化工原理_教学课件.ppt

化工原理主讲 韩永霞辅导 杨敏 参考书 教材 谭天恩等 化工原理 天大 姚玉英主编 化工原理 南京化工 赵汝溥等编 化工原理 清华 化工原理 丛德滋等编 化工原理示例与练习 姚玉英主编 化工原理例题与习题 化工原理 及 化学反应工程 公式例解测验 清华 周荣琪等编 化工原理学习指引 TQ02H96 化工原理学习指导 TQ02 44H5 化工原理学习指导 TQ022 1H2 化工流体流动与传热 TQ0270 化工原理操作型问题的分析 化工原理教学资料 化工原理上册 绪论0 1化工原理在整个学科体系的地位与作用 1 弯一下 2 泵 类型 结构 原理 修好 0 2化工过程与单元操作 1 化工生产过程 原料 化学反应器 中间 产品 前处理后处理 2 单元操作 物料的输送 沉降 过滤 流态化 加热与冷却 蒸发 气体吸收 液体蒸馏 固体干燥 液液萃取 膜分离 0 3 化工原理 课程 1 内容 基础理论 流体力学 传热学 传质学基础 若干典型单元操作 2 性质属技术基础课 3 作用 单元操作知识与有关的基础理论知识 掌握分析与解决工程问题的方法论 0 4单位制与单位换算 1 CGS制 物理单位制 厘米 克 秒制 2 MKS制 绝对单位制 米 千克 秒制 3 工程单位制米 公斤 力 秒 4 SI制 国际单位制 以MKS制基础基本单位 长度 米 m 质量 千克 kg 时间 秒 s 温度 开尔文 k 物质的量 摩尔 mol 重要导出单位 力 F ma N压强 P F 面积 N m2 Pa能量 功 热 F 距离 N m J功率 功 时间 J s W比热 热 质量 温度 J kg K单位换算 单位换算换算因数 1in 25 4mm 1in 25 4mm 1in 25 4mm 换算因数 彼此相等而各有不同单位的两个物理量之比 纯数1 例 已知1atm 1 033kgf cm2 试将此压强换算为SI单位 解 1kgf 9 81N1m 100cm 1atm 1 033kgf cm2 1 013 105N m2 0 5物料衡算 质量守恒原理的具体应用 1 确定控制体 即进行衡算的空间范围 2 确定衡算基准 1s或1h 3 列出衡算式 mi mo ma对于连续生产 mi mo 0 0 6能量衡算 机械能 热量 电能 化学能等统称为能量 依据 能量守恒定律 重点 热量衡算衡算式 式中Qi 随物料进入控制体的热量 kJ或kW Qo 随物料离开控制体的热量 kJ或kW QL 向控制体周围散失的热量 kJ或kW 也可写成 式中W 物料的质量 kg或kg s H 物料的焓 kJ kg 适用于间歇过程 kJ 连续过程 kW 方法 1 确定控制体 范围 2 确定衡算基准由于焓是相对值 故应 3 指明基准温度 基准状态 通常以0 C 液态为基准 4 列出衡算式 例 在换热器里将平均比热为3 56kJ kg C 的某溶液自25 加热到80 溶液流量为1 0kg s 加热介质为120 的饱和水蒸汽 其耗量为0 095kg s 蒸汽冷凝成同温度的饱和水排出 求此换热器的热损失占蒸汽供热的百分数 25 C溶液 1 0kg s 80 C溶液 1 0kg s 120 C饱和水蒸汽 120 C饱和水 解 由P364附录查出120 C饱和水蒸汽的焓值为2708 9kJ kg 120 C饱和水的焓值为503 67kJ kg 基准 s控制体 25 C溶液 1 0kg s 120 C饱和水蒸汽 120 C饱和水 80 C溶液 1 0kg s Q2 Q1 Q3 Q4 QL 作热量衡算 随物料带入换热器的总热量 Qi Q1 Q2其中 Q1 0 095 2708 9 257 3kWQ2 1 3 56 25 0 89kW Qi 257 3 89 346 3kW随物料带出换热器的总热量 Qo Q3 Q4 其中 Q3 0 095 503 67 47 8kWQ4 1 3 56 80 0 284 8kW Qo 47 8 284 8 332 6kW由 Qi Qo QL QL Qi Qo 13 7kW 热量损失百分数 6 54 绪论小结 化工原理在学科体系的地位与作用化工过程与单元操作 化工原理 课程单位制与单位换算物料衡算能量衡算 第一章流体流动1 1概述1 1 1流体 气体和液体特性 1 流动性 2 压缩性分类 1 不可压缩流体 液体 若P t变化小 气体 2 可压缩流体 实际流体 气体 1 1 2几个物理名词 1 密度 kg m3重度 kgf m3 其数值同密度 比容 m3 kg 密度的倒数 2 流量 有两种a 体积流量qv m3 s m3 h b 质量流量qm kg s kg h qm qv 3 流速 u m s 1 1 3流体流动中的作用力 1 体积力 质量力 重力 G mg gV离心力 muT2 r VuT2 r 2 表面力压力 表面的力压强 剪力 表面的力剪应力 1 1 4牛顿粘性定律实验性定律 是通过实验得出的江面流速分布示意图 在圆管中流动的流体选相邻两薄圆筒流体 1 2 进行分析 实验证明 对于一定流体 内摩擦力F 剪应力 N m2 速度梯度 粘度或动力粘度 式 A 牛顿粘性定律一句话 即流体内部所受的剪应力与速度梯度成正比 1 流体分类 牛顿型流体 非牛顿型流体非 有三种 塑性流体 假塑性流体 涨塑性流体许多高分子溶液 涂料 泥浆等属于非牛顿型流体 2 