工程热力学(1)

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1、工程热力学研究对象：工程热力学研究对象：工程热力学基本内容：工程热力学基本内容：1 1）基本概念和定律；）基本概念和定律；2 2）工质的性质和过程；）工质的性质和过程；3 3）工程应用。）工程应用。工程热力学方法：工程热力学方法：1 1）宏观方法：）宏观方法：(宏观热力学或经典热力学宏观热力学或经典热力学)2 2）微观方法：）微观方法：(微观热力学或统计热力学微观热力学或统计热力学)蒸发器q2压缩机q1w冷凝器膨胀阀 1234QW膨胀中的燃气系统的边界流动中的工质系统的边界工质流入工质流出QW系统边界开口系统 QW膨胀中的燃气系统的边界冷源QW把冷源包括在内的绝热系统孤立系统内两物体间的热传递

2、边界系统T2T1QBA三、热力学平衡态三、热力学平衡态 1、热力学平衡态概念四、热力学状态参数四、热力学状态参数1、状态参数概念及特性、状态参数概念及特性1）状态参数概念）状态参数概念：描述系统宏观特性的物理量。：描述系统宏观特性的物理量。常用的热力学状态参数：压力（压强）常用的热力学状态参数：压力（压强）p、温度、温度T、容积、容积V、内能内能U、焓、焓H和熵和熵S。2）状态参数的特性：）状态参数的特性：热力学状态参数的数值由热力学系统的状态唯一确定。热力学状态参数的数值由热力学系统的状态唯一确定。热力学系统状态变化时，若变化的初态和终态是确定的，热力学系统状态变化时，若变化的初态和终态是确

3、定的，则系统的各状态参数变化量也是确定的。则系统的各状态参数变化量也是确定的。系统的状态参数按其特性可分为两类：尺度量（系统的状态参数按其特性可分为两类：尺度量（V、U、H、S）和强度量（）和强度量（p、T、v、s、u、h）。）。2）状态参数的充要条件）状态参数的充要条件 状态参数是系统状态的单值函数或点函数，状态状态参数是系统状态的单值函数或点函数，状态参数的微元变量是全微分。参数的微元变量是全微分。功和热量是过程量功和热量是过程量，不仅与初、终状态参数有关，不仅与初、终状态参数有关，还与过程有关。还与过程有关。2、常见的状态参数和基本热力学状态参数、常见的状态参数和基本热力学状态参数强度量

4、强度量尺度量尺度量压力、温度压力、温度体积、热力学能、焓、熵体积、热力学能、焓、熵基本参数基本参数导出参数导出参数压力、温度、体积压力、温度、体积热力学能、焓、熵热力学能、焓、熵相对压力相对压力绝对压力绝对压力系统真实压力（是状态参数）系统真实压力（是状态参数）系统相对与大气压力的系统相对与大气压力的数值（不是状态参数）数值（不是状态参数）P Pg g=P=PP Pb bP Pv v=P Pb b P P 当当P Pg gP Pb b时，取时，取P Pb b=0.1=0.1 温度的数值表示法温度的数值表示法经验温标经验温标根据测温物质物性变化作为温标。根据测温物质物性变化作为温标。建立在热力学

5、第二定律基础上建立在热力学第二定律基础上单位：开尔文（单位：开尔文（K K）热力学温标热力学温标t(t(C)=T(K)-273.15C)=T(K)-273.153m3mkgm/3mVv v1mUu pvuhmpvmumhH 2、常见的不可逆因素、常见的不可逆因素 1）耗散效应：）耗散效应：通过摩擦使功转变为热的现象。通过摩擦使功转变为热的现象。特点：特点：功可以通过摩擦自发地（无条件地和全部功可以通过摩擦自发地（无条件地和全部地）转变为热地）转变为热，而热不可能自发的转变为功。，而热不可能自发的转变为功。2）有限温差下的热传递：）有限温差下的热传递：热可以自发的从高温热可以自发的从高温物体传到

