化工原理(第五版)完整版课件(全)

1、1第一章 流体流动234 一、研究流体流动问题的重要性 流体流动与输送是最普遍的化工单元操作之一； 研究流体流动问题也是研究其它化工单元操作的重要基础。引 言5二、 连续介质假定 假定流体是由无数内部紧密相连、彼此间没有间隙的流体质点（或微团）所组成的连续介质。质点：由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备 尺寸、远大于分子自由程。 工程意义：利用连续函数的数学工具，从宏观研究 流体。 6三、流体的可压缩性 不可压缩性流体：流体的体积不随压力变化而变 化，如液体； 可压缩性流体：流体的体积随压力发生变化， 如气体。7一、流体压力 流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的静压强，习惯上又称为压力。

2、 1、压力的单位 SI制：N/m2或Pa；标准大气压：1atm = 1.013105Pa =760mmHg =10.33m H2O第一节 流体静力学82、 压力的表示方法 绝对压力 以绝对真空为基准测得的压力。 表压或真空度 以大气压为基准测得的压力。表 压 = 绝对压力 大气压力真空度 = 大气压力 绝对压力9绝对压力 绝对压力 绝对真空 表压 真空度 大气压 10 流体压力与作用面垂直，并指向该作用面； 任意界面两侧所受压力，大小相等、方向相反； 作用于任意点不同方向上的压力在数值上均相同。3、静压力的特性11二、流体的密度与比体积（一）密度 单位体积流体的质量。kg/m3 1、单组分密度

3、 液体 密度仅随温度变化（极高压力除外），其变 化关系可从手册中查得。12 气体 当压力不太高、温度不太低时，可按理想 气体状态方程计算： 注意：手册中查得的气体密度均为一定压力与温度 下之值，若条件不同，则需进行换算。132、混合物的密度 混合气体 各组分在混合前后质量不变，则有 气体混合物中各组分的体积分数。 或混合气体的平均摩尔质量； 气体混合物中各组分的摩尔(体积)分数。 14 混合液体 假设各组分在混合前后体积不变，则有 液体混合物中各组分的质量分数。 （二）比体积单位质量流体的体积。m3/kg15重力场中对液柱进行受力分析：（1）上端面所受总压力 （2）下端面所受总压力 （3）液柱

4、的重力设流体不可压缩，p0p2p1z1z2G方向向下方向向上方向向下三、流体静力学基本方程式 16液柱处于静止时，上述三力的合力为零:静力学基本方程 式压力形式能量形式17讨论：（1）适用于重力场中静止、连续的同种不可压缩性流体；（2）物理意义：单位质量流体所具有的位能，J/kg；单位质量流体所具有的静压能，J/kg。 在同一静止流体中，处在不同位置流体的位能和静压能各不相同，但二者可以转换，其总和保持不变 。18（3）在静止的、连续的同种流体内，处于同一水平面上各点的压力处处相等。压力相等的面称为等压面。（4）压力具有传递性：液面上方压力变化时，液体内部各点的压力也将发生相应的变化。 19四

5、、流体静力学基本方程的应用 （一） 压力测量 1. U形管液柱压差计 设指示液的密度为 ，被测流体的密度为 。 A与A面 为等压面，即而p1p2mRAA20所以整理得若被测流体是气体， ，则有21讨论： U形管压差计可测系统内两点的压力差，当将U形管一端与被测点连接、另一端与大气相通时，也可测得流体的表压或真空度； 指示液的选取： 指示液与被测流体不互溶，不发生化学反应； 其密度要大于被测流体密度。 应根据被测流体的种类及压差的大小选择指示液。 222. 倒U形管压差计 指示剂密度小于被测流体密度，如空气作为指示剂 233. 斜管压差计 适用于压差较小的情况。值越小，读数放大倍数越大。 24

6、密度接近但不互溶的两种指示 液A和C ；4. 微差压差计 扩大室内径与U管内径之比应大于10 。25（二） 液面测定1.近距离液位测量装置 压差计读数R反映出容器内的液面高度。 液面越高，h越小，压差计读数R越小；当液面达到最高时，h为零，R亦为零。262.远距离液位测量装置 管道中充满氮气，其密度较小，近似认为 而所以 AB27（三）确定液封高度液封作用： 确保设备安全：当设备内压力超过规定值时，气体从液封管排出； 防止气柜内气体泄漏。液封高度：第二节 管内流体流动的基本方程28 1. 体积流量 单位时间内流经管道任意截面的流体体积。 qVm3/s或m3/h 2.质量流量 单位时间内流经管道

7、任意截面的流体质量。 qmkg/s或kg/h。 二者关系：（一）流量一、流量与流速29（二）流速2.质量流速 单位时间内流经管道单位截面积的流体质量。平均流速 （流速）单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。 kg/（m2s）流量与流速的关系： m/s30对于圆形管道：流量qV一般由生产任务决定。流速选择：3. 管路直径的估算 d 设备费用 流动阻力 动力消耗 操作费均衡考虑uu适宜费用总费用设备费操作费31 二、稳态流动与非稳态流动稳态流动：各截面上的温度、压力、流速等物理量仅随位置变化，而不随时间变化； 非稳态流动：流体在各截面上的有关物理量既随位置变化，也随时间变化。32三、连续性方

8、程式 对于稳态流动系统，在管路中流体没有增加和漏失的情况下： 推广至任意截面 连续性方程式112233不可压缩性流体，圆形管道 ： 即不可压缩流体在管路中任意截面的流速与管内径的平方成反比 。34四、伯努利方程式（一）伯努利方程式dxpA(p+dp)Agdmdz在x方向上对微元段受力分析：1、两端面所受压力分别为及2、重力的分量故合力为35动量变化率动量原理伯努利方程式 不可压缩性流体，（1）36（二）伯努利方程式的物理意义单位质量流体所具有的位能，J/kg；单位质量流体所具有的静压能，J/kg ；单位质量流体所具有的动能，J/kg。各项意义：37将(1)式各项同除重力加速度g :（2）式中各

