食品工程原理PPT课件.ppt

此课件可编辑版，如对课件有异议或侵权的请及时联系删除！课件可编辑版，请放心使用！,.,2,食品工程原理,.,3,第一章绪论,第一节课程的性质和内容第二节单位和单位制第三节混合物浓度的表示方法第四节单元操作常用的基本概念,4,第一节课程的性质和内容,单元操作生产过程化学反应过程+物理加工过程（归纳）基本操作过程单元操作,一、单元操作和化学工程原理化工生产过程（以酒精生产工艺过程为例）：原料粉碎蒸煮汽化冷却糖化发酵过滤蒸馏产品（前后处理过程是化工生产中必不可少的，且具重要地位）,5,单元操作特点:,1、都是物理性操作2、都是化工生产中共有的操作3、不同的生产过程所包含的单元操作的数量及顺序不同,6,单元操作分类按操作目的分：物料的增压、减压和输送物料的混合与分散物料的加热与冷却非均相混合物的分离均相混合物的分离,常用单元操作：流体的流动和输送、传热、沉降与过滤、干燥、蒸馏、吸收、萃取等。,按过程的物理本质分：动量传递过程（单相或多相流动）、热量传递过程和物质传递过程。,7,表1化工常用单元操作单元操作目的物态原理传递过程流体流动输送液或气输入机械能动量传递搅拌混合或分散气-液；液-液输入机械能动量传递固-液过滤非均相混合物分离液-固；气-固尺度不同的截留动量传递沉降非均相混合物分离液-固；气-固密度差引起的沉降运动动量传递传热加热、冷却升温、降温，气或液利用温度差传入或热量传递改变相态移出热量蒸发溶剂与溶质的分离液供热以汽化溶剂热量传递吸收均相混合物分离气各组分在溶剂中溶解度不同物质传递蒸馏均相混合物分离液各组分间挥发度不同物质传递萃取均相混合物分离液各组分在溶剂中溶解度不同物质传递干燥去湿固体供热汽化热、质同时传递吸附均相混合物分离液或气各组分在吸附剂中吸附物质传递能力不同,8,化学工程原理研究对象传递过程（包括单元操作的过程和设备）。研究内容单元操作基本原理、基本规律、相互关系和应用。研究方法实验研究方法，即经验的方法。数学模型方法，即半理论半经验的方法。,通过研究回答工业应用中提出的问题：如何根据各单元操作特点，进行“过程和设备”的选择，以适应指定物系的特征，经济而有效地满足工艺要求。如何进行过程的计算和设备的设计。如何进行操作和调节以适应生产的不同要求。在操作发生故障时如何寻找故障的缘由。,食品工程原理与化学工程原理食品工程原理的基本内容来源于化学工程原理；食品工程原理在发展中形成了许多特色。（冷冻技术、真空技术等）,9,二、课程的内容和学习要求,学时分配：总学时90，理论课72，实验18学时(第11,14周周末)。教学内容：以流体的流动和输送、沉降与过滤、传热、蒸发、干燥、蒸馏、吸收等单元操作为主。学习要求：*具备高数、化学、物理、物理化学等基础知识*重视课前、课堂、课后复习与练习三个环节参考资料：化工原理（第二版）陈敏恒等主编，化工版食品工程原理杨同舟主编，农业版食品工程原理高福成等主编，轻工版,10,第二节单位和单位制,一、单位和单位制物理量=数值单位物理量分为基本量和导出量,量纲（因次）：表示基本量的符号。如：长度L、质量M或力F、温度t、时间等量纲式：表示基本量与导出量之间的关系：Q=LaMbtcd.单位制：基本单位与导出单位的总和。基本量的基本单位，各种单位制均不相同。,11,常见的单位制及基本量的基本单位：长度(L)质量(M)力(F)时间(t)温度()SI制mkgSKCGS制cmgS工程制mkgfS,导出量的导出单位如：力F=MaSI制F=kgm/s2=N（牛顿）压强P=N/m2CGS制F=gcm/s2=dyn（达因）P=dyn/cm2工程制F=kgfP=kgf/m2,12,二、单位换算,物理量的单位换算原单位表示的物理量数值换算因数=新单位表示的物理量数值,实验方程式（又称数值公式）的单位换算根据（物理量=数值单位）关系进行换算,13,例：已知某吸收塔塔板上的液流量L与塔盘内液层高度H的关系为：L=0.0052H式中L液流量，m3/s换算成m3/hr；H液层高度，mmm。