6、低温物体，而不可能自发的从低温物体物体传到低温物体，而不可能自发的从低温物体传到高温物体。传到高温物体。隔板3）自由膨胀：）自由膨胀：膨胀功：膨胀功：工质在膨胀时，作工质在膨胀时，作用在移动边界上的压力。用在移动边界上的压力。自由膨胀：自由膨胀：当移动边界上的当移动边界上的压力为零，则膨胀功为零。压力为零，则膨胀功为零。4）不同工质的混合：）不同工质的混合：隔板3 3、可逆过程的概念及判别、可逆过程的概念及判别可逆过程：可逆过程：系统进行了一个过程后，如系统和外系统进行了一个过程后，如系统和外界均能恢复到各自的初态，则这样的过程称为可界均能恢复到各自的初态，则这样的过程称为可逆过程。逆过程。判

7、别：判别：凡是包含不可逆因素的过程，均为不可逆凡是包含不可逆因素的过程，均为不可逆过程；而不包含任何不可逆因素过程的才是可逆过程；而不包含任何不可逆因素过程的才是可逆过程。过程。4 4、可逆过程与准静态过程的关系、可逆过程与准静态过程的关系 可逆过程必定是准静态过程，准静态过程不可逆过程必定是准静态过程，准静态过程不一定可逆。一定可逆。第二节第二节 热力学第一定律热力学第一定律 一、热力学第一定律的实质及内容一、热力学第一定律的实质及内容 1、热力学第一定律的实质、热力学第一定律的实质 能量守恒与能量转换定律在热力学中的应用。能量守恒与能量转换定律在热力学中的应用。第一定律的表达：第一定律的表

8、达：输入系统的能量输入系统的能量系统输出的能量系统输出的能量=系统储存系统储存能量的变化量能量的变化量能量的类型：能量的类型：传递中的能量传递中的能量-功和热量功和热量-过程量过程量 储存的能量储存的能量-内部和外部状态参数决定内部和外部状态参数决定-状态量状态量 热力学第一定律又可表述为热力学第一定律又可表述为“第一类永动机是造第一类永动机是造不成的不成的。”2、热力学第一定律的内容、热力学第一定律的内容 1）封闭系统的热力学第一定律）封闭系统的热力学第一定律QW热源 功源WUQUWQ?wuq单位质量工质单位质量工质dwdudq微元过程微元过程吸热 0q放热 0q内能增加 0u内能减少 0u

9、系统对外作功 0w外界对系统作功 0w其中其中U=UU=U2 2-U-U1 1 第三节第三节 热力学第二定律热力学第二定律 1）开尔文说法）开尔文说法 “不可能从单一热源吸取热量使之完全变成有用不可能从单一热源吸取热量使之完全变成有用的功，而不产生其它的变化。的功，而不产生其它的变化。”它表明了热能和机械能相互转换时的方向性。即：它表明了热能和机械能相互转换时的方向性。即：机械能可以通过摩擦自发地全部转换为热能，而热机械能可以通过摩擦自发地全部转换为热能，而热能不能自发地全部转换为机械能。能不能自发地全部转换为机械能。第二类永动机：第二类永动机：从单一热源吸热使之完全变为功而不从单一热源吸热使

10、之完全变为功而不留下任何影响。留下任何影响。Q1Q2w 工质在热机循环中要实现将热能转换为机械能，至少要有两个热源，因此热效率不可能达到100%。W=Q1-Q2 2）克劳修斯说法）克劳修斯说法 “不可能把热量从低温物体传到高温物体，而不可能把热量从低温物体传到高温物体，而不产生其它变化。不产生其它变化。”它表明了热量传递的方向性。它表明了热量传递的方向性。即：热量能自发即：热量能自发地从高温物体传向低温物体，也能够在有其它变化地从高温物体传向低温物体，也能够在有其它变化（比如功变热）的条件下从低温物体传向高温物体。（比如功变热）的条件下从低温物体传向高温物体。Q1Q2W3）两种说法的的等价性）

11、两种说法的的等价性1.违反克劳修斯说法必然违反开尔文说法Q1Q2wW=Q1-Q2Q22.违反开尔文说法必然违反克劳修斯说法Q1Q2wQW=QQ1=W+Q2=Q+Q2 假定热假定热量能自动地量能自动地从低温源传从低温源传到高温源，到高温源，则单热机也则单热机也能造成。能造成。非非自发传热自发传热自发传热自发传热高温物体高温物体低温物体低温物体 热传导热传导 热功转换热功转换完全完全功功不不完全完全热热 自然界一切与热现象有关的实际宏观过程都是自然界一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的不可逆的 .热力学第二定律的实质热力学第二定律的实质无序无序有序有序自发自发第三节第三节 水蒸气水蒸气 一、

