化工基础课件

第一章绪论**化工（化学工业），又称化学加工工业，泛指生产过程中化学方法占主要地位的制造工业。是国民经济重要的基础工业，是工业经济中最具活力，竞争力极强的一个部门。（1）为农业提供化肥、农药、塑料薄膜等农用生产资料；（2）为轻纺、建材、冶金、国防、军工以及其他工业提供各种配套原材料；（3）为微电子、信息、生物、航天技术等高技术产业提供新型化工材料和新产品；（4）为人们的衣、食、住、行提供各种化工产品。§1－1化学工业的分类和特点**1化学工业的分类

美国：化学工业包括：生产基本化工产品的企业以化学方法为主进行产品加工的企业中国：化学工业包括：基本化学工业化肥工业石油化学工业其他化学工业**化工行业主要产品或用途化学矿山磷矿、硫矿、硼矿、矾矿和石灰石矿等酸、碱硫酸、烧碱、纯碱无机盐磷酸盐、碳酸钾、小苏打、无水硫酸钠、氰化钠、硫酸铝、硝酸钠、氯化锌、轻质碳酸钙、过氧化氫、沉淀硫酸钡等化肥氮肥（硫酸铵、硝酸铵、尿素、氯化铵、碳酸氫铵、氨水、石灰氮等）、磷肥（普通过磷酸钙、钙镁磷肥等）、钾肥化学农药敌百虫、乐果、甲胺磷、杀虫双、草甘磷、多菌灵等电石可作为生产聚氯乙烯、聚乙烯醇、氯丁橡胶、乙酸、乙醛、乙炔黑、双氰胺、硫脲等工业的原料热固性塑料和工程塑料酚醛塑料、氨基塑料、环氧树脂、不饱和聚酯树脂、聚碳酸酯、聚甲醛、ABS树脂、尼龙1010、尼龙6、尼龙66、聚砜等合成橡胶顺丁橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶等染料硫化染料、直接染料、酸性染料、活性染料、碱性染料、还原燃料、分散染料、冰染染料、阳离子染料等表1-1主要化工行业及其相关产品续表1-1主要化工行业及其相关产品化工行业主要产品或用途涂料天然树脂漆、酚醛树脂漆、醇酸树脂漆、氨基树脂漆、过氯乙烯漆、聚酯漆、聚氨酯漆、硝基漆、有机硅漆等增塑剂邻苯二甲酸酯、对苯二甲酸二辛酯、己二酸二辛酯、烷基磺酸苯酯、氯化石蜡、磷酸酯等橡胶加工助剂防老剂、促进剂表面活性剂阳离子型、阴离子型、非离子型、两性型等造纸化学品脱墨剂、助留剂、助滤剂、表面处理剂、浆内施胶剂、纸张增强剂、涂布胶粘剂、分散剂等感光材料电影胶片、照相胶片、特种胶片、彩色像纸等磁性记忆材料磁带、磁盘等橡胶加工轮胎、运输带、胶管、胶鞋、碳黑等2化学工业的特点（1）增长速度快；（2）化工科研和新产品开发费用高；（3）大规模连续化生产和技术的复杂性促使化学工业投资加大；（4）化工产品、工艺路线、技术创造性上竞争激烈；（5）新工艺的投入、生产规模的扩大以及设备的腐蚀，致使化学工业的工厂寿命缩短、报废快；（6）在资金足够的条件下，化工产品进入市场的自由度大；（7）运输便利、均相及价值高的化工产品贸易有国际性；（8）化学工业与整个工业相辅相存，在经济发展中起支柱作用。**化工学科的内容化学工程

研究化工生产中的共同性操作的规律及其工程性质的问题（包括化工原理和化学反应工程）化学工艺也称为化工生产技术。指将原料物质主要经过化学反应转变为产品的方法和过程，包括实现这种转变的全部化学的和物理的措施§1－2化工基础的内容（化工学科的发展）

**化学工程

在20世纪前的几百年时间里，出现了不少化学工业，如制糖工业、制碱工业、造纸工业等。介绍每一种工业从原料到成品的生产过程，作为一种特殊的知识讲解，这是最早的化学工程学。单一化学工艺学阶段2.单元操作阶段

20世纪初，人们逐渐发现，许多化学工业中存在共同的操作原理。例如，无论是制糖业还是制碱业，从溶液蒸发得到固体糖和固体碱的原理是相同的，于是，蒸发成为最早提出的单元操作之一。经不断总结，被称为单元操作的有：流体流动与输送、沉降与过滤、固体流态化、传热、蒸发、蒸馏、吸收、吸附、萃取、干燥、结晶、膜分离等。**

到20世纪50年代，人们又发现，各单元操作之间还存在着共性。例如，传热和蒸发都是热量传递的形式，蒸馏、吸附、吸收、萃取都是质量传递的形式。于是，把单元操作归纳为动量传递、热量传递和质量传递。3.传递过程阶段4.“三传一反”阶段

20世纪50年代中期，化学工程中出现了“化学反应工程学”这一新的分支。对化学反应器的研究，不仅要运用化学动力学和热力学原理，而且要运用动量、热量和质量传递原理。于是“传递过程”与“反应工程”成为当今化学工程学的两大支柱。简称“三传一反”阶段。**化学工艺

化学工艺具有个别生产的特殊性，即生产不同的化学产品要采用不同的工艺，即使生产相同产品，但原料路线不同时，也要采用不同的化学工艺。尽管如此，化学工艺所涉及的范畴是相同的，一般包括原料的选择和预处理，生产方法的选择及方法原理；设备的作用、结构和操作；催化剂的选择和使用；其他物料的影响；操作条件的影响；生产控制；产品的分离；能量的利用与回收等。**单元操作单元操作化工原理化工原理反应工程+化工工艺单元过程**§1－3化工中的一些基本规律

物料衡算（质量守恒）

能量衡算（能量守恒）动量衡算（动量守恒）*平衡关系过程速率**1-3.1物料衡算（质量守恒）：

物料衡算也称为质量衡算，其依据是质量守恒定律。它反映一个过程中原料、产物、副产物等之间的关系，即进入的物料量必等于排出的物料量和过程中的积累量。输入物料的总量＝排出物料的总量＋过程积累的总量**积累M∑M入∑M出系统图1-1物料衡算示意图物料衡算式：∑M入＝∑M出＋M(1-1)连续稳态流动：∑M入＝∑M出

