化工原理课件

流体流动流体静力学

流体静力学研究流体静止或平衡的基本规律，以及这些规律的实际应用。在工程实际中的主要应用如：流体在设备或管路内压强的变化与测量，液体在设备内液位的测量，设备的液封等。

流体的密度

、密度：在均质流体中，单位体积流体的质量。

=m/vkg/m3

、比容：单位质量流体的体积。

=v/mm3/kg流体的比容与密度互为倒数。液体的密度

温度对液体密度有一定影响，故选用密度数值时要注意所确定的温度。液体的比重是指在任何温度下时液体的密度和水在4℃时密度之比值：

S=

/

水

=

/1000混合液体

:气体的密度

1、气体的密度随压力和温度变化很大，按照理想气体状态方程式近似计算

:

PV=nRT= RT

=m/V=PM/RT

2、理想气体标况时

:

0=M/22.4kg/m3

3、当已知气体标况密度

0

：

=

0×T0/T×P/P0

4、混合气体：

=PM均

/RT

m=

AxVA+

BxVB+…+

NxVN

作用在流体上的力

内力：流体内部分子间的相互作用力，分子间引力，压力，内摩擦力，它们在流体内部，对所研究的那块流体来讲是相互平衡的，对流体的运动是没有影响的。

外力：外界作用于所研究的那块流体的力。外力分表面力和质量力两种，流体运动的情况取决于外理。

作用在流体上的外力

a)表面力：作用在所研究的那块流体表面上的力称表面力，属于这种力的有与该表面垂直的法向力以及与该表面相切的切向力，法向力即压力。

b)质量力：作用在所研究的流体各个质点上的一种力，其大小与质点的质量成正比，对均质流体来说，也与流体的体积成正比，故亦称体积力。

流体静压强（压力）

静止流体中任意界面上只受到大小相等方向相反的压力，由于该压力产生在静止流体中，因而称为静压力。单位面积上所受的静压力，称为流体静压强。

p=

P/

AN/m2(Pa)使界面的面积缩小并趋于一点：流体静压强的特征

1、流体静压强的方向总是和作用的面相垂直，并指相所考虑的那部分流体的内部，即沿着作用面的内法线方向。2、静止流体内部任何一点处的流体静压力，在各个方向都相等。3、在流体与固体接触的表面，不论器壁的方向形状如何，流体静压力总是垂直于器壁。

流体静压强的单位

●在SI制中压力单位Pa:

1kPa=103Pa=106mPa●设容器底面积为Am2液柱高hm，液体密度

kg/m3，则液体作用在底面的力为PN等于液柱重量：

P=mg=Ah

gN

作用在单位底面上的压力：

p=P/A=h

gN/m2

●当液体一定，P、g一定为常数，所以可用高度h的大小表示压力P的大小：

h=p/

gm常用压力单位的换算

1atm=1.013×105Pa=1.033at=760mmHg=

10.33mH2O1at=9.81×104Pa=1kgf/cm2=735.6mmHg=

10mH2O1bar=105Pa=1.013at=750mmHg=10.13H2O表压、真空度和绝对压强

当设备内实际压强（绝压）等于外界大气压时，压力表读数为0。

当设备内绝压大于外界大气压时，压力表读数表明绝压与外界大气压之差。

P表=P绝－P大

当设备内绝压小于外界大气压时，真空表读数表明外界大气压与绝压之差。

P真=P大－P绝真空度越大，绝压越小，真空度又称负表压。流体静力学基本方程

一、概念：由于这时流体处于相对静止状态，所以流体所受的质量力只有重力，而重力就是地心吸力，是可以看作不变的，但静止流体内部各点的压力是不同的，所以实质上是讨论流体内部压力变化的规律，用于描述这一规律的数学表达式称为流体静力学基本方程。

二、推导：重力F的投影：-

ghdA上截面压力：-P0dA下截面压力：PadA

Pz=0-

ghdA-P0dA+PadA=0流体静力学基本方程式:Pa=P0+

gh

三、讨论：

1、当容器上方的自由表面上压力的大小一定时，静止液体内部任一点压力的大小与流体本身的密度和该点距液面的深度有关。因此在静止的流通的同一液体处，处于同一水平面上各点的压力都相等。2、当液面上方的压力有变化时，液体内部各点的压力也发生同样大小的改变。

3、可见压力差的大小可以用一定高度差的液体柱来表示，这就是前面所介绍的压力可以用单位来计量的依据。但必须注明何种液体。

流体静力学基本方程式的应用举例

一、流体静压力的测量：

二、液位的测量：

三、液封高度的计算：

流体在管内的流动1、流量：流体在管内流动时，单位时间内统过任一截面的流体量。体积流量：Vs(m3/s)质量流量：Ws(kg/s)关系：Ws=

Vs2、流速：流体在管内流动时，单位时间内的距离。

平均流速

u=Vs/S

质量流速

Gkg/m2s3、Vs，Ws，u，G之间的关系：

u=Vs/A Vs=uS G=Ws/A=uA

/A=u

4、圆形管道直径的选定：一般管路截面积都是圆形，

S＝ Vs=u

则u=Vs/ di=稳定流动与不稳定流动

1、

稳定流动各截面上流体的流速，压强，密度等有关物理量仅随位置而改变，不随时间而改变的流动称为稳定流动。2、不稳定流动

各截面上流体的流速，压强，密度等有关物理量不仅随位置而改变，而且随时间而变的流动就称为不稳定流动。

流体稳定流动时的物料衡算—连续性方程

物料衡算

Ws1＝Ws2＝常数kg/su1

1A1=u2

2A2＝常数～连续性方程 若流体不可压缩液体

＝常数

u1S1=u2S2对圆管S=

d2/4u1d12=u2d22流体稳定流动时的能量衡算—柏努利方程

一、流动系统的总能量衡算

简单流程、基本假设、衡算范围、衡算基准、基准水平面、衡算内容

U1+gz1+u12/2+P1v1+Qe+We=U2+gz2+u22/2+P2v2

––––总能量衡算式

即、

U+

gz+

u2/2+

(Pv)=Qe+We

流动系统的机械能衡算—柏努利方程

Qe`=Qe+

hf

U=Qe+

hf-代入总能量衡算式:Qe+

hf-+g

z+

u2/2+

(Pv)=Qe+We

(Pv)= +

g

z+

u2/2+=We-

hf不可压缩流体

:比容v=c,v=1/

=

p/

g

z+

u2/2+

p/

=We-

hf或gz1+u12/2+p1/

+We=gz2+u22/2+p2/

+

hfgz1+u12/2+p1/

+w=gz2+u22/2+p2/

+E损

它的应用条件：

1、连续的稳定流动

2、不可压缩流体的流动

3、同一种流体内

4、对气体(p1-p2)/p1<20%可以用，但用

m柏努利方程的应用

确定容器的相对位置

确定送料用压缩空气的压力

确定输送设备的有效功率

计算管道中流体的流量

应用柏努利方程的解题要点

1、作图，确定衡算范围

2、截面的选取

3、基准水平面的选取

4、单位必须一致，各物理量单位换算成一致的，对压强表示方法也要一致，同时用绝压或同时用表压。

流体在管内的流动阻力

一、流体的粘性粘性：尽管流体抵抗剪切力的性能很弱，但这种性能还是存在的，并且在某些情况下还是不能忽略，我们把流体的这种抗拒剪切力的特性，称为粘性。粘性越大，内摩擦力越大，阻力越大。内摩擦力：流体运动时内部相邻两流体层间的相互作用力，称为内摩擦力，是流体粘性的表现，又称粘滞力或粘性摩擦力。内摩擦力是流体运动时造成能量损失的根本缘由。

