化工原理課件

流體流動流體靜力學(xué)

流體靜力學(xué)研究流體靜止或平衡的基本規(guī)律，以及這些規(guī)律的實際應(yīng)用。在工程實際中的主要應(yīng)用如：流體在設(shè)備或管路內(nèi)壓強的變化與測量，液體在設(shè)備內(nèi)液位的測量，設(shè)備的液封等。

流體的密度

、密度：在均質(zhì)流體中，單位體積流體的質(zhì)量。

=m/vkg/m3

、比容：單位質(zhì)量流體的體積。

=v/mm3/kg流體的比容與密度互為倒數(shù)。液體的密度

溫度對液體密度有一定影響，故選用密度數(shù)值時要注意所確定的溫度。液體的比重是指在任何溫度下時液體的密度和水在4℃時密度之比值：

S=

/

水

=

/1000混合液體

:氣體的密度

1、氣體的密度隨壓力和溫度變化很大，按照理想氣體狀態(tài)方程式近似計算

:

PV=nRT= RT

=m/V=PM/RT

2、理想氣體標況時

:

0=M/22.4kg/m3

3、當已知氣體標況密度

0

：

=

0×T0/T×P/P0

4、混合氣體：

=PM均

/RT

m=

AxVA+

BxVB+…+

NxVN

作用在流體上的力

內(nèi)力：流體內(nèi)部分子間的相互作用力，分子間引力，壓力，內(nèi)摩擦力，它們在流體內(nèi)部，對所研究的那塊流體來講是相互平衡的，對流體的運動是沒有影響的。

外力：外界作用于所研究的那塊流體的力。外力分表面力和質(zhì)量力兩種，流體運動的情況取決于外理。

作用在流體上的外力

a)表面力：作用在所研究的那塊流體表面上的力稱表面力，屬于這種力的有與該表面垂直的法向力以及與該表面相切的切向力，法向力即壓力。

b)質(zhì)量力：作用在所研究的流體各個質(zhì)點上的一種力，其大小與質(zhì)點的質(zhì)量成正比，對均質(zhì)流體來說，也與流體的體積成正比，故亦稱體積力。

流體靜壓強（壓力）

靜止流體中任意界面上只受到大小相等方向相反的壓力，由于該壓力產(chǎn)生在靜止流體中，因而稱為靜壓力。單位面積上所受的靜壓力，稱為流體靜壓強。

p=

P/

AN/m2(Pa)使界面的面積縮小并趨于一點：流體靜壓強的特征

1、流體靜壓強的方向總是和作用的面相垂直，并指相所考慮的那部分流體的內(nèi)部，即沿著作用面的內(nèi)法線方向。2、靜止流體內(nèi)部任何一點處的流體靜壓力，在各個方向都相等。3、在流體與固體接觸的表面，不論器壁的方向形狀如何，流體靜壓力總是垂直于器壁。

流體靜壓強的單位

●在SI制中壓力單位Pa:

1kPa=103Pa=106mPa●設(shè)容器底面積為Am2液柱高hm，液體密度

kg/m3，則液體作用在底面的力為PN等于液柱重量：

P=mg=Ah

gN

作用在單位底面上的壓力：

p=P/A=h

gN/m2

●當液體一定，P、g一定為常數(shù)，所以可用高度h的大小表示壓力P的大?。?/p>

h=p/

gm常用壓力單位的換算

1atm=1.013×105Pa=1.033at=760mmHg=

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

10mH2O1bar=105Pa=1.013at=750mmHg=10.13H2O表壓、真空度和絕對壓強

當設(shè)備內(nèi)實際壓強（絕壓）等于外界大氣壓時，壓力表讀數(shù)為0。

當設(shè)備內(nèi)絕壓大于外界大氣壓時，壓力表讀數(shù)表明絕壓與外界大氣壓之差。

P表=P絕－P大

當設(shè)備內(nèi)絕壓小于外界大氣壓時，真空表讀數(shù)表明外界大氣壓與絕壓之差。

P真=P大－P絕真空度越大，絕壓越小，真空度又稱負表壓。流體靜力學(xué)基本方程

一、概念：由于這時流體處于相對靜止狀態(tài)，所以流體所受的質(zhì)量力只有重力，而重力就是地心吸力，是可以看作不變的，但靜止流體內(nèi)部各點的壓力是不同的，所以實質(zhì)上是討論流體內(nèi)部壓力變化的規(guī)律，用于描述這一規(guī)律的數(shù)學(xué)表達式稱為流體靜力學(xué)基本方程。

二、推導(dǎo)：重力F的投影：-

ghdA上截面壓力：-P0dA下截面壓力：PadA

Pz=0-

ghdA-P0dA+PadA=0流體靜力學(xué)基本方程式:Pa=P0+

gh

三、討論：

1、當容器上方的自由表面上壓力的大小一定時，靜止液體內(nèi)部任一點壓力的大小與流體本身的密度和該點距液面的深度有關(guān)。因此在靜止的流通的同一液體處，處于同一水平面上各點的壓力都相等。2、當液面上方的壓力有變化時，液體內(nèi)部各點的壓力也發(fā)生同樣大小的改變。

3、可見壓力差的大小可以用一定高度差的液體柱來表示，這就是前面所介紹的壓力可以用單位來計量的依據(jù)。但必須注明何種液體。

流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用舉例

一、流體靜壓力的測量：

二、液位的測量：

三、液封高度的計算：

流體在管內(nèi)的流動1、流量：流體在管內(nèi)流動時，單位時間內(nèi)統(tǒng)過任一截面的流體量。體積流量：Vs(m3/s)質(zhì)量流量：Ws(kg/s)關(guān)系：Ws=

Vs2、流速：流體在管內(nèi)流動時，單位時間內(nèi)的距離。

平均流速

u=Vs/S

質(zhì)量流速

Gkg/m2s3、Vs，Ws，u，G之間的關(guān)系：

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

/A=u

4、圓形管道直徑的選定：一般管路截面積都是圓形，

S＝ Vs=u

則u=Vs/ di=穩(wěn)定流動與不穩(wěn)定流動

1、

穩(wěn)定流動各截面上流體的流速，壓強，密度等有關(guān)物理量僅隨位置而改變，不隨時間而改變的流動稱為穩(wěn)定流動。2、不穩(wěn)定流動

各截面上流體的流速，壓強，密度等有關(guān)物理量不僅隨位置而改變，而且隨時間而變的流動就稱為不穩(wěn)定流動。

流體穩(wěn)定流動時的物料衡算—連續(xù)性方程

物料衡算

Ws1＝Ws2＝常數(shù)kg/su1

1A1=u2

2A2＝常數(shù)～連續(xù)性方程 若流體不可壓縮液體

＝常數(shù)

u1S1=u2S2對圓管S=

d2/4u1d12=u2d22流體穩(wěn)定流動時的能量衡算—柏努利方程

一、流動系統(tǒng)的總能量衡算

簡單流程、基本假設(shè)、衡算范圍、衡算基準、基準水平面、衡算內(nèi)容

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

––––總能量衡算式

即、

U+

gz+

u2/2+

(Pv)=Qe+We

流動系統(tǒng)的機械能衡算—柏努利方程

Qe`=Qe+

hf

U=Qe+

hf-代入總能量衡算式:Qe+

hf-+g

z+

u2/2+

(Pv)=Qe+We

(Pv)= +

g

z+

u2/2+=We-

hf不可壓縮流體

: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損

它的應(yīng)用條件：

1、連續(xù)的穩(wěn)定流動

2、不可壓縮流體的流動

3、同一種流體內(nèi)

4、對氣體(p1-p2)/p1<20%可以用，但用

m柏努利方程的應(yīng)用

確定容器的相對位置

確定送料用壓縮空氣的壓力

確定輸送設(shè)備的有效功率

計算管道中流體的流量

應(yīng)用柏努利方程的解題要點

1、作圖，確定衡算范圍

2、截面的選取

3、基準水平面的選取

4、單位必須一致，各物理量單位換算成一致的，對壓強表示方法也要一致，同時用絕壓或同時用表壓。

流體在管內(nèi)的流動阻力

一、流體的粘性粘性：盡管流體抵抗剪切力的性能很弱，但這種性能還是存在的，并且在某些情況下還是不能忽略，我們把流體的這種抗拒剪切力的特性，稱為粘性。粘性越大，內(nèi)摩擦力越大，阻力越大。內(nèi)摩擦力：流體運動時內(nèi)部相鄰兩流體層間的相互作用力，稱為內(nèi)摩擦力，是流體粘性的表現(xiàn)，又稱粘滯力或粘性摩擦力。內(nèi)摩擦力是流體運動時造成能量損失的根本緣由。

