第一篇环境工程原理基础.ppt

1、华虹,环境工程原理,2020/7/15,2,环境工程原理基础,第一篇,2020/7/15,3,第一章 绪 论,一、环境工程原理的研究对象 1环境学科 环境学科是随着环境问题的日趋突出而产生 的一门新兴的综合性边缘学科。 环境学科的研究内容 环境学科研究的目的,研究人类活动与环境质量的关系 研究人类与环境的对立统一关系,掌握人类活动与环境质量之间对立 统一的发展规律，从而保护环境并 使其向对人类有利的方向演变。,2020/7/15,4,第一章 绪 论,环境学科是一门多学科综合研究的学科,环境科学 环境工程学 环境生态学 环境规划与管理,2. 环境学科体系,2020/7/15,5,第一章 绪 论,

2、二、环境工程学学科体系,环境净化与污染控制技术及原理,生态修复与构件技术及原理,清洁生产理论及技术原理,环境规划管理与环境系统工程,环境工程监测与环境质量评价,环境工程学,运用工程学的方法研究环境问题,2020/7/15,6,第一章 绪 论,水质净化与水污染控制工程（给水、排水） 空气净化与大气污染控制工程（IAQ等） 固体废弃物处理处置与管理（城市垃圾、工业垃圾、 有毒有害废弃物等）；（减量化、资源化、无害化） 物理性污染控制工程（辐射、噪声、光、热等） 土壤净化与污染控制技术 废物资源化技术,2020/7/15,7,第一章 绪 论,三、环境工程原理的研究方法,工艺学方法： 分别研究各类污染

3、物治理工程的工艺流程、反应条件、操作设备、原理等。,2020/7/15,8,第一章 绪 论,工业气体净化工艺流程,如：,生活污水生物接触氧化处理与回用工艺流程,2020/7/15,9,第一章 绪 论,垃圾焚烧发电及烟气净化流程,2020/7/15,10,第一章 绪 论,2020/7/15,11,第一章 绪 论,工程学方法： 抽出各工艺流程中共性的操作来研究。 不同的工艺流程都可以由一些共性的操作组合来完成。,环境净化 污染防治 技术原理,隔离（扩散控制）,分离（不同介质间的迁移）,转化（化学、生物反应）,2020/7/15,12,第一章 绪 论,污染控制工程的重要工作：,利用隔离、分离、转化等

4、技术原理，通过工程手段，实现污染物的高效、快速去除。,2020/7/15,13,第一章 绪 论,案例分析：,H2SO4生产工艺简流程：,工艺： 硫铁矿 焙烧 冷却，净化 催化 吸收 浓硫酸,操作： 原料 破碎,固体流态化 鼓风,热交换 物系分离,化学 转化,吸收 流体输送,产品,焦炉煤气净化工艺简流程：,工艺： 来自焦炉的粗煤气 初冷 鼓风机 脱焦油 , 洗萘 洗氨 洗苯 终洗萘 脱硫 用户,操作：,热交换 沉降,流体输送,电捕 静电或旋风分离,吸收,吸收,吸收 蒸馏,吸收,化学转化 吸附,14,2020/7/15,第一章 绪 论,不同工艺的共性内容：,主要过程大多数为物理性操作，如流体输送、

5、换热、 沉降、分离、吸收、吸附、蒸馏、结晶、萃取、干燥、膜 分离等。,这些物理过程统称为“分离单元操作”,不同的污染控制工程需要不同的工艺流程，但是这些 复杂的多样化的工艺大多可看做是由一些简单的分离单元 操作组合而成。,工程学研究方法的特点：,2020/7/15,15,分离单元操作的特点：, 物理性操作： 仅改变物料的状态或物性。, 共有性操作： 在许多工艺中都可适用。, 基本原理与基本设备通用： 对不同的工艺流程，相同的单元操作的基本原理及 基本设备是通用的。,第一章 绪 论,2020/7/15,16,第一章 绪 论,四、环境工程原理研究内容,环境工程原理基础： 阐述工程学的基本概念和基本

6、理论，包括物料与 能量守恒原理以及热量与质量传递过程的基本理 论等。 分离过程原理： 讨论沉淀、过滤、吸收、吸附、离子交换、膜分 离等基本分离过程的机理和基本设计计算理论。 反应工程原理： 在学习化学与生物反应动力学的基础上，研究各 类化学与生物反应器的解析与设计理论。,2020/7/15,17,第一章 绪 论,环境工程原理的理论基础可归结为“三传理论” 动量传递： 用流体力学的基本规律研究分离单元操作，如 流体流动、流体输送、沉降、过滤、离心分离等。 热量传递： 用传热学基本规律研究分离单元操作，如加热、 冷却、蒸发等。 质量传递： 用质量扩散基本规律研究分离单元操作，如吸 收精馏、吸附、萃

7、取等。,2020/7/15,18,“三传理论”的三个基本规律分别为： 动量传递 牛顿黏性定律,热量传递 傅立叶定律,质量传递 菲克定律,速度梯度,温度梯度,浓度梯度,A物质在B介质中的扩散系数,第一章 绪 论,2020/7/15,19,第一章 绪 论,总之：,环境工程原理将各类污染控制工程归纳为为 数不多的分离单元操作，其基本理论可归结为“三传 理论”。,课程性质：,工程技术课。 具有工程性，实用性。,2020/7/15,20,第一章 绪 论,“环境工程原理” 水处理工程大气污染控制工程固体废弃物处理处置,“环境工程原理”与其它学科与课程的关系,环境工程原理,环境工程原理基础,反应工程原理,分

