精排版《化工原理》讲稿(全)

第一单元动量传递绪论一、化工过程煤粉煤粉干燥器热气旋风分离器反应器精馏塔氢气煤粉冷气粗油换热器冷水蒸汽高温馏分油产品储罐低温馏分油离心泵1.由此引出本课程的主要内容（目录）；2.引出单元操作的概念（化工过程由若干单元操作和反应过程串联而成）。二、单元操作1.单元操作概念：化工生产中，设备相似、原理相近、基本过程相同的生产过程称为单元操作。2.单元操作分类：三传一反——P2表0-1(1)动量传递（传动）：流体输送、沉降、过滤等——密度ρ、黏度μ。(2)热量传递（传热）：热交换、蒸发等——温度t、热导率λ。(3)质量传递（传质）：蒸馏、吸收、干燥等——相对挥发度α、溶解度x。3.单元操作特点：(1)物理性操作；(2)共有性操作。三、基本概念1.物料衡算（质量守恒）2.能量衡算（能量守恒）3.过程极限（平衡状态）——溶解，饱和；传热，温度相等。4.过程速率（变化快慢）——过程速率=推动力/阻力第一讲流体静力学流体：气体和液体的总称（不可压缩流体、可压缩流体）。一、主要物理量1.密度（物理性质，温度和压力的函数，可查表获得）ρ=m/Vkg/m3定义式理想气体：ρ=m/V=nM/V=pM/RT（pV=nRT符号说明：R=8.314，T=t+273）相对密度：物质密度与水的密度之比（4℃）。常用密度：水（20℃）—998kg/m3；水银（20℃）—13.6×103kg/m32.压力p=P/APa定义式绝对压力：压力的真实值。表压：表压=绝对压力－大气压力（压力表测得值，真实压力比大气压大的部分）真空度：真空度=大气压力－绝对压力（真空表测得值，真实压力比大气压小的部分）表压=－真空度真空度最大值=大气压常用压力：1atm≈0.1MPa=1.013bar=1.033工程大气压=10.33mH2O=760mmHg例题1-1。二、流体静力学1.静力学基本方程的推导设：敞口容器内盛有密度为r的静止流体，取任意一个垂直流体液柱，上下底面积均为Am2。a.作用在液柱上端面上的总压力P1P1=p1b.作用在液柱下端面上的总压力P2P2=p2c.作用于整个液柱的重力GG=gA(z1－z2)液柱静止，垂直方向上的三个作用力的合力为零，即：p1A+gA(z1－z2)－p2A=0令：h=(z1－zp2=p1+gh若将液柱上端取在液面，并设液面上方的压强为p0,则：p=p0+gh上式均称为流体静力学基本方程式：静止流体内部某一点的压强等于作用在其上方的压强加上液柱的重力压强。2.静力学基本方程的讨论a.在静止的液体中，液体任一点的压力与液体密度和其深度有关。b.在静止的、连续的同一液体内，处于同一水平面上各点的压力均相等。c.当液体上方的压力变化时，液体内部各点的压力也发生同样大小的变化。d.变形得：，压强差的大小也可用一定高度的液柱来表示。e.整理得：，即常数。也为静力学基本方程。f.方程是以不可压缩流体推导出来的，对于可压缩性的气体，只适用于压强变化不大的情况。3.静力学基本方程的应用(1)U型管压差计指示液：指示液要与被测流体不互溶，不起化学作用，且其密度应大于被测流体的密度。常用指示液有：水、油、四氯化碳或汞等。测压差：由静力学基本方程式推导得讨论：a.(p1－p2)只与R及指示液同被测流体的密度差有关。b.若p1－p2=0越小，读数R=0，即为连通器。c.若被测流体为气体，气体的密度比液体的密度小得多，即上式可简化为：(2)液位计P10图1-4。(3)液封高度P11图1-6。4.静力学基本方程解题步骤①做图选取等压面。②分别写出等压面上两个点的静力学方程式。③联立方程，求解未知量。应用静力学基本方程应注意：①正确选择等压面。②基准面的位置的选取。③计算时，各项物理量的单位必须一致。第二讲流体动力学—连续性方程一、流量1.流量概念：单位时间内流经管道任意截面的流体量。2.体积流量：单位时间内流经管道任意截面的流体体积。用V表示。定义式单位m3/s或m3/h3.质量流量：单位时间内流经管道任意截面的流体质量。用W表示。定义式单位kg/s或kg/h4.相互关系：二、流速1.流速概念：单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。流速就是流体质点的速度，表示流体流动的快慢。2.平均流速：流体流速在某个截面上各点的大小不相等，工程中为了简便计算，用平均流速来表征这个截面的流速。定义：平均流速为流体的体积流量与管道截面积之比。如果没有特殊说明，以后提到的流速均为平均流速。以u表示。单位m/s3.质量流量：单位时间内流经管道单位截面的流体质量。以G表示。单位kg/(m2·s)4.相互关系：5.课堂练习：T1.某工厂用φ157mm×3.5mm的管子输送20℃的水，经测定，输送540m3需用时3h，请计算该管中水的：(1)体积流量，m3/s；(2)质量流量，kg/h；(3)平均流速，m/s；(4)质量流速，kg/(m2·答案：0.05m3/s；180×103kg/h；3m/s；3×103kg/(m2·s)小结：如果已知管径d和密度（温度和物质），则只要知道W、V、G、u中的一个量，就可以计算出另外三个量。三、定态流动和非定态流动1.定态流动：流体流动系统中，若各截面上的温度、压力、流速等物理量仅随位置变化，而不随时间变化，这种流动称为定态流动。2.非定态流动：若各物理量既随位置变化，又随时间变化，称为非定态流动。3.讨论：a.本课程主要讨论定态流动问题，即同一截面处的流速，流量，压力等不发生变化；不同截面的各量可以不同。（截面处的各量为状态量）b.化工生产过程中，正常生产时是定态流动（液位恒定，稳定状态；如果调解阀门，从一种定态流动到另一种定态流动）；起停车期间是非定态流动（起车，液位上涨，进多出少；停车，相反）。四、连续性方程——质量守恒1.方程推导：（定态流动，）(1)任意流体：结合下图，单位时间进入截面1-1＇的流体质量等于单位时间流出截面2-2＇的流体质量，即推广至任意截面：以上均为连续性方程，表明在定态流动系统中，流体流经各截面时的质量流量恒定，而流速随管截面积和流体密度而变。(2)不可压缩流体：常数，则推广至任意截面：(3)讨论：不可压缩流体的定态流动a.管道中任一截面的体积流量V恒定。b.管道各截面，如果管径d不变，则平均流速u不变；只要管径d变化，平均流速u和G必定发生变化（用手握紧水管出口，水流速度加快）。即流经管径不同的管道，流量均不变，流速均变化。c.流速跟管道截面积成反比：截面积越小，流速越大。圆形管道：平均流速与管内径的平方成反比。2.例题：P13，例1-53.课堂练习：T1.水流从水箱经管径分别为的管道流出，出口流速。求体积流量及其它管道的断面平均流速。解：(1)体积流量：(2)平均流速：T2.20℃的水分别流经三段管径不同的管道，第一段管道，第二段管道，第三段管道，。求。解：(1)求：(2)求：或(3)求：第三讲流体动力学—伯努利方程（一）一、理想流体伯努利方程——机械能守恒机械能：动能和势能的总称。理想流体：没有黏性的流体。流动时没有能量损失。1.机械能的几种形式：a.位能。流体受重力作用在不同高度所具有的能量。位能是个相对值，基准水平面的选择是任意的。z2,u2z2,u2,p2b.动能。流体以一定速度流动，便具有动能。z1,u1,pz1,u1,p1管中心线c.静压能。流动的流体和静止的流体一样具有静压力。流体进入系统时需克服这个力做功，便具有了静压能。管中心线推导：力F1=p1A1，位移s1=V1/A1静压能=F1s1=p1A1·V1/A1=p1V位能，动能和静压能为状态量，与截面的位置有关系(两截面，一基准面)。