化工原理上册总复习

本文格式为Word版，下载可任意编辑——化工原理上册总复习传热

复习流体滚动

3

一、三个基本方程二、流体滚动现象三、流量测量复习流体输送机械习题1和2习题3

习题4

密度ρkg/m理想气体的密度

PM?＝RT比容

v＝1?，比重：

实际气体的密度查表气体混合物密度

?＝1?y???aiiii

yi——摩尔分率

液体混合物密度

?＝

ai——质量分率

某物质的密度对水的密度之比。

重度：单位体积物体的重量。N/m3,kgf/m3

单位换算：国际单位制(SI制)，工程单位制，等等。压力PPa绝对压力——压力的实际数值表压＝绝压－大气压，真空度＝大气压－绝压

三个基本方程：1．流体的静力方程

p2?p1??g?z1?z2?

应用：

（1）单管压力计，U形管压力计（2）U形管压差计（U形管内流体密度大于所测流体密度），3.机械能衡算方程（柏努利方程）

双液体U形管压差计，倾斜式

压差计

条件：U形管内的流体是均一、静止和连续的流体。2.连续性方程（物料衡算方程）

u1A1?1?u2A2?2

不可压缩流体，密度不变，

即

?1??2，则

ms1?ms2u1A1?u2A2

,

22u1p1u2p2gz1???we?gz2???wf

2?2?22u1p1u2pz1???he?z2??2?hf2g?g2g?g三个方程合在一起使用

??汞??水?gR??1??2??p1??gz1???p2??gz2?（阻力损失不计）??汞??水?gR??1??2??p1??gz1???p2??gz2?1212??u2??u122

l?le?u21212（有阻力损失）??u2??u1??

22d2水P1zP2z2R1汞

流体滚动现象：1、牛顿粘性定律：

du????——粘度Pa·scp

dyp

2、层流、湍流：层流：流体的质点作平行运动，速度的大小和方向均不变。

湍流：流体的质点不断相互混杂，有大大小小漩涡；并且，在某一点上，速度的大小和方向均发生脉动。

层流：平均速度

1u?uc，湍流：平均速度

2u?0.817uc

3、边界层：层流边界层,湍流边界层(层流底层)4、管内阻力损失：

Re?200，

du?Re?4000，Re?

层流：

lu2直管阻力损失hf??d2gMoody图(P46)。

，

?的确定见

湍流：

?速度分布:

平均速度：截面上每一点的速度对整个截面积

分求得，也等于流量除以截面积。

流量测量：

1、测速管（皮托管）：

原理：动压头转变成静压头。

所测的是管道截面上某一点的轴向速

度。

2、孔板流量计：

原理：流体通过孔板产生压降。

孔板截面不变，压降发生变化。

3、文丘里管流量计：

u2leu2局部阻力损失hf??，当量＝?2gd2g长度le，局部阻力系数?

5、管路计算：

管路计算和离心泵联系在一起，见习题。

优点：阻力小，永久压降小。缺点：加工较难，精度要求高

4、转子流量计：

原理：流体通过转子与管壁之间的环隙产生压降。环隙截面发生变化，压降不变。

并联管路，58页

复习离心泵

离心泵的操作原理气缚气蚀离心泵的理论压头和实际压头，

离心泵的主要性能参数：流量，压头，输入功率，效率，

（铭牌上所列的数字是指泵在最高效率下的操作点，又叫设计点）离心泵的特性曲线，

?u2?p管路特性曲线：he??z???2g?g离心泵的工作点和流量调理离心泵的安装高度：

气蚀余量

泵的允许安装高度

?hf

[Z]??pa?pv??g?泵的允许安装高度

Z?[Z]?0.5

?hf(0?1)?[?h]

其他类型的泵（特点，根据输送任务，选择适合的泵类型）

习题：1、水以3.77×10-3m3/s的流量流经一扩大管段。细管直径d＝40mm，粗管直径D＝80mm，倒U形压差计中水

位差R=170mm。求水流经该扩大管段的阻力损失hf，以mH2O表示。

解：

2

22p1u1p2u2z1???z2???hf?g2g?g2g又z1?z2，p2?p1??gR，

u1?3.77?10?3?则

422p1?p2u1?u232?0.752hf????R??g2g2g32?0.752??0.17??0.26m2?9.80.0421?3m/s，u2?u1?0.75m/s

4

2.

