热工基础与应用 第3版 知识点.docx

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1、热工基础及应用第3版知识点第一章热能转换的基本概念本章要求：1.掌握研究热能转换所涉及的基本概念和术语；2,掌握状态参数及可逆过程 的体积变化功和热量的计算；3,掌握循环的分类与不同循环的热力学指标。知识点：1.热力系统：根据研究问题的需要和某种研究目的，人为划定的一定范围内的研究对象 称为热力系统，简称热力系或系统。热力系可以按热力系与外界的物质和能量交换情况进行 分类。2工质：用来实现能量相互转换的媒介物质称为工质。3 .热力状态：热力系在某瞬时所呈现的宏观物理状态称为热力状态。对于热力学而言，有意义的是平衡状态。其实现条件是：A = 0,A7 = 0,A = 0。4 .状态参数和基本状态

2、参数：描述系统状态的宏观物理量称为热力状态参数，简称状 态参数。状态参数可按与系统所含工质多少有关与否分为广延量（尺度量）参数和强度量状 态参数；按是否可直接测量可分为基本和非基本状态参数。5 .准平衡（准静态）过程和可逆过程：准平衡过程是基于对热力过程的描述而提出的。实现准平衡过程的条件是推动过程进行的不平衡势差要无限小，即ApfO, 0（一, 0 ） O6、热力循环：为了实现连续的能量转换，就必须实施热力循环，即封闭的热力过程。 热力循环按照不同的方法可以分为：可逆循环和不可逆循环；动力循环（正循环）和制冷（热） 循环（逆循环）等。动力循环的能量利用率的热力指标是热效率：7二丛；制冷循环能

3、Qh量利用率的热力学指标是制冷系数： =义。叱）第二章热力学第一定律本章要求：1.深入理解热力学第一定律的实质；2.熟练掌握热力学第一定律的闭口系 统和稳定流动系统的能量方程。知识点：1 .热力学第一定律：是能量转换与守恒定律在涉及热现象的能量转换过程中的应用。 热力学第一定律揭示了能量在传递和转换过程中数量守恒这一实质。2 .闭口系统的热力学第一定律表达式，即热力学第一定律基本表达式：Q =+93.稳定流动系统的能量方程：Q = AH+ 2gAz +叱一分类为间壁式换热器、混合式换热器、回热式（或蓄热式）换热器。按结构可以分类为壳管 式换热器、套管式换热器、肋管式换热器、板式换热器。按流动形

4、式可以分类为顺流、逆流、 复杂流。5 .对数平均温差：换热器中由于冷、热流体沿换热面流动温度发生变化，在利用传热方程进行热计算时必须使用整个传热面上的平均温差对数平均温差A?m o对于逆流和顺流的换热器对数平均温差却可以采用统一的计算式，即：二。1nAi.换热器的热计算：包括设计计算（面积A为未知量）和校核计算（面积A为量）。换 热器的热计算有两种方法：一种是对数平均温差法；另一种是效能-传热单元法1-NTU）。6 .强化传热途径：加大传热温差，以及减小传热面总热阻。第十五章压气机本章要求：1.掌握活塞式和叶轮式两种压气机结构和工作原理；2.掌握对压气机热力过 程的分析和计算。知识点：1 .单

5、级活塞式压气机：等温压缩、多变压缩和等燧压缩过程的耗功各不相同，分析计 算后得到了三种过程耗功的计算式。通过对压缩过程的分析可得叱- 上L7 T2n 0 或孤立系的崎增原理的数学表达式也是热力学第二定律的数学表达式之一。端增原理也适用于控制质量的绝热系，即：d5acl = dSg 0 或ASad=A5g0o第四章理想气体的热力性质和热力过程本章要求：1.掌握理想气体各种热力过程的过程方程和基本状态参数间关系；2.进行 各种热力过程的功量和热量的计算分析，并在p-u图和7-s图对热力过程进行定性分析；3. 掌握理想气体的状态方程；4.掌握理想气体的比热容，正确运用比热容计算理想气体的热 力学能、