12、水蒸气的基本概念水蒸气水蒸气在空气中含量极小，当作在空气中含量极小，当作理想气体理想气体一般情况下，为一般情况下，为实际气体实际气体。1818世纪，蒸气机的发明，是唯一工质。世纪，蒸气机的发明，是唯一工质。直到内燃机发明，才有燃气工质。直到内燃机发明，才有燃气工质。目前仍是火力发电、核电、供暖、化工的工质。目前仍是火力发电、核电、供暖、化工的工质。优点优点:便宜，易得，无毒，便宜，易得，无毒，膨胀性能好，传热性能好。膨胀性能好，传热性能好。是其它实际气体的代表。是其它实际气体的代表。1 1、饱和温度与饱和压力、饱和温度与饱和压力物质三种聚集状态：固态、液态、气态水的三态：冰、水、水蒸气 水的汽

13、化速度取决于水的温度，当水温不变时，单位时间从水面飞出的分子数目不变。水蒸气液化的速度取决于汽空间水蒸气的压力。饱和状态：达到一定状态时，汽化与液化这两种方向相反的过程就会达到动态的平衡。饱和温度：饱和状态时汽、液的温度相同，此时的温度称为饱和温度。饱和压力：饱和状态时水蒸气的压力称为饱和压力。对应于某一定的饱和温度，必有一定的饱和压力。对应于某一定的饱和温度，必有一定的饱和压力。2 2、蒸发与沸腾、蒸发与沸腾 蒸发：只通过液体表面进行的汽化，蒸发可在任何蒸发：只通过液体表面进行的汽化，蒸发可在任何温度下进行。温度下进行。沸腾：在液体内部和表面同时进行的汽化，沸腾只有沸腾：在液体内部和表面同时

14、进行的汽化，沸腾只有在液体的温度达到液体压力所对应的饱和温度时才进在液体的温度达到液体压力所对应的饱和温度时才进行。行。即只有水温等于水的压力下的饱和温度时，水才即只有水温等于水的压力下的饱和温度时，水才可能沸腾。可能沸腾。3 3、水蒸气的状态参数、水蒸气的状态参数 水蒸气等实际气体不水蒸气等实际气体不能用理想气体状态方能用理想气体状态方程来描述，其内能不程来描述，其内能不仅与温度有关，还与仅与温度有关，还与比容有关。比容有关。故水蒸气的热力参数故水蒸气的热力参数多采用图表法表示。多采用图表法表示。二、二、水的定压汽化过程及其特点水的定压汽化过程及其特点1、水的定压汽化过程、水的定压汽化过程t

15、 tsv vv=vv=vv v v未饱和水未饱和水饱和水饱和水 饱和湿蒸汽饱和湿蒸汽 饱和干蒸汽饱和干蒸汽 过热蒸汽过热蒸汽h hh=hh=hh h hs ss=ss=ss s s水预热水预热汽化汽化过热过热cpcTcTABCACBcTTcTT cppcpp3a3b3d3e3c3a3b3d3e3c2c2a2b2d2e2c2a2b2d2e1c1a1b1d1e1c1a1b1d1eTs2、水蒸气的、水蒸气的p-v图和图和T-s图图pvcp一点，二线，三区，五态一点，二线，三区，五态一点一点两线两线三区三区五态五态一点一点物质的临界点物质的临界点两线两线饱和蒸汽状态连线（上界限线）饱和蒸汽状态连线（上

16、界限线）饱和液体状态连线（下界限线）饱和液体状态连线（下界限线）三区三区汽态区：上界限线与临界等温线上段右侧区域汽态区：上界限线与临界等温线上段右侧区域液态区：下界限线与临界等温线上段左侧区域液态区：下界限线与临界等温线上段左侧区域 湿蒸汽区：上、下界限线之间的锺罩形区域湿蒸汽区：上、下界限线之间的锺罩形区域 五态五态过热蒸汽过热蒸汽：一定压力下，温度高于对应饱和温度的蒸汽。一定压力下，温度高于对应饱和温度的蒸汽。或者说：一定温度下，压力低于饱和蒸汽压的蒸汽。或者说：一定温度下，压力低于饱和蒸汽压的蒸汽。饱和蒸汽：饱和蒸汽：一定压力下，温度等于对应饱和温度的蒸汽。一定压力下，温度等于对应饱和温

