《热工学》教学大纲 一、课程基本信息 课程编号 100125 课程中文名称 热工学 课程英文名称 Heat Engineering 课程类别 学科基础 适用专业 油气储运工程专业 开课学期 第四学期 总学时 72 总学分 4.5 先修课程 高等数学、大学物理、计算机基础等 本课程是油气储运工程专业的专业基础课，主要内容包括：热力学的基本概念、 课程简介 热力学基本定律、热力学的基本过程和循环、热量传递的基本方式、热量传递 的速率方程导热、对流、辐射。 建议教材 张学学.热工基础（第三版）.北京:高等教育出版社，2015 [1] 严家騄.工程热力学. 北京:高等教育出版社，2005 [2] 毕明树.工程热力学. 北京:高等教育出版社，2008 参考资料 [3] 沈维道.工程热力学. 北京:高等教育出版社，2001 [4] 章熙民.传热学. 北京:中国建筑工业出版社，2001 [5] 杨世铭.传热学. 北京:高等教育出版社，1998 二、课程教学目标 1.掌握热力学的基本概念、基本规律，使学生认识热能以及其转移转换的规律，建立节能观念。 2.掌握热力过程和热力循环的分析和计算，培养学生如何提炼复杂实际问题中的主要矛盾的能力，通 过能量平衡计算，分析能量转换方式的合理性和可行性，合理安排和利用能量。 3. 了解热量传递现象，理解的典型热量传递过程。掌握传热过程的分析方法及强化或削弱热量传递的 基本原则和途径。 4.掌握工质的物性公式和图表工具进行传热过程计算，培养学生运用传热理论分析和解决工程实际问 题的能力。 三、课程教学目标与毕业要求的对应关系 毕业要求 指标点 课程教学目标 1.1 掌握数学和自然科学知识，能够将其用于油气储 1. 工程知识：具备与本专业 运工程领域复杂工程问题的建模和求解。 相关的数学、自然科学、工 程基础和专业知识，并能够 1.3 掌握专业基础知识，能够将其用于识别和理解油 教学目标 将相关工程知识用于解决油 气储运工程领域的复杂工程问题，并能对工程问题解 1,2,3,4 气储运工程领域的复杂工程 决方案的合理性进行分析和判断。 问题。 1.4 掌握油气储运工程的核心专业知识，能够针对复 杂工程问题，建立并求解数学模型，制定合理的技术 方案和工艺流程。 2.1 能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理， 2. 问题分析：能够应用数学、 识别和判断油气储运工程领域复杂工程问题的关键 自然科学和工程科学的基本 环节和要素。 原理，识别、表达、并通过 教学目标 2.2 能够通过油气储运工程的专业知识，正确表达复 文献研究分析油气储运工程 1,2,3,4 杂工程问题的解决方案。 领域的复杂工程问题，以获 2.4 能够运用专业知识的基本原理，分析和解决油气 得有效结论。

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1、1. 一大平板，高3m，宽2m，厚 0.02m，导热系数为45 W/(mK)，两侧表面温度分别为、，试求该板的热阻、热流量、热流密度。 解：解：由傅立叶导热定律： 热阻 m 热流量 热流密度 2. 空气在一根内径50mm，长2.5m的管子内流动并被加热，已知空气平均温度为80，管内对流换热的表面传热系数为h=70W/(m2K) ，热流密度为q=5000W/m2，试求管壁温度及热流量。 解：由牛顿冷却公式：得到 3炉墙由一层耐火砖和一层红砖构成，厚度都为250 mm，热导率分别为0.6 W/(mK)和0.4 W/(mK)，炉墙内外壁面温度分别维持700 C和80 C不变。（1）试求通过炉墙的热流