(1-2)**进行物料衡算时，必须明确下面几点：1.首先要确定衡算的系统，即衡算对象包括的范围。2.其次要确定衡算的基准。3.然后确定衡算的对象。4.最后还要确定衡算对象的物理量及单位。**精馏塔原料液含乙醇5％10吨/时乙醇产品含乙醇95％含乙醇0.1％废水例1-1附图例1-1每小时有10吨5％的乙醇水溶液进入精馏塔，塔顶馏出的产品中含乙醇95％，塔底排出的废水中含乙醇0.1％。求每小时可得产品多少吨？若废水全部排放，每年（按操作7200小时计）损失的乙醇多少吨？解：已知：原料液流量及其中乙醇含量产品和废水中乙醇含量求：产品和废水流量分析：两个未知量，需列出两个物料衡算方程求解！确定：衡算范围：包含精馏塔在内的虚线框衡算对象：a.物流的流量b.物流中乙醇的量衡算基准：单位时间：小时设：产品流量为X吨/时、废水流量为Y吨/时。由物料衡算式：∑M入＝∑M出对物流的量进行衡算：10＝X+Y(1)对乙醇的量进行衡算：10×5％＝X×95％+Y×0.1％(2)X＝0.516吨/时Y＝9.484吨/时每年损失乙醇：9.484×0.1％×7200＝68.28

吨/年1-3.2能量衡算（能量守恒）：

能量衡算的依据是能量守恒定律。

能量衡算的目的是：计算单位产品的能耗了解过程中能量的利用和损失情况确定生产过程中需要输入、输出的热量设计换热设备**积累Q∑Q入∑Q出系统图1-2能量衡算示意图热量衡算式：∑Q入＝∑Q出＋Q稳态操作：∑Q入＝∑Q出(1-3)(1-4)**1-3.3平衡关系有关平衡的规律可以预测过程能够达到的极限可以确定当时条件下物料或能量能够利用的极限可以考察外界参数对平衡的影响和体系中物料状态对平衡转化率的影响，从而优化条件衡量过程的效率，从而找出改进的方法**1.3.4过程速率

过程速率决定设备的生产能力，过程速率越高，设备生产能力越大，或设备的尺寸越小。过程速率（r）∝

在实际工作中，一个过程以多快的速率由不平衡向平衡移动是极为重要的问题。**§1－4化工过程开发**实验室研究（小试）可行性研究中间试验（中试）工业装置的设计和投产

将实验室研究扩大为生产规模，使新产品、新工艺或新技术在工业装置中运转或转变为生产的全过程称为化工过程开发。**§1－5物理量的因次与单位制物理量：表示物质物理性质的参数，如长度、面积、体积、密度、粘度、导热系数、温度、压强等。这些物理量可通过几个彼此独立的基本物理量来表示，其大小则用各种单位来量度称为基本单位。常用的基本单位长度、力或质量，时间和温度等，基本量以外的其它物理量，可通过物理量之间的规律（定义或定律），从基本量推导出来称为导出物理量，他们的单位称为导出单位。应用这些基本量以表示物理量特性的式子称为因次（或量纲）式。因次式中各物理量的指数称为它的因次或量纲（有时也把物理量的量纲式简称为物理量的量纲）。因次可正、可负、整数、分数等任意有理数。**表示各物理量大小除了数字部分外，还要看该物理量的单位。1、国际单位制SI制7个基本单位，2个辅助单位，其余皆为导出单位。2、工程单位制（重力单位制）3.绝对单位制

4、单位换算**§1－6

学习目标（1）选择（selection)——如何根据各单元操作在技术上和经济上的特点，进行“过程和设备”的选择，以适应指定物系的特征，经济而有效地满足工艺要求。（2）设计（Design）——如何进行过程的计算和设备的设计。在缺乏数据的情况下，如何组织实验以取得必要的设计数据。（3）操作（Operation）如何进行操作和调节以适应生产的不同要求。在操作发生故障时如何寻找故障的缘由。

**§1－7

学习中注意的问题

（1）、要理论联系实际

（2）、过程原理与设备并重（3）、掌握研究的方法（4）、着重培养自学能力、创新能力基础：高等数学、物理化学、化工机械**第二章流体的流动和输送**§2－1一些基本概念

2－1.1流体流体

气体

液体

把流体视为由无数个流体微团（或流体质点）所组成，这些流体微团紧密接触，彼此没有间隙。这就是连续介质模型（或连续性假定）。流体微团（或流体质点）：

宏观上足够小，以致于可以将其看成一个几何上没有维度的点；同时微观上足够大，它里面包含着许许多多的分子，其行为已经表现出大量分子的统计学性质。**

2．可压缩性

流体在外部温度和压力作用下，流体分子间的距离会发生一定的改变，表现为流体密度大小的变化。工程上：流体

可压缩流体

不可压缩流体密度为常数流体的特征1．易流动性

当流体受到外部切向力作用时，易于变形而产生流动。3．无固定形状

流体没有固定的形状，随容器的形状而变化**

理想流体

指不具有粘度，流动时不产生摩擦阻力的流体。

理想液体

不具有粘度的液体，流动时不产生摩擦阻力的液体。具有不可压缩、受热不膨胀的性质。

理想气体

不具有粘度的气体，流动时不产生摩擦阻力的气体。服从理想气体状态方程.**理想气体状态方程以当时条件与标准条件对比时：**2－1.2流体的密度、相对密度和比容1．流体的密度

获得方法：（1）查物性数据手册

影响因素：流体种类、浓度、温度、压力

（2）公式计算：液体混合物：气体：----------理想气体状态方程气体混合物：流体的密度—单位体积流体的质量。用

表示，属于物性。国际单位用kg/m3**2.相对密度

是指给定条件下某一物质的密度

1与另一参考物质的密度

2之比。比容

是指单位质量的物料所具有的体积,是密度的倒数。**2－1.3流体的压强及其测量

一、流体的压强------流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的压强，用p表示，工程上习惯称之为压力。1压强的单位SI制中，N/m2=

Pa，称为帕斯卡物理学（cgs制）中，绝对大气压（atm）；

毫米汞柱（mmHg）；米水柱（m水柱）等工程单位制中，

kgf/cm2,称为工程大气压（at）。**1at(工程大气压）=1kgf/cm2

=735.6mmHg

=

10mH2O

=98.07×103

Pa

(1kgf=9.81N)1atm(标准大气压)=1.013×105

Pa

=760mmHg

=10.33mH2O**2压强的基准压强大小的两种表征方法绝对压力表压表压＝绝对压力－当地大气压真空度＝当地大气压－绝对压力绝对压强表压大气压真空度绝对压强绝对零压线大气压线2－1.3

流体的压强及其测量**

二、流体静力学基本方程式流体所受到的力质量力表面力如重力、离心力等，属于非接触性的力。法向力切向力(剪力)(压力)静止流体所受到的力质量力法向力----单位面积上的压力称为压强,习惯上称为静压力。----重力场中单位质量流体所受质量力,即为重力加速度。**p0z2p1p2Gz1z0

如图所示：容器中盛有密度为

的静止液体。现从液体内部任意划出一底面积为A的垂直液柱。若以容器底部为基准水平面，液柱的上、下底面与基准水平面的垂直距离分别为z1和z2，以p1和p2分别表示高度为z1和z2处的压力，液面上方的压力为p0。分析垂直方向上液柱的受力：向上：p2A向下：p1AG＝

gA(z1-z2)**当液柱处于相对静止状态时，说明作用在此液柱上诸力的合力为零，即：p2A－p1A－

gA(z1-z2)＝0化简得：p2＝

p1＋

g(z1-z2)

