阻力,S,1,管道阻力,S,2,Q,p,p,1,p,2,并联管道阻力：,管道阻力,S,1,管道阻力,S,2,Q,p,Q,2,Q,1,水泵工作点,：,管路系统特性曲线与水泵特性曲线的交点。,工作点,Q,0,p,1,A点是稳定工况点,D,点处于性能曲线下降段，,是稳定工况点。,E,是不稳定工况点。,管路的性能曲线,泵与风机的工况点,泵与风机的性能曲线：,转速一定的情况下，以流量为自变量,气蚀现象,离心泵的汽蚀现象是指被输送液体由于在输送温度下饱和蒸汽压等于或低于泵入口处,(,实际为叶片入口处的,),的压力而部分汽化，引起泵产生噪音和震动，严重时，泵的流量、压头及效率的显著下降，显然，汽蚀现象是离心泵正常操作所不允许发生的。避免汽蚀现象发生的关键是泵的安装高度要正确，尤其是当输送温度较高的易挥发性液体时，更要注意。,允许吸上真空高度,Hs,是指泵入口处压力,p1,可允许达到的最大真空度。是水泵抗气蚀性能的指标。泵的安装高度受允许吸上真空高度的限制。,水泵气蚀余量有两个概念：,其一是与安装方式有关，称,有效的气蚀余量,NPSHA,，它是指水流经吸入管路到达泵吸入口后所余的高出临界压力能头的那部分能量，是可利用的气蚀余量，属于“用户参数”；,其二是与泵结本身有关，称必需的气蚀余量,NPSHR,，它是流体由泵吸入口至压力最低处的压力降低值，是临界的气蚀余量，属于“厂方参数”。,要确保水泵在运行中不气蚀，必须在安装上保证,NPSHAKNPSHR,，,(K,为安全裕量,),，而后者由制造厂所保证。从这个意义上看，降低水泵气蚀余量的意义在于保证水泵的绝对提水高度，满足使用要求。,泵的选择,确定需要的最大流量，求出需要的最大扬程；,确定水泵的种类和型式；,根据泵的综合性能曲线（高效区）进行初选；,绘制管路工况点，结合泵的性能曲线，找出工况点，进行校核；,查明必须气蚀余量或允许吸上真空高度，核算水泵安装高度。,风机的选择,需要大流量，而大流量泵或风机制造困难或造价太高；,流量需求变化较大，通过停开泵的台数以调节流量；,一台损坏，仍需保证供水，作为检修或事故备用。,相同能头下流量加倍，得到并联机组性能曲线；,并联后单台泵的流量减小了；,并联后流量增加，但并非加倍；,增加的流量与管路特性有关，管路特性曲线很陡时，不宜并联；,增加的流量泵的特性有关，,泵的特性曲线很越陡越适合并联；,随着并联台数增加，每并联上一台泵所增加的流量越小，泵的效率越低，效果越差。,能头小的泵输出的流量很小。,一台高压的泵或风机制造困难或造价太高；,改扩建时，管道阻力加大，需要能头提高。,两台串联工作，能头增加，但并未增加两倍；,流量也增加了；,泵的性能曲线越平坦，串联后增加的能头和流量越大，越适于串联；,两台泵串联时，后一台泵承受的压力较高，选泵时要注意结构强度。,泵与风机的串并联关系类比电池的串并联：,串联提高压力,；,并联增大流量,。,九、考试的应对与复习要点,谢谢观赏,