,解：设液流量与塔盘内液层高度两个物理量分别为L、H。即有L=L（m3/s）L=L/（m3/s）H=H（m）H=H/（m）则原式改写为：L/（m3/s）=0.0052H/（m）将1m3/s=3600m3/hr，1m=1000mm代入上式得：L/（3600m3/hr）=0.0052H/（1000mm）整理得：L/（m3/hr）=0.592H/（mm）换算后的实验方程式为：L=0.592H,14,习题：实验方程式的单位换算G=2.45u0.8p式中：G蒸发量，磅（质）/（英尺2小时）换算成kg/m2hru气速，英尺/秒m/sp压强差，大气压（atm）N/m2。,15,第三节混合物浓度的表示方法,一、物质的量浓度与物质的量分数1、物质的量浓度（简称物质的浓度，也称摩尔浓度，单位kmol/m3）2、物质的量分数（摩尔分数）二、物质的质量浓度与质量分数1、质量浓度（也称密度）2、质量分数三、摩尔比与质量比,16,第四节单元操作常用的基本概念,1、物料衡算（输入量=输出量+累积量）2、能量衡算3、物系的平衡关系4、传递过程速率（过程速率=过程推动力/过程阻力）5、经济核算,17,第二章流体流动,第一节概述一、流体的定义和分类,3、研究对象质点：含有大量分子的流体微团。流体:是由大量质点组成的、彼此间没有间隙、完全充满所占空间的连续介质。流体的物理性质及运动参数在空间作连续分布，即可以用连续函数的数学工具加以描述。,2、特征具有流动性无固定形状在外力作用下，其内部发生相对运动，产生流动。,1、定义流体是液体和气体的统称。,18,4、定态流动与非定态流动定态流动是指点的速度ux、uy、uz及压强p均为与时间无关的常数。即：定态流动u=f（x、y、z）非定态流动u=f（x、y、z、）u=f（x、y、z、）u=f（x、y、z）,19,5、运动的描述方法拉格朗日法：描述同一质点在不同时刻的状态。（物理学中考察单个固体质点时用）欧拉法：描述空间各点的状态及其与时间的关系。（考察定态流体流动时常用）,6、分类按流体的体积是否随压强、温度变化分不可压缩流体与可压缩流体按流体流动时是否存在粘性力分理想流体与非理想流体按流体流动时与du/dy之间是否遵守牛顿粘性定律分牛顿流体与非牛顿流体,20,二、本章主要内容1、流体静力学基本方程及其应用2、管内流体流动基本方程3、管内流体流动阻力4、管路计算,21,第二节流体静力学基本方程及其应用,一、流体的物理性质及作用力二、流体静力学基本方程式三、流体静力学基本方程式的应用,22,一、流体的物理性质及作用力,1、密度与比容,比容定义式=1/（m3/kg）,密度定义式：=m/V（kg/m3）影响因素：=f（P，T）确定方法：实验测定或从手册资料中查取液体的密度=f（T）气体的密度=f（P，T）混合液体的密度混合气体的密度,23,2、流体的压强流动着的流体受到的作用力可分为体积力和表面力。体积力：也称质量力，包括重力、离心力。（都是场力）表面力：与表面积成正比的力，包括垂直作用于表面的压力和平行作用于表面的剪力（流动着的流体内部）。,压力：F（N）压强（静压强）：P=F/A（N/m2即Pa帕）,24,压强的单位1atm=1.013105Pa=1.033kgf/cm2=1.013bar=760mmHg=10.33mH2O生产中常用单位：1MPa（兆帕）=106Pa10atm注意：以液柱高度表示压强时，一定要指明是何种液体。,25,压强的表示方法绝对压强表压强真空度,表压强=绝对压强大气压强真空度=大气压强绝对压强,26,例：已知某设备进口压强P进=1200mmH2O（真空度），出口压强P出=1.6kgf/cm2（表压），当地大气压强P0=760mmHg，求设备进出口压强差，用N/m2表示。,*表示方法要一致*单位要一致,解：P进=1200mmH2O（真空度）=（N/m2）P出=1.6kgf/cm2（表压）=（N/m2）P=P进-P出=1.685105（N/m2）,27,3、流体的粘度剪应力：流体流动时，单位面积上所受的内磨擦力，也称粘性力（或剪力）。