制冷空調(diào)自動(dòng)-課件(2)

1、 第2章傳熱學(xué)及流體力學(xué)基礎(chǔ) 2.1傳熱學(xué)基礎(chǔ) 2.2流體力學(xué)基礎(chǔ) 2.1傳熱學(xué)基礎(chǔ)傳熱學(xué)是研究在溫差作用下熱量傳遞規(guī)律的學(xué)科。它與熱力學(xué)共同組成熱工學(xué)的理論基礎(chǔ)。熱量傳遞可分為導(dǎo)熱、對(duì)流換熱與輻射換熱三種不同方式。在工程實(shí)踐中,大多數(shù)傳熱過(guò)程由幾種熱量傳遞同時(shí)作用,即以復(fù)合換熱方式進(jìn)行。2.1.1導(dǎo)熱導(dǎo)熱又稱熱傳導(dǎo)。溫度不同的物體直接接觸或同一物體內(nèi)不同溫度的各部分之間依靠物質(zhì)的分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)而引起的熱量傳遞現(xiàn)象,稱為導(dǎo)熱。只要有溫差存在,導(dǎo)熱總是在溫度降低的方向上發(fā)生,而且是固體中唯一可能發(fā)生的傳熱現(xiàn)象。 1.導(dǎo)熱的基本定律與熱導(dǎo)率1)傅里葉定律傅里葉定律指出:熱流密

2、度與該時(shí)刻同一處的溫度梯度成正比,而方向與溫度梯度的方向相反。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 (21) 或 (22) 式中:q熱流密度(W/m2);熱導(dǎo)率(W/(mK);gradt空間某點(diǎn)的溫度梯度(K/m);t溫度(K);x在導(dǎo)面上的坐標(biāo)(m);n通過(guò)該點(diǎn)的等溫線上的法向單位矢量,指向溫度升高的方向。A傳熱面積(m2);Q熱流量(W)。 2)熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率是物質(zhì)的一個(gè)重要物性參數(shù)。其定義式由傅里葉定律給出,即 (23) 由式(23)可見(jiàn),熱導(dǎo)率是物體中單位溫度梯度,單位時(shí)間通過(guò)單位面積的熱量。它表征物體導(dǎo)熱能力的大小。各種物質(zhì)的熱導(dǎo)率由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。一些常用物質(zhì)的熱導(dǎo)率見(jiàn)表21。一般而言,金屬的最大,良導(dǎo)電體也是

3、良導(dǎo)熱體,液體次之,氣體最小。工程上常把50100時(shí)熱導(dǎo)率小于0.2W/(mK)的材料稱為絕熱材料。 表21273K時(shí)常用物質(zhì)的導(dǎo)熱率 熱導(dǎo)率不僅隨物質(zhì)的品種而異,即使同一品種物質(zhì)(特別是建筑材料和絕熱材料),其熱導(dǎo)率還與結(jié)構(gòu)、密度、含濕量和溫度等因素有關(guān)。經(jīng)驗(yàn)證明:大多數(shù)絕熱材料的熱導(dǎo)率與溫度的關(guān)系,在溫度范圍不大的情況下,可近似地認(rèn)為是直線關(guān)系,即 =0(1+bt) (24)式中:t溫度時(shí)的熱導(dǎo)率(W/(mK);0273K時(shí)的熱導(dǎo)率(W/(mK);b溫度系數(shù),由實(shí)驗(yàn)確定;t溫度()。 在工程計(jì)算中,一般取平均溫度時(shí)的,并把它當(dāng)常量處理。含濕量對(duì)建筑材料、絕熱材料的熱導(dǎo)率影響極大。由于這些材

4、料的孔隙多,容易吸收水分,而水的熱導(dǎo)率比空氣大2030倍,加上在導(dǎo)熱過(guò)程中隨著熱量傳遞,水分會(huì)遷移,因此濕材料的甚至可能比純水的還大。所以對(duì)于建筑物的圍護(hù)結(jié)構(gòu),特別是冷藏庫(kù)、冷藏設(shè)備及冷水管道等的絕熱層,應(yīng)采取良好的防潮措施。此外,有些物質(zhì)的各向結(jié)構(gòu)不同,因而在各個(gè)方向上的熱導(dǎo)率也有較大差異,這種材料稱為各向異性材料。例如木材,順木紋方向的值約是垂直于木紋方向的24倍。因此,在進(jìn)行導(dǎo)熱計(jì)算時(shí),應(yīng)根據(jù)導(dǎo)熱方向不同而選取不同的值。 2.穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱1)通過(guò)平壁的導(dǎo)熱設(shè)有一厚度為的無(wú)限大平壁(指平壁的長(zhǎng)度與寬度遠(yuǎn)大于其厚度),材料的熱導(dǎo)率為常量,如圖21(a)所示。平壁兩側(cè)分別為恒定溫度tw1和tw2,

5、因此壁內(nèi)是一維穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)。若導(dǎo)熱面積為A,則單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)平壁的熱量Q(W)為 (25) 在制冷、空調(diào)工程中,常遇到的平壁往往是由不同材料組成的多層壁。如換熱器,常由器壁、絕熱層和保護(hù)層組成,如圖2.1(b)所示,則單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)n層平壁的總熱流量為 (26) 圖21 單層平壁與多層平壁的導(dǎo)熱 在一定的溫差條件下,熱流密度q與導(dǎo)熱熱阻/成反比,即熱阻越大、熱流密度越小。減少熱阻可以增加換熱器的傳熱量。因此對(duì)于換熱器,要盡量減少其壁厚,同時(shí)也要減少或避免換熱器中內(nèi)外表面油膜、污垢、霜層及積灰等的厚度。由于每一層內(nèi)溫度均按直線分布,所以在整個(gè)多層平壁內(nèi)溫度分布將是一條折線,如圖21(b)所示。在n

6、層平壁內(nèi),第i層與第i+1層之間接觸面的溫度tw,i+1為 (27)2)通過(guò)圓管壁的導(dǎo)熱設(shè)有一長(zhǎng)度為l,內(nèi)、外直徑分別為d1和d2的圓管壁(半徑各為r1和r2),且ld2,熱導(dǎo)率為常量,內(nèi)外壁面溫度各為tw1和tw2,且tw1tw2,如圖22所示。通過(guò)該圓管壁的熱流量為 分離變量、積分并整理,得熱量Q(W)為 (28) 圖2-2 通過(guò)圓管壁的導(dǎo)熱通過(guò)每米管長(zhǎng)的熱流量Q1(W/m)為 (29) 壁內(nèi)任一直徑dx處的溫度twx為 (210) 上式說(shuō)明圓管壁內(nèi)溫度按對(duì)數(shù)曲線規(guī)律分布。多層圓管壁的導(dǎo)熱計(jì)算公式與多層平壁一樣,可以利用串聯(lián)電阻疊加的原則,直接求得每米管長(zhǎng)n層圓管壁的導(dǎo)熱計(jì)算公式,即 (2

