建筑設備第2章-熱工學基礎課件

1、第二章熱工學基礎2.1 工質的熱力學狀態(tài)2.2 水蒸氣和濕空氣2.3 傳熱的基本方式2.4 傳熱過程與傳熱系數 熱學是采用宏觀方法研究熱現象的理論,其中采用觀察與試驗方法得到的熱能性質及其他能量轉換的規(guī)律稱為熱力學。 在建筑工程專業(yè)領域中更是不乏涉及利用傳熱問題,例如,建筑新墻體材料的研制及其熱物理性質的測試;熱源和冷源設備的選擇;供熱通風空調及燃氣產品的開發(fā)、設計和實驗研究;各種熱力設備及管道的保溫材料的研制,熱損失的分析計算;各類換熱器的設計、選擇和性能評價;建筑物的節(jié)能計算等。2.1工質的熱力學狀態(tài) 工質在熱力設備中,必須經過吸熱、膨脹、排熱等過程才能完成將熱能轉化為機械能的工作,在這些

2、過程中,工質的宏觀物理狀況隨時在起變化。我們把工質在熱力變化過程中的某一瞬間所呈現的宏觀物理狀況稱為工質的熱力學狀態(tài),簡稱狀態(tài)。 描述工質所處狀態(tài)的宏觀物理量稱為狀態(tài)參數。狀態(tài)參數一旦完全確定,工質的狀態(tài)也就確定了,因而狀態(tài)參數是熱力系統(tǒng)狀態(tài)的單值函數,它的值取決于給定的狀態(tài),而與如何達到這一狀態(tài)的途徑無關。研究熱力過程時,常用的狀態(tài)參數有壓力p、溫度T、體積V、熱力學能U、焓H和熵S,其中p、T和V可直接用儀器測量,使用最多,稱為基本狀態(tài)參數。其余狀態(tài)參數可根據基本狀態(tài)參數間接算出。2.1工質的熱力學狀態(tài)1 溫度T 溫度是宏觀上反映物體的冷熱程度。從微觀上看,溫度標志物質分子熱運動的激烈程度

3、。國際單位K。溫度值的高低用溫標表示。常用的溫標有熱力學溫標T(單位K)和攝氏溫標t(單位),兩者之間的關系為 t=T-273.15(2-1) 測量溫度的儀器稱為溫度計。2.1工質的熱力學狀態(tài)2 壓力p 壓力是指單位面積上所受的垂直作用力,即壓強,單位為Pa。 1)大氣壓力B:地球表面單位面積上所受到的大氣的壓力稱為大氣壓力。大氣壓力不是一個定值,隨著海拔、季節(jié)和氣候條件而變化。通常把0下、北緯45處海平面上作用的大氣壓作為一個標準大氣壓(atm),其值為 1atm=101325Pa=1.01325bar 2)相對壓力:壓力計指示的壓力。2.1工質的熱力學狀態(tài) 3)絕對壓力p:工質的真實壓力,

4、是熱力學狀態(tài)參數。 絕對壓力、相對壓力和大氣壓之間的關系如下: 當pB時p=B+pg 當pB時 p=B-H 式中B當地大氣壓力,單位為Pa; pg高于當地大氣壓時的壓力,稱為表壓力,單位為Pa; H低于當地大氣壓時的壓力,稱為真空度,單位為Pa。3 比體積v 工質所占有的空間稱為工質的容積,單位質量工質所占有的容積稱為工質的比體積。如果工質的容積為V,質量為m,那么比體積v (m3/kg)為 v=V/m(2-2)2.1工質的熱力學狀態(tài)4 熱力學能(內能)U 熱力學能是氣體內部所具有的分子動能與分子位能的總和,單位為J。它包括下面各項: 1)分子直線運動的動能。 2)分子旋轉運動的動能。 3)分

5、子內部原子和電子的振動能。 4)分子位能。 5)與分子結構有關的化學能和原子核內的原子能等。 由上分析可知,熱力學能是溫度和比體積的函數,即 U=f(T,v)(2-3)2.1工質的熱力學狀態(tài)5 焓h 對于流動的工質,焓表示流動工質向流動前進方向傳遞的總能量中取決于熱力狀態(tài)的那部分能量。每1kg干空氣的焓加上與其同時存在的dkg水蒸氣的焓的總和,稱為(1+d)kg濕空氣的焓,其單位用J/kg(干)表示。焓h(J/kg)的表達式為 h=U+pv(2-4) 對于流動工質,焓是一個狀態(tài)參數;對于不流動工質,焓只是一個復合狀態(tài)。6 熵s 熵是熱力學第二定律非常重要的一個參數,1865年克勞修斯將定義為熵