二、牛顿粘性定律

流体内摩擦力F=

uS/

y剪应力

=F/S=

u/

y管内流动时：

=

du/dy（牛顿粘性定律）

––粘度

流体的粘度

粘度的物理意义：促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力。

粘度是流体的物理性质之一，其值由实验测定，液体的粘度随温度升高而减小，压强变化时，其粘度基本不变。气体粘度随压强增加而增加的很小，工程计算一般忽略。

粘度单位

在SI制中，[

]=PaS=kg/(Sm)1P=1g/(cms)=100cP=0.1PaS运动粘度：

=

/

单位：在SI中为m2/s物理制为cm2/s，称为斯托克斯，简称拖（st）对常压气体混合物的粘度

m=

yi

iMi1/2/

yimi对于分子不缔和的液体混合物的粘度：lg

m=

xilg

I流体的流动型态

两种流动型态：

层流：各层以不同的流速平行于管壁向前流动。湍流：除了沿管道向前运动以外，各质点还作不规则的杂乱运动且互相碰撞，互相混和。

雷诺实验装置雷诺实验录象流型的判据–––雷诺数

雷诺数Re=(du

)/

Re是一个准数，即没有单位的纯数实验证明，流体在管内流动时层流Re<2000湍流Re>4000过渡流2000<Re<4000流体在圆管内的流动速度分布

速度分布：由于流体具有粘度，使管壁处速度为零，离开管壁以后速度渐增，到中心处速度最大，此种变化关系称速度分布。

湍流时滞流内层和缓冲层

层流内层或滞流底层

缓冲层或过渡层

湍流主体

层流内层的厚度随Re的增大而减薄

单根圆管外边界层分离流体阻力的计算

直管阻力：流体流经一定管径的直管时，由于流体的内摩擦力而产生的阻力。局部阻力：主要是由于流体流经管路的管件，阀门及管截面的突然扩大或突然缩小等局部地方所引起的阻力。

衡算系统中能量损失可用不同方法来表示

以1kg流体为衡算基准：

hf

以1N流体为衡算基准：

hf/g=Hf

以1m3流体为衡算基准：

hf

=

Pf由实验得知，流动的流速越快，阻力越大，由于克服阻力消耗的能量愈多。

hf=

u2/2

流体在直管中的流动阻力

计算圆形直管阻力的通式—范宁公式

hf=

其中：

=8

/

u2

管壁粗糙度对摩擦系数的影响

1、

绝对粗糙度：指壁面凸出部分的平均高度

2、

相对粗糙度：指绝对粗糙度与管道直径的比值。

/d层流：管壁上凹凸不平的地方都是被有规则的流体层所覆盖，而流动速度又比较缓慢，流体质点对管壁凸出部分不会碰撞，故层流时，与管壁粗糙度无关。

湍流： 当

b>

此时管壁粗糙度对于的影响与层流相同。

当

b<

此时壁面粗糙度对影响成为重要因素。

摩擦系数

层流时的摩擦系数

=64/Re湍流时的摩擦系数

湍流时摩擦系数与流动型态和管壁粗糙度有关。影响因素很多无通用计算式，只能用经验公式算或图1-31查得

值。

非圆形管道的摩擦系数

当量直径de=对于非圆形管道用当量直径代替直径计算，湍流时

的计算与圆管相同，层流时

=C/64,C值的不同情况见书。

管路的局部阻力

流体在管路的进口，出口，弯头，阀门，扩大，缩小等局部位置流过时的阻力称为局部阻力。

1、

阻力系数法把克服局部阻力所引起的能量损失，用动能与系数相乘的形式来表示。hf`=

u2/2

––局部阻力系数，一般由实验测定。2、

当量长度法把流体的局部阻力折合成相当于流体流过长度为le的同直径的管道时所产生的阻力。

hf`=

管路总能量损失的计算

流体输送管路的计算

简单管路：管径相等或由不同管径的管段串联组成的管路。

复杂管路：指并联管路，分支与汇合管路等。

简单管路的计算

1、

已知管径，管长，管件和阀门的设置及流体输送量求流体通过此管路系统的能量损失，以便于进一步确定设备内压力，设备间的相对位置或输送设备所加入的外功。2、

已知管材，管径，管长，及局部阻力系数，供液点，需液点的位置和压力及供液点的压力情况，求流体的流速或流量。

3、已知管长，管件和阀门的设置，允许的能量损失及流量，求管径。

复杂管路计算的原则

并联管路

分支管路

并联管路

1、

1、流体流动规律

Vs=Vs1+Vs2+Vs3(不可压缩流体)

hfA-B=

hf1=

hf2=

hf32、

讨论（1）流体在各支管的流量和流速受两式限制。（2）管子长，直径小，而摩擦因数大的管段，流量小。管子短，直径大，而摩擦因数小的管段，流量大。 （3）并联管段的能量损失

hf，只需考虑其中任意管段的能量损失

hf即可。

分支管路

1、

流体流动规律

Vs=Vs1+Vs2(不可压缩流体) gzA+uA2/2+PA/

+

hfC-A=gzB+uB2/2+PB/

+

hfC-B2、

讨论

流体在流往各支管的流量取决于上式。

计算分支管路所需的能量时，为了能保证将流体输送到需用能量最大的支管目的地，就需要按照耗用能量最大的那根支管管路计算。管道直径的选择和计算

Vs=udi=流速和流量的测定

测速管

孔板流量计

文丘里流量计

转子流量计

测速管1、构造2、测速原理内管测得的为流体的冲压头：HA=u2/(2g)+P/(

g)外管测得的为流体的静压头：HB=P/(

g)管压差计读数为与之差，即

H=HA-HB=u2/(2g)则测量点的局部流速为：ur=测速管优缺点

1、优点：准确性较高，流体阻力小，适用于测量大直径管路中气体流速。

2、缺点：不能直接测出平均流速，且压差读数较小，当流体中含固体杂质时，易将测压孔堵塞，故不宜适用测速管。

孔板流量计

构造

孔板流量计录像孔板流量计测量原理

在孔板前后列柏努利方程式，经整理可得：

Vs=u0A0=孔板流量计优缺点

1、

优点：制造简单，随测量条件变化时，更换方便。

2、缺点：能量损失较大。

文丘里流量计

构造

工作原理

与孔板流量计相似，计算式也相似：Vs=文氏流量计录像文丘里流量计优缺点

1、优点：能量损失小

2、缺点：各部分尺寸要求严格，要精细加工，造价高。

转子流量计

构造

转子流量计工作原理

转子受到两个力：1、上推力等于流体流经转子与锥管间的环形截面所产生的压力差；2、净重力等于转子所受重力减去流体对转子的浮力；当上推力大于净重力，转子上浮；当上推力小于净重力，转子下降；当上推力等于净重力，转子平衡，停止在某一位置。转子流量计的流量公式：Vs=转子流量计优缺点