7、11) 式中:ql長(zhǎng)度熱流量(W/m)。 2.1.2對(duì)流換熱1.對(duì)流換熱的基本概念對(duì)流換熱是流動(dòng)的流體與固體壁面直接接觸,當(dāng)兩者溫度不同時(shí),相互間所發(fā)生的熱量傳遞過(guò)程。它既具有流體分子間微觀導(dǎo)熱作用,又具有流體宏觀位移的熱對(duì)流作用,所以對(duì)流換熱過(guò)程必然受到導(dǎo)熱規(guī)律和流體流動(dòng)規(guī)律的雙重支配。 (212) 或 (213) (214) 式中:a表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)(W/(m2K);tf流體溫度();tw壁面溫度()。 a是表征對(duì)流換熱強(qiáng)度的量,數(shù)量上等于流體與壁面溫差為1時(shí),每單位時(shí)間、單位壁面積的對(duì)流換熱量。表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的大小,與對(duì)流換熱過(guò)程的許多因素有關(guān),因而式(214)只能看做是表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的定義式,

8、它并沒(méi)有揭示各種因素與表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)之間的內(nèi)在關(guān)系。因此,計(jì)算對(duì)流換熱量,就變成如何根據(jù)各種具體情況分析和計(jì)算表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的問(wèn)題。 表22換熱設(shè)備中傳熱系數(shù)a的概值范圍 2.影響對(duì)流換熱的因素影響對(duì)流換熱的因素很多,歸結(jié)起來(lái)主要有以下幾個(gè)方面。1)流動(dòng)引起的作用按流動(dòng)起因可分成兩類:若流體的流動(dòng)是由泵、風(fēng)機(jī)或其他壓差作用所造成的,稱為受迫流動(dòng);若流體的流動(dòng)是由流體冷熱密度不同所造成的,則稱為自由流動(dòng)。由于兩類流動(dòng)的推動(dòng)力不同,它們的換熱規(guī)律也不同。 2)流體流動(dòng)速度流速增加,促使流體的邊界層變薄,并使流體內(nèi)部相對(duì)運(yùn)動(dòng)加劇,從而使表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)a增大。3)流體的物理性質(zhì)流體的物理性質(zhì),如熱導(dǎo)率、比熱

9、容、密度、粘度等,都會(huì)影響對(duì)流換熱過(guò)程。熱導(dǎo)率大的流體,貼壁層流層的導(dǎo)熱熱阻小,換熱就充分。比熱容和密度大的流體,體積熱容量大,增強(qiáng)了流體與壁面之間的換熱。粘度大的流體,邊界層增厚,對(duì)換熱不利。上述諸物理性質(zhì)對(duì)換熱的影響不是孤立的,在分析實(shí)際過(guò)程時(shí)應(yīng)注意綜合效果。 4)換熱表面的幾何尺寸在對(duì)流換熱時(shí),液體沿壁面流動(dòng),所以壁面的幾何尺寸和位置對(duì)流體流動(dòng)有很大影響,從而也影響對(duì)流換熱的強(qiáng)弱。由于對(duì)流換熱過(guò)程比較復(fù)雜,受迫流動(dòng)與自由流動(dòng),層流和紊流,有相變與無(wú)相變,各種流體的物性不同,以及換熱面的形狀、大小及相對(duì)位置差異等,組成了多種不同規(guī)律的換熱過(guò)程。因此,要了解表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)a的變化規(guī)律,只有對(duì)上

10、述各種情況分別進(jìn)行分析和試驗(yàn),才能獲得反映各種情況的計(jì)算公式。工程上通常采用由相似理論推得的表面換熱準(zhǔn)則方程,解決表面換熱實(shí)際問(wèn)題。 2.1.3熱輻射和輻射換熱1.熱輻射和輻射換熱的基本概念熱輻射是物體因其本身溫度而發(fā)射電磁波傳遞能量的現(xiàn)象。在工業(yè)上有實(shí)際意義的熱輻射波長(zhǎng)在0.1100m之間。在此范圍內(nèi),電磁波照射在物體上能產(chǎn)生熱效應(yīng)。任何物體在向外發(fā)射輻射能的同時(shí),還不斷地吸收周圍其他物體發(fā)出的輻射能,并轉(zhuǎn)換成熱能。所謂輻射換熱,是指物體之間的相互輻射和吸收的總效果。 當(dāng)熱輻射投射到物體表面上時(shí),同可見(jiàn)光一樣,也有吸收、反射和穿透現(xiàn)象發(fā)生,如圖23所示。設(shè)投射到物體表面上的輻射總能量為G,吸

11、收部分為G,反射部分為G,穿透部分為G,則根據(jù)能量守恒定律有 或 (215) 上式中,各能量百分比G/G、G/G、G/G分別稱為該物體的吸收率、反射率和穿透率。故上式也可改寫(xiě)為(216) 圖23物體對(duì)熱輻射的反射、吸收和穿透 2.斯蒂芬-玻耳茲曼定律斯蒂芬-玻耳茲曼定律表明黑體的輻射力Eb(W/m2)與其熱力學(xué)溫度T的四次方成正比,即 (217) 式中:b黑體輻射常數(shù),b=5.6710-8W/(m2K4)。式(217)又可寫(xiě)成 (218) 式中:Cb黑體輻射系數(shù),Cb=5.67W/m2K4。 一切實(shí)際物體的輻射力,都小于同溫度下黑體的輻射力。因此,把任一物體的輻射力E與同溫度下黑體的輻射力Eb

12、之比值稱為該物體的發(fā)射率(也稱黑度),用符號(hào)表示,即 (219) 發(fā)射率表征物體輻射力接近黑體的程度。的數(shù)值范圍在01之間,具體數(shù)值由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。常用材料的發(fā)射率見(jiàn)表23。 表23物體表面熱輻射的法向發(fā)射率n 利用發(fā)射率定義,斯蒂芬-玻耳茲曼定律可近似地用于實(shí)際物體,即 (220) 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),實(shí)際物體的輻射率并不嚴(yán)格地同熱力學(xué)溫度的四次方成正比,而把由此引起的誤差用物體的發(fā)射率來(lái)修正。 3.輻射換熱的計(jì)算在一定空間內(nèi),相互間距遠(yuǎn)小于輻射面寬度和高度的任意布置兩物體間的輻射換熱量為 (221) 角系數(shù)是指一個(gè)表面發(fā)射出的輻射能中,落到另一表面的百分?jǐn)?shù)。角系數(shù)和表面積存在如下關(guān)系: 例如:在冷藏庫(kù)中