9、项单位为z 位压头动压头静压头总压头38 式（1）为以单位质量流体为基准的机械能衡算式，式（2）为以重量流体为基准的机械能衡算式，表明理想流体在流动过程中任意截面上总机械能、总压头为常数，三种能量形式可以相互转换。39Hz221040五、实际流体的机械能衡算式（一）实际流体机械能衡算式412、外加功（外加压头） 1kg流体从流体输送机械所获得的能量为W (J/kg)。1、能量损失（压头损失）设1kg流体损失的能量为hf（J/kg）。 （3）（4）或伯努利方程式 42其中He外加压头或有效压头，m;hf压头损失，m。3、伯努利方程的讨论 （1）若流体处于静止，u=0，hf=0，W=0，则柏努利方

10、程变为 说明柏努利方程即表示流体的运动规律，也表示流体静止状态的规律 。43 W、hf 在两截面间单位质量流体获得或消耗的能量。（2）zg、 、 某截面上单位质量流体所具有的位能、动能和静压能 ；有效功率 ：轴功率 ：44（3）伯努利方程式适用于不可压缩性流体。 对于可压缩性流体，当 时，仍可用该方程计算，但式中的密度应以两截面的平均密度m代替。45（三）伯努利方程的应用 管内流体的流量； 输送设备的功率； 管路中流体的压力； 容器间的相对位置等。1、利用伯努利方程与连续性方程可以确定：46（1）根据题意画出流动系统的示意图，标明流体的流动方向，定出上、下游截面，明确流动系统的衡算范围 ；（2

11、）位能基准面的选取 必须与地面平行； 宜于选取两截面中位置较低的截面； 若截面不是水平面，而是垂直于地面，则基准面应选过管中心线的水平面。 2、伯努利方程应用的注意事项：47（4）各物理量的单位应保持一致，压力表示方法也应一致，即同为绝压或同为表压。 （3）截面的选取 与流体的流动方向相垂直； 两截面间流体应是定态连续流动； 截面宜选在已知量多、计算方便处。 48（一） 牛顿黏性定律 或Fuududy式中：F内摩擦力，N； 剪应力，Pa； 法向速度梯度，1/s； 比例系数，称为流体的粘度，Pas 。 一、黏度 第三节 管内流体流动现象1、牛顿黏性定律 49 2、粘度的物理意义 流体流动时在与流

12、动方向垂直的方向上产生单位速度梯度所需的剪应力。液体 :T 气体 : 一般T 超高压p 粘度的物理本质：分子间的引力和分子的运动与碰撞。503、粘度的单位SI制：Pas 或 kg/(ms)物理制：cP(厘泊）换算关系1cP10-3 Pas4、运动粘度 粘度与密度之比。m2/s51（二）流体中的动量传递 分子动量传递是由于流体层之间速度不同，动量由速度大处向速度小处传递。动量通量：单位时间、通过单位面积传递的动量。剪应力动量通量52动量浓度梯度运动粘度或动量扩散系数动量通量动量扩散系数动量浓度梯度53牛顿型流体：剪应力与速度梯度的关系符合牛顿 粘性定律的流体；非牛顿型流体：不符合牛顿粘性定律的流

13、体。 （三）牛顿型流体与非牛顿型流体 54二、流体流动类型与雷诺数 （一）雷诺实验55 层流（或滞流）：流体质点仅沿着与管轴平行的方向作直线运动，质点无径向脉动，质点之间互不混合； 湍流（或紊流） ：流体质点除了沿管轴方向向前流动外，还有径向脉动，各质点的速度在大小和方向上都随时变化，质点互相碰撞和混合。（二）流动类型无因次数群561、判断流型Re2000时，流动为层流，此区称为层流区；Re4000时，一般出现湍流，此区称为湍流区；2000 Re 4000 时，流动可能是层流，也可能是湍流，该区称为不稳定的过渡区。2、物理意义 Re反映了流体流动中惯性力与粘性力的对比关系，标志着流体流动的湍动

14、程度。 57三、 流体在圆管内的速度分布（一）流体在圆管中层流时的速度分布 58由压力差产生的推力 流体层间内摩擦力 管壁处rR时，0，可得速度分布方程 59管中心流速为最大，即r0时， umax 管截面上的平均速度 :即层流流动时的平均速度为管中心最大速度的1/2。 即流体在圆形直管内层流流动时，其速度呈抛物线分布。60（二）流体在圆管中湍流时的速度分布 剪应力 ：e为湍流粘度，与流体的流动状况有关。 湍流速度分布的经验式： n = 761n与Re有关，取值如下： 1/7次方定律当 时，流体的平均速度 :62湍流流动时：湍流流动时沿径向分为三层： 湍流主体、过渡层和层流内层第四节 管内流体流

15、动的摩擦阻力损失63直管阻力：流体流经一定直径的直管时由于内摩擦而 产生的阻力；局部阻力：流体流经管件、阀门等局部地方由于流速 大小及方向的改变而引起的阻力。 64流体在水平等径直管中作定态流动。一、直管中流体摩擦阻力损失的测定（一）阻力的表现形式 65若管道为倾斜管，则 流体的流动阻力表现为静压能的减少； 水平安装时，流动阻力恰好等于两截面的静压能之差。 66（二）直管阻力的通式 由于压力差而产生的推动力：流体的摩擦力：令 定态流动时67直管阻力通式（范宁Fanning公式） 其它形式：摩擦系数（摩擦因数） 则 J/kg压头损失m压力损失Pa 该公式层流与湍流均适用； 注意 与 的区别。68