17、度的蒸汽。或者说：一定温度下，压力等于饱和蒸汽压的蒸汽。或者说：一定温度下，压力等于饱和蒸汽压的蒸汽。湿蒸汽：湿蒸汽：饱和蒸汽与饱和液体的机械混合物。饱和蒸汽与饱和液体的机械混合物。饱和液体：饱和液体：一定压力下，温度等于对应饱和温度的液体。一定压力下，温度等于对应饱和温度的液体。或者说：一定温度下，压力等于饱和蒸汽压的液体。或者说：一定温度下，压力等于饱和蒸汽压的液体。未饱和液体：未饱和液体：一定压力下，温度低于对应饱和温度的液体。一定压力下，温度低于对应饱和温度的液体。或者说：一定温度下，压力高于饱和蒸汽压的液体。或者说：一定温度下，压力高于饱和蒸汽压的液体。临界点临界点coc3c22.1

18、29MPa647.30K (374.15 C)m0.00326kgpTv水的水的临界临界点状点状态态饱和液线与饱和气线的交点饱和液线与饱和气线的交点气液两相共存的气液两相共存的pmax,Tmax临临界界点点第四节第四节 压缩机的热力过程压缩机的热力过程 一、活塞式压缩机的工作原理和示功图一、活塞式压缩机的工作原理和示功图空气进口空气进口排入空气瓶中排入空气瓶中主要部件：主要部件：1、活塞、活塞 2、气缸、气缸 3、滤清器、滤清器 4、吸、吸、排气阀排气阀 5、散热肋片、散热肋片pVPb空气瓶压力4123V0单级活塞式压缩机示功图p21V1-V4V04VVs3工作过程工作过程1、吸气过程4-12

19、、压缩过程1-23、排气过程2-34、余隙容积内压缩空气的膨胀过程3-4图中图中2-32-3和和4-14-1不是状态变不是状态变化，而是表示气缸内气体化，而是表示气缸内气体质量的变化。质量的变化。二、单级活塞式压缩机所消耗的机械功二、单级活塞式压缩机所消耗的机械功单级理想压缩机p-V图 p2pp10V2”V21V22”62v43255 5”V1定温多变绝热1 1、定压吸气过程、定压吸气过程4-14-1：气体的压力气体的压力、温度和比容均未变化。气缸中气、温度和比容均未变化。气缸中气体容积的增加是由于进入气缸中的体容积的增加是由于进入气缸中的气体质量增加。气体质量增加。2 2、压缩过程、压缩过程

20、1-21-2：分为：分为定温压缩定温压缩1-1-22、绝热压缩绝热压缩1-2”1-2”和和多变压缩多变压缩1-21-2三种情况三种情况。3 3、定压排气过程、定压排气过程2-32-3（或（或2-32-3、2”-32”-3）：）：与定压吸气一样，气体的与定压吸气一样，气体的状态不变，气缸中气体容积的减小状态不变，气缸中气体容积的减小是气体不断排入空气瓶的结果。是气体不断排入空气瓶的结果。对压缩机而言，示功图对压缩机而言，示功图 p-V p-V 图所包围的面积表示压缩机图所包围的面积表示压缩机的耗功，从的耗功，从 p-Vp-V图可以看出图可以看出定温压缩耗功最少定温压缩耗功最少，而，而绝热压缩所绝

21、热压缩所消耗的机械功最大消耗的机械功最大。因此对压缩机应加强冷却，不仅减少耗功。因此对压缩机应加强冷却，不仅减少耗功，而且保证润滑条件。，而且保证润滑条件。三、压缩机的容积效率及其影响因素三、压缩机的容积效率及其影响因素有余隙容积压缩机示功图p21V1-V4V04VVs31、有余隙容积存在时，对、有余隙容积存在时，对 Wc 及供气量及供气量的影响的影响nnncppVVpnnW112411,)(1)(1有余隙容积时，压缩机耗功有余隙容积时，压缩机耗功 式中，式中，V V1 1-V-V4 4=mv=mv1 1,m,m为有余隙容积时时为有余隙容积时时进入气缸的气体质量。进入气缸的气体质量。可见，有余