流体在圆管内的速度分布a 粘性流体 0 实际流体b 理想流体 0 4 影响粘性的因素a 温度实验表明 t g l 原因 气体粘性 分子热运动液体粘性 分子引力b 压强影响很小 5 粘度 衡量流体粘性大小的物理量单位 据牛顿粘性定律 1Pa S 1000mPaS 物理单位制中 1P 泊 100cP 厘泊 1cP 10 3Pa S 1mPa S另 运动粘度 6 流体流动中的机械能位能 mgz Jgz J kg动能 mu2 2 Ju2 2 J kg压强能 mP JP J kg实际流体 粘性 内摩擦力 机械能损失 输送机械做功 1 2流体静力学 弯一下 等问题 1 2流体静力学研究静止或相对静止状态的流体 1 2 1流体静力学基本方程 A 任取 1 2 1 1受力分析水平方向 相互抵消垂直方向 上端面的总压力 P1 p1A下端面的总压力 P2 p2A重力 G Vg g Z1 Z2 A Z1 Z2 G P1 P2 P0 液柱静止 P1 G P2 0p1A g Z1 Z2 A p2A 0p1 g Z1 Z2 p2 0移项 p2 p1 g Z1 Z2 1 若液柱的上端面取在容器的液面 P0 液柱高h 则 p2 p0 gh将式 1 移项 p2 gZ2 p1 gZ1 2 式 2 静力学基本方程 液柱是任取的 对任意两点1和2 1 2 z2 z1 1 2 1 2几个概念 1 等压面由式 3 静力学基本方程 当Z1 Z2 1 2p1 p2即 相对 静止的 连续连通的同一种流体 1 2 同一水平面上的压强相等 这样的水平面称为等压面 换句话说 即静压强仅与垂直位置有关 而与水平位置无关 C B A A B C 2 压强能与位能P 的单位 故称P 为压强能gZ的单位 故称gZ为位能 这说明 静止的流体具有位能和压强能 两项能量总和恒为常量 若位能小 则P 大 反之若gZ大 则P 小 说明位能和压强能可以相互转换 但总能量守恒 1 2 2压强 1 压强的表示方法A 以PaB 工程上以液柱高度mH2O柱 mmHg柱换算关系 1atm 标准大气压 1 013 105Pa 760mmHg 10 33mH2O1at 工程大气压 1kgf cm2 9 807 104Pa 10mH2O 2 压强的基准A 绝对真空 绝对压强B 大气压表压 正压 压力表真空度 负压 吸力 真空表 0Pa 大气压 P P1 P2 绝 表 真 绝 0Pa 大气压 P P1 P2 绝 表 真 绝 P表 P绝 Pa P真 Pa P绝 则P表 P真 注意 P要同一基准 1 2 3流体静力学的应用1 2 3 1压强测量 1 U形管压差计指示液 水银 甘油 水 CCl4等指示液 i 被测流体 取等压面ab 兼基准面 即Pa Pb据静力学基本方程 Pa P1 gZ1Pb P2 g Z2 R igR Pa P1 gZ1Pb P2 g Z2 R igR整理 P1 gZ1 P2 gZ2 i gR P1 gZ1 P2 gZ2 i gR P1 P2 i gR虚拟压强差 P1 P2 i gR结论 U形压差计测得的读数R是两点的虚拟压强差 注意 1 当管道水平 Z1 Z2 则P1 P2 i gR压差 i 越小 2 指示液 测液体 用Hg或CCl4 测气体 水 染料且 g i 水 故 i iP1 P2 igR 测任一处的压强一端通大气 P2 PaP1 Pa i gRP1表 i gR 4 其它微差 倒U形 斜管 1 2 3 2液位测量 1 玻璃管液面计 2 远距离测量液位P75 习题2 小结 1 2流体静力学1 2 1流体静力学基本方程P1 gZ1 P2 gZ2等压面 总势能 虚拟压强1 2 2压强 表示方法基准1 2 3静力学应用 虚拟 压强 差 测量液位测量 1 3流体流动中的守恒原理1 3 1质量守恒1 3 1 1概念 1 流量体积 qv m3 s m3 h质量 qm kg s kg h 2 流速平均 m3 m2s m s质量 kg m2s 3 定态与非定态流动A 定态流动u P qv f B 非定态流动u P qv f 1 3 1 2质量守恒方程 1 1 2 2 u1 u2 qm1 qm2 qm1 qm2 qm qv uA u1A1 1 u2A2 2对不可压缩流体 不变 u1A1 u2A2 对圆管 1 3 2机械能守恒J kg 位能 gz 压强能 P 动能 u2 21 3 2 1理想流体的机械能守恒无粘性 在流动过程中无摩擦损失 1kg流体 对不可压缩流体 1 2 即 常数柏努利方程 1 1 2 2 u1 u2 Z1 Z2 0 0 1 3 2 2实际流体管流的机械能衡算 1 粘性流体 2 外加能量 能 入 能 出 1 1 2 2 u1 P1 Z1 u2 P2 Z2 0 0 校正系数 工程上 1故 单位 J kg 1 3 2 3柏努利方程的讨论 1 若流体静止 则 u 0 hf 0 he 0于是 gZ1 P1 gZ2 P2 此即静力学基本方程 2 为常数 适于不可压缩流体 对可压缩流体 当以代 3 不同形式的柏努利方程 a 以单位质量流体为基准 J kgb 以单位重量流体为基准 J N mc 以单位体积流体为基准 J m3 4 应用求 Z2 Z1 P1 orP2 u1 oru2 he hf 5 注意A 截面的选取a 流向 b 流体须连续 c 不能选在阀门弯头处B 基准面 须是水平面 C 压强可用P表 也可P绝 