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化 工 原 理 学 习 指 导 书 化工教研室2007年4月目 录第一章 流体流动1. 复习提要2. 典型例题分析3. 复习题第二章 流体输送机械1.复习提要2.典型例题分析3.复习题第三章 非均相混合物的分离1.复习提要2.典型例题分析3复习题第四章 传 热1. 复习提要2. 典型例题分析3. 复习题第六章 吸 收1. 复习提要2. 典型例题分析3. 复习题第七章 蒸 馏1.复习提要2.典型例题分析3.复习题第八章 气液传质设备1.复习提要2.典型例题分析3.复习题第九章 干 燥1.复习提要2.典型例题分析3.复习题第一章 流体流动本章重点掌握流体静力学基本方程、机械能衡算式及其应用、阻力计算。I 复习提要一、流体的基本物性 （一）流体的密度与比容1.气体密度的确定：= f（P、T）（1）纯气体密度的确定：查手册。计算：，P为绝压，单位KPa（2）混合气体密度的确定：，P为绝压，单位KPa，为平均摩尔质量，表示组分的摩尔分数 （i=1，2，3n）2.液体密度的确定：= f（T） （1）液体密度：液体的密度随压强变化很小，常忽略其影响；因此，称液体为不可压缩流体。液体随温度的增加，一般减小，可查手册。 （2）混合液体密度的确定： 设混合液为理想溶液则： （-为纯组分的质量分数） 3.比容、比重（也称相对密度）与密度的关系（1）密度的倒数称为比容。（2）比重是指某液体的密度与4水的密度之比 。（二）流体的粘性（1）流体的特点： 流体内部存在着内聚力，与固体之间存在着附着力，流动时具有粘性。 （2）内摩擦力：作用于运动着的流体内部相邻平行流动层间、方向相反、大小相等的相互作用力，称为内摩擦力或粘滞力。 （3）粘性的表示方法：动力粘度：单位：1cp=1mPas=0.01P=0.001Pa s运动粘度：单位恩氏粘度：200ml试液在测定温度下，从恩氏粘度计中流出所需时间与同量蒸馏水在20时流经的时间的比值。（4）影响粘度的因素及粘度的意义：当温度升高时气体的粘度增大，液体的粘度减小。流体具有粘度，流体流动时层与层之间产生内摩擦力，流体要想以一定的速度向前流动，必须克服内摩擦力消耗能量，这就是流体在运动时产生阻力损失的原因之一。（5）牛顿粘性定律 实验证明，在定常层流条件下 内摩擦力：F=A N剪应力： 满足上述关系的流体称为牛顿型流体，否则称为非牛顿型流体。（三）流体的压缩性与膨胀性1.压缩性：当温度一定时，如果流体的体积随压强的变化率为零，则该流体为不可压缩性流体。否则为可压缩流体如气体。2.膨胀性：在恒压下，流体体积随温度的相对变化率，称流体的膨胀性。流体的热膨胀性可用体积热膨胀系数表示，对理想气体：二、流体的压强1. 单位：1atm=1.01105Pa=0.1MPa=10.33mH2O=760mmHg2. 表示方法： 绝压-表示流体的实际压强 相对压强-实际压强与大气压相比，高出大气压的值称为表压。低出大气压的值称为真空度。3.表压、绝压、真空度的关系：表压=绝压-大气压，真空度=大气压-绝压三、流体的静力学基本方程1. 流体静压力：静止流体内部任一点的压力，称为该处的流体静压力。2. 流体静压力的特点 若通过该点指定一作用平面，则压力的方向垂直于此面。从各个方向作用于某一点上的流体静压力相等。在重力场中，同一水平面上各点的流体静压力相等，但随位置高低而变。3. 流体静力学方程的推导：根据静止流体的受力平衡，可得静止流体内部某一水平面上的压力与其位置及流体的密度关系式： P2=P1+gh注意：h表示同一种流体的垂直高度。4. 等压面的选取：静止的、连通的、处在同一水平面上的同一种流体的各点静压力相等。5. 流体静力学基本方程的应用 表压强和压强差的测定-液柱压差计A、普通的U型管压差计：适用于一般压差或压强的测定。B、起放大作用的压差计：倾斜的U型管、倒U型、双液体微差计。适用于压差较小时的测定。 C、复式压差计：相当于两个或多个普通U型管压差计的串联，适用于压差较大时的测定。 注意：在测定管子某两截面压强差时，管子必须水平放置，否则压差计上的读数不等于压差。 