(1)或：(2)若液柱上表面取在液面上，令z1-z2=h，则上式可写为：p2＝

p0＋

gh

(3)(4)上述式子均称为流体静力学基本方程式。它反映了流体不受水平外力作用，只在重力作用下流体内部压力（压强）的变化规律。**1.当容器液面上方的压强p0一定时，静止液体内任一点压强的大小，与液体本身的密度

和该点距液面的深度

h

有关。因此，在静止的、连通的同一种液体内，处于同一水平面上的各点的压强都相等。此压强相等的面，称为等压面。2.当p0改变时，液体内部各点的压强也将发生同样大小的改变—帕斯卡原理。3.压强或压强差的大小可用液柱高度来表示。4.将(2)式移项整理得：(5)或适用场合：绝对静止、连续、均质、不可压缩流体三.流体静力学基本方程式的讨论**四.流体静力学基本方程式的应用

1.压力计(1)单管压力计p1–pa=p1(表)=

gR

(2)U形压力计p1=pa+

0gR

–

gh

A1pa

A

1

1h

R

23

0**p1p2mRAA’指示液的密度为ρ0，被测流体的密度为ρA与A′面为等压面，即2．压差计（1）U型管压差计**(2)微差压力计

1略小于

2读数放大p1-p2=

(

2-

1)

gR

在U形微差压计两侧臂的上端装有扩张室，其直径与U形管直径之比大于10。当测压管中两指示剂分配位置改变时，扩展容器内指示剂的可维持在同水平面压差计内装有密度分别为

1

和

2

的两种指示剂。

微压差

p存在时，两扩大室液面高差很小以致可忽略不计，但U型管内却可得到一个较大的R读数。

**例

如附图所示，水在管道中流动。为测得A-A′、B-B′截面的压力差，在管路上方安装一U形压差计，指示液为水银。已知压差计的读数R＝150mm，试计算A-A′、B-B′截面的压力差。已知水与水银的密度分别为1000kg/m3和13600kg/m3。

解：图中，1-1′面与2-2′面间为静止、连续的同种流体，且处于同一水平面，因此为等压面，即又**所以整理得由此可见，U形压差计所测压差的大小只与被测流体及指示剂的密度、读数R有关，而与U形压差计放置的位置无关**2－1.4流量和流速1．流量和流速

流量体积流量＝qVVtm3/s质量流量mqm＝tkg/sqm＝

qV体积流速u＝qVA质量流速平均流速……m/sqmw＝Akg/(m2

s)

w＝

uqm＝wA＝

uA流速摩尔流量nqn＝tmol/s摩尔流速qnG＝Amol/(m2

s)

**2.管径的初选

在管径的选择中，如果选用较小的管径，可以降低基建费用，但在一定的流量条件下，管径越小，流动阻力也随之增大，能耗也将相应增大。因此，合理的管径应综合多方面的因素来确定。一般条件下，可根据选用的流速来对管径进行初步选择，再在此基础上进行多方面的评比来确定实用的管径。即：**2－1.5定态流动和非定态流动1定态流动

流体流动过程中，任一截面上与流动相关的物理量(流速、压强、密度等)不随时间变化的流动。**2非定态流动

在流动过程中，流体在任一截面上的物理量既随位置变化又随时间而变化的流动。2－1.5定态流动和非定态流动**§2－2流体定态流动时的衡算2－2.1流体定态流动时的物料衡算连续性方程式

连续性方程是质量守恒定律的一种表现形式，本节通过物料衡算进行推导。流体流动过程中涉及三大守恒定律：质量守恒质量衡算动量守恒能量守恒**对于在控制体内作稳态流动的流体，根据质量守恒定律有：2－2.1流体定态流动时的物料衡算qm1qm2v1v2**

讨论

对于不可压缩的流体

即:ρ＝常数，可得到对于在圆管内作稳态流动的不可压缩流体适用条件

流体流动的连续性方程式仅适用于稳定流动时的连续性流体。或**思考：

如果管道有分支，则稳定流动时的连续性方程又如何？**2－2.2流体定态流动时的能量衡算位能：是指流体因距所选的基准面有一定距离，由于重力作用而具有的能量1.流体流动时的机械能形式：动能：流体因流动而具有的能量机械能：是位能、动能、静压能的总和静压能：

是流体处于当时压力p下所具有的能量，即指流体因被压缩而能向外膨胀作功的能力，其值等于pV()**（1）理想流体伯努利方程式：

设在1、2截面间没有外界能量输入，液体也没有向外界作功，则m[kg]理想液体所具有的机械能为定值。2.流体流动的能量衡算－－伯努利（方程式**两边除以m，得：两边除以mg，得：表示每千克流体所具有得能量，单位表示每重力单位（牛顿）流体所具有的能量，单位工程上将每牛顿流体所具有的各种形式的能量统称为压头，H称为位压头等伯努利方程**（2）实际流体伯努利方程式：当在1、2截面间的系统中有外界能量He输入，且为实际流体时，则有摩擦阻力Hf,则伯努利方程为：（3）功率的计算功率是指单位时间耗用的能量，可按下式求算：Pa，Pe-----分别为实际功率和理论功率（有效功率），单位为kW;η------输送的效率。(1kg)(1N)**

（1）适用条件

在衡算范围内是不可压缩、连续稳态流体，同时要注意是实际流体还是理想流体，有无外功加入。（2）衡算基准

3.伯努利方程的讨论及应用注意事项1kg1NJ/kg实际流体m液柱**

(3)式中各项能量所表示的意义

式中是指在某截面上流体本身所具有的能量；Hf是指流体在两截面之间所消耗的能量；He是输送设备对单位质量流体所作的有效功。由He可计算有效功率(理论功率）(4)各物理量取值及采用单位制方程中的压强p、速度v是指整个截面的平均值，各物理量必须采用一致的单位制。尤其两截面的压强不仅要求单位一致，还要求表示方法一致，

即均用绝对压、表压或真空度。**(5)截面的选择截面的正确选择对于顺利进行计算至关重要，选取截面应使：（a）

两截面间流体必须连续、均质；（b）两截面与流动方向相垂直（平行流处，不要选取阀门、弯头等部位）；（c）所求的未知量应在截面上或在两截面之间出现；（d）截面上已知量较多（除所求取的未知量外，都应是已知的或能计算出来，且两截面上的u、p、H与两截面间的Hf都应相互对应一致)。(6)选取基准水平面

原则上基准水平面可以任意选取，但为了计算方便，常取确定系统的两个截面中的一个作为基准水平面。如衡算系统为水平管道，则基准水平面通过管道的中心线若所选计算截面平行于基准面，以两面间的垂直距离为位压头H值；若所选计算截面不平行于基准面，则以截面中心位置到基准面的距离为H值。