但P1 P2须同 D 有效功he有效功率Pe he qmJ kg kg s J s w 小结1 3流体流动中的守恒原理1 3 1质量守恒u1A1 u2A2即u1 u2 A2 A11 3 2机械能守恒理想流体的 常数实际流体的 不同形式的柏努利方程 a 以单位质量流体为基准 J kgb 以单位重量流体为基准 J N mc 以单位体积流体为基准 J m3 1 4流体流动的内部结构1 4 1流动的型态1 4 1 1两种流型雷诺实验 1 层流 或滞流 2 湍流 或紊流 1 4 1 2流型的判据 雷诺准数Re 1 当Re4000时 湍流区 1 4 2湍流的基本特征 1 径向随机的脉动 时间 速度 2 湍流时的层流内层和过渡层 1 4 3圆管内流体流动的速度分布 1 层流时的速度分布抛物线 u 0 5umax umax 2 湍流时的速度分布比较均匀u 0 8umax 1 5阻力损失化工管路 直管 管件两种 直管阻力 直管局部阻力 管件 弯头 三通 阀门 1 5 1阻力与流动的关系 水泵房 车间 车间 水泵房 392kPa 392kPa 1 5 2直管阻力u1 u2由机械能衡算式 1 1 2 2 即阻力损失表现为流体势能的降低 实验 1 5 2 1层流时直管阻力经理论推导 泊稷叶方程 1 5 2 2湍流时直管阻力的实验研究方法 1 析因实验h d l 1 1 析因实验h d l 1 2 因次分析据因次的一致性湍流 3 数据处理 1 5 3直管阻力损失的计算式 1 摩擦系数 层流 Re 2000 时 64 Rehf u2 hf u1 湍流 Re 4000 Re d P39式 1 85 P40图1 34 d hf u2 阻力平方区 2 实际管的当量绝对粗糙度由试验反求 测hf算 图1 34 d 3 非圆管的当量直径dede 1 5 4局部阻力损失的计算有两种方法 1 阻力系数法h 局部阻力系数 实验测定 2 当量长度法h le 当量长度 由实验测定 1 5 5管路总阻力损失单位 J kg 小结 1 4流体流动的内部结构1 4 1流动的型态1 4 2湍流的基本特征1 4 3圆管内流体流动的速度分布1 5阻力损失1 5 1阻力损失与流动的关系1 5 2直管阻力1 5 3直管阻力损失的计算式1 5 4局部阻力损失的计算1 5 5管路总阻力损失 1 6流体输送管路计算1 6 1管路分类 1 简单管路 2 并联管路 3 分支管路 1 6 2简单管路计算 1 已知u或qv d等 不必迭代 试差 的类型如图 已知物性 流速u 或qv 以及管径d 求 液位高度H 求H l le d qv 解 取高位槽液面为1 1 管出口外侧为2 2截面 以2 2截面的中心线为基准面 列柏努利方程 Z1 H u1 0 P1 0 表 Z2 0 u2 0 P2 0 表 1 1 2 2 求H 则 gH hf 2 若u qv 或d未知 须迭代 试差 的类型若已知H d 求qv 已知H 试差过程 设某未知量为一定值后计算 然后校核 若已知d 而未知qv 此类问题的解题思路 已知H hfqvRe 柏式 u 重设 设 值 是 否 qv 1 6 3并联管路计算规律 若 为常量 则 1 qv qv1 qv2 qv3 qv qv qv1 d1 l le 1 qv2 d2 l le 2 qv3 d3 l le 3 A B 2 hfA B hf1 hf2 hf3 1 6 4分支与汇合管路的计算 1 qv1 qv2 qv3 2 E2 hf0 2 E3 hf0 3 O O qv1 qv2 qv3 1 6 5管道的选择qv一定 若d小 u大 hf大若d大 u小 hf小 总费用最低 小结 1 6流体输送管路计算1 6 1管路分类1 6 2简单管路计算1 6 3并联管路计算1 6 4分支与汇合管路的计算1 6 5管道的选择1 6 5 1按流速选择管道1 6 5 2按允许压降选择管道 1 7流速和流量的测定1 7 1测速管 毕托管 1 结构和原理 u1 P1 u2 P2 R u2 0 驻点 则 P2 P1 i gR 1 7 2孔板流量计 1 结构和原理A 结构 R B 原理 缩脉 2 流量方程式 Z1 Z2 1 2 A0 R 1 2 A0 R 恒截面变压差流量计孔流系数C0 C0 f Red m m A0 A1Red 以管径计算的Red du1 Red C0 m 1 7 3文氏流量计文丘里 喉孔 1 7 4转子流量计 1 结构和原理 2 流量计算式受力平衡转子 Vf Af f 流体 总压力差 浮力 动能差 平衡时 P1 P0 Af Vf fg 常数即 Vf fg Vf g u0 特点 变截面 恒压差 恒流速 恒压降 3 刻度换算刻度 200C水or200C 101 33kPa的空气 在同一刻度下 A0相同换算 A 标定 B 待测 小结 1 7流速和流量的测定1 7 1测速管 毕托管 1 7 2孔板流量计1 7 3文氏流量计1 7 4转子流量计 某新建的居民小区 居民用水拟采用建水塔方案为居民楼供水 如图所示 第二章流体输送机械2 1概述2 1 1输送流体所需的能量He A Hf 管路特性方程 qv He 管路特性曲线 qv He 1 2 1 低阻2 高阻 2 1 2流体输送机械分类 1 动力式 离心式 轴流式 2 容积式 往复式 旋转式 3 其它 2 2离心泵2 2 1工作原理 1 主要构件 叶轮 蜗壳 