22、隙容积存在时，压缩机供气量减少了，可见，有余隙容积存在时，压缩机供气量减少了，从而消耗的功也减少了。从而消耗的功也减少了。有余隙容积压缩机示功图p21V1-V4V04VVs3nnncncppvpnnmWW11211,)(11压缩压缩1kg 1kg 气体所消耗的功为：气体所消耗的功为：无余隙容积时，压缩无余隙容积时，压缩1kg 1kg 气体所消耗的功为气体所消耗的功为：nnncppvpnnW11211,)(11 有余隙容积和无余隙有余隙容积和无余隙容积时，压缩相同质量容积时，压缩相同质量 气气体所消耗的功是相同的体所消耗的功是相同的。可见，余隙容积对压缩机耗功没有影响。但可见，余隙容积对压缩机耗

23、功没有影响。但余隙容积的存在余隙容积的存在使压缩机吸气量减少，活塞往复次数增多，仍增加了摩擦功的消使压缩机吸气量减少，活塞往复次数增多，仍增加了摩擦功的消耗，故余隙容积不能过大。耗，故余隙容积不能过大。2 2、容积效率：、容积效率：p21V1-V4V04VVs3svVVV41容积效率：容积效率：有效吸气体积与气缸工作体积之比。有效吸气体积：有效吸气体积：V1-V4气缸工作体积：气缸工作体积：Vs=V1-V0nppVVVV1120403)(nsssvppVVVVVVVVVV1120400141)(11111)(111120nnsppVV 增大时，容积效率降低；提高时，容积效率也降低。容积效率：容

24、积效率：)1(11nVsVV012pp称为压缩机的余隙比 称为压缩机的增压比3）对于压力较高的情况，一般采用双级压缩和中间冷却。VsV0VpV吸p2pb3421增压比对容积效率的影响243P2 3”(2”)P2”3 3、相同的余隙容积，增压比对容积效率的影响、相同的余隙容积，增压比对容积效率的影响1）V吸，v，当增加到某一数值时，V吸=0，v=0。2）当 ，p2 ，压缩终温t2，为保证润滑，要求 t2 160C，7,=2-6 。1 1、工作原理及简图、工作原理及简图双级活塞式压缩机示意图 冷却水四、多级活塞式压缩机四、多级活塞式压缩机p30p2p1134252多变过程定温线332 2、双级活塞

25、式理想压缩机、双级活塞式理想压缩机 p-V p-V 图图双级压缩省功省功而且压缩终压缩终温较低温较低，有利于润滑。单级压缩：面积012340双级压缩：面积0122340pV双级活塞式压缩机p-V图0-10-1为低压缸吸气过程；为低压缸吸气过程；1-21-2为低压缸多变压缩过程；为低压缸多变压缩过程；2-52-5为低压缸排气过程；为低压缸排气过程；5-25-2为高压缸吸气过程；为高压缸吸气过程；2-32-3为高压缸多变压缩过为高压缸多变压缩过程；程；3-43-4为高压缸排气过程。为高压缸排气过程。nnmnnmnHcnLcncppvpppvpnnwww12221111,)(1)(11压缩压缩1kg

26、1kg气体所消耗的功气体所消耗的功当中间压力Pm为 时，压缩机所消耗的机械功最小。这个中间压力Pm称为双级压缩的最佳中间压力。21pppm1221ppppppmm耗功最小，则两级增压比应相同，这个增压比称为最佳增压比。m级压缩，最佳增压比为mmmmmmpppppppppp11112312第五节第五节 气体动力循环气体动力循环气体动力循环：气体动力循环：用空气和燃气作为工质而进行工作的循环。用空气和燃气作为工质而进行工作的循环。按结构按结构活塞式活塞式叶轮式叶轮式小型汽车，摩托小型汽车，摩托中、大型汽车，火车，轮船中、大型汽车，火车，轮船移动电站移动电站汽油机汽油机点燃式，压燃式点燃式，压燃式汽