二、牛頓粘性定律

流體內(nèi)摩擦力F=

uS/

y剪應(yīng)力

=F/S=

u/

y管內(nèi)流動時：

=

du/dy（牛頓粘性定律）

––粘度

流體的粘度

粘度的物理意義：促使流體流動產(chǎn)生單位速度梯度的剪應(yīng)力。

粘度是流體的物理性質(zhì)之一，其值由實驗測定，液體的粘度隨溫度升高而減小，壓強變化時，其粘度基本不變。氣體粘度隨壓強增加而增加的很小，工程計算一般忽略。

粘度單位

在SI制中，[

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

=

/

單位：在SI中為m2/s物理制為cm2/s，稱為斯托克斯，簡稱拖（st）對常壓氣體混合物的粘度

m=

yi

iMi1/2/

yimi對于分子不締和的液體混合物的粘度：lg

m=

xilg

I流體的流動型態(tài)

兩種流動型態(tài)：

層流：各層以不同的流速平行于管壁向前流動。湍流：除了沿管道向前運動以外，各質(zhì)點還作不規(guī)則的雜亂運動且互相碰撞，互相混和。

雷諾實驗裝置雷諾實驗錄象流型的判據(jù)–––雷諾數(shù)

雷諾數(shù)Re=(du

)/

Re是一個準數(shù)，即沒有單位的純數(shù)實驗證明，流體在管內(nèi)流動時層流Re<2000湍流Re>4000過渡流2000<Re<4000流體在圓管內(nèi)的流動速度分布

速度分布：由于流體具有粘度，使管壁處速度為零，離開管壁以后速度漸增，到中心處速度最大，此種變化關(guān)系稱速度分布。

湍流時滯流內(nèi)層和緩沖層

層流內(nèi)層或滯流底層

緩沖層或過渡層

湍流主體

層流內(nèi)層的厚度隨Re的增大而減薄

單根圓管外邊界層分離流體阻力的計算

直管阻力：流體流經(jīng)一定管徑的直管時，由于流體的內(nèi)摩擦力而產(chǎn)生的阻力。局部阻力：主要是由于流體流經(jīng)管路的管件，閥門及管截面的突然擴大或突然縮小等局部地方所引起的阻力。

衡算系統(tǒng)中能量損失可用不同方法來表示

以1kg流體為衡算基準：

hf

以1N流體為衡算基準：

hf/g=Hf

以1m3流體為衡算基準：

hf

=

Pf由實驗得知，流動的流速越快，阻力越大，由于克服阻力消耗的能量愈多。

hf=

u2/2

流體在直管中的流動阻力

計算圓形直管阻力的通式—范寧公式

hf=

其中：

=8

/

u2

管壁粗糙度對摩擦系數(shù)的影響

1、

絕對粗糙度：指壁面凸出部分的平均高度

2、

相對粗糙度：指絕對粗糙度與管道直徑的比值。

/d層流：管壁上凹凸不平的地方都是被有規(guī)則的流體層所覆蓋，而流動速度又比較緩慢，流體質(zhì)點對管壁凸出部分不會碰撞，故層流時，與管壁粗糙度無關(guān)。

湍流： 當

b>

此時管壁粗糙度對于的影響與層流相同。

當

b<

此時壁面粗糙度對影響成為重要因素。

摩擦系數(shù)

層流時的摩擦系數(shù)

=64/Re湍流時的摩擦系數(shù)

湍流時摩擦系數(shù)與流動型態(tài)和管壁粗糙度有關(guān)。影響因素很多無通用計算式，只能用經(jīng)驗公式算或圖1-31查得

值。

非圓形管道的摩擦系數(shù)

當量直徑de=對于非圓形管道用當量直徑代替直徑計算，湍流時

的計算與圓管相同，層流時

=C/64,C值的不同情況見書。

管路的局部阻力

流體在管路的進口，出口，彎頭，閥門，擴大，縮小等局部位置流過時的阻力稱為局部阻力。

1、

阻力系數(shù)法把克服局部阻力所引起的能量損失，用動能與系數(shù)相乘的形式來表示。hf`=

u2/2

––局部阻力系數(shù)，一般由實驗測定。2、

當量長度法把流體的局部阻力折合成相當于流體流過長度為le的同直徑的管道時所產(chǎn)生的阻力。

hf`=

管路總能量損失的計算

流體輸送管路的計算

簡單管路：管徑相等或由不同管徑的管段串聯(lián)組成的管路。

復(fù)雜管路：指并聯(lián)管路，分支與匯合管路等。

簡單管路的計算

1、

已知管徑，管長，管件和閥門的設(shè)置及流體輸送量求流體通過此管路系統(tǒng)的能量損失，以便于進一步確定設(shè)備內(nèi)壓力，設(shè)備間的相對位置或輸送設(shè)備所加入的外功。2、

已知管材，管徑，管長，及局部阻力系數(shù)，供液點，需液點的位置和壓力及供液點的壓力情況，求流體的流速或流量。

3、已知管長，管件和閥門的設(shè)置，允許的能量損失及流量，求管徑。

復(fù)雜管路計算的原則

并聯(lián)管路

分支管路

并聯(lián)管路

1、

1、流體流動規(guī)律

Vs=Vs1+Vs2+Vs3(不可壓縮流體)

hfA-B=

hf1=

hf2=

hf32、

討論（1）流體在各支管的流量和流速受兩式限制。（2）管子長，直徑小，而摩擦因數(shù)大的管段，流量小。管子短，直徑大，而摩擦因數(shù)小的管段，流量大。 （3）并聯(lián)管段的能量損失

hf，只需考慮其中任意管段的能量損失

hf即可。

分支管路

1、

流體流動規(guī)律

Vs=Vs1+Vs2(不可壓縮流體) gzA+uA2/2+PA/

+

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

+

hfC-B2、

討論

流體在流往各支管的流量取決于上式。

計算分支管路所需的能量時，為了能保證將流體輸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計算。管道直徑的選擇和計算

Vs=udi=流速和流量的測定

測速管

孔板流量計

文丘里流量計

轉(zhuǎn)子流量計

測速管1、構(gòu)造2、測速原理內(nèi)管測得的為流體的沖壓頭：HA=u2/(2g)+P/(

g)外管測得的為流體的靜壓頭：HB=P/(

g)管壓差計讀數(shù)為與之差，即

H=HA-HB=u2/(2g)則測量點的局部流速為：ur=測速管優(yōu)缺點

1、優(yōu)點：準確性較高，流體阻力小，適用于測量大直徑管路中氣體流速。

2、缺點：不能直接測出平均流速，且壓差讀數(shù)較小，當流體中含固體雜質(zhì)時，易將測壓孔堵塞，故不宜適用測速管。

孔板流量計

構(gòu)造

孔板流量計錄像孔板流量計測量原理

在孔板前后列柏努利方程式，經(jīng)整理可得：

Vs=u0A0=孔板流量計優(yōu)缺點

1、

優(yōu)點：制造簡單，隨測量條件變化時，更換方便。

2、缺點：能量損失較大。

文丘里流量計

構(gòu)造

工作原理

與孔板流量計相似，計算式也相似：Vs=文氏流量計錄像文丘里流量計優(yōu)缺點

1、優(yōu)點：能量損失小

2、缺點：各部分尺寸要求嚴格，要精細加工，造價高。

轉(zhuǎn)子流量計

構(gòu)造

轉(zhuǎn)子流量計工作原理

轉(zhuǎn)子受到兩個力：1、上推力等于流體流經(jīng)轉(zhuǎn)子與錐管間的環(huán)形截面所產(chǎn)生的壓力差；2、凈重力等于轉(zhuǎn)子所受重力減去流體對轉(zhuǎn)子的浮力；當上推力大于凈重力，轉(zhuǎn)子上浮；當上推力小于凈重力，轉(zhuǎn)子下降；當上推力等于凈重力，轉(zhuǎn)子平衡，停止在某一位置。轉(zhuǎn)子流量計的流量公式：Vs=轉(zhuǎn)子流量計優(yōu)缺點

1、優(yōu)點：讀數(shù)方便，能量損失小，測量范圍寬，能用于腐蝕性流體的測量。

2、缺點：管壁大多為玻璃制品，不能受高溫和高壓，易破碎而且安裝時要求保持垂直。

三種流量計的區(qū)別

孔板流量計，文丘里流量計稱為差壓式流量計；轉(zhuǎn)子流量計稱為截面流量計。

流體輸送機械

流體輸送機械在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用①為流體提供動力，以滿足輸送要求；

②為工藝過程創(chuàng)造必要的壓強條件；

流體輸送機械的分類流體輸送機械按工作原理分類：離心式（葉輪式）往復(fù)式旋轉(zhuǎn)式流體動力作用式根據(jù)流體性質(zhì)的不同分成：輸送液體用的泵輸送氣體用的壓縮機（或風(fēng)機）