液位的测定： 液封高度的确定；四、连续性方程（一）流量与流速1. 流量：质量流量Ws -单位时间内流经通道某一截面的流体质量kg/s体积流量Vs-单位时间内流经通道某一截面的流体体积，单位m3/sWs=Vs2. 流速：平均流速u单位时间内流体在流动方向上流过的距离。u= Vs/A 质量流速Gs单位时间内流体流经通道单位径向截面积的质量。Gs= Ws/A3.流量、流速的关系：Ws= Vs= uA= （二）流体定常流动过程的物料衡算连续性方程1. 定常流动：流体在管内流动时，任一截面上的流速、密度、压强等物理参数不随时间而变的流动称为定常流动。2. 连续性方程：在定常条件下，流体通过任一截面的质量流量都相等。 Ws1= Ws2= Ws3=常数（uA）1=（uA）2= （uA）3对不可压缩流体在圆形管中作连续性定常流动时，有以上各式均称为连续性方程。注意：对定常流动系统中不可压缩流体，任一截面上的流速，只和该截面积有关。五、柏努利方程与机械能衡算方程（一）柏努利方程1. 理想流体：无粘性流体（）称为理想流体。理想流体在流动过程中没有机械能损失。2. 柏努利方程：=常数3. 柏努利方程中的几个注意问题（1）适用条件：不可压缩的理想流体，从截面1截面2没有其他外力作用和外加能量，作定常流动的系统。方程中各项的单位均为J/Kg（2）方程表明：定常流动系统中任一截面上，总机械能恒为常数，在一定条件下，不同形式的机械能可以相互转换。（3）若系统处于静止状态，则u1=u2=0，方程变为：流体静力学基本方程。（4）对可压缩流体，若两截面上绝压变化（P1P2）/P1100%20%，则柏努利方程仍可用，但式中要用m=（1+2）/2来代替。（5）若以单位重量流体为基准，方程为：=常数m若以单位体积流体为基准，方程为：常数Pa方程中压强可用不同表示方法，但方程两端压强的表示方法必须一致。（二）实际流体的机械能恒算式1、实际流体都具有粘性，在流动过程中，要消耗部分机械能，称为阻力损失hf J/kg。为保证流体定常流动，外界要向流体输入一定机械能WeJ/kg。对实际不可压缩流体，有 J/kg J/NJ/m3上式为扩展了的柏努利方程。习称柏努利方程。2、机械能恒算式的应用机械能恒算式的应用是本章的重点，应多作各类习题，以熟练掌握其概念和解题方法，应用机械能恒算式解题步骤见教材第36页。根据机械能恒算式可得出柏努利方程和流体静力学方程。六、实际流体的流动现象（一）流体的流动类型雷诺实验表明，在流体流动中存在着截然不同的两种流动形态，即层流和湍流。1层流：流体质点沿轴方向作直线运动，即分层流动；质点间不发生宏观混合；流体的摩擦力遵循牛顿粘性定理；流体内的动量、热量、质量传递靠分子运动来进行。2.湍流：流体质点总体上沿管轴方向流动，同时还在各个方向上作剧烈的随机运动，流体的内摩擦力不服从牛顿粘性定理；流体内的动量、热量、质量传递是通过质点和分子的随机运动共同完成的。质点随机运动强化传热过程。（二）流动类型的判断条件 =，雷诺数等于惯性力与粘性力之比。当Re4000时，为湍流。当Re=2000-4000时，可能是层流，也可能是湍流，依外界条件定，此区域称为过渡流。七、管内流动阻力（一）流动阻力分类：（1）直管阻力：流体通过等径直管时所产生的阻力损失。（2）局部阻力：流体通过管件、阀门、截面突然变化所引起的阻力损失。（二）阻力损失的直观表现压强降在一水平等径直管上任取两截面列柏努利方程有：上式表明，直管的阻力损失表现为压强降。即阻力损失是由流体的压强能提供的。（三）直管阻力的计算通式范宁公式 J/Kg Pa m上面范宁公式的三种表达式，对层流和湍流均适用，可视情况选择。应用上式的关键是求。（四）摩擦系数的确定1.层流时摩擦系数： 将此式代入范宁公式，有 由此式可得到两点结论：（1）层流时，阻力损失与流速或流量的一次方成正比。（2）层流时，阻力损失与管内径四次方成反比。2.湍流时的摩擦系数： 由无因次分析法研究可得，湍流时摩擦系数可通过实验找出、Re和相对粗糙度间的关系，较常用的是摩擦系数图，见教材图（1-34），该图可分为四个区域。