第一章緒論**化工（化學(xué)工業(yè)），又稱化學(xué)加工工業(yè)，泛指生產(chǎn)過程中化學(xué)方法占主要地位的製造工業(yè)。是國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要的基礎(chǔ)工業(yè)，是工業(yè)經(jīng)濟(jì)中最具活力，競(jìng)爭(zhēng)力極強(qiáng)的一個(gè)部門。（1）為農(nóng)業(yè)提供化肥、農(nóng)藥、塑膠薄膜等農(nóng)用生產(chǎn)資料；（2）為輕紡、建材、冶金、國(guó)防、軍工以及其他工業(yè)提供各種配套原材料；（3）為微電子、資訊、生物、航太技術(shù)等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)提供新型化工材料和新產(chǎn)品；（4）為人們的衣、食、住、行提供各種化工產(chǎn)品。§1－1化學(xué)工業(yè)的分類和特點(diǎn)**1化學(xué)工業(yè)的分類

美國(guó)：化學(xué)工業(yè)包括：生產(chǎn)基本化工產(chǎn)品的企業(yè)以化學(xué)方法為主進(jìn)行產(chǎn)品加工的企業(yè)中國(guó)：化學(xué)工業(yè)包括：基本化學(xué)工業(yè)化肥工業(yè)石油化學(xué)工業(yè)其他化學(xué)工業(yè)**化工行業(yè)主要產(chǎn)品或用途化學(xué)礦山磷礦、硫礦、硼礦、礬礦和石灰石礦等酸、堿硫酸、燒鹼、純鹼無機(jī)鹽磷酸鹽、碳酸鉀、小蘇打、無水硫酸鈉、氰化鈉、硫酸鋁、硝酸鈉、氯化鋅、輕質(zhì)碳酸鈣、過氧化氫、沉澱硫酸鋇等化肥氮肥（硫酸銨、硝酸銨、尿素、氯化銨、碳酸氫銨、氨水、石灰氮等）、磷肥（普通過磷酸鈣、鈣鎂磷肥等）、鉀肥化學(xué)農(nóng)藥敵百蟲、樂果、甲胺磷、殺蟲雙、草甘磷、多菌靈等電石可作為生產(chǎn)聚氯乙烯、聚乙烯醇、氯丁橡膠、乙酸、乙醛、乙炔黑、雙氰胺、硫脲等工業(yè)的原料熱固性塑膠和工程塑膠酚醛塑料、氨基塑膠、環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂、聚碳酸酯、聚甲醛、ABS樹脂、尼龍1010、尼龍6、尼龍66、聚碸等合成橡膠順丁橡膠、丁苯橡膠、氯丁橡膠、丁腈橡膠等染料硫化染料、直接染料、酸性染料、活性染料、鹼性染料、還原燃料、分散染料、冰染染料、陽離子染料等表1-1主要化工行業(yè)及其相關(guān)產(chǎn)品續(xù)表1-1主要化工行業(yè)及其相關(guān)產(chǎn)品化工行業(yè)主要產(chǎn)品或用途塗料天然樹脂漆、酚醛樹脂漆、醇酸樹脂漆、氨基樹脂漆、過氯乙烯漆、聚酯漆、聚氨酯漆、硝基漆、有機(jī)矽漆等增塑劑鄰苯二甲酸酯、對(duì)苯二甲酸二辛酯、己二酸二辛酯、烷基磺酸苯酯、氯化石蠟、磷酸酯等橡膠加工助劑防老劑、促進(jìn)劑表面活性劑陽離子型、陰離子型、非離子型、兩性型等造紙化學(xué)品脫墨劑、助留劑、助濾劑、表面處理劑、漿內(nèi)施膠劑、紙張?jiān)鰪?qiáng)劑、塗布膠粘劑、分散劑等感光材料電影膠片、照相膠片、特種膠片、彩色像紙等磁性記憶材料磁帶、磁片等橡膠加工輪胎、運(yùn)輸帶、膠管、膠鞋、碳黑等2化學(xué)工業(yè)的特點(diǎn)（1）增長(zhǎng)速度快；（2）化工科研和新產(chǎn)品開發(fā)費(fèi)用高；（3）大規(guī)模連續(xù)化生產(chǎn)和技術(shù)的複雜性促使化學(xué)工業(yè)投資加大；（4）化工產(chǎn)品、工藝路線、技術(shù)創(chuàng)造性上競(jìng)爭(zhēng)激烈；（5）新工藝的投入、生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大以及設(shè)備的腐蝕，致使化學(xué)工業(yè)的工廠壽命縮短、報(bào)廢快；（6）在資金足夠的條件下，化工產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)的自由度大；（7）運(yùn)輸便利、均相及價(jià)值高的化工產(chǎn)品貿(mào)易有國(guó)際性；（8）化學(xué)工業(yè)與整個(gè)工業(yè)相輔相存，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起支柱作用。**化工學(xué)科的內(nèi)容化學(xué)工程

研究化工生產(chǎn)中的共同性操作的規(guī)律及其工程性質(zhì)的問題（包括化工原理和化學(xué)反應(yīng)工程）化學(xué)工藝也稱為化工生產(chǎn)技術(shù)。指將原料物質(zhì)主要經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品的方法和過程，包括實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變的全部化學(xué)的和物理的措施§1－2化工基礎(chǔ)的內(nèi)容（化工學(xué)科的發(fā)展）

**化學(xué)工程

在20世紀(jì)前的幾百年時(shí)間裏，出現(xiàn)了不少化學(xué)工業(yè)，如制糖工業(yè)、制堿工業(yè)、造紙工業(yè)等。介紹每一種工業(yè)從原料到成品的生產(chǎn)過程，作為一種特殊的知識(shí)講解，這是最早的化學(xué)工程學(xué)。單一化學(xué)工藝學(xué)階段2.單元操作階段

20世紀(jì)初，人們逐漸發(fā)現(xiàn)，許多化學(xué)工業(yè)中存在共同的操作原理。例如，無論是制糖業(yè)還是制堿業(yè)，從溶液蒸發(fā)得到固體糖和固體堿的原理是相同的，於是，蒸發(fā)成為最早提出的單元操作之一。經(jīng)不斷總結(jié)，被稱為單元操作的有：流體流動(dòng)與輸送、沉降與過濾、固體流態(tài)化、傳熱、蒸發(fā)、蒸餾、吸收、吸附、萃取、乾燥、結(jié)晶、膜分離等。**

到20世紀(jì)50年代，人們又發(fā)現(xiàn)，各單元操作之間還存在著共性。例如，傳熱和蒸發(fā)都是熱量傳遞的形式，蒸餾、吸附、吸收、萃取都是品質(zhì)傳遞的形式。於是，把單元操作歸納為動(dòng)量傳遞、熱量傳遞和品質(zhì)傳遞。3.傳遞過程階段4.“三傳一反”階段

20世紀(jì)50年代中期，化學(xué)工程中出現(xiàn)了“化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)”這一新的分支。對(duì)化學(xué)反應(yīng)器的研究，不僅要運(yùn)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)原理，而且要運(yùn)用動(dòng)量、熱量和品質(zhì)傳遞原理。於是“傳遞過程”與“反應(yīng)工程”成為當(dāng)今化學(xué)工程學(xué)的兩大支柱。簡(jiǎn)稱“三傳一反”階段。**化學(xué)工藝

化學(xué)工藝具有個(gè)別生產(chǎn)的特殊性，即生產(chǎn)不同的化學(xué)產(chǎn)品要採(cǎi)用不同的工藝，即使生產(chǎn)相同產(chǎn)品，但原料路線不同時(shí)，也要採(cǎi)用不同的化學(xué)工藝。儘管如此，化學(xué)工藝所涉及的範(fàn)疇是相同的，一般包括原料的選擇和預(yù)處理，生產(chǎn)方法的選擇及方法原理；設(shè)備的作用、結(jié)構(gòu)和操作；催化劑的選擇和使用；其他物料的影響；操作條件的影響；生產(chǎn)控制；產(chǎn)品的分離；能量的利用與回收等。**單元操作單元操作化工原理化工原理反應(yīng)工程+化工工藝單元過程**§1－3化工中的一些基本規(guī)律

物料衡算（品質(zhì)守恆）

能量衡算（能量守恆）動(dòng)量衡算（動(dòng)量守恆）*平衡關(guān)係過程速率**1-3.1物料衡算（品質(zhì)守恆）：

物料衡算也稱為品質(zhì)衡算，其依據(jù)是品質(zhì)守恆定律。它反映一個(gè)過程中原料、產(chǎn)物、副產(chǎn)物等之間的關(guān)係，即進(jìn)入的物料量必等於排出的物料量和過程中的積累量。輸入物料的總量＝排出物料的總量＋過程積累的總量**積累M∑M入∑M出系統(tǒng)圖1-1物料衡算示意圖物料衡算式：∑M入＝∑M出＋M(1-1)連續(xù)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)：∑M入＝∑M出

