热工基础课程总结.pdf

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1、热工基础学习总结热工基础学习总结摘要：本文就热工基础这门课程的学习进行了以下三方面的总结。第一：说明这门课程的研究目的和研究方法；第二：简单总结各章节的主要内容和知识框架体系； 第三：从个人角度论述一下学习这门课程的心得体会及意见。关键词：热力学传热学循环正文：自然界蕴藏着丰富的能源，大部分能源是以热能的形式或者转换为热能的形式予以利用。 因此，人们从自然界获得的的能源主要是热能。为了更好地直接利用热能，必须研究热量的传递规律。1 1 热工基础的研究目的和研究方法热工基础的研究目的和研究方法1.1 研究目的热的利用方式主要有直接利用和间接利用两种。 前者如利用热能加热、蒸煮、冶炼、供暖等直接用

2、热量为人们服务。后者如通过个证热机把热能转化为机械能或者其他形式的能量供生产和生活使用。能量的转换和传递是能量利用中的核心问题， 而热工基础正是基于实际应用而用来研究能量传递和转换的科学。传热学就是研究热量传递过程规律的学科， 为了更好地间接利用热能，必须研究热能和其他能量形式间相互转换的规律。 工程热力学就是研究热能与机械能间相互转换的规律及方法的学科。 由工程热力学和传热学共同构成的热工学理论基础就是主要研究热能在工程上有效利用的规律和方法的学科。作为一门基于实际应用而产生的学科， 其最终还是要回归到实际的应用中，这样一来，就要加强对典型的热工设备的学习和掌握。1.2 研究方法热力学的研究

3、方法有两种：宏观研究方法和微观研究方法。 宏观研究方法是以热力学第一定律和热力学第二定律等基本定律为基础，针对具体问题采用抽象、概括、理想化简化处理的方法，抽出共性，突出本质。建立合适的物理模型通过推理得出可靠和普遍适用的公式，解决热力过程中的实际问题。微观研究方法是从物质的微观基础上，应用统计学方法，将宏观物理量解释为微观量的统计平均值，从而解释热现象的本质。传热学的研究方法主要有理论分析， 数值模拟和实验研究。理论分析是依据基本定律对热传递现象进行分析， 建立合适的物理模型和数学模型， 用数学分析方法求解； 对于难以用理论分析法求解的问题，可采用数值计算和计算机求解； 对于复杂的传热学问题

4、无法用上述两种方法求解时，必须采用实验研究方法， 实验研究法是传热学最基本的研究方法。2 2 主要章节内容总结主要章节内容总结2.1 基本概念（热力学基础知识）热力系统：根据某种研究目的认为地划定的研究对象。 按照热力系统和外界的物质和能量交换情况进行分类。 常用的热力系统有开口系统、闭口系统、绝热系统和孤立系统。工质：实现能量转换的媒介物质。如水蒸气，液态水，空气等都是常用的工质热力系统某一瞬间呈现的宏观物理状态称为热力学状态。 用于描述工质所处状态的宏观物理量称为状态参量。基本状态参量有压力、温度和比体积。平衡态具有确定的状态参数。 准静态过程是实际过程进行的足够缓慢的极限情况。 实现准静

5、态过程的条件是推动过程进行的不平衡势差无限小。可逆过程与准静态过程的差别就在于无耗散损失。 一个可逆过程必须同时是准静态过程，但准静态过程不一定可逆。2.2 热力学第一定律热力学第一定律阐述了能量间相互转换的数量关系。 本质是能量在转换过程中守恒，但依赖于物质的形态变化。热力学第一定律应用于闭口系统的能量方程是：Q U W热力学第一定律应用于稳流系时的能量关系式即为稳流系能量方程。其表达式也有以下几种形式，它们的使用条件也不同：（1）q h wt或Q H Wt(适用条件：任意工质、任何过程)（2）q h-vdp或Q H 1Vdp（适用条件：任意工质、可逆过程）（3）q cpT -vdp或Q m

