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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第一章流体流动,Fluid Flow,-,内容提要,-,流体的基本概念,静力学方程及其应用,机械能衡算式及柏努 利方程,流体流动的现象,流动阻力的计算,、管路计算,1,第一章 流体流动,.,学习要求,1.,本章学习目的,重点掌握流体流动的,基本原理,、,管内流动的规律,，并运用这些原理和规律去分析和解决流体流动过程的有关问题，诸如：,（,1,）,流体输送,：流速的选择、管径的计算、流体输送机械选型。,（,2,）,流动参数的测量,：如压强、流速的测量等。,（,3,）,建立最佳条件,：选择适宜的流体流动参数，以建立传热、传质及化学反应的最佳条件。,此外，非均相体系的分离、搅拌（或混合）都是流体力学原理的应用。,2,2,本章应掌握的内容,（,1,）,流体静力学基本方程式的应用；,（,2,）,连续性方程、柏努利方程的物理意义、适用条件、解题要点；,（,3,）两种流型的比较和工程处理方法；,（,4,）,流动阻力的计算；,（,5,）管路计算。,3,第一章 流体静力学,1.1,几个概念,一连续介质模型,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,连续介质模型,。,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。,4,5.与密度相关的几个物理量,1）,比容：,单位质量的流体所具有的体积，用,表示，单位,为,m,3,/kg。,2）,比重(相对密度)：,某物质的密度与4下的水的密度的比,值，用,d,表示。,在数值上:,5,二、静压强的表示方法,绝对压强,：以绝对真空为基准量得的压强；,表压强,：以大气压强为基准量得的压强。,真空度,：表压强以大气压为起点计算，所以有正负，负表压强就称为真空度。,6,当时当地大气压（表压为零）,绝对压力,表压,大气压力,测定压力,绝对压力为零,大气压力,绝对压力,真空度,表压为负值,测定压力,（,a,）测定压力,大气压力,（,b,）测定压力,大气压力,表压强,=,绝对压强,-,大气压强,真空度,=,大气压强,-,绝对压强,表压强、绝对压强和大气压强三者之间的关系,7,说明：,1）,推导条件：,重力场，不可压缩，连续，静止，同一流体,。,2),由方程 可知，,当,p,0,改变,时，液体内部各点的压力也将发生同样大小的改变,帕斯卡原理,。,3),当容器液面上方的压力,p,0,一定,时，静止液体内任一点压力的大小，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力都相等。此压力相等的面，称为,等压面,。,静力学方程：,8,5）,可以改写成,压强差的大小可利用一定高度的液体柱来表示，这就是,液体压强计的根据,，在使用液柱高度来表示压强或压强差时，需指明何种液体。,4）从流体静力学的推导可以看出,它们,只能用于静止的,连通着的同一种流体的内部,，对于间断的并非单一,流体的内部则不满足这一关系。,9,6.,考察公式，,gz,：,单位质量流体所具有的位能。,p/：,单位质量流体所具有的静压能。,10,上式表明静止流体存在着两种形式的势能,-,位能和静压能，处于不同位置的流体的位能和静压能各不相同，但其,总势能则保持不变,。,7.,一般液体的密度可视为常数，而气体密度则随压力而改变。但考虑到气体密度随容器高低变化甚微，一般也可视为常数，故,静力学基本方程亦适用于气体。,11,1.,2.2,静力学方程的应用,1),压力计,1、压强与压强差的测量,单管压力计,U,型管压力计,12,2）U,型管压差计,根据流体静力学方程,13,当,P,1,-P,2,值较小时，,R,值也较小，若希望读数,R,清晰，可采取三种措施：,两种指示液的密度差尽可能减小,、采用,倾斜,U,型管压差计,、,采用,微差压差计,。,3,）倾斜,U,型管压差计,假设垂直方向上的高度为,Rm,，,读数为,R,1,，,与水平倾斜角度,14,4),微差压差计,U,型管的两侧管的顶端增设两个小扩大室,其内径与,U,型管的内径之比10，装入,两种密度接近且互不相溶,的指示液,A,和,C，,且指示液,C,与被测流体,B,亦不互溶。