1、优点：读数方便，能量损失小，测量范围宽，能用于腐蚀性流体的测量。

2、缺点：管壁大多为玻璃制品，不能受高温和高压，易破碎而且安装时要求保持垂直。

三种流量计的区别

孔板流量计，文丘里流量计称为差压式流量计；转子流量计称为截面流量计。

流体输送机械

流体输送机械在化工生产中的应用①为流体提供动力，以满足输送要求；

②为工艺过程创造必要的压强条件；

流体输送机械的分类流体输送机械按工作原理分类：离心式（叶轮式）往复式旋转式流体动力作用式根据流体性质的不同分成：输送液体用的泵输送气体用的压缩机（或风机）

内容提要离心泵的操作原理和主要部件

离心泵的主要性能参数和特性曲线

影响离心泵特性的因素

第一节液体输送机械其它类型的泵

1、定义：液体输送机械就是将能量加给液体的机械，通称泵。2、分类：

离心泵：

往复泵：

旋转泵：

流体作用泵：一、离心泵的操作原理和主要部件：

1、操作原理：

A获能（叶轮）

B转能排液（泵壳）

C吸液（入口）可见，离心泵之所以能输送液体，主要是依靠高速旋转的叶轮，将动能和静压给予液体，在泵壳内液体的部分动能转变成静压能，使液体获得较高的压力，压出泵体外。

2、气缚现象

3、主要部件A叶轮：6～12片后弯叶片

平衡孔：平衡轴向推力B泵壳（蜗壳）

导轮C轴封装置离心泵的结构录像B型离心泵分解动画叶轮种类A按叶轮数目

多级泵

单级泵B按吸液方式

双吸式

单吸式C按所产生的压头大小中压泵＝20～50mH2O低压泵<20mH2O高压泵>50mH2OD按泵轴的位置

立式泵

卧式泵4、离心泵分类：二、离心泵的主要性能参数

1、流量（送液能力Q

）单位:m3/s2、扬程（H）单位:m3、轴功率（N轴）4、效率（

）泵轴叶轮液体能量能量1、离心泵的特性曲线：

H-Q曲线：

N轴-Q曲线：

-Q曲线：三、离心泵的特性曲线及影响因素2、影响离心泵性能的因素有：

密度

N轴=Ne/=Q

Hg/

粘度

转速

Q1/q2=n1/n2H1/H2=(n1/n2)2N1/N2=(n1/n2)3

叶轮直径

Q`/Q=D2`/D2H`/H=(D2`/D2)2N`/N=(D2`/D2)3

四、离心泵的气蚀与允许吸上高度

1、离心泵的气蚀现象

离心泵运转时液体在泵内的压强变化

a）泵入口

叶轮入口静压头

动压头基本不变,总压头

b）叶轮入口

叶轮入口转弯点（压强最低点）流体流到叶轮转弯点，消耗能量，静压头

，动压头基不变，总压头

c）叶轮转弯点

叶轮出口叶轮对流体做功，静压头

动压头

总压头

d）叶轮出口

泵出口泵壳流道渐大，动压头一部分转换为静压头，静压头

流动又消耗能量,动压头

总压头

汽蚀现象

从上述分析可以看出，在叶轮入口转弯处存在一个压强最低点。如果此处附近的最低压力等于或小于输送温度下液体的饱和蒸汽压，液体就会在该处发生汽化并产生气泡，气泡随同液体从低压区流向高压区，气泡在高压作用下迅速凝结或破裂，此时周围的液体以极高的速度冲向原气泡所占据的空间，在冲击点处产生几万KPa的压强，冲击频率可高达几万次之多，由于冲击作用使泵体震动并产生噪音，且叶轮局部处在巨大冲击力的反复作用下，使材料表面疲劳，从开始点蚀到形成裂缝，使叶轮或泵壳受到破坏，这种现象称为“汽蚀现象”。离心泵的吸液作用是由于吸入液面与泵入口处的压力差造成，当吸入液面压力一定，而泵入口处的压力必须大于输送温度下液体的饱和蒸汽压，即压力差是有限的，由于液体流动的推动力有限，因此泵的吸上高度也有一个最大限度，称为最大吸上高度。泵的安装位置不允许超过这一高度。

离心泵的气蚀2、离心泵的允许吸上高度（允许安装高度）指泵的吸入口与吸入液面间可允许达到的最大垂直距离Hg。设泵在最大吸上高度上操作，液面压力P0，泵入口处压力P1，泵入口处流体流速u，密度

，吸入管损失压头Hf

。从吸液面0-0至泵入口1-1列柏氏方程P0/

g+u02/2g+z0=P1/

g+u12/2g+z1+Hf可以看出，当z1上升，Hf0-1上升，则P1下降一直下降到气蚀允许的最小绝压，就不能再下降，否则就产生气蚀，则此时

z1-z0=Hg(u0=0)

Hg=(P0-P1)/

g-u12/2g-Hf,0-1对于敞口的贮槽P0=PaHg=(Pa-P1)/

g-u12/2g-Hf,0-1为了确定离心泵的允许安装高度，在国产的离心泵标准中，采用两种指标来表示泵的抗气蚀性能。

离心泵的允许吸上真空度

气蚀余量

离心泵的允许吸上真空度

为了避免气蚀现象，泵入口处压强应为允许的最低绝对压强，则Pa-P1为泵人口处的最高真空度。令Hs`=(Pa-P1)/

gHs`——离心泵的允许吸上真空度，是指在泵人口处可允许达到的最高真空度，m液柱。

Hg=Hs`-u12/2g-Hf0-1Hs`=[Hs+(Ha-10)-(PV/9.81×103-0.24)]×1000/

(a)、当输送与实验条件不同的清水时，可化简为：

Hs1=Hs+(Ha-10)-(HV-0.24)(b)、当输送与实验条件不同的其他液体时

Hs`=Hs×H2O/

气蚀余量

为了防止气蚀现象发生，在离心泵人口处液体的静压头P1/

g与动压头u12/2g之和必须大于液体在操作温度下的饱和蒸汽压头PV/g某一最小值，即

h=P1/g-u12/2g-Pv/gP1/g-u12/2g=h+Pv/gHg=P0/g-

h-Pv/g-Hf,0-1Hg=Hs`-u12/2g-Hf,0-1=(Pa-P1)/g-u12/2g-Hf,0-1

h`=

h

为了保证泵在运转时不发生气蚀Hg实际=Hg计算-(1～0.5)m当离心泵发生气蚀时，我们可以通过以下几个方面进行考虑：当地大气压Pa

,Hs`,Hg

,易气蚀Hg

,易气蚀吸入管Hf,0-1

,易气蚀(故一般离心泵的吸入管比排出管粗)密度

,Hs`,易气蚀液体温度T

,饱和蒸汽压

,易气蚀

五、离心泵的工作点及流量调节1、

管路的特性曲线管路的特性曲线是表示一定的管路系统所必需的有效压 头He与流量Qe的关系。在一稳定流动系统中，在1-1、2-2列柏努利方程式得：

He=

Z+

P/

g+

u2/2g+Hf

当管路系统一定时，

Z与

P/

g均为定值，上式可整理成 如下形式：

He=K+BQe2

此式表示在特定的管路中，送液量Qe与所需压头He的关系 称此式为管路特性曲线方程。将此关系标绘在图上，即可 得He—Qe曲线。2、离心泵的工作点

当离心泵安装在一管路中，泵所提供的流量与压头（H-Q）,应与管路所要的流量与压头(He-Qe)相一致。若将(H-Q)与(He-Qe)绘于同一图中，则两曲线的交点即为工作点。

