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11化工原理上册总复习


第一章 流体力学基总结

第一章
公式

小结

静力学方程式: p 2 ? p 1 ? ? g ? z 1 ? z 2 ? 连续性方程: ? 1 u 1 A 1 ? ? 2 u 2 A 2 (稳定流动)
u 1 A1 ? u 2 A 2 (不可压缩流体)
u 1 d 1 ? u 2 d

2 (圆管内)
2 2

机械能衡算方程: gz 1 ?

u1 2

2

?

p1

?

? w e ? gz 2 ?

u2 2

2

?

p2

?

? w

f

要求能够进行 阻力计算式: 直管 w f 管路计算及分 析: le u 2 简单管路 局部 w f ? ? 或w d 2 复杂管路 设计型、操作 型问题

64 2 ? l u ? 层流: ? ? ? ? Re ? d 2 ? ? 湍流: ? ? f ? Re, ? d ?
f 2 u ?? 入 ? 0 .5 ?? ? 2 ?? 出 ? 1

重要概念 连续介质模型、等压面、牛顿粘性定律、 粘度?及其影响因素、雷诺数、

层流与湍流的本质区别、
因次分析法本质、 边界层概念(普兰特边界层理论) 边界层厚度、边界层的形成和发展、边界层分离 脉动

设备及仪表 压差计、流量计等结构及测量原理。

第二章流体输送机械总结

离心泵(重点) ①结构、工作原理 : ② 影 响 特 性 曲 线 的 因 素 : ?、 ? 、 n 、 D 2 等 , 如 何 影 响 ? ③流量调节: ④泵的组合操作:串、并联 ⑤安装高度:允许汽蚀余量 ⑥气缚、气蚀现象:

设计型、操作性问 题定性分析与计算

往复泵: 与离心泵对比) ( 工作原理 特性曲线的形状 流量调节方法 安装 通风机: 与离心泵对比) ( 主要性能参数:风量、风压、功率、效率 特性曲线的形状

第三章 机械分离与固体流态化总结

过滤: 1.公式:

与 滤 饼 性 质 有 关 ( 比 阻 r0、 比 表 面 积 a 、 空 隙 率 ? 、 压 缩 指 数 s) 、 与推动力有关

与滤浆的性质(浓度、密度、粘度)有关。

u ?

dV Ad ?

?

过滤推动力 过滤阻力

?

KA 2 ?V ? V e ?

?

?p

K ? ?p

1? s

r? L
r 与滤饼的结构、性 质 ( 比 表 面 积 a、 空 隙 率 ?) 有 关

Ve 与 过 滤 介 质 的 性 质 有 关

恒 压 过滤 方程

V

2

? 2VV

e

? KA ?
2

q ? 2 qq e ? K ?
2

恒 速 过滤 方程

u ?
2

dV Ad ?

? 常数

V ? VV e ?

K 2

A ?
2

q ? qq e ?
2

K 2

?

洗涤:

? dV ? ? ? ? d? ? w ? dV ? ? ? ? d? ? e
?w ?
Vw

?

1 ? 4 ?w

(板框)

?

Aw ?L A? w Lw

?

? ?w

(叶滤机、转筒真空机)

? dV ? ? ? ? d? ? w

2.重要概念: 滤浆、滤饼、过滤介质、滤液、
V ? 间歇式: Q ? , ? 生产能力 ? ?? ?? w D ? ? 当 V ? 0, ? ? ? ? ? w 时 , Q ? Q max ? e D ? V ? 连续式 : Q ? ? nV ? A K ? n, n ? , ? ?? Q ? ? T ?

3、设备:板框机、叶滤机、转筒真空过滤机的结构、特点

沉降
重要概念:自由沉降、沉降速度、影响沉降速度的因素、离心分离因数
本质上是颗粒与流体的相对运动速度

公式: 斯托克斯公式

ut ?

d

2 p

??

p

? ? g
( R e< 2)

?