,根据流体静力学方程可以导出：,微差压差计两点间压差计算公式,15,第一章 流体流动,1.2.1,流量与流速,1.2.2,连续性方程式,1.2.3,能量衡算方程式,1.2.4,柏努利方程式的应用,1.2.5,动量守恒,1.2,流体在管内流动的基本方程,16,1.2.2,连续性方程,在稳定流动系统中，对直径不同的管段做物料衡算,衡算范围,：截面1-1与截面2-2间,衡算基准,：单位时间,流体流动三大守恒定律：,动量守恒,能量守恒,连续性方程,质量守恒,柏努利方程,17,如果把这一关系推广到管路系统的任一截面，有：,若流体为,不可压缩流体,一维稳定流动的不可压缩流体的连续性方程,物料衡算：输入量输出量累积量,而对连续稳定操作：累积量,0,，故,18,对于圆形管道，,表明：,q,v,一定,流速与管径的平方成反比,。,思考：,如果管道有分支，则稳定流动时的连续性方程又如何？,19,2.,实际流体稳态流动的机械能衡算,柏努利方程式,J/kg,因实际流体具有粘性，在流动过程中必消耗一定的能量。根据能量守恒原则，这些,消耗的机械能转变成热能,，此热能不能用于流体输送，只能使流体的温度略微升高。从流体输送角度来看，这些能量是“损失”掉了，称为,能量损失,。,（,1,）,以单位质量,1kg,流体,为衡算基准,对实际流体：粘度不为,0,，修正为：,20,（,2,）,以单位重量,1N,流体,为衡算基准。,将上式各项除以,g,，则得,:,外加压头,静压头,动压头,位头,压头损失,m,适用条件：,不可压缩、连续、均质流体、等温流动,21,Pa,（,3,）,以单位体积,1m,3,流体,为衡算基准。,将上式各项乘以流体密度,则：,其中，为输送设备（风机）对流体,1m,3,所提供的能量（全风压），是选择输送设备的（风机）重要的性能参数之一。,22,3、柏努利方程式的讨论,1）,适用条件：,不可压缩、连续、均质流体、等温流动,2,）柏努利方程式表明：,理想流体做稳定流动,，没有外功加入时，任意截面上单位质量流体的,总机械为一常数,。,3,）对于实际流体，在管路内流动时，应满足：,上游截面处的总机械能,大于,下游截面处的总机械能。,23,4,）,流体流动过程中所获得或消耗的能量,We,和,Ne：,We：,输送设备对,单位质量流体,所做的有效功，,Ne：,单位时间输送设备对流体所做的有效功，即功率,5,）当体系无外功，且处于静止状态时,流体的静力平衡是流体流动状态的一个特例,6,）柏努利方程的几何意义：,流体在管道流动时的压力变化规律,24,7,）柏努利方程的不同形式,a),以,单位重量的流体,为衡算基准,m,位压头，动压头，静压头、压头损失,H,e,：,输送设备对流体所提供的有效压头,25,b),若以单位体积流体为衡算基准,静压强,P,可以用绝对压强值代入，也可以用表压强值代入,pa,8,）对于可压缩流体的流动，当所取系统,两截面之间的绝对压强变化小于原来压强的20%,，,仍可使用柏努利方程,。式中流体密度应以两截面之间流体的平均密度,m,代替。,26,1.2.4,柏努利方程式的应用,1、应用柏努利方程的,注意事项,1）作图并确定衡算范围,根据题意画出流动系统的示意图，并指明流体的流动方,向，定出上下截面，以明确流动系统的衡标范围。,2）截面的截取,两截面都应与流动方向垂直，并且两截面的流体必须是,连续的，所求得未知量应在两截面或两截面之间，截面的,有关物理量,Z,、u、p,等除了所求的物理量之外，都必须是已,知的或者可以通过其它关系式计算出来。,27,3）基准水平面的选取,所以基准水平面的位置可以任意选取，但必须与地面平行，为了计算方便，通常取基准水平面通过衡算范围的两个截面中的任意一个截面。如衡算范围为水平管道，则基准水平面通过管道中心线，,Z=0。,4）单位必须一致,在应用柏努利方程之前，应把有关的物理量换算成一致的单位，然后进行计算。两截面的压强除要求单位一致外，还要求表示方法一致。,28,1.3.1,牛顿粘性定律,设想有两块面积很而相距很近的平板，其间充满液体，如图所示：,u,F,u=0,令下块板保持不动，上板以,F,力向右推动。此平行于平板的切向力使平板以速度,u,做匀速运动，,两板间的液体于是分成无数薄层而运动,。,紧贴于上板的流体层以同一速度,u,流动，而以下各层速度逐渐降低，而下板表面的一薄层速度为零，各流体层之间存在速度梯度。,29,流动的流体内部相邻的,两流体层间存在相互作用力,，即速度快的流体层有着拖动与之相邻的速度慢的流体层向前运动的力，而同时速度慢的流体层有着阻碍与之相邻的速度快的流体层向前运动的力。