13、,單排墻排管與墻面之間輻射的換熱如圖24(a)所示,其平均角系數(shù)可按下列公式計(jì)算: (222)(223) 雙排墻排管與墻面間輻射時(shí)的換熱如圖24(b)所示,其平均角系數(shù)可按下式計(jì)算: (224) 表24平均角系數(shù) 由兩個(gè)物體組成的換熱系統(tǒng),其組合發(fā)射率m可由下式求得: (225) 當(dāng)一凸物體(面積為A1)被一凹物體(面積為A2)所包圍時(shí),其組合發(fā)射率為 (226) 2.1.4傳熱及換熱器1.復(fù)合換熱在實(shí)際工程中,絕大多數(shù)傳熱過(guò)程往往是由導(dǎo)熱、對(duì)流換熱和輻射換熱同時(shí)作用的結(jié)果。凡是有幾種熱量傳遞方式同時(shí)作用的換熱過(guò)程,稱為復(fù)合換熱。如工程中經(jīng)常遇到的壁面與氣體之間的換熱過(guò)程,便是輻射和對(duì)流同時(shí)存

14、在的換熱。為了便于分析和計(jì)算,把復(fù)合換熱中輻射換熱量,表示成與對(duì)流換熱計(jì)算式相類似的形式,即 式中:R輻射傳熱系數(shù)(W/(mK)。 對(duì)于壁面或管壁在大空間中的輻射換熱,可近似地按下式計(jì)算: 比較qR的兩個(gè)計(jì)算式,可求得在該條件下輻射傳熱系數(shù)的計(jì)算式為 (227) 式中:t1壁面或管壁溫度();t2四周環(huán)境表面的溫度()。 若認(rèn)為t2近似地等于周圍介質(zhì)(空氣)溫度tf,則上式可改寫(xiě)為 (228) 對(duì)流換熱量qc與輻射換熱量qR之和,稱為總換熱量q,即總換熱量q(W/m2)為 (229) 式中:as表面總傳熱系數(shù)(W/(mK)。實(shí)際換熱過(guò)程,可根據(jù)具體情況進(jìn)行簡(jiǎn)化分析。大多只需按其中占主導(dǎo)地位的熱

15、傳遞方式來(lái)計(jì)算,已足夠準(zhǔn)確,只有當(dāng)兩種方式所交換的熱量相當(dāng)接近時(shí),才應(yīng)同時(shí)予以考慮。 2.傳熱過(guò)程及傳熱系數(shù)工程上經(jīng)常遇到熱量由高溫流體,經(jīng)固體壁面?zhèn)鹘o低溫液體,這種過(guò)程稱為傳熱過(guò)程。如冬季室內(nèi)熱空氣經(jīng)墻壁散熱給室外冷空氣,表面冷卻器的傳熱,制冷裝置中蒸發(fā)器的吸熱和冷凝器的放熱,以及蒸氣管道的熱量損失等都是傳熱過(guò)程。本節(jié)主要介紹通過(guò)平壁、圓管壁及肋壁的傳熱過(guò)程。 1)通過(guò)平壁的傳熱如圖25所示的鍋爐爐墻,面積為A,壁厚為,熱導(dǎo)率為,墻內(nèi)側(cè)煙氣溫度和墻外側(cè)空氣溫度分別為tf1和tf2。高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)輻射和對(duì)流方式,把熱量傳給爐墻內(nèi)表面。內(nèi)表面總傳熱系數(shù)為a1,爐墻外表面總換熱系數(shù)為a2,則傳熱量為

16、 (230) 圖2-5 通過(guò)平壁傳熱 令 ,則上式可改寫(xiě)為 或 (231) (232) 式中:K傳熱系數(shù)(W/(m2K)。式(231)和式(232)稱為傳熱方程。 2)通過(guò)圓管壁的傳熱如圖26所示的內(nèi)、外直徑分別為d1和d2(半徑為r1和r2),長(zhǎng)度為l的圓管壁,管壁材料的熱導(dǎo)率為, 管壁兩側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)分別為as1和as2,介質(zhì)溫度為tf1和tf2。根據(jù)串聯(lián)熱阻疊加原理,每單位管長(zhǎng)的傳熱熱阻Rl和傳熱系數(shù)Kl分別為 圖26通過(guò)圓管壁傳熱每單位管長(zhǎng)的熱流量為 (233) 以管外表面面積計(jì)算的圓管壁傳熱量Q(W)為 (234) 以圓管外表面面積計(jì)算的傳熱系數(shù)K(W/(m2K)為 (235) 圖

17、2-7 通過(guò)肋壁傳熱 (236) 肋壁效率與肋片材料的熱導(dǎo)率、肋片表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)及肋片幾何尺寸等因素有關(guān),一般希望值在0.9以上為好。根據(jù)串聯(lián)熱阻疊加原理,按光面面積計(jì)算的肋壁傳熱總熱阻RK(mK/W)為 (237) 則肋壁傳熱量Q(W)為 (238) 肋面面積與光面面積之比A2/A1=稱為肋化系數(shù),則以光面面積計(jì)算的肋壁傳熱量為 (239) 以光面面積計(jì)算的傳熱系數(shù)為 (240) 3.傳熱的增強(qiáng)、削弱和熱絕緣1)傳熱的增強(qiáng)增強(qiáng)傳熱通常是指提高換熱設(shè)備單位面積的傳熱量,使換熱設(shè)備達(dá)到體積小、重量輕、節(jié)省用材的目的。依據(jù)傳熱公式q=Kt,可知增強(qiáng)傳熱的途徑主要如下:(1)提高傳熱溫差。提高熱流體溫

18、度和降低冷流體溫度,并盡可能在換熱面兩側(cè)采用冷、熱流體逆向流動(dòng)的方式。 (2)提高傳熱系數(shù)K值,即減少傳熱熱阻。應(yīng)設(shè)法減少傳熱過(guò)程中各串聯(lián)熱阻中最大的熱阻。具體措施有:減少導(dǎo)熱熱阻,其中包括換熱面本身熱阻和表面污垢熱阻;減小對(duì)流換熱熱阻,如在表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)小的一側(cè)加裝肋片,并注意使肋基接觸良好;適當(dāng)增加流體流速,采用小管徑以增加流體的擾動(dòng)和混合,破壞邊界層等;增加輻射面的發(fā)射率和溫度來(lái)增強(qiáng)輻射換熱,如涂鍍選擇性涂層或選用發(fā)射率大的材料等。 2)傳熱的削弱和熱絕緣與增強(qiáng)傳熱相反,削弱傳熱則要求降低傳熱系數(shù),即增大傳熱熱阻。削弱傳熱是為了減少熱設(shè)備及其管道的熱損失,節(jié)省能源。主要方法可概括為兩方面:

19、(1)覆蓋熱絕緣材料。在冷、熱設(shè)備上包裹熱絕緣材料是工程上最常用的保溫措施。常用的材料有巖棉、各種泡沫塑料、微孔硅酸鈣、珍珠巖等。它們的熱導(dǎo)率處于0.030.05范圍內(nèi),是較好的保溫隔熱材料。具體采用什么材料,則需根據(jù)保溫工程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)要求來(lái)選擇。 (2)改變表面狀況。主要采用選擇性涂層的方法,既增強(qiáng)對(duì)投入輻射的吸收,又削弱本身對(duì)環(huán)境的輻射換熱損失,如氧化銅等涂層。也可采用附加抑制對(duì)流的元件,如在太陽(yáng)能集熱器的玻璃蓋板與吸熱板之間,加裝蜂窩結(jié)構(gòu)元件,可抑制空氣對(duì)流換熱,同時(shí)也可減少集熱器的對(duì)外輻射熱損失等。 4.換熱器的熱計(jì)算1)平均溫差(1)順流和逆流。換熱器傳熱的基本公式為Q=KAt。式中

20、,t是冷、熱兩種流體的溫差。在前述傳熱計(jì)算中,如房屋墻壁的熱損失、管道熱損失等,都將t作為一個(gè)定值處理。對(duì)于換熱器,則情況不同,當(dāng)冷、熱兩種流體沿?fù)Q熱面流動(dòng)時(shí),沿途溫度一般要發(fā)生變化,兩者之間的溫差也發(fā)生變化,且隨流體流動(dòng)的方式而不同。 圖28流體溫度隨傳熱面變化示意圖(a)順流;(b)逆流 圖28表示順、逆流時(shí)冷、熱流體的溫度變化曲線,熱流體的進(jìn)、出口溫度分別為t1、t1,冷流體的進(jìn)、出口溫度分別為t2、t2。因此,在換熱器的傳熱計(jì)算中,必須應(yīng)用平均溫差tm來(lái)計(jì)算,其計(jì)算式為 (241) 式中:tmax換熱面兩端溫差的最大值(),順流時(shí)為t,逆流時(shí)為t和t兩者中的大值(見(jiàn)圖28);tmin換

21、熱面兩端溫差的最小值()。 由于溫差計(jì)算式中出現(xiàn)了對(duì)數(shù)項(xiàng),因此又稱為對(duì)數(shù)平均溫差。當(dāng)(tmax/tmin)2時(shí),可用算術(shù)平均溫差替代,即 (242) 上式誤差不超過(guò)4,在工程計(jì)算中是容許的。由于溫差隨換熱面按指數(shù)曲線變化,順流與逆流相比,順流時(shí)溫差變化比較顯著,逆流時(shí)溫差變化比較平緩,故在相同的進(jìn)、出口溫度下,逆流平均溫差比順流大。此外,順流時(shí)冷流體的出口溫度必然低于熱流體的出口溫度,而逆流則不受此限制。故工程中的換熱器,一般都盡可能采用逆流布置。但逆流換熱器也有缺點(diǎn),即高溫部分集中在換熱器的一端。 (2)交叉流和混合流。流體在換熱器中的流動(dòng)方式,除順流和逆流(如圖29(a)、(b)所示)外,

22、還有其他多種型式。圖29(c)為橫流式或稱交叉流,是兩種流體在相互垂直方向的流動(dòng);圖29(d)、(e)、(f)則是三種不同型式的混合流。 圖29流體在換熱器中的流動(dòng)型式(a)順流;(b)逆流;(c)交叉流;(d)、(e)、(f)混合流2)換熱器的熱計(jì)算換熱器的計(jì)算內(nèi)容有設(shè)計(jì)計(jì)算和校核計(jì)算兩種。(1)設(shè)計(jì)計(jì)算:目的是根據(jù)給定的換熱要求,確定所需換熱面積。一般已知冷、熱流體的流量,初、終溫度及流體的比熱容,確定所需換熱面積,進(jìn)而確定換熱器的型式和尺寸。(2)校核計(jì)算:目的是校核已有的換熱器是否能達(dá)到預(yù)定的換熱要求。一般已知換熱面積,冷、熱流體的進(jìn)口溫度和流量,校核換熱量及冷、熱流體的終溫。換熱器傳

23、熱計(jì)算的基本公式有傳熱方程 (243) 熱平衡方程 (244) 式中:qm1、qm2熱流體和冷流體的流量(kg/h);c1、c2熱流體和冷流體的比熱容(J/(kgK)。 2.1.5傳質(zhì)過(guò)程基礎(chǔ)1.質(zhì)交換基本概念在分析流體和壁面的對(duì)流換熱過(guò)程中,當(dāng)流體是二元體系(或稱二元混合物),并且各組分的含量不均勻時(shí),就會(huì)有傳質(zhì)(或稱質(zhì)交換)發(fā)生。例如:空氣處理過(guò)程中,表面冷卻器在去濕冷卻工況下,除具有熱交換外,還有水分在冷表面凝結(jié)析出;在吸收式制冷裝置的吸收器中,發(fā)生的吸收過(guò)程是既有熱交換又有質(zhì)交換的現(xiàn)象;在測(cè)量濕空氣參數(shù)時(shí)所用的濕球溫度計(jì),其濕球溫度的建立,也是由濕球紗布與周圍空氣的熱、質(zhì)交換條件所決定

24、的。 質(zhì)交換有兩種基本方式:分子擴(kuò)散和對(duì)流擴(kuò)散。在靜止的流體或垂直于質(zhì)量濃度梯度方向作層流運(yùn)動(dòng)的流體,以及固體中的擴(kuò)散,是由微觀分子運(yùn)動(dòng)所引起的,稱為分子擴(kuò)散,它的機(jī)理類似于導(dǎo)熱;在流體中由于對(duì)流運(yùn)動(dòng)引起的物質(zhì)傳遞,稱為對(duì)流擴(kuò)散;當(dāng)流體既作對(duì)流運(yùn)動(dòng)又存在質(zhì)量分?jǐn)?shù)差時(shí),則對(duì)流擴(kuò)散和分子擴(kuò)散同時(shí)存在,稱為對(duì)流質(zhì)交換,這一機(jī)理與對(duì)流換熱相類似。熱交換、質(zhì)交換及動(dòng)量交換,在機(jī)理上是類似的,所以在分析質(zhì)交換的方法上,也和熱交換及動(dòng)量交換一樣。 2.質(zhì)量濃度與擴(kuò)散通量在二元或多元混合物中,單位混合物的體積中所含某組分的質(zhì)量,稱為該組分的質(zhì)量濃度,用符號(hào)表示,單位是kg/m3或kg/L。設(shè)有A、B兩種物質(zhì)組