6、力和烯。知识点：1 .理想气体的状态方程：pv = RJ 或 匕针对整个系统状态方程可以写为：= 或=气体常数与摩尔气体常数有关系式：R0= M2 .理想气体的比热力学能：仅与温度有关，Aw = cvdT 或 ” =（7。3 .理想气体的比熔：仅与温度有关，A/? = J：CpdT 或 Ah 不）A7O.理想气体的比燧：不但与温度有关，而且与压力或体积有关。如：s = 空-7?o In 或 As = cn In - - In 1，7. PiTA5 .理想气体的混合物：为研究理想气体混合物而引入的两模型是分压力模型与分体积模型, 从而有道尔顿分压力定律和亚美格分体积定律。利用理想气体混合物的成分

7、可以求解折合的 摩尔结果、气体常数、比热力学能、比焰和比焙。6 .理想气体的多变过程：p/ =定值。第五章蒸气的热力性质和热力过程本章要求：1.掌握蒸气的热力性质特点，能正确熟练利用蒸气热力性质图、表进行蒸气 热力性质的计算；2.掌握蒸气热力过程分析计算的步骤，能正确使用蒸气热力性质图、表进 行蒸气热力过程的分析计算。知识点：1 .蒸气的热力性质：可以归纳为一点、二线、三区、五状态。一点：临界状态点，仅 随工质而异；二线：饱和蒸气线（上界线）和饱和液线（下界线）；三区：未饱和液区、湿 蒸气区和过热蒸气区；五状态：未饱和液、饱和液、湿蒸气、饱和蒸气和过热蒸气。2 .蒸气热力性质图表：根据蒸气五种

8、状态的计算特点，蒸气热力性质表分为饱和液和 饱和蒸气表，未饱和液和过热蒸气表。用于定性分析的蒸气热力性质图是QU和图，用 于定量计算的水蒸气热力性质图是万一5图。3 .蒸气热力过程分析：借助蒸气热力性质图表分析蒸气的热力过程，利用第一定律的 能量方程和第二定律的燧增原理进行能量传递与转换的分析计算和过程的不可逆性的分析 计算。第六章湿空气本章要求：1 ,掌握湿空气的状态参数；2.湿空气的基本热力过程分析计算。知识点：1 .湿空气的热力性质：湿空气是干空气和水蒸气的混合物，湿空气的状态参数有露点 温度、相对湿度、含湿量（比湿度）和比焰。湿空气的状态参数可以用解析法求取，也可以 用焰-湿图求取。2

9、 .湿空气的热力过程：湿空气热力过程多为几种基本热力过程的组合，湿空气的基本 热力过程有：加热与冷却过程、冷却去湿过程和绝热加湿过程。湿空气的热力过程的求解, 无论是基本热力过程，还是其他热力过程，依据的基本定律就是质量守恒定律和热力学第一 定律。第七章热量传递的三种基本方式简介本章要求：1 ,掌握热量传递三种基本方式的概念、特点与基本计算式；2,掌握热导率、 外表传热系数与发射率的概念；3.了解复合传热与传热过程的概念。知识点：1 .传热定义及基本传递方式：传热是由于温差引起的热量转移过程，它有三种不同的 基本传递方式：热传导、热对流与热辐射。2 .热传导、热对流与热辐射的基本概念及其传热量

10、的基本计算公式：当物体内有温 度差或两个不同温度的物体直接接触时，在物体各局部之间不发生相对位移的情况下， 依靠物质微粒（分子、原子或自由电子等）的热运动而产生的热量传递现象称为热传导， 简称导热，导热传热量用傅立叶导热定律进行计算；流体中，温度不同的各局部之间发 生相对位移时所引起的热量传递现象叫热对流，简称对流。工程上特别感兴趣的是流体 流过固体壁面时发生的对流和导热联合作用的热量传递过程，称为对流传热，对流传热量 用牛顿冷却公式计算。物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射，物体因为热的原因而 发出辐射能的现象称为热辐射。3 .复合传热基本概念：对流与辐射同时存在的传热过程称为复合传热。4