,流体内部速度不同的相邻两流体层之间的这种相互作用力就称为流体的,内摩擦力或粘性力,F,单位面积上的内摩擦力,F,即为,剪应力,F/A,实验证明，对大多数流体，剪应力,服从下列,牛顿粘性定律,：,式中：,流体的粘度，,Pa.s（N.s/m,2,）;,法向速度梯度，,1/,s。,30,2.,粘性流体在圆管内的速度分布,流体粘度为,。,紧贴壁面流体,u=0,随着离壁距离增大，,u,连续增大，原因在于：,对一定,增大,，下降；,及,只是有限值，故 也只能是有限值，由此可知，相邻流体层的速度只能连续变化。,在管中心处，速度最大。,31,3.,粘度,(1),比例系数,称为粘度，是流体的一种物性。,(2),粘性的物理本性是分子间的引力和分子的运动与碰撞。,(3),粘度总是与速度梯度相联系，只有在运动时显现出来。,(4),的变化规律,液体：,f（t），,与压强,p,无关，温度,t，,思考：油输送时加热的目的？,气体：,p40atm,时,f（t）,与,p,无关，温度,t，,32,2,、流型,:,层流与湍流,(,Laminar and Turbulent Flow),层流：,流体质点很有秩序地分层顺着轴线平行流动，不产生流体质点的宏观混合。,湍流：,流体质点沿管轴线方向流动的同时还有任意方向上的湍动，因此空间任意点上的速度都是不稳定的，大小和方向不断改变。,3,、流型判别的依据雷诺准数,(,Reynolds number),影响流型的因素,:,（,1,）流体的物性,:,、,；,（,2,）流道的尺寸：,d;,（,3,）流体的流动状态：,u,33,流体在圆形直管内流动时：,稳定的层流区,；,湍流区,；,过渡区,雷诺准数的定义,注意：,以,Re,为判据将流动划分为三个区：层流区，过渡区，湍流区。,流型只有两种。,过渡区并不表示一种过渡的流型，它只是表示在此区内可能出现湍流，究竟出现何种流型需视外界扰动而定。,反映流体的流动状态和湍流程度,34,1.3.3,层流与湍流的比较,1、流体内部质点的运动方式,层流：,流体质点沿管轴平行方向作直线运动，,质点间不相混杂，即分层流动,湍流：,流体质点总体上向前运动,质点作不规则杂乱运动，质点间相互碰撞、相互混合,流体质点在沿流动方向 运动的同时，还做,随机的脉动,。,35,2,、流体在直管内的流动阻力,流动阻力所遵循的规律因流型不同而不同。,层流：,流动阻力来自流体本身所具有的粘性而引起的内摩擦。,对牛顿型流体,=,du/dy,。,湍流：,流动阻力的来源有两个：,（,1,）粘性引起的内摩擦,（,2,）流体质点的径向脉动产生附加阻力称之为涡流应力。,=(,+e),du/dy,e,为涡流粘度，不是流体的物理性质，与流体流动状态有关。,36,圆管内滞流与湍流的比较,滞流,湍流,本质区别,分层流动,质点的脉动,速度分布,平均速度,剪应力,37,第,一,章,流体流动,1.4.1,两种摩擦阻力损失,1.4.2,直管摩擦阻力损失,1.4.3,局部摩擦阻力损失,1.4.4,总摩擦阻力损失,1.4,管内流体流动的,摩擦,阻力损失,层流,湍流,38,二、两种摩擦阻力损失,1,、管路中的阻力,直管阻力,：,局部阻力,：,流体流经一定管径的直管时由于流体的内摩擦而产生的阻力,流体流经管路中的管件、阀门及管截面的突然扩大及缩小等局部地方所引起的阻力。,2,、阻力损失的表现：,流体势能的降低,流体在均匀直管内作定态流动,We=0。,1,2,u,1,u,2,39,单位质量流体流动时所损失的机械能，,J/kg,。,单位重量流体流动时所损失的机械能，,m,。,单位体积的流体流动时所损失的机械能，,Pa。,注意：,与柏努利方程式中两截面间的压强差,的区别,只有当流体在一段既无外功加入、直径又相同的水平管内流动时，,P,与,P,f,在绝对数值上才相等。,40,2,、,层流时的直管阻力损失,哈根-泊谡叶公式,与,范宁公式,对比，得：,滞流流动时,与,Re,的关系,41,思考：,滞流流动时，当体积流量为,q,v,的流体通过直径不同的管路时；,Pf,与管径,d,的关系如何？,可见：,42,因次分析法,特点：通过因次分析法得到数目较少的量纲为一的量，按量纲为一的量的个数组织实验，从而大大减少了实验次数，使实验简便易行。,依据：因次一致性原则,白金汉(,Buckinghan,),所提出的,定理。,凡是根据基本的物理规律导出的物理量方程,式中各项的因次必然相同，也就是说，物理,量方程式左边的因次应与右边的因次相同。