6、cpT -1Vdp（适用条件：理想气体、可逆过程）2.3 理想气体的性质与热力性质理想气体的状态方程的基本形式为 PV=nRT气体常数 Rg 是随工质而异的常数，工质一定，其值是一个确定的常数，摩尔气体常数是与工质无关的常数。22二者的关系为：Rg=R/M理想气体的比热容有真实比热容、 平均比热容、平均比热容直线关系式及定值比热容。可根据精度要求选用。理想气体混合物仍具有理想气体的一切特性， 利用理想气体混合物的成分可以求解折合气体常数和折合摩尔质量。在理想气体的热力过程部分主要讨论了4 个典型基本过程， 即定容过程、定压过程、定温过程、定熵过程以及具有一般意义的多变过程。前4 种过程中总有一

7、个状态参数保持不变；对于多变过程，则过程中所有的状态参数都在变。关于过程方程，应记住基本方程pvn const，可认为理想气体在可逆过程中都遵循该关系式。多变指数n 的取值范围为从 0 之间的任一实数， 所以该过程方程适用于所有的可逆过程。 而 4 种基本热力过程则是所有可逆多变过程中的几个特例，根据过程特点分别为定容过程： n=，定压过程： n=0，定温过程：n=1，定熵过程：n=，所以 4 种基本热力过程的过程方程不需要死记硬背就可以推出。用来压缩空气或其他气体的设备称为压气机。 活塞式压气机绝热压缩耗功最多，定温压缩最少，多变压缩介于两者之间，所以应尽量减少压缩过程中的多变参数， 使压缩

8、过程更接近于定温过程。 但实际的活塞式压气机的余隙容积是不可避免的， 余隙容积的存在，虽然对理论耗功没有影响，但使容积效率随压力比增大而减少。 为了避免单级压缩因增压比大而影响容积效率，常采用多级压缩级间冷却的方法。2.4 热力学第二定律热力学第二定律典型的说法是克劳修斯的说法和开尔文的说法。虽然两者在表述上不同，但实质是相同的，具有等效性。热力学第二定律的数学表达式可归纳为以下几种：（1）卡诺定理ttc ,c ,c（2）克劳修斯积分不等式QTr0QTr（3）由克劳修斯积分不等式推出dS（4）熵方程S = dSfQTr Sg Sf Sg（5）孤立系熵增原理Siso Sg0熵是非常重要的状态参数

9、，由可逆过程熵的定义式，得可逆过程熵变的基本计算公式为SQT上式可用于任意物质熵变的计算。 但针对不同的工质，在结合该种工质热力性质的条件下，所推出的熵变计算公式不同。2.5 实际气体的性质及热力学一般关系式实际气体由于距液态较近， 构成气体的微观粒子间的作用力不容忽略，因而不能作为理想气体处理。实际气体偏离理想气体的程度， 通常采用压缩因子或压缩系数 Z表示，Z=，是状态函数，值与偏离越远，越表明这时的实际气体与理想气体的偏差越大。 值的大小取决于气体种类、温度及压力。目前研究实际气体热力性质的方法有以下两种：（）利用实际气体的状态方程， 状态方程种类繁多，其中范德瓦尔方程最具代表意义。目前

10、随着状态方程精度的提高， 这种方法获得相当精确的结果。但状态方程往往也很复杂，因而难以通过解析法求解。通常可利用状态方程做成图表形式，以供查看。（）依据对比态原理， 利用压缩因子对理想气体状态方程计算的结果进行修正，这种方法突出的优点在于通用性好， 适用于任何气体。由于对比态只是一个近似的原理， 因而这种方法计算结果精度不高，但在气体热力性质资料缺乏的情况下，这种方法较为简便，而且一般能够满足工程中的精度要求。对于简单可压缩系，热力学中的状态参数主要有两个独立变量。依据热力学第一、第二定律及其参数的特性，导出了适用于任何工质的熵，热力学能和焓的一般关系式。 同时提出了亥姆赫兹函数和吉布斯函数，