16、二、层流的摩擦阻力损失计算 速度分布方程又哈根-泊谡叶 （Hagen-Poiseuille）方程 69能量损失 层流时阻力与速度的一次方成正比 。变形：比较得70（一）管壁粗糙度对摩擦系数的影响 光滑管：玻璃管、铜管、铅管及塑料管等；粗糙管：钢管、铸铁管等。绝对粗糙度 ：管道壁面凸出部分的平均高度。相对粗糙度 ：绝对粗糙度与管内径的比值。 层流流动时： 流速较慢，与管壁无碰撞，阻力与 无关，只与Re有关。三、湍流的摩擦阻力损失71 湍流流动时： 水力光滑管只与Re有关，与 无关 完全湍流粗糙管只与 有关，与Re无关72（二）量纲分析法 1、量纲分析法的目的 （1）减少实验工作量； （2）结果具

17、有普遍性，便于推广。2、量纲分析法的基础 量纲一致性：即每一个物理方程式的两边 不仅数值相等，而且每一项都应具有相同 的量纲。733、基本定理：白金汉（Buckingham）定理 设影响某一物理现象的独立变量数为n个，这些变量的基本因次数为m个，则该物理现象可用N（nm）个独立的无量纲数群表示。 湍流时压力损失的影响因素：（1）流体性质：，（2）流动的几何尺寸：d，l，（管壁粗糙度）（3）流动条件：u74物理变量 n 7基本量纲 m3无量纲数群 Nnm4 无量纲化处理式中：欧拉（Euler）准数即该过程可用4个无量纲数群表示。75相对粗糙度管道的几何尺寸雷诺数根据实验可知，流体流动阻力与管长成

18、正比，即 或761、莫狄（Moody）关联图（三）湍流时的摩擦系数77（1）层流区（Re 2000） 与 无关，与Re为直线关系，即 ,即 与u的一次方成正比。（2）过渡区（2000Re4000) 将湍流时的曲线延伸查取值 。（3）湍流区（Re4000以及虚线以下的区域） 78（4）完全湍流区 （虚线以上的区域） 与Re无关，只与 有关 。该区又称为阻力平方区。一定时，2、经验关联式柏拉修斯（Blasius）式：适用光滑管，Re2.510310579四、非圆形管内的当量直径当量直径： 套管环隙，内管的外径为d1，外管的内径为d2 : 边长分别为a、b的矩形管 :80说明：（1）Re与hf中的直

19、径用de计算；（2）层流时：正方形 C57套管环隙 C96 （3）流速用实际流通面积计算 。81五、局部摩擦阻力损失 （一）阻力阻力系数法 将局部阻力表示为动能的某一倍数。 或 局部阻力系数 J/kgJ/N=m821. 突然扩大832.突然缩小843. 管进口及出口进口：流体自容器进入管内。 进口 = 0.5 进口阻力系数出口：流体自管子进入容器或从管子排放到管外 空间。 出口 = 1 出口阻力系数4 . 管件与阀门858687蝶阀888990（二）当量长度法 将流体流过管件或阀门的局部阻力，折合成直径相同、长度为le的直管所产生的阻力 。le 管件或阀门的当量长度，m。91六、管内流体流动的

20、总摩擦阻力损失计算减少流动阻力的途径： 管路尽可能短，尽量走直线，少拐弯； 尽量不安装不必要的管件和阀门等； 管径适当大些。第五节 管路计算 92一、简单管路 （一）简单管路计算（1）流体通过各管段的质量流量不变，对于不可压缩流体，则体积流量也不变。 (2) 整个管路的总能量损失等于各段能量损失之和 。qV1,d1qV3,d3qV2,d2不可压缩流体 1、简单管路特点932、管路计算类型（1）摩擦阻力损失的计算 已知：流量qV 、管长l，管件和阀门 ，管径d， 粗糙度 求：hf94 已知：管子d 、l，管件和阀门 ，供液点z1、p1， 需液点的z2、p2，输送机械 W； 求：流体的流速u及供液

21、量qV。 （2）流量或流速的计算 湍流区：95 试差法计算流速的步骤：（1）根据柏努利方程列出试差等式；（2）试差：符合？可初设阻力平方区之值注意：若已知流动处于阻力平方区或层流，则无需 试差，可直接解析求解。96 已知：流量qV，管子、l，管件和阀门 ，供液点z1、 p1，需液点的z2、p2，输送机械W 等； 求：管径d。 （3）管径的计算 用试差法解决。97（二）阻力对管内流动的影响pApBpaF1122AB 阀门F开度减小时：（1）阀关小，阀门局部阻力系数 hf,A-B 流速u 即流量； 98（2）在1-A之间，由于流速u hf,1-A pA ； （3）在B-2之间，由于流速u hf,B

22、-2 pB 。 结论：（1）当阀门关小时，其局部阻力增大，将使管路中流量下降；（2）下游阻力的增大使上游压力上升；（3）上游阻力的增大使下游压力下降。 可见，管路中任一处的变化，必将带来总体的变化，因此必须将管路系统当作整体考虑。99二、复杂管路 （一）并联管路 AqVqV1qV2qV3B1. 特点：（1）主管中的流量为并联的各支路流量之和；100（2）并联管路中各支路的能量损失均相等。 不可压缩流体注意：计算并联管路阻力时，仅取其中一支路即 可，不能重复计算。1012. 流量分配而支管越长、管径越小、阻力系数越大流量越小； 反之 流量越大。 102COAB分支管路COAB汇合管路（二）分支管

23、路与汇合管路 1、分支管路与汇合管路 103 2、特点：（1）主管中的流量为各支路流量之和；不可压缩性流体（2）流体在各支管流动终了时的总机械能与能量损失之和相等。 第六节 流量的测定 104一、测速管（皮托管）1、结构与原理内管A处外管B处105点速度：即讨论：（1）皮托管测量流体的点速度，可测速度分布曲线；1062、安装 （1）测量点位于均匀流段，上、下游各有50d直管距离；（2）皮托管管口截面严格垂直于流动方向；（3）皮托管外径d0不应超过管内径d的1/50，即d0Re临界时，一般 =0.60.7Re临界值1133、安装及优缺点 （1）安装在稳定流段，上游 l 10d，下游l 5d；（2

