第二節(jié)力學(xué)及熱工學(xué)基礎(chǔ)知識

1、 力學(xué)及熱工學(xué)基礎(chǔ)知識一、力學(xué)基礎(chǔ)知識1力力是物體之間相互作用的一種形式。主要表現(xiàn)在兩個方面：一方面，力能使物體改變運動狀態(tài)，如：力能使靜止的物體產(chǎn)生運動，也能使運動著的物體停止或改變速度與方向；另一方面，力能使物體的形狀發(fā)生變化，如：彈簧受拉或受壓后會伸長或縮短，鋼板受沖擊后會彎曲變形等。2壓力和壓強(1)壓力 垂直作用在物體表面上的力。量的常用符號是“f”，常用的單位是“牛頓”，單位符號是n。(2)壓強 垂直作用在物體表面單位面積上的壓力。量的常用符號是“p”，常用的單位是“帕斯卡”(簡稱“帕”)，單位符號是pa。在習(xí)慣上，常把壓強稱為壓力，因此本書中以后提到的壓力，實際上是壓強。鍋爐內(nèi)產(chǎn)

2、生壓力的原因，是因為鍋爐內(nèi)的水吸收熱量后，由液體狀態(tài)變成氣體狀態(tài)，其體積膨脹(在大氣壓下1kg水蒸發(fā)成蒸汽，體積膨脹1 725倍)，而鍋筒是密閉容器，蒸汽不能自由膨脹，只能被迫壓縮在鍋筒內(nèi)，因此對筒壁就產(chǎn)生了壓力。3大氣壓力因為空氣本身是有重量的(1 m3空氣在0時重129n)，因此，空氣中的任何物體，在任何方向上都受到空氣的壓力，這種壓力稱為大氣壓力。在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，即海拔為0 m，溫度為0時的大氣壓力稱為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力為105 pa(亦為10ncm2)。常用壓力單位的換算關(guān)系如下：1 mpa=106pa=102ncm210ncm2=01 mpa=10mh2o4表壓力與絕對壓力(1

3、)表壓力(p表) 指以大氣壓力作為測量起點，即壓力表指示壓力。表壓力不是實際壓力，因為當(dāng)壓力指針為零時實際上已受到周圍一個大氣壓力的作用力，所以壓力表指的數(shù)值，是指超過大氣壓的部分。(2)絕對壓力(p絕) 指以壓力為零作為測量起點，即實際壓力。其數(shù)值就是表壓力加上當(dāng)時當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?一般近似取01 mpa)。表壓力與絕對壓力的關(guān)系：p絕=p表+(01 mpa)p表=p絕(01 mpa)5負(fù)壓與真空度(1)負(fù)壓(p負(fù)) 指低于大氣壓(俗稱真空)的值。即：p負(fù)=p大氣p絕通常負(fù)壓燃燒的鍋爐在正常燃燒時，打開爐門會感覺到周圍空氣吸向爐膛，這是爐膛內(nèi)負(fù)壓的緣故。(2)真空度 負(fù)壓與大氣壓力之比的百分?jǐn)?shù)。

4、6密度與比容(1)密度 物質(zhì)單位體積的質(zhì)量。常用的符號是“”，常用的單位是“kgm3”。密度與壓力和溫度有關(guān)，一般當(dāng)溫度升高時，體積膨脹而密度降低。(2)比容 單位質(zhì)量物質(zhì)所占有的體積，即密度的倒數(shù)。常用的符號是“”，常用的單位是“m3kg”。二、熱工學(xué)基礎(chǔ)知識1物態(tài)的變化物質(zhì)有三種形態(tài)：固態(tài)(也稱固體)、液態(tài)(液體)和氣態(tài)(氣體)。在一定的條件下，它們之間可以互相轉(zhuǎn)變。水隨著溫度的變化，會呈現(xiàn)液態(tài)(水)、氣態(tài)(水蒸氣)和固態(tài)(冰、霜、雪)三種形態(tài)，它們之間互相轉(zhuǎn)變的關(guān)系，如圖11所示。圖11 水的三態(tài)變化2溫度溫度是表示物體冷熱程度的物理量。它反映了物質(zhì)分子熱運動的強弱程度。常用的符號是“t

5、”，常用的單位是“”(攝氏溫度)，有時也采用“”(華氏溫度)和“k”(絕對溫度)表示。(1)攝氏溫度() 以在一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，把水結(jié)冰時的溫度(即冰點)定為0，把水沸騰時的溫度(即沸點)定為100，兩者之間平均分成100等分，每一等分為1。攝氏溫度簡便實用，為普遍采用。鍋爐銘牌上所標(biāo)示的蒸汽溫度均為攝氏溫度。(2)華氏溫度() 以在個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，把水的冰點溫度定為32，沸點溫度定為212，兩者之間平均分成180等分，每一等分為1。它與攝氏溫度之間的關(guān)系是：(3)絕對溫度(k) 又叫開氏溫度，它以攝氏溫度的27316作為起點，每一度的間隔與攝氏溫度相等。它與攝氏溫度之間的關(guān)系是：t=t+27

6、3163熱量與質(zhì)量熱容(1)熱量 熱量是物體內(nèi)部所含熱能的數(shù)量。熱可使物體的溫度、體積及形態(tài)發(fā)生變化。熱量的單位常用“j或“kj”。1kg的純水溫度升高1所吸收的熱量為4186kj(1 kcal)。(2)質(zhì)量熱容 單位質(zhì)量的物質(zhì)，溫度升高(或降低)1所吸收(或放出)的熱量。常用的符號是“c”，常用的單位是“kl(kg)”。水的質(zhì)量熱容為4186kj(kg)。 4傳熱熱量從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體或者從同一個物體的一部分轉(zhuǎn)移到相鄰部分的過程稱為傳熱。鍋爐是一種換熱設(shè)備，燃料在“爐”內(nèi)燃燒后，放出高溫?zé)崃?。將熱量通過各種受熱面?zhèn)鬟f給“鍋”內(nèi)的水和蒸汽的過程稱為鍋爐的傳熱過程。傳熱有輻射、對流和傳導(dǎo)