(1-2)**進(jìn)行物料衡算時(shí)，必須明確下麵幾點(diǎn)：1.首先要確定衡算的系統(tǒng)，即衡算對(duì)象包括的範(fàn)圍。2.其次要確定衡算的基準(zhǔn)。3.然後確定衡算的對(duì)象。4.最後還要確定衡算對(duì)象的物理量及單位。**精餾塔原料液含乙醇5％10噸/時(shí)乙醇產(chǎn)品含乙醇95％含乙醇0.1％廢水例1-1附圖例1-1每小時(shí)有10噸5％的乙醇水溶液進(jìn)入精餾塔，塔頂餾出的產(chǎn)品中含乙醇95％，塔底排出的廢水中含乙醇0.1％。求每小時(shí)可得產(chǎn)品多少噸？若廢水全部排放，每年（按操作7200小時(shí)計(jì)）損失的乙醇多少噸？解：已知：原料液流量及其中乙醇含量產(chǎn)品和廢水中乙醇含量求：產(chǎn)品和廢水流量分析：兩個(gè)未知量，需列出兩個(gè)物料衡算方程求解！確定：衡算範(fàn)圍：包含精餾塔在內(nèi)的虛線框衡算對(duì)象：a.物流的流量b.物流中乙醇的量衡算基準(zhǔn)：?jiǎn)挝粫r(shí)間：小時(shí)設(shè)：產(chǎn)品流量為X噸/時(shí)、廢水流量為Y噸/時(shí)。由物料衡算式：∑M入＝∑M出對(duì)物流的量進(jìn)行衡算：10＝X+Y(1)對(duì)乙醇的量進(jìn)行衡算：10×5％＝X×95％+Y×0.1％(2)X＝0.516噸/時(shí)Y＝9.484噸/時(shí)每年損失乙醇：9.484×0.1％×7200＝68.28

噸/年1-3.2能量衡算（能量守恆）：

能量衡算的依據(jù)是能量守恆定律。

能量衡算的目的是：計(jì)算單位產(chǎn)品的能耗瞭解過程中能量的利用和損失情況確定生產(chǎn)過程中需要輸入、輸出的熱量設(shè)計(jì)換熱設(shè)備**積累Q∑Q入∑Q出系統(tǒng)圖1-2能量衡算示意圖熱量衡算式：∑Q入＝∑Q出＋Q穩(wěn)態(tài)操作：∑Q入＝∑Q出(1-3)(1-4)**1-3.3平衡關(guān)係有關(guān)平衡的規(guī)律可以預(yù)測(cè)過程能夠達(dá)到的極限可以確定當(dāng)時(shí)條件下物料或能量能夠利用的極限可以考察外界參數(shù)對(duì)平衡的影響和體系中物料狀態(tài)對(duì)平衡轉(zhuǎn)化率的影響，從而優(yōu)化條件衡量過程的效率，從而找出改進(jìn)的方法**1.3.4過程速率

過程速率決定設(shè)備的生產(chǎn)能力，過程速率越高，設(shè)備生產(chǎn)能力越大，或設(shè)備的尺寸越小。過程速率（r）∝

在實(shí)際工作中，一個(gè)過程以多快的速率由不平衡向平衡移動(dòng)是極為重要的問題。**§1－4化工過程開發(fā)**實(shí)驗(yàn)室研究（小試）可行性研究中間試驗(yàn)（中試）工業(yè)裝置的設(shè)計(jì)和投產(chǎn)

將實(shí)驗(yàn)室研究擴(kuò)大為生產(chǎn)規(guī)模，使新產(chǎn)品、新工藝或新技術(shù)在工業(yè)裝置中運(yùn)轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)的全過程稱為化工過程開發(fā)。**§1－5物理量的因次與單位制物理量：表示物質(zhì)物理性質(zhì)的參數(shù)，如長(zhǎng)度、面積、體積、密度、粘度、導(dǎo)熱係數(shù)、溫度、壓強(qiáng)等。這些物理量可通過幾個(gè)彼此獨(dú)立的基本物理量來表示，其大小則用各種單位來量度稱為基本單位。常用的基本單位長(zhǎng)度、力或品質(zhì)，時(shí)間和溫度等，基本量以外的其他物理量，可通過物理量之間的規(guī)律（定義或定律），從基本量推導(dǎo)出來稱為導(dǎo)出物理量，他們的單位稱為導(dǎo)出單位。應(yīng)用這些基本量以表示物理量特性的式子稱為因次（或量綱）式。因次式中各物理量的指數(shù)稱為它的因次或量綱（有時(shí)也把物理量的量綱式簡(jiǎn)稱為物理量的量綱）。因次可正、可負(fù)、整數(shù)、分?jǐn)?shù)等任意有理數(shù)。**表示各物理量大小除了數(shù)字部分外，還要看該物理量的單位。1、國(guó)際單位制SI制7個(gè)基本單位，2個(gè)輔助單位，其餘皆為導(dǎo)出單位。2、工程單位制（重力單位制）3.絕對(duì)單位制

4、單位換算**§1－6

學(xué)習(xí)目標(biāo)（1）選擇（selection)——如何根據(jù)各單元操作在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上的特點(diǎn)，進(jìn)行“過程和設(shè)備”的選擇，以適應(yīng)指定物系的特徵，經(jīng)濟(jì)而有效地滿足工藝要求。（2）設(shè)計(jì)（Design）——如何進(jìn)行過程的計(jì)算和設(shè)備的設(shè)計(jì)。在缺乏數(shù)據(jù)的情況下，如何組織實(shí)驗(yàn)以取得必要的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。（3）操作（Operation）如何進(jìn)行操作和調(diào)節(jié)以適應(yīng)生產(chǎn)的不同要求。在操作發(fā)生故障時(shí)如何尋找故障的緣由。

**§1－7

學(xué)習(xí)中注意的問題

（1）、要理論聯(lián)繫實(shí)際

（2）、過程原理與設(shè)備並重（3）、掌握研究的方法（4）、著重培養(yǎng)自學(xué)能力、創(chuàng)新能力基礎(chǔ)：高等數(shù)學(xué)、物理化學(xué)、化工機(jī)械**第二章流體的流動(dòng)和輸送**§2－1一些基本概念

2－1.1流體流體

氣體

液體

把流體視為由無數(shù)個(gè)流體微團(tuán)（或流體質(zhì)點(diǎn)）所組成，這些流體微團(tuán)緊密接觸，彼此沒有間隙。這就是連續(xù)介質(zhì)模型（或連續(xù)性假定）。流體微團(tuán)（或流體質(zhì)點(diǎn)）：

宏觀上足夠小，以致於可以將其看成一個(gè)幾何上沒有維度的點(diǎn)；同時(shí)微觀上足夠大，它裏面包含著許許多多的分子，其行為已經(jīng)表現(xiàn)出大量分子的統(tǒng)計(jì)學(xué)性質(zhì)。**

2．可壓縮性

流體在外部溫度和壓力作用下，流體分子間的距離會(huì)發(fā)生一定的改變，表現(xiàn)為流體密度大小的變化。工程上：流體

可壓縮流體

不可壓縮流體密度為常數(shù)流體的特徵1．易流動(dòng)性

當(dāng)流體受到外部切向力作用時(shí)，易於變形而產(chǎn)生流動(dòng)。3．無固定形狀

流體沒有固定的形狀，隨容器的形狀而變化**

理想流體

指不具有粘度，流動(dòng)時(shí)不產(chǎn)生摩擦阻力的流體。

理想液體

不具有粘度的液體，流動(dòng)時(shí)不產(chǎn)生摩擦阻力的液體。具有不可壓縮、受熱不膨脹的性質(zhì)。

理想氣體

不具有粘度的氣體，流動(dòng)時(shí)不產(chǎn)生摩擦阻力的氣體。服從理想氣體狀態(tài)方程.**理想氣體狀態(tài)方程以當(dāng)時(shí)條件與標(biāo)準(zhǔn)條件對(duì)比時(shí)：**2－1.2流體的密度、相對(duì)密度和比容1．流體的密度

獲得方法：（1）查物性數(shù)據(jù)手冊(cè)

影響因素：流體種類、濃度、溫度、壓力

（2）公式計(jì)算：液體混合物：氣體：----------理想氣體狀態(tài)方程氣體混合物：流體的密度—單位體積流體的品質(zhì)。用

表示，屬於物性。國(guó)際單位用kg/m3**2.相對(duì)密度

是指給定條件下某一物質(zhì)的密度

1與另一參考物質(zhì)的密度

2之比。比容

是指單位品質(zhì)的物料所具有的體積,是密度的倒數(shù)。**2－1.3流體的壓強(qiáng)及其測(cè)量

一、流體的壓強(qiáng)------流體垂直作用於單位面積上的力，稱為流體的壓強(qiáng)，用p表示，工程上習(xí)慣稱之為壓力。1壓強(qiáng)的單位SI制中，N/m2=

Pa，稱為帕斯卡物理學(xué)（cgs制）中，絕對(duì)大氣壓（atm）；

毫米汞柱（mmHg）；米水柱（m水柱）等工程單位制中，

kgf/cm2,稱為工程大氣壓（at）。**1at(工程大氣壓）=1kgf/cm2

=735.6mmHg

=

10mH2O

=98.07×103

Pa

(1kgf=9.81N)1atm(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)=1.013×105

Pa

=760mmHg

=10.33mH2O**2壓強(qiáng)的基準(zhǔn)壓強(qiáng)大小的兩種表徵方法絕對(duì)壓力表壓表壓＝絕對(duì)壓力－當(dāng)?shù)卮髿鈮赫婵斩龋疆?dāng)?shù)卮髿鈮海^對(duì)壓力絕對(duì)壓強(qiáng)表壓大氣壓真空度絕對(duì)壓強(qiáng)絕對(duì)零壓線大氣壓線2－1.3

流體的壓強(qiáng)及其測(cè)量**

二、流體靜力學(xué)基本方程式流體所受到的力品質(zhì)力表面力如重力、離心力等，屬於非接觸性的力。法向力切向力(剪力)(壓力)靜止流體所受到的力品質(zhì)力法向力----單位面積上的壓力稱為壓強(qiáng),習(xí)慣上稱為靜壓力。----重力場(chǎng)中單位品質(zhì)流體所受品質(zhì)力,即為重力加速度。**p0z2p1p2Gz1z0