內(nèi)容提要離心泵的操作原理和主要部件

離心泵的主要性能參數(shù)和特性曲線

影響離心泵特性的因素

第一節(jié)液體輸送機械其它類型的泵

1、定義：液體輸送機械就是將能量加給液體的機械，通稱泵。2、分類：

離心泵：

往復(fù)泵：

旋轉(zhuǎn)泵：

流體作用泵：一、離心泵的操作原理和主要部件：

1、操作原理：

A獲能（葉輪）

B轉(zhuǎn)能排液（泵殼）

C吸液（入口）可見，離心泵之所以能輸送液體，主要是依靠高速旋轉(zhuǎn)的葉輪，將動能和靜壓給予液體，在泵殼內(nèi)液體的部分動能轉(zhuǎn)變成靜壓能，使液體獲得較高的壓力，壓出泵體外。

2、氣縛現(xiàn)象

3、主要部件A葉輪：6～12片后彎葉片

平衡孔：平衡軸向推力B泵殼（蝸殼）

導(dǎo)輪C軸封裝置離心泵的結(jié)構(gòu)錄像B型離心泵分解動畫葉輪種類A按葉輪數(shù)目

多級泵

單級泵B按吸液方式

雙吸式

單吸式C按所產(chǎn)生的壓頭大小中壓泵＝20～50mH2O低壓泵<20mH2O高壓泵>50mH2OD按泵軸的位置

立式泵

臥式泵4、離心泵分類：二、離心泵的主要性能參數(shù)

1、流量（送液能力Q

）單位:m3/s2、揚程（H）單位:m3、軸功率（N軸）4、效率（

）泵軸葉輪液體能量能量1、離心泵的特性曲線：

H-Q曲線：

N軸-Q曲線：

-Q曲線：三、離心泵的特性曲線及影響因素2、影響離心泵性能的因素有：

密度

N軸=Ne/=Q

Hg/

粘度

轉(zhuǎn)速

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

葉輪直徑

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

四、離心泵的氣蝕與允許吸上高度

1、離心泵的氣蝕現(xiàn)象

離心泵運轉(zhuǎn)時液體在泵內(nèi)的壓強變化

a）泵入口

葉輪入口靜壓頭

動壓頭基本不變,總壓頭

b）葉輪入口

葉輪入口轉(zhuǎn)彎點（壓強最低點）流體流到葉輪轉(zhuǎn)彎點，消耗能量，靜壓頭

，動壓頭基不變，總壓頭

c）葉輪轉(zhuǎn)彎點

葉輪出口葉輪對流體做功，靜壓頭

動壓頭

總壓頭

d）葉輪出口

泵出口泵殼流道漸大，動壓頭一部分轉(zhuǎn)換為靜壓頭，靜壓頭

流動又消耗能量,動壓頭

總壓頭

汽蝕現(xiàn)象

從上述分析可以看出，在葉輪入口轉(zhuǎn)彎處存在一個壓強最低點。如果此處附近的最低壓力等于或小于輸送溫度下液體的飽和蒸汽壓，液體就會在該處發(fā)生汽化并產(chǎn)生氣泡，氣泡隨同液體從低壓區(qū)流向高壓區(qū)，氣泡在高壓作用下迅速凝結(jié)或破裂，此時周圍的液體以極高的速度沖向原氣泡所占據(jù)的空間，在沖擊點處產(chǎn)生幾萬KPa的壓強，沖擊頻率可高達幾萬次之多，由于沖擊作用使泵體震動并產(chǎn)生噪音，且葉輪局部處在巨大沖擊力的反復(fù)作用下，使材料表面疲勞，從開始點蝕到形成裂縫，使葉輪或泵殼受到破壞，這種現(xiàn)象稱為“汽蝕現(xiàn)象”。離心泵的吸液作用是由于吸入液面與泵入口處的壓力差造成，當吸入液面壓力一定，而泵入口處的壓力必須大于輸送溫度下液體的飽和蒸汽壓，即壓力差是有限的，由于液體流動的推動力有限，因此泵的吸上高度也有一個最大限度，稱為最大吸上高度。泵的安裝位置不允許超過這一高度。

離心泵的氣蝕2、離心泵的允許吸上高度（允許安裝高度）指泵的吸入口與吸入液面間可允許達到的最大垂直距離Hg。設(shè)泵在最大吸上高度上操作，液面壓力P0，泵入口處壓力P1，泵入口處流體流速u，密度

，吸入管損失壓頭Hf

。從吸液面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，當z1上升，Hf0-1上升，則P1下降一直下降到氣蝕允許的最小絕壓，就不能再下降，否則就產(chǎn)生氣蝕，則此時

z1-z0=Hg(u0=0)

Hg=(P0-P1)/

g-u12/2g-Hf,0-1對于敞口的貯槽P0=PaHg=(Pa-P1)/

g-u12/2g-Hf,0-1為了確定離心泵的允許安裝高度，在國產(chǎn)的離心泵標準中，采用兩種指標來表示泵的抗氣蝕性能。

離心泵的允許吸上真空度

氣蝕余量

離心泵的允許吸上真空度

為了避免氣蝕現(xiàn)象，泵入口處壓強應(yīng)為允許的最低絕對壓強，則Pa-P1為泵人口處的最高真空度。令Hs`=(Pa-P1)/

gHs`——離心泵的允許吸上真空度，是指在泵人口處可允許達到的最高真空度，m液柱。

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

(a)、當輸送與實驗條件不同的清水時，可化簡為：

Hs1=Hs+(Ha-10)-(HV-0.24)(b)、當輸送與實驗條件不同的其他液體時

Hs`=Hs×H2O/

氣蝕余量

為了防止氣蝕現(xiàn)象發(fā)生，在離心泵人口處液體的靜壓頭P1/

g與動壓頭u12/2g之和必須大于液體在操作溫度下的飽和蒸汽壓頭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

為了保證泵在運轉(zhuǎn)時不發(fā)生氣蝕Hg實際=Hg計算-(1～0.5)m當離心泵發(fā)生氣蝕時，我們可以通過以下幾個方面進行考慮：當?shù)卮髿鈮篜a

,Hs`,Hg

,易氣蝕Hg

,易氣蝕吸入管Hf,0-1

,易氣蝕(故一般離心泵的吸入管比排出管粗)密度

,Hs`,易氣蝕液體溫度T

,飽和蒸汽壓

,易氣蝕

五、離心泵的工作點及流量調(diào)節(jié)1、

管路的特性曲線管路的特性曲線是表示一定的管路系統(tǒng)所必需的有效壓 頭He與流量Qe的關(guān)系。在一穩(wěn)定流動系統(tǒng)中，在1-1、2-2列柏努利方程式得：

He=

Z+

P/

g+

u2/2g+Hf

當管路系統(tǒng)一定時，

Z與

P/

g均為定值，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與所需壓頭He的關(guān)系 稱此式為管路特性曲線方程。將此關(guān)系標繪在圖上，即可 得He—Qe曲線。2、離心泵的工作點

當離心泵安裝在一管路中，泵所提供的流量與壓頭（H-Q）,應(yīng)與管路所要的流量與壓頭(He-Qe)相一致。若將(H-Q)與(He-Qe)繪于同一圖中，則兩曲線的交點即為工作點。

3、

離心泵的流量調(diào)節(jié)對一臺泵而言，其特性曲線H-Q是不會變的，而管路特性曲線可變。當原工作點所提供的流量不滿足新條件下所需要的送液量時，即應(yīng)設(shè)法改變原工作點的位置，即需要進行流量調(diào)節(jié)。流量調(diào)節(jié)方法有：

在離心泵出口管路上安裝一調(diào)節(jié)閥，改變閥門開度，即改變He=K+BQ2中之B值。優(yōu)點：操作簡便、靈活。缺點：閥門關(guān)小時，管路中阻力增大，能量損失增加，并可能時泵不在最高效率區(qū)域中工作。故此種調(diào)節(jié)方法多用于流量調(diào)節(jié)幅度不大，而經(jīng)常需要調(diào)節(jié)的場合。

改變泵的特性曲線，如改變?nèi)~輪轉(zhuǎn)速、切削葉輪等。用這種方法調(diào)節(jié)流量在一定范圍內(nèi)可保持泵在高效率區(qū)域中工作，能量利用較經(jīng)濟，但不方便，需用變速裝置，故應(yīng)用不廣。

六、離心泵的并聯(lián)與串聯(lián)操作

1、

串聯(lián) 假若將兩臺型號相同的泵串聯(lián)操作，則每臺泵的壓頭和流量也是各自相 同的因此在同一流量下，兩臺串聯(lián)泵的壓頭為每臺泵的兩倍。H串=2H單 兩臺泵串聯(lián)操作的總壓頭必低于單臺泵壓頭的兩倍。H串<2H2、

并聯(lián) 將兩臺型號相同的泵并聯(lián)操作，且各自的吸入管路相同，則兩泵的流量 和壓頭必各自相同，在同一壓頭下，兩臺并聯(lián)泵的流量等于單臺泵的兩 倍。Q并=2Q單 兩臺泵并聯(lián)操作的總流量必低于原單泵流量的兩倍。Q并<2Q3、組合方式的選擇

1、對于管路特性曲線較平坦的低阻管路，采用并聯(lián)組合，可獲得較串聯(lián)組合高的流量和壓頭。2、對于管路特性曲線較陡的高阻管路，采用串聯(lián)組合，可獲得較并聯(lián)組合高的流量和壓頭。3、對于(