18 ?

降 尘 室 : 能 10 0% 去 除 的 最 小 颗 粒 满 足

停留时间

L u

? 沉降时间

H u t

气 体 处 理 能 力 V s ? u t min A 底 , 与 底 面 积 呈 正 比 , 与 高 度 无 关 。

设备:降尘室结构

第四、五章 热量传递和换热总结

§4.1 概述 §4.2 热传导 §4.3 对流传热 §4.4 辐射传热

§5.1 换热器的分类与型式

§5.2 间壁式换热器中的传热过程分析
§5.3 传热过程的基本方程 §5.4 传热过程的?tm的计算 §5.5 传热效率和传热单元数(?-NTU) §5.6 换热器计算的设计型和操作型问题

§5.8 列管式换热器的选用和设计原则
§5.9 换热器的传热强化途径

一、热量传递基础知识
传热的三种方式:

?热 传 导 : 发生在相互接触的物质 之间和物质(静止或层 流流动)内部, ? (导 热 ) 传 热 靠 分 子 的 无 规 则 热 运 动 , 无物质的宏观位移 ? ? 对 流 传 热 :?自 然 对 流 发 生 在 流 体 内 部 , 且 流 体 有 宏 观 位 移 ? ? ?强制对流 牛顿冷却定律: Q ? ? A ? t 1 ? t 2 ? ? ? 辐 射 传 热 : 靠电磁波传热

一、导热(热传导)
概念:导热系数(单位、固、液、气 ?的相对大小、t
临界厚度 对?的影响)

公式:
1、傅立叶定律 2、一维稳态导热
? 平壁 ? ? ? ?圆筒壁

? dQ ?t q ? ? ? ?? ? ?n dA
t1 ? t 2 b ?A 推动力 热阻

Q ? qA
Q ?

?

?

Q?

总推动力 总热阻

?

t1 ? t4

?b
i ?1

3

i

?i A

t1 ? t 2 b Am ?

Q ?

t1 ? t4

?

3

?

总推动力 总热阻

bi

? i A mi

i ?1

A m ? 2? r m L

rm ?

r 2 ? r1 ln r 2 r1

二、对流传热
基本概念 强制对流 tw t 自然对流

Q

Q

t1
Q

t2
流动的流体与外界的传热

边界层是对流传热 的主要热阻所在。
电热炉烧水

静止流体与外界的传热

牛 顿 冷 却 定 律 : Q ? ? A ?t 1 ? t 2

?

对流传热系数,W/m2K

? 对流
各种对流传热情况下??的影响因素、数量级 几个准数:Nu、Pr、 Re

基本公式
牛 顿 冷 却 定 律 : Q ? ? A ?t 1 ? t 2

?

关键是对流传热系数α的确定, α的影响 因素很多,工程上最常采用的是实验因次分 析法确定α。

实验方法求取?
因次分析法: 影响?的因素主要有: 1.引起流动的原因:自然对流和强制对流 2.流动型态:层流或湍流 3.流体的性质:?、?、cp、?等 4.传热面的形状、大小、位置:如圆管与平板、垂直与水平、 管内与管外等 5.有相变与无相变: cp或汽化潜热r
?定 理 : 无因次数群个数

? ? f ? ? , ? , c p 或 r , ? , l , u 或 ? ? tg ?
? 变量数 7 ? 基本因次数 4 ? 3 个

a?

? ?c p

----导温系数

无因次数群:
Nu ?

?l ?
?

-----努塞特准数,表示导热热阻与对流热阻之比

Pr ?

c p?

?

?
? ud

----- 普 兰 特 准 数 , 反 映 物 性 的 影 响 。 a 一般,气体的Pr<1,液体的Pr>1

Re ?