,粘性：是流动着的流体内部分子微观运动的一种宏观表现。其本质是分子间引力和分子的运动和碰撞。（静止的流体是不能承受剪应力和剪切变形的，这是流体与固体的力学特性的不同点。）,粘度：衡量流体剪应力（粘性）大小的物理量。因不同流体而异，是影响流体流动的一个重要的物理性质。,28,平板间液体速度变化图实验证明：对于大多数流体与du/dy成正比F引入比例系数,则=du/dy称为牛顿粘性定律。比例系数称为粘度或粘性系数（动力粘度）。,dy,du,*粘度的物理意义*影响因素*粘度的单位及换算cp（厘泊）物理制单位1cp=10-2pPasSI制单位1cp=10-3Pas*理想流体*动力粘度与运动粘度,29,分析重力场中静止的均匀的液体中一流体柱的受力情况：作用于液柱上表面的力P1A作用于液柱下表面的力P2A液柱自身重力gA（z1-z2）则P1A-P2A+gA（z1-z2）=0整理得P2=P1+g（z1-z2）,上式称为流体静力学基本方程式。适用于重力场中静止的均匀的不可压缩流体。反映了静止流体内部的压强跟深度的定量关系。其它表达形式：（单位质量流体总势能相等）流体微元受力平衡一般式；dp/=Xdx+Ydy+Zdz重力场中X，Y=0Z=-g,二、流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式可通过静力平衡得到。,P1A,P2A,mg,30,*适用范围*基本规律及应用h油*表达式hh水,例：如图，在一开口容器内盛有AA油水混合物，静置后油层高度0.7m,密度800kg/m3；水层高度0.6m,密度1000kg/m3。计算水在玻璃管中的高度h。（A-A在同一水平面上）,解：根据静力学基本方程，以A-A为基准面有PA=P0+油gh油+水gh水PA=P0+水gh即P0+油gh油+水gh水=P0+水ghh=1.16m*问题？,31,1、压强的静力学测量方法简单测压管PA=P0+gRA点的表压为PA-P0=gRU型测压管PA=P0+igRgh1A点的表压为PA-P0=igRgh1,三、流体静力学基本方程式的应用,啊,A,A,R,R,32,U型压差计结构U型管指示液标尺,m,R,a,b,1,2,测量原理如图，设P1P2，则指示液呈现出高度差R（称为读数）。R与P的关系：根据静力平衡原理，有Pa=Pb（a、b在同一水平面上）又Pa=P1+g（m+R）Pb=P2+gm+0gRP=P1-P2=R（0）g,33,P=P1-P2=R（0）g上式说明：当0、一定时，P仅与R有关。若两测压点不在同一水平面上，则R（0）g不是真正的压强差，而是两被测截面上的虚拟压强差。U型压差计适用范围,斜管微压计、复式U型压差计等2、液面测量3、确定液封高度作业：P60:2.8.9.10,34,第三节管内流体流动基本方程,流体流动的规律主要是指流体的流速、压强等运动参数在流体流动过程中的变化规律。流体流动应当服从质量守恒、能量定恒、动量守恒等守恒原理，根据这些守恒原理可以得到有关运动参数的变化规律。,一、流体的流速和流量1、流量体积流量qv，m3/s质量流量qm，kg/sqm=qv,35,定义：质点的运动速度u平均流速u（m/s）u=qv/Aqv=Au=AudA质量流速w（kg/m2.s）w=qm/A=u,2、流速,36,管径的大小应通过经济核算(或根据经验值)定。并注意：密度大的流体粘度大的流体含有固体杂质的流体一些流体在管道中的常用流速（m/s）水及一般液体1-3易燃易爆的低压气体小于8粘度较大的液体0.5-1压力较高的气体15-25低压液体8-15饱和水蒸汽20-40过热水蒸汽30-50,3、在管内流动的流体流速的确定,u=qv/A=4qv/（d2）即u与流量qv、管径d有关。