,因次一致原则：,43,4,、,摩擦因数图,a),层流区：,Re2000，,与,Re,成直线，,=64/Re,h,f,u,。,b,),过渡区：,2000,Re4000，,波动，为安全计作湍流处理,c),湍流区：,Re4000,湍流粗糙管区：在图中,Re4000,虚线以下处,=,(,Re,/d,),当,/d,一定，,Re,，,，当,Re,增至某一值后,值下降缓慢,当,Re,一定，,/d,，,44,湍流光滑管区：,Re4000,时的最下面一条曲线。,与,/d,无关，而仅与,Re,有关。,d),完全湍流区：,图中虚线以上的区域。,=,(,/d,),，与,Re,无关,当,/d,一定时，,为一常数。,。,由,范宁公式,，若,l/d,一定，则阻力损失与流速的平方成正比,h,f,u,2,/2,，称作,阻力平方区,。,则,/d,越大，到达阻力平方区所需要的,Re,就越小。,45,46,47,6,、,值的经验关系式,层流,:,海根,-,泊谡叶,粗糙管柯尔布鲁克,湍流,:,完全湍流区,光滑管 布拉修斯,Re=310,3,110,5,讨论,:,层流,hf,u/d,2,粗糙管完全湍流区,hf,u,2,/d,湍流 粗糙管,hf,u,(1.75-1.8),光滑管,hf,u,1.75,48,非圆形管摩擦损失计算式,49,1.4.3,局部阻力损失,由于流体的流速或流动方向突然发生变化而产生涡流，从而导致形体阻力。,1、局部阻力损失的计算,1）阻力系数法,为阻力系数，由实验测定。,50,突然扩大与突然缩小,或者：,可根据小管与大管的截面积之比查图。,突然扩大,流道突然扩大，产生逆压强梯度，出现边界层分离，产生漩涡。,突然缩小,突然缩小时，产生顺压强梯度，不致于发生边界层脱离。,流体有惯性，流道继续收缩至,0-0,面后又扩大。产生逆压强梯度，产生边界层分离和漩涡。由此可见，突然缩小造成的阻力主要还在于突然扩大,51,管出口,b),管出口和管入口,管出口相当于突然扩大,管入口相当于突然缩小，,A,2,/A,1,0，,管入口,，,管件与阀门,不同管件与阀门的局部阻力系数可从手册中查取。阀门关小，,局部阻力系数增加，局部阻力增加。,2）当量长度法,l,e,为管件的当量长度。,管件与阀门的当量长度由试验测定，湍流时，可查共线图。,52,1.4.4,管路中的总能量损失,管路系统中总能量损失=直管阻力+局部祖力,对直径相同的管段：,说明：,#,hf,的两种计算式中的速度,u,都是用,小管截面平均速度,代入。,#,管路出口截面上的动能应与出口阻力损失相一致。,出口截面内侧，流体未流出管路,此时具有,u,2,/2,而,hf,出口,=0,；,出口外侧，流体流出管口,此时,u,2,/2=0,，,hf,出口,=u,2,/2,；,#,两种计算方法所得结果不会正好相等，都是近似的估算值,53,总结：管路系统的总阻力损失为,管入口,管出口,弯管,阀门,机械能衡算方程：,若出口处控制面取,管出口外侧,，则,h,f,中应包括出口阻力损失，,但 ；,若出口处控制面取,管出口内侧,，则,h,f,中应不包括出口阻力损,失，但 。,54,减小阻力的措施：,改善固壁对流动的影响：,减小管壁粗糙度，防止或推迟流体与壁面的分离,加极少量的添加剂，影响流体运动的内部结构,。,55,流量计,变压头流量计,变截面流量计,:,将动压头的变化以静压头的变化的形式表示。,测速管,孔板流量计,文丘里流量计,：压力降是固定的，流体流量变化时流道的截面积发生变化,转子流量计,注意：流量计的安装方式！,56,第二章,2.2.1离心泵的工作原理,2.2.2离心泵的特性曲线,2.2.3离心泵的流量调节和组合操作,2.2.4离心泵的安装高度,2.2.5离心泵的类型与选用,流体输送机械,2.2,离心泵,57,本章的目的：,结合化工生产的特点，讨论各种流体输送机械的,操作原理、基本构造与性能,，合理地,选择其类型、决定规格、计算功率消耗、正确安排在管路系统中的位置等,58,59,1,、基本部件和构造,1）叶轮,a,),叶轮的作用,将电动机的机械能传给液体,使液体的动能有所提高。,b),叶轮的分类,结构,闭式叶轮,开式叶轮,半闭式叶轮,叶片的内侧带有,前后盖板,，适于输送干净流体，效率较高。,没有前后盖板,，适合输送含有固体颗粒,的液体悬浮物。,只有,后盖板,，可用于输送浆料或含固体,悬浮物的液体，效率较低。,60,吸入口位于泵壳中央与吸入管路相连，并在吸入管底部装,一止逆阀。