? ? ? ? 3 2 ? ? ? tgl ? ? 或 Gr ? ------格垃霍夫准数Gr是雷诺数的一种 2 ? ? ? 变形,表征自然对流时的“雷诺数



实验方法求?
Nu ? f ? Re 或 Gr , Pr
定 性 温度 : 主 体 平 均 温 度

?

tm ?

t 进 ? t出 2

膜温

tm ?

t 壁 ? t 主体 2

掌握工程上最常遇见的6中不同情况下的实验经验 公式及其应用。

对流传热系数经验式: (一) 无相变时

1、管内层流时

Nu = 1.86Re1/3Pr1/3(d/l)1/3(μ /μ w)0.14
使用范围为:
管子的进口段, 恒壁温、 Re<2300、 0.48<Pr<16700, Gr<25000(自然对流影响可以忽略), 温差(壁温与流体主体温度之差)不大。

当Gr>25000,需考虑自然对流对传热的影响,需乘上一个 大于1的校正系数:
? f ? 0 . 8 ? 1 ? 0 . 015 Gr ? ?
1 3

? ??1 ? ?

Nu ?

?d ?

Pr ?

c p?

2. 管内湍流时
Nu ? 0 . 023 Re
0 .8

?

?

?
a

? n ? 0 .4 Pr ? ? n ? 0 .3
n

被加热 被冷却

适用范围:光滑管 Re>104 0.7<Pr<160 充分发展段,即 L/d?50 或 60 低粘度(<2?水) 温差(t w-t)较小 t 进 ? t出 定性温度: t m ? 2 定性尺寸:管内径

若使用条件不满足上述条件时,需修正: (1)当壁面与流体主体温差较大时: Nu = 0.027Re0.8Pr1/3(μ/μw)0.14 (2)非圆形管的强制湍流: 上式仍可使用,但需将d换成de (3)弯管内: 乘上一个大于1的校正系数:α ’ = [1+1.77(d/R)]α (4)对于短管,L/d<60 乘上一个大于1的正系数:
? f ? 0 . 8 ? 1 ? 0 . 015 Gr ? ?
1 3

? ??1 ? ?

3、管外的强制对流传热 (1)流体横向流过单管传热
Nu ? C ? n Re Pr
n 0 .4

C、εn、n 为经验常数。具体数值参见教材P201表4-3。

(2)流体横向流经管束(管簇)的传热

? ? ? ? i Ai / ? Ai
(3)流体在管壳间的对流传热 Nu = 0.36Re0.55Pr1/3(μ/μw)0.14

4、自然对流
Nu ? C ? Pr ? Gr
Gr ?

?

n

3 2 ? ? tgl ? ?

?

2

? ?

C、n为经验常数。具体数值参见教材P204表4-4。

(二)有相变时

5、冷凝传热
膜状冷凝

竖直壁面:
层流:
? ?
1 L

?

L

0

? x dx ? 0 . 943 ?

?

? ? ? L (t s ? t w ) ? ? rg ? ?
2 3 1/ 4

1/ 4

根据实际修正为:

(即再乘以20%)

? rg ? 2 ? 3 ? ? ? 1 . 13 ? ? ? L (t s ? t w ) ? ?

湍流:

? ? 0 . 0077 Re
*

0 .4 L

水平圆管外:

层流:

? rg ? ? ? ? ? 0 . 725 ? ? ? ? d (t s ? t w ) ?
2 3

1/ 4

工业冷凝器是由管束组成的,由n排管束组成的工 业冷凝器的对流传递系数的经验计算公式如下(对于不 同管束排列方式,n值的计算方法不同,具体计算方法 可查阅有关的换热器设计手册):
? ? rg ? ? ? ? 0 . 725 ? ? 2/3 ? n d (t s ? t w ) ? ?
2 3 1/ 4

大容积沸腾传热的传热关系式,可采用
罗森偌提出的经验关联式,见教材P214式4100,式中系数参见教材P214表4-5。

三、 辐射传热
基本概念 ?辐 射:通过电磁波传递能量的现象称为辐射。

?热辐射:物体由于热的原因以电磁波的形式向外发射能

量的过程称为热辐射。
?辐射传热:物体之间相互辐射和吸收能量的过程称为辐 射传热。 ?热辐射线波长:0.4?m~40?m,属可见光、红外线。

?辐射 概念:黑体、灰体、吸收率、黑度、角系数
E b ? ? 0T
4

公式: ? ?