H1，H2可正可负，但要注意正负。**

例：如附图所示，从高位槽向塔内进料，高位槽中液位恒定，高位槽和塔内的压力均为大气压。送液管为φ45×2.5mm的钢管，要求送液量为3.6m3/h。设料液在管内的压头损失为1.2m，（不包括出口能量损失），试问高位槽的液位要高出进料口多少米？

解：如图所示，取高位槽液面为1-1′截面，进料管出口内侧为2-2′截面，以过2-2′截面中心线的水平面0-0′为基准面。在1-1′和2-2′截面间列柏努利方程（由于题中已知压头损失，用式（1-22a）以单位重量流体为基准计算比较方便）**

计算结果表明，动能项数值很小，流体位能主要用于克服管路阻力。解本题时注意，因题中所给的压头损失不包括出口能量损失，因此2-2′截面应取管出口内侧。若选2-2′截面为管出口外侧，计算过程有所不同。其中：H1=h；因高位槽截面比管道截面大得多，故槽内流速比管内流速小得多，可以忽略不计，即u1≈0；p1=0（表压）；He=0H2=0；p2=0（表压）；Hf=1.2m将以上各值代入上式中，可确定高位槽液位的高度**例：如图所示，用泵将河水打入洗涤塔中，喷淋下来后流入下水道，已知道管道内径均为0.1m，流量为84.82m3/h，水在塔前管路中流动的总摩擦损失(从管子口至喷头进入管子的阻力忽略不计)为10J/kg，喷头处的压强较塔内压强高0.02MPa，水从塔中流到下水道，若泵的效率为65%，求泵的轴功率。泵所作的功不全是有效的，考虑其效率η，则泵轴消耗的功率（轴功率）

Pa＝Pe/η**柏努利方程He=?塔内压强？截面的选取？解：取塔内水面3-3’为基准面，取河水表面为1-1’截面，喷头内侧为2-2’截面，在1-1’和2-2’截面间列柏努利方程。分析：求Pa求He注意：**式中：**将已知数据代入柏努利方程式泵的功率：**§2－3实际流体的流动1.牛顿型流体

流体在运动状态下，有一种抗拒内在的向前运动的特性，称为粘性。流体不管在静止还是在流动状态下，都具有粘性，但只有在流体流动时才能显示出来。随流体状态的不同，粘性的差别非常悬殊。粘性是流动性的反面。

由于粘性存在，流体在管内流动时，管内任一截面上各点的速度并不相同（1）粘性2-3.1粘度**(2)牛顿粘性定律**

实验证明,对于一定的液体,内摩擦力F与两流体层的速度差du成正比；与两层之间的垂直距离dδ成反比,与两层间的接触面积A成正比，即:比例系数，即流体的〔动力〕粘度，单位为Pa·s----------剪应力，单位为pa此式所显示的关系，称牛顿粘性定律

满足牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体

(2)牛顿粘性定律**（a）定义式粘度的物理意义是促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力。粘度总是与速度梯度相联系,只有在运动时才显现出来在SI中,粘度的为单位:Pa·s此外，常用单位还有泊（P)、厘泊（cP）表示。（3）粘度(b)单位**(c)影响因素

液体：μ＝f（t）,与压强p无关,温度t↑,μ↓。水（20℃），μ＝1.005cP；油的粘度可达几十、到几百Cp。

气体：气体的粘度随压强增加而增加得很少,在一般工程计算中可予以忽略,只有在极高或极低的压强下,才需考虑压强对气体粘度的影响。p<40atm时μ＝f（t）与p无关，温度t↑，μ↑

理想流体（实际不存在），流体无粘性μ＝0（d）数据获取粘度是流体物理性质之一，其值由实验测定；

某些常用流体的粘度,可以从本教材附录或有关手册中查得。**

流体流动型态有两种截然不同的类型，一种是滞流（或层流）；另一种为湍流（或紊流）。两种流型在内部质点的运动方式，流动速度分布规律和流动阻力产生的原因都有所不同，但其根本的区别还在于质点运动方式的不同。2-3.2流体流动的型态**（1）雷诺实验

为了直接观察流体流动时内部质点的运动情况及各种因素对流动状况的影响,可安排如图所示的实验。这个实验称为雷诺实验。**滞流（也称为层流）：流体质点很有秩序地分层顺着轴线平行流动，层与层之间没有明显的干扰。各层间分子只因扩散而转移，不产生流体质点的宏观混合。

**湍流（也称为紊流）：流体在管内作湍流流动时，其质点作不规则的杂乱运动，一层滑过一层的黏性流动情况基本消失，质点间相互碰撞，产生大大小小的旋涡。**不稳定的过渡区：在该区域，可能是层流，也可能是湍流。较易受外界条件的影响，很容易发生流型的转变。**实验证明，流体的流动状况是由多方面因素决定的，流速u能引起流动状况改变,而且管径d、流体的粘度μ和密度ρ也可以。通过进一步的分析研究，可以把这些影响因素组合成为一个复合数群，此类数群称为特征数。

（2）雷诺准数Re准数是一个无因次数群。组成此数群的各物理量,必须用一致的单位表示。因此,无论采用何种单位制,只要数群中各物理量的单位一致,所算出的Re值必相等。此数群称为雷诺数，以Re表示，可判别流体的流动形态**对直管内的流动而言：Re<2000

层流区

2000<Re<4000

由层流转变为湍流的过渡区Re>4000

湍流区

对于非圆形管道，计算Re时，应以当量直径de代替特征数中的直径d

。当量直径的定义为：（3）流型的判断圆形管道：de=d长方形管道（边长为a、b):de=2ab/(a+b)套管（直径d1、d2）：de=d2-d1**流体流动受固体壁面影响（能感受到固体壁面存在）的区域（4）边界层边界层：流体的流速低于未受壁面影响的流速的99%的区域(a)平板上的流动边界层主流区：在边界层以外，速度梯度接近为零的区域**层流边界层：边界层内的流动类型为层流湍流边界层：边界层内的流动类型为湍流层流内层：边界层内近壁面处一薄层，无论边界层内的流型为层流或湍流，其流动类型均为层流。层流内层的厚度虽然不大，但黏附在壁面，成为传热和传质的主要阻力。（4）边界层**（b）圆管入口处的流动边界层发展内摩擦：一流体层由于粘性的作用使与其相邻的流体层减速边界层：受内摩擦影响而产生速度梯度稳定段长度：从管口到形成边界层所经历的管长，其长度与管的形状、管壁粗糙度及雷诺准数等因素有关**边界层发展：边界层厚度

随流动距离增加而增加流动充分发展：边界层不再改变，管内流动状态也维持不变，充分发展的管内流型属层流还是湍流取决于汇合点处边界层内的流动属层流还是湍流（b）圆管入口处的流动边界层发展**（c）流体在圆管内的速度分布滞流时的速度分布

