基础理论知识

第一章、基础理论知识课程名称建筑设备授课对象建筑工程技术、工程造价、工程监理专业学生授课章节第一章、建筑给水排水工程授课学时数备后面学习查阅基本教材或主要参考书教材：中国建筑工业出版社《建筑设备》贾永康主编参考书：《流体力学》、《传热学》、《热力学》中国建筑工业出版社教学目的与要求通过学习，使学生了解流体力学基本知识以及热力学和传热学的基础知识会用流体力学的知识解决给排水和采暖工程中遇到的水力计算问题；会用传热学的基础知识解释采暖工程中遇到的传热现象；会用热力学中逆卡诺循环原理解释制冷循环中所遇到的问题。教学内容与时间安排绪论第一章基础理论知识第一节、流体力学基本知识第二节、热工学基本知识教学重点与难点会用流体力学的知识解决给排水和采暖工程中遇到的水力计算问题；会用传热学的基础知识解释采暖工程中遇到的传热现象；会用热力学中逆卡诺循环原理解释制冷循环中所遇到的问题。考核方式闭卷考试+实践第一章、流体力学与热工学基础1.1流体主要的力学性质从微观上讲，流体是由大量的彼此之间有一定间隙的单个分子所组成，而且分子总是处于随机运动状态。从宏观上讲，流体视为由无数流体质点（或微团）组成的连续介质。所谓质点，是指由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备尺寸，但却远大于分子自由程。这些质点在流体内部紧紧相连，彼此间没有间隙，即流体充满所占空间，称为连续介质。1.易流动性流体这种在静止时不能承受切应力和抵抗剪切变形的性质称为易流动性2.质量密度单位体积流体的质量称为流体的密度，即ρ=m/V3.重量密度流体单位体积内所具有的重量称为重度或容重，以γ表示。γ=G/V质量密度与重量密度的关系为：γ=G/V=mg/V=ρg4.粘性表明流体流动时产生内摩擦力阻碍流体质点或流层间相对运动的特性称为粘性，内摩擦力称为粘滞力。粘性是流动性的反面，流体的粘性越大，其流动性越小。平板间液体速度变化如图1.1所示。实际流体在管内的速度分布如图1.2所示。实验证明，对于一定的流体，内摩擦力F与两流体层的速度差du成正比，与两层之间的垂直距离dy成反比，与两层间的接触面积A成正比，即F=μAdu/dy（1-4）通常情况下，单位面积上的内摩擦力称为剪应力，以τ表示，单位为Pa，则式（1-4）变为τ=μdu/dy（1-5）的固体边界，在充满流体的空间继续流动的这种流体运动称为射流，如喷泉、消火栓等喷射的水柱。4.流体流动的因素（1）过流断面流体流动时，与其方向垂直的断面称为过流断面，单位为m2。在均匀流中，过流断面为一平面。（2）平均流速在不能压缩和无粘滞性的理想均匀流中，流速是不变的。如图1-5所示的定态流动系统，流体连续地从1—1截面进入，从2—2截面流出，且充满全部管道。以1—1、2—2截面以及管内壁为衡算范围，在管路中流体没有增加和漏失的情况下，单位时间进入截面1—1的流体质量与单位时间流出截面2—2的流体质量必然相等，即ms1=ms2(1-15)或ρ1u1A1=ρ2u2A2(1-16)推广至任意截面，有ms=ρ1u1A1=ρ2u2A2=…=ρuA=常数(1-17)式（1-15）～式(1-17)均称为连续性方程，表明在定态流动系统中，流体流经各截面时的质量流量恒定。对不可压缩流体，ρ＝常数，连续性方程可写为:Vs=u1A1=u2A2=…=uA=常数(1-18)对于圆形管道，式（1-18）可变形为u1/u2=A2/A1=(d2/d1)2(1-19)【例1.1】如图1-6所示，管路由一段Φ89mm×4mm的管1、一段Φ108mm×4mm的管2和两段Φ57mm×3.5mm的分支管3a及3b连接而成。