24、）结构简单，制造与安装方便 ；（3）能量损失较大 。114三、文丘里流量计 属差压式流量计； 能量损失小，造价高。 1、结构与原理 115CV流量系数（0.980.99） A0喉管处截面积2、流量方程式 116四、转子流量计 1、结构与原理 从转子的悬浮高度直接读取流量数值。1172、流量方程式 转子受力平衡即仿孔板流量计CR流量系数 118体积流量（1）特点： 恒压差、恒流速、变截面截面式流量计。讨论：（2）刻度换算标定流体：20水（1000kg/m3 ） 20、101.3kPa下空气（ 1.2kg/m3） 119CR相同, 同刻度时式中：1标定流体； 2被测流体。气体转子流量计 1203、

25、安装及优缺点 （1）永远垂直安装，且下进、上出，安装支路，以便于检修。（2）读数方便，流动阻力很小，测量范围宽，测量精度较高； （3）玻璃管不能经受高温和高压，在安装使用过程中玻璃容易破碎。121工作介质：液体泵 气体风机或压缩机工作原理：动力式(叶轮式)：离心式、轴流式等；容积式（正位移式）：往复式、旋转式等；流体作用式：喷射式。分类： 第二章 流体输送机械122一、 离心泵的工作原理叶轮泵壳吸入管路排出管路泵轴底阀第一节 离心泵123二、离心泵的主要部件1、叶轮 作用 ：将原动机的能量传给液体，使液体静压能 及动能都有所提高给能装置 半开（闭）式闭式开式按结构分为：124 由于泵内存有空气

26、，空气的密度远小于液体的密度，叶轮旋转产生的离心力小，因而叶轮中心处所形成的低压不足以将贮槽内的液体吸入泵内，此时虽启动离心泵，也不能输送液体，这种现象称为气缚现象。 表明离心泵无自吸能力充液（灌泵）排液: 出口切线方向吸液：叶轮中心1252、泵壳作用：汇集叶轮甩出的液体； 实现动能到静压能的转换转能装置； 减少能量损失。3、轴封装置作用：防止高压液体沿轴漏出； 防止外界气体进入泵壳内。126三、离心泵的主要性能参数1、流量 qV单位时间内泵所输送液体的体积，m3/s或 m3/h。2、压头或扬程 H 单位重量的液体经泵后所获得的能量，J/N或m液柱。3、效率 容积损失；水力损失；机械损失 一般

27、，小型泵，效率为6085%，大型泵效率可达90%。1274、轴功率P轴功率P，有效功率Pe 四、离心泵的特性曲线128HqV 、PqV 、qV：厂家实验测定一定转速、常压、20清水（一）离心泵的特性曲线129离心泵特性曲线n一定130HqV曲线：较大范围内，qV H PqV曲线：qVPqV=0时，PPmin 离心泵启动时，应关闭出口阀门131 qV曲线：离心泵在一定转速下有一最高效率点 离心泵的设计点离心泵铭牌上标注的性能参数均为最高效率点下之值。离心泵的高效工作区：132（二）离心泵性能的影响因素2、密度的影响qV不变，H不变，基本不变，P随 变化。1、粘度的影响H，qV，而 P1333、离

28、心泵转速的影响 当液体的粘度不大，转速变化小于20%时，认为效率不变，有：比例定律134（一）管路特性曲线五、离心泵的工作点与流量调节 在截面1-1与2-2 间列柏努利方程，有：特定的管路系统： 一定操作条件一定：其中：135而认为流体流动进入阻力平方区，变化较小 。为一常数亦为一常数136则管路特性方程管路特性曲线HqV 管路特性曲线反映了被输送液体对输送机械的能量要求泵特性曲线工作点137（二）工作点解析法：管路特性方程泵特性方程工作点：管路特性曲线与泵特性曲线交点。 （三） 流量调节改变管路特性：调出口阀门；改变泵特性： 调转速。1381、改变出口阀门开度适用：调节幅度不大，而经常需要改

29、变的场合。关小出口阀 le qV ,H 管特线变陡 工作点左上移特点：方便、快捷，流量连续变化； 阀门消耗阻力，不经济。1392、改变泵的转速适用：调节幅度大，时间又长的季节性调节。n泵HqV曲线上移工作点右上移， H ， qV 特点：泵在高效率下工作， 能量利用经济; 需变速装置或切削叶轮。1403、离心泵的组合操作（1）并联操作qV并 H单 141（2)串联操作qV串 qV单 H串 hr , pk pv时， 不汽蚀ha hr , pk pv时，开始发生汽蚀ha hr , pk qV需, H泵 H需 （4） 核算泵的功率。149第二节 其它类型化工用泵一、 往复泵1、工作原理主要部件：泵缸、

30、活塞 和单向活门。工作原理：活塞对流体直接做功，提供静压能150单动往复泵流量不均匀2、类型与流量（1）类型151双动往复泵：152（2） 流量单动泵：理论流量实际流量V泵的容积效率，在0.90.97之间。流量由泵特性决定，而与管路特性无关。1531、流量调节方法：（1）改变活塞的往复次数或冲程；（2）旁路调节。3、扬程与流量调节1542、 压头（ 扬程）在电机功率范围内，由管路特性决定。管路特性2H2管路特性1H1泵特性HqV正位移特性 流量只与泵特性有关，而压头只与管路特性有关qVqV理1553、 功率与效率往复泵的总效率，一般为0.650.85。 适用压头高、流量小的液体，但不能输送腐蚀

31、性大及有固体的悬浮液。156二、 齿轮泵具有正位移特性。157三、旋涡泵1、结构一种特殊的离心泵。1582、特点(1) 启动泵时，要打开出口阀门，改变流量时，旁路调节比安装调节阀更经济；(2) 能量损失大，效率低（20%40%），不适合输送高粘度液体；(3) 压头比离心泵高24倍，适用于高压头、小流量、低粘度清洁液体。159分类：按出口压力或压缩比分为： 通风机 p出(表) 15kPa =11.15 鼓风机 p出(表)=15300kPa 300kPa 4 真空泵 p出(表）=0 压缩比由真空度决定第三节 气体输送机械160（一）工作原理与结构一、离心式通风机161（二）性能参数与特性曲线1.