3、

离心泵的流量调节对一台泵而言，其特性曲线H-Q是不会变的，而管路特性曲线可变。当原工作点所提供的流量不满足新条件下所需要的送液量时，即应设法改变原工作点的位置，即需要进行流量调节。流量调节方法有：

在离心泵出口管路上安装一调节阀，改变阀门开度，即改变He=K+BQ2中之B值。优点：操作简便、灵活。缺点：阀门关小时，管路中阻力增大，能量损失增加，并可能时泵不在最高效率区域中工作。故此种调节方法多用于流量调节幅度不大，而经常需要调节的场合。

改变泵的特性曲线，如改变叶轮转速、切削叶轮等。用这种方法调节流量在一定范围内可保持泵在高效率区域中工作，能量利用较经济，但不方便，需用变速装置，故应用不广。

六、离心泵的并联与串联操作

1、

串联 假若将两台型号相同的泵串联操作，则每台泵的压头和流量也是各自相 同的因此在同一流量下，两台串联泵的压头为每台泵的两倍。H串=2H单 两台泵串联操作的总压头必低于单台泵压头的两倍。H串<2H2、

并联 将两台型号相同的泵并联操作，且各自的吸入管路相同，则两泵的流量 和压头必各自相同，在同一压头下，两台并联泵的流量等于单台泵的两 倍。Q并=2Q单 两台泵并联操作的总流量必低于原单泵流量的两倍。Q并<2Q3、组合方式的选择

1、对于管路特性曲线较平坦的低阻管路，采用并联组合，可获得较串联组合高的流量和压头。2、对于管路特性曲线较陡的高阻管路，采用串联组合，可获得较并联组合高的流量和压头。3、对于(

Z+

P/

g)值高于单泵所能提供最大压头的特定管路，则必须采用串联组合方式。

七、离心泵的类型与选择

1、

类型 按输送液体的性质

按叶轮吸入方式

按叶轮数目

2、型号说明

4B29A4––泵吸入口直径（英寸）B––单级单吸悬臂式离心泵29––泵安装最大叶轮而效率最高时的扬程A––该型号的叶轮直径比基本型号4B29的叶轮直径小一级，即基本叶轮第一次切割。3、选择

确定输送系统的He与Qe。Qe（一般已知）He（由柏努利方程求得）选择泵的类型与型号。液体的性质和操作条件确定泵的类型。由He-Qe选泵型号。核算泵的轴功率。N=(HQ

)/(102

)第二节其它类型的泵往复泵旋涡泵旋转泵往复泵1、作用原理及主要部件

主要部件：泵缸、活塞、活塞杆、吸入阀、排出阀

工作原理：活塞向右移动

泵缸容积

泵体压力

排出阀门关阀，吸入杆打开

液体吸入活塞向左移动

泵缸容积

泵体压力

排出阀门打开，吸入杆关闭

液体排出

流量不均匀性单动泵由于吸入阀和排出阀均在活塞一侧，吸液时不能排液，排液时不能吸液，所以泵排液不连续，不均匀。为了改善往复泵的排液情况，可采用双动泵或三联泵。

双动泵即活塞两侧都装有吸入阀和排出阀，使吸液、排液同时进行。

往复泵的特点

流量仅与泵本身的尺寸及活塞的往复次数有关，而与泵的扬程无关。

压头与泵本身的尺寸无关，只要泵的机械强度及电动机功率允许，要多大压头，往复泵可供多大压头。

有自吸能力，启动泵前无需灌泵。

采用支路调节流量。

旋涡泵

特殊类型的离心泵，辐射状的径向叶片，原理与多级离心泵相似。

Q-H、Q-

曲线与离心泵相似。

Q-N曲线与离心泵相反，Q

N

故旋涡泵开车应打开出口阀。

回流支路调节流量。

启动泵前先灌泵。漩涡泵总体漩涡泵叶轮旋转泵

1、齿轮泵

工作原理与往复泵相似。

在泵吸入口，由于两齿轮分开，空间增大形成低压区而将液体吸入。

被吸入液体在齿轮和泵体之间被分成两路由齿轮推着前进。

在压出口，由于两齿轮互相合拢，空间缩小形成而将液体压出泵。2、螺杆泵与齿轮泵相似，用两根相互啮合的螺杆推动液体作轴向移动。

第三节气体输送和压缩机械应用：

输送气体

产生高压气体

产生真空

自动控制的回路或系统需有一定压力的气源

按工作原理分类：

往复压缩机

旋转压缩机

离心压缩机

流体作用压缩机按终压P2或压缩比P2/P1分：

压缩机P2/P1>4 P2>3×105Pa(表)

鼓风机P2/P1=1.15~4

通风机P2/P1=1~1.15 P2<1.5mH2O(表)

真空泵用于减压离心通风机

构造和原理:与离心泵相似：机壳、叶轮、吸入口、排出口

性能参数和特性曲线

:风量、全风压、静风压、轴功率、效率

离心通风机的特性曲线级有：Q-HT、Q-Hp、Q-N、Q-

离心通风机的选择

离心通风机离心鼓风机和压缩机（透平）

主要结构与离心通风机相似，但级数多，由于P

T

V

故叶轮逐渐变小。压缩机在10级以上，必须分段冷却，以免温度过高。

离心鼓风机离心压缩机离心压缩机叶轮往复压缩机1、气体压缩基本原理

理想气体PV=nRT=mRT/MP1V1/T1=P2V2/T2

等温压缩过程

T1=T2

则

P1V1=P2V2

绝热压缩过程

P1V1

=P2V2

=Cp/CvT2=T1

多变压缩过程

P1V1m=P2V2mT2=T1往复压缩的构造和工作原理

主要构造 气缸，活塞，吸入阀和排气阀。

工作原理

压缩过程、排气过程、余隙气体膨胀过程、吸气过程

往复压缩机的主要性能参数

送气能力：将压缩机在单位时间内排出的气体体积换算成吸入状态的数值。Vmin`m3/h往复压缩机的理论送气能力等于单位时间内活塞所扫过的容积：单动泵Vmin`=ASnr

双动泵

Vmin`=(2A-a)Snr

Vmin=

dV`min

d—送气系数0.7~0.9往复压缩机的轴功率

单级绝热压缩的理论功率：

N绝=压缩机的轴功率N轴=N绝/

绝多级压缩

理由：

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

压缩机结构更合理

型号

往复式真空泵

结构及工作原理

与往复压缩机基本相同。但是往复式真空泵的压缩比很高。则余隙中残留气体对真空泵的生产能力的影响就更大了。因此必须在结构上采取降低余隙影响的装置，这是与往复压缩机结构上不同之处。

主要性能参数

抽气速率

残余压力

其它气体输送和压缩机械：旋转鼓风机、压缩机与真空泵、喷射式真空泵

非均相混合物的分离

均相物系：指物系内部各处均匀且无相界面，包括溶液、气体混合物等。非均相物系：指物系内部有隔不同相的界面且界面两侧的物料性质有差异。包括：气固系统（如空气中的尘埃）；液固系统（如液体中的固体颗粒）；气液系统（如气体中的液滴）；液液系统（如乳浊液中的微滴）等。