E

? T ? ? 5 . 669 ? ? ? 100 ?

4

-------斯 蒂 芬 — 玻 尔 兹 曼 定 律

?

Eb ? a ------可希霍夫定律:热平衡时,灰体的吸收率在数值
上等于同温度下该物体的黑度
?? T ?4 ? T ?4 ? C 0 ?? 1 ? ? ? 2 ? ? ? 100 ? ? ? ? 100 ? ? ? ? 1 ? ?1 1? ?2 1 ? ? A1? 1 ? 12 A1 A2 ? 2

Q1 ? 2 ?

E b1 ? E b 2 1 ? ?1 A1? 1 ? 1

? 12 A1

?

1? ?2 A2 ? 2

----两灰体组成的封闭体系

二、传热过程计算与换热器
概念:传热的三个环节、传热单元

公式:

LMTD法:
设计型、操作型问题计算、分析

ε-NTU法 :

一、间壁式换热器的传热过程
T2

t1

三个串联传热环节: 热流体侧的对流传热 间壁的导热 冷流体侧的对流传热
T Tw tw t

T1

t2

T2

t1

二、 总传热速率方程
Q ? KA Δ t m ?
1 KA

T Tw tw

Δ tm 1 / KA
T1
t

t2

----称为总传热热阻

1、 Q的计算
无相变时:

Q ? m h c ph ?T 1 ? T 2 ? ? m c c pc ? t 2 ? t 1 ?

有 相 变时 : Q ? mr

2、 总传热系数K的计算

1 KA

?

1

? 1 A1

?

R1 A1

?

b

? Am

?

R2 A2

?

1

? 2 A2

换热器中总传热系数K的范围 在进行换热器的传热计算时,通常需要先估计传热 系数。 P252表5-1列出了常见列管式换热器中传热系数 经验值的大致范围。

4、 传热过程的平均温差?tm的计算
一.恒温差传热
?tm ? T ? t
T ?t t

Q ? KA ? t m

二.变温差传热
T ?t t2

A
T1

0

T2 ?t

t1 A 0

t A T1 0

T1 并流 ?t t1 A 0 T2 t2

t2

逆流 ?t

T2

t1 A 0

T1

Q ? KA

?t 2 ? ?t1 ln ?t2 ?t1

? t1

? KA ? t m
(逆、并流)

t2

逆流 ?t

T2 ?t 2 t1

A

0

因此

?tm ?

? t 2 ? ? t1 ln ?t2 ? t1

---------对数平均温差 (逆、并流)

若流动非逆并流,如错流、折流,则?tm需采用相应的 计算式。
t1

T1

T2

错流

折流

t2

列管式

工程上,为了快速计算, ?tm常用下述温差修正系数法:

? t m ? ? ? t m ,逆

温差修正系数

其中:

? ? F ?P , R ?
t 2 ? t1 T1 ? t1

P ?

?

冷流体的温升 两流体的最初温差

R ?

T1 ? T 2 t 2 ? t1

?

热流体的温降 冷流体的温升

计算时可查图方便求得。

三、传热效率和传热单元数(?-NTU) 1 ) 传热效率(?):

定义为:

? ?

实际传热速率 理论上可能的最大传热

Q 速率 Q max

实际传热速率:

Q ? m h c ph ?T 1 ? T 2 ? ? m c c pc ? t 2 ? t 1 ?

最大可能传热速率:

Q max ? mc

?

p

? ?T
min

1

? t1 ?