32、性能参数（1）风量qV单位时间从风机出口排出的气体体积， m3/h或 m3/s。注意： qV应以风机进口状态计。162（2）风压全风压：单位体积的气体经风机后所获得的能量，Pa或mmH2O以单位质量的气体为基准 以单位体积的气体为基准 163动风压 静风压 全风压164（3）轴功率与效率2. 特性曲线 用20、101.3kPa的空气（=1.2kg/m3）测定。 风机的全风压与气体的密度成正比。qVPqVqVptqVpSqVn一定165(三) 离心通风机的选用 1. 计算输送系统所需的全风压，再换算成标定状态下的全风压；3. 根据qV、pt0 选风机的型号。 qV qV需 ， pt0 pt0需2

33、. 根据气体的性质及风压范围，确定风机的类型；1661.工作过程假设 理想气体； 气体流经吸气、排气阀时流动阻力忽略不计； 压缩机无泄漏。 二、鼓风机和压缩机（一）气体压缩所需外功167（1）理想压缩循环压缩过程（1 2）恒压排气过程（2 3）恒压吸气过程（4 1）理想压缩循环功：等温绝热168 等温压缩 绝热压缩169（2）实际压缩循环余隙：排气终了时，活塞与气缸之间的空隙。1 2 压缩过程2 3 排气过程4 1 吸气过程3 4 膨胀过程余隙气体膨胀吸气压缩排气1701、离心式鼓风机特点：外形离心泵外壳直径与厚度之比较大叶片数目较多转速较高 单级出口表压多在30kPa以内；多级可达0.3MP

34、a （二）离心鼓风机和压缩机1712、离心式压缩机特点： 多级（10级以上）； 大叶轮； 高转速（n5000rpm）172（三）罗茨鼓风机173 流量调节旁路调节或调转速； 开机时打开出口阀门； 操作温度 85 ，以免转子受热卡住。正位移特性174（四）往复式压缩机175（1）余隙系数与容积系数 余隙系数低压气缸： 8%，高压气缸：可达12%。 容积系数176二者关系： 讨论：1772. 压缩比和多级压缩178 避免排出气体温度过高； 减少功耗，提高压缩机的经济性； 提高气缸容积利用率； 使压缩机结构更合理。 一般当 时，采用多级压缩，常用26级，每级压缩比为35。179三、真空泵性能：（1）

35、真空度或极限剩余压力； （2）抽气速率：单位时间在极限剩 余压力下吸入的气体体积。（一）往复式真空泵 基本结构和操作原理与往复压缩机相同180（二） 水环真空泵181（三）喷射泵182第三章 沉降与过滤一、非均相物系分离沉降（重力沉降、离心沉降） 过滤分散物质（分散相）：处于分散状态的物质分散介质（连续相）：处于连续状态的物质2、分离的目的（1）回收分散物质;（2）净化分散介质。第一节 概述1、连续相与分散相183二、颗粒与流体相对运动时所受的阻力阻力系数（曳力系数）、流体特性dp、ut颗粒特性184185球形 圆盘形186（1）层流区 104 Re 2 Stokes 区 （2）过渡区 2 R

36、e 500 Allen 区 （3）湍流区 500 Re 非金属固体 液体 气体 表征材料导热性能的物性参数1、物理意义2442、固体热导率 金属材料 10102 W/(mK) 建筑材料 10-110 W/(mK) 绝热材料 10-210-1 W/(mK)在一定温度范围内：对大多数金属材料a 0 ， t 2453、液体热导率 金属液体较高，非金属液体低； 非金属液体水的最大； 水和甘油：t ， 其它液体：t ，0.090.6 W/(mK)2464、气体热导率 t ， 一般情况下，随p的变化可忽略； 气体不利于导热，有利于保温或隔热。0.0060.4 W/(mK)247t1t2btxdxQ三、平壁

37、的稳态热传导 （一）单层平壁的稳态热传导 假设：材料均匀，为常数；一维温度场，t沿x变化； A/b很大，忽略端损失。248积分：249 （二）多层平壁的稳态热传导假设：各层接触良好，接触面两侧温度相同。t1t2b1txb2b3t2t4t3250各层的温差251结论： 多层平壁热传导，总推动力为各层推动力之和，总热阻为各层热阻之和； 各层温差与热阻成正比。推广至n层： 252四、圆筒壁的稳态热传导 （一）单层圆筒壁的稳态热传导 特点：传热面积随半径变化， A=2rl(2) 一维温度场，t沿r变化。253在半径r处取dr同心薄层圆筒积分254讨论：对数平均面积热阻令对数平均半径一般 时，255 （

38、二）多层圆筒壁的稳态热传导三层：n层圆筒壁： 256一、对流传热方程第三节 对流传热dAqm2， t2qm1，T1qm2，t1 qm1， T21、对流传热过程257ttWTWTA2A1传热壁冷流体热流体Tt 湍流主体温度梯度小，热对流为主 层流内层温度梯度大，热传导为主 过渡区域热传导、热对流均起作用258式中 Q 对流传热速率，W； 1 、 2 热、冷流体的对流传热系数， W/(m2K)； T 、TW、t、tW 热、冷流体的平均温度及 平均壁温，。 冷流体：热流体：牛顿冷却定律2、对流传热方程2592、流体流动起因 自然对流：由于流体内部密度差而引起流体 的流动。 强制对流：由于外力和压差而