理论分析和实验都已证明，滞流时的速度沿管径按抛物线的规律分布，如图所示。截面上各点速度的平均值等于管中心处最大速度umax的0.5倍。**湍流时的速度分布

湍流时流体质点的运动情况比较复杂，目前还不能完全采用理论方法得出湍流时的速度分布规律。经实验测定，湍流时圆管内的速度分布曲线如图所示。速度分布比较均匀，速度分布曲线不再是严格的抛物线。管内流体的平均流速为管中央最大流速的0.8倍左右。**（d）流体流过曲面或障碍时的边界层分离A点流速为零压强最大驻点加速减压C点(u→max，p→min)减速加压S点(u=0，p→max)边界层分离边界层的分离会导致流体流动阻力的增大ABS

**§2－4流体在圆管内流动时的阻力计算2－4.1滞流时的摩擦阻力滞流是流体作一层滑过一层的流动，流动阻力主要是流体的内部摩擦力。在流动过程中，阻力服从牛顿黏性定律。**由压力差产生的推力流体层间内摩擦力流体柱所受的推力其表面滑动的摩擦力相等而方向相反因管半径为R，整理并积分，得：**将u0=2u,d=2R,代入上式，整理得：此式称为泊肃叶方程。将Re代入上式得：或[Pa][Pa][m流体柱]**2－4.2湍流时的摩擦阻力根据多方面得实验并进行适当数据处理后，得到如下公式：或以上两式称为范宁公式。------称为摩擦阻力系数。****1）摩擦因数图

a)层流区：Re≤2000，λ与Re成直线关系，λ=64/Re。b)过渡区：2000＜Re＜4000，管内流动随外界条件的影响而出现不同的流型，摩擦系数也因之出现波动。

c)湍流区：

Re≥4000且在图中虚线以下处时，λ值随Re数的增大而减小。

d)完全湍流区：图中虚线以上的区域，摩擦系数基本上不随Re的变化而变化，接近为一常数，其值只随相对粗糙度的变化而变化。根据范宁公式，若l/d一定，则阻力损失与流速的平方成正比，称作阻力平方区2)λ值的经验关系式

柏拉修斯(Blasius)光滑管公式适用范围为Re=3×103～1×105ε＝e/d＝管的粗糙度/圆管内径**当流体在管道系统中流经各种管件时，其流速大小和方向都发生了变化，流体质点发生扰动而形成涡流，导致产生摩擦阻力，这类阻力称为局部阻力。为了便于管路计算，把局部阻力折算成一定长度直管的阻力，此相应的管子长度称为当量长度le。管路计算主要是利用连续性方程、伯努利方程和阻力计算式确定外加能量（He）、流量（qv）、位置（H）及操作压强（P）。2－4.3局部阻力2－4.4管路计算**计算步骤确定基准面与衡算面列已知条件（H、p、u）（*）计算Hf

列伯努利方程，求未知量*功率计算**§

2.5流体流量的测量1.孔板流量计是利用孔板对流体的节流作用，使流体的流速增大，压力减小，以产生的压力差作为测量的依据。**

如图所示，在管道内与流动垂直的方向插入一片中央开圆孔的板，孔的中心位于管道的中心线上，孔板前后管壁上有测压孔，用以连接压力计即构成孔板流量计。**

为了建立管内流量与孔板前后压力变化的定量关系，取孔板上游尚未收缩的流动截面为1－1，下游截面宜放在缩脉处，以便测得最大压差读数，但由于缩脉的位置及其截面积难于确定，故以孔板处为下游截面0－0，在1－1和0－0两截面之间列机械能衡算方程，并暂时略去能量损失，可得因为是水平管道，所以H1=H0，化简得：**对不可压缩性流体，根据连续性方程，可得：将上式代入可得：**对于实际流体而言，由于流动阻力引起得压头损失，孔板处突然收缩造成得扰动，以及板与导管间装配可能有误差，将这些影响归纳为一个校正系数c0，对所测的流速加以校正，得：C0称为孔板流量系数，其值由试验或经验关系确定。一般情况下为0.61－－0.63.若液柱压力计读数为△R，指示液密度为ρi，则孔板流量计制造简单，安装与更换方便，其主要缺点是流体的能量损失大，A0/A1越小，能量损失越大**2.文丘里流量计

为减少流体节流造成的能量损失，可用一段渐缩渐扩的短管代替孔板，这就构成了文丘里（Venturi）流量计。

**

如图所示，当流体在渐缩渐扩段内流动时，流速变化平缓，涡流较少，于喉颈处（即最小流通截面处）流体的动能达最高。此后，在渐扩的过程中，流体的速度又平缓降低，相应的流体压力逐渐恢复。如此过程避免了涡流的形成，从而大大降低了能量的损失

cv值与众多因素有关，当孔径与管径之比在（1/2)～（1/3)的范围内时，其值为0.98～1。**3.转子流量计

前述各流量计的共同特点是收缩口的截面积保持不变，而压力随流率的改变而变化，这类流量计统称为变压力流量计。另一类流量计是压力差几乎保持不变，而收缩的截面积变化，这类流量计称为变截面流量计，其中最为常见的是转子流量计。

它系由一个截面自下而上逐渐扩大的锥形垂直玻璃管和一个能够旋转自如的金属或其它材质的转子所构成。被测流体由底端进入，由顶端流出.**

当流体自下而上流过垂直的锥形管时，转子受到两个力的作用：一是垂直向上的推动力，它等于流体流经转子与锥管间的环形截面所产生的压力差；另一是垂直向下的净重力，它等于转子所受的重力减去流体对转子的浮力。当流量加大使压力差大于转子的净重力时，转子就上升。当压力差与转子的净重力相等时，转子处于平衡状态，即停留在一定位置上。在玻璃管外表面上刻有读数，根据转子的停留位置，即可读出被测流体的流量。净压力差流体浮力转子重力**△p-----转子上下间流体的压力差，单位为PaVR------转子的体积，单位为m3AR------转子最大部分顶端面的横截面积，单位为m2

R，-----分别为转子材料和流体的密度，单位为kg·m-3若流体通过环隙处的流速为,则按柏努力方程可得：cR------校正因素，与流体流动形态、转子形状等因素有关因为

可得：-----环隙面积，单位为m2-----体积流量，单位为m3·h-1**优点：

读取流量方便，流体阻力小，测量精确度较高，能用于腐蚀性流体的测量；流量计前后无须保留稳定段。缺点：

玻璃管易碎，且不耐高温、高压。转子流量计必须垂直安装，且应安装旁路以便于检修

转子密度须大于被测流体的密度。其材料可以是不锈钢、塑料、玻璃、铝等安装**§2－6流体输送机械

在化工生产过程中，流体输送是主要的单元操作之一它遵循流体流动的基本原理。流体输送机械是一种向流体作功以提高流体机械能的装置。通常，将输送液体的机械称为泵，将压送气体的机械按不同的工况分别称为通风机、鼓风机、压缩机和真空泵。2－6.1离心泵离心泵的主要部件：1.叶轮2.泵壳3.轴封装置**1.叶轮**2.泵壳泵壳的作用：①汇集液体，即从叶轮外周甩出的液体，再沿泵壳中通道流过，排出泵体；②转能装置，因壳内叶轮旋转方向与蜗壳流道逐渐扩大的方向一致，减少了流动能量损失，并且可以使部分动能转变为静压能。3.轴封装置轴封：离心泵工作时是泵轴旋转而泵壳不动，泵轴与泵壳之间的密封。作用：防止高压液体从泵壳内沿间隙漏出，或外界空气漏入泵内。**4.离心泵的工作原理

