化工原理总结.ppt
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1、第1章 流体流动,本章主要内容:(1)静力学方程及其应用;(2)柏努力方程及其应用;(3)流动阻力及管路的计算;(4)流速及流量的测量。本章重点: 流体流动中的连续性方程及柏努力方程。并运用这些基本理论去分析和解决流体的输送问题。,混合液体的密度:公式应用条件:混合前后体积不变,则1kg混合液的体积等于各组分单独存在时的体积之和。 (3)气体密度的计算气体的密度随温度和压强而变化,液体混合物中各组分的质量分数,当气体的压强不太高、温度不太低时,气体密度可按理想气体状态方程 来计算。上式中的0为标准状态下气体的密度,T0、p0分别为标准状态下气体的绝对温度和绝对压强。混合气体的密度:,(2)流体
2、的粘度 液体的粘度随温度升高而减小,气体的粘度则随温度升高而增大。 压强变化时,液体的粘度基本不变;气体的粘度随压强增加而增加的很少,在一般工程计算中可忽略不计。 国际单位制中粘度的单位为Pas 物理单位制的粘度单位为P(泊)和cP(厘泊),它们的换算关系如下:1Pas=10P=1000cP (重点) 粘度与密度之比称为运动粘度,以表示 混合气体和液体的黏度用P14 1-8 、1-9计算,(1)压力的单位在SI制中,压力的单位是N/m2,称为帕斯卡,以Pa表示。也可用其它单位表示:atm(标准大气压)、at(工程大气压),某流体柱高度或kgf/cm2等。(2)单位换算 1at=9.81104P
3、a=1.0kgf/cm2=10.0mH2O=735.6mmHg 1atm=1.013105Pa=1.033kgf/cm2=10.33mH2O=760mmHg (3)压力的基准压力可以有不同的计量基准 绝对压力:以绝对真空(即零大气压)为基准。 表压:以当地大气压为基准。,表压绝对压力大气压力 真空度大气压力绝对压力,(1)U形压差计 在正U形管中要求指示剂密度大于工作介质密度,一、压强与压强差的测量,1.3 流体流动的基本方程,1.3.1 流量与流速 (一) 流量 (1)体积流量: 单位时间内流体流经管道任一截面的流体的体积,称为体积流量,以 表示,其单位为m3/s或m3/h。 (2)质量流量
4、 : 单位时间内流体流经管道任一截面的流体的质量,称为质量流量,以 表示,其单位为kg/s或kg/h。 体积流量与质量流量之间的关系为,(二) 流速(1) 平均流速:流速是指单位时间内液体质点在流动方向上所流经的距离。流量与流速关系为: uVs/A(重点)(2)质量流速:单位时间内流体流经管道单位截面的质量称为质量流速(mass velocity),以G表示,单位为kg/m2s。GWs/A=Au/A=u (重点) 例1-3 用内径105mm的钢管输送压力为2atm、温度为120的空气。已知空气在标准状态下的体积流量为630m3/h,试求此空气在管内的流速和质量流速(取空气的平均分子量为Mm=2
5、8.9)。,1.3.3 连续性方程式 根据质量守恒定律,从截面1-1进入的流体质量流量应等于从截面2-2流出的流体质量流量,即 Ws1Ws2 1A1u12A2u2 此关系可推广到管道的任一截面, 即 Au常数 。若液体不可压缩,常数,则上式可简化为 Au常数 。 对于圆形管道,可得,(重点),H称为压头或扬程,其物理意义为单位重量流体流经泵所获得的能量,单位为m 。,We为单位质量流体流经泵所获得的能量,也称为有效功,单位为J/kg。,(非常重要),实际流体的柏努利方程式(单位质量),有效功率:单位时间输送设备所作的有效功。以Ne表示:,(重点),离心泵的轴功率用N表示:,实际流体的柏努利方程
6、式(单位体积),单位为Pa 1.3.5 柏努力方程式的应用 (1)流量、流速; (2)容器的相对位置; (3)管路中的流体压强; (4)管路中所需的外加能量。,Ws的单位必须是kg/s,层流特点:质点始终沿着与管轴平行的方向作直线运动,质点之间互不混合。圆管中的流体就如一层一层的同心圆筒在平行地流动。(滞流) 湍流特点:流体质点除了沿着管道向前流动外,各质点还作剧烈的径向脉动。(紊流) 层流与湍流的区别:层流只有轴向运动,而湍流不仅有轴向运动,而且还有径向运动。,Re2000时,流动类型为层流; Re4000时,流动类型为湍流; 2000Re4000,过渡区,流动类型不稳定。,1.4.2 流体