（1）层流区，Re2000，（2）过渡区，Re=2000-4000，一般按湍流查取。（3）湍流区，Re4000，一定下，随Re增大而减小。Re一定时，随的增加而增大。（4）完全湍流区，一定时与Re无关，并为常数。由范宁公式：由上式得到：A、完全湍流时，阻力损失与流速或流量的平方成正比又称阻力平方区。B、完全湍流时，阻力损失与管径的五次方成反比。（五）非圆形直管阻力的计算 计算非圆形直管阻力时，仍可用范宁公式，但应将式中和Re中的圆管直径换成非圆管的当量直径de。（六）局部阻力的计算 当流体流过管路上的部件如管件、阀门、管子进出口、截面突然变化时，流动阻力显著增加，这类流动阻力统称为局部阻力。计算方法有：1.阻力系数法 J/Kg式中称为局部阻力系数，其值由实验定。2.当量长度法将流体的局部阻力损失折合成相当于流体流过直径相同的长度为Le的直管时所产生的阻力损失。 J/Kg式中当量长度Le值由实验定。上两式中的u均采用较小截面处的流速。（七）流体在圆管内流动的总阻力计算管路系统的总阻力包括了所取两截面间全部直管阻力和局部阻力。1.当管路为等径管路时： J/Kg J/Kg 2.对不同直径的管段组成的管路，利用上两式分段计算，然后加和计算出总阻力。八、管路计算（一）管路特点1.简单管路特点由等径的或不同管径的管道组成的串联管路，特点是：（1）连续性方程成立。即（2）管路总阻力等于各段直管阻力与局部阻力之和。2.并联管路特点（1）主管的流量等于各并联支路流量之和。（2）各并联支路的阻力相等即，计算时任选一支管路即可。（3）各支路流量分配按自动进行。3.分支与汇合管路特点（1）主管流量等于各支管流量之和。（2）分支点或汇合点处的单位质量流体的总机械能为一定值。（3）因主管上分支点或汇合点后流量变化，主管的阻力损失必须分段计算。（二）简单管路计算内容1.设计型问题：对于给定的输送任务，选择适宜的管径，设计管路的走向，确定管路中需配置的管件和阀门等。2.操作型问题：对已有的管路系统，核算在给定条件下的输送能力等。九、流量测量（一）皮托管用来测量管路中某点速度的装置，与U型管压差计配合使用。所测流速为注意：1.皮托管可测定管截面上的速度分布。2.皮托管安装时，测点前、后应保证一定直管长度（稳定段），稳定段长大于50倍管内径。3. 皮托管外径R2 （2）R1 uB uC B、uA uB pB pC B、pA pB pC C、pA = pB = pC 4. 若单位质量液体在管路中阻力损失以表示，单位重量液体在管路中阻力损失以表示，则：A、 B、= C、=g D、g=三、判断题 如图高位槽，液位恒定，ab ,cd管段直径、管长、粗糙度均相同，当液体流过时。1.ab ,cd段的阻力损失相同。2. ab ,cd段的压强差相同。3.若在ab ,cd段各接一型管压差计，则两压差计的读数相等。4. 压差计的读数表示ab段压差值和流动阻力损失。四、计算题1.如右图，输水系统中两槽均敞口且液位恒定，管内径60mm，泵吸入管长6m，其上有一90标准弯头。排出管长13m，装有一个阀门（），两个90标准弯头（），管路中水流量43.2m3/h。水的密度求：1.泵的扬程，泵的有效功率。2.泵入口处压强。2将油用泵从低位槽送至高位槽，两槽液位差15m，且恒定，两槽均敞口，管路为893.5mm无缝钢管，总长为200m（包括全部局部阻力的当量长度），油的流量为20，求（1）管路系统的总阻力。（2）泵的有效功率。（3）该管路的特性曲线方程。3为了控制乙炔发生器内的压力不超过80mmHg（表压），在炉外装有安全液封装置，其作用是当炉内压力超过规定值时，气体从液封管排出，试求此炉的安全水封管应插入槽内水面以下的深度。第二章 流体输送机械本章重点掌握离心泵的结构、工作原理、性能、选型及应用。I 复习提要一、离心泵（一）工作原理与主要部件1、工作原理。包括吸液、排液。在泵内充满液体时，泵轴带动叶轮高速旋转，在离心力的作用下，液体获得机械能，以很高的速度离开叶轮进入泵壳，随泵壳内流道不断扩大，液体减速增压，终以较高压强排出，液体离开叶轮中心使之形成真空。液体在压差作用下被吸入叶轮。