8、离过程原理,“环境工程原理”,“化工原理”,2020/7/15,21,第一篇 环境工程原理基础,2020/7/15,22,第二章 质量衡算与能量衡算,1 常用物理量 一、物理量的单位与量纲 1计量单位 国际计量会议制定的国际统一单位制，代号为 SI( system international dunites )。国际单位制的单 位是由基本单位、包括辅助单位在内的具有专门名 称的导出单位构成。,2020/7/15,23,第二章 质量衡算与能量衡算,2量纲 物理量的基本量量纲 ( dimension ) 为其本 身。SI制中，长度、质量、时间、电流、热力学 温度、物质的量、发光强度7个基本量的量纲

9、符号 分别为 L、M、t、I、T、N、J。 导出量Q的量纲，其一般表达式为,注： 本课程讲解中 有时会使用工 程单位制，请 注意区别。,2020/7/15,24,第二章 质量衡算与能量衡算,量纲表达式中所有量纲指数均为零的量，称为 量纲为1的量，表示为 量纲为1的量，其单位名称是一，符号为1。 过去把量纲指数均为零的量称为无量纲，标准 提法为“量纲为1”。,2020/7/15,25,第二章 质量衡算与能量衡算,无量纲准数是由各种变量和参数组合而成的 没有单位的群数。无量纲准数量纲为1，其数值 大小与所选单位制无关，但组合群数的各个量必 须采用同一单位制。 无量纲准数通常具有一定的物理意义。 如

10、，,无量纲准数：,2020/7/15,26,第二章 质量衡算与能量衡算,3量纲一致性方程 物理量方程是某一客观现象有关的各物理量 之间关系的表达式。任何一个物理量方程，只要 理论上合理，则该方程等号两边各项的量纲必然 相等，称为量纲一致性方程( dimensionally homogeneous equation )。 分析理想气体状态方程：,等式左边：气体压力 p,气体体积 V,因此，理想气体状态方程左边的量纲为,等式右边：气体的物质的量 n,热力学温度T,为保证方程量纲一致性，摩尔气体常数R的量纲应为,2020/7/15,27,第二章 质量衡算与能量衡算,4物理方程的单位一致性 p V n

11、 T R Pa m3 mol K 8.314 Pa m3/ ( mol K ) = J/(mol K ) kPa m3 kmol K 8.314 kPa m3 / ( kmol K ) = kJ/ ( kmol K ) kPa m3 mol K 8.31410-3 kPa m3/ ( mol K ) = kJ/ ( mol K ) Pa m3 kmol K 8314 Pa m3 / ( kmol K ) = J/ (kmol K ),2020/7/15,28,第二章 质量衡算与能量衡算,二、常用物理量及其表示方法 （一）浓度 1质量浓度与物质的量浓度 （1）质量浓度( mass concent

12、ration )或称为质量 密度( mass density ) 定义：,组分A的质量，kg,混合物的体积，m3,2020/7/15,29,第二章 质量衡算与能量衡算,若混合物由N个组分组成，则混合物的总质量 浓度为,2020/7/15,30,第二章 质量衡算与能量衡算,（2）物质的量浓度( amount concentration ) 定义： 式中： cA组分A的物质的量浓度，kmol/m3 ； nA混合物中组分A的物质的量，kmol。 若混合物由N个组分组成，则混合物的总浓 度c为,2020/7/15,31,第二章 质量衡算与能量衡算,组分A的质量浓度与物质的量浓度的关系为 式中： MA组

13、分A的摩尔质量，kg/ kmol。,2020/7/15,32,第二章 质量衡算与能量衡算,2质量分数与摩尔分数 （1）质量分数和体积分数 质量分数( mass fraction )，xmA 定义：组分A的质量mA与混合物质量m之比。 对于由N个组分组成的混合物,2020/7/15,33,第二章 质量衡算与能量衡算,体积分数(volume fraction )，A 根据理想气体混合物的阿马格 ( Amagat )定律， 有 V = V1 + V2 + + Vi + 式中V为气体混合物的总体积，Vi为组分i在总 压p下单独存在时所具有的体积，称为分体积。对 组分A可表示为,2020/7/15,34

14、,第二章 质量衡算与能量衡算,对气体混合物中所有组分 由上二式可求得一定温度下气体体积分数 A,2020/7/15,35,第二章 质量衡算与能量衡算,（2）物质的量分数(amount fraction )又称为摩尔分 数( mole fraction)，xA ( yA ) 定义组分A的物质的量nA与混合物的物质的量n 之比值。 对液体混合物，以 xA表示,2020/7/15,36,第二章 质量衡算与能量衡算,对气体混合物，以 yA表示 根据气体混合物的道尔顿( Dalton ) 定律，有 p = p1 + p2 + + pi + 对于理想气体混合物，组分A单独存在于体积 中所呈现的分压 pA可

