第二节力学及热工学基础知识

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1、 力学及热工学基础知识一、力学基础知识1力力是物体之间相互作用的一种形式。主要表现在两个方面：一方面，力能使物体改变运动状态，如：力能使静止的物体产生运动，也能使运动着的物体停止或改变速度与方向；另一方面，力能使物体的形状发生变化，如：弹簧受拉或受压后会伸长或缩短，钢板受冲击后会弯曲变形等。2压力和压强(1)压力 垂直作用在物体表面上的力。量的常用符号是“F”，常用的单位是“牛顿”，单位符号是N。(2)压强 垂直作用在物体表面单位面积上的压力。量的常用符号是“p”，常用的单位是“帕斯卡”(简称“帕”)，单位符号是Pa。在习惯上，常把压强称为压力，因此本书中以后提到的压力，实际上是压强。锅炉内产

2、生压力的原因，是因为锅炉内的水吸收热量后，由液体状态变成气体状态，其体积膨胀(在大气压下1kg水蒸发成蒸汽，体积膨胀1 725倍)，而锅筒是密闭容器，蒸汽不能自由膨胀，只能被迫压缩在锅筒内，因此对筒壁就产生了压力。3大气压力因为空气本身是有重量的(1 m3空气在0时重129N)，因此，空气中的任何物体，在任何方向上都受到空气的压力，这种压力称为大气压力。在标准状况下，即海拔为0 m，温度为0时的大气压力称为标准大气压力，标准大气压力为105 Pa(亦为10Ncm2)。常用压力单位的换算关系如下：1 MPa=106Pa=102Ncm210Ncm2=01 MPa=10mH2O4表压力与绝对压力(1

3、)表压力(p表) 指以大气压力作为测量起点，即压力表指示压力。表压力不是实际压力，因为当压力指针为零时实际上已受到周围一个大气压力的作用力，所以压力表指的数值，是指超过大气压的部分。(2)绝对压力(p绝) 指以压力为零作为测量起点，即实际压力。其数值就是表压力加上当时当地大气压力(一般近似取01 MPa)。表压力与绝对压力的关系：p绝=p表+(01 MPa)P表=p绝(01 MPa)5负压与真空度(1)负压(p负) 指低于大气压(俗称真空)的值。即：p负=p大气p绝通常负压燃烧的锅炉在正常燃烧时，打开炉门会感觉到周围空气吸向炉膛，这是炉膛内负压的缘故。(2)真空度 负压与大气压力之比的百分数。

4、6密度与比容(1)密度 物质单位体积的质量。常用的符号是“”，常用的单位是“kgm3”。密度与压力和温度有关，一般当温度升高时，体积膨胀而密度降低。(2)比容 单位质量物质所占有的体积，即密度的倒数。常用的符号是“”，常用的单位是“m3kg”。二、热工学基础知识1物态的变化物质有三种形态：固态(也称固体)、液态(液体)和气态(气体)。在一定的条件下，它们之间可以互相转变。水随着温度的变化，会呈现液态(水)、气态(水蒸气)和固态(冰、霜、雪)三种形态，它们之间互相转变的关系，如图11所示。图11 水的三态变化2温度温度是表示物体冷热程度的物理量。它反映了物质分子热运动的强弱程度。常用的符号是“t

5、”，常用的单位是“”(摄氏温度)，有时也采用“”(华氏温度)和“K”(绝对温度)表示。(1)摄氏温度() 以在一个标准大气压下，把水结冰时的温度(即冰点)定为0，把水沸腾时的温度(即沸点)定为100，两者之间平均分成100等分，每一等分为1。摄氏温度简便实用，为普遍采用。锅炉铭牌上所标示的蒸汽温度均为摄氏温度。(2)华氏温度() 以在个标准大气压下，把水的冰点温度定为32，沸点温度定为212，两者之间平均分成180等分，每一等分为1。它与摄氏温度之间的关系是：(3)绝对温度(K) 又叫开氏温度，它以摄氏温度的27316作为起点，每一度的间隔与摄氏温度相等。它与摄氏温度之间的关系是：T=t+27

6、3163热量与质量热容(1)热量 热量是物体内部所含热能的数量。热可使物体的温度、体积及形态发生变化。热量的单位常用“J或“kJ”。1kg的纯水温度升高1所吸收的热量为4186kJ(1 kcal)。(2)质量热容 单位质量的物质，温度升高(或降低)1所吸收(或放出)的热量。常用的符号是“c”，常用的单位是“kL(kg)”。水的质量热容为4186kJ(kg)。 4传热热量从一个物体转移到另一个物体或者从同一个物体的一部分转移到相邻部分的过程称为传热。锅炉是一种换热设备，燃料在“炉”内燃烧后，放出高温热量。将热量通过各种受热面传递给“锅”内的水和蒸汽的过程称为锅炉的传热过程。传热有辐射、对流和传导