2、气缚现象：泵在启动前如未充满液体而有部分空气时，因气液，所产生的离心力很小，不足以在叶轮中心形成使液体吸入所必须的低压，造成液体不能正常吸入与排出，这种现象称气缚。所以离心泵启动前必须先灌泵。3、主要部件：叶轮、泵壳和轴封装置。（二）离心泵的主要性能参数1、流量Q：以体积流量表示。泵流量大小主要取决于泵的结构、尺寸、转速及液体粘度。2、扬程（也称压头）H：为单位重量流体所得到的机械能J/N或m。其大小取决与泵的结构、尺寸、转速、流量及液体粘度。3、功率：（1）有效功率Ne：单位时间液体由泵所获得的实际机械能，即Ne=QgHW。（2）轴功率N ：单位时间由泵轴传入泵的机械能W4、效率。反映了离心泵机械能损失的相对大小。即=Ne/N（三）离心泵的特性曲线离心泵出厂前，通常在101.3kPa下，用20清水在一定转速下，由实验测得H、N、与Q之间的关系曲线，称离心泵的特性曲线。1.H-Q曲线。通常离心泵的扬程H随流量Q的增大而下降。泵型号不同，H-Q线形状不同。2.N-Q曲线。N总是随Q的增加而增大。Q为零时，N为最小，所以启动泵时，应关闭泵的出口阀门，使启动功率最小，以免烧坏电机。3. -Q曲线。-Q曲线随Q增加有一最高点，称为泵的设计点。泵铭牌上标明的性能参数就是该点对应的参数。4.影响离心泵性能的主要因素（1）粘度。粘度增加，液体通过离心泵的能量损失加大。Q、H、均下降，N增加。若时，泵特性曲线应校正。（2）密度。泵的Q、H及-Q曲线不随而变化。N随的增加而增加。（3）转速。当泵的转速n变化20%，设效率不变，有以下近似关系： （2-4）（4）叶轮直径。若将原叶轮直径外周进行切削，使外径D变化5%，设泵效率不变，有近似关系： （2-5）注意：离心泵的特性曲线只是泵本身特性的反映，与管路状况无关。（四）离心泵的工作点与流量调节1.管路特性曲线 （2-6）令，对一定管路，A值与Q无关。令，B为由管路状况决定的常数。则式（2-6）改写为 m上式称为管路特性方程，将其标绘在H-Q坐标系上，得到管路特性曲线。2.离心泵工作点将泵的特性曲线标绘在Q-H坐标中，两曲线有一交点，该点即是离心泵的工作点。这表明，离心泵安装在某一特定管路中工作时，所提供的流量和压头应正好等于管路完成规定输送任务Q时所需要的压头He。注意：对某特定的管路系统和特定的离心泵，只能有一个工作点，即工作点由泵特性和管路特性共同完成。3.泵的流量调节。离心泵的流量调节实质就是改变泵的工作点，（1）改变管路特性曲线。最简单灵活的方法是调节泵出口阀的开度,以改变管路中的局部阻力即管路特性方程中B值。使管路特性曲线上移(关小阀门)或下移(开大阀门).（2）改变泵的特性。即改变泵的转速和叶轮直径。转速或叶轮直径增加,泵特性曲线上移, 转速或叶轮直径减少,泵特性曲线下移。(五)离心泵的安装高度1、汽蚀现象：当离心泵的安装高度过高,使叶轮入口处压强PPV（被输送液体在工作温度下的饱和蒸汽压）时,液体将部分汽化,导致泵流量、扬程和效率急剧下降,并造成泵内叶片、泵壳损坏，这种现象称汽蚀.2、允许汽蚀余量：为防止汽蚀现象发生,必须规定在一定条件下抗汽蚀能力特性参数汽蚀余量。 定义： m离心泵的允许汽蚀余量h允为汽蚀余量的最低允许值。其值是在101.3KPa和20下,用清水通过实验测定的，该值越大说明泵抗汽蚀的能力越小。3、离心泵的允许安装高度。指泵的入口高于贮槽液面最大允许高度Hg。（1）安装高度的计算公式：允泵的实际安装高度必须低于或等于此值。（2）影响允许安装高度的因素：A、液体的温度越高，饱和蒸汽越大，允许安装高度Hg越小。B、泵安装的海拔高度越高，当地大气压越小，允许安装高度Hg越小。C、吸入管路上管件越多，管路越长，允许安装高度Hg越小。D、抽送液体流量越大，允许安装高度Hg越小。结论：为了提高泵的允许安装高度Hg，吸入管应尽量短、直，输送液体温度低。(六)离心泵的选型步骤：1、根据输送液体性质,确定泵的类型。2、根据机械能衡算式，计算在最大流量下所需泵的扬程。3、由(Q,H)选择泵的型号。4、根据泵的性能参数，计算泵所允许的安装高度。二、往复泵(一)往复泵的结构与工作原理1、往复泵是由泵缸、活塞、活塞杆、吸入和排出单向阀组成的正位移泵.2、往复泵靠工作室扩张造成低压吸入液体，靠活塞挤压,提高液体压强将液体排除。