化工基礎(chǔ)學(xué)習(xí)指導(dǎo).doc

化工基礎(chǔ)學(xué)習(xí)指導(dǎo)緒論 化工基礎(chǔ)學(xué)習(xí)方法化工基礎(chǔ)是一門綜合運用數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等基礎(chǔ)知識，分析和解決化工類型生產(chǎn)中各種物理過程或單元操作問題的工程學(xué)科，是化工類及相近專業(yè)的一門主干課。本課程擔(dān)負(fù)著由理及工、由基礎(chǔ)到專業(yè)的特殊使命，即承擔(dān)著工程科學(xué)與工程技術(shù)的雙重教學(xué)任務(wù)。該課程強(qiáng)調(diào)工程觀點、定量運算、實驗技能及設(shè)計能力的培養(yǎng)，強(qiáng)調(diào)理論與實際的結(jié)合，以提高分析問題、解決問題的能力。1提高學(xué)習(xí)自覺性，發(fā)揮主觀能動性在化工基礎(chǔ)教學(xué)過程中，一般安排“講課課后作業(yè)輔導(dǎo)答疑實踐(實驗和設(shè)計)”等環(huán)節(jié),同學(xué)要與老師密切配合,充分利用好上述環(huán)節(jié), 發(fā)揮主觀能動性和學(xué)習(xí)自覺性,積極思維,并盡可能做到課前預(yù)習(xí),對下次講課的重點難點達(dá)到心中有數(shù),以提高聽課效果。2著重學(xué)習(xí)處理工程問題的方法所有化工生產(chǎn)過程都是十分復(fù)雜的，在研究各個單元操作或化工過程時，要學(xué)會抓關(guān)鍵問題，把握過程實質(zhì)，暫時忽略一些次要因素，把復(fù)雜的工程問題進(jìn)行恰當(dāng)?shù)暮喕幚恚员阌趯嶋H過程進(jìn)行數(shù)學(xué)描述。對于重要方程的推導(dǎo)，要搞清楚為什么要簡化、如何簡化以及簡化處理引入的誤差。3理論聯(lián)系實際，提高知識記憶的永久性和學(xué)習(xí)的實效性化工單元操作是化工生產(chǎn)實踐的總結(jié)和升華，學(xué)習(xí)化工基礎(chǔ)過程中，要注意聯(lián)系生產(chǎn)、科研中遇到的成功或失敗的案例，加深對基本理論的理解，學(xué)會用基本理論解決工程問題，克服死記硬背的呆板學(xué)習(xí)方法。另外，在我們的日常生活中，存在著豐富、生動、直觀的流體流動、傳熱及傳質(zhì)的實例，通過仔細(xì)觀察和研究這些實例，有利于提高學(xué)習(xí)實效、增強(qiáng)記憶、學(xué)活會用，變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)。4采用歸納、綜合和對比的方法，學(xué)會邏輯簡化 化工基礎(chǔ)各章節(jié)之間具有密切的內(nèi)在聯(lián)系和很強(qiáng)的規(guī)律性，通過“傳遞過程原理”和“處理工程問題的方法論”兩條主線把它們有機(jī)的結(jié)合起來，掌握歸納、綜合、對比和邏輯簡化的學(xué)習(xí)方法，可使所學(xué)知識融會貫通，強(qiáng)化對知識的理解和消化。具體做法是：（1）學(xué)完一章（或一個單元操作）之后，要學(xué)習(xí)運用簡練的文字、醒目的格式，把本章的基本理論、主要關(guān)系式及其工程應(yīng)用清晰地表示出來，即從縱向上抓住主干線條，以線帶面，把本章主要內(nèi)容聯(lián)系起來，使知識系統(tǒng)化。例如，流體流動可通過引申的柏努利方程把流體流動的基本規(guī)律及相關(guān)的計算公式有機(jī)地構(gòu)成一個網(wǎng)絡(luò)圖表。同樣地，傳熱這一章可通過總傳熱速率方程這條主線把相關(guān)內(nèi)容有機(jī)地聯(lián)系起來。（2）通過綜合對比掌握各單元操作之間的內(nèi)在聯(lián)系和共性。各單元操作之間，既有各自的特殊性，從而構(gòu)成了自己特定的研究內(nèi)容，同時，各單元操作之間又有密切的內(nèi)在聯(lián)系和統(tǒng)一性，從而構(gòu)成了共同規(guī)律。例如，流體流動（傳動）、傳熱、傳質(zhì)三種傳遞過中，都研究分子傳遞（牛頓粘性定律、傅立葉導(dǎo)熱定律和菲克擴(kuò)散定律）和對流傳遞，采用相同的工程研究方法（因次分析法），而傳熱與傳質(zhì)得到相應(yīng)的準(zhǔn)數(shù)和相似的關(guān)系式。 傳質(zhì)中各單元操作之間更加明顯。各章節(jié)均以單元操作的基本原理（或依據(jù)）為起點，依次討論相平衡關(guān)系、物料衡算（包括總物料衡算及操作線方程）、設(shè)備主體尺寸計算、過程影響因素分析、操作參數(shù)的選擇與調(diào)節(jié)、過程強(qiáng)化等內(nèi)容，這就顯示了相同的規(guī)律和相似的研究方法。但各章節(jié)之間并不是簡單的重復(fù)，而是各章重點各異、特點明顯，而且難點分散，使同學(xué)們學(xué)完每一章都覺得有新的收獲，這些顯示了各章的特殊性。5在討論課中，活學(xué)活用知識在化工基礎(chǔ)教學(xué)環(huán)節(jié)中，習(xí)題課或討論課是訓(xùn)練學(xué)生計算技能和運用所學(xué)知識分析與解決實際問題能力的一種有效途徑。在討論課中，學(xué)生注意力高度集中、思維活躍、積極討論，同學(xué)之間彼此磋商，互相啟發(fā)，拓寬了思路，培養(yǎng)了綜合運用知識、全面看問題的觀念。第一章 流體流動1本章學(xué)習(xí)目的通過學(xué)習(xí)本章，掌握流體流動的基本原理、管內(nèi)流動的規(guī)律，并運用這些原理和規(guī)律去分析和解決流體流動過程中的有關(guān)問題，諸如：（1）流體輸送 流速的選擇、管徑的計算、流體輸送機(jī)械選型。