2、密度；（2）如果用热导率为0.076 W/(mK)的珍珠岩混凝土保温层代替红砖层并保持通过炉墙的热流密度及其它条件不变，试确定该保温层的厚度。解：多层平壁的导热量计算: 又 得到： 4 热电厂有一外径为100 mm的过热蒸汽管道（钢管），用热导率为 W/(mK)的玻璃绵保温。已知钢管外壁面温度为400 C，要求保温层外壁面温度不超过50 C，并且每米长管道的散热损失要小于160 W，试确定保温层的厚度。解：圆筒壁的稳态导热： 解得 保温层厚度为5某过热蒸汽管道的内、外直径分别为150 mm和160 mm ，管壁材料的热导率为45 W/(mK)。管道外包两层保温材料：第一层厚度为40 mm，热导

3、率为0.1 W/(mK)；第二层厚度为50 mm，热导率为0.16 W/(mK)。蒸汽管道内壁面温度为400 C，保温层外壁面温度为50 C。试求：（1）各层导热热阻；（2） 每米长蒸汽管道的散热损失；（3）各层间的接触面温度。解： 圆筒壁的稳态导热计算： 由，得： 6已知某蒸汽管线的外径为108mm，表面温度为350。为降低热损失敷设保温层，要求保温层的外表面温度不能超过60。保温材料的热导率与温度的关系为=0.045+0.000214t W/(mK) (t的单位为)。为将热损失控制在200W/m以内，试确定所需的保温层厚度。解：设所需的保温层厚度为dmm，则保温层外径为d2=d1+2d=1

kg/m3、比热容 J/(kgK)。热电偶的初始温度为25 C，突然将其放入120 C的气流中，热电偶表面与气流间的表面传热系数为90 W/(m2K)，试求：（1）热电偶的时间常数；（2）热电偶的过余温度达到初始过余

5、温度的1%时所需的时间。解: 若 成立，则必须。一般热电偶接点由金属做成，其热导率很大，存在。故可用集总参数法计算。时间常数： 当时，计算得到： 8将初始温度为80 C、直径为20 mm的紫铜棒突然横置于温度位20 C、流速为12 m/s的风道中冷却，5分钟后紫铜棒的表面温度降为34 C。已知紫铜棒的密度 kg/m3、比热容 J/(kgK)、热导率 W/(mK)，试求紫铜棒表面与气体间对流换热的表面传热系数。解: 假设 成立，可用集总参数法计算。 根据 计算得到：校核： 成立，计算结果可靠。9将一块厚度为5 cm、初始温度为250 C的大钢板突然放置于温度为20 C的气流中，钢板壁面与气流间对

6、流换热的表面传热系数为100 W/(m2K)，已知钢板的热导率 W/(mK)、热扩散率 m2/s，试求：（1）5分钟后钢板的中心温度和距壁面1.5 cm处的温度；（2）钢板表面温度达到150 C时所需的时间。解：这是一个一维平板非稳态导热的问题。 ，可以用集总参数法计算。（1） 根据，得 则 （2） 根据，计算得到： 10水以1m/s的流速流过一内直径为20mm的直钢管，水的入口温度为20，管壁温度为60，试求水被加热到40时所需要的管长。解：这是一个管内强迫对流换热问题。(1)查物性 流体平均温度 壁温tw=60C水的物性参数：rf=995.7kg/m3，cpf=4.174kJ/(kgK)，

校核：成立，计算可靠。11热电厂中有一水平放置的蒸汽管道，保温层外径d=383mm，壁温tw=48C，周围空气的温度tf=22C。试计算蒸汽管道保温层外壁面的对流散热量。解：特征温度C则空气的物性参数： Prm=0.7 流动属层流，查表得 c=0.48、n=1/4 ，则 表面传热系数： 则单位管长的对流散热

8、量为： 12用裸露热电偶测量管道内高温烟气的温度，如图4-38所示。热电偶的指示温度700 C，烟道内壁面温度 C，热电偶端点和烟道壁面的发射率均为0.8，烟气和热电偶端点之间对流换热的表面传热系数 W/(m2K)。忽略热电偶线的导热，试确定由于热电偶端点和烟道壁面之间的辐射换热所引起的测温误差及烟气的真实温度。解：热电偶与管道壁面的辐射换热可以视为内包壁面和大空腔之间的辐射换热，所以热电偶与气体之间的对流换热量为：图4-38 习题4-12附图图4-39 习题4-13附图 由热平衡可以得到： 由此可以解得：由于辐射带来的误差为：13为了减小上题中的测温误差，给热电偶加装遮热罩，同时安装抽气装置