Z+

P/

g)值高于單泵所能提供最大壓頭的特定管路，則必須采用串聯(lián)組合方式。

七、離心泵的類型與選擇

1、

類型 按輸送液體的性質(zhì)

按葉輪吸入方式

按葉輪數(shù)目

2、型號說明

4B29A4––泵吸入口直徑（英寸）B––單級單吸懸臂式離心泵29––泵安裝最大葉輪而效率最高時的揚程A––該型號的葉輪直徑比基本型號4B29的葉輪直徑小一級，即基本葉輪第一次切割。3、選擇

確定輸送系統(tǒng)的He與Qe。Qe（一般已知）He（由柏努利方程求得）選擇泵的類型與型號。液體的性質(zhì)和操作條件確定泵的類型。由He-Qe選泵型號。核算泵的軸功率。N=(HQ

)/(102

)第二節(jié)其它類型的泵往復(fù)泵旋渦泵旋轉(zhuǎn)泵往復(fù)泵1、作用原理及主要部件

主要部件：泵缸、活塞、活塞桿、吸入閥、排出閥

工作原理：活塞向右移動

泵缸容積

泵體壓力

排出閥門關(guān)閥，吸入桿打開

液體吸入活塞向左移動

泵缸容積

泵體壓力

排出閥門打開，吸入桿關(guān)閉

液體排出

流量不均勻性單動泵由于吸入閥和排出閥均在活塞一側(cè)，吸液時不能排液，排液時不能吸液，所以泵排液不連續(xù)，不均勻。為了改善往復(fù)泵的排液情況，可采用雙動泵或三聯(lián)泵。

雙動泵即活塞兩側(cè)都裝有吸入閥和排出閥，使吸液、排液同時進行。

往復(fù)泵的特點

流量僅與泵本身的尺寸及活塞的往復(fù)次數(shù)有關(guān)，而與泵的揚程無關(guān)。

壓頭與泵本身的尺寸無關(guān)，只要泵的機械強度及電動機功率允許，要多大壓頭，往復(fù)泵可供多大壓頭。

有自吸能力，啟動泵前無需灌泵。

采用支路調(diào)節(jié)流量。

旋渦泵

特殊類型的離心泵，輻射狀的徑向葉片，原理與多級離心泵相似。

Q-H、Q-

曲線與離心泵相似。

Q-N曲線與離心泵相反，Q

N

故旋渦泵開車應(yīng)打開出口閥。

回流支路調(diào)節(jié)流量。

啟動泵前先灌泵。漩渦泵總體漩渦泵葉輪旋轉(zhuǎn)泵

1、齒輪泵

工作原理與往復(fù)泵相似。

在泵吸入口，由于兩齒輪分開，空間增大形成低壓區(qū)而將液體吸入。

被吸入液體在齒輪和泵體之間被分成兩路由齒輪推著前進。

在壓出口，由于兩齒輪互相合攏，空間縮小形成而將液體壓出泵。2、螺桿泵與齒輪泵相似，用兩根相互嚙合的螺桿推動液體作軸向移動。

第三節(jié)氣體輸送和壓縮機械應(yīng)用：

輸送氣體

產(chǎn)生高壓氣體

產(chǎn)生真空

自動控制的回路或系統(tǒng)需有一定壓力的氣源

按工作原理分類：

往復(fù)壓縮機

旋轉(zhuǎn)壓縮機

離心壓縮機

流體作用壓縮機按終壓P2或壓縮比P2/P1分：

壓縮機P2/P1>4 P2>3×105Pa(表)

鼓風(fēng)機P2/P1=1.15~4

通風(fēng)機P2/P1=1~1.15 P2<1.5mH2O(表)

真空泵用于減壓離心通風(fēng)機

構(gòu)造和原理:與離心泵相似：機殼、葉輪、吸入口、排出口

性能參數(shù)和特性曲線

:風(fēng)量、全風(fēng)壓、靜風(fēng)壓、軸功率、效率

離心通風(fēng)機的特性曲線級有：Q-HT、Q-Hp、Q-N、Q-

離心通風(fēng)機的選擇

離心通風(fēng)機離心鼓風(fēng)機和壓縮機（透平）

主要結(jié)構(gòu)與離心通風(fēng)機相似，但級數(shù)多，由于P

T

V

故葉輪逐漸變小。壓縮機在10級以上，必須分段冷卻，以免溫度過高。

離心鼓風(fēng)機離心壓縮機離心壓縮機葉輪往復(fù)壓縮機1、氣體壓縮基本原理

理想氣體PV=nRT=mRT/MP1V1/T1=P2V2/T2

等溫壓縮過程

T1=T2

則

P1V1=P2V2

絕熱壓縮過程

P1V1

=P2V2

=Cp/CvT2=T1

多變壓縮過程

P1V1m=P2V2mT2=T1往復(fù)壓縮的構(gòu)造和工作原理

主要構(gòu)造 氣缸，活塞，吸入閥和排氣閥。

工作原理

壓縮過程、排氣過程、余隙氣體膨脹過程、吸氣過程

往復(fù)壓縮機的主要性能參數(shù)

送氣能力：將壓縮機在單位時間內(nèi)排出的氣體體積換算成吸入狀態(tài)的數(shù)值。Vmin`m3/h往復(fù)壓縮機的理論送氣能力等于單位時間內(nèi)活塞所掃過的容積：單動泵Vmin`=ASnr

雙動泵

Vmin`=(2A-a)Snr

Vmin=

dV`min

d—送氣系數(shù)0.7~0.9往復(fù)壓縮機的軸功率

單級絕熱壓縮的理論功率：

N絕=壓縮機的軸功率N軸=N絕/

絕多級壓縮

理由：

避免排出氣體溫度過高

減少功耗，提高壓縮機的經(jīng)濟性

提高氣缸容積利用率

壓縮機結(jié)構(gòu)更合理

型號

往復(fù)式真空泵

結(jié)構(gòu)及工作原理

與往復(fù)壓縮機基本相同。但是往復(fù)式真空泵的壓縮比很高。則余隙中殘留氣體對真空泵的生產(chǎn)能力的影響就更大了。因此必須在結(jié)構(gòu)上采取降低余隙影響的裝置，這是與往復(fù)壓縮機結(jié)構(gòu)上不同之處。

主要性能參數(shù)

抽氣速率

殘余壓力

其它氣體輸送和壓縮機械：旋轉(zhuǎn)鼓風(fēng)機、壓縮機與真空泵、噴射式真空泵

非均相混合物的分離

均相物系：指物系內(nèi)部各處均勻且無相界面，包括溶液、氣體混合物等。非均相物系：指物系內(nèi)部有隔不同相的界面且界面兩側(cè)的物料性質(zhì)有差異。包括：氣固系統(tǒng)（如空氣中的塵埃）；液固系統(tǒng)（如液體中的固體顆粒）；氣液系統(tǒng)（如氣體中的液滴）；液液系統(tǒng)（如乳濁液中的微滴）等。

非均相物系分離的依據(jù)是連續(xù)相與分散相具有不同的物理性質(zhì)（如密度），故可用機械方法進行分離。利用密度差進行分離時，必須使分散相與連續(xù)相產(chǎn)生相對運動，因此，分離非均相物系的單元操作遵循流體力學(xué)的基本規(guī)律，按兩相運動方式的不同分為沉降和過濾。非均相物系的分離主要用于：1、回收有用物質(zhì)，如顆粒狀催化劑的回收；2、凈化氣體，如除塵、廢液、廢氣中有害物質(zhì)的清除等。

第一節(jié)沉降沉降操作是使懸浮在流體中的固體顆粒，在重力或離心力的作用下，沿著受力方向發(fā)生運動而沉積，從而與流體分離的過程。重力沉降：利用懸浮固體顆粒本身的重力完成分離的操作。離心沉降：利用懸浮的固體顆粒的離心力作用而獲得分離的操作。一、重力沉降（一）球形顆粒的自由沉降自由沉降速率：（二）阻力系數(shù)

介質(zhì)阻力系數(shù)=f(Rt),如圖3-2（三）沉降速度的計算對一定的顆粒與介質(zhì)而言，重力與浮力值不變，而阻力則隨下降速度增加而增大。沉降開始階段，顆粒作加速運動，經(jīng)過一段時間后，當重力等于浮力與阻力之和時，加速度為零，顆粒即作等速沉降運動，此時顆粒的沉降速度稱為沉降速度或終端速度。層流區(qū)

ut=斯托克斯公式過渡區(qū)

ut=艾倫公式湍流區(qū)

ut=牛頓公式計算ut需用試差法，即先假設(shè)流動類型（層流、過渡流、湍流）后選用相應(yīng)的ut計算式算出ut，用ut計算Re，再檢驗假設(shè)的流型是否正確。（四）實際重力沉降速度自由沉降：固體顆粒在沉降過程中不因流體中其他顆粒的存在而受到干擾的沉降。干擾沉降：固體顆粒在沉降過程中，因顆粒之間的相互影響，而使顆粒不能正常沉降。二、