27、车，摩托，小型轮船汽车，摩托，小型轮船按燃料按燃料航空，大型轮船，移动电站航空，大型轮船，移动电站柴油机柴油机煤油机煤油机航空航空按点燃方式：按点燃方式：按冲程数：按冲程数：二冲程，四冲程二冲程，四冲程一、内燃机的实际循环和理想循环。一、内燃机的实际循环和理想循环。1 1、往复式内燃机的实际工作循环、往复式内燃机的实际工作循环12301 吸空气吸空气pV一般一般n=1.341.37柴油自燃柴油自燃t=335p02012 多变压缩多变压缩p2=35MPat2=6008002 喷柴油喷柴油2 开始燃烧开始燃烧23 迅速燃烧，近似迅速燃烧，近似Vp59MPa工质放热多于吸热工质放热多于吸热4 45

28、53 344 边喷油，边膨胀边喷油，边膨胀1 12 23 3p pV Vp p0 011220 0t t4 4可达可达17001700180018004 4 停止喷柴油停止喷柴油4 455 多变膨胀多变膨胀V V近似近似 膨胀膨胀p pp p5 5=0.3=0.30.5MPa0.5MPat t5 5 5005005 511 开阀排气，开阀排气，降压降压1100 活塞推排气活塞推排气,完成循环完成循环2 2、往复式内燃机的理想工作循环、往复式内燃机的理想工作循环 该循环由于兼有定容和定压加热过程，所以称为该循环由于兼有定容和定压加热过程，所以称为“”，也称，也称“”。二、影响循环热效率的主要因素

29、二、影响循环热效率的主要因素1 1、混合加热理想循环的热效率及其影响因素、混合加热理想循环的热效率及其影响因素吸热量吸热量1v32p43qcTTcTT放热量放热量(取绝对值）取绝对值）2v51qcTT热效率热效率512t1324311TTqqTTTT 压缩比压缩比：21vv定容升压比定容升压比：23pp定容加热量越大，升压比越大。定容加热量越大，升压比越大。定压预胀比定压预胀比：34vv表示绝热膨胀前工质的膨胀程度，表示绝热膨胀前工质的膨胀程度，定压加热量越大，预膨比越大。定压加热量越大，预膨比越大。112112112)(TTvvTT1-2为绝热过程为绝热过程2-3为定容过程为定容过程1123

30、2323TTTppTT3-4为定压过程为定压过程4-5为绝热过程为绝热过程11343434TTTvvTT11213411415445)()()()(vvvvvvvvTT1111145)()(TTTT将其代入热效率表达式，有将其代入热效率表达式，有)1()1(1111t可见：可见：t const,const,t,const,由图可见，由图可见，、Tm1，所以热效率所以热效率t。2 2、定容加热理想循环的热效率及其影响因素、定容加热理想循环的热效率及其影响因素 在汽油机中，在压缩终了时，汽油与空气的混合物被火花塞点在汽油机中，在压缩终了时，汽油与空气的混合物被火花塞点火而迅速燃烧，此时活塞位移极小

31、，故可近似认为是定容燃烧。火而迅速燃烧，此时活塞位移极小，故可近似认为是定容燃烧。111111111t t可见：可见：3 3、定压加热理想循环的热效率及其影响因素、定压加热理想循环的热效率及其影响因素 早期柴油机转速低，燃料一边燃烧一边膨胀，整个燃烧过程中早期柴油机转速低，燃料一边燃烧一边膨胀，整个燃烧过程中气缸内的压力变化不大，可近似的认为是定压燃烧过程。气缸内的压力变化不大，可近似的认为是定压燃烧过程。t11111 t,c可见：可见：t,c三、提高循环热效率的途径三、提高循环热效率的途径 1 1、提高压缩比：、提高压缩比：在在加热量不变加热量不变的情况下，混合加热循的情况下，混合加热循环的