15、表示为,2020/7/15,37,第二章 质量衡算与能量衡算,由上二式可求得 即，一定温度下理想气体压力分数等于摩尔 分数。,2020/7/15,38,第二章 质量衡算与能量衡算,3质量比与摩尔比 对于仅由A和B构成的双组分系统，如果组分 B的量在过程中保持不变（惰性物质），而组分A 的量在过程中有增减，则可以组分B 的量作为基 准来表示组分A的组成。,2020/7/15,39,第二章 质量衡算与能量衡算,质量比 定义： 质量比与质量分数的关系为,2020/7/15,40,第二章 质量衡算与能量衡算,例1： 200 kg湿物料中含水量的质量分数为 xm1= 50%， 干燥后含水量的质量分数为

16、xm2 = 5%，试计算除去 的水分量为多少？,2020/7/15,41,第二章 质量衡算与能量衡算,摩尔比 定义： 摩尔比与摩尔分数的关系为 对于仅由二组分组成的混合气体有,2020/7/15,42,第二章 质量衡算与能量衡算,（二）流量,体积流量,质量流量,（三）流速,（四）通量,单位时间内通过单位面积的物理量称为该物理量的通量。 如，动量通量；热量通量；质量通量等。,2020/7/15,43,常用物理量及表示方法,2020/7/15,44,常用物理量及表示方法,2020/7/15,45,第二章 质量衡算与能量衡算,环境工程中分析问题常用衡算的方法 在环境工程原理课程中常用的衡算是 质量衡

17、算和热量衡算 衡算的依据是质量守恒定律和能量守恒定律,2 质量衡算,2020/7/15,46,第二章 质量衡算与能量衡算,一、衡算的基本概念 1衡算系统（衡算范围） 衡算范围的形状和大小视研究问题的方便确定 如下图，对河流的某区域中污染物浓度进行衡 算，虚线表示衡算范围。,2020/7/15,47,第二章 质量衡算与能量衡算,上游水量,下游水量,支流来水量,衡算范围,2020/7/15,48,第二章 质量衡算与能量衡算,2稳态系统与非稳态系统 任意系统，若系统任意位置上物质量不随时间变化为稳态系统。 任意系统，若系统任意位置上物质量随时间发生变化为非稳态系统。,2020/7/15,49,第二章

18、 质量衡算与能量衡算,3衡算基准 在很多环境问题中，时间是反映问题严重程度的重要参数。 常以时间作为衡算基准。 衡算基准可以是小时、分钟或秒。,2020/7/15,50,第二章 质量衡算与能量衡算,(m3/h),(m3/h),(m3/h),2020/7/15,51,第二章 质量衡算与能量衡算,二、总质量衡算 总质量衡算通常又称为物料衡算，可以反映过程中各种物料之间的关系。 衡算依据：质量守恒定律,2020/7/15,52,第二章 质量衡算与能量衡算,1以物料的全部组分为衡算对象 对任一个衡算系统必须符合： 输入物料量 - 输出物料量 = 累积物料量 或写成 当累积物料量为 0 时，,2020/

19、7/15,53,第二章 质量衡算与能量衡算,上述过程若以各股流体的流率进行计算，可表 达为：,2020/7/15,54,第二章 质量衡算与能量衡算,2以某种元素或某种物质为衡算对象 某种物质进入衡算范围后的三种可能去向： 一部分物质没有发生变化直接输出系统； 一部分物质在系统内积累； 一部分物质在系统内转化为其他物质。,2020/7/15,55,第二章 质量衡算与能量衡算,则对上述衡算，系统必须符合： 输入速率 输出速率 + 转化速率 = 积累速率 或写成 当该组分为生成物时， 为正值，表示其质量增加； 当该组分为反应物时， 为负值，表示其质量减少。,单位时间内某组分转化的质量,2020/7/

20、15,56,质量衡算系统图,第二章 质量衡算与能量衡算,2020/7/15,57,第二章 质量衡算与能量衡算,（1）稳态非反应系统 衡算系统内组分不发生转化，且组分的组成也不随时间发生变化。 即,2020/7/15,58,第二章 质量衡算与能量衡算,例1：用连续操作的蒸发器把含盐浓度为xmF （质量分率）的稀盐水溶液蒸发为浓度为xmW （质量分率）的浓盐水溶液，每小时的进料量为 F kg。试求每小时所得浓盐水量W及水分蒸发量V各为多少kg？,2020/7/15,59,第二章 质量衡算与能量衡算,盐水溶液,F kg/h,xmF,V kg/h,W kg/h xmW,2020/7/15,60,第二章

21、 质量衡算与能量衡算,例2：（课本 p.30 例题 2.2.1） 一条河流的上游流量为10.0m3/s，氯化物的 浓度为20.0mg/L；有一条支流流入，流量为 5.0m3/s，氯化物的浓度为40.0mg/L。视氯化物 为不可降解物质，系统处于稳定状态，试计算汇 合点下游河水中氯化物浓度。假设在该点两股流 体完全混合。,61,第二章 质量衡算与能量衡算,污染物的输入速率：,污染物的输出速率：,流出衡算范围的污染物质量浓度：,总衡算式：,2020/7/15,62,第二章 质量衡算与能量衡算,例3：（课本p.31例2.2.2）某污水处理工艺中包括沉淀 池和浓缩池，沉淀池用于去除水中悬浮物，上清液排

