第一章热力学、传热学和流体力学基础知识ppt课件.ppt

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1、制冷空调系统安装维修技术人员培训课程,讲师：朱宗升,第一章 制冷与空调技术基础知识,1.1 热力学基础知识,1.1.1 物质的三种状态 自然界中的物质一般是由分子组成的。组成物质的分子间有一定的距离。分子间始终存在着相互作用力，这种作用力有时表现为斥力，有时表现为引力。而且分子作永不停息的无规则运动，分子的这种无规则运动称为热运动。由于物质分子间的距离不同，因而分子间相互作用力的大小不同，热运动的方式也不同，使物质呈现出三种不同的状态。（1）固态 （2）液态 （3）气态,1.1.2 物质相变与热量转移 自然界中，物质的三种状态之间在一定的条件下可以相互转化，这个转化过程叫相变。,物态变化与热量

2、转移,分子间作用力影响物质的熔点沸点和相变潜热。,液体发生沸腾时的温度。当液体沸腾时，在其内部所形成的气泡中的饱和蒸汽压必须与外界施予的压强相等，气泡才有可能长大并上升，所以，沸点也就是液体的饱和蒸汽压等于外界压强的温度。液体的沸点跟外部压强有关。当液体所受的压强增大时，它的沸点升高；压强减小时；沸点降低。,1.1.3 温度和温标,（1）温度 温度是表示物体冷热程度的物理量，衡量温度的标尺即温标,可分为摄氏温标、 华氏温标和热力学温标，对应的温度分别为摄氏温度、华氏温度和热力学温度。 温度是物体内部分子热运动的平均动能的标志。,（2）温标 摄氏温标 以标准大气压下水的冰点为0度，水的沸点为10

3、0度，在0度与100度之间平均分成100等份，每等份为1摄氏度，记做1。用摄氏温标表示的温度称为摄氏温度，用符号t表示。,热力学温标 热力学温标常称为开氏温标或绝对温标，这种温标是以物质内部分子热运动速度为零时所对应的温度为起点，称为热力学零度。用热力学温标表示的温度叫热力学温度或绝对温度，用符号T表示，单位为K ，读做“开尔文”。 华氏温标 华氏温度符号为tf,单位为；华氏温标规定，在1标准大气压下，把纯水的冰点和沸点分别定位为32和212，其间等分成180份，每一份为1。,三种温标之间的关系,Tt273.15 t273(K)tT-273.15 T-273()tf9/5t32()t5/9(t

4、f-32)(),华氏温标-华伦海特，荷兰物理学家，常用t表示，单位摄氏温标-摄耳修司，瑞典物理学家，常用t表示，单位热力学温标开尔文，英国科学家，常用T表示，单位K,1.1.4 干、湿球温度,（1）干球温度 将一般的温度计，例如水银温度计，置于室外，测得的环境温度就是干球温度。 （2）湿球温度 将水银温度计的感温球包扎上湿润的纱布，并将纱布下端浸于充水容器中，就构成湿球温度计。将湿球温度计置于通风处，其读数就成为湿球温度。,干、湿球温度,1.1.6 过热度与过冷度,先以水蒸气的形成过程为例解释几个概念。,图13 过冷与过热过程a）过冷水 b）饱和水 c）湿蒸汽 d）干蒸汽 e）过热蒸汽,（1）

5、过热 在制冷技术中，过热是针对制冷剂蒸气而言的。当蒸气的压力一定，而温度高于该压力下相对应的饱和温度时就称为过热蒸气；同样当温度一定，而压力低于该温度下相对应的饱和压力时，也称为过热蒸气。 过热度=过热气体温度-饱和温度（5=105-100）,（2）过冷 在制冷技术中，过冷是针对制冷剂液体而言的。在压力一定时，温度低于该压力下相对应的饱和温度就称为过冷。过冷度=饱和温度-过冷液体温度 （75=100-25）,1.1.7 压力、绝对压力、表压、真空压力,(1) 压力,压力定义为施加在单位面积上的力，用公式的形式来表达就是 P = 力/面积 = F/A,压力的单位为N/m2(牛顿/平方米)。,1)