25、成的二元混合物,則 (245) 式中:MA、MB組分A、B在容積V中具有的質(zhì)量(kg)。如該混合物為氣體,則應(yīng)用理想氣體狀態(tài)方程,可得 (246) 式中:A、B組分A和B的濃度(kg/m3);pA、pB組分A和B的分壓(kPa);RA、RB組分A和B的氣體常數(shù)(J/(kgK)?；旌蠚怏w的質(zhì)量與分壓有關(guān),某組分的分壓大,其質(zhì)量濃度也高。 擴(kuò)散現(xiàn)象在氣體、液體及固體中均可發(fā)生,但由于不同物質(zhì)分子運(yùn)動(dòng)的差距,氣體中的擴(kuò)散速度較快,液體次之,固體中的擴(kuò)散最慢。擴(kuò)散通量是指單位時(shí)間內(nèi),垂直通過(guò)單位面積的某一組分的物質(zhì)數(shù)量,用符號(hào)m表示,其單位為kg/(m2s)。 3.斐克定律在各質(zhì)量濃度不隨時(shí)間而變化的

26、穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散條件下,無(wú)整體流動(dòng)組成的二元混合物中組分A的質(zhì)擴(kuò)散通量mA與它的質(zhì)量濃度梯度成正比,這就是擴(kuò)散基本定率斐克定律。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為(247) 式中:dCA/dy組分A的質(zhì)量濃度梯度;DAB分子擴(kuò)散系數(shù)(m2/s)。右下角碼AB表示物質(zhì)A向物質(zhì)B進(jìn)行擴(kuò)散。式中出現(xiàn)負(fù)號(hào),是因?yàn)橘|(zhì)擴(kuò)散朝質(zhì)量濃度降低的方向、與質(zhì)量濃度梯度相反。 4.擴(kuò)散系數(shù)物質(zhì)的分子擴(kuò)散系數(shù)是指物質(zhì)的擴(kuò)散能力,是物質(zhì)的物理性質(zhì)之一。不同物質(zhì)之間的分子擴(kuò)散系數(shù)是通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定的。表25列出了在p0=1.013105Pa、T0=273K狀態(tài)下,某些氣體在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)D0,在其他p、T狀態(tài)下的擴(kuò)散系數(shù)可用下式換算: (248)表2

27、5氣體在空氣中的分子擴(kuò)散系數(shù) 兩種氣體A與B之間的分子擴(kuò)散系數(shù),可用下列半經(jīng)驗(yàn)公式估算: (249) 式中:T熱力學(xué)溫度(K);p總壓力(Pa);MrA、MrB氣體A、B的相對(duì)分子質(zhì)量;VmA、VmB氣體A、B正常沸點(diǎn)時(shí)的液態(tài)摩爾體積(cm3/mol)。 表26在正常沸點(diǎn)下液態(tài)的摩爾體積 二元混合液體的擴(kuò)散系數(shù)及氣體與固體、液體與固體之間的擴(kuò)散系數(shù),比氣體之間的擴(kuò)散系數(shù)要復(fù)雜得多,通常用實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。一般氣相的分子擴(kuò)散系數(shù)約為液相的105倍,但由于液相分子的含量遠(yuǎn)大于氣相,因此實(shí)際上,氣相的分子擴(kuò)散系數(shù)只有液相的100倍左右。當(dāng)液相擴(kuò)散組分為低分子量的非電解質(zhì)并且處在稀溶液中時(shí),其擴(kuò)散系數(shù)可按下

28、式估算: (250) 式中:T熱力學(xué)溫度(K);溶劑的締合因子,水的=2.6,甲醇的=1.9,乙醇的=1.5,苯、乙醚等非締合類溶劑的=1.0;MrB溶劑B的相對(duì)分子質(zhì)量;溶液的動(dòng)力粘度(Pas);VmA組分A在正常沸點(diǎn)下的摩爾體積(cm3/mol),當(dāng)溶質(zhì)為水時(shí),VA=75.6cm3/mol。 2.2流體力學(xué)基礎(chǔ)2.2.1流體的概念及其性質(zhì)1.流體的連續(xù)性微觀上,液體和氣體都由大量分子所組成,這些分子都在不停地作不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng),因此分子和分子之間及分子內(nèi)部的原子與原子之間,有一定的空隙存在,即流體微觀內(nèi)部結(jié)構(gòu)是不連續(xù)的。流體力學(xué)不研究分子或原子的微觀運(yùn)動(dòng),而只研究大量分子的宏觀集體運(yùn)動(dòng)效果,

29、同時(shí)將整個(gè)流體分成許多分子集團(tuán),每個(gè)分子集團(tuán)稱為質(zhì)點(diǎn),并認(rèn)為各質(zhì)點(diǎn)之間沒(méi)有任何空隙,而且相對(duì)整個(gè)流體來(lái)說(shuō),質(zhì)點(diǎn)的幾何尺寸可忽略不計(jì)。因此,質(zhì)點(diǎn)是研究流體的最小單位,質(zhì)點(diǎn)是連續(xù)的,所以流體具有連續(xù)性,反映流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)特性的各種物理量,如速度、密度、壓力等也是連續(xù)的。但對(duì)極稀薄的空氣,連續(xù)性就不適用了。 2.流體的流動(dòng)性流體的流動(dòng)性是它與固體的根本區(qū)別。流動(dòng)性并不是指物體能否變形,因?yàn)樗袑?shí)際物體在外力作用下都能發(fā)生變形,但在變形時(shí),流體與固體所表現(xiàn)出的性質(zhì)是截然不同的。固體變形的大小與外加作用力有關(guān),所需力的大小,完全取決于變形的要求,而與發(fā)生變形的快慢無(wú)關(guān)。流體變形也產(chǎn)生阻力,但這種阻力與變形

30、的快慢有關(guān)。要使流體迅速變形,需要用很大的力。當(dāng)用力的時(shí)間充分長(zhǎng),或者說(shuō)變形的過(guò)程相當(dāng)慢時(shí),任何微小的力也能使流體產(chǎn)生非常大的變形和流動(dòng),這種性質(zhì)稱為流體的流動(dòng)性。 流體具有流動(dòng)性,因此流體沒(méi)有固定的形狀。液體和氣體都隨其容器形狀的不同而改變自身的形狀。液體和氣體的流動(dòng)性也是有區(qū)別的。液體形狀隨著容器而改變,但體積不變化。氣體在流動(dòng)中改變自身形狀的同時(shí),它的體積也隨容器的體積而改變,它總是充滿整個(gè)容器。 3.流體的壓縮性和膨脹性流體受壓力作用時(shí)體積縮小、密度增大的性質(zhì)稱為流體的壓縮性。流體隨著溫度的升高,體積膨脹、密度減小的性質(zhì),稱為流體的膨脹性。流體的壓縮性通常以壓縮系數(shù)p表示,它表示單位壓

