热工基础

本书根据《中国机械工程学科教程配套系列教材》编审委员会 “热工课程教学基本要求”和《中国机械工程学科教程配套系列教材》的要求，在总结了北京科技大学多年热工基础课程教学经验与科研经验编写而成。编写过程中，参考了国内已有热工基础、热工基础与应用、热工学、工程热力学、传热学等教材和国内外有关文献［122］。

针对机械工程、车辆工程、材料科学与工程、土木工程、环境工程、交通运输、航空航天等非能源动力类27~36学时的热工基础课程，有必要编写一本学时适中的教材，力求做到既注重理论知识，又注重工程应用，力求做到理论知识深度适中，工程应用技术*，使非能源动力类的学生能够了解常见热工设备和装置的结构和工作循环，为毕业后所从事的工作打下基础。本书正是在此背景下诞生的。

本书是综合性热工理论和热工设备基础教材，包括热工基本概念和基本定律、热量传递过程与换热器、热工设备应用等三部分。热工基本概念和基本定律部分主要介绍热能转换所涉及的基本概念、热力学*定律、热力学第二定律和热量传递的基本方式；热量传递过程与换热器部分主要介绍稳态导热、对流换热、辐射换热、传热过程及换热器；热工设备应用部分主要介绍各种常见热力设备、装置和热力循环，包括气体基本热力过程与压气机、气体能量转换与喷管、蒸汽动力循环、气体动力循环、制冷热泵循环等，使学生能够了解这些热力装置和循环的基本结构和工作原理，增强学生的工程应用能力。

本书编写在注重系统性和理论性的同时，注意反映热工领域的新发展。为了帮助读者更好地掌握每一章所学的内容，每章结尾均有小结，并选编了适量的联系工程实际的思考题和习题，培养学生的工程意识，提高学生理论联系实际、分析解决实际问题的能力。书中带有“*”的内容，可作为加深学习的内容。

本书可以作为机械工程、车辆工程、材料科学与工程、土木工程、环境工程、交通运输、航空航天等非能源动力类各专业本科27~36学时热工基础、热工学、工程热力学与传热学课程的教材或教学参考书，也可供有关工程技术人员参考。

本书由王立主编，参加编写的成员有：尹少武(绪论、第1~2章)，张培昆(第3~4章)，刘传平(第5~7章)。

教材结构和内容确定、统稿和定稿由王立完成。在书稿的编写过程中，得到了北京科技大学及兄弟院校热工界许多老师的支持和帮助，在此一并表示感谢。

由于编者水平有限，书中错误和不妥之处在所难免，敬请读者批评指正。

编者2020年8月

本书将“热能转换的基本概念和基本定律”设置为一章，介绍热能转换所涉及的基本概念和两大基本定律：热力学*定律和热力学第二定律；将“工质的热力性质和热力过程”设置为一章，介绍能量转换物质——工质的热力性质和热力过程，介绍的工质包括理想气体、蒸汽和湿空气；将“热量传递的基本理论”设置为一章，介绍导热、对流换热、辐射换热的基本规律；将各种常见热力设备、装置和循环等实际应用内容分别单独成章，包括内燃机、燃气轮机、压气机、喷管和扩压管、制冷装置、换热器等内容。

王立，工学博士，北京科技大学能源与环境工程学院教授、院长，博士生导师，英国伯明翰大学客座教授。历任中国金属学会理事、中国金属学会能源与热工学会副理事长、北京制冷学会副理事长和北京热物理与能源工程学会理事。长期从事热能工程、制冷与低温领域的教学与科研工作，主要研究方向包括能量转换、储存和有效利用；气体分离新技术与新工艺、气固流态化理论及应用等。出版著作3部、教材2部（包括“十二五”国家规划级教材1部），发表论文三百余篇，获国家专利30余项。