39、引起的流动。 强制 自然 二、影响对流传热系数的因素1、流体的物性 ，cp 260自然对流的产生：设 热处：t2，2； 冷处：t1，1体积膨胀系数，1/C.或而得：或261由温度差而产生的单位体积的升力：加热板冷却板2624、流体相态变化 相变 无相变5、传热面的情况3、流体流动状态 湍流 层流 形状管、板、管束等； 大小管径、管长、板厚等； 位置管子的排列方式，垂直或水平放置。263三、对流传热的特征数关系式变量数 8个基本因次 4个：长度L，时间T，质量M，温度无量纲特征数（8-4）=4无相变时1、量纲分析法264（1） 努塞尔特（Nusselt ）数表示对流传热系数的特征数（2）雷诺（R

40、eynolds）数反映流体的流动状态对对流传热的影响2、相关特征数265（3） 普兰特（Prandtl）数反映流体的物性对对流传热的影响（4）格拉斯霍夫（Grashof）准数表示自然对流对对流传热的影响一般形式：Nu=f (Re, Pr, Gr)简化：强制对流 Nu=f (Re, Pr) 自然对流 Nu=f (Pr, Gr)2663、使用准数关联式时注意（1）应用范围（2） 特征尺寸（3）定性温度强制对流自然对流无相变有相变蒸汽冷凝液体沸腾267四、流体无相变时对流传热系数的经验关联式（一）流体在管内强制对流传热 1、圆形直管强制湍流流体被加热 n=0.4流体被冷却 n=0.3应用范围：Re

41、104, Pr=0.7160, L/d 60, 2 cP定性温度：流体进出口的算术平均值特征尺寸：管内径（1）低黏度流体268讨论： 加热与冷却的差别：液体气体 影响因素269当L/d 60，乘校正系数 工程处理：加热：冷却：（2）高黏度流体（3）短管270（4） 弯管（5）非圆形管道用当量直径计算。2712. 圆形直管内过渡区时2300 Re 1042723. 圆形直管内强制层流（1）随热流方向不同，速度分布情况不同；（2）自然对流造成了径向流动，强化了对流传热过程。对于液体273 自然对流可以忽略： Gr 25000乘校正因子： 适用范围：定性温度：特征尺寸：管内径274（二）流体在管外强

42、制对流传热1. 流体在管束外垂直流过275 应用范围：Re=500070000; x1/d=1.25; x2/d=1.25 特征尺寸：管外径；流速取各排最窄通道处 定性温度：进、出口温度平均值Nu=C Ren Pr0.4平均对流传热系数：2762流体在换热器管间的流动折流挡板形式： 圆缺形 圆环圆盘形设置折流挡板目的：增加壳程流体的湍动程度，进而提高壳程的。277（三）大空间自然对传热定性温度：膜温（tm+tw）/2特征尺寸：垂直的管或板为高度H 水平管为管外径d0各种情况下的C、n值及特征尺寸不同。2781. 蒸气冷凝方式五、流体有相变时的对流传热滴 膜 （1）膜状冷凝（2）滴状冷凝冷凝过程

43、的热阻冷凝液膜（一）蒸气冷凝时的对流传热2792、 蒸气在水平管外膜状冷凝定性温度：tSr，其它膜温 n水平管束在垂直列上的管数r比汽化热2803、蒸气在垂直管外膜状冷凝qm冷凝液量，kg/sM冷凝负荷，kg/s.m281层流Re1800湍流特性尺寸：管或板高H定性温度：膜温 2824、影响冷凝传热的因素 (1) 液体物性 ， ， r (2) 不凝气体 不凝气体存在，导致 ，需定期排放。 (3) 蒸气流速与流向 （u10m/s ） 同向，t， ；反向， t， ； u ， (4) 蒸气过热 r=r+cp(tv-ts) 影响较小 (5) 传热面情况 设置导流槽，减薄液膜厚度， 283（二）液体沸腾

44、时的对流传热大容器沸腾 和 管内沸腾1、沸腾现象在粗糙加热面的细小凹缝处：汽化核心 生成汽泡 长大 脱离壁面新汽泡形成搅动液层沸腾必要条件： 存在汽化核心 过热度 t=（tts）2842、沸腾曲线 推动力 （twts） 沸腾三个阶段： 自然对流 核状沸腾 膜状沸腾水沸腾曲线工业上采用核状沸腾 大，tW小2853、影响沸腾传热的因素（1）液体的性质 （2）温度差 核状沸腾阶段: t2.5， t （3）操作压力（4）加热面 新的、洁净的、粗糙的加热面，大 286 第四节 传热过程计算返回传热速率方程式式中 Q传热速率，W； tm两流体的平均温度差，； A传热面积，m2； K总传热系数，W/(m2)

45、 。287一、热量衡算忽略热损失, Q1=Q2冷流体 qm2 t1，cp2，h1t2 h2热流体 qm1 T1，Cp1，H1T2 H2288 无相变时 纯 冷 凝 相变+加热289（一）恒温传热（二）变温传热tm与流体流向有关二、传热平均温度差逆流并流错流折流2901、 逆流与并流t2t1T1T2t1t2T1T2 t2tAt1T2T1逆流 t2tAt1T2T1并流291以逆流为例推导tm假设：（1）稳态流动，qm1、 qm2为常数； （2）cp1、cp2为常数； （3）K沿管长不变化； （4）热损失忽略不计。AT2t1t2T1dTdtdAt2t1t=T-t对于微元：2、平均温度差292T1T2