（2）流動參數(shù)的測量 如壓強(qiáng)、流速的測量等。（3）建立最佳條件 選擇適宜的流動參數(shù)，以建立傳熱、傳質(zhì)及化學(xué)反應(yīng)的最佳條件。此外，非均相物系的分離、攪拌（或混合）都是流體力學(xué)原理的應(yīng)用。2本章應(yīng)掌握的內(nèi)容（1）流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用。（2）連續(xù)性方程、柏努利方程的物理意義、適用條件、解題要點。（3）兩種流型的比較和工程處理方法。（4）流動阻力的計算。（5）管路計算和流量測量。一般了解牛頓型和非牛頓型流體的流變特性以及邊界層（邊界層的形成、發(fā)展和邊界層分離）的概念。3本章學(xué)習(xí)中應(yīng)注意的問題（1）流體力學(xué)屬于基礎(chǔ)理論，它可傳熱、傳質(zhì)之間存在著密切的聯(lián)系和內(nèi)在的相似性，要以流體力學(xué)為起點，認(rèn)真學(xué)習(xí)，打好基礎(chǔ)。（2）應(yīng)用流體力學(xué)原理解題要繪圖，正確選取衡算范圍，解題要規(guī)范、完整。（3）注意學(xué)習(xí)處理復(fù)雜工程問題的方法，增強(qiáng)工程觀點。4本章學(xué)習(xí)要點41概述411流體的分類和特性氣體和液體統(tǒng)稱為流體。流體有多種分類方法：（1）按狀態(tài)分為氣體、液體和超臨界流體等。（2）按可壓縮性分為不可壓縮流體和可壓縮流體。（3）按是否忽略分子間作用力分為理想流體和粘性流體（或?qū)嶋H流體）。（4）按流變特性分為牛頓型和非牛頓型流體。流體的特性為流動性、易變形（隨容器形狀）、流動時產(chǎn)生內(nèi)摩擦，從而構(gòu)成了流體力學(xué)原理研究的復(fù)雜內(nèi)容之一。412作用在流體上的力外界作用在流體上的力分為兩種：（1）質(zhì)量力（又稱體積力） 流體受力大小與其質(zhì)量成正比，如重力和離心力。（2）表面力 該力與流體的表面積成正比。表面力又分為壓力（垂直作用于表面上）和剪力（平行作用于表面上）兩類。靜止流體只受到質(zhì)量力和壓力的作用，而流動流體則同時受到質(zhì)量力、壓力和剪力的作用。413流體流動的考察方法4131流體的連續(xù)介質(zhì)模型該模型假定，流體是連續(xù)分布的流體質(zhì)點所組成，流體的物理性質(zhì)及運動參數(shù)在空間作連續(xù)分布，可用連續(xù)函數(shù)的數(shù)學(xué)工具加以描述。4 132流體流動的描述方法對于流體的流動，兩種描述方法：（1）拉格朗日法 跟蹤質(zhì)點，描述其運動參數(shù)（位移、速度等）隨時間的變化規(guī)律。研究流體質(zhì)點的運動軌線即采用此法。 （2）歐拉法 在固定空間位置上觀察流體質(zhì)點的運動狀況（如空間各點的速度、壓強(qiáng)、密度等）。流體的流線即采用此法。 研究化工生產(chǎn)中某一設(shè)備內(nèi)（控制體）流體的流動狀況，大都采用歐拉法。414定態(tài)流動與非定態(tài)流動 在流動系統(tǒng)中，各截面上流體的有關(guān)參數(shù)（物性、流速、壓強(qiáng)等）僅隨位置而變，不隨時間而變的流動稱為定態(tài)流動。流體流動的有關(guān)物理量隨位置和時間均發(fā)生變化，則稱為非定態(tài)流動。 本章重點討論不可壓縮牛頓型粘性流體在管內(nèi)的連續(xù)定態(tài)流動。42流體靜力學(xué)基本方程式 本節(jié)討論流體在重力及壓力作用下的平衡規(guī)律及其工程應(yīng)用。421流體的密度與靜壓強(qiáng)4211流體的密度 單位體積的流體所具有的流體質(zhì)量稱為密度，以表示，單位為kg/m3。（1）流體的密度基本上不隨壓強(qiáng)變化，隨溫度略有改變，可視為不可壓縮流體。純液體密度值可查教材附錄或手冊?；旌弦旱拿芏龋?kg為基準(zhǔn)，可按下式估算：（2）氣體的密度隨溫度和壓強(qiáng)而變，可視為可壓縮流體。當(dāng)可當(dāng)作理想氣體處理時，用下式估算： 或 對于混合氣體，可采用平均摩爾質(zhì)量Mm代替上式中的M，即4212流體的靜壓強(qiáng)垂直作用于流體單位面積上的表面力稱為流體的靜壓強(qiáng)，簡稱壓強(qiáng)，俗稱壓力，以p表示，單位為Pa。 在連續(xù)靜止的流體內(nèi)部，壓強(qiáng)為位置的函數(shù)，任一點的壓強(qiáng)與作用面垂直，且在各個方向上都具有相同的數(shù)值。 壓強(qiáng)可有不同的表示方法：（1）根據(jù)壓強(qiáng)基準(zhǔn)選擇的不同，可用絕壓、表壓、真空度（負(fù)表壓）表示。表壓和真空度分別用壓強(qiáng)表和真空表度量。表壓強(qiáng)=絕對壓強(qiáng)-大氣壓強(qiáng)；真空度=大氣壓強(qiáng)-絕對壓強(qiáng) （2）工程上常采用液柱高度h表示壓強(qiáng)，其關(guān)系式為p=hg422流體靜力學(xué)基本方程式4221基本方程的表達(dá)式對于不可壓縮流體，有： 或 4222流體靜力學(xué)基本方程的應(yīng)用條件及意義流體靜力學(xué)基本方程式只適用于靜止的連通著的同一連續(xù)的流體。該類式子說明在重力場作用下，靜止液體內(nèi)部的壓強(qiáng)變化規(guī)律。平衡方程的物理意義為：（1）總勢能守恒 流體靜力學(xué)基本方程式表明，在同一靜止流體中不同高度的流體微元，其靜壓能和位能各不相同，但其兩項和（稱為總勢能）卻保持定值。（2）等壓面的概念 當(dāng)液面上方壓強(qiáng)p0一定時，p的大小是液體密度和深度h的函數(shù)。