非均相物系分离的依据是连续相与分散相具有不同的物理性质（如密度），故可用机械方法进行分离。利用密度差进行分离时，必须使分散相与连续相产生相对运动，因此，分离非均相物系的单元操作遵循流体力学的基本规律，按两相运动方式的不同分为沉降和过滤。非均相物系的分离主要用于：1、回收有用物质，如颗粒状催化剂的回收；2、净化气体，如除尘、废液、废气中有害物质的清除等。

第一节沉降沉降操作是使悬浮在流体中的固体颗粒，在重力或离心力的作用下，沿着受力方向发生运动而沉积，从而与流体分离的过程。重力沉降：利用悬浮固体颗粒本身的重力完成分离的操作。离心沉降：利用悬浮的固体颗粒的离心力作用而获得分离的操作。一、重力沉降（一）球形颗粒的自由沉降自由沉降速率：（二）阻力系数

介质阻力系数=f(Rt),如图3-2（三）沉降速度的计算对一定的颗粒与介质而言，重力与浮力值不变，而阻力则随下降速度增加而增大。沉降开始阶段，颗粒作加速运动，经过一段时间后，当重力等于浮力与阻力之和时，加速度为零，颗粒即作等速沉降运动，此时颗粒的沉降速度称为沉降速度或终端速度。层流区

ut=斯托克斯公式过渡区

ut=艾伦公式湍流区

ut=牛顿公式计算ut需用试差法，即先假设流动类型（层流、过渡流、湍流）后选用相应的ut计算式算出ut，用ut计算Re，再检验假设的流型是否正确。（四）实际重力沉降速度自由沉降：固体颗粒在沉降过程中不因流体中其他颗粒的存在而受到干扰的沉降。干扰沉降：固体颗粒在沉降过程中，因颗粒之间的相互影响，而使颗粒不能正常沉降。二、

离心沉降

颗粒在离心力场作用下，受到离心力的作用而沉降的过程称为离心沉降。悬浮在流体中的微粒，利用离心力比利用重力可以使微粒的沉降速度增大很多，这是因为离心力由旋转而产生，旋转的速度愈大则离心力也愈大；而微粒在重力场中所受的重力作用是一个定值。因此，将微粒从悬浮物系中分离时，利用离心力比利用重力有效的多。同时，利用离心力作用的分离设备不仅可以分离较小的微粒，而且设备的体积可以缩小。与重力沉降速度相比，只是将重力场改为离心场。

三、沉降分离设备1、重力沉降设备降尘室、连续沉降槽2、离心分离设备旋风分离器、旋液分离器、离心沉降机第二节过滤一、概述（一）滤饼过滤与深层过滤滤饼过滤悬浮液中的颗粒沉积在过滤介质表面形成滤饼层，滤液穿过滤饼层中的空隙流动叫做滤饼过滤。深层过滤固体颗粒不形成滤饼，而是沉积在过滤介质内部叫做深层过滤。通常将原悬浮液称为滤浆，滤浆中的固体颗粒称为滤渣，过滤时积聚在过滤介质上的滤渣层称为滤饼，通过过滤介质的液体称为滤液。（二）过滤介质过滤介质的作用是支承滤饼，故除有孔隙外，还应具有足够的机械强度及尽可能小的阻力。工业上常用的过滤介质有：织物介质：天然纤维、化学纤维、玻璃丝、金属丝织成的滤网。多孔性固体介质：多孔性陶瓷板，多孔性塑料板，多孔性金属陶瓷板等，此类介质能截留小至1-3

m的固体颗粒。堆积介质：细沙、石、炭屑等堆积的颗粒床层及非编织纤维玻璃棉等的堆积层。一般用于处理含固体微粒少的悬浮液，如水的净化。

（三）过滤推动力过滤推动力是指滤饼和过滤介质两侧的压力差。此压力差可以是重力或人为压差。增加过滤推动力的方法有：1、增加悬浮液本身的液柱压力，一般不超过50KN/m2，称为重力过滤。2、增加悬浮液液面的压力，一般可达500KN/m2称为加压过滤。3、在过滤介质下面抽真空，通常不超过真空度86.6KN/m2，称为真空过滤。此外，过滤推动力还可以用离心力来增大，称为离心过滤。

（四）过滤基本参数处理量、生产能力、生产率、过滤面积、悬浮液固相浓度、滤饼含液量、滤饼与滤液的体积比、过滤速率、过滤速度（五）滤饼的可压缩性不可压缩滤饼：由刚性颗粒形成的滤饼，在过滤过程中颗粒形状和颗粒间的空隙率保持不变。可压缩滤饼：由非刚性颗粒形成的滤饼，在压强差作用下会变形。（六）滤饼的洗涤目的：回收滤液或得到较纯净的固体颗粒二、恒压过滤（一）过滤的基本方程（二）恒压过滤方程V2+2VeV=KA2tq2+2qeq=Kt（三）过滤常数K、Ve、qe的测定根据恒压过滤方程，测两个时间t1、t2的滤液体积V1、V2，联立方程组即可估算其值。三、过滤设备（一）板框压滤机1、2、3（二）转鼓真空过滤机（三）离心过滤机

传热(Heattransfer)第一节概述

传热是因温差导致的能量传递过程，又称热传递。由热力学第二定律可知，在有温度差存在时，热量会自发地从高温处传递到低温处。因此，传热是自然界和工程技术领域中普遍存在的能量传递现象。无论是在能源、化工、冶金等工业部门，还是在农业、环境保护等行业中都会涉及到传热问题。一、传热在化工生产中的应用

化学工业与传热的关系尤为密切。因为无论是生产中的化学反应过程，还是物理过程（即化工单元操作），几乎都伴有热量的传递。主要应用有以下方面：1、为化学反应过程创造必要的条件；

众所周知，化学反应是化工生产的核心，多数化学反应都有一定的温度条件且伴随着反应热。例如：氨合成反应的操作温度为470～520℃；氨氧化法制备硝酸过程的反应温度为800℃等等。为了达到要求的反应温度，必先对原料进行加热；而这两个过程的反应又都是可逆放热反应，为了保持最佳反应温度、加快正反应速度，则必须及时移走反应放出的热量（若是吸热反应，要保持反应温度，则需及时补充热量）。

以合成氨生产过程为例：2、为物理单元操作创造必要的条件；对某些单元操作过程（如蒸发、结晶、蒸馏和干燥等）往往需要输入或输出热量，才能保证操作的正常进行。如蒸馏操作中，为使塔釜内的液体不断气化，就需要向塔釜内的液体输入热量，同时，为了使塔顶的蒸气冷凝得到回流液和液体产品，就需要从塔顶蒸气中移出热量。3、提高热能的综合利用和余热的回收；仍以合成氨生产过程为例，合成塔出口的合成气温度很高，为将合成气中的反应产物氨与反应原料氮、氢气加以分离必须要降温，为提高热量的综合利用和回收余热，可用其副产蒸气或加热循环气等。因此，传热是化工生产过程中的常规单元操作之一。化工生产中对传热过程的要求通常有以下两种情况：一是强化传热，即加大传热过程速率的过程。如各种换热设备中的传热，要求传热速率快，传热效果好。另一种是削弱传热，也即减小传热速率的过程。要求传热速率慢，以减少热量或冷量的损失。如设备和管道的保温过程。为此，必须掌握传热的共同规律。化工传热过程可连续亦可间歇进行。对于前者，传热系统中不积累热量，即输入系统的热量等于输出系统的热量，称为稳定传热（又称定态传热）。稳定传热的特点是传热速率为常数，并且系统中各点的温度仅随位置变化而与时间无关。对于后者，传热系统中各点的温度不仅随位置变化且随时间变化，称为不稳定传热（又称非定态传热）。本章中除非另有说明，只讨论稳定传热。