当热流体的热容量mhcph最小时:
?h ?
T1 ? T 2 T1 ? t1 ? 热流体实际放出热量速 最大可能传热速率 率
T1 t2 ?t t1 A 0 T2

当冷流体的热容量mccpc最小时:
?c ?
t 2 ? t1 T1 ? t 1 ? 冷流体实际吸收热量速 最大可能传热速率 率

2) 传热单元数

T1

NTU

h

?

T2

?T
t2

dT ?t

A

?

?m
0
A

K x dA
h

?

KA m h c ph

c ph

NTU

c

?

?T
t1

dt ?t

?

?m
0

K x dA
c

?

KA m c c pc

c pc

3) ?-NTU两者关系、
1 ? exp ??1 ? C R ? NTU

? ?

? ?
?

C R ? exp ??1 ? C R ? NTU

(逆流时总传热速率方程)

? ?

1 ? exp ?? ?1 ? C R ? NTU 1? CR

(并流时总传热速率方程)

四、换热器传热过程计算方法
1、LMTD法------对数平均温差法
Q ? K?tm A
Q ? m h c ph ?T 1 ? T 2 ?

Q ? m c c pc ? t 2 ? t 1 ?

1 KA

?

1

? 1 A1

?

R1 A1

?

b

? Am

?

R2 A2

?

1

? 2 A2

?tm ?

?t 2 ? ?t1 ln ?t2 ?t1

(逆、并流)

? t m ? ? ? t m ,逆

(其他流动情况)

2、ε-NTU法——传热效率-传热单元数法 热容量之比CR:C Rh ?
m h c ph m c c pc
C Rc ? m c c pc m h c ph
令CR ?

( m c p ) m in ( m c p ) m ax

传热效率?

?h ?

T1 ? T 2 T1 ? t 1
T1

?c ?

t 2 ? t1 T1 ? t 1
A

均为无因次数群
KA m h c ph
KA m c c pc

传热单元数NTU:
NTU
h

?
t2

T2

?T

dT ?t

?
A

?m
0

K x dA
h

?

c ph
?

NTU

c

?

?T
t1

dt ?t

?

?m
0

K x dA
c

c pc

? ?

C R ? exp ??1 ? C R ? NTU

1 ? exp ??1 ? C R ? NTU

? ?
?

(逆流时总传热速率方程)

? ?

1 ? exp ?? ?1 ? C R ? NTU 1? CR

(并流时总传热速率方程)

五、换热器
设备:列管式换热器的结构
流程选择原则 强化传热措施

列管式换热器的选用和设计原则
1、流体通道的选择 2、 流体流速选择 3、流体两端温度的确定 4、管径、管子排列方式和壳体直径的确定 5、管程和壳程数的确定 6、折流板

列管式换热器设计方法及步骤

根 据 换热 任务 ,选 定一 些参 数, 如流 速、 K 等

试算 A

校 核 K、 A

初 选 换热 器型 号及 规格

传热过程的强化
强化传热目的: 用较少的传热面积或较小的设备完成同样的传热任务(设计),或 力求使换热设备在单位时间、单位面积传递的热量尽可能地大。

Q ? KA ? t m
1. 提 高 ? t m -----程 度 有 限 , 一 般 不 可 随 意 改 变
( 1) 采 用 逆 流 流 动

( 2) 提 高 加 热 剂 温 度 或 降 低 冷 却 剂 温 度 , 但 这 种 方 法 将 受 到 工 艺 条 件 的 限 制 。

2、 增 大 A----设 计 时 可 以 , 操 作 时 不 易 改 变

1

3、 提 高 K

?

1

KA

? 1 A1

?

R1 A1

?

b

? Am

?

R2 A2

?

1

? 2 A2

要设法减小热阻较大项,才能有效地提高 K 值。

第六章 蒸发 总结
? ? ? ? ? ? 蒸发特点 单效蒸发计算(物料衡算、能量衡算) 产生传热温度差损失的原因 多效蒸发流程及其特点 提高生蒸汽热能利用程度的措施 限制效数的原因

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