基礎(chǔ)理論知識(shí)

第一章、基礎(chǔ)理論知識(shí)課程名稱建筑設(shè)備授課對(duì)象建筑工程技術(shù)、工程造價(jià)、工程監(jiān)理專業(yè)學(xué)生授課章節(jié)第一章、建筑給水排水工程授課學(xué)時(shí)數(shù)備后面學(xué)習(xí)查閱基本教材或主要參考書教材：中國(guó)建筑工業(yè)出版社《建筑設(shè)備》賈永康主編參考書：《流體力學(xué)》、《傳熱學(xué)》、《熱力學(xué)》中國(guó)建筑工業(yè)出版社教學(xué)目的與要求通過學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解流體力學(xué)基本知識(shí)以及熱力學(xué)和傳熱學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)會(huì)用流體力學(xué)的知識(shí)解決給排水和采暖工程中遇到的水力計(jì)算問題；會(huì)用傳熱學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)解釋采暖工程中遇到的傳熱現(xiàn)象；會(huì)用熱力學(xué)中逆卡諾循環(huán)原理解釋制冷循環(huán)中所遇到的問題。教學(xué)內(nèi)容與時(shí)間安排緒論第一章基礎(chǔ)理論知識(shí)第一節(jié)、流體力學(xué)基本知識(shí)第二節(jié)、熱工學(xué)基本知識(shí)教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)會(huì)用流體力學(xué)的知識(shí)解決給排水和采暖工程中遇到的水力計(jì)算問題；會(huì)用傳熱學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)解釋采暖工程中遇到的傳熱現(xiàn)象；會(huì)用熱力學(xué)中逆卡諾循環(huán)原理解釋制冷循環(huán)中所遇到的問題?？己朔绞介]卷考試+實(shí)踐第一章、流體力學(xué)與熱工學(xué)基礎(chǔ)1.1流體主要的力學(xué)性質(zhì)從微觀上講，流體是由大量的彼此之間有一定間隙的單個(gè)分子所組成，而且分子總是處于隨機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。從宏觀上講，流體視為由無(wú)數(shù)流體質(zhì)點(diǎn)（或微團(tuán)）組成的連續(xù)介質(zhì)。所謂質(zhì)點(diǎn)，是指由大量分子構(gòu)成的微團(tuán)，其尺寸遠(yuǎn)小于設(shè)備尺寸，但卻遠(yuǎn)大于分子自由程。這些質(zhì)點(diǎn)在流體內(nèi)部緊緊相連，彼此間沒有間隙，即流體充滿所占空間，稱為連續(xù)介質(zhì)。1.易流動(dòng)性流體這種在靜止時(shí)不能承受切應(yīng)力和抵抗剪切變形的性質(zhì)稱為易流動(dòng)性2.質(zhì)量密度單位體積流體的質(zhì)量稱為流體的密度，即ρ=m/V3.重量密度流體單位體積內(nèi)所具有的重量稱為重度或容重，以γ表示。γ=G/V質(zhì)量密度與重量密度的關(guān)系為：γ=G/V=mg/V=ρg4.粘性表明流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生內(nèi)摩擦力阻礙流體質(zhì)點(diǎn)或流層間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的特性稱為粘性，內(nèi)摩擦力稱為粘滯力。粘性是流動(dòng)性的反面，流體的粘性越大，其流動(dòng)性越小。平板間液體速度變化如圖1.1所示。實(shí)際流體在管內(nèi)的速度分布如圖1.2所示。