二、传热的基本方式

根据机理的不同，传热有三种基本方式：热传导、热对流和热辐射。传热过程可依靠其中的一种或几种方式同时进行。

（一）热传导

热传导又称导热，是借助物质的分子或原子振动以及自由电子的热运动来传递热量的过程。当物质内部在传热方向上无质点宏观迁移的前提下，只要存在温度差，就必然发生热传导。可见热传导不仅发生在固体中，同时也是流体内的一种传热方式。

在静止流体内部以及在作层流运动的流体层中垂直于流动方向上的传热，是凭借流体分子的振动碰撞来实现的，换言之，这两类传热过程也应属于导热的范畴。所以说：固体和静止流体中的传热以及作层流运动的流体层中垂直于流动方向上的传热均属于导热。很显然，导热过程的特点是：在传热过程中传热方向上无质点块的宏观迁移。（二）热对流

热对流是利用流体质点在传热方向上的相对运动来实现热量传递的过程，简称对流。根据造成流体质点在传热方向上的相对运动的原因不同，又可分为强制对流和自然对流。若相对运动是由外力作用引起的，则称为强制对流。如传热过程因泵、风机、搅拌器等对流体做功造成传热方向上质点块的宏观迁移。若相对运动是由于流体内部各部分温度的不同而产生密度的差异，使流体质点发生相对运动的，则称为自然对流。例如，我们可以观察到燃烧炉上方的空气是晃动的，这是因为靠近炉子表面的空气被加热升温后，密度减小而上浮，离炉子表面较远的空气温度相对较低，由于密度较大而下沉，冷、热气团形成自然对流的结果。流体在发生强制对流时，往往伴随着自然对流，但一般强制对流过程的速率比自然对流的大得多，故在工业换热设备中，流体中的热对流过程通常控制为强制对流方式。

（三）热辐射热辐射是一种通过电磁波来传递热量的方式。具体地说，物体先将热能转变成辐射能，以电磁波的形式在空中进行传送，当遇到另一个能吸收辐射能的物体时，即被其部分或全部吸收并转变为热能，从而实现传热。根据赫尔－波尔兹曼定律：凡温度高于绝对零度的物体均具有将其本身的能量以电磁波的方式辐射出去，同时有接受电磁波的能力，且物体的辐射能力大致与物体的绝对温度的4次方成正比。因此，辐射传热就是不同物体间相互辐射和吸收能量的结果。辐射传热不仅是能量的传递，同时还伴有能量形式的转换。热辐射不需要任何媒介，换言之，可以在真空中传播。这是热辐射不同于其他传热方式的另一特点。应予指出，只有物体温度较高时，辐射传热才能成为主要的传热方式（如化工生产现场的管式炉）。实际上，传热过程往往并非以某种传热方式单独出现，而是两种甚至是三种传热方式的组合。例如，热水瓶抽真空的目的就是为了减少导热过程的损失；瓶口加塞就是为了减少对流损失；内胆镀银是为减少辐射传热的损失。再如，化工生产中普遍使用的间壁式换热器中的传热，主要是以热对流和导热相结合的方式进行的。有关内容将在后文中详细介绍。三、工业换热器1、混合式换热器主要特点：冷热两种流体间的热交换，是依靠热流体和冷流体直接接触和混合过程实现的。优点：传热速度快、效率高，设备简单，是工业换热器的首选类型。典型设备：如凉水塔、喷洒式冷却塔、混合式冷凝器适用范围：无价值的蒸气冷凝，或其冷凝液不要求是纯粹的物料等，允许冷热两流体直接接触混合的场合。

废蒸气冷水热水2、间壁式换热器主要特点：冷热两种流体被一固体间壁所隔开，在换热过程中，两种流体互不接触，热量由热流体通过间壁传给冷流体。以达到换热的目的。优点：传热速度较快，适用范围广，热量的综合利用和回收便利。缺点：造价高，流动阻力大，动力消耗大。典型设备：列管式换热器、套管式换热器。适用范围；不许直接混合的两种流体间的热交换。3、蓄热式换热器蓄热式换热器，简称蓄热器。是借助蓄热体将热量由热流体传给冷流体的。在此类换热器中，热、冷流体交替进入，热流体将热量储存在蓄热体中，然后由冷流体取走，从而达到换热的目的。此类换热器结构简单，可耐高温，缺点是设备体积庞大，传热效率低且两流体有部分混合。常用于高温气体热量的回收或冷却。如在煤气发生炉中，就是利用空气煤气的生成热（即碳与氧气反应释放的热量）来提高炉温并在炉体中积蓄热量，为后续的水煤气制气过程提供热量的（即碳与水蒸气反应需吸收的热量）。

高温流体低温流体蓄热体4、中间载热体式换热器中间载热体式换热器，又称热媒式换热器。其换热原理是：将两个间壁式换热器由在其中循环的载热体（称为热媒）连接起来，载热体在高温流体换热器中从热流体吸收热量后，带至低温流体换热器传给冷流体。如空调的制冷循环、太阳能供热设备、热管式换热器等均属此类。此类换热过程广泛应用于核能工业、冷冻技术及工厂余热利用中。换热器还可以按其他方式进行分类，有关其他分类方法和换热器的结构、特点等内容，将在后文中详细介绍。四、传热速率和热通量1、传热速率Q（热流量）指单位时间内通过传热面的热量。整个换热器的传热速率表征了换热器的生产能力，单位为W；2、热通量q指单位时间内通过单位传热面积缩传递的热量。在一定的传热速率下，q越大，所需的传热面积越小。因此，热通量是反映传热强度的指标，又称为热流强度，单位为W/m2。第五节热传导一、傅立叶定律（一）导热的分类由热传导引起的传热速率称为导热速率，其与导热体内部的温度分布情况有关。导热体内部在空间和时间上的温度分布称为温度场。热传导又称导热，是物质借助分子和原子振动及自由电子运动进行热量传递的过程。前已述及，导热在固体、液体、气体中均可发生。但严格而言，只有固体中传热才是纯粹的热传导。而流体体即使处于静止状态，也会有因温差而引起的自然对流。所以，在流体中对流与传导是同时发生的。鉴此，本节只讨论固体中的导热问题，并结合工程实际介绍导热过程的计算方法。

若温度场内各点的温度随时间变化，则称为不稳定温度场。可用数学表达式表示为：

t=f(x,y,z,θ)式中

t——温度，℃；x、y、z——任一点的空间坐标；θ——时间，s。显然，不稳定温度场中的导热为不稳定导热（又称非定态导热）。例如，从燃烧炉夹出的煤块，内外温度随时间变化，其导热速率也随时间变化。

若温度场内各点的温度不随时间改变，则称为稳定温度场。稳定温度场中的导热即为稳定导热（又称定态导热）。可用数学表达式表示为：t=f(x,y,z)