11、 .辐射传热外表传热系数：= hrAt o5,传热过程基本概念：热量由固体壁一侧的热流体通过固体壁传递给另一侧冷流体的 过程，叫做传热过程。第八章导热的基本定律及稳态导热本章要求：L掌握傅里叶导热定律；2.掌握三维直角坐标导热微分方程；3.掌握温度 场的求解，通过平壁和圆筒壁的稳态导热计算公式；4.掌握热阻概念及其应用；5.掌握肋 片导热特点与套管式温度计测量误差分析。知识点：&.傅里叶定律：导热的基本定律，片一2一。傅里叶定律是联系导热体的温度场与热流 dn场之间的桥梁。dt材科的导热微分方程为:1 .导热微分方程：揭示导热体内温度分布规律的基本方程，直角坐标系中常物性各向同性二 7 7 7

12、 dr qc (次 dy2 dz)2 .导热微分方程的边界条件：包括第一类、第二类和第三类边界条件。3 .典型的一维稳态导热问题的温度场与热流场求解：通过求解导热微分方程与定解条件（初 始条件与边界条件）获得导热体的温度分布，再利用傅里叶定律，即可获得热流场，包括无 限大平壁、无限长圆筒壁与等截面直肋的温度场与热流场的求解思路。4 .肋片导热及应用：肋片导热与大平壁与圆筒壁导热不同，在热量传递方向上，导热量处 处不守恒，包括肋片的温度变化、套管式温度计测量的误差与如何提高测量精度。第九章非稳态导热本章要求：1.掌握简单形状物体的非稳态问题工程计算方法；2.掌握集总参数法。知识点：1 .非稳态导

13、热问题的特点：物体内各点的温度随时间而变；在非稳态导热热量传递的 路径中，每一个与热流方向垂直的截面上的热流量处处不等。2 . 一维非稳态导热过程分析求解及诺谟图：非稳态导热问题分析解计算复杂繁琐，工 程上通常使用图线进行计算。图线是在满足工程计算准确度要求的条件下，事先按 照分析解计算出有关数值，然后将这些数值以特征数为变量画出，这些图线称为诺 谟图。3 .集总参数法：忽略物体内部导热热阻的非稳态导热问题的研究方法称为集总参数 法，在历数比拟小的情况下的一种近似求解非稳态导热问题的有效方法。4 .时间常数：定义为pcV/（hA）,具有时间工的量纲。时间常数在工程上具有重要应用, 反映了流体温

14、度变化响应快慢的指标。5 .毕渥准那么数：Bi=hB/2,分子是厚度为5的平壁内的导热热阻，分母那么是壁面外的 对流传热热阻，应具有比照热阻的物理意义。6 .傅里叶准那么数：Fo=ar/d分子是时间，分母也具有时间的量纲，它反映热扰动透 过导热体的时间，F。具有比照时间的物理意义。第十章导热问题的数值求解基础本章要求：1.了解导热问题数值求解的基本思想；2. 了解利用热平衡法建立稳态导热 问题的内节点与边界节点的离散方程。知识点：1 .导热问题数值求解的基本思想：把原来在时间、空间坐标系中连续的物理量场，如 导热物体的温度场，用有限个离散点上的值的集合来代替；通过求解按一定方法建立起来的 关于