實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)于一定的流體，內(nèi)摩擦力F與兩流體層的速度差du成正比，與兩層之間的垂直距離dy成反比，與兩層間的接觸面積A成正比，即F=μAdu/dy（1-4）通常情況下，單位面積上的內(nèi)摩擦力稱為剪應(yīng)力，以τ表示，單位為Pa，則式（1-4）變?yōu)棣?μdu/dy（1-5）的固體邊界，在充滿流體的空間繼續(xù)流動(dòng)的這種流體運(yùn)動(dòng)稱為射流，如噴泉、消火栓等噴射的水柱。4.流體流動(dòng)的因素（1）過流斷面流體流動(dòng)時(shí)，與其方向垂直的斷面稱為過流斷面，單位為m2。在均勻流中，過流斷面為一平面。（2）平均流速在不能壓縮和無(wú)粘滯性的理想均勻流中，流速是不變的。如圖1-5所示的定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)，流體連續(xù)地從1—1截面進(jìn)入，從2—2截面流出，且充滿全部管道。以1—1、2—2截面以及管內(nèi)壁為衡算范圍，在管路中流體沒有增加和漏失的情況下，單位時(shí)間進(jìn)入截面1—1的流體質(zhì)量與單位時(shí)間流出截面2—2的流體質(zhì)量必然相等，即ms1=ms2(1-15)或ρ1u1A1=ρ2u2A2(1-16)推廣至任意截面，有ms=ρ1u1A1=ρ2u2A2=…=ρuA=常數(shù)(1-17)式（1-15）～式(1-17)均稱為連續(xù)性方程，表明在定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)中，流體流經(jīng)各截面時(shí)的質(zhì)量流量恒定。對(duì)不可壓縮流體，ρ＝常數(shù)，連續(xù)性方程可寫為:Vs=u1A1=u2A2=…=uA=常數(shù)(1-18)對(duì)于圓形管道，式（1-18）可變形為u1/u2=A2/A1=(d2/d1)2(1-19)【例1.1】如圖1-6所示，管路由一段Φ89mm×4mm的管1、一段Φ108mm×4mm的管2和兩段Φ57mm×3.5mm的分支管3a及3b連接而成。若水以9×10-3m3/s的體積流量流動(dòng)，且在兩段分支管內(nèi)的流量相等，試求水在各段管內(nèi)的速度。圖1-6【解】管1的內(nèi)徑為:d1=89-2×4=81(mm)則水在管1中的流速為:u1=1.75(m/s)管2的內(nèi)徑為:d2=108-2×4=100(mm)由式（1-19），則水在管2中的流速為:u2=1.15(m/s)管3a及3b的內(nèi)徑為:d3=57-2×3.5=50(mm)因水在分支管路3a、3b中的流量相等，則有u2A2=2u3A3即水在管3a和3b中的流速為:u3=2.30(m/s)【例1.2】如圖1-7所示，要用水泵將水池中的水抽到用水設(shè)備，已知該設(shè)備的用水量為60m3/h，其出水管高出蓄水池液面20m，水壓為200kPa。如果用直徑d＝100mm的管道輸送到用水設(shè)備，試確定該水泵的揚(yáng)程需要多大才可以達(dá)到要求？圖1-7【解】（1）取蓄水池的自由液面為1—1斷面，取用水設(shè)備出口處為2—2斷面。（2）以1—1斷面為基準(zhǔn)液面，根據(jù)伯努利方程列出兩個(gè)斷面的能量方程：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)故水泵的揚(yáng)程為:如圖1-8所示，流體在水平等徑直管中作定態(tài)流動(dòng)。在1—1截面和2—2截面間列伯努利方程，得圖1-8因是直徑相同的水平管，u1=u2,Z1=Z2，故Wf=(P1-P2)/ρ（1－22）若管道為傾斜管，則Wf=(P1/ρ+Z1g)-(P2/ρ+Z2g)（1－23）由此可見，無(wú)論是水平安裝還是傾斜安裝，流體的流動(dòng)阻力均表現(xiàn)為靜壓能的減少，僅當(dāng)水平安裝時(shí)，流動(dòng)阻力恰好等于兩截面的靜壓能之差。