离心泵启动后，泵轴带动叶轮一起作高速旋转运动，迫使预先充灌在叶片间液体旋转，在惯性离心力的作用下，液体自叶轮中心向外周作径向运动。液体在流经叶轮的运动过程获得了能量，静压能增高，流速增大。当液体离开叶轮进入泵壳后，由于壳内流道逐渐扩大而减速，部分动能转化为静压能，最后沿切向流入排出管路。当液体自叶轮中心甩向外周的同时，叶轮中心形成低压区，在贮槽液面与叶轮中心总势能差的作用下，致使液体被吸进叶轮中心。依靠叶轮的不断运转，液体便连续地被吸入和排出。液体在离心泵中获得的机械能量最终表现为静压能的提高。**4.离心泵的工作原理**5.气缚现象气缚现象：当启动离心泵时，若泵内未能灌满液体而存在大量气体，则由于空气的密度远小于液体的密度，叶轮旋转产生的惯性离心力很小，因而叶轮中心处不能形成吸入液体所需的真空度，这种可以启动离心泵，使叶轮空转，但不能输送液体的现象称为“气缚现象”。离心泵是一种没有自吸能力的液体输送机械。若泵的吸入口位于贮槽液面的上方，在吸入管路应安装单向底阀和滤网。单向底阀可防止启动前灌入的液体从泵内漏出，滤网可阻挡液体中的固体杂质被吸入而堵塞泵壳和管路。若泵的位置低于槽内液面，则启动时就无需灌泵。**6.离心泵的允许安装高度离心泵的安装高度Hg根据泵的允许吸上（真空）高度Hs确定Hs-----允许吸上真空高度，与泵的结构等因素有关

H0-----当地大气压，m水柱Hv-----输送液的蒸气压，m水柱u2/2g-----吸入管路中液体的动压头，一般可忽略Hf-----吸入管路中的压头损失，m水柱**7.离心泵的性能参数和特性曲线离心泵的流量与转数的关系：离心泵的扬程与转数的关系离心泵的功率与转数的关系**2－6.2往复泵

往复泵是一种正位移工作方式泵，它依靠作往复运动的活塞依次开启吸入阀和排出阀从而吸入和排出液体。

**2-6.3其他化工用泵

1非正位移泵旋涡泵示意图：**2正位移泵

(2)计量泵①外观**2-6.4气体输送机械1气体输送的特点

①动力消耗大：对一定的质量流量，由于气体的密度小，其体积流量很大。因此气体输送管中的流速比液体要大得多，前者经济流速（15~25m/s）约为后者（1~3m/s）的10倍。这样，以各自的经济流速输送同样的质量流量，经相同的管长后气体的阻力损失约为液体的10倍。因而气体输送机械的动力消耗往往很大。②气体输送机械体积一般都很庞大，对出口压力高的机械更是如此。③由于气体的可压缩性，故在输送机械内部气体压力变化的同时，体积和温度也将随之发生变化。这些变化对气体输送机械的结构、形状有很大影响。因此，气体输送机械需要根据出口压力来加以分类。**2气体输送机械分类终压p2<1.15atm，压缩比终压p2<4atm，压缩比终压p2>4atm，压缩比终压为大气压，压缩比近似