若水以9×10-3m3/s的体积流量流动，且在两段分支管内的流量相等，试求水在各段管内的速度。图1-6【解】管1的内径为:d1=89-2×4=81(mm)则水在管1中的流速为:u1=1.75(m/s)管2的内径为:d2=108-2×4=100(mm)由式（1-19），则水在管2中的流速为:u2=1.15(m/s)管3a及3b的内径为:d3=57-2×3.5=50(mm)因水在分支管路3a、3b中的流量相等，则有u2A2=2u3A3即水在管3a和3b中的流速为:u3=2.30(m/s)【例1.2】如图1-7所示，要用水泵将水池中的水抽到用水设备，已知该设备的用水量为60m3/h，其出水管高出蓄水池液面20m，水压为200kPa。如果用直径d＝100mm的管道输送到用水设备，试确定该水泵的扬程需要多大才可以达到要求？图1-7【解】（1）取蓄水池的自由液面为1—1断面，取用水设备出口处为2—2断面。（2）以1—1断面为基准液面，根据伯努利方程列出两个断面的能量方程：式中Z1=0，P1=0，u1=0;Z2＝20m，P2＝200kPa，且u2=Q/A=4Q/(πD)=60×4/(3.14×0.01×3600)=2.12(m/s)故水泵的扬程为:如图1-8所示，流体在水平等径直管中作定态流动。在1—1截面和2—2截面间列伯努利方程，得图1-8因是直径相同的水平管，u1=u2,Z1=Z2，故Wf=(P1-P2)/ρ（1－22）若管道为倾斜管，则Wf=(P1/ρ+Z1g)-(P2/ρ+Z2g)（1－23）由此可见，无论是水平安装还是倾斜安装，流体的流动阻力均表现为静压能的减少，仅当水平安装时，流动阻力恰好等于两截面的静压能之差。1.沿程损失流体在直管段中流动时，管道壁面对于流体会产生一个阻碍其运动的摩擦阻力（沿程阻力），流体流动中为克服摩擦阻力而损耗的能量称为沿程损失。通常采用达西-维斯巴赫公式计算，即2.局部损失流体运动过程中通过断面变化处、转向处、分支或其他使流体流动情况发生改变时，都会有阻碍运动的局部阻力产生，为克服局部阻力所引起的能量损失称为局部损失。计算公式为：hj=ξu2/(2g)流体在流动过程中的总损失等于各个管路系统所产生的所有沿程损失和局部损失之和，即h=∑hl+∑hj【例1.3】如图1-7所示，若蓄水池至用水设备的输水管的总长度为30m，输水管的直径均为100mm，沿程阻力系数为λ=0.05，局部阻力有：水泵底阀一个，ξ=7.0；90°弯头四个，ξ=1.5；水泵进出口一个，ξ=1.0；止回阀一个，ξ=2.0;闸阀两个，ξ=1.0;用水设备处管道出口一个，ξ=1.5。试求:（1）输水管路的局部损失；（2）输水管道的沿程损失;（3）输水管路的总水头损失;（4）水泵扬程的大小。【解】由于从蓄水池到用水设备的管道的管径不变，均为100mm，因此，总的局部水头损失为：hj=∑ξu2/(2g)=4.47(m)整个管路的沿程损失为：hl=λLu2/(d2g)=3.45(m)输水管路的总损失为：h=hj+hl=4.47+3.45=7.92(m)水泵的总扬程为：hb=40.92+h=40.92+7.92=48.84(m)图1-72.1稳态传热的基本概念物质具备某种宏观性质，当各物体的这一性质不同时，它们若相互接触，其间将有净能流传递；当这一性质相同时，它们之间达到热平衡。通常把这一宏观物理性质称为温度。从微观上看，温度标志物质分子热运动的激烈程度。2.1.1.1温度这种由于温差作用而通过接触边界传递的能量，称为热量。热量通常用Q表示。。