当qv一定时：ud操作费设备费ud操作费设备费,37,解：=2.2cp与水相近，取u=2m/s（水在管内流动的流速通常为1.53m/s）qv=60T/h=0.018m3/sd=qv/0.785u=0.018/0.7852=0.099m,例：将15、20%的糖水用泵送至远处的设备中，要求输送量为60T/h，求所需管道的直径。（糖水的=1080kg/m3，=2.2cp）,根据不锈钢管规格可知，1084mm规格的管道符合要求。,38,如图，对管内稳态流动流体作物料衡算(质量守恒)有qm1=qm2即1A1u1=2A2u2或Au=常数u1/u2=A2/A1=（d2/d1）2,三、连续性方程(稳态流动系统的物料衡算),结论:适用条件:不可压缩流体在管内作连续稳态流动时,1,2,39,根据质量守恒定律，以有微分时间d为依据，可求得一段时间范围内的物料变化量。衡算式：Fd-Dd=dS(1)FD=dS/d(2)式中F瞬间进料速率D瞬间出料速率S衡算范围内的累积物料量d微分时间,非稳态流动系统的物料衡算,40,例：水槽底有一出水孔。已知从此孔将水放出的速率与槽内液面高度及孔的截面积有关，其关系式如下：式中V为放水速率，m3/S；A0为小孔的截面积，m2；h为槽内液面高度，m；g为重力加速度9.81m/S2。若水槽直径为0.5m，小孔的截面积为10cm2，槽内液面高度为0.6m。求：将槽内水放完需要多少时间？,解：已知：A=0.196m2A0=10-3m2h1=0.6mh2=0。根据题意及式（1）Fd-Dd=dS有Fd=0；dS=d（Ah）=Adh；D=V即-Vd=d（Ah）=Adh将积分上下限1=0，h1=0.6m；2=，h2=0代入（1）式积分，可得结果：=110秒,41,1、连续稳态流动系统的总能量衡算连续稳定系统组成（如图所示）,四、柏努利方程式（能量衡算式）理想流体能量衡算式可根据牛顿第二运动定律，通过对流动系统中的一个微分单元体作力的分析进行推导;实际流体能量衡算式也可通过对流动系统作能量衡算进行推导。,1,2,设:u1、p1、Z1、A1、1、1,衡算范围,衡算基准,基准水平面,42,1kg流体进出系统时输入与输出的能量：内能U1U2(单位：J/kg)位能gz1gz2动能u12/2u22/2静压能（流动功）P1/1P2/2流动功=力距离=PAV/A=PV1kg流体进出系统时输入与输出的流动功为：P1V1/m1=P1/1P2V2/m2=P2/2以上位能、动能、静压能又称为机械能，三者之和称为总机械能。热量Qe外加功We,43,根据能量守衡定律，列出衡算式：U1+gz1+u12/2+p1/1+Qe+We=U2+gz2+u22/2+p2/2单位：(J/kg)上式为连续稳态流动系统的总能量衡算式。,44,2、连续稳态流动系统的机械能衡算式机械能衡算式对于单纯的流体输送系统、不可压缩流体有：U1+gz1+u12/2+p1/=U2+gz2+u22/2+p2/gz1+u12/2+p1/=U2-U1+gz2+u22/2+p2/实验证明：gz1+u12/2+p1/gz2+u22/2+p2/将（U2-U1）用hf表示gz1+u12/2+p1/=gz2+u22/2+p2/+hf(A)gz1+u12/2+p1/+We=gz2+u22/2+p2/+hf(B)以上(A)(B)两式均称为机械能衡算式。,45,实际流体柏努利方程式的三种不同形式以单位质量流体为基准（J/kg）gz1+u12/2+p1/+We=gz2+u22/2+p2/+hf,柏努利方程式对于不可压缩理想流体，则有gz1+u12/2+p1/=gz2+u22/2+p2/柏努利方程式的物理意义是：管内作连续定态流动的理想流体总机械能守衡，但各种形式的机械能之间可以相互转换。