32、热效率随压缩比的增加而增大。环的热效率随压缩比的增加而增大。压缩比相同，吸热量相同时三种理想循压缩比相同，吸热量相同时三种理想循环的比较环的比较：pmvqqqtvtmtppmvTTT混合加热循环压缩比过大，热效率增加不明显，且内燃机部混合加热循环压缩比过大，热效率增加不明显，且内燃机部件受力较大，故压缩比一般为件受力较大，故压缩比一般为12-2212-22。2 2、增加定容加热量、减少定压加热量：、增加定容加热量、减少定压加热量：在在压缩比和总单位质量加热量压缩比和总单位质量加热量不变的不变的情况下，增加定容加热量、减少定压加热情况下，增加定容加热量、减少定压加热量，可提高混合加热理想循环的热

33、效率。量，可提高混合加热理想循环的热效率。但实际混合循环中当定容升压比增加但实际混合循环中当定容升压比增加时，会增大循环的最高压力和温度，容易时，会增大循环的最高压力和温度，容易导致燃料导致燃料爆燃爆燃，影响内燃机使用寿命。，影响内燃机使用寿命。循环循环p pmaxmax、T Tmaxmax相同时的比较相同时的比较 222pmvqqq或或vmpTTT222vmpqqq221t,t,t,pmvvmpTTT111第二章第二章 传热学传热学 传热学传热学是研究在是研究在温差的作用下的热能传递温差的作用下的热能传递的规律。而的规律。而热热力学力学是研究是研究热能与其他形式能量之间的相互转换热能与其他形

34、式能量之间的相互转换的规律。的规律。第一节第一节 换热过程换热过程 传热学研究的内容：传热学研究的内容：不同条件下热传递系统内部温度分不同条件下热传递系统内部温度分布的规律；与温度相关的热流密度；传递给定热量所需的布的规律；与温度相关的热流密度；传递给定热量所需的时间。时间。Q),(zyxft稳态温度场稳态温度场非稳态温度场非稳态温度场),(zyxft),(zyxft2)2)、用用grad grad t t表示。它是在等温面法线方向上表示。它是在等温面法线方向上单位长度的温度增量单位长度的温度增量,它是一个矢量它是一个矢量,指向温度增大的方向指向温度增大的方向ntnttgradn0lim热流的

35、方向与温度梯度方向相反热流的方向与温度梯度方向相反3)3)WAgradtQ4)4)2/mWgradtq)/(Kmwgradtq2、牛顿冷却公式：WttAQfwAQq2/mWttfwKmWtq2固体壁面温度与流体温度之间温差的绝对值；热流密度，约定恒取正值；对流换热系数,简称换热系数,单位为（）。2 2）影响换热系数的因素）影响换热系数的因素A、流体流动的动力因素强迫对流自然对流无流体微团的横向脉动，法线方向为导热流体冷、热部分的密度差产生的浮升力引起，无整齐的宏观运动，浮升力的大小是决定因素。B B、流体流动的状态层流紊流过渡状态外力迫使流体产生运动，有整齐的宏观运动，流速是决定因素。有流体微

36、团的横向脉动C、流体的热物性导热系数、比热容c、动力粘度、密度D、换热壁面的热状态（壁温的大小）有相变无相变壁温高于流体饱和温度，发生汽化沸腾现象对流换热系数比有相变时小得多E、换热壁面的几何因素换热壁面的形状、大小以及相对于流动方向的位置都会引起换热系数的变化。1 1）热辐射的本质）热辐射的本质 物体中的原子内部，处于束缚态的电子从高能态能级向低能态物体中的原子内部，处于束缚态的电子从高能态能级向低能态能级跃迁时，能级跃迁时，由于电子跃迁所释放的能量就以交替变化的电磁波向由于电子跃迁所释放的能量就以交替变化的电磁波向四周放射出去，这种能量就叫做辐射能。四周放射出去，这种能量就叫做辐射能。辐射

37、能是原子内部复杂激动的结果。物体的温度只要高于绝对辐射能是原子内部复杂激动的结果。物体的温度只要高于绝对零度，它便不可避免地发射出辐射能，物体的温度愈高则发射的辐零度，它便不可避免地发射出辐射能，物体的温度愈高则发射的辐射能量愈多。射能量愈多。热辐射是不依赖任何介质、用电磁波来传递热能的一种热传热辐射是不依赖任何介质、用电磁波来传递热能的一种热传递方式，辐射换热是可以在真空中以光速进行的热传递过程。递方式，辐射换热是可以在真空中以光速进行的热传递过程。根据不同波长范围的电磁波效应和用途，分为宇宙射线、射线、x射线、紫外线、可见光、红外线和无线电波等。热射线的波长主要位于0.4-100m的范围内