1.沿程損失流體在直管段中流動(dòng)時(shí)，管道壁面對(duì)于流體會(huì)產(chǎn)生一個(gè)阻礙其運(yùn)動(dòng)的摩擦阻力（沿程阻力），流體流動(dòng)中為克服摩擦阻力而損耗的能量稱為沿程損失。通常采用達(dá)西-維斯巴赫公式計(jì)算，即2.局部損失流體運(yùn)動(dòng)過程中通過斷面變化處、轉(zhuǎn)向處、分支或其他使流體流動(dòng)情況發(fā)生改變時(shí)，都會(huì)有阻礙運(yùn)動(dòng)的局部阻力產(chǎn)生，為克服局部阻力所引起的能量損失稱為局部損失。計(jì)算公式為：hj=ξu2/(2g)流體在流動(dòng)過程中的總損失等于各個(gè)管路系統(tǒng)所產(chǎn)生的所有沿程損失和局部損失之和，即h=∑hl+∑hj【例1.3】如圖1-7所示，若蓄水池至用水設(shè)備的輸水管的總長(zhǎng)度為30m，輸水管的直徑均為100mm，沿程阻力系數(shù)為λ=0.05，局部阻力有：水泵底閥一個(gè)，ξ=7.0；90°彎頭四個(gè)，ξ=1.5；水泵進(jìn)出口一個(gè)，ξ=1.0；止回閥一個(gè)，ξ=2.0;閘閥兩個(gè)，ξ=1.0;用水設(shè)備處管道出口一個(gè)，ξ=1.5。試求:（1）輸水管路的局部損失；（2）輸水管道的沿程損失;（3）輸水管路的總水頭損失;（4）水泵揚(yáng)程的大小?！窘狻坑捎趶男钏氐接盟O(shè)備的管道的管徑不變，均為100mm，因此，總的局部水頭損失為：hj=∑ξu2/(2g)=4.47(m)整個(gè)管路的沿程損失為：hl=λLu2/(d2g)=3.45(m)輸水管路的總損失為：h=hj+hl=4.47+3.45=7.92(m)水泵的總揚(yáng)程為：hb=40.92+h=40.92+7.92=48.84(m)圖1-72.1穩(wěn)態(tài)傳熱的基本概念物質(zhì)具備某種宏觀性質(zhì)，當(dāng)各物體的這一性質(zhì)不同時(shí)，它們?nèi)粝嗷ソ佑|，其間將有凈能流傳遞；當(dāng)這一性質(zhì)相同時(shí)，它們之間達(dá)到熱平衡。通常把這一宏觀物理性質(zhì)稱為溫度。從微觀上看，溫度標(biāo)志物質(zhì)分子熱運(yùn)動(dòng)的激烈程度。2.1.1.1溫度這種由于溫差作用而通過接觸邊界傳遞的能量，稱為熱量。熱量通常用Q表示。。1焦耳＝1牛頓·米(1J＝1N·m)1瓦＝1焦耳／秒(1W＝1J／s)根據(jù)熱功當(dāng)量值可知，兩種單位制的換算關(guān)系為:1千卡＝4.19千焦耳(1kcal＝4.19kJ)2.1.1.2熱量熱量傳遞過程分為穩(wěn)態(tài)過程和非穩(wěn)態(tài)過程兩大類。凡物體中各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間而改變的熱量傳遞過程稱為穩(wěn)態(tài)熱傳遞過程；反之則稱為非穩(wěn)態(tài)熱傳遞過程。各種設(shè)備在持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的熱傳遞過程屬于穩(wěn)態(tài)過程，而在起動(dòng)、停機(jī)和工況改變時(shí)的熱傳遞過程則屬于非穩(wěn)態(tài)過程。大多數(shù)設(shè)備都可認(rèn)為在穩(wěn)定運(yùn)行條件下工作。2.2傳熱的基本方式熱量傳遞過程中要經(jīng)歷三個(gè)階段(如圖1-9所示)：(1)熱量由室內(nèi)空氣以對(duì)流換熱和物體間的輻射換熱的方式傳給墻壁的內(nèi)表面。(2)墻壁的內(nèi)表面以固體導(dǎo)熱的方式傳遞到墻壁外表面。(3)墻壁外表面以對(duì)流換熱和物體間輻射換熱的方式把熱量傳遞給室外環(huán)境。