9、，强化烟气和热电偶端点之间的对流换热，如图4-39所示。如果遮热罩内外壁面的发射率均为0.2，烟气和热电偶端点间对流换热的表面传热系数加大为80 W/(m2K)，其它参数如上题，试确定测温误差。解：热电偶与遮热罩的辐射换热可以视为内包壁面和大空腔之间的辐射换热，所以热电偶与气体之间的对流换热量为：热平衡时： 遮热罩与墙壁之间的辐射换热可以视为内包壁面和大空腔之间的辐射换热遮热罩与气体之间的对流换热量为：热平衡时： 由此可以解得： 辐射换热带来的误差：14. 一单层玻璃窗，高1.2m，宽1m，玻璃厚0.3mm，玻璃的导热系数为 W/(mK)，室内外的空气温度分别为20和5，室内外空气与玻璃窗之间

10、对流换热的表面传热系数分别为h1=5W/(m2K)和h2=20 W/(m2 K)，试求玻璃窗的散热损失及玻璃的导热热阻、两侧的对流换热热阻。解：传热量的计算： 导热热阻为： 内侧对流换热热阻为： 外侧对流换热热阻为：15.一冷库的墙由内向外由钢板、矿渣绵和石棉板三层材料构成，各层的厚度分别为0.8 mm、150 mm和10 mm，热导率分别为45 W/(mK)、0.07 W/(mK)和0.1 W/(mK)。冷库内、外气温分别为-2 C和30 C，冷库内、外壁面的表面传热系数分别为2 W/(m2K)和3 W/(m2K)。为了维持冷库内温度恒定，试确定制冷设备每小时需要从冷库内取走的热量。解: 这

11、是一个通过多层平壁的传热过程。为了维持冷库内温度恒定，需要从冷库内每小时取走的热量为： 16. 有一厚度为400mm的房屋外墙，热导率为 W/(mK)。冬季室内空气温度为，和墙内壁面之间对流换热的表面传热系数为 W/(m2 K)。室外空气温度为-10，和外墙之间对流换热的表面传热系数为 W/(m2 K)。如果不考虑热辐射，试求通过墙壁的传热系数、单位面积的传热量和内、外壁面温度。解：传热系数：单位面积的传热量：由得到： 工程热力学与传热学课程练习题第一部分 工程热力学一、判断题（判断下列说法是否正确，并说明理由）1、闭口系与外界无物质交换，系统内质量保持恒定，那么系统内质量保持恒定的热力系一定

12、是闭口系统。（错）2、某种理想气体经过一个不可逆循环后，其熵的变化值大于零。（错）3、功的数值仅仅取决于工质的初态和终态，与过程无关。（错）4、理想气体吸热后，温度一定升高。（错）5、工质的熵增就意味着工质经历一个吸热过程。（错）6、在温限相同的情况下，卡诺循环的热效率最高。（对）7、摩尔气体常数R的数值随气体的种类不同而不同。（错）8、对于一种确定的理想气体，(cp-cv)一定为一定值。（对）9、工质进行膨胀时必须对工质加热。（错）10、已知湿蒸汽的压力和温度，就可以确定其状态。（错）11、系统由某一状态变化到另一状态，在这两状态之间所有过程所作的膨胀功都相等。（错）12、理想气体不论经历什

13、么样的过程，其焓增均可用 计算。（错）13、没有能量耗散的准平衡过程为可逆过程。 （对）14、无论可逆与否，工质经历了一个循环后，其熵不变。 （对）15、热效率公式不仅适用于卡诺循环，也表示两恒温热源T1、T2间可逆循环的热效率。（对）16、循环净功越大，则循环的热效率也愈大。 （错）17、不可逆过程的熵变无法计算。（错）18、经过一个不可逆循环后，工质熵的变化为零。（对）19、绝热节流前后工质的焓值相等。 （对）20、若容器中气体的绝对压力没有改变，则其压力表的读数就不会改变。（错）21、气体膨胀时一定对外作功。（错）22、比热容仅仅是温度的单值函数。（错）23、在温度同为T1的热源和同为T