如圖所示：容器中盛有密度為

的靜止液體。現(xiàn)從液體內(nèi)部任意劃出一底面積為A的垂直液柱。若以容器底部為基準(zhǔn)水平面，液柱的上、下底面與基準(zhǔn)水平面的垂直距離分別為z1和z2，以p1和p2分別表示高度為z1和z2處的壓力，液面上方的壓力為p0。分析垂直方向上液柱的受力：向上：p2A向下：p1AG＝

gA(z1-z2)**當(dāng)液柱處?kù)断鄬?duì)靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，說明作用在此液柱上諸力的合力為零，即：p2A－p1A－

gA(z1-z2)＝0化簡(jiǎn)得：p2＝

p1＋

g(z1-z2)

(1)或：(2)若液柱上表面取在液面上，令z1-z2=h，則上式可寫為：p2＝

p0＋

gh

(3)(4)上述式子均稱為流體靜力學(xué)基本方程式。它反映了流體不受水準(zhǔn)外力作用，只在重力作用下流體內(nèi)部壓力（壓強(qiáng)）的變化規(guī)律。**1.當(dāng)容器液面上方的壓強(qiáng)p0一定時(shí)，靜止液體內(nèi)任一點(diǎn)壓強(qiáng)的大小，與液體本身的密度

和該點(diǎn)距液面的深度

h

有關(guān)。因此，在靜止的、連通的同一種液體內(nèi)，處?kù)锻凰矫嫔系母鼽c(diǎn)的壓強(qiáng)都相等。此壓強(qiáng)相等的面，稱為等壓面。2.當(dāng)p0改變時(shí)，液體內(nèi)部各點(diǎn)的壓強(qiáng)也將發(fā)生同樣大小的改變—帕斯卡原理。3.壓強(qiáng)或壓強(qiáng)差的大小可用液柱高度來表示。4.將(2)式移項(xiàng)整理得：(5)或適用場(chǎng)合：絕對(duì)靜止、連續(xù)、均質(zhì)、不可壓縮流體三.流體靜力學(xué)基本方程式的討論**四.流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用

1.壓力計(jì)(1)單管壓力計(jì)p1–pa=p1(表)=

gR

(2)U形壓力計(jì)p1=pa+

0gR

–

gh

A1pa

A

1

1h

R

23

0**p1p2mRAA’指示液的密度為ρ0，被測(cè)流體的密度為ρA與A′面為等壓面，即2．壓差計(jì)（1）U型管壓差計(jì)**(2)微差壓力計(jì)

1略小於

2讀數(shù)放大p1-p2=

(

2-

1)

gR

在U形微差壓計(jì)兩側(cè)臂的上端裝有擴(kuò)張室，其直徑與U形管直徑之比大於10。當(dāng)測(cè)壓管中兩指示劑分配位置改變時(shí)，擴(kuò)展容器內(nèi)指示劑的可維持在同水平面壓差計(jì)內(nèi)裝有密度分別為

1

和

2

的兩種指示劑。

微壓差

p存在時(shí)，兩擴(kuò)大室液面高差很小以致可忽略不計(jì)，但U型管內(nèi)卻可得到一個(gè)較大的R讀數(shù)。

**例

如附圖所示，水在管道中流動(dòng)。為測(cè)得A-A′、B-B′截面的壓力差，在管路上方安裝一U形壓差計(jì)，指示液為水銀。已知壓差計(jì)的讀數(shù)R＝150mm，試計(jì)算A-A′、B-B′截面的壓力差。已知水與水銀的密度分別為1000kg/m3和13600kg/m3。

解：圖中，1-1′面與2-2′面間為靜止、連續(xù)的同種流體，且處?kù)锻凰矫妫虼藶榈葔好妫从?*所以整理得由此可見，U形壓差計(jì)所測(cè)壓差的大小只與被測(cè)流體及指示劑的密度、讀數(shù)R有關(guān)，而與U形壓差計(jì)放置的位置無關(guān)**2－1.4流量和流速1．流量和流速

流量體積流量＝qVVtm3/s品質(zhì)流量mqm＝tkg/sqm＝

qV體積流速u＝qVA品質(zhì)流速平均流速……m/sqmw＝Akg/(m2

s)

w＝

uqm＝wA＝

uA流速摩爾流量nqn＝tmol/s摩爾流速qnG＝Amol/(m2

s)

**2.管徑的初選

在管徑的選擇中，如果選用較小的管徑，可以降低基建費(fèi)用，但在一定的流量條件下，管徑越小，流動(dòng)阻力也隨之增大，能耗也將相應(yīng)增大。因此，合理的管徑應(yīng)綜合多方面的因素來確定。一般條件下，可根據(jù)選用的流速來對(duì)管徑進(jìn)行初步選擇，再在此基礎(chǔ)上進(jìn)行多方面的評(píng)比來確定實(shí)用的管徑。即：**2－1.5定態(tài)流動(dòng)和非定態(tài)流動(dòng)1定態(tài)流動(dòng)

流體流動(dòng)過程中，任一截面上與流動(dòng)相關(guān)的物理量(流速、壓強(qiáng)、密度等)不隨時(shí)間變化的流動(dòng)。**2非定態(tài)流動(dòng)

在流動(dòng)過程中，流體在任一截面上的物理量既隨位置變化又隨時(shí)間而變化的流動(dòng)。2－1.5定態(tài)流動(dòng)和非定態(tài)流動(dòng)**§2－2流體定態(tài)流動(dòng)時(shí)的衡算2－2.1流體定態(tài)流動(dòng)時(shí)的物料衡算連續(xù)性方程式

連續(xù)性方程是品質(zhì)守恆定律的一種表現(xiàn)形式，本節(jié)通過物料衡算進(jìn)行推導(dǎo)。流體流動(dòng)過程中涉及三大守恆定律：品質(zhì)守恆品質(zhì)衡算動(dòng)量守恆能量守恆**對(duì)於在控制體內(nèi)作穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的流體，根據(jù)品質(zhì)守恆定律有：2－2.1流體定態(tài)流動(dòng)時(shí)的物料衡算qm1qm2v1v2**

討論

對(duì)於不可壓縮的流體

即:ρ＝常數(shù)，可得到對(duì)於在圓管內(nèi)作穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的不可壓縮流體適用條件

流體流動(dòng)的連續(xù)性方程式僅適用於穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)的連續(xù)性流體。或**思考：

如果管道有分支，則穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)的連續(xù)性方程又如何？**2－2.2流體定態(tài)流動(dòng)時(shí)的能量衡算位能：是指流體因距所選的基準(zhǔn)面有一定距離，由於重力作用而具有的能量1.流體流動(dòng)時(shí)的機(jī)械能形式：動(dòng)能：流體因流動(dòng)而具有的能量機(jī)械能：是位能、動(dòng)能、靜壓能的總和靜壓能：

是流體處?kù)懂?dāng)時(shí)壓力p下所具有的能量，即指流體因被壓縮而能向外膨脹作功的能力，其值等於pV()**（1）理想流體伯努利方程式：

設(shè)在1、2截面間沒有外界能量輸入，液體也沒有向外界作功，則m[kg]理想液體所具有的機(jī)械能為定值。2.流體流動(dòng)的能量衡算－－伯努利（方程式**兩邊除以m，得：兩邊除以mg，得：表示每千克流體所具有得能量，單位表示每重力單位（牛頓）流體所具有的能量，單位工程上將每牛頓流體所具有的各種形式的能量統(tǒng)稱為壓頭，H稱為位壓頭等伯努利方程**（2）實(shí)際流體伯努利方程式：當(dāng)在1、2截面間的系統(tǒng)中有外界能量He輸入，且為實(shí)際流體時(shí)，則有摩擦阻力Hf,則伯努利方程為：（3）功率的計(jì)算功率是指單位時(shí)間耗用的能量，可按下式求算：Pa，Pe-----分別為實(shí)際功率和理論功率（有效功率），單位為kW;η------輸送的效率。(1kg)(1N)**

（1）適用條件

在衡算範(fàn)圍內(nèi)是不可壓縮、連續(xù)穩(wěn)態(tài)流體，同時(shí)要注意是實(shí)際流體還是理想流體，有無外功加入。（2）衡算基準(zhǔn)

3.伯努利方程的討論及應(yīng)用注意事項(xiàng)1kg1NJ/kg實(shí)際流體m液柱**

(3)式中各項(xiàng)能量所表示的意義

式中是指在某截面上流體本身所具有的能量；Hf是指流體在兩截面之間所消耗的能量；He是輸送設(shè)備對(duì)單位品質(zhì)流體所作的有效功。由He可計(jì)算有效功率(理論功率）(4)各物理量取值及採(cǎi)用單位制方程中的壓強(qiáng)p、速度v是指整個(gè)截面的平均值，各物理量必須採(cǎi)用一致的單位制。尤其兩截面的壓強(qiáng)不僅要求單位一致，還要求表示方法一致，

即均用絕對(duì)壓、表壓或真空度。**(5)截面的選擇截面的正確選擇對(duì)於順利進(jìn)行計(jì)算至關(guān)重要，選取截面應(yīng)使：（a）

兩截面間流體必須連續(xù)、均質(zhì)；（b）兩截面與流動(dòng)方向相垂直（平行流處，不要選取閥門、彎頭等部位）；（c）所求的未知量應(yīng)在截面上或在兩截面之間出現(xiàn)；（d）截面上已知量較多（除所求取的未知量外，都應(yīng)是已知的或能計(jì)算出來，且兩截面上的u、p、H與兩截面間的Hf都應(yīng)相互對(duì)應(yīng)一致)。(6)選取基準(zhǔn)水平面

原則上基準(zhǔn)水平面可以任意選取，但為了計(jì)算方便，常取確定系統(tǒng)的兩個(gè)截面中的一個(gè)作為基準(zhǔn)水平面。如衡算系統(tǒng)為水準(zhǔn)管道，則基準(zhǔn)水平面通過管道的中心線若所選計(jì)算截面平行於基準(zhǔn)面，以兩面間的垂直距離為位壓頭H值；若所選計(jì)算截面不平行於基準(zhǔn)面，則以截面中心位置到基準(zhǔn)面的距離為H值。