離心沉降

顆粒在離心力場作用下，受到離心力的作用而沉降的過程稱為離心沉降。懸浮在流體中的微粒，利用離心力比利用重力可以使微粒的沉降速度增大很多，這是因為離心力由旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生，旋轉(zhuǎn)的速度愈大則離心力也愈大；而微粒在重力場中所受的重力作用是一個定值。因此，將微粒從懸浮物系中分離時，利用離心力比利用重力有效的多。同時，利用離心力作用的分離設(shè)備不僅可以分離較小的微粒，而且設(shè)備的體積可以縮小。與重力沉降速度相比，只是將重力場改為離心場。

三、沉降分離設(shè)備1、重力沉降設(shè)備降塵室、連續(xù)沉降槽2、離心分離設(shè)備旋風(fēng)分離器、旋液分離器、離心沉降機第二節(jié)過濾一、概述（一）濾餅過濾與深層過濾濾餅過濾懸浮液中的顆粒沉積在過濾介質(zhì)表面形成濾餅層，濾液穿過濾餅層中的空隙流動叫做濾餅過濾。深層過濾固體顆粒不形成濾餅，而是沉積在過濾介質(zhì)內(nèi)部叫做深層過濾。通常將原懸浮液稱為濾漿，濾漿中的固體顆粒稱為濾渣，過濾時積聚在過濾介質(zhì)上的濾渣層稱為濾餅，通過過濾介質(zhì)的液體稱為濾液。（二）過濾介質(zhì)過濾介質(zhì)的作用是支承濾餅，故除有孔隙外，還應(yīng)具有足夠的機械強度及盡可能小的阻力。工業(yè)上常用的過濾介質(zhì)有：織物介質(zhì)：天然纖維、化學(xué)纖維、玻璃絲、金屬絲織成的濾網(wǎng)。多孔性固體介質(zhì)：多孔性陶瓷板，多孔性塑料板，多孔性金屬陶瓷板等，此類介質(zhì)能截留小至1-3

m的固體顆粒。堆積介質(zhì)：細沙、石、炭屑等堆積的顆粒床層及非編織纖維玻璃棉等的堆積層。一般用于處理含固體微粒少的懸浮液，如水的凈化。

（三）過濾推動力過濾推動力是指濾餅和過濾介質(zhì)兩側(cè)的壓力差。此壓力差可以是重力或人為壓差。增加過濾推動力的方法有：1、增加懸浮液本身的液柱壓力，一般不超過50KN/m2，稱為重力過濾。2、增加懸浮液液面的壓力，一般可達500KN/m2稱為加壓過濾。3、在過濾介質(zhì)下面抽真空，通常不超過真空度86.6KN/m2，稱為真空過濾。此外，過濾推動力還可以用離心力來增大，稱為離心過濾。

（四）過濾基本參數(shù)處理量、生產(chǎn)能力、生產(chǎn)率、過濾面積、懸浮液固相濃度、濾餅含液量、濾餅與濾液的體積比、過濾速率、過濾速度（五）濾餅的可壓縮性不可壓縮濾餅：由剛性顆粒形成的濾餅，在過濾過程中顆粒形狀和顆粒間的空隙率保持不變?？蓧嚎s濾餅：由非剛性顆粒形成的濾餅，在壓強差作用下會變形。（六）濾餅的洗滌目的：回收濾液或得到較純凈的固體顆粒二、恒壓過濾（一）過濾的基本方程（二）恒壓過濾方程V2+2VeV=KA2tq2+2qeq=Kt（三）過濾常數(shù)K、Ve、qe的測定根據(jù)恒壓過濾方程，測兩個時間t1、t2的濾液體積V1、V2，聯(lián)立方程組即可估算其值。三、過濾設(shè)備（一）板框壓濾機1、2、3（二）轉(zhuǎn)鼓真空過濾機（三）離心過濾機

傳熱(Heattransfer)第一節(jié)概述

傳熱是因溫差導(dǎo)致的能量傳遞過程，又稱熱傳遞。由熱力學(xué)第二定律可知，在有溫度差存在時，熱量會自發(fā)地從高溫處傳遞到低溫處。因此，傳熱是自然界和工程技術(shù)領(lǐng)域中普遍存在的能量傳遞現(xiàn)象。無論是在能源、化工、冶金等工業(yè)部門，還是在農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護等行業(yè)中都會涉及到傳熱問題。一、傳熱在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用

化學(xué)工業(yè)與傳熱的關(guān)系尤為密切。因為無論是生產(chǎn)中的化學(xué)反應(yīng)過程，還是物理過程（即化工單元操作），幾乎都伴有熱量的傳遞。主要應(yīng)用有以下方面：1、為化學(xué)反應(yīng)過程創(chuàng)造必要的條件；

眾所周知，化學(xué)反應(yīng)是化工生產(chǎn)的核心，多數(shù)化學(xué)反應(yīng)都有一定的溫度條件且伴隨著反應(yīng)熱。例如：氨合成反應(yīng)的操作溫度為470～520℃；氨氧化法制備硝酸過程的反應(yīng)溫度為800℃等等。為了達到要求的反應(yīng)溫度，必先對原料進行加熱；而這兩個過程的反應(yīng)又都是可逆放熱反應(yīng)，為了保持最佳反應(yīng)溫度、加快正反應(yīng)速度，則必須及時移走反應(yīng)放出的熱量（若是吸熱反應(yīng)，要保持反應(yīng)溫度，則需及時補充熱量）。

以合成氨生產(chǎn)過程為例：2、為物理單元操作創(chuàng)造必要的條件；對某些單元操作過程（如蒸發(fā)、結(jié)晶、蒸餾和干燥等）往往需要輸入或輸出熱量，才能保證操作的正常進行。如蒸餾操作中，為使塔釜內(nèi)的液體不斷氣化，就需要向塔釜內(nèi)的液體輸入熱量，同時，為了使塔頂?shù)恼魵饫淠玫交亓饕汉鸵后w產(chǎn)品，就需要從塔頂蒸氣中移出熱量。3、提高熱能的綜合利用和余熱的回收；仍以合成氨生產(chǎn)過程為例，合成塔出口的合成氣溫度很高，為將合成氣中的反應(yīng)產(chǎn)物氨與反應(yīng)原料氮、氫氣加以分離必須要降溫，為提高熱量的綜合利用和回收余熱，可用其副產(chǎn)蒸氣或加熱循環(huán)氣等。因此，傳熱是化工生產(chǎn)過程中的常規(guī)單元操作之一?；どa(chǎn)中對傳熱過程的要求通常有以下兩種情況：一是強化傳熱，即加大傳熱過程速率的過程。如各種換熱設(shè)備中的傳熱，要求傳熱速率快，傳熱效果好。另一種是削弱傳熱，也即減小傳熱速率的過程。要求傳熱速率慢，以減少熱量或冷量的損失。如設(shè)備和管道的保溫過程。為此，必須掌握傳熱的共同規(guī)律?；鳠徇^程可連續(xù)亦可間歇進行。對于前者，傳熱系統(tǒng)中不積累熱量，即輸入系統(tǒng)的熱量等于輸出系統(tǒng)的熱量，稱為穩(wěn)定傳熱（又稱定態(tài)傳熱）。穩(wěn)定傳熱的特點是傳熱速率為常數(shù)，并且系統(tǒng)中各點的溫度僅隨位置變化而與時間無關(guān)。對于后者，傳熱系統(tǒng)中各點的溫度不僅隨位置變化且隨時間變化，稱為不穩(wěn)定傳熱（又稱非定態(tài)傳熱）。本章中除非另有說明，只討論穩(wěn)定傳熱。

二、傳熱的基本方式

根據(jù)機理的不同，傳熱有三種基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。傳熱過程可依靠其中的一種或幾種方式同時進行。

（一）熱傳導(dǎo)

熱傳導(dǎo)又稱導(dǎo)熱，是借助物質(zhì)的分子或原子振動以及自由電子的熱運動來傳遞熱量的過程。當物質(zhì)內(nèi)部在傳熱方向上無質(zhì)點宏觀遷移的前提下，只要存在溫度差，就必然發(fā)生熱傳導(dǎo)?？梢姛醾鲗?dǎo)不僅發(fā)生在固體中，同時也是流體內(nèi)的一種傳熱方式。

在靜止流體內(nèi)部以及在作層流運動的流體層中垂直于流動方向上的傳熱，是憑借流體分子的振動碰撞來實現(xiàn)的，換言之，這兩類傳熱過程也應(yīng)屬于導(dǎo)熱的范疇。所以說：固體和靜止流體中的傳熱以及作層流運動的流體層中垂直于流動方向上的傳熱均屬于導(dǎo)熱。很顯然，導(dǎo)熱過程的特點是：在傳熱過程中傳熱方向上無質(zhì)點塊的宏觀遷移。（二）熱對流