6、 国际单位,1 Pa1 N/m2,制冷技术中，通常用千帕（kPa）或兆帕（MPa）作为单位。 1 MPa103 kPa106 Pa,2) 工程单位,1 kgf/cm29.8104 Pa0.1 Mpa,单元基本知识,3) 采用液柱高度为压力单位。,1 mmHg1.33 Pa,(2) 标准大气压,标准大气压又称物理大气压，是指温度为0、纬度为45的海平面上，大气常年的平均压强。其值为760mmHg，标准大气压用符号B（atm，101.325kPa）来表示；工程上为了计算方便，把大气压力近似定为1千克力/平方厘米（1kgf/cm2）来计算，称为一个工程大气压（Patm）。,1 标准大气压（1B）=7

7、60 mmHg,1 B1.033 kg/cm2 1 kg/cm2 0.1 MPa,工程上气体的压力分为绝对压力、表压力和真空度。,单元基本知识,(3) 绝对压力,定义绝对真空的空间里压力为零，以零为起点的压力，指容器内的气体或液体对于容器内壁的实际压力，用符号P绝表示。,(4) 表压力,以环境压力（当地大气压）为起点的压力，即压力表上读取的压力值，表示被测工质的压力与当地大气压力的差值，用符号P表表示。,绝对压力、表压和大气压之间的关系如下：P表P绝-B,(5) 真空度,当流体产生的压力和密闭容器内气体绝对压力低于大气压力时，这个压力与大气压之间的差值就称为真空压力或真空度，用符号P真表示，反

8、映在压力表上为负压力。,绝对压力、大气压和真空度之间的关系如下：,P真B-P绝,绝对压力、表压力和真空度的关系,单元基本知识,工程计算中，选取的压力必须是绝对压力。火电厂中所测得的锅炉汽包、主蒸汽的压力值都是表压力，负压燃烧锅炉炉膛内的烟气和凝汽器内乏汽的压力值为真空，制冷系统中计算耗功、COP等的压力，计算时都须换算为绝对压力。,测量真空度的仪器很多，在制冷设备修理中常用U形管真空计和真空压力表。用U形管真空计测量系统真空度的方法如图15所示：U形管的右端与被测容器相连时，两液面之差h即为真空度。,低真空度的测量,1.1.8 饱和温度与饱和压力,处在密闭容器内的液体，因吸收外界热量而部分变成

9、气体，与此同时，也有一部分气体因失去部分能量而回到液体表面。当从液体离开的分子数与返回液体的分子数相等时，蒸气的密度不再改变，即达到饱和状态，温度和压力也稳定不变。饱和状态下的蒸气称为饱和蒸气。此时的温度称为饱和温度，用ts表示。相应的蒸气压力称为饱和蒸气压力，用ps 表示,1.1.9 热量、比热容、显热和潜热 1. 热量 热量是表示物体吸热或放热多少的物理量。热量的法定计量单位为焦耳（J）或千焦耳（kJ）。以往工程上通用的热量单位为千卡（kcal）又称大卡。1kcal是指1kg纯水在标准大气压下，温度从19.5加热到20.5所吸收的热量。 千卡与千焦耳之间的换算为：,1 kcal4.187

10、kJ或1 kJ0.2389 kcal,2. 比热容 单位质量的某种物质，温度升高或降低1 K所吸收或放出的热量，称为这种物质的比热容或质量热容（比热容通常简称为比热），用符号c表示，单位常用千焦耳（千克开尔文）kJ(kgK)。,有了物质的比热容，就可以计算物质在温度改变时吸收或放出的热量。其计算公式如下：,2. 显热和潜热,物质在加热或冷却过程中，仅仅使物质的温度升高或降低，而并没有改变物质的状态时，它所吸收或放出的热量称为显热。它可以用温度计来测量。它是人们可感觉得到的热，所以又称为可感热。,物质在加热或冷却过程中，只改变状态而温度不发生变化，所吸收或放出的热量称为该物质的潜热。潜热无法用温

11、度计测量出来，也无法感觉到，但它可以计算出来。,1.1.10 制冷量与制热量 制冷量、制热量用于表示制冷或制热的能力，用W或kW表示。单位重量制冷量、制热量（kcalkg）表示制冷设备运行时，每千克（kg）重量制冷剂能从密闭的空间或环境中吸收或释放多少大卡（kcal）热量。,1.1.11 功、功率和能（量）,(1) 功,功是当移动一个物体时，施加在它上面的力所产生的效果。可以用下面的公式来表示 功=力距离 1J = 1Nm,(2) 功率,功率是做功和所用时间的比,或者说单位时间内所做的功。可以用下式表示功率=功/时间 1kW=1000J/s,单元基本知识,(3)能(量),能被定义为做功的能力，