,以单位重量流体为基准（m液柱）z1+u12/2g+p1/g+He=z2+u22/2g+p2/g+Hf（He=We/g）（Hf=hf/g）以单位体积流体为基准（N/m2）gz1+u12/2+p1+We=gz2+u22/2+p2+hf,46,3、柏努利方程式的应用确定管内流体的流量和压强确定容器（设备）的相对位置确定输送机械的功率应用柏努利方程式解题要点,讨论对于静止的流体有：gz1+p1/=gz2+p2/（即静力学方程式）对于可压缩流体：12当变化不大时可用平均值代对于作不稳定流动的流体：在任一瞬间衡算式成立,47,例1：用泵将贮槽中的碱液送到蒸发器中，泵的进出口管尺寸分别为893.5mm和763mm，碱液在进口管内的流速为1.5m/s贮槽中的碱液液面距蒸发器入口的垂直距离为7m，碱液经管路系统的能量损失为40J/kg，蒸发器内蒸发压力（表压）保持在20kpa，碱液的密度为1100kg/m3，试计算所需的外加能量。,7m,11,22,33,解：衡算范围的确定1-1、2-2截面基准水平面的确定1-1所在水平面列柏努利方程式gz1+u12/2+p1/+we=gz2+u22/2+p2/+hfwe=129J/kg,48,例2：用虹吸管从高位槽向反应器加料，高位槽和反应器均与大气连通，要求料液在管内以1m/s的速度流动。设料液在管内流动时的能量损失为20J/kg（不包括出口的能量损失），试求高位槽的液面应比虹吸管的出口高出多少？,1,2,解：取高位槽液面为1-1截面，虹吸管出口内侧截面为2-2截面，并以2-2为基准面。列柏氏方程得：gz1+u12/2+p1/+we=gz2+u22/2+p2/+hf式中：z1=h,z2=0,p1=p2=0（表压），we=0，1-1截面比2-2截面面积大得多，u1=0，而u2=1m/s,hf=20J/kg,代入得：9.81h=0.5+20h=2.09m（即高位槽液面应比虹吸管出口，高2.09m）,值得注意的是:本题下游截面2-2必定要选在管子出口内侧，这样才能与题给的不包括出口损失的总能量相适应。,49,例3：在某水平通风管段中，管直径自300mm渐缩到200mm。为了粗略估算其中空气的流量，在锥形接头两端分别测得粗管截面1-1的表压为1200Pa，细管截面的表压为800Pa。空气流过锥形管的能量损失可以忽略，求空气的体积流量为若干m3/h？（设该物系可按不可压缩流体处理，空气密度取=1.29kg/m3）,50,应用柏努利方程式解题要点,衡算范围的确定衡算基准的选择基准水平面的确定压强的单位及表示方法,51,第四节管内流体流动阻力一、流体流动类型和雷诺数1、雷诺实验及流体流动类型层流（滞流）湍流（紊流）,4、（边界层与边界层分离）,3、流体流动类型的判别圆形直管内层流Re4000过渡区2000Re4000非圆形直管（边界条件由实验确定）,2、雷诺数Re=du/为无量纲量（无因次准数）对于非圆形直管，式中d用当量直径de代替。,52,二、流体在园管内的速度分布1、层流时的速度分布根据流体受力平衡原理及牛顿粘性定律可以推导出u=P/4L（R2r2）u点速度R管道半径L管道长度r与管中心距离P压强差流体的粘度当r=0时即管中心处u=R2P/4L=umax当r=R时即管壁处u=0,2、流量qv=dqv=udA根据u=qv/A=u(2r)drdA=(2r)dr=P/4L（R2r2）(2r)drqv=R4P/8L,53,3、平均流速u与最大点速度umax的关系u=qv/A=（R4P/8L）/R2=R2P/8Lu=umax/2,上式中R用d代，整理可得：P=32Lu/d2（哈根泊素叶公式）层流时P与流速u的一次方成正比。(等径水平直管),54,4、湍流时的速度分布湍流的基本特征：湍流时出现了径向速度的脉动，从而加速了径向的动量、热量和质量的传递。湍流时，流体的内磨擦力总=+分子粘性力涡流粘性力（不遵守牛顿粘性定律）湍流时的速度分布通常根据由实验归纳得到的经验式计算。,如：对于光滑管u=umax（1-r/R）1/nRe105时n7Re达2106时n10,55,湍流时圆管内流体的速度分布如图：在湍流主体：Re值越大，曲线顶部区域越宽越平坦，即u与umax越接近。此时用平均流速u代替质点运动速度u引起的误差可忽略。在靠近管壁处：存在着层流薄层（层流底层），层流薄层的厚度与流体的速度和粘度大小等有关。