7、在圆管内流动时的速度分布,层流流动时的速度分布为抛物线形状。管中心的流速最大,向管壁的方向渐减,靠管壁的流速为零。平均速度为最大速度的一半。,湍流速度分布:类似抛物线,顶部宽阔而平坦,管壁较陡。Re,顶部越平坦,管壁越陡。(近似) u=0.82umax 层流底层:,在靠近管壁的区域,仍有一极薄的流体作层流流动,称为层流内层或层流底层。流体的湍流程度越大,层流底层越薄。层流底层的存在,对传质、传热有重要影响。 u,湍动程度, 。,1.5 流体在管内的流动阻力 流动阻力产生的内因是流体的粘性,外因是流动。 流体在管内流动的总阻力=直管阻力+局部阻力 直管阻力:指流体流经直管时,由于流体流动产生的内
8、摩擦力而产生的阻力。 局部阻力:指流体流经管件、阀门等由于改变方向产生旋涡而产生的阻力。,1.5.1 流体在直管中的流动阻力 (1)计算圆形直管阻力的通式(范宁公式)摩擦系数 , 与流体流动状况、管路粗糙度有关,或,(2)管壁粗糙度对摩擦系数的影响 化工所用管道分为光滑管和粗糙管。管径常以A*B表示,其中A指管外径,B指管壁厚度,(3) 层流时的摩擦系数,层流时的哈根-波谡叶方程,(重点),(4)湍流时的摩擦系数 湍流时摩擦系数是通过因次分析(量纲分析)和实验 得到与Re和相对粗糙度的关系。并绘在图上,P44, 该图可分为四个区域:,层流区:Re2000,与Re为直线关系,而与/d无关。阻力损
9、失与速度的一次方成正比。可计算,也可以查图。 =64/Re =f(Re) 过渡区: 2000Re4000,流动类型不稳定,为安全起见,一般按湍流计算。 湍流区:Re4000及虚线以下的区域 =f(Re,/d)。Re较小,集中;Re较大,分散 /d=const:Re, ; Re=const:/d, 完全湍流区:仅与/d有关,而与Re无关。Re一定时,随/d增大而增大,阻力损失与速度的平方成正比,称为阻力平方区。,(5)流体在非圆形直管内的流动阻力 当流体在非圆型管内湍流流动时,计算阻力时d用当量直径de代替。 当量直径:4倍的流通截面积除以流体润湿周边长度 de当量直径,m; rH水力半径,m。
10、,对于矩形管长为a,宽为b,(1)阻力系数法,u为管中流体流速,为局部阻力系数 管件不同也不同,其值由实验测定,突然扩大时,突然缩小时, 注意:计算突然扩大或突然缩小的局部阻力损失时,流速u均为细管中的流速。 当流体从管道中流入截面较大的容器,或气体从管道排放到大气中, =1 流体自容器进入管的入口,相当于自很大的截面突然缩小到很小的截面,=0.5,2、当量长度法 此法是将流体流过管件或阀门所产生的局部阻力损失,折合成流体流过长度为Le的直管的阻力损失。Le由实验测定。P48,1.5.3 管路系统的总能量损失 管路系统的总阻力损失包括直管阻力损失和所有管件、阀门等的局部阻力损失。若管路系统中的
11、管径d不变,则总阻力损失计算式为:,(2)已知d、l和hf及管路设置,求管路的输送量Vs 。 (3)已知l、hf 、Vs及管路设置,确定输送管路的管径。,(1) 简单管路,(2) 复杂管路 并联管路 并联管路特点: 总流量等于各支管流量之和; a) VV1V2V3 单位质量流体流经各支管的阻力损失相等。 b) hf1=hf2=hf3=hfAB,根据hf1=hf2=hf3 各支管的流量比 即d 增大,l下降,流量越大。,分支管路:流体在主管处有分支,但最终不再汇合的管路称分支管路。P55 例1-25VV1V2V3可在分支处将其分为若干简单管路,然后按一般的简单管路计算,在计算分支管路所需的能量时