泵的活塞运动是周期性的,因而排液量不均匀。往复泵有自吸能力,所以启动前不需灌泵，但安装高度与离心泵一样受到限制。(二)往复泵的输液量与调节1、往复泵的流量只与泵的结构、尺寸和往复次数有关。2、往复泵的压头与泵的尺寸和流量无关。其工作点仍是管路特性曲线和泵特性曲线交点。3、往复泵的流量调节最常用的是旁路调节,此外也可用改变电机转速、改变活塞冲程来调节。三、离心式通风机离心通风机结构和工作原理与离心泵相同。(一)性能参数1、风量Q：是指单位时间通过进风口的体积流量（按进口状态计）。单位为m3/s。2、风压Pt：单位体积气体所获得的机械能,单位为J/m3或Pa。在风机进、出口间列柏努力方程有：Pt=（P2P1）+全风压Pt = 静风压（P2P1）+ 动风压3、轴功率与效率。N=PtQ/1000 KW注意：计算N时，Pt和Q应为同一状态下的值。（二）离心通风机的特性曲线与选用1、离心通风机的特性曲线有四条：PtQ；（P2-P1）Q；NQ；Q。是在101.3Kpa，20下，由空气作为介质在一定转速下测得的。2、离心通风机的类型与选用步骤：（1）根据气体的种类（清洁空气、易燃气体、腐蚀性气体、含尘气体、高温气体等）与风压范围，确定风机类型。离心通风机按其产生的风压大小分为：低压（Pt1KPa），中压（Pt=13KPa）和高压（Pt=315KPa）三类（以上Pt均为表压）。（2）根据进口状态下的风量和标准条件下（20，101.3 Kpa）的风压确定风机的型号。II 典型例题一、用泵将碱液由敞口槽打入位差为10m高的塔中，塔顶压强为0.6kgf/cm2（表压），流量20m3/h，管路均为573.5mm无缝管，管长50m（包括所有局部阻力的当量长度）。碱液，粘度，管壁粗糙度为0.3mm，求：1.泵的压头，泵向碱液提供的有效功率。2.列出该管路的特性曲线方程。解：1.以槽面为截面1，高塔液面为截面2，在12截面间列柏努力方程，以槽液面为0基准面，则 湍流 查莫狄图=0.0342. 在12截面间列柏努力方程有：得 即 He=15+0.0347Q2 m管路特性方程，式中流量单位m3/h。二、用泵将30水送至吸收塔，已知塔内操作压力为500KPa（表压），要求流量为65m3/h，管径为1084mm无缝管，总长40m，其中吸入管路长6m，局部阻力系数总和，排出管路局部阻力系数总和求：1.选择合适的离心泵。2.泵的安装高度是否合适。3.若用入口管路上阀门调节流量，能否保证正常操作？（当地大气压760mmHg） 解：1.在12截面间列柏努利方程，以截面1为0基准面，则 查30水 湍流取=0.3 查图=0.027所以由Q=65m3/h，He=77.5m查得应选IS100-65-250型水泵。其性能为：Q=100 m3/h，H=80m，=72%，h允=4.8m，N=30.3KW，n=2900转/分2、由IS100-65-250型离心泵性能，该泵的安装高度应为：h允-Hf入口 =10.33-0.432-4.8-（0.027+5）=3.31m可见，现场泵的安装高度合适。3、若用入口管路阀门调节流量，可造成Hf入口增大，若Hf入口增加过多，由安装高度计算式知，Hg有可能低于2m，此时就可能发生气蚀现象，不能保证系统正常操作。因此安装泵时，应尽量减少吸入管路上的阻力，调节阀门装在出口管路上，以保证调节流量时，泵仍能继续正常工作。III 思考题一、填空：1离心泵的扬程是指 。离心泵的升扬高度是指 。2、离心泵的性能参数包括 、 、 。3、当离心泵的流量增加时，泵的扬程 ，泵的轴功率 ，泵入口处真空表读数 ，泵出口处压强表读数 。4、调节离心泵流量的方法有 ， ， 。最简便迅速的方法是 。5、往复泵适用于 、 的场合。6、离心通风机的全风压是 与 之和。二、选择题1、当离心泵转速一定时，离心泵流量和扬程的关系（ ）a、只与泵所在管路有关；b、只与泵本身结构有关；c、与泵所在管路和泵本身结构有关。2、安装在管路中的离心泵，其流量和扬程a、只与泵所在管路有关；b、只与泵本身结构有关；c、与泵所在管路和泵本身结构有关。