**3离心通风机工作原理：结构：主要性能参数及特性曲线：与离心泵相似特点：叶片数目多、短，有径向、前弯、后弯等，通道多呈矩形

风量、风压、轴功率、效率与离心泵相同风量Q：以进口状态计

**风压pt：在风机进出口间列机械能衡算方程式：

又称全风压,Pa**若使用条件与测定条件不同，需换算：

--------用1atm、20℃空气测定的风压

标准全风压pt0**全压效率70%~90%

效率

：

功率N：**4压缩机

往复式压缩机离心式压缩机**

在工厂中常用的鼓风机有旋转式和离心式两种类型。（1）罗茨鼓风机图1-66罗茨鼓风机5鼓风机**罗茨鼓风机的工作原理与齿轮泵类似。如图所示，机壳内有两个渐开摆线形的转子，两转子的旋转方向相反，可使气体从机壳一侧吸，从另一侧排出。转子与转子、转子与机壳之间的缝隙很小，使转子能自由运动而无过多泄漏。属于正位移型的罗茨风机风量与转速成正比，与出口压强无关。该风机的风量范围可自2至500m3/min，出口表压可达80kPa，在40kPa左右效率最高。该风机出口应装稳压罐，并设安全阀。流量调节采用旁路，出口阀不可完全关闭。操作时，气体温度不能超过85℃，否则转子会因受热臌胀而卡住。**离心式鼓风机的结构特点：离心式鼓风机的外形与离心泵相象，内部结构也有许多相同之处。（2）离心式鼓风机**6真空泵真空泵的一般特点真空泵就是从真空容器中抽气、一般在大气压下排气的输送机械。若将前述任何一种气体输送机械的进口与设备接通，即成为从设备抽气的真空泵。然而，专门为产生真空用的设备却有其获得之处。（1）由于吸入气体的密度很低，要求真空泵的体积必须足够大；（2）压缩比很高，所以余隙的影响很大。**真空泵的主要性能参数有：（1）极限剩余压力（或真空度）：这是真空泵所能达到最低压力；（2）抽气速率：单位时间内真空泵在极限剩余压力下所吸入的气体体积，亦即真空泵的生产能力。**往复式真空泵与往复式压缩式的构造显著区别，但也有其自身的特点：（1）在低压下操作，气缸内、外压差很小，所用的活门必须更加轻巧；（2）当要求达到较好的真空度时，压缩比会很大，余隙容积必须很小，否则就不能保证较大的吸气量。（3）为减少余隙的影响，设有连通活塞左右两侧的平衡气道。干式往复真空泵可造成高达96~99.9%的真空度；湿式则只能达到80~85%**水环真空泵水环真空泵的外壳呈圆形，其中的叶轮偏心安装。启动前，泵内注入一定量的水，当叶轮旋转时，由于离心力的作用，水被甩至壳壁形成水环。此水环具有密封作用，使叶片间的空隙形成许多大小不同的密封室。由于叶轮的旋转运动，密封室外由小变大形成真空，将气体从吸入口吸入；继而密封室由大变小，气体由压出口排出。水环真空泵结构简单、紧凑，最高真空度可达85%。**液环真空泵叶环泵外壳呈椭圆形。当叶轮旋转时液体被抛向四周形成一椭圆形液环，在其轴方向上形成两个月牙形的工作腔。由于叶轮的旋转运动，每个工作腔内密封室逐渐由小变大而从吸入口吸入气体；然后又由大变小，将气体强行排出。**旋片真空泵是旋转式真空泵的一种，其工作原理见图。当带有两个旋片7的偏心转子按箭头方向旋转时，旋片在弹簧8的压力及自身离心力的作用下，紧贴泵体9内壁滑动，吸气工作室不断扩大，被抽气体通过吸气口3经吸气管4进入吸气工作室，当旋片转至垂直位置时，吸气完毕，此时吸入的气体被隔离。**转子继续旋转，被隔离的气体逐渐被压缩，压强升高。当压强超过排气阀片2上的压强时，则气体经排气管5顶开阀片2，通过油液从泵排气口1排出。泵在工作过程中，旋片始终将泵腔分成吸气、排气两个工作室，转子每旋转一周，有两次吸气、排气过程。旋片泵的主要部分浸没于真空油中，为的是密封个部件间隙，充填有害的余隙和得到润滑。此泵属于干式真空泵。**如需抽吸含有少量可凝性气体的组合气时，泵上设有专门设计的镇气阀（能在一定的压强下打开的单向阀），把经控制的气流（通常是湿度不大的空气）引到泵的压缩腔内，以提高混合气的压强，使其中的可凝性气体在分压尚未达到泵腔温度下的饱和值时，即被排出泵外。旋片泵可达到较高的真空度（绝对压强约为0.67Pa），抽气速率比较小，适用于抽除干燥或含有少量可凝性蒸气的气体。不适宜用于抽除含尘和对润滑油起化学作用的气体。**喷射真空泵喷射泵是利用高速流体射流量压力能向动能转换所造成的真空，将气体吸入泵内，并在混合室通过碰撞、混合以提高吸入气体的机械能，气体和工作流体一并排出泵外。喷射泵的流体可以水，也可以是水蒸汽，分别称为水喷射泵和蒸汽喷射泵。单级蒸汽喷射泵仅能达到90%的真空度，为获得更高的真空度可采用多级蒸汽喷射泵。喷射泵的优点是工作压强范围大，抽气量大，结构简单，适应性强。缺点是效率低。**本章小结H：稳态流动U：流量与流速，连续性方程，测量（孔板、文丘里、转子流量计工作原理）P：单位（at、atm、kgf/cm2），基准（表压、真空度），测量（压力计、压差计）Hf：流动型态（层流、湍流的特点），流型判断（雷诺准数），阻力计算（公式与图）(粘度、当量直径）He：功率计算式公式应用：管路计算（重点为功率计算）**当流体以层流形态流动时，若管长、流量、流体的性质均不变，管径减小1/2，则流动阻力增加多少倍？在天津操作的苯乙烯真空精馏塔塔顶真空表的读数是1kgf/cm2水柱，在兰州操作时，若要维持塔内的绝对压强不变，真空表的读数应为多少kPa（已知天津地区的平均大气压为1atm，兰州地区的平均大气压为8.5m水柱）。有一垂直管道，内径由300mm逐渐缩至200mm，水由下而上在管内流动，测的水在粗管口和细管口的静压强分别为250kPa和100kPa，管长7.5m，若阻力损失折合为5m，试求水的流量（水的密度取1000kg/m3）。用泵将碱液槽中碱液抽往吸收塔顶，经喷头喷出做吸收剂用，碱液池中液面到喷头的距离为16m，，碱液密度为1100kg/m3，管路直径为

57

3.5mm，喷头口表压为3.0kPa，压头损失为5u2/g（u为管内流速，单位：m/s），输液量为10kg/s，若泵的效率为60%，试求泵的功率。**第三章传热过程**本章主要内容：1.主要讨论流体传导传热、对流传热的机理和传热方程式及其应用；2.冷热流体通过固体间壁进行换热的过程和计算；3.强化或削弱传热的途径；4.换热器的基本类型及列管式换热器的基本结构和性能；5.列管式换热器的设计与选型；

**传热过程在化工生产中的应用§3－1概述

3－1.1化工生产中的传热过程例如：蒸发、蒸馏、干燥、结晶等传热过程的基本要求：1.强化传热；2.避免传热热量传递方向：高温传向低温传热过程的推动力：温差**换热方式

1.传热过程在化工生产中的应用**

在这类传热中，冷、热流体在传热设备中通过直接混合的方式进行热量交换，又称为混合式传热。

优点：方便和有效，而且设备结构较简单，常用于热气体的水冷或热水的空气冷却。

缺点：在工艺上必须允许两种流体能够相互混合。(1)直接接触式传热**(2)蓄热式传热

这种传热方式是冷、热两种流体交替通过同一蓄热室时，即可通过填料将从热流体来的热量，传递给冷流体，达到换热的目的。

优点：结构较简单，可耐高温，常用于气体的余热或冷量的利用。

缺点：由于填料需要蓄热，所以设备的体积较大，且两种流体交替时难免会有一定程度的混合。**(3)间壁式传热

在多数情况下，化工工艺上不允许冷热流体直接接触，故直接接触式传热和蓄热式传热在工业上并不很多，工业上应用最多的是间壁式传热过程。这类换热器的特点是在冷、热两种流体之间用一金属壁(或石墨等导热性能好的非金属壁)隔开，以便使两种流体在不相混合的情况下进行热量传递。这类换热器中以套管式换热器和列管式换热器为典型设备。**间壁式换热器**套管式**列管式**夹套式**

3－1.2传热中的一些基本物理量和单位热量Q：是能量的一种形式，J热流密度(热通量)q：单位面积上的传热速率，W·m-2潜热：单位质量的物质在发生相变化时伴随的热量变化

J/kg定压比热容cp：压力恒定时，单位质量的物质温度升高1K时所需的热量，J·K-1·kg-1传热速率

是指单位时间传递的热量，W传热速率也称为热流量，或热负荷显热：传热速率指的是由于传热面与介质间有温度差而使热量由高温处向低温处流动的速率**定态传热：在传热体系中各点的温度只随换热器的位置的变化而变，不随时间而变．特点：通过传热表面的传热速率为常量，热通量不一定为常数。非定态传热：若传热体系中各点的温度，既随位置的变化，又随时间变化。特点：传热速率、热通量均为变量。

通常连续生产多为稳定传热，间歇操作多为不稳定传热。化工过程中连续生产是主要的，因而本章主要讨论定态传热。

3－1.3定态传热和非定态传热**

一个物体的两部分存在温差，热就要从高温部分向低温部分传递，直到各部分的温度相等为止，这种传热方式就称为传导传热（或热传导）。传导传热的本质是物体内部微观粒子的热运动而引起的热量传递