水从贮水箱A经异径水平管段B及C流至大气中。已知水箱内液面与管子中心线间的垂直距离为5.5m，保持恒定，管段B的直径为管段C的两倍。水流经B、C段的摩擦阻力损失分别为hfB＝1.5m及hfC＝3m，求：1)水在管路C中的流速；2）水在管路B中的流速；3）管段B末端的压强。

解：

3

1）1—1截面和2—2截面

2u2z1??hfB?hfC∴

2g2u25.5??1.5?3

2?9.8u2?4.43m/s，故水在管路C中的流速

为4.43m/s。

2）路B的直径是管路C的2倍,则

AC11uB?uC?uC?u2?1.11m/sAB44

3）1

—

1

截

面

和

2

—

2

截

面

2u3pz1??3?hfB

2g?guBAB?uCACAB?4AC

∴

22????u1.113???p3??z1??hfB??g??5.5??1.5??1000?9.8?38.58kPa

?2g2?9.8????

3.泵将水从贮槽送至敞口高位槽，两槽液面均恒定不变。输送管路尺寸为φ57×3.5mm，泵出口垂直管段A、B截

面上有两只U形压差计相连，其上指示剂水银柱读数分别为R=40mm及R′=1200mm。A、B两截面间的管长（即垂直距离）为6m，右边压差计的左侧指示剂液面与截面B的垂直距离）为7m，管路摩擦因数λ为0.02。当地大气压强为1.013×105Pa。求：1）水在管路中的流速；2）截面A的压强解：

4

1）A截面和B截面

2u2pupAzA??A?zB?B?B?hfAB2g?g2g?guA?uB，??gzA?pA????gzB?pB????汞－??gR，

hfB即

?13.6?103?1000??0.04?0.0210002?????gRlu2lu汞A∴A，

????d2g?gd2g

2）B截面的压强（绝对压强）

6u2A所以uA?2.03m/s

0.052?9.8pB??g?7??汞gR??1.013?105

pB?1000?9.8?7?13.6?103?9.8?1.2?1.013?105pB?192.6kPa

由于??gzA?pA????gzB?pB????汞???gR

即

A截面的压强（绝对压强）为

pA???汞???gR???gzB?pB???gzA?13.6?103?1000?9.8?0.04?1000?9.8?6?192.6?103?256.3kPa

4.用离心泵把20℃的水从开口槽送至表压为1.5×105Pa的密闭容器，贮槽和容器的水位恒定，各部分相对位置如此题附图所示。管道均为φ108×4mm的无缝钢管，吸入管长为20m，排出管长为100m（各段管长均包括所有局部阻力的当量长度）。当阀门为3/4开度时，真空表读数为42700Pa，两测压口的垂直距离为0.5m，忽略两测压口之间的阻力，摩擦因数可取0.02，求：阀门3/4开度时管路的流量（m3/h）及压强表读数（Pa）各为多少？解：

????

5

?u2?p（1）对0—0′和3—3′截面he??z???2g?g?z?16m,

?hf,

?p1.5?105?u2??15.3m，?0，

?g1000?9.82ge222

?l?l?u120u??h??d2g?0.020.12?9.8?1.22uf∴

he?16?15.3?1.22u2（*）

?u2?p对0—0′和1—1′截面,he??z???2g?g?hf

he?0,?z?3m,

?p?42700?u2u2???4.36m,??g1000?9.82g2?9.8e222

?l?l?u20u?h???0.02?0.20u?d2g0.12?9.8fu2?4.36?0.20u2，即∴0?3?2?9.8u?2.33m/s，Q?u?