6、,單位為J/(kgK)。熵變的表達式為2.2水蒸氣和濕空氣2.2.1水蒸氣 由于水蒸氣容易獲得,熱力參數適宜且不污染環(huán)境,它是工業(yè)上廣泛使用的工質。比如水蒸氣作為熱源加熱供熱網路中的循環(huán)水,空調中用水蒸氣對空氣進行加熱或者加濕。 水蒸氣是由液態(tài)水經汽化而來的一種氣體,它離液態(tài)較近,性質較為復雜。2.2水蒸氣和濕空氣2.2.1水蒸氣1 水的三相點 如圖2-1水的p-T所示,水的三相點為Ttp,C為臨界點。TtpA、TtpB、TtpC分別為氣固、液固和氣液相平衡曲線,即三條相平衡曲線的交點稱為三相點。2.2水蒸氣和濕空氣2.2.1水蒸氣2 水蒸氣的計算參數 1)溫度為0.01、壓力為p的未飽和水。

7、 2)溫度為tn、壓力為p的飽和水。 3)壓力為p的干飽和蒸汽。 4)壓力為p的濕飽和蒸汽。 5)壓力為p的濕過熱蒸汽。3 水蒸氣表和圖 水蒸氣一般是在鍋爐中制備的,是在定壓的過程中產生的。在工程實際中,水蒸氣的狀態(tài)參數可根據水蒸氣表和圖查得。2.2水蒸氣和濕空氣2.2.1水蒸氣 水蒸氣表一般有三種:按壓力排列的飽和水與飽和水蒸氣表;按溫度排列的飽和水與飽和水蒸氣表;按溫度和壓力排列的未飽和水與過熱蒸汽表。 1)飽和水與飽和水蒸氣表,因為在飽和線上和飽和區(qū)內壓力和溫度只有一個獨立變量,因而可以用tn或者ps或者兩者均有為獨立變量列表。 2)未飽和水與過熱蒸汽表,由于液體和過熱蒸汽都是單相物質,

8、需要兩個獨立參數才能確定。一般取p和T為獨立變量。2.2水蒸氣和濕空氣2.2.2濕空氣 在通風、空調和干燥工程中,為使空氣達到一定的溫度和濕度,以符合生產工藝和生活上的要求,就不能忽略空氣中水蒸氣,在這種情況下,稱空氣為濕空氣。濕空氣是一種混合氣體,其總壓力為大氣壓力,其壓力很低,組成濕空氣的各種氣體及水蒸氣的分壓力更低。 濕空氣中水蒸氣的含量比較少,但其變化卻對空氣環(huán)境的干燥和潮濕程度產生重要影響,而且水蒸氣含量的變化也對一些工業(yè)生產的產品質量產生影響。因此,研究濕空氣中水蒸氣含量的調節(jié)在空氣調節(jié)中占有重要地位。2.2水蒸氣和濕空氣2.2.2濕空氣1 濕空氣的焓濕圖 濕空氣的狀態(tài)參數有很多,

9、可以把與空氣調節(jié)最密切的幾個主要狀態(tài)參數繪制在焓濕圖(h-d圖)上,如圖2-2所示。2.2水蒸氣和濕空氣2.2.2濕空氣2 濕空氣的壓力 1)水蒸氣分壓力pq:濕空氣中水蒸氣單獨占有濕空氣的容積,并具有與濕空氣相同溫度時所產生的壓力稱為濕空氣中水蒸氣的分壓力。 水蒸氣分壓力的大小反映空氣中水蒸氣含量的多少?？諝庵兴魵夂吭蕉?水蒸氣分壓力就越大。 2)飽和水蒸氣分壓力pqb:在一定溫度下,濕空氣中水蒸氣含量達到最大限度時稱濕空氣處于飽和狀態(tài),此時相應的水蒸氣分壓力稱為飽和水蒸氣分壓力。 濕空氣的飽和水蒸氣分壓力是溫度的單值函數。2.2水蒸氣和濕空氣2.2.2濕空氣3 含濕量d 含濕量：定義為