,泵壳的侧边为排出口，与排出管路相连，装有调节阀。,离心泵的工作过程,：,开泵前，先在泵内,灌满要输送的液体,。,开泵后，泵轴带动叶轮一起高速旋转产生离心力。液体在,此作用下，从叶轮中心被抛向叶轮外周，,压力增高,，并,以,很高的速度（,15-25,m/s,）,流入泵壳,。,?,?,61,在蜗形泵壳中由于流道的不断扩大，液体的,流速减慢,，使,大部分动能转化为压力能,。最后液体,以较高的静压强从排,出口流入排出管道。,泵内的液体被抛出后，叶轮的中心形成了真空，,在液面压,强（大气压）与泵内压力（负压）的压差作用下，液体便,经吸入管路进入泵内,，,填补了被排除液体的位置。,离心泵之所以能输送液体，主要是,依靠高速旋转叶轮所产生的离心力，,因此称为,离心泵,。,62,问,3,：,是否所有的泵在启动前都,必须灌泵？,NO.,液下泵不必，可自吸,63,气 缚,离心泵,启动,时，如果,泵壳内存在空气,，由于空气的密度远小于液体的密度，叶轮旋转所产生的,离心力很小,，叶轮中心处产生的低压,不足以造成吸上液体所需要的真空度,，这样，离心泵就无法工作，这种现象称作,“,气缚,”,。,为了使启动前泵内充满液体，在吸入管道底部装一,止逆阀,。,此外，在离心泵的出口管路上也装一,调节阀,，用于开停车和调节流量。,64,2.2.2,离心泵的主要性能参数和特性曲线,1,离心泵的主要性能参数,65,H,e,，,又称扬程，泵对单位重量流体提供的有效能量，,m,。,可测量,q,V,，,泵单位时间实际输出的液体量，,m,3,/s,或,m,3,/h,。,可测量,在泵进口,b,、,泵出口,c,间列机械能衡算式：,转速,流量,压头,n,66,离心泵的压头又称扬程。,注意：,扬程并不等于,升举高度,Z,，,升举高度只是扬程的一部分。,67,轴功率和效率,P,a,，,又称功率，单位,W,或,kW,68,2、离心泵的特性曲线,离心泵的,He,、,、,Pa,都与离心泵的,q,v,有关，它们之间的关系由,确定离心泵压头的实验,来测定，实验测出的一组关系曲线：,Heq,v,、,q,v,、,Paq,v,离心泵的特性曲线,注意：特性曲线随转速而变,。,各种型号的离心泵都有本身独自的特性曲线，但形状基本相似，具有共同的特点,69,包括：,H,e,q,V,曲线,P,a,q,V,曲线,q,V,曲线,2.,离心泵特性曲线及其换算,用,20,C,清水测定,70,(1),叶轮转速的影响,当转速,变化不大时（小于,20%,），利用出口速度三角形相似的近似假定，可推知：,71,2、离心泵的流量调节,1）改变出口阀开度,改变管路特性曲线,阀门关小时：,管路局部阻力加大，管路特性曲线变陡，工作点由原来的,M,点移到,M,1,点，流量由,Q,M,降到,Q,M1,；,72,改变,n,、切割叶径,流量调节,73,当阀门开大时：,管路局部阻力减小，管路特性曲线变得平坦一些，工作点由,M,移到,M,2,流量加大到,Q,M2,。,优点：,调节迅速方便，流量可连续变化；,缺点：,流量阻力加大，要多消耗动力，不经济。,2）改变泵的转速改变泵的特性曲线,若把泵的转速提高到,n,1,：,则,HQ,线上移，工作点由,M,移至,M,1,，,流量由,Q,M,加大到,Q,M1,；,74,若把泵的转速降至,n,2,：,则,HQ,线下移，工作点移至,M,2,流量减小到,Q,M2,优点：,流量随转速下降而减小，动力消耗也相应降低；,缺点：,需要变速装置或价格昂贵的变速电动机，难以做到流量连续调节，化工生产中很少采用,。,75,3、离心泵的并联和串联,1）串联组合泵的特性曲线,两台相同型号的,离心泵串联,组合，在同样的流量下，其提供的,压头是单台泵的两倍,。,76,1,、串联,流量相同时，总扬程为每台泵的扬程之和,77,2）并联组合泵的特性曲线,两台相同型号的,离心泵并联,，若其各自有相同的吸入管路，则在,相同的压头下，并联泵的流量为单泵的两倍,。