熱對流是利用流體質(zhì)點在傳熱方向上的相對運動來實現(xiàn)熱量傳遞的過程，簡稱對流。根據(jù)造成流體質(zhì)點在傳熱方向上的相對運動的原因不同，又可分為強制對流和自然對流。若相對運動是由外力作用引起的，則稱為強制對流。如傳熱過程因泵、風(fēng)機、攪拌器等對流體做功造成傳熱方向上質(zhì)點塊的宏觀遷移。若相對運動是由于流體內(nèi)部各部分溫度的不同而產(chǎn)生密度的差異，使流體質(zhì)點發(fā)生相對運動的，則稱為自然對流。例如，我們可以觀察到燃燒爐上方的空氣是晃動的，這是因為靠近爐子表面的空氣被加熱升溫后，密度減小而上浮，離爐子表面較遠的空氣溫度相對較低，由于密度較大而下沉，冷、熱氣團形成自然對流的結(jié)果。流體在發(fā)生強制對流時，往往伴隨著自然對流，但一般強制對流過程的速率比自然對流的大得多，故在工業(yè)換熱設(shè)備中，流體中的熱對流過程通?？刂茷閺娭茖α鞣绞?。

（三）熱輻射熱輻射是一種通過電磁波來傳遞熱量的方式。具體地說，物體先將熱能轉(zhuǎn)變成輻射能，以電磁波的形式在空中進行傳送，當遇到另一個能吸收輻射能的物體時，即被其部分或全部吸收并轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽瑥亩鴮崿F(xiàn)傳熱。根據(jù)赫爾－波爾茲曼定律：凡溫度高于絕對零度的物體均具有將其本身的能量以電磁波的方式輻射出去，同時有接受電磁波的能力，且物體的輻射能力大致與物體的絕對溫度的4次方成正比。因此，輻射傳熱就是不同物體間相互輻射和吸收能量的結(jié)果。輻射傳熱不僅是能量的傳遞，同時還伴有能量形式的轉(zhuǎn)換。熱輻射不需要任何媒介，換言之，可以在真空中傳播。這是熱輻射不同于其他傳熱方式的另一特點。應(yīng)予指出，只有物體溫度較高時，輻射傳熱才能成為主要的傳熱方式（如化工生產(chǎn)現(xiàn)場的管式爐）。實際上，傳熱過程往往并非以某種傳熱方式單獨出現(xiàn)，而是兩種甚至是三種傳熱方式的組合。例如，熱水瓶抽真空的目的就是為了減少導(dǎo)熱過程的損失；瓶口加塞就是為了減少對流損失；內(nèi)膽鍍銀是為減少輻射傳熱的損失。再如，化工生產(chǎn)中普遍使用的間壁式換熱器中的傳熱，主要是以熱對流和導(dǎo)熱相結(jié)合的方式進行的。有關(guān)內(nèi)容將在后文中詳細介紹。三、工業(yè)換熱器1、混合式換熱器主要特點：冷熱兩種流體間的熱交換，是依靠熱流體和冷流體直接接觸和混合過程實現(xiàn)的。優(yōu)點：傳熱速度快、效率高，設(shè)備簡單，是工業(yè)換熱器的首選類型。典型設(shè)備：如涼水塔、噴灑式冷卻塔、混合式冷凝器適用范圍：無價值的蒸氣冷凝，或其冷凝液不要求是純粹的物料等，允許冷熱兩流體直接接觸混合的場合。

廢蒸氣冷水熱水2、間壁式換熱器主要特點：冷熱兩種流體被一固體間壁所隔開，在換熱過程中，兩種流體互不接觸，熱量由熱流體通過間壁傳給冷流體。以達到換熱的目的。優(yōu)點：傳熱速度較快，適用范圍廣，熱量的綜合利用和回收便利。缺點：造價高，流動阻力大，動力消耗大。典型設(shè)備：列管式換熱器、套管式換熱器。適用范圍；不許直接混合的兩種流體間的熱交換。3、蓄熱式換熱器蓄熱式換熱器，簡稱蓄熱器。是借助蓄熱體將熱量由熱流體傳給冷流體的。在此類換熱器中，熱、冷流體交替進入，熱流體將熱量儲存在蓄熱體中，然后由冷流體取走，從而達到換熱的目的。此類換熱器結(jié)構(gòu)簡單，可耐高溫，缺點是設(shè)備體積龐大，傳熱效率低且兩流體有部分混合。常用于高溫氣體熱量的回收或冷卻。如在煤氣發(fā)生爐中，就是利用空氣煤氣的生成熱（即碳與氧氣反應(yīng)釋放的熱量）來提高爐溫并在爐體中積蓄熱量，為后續(xù)的水煤氣制氣過程提供熱量的（即碳與水蒸氣反應(yīng)需吸收的熱量）。

高溫流體低溫流體蓄熱體4、中間載熱體式換熱器中間載熱體式換熱器，又稱熱媒式換熱器。其換熱原理是：將兩個間壁式換熱器由在其中循環(huán)的載熱體（稱為熱媒）連接起來，載熱體在高溫流體換熱器中從熱流體吸收熱量后，帶至低溫流體換熱器傳給冷流體。如空調(diào)的制冷循環(huán)、太陽能供熱設(shè)備、熱管式換熱器等均屬此類。此類換熱過程廣泛應(yīng)用于核能工業(yè)、冷凍技術(shù)及工廠余熱利用中。換熱器還可以按其他方式進行分類，有關(guān)其他分類方法和換熱器的結(jié)構(gòu)、特點等內(nèi)容，將在后文中詳細介紹。四、傳熱速率和熱通量1、傳熱速率Q（熱流量）指單位時間內(nèi)通過傳熱面的熱量。整個換熱器的傳熱速率表征了換熱器的生產(chǎn)能力，單位為W；2、熱通量q指單位時間內(nèi)通過單位傳熱面積縮傳遞的熱量。在一定的傳熱速率下，q越大，所需的傳熱面積越小。因此，熱通量是反映傳熱強度的指標，又稱為熱流強度，單位為W/m2。第五節(jié)熱傳導(dǎo)一、傅立葉定律（一）導(dǎo)熱的分類由熱傳導(dǎo)引起的傳熱速率稱為導(dǎo)熱速率，其與導(dǎo)熱體內(nèi)部的溫度分布情況有關(guān)。導(dǎo)熱體內(nèi)部在空間和時間上的溫度分布稱為溫度場。熱傳導(dǎo)又稱導(dǎo)熱，是物質(zhì)借助分子和原子振動及自由電子運動進行熱量傳遞的過程。前已述及，導(dǎo)熱在固體、液體、氣體中均可發(fā)生。但嚴格而言，只有固體中傳熱才是純粹的熱傳導(dǎo)。而流體體即使處于靜止狀態(tài)，也會有因溫差而引起的自然對流。所以，在流體中對流與傳導(dǎo)是同時發(fā)生的。鑒此，本節(jié)只討論固體中的導(dǎo)熱問題，并結(jié)合工程實際介紹導(dǎo)熱過程的計算方法。

若溫度場內(nèi)各點的溫度隨時間變化，則稱為不穩(wěn)定溫度場?？捎脭?shù)學(xué)表達式表示為：

t=f(x,y,z,θ)式中

t——溫度，℃；x、y、z——任一點的空間坐標；θ——時間，s。顯然，不穩(wěn)定溫度場中的導(dǎo)熱為不穩(wěn)定導(dǎo)熱（又稱非定態(tài)導(dǎo)熱）。例如，從燃燒爐夾出的煤塊，內(nèi)外溫度隨時間變化，其導(dǎo)熱速率也隨時間變化。

若溫度場內(nèi)各點的溫度不隨時間改變，則稱為穩(wěn)定溫度場。穩(wěn)定溫度場中的導(dǎo)熱即為穩(wěn)定導(dǎo)熱（又稱定態(tài)導(dǎo)熱）?？捎脭?shù)學(xué)表達式表示為：t=f(x,y,z)

穩(wěn)定溫度場中溫度相同的點所組成的面稱為等溫面。由于穩(wěn)定溫度場中任一點不可能有兩個溫度，因此，溫度不同的等溫面不能相交。當穩(wěn)定溫度場中的溫度只沿空間某一方向變化時，稱為一維穩(wěn)定溫度場，此時的導(dǎo)熱稱為一維穩(wěn)定導(dǎo)熱?？捎脭?shù)學(xué)表達式表示為：t=f(x)在化工生產(chǎn)過程中，一維穩(wěn)定導(dǎo)熱體的等溫面：在直角坐標系中往往是垂直于溫度變化方向的平壁面；在柱坐標系中往往是垂直于溫度變化方向的圓柱面；在球坐標系中往往是垂直于溫度變化方向的球面。對后兩者可用數(shù)學(xué)表達式表示為：

t=f(r)化工生產(chǎn)過程中所涉及的導(dǎo)熱問題多為一維穩(wěn)定導(dǎo)熱問題，如方形燃燒爐的爐壁、蒸汽管的管壁、列管或套管換熱器的管壁以及球形容器等。限于篇幅和實用性，本節(jié)只討論一維穩(wěn)定導(dǎo)熱問題。（二）傅立葉定律導(dǎo)熱過程的導(dǎo)熱速率可借助傅立葉定律確定。傅立葉定律表明了導(dǎo)熱體的導(dǎo)熱速率與導(dǎo)熱方向上溫度的變化率和垂直于導(dǎo)熱方向的導(dǎo)熱面積成正比。對一維穩(wěn)定導(dǎo)熱過程，傅立葉定律可表述為