化工离心泵 自吸式离心油泵 2 工作原理 3 气缚现象无自吸能力灌泵 2 2 2离心泵的理论压头 扬程 1 理论压头HTu2 切向 D 叶轮直径 n 转速 r min 1 理论压头HT 2 讨论 n orD HT 叶片的几何形状 2 流动角 2 2 2 径向 2 900后弯 2900 径向 2 900 ctg 2 0 HT u22 g HT f qv 后弯 20 HT900 ctg 2u22 g qv HT HT qv u22 g 前弯 2 900 径向 2 900 后弯 2 900 的影响HT与 无关 2 2 3实际压头 H qv HT qv T H qv 2 2 4离心泵的性能参数与特性曲线 1 性能参数 流量qv m3 h 压头 扬程 H m 总 效率 总 效率 a 容积效率 vb 机械效率 Mc 水力效率 h v M h 轴功率PaPa Pe WPe 有效功率Pe gqvHeHe 有效压头qv 实际流量 2 特性曲线 He qv qv Pa qv qv He qv qv Pa qv He qv Pa qv qv 3 影响因素 液体密度a qvT 2 R2b2c2sina2b H与 无关c 不变d Pa gHeqv 液体粘度的影响 阻力 He qv 修正 离心泵转速的影响 泵的比例定律 叶轮直径D2的影响 泵的切割定律 小结 第二章流体输送机械2 1概述2 1 1输送流体所需的能量 管路特性方程2 1 2分类2 2离心泵2 2 1工作原理2 2 2离心泵的理论压头2 2 3实际压头2 2 4离心泵的性能参数与特性曲线 2 2 5离心泵的操作 1 泵的工作点管路特性方程He f qve 泵的特性方程H f qv qv H 2 流量调节 阀 H qv 改变转速 n大 n小 qv H 3 泵的串联操作H 2Hqv qv同一流量扬程相加 H qv H qv qv H qv H 管路 串联 单泵 4 泵的并联操作同一扬程流量相加 n一定 qv H 并 单 管 5 组合方式的选择 qv 低阻 高阻 串 并 单 H 低阻 qv并 qv串 qv 低阻 高阻 串 并 单 串 并 高阻 qv串 qv并 qv 低阻 高阻 串 并 单 并 串 H 2 2 6离心泵的安装高度 A B 1 泵内压强分布 P 位置 泵吸入口 叶轮入口 叶轮出口 泵排出口 Pv P1 PK 排液 Hg K 1 1 0 0 2 汽蚀现象Z0 0 u0 0 P0 Pa Z1 Hg 3 离心泵的安装高度限制 最大安装高度Hg max在0 0与K K间列机械能衡算式 Z0 0 u0 0 P0 绝压 PK Pv ZK Hg max则 NPSH c 临界汽蚀余量 实验测得 NPSH r 必需汽蚀余量 NPSH r NPSH c 安全量 最大允许安装高度 Hg 注意 NPSH r与qv有关 qv NPSH r NPSH c 临界汽蚀余量 实验测得 NPSH r 必需汽蚀余量 NPSH r NPSH c 安全量 最大允许安装高度 Hg 2 2 7离心泵的类型与选用 1 类型 清水泵IS 单级单吸式 D 多级 Sh 双吸式 耐腐蚀泵F 油泵Y YS 双吸 液下泵FY 屏蔽泵 无密封泵 无泄漏泵 2 选用 选泵的类型 据qv He选泵的型号qv 泵 qv 管路 H 泵 He 管路 核算Pa 轴功率 若 液体 水Pa qvH g P110 图2 23IS型离心泵的系列特性曲线 3 离心泵的安装和使用 安装高度 启动前 出口阀 时启动 停车 泵 前先 小结 2 2 5离心泵的操作 1 泵的工作点 2 流量调节 3 泵的串联操作 4 泵的并联操作 5 组合方式的选择2 2 6离心泵的安装高度2 2 7离心泵的类型与选用 2 3往复泵 容积泵 2 3 1构造和工作原理 1 构造泵缸活 柱 塞单向活门 2 原理冲程 3 流量A 单缸单动 B 单缸双动C 三缸单动 2 3 2应用 1 压头大 流量小的场合 2 流量调节旁路调节1 旁路阀2 安全阀 1 2 2 3 3往复泵的流量与压头 1 单动泵qvT A S nm3 min实际qvP qvT 2 H与qv无关 qv H qvT qv qvT H 2 3 4往复泵与离心泵的比较往复泵离心泵 原理无能量转换有 启动自吸能力有无灌泵不需需出口阀开关 流量变不变 流量调节旁路调节出口阀 2 4气体输送机械2 4 1特点 1 体积庞大 2 压头大 3 V与T变 2 4 2分类 1 通风机出口P0 3MPa 表 4 4 真空泵0 1MPa 表 2 4 3离心通风机低压 中压 高压 1 结构和工作原理 2 性能参数与特性曲线 风量qvm3 s 风压J m3 N m2 PaPT 实验测定 风机进口1 出口2 全风压静风压动风压PsPk 3 离心通风机的选用qv 风机 qv 需要PT 风机 PT 需要 注意 铭牌PT 200C 0 1MPa 1 2kg m3 2 4 4鼓风机两种 旋转式离心式 1 罗茨鼓风机 容积式出口安装稳压气柜与安全阀流量用旁路调节 2 离心鼓风机工作原理同离心通风机 压头较高的离心鼓风机与多级离心泵类似选用方法同离心通风机压缩机 离心式 往复式 2 4 5往复式压缩机 结构 原理似往复泵但气体 小 可压缩 活门更灵巧单动往复压缩机 阀 入口P1 出口P2设 1 理想气体2 阀阻 0 2 4 5 1理想压缩循环设 无余隙 3 2 1 V