12、它是一个抽象的概念。,（2）工质 在热力工程中，把可以实现能量转换和物态改变的物质称为工质。在制冷技术中工质又称为制冷剂或制冷工质，例如家用冰箱、空调器过去常用的制冷剂氟利昂12、氟利昂22等。,（3）介质 在制冷技术中，凡可用来转移热量和冷量的物质，称为介质。一般常用的介质是水和空气。,1.1.12 热力系统、工质与介质 （1）热力系统 在热力学研究中，研究者所指定的具体研究对象，称为热力系统，简称系统。和系统发生相互作用（能量交换或质量交换）的周围环境称为外界或环境。系统状态及状态参数。,1.1.13 内能、焓与熵 （1）内能 内能又称热力学能，是物质内部各种微观能量的总和。在热力学中，内

13、能是分子热运动动能（内动能）和分子间的位能（内位能）的总和。内动能与温度有关，内位能与体积或压力有关。所以，内能是一个状态参数，常用符号U表示，单位为焦耳（J）。u表示单位质量的内能，称为比内能，单位为焦耳每千克（Jkg）。 （2）焓 焓是一个复合的状态参数，表征系统中的总能量。对流动工质而言，焓是内能U与压力位能pV之和，用H表示，即：,（J或kJ）,kJ/(kgK),则,即物质吸收或放出的热量等于物质的热力学温度和熵的变化的乘积。在孤立系统中，体系与环境没有能量交换，体系总是自发地向混乱度增大的方向变化，总使整个系统的熵值增大，此即熵增原理,（3）熵 熵和焓一样，也是描述物质状态的参数，表

14、征工质状态变化时，其热量传递的程度和方向，其物理意义是体系混乱程度的度量。 熵是在状态变化过程中吸收或放出的热量Q和此时物质的热力学温度T的比值，用S表示，其关系式为：,T,1.2.1热力学第零定律,1.2 热力学基本定律,如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡。,温度测量的理论基础B 温度计,1.2.2 热力学第一定律,1、重物下降，输入功，绝热容器内气体温度,2、绝热去掉，气 体 温度，放出热给水， 恢复原温。,能量既不能被创造，也不能被消灭，它只能从一种形式转换成另外一种方式，或从一个物体传递到另一个物体，而其总量保持平衡。,封闭系统： U=Q+W U 系统

15、热力学能（内能）的增量； Q 系统与环境交换的热，得热为，失热为 W 系统与环境交换的功，得功为，失功为,热和功都是能量传递的形式，不是能量存在的形式，因此热和功不是状态函数，而是过程函数。,26,功和p-v图,功可以用p-v图上过程线与v轴包围的面积表示,讨论,功的数值不仅决定于初始状态，而且与过程间的途径有关功不是状态函数，是过程函数；功是系统通过边界传递的能量，这个功一旦越过边界，就消失。因此，不能说在某种状态下系统和外界有多少功，只有当系统状态发生变化时才有功的传递。,28,热量与功的异同,通过边界传递的能量；过程量；功传递由压力差推动，比体积变化是作功标志；热量传递由温差推动，比熵变

16、化是传热的标志；功是物系间通过宏观运动发生相互作用传递的能量；热是物系间通过紊乱的微粒运动发生相互作用传递的能量。,热力学第一定律的不足,30,热力学第一定律的不足,热力学第一定律强调的是能量上的守恒，没有考虑不同类型能量在做功能力上的差别。同样数量的机械能与热能其价值并不相等，机械能具有直接可用性，可以无条件转换为热能（优质能）；而热能必须在一定的补充条件下才能部分转化为机械能。热力学第一定律不能判断热力过程的方向性。,31,1.2.3热力学第二定律,不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响；不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响，即第二类永动机是不可能成功的。根