3、有人认为（1）泵扬程就是泵的升扬高度，（2）泵的轴功率就是原动机的功率，则：a、两种说法都不对；b、两种说法都对；c、（1）对，（2）不对；d、（1）不对，（2）对。4、离心泵铭牌上所标明的流量是指：a、泵的最大流量 b、效率最高时流量c、扬程最大时流量 d、扬程最小时流量。三、是非题1、离心泵的流量调节阀门装在泵的出口管路上和进口管路上均可。2、离心泵的气缚现象是因泵的安装高度不合适造成的。3、离心泵和往复泵启动前均需要灌泵。4. 离心泵的气蚀现象是因泵的安装高度不合适造成的四、计算题1. 如图输水系统，已知管内径d=50mm，在阀门全开时，输水系统的总长50m（包括全部局部阻力当量长度），取0.03。两槽均通大气，泵的性能曲线，在流量为范围内可用下式，此处Hm，Qm3/h。（1） 写出管路特性方程。（2） 如果要求流量为10m3/h，单位质量和单位重量水需加外功多少？此泵能否完成任务？（3） 如要求输液量减至8m3/h（关小阀门），泵的功率减少百分之多少？2. 某冷凝器的真空度为0.8kgf/cm2，所需冷却水量50吨/h，从敞口水池液面到冷凝器水入口垂直高度15m，用管子输水，管长80m，管路上配有两个球阀（=3），5个标准弯头，（=1.26），管入口=0.5。试选一台泵。并说明理由。泵如下表所列。编号1234流量l/min500100010002000扬程m10101515第三章 非均相混合物的分离I 复习提要 一、重力沉降 重力沉降的依据是颗粒与流体的密度不同。在重力作用下颗粒在流体中自由沉降时，受到重力、浮力和来自流体阻力的共同作用，三力一般很快达到平衡，颗粒开始匀速下沉，沉降速度即指颗粒相对于流体的匀速运动速度。 球形颗粒的自由沉降速度计算式为： 式中为阻力系数，与雷诺数有关，两者关系可分为三个区域。1. 当10-4 2 时 ，层流区2. 当2 103 时， 过渡区3. 当103 2105 时，湍流区 对于层流区，可得到斯托克斯公式，即 二、离心沉降 离心沉降的依据同样是根据颗粒与流体的密度不同。颗粒的离心沉降方向为垂直于流体的旋转方向，径向向外。 离心沉降速度 由离心加速度可见，离心沉降速度随位置不同而不同。离心分离能力的强弱可用离心分离因数来表示。三、沉降分离设备 1.沉降分离设备具备的条件：流体在设备内的停留时间颗粒在设备内的沉降时间，即 2. 总分离效率、临界直径由于非均相混合物中的分散相存在一定的粒径分布和位置分布，决定了颗粒的沉降时间分布很宽。在流体停留时间有限的情况下，实现完全分离是不可能的。被分离下来的颗粒质量占总颗粒质量的百分数称为总分离效率。理论上可以完全被分离下来的最小颗粒直径称为临界直径。3.降尘室 含尘气体的停留时间 颗粒的沉降时间（完全分离） 最大处理量 由沉降速度可求取颗粒的临界直径，由可知，当气体处理量一定时，完全除去一定直径颗粒的条件只取决于降尘室的底面积BL，与其高度H无关，因此降尘室可设计成扁平形状。 4.旋分分离器含尘气体的停留时间 颗粒的沉降时间（完全分离） 临界直径 旋转圈数N和阻力系数与旋风分离器的结构及尺寸比例有关，而与筒体直径大小无关。适当增加气体处理量，即增大可降低临界直径。四、过滤过滤是利用多孔物质（即过滤介质）截留固体颗粒，而允许流体通过的分离操作。流体透过过滤介质需要外力的推动，外力可以是重力、压强差或离心力。 滤饼过滤是将固体颗粒截留在过滤介质表面，形成滤饼，并由滤饼继续截留颗粒。随着滤饼层的加厚，流动阻力不断增加，故过滤操作为不定常操作过程。深层过滤为另一种过滤方式。 在过滤过程中，已处理的悬浮液量与得到的滤液量及滤饼量之间存在着一定的关系。单位时间通过单位过滤面积得到的滤液体积即，称为过滤速度。五、恒压过滤方程过滤基本方程式 令 ，即得恒压操作下的过滤速度为：恒压过滤方程： 恒压操作下过滤速度不断下降。六、过滤设备1. 板框压滤机-间歇过滤设备。2.转鼓真空过滤机连续过滤设备。II、典型例题分析例1.某降尘室的内部总体尺寸长、宽、高为1263.8m，处理温度为140、粘度为的常压含尘气体，尘粒密度为1600Kg/m3。求：（1）50颗粒的沉降速度。 （2）完全分离50颗粒所允许的最大气体处理量。