46、t2t1Q而293 逆流、并流均适用； 当t2/t12，则可用算术平均值。对数平均温度差2943、折流和错流的平均温度差查图 1 tm 0.9若 0.8，温差损失大，传热不稳定；应改变流型2954、流向的选择（1）所需传热面积逆流优于并流（2）载热体消耗量加热任务：t1t2（T2并）min=t2（T2逆）min=t1逆流优于并流296（3）温度差分布逆流时的温度差分布更均匀。T2并流T1t1t2t1t2T1T2逆流（4）并流操作适用热敏性物料、粘稠物料等的加热， 或生产工艺要求温度不能过高或过低的场合。297三、总传热系数K总传热系数，W/(m2K)twTw管内对流管外对流导热冷流体热流体tT

47、dQdQ1dQ3dQ2（一）圆筒壁的总传热系数计算式298管内对流 管外对流 管壁热传导稳态传热 299K1以外表面为基准的总传热系数，W/(m2.K)dm对数平均直径，m以内表面为基准：d1/d2A计 或 Q换 Q需要， 换热器合适。 3062、操作型计算（1）已知：换热器A， qm1、T1， qm2 、t1 求：出口T2、t2（2）已知：换热器A， qm1、T1， T2 、t1 求：qm2、 t2注意：列管式换热器中流通面积传热面积307一、热辐射的基本概念1. 辐射：物体通过电磁波来传递能量的过程。2. 热辐射：物体由于热的原因以电磁波的形式向 外发射能量的过程。 3、特点： 能量形式的

48、转换； 不需要任何介质。第五节 热 辐 射（一）热辐射的物理本质308QQQNQ能量守恒定律： 吸收率 反射率 穿透率 （二）物体对热辐射的作用总能量Q；被物体吸收Q ；被反射Q ；穿过物体Q 309 黑体：白体(镜体)：透热体：灰体：以相同的吸收率吸收所有波长辐射能的物体固体、液体： =0 + =1 气体： =0 + =1（三）透热体、白体和黑体310二、物体的辐射能力 物体在一定温度下，单位表面积、单位时间内所发射的全部辐射能(波长从0到), E表示, W/m2黑体辐射常数, 5.669 10-8W/(m2 .K4)（一）黑体的辐射能力斯蒂芬-波尔茨曼定律四次方定律表明，热辐射对温度特别敏

49、感Cb黑体辐射系数, 5.669W/(m2 .K4)311 （二）实际物体的辐射能力黑度： T21 2=1E1Eb（1-1）Eb1Eb 灰体 黑体 克希霍夫定律 （一）辐射能力与吸收率的关系313 a = 讨论： （1）同温度下，物体的吸收率与黑度数值上相等； （2） a ，E Eb 在任何温度下、各种物体中 以黑体的辐射能力为最大。 （二）吸收率与黑度的关系314（一）辐射传热速率的计算四、两固体间的相互辐射两面积无限大的平行平板两平面有限大的平行平板315 一物体被另一物体包围若外围为黑体， 1=1 或 A2 A1，则 C1-2=C1=Cb1316 1. 温度的影响 T4；低温可忽略，高温

50、可能成为主要方式 2. 几何位置的影响 3. 表面黑度的影响 ，可通过改变大小强化或减小辐射传热 4. 辐射表面间介质的影响（遮热板） 减小辐射散热，在两换热面加遮热板（ 小热屏）（二）辐射传热的主要影响因素317五、辐射与对流的联合传热对流： 辐射： 令=1 总热损失： T对流-辐射联合传热系数，W/(m2.K) 318（1）空气自然对流，tW5m/s 平壁保温层外空气速度u 50 时，需考虑温度热补偿。根据热补偿方式不同，列管式换热器分为：3332. 浮头式换热器特点：可完全消除热应力,便于清洗和检修, 结构复杂3343. U型管式换热器特点：结构较浮头简单；但管程不易清洗。335(一)

51、流体流程选择原则管程：不清洁或易结垢、腐蚀性、压力高的流体壳程：饱和蒸汽、需要冷却、粘度大或流量小的流体原则：传热效果好，结构简单，清洗方便三、列管换热器选用相关问题336(二) 流体流速的选择u选择是经济权衡，要避免层流流动 uK，在同Q、tm下A，节省设备费uHf ，操作费用增加337(三) 换热器中管子的规格和排列方式管子的规格：192mm和252.5mm 管长：1.5m、2.0m、3.0m、6.0m排列方式：正三角形正方形直列正方形错列338圆缺形圆盘形多管程：管内流体u加挡板：增大壳程流体的湍动壳程(四) 折流挡板339四、列管换热器选用步骤1. 根据工艺任务，计算热负荷2. 计算t

52、m3. 依据经验选取K，估算A4. 确定冷热流体流经管程或壳程，选定u 先按单壳程多管程计算，如果0.8，应增加壳程数； 由u和qm估算单管程的管子根数，由管子根数和估算的A，估算管子长度，再由系列标准选适当型号的换热器。3405. 核算K 分别计算管程和壳程的，确定垢阻，求出K，并与估算的K进行比较。如果相差较多，应重新估算。6. 计算A 根据计算的K和tm，计算A，并与选定的换热器A相比，应有10%25%的裕量。341五、加热介质与冷却介质1、常用的加热介质 烟道气 热水、矿物油2、常用的冷却介质 空气 水蒸气 清水 冷冻盐水342六、传热过程的强化1、增大传热平均温差tm 加热剂T1或冷

53、却剂t1 两侧变温，尽量采用逆流强化传热，可tm、A/V、K2、 增大单位体积的传热面积A/V 直接接触传热，可增大A 和湍动程度3433、增大总传热系数K减小壁、污垢及两侧流体热阻中的主要热阻提高较小一侧有效 提高的方法(无相变)： 增大流速多管程 加扰流元件壳程加挡板 改变传热面形状和增加粗糙度3445.1.1 过程原理 依据：气体混合物各组分在某液体中溶解度的不同。 溶质（A ）惰性气体（B）溶剂或吸收剂（S）吸收液（A+S）尾气（B+少量A）第5章 吸收5.1 概述345ABS吸收：气相液相溶质解吸：液相气相溶质NH4OHNH3 ,O2 ,N2H2O+O2 ,N2,微量NH3+逆过程5