V1 V2 0 P1 P2 1 2 3 4 压缩 排气 吸气 2 4 5 1理想压缩循环 三种 1 等温压缩过程2 绝热压缩过程3 多变压缩过程循环功k 多变指数 2 4 5 2实际压缩循环有余隙 压缩 排气 膨胀 吸气 余隙系数 容积系数 2 4 5 3往复压缩机的性能参数排气量理论吸气量V ASn实际排气量V V 2 轴功率理论功率 Pa 绝热压缩 k 绝热压缩指数Vmin 排气量 m3 min实际功率 Pe Pa 2 4 5 4类型与选用 类型单动 双动往复压缩机单级 双级 多级压缩机低压 98 07 104Pa 中压 98 07 104 98 07 105Pa 高压 98 07 105 98 07 106Pa 小型 30m3 min 空气压缩机氨气压缩机氢气压缩机石油气压缩机立式 卧式 2 选用 据所输送气体性质 定种类 据生产能力和排出压强 选型号注意 压缩机样本中的排气量 20 101 33Pa下的 m3 min 排出压强Pa 表压 3 安装要求 吸气口装过滤器 出气是脉动的 出口装缓冲 稳压 罐或气柜 兼沉降器 水滴或油滴 缓冲 稳压 罐或气柜 贮气罐 装压力表 安全阀 2 4 6真空泵 将系统抽真空的气体输送机械2 4 6 1类型 往复式 水环式 液环式 旋片式 喷射式 2 4 6 2主要特性 极限真空 以绝压 Pa 抽气速率 m3 h或l s 小结 2 3往复泵 容积泵 2 3 1构造和工作原理2 3 2应用2 3 3往复泵的流量与压头2 3 4往复泵与离心泵的比较2 4气体输送机械2 4 1特点2 4 2分类2 4 3离心通风机2 4 4鼓风机2 4 5往复式压缩机2 4 6真空泵 第一 第二章习题课 1 如图3B57离心泵将20 的水由敞口水池送到一压力为2 5at的塔内 管径为 108 4mm管路全长100m 包括局部阻力的当量长度 管的进 出口当量长度也包括在内 已知 水的流量为56 5m h 水的粘度为1厘泊 密度为1000kg m 管路摩擦系数可取为0 024 试计算并回答 1 水在管内流动时的流动形态 2 管路所需要的压头和功率 已知 d 108 2 4 100mm 0 1mA 4 d 3 14 1 4 0 1 0 785 10 m l l 100mQ 56 5m h u Q A 56 5 3600 0 785 10 2m s 1cp 10 Pa S 1000kg m 0 024 解 Re du 0 1 2 1000 10 2 10 4000 水在管内流动呈湍流 以1 1面为水平基准面 在1 1与2 2面间列柏努利方程 Z u 2g p g He Z u 2g p g hf Z 0u 0p 0 表压 Z 18mu 0p g 2 5 9 81 10 1000 9 81 25m hf l le d u 2g 0 024 100 0 1 2 2 9 81 4 9m He 18 25 4 9 47 9mNe HQ g 47 9 1000 9 81 56 5 3600 7 4kw 2 如图的输水系统 已知管内径为d 50mm 在阀门全开时输送系统的 l le 50m 摩擦系数可取 0 03 泵的性能曲线 在流量为6m h 至15m h 范围内可用下式描述 H 18 92 0 82Q 此处H为泵的扬程m Q为泵的流量m h 问 1 如要求流量为10m h 单位质量的水所需外加功为多少 单位重量的水所需外加功为多少 此泵能否完成任务 2 如要求输送量减至8m h 通过关小阀门来达到 泵的轴功率减少百分之多少 设泵的效率变化忽略不计 解 u 10 3600 0 785 0 05 1 415 m s hf l le d u 2 0 03 50 0 05 1 415 2 30 03Pa W Pa Z g hf1 2W Z g hf1 2 10 9 81 30 03 128 13 J kg H需要 W g 128 13 9 81 13 06 m 而H泵 18 92 0 82 10 13 746 m H泵 H需故泵可用 N H泵Q泵 g g 常数 N H泵Q泵N前 13 746 10H泵后 18 92 0 82 8 0 8 14 59N后 14 59 8N后 N前 14 59 8 13 746 10 0 849 N前 N后 N前 1 0 849 15 1 3 如图所示输水系统 已知 管路总长度 包括所有局部阻力当量长度 为100m 从压力表至高位槽所有管长 包括所有局部阻力当量长度 为80m 管路摩擦系数 0 025 管子内径为0 05m 水的密度 1000kg m 泵的效率为0 8 输水量为10m h 求 1 泵轴功率N轴 2 压力表的读数为多少kgf cm 解 N轴 Ne Ne Ms We Ms 10 1000 3600 2 778kg s We 泵对单位质量流体所做的有效功 选取1 1与2 2截面 并以1 1截面的基准面 在两截面间做能量衡算 gZ p u 2 We gZ p u 2 hf Z 0Z 2 18 20Mp p 0u u 0We g Z hf hf L d u 2 u V 3600 4 d 10 3600 0 7852 0 05 1 415m s hf 0 025 100 0 05 1 415 2 50 06J kg We 9 81 20 50 06 246 25J kg Ne Ms We 2 