11、其物理含义分别是：亥姆赫兹函数表示可逆过程外界对系统所做的膨胀功； 吉布斯函数表示可逆定温过程中系统对外所做的技术功。2.6 水蒸气和湿空气水蒸气由液态水经汽化产生， 它离液态较近；湿空气是指含有水蒸气的空气。这两种气体其性质较为复杂， 因而不能作为理想气体来处理。工业和生活中所用的水蒸气通常是在定压条件下对水加热产生的，水蒸气在定压情况下的产生过程表示在 P-V 图和 T-S图，可概括为：一点（临界点） 、两线（饱和水线和饱和蒸汽线） 、三区（未饱和水区、湿蒸汽区和过热蒸汽区）及五态（未饱和水、饱和水、湿蒸气、干饱和蒸汽和过热蒸汽） 。由于水蒸气复杂的热力性质，工程计算中通常采用一种简易方法

12、，即利用水蒸气的热力性质图、 表来确定其状态并进行热力过程的功量、热量的计算。湿空气是一种由氮气、 氧气等气体和水蒸气所组成的一种混合气体，其热力性质可通过一系列的概念来描述，如水蒸气的分压力、饱和压力、相对湿度、含湿量、比焓等。工业中存在两种典型的湿空气热力过程分别是冷却去湿过程和加热吸湿过程， 有时可能是几种热力过程的结合。湿空气的热力计算通常也采用图表的简易算法， 最常用的水蒸气热力性质图是 h-d 图。2.7 动力装置循环将热能转换成机械能的设备称为热机。 根据循环介质不同热机主要分为两种形式：蒸汽动力装置和气体动力装置。实际循环都是复杂的不可逆的， 为使分析简化，通常将实际循环抽象概

13、括成可逆的理论循环， 通过理论循环分析，找出影响循环效率的因素，从而获得提高热效率的有效措施。郎肯循环是基本的蒸气动力循环，通过理论循环的热力学分析，得出提高循环的热效率主要有两种途径： 一是改变循环初参数，即提高蒸气的初压、初温及降低乏汽压力；二是改变循环的方式，即采用回热、再热循环及热电联产。前者在改变参数的同时受到设备投资、运行等各种条件的限制，因此实际中通常两种途径配合采用。活塞式内燃机循环和燃气轮机是典型的两种气体动力循环， 前者根据工质不同可分为煤气机、 汽油机和柴油机；根据循环方式不同又可分为混合加热循环、定压加热循环和定容加热循环。通过柴油机的理论循环分析得出结论， 提高循环的

14、压缩比、定容增压比及降低定压预账比均可提高循环的热效率。 燃气轮机也是一种以空气和燃气为工质的动力装置， 通过理论循环分析可知， 循环的热效率取决于循环增压比，而且随循环增压比的增大而提高， 与循环增温比无关。2.8 制冷循环制冷循环是一种不完全逆向卡诺循环， 它通过消耗机械能或外界驱动热源实现了热量从低温物体向高温物体的传递， 是一种重要的热力循环。评价制冷循环的性能指标主要是制冷系数和热力完善度。 制冷系数表示循环获得的制冷量与所消耗的代价之比， 热力完善度表示实际制冷循环接近于可逆卡诺循环的程度。蒸气压缩制冷循环依靠相变潜热来制冷， 单位质量制冷剂的制冷量较大，因而应用最为广泛。吸收式制

15、冷由于不消耗电能，以热能来驱动，故在电力紧张而余热丰富的场合尤为适用。热电制冷循环是一种利用温差热电效应的制冷方式， 突出优点在于无污染、无噪音，但其效率低，故一般用于小容量小体积的场合。热泵循环也是逆向循环， 其不同于制冷循环之处在于热泵循环的目的在于向高温热源释放能量。 由于热泵装置的供暖系数永远大于1，故在节能方面优于其他供热方式。 但热泵循环的上限温度为被加热物体的温度，下限温度为环境温度，因而它的应用会受到一定限制。2.9 热量传递的基本方式在物体内部或相互接触 物体表面之间，由于分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递现象称为热传导 （简称导热） 。热对流是指由于流体