（2）把

?d?2.33?0.12?0.018m3/s442?

u?2.33m/s代入（*）式，得he?37.92m。

?p对1—1′和2—2′截面，he??z?，

?g?pp2???42700??z?0.5m，??g1000?9.8p2?42700∴37.92?0.5?，p2?324.02kPa

1000?9.86

复习传热三种传热方式dt导热的基本方程（傅立叶定律）Q???Adn单层平壁的稳定热传导间壁换热的对流传热基本方式热传导?tQ?b?A圆筒壁的稳定热传导?t多层Q?b??A?tQ?bAm?2?lrm单层?Am?t多层Q?b??Am对流传热Q??A?tr2?r1rm?r2lnr1热辐射速率方程Q=KA△tm热量衡算方程：热流体放出的热量＝冷流体得到的热量Q=Q′Q′=ms1cp1(T1-T2)=ms1cp1(T1-T2)7

?t1??t2平均温度差?tm?（逆流，并流），

?tln1?t2?tm???tm,逆（错流，折流等）

总

对

流

传

热

系

数

数α。

Re??lu???，反映流体的滚动型态和湍流程度

对α的影响。

Pr?cp??，反映流体的物性对α的影响。Gr?l3?2?g?t?2，反映自然对流的影响。

定性温度：与对流传热系数公式紧凑联系在一起，用以

确定公式中的流体物性值。

定性尺寸：指对传热起决定作用的传热面的某一几何尺寸。

????11bd1d11d1??Rs1??Rs2?K?1?dmd2?2d2

传热面积A指换热管的外表面，即A1。对流传热系数α的求取。

Nu???l??，待求准数，包括待求的对流传热系对流传热

无相变传热有相变传热强制对流管内对流圆形直管弯管湍流0.023公式过渡流层流管外对流自然对流非圆管道冷凝传热（珠状冷凝，膜状冷凝）沸腾传热（核状沸腾）t1=170℃传热习题课Nu?0.023Re0.8Prnt2t3=38℃0.023公式：，流体被加热，n=0.4；流体被冷却，n=0.3；

定性温度：进、出口流体的算术平均温度。定性尺寸：管内径。传热设备

1、外径为100mm的蒸汽管，外面包有一层50mm厚的绝缘材料A，λA=0.05W/m℃，其外再包一层25mm厚的绝缘材料B，λ

若绝缘层A的内表面及绝缘层B的外表面温度各为B=0.075W/m℃，

170及38℃，求：（1）每米管长的热损失量

d＝100mm8

AλAbA=50mmBλBbB=25mm（2）A、B两种材料的界面温度（3）若将两种材料保持各自厚度，但对调一下位置，比较其保温效果。假设传热推动力保持不变。解：(1)每米管长的热损失

bAbBbAb??B?AAmA?BAmB?ArmA?BrmBr2?r1100?50rmA???72.1mm

ln?r2r1?ln?10050?r3?r2125?100rmB???112.0mm

ln?r3r2?ln?125100??170?38?2?Q(t1?t3)2????49.2W/m

bAb0.050.025l?B??ArmA?BrmB0.05?0.07210.075?0.112(170?t2)2?Q(t1?t2)2?（2），即49.2?，t2?61.3℃?0.05blA0.05?0.0721?ArmA

（3）两种材料互换后每米管长的热损失

Q?t1?t3??t1?t3?2?lQ??l?(t1?t3)2?170?38?2???60.46W/mbAbB0.050.025???ArmA?BrmB0.075?0.07210.05?0.112

由上面的计算可以看到，导热系数小的材料包扎在内层能获得较好的保温效果。

2、有一列管式换热器，装有φ25×2.5mm钢管300根，管长2m。要求将质量流量为8000kg/h的常压空气于管程由20℃加热到85℃，选用108℃饱和蒸汽于壳程冷凝。若水蒸汽的冷凝传热系数为1×104W/m2K，管壁及两侧污垢的热阻均忽略不计，并且不计热损失。已知空气在平均温度下的物性常数为cp=1kJ/kgK，λ=2.85×10-2W/mK，μ＝1.98

-5

×10Pas，Pr＝0.7，求：（1）气在管内的对流传热系数；（2）求换热管的总传热系数；（3）过计算说明该换热器能否满足要求？（4）算说明管壁温度接近于哪一侧的流体温度/解：（1）定性温度＝(20+85)/2＝52.5℃，ρ＝1.085kg/m3，定性尺寸d=0.02m。

Nu?0.023Re0.8Pr0.4，即

?d?du???0.023??????0.8Pr0.4

80003600u?1.085?21.7m/s，则

?300?0.0224??du????0.023??d???