2.理想流体的伯努利方程：理想流体是指没有黏性（即没有摩擦力，解释黏性）的不可压缩流体，是一种假想的流体。理想流体流动时没有能量损失，如果没有外功的输入。由能量守恒定律，输入的能量必等于输出的能量。在上图中，以1kg流体为基准：截面1-1＇处的总机械能为gz1+u12/2+p1/ρ1截面2-2＇处的总机械能为gz2+u22/2+p2/ρ2则gz1+u12/2+p1/ρ=gz2+u22/2+p2/ρ以1N流体为基准：z1+u12/2g+p1/ρg=z2+u22/2g+p2/ρg以上各式均称为理想流体伯努利方程。3.讨论：gz+u2/2+p/ρ=常数z+u2/2g+p/ρg=常数也就是说，各截面的位能、动能和静压能不一定相等，他们之间可以互相转化，但是总机械能或总压头一定相等。图中，从截面1-1＇到截面2-2＇，管径减小，由连续性方程（u1/u2=A2/A1=(d2/d1)2）可知，流体速度将增加，即动压头增加，同时位压头也增加，所以静压头必将降低。可以理解为截面1-1＇的静压头转化为了截面2-2＇的动压头和位压头。思考：如果管径增大，流体向下输送，则静压头如何变化？（管径增大，动压头变小；向下输送，位压头变小；静压头必增大。）4.P16，例题1-65.课堂练习：T1.在水平安装的文丘里流量计上，直接用水银压差计测出水管与喉部压差R为2cm，已知水管直径d1为10cm，喉部直径d2为5cm，温度20℃，当不计能量损失时，求流量V解：第四讲流体动力学—伯努利方程（二）一、实际流体伯努利方程——能量守恒实际流体：有黏性，流动时有能量损失。1.机械能以外的能量形式：a.外功。外部设备输入系统的能量，比如泵对系统做功。1kg流体所获得的外功用we表示，单位J/kg。b.能量损失。因为流体的黏性，流动过程中摩擦生热，消耗能量。1kg流体所消耗的能量用wf表示，单位J/kg。外功和能量损失为过程量。he=we/g，hf=wf/g2.实际流体的伯努利方程:截面1-1＇到截面2-2＇过程中，离心泵输入的外功为we，能量的损失为wf。所以输入系统的能量为gz1+u12/2+p1/ρ1+we，输出系统的能量为gz2+u22/2+p2/ρ2+wf。二者相等，即对不可压缩流体单位质量流体为基准：gz1+u12/2+p1/ρ+we=gz2+u22/2+p2/ρ+wf单位重量流体为基准：z1+u12/2g+p1/ρg+he=z2+u22/2g+p2/ρg+h以上就是实际流体的伯努利方程。3.压头：五种能量形式：z、u2/2g、p/ρg、he、hf，分别成为位压头、动压头、静压头、外加压头和压头损失。左图：z1+u12/2g+p1/ρg=zA+uA2/2g+pA/ρg截面1-1＇处表压为p1，u1=0；截面A-A＇处表压为pA=0，uA=0。z1+p1/ρg=zAzA-z1=p1/ρg表示静压头转化为位压头。右图：z1+u12/2g+p1/ρg=zA+uA2/2g+pA/ρg截面1-1＇处表压为p1，u1；截面B-B＇处表压为pB=0，uB=0。z1+u12/2g+p1/ρg=zBzB-z1=u12/2g+p1/ρ液面下降的高度即为动压头的值。从左图到右图，一部分静压头转化为动压头，打上的液柱降低。可见，某处的静压头越大，往上打的高度越高（离心泵需提高出口的静压头）。上图：（1）总压头不变，但不同截面的各压头之间可以相互转化；（2）管径变小，位置提高（或水平），压力必变小（静压头转化为位压头和动压头）；（3）如果考虑能量损失，则静压头更低；（4）如果考虑外加功（在截面2和截面3中间加离心泵），则静压头更高。在具体的管道中，各截面的位压头z不可能变，而动压头u2/2g受管径的约束，唯有静压头p/ρg可视具体情况而变化，从这个意义讲，伯努利方程反映的是流体在管道中流动时的压力变化规律。4.流体动力学方程和静力学方程的联系：静力学方程：gz1+p1/ρ=gz2+p2/ρ动力学方程：gz1+p1/ρ+u12/2+we=gz2+p2/ρ+u22/2+wf对比发现，动力学方程多了三种能量形式：动能u2/2、外功we和能量损失wf，这三种能量都是伴随流体的流动而产生的。如果系统处于静止状态，则u=0；没有流动就没有能量损失，wf=0；不需流动，自然不需要加入外功，则we=0。所以由动力学方程可以得到静力学方程。由此可见，伯努利方程不仅可以表达流体的运动规律，还可以表达流体静态规律，因为静止状态只是运动状态的一种特殊形式。5.课堂练习：T1.图示输水管道，水箱内水位保持不变，不计能量损失，试问：（1）A点的压强能否比B点低？为什么？（2）C点的压强能否比D点低？为什么？（3）E点的压强能否比F点低？为什么？T2.用离心泵把20℃的水从贮槽送至水洗塔顶部，槽内水位维持恒定。各部分相对位置如图所示。管路的直径均为φ75×2.5mm，在操作条件下，泵入口处真空表读数为24.66×103Pa，水流经吸入管与排出管（不包括喷头）的阻力损失可分别按hf1=2u12与hf2=10u22计算。排出管与喷头连接处的压强为98.07×103Pa（表压）。试求泵需要提供的压头he。解：截面0和截面1之间衡算。以截面0为基准面。z0=0，u0≈0，p0=0（表压），he=0；z1=1.5m，hf0-1=2u12，p1=-24.66×103Pa（表压）。截面0和截面2之间衡算。z2=14m，u22=u12=0.5，p2=98.07×103Pa（表压），hf0-2=hf1+hf2=12u12。思考：如果入口管径为φ95×2.5mm，出口管径为φ85×2.5mm，则结果为多少？第五讲流体动力学—伯努利方程（三）一、外加功we的计算1.离心泵给流体多少功，流体就获得多少能量，即功能转换。2.对离心泵，轴功率用N表示，泵效率用表示，有效功率用Ne表示。3.离心泵对mkg流体做功：；mkg流体获得功:有其中可用伯努利方程计算，结合泵效率就可以计算轴功率N。4.P18，例1-10二、能量损失wf的相关概念1.能量损失的产生(1)内摩擦力：流体流动时，流体质点间存在相互吸引力，流通截面上各点的流速并不相等，即其内部存在相对运动，当某质点以一定的速度向前运动时，与之相邻的质点则会对其产生一个约束力阻碍其运动，将这种流体质点间的相互约束力称为内摩擦力。流体流动时为克服这种内摩擦力需消耗能量。(2)黏性：流体流动时产生内摩擦的性质称为流体的黏性。黏性大的流体流动性差，黏性小的流体流动性好。黏性是流体的固有属性，流体无论是静止还是流动，都具有黏性。(3)黏度：黏度是表示黏性大小的物理量（跟密度一样，与温度t和物质种类有关），用符号表示，单位Pa·s。2.流体流动的形态：(1)雷诺实验：层流；湍流。(2)雷诺准数：（四度）雷诺准数，无量纲数群。Re大小反映了流体的湍动程度，Re越大，流体湍动程度越大，内摩擦力也越大，能量损失也越大。判据：若Re<2000时，流体的流动型态为层流；若Re在2000~4000范围内，为一种过渡状态；若Re>4000时，流动为湍流。在过渡区域，流动型态受外界条件的干扰而变化。在一般工程计算中，Re>2000可作湍流处理。层流内层：越靠近管壁，内摩擦力越大，阻力越大，流速越小，即使主体为湍流，靠近壁面也存在一个层流内层。(3)课堂练习：T1.在20℃条件下，油的密度为830kg/m3，黏度为3×10-3Pa·s，在圆形直管内流动，其流量为10m3/h解：已知ρ=830kg/m3，μ=3×10d=89－2×3.5=82mm=因为Re>4000，所以该流动型态为湍流。三、能量损失wf的计算压力相等吗？如果是理想流体，结果如何？