15、这些值的代数方程，获得离散点上被求物理量的值。这些离散点上被求物理量值的集合 称为该物理量的数值解。2 .节点、步长、元体（控制容积）：为了数值计算，必须首先将求解区域离散化，选取 离散点，可以用一系列与坐标轴平行的网格线把求解区域划分成许多子区域，网格线交点就 是所选取的需要确定温度值的离散点，称为节点。相邻两节点间的距离称为步长。每一个节 点都可以看成是以它为中心的一个小区域的代表，它由相邻两节点连线的中垂线构成，称节 点所代表的小区域为元体（又叫控制容积）。3 .节点方程：关于节点上物理量的代数方程称为节点有限差分方程，简称节点方程。4 .热平衡法：对任一元体，根据能量守恒定律写出热平衡

16、式，建立节点的有限差分方 程。第十一章对流传热本章要求：1.掌握影响对流传热的各种因素与各种对流传热过程的基本特点；2,掌握边 界层概念、准那么数及准那么方程式的意义和应用；3.掌握选用合适的准那么方程进行强制对流传 热和自然对流传热的计算；4.了解有相变的对流传热的基本特征及主要影响因素。知识点：1 .影响对流传热外表传热系数的主要因素：对流传热是流体流过固体壁面时的热量传递， 它是由流体宏观位移的热对流和流体分子间微观的导热构成的复杂的热量传递过程。因此, 影响对流传热外表传热系数的因素不外乎是影响流动的因素及流体本身的热物理性质，包括 流动的起因，流动的速度与形态，流体有无相变，传热面的

17、几何形状和大小及位置，流体的 热物理性质等。2 .局部外表传热系数与流体温度场的关系：% = o A人/人，=o3边界层理论：流场可以划分为边界层区和主流区。流动边界层内速度发生剧烈变化，速度 梯度很大，是发生动量扩散（粘性作用）的主要区域，主流区的流体可以近似当作理想流体。 热边界层内温度梯度很大，温度发生剧烈变化，是发生热量扩散的主要区域，热边界层之外 的温度梯度可以忽略。流动边界层厚度和热边界层厚度与壁面特征尺度相比均是一个小量。hiv r/cn.对流换热特征数：努塞尔数，Nu = ；普朗特数，Pr = = U,动量扩散和热量 2a2扩散的度量；雷诺数，Re = 皿，惯性力和粘性力的度量

18、；格拉晓夫数，Gr=avgAtl3/v反映自然对流传热现象中浮升力与粘性力相对大小。4 .特征数方程式：用特征数表示的函数关系式称为特征数方程式，采用实验研究方法，通 过引入特征数以及特征数方程式，可以大大降低实验次数而又获得具有通用性的结果。5 .管槽内部流动、纵掠平板、横掠单管与管束间强制对流的通用实验关联式：即， Nu = f（Re.Pr）.6 .大空间自然对流传热的实验关联式：Nu = f（Gr,Pr）。7 .膜状冷凝和珠状冷凝：如果凝结液体能很好地润湿壁面，它就在壁面上形成一层完整的 膜，称为膜状凝结。如果凝结液体不能很好地润湿壁面，凝结液在壁面上形成一个个的小液 珠，而不形成连续的

19、液膜，这种凝结称为珠状凝结。一般来说，珠状冷凝外表传热系数大于 膜状冷凝。8 .大容器饱和沸腾曲线：当液体与壁面温度超过其饱和温度的壁面接触时，随着壁面温度 的升高，就会发生沸腾传热。实验说明，大容器内，随着加热面温度几与相应压力下的液 体饱和温度人之差小（称为过热度）的增加，会出现四个传热规律全然不同的区域。9 .相变传热强化基本原理：尽量减薄液膜层厚度是强化膜状凝结的基本原理，如果能拉薄 外表液膜或加速液膜排出，那么能强化凝结传热，反之，如果使液膜增厚，凝结外表传热系数 将降低。沸腾传热机理与气泡动力学相关，强化沸腾传热的基本原理是尽量增加加热面上的 汽化核心，产生更多的汽泡，并让汽泡长大