H1，H2可正可負(fù)，但要注意正負(fù)。**

例：如附圖所示，從高位槽向塔內(nèi)進(jìn)料，高位槽中液位恒定，高位槽和塔內(nèi)的壓力均為大氣壓。送液管為φ45×2.5mm的鋼管，要求送液量為3.6m3/h。設(shè)料液在管內(nèi)的壓頭損失為1.2m，（不包括出口能量損失），試問高位槽的液位要高出進(jìn)料口多少米？

解：如圖所示，取高位槽液面為1-1′截面，進(jìn)料管出口內(nèi)側(cè)為2-2′截面，以過2-2′截面中心線的水平面0-0′為基準(zhǔn)面。在1-1′和2-2′截面間列柏努利方程（由於題中已知壓頭損失，用式（1-22a）以單位重量流體為基準(zhǔn)計(jì)算比較方便）**

計(jì)算結(jié)果表明，動(dòng)能項(xiàng)數(shù)值很小，流體位能主要用於克服管路阻力。解本題時(shí)注意，因題中所給的壓頭損失不包括出口能量損失，因此2-2′截面應(yīng)取管出口內(nèi)側(cè)。若選2-2′截面為管出口外側(cè)，計(jì)算過程有所不同。其中：H1=h；因高位槽截面比管道截面大得多，故槽內(nèi)流速比管內(nèi)流速小得多，可以忽略不計(jì)，即u1≈0；p1=0（表壓）；He=0H2=0；p2=0（表壓）；Hf=1.2m將以上各值代入上式中，可確定高位槽液位的高度**例：如圖所示，用泵將河水打入洗滌塔中，噴淋下來後流入下水道，已知道管道內(nèi)徑均為0.1m，流量為84.82m3/h，水在塔前管路中流動(dòng)的總摩擦損失(從管子口至噴頭進(jìn)入管子的阻力忽略不計(jì))為10J/kg，噴頭處的壓強(qiáng)較塔內(nèi)壓強(qiáng)高0.02MPa，水從塔中流到下水道，若泵的效率為65%，求泵的軸功率。泵所作的功不全是有效的，考慮其效率η，則泵軸消耗的功率（軸功率）

Pa＝Pe/η**柏努利方程He=?塔內(nèi)壓強(qiáng)？截面的選取？解：取塔內(nèi)水面3-3’為基準(zhǔn)面，取河水表面為1-1’截面，噴頭內(nèi)側(cè)為2-2’截面，在1-1’和2-2’截面間列柏努利方程。分析：求Pa求He注意：**式中：**將已知數(shù)據(jù)代入柏努利方程式泵的功率：**§2－3實(shí)際流體的流動(dòng)1.牛頓型流體

流體在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，有一種抗拒內(nèi)在的向前運(yùn)動(dòng)的特性，稱為粘性。流體不管在靜止還是在流動(dòng)狀態(tài)下，都具有粘性，但只有在流體流動(dòng)時(shí)才能顯示出來。隨流體狀態(tài)的不同，粘性的差別非常懸殊。粘性是流動(dòng)性的反面。

由於粘性存在，流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，管內(nèi)任一截面上各點(diǎn)的速度並不相同（1）粘性2-3.1粘度**(2)牛頓粘性定律**

實(shí)驗(yàn)證明,對(duì)於一定的液體,內(nèi)摩擦力F與兩流體層的速度差du成正比；與兩層之間的垂直距離dδ成反比,與兩層間的接觸面積A成正比，即:比例係數(shù)，即流體的〔動(dòng)力〕粘度，單位為Pa·s----------剪應(yīng)力，單位為pa此式所顯示的關(guān)係，稱牛頓粘性定律

滿足牛頓粘性定律的流體稱為牛頓型流體

(2)牛頓粘性定律**（a）定義式粘度的物理意義是促使流體流動(dòng)產(chǎn)生單位速度梯度的剪應(yīng)力。粘度總是與速度梯度相聯(lián)系,只有在運(yùn)動(dòng)時(shí)才顯現(xiàn)出來在SI中,粘度的為單位:Pa·s此外，常用單位還有泊（P)、厘泊（cP）表示。（3）粘度(b)單位**(c)影響因素

液體：μ＝f（t）,與壓強(qiáng)p無關(guān),溫度t↑,μ↓。水（20℃），μ＝1.005cP；油的粘度可達(dá)幾十、到幾百Cp。

氣體：氣體的粘度隨壓強(qiáng)增加而增加得很少,在一般工程計(jì)算中可予以忽略,只有在極高或極低的壓強(qiáng)下,才需考慮壓強(qiáng)對(duì)氣體粘度的影響。p<40atm時(shí)μ＝f（t）與p無關(guān)，溫度t↑，μ↑

理想流體（實(shí)際不存在），流體無粘性μ＝0（d）數(shù)據(jù)獲取粘度是流體物理性質(zhì)之一，其值由實(shí)驗(yàn)測(cè)定；

某些常用流體的粘度,可以從本教材附錄或有關(guān)手冊(cè)中查得。**

流體流動(dòng)型態(tài)有兩種截然不同的類型，一種是滯流（或?qū)恿鳎涣硪环N為湍流（或紊流）。兩種流型在內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方式，流動(dòng)速度分佈規(guī)律和流動(dòng)阻力產(chǎn)生的原因都有所不同，但其根本的區(qū)別還在於質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方式的不同。2-3.2流體流動(dòng)的型態(tài)**（1）雷諾實(shí)驗(yàn)

為了直接觀察流體流動(dòng)時(shí)內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況及各種因素對(duì)流動(dòng)狀況的影響,可安排如圖所示的實(shí)驗(yàn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)稱為雷諾實(shí)驗(yàn)。**滯流（也稱為層流）：流體質(zhì)點(diǎn)很有秩序地分層順著軸線平行流動(dòng)，層與層之間沒有明顯的干擾。各層間分子只因擴(kuò)散而轉(zhuǎn)移，不產(chǎn)生流體質(zhì)點(diǎn)的宏觀混合。

**湍流（也稱為紊流）：流體在管內(nèi)作湍流流動(dòng)時(shí)，其質(zhì)點(diǎn)作不規(guī)則的雜亂運(yùn)動(dòng)，一層滑過一層的黏性流動(dòng)情況基本消失，質(zhì)點(diǎn)間相互碰撞，產(chǎn)生大大小小的旋渦。**不穩(wěn)定的過渡區(qū)：在該區(qū)域，可能是層流，也可能是湍流。較易受外界條件的影響，很容易發(fā)生流型的轉(zhuǎn)變。**實(shí)驗(yàn)證明，流體的流動(dòng)狀況是由多方面因素決定的，流速u能引起流動(dòng)狀況改變,而且管徑d、流體的粘度μ和密度ρ也可以。通過進(jìn)一步的分析研究，可以把這些影響因素組合成為一個(gè)複合數(shù)群，此類數(shù)群稱為特徵數(shù)。

（2）雷諾準(zhǔn)數(shù)Re準(zhǔn)數(shù)是一個(gè)無因次數(shù)群。組成此數(shù)群的各物理量,必須用一致的單位表示。因此,無論採(cǎi)用何種單位制,只要數(shù)群中各物理量的單位一致,所算出的Re值必相等。此數(shù)群稱為雷諾數(shù)，以Re表示，可判別流體的流動(dòng)形態(tài)**對(duì)直管內(nèi)的流動(dòng)而言：Re<2000

層流區(qū)

2000<Re<4000

由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鞯倪^渡區(qū)Re>4000

湍流區(qū)

對(duì)於非圓形管道，計(jì)算Re時(shí)，應(yīng)以當(dāng)量直徑de代替特徵數(shù)中的直徑d

。當(dāng)量直徑的定義為：（3）流型的判斷圓形管道：de=d長(zhǎng)方形管道（邊長(zhǎng)為a、b):de=2ab/(a+b)套管（直徑d1、d2）：de=d2-d1**流體流動(dòng)受固體壁面影響（能感受到固體壁面存在）的區(qū)域（4）邊界層邊界層：流體的流速低於未受壁面影響的流速的99%的區(qū)域(a)平板上的流動(dòng)邊界層主流區(qū)：在邊界層以外，速度梯度接近為零的區(qū)域**層流邊界層：邊界層內(nèi)的流動(dòng)類型為層流湍流邊界層：邊界層內(nèi)的流動(dòng)類型為湍流層流內(nèi)層：邊界層內(nèi)近壁面處一薄層，無論邊界層內(nèi)的流型為層流或湍流，其流動(dòng)類型均為層流。層流內(nèi)層的厚度雖然不大，但黏附在壁面，成為傳熱和傳質(zhì)的主要阻力。（4）邊界層**（b）圓管入口處的流動(dòng)邊界層發(fā)展內(nèi)摩擦：一流體層由於粘性的作用使與其相鄰的流體層減速邊界層：受內(nèi)摩擦影響而產(chǎn)生速度梯度穩(wěn)定段長(zhǎng)度：從管口到形成邊界層所經(jīng)歷的管長(zhǎng)，其長(zhǎng)度與管的形狀、管壁粗糙度及雷諾準(zhǔn)數(shù)等因素有關(guān)**邊界層發(fā)展：邊界層厚度

隨流動(dòng)距離增加而增加流動(dòng)充分發(fā)展：邊界層不再改變，管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)也維持不變，充分發(fā)展的管內(nèi)流型屬層流還是湍流取決於匯合點(diǎn)處邊界層內(nèi)的流動(dòng)屬層流還是湍流（b）圓管入口處的流動(dòng)邊界層發(fā)展**（c）流體在圓管內(nèi)的速度分佈滯流時(shí)的速度分佈