在层流薄层与湍流主体之间存在着一过渡区。,以上为流体湍流流动达稳定时的速度分布情况。通常湍流时的平均流速u0.82umax,56,三、流体流动阻力hf,管内流体流动阻力分两类：沿程阻力hf局部阻力hf因此，总阻力hf=hf+hf,1、层流时的直管阻力（以水平直管为例）选取1-1、2-2截面，列柏努利方程，有gz1+u12/2+p1/=gz2+u22/2+p2/+hfhf=（p1-p2）/=p/根据哈根泊素叶公式:P=32Lu/d2有hf=p/=32Lu/d2整理得hf=（L/d）（u2/2）其中=64/Re摩擦系数（无量纲量）,12,57,2、湍流时的直管阻力通过实验可知：p=f（d、L、u、）式中管壁粗糙度。粗糙度的定义及相对粗糙度/d湍流时管壁粗糙度对流动阻力的影响L时，hf相同的管道d，hf层流时对流动阻力有无影响？,58,根据p=f（d、L、u、），通过量纲分析可得：p/=K（L/d）a（du/）b（/d）cu2L正比于pa=1即上式可写成：p/=2K（du/）b（/d）c（L/d）u2/2=（L/d）（u2/2）其中：摩擦系数，=（Re，/d）式:hf=（L/d）（u2/2）直管阻力计算通式。,59,与Re、/d之间的关系，需由实验测定。（见摩擦系数图）图中曲线可分为四个区域：层流区Re2000=64/Re与/d无关hfu过渡区2000h=hr+0.3hr为必需气蚀余量。*当ha=hr时，开始发生气蚀，hah时，不会发生气蚀。,（2）离心泵的最大允许安装高度HgmaxHgmax=P0/gPv/ghHf式中Hf为吸入管路的阻力损失（3）离心泵的实际安装高度HgHgHgmax,97,例题,离心泵送80热水，汽蚀余量h=2m，问能否完成输送任务？,8m,1m,1m,7m,98,离心泵的安装与操作（1）安装：安装高度不能太高，应小于允许安装高度。设法尽量减少吸入管路的阻力，以减少发生汽蚀的可能性。主要考虑：吸入管路应短而直；吸入管路的直径可以稍大；吸入管路减少不必要的管件；调节阀应装于出口管路。（2）操作：启动前应灌泵，并排气。应在出口阀关闭的情况下启动泵停泵前先关闭出口阀，以免损坏叶轮经常检查轴封情况,99,五、离心泵的选用1、离心泵的分类清水泵、耐腐蚀泵、油泵、液下泵、杂质泵、屏蔽泵、管道泵、低温用泵等,2、离心泵的选用步骤（1）确定输送系统要求的qv、H（2）确定泵的类型（3）确定泵的型号（综合性能曲线）（4）校核泵的轴功率（5）校核泵的工作点是否在高效区内,3、各类化工用泵比较,100,往复泵的操作要点和流量调节往复泵的效率一般都在70%以上，最高可达90%，它适用于所需压头较高的液体输送。往复泵可用以输送粘度很大的液体，但不宜直接用以输送腐蚀性的液体和有固体颗粒的悬浮液。（1）由于往复泵是靠贮池液面上的大气压来吸入液体，因而安装高度有一定的限制。（2）往复泵有自吸作用，启动前无需要灌泵。（3）一般不设出口阀，即使有出口阀，也不能在其关闭时启动。（4）往复泵的流量调节方法：用旁路阀调节流量。泵的送液量不变。改变曲柄转速,101,计量泵计量泵是往复泵的一种。计量泵主要应用在一些要求精确地输送液体至某一设备的场合，或将几种液体按精确的比例输送。如化学反应器一种或几种催化剂的投放，后者是靠分别调节多缸计量泵中每个活塞的行程来实现的。隔膜泵隔膜泵也是往复泵的一种。在工业生产中，隔膜泵主要用于输送腐蚀性液体或含有固体悬浮物的液体。齿轮泵齿轮泵的压头较高而流量较小，可用于输送粘稠液体以至膏状物料，（如输送封油），但不能用于输送含有固体颗粒的悬浮液。,102,螺杆泵螺杆泵效率高，噪音小，适用于在高压下输送粘稠性液体，并可以输送带颗粒的悬浮液。旋涡泵旋涡泵是一种特殊类型的离心泵。旋涡泵的特点如下：（1）压头和功率随流量增加下降较快。因此启动时应打开出口阀，改变流量时，旁路调节比安装调节阀经济。（2）在叶轮直径和转速相同的条件下，旋涡泵的压头比离心泵高出24倍，适用于高压头、小流量的场合。