20、并离开加热面，通常可在加热面上进行外表结构 改造到达强化沸腾传热的目的。第十二章辐射传热本章要求：L掌握斯忒藩-玻耳兹曼定律与基尔霍夫定律；2.掌握黑体、灰体、有效 辐射、投入辐射、角系数、遮热板的基本概念；3.掌握两个灰体外表之间的辐射传热计算; 4. 了解气体辐射的基本特点。知识点：1 .黑体：黑体的吸收比。=1,这意味着黑体能吸收各种波长的辐射能，黑体在热辐射 分析中有其特殊的重要性，尽管在自然界中并不存在黑体，但可人工制造出十分接近于黑体 的模型。处理实际物体辐射的思路是：先讨论黑体辐射的基本定律，在此基础上，找出实际 物体辐射与黑体辐射的偏差，从而确定必要的修正系数。2 .斯忒藩-玻

21、耳兹曼定律，数学表达式为鲸=。斯忒藩-玻耳兹曼定律将物体辐射 力与温度联系起来。3 .灰体：在热辐射理论中，把光谱吸收比利与波长无关，即=。=常数的物体称为灰体。4 .基尔霍夫定律：在热平衡条件下，任何物体的辐射力与它对来自黑体辐射的吸收比 的比值，恒等于同温下黑体的辐射力。显然，这个比值只与热平衡温度有关，而与物体本身 性质无关。基尔霍夫定律将物体吸收比与发射率联系起来。5 .角系数：把外表1发出的辐射能落在外表2上的百分数称为外表1对外表2的角系 数，记为乂,2。角系数具有三个基本特性，角系数的相对性：4X2=4X2i；角系数的完整性：X,. + xz. 2 + X. y+ += Y xt

22、 j = 1 ；角系数的分解性： j=l , T2+3）=2+*O6 .有效辐射和投入辐射：把单位时间内离开单位外表积的总辐射能称为该外表的，记 为J；而把单位时间内投射到单位外表积上的总能量称为该外表的投入辐射，记为G。7 .空间辐射热阻和外表辐射热阻：空间辐射热阻的数学表达式为1/（4乂1.2），完全取决于几何条件；外表辐射热阻为（1-弓）/（句4）,它是因外表不是黑体而产生的热阻，即取 决于外表因素。8 .黑体外表之间的辐射换热量：叫2=殳汉。9.两个灰体外表组成的封闭系统的辐射换热量：$2Ebi 一一1 811-AX,282 A210.遮热板：工程上有时需要削弱辐射传热或隔绝辐射的影响

23、，如果辐射外表的尺度、 温度和黑度又无法改变，这时可在辐射外表之间放置发射率很小的薄板来到达目的。这种薄板起着遮盖辐射热的作用，称为遮热板。在两块大平行平板间插入块发射率相同的遮热板（薄金属板）时的辐射传热热流量，为无遮热板时的辐射传热热流量的1/5 + 1）。第十三章喷管和扩压管本章要求：1.掌握变截面短管内可逆的一维稳定流动分析得到的管道截面面积变化率、 流体马赫数及流速变化率的特征方程；2.对不同马赫数时的特征方程进行分析，得到不同管 道中流体状态参数变化和管道截面面积的变化规律;3.掌握渐缩喷管和缩放喷管的流速和流 量计算，以及喷管的设计计算和校核计算；4.掌握工程中常见的渐扩扩压管的

24、分析方法以及 绝热滞止过程和滞止参数等基本概念。知识点：1 .喷管：喷管是用于增加气体或蒸气流速的变截面短管，在叶轮式动力机中，热能向机械 能的转换是在喷管中实现的。当气流的Ma0,那么必须使dA0,沿流动方向 上流道截面逐渐减小（dAvO）的喷管称为渐缩喷管；当流体的时，要使dcO,那么dAO, 这种喷管称为渐扩喷管。为使施从诙71,在压差足够大的条件下，应 采用由渐缩喷管和渐扩喷管组合而成的缩放喷管，该管又称拉伐尔喷管。在缩放喷管中，最 小截面即喉部截面处的流速是施=1的声速流动。该截面是痴的 超声速流动转折点，称为临界截面。临界截面上的状态参数称为临界参数，用下标cr表示, 如：临界压力