778 246 25 684J s N轴 Ne 0 8 684 0 8 855W 再就3 3与2 2截面做能量衡算 并取3 3为基准面gZ p u 2 gZ p u 2 hf压 Z 0Z 18p 0u 0 p gZ hf压 u 2 9 81 18 压 d u 2 u 2 176 58 0 025 80 0 05 1 415 2 1 415 2 176 58 40 04 1 0 215 62J kg p 215 62 215620N m p 215620 9 81 10 2 198kgf cm 表 4 图示为n 960转 分的离心通风机的特性曲线 如用此风机向锅炉输送空气 已知管路特性方程为H 5qv H的单位为mmH2O qv的单位m s 问 1 风机的送风量为多少m h 消耗的轴功率为多少kw 2 若想使风量变为5 5m s 你认为可采取什么措施 解 1 送风量qv及轴功率Pa由管路特性曲线方程H 5qv 列表作图 qvm s233 54HmmH O204561 380由两线交点读得 送风量qv 3 6m s风压P 64mmH O效率 0 4轴功率 Pa qvP 3 6 64 9 807 0 4 1000 5 65kW2 使风量变为5 5m s 可采用提高转速的措施 qv qv n n n qv qv n 5 5 3 6 960 1500rpm即将转速提高到1500rpm 3非均相物系的分离与固体流态化3 1概述 1 混合物分类均相 传质操作非均相 机械操作 2 非均相物系特点相界面悬浮物 分散相 连续相 3 分离操作 沉降 重力沉降离心沉降 过滤 湿法净制 洗涤 气体 静电除尘 高压直流电场 4 固体流态化 3 2颗粒 群 的特性3 2 1单颗粒的特性 1 球形颗粒 粒径dp体积V dp3表面积S dp2比表面a S V 3 2 2颗粒群的特性3 2 2 1粒度分布的筛分分析对 70 m的颗粒 3 2 2 2颗粒群的平均直径dm dpi 截留于第i层筛上的颗粒平均直径xi 质量 3 2 3床层特性固定床 众多颗粒按某种方式堆积成的颗粒床层 1 床层的空隙率 2 床层各向同性空隙面积 床层截面积 3 床层比表面aBaB 1 a 颗粒 3 3流体通过固定床层的流动 压降 3 3 1床层的简化物理模型阻力大速度分布匀 3 3 1床层的简化物理模型 u L u Le 设 床层 截面积A 厚L 空隙率 颗粒 比表面a 粒径dp 形状 模型 假定 细管的1 内表面2 全部流动空间 细管的de de 4分子 分母 Le de 4 de 4以1m3床层de 4 1 3 3 2流体压降的数学模型 P hf 2 真实u1 表观u 空床 真实u1 表观u u u1 3 将 1 3 代入 2 并 L 压降的数学模型 模型参数 3 3 3模型的检验和 的估值定义 床层Re 3 3 3 1康采尼Re 5 K 5 代入 4 康采尼方程 Re 2 K 5 3 3 3 2欧 厄 根 代入 代入 代入 欧 厄 根方程 欧 厄 根方程Re 1 6 1 2500 粘性阻力 涡流阻力 f u a Re 2 Re 1 6 1 2500 L 小结 3非均相物系的分离与固体流态化3 1概述3 2颗粒 群 的特性3 2 1单颗粒的特性3 2 2颗粒群的特性3 2 3床层特性3 3流体通过固定床层的流动 压降 3 3 1床层的简化物理模型3 3 2流体压降的数学模型3 3 3模型的检验和 的估值 3 4过滤原理及设备3 4 1基本概念 3 4 2过滤设备3 4 2 1分类 1 按产生压差的方式不同 压滤和吸滤叶滤机 板框压滤机 回转真空过滤机 离心过滤 径向压差 2 按生产方式 间歇式 叶滤机 板框压滤机 间歇式离心机 连续式 回转真空过滤机 连续式离心机 3 4 3过滤过程计算 3 4 3 1过滤过程的数学描述 1 悬浮液含固量的表示悬浮液 滤液 滤饼 质量 w kg固 kg悬 体积 m3固 m3悬 对颗粒在l 不溶胀的 体积加和 对1kg悬 2 物料衡算总 V悬 V LA固 V悬 LA L L q m3 m2 3 过滤速率u若面积A 时间 滤液量V 则 u m3 m2 s 4 过滤基本方程式u m3 m2 s 康采尼方程 4 过滤基本方程式u m3 m2 s 由康采尼方程 令饼的比阻 P 滤饼两侧的压差 滤饼介质 令料浆特性令 过滤基本方程 q qe 过滤基本方程 3 4 3 2间歇过滤的滤液量与时间的关系 1 恒速过滤 常数 q2 qqe q V A K 另 常数 uRq uR 代入上式 P r uR2 r qeuR a b P 2 恒压过滤 P 常数 K为常数 则 由q2 2qqe K 或 V2 2VVe KA2 注意 从0s开始的累计时间 q 从过滤开始的累计滤液量 q2 2qqe K 或 V2 2VVe KA2 若介质阻力不计 qe 0或Ve 0则 q2 K V2 KA2 P 1q1 q P 3 先恒速后恒压过滤 q2 q12 2qe q q1 K 1 q12 qqe 1 P 1q1 q 4 过滤常数 K qe 的测定恒压过滤实验由恒压方程 q2 2qqe K 两边同 Kq y ax b 3 4 3 3洗涤速率与洗涤时间板框压滤机 由恒压过滤方程 V2 2VVe KA2 微分 2VdV 2VedV KA2d 3 4 3 4过滤机的生产能力板框压滤机 一周期 