22、放， 浓缩池用于将沉淀的污泥进一步浓缩，上清液返回到沉 淀池中。沉淀池进水流量为5000m3/d，悬浮物浓度为 200mg/L，出水中悬浮物浓度为20mg/L。沉淀污泥的含 水率为99.8%，进入浓缩池停留一定时间后，排出的污 泥含水率为96%，上清液中悬浮物含量为100mg/L。假 设系统处于稳定状态，过程中没有生物作用。求整个系 统的污泥产量和排水量，以及浓缩池上清液回流量。污 水的密度为1000kg/m3。,2020/7/15,63,沉淀池,浓缩池,qV0= 5000m3/d 0= 200mg/L,1= (100-96)/(100/1000) g/L = 40 g/L = 40000 m

23、g/L,4= (100-99.8)/(100/1000) g/L = 2 g/L = 2000 mg/L,（排水量）,（污泥产量）,2= 20 mg/L,qV2= ?,1= 40000 mg/L,qV1= ?,4= 2000 mg/L,qV4= ?,3=100mg/L,qV3= ?,含水率99.8%,含水率96%,求qV1和qV2,解得,求qV3,解得,待求,待求,？,待求,待求,？,2020/7/15,64,第二章 质量衡算与能量衡算,（2）稳态反应系统 衡算系统内组分发生转化，但组分的组成在 一定条件下不随时间发生变化，系统衡算物质的 累计量为零。 即，一定条件下： 输入速率 输出速率 +

24、 反应速率 = 0,2020/7/15,65,第二章 质量衡算与能量衡算,如，对于一级反应，其反应速率（动力学方程） 为， 则衡算式为： 通常污染物的生物降解被视为一级反应。,2020/7/15,66,例4：某湖泊的容积为1106 m3 ，上游有一未被污染的河流流入该湖泊，流量为 50m3/s 。一工厂以 5m3/s的流量向湖泊排放污水，其中含有可降解的污染物，浓度为100mg / L。污染物降解反应速率常数为0.25 d-1。假设污染物在湖中充分混合。求稳态时湖中污染物的浓度。,第二章 质量衡算与能量衡算,67,第二章 质量衡算与能量衡算,设：稳态时湖中污染物质量浓度为m，则输出的质量浓度也

25、为m。,对污染物浓度作质量衡算得：,解之得：,2020/7/15,68,第二章 质量衡算与能量衡算,（3）非稳态系统 物质的质量和浓度都随时间变化的系统。 非稳态系统的衡算需通过微分方式进行，通过 在始态和末态区间积分求得未知量。,2020/7/15,69,第二章 质量衡算与能量衡算,例6： 若某城市上方的空气为一长宽均为 100km、高1.0km 的空箱模型。干净的空气以 4m / s的流速从一边流入。 假设某种空气污染物 以10.0kg / s的总排放速率进入空 箱，其降解速 率常数为0.20h-1。（设上述条件下污染 物完全混合） 求稳态情况下的污染物浓度； 假设风速突然降低为1m/s，

26、试估计2h后污染物的浓度。,2020/7/15,70,第二章 质量衡算与能量衡算,干净空气, u= 4m/s,污染物,qm= 10.0kg/s,k = 0.2h-1,qmr= kV,u= 4m/s, u= 1m/s,u= 1m/s, 求稳态下污染物浓度,设稳态下污染物浓度为，上述过程质量衡算式为：,解之得：, 求风速突降为1m/s，2h后污染物浓度,设空箱的长宽均为L,高度为h，质量流量为m，风速为u，上述过程质量衡算式为：,被污染的空气,2020/7/15,71,有,带入已知量，分离变量积分，得,积分，有,第二章 质量衡算与能量衡算,2020/7/15,72,第二章 质量衡算与能量衡算,3

27、能量衡算,1能量守恒方程 能量守恒的依据是能量守恒定律。 能量衡算同样需确定衡算范围（系统）和衡算基 准。 输出物料量总能量 - 输入物料量总能量 +累积物料量总能量 =从外界吸收的热量 对外界所做的功,2020/7/15,73,第二章 质量衡算与能量衡算,2热量衡算方程 实际工作中能量的变化通常反映为热量的变化， 因此实际的工程计算通常使用热量衡算。 输入 = 输出 + 热损失 在工程计算时进行热量衡算时应注意两点： 热量显热、潜热，称为物料的焓； 通常需考虑热损失。,与物料的状态有关，为相对值。,2020/7/15,74,第二章 质量衡算与能量衡算,3封闭系统的热量衡算 （1）无相变条件下

28、的热量衡算 以焓值的变化作为计算参数 在恒压条件下上式可表达为：,2020/7/15,75,第二章 质量衡算与能量衡算,对于液体或固体（凝聚物系）在不发生相变的条件下，若系统的热容（cp，cV）随温度的变化不大（可看作常数），则热量衡算基本关系式表达为： 对于液体或固体被加热，一般有,2020/7/15,76,第二章 质量衡算与能量衡算,（2）有相变条件下的热量衡算 纯物质发生相变时吸收或放出热量而不引起 温度的变化。 则系统热量衡算方程为： 例题见课本p.40 例2.3.1，例2.3.2。,2020/7/15,77,第二章 质量衡算与能量衡算,4开放系统的热量衡算 对于一个连续稳定过程其热量