理論分析和實(shí)驗(yàn)都已證明，滯流時(shí)的速度沿管徑按拋物線的規(guī)律分佈，如圖所示。截面上各點(diǎn)速度的平均值等於管中心處最大速度umax的0.5倍。**湍流時(shí)的速度分佈

湍流時(shí)流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況比較複雜，目前還不能完全採(cǎi)用理論方法得出湍流時(shí)的速度分佈規(guī)律。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，湍流時(shí)圓管內(nèi)的速度分佈曲線如圖所示。速度分佈比較均勻，速度分佈曲線不再是嚴(yán)格的拋物線。管內(nèi)流體的平均流速為管中央最大流速的0.8倍左右。**（d）流體流過曲面或障礙時(shí)的邊界層分離A點(diǎn)流速為零壓強(qiáng)最大駐點(diǎn)加速減壓C點(diǎn)(u→max，p→min)減速加壓S點(diǎn)(u=0，p→max)邊界層分離邊界層的分離會(huì)導(dǎo)致流體流動(dòng)阻力的增大ABS

**§2－4流體在圓管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的阻力計(jì)算2－4.1滯流時(shí)的摩擦阻力滯流是流體作一層滑過一層的流動(dòng)，流動(dòng)阻力主要是流體的內(nèi)部摩擦力。在流動(dòng)過程中，阻力服從牛頓黏性定律。**由壓力差產(chǎn)生的推力流體層間內(nèi)摩擦力流體柱所受的推力其表面滑動(dòng)的摩擦力相等而方向相反因管半徑為R，整理並積分，得：**將u0=2u,d=2R,代入上式，整理得：此式稱為泊肅葉方程。將Re代入上式得：或[Pa][Pa][m流體柱]**2－4.2湍流時(shí)的摩擦阻力根據(jù)多方面得實(shí)驗(yàn)並進(jìn)行適當(dāng)數(shù)據(jù)處理後，得到如下公式：或以上兩式稱為範(fàn)寧公式。------稱為摩擦阻力係數(shù)。****1）摩擦因數(shù)圖

a)層流區(qū)：Re≤2000，λ與Re成直線關(guān)係，λ=64/Re。b)過渡區(qū)：2000＜Re＜4000，管內(nèi)流動(dòng)隨外界條件的影響而出現(xiàn)不同的流型，摩擦係數(shù)也因之出現(xiàn)波動(dòng)。

c)湍流區(qū)：

Re≥4000且在圖中虛線以下處時(shí)，λ值隨Re數(shù)的增大而減小。

d)完全湍流區(qū)：圖中虛線以上的區(qū)域，摩擦係數(shù)基本上不隨Re的變化而變化，接近為一常數(shù)，其值只隨相對(duì)粗糙度的變化而變化。根據(jù)範(fàn)寧公式，若l/d一定，則阻力損失與流速的平方成正比，稱作阻力平方區(qū)2)λ值的經(jīng)驗(yàn)關(guān)係式

柏拉修斯(Blasius)光滑管公式適用範(fàn)圍為Re=3×103～1×105ε＝e/d＝管的粗糙度/圓管內(nèi)徑**當(dāng)流體在管道系統(tǒng)中流經(jīng)各種管件時(shí)，其流速大小和方向都發(fā)生了變化，流體質(zhì)點(diǎn)發(fā)生擾動(dòng)而形成渦流，導(dǎo)致產(chǎn)生摩擦阻力，這類阻力稱為局部阻力。為了便於管路計(jì)算，把局部阻力折算成一定長(zhǎng)度直管的阻力，此相應(yīng)的管子長(zhǎng)度稱為當(dāng)量長(zhǎng)度le。管路計(jì)算主要是利用連續(xù)性方程、伯努利方程和阻力計(jì)算式確定外加能量（He）、流量（qv）、位置（H）及操作壓強(qiáng)（P）。2－4.3局部阻力2－4.4管路計(jì)算**計(jì)算步驟確定基準(zhǔn)面與衡算面列已知條件（H、p、u）（*）計(jì)算Hf

列伯努利方程，求未知量*功率計(jì)算**§

2.5流體流量的測(cè)量1.孔板流量計(jì)是利用孔板對(duì)流體的節(jié)流作用，使流體的流速增大，壓力減小，以產(chǎn)生的壓力差作為測(cè)量的依據(jù)。**

如圖所示，在管道內(nèi)與流動(dòng)垂直的方向插入一片中央開圓孔的板，孔的中心位於管道的中心線上，孔板前後管壁上有測(cè)壓孔，用以連接壓力計(jì)即構(gòu)成孔板流量計(jì)。**

為了建立管內(nèi)流量與孔板前後壓力變化的定量關(guān)係，取孔板上游尚未收縮的流動(dòng)截面為1－1，下游截面宜放在縮脈處，以便測(cè)得最大壓差讀數(shù)，但由於縮脈的位置及其截面積難於確定，故以孔板處為下游截面0－0，在1－1和0－0兩截面之間列機(jī)械能衡算方程，並暫時(shí)略去能量損失，可得因?yàn)槭撬疁?zhǔn)管道，所以H1=H0，化簡(jiǎn)得：**對(duì)不可壓縮性流體，根據(jù)連續(xù)性方程，可得：將上式代入可得：**對(duì)於實(shí)際流體而言，由於流動(dòng)阻力引起得壓頭損失，孔板處突然收縮造成得擾動(dòng)，以及板與導(dǎo)管間裝配可能有誤差，將這些影響歸納為一個(gè)校正係數(shù)c0，對(duì)所測(cè)的流速加以校正，得：C0稱為孔板流量係數(shù)，其值由試驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)關(guān)係確定。一般情況下為0.61－－0.63.若液柱壓力計(jì)讀數(shù)為△R，指示液密度為ρi，則孔板流量計(jì)製造簡(jiǎn)單，安裝與更換方便，其主要缺點(diǎn)是流體的能量損失大，A0/A1越小，能量損失越大**2.文丘裏流量計(jì)

為減少流體節(jié)流造成的能量損失，可用一段漸縮漸擴(kuò)的短管代替孔板，這就構(gòu)成了文丘裏（Venturi）流量計(jì)。

**

如圖所示，當(dāng)流體在漸縮漸擴(kuò)段內(nèi)流動(dòng)時(shí)，流速變化平緩，渦流較少，於喉頸處（即最小流通截面處）流體的動(dòng)能達(dá)最高。此後，在漸擴(kuò)的過程中，流體的速度又平緩降低，相應(yīng)的流體壓力逐漸恢復(fù)。如此過程避免了渦流的形成，從而大大降低了能量的損失

cv值與眾多因素有關(guān)，當(dāng)孔徑與管徑之比在（1/2)～（1/3)的範(fàn)圍內(nèi)時(shí)，其值為0.98～1。**3.轉(zhuǎn)子流量計(jì)

前述各流量計(jì)的共同特點(diǎn)是收縮口的截面積保持不變，而壓力隨流率的改變而變化，這類流量計(jì)統(tǒng)稱為變壓力流量計(jì)。另一類流量計(jì)是壓力差幾乎保持不變，而收縮的截面積變化，這類流量計(jì)稱為變截面流量計(jì)，其中最為常見的是轉(zhuǎn)子流量計(jì)。

它系由一個(gè)截面自下而上逐漸擴(kuò)大的錐形垂直玻璃管和一個(gè)能夠旋轉(zhuǎn)自如的金屬或其他材質(zhì)的轉(zhuǎn)子所構(gòu)成。被測(cè)流體由底端進(jìn)入，由頂端流出.**

當(dāng)流體自下而上流過垂直的錐形管時(shí)，轉(zhuǎn)子受到兩個(gè)力的作用：一是垂直向上的推動(dòng)力，它等於流體流經(jīng)轉(zhuǎn)子與錐管間的環(huán)形截面所產(chǎn)生的壓力差；另一是垂直向下的淨(jìng)重力，它等於轉(zhuǎn)子所受的重力減去流體對(duì)轉(zhuǎn)子的浮力。當(dāng)流量加大使壓力差大於轉(zhuǎn)子的淨(jìng)重力時(shí)，轉(zhuǎn)子就上升。當(dāng)壓力差與轉(zhuǎn)子的淨(jìng)重力相等時(shí)，轉(zhuǎn)子處?kù)镀胶鉅顟B(tài)，即停留在一定位置上。在玻璃管外表面上刻有讀數(shù)，根據(jù)轉(zhuǎn)子的停留位置，即可讀出被測(cè)流體的流量。淨(jìng)壓力差流體浮力轉(zhuǎn)子重力**△p-----轉(zhuǎn)子上下間流體的壓力差，單位為PaVR------轉(zhuǎn)子的體積，單位為m3AR------轉(zhuǎn)子最大部分頂端面的橫截面積，單位為m2

R，-----分別為轉(zhuǎn)子材料和流體的密度，單位為kg·m-3若流體通過環(huán)隙處的流速為,則按柏努力方程可得：cR------校正因素，與流體流動(dòng)形態(tài)、轉(zhuǎn)子形狀等因素有關(guān)因?yàn)?/p>