在靜止的連續(xù)的同一液體內(nèi)，處于同一水平面上各點的壓強(qiáng)都相等。（3）傳遞定律 當(dāng)p0變化時，液體內(nèi)部各點的壓強(qiáng)p也發(fā)生同樣大小的變化。（4）液柱高度表示壓強(qiáng)或壓強(qiáng)差 改寫流體靜力學(xué)基本方程式可得： 上式說明壓強(qiáng)差（或壓強(qiáng)）可用一定高度的液體柱表示，但一定注明是何種液體。423流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用以流體靜力學(xué)基本方程式為依據(jù)可設(shè)計出各種液柱壓差計、液位計，可進(jìn)行液封高度計算，根據(jù)的大小判斷流向。但需特別注意，U形管壓差計讀數(shù)反映的是兩測量點位能和靜壓能兩項和的差值。應(yīng)用靜力學(xué)基本方程式還應(yīng)注意壓強(qiáng)的表示方法（決壓、表壓與真空度）及不同單位之間換算關(guān)系。應(yīng)用靜力學(xué)基本方程式進(jìn)行計算時，關(guān)鍵一環(huán)是等壓面的準(zhǔn)確選取。43流體流動的基本原理 本節(jié)主要討論質(zhì)量和能量守恒原理。431定態(tài)流動系統(tǒng)的連續(xù)性方程式在定態(tài)流動系統(tǒng)中，對直徑不同的管段作物料衡算，以1s為基準(zhǔn)，則得到 常數(shù)當(dāng)流體可視為不可壓縮時，密度可視為常數(shù)，則有 常數(shù)對于可壓縮流體，為方便計算，引入質(zhì)量流的概念，即 連續(xù)性方程式是定態(tài)流動系統(tǒng)中質(zhì)量守恒原理的體現(xiàn)。應(yīng)用連續(xù)性方程時，應(yīng)注意如下兩點：（1）在衡算范圍內(nèi)，流體充滿管道，并連續(xù)不斷地從上游截面流入，從下游截面流出。（2）連續(xù)性方程式反映了定態(tài)流動系統(tǒng)中，流量一定時，管路各截面上流速的變化規(guī)律。此規(guī)律與管路的安排和管路上是否裝有管件、閥門及輸送機(jī)械無關(guān)。這里的流速指單位管道橫截面上的體積流量，即 對于不可壓縮流體，流速和管徑的關(guān)系為 當(dāng)流量一定且選定適宜流速時，利用連續(xù)性方程可求算輸送管路的管徑，即 用上式計算出管徑后，要根據(jù)管子系列規(guī)格選用標(biāo)準(zhǔn)管徑。432機(jī)械能衡算方程式柏努利方程式 柏努利方程是流體流動中機(jī)械能守恒和轉(zhuǎn)化原理的體現(xiàn)，它描述了流入和流出一個系統(tǒng)的流體量和流動參數(shù)之間的定量關(guān)系。推導(dǎo)柏努利方程式的思路是：從解決流體輸送問題的實際需要出發(fā)，采用逐漸簡化的方法（或反之），即進(jìn)行流動系統(tǒng)的總能量橫酸（包括熱能和內(nèi)能）、流動系統(tǒng)的機(jī)械能衡算（消去熱能和內(nèi)能）、不可壓縮流體定態(tài)流動的機(jī)械能衡算。 1kg流動流體具有的各項能量（J/kg）示于下表 表1-1 1kg流動流體具有的能量內(nèi)能位能動能靜壓能加入熱量加入功輸入系統(tǒng)U1gZ1流出系統(tǒng)U2gZ24321具有外功加入、不可壓縮粘性流體定態(tài)流動的柏努利方程為 式中的為輸送機(jī)械對1kg流體所作的有效功，或1kg流體從輸送機(jī)械獲得的有效能量。式中各項單位均為J/kg。當(dāng)流體不流動時，u=0，也不需要加入外功，于是有：可見流體靜力學(xué)基本方程式為柏努利方程式的一個特例。4322理想流體的柏努利方程式理想流體作定態(tài)流動時不產(chǎn)生流動阻力，即，若又無外功加入，即=0，則得理想流體定態(tài)流動的機(jī)械能衡算方程式（理想流體的柏努利方程式）： 此式表明，理想流體作定態(tài)流動時，任一截面上1kg流體所具有的位能、靜壓能與動能之和為定值，但各種形式的機(jī)械能可以互相轉(zhuǎn)換。4323柏努利方程式的討論 （1）柏努利方程式的適用條件 由推導(dǎo)過程可知，柏努利方程式適用于不可壓縮流體定態(tài)連續(xù)流動。（2）理想流體的機(jī)械能守恒和轉(zhuǎn)化 1kg理想流體流動時的總機(jī)械能是守恒的，但不同形式的機(jī)械能可互相轉(zhuǎn)化。（3）注意區(qū)別式中各項能量所表示的意義 式中的gZ、u2/2、p/指某截面上1kg流體所具有的能量；為兩截面間沿程的能量消耗，它不能再轉(zhuǎn)化為其他機(jī)械能；是1kg流體在兩截面間獲得的能量，是輸送機(jī)械重要參數(shù)之一。由可選擇輸送機(jī)械并計算其有效功率，即 若已知輸送機(jī)械的效率，則可計算軸功率，即：（4）柏努利方程式的基準(zhǔn) 1N流體（工程制柏努利方程式）：式中各項單位均為J/N或m。He為輸送機(jī)械的有效壓頭，Hf為壓頭損失，Z、u2/2g、p/g分別稱為位壓頭、動壓頭和靜壓頭。1m3流體：式中各項單位均為J/m3或Pa。HT稱為風(fēng)機(jī)的全風(fēng)壓，是選擇風(fēng)機(jī)的重要參數(shù)之一。（5）柏努利方程式的推廣可壓縮流體的流動：若索取系統(tǒng)中兩截面間氣體壓強(qiáng)變化小于原來絕對壓強(qiáng)的20%時，則用兩截面間流體的平均密度代替。非定態(tài)流動：對于非定態(tài)流動的任一瞬間，柏努利方程式仍成立。44流體在管內(nèi)的流動規(guī)律及流動阻力 本節(jié)通過簡要分析在微觀尺度上流體流動的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，最終解決管截面上的速度分布及流動阻力計算問題。