期末复习及习题[兼容模式].pdf

2014 12 16 1 期末复习及习题 衡算及动量传递衡算及动量传递 质量衡算与能量衡算质量衡算与能量衡算 质量衡算质量衡算 以全部组分为对象以全部组分为对象 稳态系统稳态系统 dm dt 0 稳态非反应系统 非稳态系统 以某组分 为对象稳态非反应系统 非稳态系统 以某组分 为对象 一级反应一级反应 能量衡算能量衡算 HP HF Eq q 封闭系统封闭系统 EQ Q 无相变无相变 有相变 开放系统 稳态 有相变 开放系统 稳态 HP HF q 质量衡算与能量衡算质量衡算与能量衡算 HP HF qmcp T qmr 当只有一种物料流经系统当只有一种物料流经系统 动量传递动量传递 连续 均质 不可压缩 处于稳态流动的流体 质量衡算 连续 均质 不可压缩 处于稳态流动的流体 质量衡算um1A1 um2A2不可压缩流体 能量衡算 总能量方程 不可压缩流体 能量衡算 总能量方程 机械能方程 机械能方程 柏努利方程式柏努利方程式 流体 流动 内摩 擦力 流体 流动 内摩 擦力 动量传递动量传递 雷诺准数 雷诺准数 ReRe 2000 层流区 2000 2000 层流区 2000 ReRe 4000 过渡区 4000 过渡区 ReRe 4000 湍流区 4000 湍流区 牛顿粘性定律 牛顿粘性定律 摩擦阻力 边界层内的流动 形体阻力 边界层分离 摩擦阻力 边界层内的流动 形体阻力 边界层分离 阻力 损失 阻力 损失 边界层边界层 总阻力损失 总阻力损失 管路计算 不可压缩流体 管路计算 不可压缩流体 动量传递动量传递 简单管路简单管路 复杂管路复杂管路 分支管路 总管流量等于各支管流之和分支管路 总管流量等于各支管流之和 总机械能守恒 并联管路 总机械能守恒 并联管路 流体测量流体测量 孔板流量计 文丘里流量计 转子流量计 测速管 孔板流量计 文丘里流量计 转子流量计 测速管 2014 12 16 2 例1 一定量的液体在圆形直管内作层流流动 若管长不变 而管径减至原有的1 2 问因 摩擦阻力而产生的压降为原有的若干倍 例1 一定量的液体在圆形直管内作层流流动 若管长不变 而管径减至原有的1 2 问因 摩擦阻力而产生的压降为原有的若干倍 解 由摩擦阻力而产生的压降计算公式如下 解 由摩擦阻力而产生的压降计算公式如下 当管径发生变化时 由题意知当管径发生变化时 由题意知 其中流量不变则流速变为原来的4倍 变为原来的 0 5倍 代入公式得 其中流量不变则流速变为原来的4倍 变为原来的 0 5倍 代入公式得 例例2 某敞口高位槽送水的管路如下图所示 所有管 径均为 某敞口高位槽送水的管路如下图所示 所有管 径均为50mm 管长 管长LOC 45m LCB 15m 均包括 所有局部阻力当量长度 当阀 均包括 所有局部阻力当量长度 当阀a全关 阀全关 阀b打开 时 压力表 打开 时 压力表PB的读数为的读数为2 4 104Pa 假设阻力系数 假设阻力系数 均为均为0 03 水的密度为 水的密度为1000kg m3 1 试计算 试计算B管道 管道 CB段 的流速 段 的流速 2 若维持阀 若维持阀b的开度不 变 逐渐打开阀 的开度不 变 逐渐打开阀a 直到 直到 CB CD两管中流速相 等 此时 两管中流速相 等 此时B管的流速又为 多少 管的流速又为 多少 假设假设PB不变不变 解 解 1 对水槽液面和 对水槽液面和B截面列机械能平衡方程为 截面列机械能平衡方程为 据实际情况进行化简为下式 据实际情况进行化简为下式 带入数值为 带入数值为 2 对于相同管径流速相同时 两分支管路流量相同而对于总 管路与分支间关系如下 2 对于相同管径流速相同时 两分支管路流量相同而对于总 管路与分支间关系如下 则则 假设压力表假设压力表PB的读数不变 的读数不变 沉降重力沉降离心沉降沉降重力沉降离心沉降 重力沉降设备重力沉降设备 降尘室降尘室 降尘室处理含尘气体的能力与高度无关 而只与降尘室面积及尘 粒的沉降速度有关 降尘室处理含尘气体的能力与高度无关 而只与降尘室面积及尘 粒的沉降速度有关 离心沉降设备离心沉降设备 旋风分离器 旋流分离器旋风分离器 旋流分离器 分离效率分离效率 过滤过滤 恒压过滤恒压过滤 恒速过滤恒速过滤 先恒速后恒压过滤先恒速后恒压过滤 