稳定温度场中温度相同的点所组成的面称为等温面。由于稳定温度场中任一点不可能有两个温度，因此，温度不同的等温面不能相交。当稳定温度场中的温度只沿空间某一方向变化时，称为一维稳定温度场，此时的导热称为一维稳定导热。可用数学表达式表示为：t=f(x)在化工生产过程中，一维稳定导热体的等温面：在直角坐标系中往往是垂直于温度变化方向的平壁面；在柱坐标系中往往是垂直于温度变化方向的圆柱面；在球坐标系中往往是垂直于温度变化方向的球面。对后两者可用数学表达式表示为：

t=f(r)化工生产过程中所涉及的导热问题多为一维稳定导热问题，如方形燃烧炉的炉壁、蒸汽管的管壁、列管或套管换热器的管壁以及球形容器等。限于篇幅和实用性，本节只讨论一维稳定导热问题。（二）傅立叶定律导热过程的导热速率可借助傅立叶定律确定。傅立叶定律表明了导热体的导热速率与导热方向上温度的变化率和垂直于导热方向的导热面积成正比。对一维稳定导热过程，傅立叶定律可表述为

上式中,称为温度梯度。由于导热方向为温度下降的方向，故需在右端加一负号。若要将上式写成等式，则需引入一比例系数λ，即（4-16）式中Q——导热速率，指导热体在单位时间内传递的热量，J/s或W；

——比例系数，称为导热系数，J/s∙m∙℃或W/m∙℃；S——导热面积，m2。式（4-16）即为一维稳定导热过程的傅立叶定律的数学表达式，是一维稳定导热计算的基本公式。

（三）导热系数将式（4-16）改写为上式即为导热系数的定义式。其表明导热系数在数值上等于单位温度梯度下的热通量。它是表征物质导热性能的一个物性参数，

越大，导热性能越好。导热性能的大小与物质的组成、结构、温度及压强等有关。物质的导热系数通常由实验测定。各种物质的导热系数数值差别极大，一般而言，金属的导热系数最大，非金属次之，而气体最小。工程上常见物质的导热系数可从有关手册中查得，本教材附录亦有部分摘录。1．气体的导热系数与液体和固体相比，气体的导热系数最小，对导热不利，但却有利于保温和绝热。工业上所使用的保温材料（如玻璃棉等）就是因为其空隙中有大量静止的空气，所以其导热系数很小，适用于保温隔热。气体的导热系数随着温度的升高而增大；这与温度升高后气体分子的热运动加剧，碰撞机会增多有关。而在相当大的压强范围内，气体的导热系数随压强的变化很小，可以忽略不计，只有当压强很高（大于200MPa）或很低（小于2.7kPa）时，才应考虑压强的影响，此时导热系数随压强的升高而增大。

常压下气体混合物的导热系数可用下式估算：

（4-17）

式中

m——气体混合物的导热系数，W/m∙℃；

i——气体混合物中i组分的导热系数，W/m∙℃；yi——气体混合物中i组分的摩尔分数；Mi——气体混合物中i组分的摩尔质量，kg/kmol。2．液体的导热系数液体可分为金属液体（液态金属）和非金属液体。液态金属的导热系数比一般液体的高，其中熔融的纯纳具有较高的导热系数，大多数金属液体的导热系数随温度的升高而降低。在非金属液体中，水的导热系数最大。除水和甘油外，大多数非金属液体的导热系数亦随温度的升高而降低。通常纯液体的导热系数较其溶液的要大。液体的导热系数基本上与压强无关。液体混合物的导热系数在实验数据缺乏的情况下，可按下法估算：有机化合物水溶液的导热系数估算式为（4-18）有机化合物的互溶混合液的导热系数估算式为（4-18a）上两式中分别为混合液中i组分的质量分率及与混合液相同温度下i组分的导热系数。3．固体的导热系数导热性能与导电性能密切相关，一般而言，良好的导电体必然是良好的导热体，反之亦然。在所有固体中，金属的导热性能最好。大多数金属的导热系数随着温度的升高而降低，随着纯度的增加而增大，也即合金比纯金属的导热系数要低。非金属固体的导热系数与其组成、结构的紧密程度及温度有关。大多数非金属固体的导热系数随密度增加而增大；在密度一定的前提下，其导热系数与温度呈线性关系，随温度升高而增大。应予指出，在导热过程中导热体内的温度沿传热方向发生变化，其导热系数也在变化，但在工程计算中，为简便起见通常使用平均导热系数。二、傅立叶定律的应用

（一）平壁导热1、单层平壁导热如图4-11所示，若平壁的面积S与厚度δ相比很大，则从边缘处的散热可以忽略，壁内温度只沿垂直于壁面的x方向发生变化，即所有等温面是垂直于x轴的平面，且壁面的温度不随时间变化，显然为一维稳定导热。由傅立叶定律Qt1t2

2、多层平壁热传导

工程上常常遇到多层不同材料组成的平壁，例如工业用的窑炉，其炉壁通常由耐火砖、保温砖以及普通建筑砖由里向外构成，其中的导热则称为多层平壁导热。下面以三层平壁导热计算为例，介绍多层平壁导热的计算方法。在稳定传热时，通过上述串联平壁的导热速率都是相等的。即

根据等比定律则有b1b2b3Qtt1t2t3t4x化简得若由三层平壁导热向n层平壁推广，其导热速率方程式则为：式中下标i为平壁的序号。（二）圆筒壁导热

1、单层圆筒壁导热化工生产中的导热问题大多是圆筒壁中的导热问题。例如，管式换热器、蒸汽及液氨导管壁面中的传热过程等均属于此类。它与平壁导热的不同之处在于：温度随半径而变；此时傅立叶定律应改写为圆筒壁的导热面积随半径而变，S＝2πrL。

如图所示，设圆筒壁的内、外半径分别为r1和r2长度为L；内、外表面温度分别为t1和t2，且t1>t2

；管材导热系数为λ。则由傅立叶定律有：因稳定过程导热体的导热速率为常数，若导热体的导热系数可视为常数或可取平均值，则上式中仅包含温度t和半径r两个变量。将上式分离变量，并根据r=r1，t=t1；r=r2，t=t2的边界条件积分。即：积分得：

式中即为圆筒壁的导热热阻。上式即为单层圆筒壁的导热速率方程式，该式也可以改写成类似单层平壁的导热速率计算式的形式。由上式中，为圆筒壁的厚度，m。若令上式中的，称为圆筒壁的对数平均半径；又根据圆筒壁的导热面积计算式，可令，称为圆筒壁的平均导热面积。故上式可改写为：跟传热平均温度差计算相类似地，当r2/r1

2时，上式中的对数平均半径也可用算术平均值代替。

2、多层圆筒壁导热计算在工程上，多层圆筒壁的导热情况比较常见。例如，在高温或低温管道的外部包上一层乃至多层保温材料，以减少热量（或冷量）损失；在反应器或其他容器内衬以工程塑料或其他材料，以减小腐蚀；在换热器内换热管的内、外表面形成污垢等等。与多层平壁相似，对于多层圆筒壁，其导热速率方程可以表示为：（三）空心球体的导热由于球形设备具有表面积小、容量大、用材省、热量（或冷量）损失、受压均匀等优点。所以，在化工生产过程中，球形设备的应用已趋于普遍。对于空心球体的导热过程可右图来进行说明。若在空心球体的内外两侧，分别放置两个加热源，使得内外壁温度恒定为t1和t2，且t1>t2。则温度仅随球壳的半径变化，导热仅为径向上的热传导。此外，与空心圆柱体导热过程相似地，空心球体的导热面积也是随半径的变化而变化故由傅立叶定律有将上式分离变量后并根据r=r1，t=t1；r=r2，t=t2的边界条件积分。也即积分得上式即为单层空心圆柱体的导热速率计算式。式中，空心球体的壁厚，m；