441兩種流型4411雷諾實驗和雷諾準(zhǔn)數(shù)為了研究流體流動時內(nèi)部質(zhì)點的運動情況及影響因素，雷諾于1883年設(shè)計了雷諾實驗。通過實驗觀察到流體質(zhì)點速度的變化流體顯示出兩種基本流型滯流和湍流。實驗中發(fā)現(xiàn)三種因素影響流型，即流體的性質(zhì)（主要為、）、設(shè)備情況（主要為d）及操作參數(shù)（主要為u）。對一定的流體和設(shè)備，可調(diào)參數(shù)為u。雷諾綜合如上因素整理出一個無因次數(shù)群雷諾準(zhǔn)數(shù)：是一個無因次數(shù)群，無論何種單位制，只要各物理量單位一致，所得值必相同。其數(shù)值反映流體流動的慣性力與粘性力的比值，即流體質(zhì)點的湍動程度，并作為流動類型的判據(jù)。根據(jù)經(jīng)驗，當(dāng)2000時為滯流，當(dāng)2000時為湍流。4412牛頓粘性定律及流體的粘性當(dāng)流體在管內(nèi)滯流流動時，內(nèi)摩擦應(yīng)力可用牛頓粘性定律表示，即：。遵循牛頓粘性定律得流體為牛頓型流體，所有的氣體和大多數(shù)液體屬于這一類型。不服從牛頓粘性定律的流體則為非牛頓型流體。由上式可得流體動力粘度（簡稱粘度）的表達(dá)式： 使流體產(chǎn)生單位速度梯度的剪應(yīng)力即為流體的粘度，它是流體的物理性質(zhì)之一。單位換算：4423滯流與湍流的比較流型滯（層）流湍（紊）流判據(jù)20002000質(zhì)點的運動情況沿軸向作直線運動，不存在橫向混合和質(zhì)點碰撞不規(guī)則雜爛運動，質(zhì)點碰撞和劇烈混合。脈動是湍流的基本特點管內(nèi)速度分布拋物線方程壁面處，管中心碰撞和混合使速度平局化壁面處，管中心邊界層滯流層厚度等于管子的半徑層流底層緩沖層湍流層直管阻力粘性內(nèi)摩擦力，即牛頓粘性定律粘性應(yīng)力+湍流應(yīng)力，即 （e為渦流粘度，不是物性，與流動狀況有關(guān)）應(yīng)注意搞清如下概念：流體在圓形管進(jìn)口段內(nèi)的流動完成了邊界層的形成和發(fā)展的過程。邊界層在管中心匯合時，邊界層厚度等于半徑，以后進(jìn)入完全發(fā)展了的流動。當(dāng)邊界層在管中心匯合時，若邊界層內(nèi)為滯流，即整個邊界層均為滯流層；若邊界層為湍流，則管內(nèi)流動為湍流。湍流時邊界內(nèi)存在滯流內(nèi)層、緩沖層及湍流區(qū)。愈大，湍動愈劇烈，滯流內(nèi)層愈薄，流動阻力也愈大。邊界層的分離，加大了流體流動的能量損失，除粘性阻力外，還增加了形體阻力，二者總稱為局部阻力。測量管內(nèi)流動參數(shù)（流速、壓強(qiáng)等）的儀表應(yīng)安裝在進(jìn)口段以后的流動完全發(fā)展了的平直管段上。442流體在管內(nèi)的流動阻力流體在管內(nèi)的流動阻力由直管阻力和局部足聯(lián)兩部分構(gòu)成，即 阻力產(chǎn)生的根源是流體具有粘性，流動時產(chǎn)生內(nèi)摩擦；固體表面促使流體流動時其內(nèi)部發(fā)生相對運動，提供了流動阻力產(chǎn)生的條件。流動阻力大小與流體性質(zhì)（、）、壁面情況（或d）及流動狀況（u或）有關(guān)。流動阻力消耗了機(jī)械能，表現(xiàn)為靜壓能的降低，稱為壓強(qiáng)降，用表示。注意區(qū)別壓強(qiáng)降與兩個截面的壓強(qiáng)差的概念。（1） 直管阻力直管阻力的通式（范寧公式）：層流時的摩擦系數(shù)（解析法）層流時的摩擦系數(shù)僅是的函數(shù)而與相對粗糙度d無關(guān)，可用解析法找出與的關(guān)系，同時對滯流流動取得內(nèi)部結(jié)構(gòu)作一分析。滯流時管截面上的速度分布式為：由此式可得出如下幾個結(jié)論：a流體在管內(nèi)作滯流流動時，速度分布為拋物線方程。b在管中心線上，速度最大，。c在管壁處，速度為零。d管截面上的平均速度為管中心處最大速度的一半，即e將d=2R帶入上式并整理得哈根泊謖葉公式，即 或 上式表明，滯流時壓降或能量損失與速度的一次方成正比。f，層流時的摩擦系數(shù)：湍流時的摩擦系數(shù)（因次分析法）由于影響湍流流動阻力因素的復(fù)雜性，不能從理論上定量推導(dǎo)出過程本征方程，故需采用實驗研究方法。指導(dǎo)實驗研究的理論基礎(chǔ)是因次分析法。因次分析的基礎(chǔ)是因次一致原則和定理，其實質(zhì)是用無因次數(shù)群代替物理變量，以減少實驗工作量，關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的工作也會有所簡化，并且有利于實驗結(jié)果的相似推廣。但需注意，經(jīng)過因次分析得到的無因次數(shù)群的函數(shù)式后，尚需通過實驗確定具體的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式或半理論公式，亦即因次分析不能代替實驗。對于水力光滑管，當(dāng)時，實驗測得：(柏拉修斯公式)又如考萊布魯克公式：，此式適用于湍流區(qū)的光滑管與粗糙管直至完全湍流區(qū)。在完全湍流區(qū)對的影響小，式中含項可忽略。對于粗糙管，為使工程計算方便，在雙對數(shù)坐標(biāo)中，以d為參數(shù)，標(biāo)繪與的關(guān)系，得到教材上所示的關(guān)系圖。從圖上可看出三個不同的區(qū)域：滯流區(qū)：2000 ；完全湍流區(qū)（阻力平方區(qū)）：，于無關(guān)。需強(qiáng)調(diào)指出，在湍流區(qū)，當(dāng)d一定時，加大，變小；當(dāng)一定時，隨d的增加而增大。顯然，在完全湍流區(qū)，壓強(qiáng)降或能量損失與速度的平方成正比。