圖1-9當(dāng)物體內(nèi)有溫差或兩個(gè)不同溫度的物體接觸時(shí)，在物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移的情況下，物質(zhì)微粒（分子、原子或自由電子）的熱運(yùn)動(dòng)傳遞了熱量，使熱量從高溫物體傳向低溫物體，或從同一物體的高溫部分傳向低溫部分，這種現(xiàn)象被稱為熱傳導(dǎo)，簡(jiǎn)稱導(dǎo)熱。設(shè)有如圖1-10所示的一塊大平壁，壁厚為δ，一側(cè)表面面積為A，兩側(cè)表面分別維持均勻恒定溫度tw1和tw2。實(shí)踐表明，單位時(shí)間內(nèi)從表面1傳導(dǎo)到表面2的熱量Φ(熱流量)與導(dǎo)熱面積A和導(dǎo)熱溫差（tw1-tw2）成正比，與厚度δ成反比，寫成等式為：圖1-10在流體中，溫度不同的各部分之間發(fā)生相對(duì)位移時(shí)所引起的熱量傳遞過程叫做熱對(duì)流。流體各部分之間由于密度差而引起的相對(duì)運(yùn)動(dòng)稱為自然對(duì)流；而由于機(jī)械(泵或風(fēng)機(jī)等)的作用或其他壓差而引起的相對(duì)運(yùn)動(dòng)稱為強(qiáng)迫對(duì)流(或受迫對(duì)流)。工程上經(jīng)常遇到的流體流過固體壁時(shí)的熱傳遞過程就是熱對(duì)流和導(dǎo)熱作用的熱量傳遞過程，稱為表面對(duì)流傳熱，簡(jiǎn)稱對(duì)流傳熱。當(dāng)溫度為tf的流體流過溫度為tw（tw≠tf）、面積為A的固體壁(見圖1-11)時(shí)，對(duì)流傳熱的熱流量Φc與面積A、流體和壁面的溫差Δt成正比，即Φc=hcAΔt（1-28）這就是牛頓冷卻公式。流體被加熱（tw＞tf）時(shí),取Δt＝tw-tf；當(dāng)物體被冷卻（tw＜tf)時(shí)，取Δt＝tf－tw。圖1-11物質(zhì)是由分子、原子、電子等基本粒子組成的，原子中的電子受激或振動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生交替變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，能量以電磁波的形式向外傳播，這就是輻射。電磁波的分類和名稱如圖1-12所示。圖1-12電磁波譜通常把投射到物體上能產(chǎn)生明顯熱效應(yīng)的電磁波稱為熱射線，其中包括可見光線、部分紫外線和紅外線。物體發(fā)出和接收過程的綜合結(jié)果產(chǎn)生了物體間通過熱輻射而進(jìn)行的熱量傳遞，稱為表面輻射傳熱，簡(jiǎn)稱輻射傳熱。熱輻射的本質(zhì)決定了輻射傳熱的特點(diǎn)：(1)輻射傳熱與導(dǎo)熱和對(duì)流傳熱不同，它不依靠物質(zhì)的直接接觸而進(jìn)行能量傳遞。(2)輻射傳熱過程伴隨著能量形式的兩次轉(zhuǎn)化，即物體的內(nèi)能首先轉(zhuǎn)化為電磁波能發(fā)射出去，當(dāng)此波射到另一物體表面并被吸收時(shí)，電磁波能又轉(zhuǎn)化為物體的內(nèi)能。(3)一切物體只要其溫度高于絕對(duì)零度，都會(huì)不停地向外發(fā)射熱射線。輻射傳熱是兩物體互相輻射的結(jié)果。2.3傳熱過程及傳熱的增強(qiáng)與削弱熱量從溫度較高的流體經(jīng)過固體壁傳遞給另一側(cè)溫度較低流體的過程，稱為總傳熱過程，簡(jiǎn)稱傳熱過程。傳熱過程實(shí)際上是導(dǎo)熱、熱對(duì)流和輻射三種基本方式共同存在的復(fù)雜換熱過程。傳熱過程的熱流量可用下式表示：Φ＝KAΔt所謂增強(qiáng)傳熱，就是通過傳熱分析，找出影響傳熱的主要因素，進(jìn)而采取措施使熱力設(shè)備的熱流量增加。增強(qiáng)傳熱的途徑主要有以下幾個(gè)方面：（1）加大傳熱溫差。（2）減小傳熱面總熱阻。減小傳熱面的總熱阻可以