可得：-----環(huán)隙面積，單位為m2-----體積流量，單位為m3·h-1**優(yōu)點(diǎn)：

讀取流量方便，流體阻力小，測(cè)量精確度較高，能用於腐蝕性流體的測(cè)量；流量計(jì)前後無須保留穩(wěn)定段。缺點(diǎn)：

玻璃管易碎，且不耐高溫、高壓。轉(zhuǎn)子流量計(jì)必須垂直安裝，且應(yīng)安裝旁路以便於檢修

轉(zhuǎn)子密度須大於被測(cè)流體的密度。其材料可以是不銹鋼、塑膠、玻璃、鋁等安裝**§2－6流體輸送機(jī)械

在化工生產(chǎn)過程中，流體輸送是主要的單元操作之一它遵循流體流動(dòng)的基本原理。流體輸送機(jī)械是一種向流體作功以提高流體機(jī)械能的裝置。通常，將輸送液體的機(jī)械稱為泵，將壓送氣體的機(jī)械按不同的工況分別稱為通風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)和真空泵。2－6.1離心泵離心泵的主要部件：1.葉輪2.泵殼3.軸封裝置**1.葉輪**2.泵殼泵殼的作用：①?gòu)〖后w，即從葉輪外周甩出的液體，再沿泵殼中通道流過，排出泵體；②轉(zhuǎn)能裝置，因殼內(nèi)葉輪旋轉(zhuǎn)方向與蝸殼流道逐漸擴(kuò)大的方向一致，減少了流動(dòng)能量損失，並且可以使部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能。3.軸封裝置軸封：離心泵工作時(shí)是泵軸旋轉(zhuǎn)而泵殼不動(dòng)，泵軸與泵殼之間的密封。作用：防止高壓液體從泵殼內(nèi)沿間隙漏出，或外界空氣漏入泵內(nèi)。**4.離心泵的工作原理

離心泵啟動(dòng)後，泵軸帶動(dòng)葉輪一起作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，迫使預(yù)先充灌在葉片間液體旋轉(zhuǎn)，在慣性離心力的作用下，液體自葉輪中心向外周作徑向運(yùn)動(dòng)。液體在流經(jīng)葉輪的運(yùn)動(dòng)過程獲得了能量，靜壓能增高，流速增大。當(dāng)液體離開葉輪進(jìn)入泵殼後，由於殼內(nèi)流道逐漸擴(kuò)大而減速，部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靜壓能，最後沿切向流入排出管路。當(dāng)液體自葉輪中心甩向外周的同時(shí)，葉輪中心形成低壓區(qū)，在貯槽液面與葉輪中心總勢(shì)能差的作用下，致使液體被吸進(jìn)葉輪中心。依靠葉輪的不斷運(yùn)轉(zhuǎn)，液體便連續(xù)地被吸入和排出。液體在離心泵中獲得的機(jī)械能量最終表現(xiàn)為靜壓能的提高。**4.離心泵的工作原理**5.氣縛現(xiàn)象氣縛現(xiàn)象：當(dāng)啟動(dòng)離心泵時(shí)，若泵內(nèi)未能灌滿液體而存在大量氣體，則由於空氣的密度遠(yuǎn)小於液體的密度，葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣性離心力很小，因而葉輪中心處不能形成吸入液體所需的真空度，這種可以啟動(dòng)離心泵，使葉輪空轉(zhuǎn)，但不能輸送液體的現(xiàn)象稱為“氣縛現(xiàn)象”。離心泵是一種沒有自吸能力的液體輸送機(jī)械。若泵的吸入口位於貯槽液面的上方，在吸入管路應(yīng)安裝單向底閥和濾網(wǎng)。單向底閥可防止啟動(dòng)前灌入的液體從泵內(nèi)漏出，濾網(wǎng)可阻擋液體中的固體雜質(zhì)被吸入而堵塞泵殼和管路。若泵的位置低於槽內(nèi)液面，則啟動(dòng)時(shí)就無需灌泵。**6.離心泵的允許安裝高度離心泵的安裝高度Hg根據(jù)泵的允許吸上（真空）高度Hs確定Hs-----允許吸上真空高度，與泵的結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)

H0-----當(dāng)?shù)卮髿鈮海琺水柱Hv-----輸送液的蒸氣壓，m水柱u2/2g-----吸入管路中液體的動(dòng)壓頭，一般可忽略Hf-----吸入管路中的壓頭損失，m水柱**7.離心泵的性能參數(shù)和特性曲線離心泵的流量與轉(zhuǎn)數(shù)的關(guān)係：離心泵的揚(yáng)程與轉(zhuǎn)數(shù)的關(guān)係離心泵的功率與轉(zhuǎn)數(shù)的關(guān)係**2－6.2往復(fù)泵

往復(fù)泵是一種正位移工作方式泵，它依靠作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞依次開啟吸入閥和排出閥從而吸入和排出液體。

**2-6.3其他化工用泵

1非正位移泵旋渦泵示意圖：**2正位移泵

(2)計(jì)量泵①外觀**2-6.4氣體輸送機(jī)械1氣體輸送的特點(diǎn)

①動(dòng)力消耗大：對(duì)一定的品質(zhì)流量，由於氣體的密度小，其體積流量很大。因此氣體輸送管中的流速比液體要大得多，前者經(jīng)濟(jì)流速（15~25m/s）約為後者（1~3m/s）的10倍。這樣，以各自的經(jīng)濟(jì)流速輸送同樣的品質(zhì)流量，經(jīng)相同的管長(zhǎng)後氣體的阻力損失約為液體的10倍。因而氣體輸送機(jī)械的動(dòng)力消耗往往很大。②氣體輸送機(jī)械體積一般都很龐大，對(duì)出口壓力高的機(jī)械更是如此。③由於氣體的可壓縮性，故在輸送機(jī)械內(nèi)部氣體壓力變化的同時(shí)，體積和溫度也將隨之發(fā)生變化。這些變化對(duì)氣體輸送機(jī)械的結(jié)構(gòu)、形狀有很大影響。因此，氣體輸送機(jī)械需要根據(jù)出口壓力來加以分類。**2氣體輸送機(jī)械分類終壓p2<1.15atm，壓縮比終壓p2<4atm，壓縮比終壓p2>4atm，壓縮比終壓為大氣壓，壓縮比近似

**3離心通風(fēng)機(jī)工作原理：結(jié)構(gòu)：主要性能參數(shù)及特性曲線：與離心泵相似特點(diǎn)：葉片數(shù)目多、短，有徑向、前彎、後彎等，通道多呈矩形

風(fēng)量、風(fēng)壓、軸功率、效率與離心泵相同風(fēng)量Q：以進(jìn)口狀態(tài)計(jì)

**風(fēng)壓pt：在風(fēng)機(jī)進(jìn)出口間列機(jī)械能衡算方程式：

又稱全風(fēng)壓,Pa**若使用條件與測(cè)定條件不同，需換算：

--------用1atm、20℃空氣測(cè)定的風(fēng)壓

標(biāo)準(zhǔn)全風(fēng)壓pt0**全壓效率70%~90%

效率

：

功率N：**4壓縮機(jī)