16、的宏观运动时温度不同的流体相对位移而产生的热量传递现象。由于物体内部微观粒子的热运动（或者说由于物体自身的温度）而使物体向外发射辐射能的现象称为热辐射。热辐射相对于导热和对流具有以下特点：（1）热辐射总是伴随着热能与辐射能这两种能量形式之间的相互转化。（2）热辐射不需要中介，可以在真空中传播。（3）物体间以热辐射的方式进行的热量传递是双向的。2.10 导热在某一时刻 t，物体内所有各点的温度分布称为温度在 t 时刻的温度场在温度场中，温度沿法线方向的温度变化率（偏导数）称为温度梯度。对于物性参数不随方向变化的各向同性物体， 傅里叶定律的数学表达式为q qgradtn ntn在直角坐标系中，导热

17、微分方程式的一般表达式为 t2t2t2tc x2c y2 z2它建立了导热过程中物体的温度随时间和空间变化的函数关系。导热微分方程和单值性条件一起构成了具体导热过程完整的数学描述。热阻，是根据热量传递规律与电学中欧姆定律的类比得出的，“热流相当于电流，温差相当于电位差，热阻相当于电阻。根据电阻串、并联的原理，应用热阻网络图能够使计算多层物体及复合体的导热问题变得简单。但需要特别注意的是: 热阻网络分析只适用于无内热源、定壁温的一维稳态导热问题，对于其他一维稳态导热、非稳态导热及多维导热问题均不适用。在非稳态导热问题中，物体内的温度场不仅随空间变化，而且还是时间的函数，求解方法有集总参数法、数值

18、解法、分析解法或诺谟图法等。集总参数法是本章非稳态导热问题的重点， 使用时应注意以下几点：（1） 只有满足 Bi0.1 或 BiV0.1M 条件的非稳态导热问题，才可以用集总参数法求解；（2）一般情况下，BiBiV（只有无限大平壁相等） ；（3）如果用 Bi 作为判别条件， 定型尺寸 L 为从绝热面到对流换热表面的垂直距离（两面换热的无限大平壁：壁厚的一半；单面换热的无限大平壁：整个壁厚；无限长圆柱体和球：半径） ；（4）如果用 BiV 作为判别条件，定型尺寸 L=V/A； exp(BiVFoV)（5）如果用式0计算温度场，注意 BiV 和 FoV 中L=V/A 。计算从 0到时刻通过物体传热

19、表面传递的总热量Q 用以下公式Q0d0hAd0hAhA0exp cVdcVhAhA0 1exphAcVcV01exphAcV 2.11 对流换热对流传热的基本概念已经在前面介绍，这里不再重复。影响对流传热的因素很多而又复杂， 归纳起来主要有流体运动发生的原因，流体运动的状态，流体的性质及换热面的形状、位置尺寸等方面。对流换热系数 集中反映了放热过程中的一切复杂因素， 能反应对流换热的程度，但它不能简化对流换热问题的计算。相似原理是一种能使试验布置及实验数据综合处理的理论， 主要有三个核心内容。一是物理现象相似的性质；凡是彼此相似的现象，它们的同名相似准则必定相等。这解决了实验中测量什么量的问题

20、。二是相似准则间的关系，物理现象中的物理量不是单个起作用的， 而是由其组成的准则起作用， 它解决了实验数据如何整理的问题。三是判断相似的条件：凡同类现象，如单值条件相似，且同名准则相等，则准则必定相似， 它解决了实际工程如何模拟实验，实验结果能否应用到实际工程中的问题。2.12 辐射换热物体对外界辐射来的热量具有吸收、 反射和透射的能力。分别用吸收比、反射比和透射比反映物体相应能力的大小。黑体（=1） 、白体（=1）和透明体（=1）都是假想的理想物体。辐射力 E： 单位时间内、单位辐射面积向其上半球空间所发射的全波长的辐射能总量(能流密度)有效辐射 J：单位时间离开单位表面的总辐射能。包括自身

21、辐射的能量和反射辐射能量。角系数： 表面 1 发出的辐射能中落到表面 2 上的能量与表面 1 发出的总辐射能的比值称为表面 1 对表面 2 的角系数，记为 X1, 2。同理也可定义表面 2 对表面 1 的角系数 X2, 1。在两个漫灰表面温度均匀、发射率均匀、反射率均匀、投射辐射也均匀的条件下，角系数为一个纯几何参数，它仅与物体的形状、大小、距离和位置有关。角系数具有相对性（又称互换性） ；完整性和分解性。角系数可利用角系数定义直接判断，也可用积分法、查曲线图、或代数法（利用角系数特性和已知角系数求解）等方式获得，要求重点掌握利用角系数定义直接判断、查曲线图和代数法。热阻网络图：画辐射换热热阻