29、衡算基本关系式为： 或 或,系统吸收的热 = 输入的总热量 = 输出的总热量 + 热损失,2020/7/15,78,第二章 质量衡算与能量衡算,（1）物料无相变，且定压热容可看作常数时，热 量衡算式为：,过程中显热的变化,2020/7/15,79,第二章 质量衡算与能量衡算,（2）物料有相变时，热量衡算式为： 式中：L 饱和蒸汽的冷凝（饱和液体的汽化）潜热。 注意：系统放出潜热时， L 取负值。,2020/7/15,80,第二章 质量衡算与能量衡算,例1：在换热器里将平均热容为3.56kJ/kg的某种溶 液自25加热到80，溶液的流量为1.0kg/s。加热介 质为120的饱和水蒸气，其消耗量为

30、0.095kg/s，蒸 气冷凝为同温度的饱和水后排出。试计算此换热器的 热损失占水蒸气所提供热量的百分数。 已知： 120饱和水蒸气的焓为2709kJ/kg， 120饱和水的焓为503.7kJ/kg。,2020/7/15,81,120饱和水蒸气 0.095 kg/s,25溶液 1.0 kg/s,80溶液 1.0 kg/s,120饱和水 0.095 kg/s,随溶液进入的热流量,随饱和水蒸气输入系统的热流量,随饱和水离开系统的热流量,列热量衡算式,解得,热损失百分数,随溶液离开的热流量,水蒸气所提供的热量,2020/7/15,82,第二章 质量衡算与能量衡算,例2：（p.43例2.3.5） 燃煤

31、发电厂输出电能1000MW，煤化学能的1/3 转化为电能，其余2/3以废热的形式释放到环境中去， 其中有15%的废热从烟囱中排出，其余85%的余热 随冷却水进入附近河流中，如图所示河流上游的流 量为100m3/s，水温为20。 试计算： 如果冷却水的温度只升高了10，则冷却水的流量为多少？ 这些冷却水进入河流后，河流的温度将变化多少？,2020/7/15,83,能量效率 33.3%,输出电能 1000MW,煤 总输入能 1000/1/3=3000MW,100.0m3/s,烟囱,24.1,40.6m3/s,30.0,总能量损失 3000-1000=2000MW,100.0m3/s 20.0,20

32、20/7/15,84,第二章 质量衡算与能量衡算,作 业： p. 46 2.6； 2.10； p. 47 2.12；2.13；2.14。,思考题：p. 45 2.1；2.4。,2020/7/15,85,第三章流体流动,一、主要参数 1. 密度， kg/m3 液：纯组分（查手册） 混合组分,各组分的质量分率,各组分的密度,2020/7/15,86,第三章 流体流动,气: 理想气体,或,理想气体的平均密度,比容 （比体积）v， m3/kg 定义 即,2020/7/15,87,第三章 流体流动,2. 黏度， Pas 黏度的物理意义： 促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力。 黏度在流体运动时才体现出来

33、，静止时可不 考虑其影响。 与 t , 有关。,2020/7/15,88,第三章 流体流动,对液体 t，； 对气体 t，。 3. 大气压atm. N/m2( Pa ) 压力的基准，表压，真空度，绝对压力，大气压。 它们之间的关系： 基准： 绝对压力以绝对真空为基准 表 压 力以当地大气压力为基准,pA,A,1,pB,0,B,真空度,表压,当地大气压力,大气压,绝对真空（零压力）,绝对压力=当地大气压+表压,绝对压力=当地大气压力真空度,当被测流体压力当地大气压力,当被测流体压力当地大气压力,压力的计量：,2020/7/15,89,第三章 流体流动,当被测流体压力大气压 如上图中pA，用压力计测

34、得，称表压。 则绝对压力=大气压力+表压力 当被测流体压力大气压 如上图中p，用真空表测得，称真空度。 则绝对压力=大气压力- 真空度 因此：加压操作用压力表，表压力，绝对压力； 减压操作用真空表，真空度，绝对压力。 规定：对表压力和真空度均需标出。 （未标出则表示绝对压力）,2020/7/15,90,第三章 流体流动,4. 流量、流速等表示方法 体积流量 qV , m3/s , m3/h ; 质量流量 qm , kg/s ; 流速u , m/s ; （质量流速G , kg/m2s ） 体积流量和质量流量 的关系 qm = qV 体积流量与流速的关系 u = qV /A 质量流速与流速的关系

35、G = u,2020/7/15,91,第三章 流体流动,二、主要概念 1. 连续介质的概念 流体流动主要研究分子集团（质点）充满所占空间，因此能用连续函数的数学工具来研究宏观流体的流动规律。 2. 稳定流动与不稳定流动 稳定流动 各物理量参数 = f（位置）,2020/7/15,92,第三章 流体流动,3. 理想流体与实际流体 理想流体：流体运动时不产生流动阻力，流体的能量损失 hf = 0。 所以理想流体，无压缩性、无粘性，流动过程 中无能量损失。 4. 牛顿黏性定律 当流体在管内流动时，内摩擦力（剪应力）正 比于速度梯度及接触面。,2020/7/15,93,第三章 流体流动,即， F =(