的關(guān)系曲線適用于牛頓流體。圓形管內(nèi)實驗結(jié)果的推廣非圓形管的當(dāng)量直徑流體在非圓形管內(nèi)作定態(tài)流動時，其阻力損失仍可用計算，但應(yīng)將式中及中的圓管直徑d以當(dāng)量直徑來代替。，流通截面積A/潤濕周邊。應(yīng)用當(dāng)量直徑進(jìn)行計算時需注意如下幾點：a對滯流摩擦系數(shù)的計算式需進(jìn)行修正，即，式中c為無因次系數(shù)，其值隨流道形狀而變。b不能用來計算流體通過的截面積、流速和流量。（2） 局部阻力為克服局部阻力所引起的能量損失有兩種計算方法，即局部阻力系數(shù)法和當(dāng)量長度法，其計算公式為： 及 。常用管件、閥門、突然擴(kuò)大或縮小的局部阻力系數(shù)值和當(dāng)量長度值可查有關(guān)教材。在工程計算中，一般取入口的局部阻力系數(shù)為0.5，而出口的局部阻力系數(shù)為1.0。計算局部阻力時應(yīng)注意兩點：若流動系統(tǒng)的下游截面取在管道出口，則柏努利方程式中的動能項和出口阻力系數(shù)值即為1.0。用公式或計算突然擴(kuò)大或縮小的局部阻力時，式中的u均應(yīng)取細(xì)管中的流速值。（3） 管路系統(tǒng)的總能量損失由上式可分析欲減小管路系統(tǒng)總阻力損失可能采取的措施，諸如：合理布局，盡量減小管長，少裝不必要的管件、閥門。適當(dāng)加大管徑及盡量選用光滑管。可能的條件下，將氣體壓縮或液化后輸送。高粘度液體（如原油）可采用加熱伴管輸送。允許的話在液體中加入減阻劑。高強(qiáng)度磁力降粘減阻。對管壁面進(jìn)行預(yù)處理低表面能涂層或小尺度肋條結(jié)構(gòu)。與此同時也應(yīng)注意，有些情況下為了某種工程目的，特意造成邊界層分離或有意增加能量損失，如節(jié)流流量計的設(shè)計、液體攪拌、傳熱及傳質(zhì)過程的強(qiáng)化等。45柏努利方程的工程應(yīng)用柏努利方程、連續(xù)性方程與能量損失方程的結(jié)合，可解決流體流動中各種有關(guān)問題，諸如：確定管路中流體的流速或流量。確定容器間的相對位置。確定輸送機(jī)械的有效軸功率。確定管路中流體的壓強(qiáng)。進(jìn)行管路計算。根據(jù)流通力學(xué)原理設(shè)計各種流量計。本部分扼要討論、兩類問題的計算原則。451管路計算管路計算分兩種類型，他們是：設(shè)計型計算 即給定輸送任務(wù)，設(shè)計合理的輸送管路系統(tǒng)，關(guān)鍵是選管徑。操作型計算 對給定的管路系統(tǒng)求流量或?qū)σ?guī)定的輸送流量計算壓強(qiáng)降或有效功。除求壓強(qiáng)降外，一般需試差計算。（1）簡單管路計算簡單管路是由等徑或異徑管段串聯(lián)而成的管路。流通經(jīng)過各管段的流量相等，總阻力損失等于各管段損失之和。（2）并聯(lián)管路計算流體流經(jīng)如圖所示的并聯(lián)管路系統(tǒng)時，遵循如下原則：主管總流量等于各并聯(lián)分管段之和，即各并聯(lián)管段的壓強(qiáng)降相等，即 各并聯(lián)管路中流量分配按等壓強(qiáng)降原則計算，即（3）分支管路計算流體流經(jīng)如圖所示的分支管路系統(tǒng)時，遵循如下原則：主管總流量等于各支管流量之和，即各單位質(zhì)量流體在各支管流動終；了時的機(jī)械能與能量損失之和相等，即流經(jīng)各支管的流量或流速必須服從上兩式得關(guān)系。452流量的測量根據(jù)流體流動時各種機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換關(guān)系而設(shè)計的流量計或流速計有如下兩種類型。（1）變壓差（定截面）流量計測速管（皮托管）、孔板流量計、噴嘴和文丘里流量計等均屬變壓差流量計。其中，除測速管測量點速度以外，其余三種測得的均是管截面上的平均速度。對于這類流量計，若采用U形管壓差計讀數(shù)R表示壓強(qiáng)差，則流量通式可寫作式中C為流量系數(shù)，測速管、噴嘴和文丘里流量計的C都接近1；而孔板流量計的C在0.60.7之間為宜，對于角接取壓法的C0可由有關(guān)圖查取。在變壓差流量計中，測速管、噴嘴和文丘里流量計的流體阻力很小；孔板流量計的U形管壓差計讀數(shù)R對流量變化反應(yīng)靈敏，但其缺點是流體流經(jīng)孔板前后能量損失較大，該損失稱為永久損失。 （2）變截面（恒壓差）流量計轉(zhuǎn)子流量計轉(zhuǎn)子流量計讀取流量方便，直觀性好，能量損失小，測量范圍寬，可用于腐蝕性流體的測量，但不能用于高溫高壓的場合，且安裝的垂直度要求較高。轉(zhuǎn)子流量計的流量公式為： 式中的CR為流量系數(shù)，其值接近于1。轉(zhuǎn)子流量計的刻度與被測流體的密度有關(guān)。當(dāng)被測流體的密度不同于標(biāo)定介質(zhì)密度時，需對原刻度加以校正。若兩種情況下流量系數(shù)CR相等，并忽略粘度差別的影響，則同一刻度下，兩種液體的流量關(guān)系為同理用于氣體的流量計，同一刻度下，兩種氣體的流量關(guān)系為5本章小結(jié) 本章以柏努利方程為主線，把相關(guān)的內(nèi)容有機(jī)地聯(lián)系起來，形成清晰的網(wǎng)絡(luò)，如下圖： 應(yīng)用柏努利方程解題步驟： 根據(jù)題意繪出流程示意圖，標(biāo)明流體流動方向。 確定衡算范圍，選取上、下游截面，選取截面的原則是：兩截面均與流體流動方向相垂直；其次，兩截面之間流體必須是連續(xù)的；第三，待求的物理量應(yīng)該在某截面上或兩截面間出現(xiàn)；第四，截面上的已知條件最充分，且兩截面上的u、p、Z兩截面間的都應(yīng)相對應(yīng)一致。 