1焦耳＝1牛顿·米(1J＝1N·m)1瓦＝1焦耳／秒(1W＝1J／s)根据热功当量值可知，两种单位制的换算关系为:1千卡＝4.19千焦耳(1kcal＝4.19kJ)2.1.1.2热量热量传递过程分为稳态过程和非稳态过程两大类。凡物体中各点温度不随时间而改变的热量传递过程称为稳态热传递过程；反之则称为非稳态热传递过程。各种设备在持续稳定运行时的热传递过程属于稳态过程，而在起动、停机和工况改变时的热传递过程则属于非稳态过程。大多数设备都可认为在稳定运行条件下工作。2.2传热的基本方式热量传递过程中要经历三个阶段(如图1-9所示)：(1)热量由室内空气以对流换热和物体间的辐射换热的方式传给墙壁的内表面。(2)墙壁的内表面以固体导热的方式传递到墙壁外表面。(3)墙壁外表面以对流换热和物体间辐射换热的方式把热量传递给室外环境。图1-9当物体内有温差或两个不同温度的物体接触时，在物体各部分之间不发生相对位移的情况下，物质微粒（分子、原子或自由电子）的热运动传递了热量，使热量从高温物体传向低温物体，或从同一物体的高温部分传向低温部分，这种现象被称为热传导，简称导热。设有如图1-10所示的一块大平壁，壁厚为δ，一侧表面面积为A，两侧表面分别维持均匀恒定温度tw1和tw2。实践表明，单位时间内从表面1传导到表面2的热量Φ(热流量)与导热面积A和导热温差（tw1-tw2）成正比，与厚度δ成反比，写成等式为：图1-10在流体中，温度不同的各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递过程叫做热对流。流体各部分之间由于密度差而引起的相对运动称为自然对流；而由于机械(泵或风机等)的作用或其他压差而引起的相对运动称为强迫对流(或受迫对流)。工程上经常遇到的流体流过固体壁时的热传递过程就是热对流和导热作用的热量传递过程，称为表面对流传热，简称对流传热。当温度为tf的流体流过温度为tw（tw≠tf）、面积为A的固体壁(见图1-11)时，对流传热的热流量Φc与面积A、流体和壁面的温差Δt成正比，即Φc=hcAΔt（1-28）这就是牛顿冷却公式。流体被加热（tw＞tf）时,取Δt＝tw-tf；当物体被冷却（tw＜tf)时，取Δt＝tf－tw。图1-11物质是由分子、原子、电子等基本粒子组成的，原子中的电子受激或振动时会产生交替变化的电场和磁场，能量以电磁波的形式向外传播，这就是辐射。电磁波的分类和名称如图1-12所示。图1-12电磁波谱通常把投射到物体上能产生明显热效应的电磁波称为热射线，其中包括可见光线、部分紫外线和红外线。物体发出和接收过程的综合结果产生了物体间通过热辐射而进行的热量传递，称为表面辐射传热，简称辐射传热。热辐射的本质决定了辐射传热的特点：(1)辐射传热与导热和对流传热不同，它不依靠物质的直接接触而进行能量传递。(2)辐射传热过程伴随着能量形式的两次转化，即物体的内能首先转化为电磁波能发射出去，当此波射到另一物体表面并被吸收时，电磁波能又转化为物体的内能。(3)一切物体只要其温度高于绝对零度，都会不停地向外发射热射线。辐射传热是两物体互相辐射的结果。2.3传热过程及传热的增强与削弱热量从温度较高的流体经过固体壁传递给另一侧温度较低流体的过程，称为总传热过程，简称传热过程。传热过程实际上是导热、热对流和辐射三种基本方式共同存在的复杂换热过程。传热过程的热流量可用下式表示：Φ＝KAΔt所谓增强传热，就是通过传热分析，找出影响传热的主要因素，进而采取措施使热力设备的热流量增加。增强传热的途径主要有以下几个方面：（1）加大传热温差。（2）减小传热面总热阻。减小传热面的总热阻可以