10、對應于1kg干空氣的濕空氣中所含有的水蒸氣質量。它的單位為kg/kg(干空氣)。含濕量的大小隨空氣中水蒸氣含量的多少而改變,它可以確切地反映空氣中水蒸氣含量的多少。4 相對濕度 相對濕度：定義為濕空氣的水蒸氣分壓力與同溫度下飽和濕空氣的水蒸氣分壓力之比,即=pq/pqb 相對濕度反映了濕空氣中水蒸氣接近飽和含量的程度,反映了空氣的潮濕程度。當相對濕度=0時,是干空氣;當相對濕度=100%時,為飽和濕空氣。2.2水蒸氣和濕空氣2.2.2濕空氣5 焓h 每1kg干空氣的焓加上與其同時存在的dkg水蒸氣的焓的總和,稱為(1+d)kg濕空氣的焓,其單位用kJ/kg(干)表示。 在空氣調節(jié)中,空氣的壓力

11、變化一般很小,可近似為定壓過程,因此濕空氣變化時初、終狀態(tài)的焓差,反映了狀態(tài)變化過程中熱量的變化。6 露點溫度tl 在含濕量保持不變的條件下,濕空氣冷卻達到飽和狀態(tài)時所具有的溫度稱為該空氣的露點溫度,用tl表示。 當濕空氣被冷卻時,只要濕空氣溫度大于或等于其露點溫度,就不會出現結露現象,因此濕空氣的露點溫度是判斷是否結露的依據。2.2水蒸氣和濕空氣2.2.2濕空氣7 濕球溫度ts 在理論上,濕球溫度是在定壓絕熱條件下,空氣與水直接接觸達到穩(wěn)定熱濕平衡時的絕熱飽和溫度,即在濕空氣焓保持不變的條件下,濕空氣冷卻達到飽和狀態(tài)時所具有的溫度,用ts表示。 在現實中,在溫度計的感溫包上包敷紗布,紗布下端

12、浸在盛有水的容器中,在毛細現象的作用下,紗布處于濕潤狀態(tài),這支溫度計稱為濕球溫度計,所測量的溫度稱為空氣的濕球溫度。2.2水蒸氣和濕空氣2.2.2濕空氣 沒有包紗布的溫度計稱為干球溫度計,所測量的溫度稱為空氣的干球溫度,也就是空氣的實際溫度,用t表示。 濕球溫度計的讀數反映了濕球紗布中水的溫度。對于一定狀態(tài)的空氣,干、濕球溫度的差值實際上反映了空氣相對濕度的大小。差值越大,說明該空氣相對濕度越大。 相對濕度為100%時:tl=ts=t。 相對濕度小于100%時:tltstw2。單位時間內從表面1傳導到表面2的熱流量Q(W)與壁面兩側表面溫差t=tw1-tw2和垂直于熱流方向的面積A成正比,與平

13、板的厚度成反比,即 單位時間內通過單位面積的熱流量q(W/m2)為 式中,比例系數稱為熱導率,是表征材料導熱能力的物性量,單位為W/(mK);不同材料的熱導率不同,金屬材料的熱導率最高,是良導電體,也是良導熱體,液體次之,氣體最小;q 又稱為熱流密度。2.3傳熱的基本方式2.3.1熱傳導2.3傳熱的基本方式2.3.2熱對流 熱對流：指由于流體的宏觀運動,流體各部分之間發(fā)生相對位移、冷熱流體相互摻混所引起的熱量傳遞過程。 熱對流僅發(fā)生在流體中。由于流體微團的宏觀運動不是孤立的,與周圍流體微團也存在相互碰撞和相互作用,因此,對流過程必然伴隨有導熱現象。流體既充當載體,又充當導熱體。 對流換熱：指流

14、體與固體壁面之間有相對運動,且兩者之間存在溫度差時所發(fā)生的熱量傳遞現象。對流換熱概念在本質上有別于熱對流,在實際工程應用中,普遍關心的問題是流體與固體壁面之間的熱量傳遞。2.3傳熱的基本方式2.3.2熱對流 當流體流過某一截面時,流體的溫度按一定的規(guī)律變化著。 除了流體各部分之間產生冷熱流體相互摻混所引起的熱量傳遞過程之外,相鄰流體接觸時也發(fā)生導熱行為,因此對流換熱是對流與導熱共同作用的熱量傳遞過程。對流換熱的基本定律是英國科學家牛頓于1701年提出的牛頓冷卻定律,其方程式為 Q=TA(2-8) 或q=T(2-9) 式中Q對流換熱量,單位為W; A與流體接觸的壁面換熱面積,單位為m2 ; T流