選取基準(zhǔn)水平面，基準(zhǔn)面必須與地面平行；為簡化計算，常使所選的基準(zhǔn)面通過某一衡算截面。 各物理量必須采用一致的單位制，同時，兩截面上壓強(qiáng)的表示方法要一致。第二章 流體輸送機(jī)械1 本章學(xué)習(xí)目的 本章是流體力學(xué)原理的應(yīng)用。通過學(xué)習(xí)掌握工業(yè)上最常用的流體輸送機(jī)械的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及操作特征，以便根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，合理地選擇和正確使用輸送機(jī)械，以實現(xiàn)高效、可靠、安全的運行。2本章應(yīng)掌握的內(nèi)容 本章應(yīng)重點掌握離心泵的工作原理、操作特性及選型。 通過和離心泵的對比，掌握其他液體和氣體輸送機(jī)械的特性。3 本章學(xué)習(xí)中應(yīng)注意的問題在學(xué)習(xí)過程中，加深對流體力學(xué)原理的理解，從工程應(yīng)用角度出發(fā)，達(dá)到經(jīng)濟(jì)、高效、安全地實現(xiàn)流體輸送。4 本章學(xué)習(xí)要點41概述411管路系統(tǒng)對流體輸送機(jī)械的要求流體輸送是化工生產(chǎn)及日常生活中最常見、最重要的單元操作之一。從輸送的工程目的出發(fā)，了解管路系統(tǒng)（體現(xiàn)為管路特性曲線）對輸送機(jī)械的要求：應(yīng)滿足工藝上對流量及能量（壓頭、風(fēng)壓或壓縮比）的要求。結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，設(shè)備費低。操作效率高，日常操作費用低。能適應(yīng)物料特性（如粘度、腐蝕性、含固體物質(zhì)等）要求。412輸送機(jī)械的分類根據(jù)被輸送流體的種類或狀態(tài)分類通常將輸送液體的機(jī)械稱為泵，將輸送氣體的機(jī)械但其產(chǎn)生的壓強(qiáng)的高低分別稱為通風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)及真空泵。結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，設(shè)備費低。按照工作原理，流體輸送機(jī)械大致可分為如下四類：離心式回轉(zhuǎn)式往復(fù)式流體作用式液體輸送離心泵、旋渦泵及軸流泵齒輪泵、螺桿泵往復(fù)泵、計量泵噴射泵、酸泵氣體輸送離心式通風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)羅茨鼓風(fēng)機(jī)、液環(huán)壓縮機(jī)與真空泵往復(fù)壓縮機(jī)蒸汽噴射泵42液體輸送機(jī)械 一般地講，根據(jù)流量和壓頭的關(guān)系，液體輸送機(jī)械分為離心式（離心泵、旋渦泵）和正位移泵（包括上表中的旋轉(zhuǎn)式與往復(fù)式）兩大類。兩種類型泵都有其自身特點和適用場合，在設(shè)計和使用時應(yīng)視具體做出正確選擇。421離心泵 離心泵不僅因其結(jié)構(gòu)簡單、流量均勻、易于控制及調(diào)節(jié)、可耐腐蝕材料制造等優(yōu)點，因而應(yīng)用廣泛。而且還在于將其作為流體力學(xué)的一個實例，具有典型性。4211離心泵的工作原理和基本結(jié)構(gòu)（1）工作原理 依靠高速旋轉(zhuǎn)的葉輪，液體在貫性離心力作用下自葉輪中心被拋向外周并獲得能量，最終體現(xiàn)為液體靜壓能的增加。 圍繞工作原理，應(yīng)搞清如下概念和術(shù)語：無自吸力，啟動前要“灌泵”，吸入管路安裝單向底閥，以避免氣縛現(xiàn)象發(fā)生。（2）基本結(jié)構(gòu) 離心泵的基本結(jié)構(gòu)分為兩部分：供能裝置葉輪，按機(jī)械結(jié)構(gòu)分為閉式、半閉式與開式；按吸葉方式分為單吸式（注意軸向推力及平衡孔）、雙吸式兩種；按葉片形狀分后彎、經(jīng)向及前彎。集液及轉(zhuǎn)能裝置蝸殼及導(dǎo)向輪。蝸牛形泵殼、后彎葉片及導(dǎo)向輪均可使動能有效地轉(zhuǎn)化為靜壓能，提高泵的效率。另外，泵的軸封裝置有填料函、機(jī)械（端面）密封兩種。4212離心泵的基本方程式離心泵的基本方程式是從理論上描述在理想情況下離心泵可能達(dá)到的最大壓頭（又稱揚程）與泵的結(jié)構(gòu)、尺寸、轉(zhuǎn)速及液體流量諸因素之間關(guān)系的表達(dá)式。由于影響因素的復(fù)雜性，很難提出一個定量表達(dá)上述諸因素之間關(guān)系的方程，工程上常采用數(shù)學(xué)模型法來研究次類問題。數(shù)學(xué)模型法是半經(jīng)驗半理論的方法。該方法是在對實際過程的機(jī)理進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，抓住過程的本質(zhì)，做出某些合理簡化，建立物理模型，進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，得到數(shù)學(xué)模型，再通過實驗測定模型參數(shù)。具體到液體在葉輪中的負(fù)載運動，首先作一些簡化假設(shè)，即葉輪為具有無限多、無限薄的葉片組成的理想葉輪。被輸送的是理想液體。泵內(nèi)液體為定態(tài)流動過程。按上面簡化假設(shè)，提出了速度三角形的物理模型，依離心力做功為基礎(chǔ)，推導(dǎo)離心泵的基本方程式。離心泵的基本方程式的推導(dǎo)緊緊扣住一個主題提高液體的靜壓能。