,78,校核泵能否正常操作,：,Hg,实际,非导电固体,，,液体,气体,T,，,气体,，,水,，其它液体的,3,、傅立叶定律,88,一、无限大,单层平壁,一维稳态导热（无内热源）,-,可见温度分布为直线,若,为常数，则：,6.2.2,一维稳态导热,-,薄壳衡算法,89,二、无限大,多层平壁,一维稳态导热（无内热源）,6.2.3,一维稳态导热,-,薄壳衡算法,90,三、无限长,单层圆筒壁,一维稳态导热（无内热源）,若,为常数，则：,-,可见温度分布,为对数关系,6.2.2,一维稳态导热,-,薄壳衡算法,91,6.2.2,一维稳态导热,-,薄壳衡算法,92,Q=,常数，但,q,常数,四、无限长,多层圆筒壁,一维稳态导热（无内热源）,6.2.2,一维稳态导热,-,薄壳衡算法,93,4.3,对流传热,4.3.1,对流传热过程分析,4.3.2,对流传热速率,4.3.3,影响对流传热系数的因素,4.3.4,对流传热系数经验关联式的建立,4.3.5,无相变时对流传热系数的经验关联式,4.3.6,有相变时对流传热系数的经验关联式,94,d,t,A,2,A,1,t,W,t,T,W,T,传热壁,冷流体,热流体,层流底层,温度梯度大，热传导方式,湍流核心,温度梯度大，对流方式,过渡区域,热传导和对流方式,95,一、对流传热的分析,流体沿固体,壁面的流动,滞流内层,缓冲层,湍流主体,流体分层运动，相邻层间没有流体的宏观运动。,在垂直于流动方向上不存在热对流，,该方向上的热传递仅为流体的热传导。该层中,温度差较大，即温度梯度较大。,热对流和热传导作用大致相同，在该层内温度发生较缓慢的变化。,温度梯度很小，,各处的温度基本相同。,96,准数的符号和意义,准数名称,符号,准数式,意义,努塞尔特准数,（,Nusselt,）,Nu,表示对流传热的系数,雷诺准数,（,Reynolds）,Re,确定流动状态的准数,普兰特准数,（,Prandtl,）,Pr,表示物性影响的准数,格拉斯霍夫准数,（,Grashof,）,Gr,表示自然对流影响的准数,97,3、应用准数关联式应注意的问题,1）,定性温度：,各准数中的物理性质按什么温度确定,2）,定性尺寸：,Nu,，Re,数中,L,应如何选定。,3）,应用范围：,关联式中,Re,Pr,等准数的数值范围。,98,三、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（大约低于2倍常温水的粘度）流体,当流体被,加热时,n,=0.4,，,流体被,冷却时，,n,=0.3。,99,管长与管径比,将计算所得的,乘以,应用范围：,定性尺寸：,Nu、Re,等准数中的,l,取为管内径,d,i,。,定性温度：,取为流体进、出口温度的算术平均值。,b),高粘度的液体,为考虑热流体方向的校正项。,100,四、流体有相变时的对流传热系数,1、蒸汽冷凝时的对流传热系数,1）蒸汽冷凝的方式,a),膜状冷凝：,若冷凝液能够浸润壁面，在壁面上形成一完整的液膜,b),滴状冷凝：,若冷凝液体不能润湿壁面，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,101,3）影响冷凝传热的因素,a）,冷凝液膜两侧的温度差,t,当液膜呈滞流流动时，,若,t,加大,，则蒸汽冷凝速率增加，液膜厚度增厚，,冷凝传热系数降低。,b）,流体物性,液膜的密度、粘度及导热系数，蒸汽的冷凝潜热，都影响冷凝传热系数。,c),蒸汽的流速和流向,蒸汽和液膜,同向流动，厚度减薄，使,增大；,蒸汽和液膜,逆向流动，,减小，,摩擦力超过液膜重力时，液膜被蒸汽吹离壁面，,当蒸汽流速增加，,急剧增大；,102,d),蒸汽中不凝气体含量的影响,蒸汽中含有空气或其它不凝气体,，壁面可能为气体层所遮盖，增加了一层附加热阻，,使,急剧下降,。,e),冷凝壁面的影响,若沿冷凝液流动方向积存的液体增多，液膜增厚，使传热系数下降。,例如,管束，,冷凝液面从上面各排流动下面各排，使液膜逐渐增厚，因此,下面管子的,要比上排的为低。,冷凝面的表面情况对,影响也很大，,若壁面粗糙不平或有氧化层，,使膜层加厚，增加膜层阻力，,下降。,103,第,4,章 传热,一、能量衡算,二、总传热速率微分方程三、总传热系数,四、平均温度差,五、传热面积的计算,六、传热单元数法,七、壁温的计算,八、保温层的临界直径,第四节 传热计算,104,一、热量衡算,热量衡算是反映,两流体在换热过程中温度变化的相互关系,对于间壁式换热器，假设换热器绝热良好，热损失可忽略则在单位时间内的换热器中的流体放出的热量等于冷流体吸收的热量。即：,换热器的热量衡算式,应用：,计算换热器的传热量,若换热器中的两流体的比热不随温度而变或可取平均温度下的比热时,105,若换热器中热流体有相变化，例如饱和蒸汽冷凝，冷凝液在饱和温度下离开。