12、,须按耗用量最大的那支管路计算。,测量流量的原理:管道中流体的流量愈大,在孔板前后产生的压差P=P1-P2也越大,Vs与P互为一一对应的关系。所以只要用差压计测出孔板前后的差P,就能知道流量Vs。,C0 :流量系数或孔流系数,无因次 ,其数值在0.6左右,可通过实验测得。P71,(重点),第2章 流体输送机械,概述,流体从 低处 高处;低压处 高压处;所在地 较远处;需要对流体做功,增加流体的机械能。,流体输送设备(通用机械):,液体输送设备 泵; 气体输送设备 通风机、鼓风机、压缩机或真空泵。,作用:向系统输入能量,补充所需机械能;用于流体的输送或加压。,(3)效率 泵的效率就是反映能量损失
13、的 大小。 能量损失的原因 容积损失:泵的泄漏造成的。容积效率1。 水力损失:由于流体流过叶轮、泵壳时产生的能量损失。水力效率2。,机械损失:泵在运转时,在轴承、轴封装置等机械部件接触处由于机械磨擦而消耗部分能量,机械效率3。泵的总效率(又称效率) 123 对离心泵来说,一般0.60.85左右,大型泵可达0.90。,(4)轴功率 离心泵的轴功率是指泵轴所需的功率。当泵直接由电 动机带动时,它即是电机传给泵轴的功率,以N表 示,其单位为W或KW。泵的有效功率可写成,由于有容积损失、水力损失与机械损失,所以泵的轴功率N要大于液体实际得到的有效功率,即,泵在运转时可能发生超负荷,所配电动机的功率应比
14、泵的轴功率大。在机电产品样本中所列出的泵的轴功率,除非特殊说明以外,均系指输送清水时的数值。,2 离心泵的特性曲线,一、离心泵的特征曲线 (1)H-Q曲线 (2)N-Q (3)-Q Q, H Q , N Q =0 , =0,注意:特性曲线是在一定转速下测定。,最高效率点称为设计点。 离心泵的铭牌上标出的性能参数就是指该泵在运行时效率最高点的性能参数。 启动离心泵时,为了减小启动功率,应将出口阀关闭。 高效率区: max 92% 3、离心泵的性能的改变和换算 1)液体物性对离心泵特性的影响 (1) 密度的影响 离心泵的压头、流量、效率均与液体的密度无关。但泵的轴功率与输送液体的密度有关,随液体密
15、度而改变。因此,当被输送液体与水不同时,原离心泵特性曲线中的NQ曲线不再适用。,(2) 粘度的影响 若被输送液体的粘度大于常温下清水的粘度,则泵体内部液体的能量损失增大,因此泵的压头、流量都要减小,效率下降,而轴功率增大,亦即泵的特性曲线发生改变。 2)离心泵的转速对特性曲线的影响当转速n改变时,泵的流量Q、压头H及功率N也相应改 变。对同一型号泵、同一种液体,在效率不变的条 件下,Q、H、N随n的变化关系如下式表示。,适用条件:同一型号泵、同一种液体,在效率不变的前提下。3)叶轮直径对离心泵特性的影响 当离心泵的转速一定时,通过切割叶轮直径D,使其变小,也能改变特性曲线 。 (称为切割定律)
16、,适用条件:同一型号泵、同一液体、同一转速 下直径D的切割量小于5-10。,比例定律,汽蚀原因:当离心泵入口处压力p1饱和蒸汽压 汽蚀危害:噪音、震动,流量、扬程明显下降 汽蚀避免:最低点压强饱和蒸汽压 造成泵入口处压力过低的原因: 离心泵的安装高度Hg高; 泵吸入管路局部阻力过大 ;液体温度高。,2 离心泵的抗气蚀性能离心泵的抗气蚀性能可用气蚀余量和允许吸上真空度表示。,1)离心泵的气蚀余量,油泵用h- 气蚀余量,2)离心泵的允许吸上真空度,称之为允许吸上真空度 由泵的制造厂家在98.1KPa(10mH2O)大气压下,用20清水实验测得。,若操作条件与上述实验条件不一致或输送其它液体时,可按
17、 P88 2-28的公式换算。,工作点:泵的特性曲线H-Qv与管路的特性曲线H- Q的交点。适宜工作点:工作点所对应效率在最高效率区。,2 离心泵的流量调节1) 改变泵出口阀门开度,实质:改变管路特性曲线 , 泵特性曲线不变。,优点:迅速方便,连续调节。,代价:阀门阻力损失。,适用场合:流量调节幅度不大, 需经常调节的地方。,泵出口阀:两套(手动阀和自动阀),阀门开小:B 曲线变陡 Q H 阀门开大:B 曲线变平坦 Q H,2) 改变泵的转速或切削叶轮的直径,实质:改变泵特性曲线, 管路特性不变。,转速n 增大,泵特性曲线上移 ,则: Q H 转速n 减小,泵特性曲线下移 , 则:Q H,3