解：（1）假定颗粒沉降位于层流区。则 校核流型 =0.166 2层流区假设成立。（2）=6120.0920=6.62m3/sIII 思 考 题1.已知直径为80的颗粒在某液体中的沉降速度为5.8mm/s，沉降位于层流区。可知直径为40的同种颗粒在液体中的沉降速度为 mm/s。2.颗粒在空气中的自由沉降速度 颗粒在水中的自由沉降速度。（1）大于 （2）等于 （3）小于 （4）无法判断。第四章 传 热I复习提要一、概述 1.传热原理：凡是有温差存在的地方就有传热过程，且热量总是自动地从高温物体传给低温物体。2.传热基本方式及特点传导：由于物体本身分子或电子的微观运动使热量由高温传递到物体低温。传导发生在固体或静止的流体中。对流：依靠物体质点的宏观运动而进行的热量传递。对流仅仅发生在流体中。对流的分类：自然对流、强制对流。辐射：以电磁波的形式传递热能。一切物体都能把热能以电磁波形式发射出去。热辐射的特点：不仅产生能量的转移，而且还伴随着能量形式的转化。对绝对零度以上的物体以电磁波的形式向外发射能量当遇到另一物体，能量则被吸收重新转化为热能。注：只有在高温下物体之间温差很大时，辐射才成为主要的传热方式。辐射能可以在真空中传播，不需要任何物质作媒介。3.传热在化工生产中的应用： （1）换热器中传热过程的强化。（2）对各种设备或管道保温以减少热（或冷）的损失。（3）合理用能，提高能量利用率。4.传热设备：换热器，重点为间壁换热器。5. 间壁换热器的传热过程：（1）热流体以对流给热方式将热量传递到间壁的一侧；（2）热量自间壁一侧以热传导方式传递到另一侧；（3）热量从壁面以对流方式向冷流体传递热量。6.热量传递快慢的度量：传热速率Q单位时间内所传递的热量，W；热通量q单位时间通过单位传热面积所传递的热量，W/m2。7.定常传热过程：传热系统中各个参数仅随位置而变，但不随时间而变：其特点为在同一热流方向上传热速率Q必为常数。二、热传导1.温度场与等温面 一物体内部，只要各点间有温度差存在，热量会自动从高温点向低温点传递，即产生热流，而热流的大小，取决于物体内部的温度分布，物体（或空间）各点温度在时空中的分布，称为温度场。可用下式表示：t = f (x,y,z,) 式中 t 某点的温度 x,y,z 某点的座标 时间各点的温度随时间而改变的温度场称为不稳定温度场。若各点的温度均不随时间而改变，则称为稳定温度场。温度相同的点所组成的面称为等温面。因为空间任一点不能同时有两个不同的温度，所以温度不同的等温面彼此不会相交。2.热传导基本定律傅立叶定律：是用以确定在物体各点间存在温度差时，因热传导而产生的热流大小的定律，单位时间内传导的热量与温度梯度以及垂直于热流方向的截面积成正比。Q = AQ单位时间内传导的热量，单位W材料的导热系数W/m温度梯度，其正方向是指向温度增加的方向，而热量传递的方向则指向温度降低的方向，式中负号表示导热方向与温度梯度方向相反，且传热速率Q一般取正值。该式适用于均匀材料的一维热传导。3.导热系数物质的导热系数表示导热能力大小的一个参数，是物质的物性常数。它与物质组成、结构、密度、温度、压力有关。导热系数值越大，该物质的导热能力越强。 在所有的固体中，金属是最好的导热体。纯金属的导热系数一般随温度升高而降低。金属的导热系数大都随其纯度的增加而增大。（1）各种材料导热系数的数量级：金属，10+1102；建筑材料，10-1101；液体，10-1100；绝热材料和气体10-210-1；单位W/mK或W/m（2）导热系数随温度的变化关系：温度升高，金属减小，非金属固体增大；液体减小，气体增大。（3）正确计算导热系数的平均值，取两截面平均温度下的。4傅立叶定律的应用定常热传导表1平壁和圆筒壁定常热传导的计算平壁热传导圆筒壁热传导单层A=常数=常数随半径而变 ，不是常数，常求量为多层（1）表中公式适用于一维定常热传导的情况，使用时需取为常数；对于多层壁热传导要求各层之间接触良好。（2）热传导过程的推动力为壁面两边的温度差，热阻为，对任何传热过程，传热速率Q都与推动力成正比，与阻力成反比。