表面过滤和深层过滤表面过滤和深层过滤 2014 12 16 3 生产能力生产能力 板框压滤机板框压滤机 横穿洗涤时忽略过滤介质阻力和滤饼不洗涤时 横穿洗涤时忽略过滤介质阻力和滤饼不洗涤时 D时时 Q最大 最大 若滤饼需要洗涤 在一操作循环中若滤饼需要洗涤 在一操作循环中 W D时时Q最大 最大 若同时考虑到滤饼洗涤和过滤介质问题 若同时考虑到滤饼洗涤和过滤介质问题 W应略大于应略大于 D 转筒真空过滤机 转筒真空过滤机 Kozeny Carmam方程方程 深层过滤深层过滤 期末复习及习题 传热传热 热传导 热传导 分子热运动分子热运动 热对流 热对流 流体质点发生相对的位移和混合 流体质点发生相对的位移和混合 热辐射 热辐射 高温物体产生电磁波 高温物体产生电磁波 固体 相邻分子的碰撞 液体 弹性波的作用 气体 分子不规则的热运动 仅发生在流体中 不需要任何中介 固体 相邻分子的碰撞 液体 弹性波的作用 气体 分子不规则的热运动 仅发生在流体中 不需要任何中介 热量 传递 热量 传递 传热速率方程传热速率方程 Q K A tm平壁 平壁 Ai Am Ao Q Ki Ai tm Km Am tm Ko Ao tm 圆筒壁 圆筒壁 Ai Am Ao 1 傅立叶 Fourier 定律 1 傅立叶 Fourier 定律 导热速率基本方程导热速率基本方程 2014 12 16 4 单位温度梯度 单位温度梯度 1K m 时的导热通量 时的导热通量 W m2 表示物质导热能力的强弱 是物质的一种物理性质 表示物质导热能力的强弱 是物质的一种物理性质 f 物质的结构 组成 密度 温度 压强 湿度等 物质的结构 组成 密度 温度 压强 湿度等 通常 金属 非金属固体及液体 气体导热系数通常 金属 非金属固体及液体 气体导热系数 导热系数导热系数 纯金属 纯金属 T 纯度 纯度 金属液体 非金属液体 后者中以水的金属液体 非金属液体 后者中以水的 为最大 为最大 纯液体 溶液 纯液体 溶液 液体 液体 T 水和甘油除外 水和甘油除外 T 气体常压下 气体常压下 T 2 平壁的稳定热传导2 平壁的稳定热传导 t2 t x t1 t3 t4 多层平壁的热传导多层平壁的热传导 此式说明 在多层壁导热过程中 哪层热阻大 哪层温 差就大 反之 哪层温差大 哪层热阻一定大 此式说明 在多层壁导热过程中 哪层热阻大 哪层温 差就大 反之 哪层温差大 哪层热阻一定大 3 圆筒壁的稳定热传导3 圆筒壁的稳定热传导 4 对流传热4 对流传热 热对流 导热 热阻集中于滞流底层 热对流 导热 热阻集中于滞流底层 Pr 1时 时 T T 温度变化主要在层流 底层中 热阻主要集 中在层流底层中 取决于普兰德数 温度变化主要在层流 底层中 热阻主要集 中在层流底层中 取决于普兰德数Pr 牛顿冷却定律 牛顿冷却定律 对流给热速率方程 牛顿冷却定律 对流给热速率方程 牛顿冷却定律 流体在圆形直管内强制湍流时的对流传热系数流体在圆形直管内强制湍流时的对流传热系数 式中 式中 n 普朗特数的指数 流体被加热时 普朗特数的指数 流体被加热时 n 0 4 流体被冷却时 流体被冷却时 n 0 3 气体及低粘度液体 气体及低粘度液体 蒸汽冷凝的方式膜状冷凝滴状冷凝 蒸汽冷凝的方式膜状冷凝滴状冷凝 控制热阻控制热阻 称称1 o 或或1 i 称为 即称为 即 小一侧的热 阻对传 热起决定性作用 小一侧的热 阻对传 热起决定性作用 壁温壁温 Tw tw 总是接近于总是接近于 大的流体 主体温度 大的流体 主体温度 逆流时的平均温差逆流时的平均温差 2014 12 16 5 保温层的临界直径保温层的临界直径 管道热损失 随保温层外径的变化 管道热损失 随保温层外径的变化 换热器的传热强化途径换热器的传热强化途径 Q K A tm 强化方法 提高强化方法 提高 K A tm均可强化传热 均可强化传热 5 传热单元计算法5 传热单元计算法 传热效率 传热效率 Qmax 对热流体 对冷流体 对热流体 对冷流体 热流体热流体m1Cp1 较小时 较小时 冷流体冷流体m2Cp2 较小时 较小时 传热单元数传热单元数NTU Number of transfer unit 对冷流体 对冷流体 对热流体 传热单元数物理意义 全部温差变化相当于多少平均 对热流体 传热单元数物理意义 