往復(fù)式壓縮機(jī)離心式壓縮機(jī)**

在工廠中常用的鼓風(fēng)機(jī)有旋轉(zhuǎn)式和離心式兩種類型。（1）羅茨鼓風(fēng)機(jī)圖1-66羅茨鼓風(fēng)機(jī)5鼓風(fēng)機(jī)**羅茨鼓風(fēng)機(jī)的工作原理與齒輪泵類似。如圖所示，機(jī)殼內(nèi)有兩個(gè)漸開擺線形的轉(zhuǎn)子，兩轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相反，可使氣體從機(jī)殼一側(cè)吸，從另一側(cè)排出。轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子與機(jī)殼之間的縫隙很小，使轉(zhuǎn)子能自由運(yùn)動(dòng)而無過多洩漏。屬於正位移型的羅茨風(fēng)機(jī)風(fēng)量與轉(zhuǎn)速成正比，與出口壓強(qiáng)無關(guān)。該風(fēng)機(jī)的風(fēng)量範(fàn)圍可自2至500m3/min，出口表壓可達(dá)80kPa，在40kPa左右效率最高。該風(fēng)機(jī)出口應(yīng)裝穩(wěn)壓罐，並設(shè)安全閥。流量調(diào)節(jié)採(cǎi)用旁路，出口閥不可完全關(guān)閉。操作時(shí)，氣體溫度不能超過85℃，否則轉(zhuǎn)子會(huì)因受熱臌脹而卡住。**離心式鼓風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：離心式鼓風(fēng)機(jī)的外形與離心泵相象，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也有許多相同之處。（2）離心式鼓風(fēng)機(jī)**6真空泵真空泵的一般特點(diǎn)真空泵就是從真空容器中抽氣、一般在大氣壓下排氣的輸送機(jī)械。若將前述任何一種氣體輸送機(jī)械的進(jìn)口與設(shè)備接通，即成為從設(shè)備抽氣的真空泵。然而，專門為產(chǎn)生真空用的設(shè)備卻有其獲得之處。（1）由於吸入氣體的密度很低，要求真空泵的體積必須足夠大；（2）壓縮比很高，所以餘隙的影響很大。**真空泵的主要性能參數(shù)有：（1）極限剩餘壓力（或真空度）：這是真空泵所能達(dá)到最低壓力；（2）抽氣速率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)真空泵在極限剩餘壓力下所吸入的氣體體積，亦即真空泵的生產(chǎn)能力。**往復(fù)式真空泵與往復(fù)式壓縮式的構(gòu)造顯著區(qū)別，但也有其自身的特點(diǎn)：（1）在低壓下操作，氣缸內(nèi)、外壓差很小，所用的活門必須更加輕巧；（2）當(dāng)要求達(dá)到較好的真空度時(shí)，壓縮比會(huì)很大，餘隙容積必須很小，否則就不能保證較大的吸氣量。（3）為減少餘隙的影響，設(shè)有連通活塞左右兩側(cè)的平衡氣道。幹式往復(fù)真空泵可造成高達(dá)96~99.9%的真空度；濕式則只能達(dá)到80~85%**水環(huán)真空泵水環(huán)真空泵的外殼呈圓形，其中的葉輪偏心安裝。啟動(dòng)前，泵內(nèi)注入一定量的水，當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，由於離心力的作用，水被甩至殼壁形成水環(huán)。此水環(huán)具有密封作用，使葉片間的空隙形成許多大小不同的密封室。由於葉輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，密封室外由小變大形成真空，將氣體從吸入口吸入；繼而密封室由大變小，氣體由壓出口排出。水環(huán)真空泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，最高真空度可達(dá)85%。**液環(huán)真空泵葉環(huán)泵外殼呈橢圓形。當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)液體被拋向四周形成一橢圓形液環(huán)，在其軸方向上形成兩個(gè)月牙形的工作腔。由於葉輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，每個(gè)工作腔內(nèi)密封室逐漸由小變大而從吸入口吸入氣體；然後又由大變小，將氣體強(qiáng)行排出。**旋片真空泵是旋轉(zhuǎn)式真空泵的一種，其工作原理見圖。當(dāng)帶有兩個(gè)旋片7的偏心轉(zhuǎn)子按箭頭方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，旋片在彈簧8的壓力及自身離心力的作用下，緊貼泵體9內(nèi)壁滑動(dòng)，吸氣工作室不斷擴(kuò)大，被抽氣體通過吸氣口3經(jīng)吸氣管4進(jìn)入吸氣工作室，當(dāng)旋片轉(zhuǎn)至垂直位置時(shí)，吸氣完畢，此時(shí)吸入的氣體被隔離。**轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，被隔離的氣體逐漸被壓縮，壓強(qiáng)升高。當(dāng)壓強(qiáng)超過排氣閥片2上的壓強(qiáng)時(shí)，則氣體經(jīng)排氣管5頂開閥片2，通過油液從泵排氣口1排出。泵在工作過程中，旋片始終將泵腔分成吸氣、排氣兩個(gè)工作室，轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周，有兩次吸氣、排氣過程。旋片泵的主要部分浸沒於真空油中，為的是密封個(gè)部件間隙，充填有害的餘隙和得到潤(rùn)滑。此泵屬於幹式真空泵。**如需抽吸含有少量可凝性氣體的組合氣時(shí)，泵上設(shè)有專門設(shè)計(jì)的鎮(zhèn)氣閥（能在一定的壓強(qiáng)下打開的單向閥），把經(jīng)控制的氣流（通常是濕度不大的空氣）引到泵的壓縮腔內(nèi)，以提高混合氣的壓強(qiáng)，使其中的可凝性氣體在分壓尚未達(dá)到泵腔溫度下的飽和值時(shí)，即被排出泵外。旋片泵可達(dá)到較高的真空度（絕對(duì)壓強(qiáng)約為0.67Pa），抽氣速率比較小，適用於抽除乾燥或含有少量可凝性蒸氣的氣體。不適宜用於抽除含塵和對(duì)潤(rùn)滑油起化學(xué)作用的氣體。**噴射真空泵噴射泵是利用高速流體射流量壓力能向動(dòng)能轉(zhuǎn)換所造成的真空，將氣體吸入泵內(nèi)，並在混合室通過碰撞、混合以提高吸入氣體的機(jī)械能，氣體和工作流體一併排出泵外。噴射泵的流體可以水，也可以是水蒸汽，分別稱為水噴射泵和蒸汽噴射泵。單級(jí)蒸汽噴射泵僅能達(dá)到90%的真空度，為獲得更高的真空度可採(cǎi)用多級(jí)蒸汽噴射泵。噴射泵的優(yōu)點(diǎn)是工作壓強(qiáng)範(fàn)圍大，抽氣量大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)。缺點(diǎn)是效率低。**本章小結(jié)H：穩(wěn)態(tài)流動(dòng)U：流量與流速，連續(xù)性方程，測(cè)量（孔板、文丘裏、轉(zhuǎn)子流量計(jì)工作原理）P：?jiǎn)挝唬╝t、atm、kgf/cm2），基準(zhǔn)（表壓、真空度），測(cè)量（壓力計(jì)、壓差計(jì)）Hf：流動(dòng)型態(tài)（層流、湍流的特點(diǎn)），流型判斷（雷諾準(zhǔn)數(shù)），阻力計(jì)算（公式與圖）(粘度、當(dāng)量直徑）He：功率計(jì)算式公式應(yīng)用：管路計(jì)算（重點(diǎn)為功率計(jì)算）**當(dāng)流體以層流形態(tài)流動(dòng)時(shí)，若管長(zhǎng)、流量、流體的性質(zhì)均不變，管徑減小1/2，則流動(dòng)阻力增加多少倍？在天津操作的苯乙烯真空精餾塔塔頂真空表的讀數(shù)是1kgf/cm2水柱，在蘭州操作時(shí)，若要維持塔內(nèi)的絕對(duì)壓強(qiáng)不變，真空表的讀數(shù)應(yīng)為多少kPa（已知天津地區(qū)的平均大氣壓為1atm，蘭州地區(qū)的平均大氣壓為8.5m水柱）。有一垂直管道，內(nèi)徑由300mm逐漸縮至200mm，水由下而上在管內(nèi)流動(dòng)，測(cè)的水在粗管口和細(xì)管口的靜壓強(qiáng)分別為250kPa和100kPa，管長(zhǎng)7.5m，若阻力損失折合為5m，試求水的流量（水的密度取1000kg/m3）。用泵將堿液槽中堿液抽往吸收塔頂，經(jīng)噴頭噴出做吸收劑用，堿液池中液面到噴頭的距離為16m，，堿液密度為1100kg/m3，管路直徑為

57

3.5mm，噴頭口表壓為3.0kPa，壓頭損失為5u2/g（u為管內(nèi)流速，單位：m/s），輸液量為10kg/s，若泵的效率為60%，試求泵的功率。**第三章傳熱過程**本章主要內(nèi)容：1.主要討論流體傳導(dǎo)傳熱、對(duì)流傳熱的機(jī)理和傳熱方程式及其應(yīng)用；2.冷熱流體通過固體間壁進(jìn)行換熱的過程和計(jì)算；3.強(qiáng)化或削弱傳熱的途徑；4.換熱器的基本類型及列管式換熱器的基本結(jié)構(gòu)和性能；5.列管式換熱器的設(shè)計(jì)與選型；

**傳熱過程在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用§3－1概述

3－1.1化工生產(chǎn)中的傳熱過程例如：蒸發(fā)、蒸餾、乾燥、結(jié)晶等傳熱過程的基本要求：1.強(qiáng)化傳熱；2.避免傳熱熱量傳遞方向：高溫傳向低溫傳熱過程的推動(dòng)力：溫差**換熱方式

1.傳熱過程在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用**

在這類傳熱中，冷、熱流體在傳熱設(shè)備中通過直接混合的方式進(jìn)行熱量交換，又稱為混合式傳熱。

優(yōu)點(diǎn)：方便和有效，而且設(shè)備結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，常用於熱氣體的水冷或熱水的空氣冷卻。

缺點(diǎn)：在工藝上必須允許兩種流體能夠相互混合。(1)直接接觸式傳熱**(2)蓄熱式傳熱

這種傳熱方式是冷、熱兩種流體交替通過同一蓄熱室時(shí)，即可通過填料將從熱流體來的熱量，傳遞給冷流體，達(dá)到換熱的目的。

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，可耐高溫，常用於氣體的餘熱或冷量的利用。

缺點(diǎn)：由於填料需要蓄熱，所以設(shè)備的體積較大，且兩種流體交替時(shí)難免會(huì)有一定程度的混合。**(3)間壁式傳熱

在多數(shù)情況下，化工工藝上不允許冷熱流體直接接觸，故直接接觸式傳熱和蓄熱式傳熱在工業(yè)上並不很多，工業(yè)上應(yīng)用最多的是間壁式傳熱過程。這類換熱器的特點(diǎn)是在冷、熱兩種流體之間用一金屬壁(或石墨等導(dǎo)熱性能好的非金屬壁)隔開，以便使兩種流體在不相混合的情況下進(jìn)行熱量傳遞。這類換熱器中以套管式換熱器和列管式換熱器為典型設(shè)備。**間壁式換熱器**套管式**列管式**夾套式**

3－1.2傳熱中的一些基本物理量和單位熱量Q：是能量的一種形式，J熱流密度(熱通量)q：?jiǎn)挝幻娣e上的傳熱速率，W·m-2潛熱：?jiǎn)挝黄焚|(zhì)的物質(zhì)在發(fā)生相變化時(shí)伴隨的熱量變化

J/kg定壓比熱容cp：壓力恒定時(shí)，單位品質(zhì)的物質(zhì)溫度升高1K時(shí)所需的熱量，J·K-1·kg-1傳熱速率

是指單位時(shí)間傳遞的熱量，W傳熱速率也稱為熱流量，或熱負(fù)荷顯熱：傳熱速率指的是由於傳熱面與介質(zhì)間有溫度差而使熱量由高溫處向低溫處流動(dòng)的速率**定態(tài)傳熱：在傳熱體系中各點(diǎn)的溫度只隨換熱器的位置的變化而變，不隨時(shí)間而變．特點(diǎn)：通過傳熱表面的傳熱速率為常量，熱通量不一定為常數(shù)。非定態(tài)傳熱：若傳熱體系中各點(diǎn)的溫度，既隨位置的變化，又隨時(shí)間變化。特點(diǎn)：傳熱速率、熱通量均為變數(shù)。

通常連續(xù)生產(chǎn)多為穩(wěn)定傳熱，間歇操作多為不穩(wěn)定傳熱。化工過程中連續(xù)生產(chǎn)是主要的，因而本章主要討論定態(tài)傳熱。

3－1.3定態(tài)傳熱和非定態(tài)傳熱**

一個(gè)物體的兩部分存在溫差，熱就要從高溫部分向低溫部分傳遞，直到各部分的溫度相等為止，這種傳熱方式就稱為傳導(dǎo)傳熱（或熱傳導(dǎo)）。傳導(dǎo)傳熱的本質(zhì)是物體內(nèi)部微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而引起的熱量傳遞