14、2的冷源之间工作的一切不可逆循环，其热效率必小于可逆循环。（对）24、工质进行膨胀时必须对工质加热。（错）25、卡诺循环的热效率可以等于1。（错）26、工质的熵增加意味着工质经历一个吸热过程。（错）27、由于Q和W都是过程量，故其差值（Q-W）也是过程量。（错）28、想气体的内能、焓、熵都是温度的单值函数。（错）29、某种理想气体经过一个不可逆循环后，其熵的变化值大于零。（错）30、不同的多变过程，其定值比热容cn均相等。（错）31、在温限相同的情况下，卡诺循环的热效率最高。（对）32、比热容与过程特性有关。不同的热力过程，其比热容不相同。（对）33、热力学能与热能均是状态参数。（错）34、卡

15、诺循环的热效率一定很高。（错）35、不可逆循环的热效率一定小于可逆循环的热效率。（错）36、熵增大的过程必定为吸热过程。（错）37、熵增大的过程必为不可逆过程。（错）38、热量不可能从低温物体传至高温物体。（错）二、填空题1、计算可逆过程膨胀功的基本公式为 ， 用比热计算加热量的基本公式为 。2、热力学第二定律表达式之一为 。3、当背压 临界压力时，应采用渐缩喷管。4、一两级压缩、中间冷却压气机系统，工质进口压力为1 bar，出口压力为25 bar，其最有利的中间压力为 。5、某热机在两恒温热源1000K和400K之间工作，若热机吸热5000KJ，那么此热机的最大热效率为 ；最大循环净功为 。

16、 6、稳定流动能量方程可写作 ，当它用于换热器计算热交换量时可简化为 。7、熵增原理的数学表达式为 。8、理想气体是一种科学的假想气体模型，其假定条件是： ， 。9、在两个恒温热源之间有两个可逆循环，其中一个循环的工质是理想气体、热效率为hA；另一循环的工质是等离子气体，热效率为hB。试比较这两个循环热效率的大小 。10、下图所示为H2O的T-s图，其中点C为临界点，请写出A、B、D、E点的状态名称：A ； B ；D ； E 。三、简答题1、倘使容器中气体的压力没有改变，安装在该容器上的压力表的读数不会改变？为什么？ 2、已知H2O在压力为p=1.0MPa时饱和温度为ts=179.88C。试判

17、断H2O在下列情况下：（1）p=1.0MPa、t=200C；（2）p=1.0MPa、t=160C；（3）p=1.0MPa、干度x=0.6，所处的聚集态（过冷水状态、过热蒸气状态还是饱和蒸气状态？）3、在绝热良好的房间内，有一台设备完好的冰箱在工作。在炎热的夏天打开冰箱，人会感到凉爽，问室内温度是否会越来越低？请用热力学原理加以解释。4、将工质又升压、又降温、又放热的理想气体多变过程定性地表示在p-v图和T-s图上（提示：首先画出四条基本过程线）。5、有无400的液相水？为什么？6、写出：可逆过程膨胀功的基本计算公式；稳定流动能量方程式；熵增原理的数学表达式。7、一两级压缩、中间冷却压气机系统，

18、工质进口压力为1 bar，出口压力为100 bar，其最有利的中间压力是多少？8、理想气体的cp和cV均为温度的单值函数。试问对确定的一种理想气体而言，（cp-cV）及cp/cV与温度的关系如何？用数学表达式说明。9、如右图1所示，A、B为工作在TH和TL间的二个可逆循环，其热效率分别为hA、hB，试比较二者热效率的高低。10、气体在某一过程中吸收了50 J的热量，同时内能增加了82 J，问此过程是膨胀过程还是压缩过程？11、如右图2所示，在p-v图中有一可逆过程1-2，工质为理想气体。试判断其过程热量q、过程功w以及热力学能变化Du的正负。 图1 图2 四、计算题1、有一个循环，工质从高温热