離心泵的基本方程式有如下兩種表達(dá)方式。A 離心泵的工作原理表達(dá)式 下標(biāo)1、2表示葉片的入扣和出口。該式說明離心泵的理論壓頭由兩部分組成，其右邊前兩項代表液體流經(jīng)葉輪后所增加的靜壓能，以表示；最后一項說明液體流經(jīng)葉輪后所增加的動能，以表示，其中有一部分轉(zhuǎn)化為靜壓能，即 ，則 B 分析影響因素的表達(dá)式 泵的理論流量表達(dá)式為：式中為液體葉輪出口處絕對速度的徑向分量，m/s。公式表明了離心泵的理論壓頭與理論流量、葉輪的轉(zhuǎn)速和直徑、葉片幾何形狀之間的關(guān)系，用于分析各項因素對的影響，即離心泵的理論壓頭隨葉輪轉(zhuǎn)速與直徑的增大而提高，此即比例定律與切割定律的理論依據(jù)。對后彎葉片：，這種結(jié)構(gòu)可減小能量損失，增加靜壓能，提高效率。對后彎葉片：，理論壓頭隨理論流量的增加而下降，即式中 離心泵的理論壓頭與液體的密度無關(guān)，但泵出口的壓強(qiáng)與液體密度成正比。4213離心泵的性能參數(shù)與特性曲線（1）離心泵的性能參數(shù) 離心泵的主要性能參數(shù)包括如下四項，即流量Q：離心泵在單位時間內(nèi)排送到管路系統(tǒng)的液體體積，單位為m3/s或m3/h。Q與泵的結(jié)構(gòu)、尺寸、轉(zhuǎn)速等有關(guān)，還受管路特性的影響。附圖1 離心泵性能參數(shù)測定裝置壓頭H：離心泵的壓頭又稱揚程，它是指離心泵對單位重量（1N）液體所提供的有效能量，單位為m。H與泵的結(jié)構(gòu)、尺寸、轉(zhuǎn)速及流量有關(guān)。泵壓頭H通常在特定轉(zhuǎn)速下采用如圖所示的裝置用清水來測定。其測定式為：由于兩測壓口之間管路很短，其間的壓頭損失忽略不計。效率：效率用來反映離心泵中容積損失、機(jī)械損失和水力損失三項能量損失的總影響，稱為總效率。一般小型泵為50%70%，大型泵的效率可達(dá)90%。有效功率和軸功率（2）離心泵的特性曲線 表示離心泵的壓頭H、功率N、效率與流量Q之間的關(guān)系曲線稱離心泵的特性曲線或工作性能曲線。特性曲線是在固定轉(zhuǎn)速下用20的清水于常壓下由實驗測定。對離心泵的特性曲線，應(yīng)掌握如下要點：每種型號的離心泵在特定轉(zhuǎn)速下有其獨有的特性曲線。在固定轉(zhuǎn)速下，離心泵的流量和壓頭不隨被輸送流體的密度而變，泵的效率也不隨密度而變，但泵的軸功率與液體的密度成正比。當(dāng)Q=0時，軸功率最低，啟動泵和停泵應(yīng)關(guān)出口閥。停泵關(guān)閉出口閥還防止設(shè)備內(nèi)液體倒流、防止損壞泵的葉輪的作用。若被輸送液體粘度比清水的大得多時（運動粘度），泵的流量、壓頭都減小，效率下降，軸功率增大。，即泵原來的特性曲線不再適用，需要進(jìn)行換算。當(dāng)離心泵的轉(zhuǎn)速或葉輪直徑發(fā)生變化時，其特性曲線需要進(jìn)行換算。在忽略效率變化的前提下，采用如下兩個定律進(jìn)行換算：比例定律：； 切割定律：；離心泵銘牌上所標(biāo)的流量和壓頭，是泵在最高效率點所對應(yīng)的性能參數(shù)（Qs、Hs、Ns），稱為設(shè)計點。泵應(yīng)在高效區(qū)（即92%的范圍內(nèi)）工作。4224離心泵的工作點與流量調(diào)節(jié)（1）管路特性方程式及特性曲線 在特定管路系統(tǒng)中，于一定條件下工作時，若輸送管路的直徑均一，忽略摩擦系數(shù)隨Re的變化，則上式可寫作：。此式即管路特性方程式，它表明管路中液體的流量Qe與壓頭He之間的關(guān)系。表示He與Qe的關(guān)系曲線稱為管路特性曲線。（2）離心泵的工作點 聯(lián)立求解管路特性方程式和離心泵的特性方程式所得的流量和壓頭即為泵的工作點。若將離心泵的特性曲線HQ與其所在管路特性曲線HeQe繪于同一座標(biāo)上，兩交點M稱為泵在該管路上的工作點。如附圖2所示。該點所對應(yīng)的流量和壓頭既能滿足管路系統(tǒng)要求，又能為泵所能提供。需要強(qiáng)調(diào)指出，同一臺離心泵裝在不同管路系統(tǒng)時，轉(zhuǎn)速固定，泵的特性曲線并不發(fā)生變化，但泵的工作點確受管路特性所制約。這一點講在后面舉例說明。(3)離心泵的流量調(diào)節(jié) 離心泵的流量調(diào)節(jié)即改變泵的工作點，可通過改變管路特性或泵的特性來實現(xiàn)。改變管路特性：調(diào)節(jié)泵的出口閥的開度便改變了管路特性曲線，從而改變了泵的工作點。此法操作簡便，工程上廣泛采用，其缺點是關(guān)小閥門時，額外增加了動力消耗，不夠經(jīng)濟(jì)。改變泵的特性：在冬季和夏季送水量相差較大時，用比例定律或切割定律改變泵的性能參數(shù)或特性曲線，此法甚為經(jīng)濟(jì)。附圖2 離心泵特性曲線與工作點泵的并聯(lián)或串聯(lián)操作：泵的并聯(lián)或串聯(lián)操作按下列三個原則選擇：單臺泵的壓頭低于管路系統(tǒng)所要求的壓頭時，只能選擇泵的串聯(lián)操作；對高阻型管路系統(tǒng)（即管路特性曲線較陡，如圖2-3中曲線1），兩臺泵串聯(lián)時可獲得較大流量，如圖中的（串聯(lián)） （并聯(lián)）（單臺）；對低阻型管路系統(tǒng)（即管路特性曲線較平坦，如圖2-3中曲線2），兩臺泵并聯(lián)時可獲得較大流量，如圖中的（并聯(lián)） （串聯(lián)）（單臺）。4215離心泵的安裝高度離心泵的安裝高度受液面的壓強(qiáng)、流體的性質(zhì)及流量、操作溫度及泵的本身性能所影響。安裝合理的泵，在一年四季操作中都不應(yīng)該發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。