w D生产能力 小结 3 4 3过滤过程计算 3 4 3 1过滤过程的数学描述 1 悬浮液含固量的表示 2 过滤基本方程式3 4 3 2间歇过滤的滤液量与过滤时间的关系3 4 3 3洗涤速率与洗涤时间3 4 3 4过滤机的生产能力 3 5重力沉降3 5 1球形颗粒的自由沉降 1 自由沉降 2 重力沉降速度计算式受力分析 Fg 浮Fb p Fg mg 6dp3 pgFb 6dp3 g p 管路总阻力 J m3 N m2 Pa N m2 曳 阻 力FD 4dp2 u2 2 8dp2 u2 N m2 Fg Fb FD mau 0时 FD 0 amax 加速u FD a uta 0匀速 Fg Fb FD Fg Fb FD ma 0 3 5 2曳 阻 力系数 f Rep 颗粒雷诺数实验得到 Rep的关系 P149 图5 2图中 形状系数 球形度 对球形颗粒 1 分三个区 1 Rep 2 层流区 Stokes区 Stokes公式 2 2 Rep 500 阿仑 Allen 区 Allen公式 3 500 Rep 2 105 牛顿 Newton 区 0 44 Newton公式 3 5 3重力沉降速度的计算ut ut 3 5 3重力沉降速度的计算ut ut试差法 设流型utReput正确重设 Y N 3 5 4影响重力沉降速度的因素 1 颗粒形状 ut 2 端 壁面 效应器壁和底面均 ut 3 干扰沉降ut 3 5 5重力沉降设备 1 降尘室 气 固分离扁平结构 utA qv取 utmin dmin生产 处理 能力qv utA与H无关 为 qv 水平隔板 多层降尘室n层 降尘面积 nA 3 5 6降尘室的计算qv utAut f dp p Stokes Allen Newton公式 小结 3 5重力沉降3 5 1球形颗粒的自由沉降3 5 2曳 阻 力系数 3 5 3重力沉降速度的计算3 5 4影响重力沉降速度的因素3 5 5重力沉降设备3 5 6降尘室的计算 3 6离心沉降3 6 1离心沉降速度受力分析 离心力Fc向心力Fb曳 阻 力Fd Fc Fb Fd 旋转半径R 圆周速度uT R 离Fc向 旋转半径R 圆周速度uT R 离Fc向曳 平衡时 Fc Fb Fd 0ur 离心沉降速度 令 a离心分离因数 3 6 2离心沉降设备 旋风分离器气固分离3 6 2 1结构 原理 3 6 2 2旋风分离器的性能 1 分离效率1 总效率 oc 颗粒质量浓度 g m3 2 旋风分离器的压降 P u 进口气速 对给定的旋风分离器 为常数 3 临界粒径dc 能100 除去的最小颗粒粒径B 进气口宽Ne 颗粒旋转周数 对标准型 5 u 进口气速 3 7固体流态化技术3 7 1流化床的基本概念 处于流化状态的颗粒层设 均匀颗粒 理想流化现象 1 固定床阶段 众多颗粒以某种方式堆积而成的静止颗粒层u较低 u1 u ut静止空床流速umax ut 2 流化床阶段若u umax u1 ut 浮起 则 u1 u1 ut 悬浮 3 颗粒输送阶段u ut 上升速度 4 狭义流态化 仅指 2 广义流态化 2 3 以上 理想流化现象 3 7 3流化床的主要特性 1 液体样特性 在流化床阶段 床层有一明显的上界面 气 固系统的密相流化床 看起来很象沸腾着的液体 并且在很多方面都是呈现类似液体的性质 例如 当容器倾斜 床层上表面保持水平 如图 a 所示 两床层连通 它们的床面能自行调整至同一水平面 如图 b 所示 床层中任意两点压力差大致等于此两点的床层静压头 如图 c 所示 流化床层也像液体一样具有流动性 如容器壁面开孔 颗粒将从孔口喷出 并可象液体一样由一个容器流入到另一个容器中 如图 d 所示 讨论 1 恒定的压降 重要优点2 测 P 判断好坏a 腾涌 P 测 波动b 沟流 P 测 P 计算 3 7 4固体流态化的流体力学特性 1 床层压降 流体空速 曲线AB 固定床BC 流化床CD 输送床 log P logu A B C D umf ut 2 流化床的操作范围1 起始流化速度umf流化数 u操作 umf2 带出速度utu ut 带出 3 起始流化速度umf的计算 均匀颗粒 umf ut 非均匀 床高L 3 起始流化速度umf的计算 均匀颗粒 umf ut 非均匀 床高L 欧 厄 根方程Re 1 6 1 2500 粘性阻力 涡流阻力 mf 实验 对小颗粒 Rep 20 偏差 34 umf f dp p 带出速度ut的计算 单颗粒的沉降速度小颗粒 ut umf 91 7 换热器 第四章传热4 1概述4 1 1应用 1 强化传热 2 削弱传热 4 1 2加热介质与冷却介质饱和蒸汽100 1800C热水40 1000C加热剂烟道气 5000C熔盐142 5300C导热油 2000C 4 1 3传热的基本方式 1 热传导 依靠物体内自由电子运动或分子原位振动 从而导致热量的传递 即热传导 s l g 特点 1 静止物质内 2 无物质的宏观位移 2 对流给热 流体与固体壁面间的传热仅流体中自然对流强制对流 3 热辐射 依靠电磁波传递能量的过程 00C特点 1 温度必须高2 涉及s l g 4 1 4冷 热流体热交换形式 1 直接混合 接触 式 热煤气 冷氨水 直冷塔 2 蓄热式 热流体 3 间壁式 热流体通过间壁将热量传递给冷流体a 套管换热器 b 列管换热器 冷流体 热流体 c 