（3）结构简单、加工容易，且可采用各种耐腐蚀的材料制造。（4）输送液体的粘度不宜过大，否则泵的压头和效率都将大幅度下降。（5）输送液体不能含有固体颗粒。,103,104,例：用离心泵从江中取水送入贮水池内，池中水面高出江面20米，管路长度（包括局部阻力的当量长度）为45米。水温为20，管壁相对粗糙度/d=0.001。要求输水的水量为2025m3/h。（1）试选择适当的管径;（2）试选择一台离心泵;（3）确定离心泵的安装高度。,H=Z+Hf=Z+（L/d）u2/2gqv=0.785d2u,1、设ud确定管道规格2、由u、dReHfH根据qvmax、H确定泵型号3、Hgmax=P0/gPv/ghHfHg=Hgmax-（0.51.0）,105,第三节气体输送机械,一、分类：1、用于气体输送通风机出口表压小于15kPa，压缩比小于1.15鼓风机出口表压10300kPa，压缩比为1.142、产生高压气体压缩机出口表压大于100kPa，压缩比大于23、产生真空真空泵出口表压小于15kPa，压缩比小于1.15,106,二、工作原理及特点通风机离心式分为低压、中压、高压三类轴流式排送量大，但风压甚小鼓风机离心式分单级（出口风压50kPa）、多级（出口风压液气,(1)固体的导热系数金属=4203W/m(W/mK或W/m)非金属=10.02W/m（常温常压下）,151,(A)对于大多数均质的固体=0(1+t)式中:-t温度下固体的导热系数,W/m;0-0下固体的导热系数,W/m;-温度系数,1/;t-固体的温度,.,（B）t金属非金属纯度金属及非金属（C）绝热材料(通常t2，传热速率方向垂直于流体流动方向。,Q,此时，付立叶定律可写成Q=-Adt/dr=-2rLdt/dr,3、通过单层圆筒壁的稳态热传导,与平壁的区别：圆筒壁的传热面积不是常量，随半径而变，同时温度也随半径方向变化。,导热速率,158,将上式分解变量积分得Q=（t1t2）2L/ln（r2/r1）,可将上式整理成与平壁导热相类似的形式：设Am=2L（r2-r1）/ln（r2/r1）=2Lrm,则有t1t2tQ=b/AmR(注意:与平壁的区别)式中:Am为对数平均面积。当A2/A110000；0.73040。上式中的A=0.023,a=0.8，当流体被加热时b=0.4，当流体被冷却时b=0.3，,即Nu=0.023Re0.8Prb或=0.023（/d）Re0.8Prb,166,=0.023（/d）Re0.8Prb特性尺寸：管内径d，定性温度：流体进、出口温度的算术平均值。,*1当流体一定、定性温度一定时u0.8=Bd0.2,*2uQdQ,*3如果以上所列条件得不到满足，对按上式计算所得的结果适当加以修正。,167,（1）对于高粘度液体=0.027（/d）Re0.8Pr0.33（/w）0.14式中液体在定性温度下的粘度；w液体在壁温下的粘度。适用范围是：Re104；L/d3040；Pr=0.5100的各种液体（不适用于液体金属）。特性尺寸：管内径d；定性温度：除w以外其余都取液体进出口温度的平均值。（/w）0.14可以按下式取值：液体被加热时（/w）0.14=1.05液体被冷却时（/w）0.14=0.95,168,当L/d1当Re=200010000时层流内层较厚，热阻大而小，用前式计算的结果应乘以校正系数f，且f=1-6105/Re1.8f1,169,非圆形直管对流传热系数非圆形直管对流传热系数的计算有两个途径。沿用圆形直管的计算公式，而将式中的定性尺寸用当量直径de代替。当量直径可按下式计算de=4A/为湿润周边的长度。该法比较简单，但准确性欠佳。直接根据实验得到计算非圆形直管内强制对流传热系数的经验公式。,170,（二）园形直管内强制层流的对流传热系数Nu=1.86（RePrd/L）1/3（/w）0.14适用范围：Re10。特性尺寸：管内径d。定性温度：除w以外，都取液体进出口温度的算术平均值。,（三）管外强制对流的对流传热系数Nu=CRenPr0.4C、n值与管子数及管子排列方式有关。