54、.1.2 在工业中的用途（1）回收混合气中的有用物质（2）除去杂质以净化气体（3）制备某种气体的溶液（4）工业废气的治理3465.1.3 操作流程P173（1）吸收和解吸联合操作（2）气液流向-多逆流（3）吸收低温高压；解吸高温低压347（2）选择性高；（3）再生容易；（4）挥发性小；（6）化学稳定性高；（7）无毒、腐蚀性低、价廉等5.1.4 吸收剂的选择原则（1）溶解度大；（5）粘度低；3485.1.5 传质设备3495.1.6 吸收分类（1）物理吸收和化学吸收（2）单组分吸收和多组分吸收（3）等温吸收和非等温吸收（4）高浓度吸收和低浓度吸收3505.2.1 气液相平衡关系 气液平衡状态 饱

55、和浓度或溶解度 平衡分压一、相平衡关系用pA或y表示用cA或x表示 相律FC2= 32+2 = 3当T、p一定（p5atm）时： pA* =f1（ x ）y*= f2（ x ）pA * =f3（ cA）5.2 气液相平衡关系及应用351二、溶解度曲线氨在水中的溶解度曲线SO2在水中的溶解度曲线20352几种气体在水中的溶解度曲线353讨论：（2）在同一溶剂中，T、y一定，p(pA) x （1）在同一溶剂中，pA (或 p,y)一定，T xcO2 cCO2 cSO2 cNH3 （3）相同pA (或 p,y)低温高压利于吸收，高温低压利于解吸。O2、CO2等为难溶气体，NH3等为易溶气体354三亨

56、利定律E 亨利常数，单位同压强。 平衡分压E的讨论：1）E=f（物系、T ） 2）E小，溶解度大，易溶气体3）E的来源：实验测得；查手册物系一定，适用条件：一定T下、 px或359y1*yxAx1y1x1*By2x2x2*y2*A点：平衡线上方，吸收B点：平衡线下方，解吸360二、指明过程进行的极限相平衡1）逆流，塔高无限 G, y2G，y1L，x2L，x12）逆流，塔高无限361三、确定过程的推动力1) 表达式 y=y - y*x=x* -x气相：液相： Y=Y -Y*X=X*-X3622）在xy图 Ayy*xx*BC3635.3.1 单相传质吸收过程： 单相内传质方式：分子扩散、湍（涡）流

57、扩散（1）气相主体相界面（2）A在相界面上溶解气相内传质（3）相界面液相主体液相内传质5.3 吸收过程的传质速率364一、分子扩散现象5.3.1.1 分子扩散分子扩散：在静止或层流流体内部，若某一组分存 在浓度差，则因分子无规则的热运动使 该组分由浓度较高处传递至浓度较低处。扩散通量：单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截 面积扩散的物质量。J365JAA扩散速率（扩散通量） A在z上的浓度梯度 DABA在B中的扩散系数负号：表示扩散方向与浓度梯度方向相反；二、费克定律总T、p一定扩散沿着浓度降低的方向进行。 366理想气体：3675.3.1.2 单相内一维稳定的分子扩散形式：等摩尔逆向扩散、单

58、向扩散一、等摩尔逆向扩散JAJBT ppA2pB2T ppA1pB112A：1 2扩散B： 2 1 扩散368等摩尔逆向扩散：任一截面处两个组分的扩散速率 大小相等，方向相反。 总p一定 JA=JB DAB=DBA=D 369传质速率定义：任一固定的空间上， 单位时间内通 过垂直于传质方向单位面积的物质量。气相：得Nkmol/(m2 s)370液相：讨论：371（2）pAz呈直线关系ppB1pA1pA2pB2z0zp372（1）总体流动：因扩散到界面溶解于溶剂中，造成界面与主体的微小压差，使得混合物从气主体向界面处的流动。（2）特点 因分子本身扩散引起的宏观流动。 A和B在总体流动中方向相同，

59、流动速度正比于摩尔分数。 二、单方向扩散(一组分通过另一静止组分的扩散)界面气：A，B液：A+S373 单方向扩散包括分子扩散和总体流动 总体流动有利于传质JAJBNANMpA/pNMpB/p总体流动NM12z374（3）传质速率方程375376静止气膜两侧B 的对数平均压力377液相：（4）讨论1）、漂流因数，无因次 378漂流因数意义： 其大小反映了总体流动对NA的影响程度； 其值为总体流动使NA比较单纯分子扩散增大的倍数。 漂流因数的影响因素： 溶质浓度高，漂流因数大，总体流动的影响大； 低浓度时，漂流因数 1，总体流动的影响小 。3792） pAz呈指数关系 ppB1pB2pA1pA2

60、z380三、分子扩散系数D物理意义：单位浓度梯度下的扩散通量， 反映某组分在一定介质中的扩散能力。 物性常数，m2/s影响因素：A、B、T、P、浓度来源：查手册；半经验公式；测定381（1）气相D的范围：10-510-4m2/s （2）液相D的范围：10-1010-9m2/s 3825.3.1.3. 单相对流传质一、涡流扩散涡流扩散：流体作湍流运动时，若流体内部 存在组分浓度梯度，依靠质点相 互碰撞和混合，组分从高浓度向 低浓度方向传递。涡流扩散速率：涡流扩散系数383注意：De与D不同，不是物性常数； De与物性、流体流动状态及所处的位置有关。总扩散速率：384TTWtWt热流体冷流体pAp