22、网络图（热路图）的原则：对于黑体，表面热阻为 0，对于灰体，表面热阻0；任意两表面间辐射换热都有空间热阻。所以两黑体辐射换热热阻网络图只有一个空间热阻；两灰体辐射换热热阻网络图各有一个表面热阻， 还有一个空间热阻（如图 11.16） ；一个黑体和一个灰体辐射换热热阻网络图有一个空间热阻，另在灰体表面还有一个表面热阻。遮热板：在两辐射表面之间放置黑度很小的薄板来遮挡辐射热，称为遮热板。未加遮热板时，两个物体间的辐射热阻为两个表面辐射热阻和一个空间辐射热阻。加了遮热板后，在不考虑遮热板导热热阻的情况下，将增加两个表面辐射热阻和一个空间辐射热阻 （遮热板本身的导热热阻忽略不计） 。因此总的辐射热阻增

23、加，物体间的辐射传热量减少。这就是遮热板的工作原理。 如果遮热板表面的性质与原辐射物体表面的性质相同， 则在两块大平行平板间插入 n 块发射率相同的遮热板（薄金属板）时的辐射传热热流量为无遮热板时辐射传热热流量的1/(n 1)。规律：遮热板黑度越小，表面热阻越大，遮热效果越好。2.13 传热过程与换热器实现冷热流体间热量交换的设备称为换热器， 流体在换热器中所进行的传热过程往往是导热、对流、辐射换热 3 种方式共同作用的复合传热过程。处理这类复合传热问题的有效方法是采用热阻分析方法， 并从中找出主导换热方式。 然后把次要的换热方式归纳到主导传热方式中加以考虑，或者忽略不计。换热器种类繁多，按其

24、工作原理，可分为混合式、蓄热式及间壁式，其中间壁式应用最为广泛。换热器的计算方法主要有两种， 即对数平均温差法和效能传热单元数法，它们既可以用于换热器的设计计算， 也可以用于换热器的校验计算。考虑到对数平均温差法用于校验时需要复杂的试算过程，相比之下，效能传热单元数法显得更为方便。3 3 心得体会心得体会通过对热工基础的学习，并与之前物理学专业课程相比较， 发现一些既相通又相异的互相联系的方法和思想， 这些方法和思想对于我从理科向工科的观念转变大有裨益。第一：两者学科构建目的不同。物理学专业课程侧重在对整个物理学科整体框架的理解和构建， 讲究的是理论的完整性， 细节排布的紧密性，公式定理推导的

25、严密性。是为以后从事与物理相关的工作打基础，面面俱到但不深入。 有时为了引出一个定理，要做长篇的冗长的理论推导，环环相扣，缺一不可。因而对我们的数学功底，逻辑思维及性格都有很高的要求。热工基础侧重于知识在实际工程中的应用， 更看重知识整体的宏观性，并不特别在意那些在工程中作用甚微的环节， 所以有的时候公式定理的推导给出并不是很连贯， 要不就是由某些基础学科的结论直接给出，要不就是由实际的经验给出一些参数， 至于其深层的物理原理，则不是热工基础课程要研究的内容。其典型代表就是以 Bi 数、Fo 数、Gr 数、j 因子、Nu 数、Pr 数、Re 数、St 数为代表的相似准则数在传热学中对流传热中的

26、提出和应用。 我们在实际的应用中只要知其然，有时未必用知其所以然。热工基础源于物理学，是其在工程中的综合应用，一门课程包括了力学、热学、统计物理、量子力学等课程内容。而门类界限不是那么清晰，是根据应用需要而展开的。比如在传热学的章节中，既有类似于牛顿力学得出的热传导的傅里叶定律， 也有用量子力学等推导得出的热辐射规律。还有牛顿流体概念的提出，更是牛顿力学的相似利用，或者说本质就是牛顿力学，只不过是换上了传热学实用的外衣，焕发了第二春。至于说质量守恒定律、 动量守恒定律和能量守恒定律在解决热传导问题时的应用。 更是将自然界放之四海而皆准的守恒律在工程中的完美应用。还有熵、火用、火无这三个典型概念