（3）多层壁串联定常导热过程中各层的传热推动力和热阻是可以分别相加的，也即总推动力等于各层推动力之和，总热阻等于各层热阻之和。（4）各层的温差与热阻成正比，即哪层的温差大，该层的热阻一定大。（5）和平壁相比，圆筒壁定常热传导的特点是其传热面积A随半径而变化，所以其温度分布是曲线，且热通量随半径r的增大而减少，但传热速率Q不随半径而变，仍为常数。（6）应用：设备与管道的保温。（7）与其他章节联系：在保温层外是空气与保温层壁面之间的对流或辐射对流联合传热。参见习题4-12。注意：对多层圆筒壁的热传导，在确定各层半径时要注意，特别容易出错。三、对流给热（一）、对流给热的基本概念1.对流给热中所包括的传热方式：流体与固体壁之间的传热方式有对流和传导两种。2.对流给热现象：层流内层中，传热方向上主要以热传导方式进行，由于较小,温差较大，温度分布为直线；过渡区中，热传导和质点碰撞传热共同起作用，温度分布曲线斜率逐渐减少；在湍流主体中，流体质点的剧烈碰撞起主要作用，热阻较小，温度基本趋于一致，温度分布曲线较平坦。3.对流给热中热阻与温差集中的地方流体与固体壁之间传热时，对于湍流主体，由于流体质点返混较大，内部的温差和热阻都比较小，因此在对流传热中，热阻与温差主要集中在层流内层中。（二）、牛顿冷却定律表示对流给热的定律1. 对流给热模型（虚拟膜理论）：假设流体侧的温度和热阻都完全集中在壁面附近一层厚度为的虚拟膜层内，在这层虚拟膜中仅以分子热传导方式传递热量。虚拟膜层以外没有热阻，也没有温差存在。2. 对流给热基本方程（牛顿冷却定律）Q =A=（1）当流体被加热时，；当流体被冷却时。用流动截面上流体的平均温度代替湍流主体温度进行计算。（2）称为对流给热系数，它不仅与流体的物理性质有关，还与流体的流动情况、传热面的形状、结构等有关。按照虚拟膜理论，流体湍动程度越大，虚拟膜层越薄，则越大。四、无因次法分析在对流给热中的应用（一）无相变化时，对流给热系数的准数关联式确定1.自然对流：由于系统内部存在着温度差，使得各部分流体密度不同而引起流体内部的流动。引起流动的原因是单位体积流体的上升力，因此自然对流可用下列函数关系式表示：f(Cp,l, )=0经分析可得：Nu=f(Pr,Gr) Nu-努塞尔特准数，包含待定的对流给系数Nu=Gr格拉斯霍夫准数，反映由于温度差而引起的自然对流强度2.强制对流：强制对流可用下列函数关系式表示：f(Cp,l,u)=0Nu=f(Pr,Re)Pr普兰特准数，反映与传热有关的流体性质。（二）定性温度、特征尺寸：（1）定性温度：在确定流体的物理性质时，一般按流体的进、出口平均温度。 （2）特征尺寸l：对传热影响较大的换热器的尺寸，根据具体情况而定。如管内强制对流给热时，圆管的特征尺寸取管径d；如为非圆形管道取当量直径。对大空间自然对流，取加热（或冷却）表面垂直高度为特征尺寸。五、无相变化时，对流给热系数的确定（一）、强制对流Nu=f(Pr,Re)1. 管内的强制对流（1）圆形直管内的强制对流A、层流流动时：Re2300，如果Gr25000，自然对流的影响较小，Nu=1.86（Re*Pr*）1/3 （）0.14如果Gr25000，自然对流的影响较大，需考虑其影响，先按上式计算，然后乘以校正系数f=0.8（1+0.015 Gr1/3）。B、湍流流动时，Re10000，Nu=0.023 Re0.8 Prn或式中n当流体被加热时取0.4，当流体被冷却时取0.3。应用范围： 0.7Pr160 ，管长与管径之比：特征尺寸l：取管子内径d特性温度：取流体进出口温度算术平均值C、过渡态流动时：2300Re10000，先按湍流计算对流给热系数，然后再乘以校正系数f=1-(2)圆形弯管：先按直管计算流体的对流给热系数，然后再乘于大于1的校正系数，即= （1+1.77）d 管内径，R弯管的曲率半径(3)非圆形管道：对非圆形管道仍可按上述各类关联式计算，但需将各式中的特征尺寸d改用当量直径。2.管外强制对流： （1）流体强制对流垂直流过管束的对流给热系数：Nu=CRenPr0.4由于各排管的对流给热系数不同，故管束的平均对流给热系数可按下式计算。各列算出的对流给热系数A 各列传热管的外表面积 （2）列管式换热器管外平均强制对流给热