18、离心泵的并联和串联 (1) 离心泵的并联,并联后的总流量必低于单台泵流量的两倍,而且并联压头略高于单台泵的压头 。,(2)串联操作 泵型号相同,首尾相连。,两台泵串联操作的总压头必低于单台泵压头的两倍 。,(3)离心泵组合方式的选择,对于管路特性曲线较平坦的低阻力型管路,采用并联组合方式可获得较串联组合方式为高的流量和压头 反之,对于管路特性曲线较陡的高阻力型管路,则宜采用串联组合方式。,第4章 传 热,4.1 概述 传热在化工生产中的应用热力学第二定律:只要存在温度差,热量会自发从高温传递向低温,直至温度相等。,传热方向: 传热极限: 传热推动力:,高温低温,温度相等,温度差,传热应用:科研
19、、生产、生活,4.1.1 传热的基本方式,1.热传导: 固体主要传热方式分子无规则热运动,使相邻分子间传热。传热速率相对较慢。单纯的导热,物体各部分之间无宏观运动。,2.热对流:流体主要传热方式流动中,流体质点相互碰撞,传热。传热速率与流动状态密切相关。,对流类型:强制对流:流体的运动受到外力的作用。自然对流:流体的运动是由于流体内部冷、热部分的密度不同而引起。 工程中通常将流体和固体壁面之间的传热称为对流传热。,物体温度,热辐射能力。,实际传热过程:几种传热方式可同时存在。,3热辐射 热辐射:因热的原因而产生的电磁波在空间的传递。 辐射传热:物体间相互辐射和吸收能量的总结果。 方向:高温 低
20、温 热辐射的电磁波波长范围0.38100m,可见光和红外线范围。 特点:两物体不相接触,也不需任何介质。,1.固体的导热系数 金属是最好的导热体。 纯金属 合金 t , 非金属: t , 2.液体的导热系数 金属液体:t , 非金属液体:t , 。金属液体 非金属液体纯液体 溶液溶液的:经验公式,查手册。 3.气体的导热系数 =f(T), t , 气体的导热系数很小,故对导热不利,但对保温有利。,4.2.3 通过平壁的稳态热传导 (1)单层平壁的稳态热传导 导热系数=const;温度只沿着垂直于壁面的x轴方向 变化,等温面皆为垂直于x轴的平行平面。一维稳态的热传导,(2) 多层平壁的稳态热传导
21、条件:多层平壁一维稳态导热(x方向)。则:,(1)单层圆筒壁的稳态热传导,问题:与平壁稳态导热的异同点 相同点:一维稳态导热,Q=常数 不同点:1、热流方向不同2、传热面积沿径向不同,(2) 多层圆筒壁的稳态热传导 各层厚分别为b1= r2- r1;b2=r3- r2,b3=r4- r3; 各层材料的导热系数1、2、3,(2)有相变传热,例4-4 试计算压力为147.1kPa,流量为1500kg/h的饱和水蒸汽冷凝后并降温至50时所放出的热量。,4.4.2 总传热速率方程和总传热系数 (1) 总传热速率方程,K:总传热系数,W/(m2.k)注意:K与S相对应,同选Si、Sm或So,(2)总传热
22、系数 获取方法: 选取经验值P177实验测定K值; Q S tmK计算,重点,如果考虑污垢热阻 工程上规定,以传热管外表面积So为基准,若传热面为平壁或薄管壁时:,(忽略管壁热阻和污垢热阻),结论:K值总是接近热阻大的一侧流体的a值(a小),总热阻由热阻较大一侧流体控制,如果要提高K,首先要提高a小。ai、ao相差不太大时,两者必须同时提高。,圆筒壁:SoSiSm,SO=dOL,Si=diL,Sm=dmL。,4.5.3 流体无相变时对流传热系数的经验关联式 强制对流传热和自然对流。 强制对流 自然对流 1 流体在管内强制对流时的对流传热系数 (1) 流体在圆形直管内强制湍流时的对流传热系数低粘
23、度的流体Nu=0.023Re0.8Prn 当流体被加热时,式中n=0.4;流体被冷却时,n=0.3适用范围:Re104,0.7Pr120,管长与管径之比L/d60,210-3Pas;特性尺寸:管内径di;定性温度: tm=(t1+t2)/2,高粘度液体适用范围:Re104,0.7Pr120,长径比L/d60;特性尺寸:管内径di;定性温度:除粘度w取壁温外, tm=(t1+t2)/2当液体被加热时 当液体被冷却时 对于气体,不管是加热或冷却, 皆取1短管对于L/d60的短管,管子入口处拢动较大,所以a较高,需要修正,乘以短管修正系数弯管式中:R弯管的曲率半径,R,di,4.5.4 流体有相变时
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