绪论

0.1能源概述

0.1.1能源及其分类

0.1.2能源消费与社会发展

0.1.3我国的能源特点与能源战略

0.2热能的合理利用

0.3热工基础的研究对象和主要内容

0.3.1热工基础的研究对象

0.3.2热工基础的主要内容

第1章热工基本概念和基本定律

1.1热能转换的基本概念

1.1.1工质与热力系统

1.1.2平衡状态与状态参数

1.1.3状态方程与状态参数坐标图

1.1.4热力过程

1.1.5膨胀功与热量

1.1.6热力循环

1.2热力学*定律

1.2.1热力学能和储存能

1.2.2热力学*定律的实质

1.2.3闭口系统的热力学*定律表达式

1.2.4开口系统的稳定流动能量方程

1.2.5稳定流动能量方程的应用

1.3热力学第二定律

1.3.1热力过程的方向性

1.3.2热力学第二定律的表述

1.3.3熵

1.3.4热量与能量的品质

1.4热量传递的基本方式

1.4.1热传导

1.4.2热对流

1.4.3热辐射

本章小结

思考题

习题

第2章热量传递过程与换热器

2.1稳态导热

2.1.1导热基本概念和基本定律

2.1.2导热微分方程及其单值性条件

2.1.3一维稳态导热

2.2对流换热

2.2.1对流换热概述与分析

2.2.2对流换热的数学描述

*2.2.3边界层理论与对流换热微分方程组的简化

2.2.4外掠等壁温平板层流换热分析

2.2.5单相流体对流换热特征数关联式

2.3辐射换热

2.3.1热辐射的基本概念

2.3.2黑体辐射的基本定律

2.3.3实际物体的辐射特性

2.3.4辐射换热的计算方法

2.4传热过程

2.4.1通过平壁的传热过程

2.4.2通过圆管壁的传热过程

*2.4.3临界热绝缘直径

2.4.4通过肋壁的传热过程

2.4.5复合换热

2.5换热器

2.5.1换热器的分类

2.5.2换热器的传热计算

2.6传热的强化与削弱

2.6.1强化传热

2.6.2削弱传热

本章小结

思考题

习题

第3章压气机与膨胀机

3.1理想气体的性质与热力过程

3.1.1理想气体及其状态方程

3.1.2理想气体的比热容

3.1.3理想气体的热力学能、焓和熵

3.1.4理想混合气体

3.1.5理想气体的基本热力过程

3.1.6理想气体的多变过程

3.2气体压缩与膨胀

3.3往复式压气机工作原理及热力性能

3.4叶轮式压气机工作原理

3.5多级压缩与中间冷却

3.6膨胀机

本章小结

思考题

习题

第4章气体能量转换与喷管

4.1一维稳定流动基本方程

4.2气体在喷管中的定熵流动

4.3喷管计算

4.4喷管内有摩阻的绝热流动

4.5扩压管与滞止参数

本章小结

思考题

习题

第5章蒸汽动力循环

5.1水蒸气的热力性质与热力过程

5.1.1水蒸气定压加热过程

5.1.2水蒸气表和焓熵图

5.1.3水蒸气热力过程

5.2卡诺循环与卡诺定理

5.2.1卡诺循环

5.2.2卡诺定理

5.2.3蒸汽卡诺循环

5.3简单蒸汽动力循环

5.3.1汽轮机

5.3.2朗肯循环

5.3.3循环热效率

5.3.4蒸汽参数对朗肯循环的影响

5.4提高蒸汽动力循环效率其他途径

5.4.1再热循环

5.4.2回热循环

5.4.3热电联供循环

本章小结

思考题

习题

第6章气体动力循环

6.1活塞式内燃机循环及装置

6.1.1内燃机装置

6.1.2四冲程内燃机热力循环

6.1.3内燃机循环热力分析

6.1.4二冲程内燃机工作循环

6.2燃气轮机循环与装置

6.2.1燃气轮机装置工作过程

6.2.2燃气轮机简单循环

6.2.3带回热的燃气轮机循环

6.2.4喷气式发动机

6.3燃气蒸汽联合循环

本章小结

思考题

习题

第7章制冷循环

7.1逆向卡诺循环

7.2气体压缩制冷循环

7.2.1气体压缩式制冷循环原理及特性

7.2.2回热式气体压缩制冷循环

7.3蒸汽压缩制冷循环

7.3.1蒸汽压缩制冷循环工作过程

7.3.2蒸汽压缩制冷循环性能指标

7.3.3膨胀阀

7.3.4液体过冷、吸气过热和回热制冷循环

7.4热泵

7.5制冷工质

7.5.1制冷工质分类

7.5.2制冷工质环境友好性

7.5.3制冷工质选用原则

本章小结

思考题

习题

参考文献

附录

附表1常用单位换算

附表2常用气体的平均比定压热容

附表3常用气体的平均比定容热容

附表4空气的热力性质

附表5饱和水和饱和水蒸气热力性质表(按温度排列)

附表6饱和水和饱和水蒸气热力性质表（按压力排列）

附表7未饱和水与过热蒸汽热力性质表

附表8金属材料的密度、比热容和热导率

附表9保温、建筑及其他材料的密度和热导率

附表10几种保温、耐火材料的热导率与温度的关系

附表11干空气的热物理性质

附表12大气压力（p=1.01325×105Pa）下烟气的热物理性质

附图1R717（氨）压焓图

附图2R22压焓图

附图3R134a压焓图

附图4R404A压焓图

附图5R407C压焓图

附图6R410A压焓图

本书在体系结构上打破了把“热工基础”分为工程热力学和传热学两篇的做法，全书包括热工基本概念和基本定律、热量传递过程与换热器、热工设备应用等三部分。