36、du/dy)A 令，单位面积上的内摩擦力为 = F/A 则 = F/A =(du/dy) 根据流体流动是否遵循牛顿定律，将流体分为 牛顿型流体服从牛顿定律的流体。 （所有气体和绝大多数液体） 非牛顿型流体不遵循牛顿黏性定律的 流体。 （通常是一些高分子溶液，胶体溶液等）,2020/7/15,94,第三章 流体流动,5. 流体形态 两个形态 滞流；湍流 流体的流动类型的产生与流体的本质有关，可 用 Re 数来判断。 摩擦系数 与 Re 数及相对粗糙度/d的关系图： p. 80，图3.4.6。,2020/7/15,95,2020/7/15,96,第三章 流体流动,过渡区Re = 2000 4000

37、 滞、湍流的 -Re曲线都能用，为保 险起见，常查用湍流时曲线的延伸 部位的值。 湍流区Re 4000 虚线以下区域 = f (/d, Re) 对同一/d而言， Re 对同一Re而言，/d ,滞流区 Re 2000 与/d 无关与Re呈直线关系 即 = 64/ Re,2020/7/15,97,第三章 流体流动,完全湍流区图中虚线以上区域，即 = f (/d) 与Re无关。 当/d一定时 = 常数 由流动阻力引起的能量损失公式 hf = (l/d)(u2/a) 可见 hf u2（阻力平方区） 从图中看出，/d 时，达到阻力平方区的Re。,2020/7/15,98,第三章 流体流动,判断： d u

38、 2000 4000 6. 圆形管内的速度分布 流体在圆形管内流动时，不论是滞流或湍流， 在任一截面上各点流速均不同。由于流体有黏性， 其管壁处 u = 0，管中心为umax，速度分布因流型 不同而异。,Re = ,2020/7/15,99,第三章 流体流动,滞流时： 湍流时：,2020/7/15,100,第三章 流体流动,由图2看出，速度分布可分两部分： 管中心部分 湍流主体。质点有轴向、径向的复杂运动，产 生旋涡，使u分布较均匀。Re，湍动程度，曲线 顶部区域越宽。 管壁部分 因壁处 u = 0，与其邻近层的 u 也很小，质点 顺管壁平行流动，互不相混，故管壁处仍保持一滞 流内层，其厚度随

39、Re而。,2020/7/15,101,第三章 流体流动,如，在光滑d内=100mm管内流动 当Re =104时， = 2mm 当Re =105时， = 0.3mm 上述滞流层的存在对传热、传质影响极大。 7. 边界层的概念 流体流动边界层 上述分析都是基于边界层理论。 边界层理论也是“三传”理论基础之一。 在后续课程中还将学传热边界层和传质边界层 等概念。,2020/7/15,102,第三章 流体流动,边界层滞流。 有较大速度梯度， =(du/dy)； 主流区湍流。 速度梯度为零， 可忽略；,2020/7/15,103,第三章 流体流动,平板上的流动边界层,2020/7/15,104,第三章

40、流体流动,圆管进口段流动边界层厚度的变化 滞流边界层,滞流与湍流边界层,2020/7/15,105,第三章 流体流动,三、主要方程式及计算式 1. 流体静力学基本方程 由重力与压力作用下的平衡规律导出 p2= p1+g(Z1-Z2) 派生出 p2= p1+gh p2/+gZ2=p1/+gZ1 Z2+ p2/g=Z1+p1/g ,2020/7/15,106,第三章 流体流动,由式有 p=Rg 式中 R 为压力计读数 由式知 静压能 + 位压能 = 常量 由式知 静压头 + 位压头 = 常量 应用： 测流体静压力（强）p 或某段压差 p=R g (指定-) 测液位 计算液封高度（常用液体是水，也称

41、安全水 封）,2020/7/15,107,第三章 流体流动,2. 连续性方程 稳流系统中，通过各截面上的流体的流量相等。 qm = qV = uA = 常量 液体= 定值，则qV= Au（常数） 气体，只能用qm= 常量 应用： 利用 u1A1= u2A2 的关系，若知 u1/u2=A2/A1=(d2/d1)2 流速与管径平方成反比，可求u qV qm 。,或,2020/7/15,108,第三章 流体流动,3. 柏努利方程 理想流体： hf = 0 (无能量损失） （各截面上的机械能守恒且能相互转换） 实际流体： hf 0（有能量损失）,（常量）,2020/7/15,109,第三章 流体流动,

42、损失压力降 pf = hf 损失压头 Hf = hf /g 有效压头 He =We/g 上式用于不可压缩流体， = 常量。 当用于气体，则 p1 -p2p120%时仍可用需用 M代替 。,2020/7/15,110,第三章 流体流动,应用： 求u qV qm，kg/s 求设备间的相对位置Z，m 求用气压输送流体时的气压 p，Pa 求输送设备的有效功率 We We qm = NeN ，kw 4. 流体阻力计算式 hf = hf +hf 式中：hf直管阻力 hf =(l/d)u2/2,2020/7/15,111,第三章 流体流动,= f (Re,/d) 滞流： = f (Re) ，= 64/Re