如果是静止流体，结果如何？流体阻力：直管阻力(摩擦力）；局部阻力(弯头、阀门、突然缩小或扩大)压力相等吗？如果是理想流体，结果如何？如果是静止流体，结果如何？1.直管阻力损失：ld1ld11`2`2p1P2为摩擦系数。(2)的计算（查图，莫迪图的使用）层流：湍流：为绝对粗糙度，指管壁突出部分的平均高度（查表P22表1-2）；为相对粗糙度。2.局部阻力损失：计算公式为局部阻力系数（查图P24-25表1-3和表1-4）。3.总阻力损失：4.小结：九度状态：z,u,p管道：d,l,物性：,,5.课堂练习：T1.20℃的水以16m3/h的流量流过某一无缝钢管，管子规格为φ57×3.5mm。管路上装有90°的标准弯头两个、闸阀（1/2开）一个，直管段长度为解：查得20℃下水的密度为998.2kg/m3，粘度为1.005mPa·s。管子内径为d=57－2×3.5=50mm=0.05m水在管内的流速为m/s流体在管内流动时的雷诺准数为查表取管壁的绝对粗糙度ε=0.2mm，则ε/d=0.2/50=0.004，由Re值及ε/d值查图得λ=0.0285。查表得：90°标准弯头，ζ=0.75；闸阀（1/2开度），ζ=4.5。所以J/kg第六讲伯努利方程的应用一、应用实例1.为何乒乓球掉不下来？2.为何纸向中间靠拢呢？3.喷射式飞机的机翼这种飞机的机翼的形状，会使得机翼在空气中移动时流过上方和下方的流速不一样，因而产生往上的压力差，如上图。实例：2003年05月09日，一架俄制飞机8日晚间在刚果民主共和国(刚果金)上空飞行途中，舱门突然意外打开，造成机内人员被气流吸出舱外。4.乒乓球的旋转5.船吸现象（火车和地铁）两艘同向行驶的船靠近时，就有相撞的危险。如图所示，两船之间的水流快，压强低，水面也比远处和外缘低，外缘水的巨大压力可以把两船挤压到一起。6.喷雾器7.水流抽水机二、工程计算统一单位：建议统一使用国际单位z：m、u：m/s、p：Pa、m：kg、ρ：kg/m31.流速或流量。P16例1-7。2.压力的计算。P17例1-8。3.高度的计算。P17例1-8。4.功率的计算。P17例1-8。5.课堂练习：T1.有一输水系统如图所示。输水管径为φ57×3.5mm。已知管内的阻力损失按Wf=45×u2/2计算，式中u为管内流速。求水的流量为多少m3/s？欲使水量增加20%，应将水槽的水面升高多少？12解：(1)在截面1和截面212z1=8m，u1≈0，p1=0（表压），He=0；z2=3m，Hf=45u22/2g，p2=0（表压

(2)流量增加20%，即u2`应变为原来的1.2倍。第七讲流速与流量的测量测量流体流量的仪表叫流量计。思考：流量的变化怎么被显示出来？由知，流量变化，可能引起u变化，进而引起p变化，可用压差计来指示；也可能引起A变化，可用转子的位置来指示。一、测速管1.结构和原理结构特点：U型管的一端垂直于流速方向（管道），另一端平行于流速方向。测速原理：从A点到B点列伯努利方程（忽略能量损失，水平管道）其中zA=zB，uB=0，故2.安装注意事项1）测速管所测的速度是管路内某一点的线速度，它可以用于测定流道截面的速度分布。2）一般使用测速管测定管中心的速度，然后可根据截面上速度分布规律换算平均速度。3）测速管应放置于流体均匀流段，且其管口截面严格垂直于流动方向，一般测量点的上，下游最好均有50倍直径长的直管距离，至少应有8~12倍直径长的直管段。4）测速管安装于管路中，装置头部和垂直引出部分都将对管道内流体的流动产生影响，从而造成测量误差。因此，除选好测点位置，尽量减少对流动的干扰外，一般应选取皮托管的直径小于管径的1/50。二、孔板流量计1.结构和原理结构特点：垂直管道安装节流孔板，孔板两边压差用U管压差计测量。思考：加孔板后，流体流动有什么影响？速度和压力如何变化？测量原理：先按理想流体处理，在1-1ˊ截面和0-0ˊ截面列伯努利方程，其中z1=z0故要求流速，需使用连续性方程因为实际上流体并非理想流体，由此与实际情况产生的偏差用孔流系数C0来校正。其中。2.孔板流量计的特点优点：构造简单，安装方便缺点：流体通过孔板流量计的阻力损失很大三、文丘里流量计1.结构和原理结构特点：将孔板流量计的节流孔板用渐缩渐扩管代替，压差用U管压差计测量。测量原理：与孔板流量计类似。其中2.文丘里流量计的特点优点：阻力损失小，大多数用于低压气体输送中的测量缺点：加工精度要求较高，造价较高，并且在安装时流量计本身占据较长的管长位置。四、转子流量计1.结构和原理结构特点：由上粗下细的锥形管和转子（浮子）组成，没有U型管压差计。思考:物体的重力和浮力计算公式是什么?有什么联系和区别?测量原理：在力平衡角度：在能量守恒看：变形得并乘以Af；则由公式可知，压差和流速不变。2.转子流量计的刻度换算转子流量计是依靠转子高度变化来指示流量变化的，转子上升的高度与流体密度有关（同样的流量下，流体密度小，环隙速度大，截面小，上升高度小）。小结：几种流量计的对比测速管孔板流量计文丘里计转子流量计原理机械能守恒恒A,变u,变p机械能守恒恒A,变u,变p机械能守恒恒A,变u,变p机械能守恒恒p,恒u,变A公式压差流量的变化，孔板流量计和转子流量计分别是用指示液高度变化和转子高度变化来指示的。第八讲流体输送机械——离心泵（一）一般来说流体输送机械可分为液体输送机械（通称为泵）和气体输送机械（如风机、压缩机、真空泵等）。按照工作原理不同又可分为离心式、往复式和流体作用式几种。其中以离心式最为常见。一、离心泵的结构1.单级单吸离心泵结构示意图：(a)结构示意图(b)在管路中的示意图l-泵体；2-叶轮；3-密封环；4-轴套；5-泵盖；6-泵轴；7-托架；8-联轴器；9-轴承；10-轴封装置；11-吸入口；12-蜗形泵壳；13-叶片；14-吸入管；15-底阀；16-滤网；17-调节阀；18-排出管2.离心泵的主要部件：（1）叶轮作用：是将原动机的机械能直接传给液体，以增加液体的静压能和动能（主要增加静压能）。叶片：一般有6~12片后弯叶片。类型：有开式、半闭式和闭式三种，如图所示。离心泵的叶轮离心泵的吸液方式一般的离心泵叶轮多为闭式叶轮。平衡孔：后盖板上的平衡孔可以消除轴向推力。离开叶轮周边的液体压力已经较高，有一部分会渗到叶轮后盖板后侧，而叶轮前侧液体入口处为低压，因而产生了将叶轮推向泵入口一侧的轴向推力。这容易引起叶轮与泵壳接触处的磨损，严重时还会产生振动。平衡孔使一部分高压液体泄露到低压区，减小叶轮前后的压力差。但由此也会引起泵效率的降低。吸液方式：单吸和双吸。（2）泵壳（蜗壳）作用：是将叶轮封闭在一定的空间，以便由叶轮的作用吸入和压出液体。泵壳多做成蜗壳形，故又称蜗壳。特点：流道截面积逐渐扩大，故从叶轮四周甩出的高速液体逐渐降低流速，使部分动能有效地转换为静压能。泵壳不仅汇集由叶轮甩出的液体，同时又是一个能量转换装置。导轮：导轮是位于叶轮外周固定的带叶片的环。这些叶片的弯曲方向与叶轮叶片的弯曲方向相反，其弯曲角度正好与液体从叶轮流出的方向相适应，引导液体在泵壳通道内平稳地改变方向，将使能量损耗减至最小，提高动能转换为静压能的效率。（3）轴封装置作用：是防止泵壳内液体沿轴漏出或外界空气漏入泵壳内。类型：常用轴封装置有填料密封和机械密封两种。填料：一般用浸油或涂有石墨的石棉绳。机械密封主要的是靠装在轴上的动环与固定在泵壳上的静环之间端面作相对运动而达到密封的目的。二、离心泵的工作原理1.排液原理：在泵启动前，泵壳内灌满被输送的液体；启动后，叶轮由轴带动高速转动，叶片间的液体也必须随着转动。在离心力的作用下，液体从叶轮中心被抛向外缘并获得能量，以高速离开叶轮外缘进入蜗形泵壳。