热工基础理论.docx

第二章 热工学理论基础 自从发明蒸汽机以后， 各类热力原动机相继发展起来， 先后出现了汽油发动机、 柴油机、 汽轮机和燃气轮机等。而汽轮机以功率大、效率高、运行可靠著称，成为带动发电机的首选 原动机。热工学理论，正是在这些热机生产实践的基础上形成的。 热能的利用包括两种方式 : 一种是把热能直接用于加热物料； 另一种是把热能转换成机械 能。因此热能利用过程与能量传播和转换过程是紧密相关的。热工学理论是以热力学的两个 基本定律为基础。因为热能转换为机械能是通过工质的热力过程和热力循环来完成，因而对 过程和循环的分析是热力学的主要内容；对热力过程和热力循环进行分析时，必须用到工质 水及其蒸汽的性质，故对于蒸汽性质及其循环的讨论也是其中一项重要内容。 第一节 基木概念 自然界中存在的物质有固体、液体、气体三种状态。每种物质随着外界条件的变化，它 本身的状态也发生变化。比如，水是液体，当加热时，它的温度升高，变成气体 —— 水蒸汽； 反之，如将水冷却，它的温度下降，又变成固体 —— 冰。 在热机里要使热能不断转变成机械能，一定要借助一种工作物质，把这种实现热能和机 械能相互转换的媒介物质，叫做工质。了解工质性质尤为重要。工质的变化规律，是通过温 度、压力、比容、焓、熵等物理特性来表示，凡能够表示工质状态特性的物理量，统称为状 态参数。 一、温度 温度是表示物体冷热程度的物理量。 热物体温度高， 冷物体温度低， 当两个物体接触时， 温度高的物体就向温度低的物体传热。如果二者间没有热量传播，则两个物体的冷热程度一 样，即处于热平衡状态，两物体温度相等。 在发电厂里，需要测量温度的地方很多，如进入汽轮机的蒸汽温度，冷却水温度、润滑 油温度等。不知道各处的温度，就不能了解运行情况。 处于热平衡状态的物体具有相同的温度，这是利用温度计测量物体温度的依据。当温度 计与被测物体达到热平衡状态时，温度计的温度即等于被测物体的温度。 温度的数值表示方法称为温标。常用的有热力学温标和摄氏温标。 1、热力学温标 ( 绝对温标 ) 国际单位制采用热力学温标为基本温标。 用这种温标确定的温度称为热力学温度 ( 又称绝 对温度 ) ，符号为 T，单位开尔文， 国际符号为 K。热力学温标选择水的三相点 （即水的固、 液、汽三相平衡共存的状态） 为基本点， 并定义它的温度为 273.16K 。也就是定义热力学温度的单 位开尔文等于水的三相点热力学温度的 1/273.16 ，在工程计算中，取 273 已足够准确。 从分子运动论看来， T=0K时，物体分子停止运动。显然， 0K实际上是达不到的，只是为 了理论分析才作此理论上的假设。 2、摄氏温标 50 5 摄氏温标又称为国际百度温标。它规定 1.01325 ×10 Pa（l 个标准大气压）下纯水的冰点 为 0度，沸点为 100度，其间划分一百等份，每一等份称为一摄氏度，摄氏温度用 t 表示，其单 位为℃。 摄氏温度与绝对温度的换算关系是： T＝ 273＋ t 亦即摄氏温标 1℃的间隔等于热力学温标 1K的间隔，即 t ＝ T。 从微观角度讲，气体的温度是组成气体的大量分子平均动能的量度。温度越高，气体内 部分子不规则热运动越剧烈。热运动的剧烈程度不同，说明了气体的状态不同。 二、压力 在汽轮机运行中，我们要经常监督各处的压力，比如蒸汽的压力，油的压力，水的压力 等。通过检查各处压力表的指示，就可以判断汽轮机各部分工作是否正常。 工质在容器壁面单位面积上所施加的垂直作用力称为压力， 用符号 P表示。根据气体分子 运动论，气体的压力是气体分子作不规则运动时撞击容器壁面的结果。由于气体内部所含的分子数目相等，它们对容器撞击的次数极为频繁，因而人们不可能分辨单个分子的撞击，只能观察到大量分子撞击的平均结果。压力的方向总是垂直于容器壁面。 压力的单位可由定义得到： P＝ F/A 式中： F—— 作用力， N； A—— 承压面积，㎡； P—— 压力， Pa。 工程上压力的单位常用兆帕（ MPa）表示： 1Mpa＝ 106Pa 压力的单位也可用液柱的高度表示，参看右图， 若 液柱高度为 H，该液柱对底面积 A的总作用力等于液柱的重 量。 即： PA ＝ HAρg ＝ Hρg 式中， ρ为液体密度； g为重力加速度。 水的密度 ρ水 ＝ 1000kg/m3（ 4℃时），汞的密度 ρ汞 ＝ 13595 kg/m3（ O℃时） , 由上式可得出 : 1mm H2O＝ 9.80665Pa ≈ 9.81 Pa 1mmHg ＝ 133.322 Pa ≈ 133.3 Pa 工程上容器内的压力用压力表来测量。一般采用弹簧管式压力表测量，较小压力采用 U 形管压力计测量。下图（ a）、（ b）分别为弹簧管式压力表和 U形管式压力表。 51 这