全部温差变化相当于多少平均 tm NTU数值上表示 单位 传热推动力引起的温度变化 表明了换热器传热能力的强弱 NTU数值上表示 单位 传热推动力引起的温度变化 表明了换热器传热能力的强弱 3 热容比热容比R 传热单元数计算式传热单元数计算式 流动公式热流体热容量小冷流体热容量小 逆流 并流 流动公式热流体热容量小冷流体热容量小 逆流 并流 R和和 NTU可计算得出 求出 后由定义式可求可计算得出 求出 后由定义式可求 T2或或t2 避免试差 避免试差 辐射传热辐射传热 实际物体与黑体的区别与联系 克希霍夫 Kirchhoff 定律 实际物体与黑体的区别与联系 克希霍夫 Kirchhoff 定律 灰体辐射的辐射能力 1 普朗克 Planck 定律 黑体辐射能力按波长的分布规律 2 斯蒂芬 波尔兹曼 Stefan Boltzman 定律 黑体辐射能力与温度的关系 3 兰贝特 Lambert 定律 余弦定率 灰体辐射的辐射能力 1 普朗克 Planck 定律 黑体辐射能力按波长的分布规律 2 斯蒂芬 波尔兹曼 Stefan Boltzman 定律 黑体辐射能力与温度的关系 3 兰贝特 Lambert 定律 余弦定率 黑体辐射的辐射能力黑体辐射的辐射能力 例 例1 中国石油大学 华东 中国石油大学 华东 2007年 有一列管换热器 装有 年 有一列管换热器 装有 25 2 5mm的钢管的钢管200根 管长为根 管长为2m 要求将质量流量 要求将质量流量 2700kg h的常压空气于管程由的常压空气于管程由20 加热至 加热至90 选用 选用108 的 饱和水蒸气于壳程饱和冷凝加热空气 若水蒸气的冷凝传热 系数为 的 饱和水蒸气于壳程饱和冷凝加热空气 若水蒸气的冷凝传热 系数为10000W m2 K 管壁及两侧污垢热阻 换热器的热损 失均可忽略不计 试求 管壁及两侧污垢热阻 换热器的热损 失均可忽略不计 试求 1 空气侧的对流传热系数 空气侧的对流传热系数 W m2 K 2 换热器的总传热系数 以管外表面为基准 换热器的总传热系数 以管外表面为基准 W m2 K 3 通过计算说明该换热器能否满足要求 通过计算说明该换热器能否满足要求 4 计算说明管壁温度接近哪一侧流体的温度 计算说明管壁温度接近哪一侧流体的温度 5 讨论强化该传热过程的主要途径 并举例计算说明 已知空气的物性数据为 比热 讨论强化该传热过程的主要途径 并举例计算说明 已知空气的物性数据为 比热Cp 1kJ kg 黏度 黏度 0 02cP 导热系数 导热系数 0 028 W m K 2014 12 16 6 解 1 由题意 解 1 由题意 流速流速 所以所以 2 以管外表面为基准 管壁及两侧污垢热阻忽略不计 则有 2 以管外表面为基准 管壁及两侧污垢热阻忽略不计 则有 3 由 3 由 故 该换热器可以满足需要 故 该换热器可以满足需要 4 由 由 3 知 常压空气经换热后的出口温度大于 知 常压空气经换热后的出口温度大于90 设实际出口温度为 设实际出口温度为t2 则有 则有 由 得 由 得 代入 得 代入 得 即壁温更接近热流体侧的温度 5 本题中空气为控制热阻 应该提高空气侧对流传热系数 可提高空气的流速来实现 即壁温更接近热流体侧的温度 5 本题中空气为控制热阻 应该提高空气侧对流传热系数 可提高空气的流速来实现 例 例2 如图 冷 热流体在套管换热器中进 行无相变的逆流传热 管内 外二侧对流 传热系数的数量级相近 问在如下新的操 作条件下 如图 冷 热流体在套管换热器中进 行无相变的逆流传热 管内 外二侧对流 传热系数的数量级相近 问在如下新的操 作条件下 Q T2 t2 将如何变化 将如何变化 1 T1 增加 增加 t1 m 1 m2 不变 不变 2 m 1增加 增加 T1 t1 m2 不变 不变 解 解 1 采用 采用 NTU 法进行分析 法进行分析 因为因为 m 1 m2 不变 所以管内 外两侧对流传热系数基本不 变 忽略物性变化的影响 下同 从而可认为 不变 所以管内 外两侧对流传热系数基本不 变 忽略物性变化的影响 下同 从而可认为K不变 不变 NTU1 不变 又不变 又R1 不变 不变 NTU R得 得 1不变 而 不变 而 1 即即T2 因为因为t1 1不变 不变 T1增大 所以增大 所以T