19、源吸热3.4106 kJ，输出功率1.1106 kJ ，试计算该循环的热效率t。若循环是在温度分别为577 和30 的恒温热源间完成的，试计算该循环的热效率t与同温限下卡诺循环的热效率c之比。 32.35%，0.5028 2、可视为理想气体的空气在活塞中从1 bar、20经历一可逆绝热过程后，压力升为6bar。已知空气的比定压热容cp=1.0

20、气压送到容积为2m3的储气罐内，初始时表压力为0.3bar，终态时表压力为3bar，温度由t1=45升高到t2=80。试求压入的氧气质量。当地大气压为Pb=760mmHg，氧气Rg=260J/(kgK)。 5.57 kg 4、2kg温度为25 ，压力为2 bar的空气经过一个可逆定压过程后，温度升为200 。已知空气的比定压热容cp=1.0

21、作于500 和200 的两个恒温热源之间。已知该卡诺热机每秒中从高温热源吸收100 kJ，求该卡诺热机的热效率及输出功率。 38.8%，38.8 kW 6、温度为227的恒温热源中有热量5000 kJ用来产生机械功，若大气温度为27，问最大可能产生的机械功是多少？排入大气的热量是多少？ 2000 kJ，3000kJ 7、绝热容器由隔板分成两部分，如右图所示。左边为压力600kPa，温度为300K的空气；右边为真空，容积是左边的5倍。如将隔板抽去，空气迅速膨胀，充满整个容器。试求： 1千克空气的热力学能、温度和熵的变化。空气Rg=287 J/(kgK)。 0，300K，514 J/(kgK) 8

；21.03%；图略13、容积为V=0.027m3的刚性储气筒内装有压力为0.5MPa、温度为27C的氧气。筒上装有一排气阀，压力达到0.8MPa时就开启，压力降为0.75MPa时才关闭。若由于外界加热的原因造成阀门开启，试问：（1）当阀门开启时，筒内温度为多少？（2）因加热而损失掉多少氧气？设筒内气体温度在排气过程中保持不变；氧气Rg=260J/(kgK) 480.24 K (或207.09C) ；0.011 kg 14、某人宣称发明了一种热机，它从100C的高温热源吸热1000kJ，向20C的低温热源排热，可产生240kJ的功。试问该热机

25、能否实现？ 不能实现 15、 如右图所示一双缸结构装置。已知压力表A的读数为15MPa，压力表B的读数为10MPa，试问压力室中的绝对压力为多少？（大气压力为0.1MPa） 25.1 MPa 16、一台燃气轮机从大气中吸入温度为17C、压力为0.1MPa的空气，然后在压气机中进行绝热压缩，使空气压力提高到0.9MPa。若压气机内空气稳定流动、不计进出口动能和重力位能的变化且比热容取定值，试求压气机消耗的轴功。空气cp=1.004 kJ/(kgK)，k=1.40。 254.31 kJ/kg 17、一定量的空气，经过下列四个可逆多变过程组成的循环，试求：(1)填充下表所缺数据；(2)循环净功及热效

26、率；(3)将循环定性地表示在p-v图和T-s图上，并标出过程的特点。括号内数据；1200 kJ，57.14%；1-2定压过程，2-3定熵过程，3-4定容过程；4-1定熵过程过程Q（kJ）U (kJ)W (kJ)1-（600）2-30（-1200）12003-4（-900）-90004-10（600）（-600）18、一定量的空气，经过下列四个可逆多变过程组成的循环。试求：（1）填充下表所缺数据；（2）循环净功；（3）该循环的热效率。 见括号内数据；230 kJ；19%