31、力變化流體體積的相對(duì)變化值。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 (251) 式中:V流體的體積(m3);dV/dp流體的體積相對(duì)于壓力的變化(m3/Pa);p流體的壓縮系數(shù)(m2/N),0時(shí)水的壓縮系數(shù)見(jiàn)表27。 表270時(shí)水的壓縮系數(shù)p 由表27可知,水的壓縮系數(shù)隨壓力升高略有降低,當(dāng)壓力為0.1MPa時(shí),壓力每升高105Pa,水的體積僅變化十萬(wàn)分之五左右,顯然,在一般情況下是可以忽略不計(jì)的。因此在制冷空調(diào)工程中,都把水當(dāng)作不可壓縮的,其他液體的情況也是如此。 氣體的壓縮系數(shù)比液體大得多,而且其壓縮系數(shù)隨氣體的熱力學(xué)過(guò)程而定,隨壓力升高而增大?？諝庠趬毫?105Pa、溫度為0時(shí),其壓縮系數(shù)是水的2萬(wàn)倍。流體的

32、膨脹性用溫度膨脹系數(shù)T表示,它表示單位溫度變化時(shí),流體體積的相對(duì)變化。其數(shù)學(xué)式為(252) 式中:V流體的體積(m3);dV/dT流體體積相對(duì)于溫度的變化(m3/K);T流體的溫度膨脹系數(shù)(1/K)。 液體的膨脹系數(shù)是很小的,如水在020情況下,溫度每升高1K,水的體積大致改變0.015;在較高溫度下(如90100),溫度每升高1K,水的體積也僅改變0.07。但是,在制冷空調(diào)的水系統(tǒng)中,當(dāng)水溫變化較大時(shí),通常仍需設(shè)置膨脹水箱。氣體的膨脹系數(shù)比液體大得多。當(dāng)氣體壓力不太高、溫度不太低時(shí),氣體的體積變化近似地服從理想氣體定律。 4.流體的粘滯性1)動(dòng)力粘度如圖210所示,設(shè)兩塊足夠大的平板A和B之

33、間充滿液體,板A靜止不動(dòng),板B以勻速u1平行于板A運(yùn)動(dòng)。由于液體的粘滯性,在y方向上必然出現(xiàn)薄層液體以不同速度的分層運(yùn)動(dòng),如某層液體的速度為u,相距為dy的相鄰層液體速度則為u+dy。因?yàn)楦鲗右后w的運(yùn)動(dòng)速度不同,在液體內(nèi)部就必然出現(xiàn)摩擦力。由實(shí)驗(yàn)可知,這種內(nèi)摩擦力的大小與面積A和速度梯度du/dy成正比,這種關(guān)系稱牛頓內(nèi)摩擦力定律,其數(shù)學(xué)表示式為(253) 圖210流體的內(nèi)摩擦式中:u動(dòng)力粘度(Pas);du/dy流體運(yùn)動(dòng)速度法向上的變化(1/s);A板A或板B的面積(m2);F內(nèi)摩擦力(N)。單位面積上的內(nèi)摩擦力,稱為內(nèi)摩擦應(yīng)力或切應(yīng)力,用表示,其數(shù)學(xué)表示式為 (254) 2)運(yùn)動(dòng)粘度動(dòng)力粘

34、度與同溫度時(shí)的流體密度的比值,稱為運(yùn)動(dòng)粘度,即 (255) 式中:動(dòng)力粘度(Pas);流體密度(kg/m3);v流體運(yùn)動(dòng)粘度(m2/s)。 2.2.2流動(dòng)的形態(tài)及流動(dòng)阻力計(jì)算1.流動(dòng)形態(tài)1)層流和湍流當(dāng)流體質(zhì)點(diǎn)無(wú)橫向運(yùn)動(dòng),只是沿著流動(dòng)軸線在各自的流層中作無(wú)相互混雜的直線運(yùn)動(dòng)時(shí),這種流動(dòng)形態(tài)稱為層流。當(dāng)流體質(zhì)點(diǎn)完全處于無(wú)規(guī)則的紊亂運(yùn)動(dòng)時(shí),稱為湍流。實(shí)驗(yàn)表明:流動(dòng)的幾何尺寸(管徑d)、流動(dòng)的平均流速,以及流體性質(zhì)(密度、動(dòng)力粘度)對(duì)流型的轉(zhuǎn)換有影響。雷諾通過(guò)大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),可將這些影響參數(shù)綜合成一個(gè)量綱為1的數(shù)群ud/(或ud/v)作為流型的判據(jù),此數(shù)群稱為雷諾數(shù)Re。當(dāng)Re2300時(shí),必定出現(xiàn)層流

35、,此為層流區(qū);當(dāng)2300Re4000時(shí),有時(shí)出現(xiàn)層流,有時(shí)出現(xiàn)湍流,依賴于環(huán)境,此為過(guò)渡區(qū);Re4000時(shí),一般都出現(xiàn)湍流,此為湍流區(qū)。 2)均勻流與非均勻流如果總的有效斷面或平均流速沿流程不變,各有效斷面上相應(yīng)點(diǎn)的流速也不變,且流線為平行直線,這樣的穩(wěn)定流動(dòng)稱為均勻流。均勻流中沒(méi)有加速度,因而不存在慣性力。當(dāng)有效斷面沿流程變化,或者有效斷面不變、但各斷面上速度分布改變時(shí),這種流動(dòng)稱為非均勻流。例如:有效斷面收縮或擴(kuò)大處、圓管轉(zhuǎn)彎處、流線為夾角不同的曲線或直線等,都屬于非均勻流。非均勻流中有加速度,因而存在慣性力。如果有效斷面沿流程變化劇烈或斷面流速分布變化劇烈時(shí),該流動(dòng)稱為急變流。 2.流體

36、動(dòng)力學(xué)基本方程1)連續(xù)性方程總的連續(xù)性方程為 (256) 或 (257) 式中:u1、u2流體的平均流速(m/s);A1、A2流束橫斷面積(m2) 2)不可壓縮理想流體能量方程(伯努力方程)根據(jù)能量守恒定律,不可壓縮理想流體(無(wú)粘性流體)在管內(nèi)流動(dòng)時(shí),各處能量不變,單位體積流體的總能量E可用能量方程表示如下: (258) 式中:p流體具有的壓力能(Pa);u流體在斷面上的平均流速(m/s);流體密度(kg/m3);g重力加速度(m/s2);Z流體斷面上任一點(diǎn)相對(duì)于選定基準(zhǔn)面的高度(m);gZ流體流動(dòng)的位能(Pa); 流體具有的動(dòng)能,或稱動(dòng)壓(Pa); 流體的全壓(Pa)。 圖211公式(259