15、體與壁面之間的溫差,單位為K或; 表面?zhèn)鳠嵯禂祷蚍艧嵯禂?單位為W/(m2K)。 表示在單位時間內,當流體與壁面溫差為1K時,流體通過壁面單位面積所交換的熱量。其大小表征對流換熱的強烈。2.3傳熱的基本方式2.3.2熱對流 對于表面?zhèn)鳠嵯禃r或放熱系數的物理意義,一般來說,可認為是系統(tǒng)的幾何形狀、流體的物性和流體流動的狀況(如層流、湍流及層流邊界層等)以及溫差T的函數,近似計算時,可參照表2-1選取。2.3傳熱的基本方式2.3.3熱輻射 熱輻射是另一種熱傳遞方式。 物體以電磁波方式向外傳遞能量的過程稱為輻射,被傳遞的能量稱為輻射能。但是,通常也把輻射這個術語用來表明輻射能本身。物體可因多種不同的

16、原因產生電磁波從而發(fā)出輻射能。無線電臺利用強大的高頻電流通過天線向空間發(fā)出無線電波,就是輻射過程的例子。無線電波是電磁波的一種,此外,尚有由于其他種種原因而產生的宇宙射線、 射線、X射線、紫外線、可見光和紅外線等電磁波。從熱傳遞的角度出發(fā),并不需要涉及全部的電磁波類型,而只研究起因于熱的原因的電磁波輻射。這種由于熱的原因而發(fā)生的輻射稱為熱輻射。熱輻射的電磁波是由物體內部微觀粒子在運動狀態(tài)改變時所激發(fā)出來的。2.3傳熱的基本方式2.3.3熱輻射 在熱輻射過程中,物體把它的熱能不斷地轉換成輻射能。只要設法維持物體的溫度不變,其發(fā)射輻射能的數量也不變。當物體的溫度升高或降低時,輻射能也相應增加或減少

17、。此外,任何物體在向外發(fā)出輻射能的同時,還在不斷地吸收周圍其他物體發(fā)出的輻射能,并把吸收的輻射能重新轉換成熱能。所謂輻射換熱指物體之間的相互輻射和吸收過程的總效果。例如,在兩個溫度不等的物體之間進行的輻射換熱,溫度較高的物體輻射多于吸收,而溫度較低的物體則輻射少于吸收,因此輻射換熱的結果是高溫物體向低溫物體轉移了熱量。若兩個換熱物體溫度相等,此時它們輻射和吸收的能量恰好相等,因此,物體間輻射換熱量等于零。值得注意的是,此時物體間的輻射和物體間吸收過程仍在進行,這種情況稱為熱動平衡。2.3傳熱的基本方式2.3.3熱輻射 物體表面每單位時間、單位面積對外輻射的熱量稱為輻射力,用E表示,單位W/m2

18、,其大小與物體表面性質及溫度有關。對于絕對黑體,它的輻射力Eb與表面熱力學溫度的四次方成正比,即斯蒂芬-玻耳茲曼定律。 Eb=Cb(T/1000)4(2-10) 式中Eb絕對黑體輻射力,單位為W/m2; Cb絕對黑體輻射系數,Cb=5.67W/(m2K); T熱力學溫度,單位為K。 一切實際物體的輻射力E都低于同溫度下絕對黑體的輻射力,有 Eb=bCb(T/1000)4 式中實際物體表面的發(fā)射率,也叫黑度,其值為01。2.4傳熱過程與傳熱系數2.4.1傳熱過程 工業(yè)生產中所遇到的許多實際熱交換過程常常是熱介質將熱量傳給換熱面,然后由換熱面再傳給冷介質,這種熱量由熱流體通過間壁傳給冷流體的過程稱為傳熱過程。 例如,有一墻壁如圖2-4所示,其壁厚為,面積為A,在壁面溫度為tw1的一側有溫度為t1的熱流體,其與壁表面之間的表面?zhèn)鳠嵯禂禐?。在壁面溫度tw2的一側有溫度為t2的冷流體,其與壁面之間的表面?zhèn)鳠嵯禂禐?,在穩(wěn)態(tài)傳熱過程中,上述各溫度將不隨時間而變化,2.4傳熱過程與傳熱系數2.4.1傳熱過程則墻一側表面的對流換熱、墻壁的導熱量以及墻另一側表面的對流換熱量三者應相等,依據式(2-6)、式(2-8)和式(2-9)可列出以下三個等式 q=1(t1-tw1)(2-11) q=(tw1-tw2)(