上式中,稱為溫度梯度。由于導(dǎo)熱方向為溫度下降的方向，故需在右端加一負號。若要將上式寫成等式，則需引入一比例系數(shù)λ，即（4-16）式中Q——導(dǎo)熱速率，指導(dǎo)熱體在單位時間內(nèi)傳遞的熱量，J/s或W；

——比例系數(shù)，稱為導(dǎo)熱系數(shù)，J/s?m?℃或W/m?℃；S——導(dǎo)熱面積，m2。式（4-16）即為一維穩(wěn)定導(dǎo)熱過程的傅立葉定律的數(shù)學(xué)表達式，是一維穩(wěn)定導(dǎo)熱計算的基本公式。

（三）導(dǎo)熱系數(shù)將式（4-16）改寫為上式即為導(dǎo)熱系數(shù)的定義式。其表明導(dǎo)熱系數(shù)在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量。它是表征物質(zhì)導(dǎo)熱性能的一個物性參數(shù)，

越大，導(dǎo)熱性能越好。導(dǎo)熱性能的大小與物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、溫度及壓強等有關(guān)。物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)通常由實驗測定。各種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)值差別極大，一般而言，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)最大，非金屬次之，而氣體最小。工程上常見物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)可從有關(guān)手冊中查得，本教材附錄亦有部分摘錄。1．氣體的導(dǎo)熱系數(shù)與液體和固體相比，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)最小，對導(dǎo)熱不利，但卻有利于保溫和絕熱。工業(yè)上所使用的保溫材料（如玻璃棉等）就是因為其空隙中有大量靜止的空氣，所以其導(dǎo)熱系數(shù)很小，適用于保溫隔熱。氣體的導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的升高而增大；這與溫度升高后氣體分子的熱運動加劇，碰撞機會增多有關(guān)。而在相當大的壓強范圍內(nèi)，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)隨壓強的變化很小，可以忽略不計，只有當壓強很高（大于200MPa）或很低（小于2.7kPa）時，才應(yīng)考慮壓強的影響，此時導(dǎo)熱系數(shù)隨壓強的升高而增大。

常壓下氣體混合物的導(dǎo)熱系數(shù)可用下式估算：

（4-17）

式中

m——氣體混合物的導(dǎo)熱系數(shù)，W/m?℃；

i——氣體混合物中i組分的導(dǎo)熱系數(shù)，W/m?℃；yi——氣體混合物中i組分的摩爾分數(shù)；Mi——氣體混合物中i組分的摩爾質(zhì)量，kg/kmol。2．液體的導(dǎo)熱系數(shù)液體可分為金屬液體（液態(tài)金屬）和非金屬液體。液態(tài)金屬的導(dǎo)熱系數(shù)比一般液體的高，其中熔融的純納具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，大多數(shù)金屬液體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而降低。在非金屬液體中，水的導(dǎo)熱系數(shù)最大。除水和甘油外，大多數(shù)非金屬液體的導(dǎo)熱系數(shù)亦隨溫度的升高而降低。通常純液體的導(dǎo)熱系數(shù)較其溶液的要大。液體的導(dǎo)熱系數(shù)基本上與壓強無關(guān)。液體混合物的導(dǎo)熱系數(shù)在實驗數(shù)據(jù)缺乏的情況下，可按下法估算：有機化合物水溶液的導(dǎo)熱系數(shù)估算式為（4-18）有機化合物的互溶混合液的導(dǎo)熱系數(shù)估算式為（4-18a）上兩式中分別為混合液中i組分的質(zhì)量分率及與混合液相同溫度下i組分的導(dǎo)熱系數(shù)。3．固體的導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱性能與導(dǎo)電性能密切相關(guān)，一般而言，良好的導(dǎo)電體必然是良好的導(dǎo)熱體，反之亦然。在所有固體中，金屬的導(dǎo)熱性能最好。大多數(shù)金屬的導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的升高而降低，隨著純度的增加而增大，也即合金比純金屬的導(dǎo)熱系數(shù)要低。非金屬固體的導(dǎo)熱系數(shù)與其組成、結(jié)構(gòu)的緊密程度及溫度有關(guān)。大多數(shù)非金屬固體的導(dǎo)熱系數(shù)隨密度增加而增大；在密度一定的前提下，其導(dǎo)熱系數(shù)與溫度呈線性關(guān)系，隨溫度升高而增大。應(yīng)予指出，在導(dǎo)熱過程中導(dǎo)熱體內(nèi)的溫度沿傳熱方向發(fā)生變化，其導(dǎo)熱系數(shù)也在變化，但在工程計算中，為簡便起見通常使用平均導(dǎo)熱系數(shù)。二、傅立葉定律的應(yīng)用

（一）平壁導(dǎo)熱1、單層平壁導(dǎo)熱如圖4-11所示，若平壁的面積S與厚度δ相比很大，則從邊緣處的散熱可以忽略，壁內(nèi)溫度只沿垂直于壁面的x方向發(fā)生變化，即所有等溫面是垂直于x軸的平面，且壁面的溫度不隨時間變化，顯然為一維穩(wěn)定導(dǎo)熱。由傅立葉定律Qt1t2

2、多層平壁熱傳導(dǎo)

工程上常常遇到多層不同材料組成的平壁，例如工業(yè)用的窯爐，其爐壁通常由耐火磚、保溫磚以及普通建筑磚由里向外構(gòu)成，其中的導(dǎo)熱則稱為多層平壁導(dǎo)熱。下面以三層平壁導(dǎo)熱計算為例，介紹多層平壁導(dǎo)熱的計算方法。在穩(wěn)定傳熱時，通過上述串聯(lián)平壁的導(dǎo)熱速率都是相等的。即

根據(jù)等比定律則有b1b2b3Qtt1t2t3t4x化簡得若由三層平壁導(dǎo)熱向n層平壁推廣，其導(dǎo)熱速率方程式則為：式中下標i為平壁的序號。（二）圓筒壁導(dǎo)熱

1、單層圓筒壁導(dǎo)熱化工生產(chǎn)中的導(dǎo)熱問題大多是圓筒壁中的導(dǎo)熱問題。例如，管式換熱器、蒸汽及液氨導(dǎo)管壁面中的傳熱過程等均屬于此類。它與平壁導(dǎo)熱的不同之處在于：溫度隨半徑而變；此時傅立葉定律應(yīng)改寫為圓筒壁的導(dǎo)熱面積隨半徑而變，S＝2πrL。

如圖所示，設(shè)圓筒壁的內(nèi)、外半徑分別為r1和r2長度為L；內(nèi)、外表面溫度分別為t1和t2，且t1>t2

；管材導(dǎo)熱系數(shù)為λ。則由傅立葉定律有：因穩(wěn)定過程導(dǎo)熱體的導(dǎo)熱速率為常數(shù)，若導(dǎo)熱體的導(dǎo)熱系數(shù)可視為常數(shù)或可取平均值，則上式中僅包含溫度t和半徑r兩個變量。將上式分離變量，并根據(jù)r=r1，t=t1；r=r2，t=t2的邊界條件積分。即：積分得：

式中即為圓筒壁的導(dǎo)熱熱阻。上式即為單層圓筒壁的導(dǎo)熱速率方程式，該式也可以改寫成類似單層平壁的導(dǎo)熱速率計算式的形式。由上式中，為圓筒壁的厚度，m。若令上式中的，稱為圓筒壁的對數(shù)平均半徑；又根據(jù)圓筒壁的導(dǎo)熱面積計算式，可令，稱為圓筒壁的平均導(dǎo)熱面積。故上式可改寫為：跟傳熱平均溫度差計算相類似地，當r2/r1