37、)的圖示 3)不可壓縮實(shí)際流體穩(wěn)定流動(dòng)能量方程實(shí)際流體具有粘性,在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)具有阻力,如圖211所示,沿流向取1、2斷面,則不可壓縮實(shí)際流體穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式為 (259) 式中:hw1-2單位體積流體流經(jīng)斷面12的平均能量損失,或稱水頭損失(Pa)。 3.管道的阻力計(jì)算流體流動(dòng)存在阻力,內(nèi)因是流體的粘滯性和慣性,外因則是流道固體邊界壁面有一定粗糙度,對(duì)流動(dòng)有擾動(dòng)作用?？朔黧w流動(dòng)阻力,需要消耗一定量的機(jī)械能,這部分機(jī)械能不可逆地轉(zhuǎn)化為熱能,即形成能量損失。所以,流動(dòng)阻力和能量損失是同時(shí)存在的。流體流動(dòng)阻力由沿程阻力hf和局部阻力hm兩部分組成。沿程阻力是流體與壁面、流體相互之間存在摩擦而產(chǎn)生

38、的。局部阻力是由于流動(dòng)斷面大小的變化、流動(dòng)方向的改變及流經(jīng)局部裝置,如閥門(mén)、濾網(wǎng)等所造成的阻礙而造成的。流體流動(dòng)的總阻力hw為 (260) 1)沿程阻力計(jì)算根據(jù)流體在管內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律,可推導(dǎo)出沿程阻力的計(jì)算公式(達(dá)西公式)為 (261) 單位長(zhǎng)度摩擦阻力(即比摩組)為式中:沿程阻力系數(shù),或摩擦阻力系數(shù);l管長(zhǎng)(m);d圓管直徑(m);v圓管有效斷面平均流速(m/s)。 式(261)對(duì)層流和湍流均適用。但在層流條件下,沿程阻力系數(shù)僅與雷諾數(shù)Re有關(guān),而與管壁的粗糙度無(wú)關(guān),即 在湍流條件下,值不僅與Re數(shù)有關(guān),而且與管壁粗糙度有關(guān)。各種管道由于材料種類、加工方法、使用條件和新舊程度不同,其內(nèi)壁總有不

39、同程度的凹凸不平。凸出管壁的平均高度稱為管壁的絕對(duì)粗糙度。與管徑d的比值d稱為管壁的相對(duì)粗糙度。如果湍流中的層流底層厚度大于管壁絕對(duì)粗糙度,則管壁凸出高度完全被層流底層淹沒(méi),它對(duì)湍流核心流動(dòng)沒(méi)有顯著影響,沿程阻力與管壁粗糙度基本無(wú)關(guān),這種狀態(tài)稱為水力光滑管。如果層流底層厚度小于管壁絕對(duì)粗糙度,則管道壁的凸出部分伸入紊流核心部分,流體必須繞過(guò)這些凸出頂端,從而形成小漩渦區(qū),造成能量損失。這時(shí)沿程阻力與管壁粗糙度有關(guān),這種情況稱為水力粗糙管。 層流、湍流時(shí)實(shí)際管道的沿程阻力系數(shù)值的計(jì)算,可用下述兩種方法進(jìn)行。(1)查圖法:按照莫迪圖(見(jiàn)圖212)和當(dāng)量絕對(duì)粗糙度(見(jiàn)表29)確定。首先根據(jù)管道種類,

40、在表29中查出當(dāng)量絕對(duì)粗糙度,由管徑計(jì)算相對(duì)粗糙度,再按流體流態(tài)、管徑和流速計(jì)算雷諾數(shù)。由上述計(jì)算結(jié)果在莫迪圖212上直接查出沿程阻力系數(shù)值。 表29常用管道當(dāng)量絕對(duì)粗糙度 (2)計(jì)算法:按流態(tài)的五個(gè)區(qū)域(層流區(qū)、過(guò)渡區(qū)、光滑區(qū)、湍流過(guò)渡區(qū)和粗糙區(qū)),用經(jīng)驗(yàn)公式或數(shù)學(xué)公式計(jì)算值。其判別和計(jì)算式見(jiàn)表210。 表210圓管沿程阻力系數(shù)的主要計(jì)算公式 應(yīng)該指出,當(dāng)流體流過(guò)非圓形斷面管道時(shí),沿程阻力計(jì)算式中,應(yīng)以當(dāng)量直徑de代入。對(duì)邊長(zhǎng)分別為a、b的矩形管道,其當(dāng)量直徑de為對(duì)管束,若管道直徑為d,間距分別為s1和s2時(shí)(見(jiàn)圖213(a),其當(dāng)量直徑為 直徑為d1、d2的環(huán)形管道(見(jiàn)圖213(b),其

41、當(dāng)量直徑為 圖213當(dāng)量直徑(a)管束; (b)環(huán)形管 2)局部阻力計(jì)算局部阻力的計(jì)算有兩種方法：(1)當(dāng)量長(zhǎng)度法。當(dāng)量長(zhǎng)度法是將流體通過(guò)局部管件所產(chǎn)生的局部能量損失,折合成相當(dāng)于流體流過(guò)長(zhǎng)度le的同直徑管道時(shí)所產(chǎn)生的沿程能量損失,le稱為當(dāng)量長(zhǎng)度。其計(jì)算式為 (262) 式中:、d、u分別為相同管道的沿程阻力系數(shù)、直徑(m)和平均流速(m/s)。(2)局部阻力系數(shù)法。局部阻力系數(shù)法是用管道中流體動(dòng)能乘以一系數(shù)來(lái)計(jì)算,稱為局部阻力系數(shù)。其計(jì)算式為(263) 值通過(guò)查表法求得。表211為一些管件的局部阻力系數(shù)。綜上所述,流體在管道中流動(dòng)的總阻力hw為 (264) 表211一些管件的局部阻力系數(shù)

42、4.減少流動(dòng)阻力的措施減少流體流動(dòng)阻力能減少能量損失,提高設(shè)備效率及降低生產(chǎn)成本。目前,減少流體流動(dòng)阻力主要有如下兩種途徑:(1)改善流體與固體邊界的接觸狀況。無(wú)論何種流體,均在固體邊界限制條件下流動(dòng)。因此,增大過(guò)流斷面幾何尺寸、降低流速、減少管長(zhǎng)、降低管壁表面粗糙度、少用或改善局部管件,均能減少流動(dòng)阻力。(2)采用添加劑。添加劑減阻,是在流動(dòng)的某些液體中加入極少量的物質(zhì),使湍流運(yùn)動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)得到改善,從而使流動(dòng)阻力減少。選用的添加劑一般有高分子聚合物,金屬肥及分散在流體中的懸浮物等。 5.管道類型1)按管道中流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的沿程阻力和局部阻力所占比例的不同分類(1)長(zhǎng)管。在管道系統(tǒng)的總阻力中