物质的三态均可以充当热传导介质，但导热的机理因物质种类不同而异，具体为：

固体金属：自由电子运动在晶格之间；

液体和非金属固体：晶格结构的振动；即分子、原子在其平衡位置的振动。

气体：分子的不规则运动。§3－2热传导（导热）**

3－2.1热传导基本方程－－傅立叶定律负号表示传热的方向与温度升高的方向（梯度方向）相反称为导热系数,单位为W/(mK)

随传热距离而引起的温度变化，称为温度梯度**物性之一：是物质导热能力的标志,与物质种类、热力学状态（T、P）有关。物理含义：代表单位温度梯度下的热通量大小，即：当物体两个面（等温面）间温差为1K，厚度为1m时，每经过1m2传热面积所能传导的热量。故物质的

越大，导热性能越好。一般地，

导电固体>

非导电固体，

液体>

气体T

，

气体

，

水

，其它液体的

。导热系数：数据来源：物质的导热系数可以通过实验测定，也可以查资料、计算固体液体混合物气体混合物计算**若

为常数，则：当x=0时，t=t1，当x=δ时，t=t2积分上式得：

3－2.2平面壁的定态热传导1.单层平面壁的热传导**2.多层平面壁的热传导（无内热源）**所以，可由公式得到两层壁交界处的温度**1.单层圆筒壁的热传导若

为常数，则：--------可见温度分布为对数关系1r1r2δt2

tt0

r

3－2.3圆筒壁的一维稳态导热****

Φ=常数，但

q

常数2.多层圆筒壁的热传导（无内热源）**由：温度

t3=38保温层的外表面的半径

r3＝0.213＋0.426=0.639m蒸汽导管外表面的半径

r2＝0.426/2=0.213m

温度

t2=177**可得每米管道的热损失为：

设保温层内半径r处的温度为t，代入上式：将已知数据代入，整理得温度t与半径的关系式为：

t=-126.6lnr–18.64筒壁内的温度分布不是直线，而是曲线。****§3－3对流传热（热对流）传热方式热辐射热对流热传导

热对流是指流体各部分之间发生相对位移所引起的热量传递过程。热对流仅发生在流体中。对流方式*强制对流自然对流因流体中各处温度不同引起密度差异而使流体质点产生相对位移因搅拌等外力而使质点产生相对位移**流动的流体与外界的传热静止流体与外界的传热强制对流自然对流**

3－3.1牛顿冷却定律**

过程分析（1）层流边界层（层流内层）内：热传导，热阻大；（2）过渡区：热传导与对流传热共同起作用；（3）湍流区：充满漩涡，混合很好，对流为主，热阻小。**

α——比例系数称为传热膜系数（也称作给热系数）。物理意义:当流体主体与壁面间的温度差为1K时,每秒通过1m2壁面所传给流体(或有流体给出)的热量。牛顿冷却定律单位：W/(m2K)**

3－3.2对流传热膜系数通过理论分析和实验表明，影响对流给热系数的因素有以下几方面：(1).流动型态

层流：热流主要依靠热传导的方式传热。由于流体的导热系数比金属的导热系数小得多，所以热阻大。

湍流：质点充分混合且层流底层变薄，

较大。但Re

，动力消耗大。(2).引起流动的原因

自然对流：由于流体内部存在温差引起密度差形成的浮升力，造成流体内部质点的上升和下降运动，一般u较小，

也较小。

强制对流：外力作用引起的流动运动，一般u较大，故

较大。1影响因素**(3).流体的物性

当流体种类确定后，根据温度、压力（气体）查对应的物性，影响

较大的物性有：

，

，

，cp。(4).是否发生相变

主要有蒸汽冷凝和液体沸腾。发生相变时，由于汽化或冷凝的潜热远大于温度变化的显热（r远大于cp）。一般情况下，有相变化时对流传热系数较大，机理各不相同，情况复杂。**(5).传热面的形状、大小和位置

不同的壁面形状、尺寸影响流型；会造成边界层分离，产生旋涡，增加湍动，使

增大。

（1）形状：比如管、板、管束等；

（2）大小：比如管径和管长等；

（3）位置：比如管子得排列方式（如管束有正四方形和三角形排列）；管或板是垂直放置还是水平放置。对于一种类型的传热面常用一个对对流传热系数有决定性影响的特性尺寸L来表示其大小。**表征给热系数的特征准数

由于影响对流传热系数的因素很多，要建立一个通式来求各种条件下的α是很困难的。因此，常用因次分析法，将众多的影响因素组合成若干无因次数群（准数），然后再用实验确定这些准数的关系，得到α的关连式。反映流体流动型态对对流给热系数的的影响

反映流体物性对对流给热系数的影响

反映自然对流对对流给热系数的影响

2传热过程的特征数**(1)圆形直管强制湍流的给热系数流体在圆形直管内作强制湍流时，对于低粘度流体，则有应用范围：Re＞10000；0.7＜Pr＜120；

定性温度：取流体进、出口温度的算术平均值。特征尺寸：取为管内径d1。3.传热膜系数的特征关联式n=0.4被加热n=0.3被冷却思考2：

与u、d有何比例关系？思考1：为什么加热时n取0.4，冷却时取0.3？**(1)液体的沸腾传热

工业上经常需要将液体加热使之沸腾蒸发，如：在锅炉中把水加热水蒸汽；在蒸发器中将溶剂汽化以浓缩溶液，都是属于沸腾传热。大容积沸腾是指加热面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾现象，此时，液体的运动由自然对流和汽泡的扰动所引起的。强制对流沸腾是指液体在管内流动的过程中而受热沸腾的现象，此时，汽泡不能自由升浮，而是受迫随液体一起流动，形成复杂的汽—液两相流动，在流动过程中沿途吸热，直至全部汽化。3.沸腾和冷凝时的传热膜系数**沸腾曲线

工业上一般维持沸腾装置在核状沸腾下工作，其优点是：此阶段下α大，tW小。**

蒸汽是工业上最常用的热源，在锅炉内利用煤燃烧时产生的热量将水加热汽化，使之产生蒸汽。蒸汽具有一定的压力，饱和蒸汽的压力和温度具有一定的关系。蒸汽在饱和温度下冷凝成同温度的冷凝水时，放出冷凝潜热，供冷流体加热。(2)蒸汽冷凝的对流传热

蒸汽冷凝的方式

膜状冷凝：冷凝液体能润湿壁面，它就在壁面上铺展成膜状冷凝时蒸汽放出的潜热必须穿过液膜才能传递到壁面上去，此时，液膜层就形成壁面与蒸汽间传热的主要热阻。若凝液借重力沿壁下流，则液膜越往下越厚，给热系数随之越小。**

滴状冷凝：凝液不能完全润湿壁面，在壁面上形成一个个小液滴，且不断成长变大，在非水平壁面上受重力作用而沿壁滚动，在下滚过程中，一方面会合相遇