在蜗壳中，液体由于流道的逐渐扩大而减速，又将部分动能转变为静压能，最后以较高的压力流入排出管道，送至需要场所。2.吸液原理：液体由叶轮中心流向外缘时，在叶轮中心形成了一定的真空，由于贮槽液面上方的压力大于泵入口处的压力，液体便被连续压入叶轮中。可见，只要叶轮不断地转动，液体便会不断地被吸入和排出。3.气缚现象：如果离心泵在启动前壳内充满的是气体，由于气体密度很小，则启动后叶轮中心气体被抛时不能在该处形成足够大的真空度，这样槽内液体便不能被吸上。这一现象称为气缚。灌泵：为防止气缚现象的发生，离心泵启动前要灌泵。如果泵的位置低于槽内液面，则启动前无需灌泵，只要将出口阀打开，液体便自动流入泵内。三、离心泵的性能参数离心泵的性能参数是用以描述离心泵性能的物理量。性能参数单位定义影响因素流量Qm3/h,m3/s离心泵在单位时间内输送到管路系统的液体的体积。泵的结构尺寸（如叶轮的直径与叶片的宽度）和叶轮的转速。离心泵的实际流量还与管路特性有关。扬程Hm离心泵向单位重量液体提供的机械能。离心泵的扬程取决于泵的结构（如叶轮的直径、叶片的弯曲情况等）、叶轮的转速和离心泵的流量。在指定的转速下，压头与流量之间具有一确定的关系。其值是由实验测得。功率PW，kW指泵轴所需的功率随设备尺寸、流体粘度、流量等增大而增大。效率无量纲指离心泵的有效功率与轴功率之比，反映离心泵能量损失的大小。离心泵的效率与泵的大小、类型、制造精密程度和所输送液体的性质、流量有关，一般小型泵的效率为50%～70%，大型泵可达到90%左右，此值是由实验测得。离心泵的流量Q与管路中的体积流量qv是有区别的。当离心泵不接入管路时，其流量可达到最大；接入管路后，起流量受管路约束，比如阀门大小。接入管路时，Q=qv；H=He。四、离心泵的特性曲线1.特性曲线：离心泵的扬程、功率及效率等主要性能均与流量之间的关系用图表示出来，就是离心泵的特性曲线。2.测定条件：一般是20℃清水，转速也固定。（1）H-Q曲线：离心泵的扬程随流量的增大而下降。（2）P-Q曲线：离心泵的轴功率随流量的增大而上升。故离心泵启动时，应关闭泵的出口阀门，使电机的启动电流减少，以保护电机。（3）η-Q曲线：当Q=0时η=0；随着流量的增大，效率随之而上升达到一个最大值；而后随流量再增大时效率便下降。3.设计点：离心泵在一定转速下有一最高效率点，称为设计点。泵在与最高效率相对应的流量及扬程下工作最为经济。离心泵的铭牌上标出的性能参数就是指该泵在最高效率点运行时的工况参数。4.高效率区：根据输送条件的要求，离心泵往往不可能正好在最佳工况下运转，因此一般只能规定一个工作范围，称为泵的高效率区，通常为最高效率的92%以上的区域。选用离心泵时，应尽可能使泵在此范围内工作。5.影响因素：（1）密度ρ，只影响P-Q曲线，使其上下平移。（2）黏度μ，对三条曲线具有影响。（3）转速n，当液体黏度不大，且转速变化小于20%时：第九讲流体输送机械——离心泵（二）一、离心泵的选型1.离心泵的类型：离心泵种类繁多，相应的分类方法也多种多样，例如，按液体的性质可分为水泵、耐腐蚀泵、油泵、杂质泵、屏蔽泵、液下泵和低温泵等。各种类型的离心泵按其结构特点各自成为一个系列，并以一个或几个汉语拼音字母作为系列代号，在每一系列中，由于有各种不同的规格，因而附以不同的字母和数字来区别。类型结构特点用途清水泵IS型单级单吸式。泵体和泵盖都是用铸铁制成。特点是泵体和泵盖为后开门结构型式，优点是检修方便，不用拆卸泵体、管路和电机。是应用最广的离心泵，用来输送清水以及物理、化学性质类似于水的清洁液体。D型多级泵，可达到较高的压头。用于压头较高而流量并不太大的场合。sh型双吸式离心泵，叶轮有两个入口，故输送液体流量较大。用在流量较大而所需压头不高的场合。耐腐蚀泵（F型）特点是与液体接触的部件用耐腐蚀材料制成，密封要求高，常采用机械密封装置。FH型（灰口铸铁）FG型（高硅铸铁）FB型（铬镍合金钢）FM型（铬镍钼钛合金钢）Fs型（聚三氟氯乙烯塑料）输送酸、碱等腐蚀性液体。油泵(Y型)有良好的密封性能。热油泵的轴密封装置和轴承都装有冷却水夹套输送石油产品。杂质泵（P型）叶轮流道宽，叶片数目少，常采用半敞式或敞式叶轮。有些泵壳内衬以耐磨的铸钢护板。不易堵塞，容易拆卸，耐磨。PW型（污水泵）PS型（砂泵）PN（泥浆泵）输送悬浮液及粘稠的浆液等。屏蔽泵无泄漏泵，叶轮和电机联为一个整体并密封在同一泵壳内，不需要轴封装置。缺点是效率较低，约为26～50％。常输送易燃、易爆、剧毒及具有放射性的液体。液下泵(FY型)液下泵经常安装在液体贮槽内，对轴封要求不高，既节省了空间又改善了操作环境。其缺点是效率不高。适用于输送化工过程中各种腐蚀性液体和高凝固点液体。2.离心泵选用步骤和原则：（1）确定离心泵的类型根据被输送液体的性质和操作条件确定离心泵的类型，如液体的温度、压力，粘度、腐蚀性、固体粒子含量以及是否易燃易爆等都是选用离心泵类型的重要依据。（2）确定输送系统的流量Q(qv)和扬程H(He)输送液体的流量一般为生产任务所规定，如果流量是变化的，应按最大流量考虑。根据管路条件及柏努利方程，确定最大流量Q下所需要的压头H。（3）确定离心泵的型号根据管路要求的流量Q和扬程H来选定合适的离心泵型号。在选用时，应考虑到操作条件的变化并留有一定的余量。选用时要使所选泵的流量与扬程比任务需要的稍大一些。如果用系列特性曲线来选，要使（Q，H）点落在泵的Q～H线以下，并处在高效区。若有几种型号的泵同时满足管路的具体要求，则应选效率较高的，同时也要考虑泵的价格。（4）校核轴功率当液体密度大于水的密度时，必须校核轴功率。（5）列出泵在设计点处的性能，供使用时参考。二、离心泵的安装1.离心泵的汽蚀现象:（1）离心泵的汽蚀现象离心泵的吸液是靠吸入液面与吸入口间的压差完成的。吸入管路越高，吸上高度越大，则吸入口处的压力将越小。当吸入口处压力小于操作条件下被输送液体的饱和蒸汽压时，液体将会气化产生气泡，含有气泡的液体进入泵体后，在旋转叶轮的作用下，进入高压区，气泡在高压的作用下，又会凝结为液体，由于原气泡位置的空出造成局部真空，使周围液体在高压的作用下迅速填补原气泡所占空间。这种高速冲击频率很高，可以达到每秒几千次，冲击压强可以达到数百个大气压甚至更高，这种高强度高频率的冲击，轻的能造成叶轮的疲劳，重的则可以将叶轮与泵壳破坏，甚至能把叶轮打成蜂窝状。这种由于被输送液体在泵体内汽化再凝结对叶轮产生剥蚀的现象叫离心泵的气蚀现象。（2）气蚀的危害气蚀现象发生时，会产生噪音和引起振动，流量、扬程及效率均会迅速下降，严重时不能吸液。工程上规定，当泵的扬程下降3％时，进入了气蚀状态。2.离心泵的允许安装高度:工程上从根本上避免气蚀现象的方法是限制泵的安装高度。避免离心泵气蚀现象发生的最大安装高度，称为离心泵的允许安装高度，也叫允许吸上高度。是指泵的吸入口1-1’与吸入贮槽液面0-0’间可允许达到的最大垂直距离，以符号Hg允表示，如图，假定泵在可允许的最高位置上操作，以液面为基准面，列贮槽液面0-0’与泵的吸入口1思考：离心泵的安装高度的影响因素有哪些？3.离心泵的安装高度计算：（1）允许气蚀余量：允许气蚀余量是指离心泵在保证不发生气蚀的前提下，泵吸入口处动压头与静压头之和比被输送液体的饱和蒸汽压头高出的最小值，用(NPSH)允表示，即(NPSH)允代入（1）得(NPSH)允当允许安装高度为负值时，离心泵的吸入口低于贮槽液面。为安全计，泵的实际安装高度通常比允许安装高度低（0.5～1）m。