43、以沿程阻力為主,局部阻力可省略不計(jì)，或者把局部阻力的當(dāng)量長(zhǎng)度按實(shí)際管長(zhǎng)的510加入計(jì)算長(zhǎng)度內(nèi),進(jìn)行總阻力計(jì)算,這種管道稱為長(zhǎng)管。(2)短管。局部阻力在管道的總阻力中占有一定比例而不能忽略不計(jì)時(shí),這種管道稱為短管。 2)按管道系統(tǒng)組成情況分類(1)簡(jiǎn)單管道系統(tǒng)。管徑及流量沿管道長(zhǎng)度方向均無(wú)變化的系統(tǒng),稱為簡(jiǎn)單管道系統(tǒng)。(2)復(fù)雜管道系統(tǒng)。管徑或流量沿管道長(zhǎng)度方向發(fā)生變化的系統(tǒng),稱為復(fù)雜管道系統(tǒng)。復(fù)雜管道系統(tǒng)是由許多簡(jiǎn)單管道系統(tǒng)按一定方式組合而成的。無(wú)論何種管道或管道系統(tǒng),其總阻力計(jì)算的基本公式是流體的連續(xù)方程、能量方程及阻力計(jì)算公式。根據(jù)不同類型管道及管道系統(tǒng)的特點(diǎn),可以得出不同形式的計(jì)算公式,

44、在有關(guān)流體力學(xué)的書(shū)中均有介紹。 2.2.3泵與風(fēng)機(jī)為了克服流體流動(dòng)阻力,必須使流體具有一定的壓力能。泵與風(fēng)機(jī)就是使流體產(chǎn)生壓力能的兩種機(jī)械裝置。泵用來(lái)輸送液體,風(fēng)機(jī)用來(lái)輸送氣體。制冷與空調(diào)工程中使用最多的是水泵和通風(fēng)機(jī)。泵與風(fēng)機(jī)主要分軸流式和離心式兩類。軸流式泵與風(fēng)機(jī)是靠葉輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí),葉片對(duì)流體產(chǎn)生的升力提高流體的壓力能,通常使用在流量相對(duì)較大、壓力能相對(duì)較小的場(chǎng)合。離心式泵與風(fēng)機(jī)是靠葉輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí),葉片產(chǎn)生的慣性離心力提高流體的壓力能,通常使用在流量相對(duì)較小、壓力能相對(duì)較大的場(chǎng)合。 1.泵與風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)和曲線泵的主要性能參數(shù)為流量Q、揚(yáng)程H、轉(zhuǎn)速n、軸功率Pe、效率。風(fēng)機(jī)的主要性能參數(shù)為

45、流量Q、全壓Pt、靜壓Pst、轉(zhuǎn)速n、軸功率Pe、全壓效率t、靜壓效率st。當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí),每臺(tái)泵與風(fēng)機(jī)的其他性能參數(shù)均隨流量的變化而變化。每臺(tái)泵與風(fēng)機(jī)在某一轉(zhuǎn)速下的各個(gè)性能參數(shù)值,是按國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)測(cè),并通過(guò)規(guī)定的計(jì)算公式求得的。如果以流量為橫坐標(biāo),其他參數(shù)為縱坐標(biāo),把某一轉(zhuǎn)速下有關(guān)參數(shù)隨流量變化的規(guī)律繪成曲線,即為該泵或風(fēng)機(jī)在規(guī)定轉(zhuǎn)速下的性能曲線圖,如圖214和圖215所示。 圖214某一轉(zhuǎn)速下離心式水泵性能曲線圖示 圖215某一轉(zhuǎn)速下離心式風(fēng)機(jī)性能曲線圖示 2.泵與風(fēng)機(jī)的相似定律泵與風(fēng)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)雖很簡(jiǎn)單,但流體在其中的流動(dòng)情況卻極為復(fù)雜。通過(guò)大量試驗(yàn)研究,確認(rèn)泵與風(fēng)機(jī)若存在一定的相似

46、關(guān)系(如幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似或動(dòng)力相似),泵或風(fēng)機(jī)各自的性能參數(shù)就存在一定的數(shù)學(xué)關(guān)系,并可利用這些數(shù)學(xué)關(guān)系進(jìn)行換算。 例如:已知某系列中一臺(tái)泵或風(fēng)機(jī)的葉輪外徑為D2,在某一轉(zhuǎn)速n時(shí)的流量為Q、壓力為p(全壓或靜壓)、揚(yáng)程為H、功率為P、流體密度為。若同一系列存在相似關(guān)系,則該系列泵或風(fēng)機(jī)的參數(shù)在葉輪外徑D2m、轉(zhuǎn)速nm及流體密度m時(shí)的流量Qm、壓力pm、揚(yáng)程Hm及功率Pm可通過(guò)下列公式換算。 流量換算： (265) 相似的泵或風(fēng)機(jī),在相似工況下的流量與葉輪外徑的三次方、轉(zhuǎn)速的一次方成正比。 壓力換算: (266) 揚(yáng)程換算: (267) 相似的泵或風(fēng)機(jī),在相似工況下的壓力或揚(yáng)程與葉輪外徑和轉(zhuǎn)速的

47、平方、流體密度的一次方成正比。功率換算: (268) 相似的泵或風(fēng)機(jī),在相似工況下的功率與葉輪外徑的五次方、轉(zhuǎn)速的三次方、流體密度的一次方成正比。 作為相似定律的一個(gè)特例,即同一臺(tái)泵或風(fēng)機(jī)(D2=D2m)、輸送相同流體(2=2m),在不同轉(zhuǎn)速時(shí)的流量、壓力(或揚(yáng)程)、功率的換算可簡(jiǎn)化為 同一臺(tái)泵或風(fēng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速時(shí)性能參數(shù)之間存在的上述關(guān)系,稱為泵或風(fēng)機(jī)的比例定律。圖216所示為一臺(tái)離心式風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由n1變?yōu)閚2時(shí)性能曲線的轉(zhuǎn)換。 應(yīng)該指出,相似定律(包括比例定律)的應(yīng)用,是假設(shè)在相似工況點(diǎn)的效率相等。當(dāng)同一系列的泵或風(fēng)機(jī)的幾何尺寸(葉輪外徑)、轉(zhuǎn)速相差較大時(shí),用上述公式換算所得的參數(shù)值與實(shí)際值有一定誤差。 圖216某離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)性能曲線的轉(zhuǎn)換 3.泵與風(fēng)機(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)區(qū)和工作點(diǎn)從泵與風(fēng)機(jī)的性能曲線(見(jiàn)圖217)可知,每臺(tái)泵或風(fēng)機(jī)的流量,可以從最小值到某一最大值(其壓力或揚(yáng)程也隨之變化)。因?yàn)槌鼋?jīng)濟(jì)流量區(qū)間（經(jīng)濟(jì)區(qū)）使用時(shí),其運(yùn)行效率將顯著下降,因此制造廠樣本中推薦的流量使用范圍,是其運(yùn)行效率較高的經(jīng)濟(jì)區(qū)(通常為0.8max)。選用的泵或風(fēng)機(jī),通常都在一定的管路系統(tǒng)中輸送設(shè)計(jì)所需流量,當(dāng)流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的總阻力為