38、，其中包括可见光（波长0.4-0.7m）和红外线（波长0.7-25m的近红外线和波长25-100m的远红外线）。热射线2 2）物体的吸收率、反射率和穿透率）物体的吸收率、反射率和穿透率QA/Q 物体的吸收率吸收率A QR/Q 物体的反射率反射率RQD/Q 物体的穿透率穿透率DQQQQDRA1QQQQQQDRAA+R+D=1A=1的物体称为黑体黑体(black body)R=1的物体称为白体白体D=1的物体称为透明体透明体黑体的一切量，都用下标“0”表示颜色的深浅对可见光的吸收率影响较大。对红外线来说，吸收率主要取决于物体表面的粗糙度，不管什么颜色，平滑面和磨光面，其反射率都要比粗糙面高好几倍。

39、3 3）辐射力和单色辐射力）辐射力和单色辐射力气体对于辐射能几乎不反射，气体对于辐射能几乎不反射，R R0 0，A+D=1A+D=1。当辐射能投射到固体或液体的表面时，在进入表面很小距离内当辐射能投射到固体或液体的表面时，在进入表面很小距离内即被吸收完毕，即被吸收完毕，D D0 0，A+R=1A+R=1。凡是善于吸收的物体（凡是善于吸收的物体（A A比较大），就不善于反射（比较大），就不善于反射（R R较小），较小），善于反射的物体，则不善于吸收。善于反射的物体，则不善于吸收。1 1、辐射力、辐射力：物体每单位表面积在单位时间内所放射出去的从物体每单位表面积在单位时间内所放射出去的从=0=0到

40、到=的一切波长的辐射总能量。的一切波长的辐射总能量。2 2、单色辐射力：在、单色辐射力：在到到dd的波长范围内，物体辐射力为的波长范围内，物体辐射力为dEdE，dEdE除以该波长间隔除以该波长间隔dd所得的商。所得的商。2/mWAQE3/mWddEE遮热板的应用遮热板的应用遮热板：遮热板：插入辐射换热表面之间以削弱辐射换热的薄板。遮热板减少热辐射的原因 对受射体来说，遮热板成了发射体对受射体来说，遮热板成了发射体，而，而T T3 3T T1 1；发射体与受射物体间的温发射体与受射物体间的温度降落，原来是一次的，有了遮热板就度降落，原来是一次的，有了遮热板就分为多次降落，这样受射体获得的热量分为

41、多次降落，这样受射体获得的热量就减少了。就减少了。实际工程中，为了有效削弱辐射换热，往往采用黑度较低的金属薄板作为遮热板。增强传热的方法增强传热的方法1、增加传热面积2、加大传热温差3、提高传热系数 a、减少导热热阻 b、改变流体的流动状态 c、改变流体的物性 d、改变换热面的表面状况削弱削弱传热的方法传热的方法热绝缘。用热绝缘层的目的用热绝缘层的目的1）节约燃料。2）满足工程技术条件的要求。3）改善劳动条件。对热绝缘材料的要求对热绝缘材料的要求 凡导热性低的材料都可以被用作热绝缘层。不过，通常将导热系数值小于 0.14W/0.14W/（mKmK）的材料称为隔热材料。热绝缘材料具有下述性能：（

42、1）导热性差。（2）机械性能，如抗压和抗拉强度等。（3）不吸水性和耐高热的能力。四、热交换器四、热交换器热交换器：热交换器：把热量从热流体传递给冷流体的热力设备。1 1、热交换器的类型：、热交换器的类型：间壁式热交换器间壁式热交换器管式热交换器板式热交换器壳管式热交换器肋片管式热交换器套管式热交换器板翅式热交换器平行板式热交换器螺旋板式热交换器1）间壁式：冷、热流体被间壁隔开，通过间壁换热。2）混合式：冷、热流体通过直接接触换热。3）回热式：冷、热流体周期性地流过固体壁面换热。壳管式热交换器壳管式热交换器肋片管式热交换器肋片管式热交换器套管式热交换器套管式热交换器板翅式热交换器板翅式热交换器平行板式热交换器平行板式热交换器