7、三种方式。在锅炉炉膛里，辐射传热占主导地位；在对流受热面中，对流传热占主导地位。下面分别介绍热量传递的三种基本方式。(1)对流 对流是液体或气体依靠其本身的流动来达到热量传递的过程。对流的现象广泛存在，如夏天天热时扇扇子觉得凉快，是由于流动的空气以热对流的方式，从人体带走了热量的结果；又如烟气以某种流速冲刷锅炉受热面的管壁，在与管壁接触过程中的热量传递，都属于对流的传热过程。对流传热量的大小与流体的温差、流速等因素有关。温差越大，流速越快，对流传热就越强烈。(2)传导 传导(又称导热)是同一物体内或两个不同温度的物体接触时，热量从高温部分传到低温部分的过程。在锅炉炉膛中，高温烟气将热量传送给管

8、子外壁，管子外壁又把热量传送给管子内壁的过程，就是热传导过程。各种物体传导热的性能是不相同的。善于传导热的物体称为“热的良导体”，如铜、铝、铁等金属；不善于传导热的物体称为“热的不良导体”或称“绝热体”，如水垢、空气、石棉等。传导热量的大小与物体的温差和传导系数有关。不同的材料其导热系数不同，水垢的导热系数为铸铁或钢的125180；烟灰的导热系数只相当于铸铁或钢的15001800。如果锅炉受热面外壁沉积烟灰，就会影响热传导的正常进行，造成燃料的浪费；锅炉受热面内壁积聚水垢，不仅会造成燃料的浪费，而且还会使受热面的壁温升高，甚至过热而损坏。因此，锅炉在运行中必须经常吹灰，正常排污，认真搞好水处理

9、，使受热面内外表面保持清洁，以保证锅炉安全经济运行。(3)辐射 辐射是高温物质通过电磁波、红外线等，把热量传递给低温物质的过程。它不仅产生能量的转移，而且还伴随着能量形式的转化，从热能转化为辐射能，或者从辐射能转化为热能。例如，在锅炉炉膛内，火焰与管壁之间；在宇宙空间中，太阳与地球之间，都在进行着热辐射过程。辐射传热的效果与热源绝对温度的四次方成正比，所以提高高温物体的温度，降低低温物体的温度，可使辐射传热量大大增加。一般情况下，当锅炉炉膛温度高于1 200时，辐射传热的效果可以比对流传热提高5倍以上。但是，当炉膛温度低于1000时，辐射传热的效果就不如对流传热，所以，在炉膛内不宜布置过多的水

10、冷壁管。5热胀冷缩与热应力物体受热时膨胀，冷却时缩小，这就是热胀冷缩。在日常生活中这种现象很多。例如，铁路上的钢轨在连接处留有间隙，天冷时间隙变大，天热时间隙变小，就是热胀冷缩的原因。固体物质，在受热时虽然各个方向上都要伸长膨胀，但对于锅筒、管子等较长的物体，在长度方向上的伸长数值相对其他方向的伸长数值要大得多，因此需要特别引起注意。为此，对锅炉的热胀冷缩问题，在设计、制造、安装、使用、修理和改造等环节上都应防止锅炉受压部件和炉墙不致变形和损坏。例如：锅炉管道上每隔一定距离要装设U形或形的膨胀节；管道穿墙壁时要留有活动间隙或安装套管；炉墙在拐角处要留出伸缩缝等，都是考虑热胀冷缩的缘故。同时，在

11、锅炉运行中升火和停炉的操作必须缓慢，尽量使锅炉各部分温度均匀变化。否则，设备的热膨胀就要受到阻碍，使各元件的内部产生热应力。特别是当锅筒这类厚壁元件受热后，受热侧的温度必然高于另一侧的温度，因此受热侧的金属膨胀较大，而使另一侧的金属受到拉伸的应力，这就是所谓的“热应力”。钢板越厚，两侧温差越大，热应力也就越大。显然，不受热的一侧要同时承受热应力和锅炉内部的压力，这两种力互相叠加，会在金属的最薄弱点(如有裂纹、腐蚀严重等处)造成应力集中，应力一旦超过了材料的强度极根，就会发生爆炸事故。热应力的另一种表现形式是，如果锅炉升火、停炉次数频繁，或负荷经常变动，受热面温度的变化也相应频繁，使金属经常处于胀缩状态，即不断承受交变应力，很容易造成周期性的交替变形，促使金属因疲劳而损坏。由此可见，在锅炉上，热胀冷缩的问题极为重要，如果认识不足，或者忽视了这个问题，可能导致严重的后果。