,若冷凝液的温度低于饱和温度离开换热器,106,二、总传热速率方程,通过换热器中任一微元面积的间壁两侧的流体的传热速率方程，可以仿照对流传热速率方程写出：,总传热速率微分方程,or,传热基本方程,K,局部总传热系数，（,w/m,2,）,物理意义：,在数值上等于单位传热面积、单位温度差下的传热速率。,107,当取,t,和,k,为整个换热器的平均值时，对于整个换热器，传热基本方程式可写成：,或,K,换热器的平均传热系数，,w/m,2,K,总传热热阻,注意：,其中,K,必须和所选择的传热面积相对应,，选择的传热面积不同，总传热系数的数值不同。,108,三、总传热系数,1、总传热系数,K,的来源,生产实际的经验数据,实验测定,分析计算,2、传热系数,K,的计算,流体通过管壁的传热包括：,1)热流体在流动过程中把热量传递给管壁的对流传热,109,基于外表面积总传热系数计算公式,同理：,110,3、污垢热阻,在计算传热系数,K,值时，,污垢热阻一般不可忽视，,污垢热阻的大小与流体的性质、流速、温度、设备结构以及运行时间等因素有关。,若管壁两侧表面上的污垢热阻分别用,Rs,i,和,Rs,0,表示，根据串联热阻叠加原则，,111,当管壁热阻和污垢热阻均可忽略时，,若,则,总热阻是由热阻大的那一侧的对流传热所控制。,提高,K,值，关键在于,提高,对流传热系数,较小一侧的,。,两侧的,相差不大,时，则必须,同时提高两侧的,，,才能提高,K,值。,污垢热阻为控制因素时,，则必须,设法减慢污垢形成速率或及时清除污垢。,112,四、传热的平均温度差,恒温差传热：,变温差传热：,传热温度差,不随位置而变,的传热,传热温度差,随位置而改变,的传热,传热,流动形式,并流：,逆流：,错流：,折流：,两流体,平行而同向,的流动,两流体,平行而反向,的流动,两流体,垂直交叉,的流动,一流体只,沿一个方向流动,，而,另一流体反复折流,113,-,对数平均温差,5.2.4,t,m,的计算,（逆、并流）,（逆、并流）,114,如：,逆流时：,热流体：,冷流体：,70 25,并流时：,热流体：,冷流体：,85 10,115,第,5,章 质量传递,是指物质在浓度差、温度差、压力差等推动力作用下，从一处向另一处的转移，包括相内传质和相际传质两类。,116,5.1.,概述,5.1.1.化工生产中的传质过程,5.1.2.气体吸收,5.1.3,工业吸收过程,第五章 吸收,117,5.1,.1.,化工生产中的传质过程,1.,传质分离过程：,依靠物质从一相到另一,相传递过程，叫传质分离过程。,2.,传质分离过程的依据：,依据混合物中各,组分在两相间平衡分配不同。,118,5.1,概述,119,二、相平衡,5.1,概述,与热平衡不同之处：,达到相平衡时，一般两相浓度不相等。,达到相平衡时，传质过程仍在进行，只不过通过相界面的某一组分的净传质量为零，因此属动态平衡。,120,5.1,概述,三、相组成的表示方法,121,5.1,概述,122,5.1,概述,123,5.1.2,气体吸收,定义,吸收操作的分离依据是混合物各组分在某种溶剂（吸收剂）中溶解度的差异，从而达到的目的,。,例如：将含,NH,3,的空气通入水中，因,NH,3,、,空气在水中溶解度差异很大，,NH,3,很容易溶解于水中，形成氨水溶液，而空气几乎不溶于水中。所以用水吸收混合气体中的,NH,3,能使,NH,3,、,空气加以分离，并回收。,一般地，混合气体中能溶解的组份称为,溶质或吸收质,，用,A,表示（,NH,3,）；,混合气体中不能溶解的组份称为,惰性成分或载体,，用,B,表示（空气）；,吸收操作中所用的溶剂称为,吸收剂或溶剂,，用,S,表示（水）,;,吸收操作中所得的溶液称为,吸收液,，用,S+A,表示,;,吸收操作中排除的气体称为,吸收尾气,，用（,A,）,+B,表示,;,124,5.2.1,享利定律,1,定义,对于稀溶液或难溶气体，在一定温度,t,和总压不大的情况下，溶质在液相中的溶解度与它在气相中的分压呈正比，这一关系称为亨利定律（,Hery,）。,注意,：,（,1,）适用范围：,稀溶液或,难溶气体,（,2,）条件：,总压不高的条件,（,3,）关系：,液相（溶解度）与气相（分压）,125,2,享利定律,数学表达式,1),表达式：,P,*,A,=,Ex,A,式中,p,*,A,-,溶质,A,在气相中的平衡分压，,单位：,mmHg,，,atm,，,Pa etc,；,E-,Hery,系数,与,P,*,A,单位一致,;,x,A,-,溶质,A,在液相中的摩尔分数。