43、湍流： = f (Re,/d) 完全湍流： = f (/d)阻力平方区 hf局部阻力 局部阻力系数法： hf=u2/2 局部阻力系数 当量长度法： hf=(le/d)(u2/2),2020/7/15,112,第三章 流体流动,总阻力计算式： hf = hf +hf=(l+le/d)+ u2/2 5. 管路计算 简单管路 等径 V=V1=V2 异径串联 hf = hf 1+ hf 2 复杂管路 并联 V=V1=V2， hf = hf 1+ hf 2 分支 V=V1=V2， E = E1+hf 1=E2+ hf 2,2020/7/15,113,第三章 流体流动,四、流速和流量的测定 1. 皮托管（

44、测速管）,2. 孔板流量计 孔板小孔面积固定（Ao固定)，由流量不同造成压力不同来进行流量测量，也叫压差流量计。,2020/7/15,114,第三章 流体流动,式中：Co为流量系数或流孔系数，无因次， 与Re准数有关。 3. 转子流量计 维持压力恒定，由流量不同，使环隙截 面不同来进行流量测量，也叫截面流量计。 式中：AR转子与玻璃管的环形截面积 CR转子流量计的流量系数，无因次， 与Re值及转子形状有关，由实验测定。,2020/7/15,115,1概述 一、传热在生产中的应用 1. 化学反应的需要 2. 某些环境工程分离操作的需要 3. 高温设备的保温；低温设备的隔热 4. 热能的合理利用,

45、第四章 热量传递,2020/7/15,116,二、传热的基本方式 1. 热传导（导热，传热） 特点：传热过程中物体内的分子不发生宏观的相 对位移。 2. 热对流 产生原因：流体运动过程中因流体质点的位移和 混合而引起的热交换。 3. 热辐射 热能辐射能（以电磁波形式）全部或部 分吸收热能,第四章 热量传递,2020/7/15,117,第四章 热量传递,三、典型的传热设备 1. 间壁式换热器 2. 混合式换热器 3. 蓄热式换热器,2020/7/15,118,第四章 热量传递,套管式换热器,2020/7/15,119,第四章 热量传递,单程列管式换热器,2020/7/15,120,第四章 热量传

46、递,混合式换热器,2020/7/15,121,第四章 热量传递,蓄热式换热器,高温流体,填料,低温流体,2020/7/15,122,第四章 热量传递,四、稳定传热和不稳定传热 1. 稳定传热 传热系统中各点温度不随时间而变。 Q/ T(t ) = 常量 2. 不稳定传热 传热系统中各点温度既随位置变又随时间而变。 Q/ T(t ) 常量,2020/7/15,123,第四章 热量传递,2热传导,一、热传导的基本概念和傅立叶定律 温度场和温度梯度 温度场 任一瞬间系统内各点温度分布的总和。 T = f (x, y, z, t ) 均匀物体内部的温度场都是连续的温度场。 若温度场内各点温度满足T =

47、 f (x, y, z, t )关系称为不稳定温度场。 若温度场内各点温度满足T = f (x, y, z, )关系称为稳定温度场。,2020/7/15,124,第四章 热量传递,温度梯度 等温面：将系统中温度相同的各点连接起来 形成的面 A。 如图，若温度沿x 方向变化,温度梯度的正方向是温度增加方向。,2020/7/15,125,第四章 热量传递,2. 傅立叶（Fourier）定律,式中：比例系数，导热系数, W/(m ),二、导热系数,令,则,所以，的大小表征物质导热能力强弱。,dQ=-grad T dA 或,2020/7/15,126,第四章 热量传递,1. 固体的导热系数 2. 液体

48、的导热系数 3. 气体的导热系数,固体 Ag 420 红Cu 395 Au 202 Al 180,一般： 金属液体 非金属液体 纯液体 溶液,气体的导热系数很小，对导热不利。,2020/7/15,127,第四章 热量传递,三、通过平壁的稳定热传导 1. 单层平壁的热传导 条件： 平壁质地均匀 A b T1 T2且恒定 忽略热损失,T1,T2,A,T,x,b,Q,2020/7/15,128,第四章 热量传递,若以q表示单位面积的导热速率，则,(4),x = 0 ，T = T1；x = b， T = T2 ，且 T1T2,上述条件下的导热速率,(1),导热热通量,2020/7/15,129,第四章

49、 热量传递,2. 多层平壁的热传导,T,T1,T2,T3,T4,Q,x,b1,b2,b3,1,2,3,2020/7/15,130,第四章 热量传递,条件：各层接触良好； 稳定导热：Q1= Q2 =Q3； 各层材料的=常数； T1 T2 T3 T4 第一层 Q1= (T1-T2 )/(b1/1A) 或 T1= T1-T2 = Q1/(b1/1A) = QR1 同理 T2= T2-T3= Q2/(b2/2A) = QR2 同理 T3= T3-T4= Q3/(b3/3A) = QR3 对三层平壁而言，推动力相加 得 Q = ( T1-T4)/(R1+R2+R3),2020/7/15,131,第四章