25、Per，临界温度7cr,临界比体积Ver临界流速CCr，等等。2 .声速和马赫数：理想气体声速为ca = 7=kRJ ,气体的声速与气体的热力状态 有关，气体的状态不同，声速也不同。在气体的流动过程中，气体的热力状态发生变化，声 速也要变化。因此，声速是状态参数，即当地（某截面处）热力状态下的声速，又称当地声速；马赫数是气体在某截面处的流速与该处声速之比，用表示，即例=,根据的大小，流动可分为亚声速流动（施1）。3 .临界压比：临界截面上的气体压力”与进口（初速压力0之比称为临界压比，由于K =,仅取决于气体热力性质，因此临界压比心是仅与气体热力性质有关的参数。气体一定，其临界压比一定。4 .

26、喷管计算：包括设计计算和校核计算。喷管设计计算的原那么为：当庄2 %时，选择减 P。缩喷管；当压,时，选择缩放喷管。喷管的校核计算时，需要通过判断确定喷管出口的 Po压力，计算喷管出口参数、流速、质量流量等。5 .喷管的选型原那么：在喷管的设计中，的是喷管进口的气体参数0, Th a，质量流 量如和喷管出口外界的压力一一背压外。设计的目的在于充分利用喷管进口压力和背压所 造成的压差pi-b，使气体在喷管中膨胀加速、压力下降，一直到其出口压力2等于背压b， 从而到达使气流的技术功完全转变为气流动能的目的。由于喷管的形状对气体的流动有制约 作用，所以选型是喷管设计首先要考虑的问题。当Pb/piNV

27、cr时，应选择渐缩喷管；当pjpi 时，应选择缩放喷管。6 .速度系数,喷管效率和能量损失系数。：工程中常用速度系数夕，喷管效率或能量损失系数：来度量实际出口流速下降和动能的减少，即：0=2；1 M1 2127/v -彳-； G j-(p o一 C；-c；22.7 .扩压管：与喷管中的热力过程相反，在工程实际中还有另一种情况，即高速气流进入变 截面短管中时，气流的速度降低，而压力升高，这种能使气流压力升高而速度降低的变截面 短管称为扩压管，扩压管在叶轮式压气机中得到应用。8 .滞止参数：对于任意速度不为零的气体，被固体壁面所阻滞或经扩压管后其速度降低为 零的过程称为滞止过程。滞止过程与外界无热

28、交换，故为绝热滞止。在不考虑气体黏性摩阻 的条件下，绝热滞止为定焙滞止过程。气流速度滞止为零时的状态称为滞止状态，其状态参 数称为滞止参数，用下标0表示。第十四章 换热器及其热计算本章要求：1.掌握传热过程和传热方程；2.掌握不同壁面传热系数的计算；3.掌握换热 器热设计的基本方法；4. 了解强化传热和削弱传热的措施与方法。知识点： 1.换热器传热计算三个基本方程：传热方程=kAAtm ,热平衡方程 9mle1（4 T l）= 9m2c2（，2 - 12）。2,传热系数：表征传热过程强烈程度的物理量，传热过程越强，传热系数越大，反之那么越小。通过平壁传热的传热系数为：k = -一-；通过圆筒壁的传热系数为：1 o 111h、 2 h2k =!d. d.y d2 1 hd 22 d, h 2.肋效率和肋面总效率：肋片实际散热热流量与假定整个肋片外表处于肋基温度下的理想 散热热流量之比称为肋效率。肋面总效率定义为肋侧外表总的实际散热热流量与肋壁侧温度 均为肋基温度的理想散热热流量之比。3 .换热器分类：换热器可以按照工作原理、结构和流动方式等进行分类。按工作原理可以