【例】型号为IS65-40-200的离心泵，转速为2900r/min，流量为25m3/h，扬程为50m，(NPSH)允为2.0m，此泵用来将敞口水池中50℃的水送出。已知吸入管路的总阻力损失为2m水柱，当地大气压强为l00kPa解：查得50℃水的饱和蒸气压为12.34kPa，密度为998.lkg/m3，已知p0=l00kPa，(NPSH)允=2.0m，(NPSH)允因此，泵的安装高度不应高于5.04-0.5=4.54m。第十讲流体输送机械——离心泵（三）前面学习了离心泵的选择和安装，今天来学习离心泵的实际操作。一、流量调节在泵的叶轮转速一定时，一台泵在具体操作条件下所提供的液体流量和扬程可用H~Q特性曲线上的一点来表示。至于这一点的具体位置，应视泵前后的管路情况而定。讨论泵的工作情况，不应脱离管路的具体情况。泵的工作特性由泵本身的特性和管路的特性共同决定。1.管路特性曲线：由伯努利方程导出外加压头计算式Q越大，则越大，则流动系统所需要的外加压头He越大。将通过某一特定管路的流量与其所需外加压头之间的关系，称为管路的特性。上式中的压头损失：对等径管道，则动压头差为零，则令，，则上式称为管路的特性方程，表达了管路所需要的外加压头与管路流量之间的关系。在H~Q坐标中对应的曲线称为管路特性曲线，如图。管路特性曲线反映了特定管路在给定操作条件下流量与压头的关系。此曲线的形状只与管路的铺设情况及操作条件有关，而与泵的特性无关。2.离心泵的工作点:将泵的H～Q曲线与管路的H～Q曲线绘在同一坐标系中，两曲线的交点M点称为泵的工作点。如图。①泵的工作点由泵的特性和管路的特性共同决定，可通过联立求解泵的特性方程和管路的特性方程得到；②安装在管路中的泵，其输液量即为管路的流量；在该流量下泵提供的扬程也就是管路所需要的外加压头。因此，泵的工作点对应的泵压头既是泵提供的，也是管路需要的；③指定泵安装在特定管路中，只能有一个稳定的工作点M。3.离心泵的流量调节:由于生产任务的变化，管路需要的流量有时是需要改变的，这实际上就是要改变泵的工作点。由于泵的工作点由管路特性和泵的特性共同决定，因此改变泵的特性和管路特性均能改变工作点，从而达到调节流量的目的。(1)改变出口阀的开度改变管路系统中的阀门开度可以改变B值，从而改变管路特性曲线的位置，使工作点也随之改变，如图。生产中主要采取改变泵出口阀门的开度的调节方法。由于用阀门调节简单方便，且流量可连续变化，因此工业生产中主要采用此方法。(2)改变叶轮转速叶轮转速增加，流量和压头均能增加。这种调节流量的方法合理、经济。随着的现代工业技术的发展，无级变速技术让该种调节方法能够使泵在高效区工作，这对大型泵的节能尤为重要。二、离心泵的操作与维护1.离心泵的开停车操作：（1）开车前的准备工作①要详细了解被输送物料的物理化学性质，有无腐蚀性、有无悬浮物、粘度大小、凝固点、汽化温度及饱和蒸气压等。②详细了解被输送物料的工况：输送温度、压力、流量、输送高度、吸入高度、负荷变动范围等。③综合上述两方面的因素，参阅离心泵的特性曲线，从而选出最适合生产实际使用的离心泵。④离心泵在设计中考虑在进口管安装过滤器，在出口阀后安装止逆阀。⑤安装完毕后要进行试运转，在试运转中各项性能指标均符合要求的泵，才能投入生产。（2）开车程序①开泵前应先打开泵的入口阀及密封液阀，检查泵体内是否已充满液体。②在确认泵体内已充满液体且密封液流动正常后，启动离心泵。③慢慢打开泵的出门阀，通过流量及压力指示，将出口阀调节至需要流量。思考：为什么要缓慢开出口阀？（3）停车程序①与接料岗位取得联系后，慢慢关离心泵的出口阀。②按电动机按钮，停止电机运转。③关闭离心泵进口阀及密封液阀。④泄压。思考：为什么要先关入口阀？（4）两泵切换在生产过程中经常遇到两台泵切换的操作，应先起动备用泵，慢慢打开其出口阀，然后缓慢关闭原运行泵的出口阀，在这过程中要保持与中央控制室的联系，维持离心泵输出流量的稳定，避免因流量波动造成系统停车。2.日常运行与维护（1）运行过程中的检查①检查被抽出液罐的液面，防止物料抽空。②检查泵的出口压力或流量指示是否稳定。③检查端面密封液的流量是否正常。④检查泵体有无泄漏。⑤检查泵体及轴承系统有无异常声及振动。⑥检查泵轴的润滑油是否充满完好。（2）离心泵的维护①检查泵进口阀前的过滤器，看滤网是否破损，如有破损应及时更换，以免焊渣等颗粒进入泵体；定时清洗滤网。②泵壳及叶轮进行解体、清洗重新组装。调整好叶轮与泵壳的间隙。叶轮有损坏及腐蚀情况的应分析原因并进行及时处理。③清洗轴封、轴套系统。更换润滑油，以保持良好的润滑状态。④及时更换填料密封的填料，并调节至合适的松紧度；采用机械密封的应及时更换动环和密封液。⑤检查电机。长期停车后，再开车前应将电机进行干燥处理。⑥检查现场及遥控的一、二次仪表的指示是否正确及灵活，对失灵的仪表及部件进行维修或更换。⑦检查泵的进、出口阀的阀体，是否有因磨损而发生内漏等情况，如有内漏应及时更换阀门。第十一讲传动复习这一章主要学习了“流体输送和输送机械”。核心的内容是三个方程：流体静力学基本方程（U型管压差计计算公式）、连续性方程、伯努利方程；离心泵的选择、安装和操作。一、基本概念1.表压、真空度：表压=绝对压力-大气压力真空度=大气压力-绝对压力2.体积流量、质量流量、平均流速和质量流速：体积流量：质量流量：平均流速：质量流速：3.层流、湍流和层流内层：层流：质点沿直线运动；湍流：质点有径向脉动；层流内层：湍流主体以外，靠近管壁处的层流薄层。4.雷诺准数：（四度）量纲为1判据：层流区；湍流区；之间为过渡区。5.气缚现象和气蚀现象：气缚现象：由于离心泵叶轮中心区域存在气体，压力过高，外界大气压与之压差小，导致吸不上液。气蚀现象：由于离心泵叶轮中心区域压力过低，液体气化，小气泡破裂时导致叶轮受到冲击而震动。两者都与气体有关，但气体不同；两者都与叶轮中心区域压力有关，一个压力大，一个压力小。二、基本公式1.U型管压差计：对应较大的压力（低液面压力），为指示液密度。2.连续性方程：对不可压缩流体：3.伯努利方程：(1)方程基本形式：实际流体：理想流体：没有能量损失，不计外加功如果管径不变u1=u2或如果流体不流动u1=u2=0若u1=u2=0，此式即为流体静力学基本方程。(2)We的相关计算：(3)Wf的相关计算：,①的计算（查图，莫迪图的使用）层流：湍流：②的计算（查表）关键是判断哪些地方产生局部阻力，然后获得每一个地方的局部阻力系数。(4)九度：状态：z,u,p管道：d,l,物理：,,组合形式：(能量形式)；(Wf相关)4.离心泵安装高度：(NPSH)允当允许安装高度为负值时，离心泵的吸入口低于贮槽液面。为安全计，泵的实际安装高度应比允许安装高度低（0.5～1）m。三、基本技能1.伯努利方程解题步骤：(1)选择和标注两个截面，一个基准面；(2)在两个截面之间列伯努利方程；(3)找状态量，标注写出已知量，求出未知量；(4)找过程量(先求Re，再求λ)。2.离心泵的选择和安装：(1)确定离心泵的类型；(2)确定输送系统的流量Q(qv)和扬程H(He)；(3)根据管路要求的流量Q和扬程H来选定合适的离心泵型号；(4)计算离心泵的安装高度。3.离心泵的操作：启泵：先开入口阀，启泵，再开出口阀；停泵：先关出口阀，停泵，再关出口阀。第十二讲沉降分离原理一、概述1.均相物系和非均相物系：纯净物：宏观：由一种物质组成；微观：由同种分子构成；有固定的物理性质和化学性质；有化学式。混合物：混合物是由两种或多种物质混合而成的物质；无化学式；无固定组成和性质；组分之间不发生化学反应。混合物可以用物理方法将所含物质加以分离。均相物系：内部不存在相界面的混合物，即只有一个相。非均相物系：内部存在两种以上相态的混合物。