,(四)大容积自然对流的对流传热系数,171,四、冷凝传热与沸腾传热,(一)冷凝传热1、冷凝传热过程膜状冷凝与滴状冷凝；冷凝过程热阻,172,2、冷凝传热系数垂直圆管外的冷凝传热系数层流时的平均冷凝传热系数特性尺寸：管长L2gr3定性温度：膜温=1.13（）1/4Lt特性尺寸：管长L定性温度：膜温（tS与tW的算术平均值），r取tS下的数值。,173,湍流时冷凝传热系数2gr34Lt=0.0077（）1/4（）0.4Ltr,水平圆管外的冷凝传热系数2gr3=0.725（）1/4dt特性尺寸：定性温度：,*水平圆管与垂直圆管的传热系数之比为水平L=0.64（）1/4垂直d,174,水平管束外的冷凝传热系数2gr3=0.725（）1/4n2/3dt式中n为管束在垂直方向上的管排数,3、影响冷凝传热的因数及强化措施不凝性气体的影响蒸汽过热的影响蒸汽流速的影响冷凝传热过程的强化,175,（二）沸腾传热1、沸腾传热过程2、沸腾传热系数3、影响沸腾传热的因素液体和蒸汽的性质加热表面的粗糙情况的表面物理性质操作压强和温差4、沸腾传热过程的强化从加热表面和沸腾液体两方面入手,176,小结：的确定方法：确定对流给热类型选择合适的实验方程式使用实验方程式（经验关联式）时应注意：1、适用范围2、定性温度3、特性尺寸4、物理量的单位各物理量对的影响可根据指数大小来判断。,的大致范围：（单位：W/m2K）空气自然对流525水蒸汽冷凝500015000空气强制对流30300水沸腾150030000水自然对流2001000有机物沸腾50015000水强制对流10008000有机物强制对流5001500,177,例：-5的冷冻盐水（25%CaCl2溶液）以0.3m/s的流速流经一套管换热器的内管，已知内管的内径为21mm、长度为3.0m。假设管壁平均温度为65，试求盐水的出口温度。（t=9.4）,178,已知：t1=-5、u=0.3m/s、d=21mm、L=3.0mtW=65、25%CaCl2溶液求：t2=？解：假设盐水的平均温度为5，从附录查25%CaCl2溶液在5下物性数据,判别流型Re=1940层流Pr=20RePrd/L=272选式4-22计算=421W/m2k计算盐水出口温度0.785d2uCp(t2-t1)=dL(tw-(t1+t2)/2)t2=9.37原假设的盐水平均温度与计算结果比较接近，不再重复试算。,179,例：饱和温度为100的水蒸气，在外径为0.04m、长度为2m的单根直立圆管外表面上冷凝。管外壁温度为94。试求每小时的蒸气冷凝量。又若管子水平放置，蒸气冷凝量为多少?（17.9kg/h；1.71，30.6kg/h）,180,查100下饱和水蒸气的冷凝潜热约为2258kJ/kg。查97下水的物性(定性温度(100+94)/2=97)（1）单根圆管垂直放置时先假定冷凝液膜呈滞流，由式计算：=7466W/m2k由对流传热速率方程计算传热速率，即：Q=A(tS-tW)=11250W故蒸气冷凝量为：W=Q/r=0.00498kg/S=17.93kg/h核算流型：M=W/b=0.0397kg/msRe=564小于1800为层流，以上计算结果正确。（2）管子水平放置时，计算方法同上。/=1.74W=Q/r=1.71*17.93=30.7kg/h,181,43热辐射（Radiation）,一、基本概念,1、热辐射辐射与热辐射热辐射线的特点,2、吸收率A、反射率R、穿透率DQ=QA+QR+QDQAQRQA即+=1QQQ可写成A+R+D=1,3、黑体A=14、灰体A+R=1，且对各种波长辐射能均能同样吸收的理想物体。,QQR,QA,QD,182,二、固体辐射,1、黑体的辐射能力Eb定义：,（Stefan-Boltzmann）定律：Eb=OT4式中Eb黑体辐射能力，W/m2；O黑体辐射常数，5.6710-8W/（m2K4）；T黑体表面的绝对温度，K。上式通常表示为Eb=CO（T/100）4CO黑体辐射系数，5