,126,不同表示方法,2),采用摩尔浓度时的,Hery,形式,P,*,A,=C,A,/H,C,A,溶质,A,在溶液中的摩尔浓度单位：,kmol/m,3,H,溶解度系数单位为：,(kmol/m,3,)/(,kPa,）,3),浓度采用摩尔分数时,Hery,形式,y,*,A,=,mx,A,y,*,与组成为,X,A,的溶解呈平衡的气相中溶质,A,的摩尔分数,m,相平衡常数无因次,4,）采用摩尔比表示的,Hery,形式,127,5.2.2.3,Hery,定律中,E,、,H,、,m,间关系,E,与,m,的关系,P,*,A,=,Ex,A,y,*,A,=P,*,A,/P,y,*,A,=(E/,P)x,A,y,*,A,=,mx,A,m=E/P,E,与,H,的关系,X,A,=C,A,/C,P,*,A,=C,A,/H,P,*,A,=CX,A,/H,P,*,A,=,Ex,A,E=C/H,m,与,H,的关系,m=E/P,E=C/H,m=C/H P,对于稀溶液，,CA,很小，,C=,/MS,128,注意事项,对于稀溶液，,C,A,很小，,C=,/M,S,m=E/P,与,E=C/H,式中：,C,溶液的总摩尔浓度,P,系统的总压,129,E,H=f(,系统温度,浓度,),，,M=f(,系统温度,浓度,总压,),。,E,，,m,越小，,H,越大，说明该体系溶解度越大。,随温度变化趋势：温度,T,升高，,E,，,m,增加，,H,降低，溶解度变小。,加压，降温，对吸收有利，反之则对解吸有利。,130,5.3.1,过程方向的判断,吸收过程：,当气液两相接触时，要使溶质自气相转移至液相，即发生的充要条件是,y,y,(x),或,x,x,(y);,解吸过程：,当气液两相接触时，溶质自液相转移至气相，即发生的充要条件是,y,y,(x),或,x,x,(y);,动态平衡：,过程达到极限，即发生气液两相达到平衡，若,y,y,(x),或,x,x,(y,），,净物质传递量,=0,。,举例,设在,1atm,，,20,下稀氨水的相平衡方程为,y,=0.94x,，,今使含氨,y=10,的混合气和,x=0.05,的氨水接触。试判断过程方向？,y,=0.94x=0.94*0.05=0.047,y=10,0.1,yy,发生吸收过程,或,x,=y/0.94=0.1/0.94=0.106,x=0.05x,131,5.3.2,计算过程推动力,在吸收过程中，通常以实际浓度与平衡浓度的偏离程度来表示吸收的推动力。如,（,y,A,-y,A,*,）,气相组成浓度差表示的吸收推动力,(,x,A,*,-,x,A,),液相组成浓度差表示的吸收推动力,两者,越大，推动力过程速率也就越快,y,x,x,A,*,y,A,*,A,A,y,x,G,L,y=,mx,132,5.3.3,确定过程的极限,今将溶质浓度,为,y,1,的混合气送入某吸收塔的底部，溶剂自塔顶淋入作,逆流吸收时，,见,(a),图,若减小淋下的溶剂量，则溶剂在塔底出口的浓度,x,1,必将增大。其极限浓度是气相浓度,y,1,的平衡浓度,x,1e,，,即,x,1max,=x,1e,=y,1,/m,；,反之，当吸收剂用量很大而气体流量较小时，即使在无限高的塔内进行逆流吸收，见,(b),图，出口气体的溶质浓度也不会低于吸收剂入口浓度,x,2,平衡浓度,y,2e,，,即,y,2min,=y,2e,=mx,2,，,仅当,x,2,=0,，则,y,2min,=0,。,全部吸收。,由此可见，,相平衡关系限制了吸收剂离塔时的最高浓度和气体混合物离塔时的最低浓度,。,y,1,x,1,y,2e,133,小结,：吸收与传热的比较,过程,传递对象,推动力,极限,吸收,物质,y y,e,xX,故,吸收操作线在平衡线,Y*=f(X),的上方,，操作线离平衡线愈远吸收的推动力愈大，相反，,解吸操作线在下方,5.,吸收操作线仅与,液气比，塔底及塔顶溶质组成有关，与系统的平衡关系，塔型及操作条件,T,，,P,无关,。,Y,X,o,Y,*,=f(X),A,Y,1,X,1,X,2,Y,2,B,Y,X,X,*,Y,*,P,Y-Y,*,X,*,-X,6.,各端点的含义：,端点,A,代表吸收塔底的情况，此处具有最大的气液组成，故称为,“浓端”，,端点,B,代表塔顶的情况，此处肯有最小的气、液组成，故称为“,稀端”,，,操作线上任一点,P,代表着塔内相应截面上的液、气组成,X,，,Y,。,177,三、吸收塔内流向的选择,在,Y,1,至,Y,2,范围内，两相逆流时沿塔高均能保持较大的传质推动力，而两相并流时从塔顶到塔底沿塔高传质推动力逐渐减小，进、出