27、的提出及应用分析，集直观性， 精辟性， 实用性于一身， 其他如技术功、 过程功更是如此。都是在理论的基础上大大地增加了其实用性。第二：两者学科思想不同。整个物理学课程学下来，见证了一部恢宏壮丽的物理学史，每一部分都是那么的紧凑，来不得半点马虎，尤其是理论模型的建立和认识，更是凝聚了无数科学家的智慧和心血，反过来促进了物理学的发展。热工基础课程是因其在工程中的应用而建立的， 重在其用。故而就不如前者那么显得完美，感觉像拼凑在一起的。至于说理论模型更是在实际应用的基础上进行简化， 有时未必真实，但是在应用上有与生俱来的优势， 正是哲学上抓住主要矛盾， 忽略次要矛盾的完美诠释。根据能量和质量的流动对

28、系统的分类过程中， 现实中系统不能简单的归于某种情况（严格的说闭口系、开口系、绝热系、孤立系是不存在的） ，只是根据实际过程中的弛豫时间，取其主要效果归于某个系统模型，然后用模型检验实际系统，再进行适当修正。再比如热力过程中的可逆过程，循环过程中的卡诺循环等等都是类似的情况。 既是在工程应用中误差允许的范围内， 对实际问题进行简化，然后进行适当修正。然而正是根据这些定义中的理想， 应用中的趋近模型和过程， 制造或改进了各种动力循环装置， 在现实中发挥了举足轻重的作用， 大大地加速了工业革命的进程，提高了经济社会效益。第三： 两者在计算方面的要求不同。 物理学课程重在公式的推导，以加强对整个学科

29、的理解。 推导过程中用到的大部分是字母形式的变量， 而不是具体数值。 简而言之， 没有太多的涉及到具体数值的计算。最典型的就是理论力学里面问题的推导，基本上自始至终都是字母，很少涉及具体数值，有的也是为数不多的物理学常数。而热工基础大部分计算都是以数值的直接带入计算为主， 因为实际中的应用太复杂，对我们直接进行数值计算的细心程度要求很高。另外，由于实际应用的复杂，如何在复杂的应用中抓住主要的环节，进行模型的简化和近似，也是计算能力的一部分。整体而言，热工基础对于我们的计算能力的要求还是很高的。 如各种气体在各种条件下的比热容等各种性质参数， 都是根据实际测量得出的，而在计算中直接带入。还有各种

30、物质的热力学性质也是没有现成的规律可循，有的只是前人在实验基础上得出的具体近似值。 还有一类是以坐标图的形式给出的。 一句话，大部分的参数都要带入具体数据，算出最后所要求解的数值才有其在工程上的意义。第四：两者用到的辅助工具不同。因为物理学课程的基础性，全面性，对我们而言，基本上一支笔一张纸，运用传统的学习方式就能将其掌握。当然还要进行一些实验的操作和学习。而热工基础就不同了，由于实际应用的复杂，传统的一支笔一张纸已经不能满足了， 必须借助计算机等大型计算工具进行模型的建立和计算。另外还要借助一些软件进行必要的模拟和计算。 如热传导问题的数值解法， 单相对流传热中的相似原理和量纲分析就要借助计算机软件进行建模计算。这样的例子在工程中甚为常见。归根结底，我们学这些知识最终都要用于实际。 所以我们不光要掌握书本上的原理，还要熟悉实际应用中的相关设备。 如本课程涉及到的各种动力循环设备，不能只为了学而学，要为了用而学。做一个既有扎实理论基础，又善于动手，熟知各种设备内部构造的全面发展的工程型人才。【参考文献】热工基础（电力热力设备运行专业） 唐莉萍中国电力出版社 2004热工基础（大机械系列） 于秋红 北京大学出版社 2009热工学基础（建筑设备类） 余宁中国建筑工业出版社 2012传热学 杨世铭 陶文栓高等教育出版社 2012工程热力学 沈维道 童钧耕高等教育出版社 2012