传热学一、判断题1、两个相互不接触的物体也可以进行对流换热。（错）2、工程上常用的空气的热导率随温度的升高而降低。（错）3、当物质的种类一定时，影响导热系数的因素主要是温度和压力。（对）4、牛顿冷却公式中的t可以改为热力学温度之差T。（对）5、同一温度场中两条等温线（面）可以相交。（错）6、对于高温长圆柱体来说，加保温层后一定能降低与环境之间的散热量。（错）7、对流换热系数为一物性参数。（错）8、对于顺流换热器，冷流体的出口温度可以大于热流体的出口温度。（错）9、在辐射换热过程中，只能有高温物体向低温物体辐射能量。（错）10、实际物体的吸收率仅仅取决

28、于物体的自身性质（种类、表面温度、表面状况）。（错）11、热传递的基本方式为导热、对流换热以及热辐射。（错）12、有腐蚀的金属板表面的黑度（发射率）小于无腐蚀金属表面的黑度。（错）13、在一般情况下，固体和液体对辐射能的透射率为零。（对）15、集总参数分析法就是忽略物体的导热热阻的一种近似计算非稳态导热的一种方法。（对）16、当物质的种类一定时，影响导热系数的因素主要是温度和压力。（对）17、对流换热与热对流是一回事。（错）18、对于工业高温下的热辐射来说，对射线的吸收和反射有重大影响的是表面的颜色，而不是表面的粗糙度。（错）19、从综合角度考虑，为降低两物体间的辐射换热，遮热板数量越多越好。

29、（错）20、角系数不仅取决于物体的形状、大小、距离和相对位置，也与物体的种类和温度有关。（错）二、简答题1、有人将一碗热稀饭置于一盆凉水中进行冷却。为使稀饭凉的更快一些，你认为他应该搅拌碗中的稀饭还是盆中的凉水？为什么？2、对于高温圆筒壁来说，加保温层一定能降低对外散热量，对吗？为什么？3、结合玻璃的光谱辐射特性，解释玻璃房的“温室效应”现象。4、与对流换热、导热相比，辐射换热有什么特点？5、从保温的角度分析，在寒冷的北方地区，建房用砖采用实心砖还是空心砖好？为什么？6、夏天，有两个完全相同的储存液态氮的容器放置在一起，一个表面上已结霜，另一个没有。请问哪一个容器的隔热性能更好？为什么？7、同

30、一物体内不同温度的等温线能够相交，对吗？为什么?8、对于顺流换热器，冷流体的出口温度可以大于热流体的出口温度。9、辐射换热与对流换热、导热相比，有什么特点？10、Nu数和Bi数均可写成的形式，二者有何区别？11、名词解释：传热过程；灰体；温度场；傅里叶准则；有效辐射。12、在某厂生产的测温元件说明书上，标明该元件的时间常数为1秒。从传热学角度，你认为此值可信吗？为什么？13、冬天，在相同的气温条件下，为什么有风时比没风时感到更冷？14、写出格拉晓夫数（Gr）和努塞尔数（Nu）的表达式及物理意义 。15、试写出导热问题的几种常见的边界条件。16、在一有空调的房间内，夏天和冬天的室温均控制在20。

31、在同样舒适的感觉下，冬天要穿毛衣，而夏天只须穿衬衣，这是为什么？17、冬天，在相同的室外温度条件下，为什么骑摩托车比步行时感到更冷些，一般要戴皮手套和护膝？18、试比较在其它条件相同时，下列情况管内对流换热系数的相对大小。（请用符号“”、“=”、“tf及twtf两种情况说明。）20、试用传热学理论解释热水瓶的保温原理。21、天花板上“结霜”，说明天花板的保温性能是好还是差。22、何谓定性温度，如何确定常用的定性温度。23、何谓传热方程式，并写出公式中各符号的意义及单位。24、若换热器的冷流体的出口温度大于热流体的出口温度，则该换热器应如何布置？25、在平壁的传热过程中，若一侧的流体为气体，另一侧的流体为水，为了显著增强传热，应设法提高哪一侧的换热系数？26、在管道外加保温层是否一定减少散热损失？