50、热量传递,即，导热速率 T1-T4 (b1/A1)+(b2/A2)+(b3/A3) = (T1-T4)/(R1+ R2+ R3) 推广到 n 层平壁 T1-Tn+1 T 总推动力 (bi/Ai) R 总阻力,Q = ,Q = = ,2020/7/15,132,第四章 热量传递,例题：求 q = ? T2= ?,20mm,1 mm,T1=250,T3=200,T2=?,1=58W/m,2=1.16W/m,锅炉钢板,水垢,2020/7/15,133,第四章 热量传递,例： 有一连续式加热炉的炉墙用内层粘土砖和外 层硅藻土砖砌成，它们的厚度分别为:,粘土砖硅藻土砖,T1=1100,T2,T3=100

51、,230mm,115mm,b1=230mm， b2=115mm T1=1100，外表面T3=100 试求炉墙导出的热通量？,已知，耐火粘土砖 A 级硅藻土制品,2020/7/15,134,第四章 热量传递,练习： 求：每m2的导热量；每m2的热阻；耐火砖 内壁温度；炉壁总温差及每层温差。,耐火砖,保温砖,建筑砖,T1=?,T2=850,T3=280,b1=150mm 1=1.64W/m,b2=310mm 2=0.15W/m,b3=240mm 3=0.75W/m,2020/7/15,135,第四章 热量传递,四、通过圆筒壁的稳定热传导 1. 单层圆筒壁的热传导,设： r1(内半径)， r2(外半

52、径)，L(管长) 且T1 T2 考虑半径为r处的传热面 A = 2rL ， 仿平壁导热公式有： Q = -(2rL) dT /dr,2020/7/15,136,第四章 热量传递,通过分离变量并整理得,将上式右边上下同乘以 并整理得,rm，对数平均半径,b,2020/7/15,137,第四章 热量传递,2. 多层圆筒壁的热传导 条件： 各层接触良好 各层材料为常数 稳定导热 T1 T2 T3 T4 对n层圆筒壁有通式,2020/7/15,138,第四章 热量传递,例： 蒸气管道外径 d外= 426mm，外壁面温 T2=177，外包保温层厚 b = 426mm, = 0.615W/m 保温层外表面

53、 T3= 38。 求： 每米管长的热损失； 保温层中的温度分布。,2020/7/15,139,小 结,一、传热的三种基本方式,热传导 热对流 热辐射,概念、产生的原因、特点等,稳定传热的概念,典型换热器,间壁式换热器；混合式换热器；蓄热式换热器等,2020/7/15,140,二、热传导,1. 概念,温度场；温度梯度,2. 傅立叶定律与导热系数,材料的导热系数，W/(m ),手册查用,材料对导热不利，但保温良好； 反之，材料的保温性能良好。,小 结,2020/7/15,141,3. 平壁稳定热传导,单层平壁,多层平壁,小 结,2020/7/15,142,4. 圆筒壁稳定热传导,单层,多层,5.

54、当 一定时，平壁的温度为线性分布，而圆筒壁的温度不为线性分布。,小 结,2020/7/15,143,第四章 热量传递,3对流传热,一、对流传热过程 热流体固体壁面（固体间导热） 冷流体,2020/7/15,144,第四章 热量传递,分析： 固壁两侧总有滞流内层存，在层内以导热为主。 湍流主体中以对流传热为主。 缓冲层内导热和对流均起作用，温度变化缓慢。 热流体 固壁固壁冷流体,主体：对流 湍流过渡：导热对流 滞流内层：导热 统称为热对流,表面,另一表面,2020/7/15,145,第四章 热量传递,工程处理方法： 对流传热推动力 对流传热阻力,对流传热速率,系数推动力,二、对流传热的机理,20

55、20/7/15,146,第四章 热量传递,热边界层（温度边界层） 与速度边界层相仿，传热学引入温度边界层 的概念。 当温度均匀为T的流体流过壁温为Tw的平板 时，流体与板壁面发生热交换。实验证明流体的 温度分布与速度分布一样，在靠近壁面的一个薄 层中变化最大，这一薄层称为温度边界层。 在温度边界层内壁面法向上的温度梯度T/ y 较大。边界层外T / y几乎为0（可忽略）。,2020/7/15,147,第四章 热量传递,固体壁面附近的温度边界层 通常规定，Tw-T = 0.99(Tw-T) , T 为热边界 层任一局部位置的温度。,i,T,T,u,T,Tw,T ,T w,y,T,三、壁面和流体间

56、的对流传热速率 1. 对流传热速率方程 牛顿冷却定律 冷流体被加热时 dQ =dA (Tw - T) 热流体被冷却时 dQ =dA ( T -Tw) Q =AT 或,2020/7/15,148,第四章 热量传递,壁温,主流温度,影响因素很多,2020/7/15,149,第四章 热量传递,2. 影响的因素 流体的物理性质 形态，cp , , , , , 等 操作条件 滞流还是湍流Re 设备情况 传热面的形状：管、板、管束等 传热面的位置：水平、垂直、倾斜等 传热面的尺寸：管径、管长、板间距等 通常将众多因素组合成若干准数（无因次量）,2020/7/15,150,第四章 热量传递,四、对流传热系数的经验式,综合上述影响因素 = f (u, l, , , , cp , gT) 上述八物理量涉及四个基本因次： 质量M、长度L、时间