螺旋板式换热器 4 1 5传热速率 1 传热速率 热流量 QJ sorW 2 热通量 热流密度 qq W m2 4 1 6定态传热与非定态传热定态 t f 非 t f 仅讨论定态 4 1 7传热平衡方程某换热器 衡算对象定态传热 qm1 T1 qm1 T2 qm2 t1 qm2 t2 以00C 液态为基准 无相变 有相变 4 2热传导4 2 1基本概念 1 温度场t f x y z 定态温度场 t f x y z 定态一维 t f x 2 等温面 3 温度梯度 t 0C点 t t t n C n 0 t t t n C 一维 4 2 2傅立叶定律 Q 导热速率 WA 传热面积 m2 导热系数 W m 0C 温度梯度 0C m 对一维导热 or 4 2 3导热系数 1 物理意义1m210C m 2 与温度的关系 0 00C时则t0C时的 0 1 at 4 2 4平壁的定态导热4 2 4 1单层平壁的定态导热 1 若 f t 0 1 at t x 0 t1 t2 t3 t1 t2 t tm t x 0 t1 t2 t3 令 0 1 atm m则 Q mA t1 t2 t1 t2 t x 0 t1 t2 t3 令 0 1 atm m则 Q mA t1 t2 t1 t2 1 2 3 t t1 t2 t3 t4 x 1 2 3 4 2 4 2多层平壁的定态导热若为三层 1 2 3 1 2 3 对n层平壁导热 1 2 热流量QQ1 Q2 Q3 Q 3 热流密度q 热通量 q Q Aq1 q2 q3 q 小结 第四章传热4 1概述4 1 1传热的基本方式4 1 2冷 热流体热交换形式4 2热传导4 2 1概念4 2 2傅立叶定律4 2 3导热系数 4 2 4平壁的定态导热4 2 4 1单层平壁的定态导热4 2 4 2多层平壁的定态导热 4 2 4圆筒壁的热传导 1 单层圆筒壁的热传导 r1 r2 t1 t2 4 2 5圆筒壁的热传导 1 单层圆筒壁的热传导在r处 取厚dr 长L的等温薄圆筒壁A 2 rL r2 t2 r1 t1 r r2 t2 r1 t1 r r2 t2 r1 t1 r A2 2 r2LA1 2 r1L r1 t1 r 当A2 A1 2Am A2 A1 2 4 2 5圆筒壁的热传导 1 单层圆筒壁的热传导 2 多层圆筒壁导热三层 n层 4 2 5圆筒壁的热传导 1 单层圆筒壁的热传导 2 多层圆筒壁导热4 3对流给热 4 3对流给热4 3 1过程分析 1 层流 热传导 弱自然对流 4 3 2分类无相变 强制对流自然对流有相变 蒸汽冷凝液体沸腾 A T Tw 4 3 3对流给热速率方程 A tw t 牛顿冷却定律 4 3 4对流给热系数 定义 10C 4 3 5无相变流体的给热4 3 5 1影响给热的因素 1 流体流动发生的原因自然对流 u 0热浮力强制对流 u外力 v 1 m3 kg定义 体积膨胀系数 1 0C 则 t v2 v1 1 1 2 1 1 2 2 1 2 1 t 热浮力 1 2 g 1 2 1 t 1 2 g 2 1 t 2 g热浮力 2 g t 2 流体的性质 Cp f t 3 流体的流动状态层流湍流 4 传热面的形状 大小 位置 概括 f Cp L u g t L 特征尺寸 d内 d外 de 长 高 f Cp L u g t 因次分析Nu f Pr Re Gr 4 3 5 2准数及准数关联式的确定方法 1 用因次分析得到准数名称符号准数式意义努塞尔数Nu雷诺数Re 名称符号准数式意义普兰特数Pr格拉斯霍夫数Gr 意义 Nu 反映对流使给热系数增大的倍数 2 准数关系式的实验确定方法强制湍流 Nu f Pr Re 设Nu A RemPrnlogNu n logPr log A Rem 一定 斜率 3 其它 定性温度 确定流体物性数据的温度t t1 t2 2tm tw t 2膜温 特征尺寸L di do L Hde 特征速度管内 u管间 qv Amax 4 3 5 3无相变对流给热系数的经验关联式1 流体在圆直管内呈湍流 Re 104 低粘度流体 2 1 005mPa sNu 0 023Re0 8Prb 1 Nu 被加热 b 0 4 被冷却 b 0 3 定性温度 ti to 2特征尺寸 di 若L di 60 Nu 0 023Re0 8Prb 1 di L 0 7 2 高粘度流体Nu 0 027Re0 8Pr0 33 w 0 14 3 被加热 w 0 14 1 05被冷却 w 0 14 0 95 2 流体在圆直管内呈层流 Re 2300 当Gr 25000 4 定性温度 ti to 2特征尺寸 di应用范围 Re10 当Gr 25000先按 4 式计算 后校正 校正系数f f 0 8 1 0 015Gr1 3 3 流体在圆直管内呈过渡流2300 Re 10000先按 1 式 后校正 1 6 105 Re1 8 4 流体在圆形弯管内流动 1 1 77di R 直R 曲率半径 R d 6 流体在管外流动 在管束外强制垂直流动 直列 错列 错列 Nu 0 33Re0 6Pr0 33 5 直列 Nu 0 26Re0 6Pr0 33 6 范围 Re 3000 定性温度 ti to 2管束 10排 无相变 的经验关联式1 流体在圆直管内呈湍流 低粘度流体 高粘度流体2 流体在圆直管内呈层流3 流体在圆直管内呈过渡流4