物質(zhì)的三態(tài)均可以充當(dāng)熱傳導(dǎo)介質(zhì)，但導(dǎo)熱的機(jī)理因物質(zhì)種類不同而異，具體為：

固體金屬：自由電子運(yùn)動(dòng)在晶格之間；

液體和非金屬固體：晶格結(jié)構(gòu)的振動(dòng)；即分子、原子在其平衡位置的振動(dòng)。

氣體：分子的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)。§3－2熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）**

3－2.1熱傳導(dǎo)基本方程－－傅立葉定律負(fù)號(hào)表示傳熱的方向與溫度升高的方向（梯度方向）相反稱為導(dǎo)熱係數(shù),單位為W/(mK)

隨傳熱距離而引起的溫度變化，稱為溫度梯度**物性之一：是物質(zhì)導(dǎo)熱能力的標(biāo)誌,與物質(zhì)種類、熱力學(xué)狀態(tài)（T、P）有關(guān)。物理含義：代表單位溫度梯度下的熱通量大小，即：當(dāng)物體兩個(gè)面（等溫面）間溫差為1K，厚度為1m時(shí)，每經(jīng)過1m2傳熱面積所能傳導(dǎo)的熱量。故物質(zhì)的

越大，導(dǎo)熱性能越好。一般地，

導(dǎo)電固體>

非導(dǎo)電固體，

液體>

氣體T

，

氣體

，

水

，其他液體的

。導(dǎo)熱係數(shù)：數(shù)據(jù)來源：物質(zhì)的導(dǎo)熱係數(shù)可以通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定，也可以查資料、計(jì)算固體液體混合物氣體混合物計(jì)算**若

為常數(shù)，則：當(dāng)x=0時(shí)，t=t1，當(dāng)x=δ時(shí)，t=t2積分上式得：

3－2.2平面壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)1.單層平面壁的熱傳導(dǎo)**2.多層平面壁的熱傳導(dǎo)（無內(nèi)熱源）**所以，可由公式得到兩層壁交界處的溫度**1.單層圓筒壁的熱傳導(dǎo)若

為常數(shù)，則：--------可見溫度分佈為對(duì)數(shù)關(guān)係1r1r2δt2

tt0

r

3－2.3圓筒壁的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱****

Φ=常數(shù)，但

q

常數(shù)2.多層圓筒壁的熱傳導(dǎo)（無內(nèi)熱源）**由：溫度

t3=38保溫層的外表面的半徑

r3＝0.213＋0.426=0.639m蒸汽導(dǎo)管外表面的半徑

r2＝0.426/2=0.213m

溫度

t2=177**可得每米管道的熱損失為：

設(shè)保溫層內(nèi)半徑r處的溫度為t，代入上式：將已知數(shù)據(jù)代入，整理得溫度t與半徑的關(guān)係式為：

t=-126.6lnr–18.64筒壁內(nèi)的溫度分佈不是直線，而是曲線。****§3－3對(duì)流傳熱（熱對(duì)流）傳熱方式熱輻射熱對(duì)流熱傳導(dǎo)

熱對(duì)流是指流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移所引起的熱量傳遞過程。熱對(duì)流僅發(fā)生在流體中。對(duì)流方式*強(qiáng)制對(duì)流自然對(duì)流因流體中各處溫度不同引起密度差異而使流體質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生相對(duì)位移因攪拌等外力而使質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生相對(duì)位移**流動(dòng)的流體與外界的傳熱靜止流體與外界的傳熱強(qiáng)制對(duì)流自然對(duì)流**

3－3.1牛頓冷卻定律**

過程分析（1）層流邊界層（層流內(nèi)層）內(nèi)：熱傳導(dǎo)，熱阻大；（2）過渡區(qū)：熱傳導(dǎo)與對(duì)流傳熱共同起作用；（3）湍流區(qū)：充滿漩渦，混合很好，對(duì)流為主，熱阻小。**

α——比例係數(shù)稱為傳熱膜係數(shù)（也稱作給熱係數(shù)）。物理意義:當(dāng)流體主體與壁面間的溫度差為1K時(shí),每秒通過1m2壁面所傳給流體(或有流體給出)的熱量。牛頓冷卻定律單位：W/(m2K)**

3－3.2對(duì)流傳熱膜係數(shù)通過理論分析和實(shí)驗(yàn)表明，影響對(duì)流給熱係數(shù)的因素有以下幾方面：(1).流動(dòng)型態(tài)

層流：熱流主要依靠熱傳導(dǎo)的方式傳熱。由於流體的導(dǎo)熱係數(shù)比金屬的導(dǎo)熱係數(shù)小得多，所以熱阻大。

湍流：質(zhì)點(diǎn)充分混合且層流底層變薄，

較大。但Re

，動(dòng)力消耗大。(2).引起流動(dòng)的原因

自然對(duì)流：由於流體內(nèi)部存在溫差引起密度差形成的浮升力，造成流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的上升和下降運(yùn)動(dòng)，一般u較小，

也較小。

強(qiáng)制對(duì)流：外力作用引起的流動(dòng)運(yùn)動(dòng)，一般u較大，故

較大。1影響因素**(3).流體的物性

當(dāng)流體種類確定後，根據(jù)溫度、壓力（氣體）查對(duì)應(yīng)的物性，影響

較大的物性有：

，

，

，cp。(4).是否發(fā)生相變

主要有蒸汽冷凝和液體沸騰。發(fā)生相變時(shí)，由於汽化或冷凝的潛熱遠(yuǎn)大於溫度變化的顯熱（r遠(yuǎn)大於cp）。一般情況下，有相變化時(shí)對(duì)流傳熱係數(shù)較大，機(jī)理各不相同，情況複雜。**(5).傳熱面的形狀、大小和位置

不同的壁面形狀、尺寸影響流型；會(huì)造成邊界層分離，產(chǎn)生旋渦，增加湍動(dòng)，使

增大。

（1）形狀：比如管、板、管束等；

（2）大小：比如管徑和管長(zhǎng)等；

（3）位置：比如管子得排列方式（如管束有正四方形和三角形排列）；管或板是垂直放置還是水準(zhǔn)放置。對(duì)於一種類型的傳熱面常用一個(gè)對(duì)對(duì)流傳熱係數(shù)有決定性影響的特性尺寸L來表示其大小。**表徵給熱係數(shù)的特徵準(zhǔn)數(shù)

由於影響對(duì)流傳熱係數(shù)的因素很多，要建立一個(gè)通式來求各種條件下的α是很困難的。因此，常用因次分析法，將眾多的影響因素組合成若干無因次數(shù)群（準(zhǔn)數(shù)），然後再用實(shí)驗(yàn)確定這些準(zhǔn)數(shù)的關(guān)係，得到α的關(guān)連式。反映流體流動(dòng)型態(tài)對(duì)對(duì)流給熱係數(shù)的的影響

反映流體物性對(duì)對(duì)流給熱係數(shù)的影響

反映自然對(duì)流對(duì)對(duì)流給熱係數(shù)的影響

2傳熱過程的特徵數(shù)**(1)圓形直管強(qiáng)制湍流的給熱係數(shù)流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制湍流時(shí)，對(duì)於低粘度流體，則有應(yīng)用範(fàn)圍：Re＞10000；0.7＜Pr＜120；

定性溫度：取流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。特徵尺寸：取為管內(nèi)徑d1。3.傳熱膜係數(shù)的特徵關(guān)聯(lián)式n=0.4被加熱n=0.3被冷卻思考2：

與u、d有何比例關(guān)係？思考1：為什麼加熱時(shí)n取0.4，冷卻時(shí)取0.3？**(1)液體的沸騰傳熱

工業(yè)上經(jīng)常需要將液體加熱使之沸騰蒸發(fā)，如：在鍋爐中把水加熱水蒸汽；在蒸發(fā)器中將溶劑汽化以濃縮溶液，都是屬於沸騰傳熱。大容積沸騰是指加熱面沉浸在具有自由表面的液體中所發(fā)生的沸騰現(xiàn)象，此時(shí)，液體的運(yùn)動(dòng)由自然對(duì)流和汽泡的擾動(dòng)所引起的。強(qiáng)制對(duì)流沸騰是指液體在管內(nèi)流動(dòng)的過程中而受熱沸騰的現(xiàn)象，此時(shí)，汽泡不能自由升浮，而是受迫隨液體一起流動(dòng)，形成複雜的汽—液兩相流動(dòng)，在流動(dòng)過程中沿途吸熱，直至全部汽化。3.沸騰和冷凝時(shí)的傳熱膜係數(shù)**沸騰曲線

工業(yè)上一般維持沸騰裝置在核狀沸騰下工作，其優(yōu)點(diǎn)是：此階段下α大，tW小。**

蒸汽是工業(yè)上最常用的熱源，在鍋爐內(nèi)利用煤燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱量將水加熱汽化，使之產(chǎn)生蒸汽。蒸汽具有一定的壓力，飽和蒸汽的壓力和溫度具有一定的關(guān)係。蒸汽在飽和溫度下冷凝成同溫度的冷凝水時(shí)，放出冷凝潛熱，供冷流體加熱。(2)蒸汽冷凝的對(duì)流傳熱

蒸汽冷凝的方式

膜狀冷凝：冷凝液體能潤(rùn)濕壁面，它就在壁面上鋪展成膜狀冷凝時(shí)蒸汽放出的潛熱必須穿過液膜才能傳遞到壁面上去，此時(shí)，液膜層就形成壁面與蒸汽間傳熱的主要熱阻。若凝液借重力沿壁下流，則液膜越往下越厚，給熱係數(shù)隨之越小。**

滴狀冷凝：凝液不能完全潤(rùn)濕壁面，在壁面上形成一個(gè)個(gè)小液滴，且不斷成長(zhǎng)變大，在非水準(zhǔn)壁面上受重力作用而沿壁滾動(dòng)，在下滾過程中，一方面會(huì)合相遇