分散相：非均相物系中处于分散状态的物质（被包围的）。连续相：非均相物系中处于连续状态的物质（包围的）。物质均相混合物物质均相混合物如盐水、白酒、空气非均相混合物混合物纯净物如O2,H2O连续相如沙尘中的气分散相如沙尘中的沙2.非均相物系的分离方法：非均相物系的分离，必须使连续相和分散相之间发生相对运动。（1）沉降分离：颗粒相对于流体运动，可看成是颗粒静止，流体绕过颗粒流动。包括重力沉降和离心沉降。（2）过滤分离：流体相对于固体颗粒床层流动。这就是沉降和过滤属于传动的原因。二、重力沉降1.球形颗粒自由沉降：(1)自由沉降：颗粒在重力沉降过程中不受周围颗粒和器壁的影响。(2)球的体积：，球的最大截面：。2.受力分析：重力：浮力：阻力：，与速度有关。(1)加速阶段：根据牛顿第二定律开始沉降的瞬间，u=0，Fd=0，a最大；颗粒开始沉降后，，直到a=0，即加速阶段。(2)等速阶段：工业上沉降操作所处理的颗粒甚小，因而颗粒与流体间的接触表面相对甚大，故阻力速度增长很快，可在短暂时间内与颗粒所受到的净重力达到平衡，所以重力沉降过程中，加速度阶段常可忽略不计。3.沉降速度：等速阶段流体的匀速运动速度u=ut。a=0，则力平衡整理得：，其中，。通过查图2-2获得。层流区沉降速度：斯托克斯公式当,,。三、离心沉降1.受力分析：离心力(重力)：向心力(浮力)：阻力(阻力)：，与速度有关。2.离心沉降速度：类比得：，其中，。层流区沉降速度：斯托克斯公式当,,。3.离心分离因数：离心分离的重要性能指标，Kc值越大，离心沉降效果越好。四、降尘室（气固分离设备）1.降尘室的结构：含尘气体进入降尘室后流通截面突然变大，流速减小，使之有足够停留时间进行自由沉降，实现气固分离。2.沉降分离的条件：u沉降时间：；停留时间：u分离条件：(完全分离)3.沉降分离生产能力(qv)：说明生产能力只与沉降面积bl和沉降速度有关，与沉降高度有关，对一定尺寸的颗粒，ut是一定的，因此只要沉降面积满足条件即可。分析：实现完全分离，关键是有足够的停留时间θ()，l足够长，则θ足够长；或者u足够小：，一定生产能力下，bh足够大，在h小的情况下，只要b足够大即可。综上，要有足够的停留时间θ，可以在h小的情况下增大l或b。因此，一般降尘室设计为扁平形，或在降尘室内设置水平隔板。如有n块隔板，则分成个空n+1空间，每个空间的底面积相同：；；……；则说明（1）：在底面积bl和总流量qv不变的情况下增加隔板，相当于降低了每个沉降空间的流量(变为原来的，但流速u不变)未加隔板之前：加隔板之后，总流量不变：则完全分离时的沉降速度可以小一些(变为原来的)，又因为层流区有如下关系：说明增加隔板可完全分离更小的颗粒(变为原来的)，从而提高分离效率，这也是增加隔板的原因。为什么会这样呢？可以这样理解：加隔板前后，A不变，l不变，qv不变，则u和停留时间不变，完全分离时，留给颗粒的沉降时间也不变，但由于加隔板后，则，又因为，进而得出。说明增加隔板后可以使更小的颗粒完全沉降下来。说明（2）：由公式可知，如果底面积不变，要求完全分离的颗粒尺寸d不变，即ut不变，那增加n块隔板后，生产能力变为原来的n+1倍。4.降尘室的特点：结构简单，阻力小，但体积庞大，分离效率低(分离75μm以上固体颗粒)；降尘室气速不能过大(1.5~3m/s)，应控制在层流区。5.例题：例2-2.(1)最小粒径的计算(一定的生产能力和设备尺寸限制了完全分离时的沉降速度，从而限制了颗粒尺寸，即最小粒径)；(2)一定尺寸颗粒回收率的计算：设备不变的情况下，某一尺寸能完全沉降下来，则比它小的颗粒d不可能完全沉降，其对应有一定的回收率，回收率=；(3)某一尺寸能完全沉降下来，则比它小的颗粒d要完全沉降下来，必需加n块隔板(设备变)，且。五、旋风分离器（气固分离设备）1.旋风分离器的结构：主体上部为圆柱，下部为圆锥，入口管道为矩形，与圆柱相切。顶部排气管为小圆柱，下面为灰斗。2.旋风分离器的原理：(1)两个主漩涡：螺旋形旋转向下的外漩涡和螺旋形旋转向上的内漩涡。内外漩涡的旋转方向相同。(2)外漩涡的离心力将较大颗粒抛至器壁；内漩涡由于旋转速度大，可将较小的颗粒抛至器壁。颗粒沿着器壁下降至灰斗排出；气体向上通过排气管排出。(3)内漩涡的存在使得分离器中心位置压力为负压(与离心泵对比)，易使得底部细小颗粒重新扬起，应使灰斗良好密封。特点：离心力的产生是由于气体的旋转，而不是设备的旋转，设备不动，属于静设备。这是与离心泵不同的地方。3.旋风分离器的指标：临界粒径；分离效率；压降。第十三讲过滤分离原理一、基本概念1.过滤定义：是以某种多孔物体作为介质来处理悬浮液的操作。其中：悬浮液—滤浆，多孔物质—过滤介质。通过介质孔道液体—滤液，被截留的物质称为滤饼。2.过滤介质：织物介质：纤维或金属的筛网、滤布等；多孔性固体介质：活性炭、多孔管等；堆积介质：沙石、木炭、石棉等。3.滤饼：固体颗粒床层，具有一定孔隙。可压缩滤饼：滤饼孔隙随压力变化；可添加助滤剂增强滤饼刚性。不可压缩滤饼：滤饼孔隙不随压力变化。二、过滤方式1.滤饼过滤：虑浆中固体颗粒尺寸非常小，一般小于过滤介质的微细孔道直径。过滤要能实现混合物的分离，必须使过滤介质的孔隙直径小于固体颗粒的直径。那为什么滤饼过滤还能实现分离呢？架桥现象：过滤开始阶段，一些细小颗粒会穿过介质，滤液混浊，但部分颗粒会逐渐被截留在介质的孔道内，使介质实际孔隙的直径小于固体颗粒的直径，这就是“架桥现象”。随着过滤的进行，固体颗粒被截留得越来越多，形成滤饼，穿过滤饼的滤液变得清澈。由此可见，滤饼才是真正有效的过滤介质。虑浆中固体含量比较大时（固体体积分率1%以上）可采用滤饼过滤，这是工业上最常见的过滤方式。2.深层过滤：虑浆中固体含量低（固体体积分率0.1%以下），固体颗粒直径远小于介质孔道直径的情况下很难发生“架桥现象”，因此不能形成滤饼，得不到清澈的滤液。通常可采用比较厚的过滤介质，使固体颗粒受静电和表面力的作用而吸附在介质内表面，不形成滤饼。这就是深层过滤。三、恒压过滤1.过程分析的基本思想：(等效—化复杂为简单，化未知为已知)复杂：过滤时，流体流过分别流经滤饼和介质，而流经的孔道是弯曲的，不规则的。此时流体的流动规律如何？很复杂——未知；简单：流体通过圆形直管流动，规律性强，很简单——已知。等效思想：(1)把介质等效为滤饼，厚度为l的介质等效为厚度为Le的滤饼层，对应产生体积为Ve的滤液。Le过滤介质当量滤饼厚度；Ve过滤介质当量滤液体积。是过滤介质的性质。(2)把不规则的孔道等效为圆形直管，直径为d0。等效后的结果与实际的偏差可以引入校正系数修正，使之与实际情况相符合。其它等效处理：(1)把非圆管道等效为圆管，当量直径(P32)：如果现在有一个截面面积为A，周长为П的非圆管道，那它相当于多大直径的圆管呢（当量直径de）为多少呢？因此，仿圆管得到(2)把局部阻力等效为直管阻力，当量长度(P35)：将流体流过管道的局部阻力等效为直径相同，长度为le的直管产生的阻力，即2.恒压过滤基本方程：恒压过滤基本方程是由等效模型，利用流体动力学基本规律推导出来的，表示的是滤液体积随时间变化的规律，即V-t关系。V经过时间t后所获得的滤液体积，变量；Ve过滤介质当量滤液体积，与介质性质有关，介质一定，则为定值；K过滤常数，与物料特性，压差有关。Ve、K均由实验测定。如果令q=V/A，qe=Ve/A，则上式变为q为单位过滤面积上所获得的滤液体积；qe为单位过滤面积上所获得的过滤介质当量滤液体积。(1)和(2)均为恒压过滤基本方程。3.