Sm——空心球体的平均导热面积，m2。，称为空心球体的几何平均半径，m。由上式仿照多层空心圆柱体的导热过程，可得n层空心球体的导热速率为

第三节对流传热一、对流传热的分析1、滞流内层：流体呈滞流流动，沿壁面法向没有质点的移动和混合，即没有对流传热，传热方式仅是热传导。因为液体导热系数小，因此热阻较大，温度梯度大。2、缓冲层：流体流动介于滞流和湍流之间，热传导和对流传热同时起作用，热阻较小。3、湍流主体：质点剧烈运动，完全混合，温度基本均匀，无温度梯度。因此，对流传热的热阻主要集中在滞流内层，减薄其厚度是强化传热过程的关键。二、对流传热速率方程

由前面讨论知，对流传热是一个复杂的过程影响因素很多，因此计算是只能用半理论半经验的公式：对流传热速率＝对流传热推动力/阻力＝系数×推动力Q=αAΔtΔt——流体与壁面间的温度差平均值℃α——平均对流传热系数W/m2℃流体与壁面间的平均温度差为1℃，面积为1/m2的热通量，对流传热系数越大，传热越剧烈。三、对流传热系数

（一）影响对流传热系数的因素1、流体流动产生的原因2、流体的流动情况3、流体有无相变化发生4、流体的物理性质5、传热表面的形状、位置和大小（二）对流传热系数的一般关联式1、流体无相变时的对流系数：准数关系式为：Nu=f(Re,Pr,Gr)其中:努塞尔准数Nu=αl/λ雷诺准数Re=duρ/μ普兰特准数Pr=Cpμ/λ格拉斯霍夫准数Gr=βgΔtl3ρ2/μ2准数之间通常用指数方程表示：Nu=CRemPrnGri其中c,m,n,i都是针对不同的情况下具体条件而测得的，这些值测得后，即可计算出对流传热系数。自然对流Re=0Nu=CPrnGri强制对流Gr=0Nu=CRemPrn2、流体有相变化时对于蒸气冷凝时Nu=f(Ga,Pr,KD)Ga=gl3ρ2/μ2

伽利略准数

KD=r/CpΔt冷凝准数一般情况下Nu=C(Ga,Pr,KD)n（三）对流传热系数的经验关联式一、流体无相变时的对流传热系数1、流体在管内作强制对流1）流体在圆形直管内作强制湍流a、低粘度（粘度小于2倍常温下水的粘度）的流体Nu=0.023Re0.8Prn或α=0.023λ/l(luρ／μ)0.8(Cpμ／λ)n应用范围：Re>100000.7<Pr<160L/di>60；特征尺寸：l取管内径di定性温度：流体进出口主体温度的算术平均值。其中n与热流方向有关，流体被加热时，n=0.4被冷却时n=0.3.b、高粘度液体Nu=0.027Re0.8Pr0.33(μ／μw)0.14μ:液体在主体平均温度下的粘度μw：液体在壁温下的粘度其中（μ/μw）0.14一项是考虑热流方向影响的校正项。在工程计算时，液体加热(μ/μw）0.14=1.05，液体被冷却时（μ/μw）0.14=0.95由于滞流内层的厚度粘度随热流方向的不同而不同，液体被加热是，滞流内层的温度比主体温度高，又粘度反比于温度，因此滞流内层厚度减薄，致使对流传热系数增大。液体被冷却上，情况相反，对于液体Pr>1即

Pr0.4>Pr0.3.因此加热时n=0.4。

2）流体在圆形直管内强制滞流a.自然对流可以忽略Nu=1.86Re0.33Pr0.33(di/L)0.33(μ/μw)0.14应用范围：Re<2000,L/di>60,RePrdi/L>10特征尺寸：di定性温度：平均温度（μw

除外）3)流体在圆形直管内作强制对流于过渡状态当Re=2300~10000α先按湍流时计算然后再用式φ＝1－600000/Re1.8求出校正系数。φ<14）流体在弯管内强制对流在弯管内，由于离心力的作用，扰动加剧，较直管时大α`＝α(1+1.77d/R)α`:弯管α：直管R：曲率半径5)流体在非圆形直管内强制对流计算当量直径，再用上面公式。2、流体在管外强制对流1）流体在管束外强制垂直流动2）流体在换热器的管间流动二、液体有相变时的对流传热系数1、蒸气冷凝膜状冷凝；若冷凝液能够润湿壁面，则在壁面上形成一层完整的液膜，故称为膜状冷凝。滴状冷凝：若冷凝液不能润湿壁面，由于表面张力的作用，冷凝液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面落下，此种冷凝称为滴状冷凝。工业上遇到的大多是膜状冷凝，因此冷凝器的设计总是按膜状冷凝来处理，下面介绍纯净的饱和蒸气膜状冷凝的传热系数的计算方法。1*蒸气在单根水平管上冷凝Nu=0.725(GaPrKD)0.25=0.725(λ3ρ2gr/douΔt)0.25其中：

r：蒸气冷凝潜热取饱和温度下的数值

ρ：冷凝液的密度kg/m3λ：冷凝液的导热系数W/m℃μ：冷凝液的粘度PaSdo：特征尺寸，在此用管外径m

定性温度：取液膜平均温度tm=(ts+tw)/2

Δt=ts-tw℃2*蒸气在水平管束外的冷凝对流传热系数仍可用上式计算，但特征尺寸该为n2/3do,n为水平管束垂直列上的管子数。在列管式冷凝器中，若管束由互相平行的二列管子所组成，一般各列管子在垂直方向的管数不相等，若分别为n1,n2,n3,…则3*蒸气在垂直管内、外或垂直平板侧的冷凝若膜层为滞流Re<1800时

＝1.13(gρ２λ３r/μLΔt)0.25若膜层为湍流Re>1800时

=0.0077(gρ２λ３／μ２)0.33Re0.4特征尺寸:l取垂直管或板的高度。定性温度：蒸气冷凝潜热r取饱和温度ts下的值，其余物性取液膜平均温度tm=0.5(ts+tw)下的值。用来判断膜层流型的雷诺准数经常表示为冷凝负荷M的函数。冷凝负荷M：单位长度润湿周边上的单位时间流过冷凝液量。kg/msM=Ws/bb:润湿周边若膜状流动时，液流的横截面积（流通面积）为A,故当量直径为de=4A/bRe=deuρ／μ=4M/μ2、液体的沸腾大容器沸腾：将加热面浸没在液体中，液体在壁面处受热沸腾，称大容器沸腾。管内沸腾：使液体在管内流动时受热沸腾，称管内沸腾。实验表明，大容器内液体饱和沸腾的情况随温度差Δt=tw-ts而变。下面以常压下水在大容器中沸腾传热为例，分析沸腾温度差Δt对传热系数和热通量q的影响。临界点c：由泡状沸腾向膜状沸腾