17、据热力学第二定律，完成制冷过程必须消耗能量，能量的形式可以是机械能、电能、热能、太阳能以及其他形式的能量。,热力学第二定律的实质,能量转换方向性的实质是能质有差异,无限可转换能机械能，电能,部分可转换能热能,不可转换能环境介质的热力学能,实质：论述热力过程的方向性即能质退化或贬值的客观规律。,能质降低的过程可自发进行，反之需一定条件补偿过程，其总效果是总体能质降低。,蒸汽动力装置（热机）,锅炉 产生蒸汽（将燃料的化学转换为热能并传递给工质）汽轮机 将蒸汽的热能转换为机械能冷凝器 将乏汽冷凝成水水泵 使得工作介质循环（保证系统内部的高压） 工质（水、蒸汽）周而复始地循环，进而实现将热能转换为机械

18、能的任务,热力系统三要素：高温热源工质低温热源,热机效率,35,冷机效率,卡诺循环（最理想的热机循环）,由两个等温过程和两个绝热过程组成的可逆循环。,卡诺循环的热效率：,37,逆卡诺循环,由两个定温过程和两个绝热过程组成的可逆循环。,逆卡诺循环的热效率：,热力学第三定律，其描述的是热力学系统的熵在温度趋近于绝对零度时趋于定值。而对于完整晶体，这个定值为零。,绝对零度不可达到这个结论称做热力学第三定律。,1.2.4 热力学第三定律,1.3 热传递方式,热力学过程必然伴随热的传递过程热传递方式：热传导热对流热辐射,1.3.1 热传导（heat conduction）,热传导简称导热，是指温度不同的

19、物体各部分无相对位移或不同温度的物体间接紧密接触时，依靠物质内部分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而进行热量传递的现象。导热是物质的固有属性，热量由固体壁面的高温部分传递到低温部分的现象就属于导热。导热可以发生在固体、液体及气体中。根据导热时物体内部温度场是否随时间变化，可以分为稳态导热和非稳态导热。稳态导热即物体内部温度场不随时间变化的导热，其热流密度为定值。,导热,热阻：R=L/(A),k,面积为1m2 ，厚度为1m ，两端平面间温差为1的某种物质，在1h内传导的热量即为该物质的导热系数或称热导率，用符号表示。导热系数的单位名称为瓦特每米开尔文，单位符号为W(mK)。,导热(扩展),导

20、热计算,两端温度为35和-18恒定，材料厚度150mm，面积1平方米，分别计算不锈钢和聚氨酯的导热量。不锈钢：热阻R=0.15/17=0.00882，q=(T1-T2)/R =6009.07W聚氨酯：热阻R=0.15/0.025=6.00000，q=(T1-T2)/R =8.833333W如果在聚氨酯两端用0.8mm的不锈钢材料紧密相连，导热量是多少？不锈钢热阻：R=0.0008/17=0.00004706，总热阻R=6.00009412，q=8.833195W,1.3.2 热对流（heat convection）,依靠流体的运动，把热量从一处传递到另一处的过程。热对流只能在液体或气体中进行，

21、是流体特有的一种传热方式。热对流是指由于流体的宏观运动而引起的流体各部分之间发生相对位移，冷、热流体相互惨混所导致的热量传递过程。工程上特别感兴趣的是流体流过一个固体的表面时流体与固体表面之间的热量传递过程，并称之为对流换热（convective heat transfer）。,对流换热,自然对流natural convection由于流体冷、热各部分的密度不同而引起的流体流动。强制对流 forced convection由于水泵、风机或其他压差作用而引起的流体流动。沸腾传热 boiling heat transfer液体在热表面沸腾凝结传热 condensation heat transfe

22、r蒸气在冷表面凝结,对流换热,对流计算,冷库内部温度维持在tin=-18，冷库外环境温度为tout=35，冷库库体材料为聚氨酯泡沫夹心板，聚氨酯厚度L=150mm，面积A=160平方米，计算冷库通过库体的传热量。聚氨酯导热系数为=0.025W/(mK),冷库内壁对流换热系数为hin=12W/(m2K),冷库外壁对流换热系数为hout=23W/(m2K)。R1=1/(Ahin)=0.00052083 K/W， r1=0.083333 m2K/WR2=L/(A)=0.0375 K/W， r2=6.0 m2K/WR3=1/(Ahout)=0.00027174 K/W， r3=0.043478 m2K