2時，上式中的對數(shù)平均半徑也可用算術(shù)平均值代替。

2、多層圓筒壁導(dǎo)熱計算在工程上，多層圓筒壁的導(dǎo)熱情況比較常見。例如，在高溫或低溫管道的外部包上一層乃至多層保溫材料，以減少熱量（或冷量）損失；在反應(yīng)器或其他容器內(nèi)襯以工程塑料或其他材料，以減小腐蝕；在換熱器內(nèi)換熱管的內(nèi)、外表面形成污垢等等。與多層平壁相似，對于多層圓筒壁，其導(dǎo)熱速率方程可以表示為：（三）空心球體的導(dǎo)熱由于球形設(shè)備具有表面積小、容量大、用材省、熱量（或冷量）損失、受壓均勻等優(yōu)點。所以，在化工生產(chǎn)過程中，球形設(shè)備的應(yīng)用已趨于普遍。對于空心球體的導(dǎo)熱過程可右圖來進行說明。若在空心球體的內(nèi)外兩側(cè)，分別放置兩個加熱源，使得內(nèi)外壁溫度恒定為t1和t2，且t1>t2。則溫度僅隨球殼的半徑變化，導(dǎo)熱僅為徑向上的熱傳導(dǎo)。此外，與空心圓柱體導(dǎo)熱過程相似地，空心球體的導(dǎo)熱面積也是隨半徑的變化而變化故由傅立葉定律有將上式分離變量后并根據(jù)r=r1，t=t1；r=r2，t=t2的邊界條件積分。也即積分得上式即為單層空心圓柱體的導(dǎo)熱速率計算式。式中，空心球體的壁厚，m；

Sm——空心球體的平均導(dǎo)熱面積，m2。，稱為空心球體的幾何平均半徑，m。由上式仿照多層空心圓柱體的導(dǎo)熱過程，可得n層空心球體的導(dǎo)熱速率為

第三節(jié)對流傳熱一、對流傳熱的分析1、滯流內(nèi)層：流體呈滯流流動，沿壁面法向沒有質(zhì)點的移動和混合，即沒有對流傳熱，傳熱方式僅是熱傳導(dǎo)。因為液體導(dǎo)熱系數(shù)小，因此熱阻較大，溫度梯度大。2、緩沖層：流體流動介于滯流和湍流之間，熱傳導(dǎo)和對流傳熱同時起作用，熱阻較小。3、湍流主體：質(zhì)點劇烈運動，完全混合，溫度基本均勻，無溫度梯度。因此，對流傳熱的熱阻主要集中在滯流內(nèi)層，減薄其厚度是強化傳熱過程的關(guān)鍵。二、對流傳熱速率方程

由前面討論知，對流傳熱是一個復(fù)雜的過程影響因素很多，因此計算是只能用半理論半經(jīng)驗的公式：對流傳熱速率＝對流傳熱推動力/阻力＝系數(shù)×推動力Q=αAΔtΔt——流體與壁面間的溫度差平均值℃α——平均對流傳熱系數(shù)W/m2℃流體與壁面間的平均溫度差為1℃，面積為1/m2的熱通量，對流傳熱系數(shù)越大，傳熱越劇烈。三、對流傳熱系數(shù)

（一）影響對流傳熱系數(shù)的因素1、流體流動產(chǎn)生的原因2、流體的流動情況3、流體有無相變化發(fā)生4、流體的物理性質(zhì)5、傳熱表面的形狀、位置和大?。ǘα鱾鳠嵯禂?shù)的一般關(guān)聯(lián)式1、流體無相變時的對流系數(shù)：準數(shù)關(guān)系式為：Nu=f(Re,Pr,Gr)其中:努塞爾準數(shù)Nu=αl/λ雷諾準數(shù)Re=duρ/μ普蘭特準數(shù)Pr=Cpμ/λ格拉斯霍夫準數(shù)Gr=βgΔtl3ρ2/μ2準數(shù)之間通常用指數(shù)方程表示：Nu=CRemPrnGri其中c,m,n,i都是針對不同的情況下具體條件而測得的，這些值測得后，即可計算出對流傳熱系數(shù)。自然對流Re=0Nu=CPrnGri強制對流Gr=0Nu=CRemPrn2、流體有相變化時對于蒸氣冷凝時Nu=f(Ga,Pr,KD)Ga=gl3ρ2/μ2

伽利略準數(shù)

KD=r/CpΔt冷凝準數(shù)一般情況下Nu=C(Ga,Pr,KD)n（三）對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式一、流體無相變時的對流傳熱系數(shù)1、流體在管內(nèi)作強制對流1）流體在圓形直管內(nèi)作強制湍流a、低粘度（粘度小于2倍常溫下水的粘度）的流體Nu=0.023Re0.8Prn或α=0.023λ/l(luρ／μ)0.8(Cpμ／λ)n應(yīng)用范圍：Re>100000.7<Pr<160L/di>60；特征尺寸：l取管內(nèi)徑di定性溫度：流體進出口主體溫度的算術(shù)平均值。其中n與熱流方向有關(guān)，流體被加熱時，n=0.4被冷卻時n=0.3.b、高粘度液體Nu=0.027Re0.8Pr0.33(μ／μw)0.14μ:液體在主體平均溫度下的粘度μw：液體在壁溫下的粘度其中（μ/μw）0.14一項是考慮熱流方向影響的校正項。在工程計算時，液體加熱(μ/μw）0.14=1.05，液體被冷卻時（μ/μw）0.14=0.95由于滯流內(nèi)層的厚度粘度隨熱流方向的不同而不同，液體被加熱是，滯流內(nèi)層的溫度比主體溫度高，又粘度反比于溫度，因此滯流內(nèi)層厚度減薄，致使對流傳熱系數(shù)增大。液體被冷卻上，情況相反，對于液體Pr>1即

Pr0.4>Pr0.3.因此加熱時n=0.4。

2）流體在圓形直管內(nèi)強制滯流a.自然對流可以忽略Nu=1.86Re0.33Pr0.33(di/L)0.33(μ/μw)0.14應(yīng)用范圍：Re<2000,L/di>60,RePrdi/L>10特征尺寸：di定性溫度：平均溫度（μw

除外）3)流體在圓形直管內(nèi)作強制對流于過渡狀態(tài)當Re=2300~10000α先按湍流時計算然后再用式φ＝1－600000/Re1.8求出校正系數(shù)。φ<14）流體在彎管內(nèi)強制對流在彎管內(nèi)，由于離心力的作用，擾動加劇，較直管時大α`＝α(1+1.77d/R)α`:彎管α：直管R：曲率半徑5)流體在非圓形直管內(nèi)強制對流計算當量直徑，再用上面公式。2、流體在管外強制對流1）流體在管束外強制垂直流動2）流體在換熱器的管間流動二、液體有相變時的對流傳熱系數(shù)1、蒸氣冷凝膜狀冷凝；若冷凝液能夠潤濕壁面，則在壁面上形成一層完整的液膜，故稱為膜狀冷凝。滴狀冷凝：若冷凝液不能潤濕壁面，由于表面張力的作用，冷凝液在壁面上形成許多液滴，并沿壁面落下，此種冷凝稱為滴狀冷凝。工業(yè)上遇到的大多是膜狀冷凝，因此冷凝器的設(shè)計總是按膜狀冷凝來處理，下面介紹純凈的飽和蒸氣膜狀冷凝的傳熱系數(shù)的計算方法。1*蒸氣在單根水平管上冷凝Nu=0.725(GaPrKD)0.25=0.725(λ3ρ2gr/douΔt)0.25其中：

r：蒸氣冷凝潛熱取飽和溫度下的數(shù)值

ρ：冷凝液的密度kg/m3λ：冷凝液的導(dǎo)熱系數(shù)W/m℃μ：冷凝液的粘度PaSdo：特征尺寸，在此用管外徑m

定性溫度：取液膜平均溫度tm=(ts+tw)/2

Δt=ts-tw℃2*蒸氣在水平管束外的冷凝對流傳熱系數(shù)仍可用上式計算，但特征尺寸該為n2/3do,n為水平管束垂直列上的管子數(shù)。在列管式冷凝器中，若管束由互相平行的二列管子所組成，一般各列管子在垂直方向的管數(shù)不相等，若分別為n1,n2,n3,…則3*蒸氣在垂直管內(nèi)、外或垂直平板側(cè)的冷凝若膜層為滯流Re<1800時

＝1.13(gρ２λ３r/μLΔt)0.25若膜層為湍流Re>1800時

=0.0077(gρ２λ３／μ２)0.33Re0.4特征尺寸:l取垂直管或板的高度。定性溫度：蒸氣冷凝潛熱r取飽和溫度ts下的值，其余物性取液膜平均溫度tm=0.5(ts+tw)下的值。用來判斷膜層流型的雷諾準數(shù)經(jīng)常表示為冷凝負荷M的函數(shù)。冷凝負荷M：單位長度潤濕周邊上的單位時間流過冷凝液量。kg/msM=Ws/bb:潤濕周邊若膜狀流動時，液流的橫截面積（流通面積）為A,故當量直徑為de=4A/bRe=deuρ／μ=4M/μ2、液體的沸騰大容器沸騰：將加熱面浸沒在液體中，液體在壁面處受熱沸騰，稱大容器沸騰。管內(nèi)沸騰：使液體在管內(nèi)流動時受熱沸騰，稱管內(nèi)沸騰。實驗表明，大容器內(nèi)液體飽和沸騰的情況隨溫度差Δt=tw-ts而變。下面以常壓下水在大容器中沸騰傳熱為例，分析沸騰溫度差Δt對傳熱系數(shù)和熱通量q的影響。臨界點c：由泡狀沸騰向膜狀沸騰