过滤常数(Ve、qe、K)的测定：根据(1)式，在恒压条件下测得时间t1、t2下分别获得的滤液体积V1、V2，联系得：或两个方程，两个未知数，可求得Ve、qe=Ve/A、K。4.练习：例题2-3.四、过滤设备1.板框式压滤机：板框式压滤的结构：2.转鼓真空过滤机：第二单元热量传递第十四讲热传导传动可以看做物质的流动，传热可以看做是能量的流动；传热的三种方式：传导（静止物体，高温铁棒传到低温铁棒）、对流（运动物体，冷热流体混合、固体壁面与流体之间的传热，如烧开水）、辐射（太阳）；换热的三种形式：直接接触式（对流传热）、蓄热式（对流传热、热传导）、间壁式（对流—传导—对流）；加热剂和冷却剂：表3-1.一、基本概念1.传热速率：单位时间内通过任意传热面积的热量，Q=E/t，J/s=W。对比：流量，单位时间内通过任意截面积的流体体积，qv=V/t。2.热通量：单位时间内通过单位传热面积的热量，q=E/At=Q/A,W/m2。对比：流速，单位时间内通过单位截面积的流体体积，u=qv/A。二、热传导1.热传导机理：理论：热能的大小用温度来衡量，而温度是物质微观运动程度的宏观表现，内部分子运动越剧烈，温度越高；温度越高，运动越剧烈。起因：存在温度差，导致物质内部分子、原子和电子的微观运动。运动形式：振动、碰撞、位移等。高温部分内部运动剧烈，运动快的分子碰撞到运动慢的分子，快的部分减速，慢的部分加速，宏观表现为高温部分降温，低温部分升温，最终达到两者温度相等。T1(高温)>Tm>T2（低温）不同物质导热机理不同：气体—碰撞；非导电固体—振动；金属—电子位移。2.傅里叶定律：前提是整个传热面温度一致(1)热通量q正比于温度梯度：其中为平壁的厚度，为导热系数。负号的含义：表示传热方向与温度方向相反。在传热方向上，（低温减高温）必定为负值，在公式前加负号使得通量为正值。(2)导热系数：表示物质导热能力大小的物理量，是物质的物理性质，与密度，黏度类似，与温度和压力有关，可以通过查表（P363）获得。单位：物质导热系数的关系：金属>非金属>液体>气体。液体中水的导热系数最大；金属是很好的导热体（换热器绝大多数是金属材料），非金属和气体是很好的保温物质（保温杯、热水瓶胆和塞）。导热系数是随温度变化的，而导热体两侧的温度是不同的（t1>t2），一般用两侧导热系数的平均值来代替，具体操作为先计算一个温度的平均值，然后用去查表。三、平壁导热1.单层平壁导热：变形：，其中R为热阻。，其中R‘为热阻。例题3-1。2.多层平壁导热：t1>t2>t3>t4，Q1=Q2=Q3=Q三式左右相加得：例题3-2。四、圆筒壁导热1.单层圆筒壁导热：其中为圆筒壁壁厚；Am为内壁表面积A1和外壁表面积A2的对数平均值：，l为管长。或，当r2/r1<2时，(算术平均)2.多层圆筒壁导热：3.例题：直径为Ф50mm×5mm，长度为1m,导热系数λ1=16W/(m.K)的不锈钢管，外面包裹λ2=0.2W/(m.K)的石棉保温层。已知钢管内表面温度为350℃，保温层外表面温度为100第十五讲对流传热对流传热：流体中质点在垂直于传热面的方向发生相对位移而引起的热量传递(流体与壁面或流体内部相对流动)，只能发生在流体中。一、对流传热类型1.强制对流：用机械（泵、风机、搅拌等）使流体对流而传热。2.自然对流：由于流体各部分温度的不均匀分布，形成密度的差异，在浮升力的作用下，流体发生对流而传热。如用锅煮水，靠近底部的水先受热，密度变小而上升，上升过程中遇到冷水密度下降，往下沉，形成环流。3.蒸汽冷凝对流：蒸汽在流动的过程中与低温壁面接触而冷凝，释放热量而传热。4.液体沸腾对流：低温液体与高温壁面接触而沸腾，吸收热量传热。前两者流体无相变，后两者有相变(锅炉和蒸汽加热应用广泛)。二、对流传热过程分析层流时：质点在径向没有运动，也没有对流传热，主要依靠传导的方式传热。层流时的导热系数较低，传热速率也较低。湍流时：流体湍流时主要有两个区域，湍流主体和层流内层。湍流主体的质点运动剧烈，主要依靠对流传热，且温度趋于一致；层流内层发生层流流动，主要依靠热传导传热。尽管层流内层很薄，但导热系数很低，所以热阻很大，所以对流传热的热阻主要集中在层流内层中，要强化对流传热，主要是使层流内层变薄(层流内层薄，热阻小)。三、牛顿冷却定律热通量q正比于温度差：或其中为对流传热系数，单位，与导热系数不同的是对流传热系数并非物理性质，不能查表获得，一般通过实验获取；为对流传热热阻。冷流体被加热时：热流体被冷却时：四、影响对流传热的因素1.流动原因：a(强制对流)>a(自然对流)强制对流的湍动程度大，层流内层薄，传热阻力小，因而对流传热系数大。2.流动状况：a(湍流)>a(层流)湍动程度越大，层流内层越薄，传热阻力越小，传热系数越大。增加湍动程度有利于传热(1)增大雷诺准数，增大管径或流速。但增大管径使得投资成本增加，一般可考虑增大流速。(2)设置挡板。一般换热器中都会安装折流挡板，对流体进行扰动。3.流体性质：(1)黏度μ：a(μ小)>a(μ大)黏度越小，雷诺准数越大，流体湍动程度越大，层流内层越薄。(2)密度ρ：a(ρ大)>a(ρ小)黏度越大，雷诺准数越大，流体湍动程度越大，层流内层越薄。(3)比热c：a(c大)>a(c小)，比热容越大，相同质量流体释放的热量越多。4.传热表面：a(异形)>a(平滑)表面形状、流道尺寸、传热面摆放方式等都直接影响流体湍动程度，从而影响层流内层的厚度。五、蒸汽冷凝传热蒸汽冷凝成液体，冷凝液可能会粘附在传热壁面上，也可能不粘附在壁面上，要看冷凝液是否润湿壁面。1.膜状冷凝：若壁面能被冷凝液润湿，在垂直壁面上会形成一层完整的液膜。随着冷凝过程的进行，壁面上的液膜会不断加厚，在重力作用下向下流动，最终形成一层上薄下厚的液膜。2.滴状冷凝：若壁面不能被冷凝液润湿，则冷凝液会形成液滴。但在工业上滴状冷凝难以持久维持，最终滴状冷凝都会发展成膜状冷凝。3.传热系数：膜状冷凝在传热壁面上形成液膜。如果没有液膜，热量将直接传递给壁面，传热系数大，液膜的存在增大了热阻，使传热系数大大降低，这与层流内层作用相似。因此要增大蒸汽冷凝传热系数，关键是减薄液膜的厚度。4.影响因素：(1)不凝性气体：如果蒸汽中含有空气等不凝性气体，由于其不能液化，故冷凝时会在液膜表面汇集，形成一层气膜。由于气体的传热阻力更大，大大降低传热系数。如果不凝性气体含量达到1%，a会下降60%左右。因此在冷凝器中应该安装不凝性气体的排放口。(2)冷凝液膜两侧温差：若温差增大，冷凝速率增大，液膜厚度增加，传热系数降低。(3)流体物性：密度越大，黏度越小，导热系数越大，冷凝传热系数越大。前两者使液膜厚度降低。常见物质中，水蒸气的冷凝传热系数最大，这也是蒸汽传热在工业中应用最为广泛的原因。(4)流速和流向的影响：由于蒸汽与液膜之间摩擦力的存在蒸汽与液膜流向相同时，蒸汽会带动液膜流动，使液膜变薄；蒸汽与液膜流向相反时，蒸汽会阻碍液膜流动，使液膜变厚；因此对于垂直安装的冷凝器，蒸汽一般从其上部通入，使蒸汽流向与液膜流向相同，有利于增大传热系数。六、液体沸腾传热1.管内沸腾：流体在管内作强制流动时受热沸腾，情况复杂。2.大容积沸腾：液体被大容器壁面加热而沸腾，是无强制对流传热。(1)过热度：沸腾时的小气泡在紧贴加热表面的位置首先产生，理论上，液体的沸腾温度t1应该等于液体在操作压力下的饱和温度ts，但由物理化学知，小气泡必须在t1>ts的条件下才能产生，超出的这部分温度即为过热度，即。液体过热是产生小气泡的必要条件。(2)气化核心：小气泡在加热表面上产生，但是并非所有点都能产生小气泡，只在若干粗糙不平的点上产生，这些点就叫气化核心。如果加热面比较平滑，则需要很高的过热度才能形成气泡。