7、三種方式。在鍋爐爐膛里，輻射傳熱占主導(dǎo)地位；在對流受熱面中，對流傳熱占主導(dǎo)地位。下面分別介紹熱量傳遞的三種基本方式。(1)對流 對流是液體或氣體依靠其本身的流動來達到熱量傳遞的過程。對流的現(xiàn)象廣泛存在，如夏天天熱時扇扇子覺得涼快，是由于流動的空氣以熱對流的方式，從人體帶走了熱量的結(jié)果；又如煙氣以某種流速沖刷鍋爐受熱面的管壁，在與管壁接觸過程中的熱量傳遞，都屬于對流的傳熱過程。對流傳熱量的大小與流體的溫差、流速等因素有關(guān)。溫差越大，流速越快，對流傳熱就越強烈。(2)傳導(dǎo) 傳導(dǎo)(又稱導(dǎo)熱)是同一物體內(nèi)或兩個不同溫度的物體接觸時，熱量從高溫部分傳到低溫部分的過程。在鍋爐爐膛中，高溫?zé)煔鈱崃總魉徒o管

8、子外壁，管子外壁又把熱量傳送給管子內(nèi)壁的過程，就是熱傳導(dǎo)過程。各種物體傳導(dǎo)熱的性能是不相同的。善于傳導(dǎo)熱的物體稱為“熱的良導(dǎo)體”，如銅、鋁、鐵等金屬；不善于傳導(dǎo)熱的物體稱為“熱的不良導(dǎo)體”或稱“絕熱體”，如水垢、空氣、石棉等。傳導(dǎo)熱量的大小與物體的溫差和傳導(dǎo)系數(shù)有關(guān)。不同的材料其導(dǎo)熱系數(shù)不同，水垢的導(dǎo)熱系數(shù)為鑄鐵或鋼的125180；煙灰的導(dǎo)熱系數(shù)只相當(dāng)于鑄鐵或鋼的15001800。如果鍋爐受熱面外壁沉積煙灰，就會影響熱傳導(dǎo)的正常進行，造成燃料的浪費；鍋爐受熱面內(nèi)壁積聚水垢，不僅會造成燃料的浪費，而且還會使受熱面的壁溫升高，甚至過熱而損壞。因此，鍋爐在運行中必須經(jīng)常吹灰，正常排污，認(rèn)真搞好水處理

9、，使受熱面內(nèi)外表面保持清潔，以保證鍋爐安全經(jīng)濟運行。(3)輻射 輻射是高溫物質(zhì)通過電磁波、紅外線等，把熱量傳遞給低溫物質(zhì)的過程。它不僅產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，而且還伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)化，從熱能轉(zhuǎn)化為輻射能，或者從輻射能轉(zhuǎn)化為熱能。例如，在鍋爐爐膛內(nèi)，火焰與管壁之間；在宇宙空間中，太陽與地球之間，都在進行著熱輻射過程。輻射傳熱的效果與熱源絕對溫度的四次方成正比，所以提高高溫物體的溫度，降低低溫物體的溫度，可使輻射傳熱量大大增加。一般情況下，當(dāng)鍋爐爐膛溫度高于1 200時，輻射傳熱的效果可以比對流傳熱提高5倍以上。但是，當(dāng)爐膛溫度低于1000時，輻射傳熱的效果就不如對流傳熱，所以，在爐膛內(nèi)不宜布置過多的水

10、冷壁管。5熱脹冷縮與熱應(yīng)力物體受熱時膨脹，冷卻時縮小，這就是熱脹冷縮。在日常生活中這種現(xiàn)象很多。例如，鐵路上的鋼軌在連接處留有間隙，天冷時間隙變大，天熱時間隙變小，就是熱脹冷縮的原因。固體物質(zhì)，在受熱時雖然各個方向上都要伸長膨脹，但對于鍋筒、管子等較長的物體，在長度方向上的伸長數(shù)值相對其他方向的伸長數(shù)值要大得多，因此需要特別引起注意。為此，對鍋爐的熱脹冷縮問題，在設(shè)計、制造、安裝、使用、修理和改造等環(huán)節(jié)上都應(yīng)防止鍋爐受壓部件和爐墻不致變形和損壞。例如：鍋爐管道上每隔一定距離要裝設(shè)u形或形的膨脹節(jié)；管道穿墻壁時要留有活動間隙或安裝套管；爐墻在拐角處要留出伸縮縫等，都是考慮熱脹冷縮的緣故。同時，在鍋爐運行中升火和停爐的操作必須緩慢，盡量使鍋爐各部分溫度均勻變化。否則，設(shè)備的熱膨脹就要受到阻礙，使各元件的內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力。特別是當(dāng)鍋筒這類厚壁元件受熱后，受熱側(cè)的溫度必然高于另一側(cè)的溫度，因此受熱側(cè)的金屬膨脹較大，而使另一側(cè)的金屬受到拉伸的應(yīng)力，這就是所謂的“熱應(yīng)力”。鋼板越厚，兩側(cè)溫差越大，熱應(yīng)力也就越大。顯然，不受熱的一側(cè)要同時承受熱應(yīng)力和鍋爐內(nèi)部的壓力，這兩種力互相疊加，會在金屬的最薄弱點(如有裂紋、腐蝕嚴(yán)重等處)造成應(yīng)力集中，