23、/WQ=(tout-tin)/(R1+R2+R3)=A(tout-tin)/(r1+r2+r3)=1384.08056 W,1.3.3 热辐射,物体表面通过电磁波(或光子)来传递热量的过程称为热辐射。物质由分子、原子、电子等微观粒子组成，这些微观粒子受到振动和激发时就会产生交替的电场和磁场，释放出电磁波(或光子)，电磁波以直线传播(类似于光)，直到遇到其他物体，被这些物体中的微观粒子吸收。特点：辐射能可以通过真空自由地传播而无需任何中间介质(与导热、对流完全不同)。一切物体只要具有温度(高于0K)，就能持续地发射出辐射能，同时也能持续地吸收来自其他物体的辐射能。热辐射不仅具有能量的传送，而且具

24、有能量形式的转换，即热能一电磁波能一热能。,热辐射,黑体在单位时间的辐射热量由史蒂芬-波尔兹曼定律揭示Q=AT4-史蒂芬-波尔兹曼，5.67X10-8 W/(m2T4)空腔表面辐射热量Q=A11 （T14-T24）,传热系数K (overall heat transfer coefficient),Q=AK(T1-T2)K-传热系数 W/(m2K)K=1/R热阻R=R1+R2+R3+,实际的传热过程中往往是三种方式同时进行的。在电冰箱后部的冷凝器中制冷剂的高温高压蒸气的热量，既通过管壁以传导的方式传至空气中，又由空气以对流的方式带到室内其他地方，还由高温管壁以辐射的方式直接向外散发。,1.4.

25、1 沿程损失和局部损失,1.4 流体力学,归纳造成流段损失的原因：内因：粘性和速度梯度；外因：流场中边界形状发生剧烈变化，或有局部障碍。若流体是理想流体，即使边界形状发生急剧变化，也只能是机械能的相互转化，不会造成流动损失。总之，流体粘性是造成流动损失的根本原因。,按流动边界情况，分为沿程损失和局部损失,（1）沿程损失hf据实验得出：沿程水头损失与管段长度、管径、流速、流体粘度、密度以及管壁粗糙度等因素有关。,达西公式,ldg V, 沿程阻力系数（一般由实验确定）； 管段长度； 管道直径； 重力加速度度； 水流平均流速。,工业管道湍流阻力系数的计算公式,莫迪 (Moody)图,1944年美国工

26、程师莫迪以柯氏公式为基础，以相对粗糙度为参数，把作为Re 的函数，绘制出工业管道摩阻系数的曲线图。在图上按K/d和Re可直接查出 。,（2）局部损失hj局部水头损失发生在局部区域，与水流状态和水流断面的几何形状相关。, 局部阻力系数（通常由实验确定）V对应断面水流平均流速,层流的局部损失问题在暖通空调方面极少遇到，所以一般主要研究湍流的局部损失。,实验表明，局部水头损失系数主要取决于局部障碍形状、固体壁面的相对粗糙以及雷诺数。其中，局部障碍形状起主导作用。,局部阻力之间的相互干扰局部障碍直接连接时，水头损失会出现一定幅度的变化，可能增大，也可能减小。在设计管网时，如各局部障碍之间的距离都大于3

27、倍管径，忽略相互干扰的计算结果，一般偏于安全。,（3）减小阻力的措施,1、减小管壁的粗糙度2、平顺管道进口,57,3、渐扩管和突扩管,4、弯管：曲率半径最好在R=(14)d； 断面大的弯管加导流叶片,5、三通 尽可能减小支管与合流管之间的夹角； 将支管与合流管连接处的折角改缓慢。,Y,流体在管道中流动时与外界的热交换往往可以忽略，也不对外输出轴功，而且常可视为稳态稳流装置。以下本章将主要讨论定比热容理想气体在管道中作绝热稳态稳流时的热力学状态变化与宏观流动状况（流速、流量）变化之间的关系,1.4.2 稳态稳流的基本方程,连续性方程,稳态稳流时，任何一段管道内流进和流出的流体流量相等,由于,能量方程,根据稳态稳流的能量方程,对于绝热、不作轴功、忽略重力位能的稳态稳流情况,可见相对管道中的任意两个截面，若气流的焓 h，则流速c；反之，若气流的焓h，则流速c,常数,滞止焓,滞止焓的物理意义为：,在绝热流动的情况下，流体因阻滞作用而达到流速为零时所应具有的焓参数最大值,在流道中测定气流温度时滞止效应令所得的结果偏高,令,滞止状态的参数以下标“0”表示,求解流动问题通常已知进口气流状态(h1,P1,v1,T1,c1),由,h0,T0,P0,v0,滞止状态完全由进口气流初态确定,谢谢！,