开始时，热量(过热度)被用来形成小气泡，液体不会气化；但当小气泡形成后，不在需要过热度，高温下过热液体瞬间气化，形成大量气体，这就是暴沸现象。要避免暴沸现象产生，可以增加加热面的粗糙程度。(3)沸腾对传热系数的影响：小气泡在气化核心处产生，长大，最后在浮力作用下脱离壁面，气泡原来占据的空间被周围液体取代，形成一种冲刷和扰动，加强了对流传热，增大传热系数。3.沸腾曲线：(1)自然对流区：，液体表面气化，a小。(2)核状沸腾区：，气化核心产生小气泡，增加扰动，a增大。(3)膜状沸腾区：，小气泡产生速度大于脱离速度，在传热面上形成气膜，a急剧变小；随着过热度进一步增大，在辐射影响下，a又有增大的趋势。第十六讲换热器传热计算（一）一、总传热速率方程1.换热器传热特点：(1)传热面温度不均匀：冷热流体分别走管程和壳程，且在流动的过程中进行热量交换，热流体不断释放热量，沿程温度不断降低；冷流体不断吸收热量，沿程温度不断增加。因此冷热流体两侧壁面温度不再均匀，而两端推动力也不相等。(2)传热方式不单一：由对流—导热—对流构成，传热过程复杂。2.总传热速率方程：(1)温度均匀时的传热速率：传热面上温度均匀时，如图，热流体温度为T，冷流体温度为t，则有其中k为传热系数，A为传热面积，为传热推动力。(2)温度不均匀时的传热速率——总传热速率：化未知为已知：在流动方向上取无限小的一段管道dl进行分析，对应微元面积dA极小，可以近似看成在dA面积范围内温度一致，即可应用上述公式；换热器的传热管道可以看成是由n段长度为dl的管道组成，n趋于无穷大。每段管道的传热速率分别应用上述公式，可以写出n个传热速率方程。其中，总传热速率Q为n个传热速率之和，总传热面积A为n个传热微元面积之和。化复杂为简单：每个微元传热速率方程中的传热速率k和传热推动力不同，为使复杂问题简单化，对k和取平均值。平均值的含义：推动力取平均值后，相当于整个流动方向上的推动力都为；同理，k取平均值后，相当于整个流动方向上的传热系数都为K。用平均值代替推动力和传热系数后，每个微元的传热速率方程可以改写，然后n个方程左右分别相加，可得,上式是换热器的总传热速率方程，其中K为总传热系数，单位W/(m2.K)，为平均推动力，为总热阻，A为总传热面积。二、总传热系数1.总传热系数计算公式推导：取上图的a微元为研究对象，这一过程是由三个传热过程串联的：(1)热流体—热壁面，管内对流传热：(2)热壁面—冷壁面，壁面内热传导：(3)冷壁面—冷流体，管内对流传热：(4)热流体—热壁面—冷壁面—冷流体，总传热：跟多层平壁（圆筒壁）导热类似，间壁式换热有如下关系：则，，得2.总传热系数讨论：(1)总传热系数K整个换热器传热系数的平均值。(2)总传热系数K与总传热面积A有关：如果换热面为圆筒壁，则Ai=πdil，Ao=πdol，Am=πdmla.A基于外表面计算，则A=Ao=πdolb.A基于内表面计算，则A=Ai=πdilc.A基于平均面计算，则A=Am=πdml传热计算中习惯上基于外表面计算总传热系数，如果没有说明，均是基于外表面计算的结果。如果换热面为平壁，则Ai=Ao=Am三、平均推动力1.冷热流体相对流动的方式：(1)逆流。两种流体分别在间壁两侧平行而反向流动。(2)并流。两种流体分别在间壁两侧平行而反向流动。(3)折流。至少有一种流体在换热器中做来回折流。(4)错流。壁面两侧的流体以相互垂直的流向流动。2.平均推动力的计算通式：(1)平均推动力为换热器两端流体温差（推动力）的对数平均值：如果；(2)规定：a.热流体的温度用T表示，冷流体的温度用t表示；b.流体入口温度用下表1表示，流体出口温度用下表2表示。c.流体温差用高温减去低温，即都是T-t的形式；与T1对应，与T2对应。(3)平均推动力的具体表达式：逆流并流一侧恒温两侧恒温第十七讲换热器传热计算（二）引例：在一套管换热器中用冷却剂逆流冷却某种溶液，不锈钢管规格为φ25×2.5mm，溶液从150℃冷却到75℃。冷却剂走套管环隙，从25℃升温至40℃，已知溶液一侧的对流传热系数为1160W/(m2.K)，冷却水一侧的对流传热系数930W/(m2.K)，钢管导热系数为16W/(m.K)。一、总传热系数的计算1.计算公式：基于外表面时2.例题：解：由题可知二、平均推动力的计算1.计算公式：如果；逆流：；并流：2.例题：在上题中，如果要求计算平均推动力，已知因为是逆流，所以三、总传热面积和流量的确定1.计算公式2.热量平衡关系式：(1)热流体释放的热量无相变时，—显热只有相变，—潜热(2)冷流体吸收的热量无相变时，；只有相变，(3)热量平衡具体关系：或3.例题：在引例中，如果冷却剂的流量为5000kg/h，平均比热容为7.5kJ/(kg.K)，溶液的平均比热容为2.5kJ/(kg.K)，则溶液的流量为多大？总传热面积为多大？解：已知由热量平衡关系：得四、进出口温度的确定在引例中，如果温度25℃的冷却剂以流量1.39kg/s进入换热器；温度150℃的溶液以流量0.83kg/s进入换热器，问冷热流体流出换热器时的温度分别为多少？1公式推导：流体在换热器中逆流，且无相变，由热量平衡关系知(1)(2)联立方程（1）和方程（2）便可求出温度。2.例题计算：解：联立（1）和（2）可求出。小结：换热器的传热计算主要涉及到工艺参数、设备参数和流体性质：工艺参数：T，t，qm1，qm2设备参数：di，do，l，A流体性质：ai，ao，λ，cp第十八讲传热复习一、基本概念1.换热速率：单位时间内通过任意传热面积的热量，Q=E/t热通量：单位时间内通过单位传热面积的热量，q=E/At=Q/A2.导热系数：，表示物质导热能力大小的物理量。对流传热系数：a，表示流体对流传热能力大小的参数。总传热系数：K，表示换热器换热能力大小的参数。3.传热推动力：即冷热流体的温差，一般为高温减去低温。4.热阻：导热热阻—R=b/(λA)；对流热阻—R=1/(aA)；总热阻—R=1/(KA)二、基本公式1.导热计算公式：单层平壁导热：多层平壁导热：单层圆筒壁导热：多层圆筒壁导热：，2.对流传热公式：冷流体被加热时：；热流体被冷却时：3.换热器总传热速率公式：4.总传热面计算公式：(1)Q的确定：热量平衡关系，热量平衡具体关系：或(2)K的确定：基于外表面时(3)的确定：如果；逆流：；并流：一侧恒温：或两侧恒温：三、基本计算1.某换热器由若干根长为3m，直径φ25×2.5mm的钢管组成。要求将流量为1.25kg/s的某液体从77℃冷却到20℃，用17℃的水在管内与某液体逆流流动。已知管内和管外侧的对流传热系数αi和αo分别为0.85×103W/(m2.K)和1.70×103W/(m2.K)，污垢热阻可忽略，若维持冷水的出口温度不超过47℃（某液体的比热容cp为1.9×103J/(kg.K)，管壁的导热系数λ=45W/(m.K)）试求：（1）总传热外表面积Ao；（2）所需的管子数n。解：已知单管的外表面积为第十九讲单效蒸发一、蒸发的特点1.蒸发器示意图蒸发器由加热室和蒸发室构成。蒸发器实质是一个列管式换热器。蒸发的热源一般为水蒸汽，水蒸气从换热器顶部进入(一般走管外，壳程)通过间壁把热量传递给溶液，蒸汽冷凝；溶液走管内(管程)，吸收热量沸腾，溶剂汽化，溶质沉积，实现分离。加热用的水蒸气叫加热蒸汽或生蒸汽；溶剂汽化产生的蒸汽叫二次蒸汽。二次蒸汽进入冷凝器和冷却水混合（直接混合式）重新冷凝。不凝性气体和部分水蒸气进入分离室，水蒸气冷凝，不凝性气体进入缓冲罐。缓冲罐与真空泵相连，真空泵使蒸发器内形成真空度，低压有利于蒸发的进行。2.蒸发