0.8Pr0.42.85?10?2?0.02?21.7?1.085??0.023???50.02?1.98?10?9

0.80.70.4

?90.07W/m2K

111d1110.025?????0.01398（2）

4K?1?2d21?1090.070.02

（3）

K?71.53W/m2K

?tm?

?t1??t288?23??48.44℃

ln??t1?t2?ln?8823??80003600??1000??85?20??41.69m2QA计＝??tmK48.44?71.53A实＝300?2???0.025＝47.1?A计满足需要

T1t2=85℃t1=20℃T2=108℃（4）

Q??1A1?T?Tw?

Q1.44?105Tw?T??108??107.65℃

4?1A11?10?41.69管壁温度与饱和蒸汽温度108℃相接近。

3、热空气在套管换热器中用冷水冷却，内管为φ25×2.5mm钢管，导热系数为45W/mK。冷水在管内湍流滚动，传热系数α2＝2000W/m2K。热气在环隙中湍流滚动，α1＝50W/m2K。不计污垢热阻，求

（1）管壁热阻占总热阻的百分数。（2）内管中冷水流速提高一倍，总传热系数有何变化？（3）环隙中热空气流速提高一倍，总传热系数有何变化？

11bd11d1???K?1?dm?2d210.00250.02510.025????0.02069

50450.022520000.02得K?48.33W/m2K

bbd1?dm?dm6.17?10?5???0.298%

110.02069Kd1K解：（1）（2）

Nu?0.023Re0.8Pr0.4，u提高一倍，即u??2u，则

10

??20.8?2?1.74?2?1.74?2000?3480W/m2K?211bd11d110.00250.02510.025???????0.02042

?d250K?1?dm?2450.022534800.02K?48.97W/m2K0.8（3）Nu?0.023RePr0.3,

??20.8?1?87W/m2K热气体u提高一倍，即u??2u，则?111bd11d110.00250.02510.025???????0.01218

??dm?2d287K?1450.022520000.02

4、用不同的水流速度对某列管式冷凝器作了两次试验，第一次冷凝器是新的，其次次冷凝器已使用过一段时期之后。试验结果如表所示：试验次数第一次其次次1.02.01.0流速m/s120018601100传热系数KW/m2K上表中传热系数均以外表面为基准。管子尺寸为φ28×2.5mm，导热系数为45W/mK。水在管内滚动是高度湍流，饱和蒸汽在管外冷凝。两次试验条件一致。求：

(1)一次试验中，管外传热系数α1，以及当水速为2m/s时管内传热系数α2。

(2)分析在一致的水流速下，两次试验的传热系数数值不同的原因，并得出定量计算的结果。

解：(1)污垢热阻为0，则

K?82.10W/m2K1bd11d1（1）?1????K??d?1m?2d2??1?1?bd1?1d1（2）??d2?K??1?dm?2(1)－(2)，得（水的流速

??20.8?2?1.74?2）u提高一倍，则?211d1?11?110.028?11???，即??????????????120238600.023??21.74?2?KK?d2??2?2W/m2K（水流速为1.0m/s）∴?2?1750当水流速为2.0m/s，管内传热系数

??1.74?2?3045W/m2K。?2110.00250.02810.028???

1200?1450.025517500.023∴

(2)产生污垢热阻

?1?13041W/m2K

11bd1d1d1d1??Rs1??Rs21??Rs1?Rs21?K???1?dmd2?2d2d2Kd11111?????7.57?10?5Rs1?Rs2d2K??K11001200

11

??20.8?2?1.74?2?1.74?2000?3480W/m2K?211bd11d110.00250.02510.025???????0.02042

?d250K?1?dm?2450.022534800.02K?48.97W/m2K0.8