（1）離心泵的安裝高度的限制 在附圖1所示的貯槽液面（為00截面）與離心泵吸入口截面（為11截面）之間列柏努利方程式，得 若液面上方為大氣壓強(qiáng)，則上式變?yōu)椋?離心泵的安裝高度受吸入口附近最低允許壓強(qiáng)的限制，其極限值為操作條件下液體的飽和蒸汽壓。泵的吸入口附近壓強(qiáng)等于或低于，將發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。泵的揚程較正常值下降3%以上即標(biāo)志著氣蝕現(xiàn)象產(chǎn)生。氣蝕的危害是：泵體產(chǎn)生振動和噪音。泵的性能（Q、H、）下降。泵殼及葉輪沖蝕（點蝕到裂縫）。注意區(qū)別氣縛與氣蝕現(xiàn)象。（2）離心泵的允許安裝高度離心泵的抗氣蝕性能氣蝕余量；為防止氣蝕現(xiàn)象發(fā)生，在泵吸入口處液體的靜壓頭與動壓頭之和必須大于液體在操作溫度下的飽和蒸汽壓頭某一最小值，此最小值即為離心泵的氣蝕余量，即。在IS系列泵的手冊中列出必須氣蝕余量的數(shù)據(jù)。按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，實際氣蝕余量NSPH為+0.5m。其值隨流量增大而加大。注意離心油泵的允許氣蝕余量常用表示?，F(xiàn)在工廠仍在運行的B型水泵常用允許吸上真空度來表示離心泵的抗氣蝕性能，其定義為：。與泵的結(jié)構(gòu)、被輸送液體的性質(zhì)、當(dāng)?shù)氐拇髿鈮簭?qiáng)及溫度有關(guān)，且隨流量的加大而減小。離心泵的允許安裝高度：將式與式代入公式便可得到泵的允許安裝高度計算式： 或離心泵的安裝高度應(yīng)以當(dāng)?shù)夭僮鞯淖罡邷囟群妥畲罅髁繛橐罁?jù)。工程上為了安全起見，離心泵的實際安裝高度比允許安裝高度還要低0.51.0m。若泵的允許安裝高度較小時，可采用措施減小，或把泵安裝在液面下，利用位差使液體自動灌入泵殼內(nèi)。4216離心泵的類型及選擇離心泵種類齊全，能適應(yīng)各種不同用途，選泵時應(yīng)注意以下幾點：根據(jù)管路的最大流量和壓頭下要求的和選泵時，要使泵所提供的Q與H略大于和，并要使泵在高效率區(qū)工作。泵的型號選出后，要列出泵的性能參數(shù)。當(dāng)單臺泵不能滿足管路要求的和時，可考慮泵的并聯(lián)和串聯(lián)。當(dāng)被輸送液體密度大于水的密度時，要核算泵的軸功率。另外，要利用泵的系列特性曲線選泵。422其他類型液體輸送機(jī)械 在全面掌握離心泵的基礎(chǔ)上，通過對比，了解不同類型液體輸送機(jī)械的特點，最后能根據(jù)介質(zhì)性質(zhì)和工藝要求，經(jīng)濟(jì)合理地選擇適宜類型和型號的輸送機(jī)械。參閱教材P113117有關(guān)內(nèi)容。43氣體輸送和壓縮機(jī)械機(jī)械類型出口壓強(qiáng)(kPa)操作特性適用場合離心式通風(fēng)機(jī)低0.981(表)中2.94(表)高14.7(表)風(fēng)量大（可達(dá)186300m3/h），連續(xù)均勻，通過出口閥或風(fēng)機(jī)并串聯(lián)調(diào)節(jié)流量主要用于通風(fēng)鼓風(fēng)機(jī)294(表)多級，溫升不高，不設(shè)級間冷卻裝置主要用于高爐送風(fēng)壓縮機(jī)294(表)多級，段間設(shè)冷卻裝置氣體壓縮往復(fù)式壓縮機(jī)低壓9810脈沖式供氣，支路調(diào)節(jié)流量，高壓時要多級，級間設(shè)冷卻裝置適用于高壓氣體場合，如合成氨生產(chǎn)旋轉(zhuǎn)式羅茨鼓風(fēng)機(jī)181流量可達(dá)1203104 m3/h，支路調(diào)節(jié)流量操作溫度不大于85液環(huán)壓縮機(jī)490588(表)風(fēng)量大，供氣均勻腐蝕性氣體壓送（如H2SO4作工質(zhì)送CI2）真空泵水環(huán)真空泵最高真空度834結(jié)構(gòu)簡單，操作平穩(wěn)可靠可產(chǎn)生真空，也可作鼓風(fēng)機(jī)蒸汽噴射真空泵007133結(jié)構(gòu)簡單，無運動部件多級可達(dá)高的真空度5本章小結(jié)本章將離心泵作為流體力學(xué)應(yīng)用的典型實例加以討論。在學(xué)習(xí)中著重理解和掌握如下幾個方面的內(nèi)容。離心泵的主要零部件、工作原理及基本方程式的介紹都是圍繞提高液體靜壓能而展開的，要理解設(shè)計思想，掌握提高液體靜壓能的措施。掌握離心泵的性能參數(shù)、特性曲線及實驗測定方法。掌握離心泵在管路中的運行特性，包括管路特性方程、工作點、流量調(diào)節(jié)方法、安裝高度的確定原則。了解離心泵的類型及選用方法。其他類型的流體輸送機(jī)械的工作原理、結(jié)構(gòu)特點、操作性能通過與離心泵的比較來理解和掌握。第三章 傳熱1 本章學(xué)習(xí)目的 通過本章學(xué)習(xí)，掌握傳熱的基本原理、傳熱的規(guī)律，并運用這些原理和規(guī)律去分析和計算傳熱過程的有關(guān)問題，諸如：換熱器的設(shè)計和選型。換熱器的操作調(diào)節(jié)和優(yōu)化。強(qiáng)化傳熱或削弱傳熱（保溫）。2本章應(yīng)掌握的內(nèi)容 （1）本章重點掌握的內(nèi)容 單層、多層平壁熱傳導(dǎo)速率方程，單層、多層圓筒壁熱傳導(dǎo)速率方程及其應(yīng)用。 換熱器的能量衡算，總傳熱速率方程和總傳熱系數(shù)的計算，并用平均溫度差法進(jìn)行傳熱計算。 對流傳熱系數(shù)的影響因素及因次分析法。 （2）本章應(yīng)掌握的內(nèi)容傳熱的基本方程式。 換熱器的結(jié)果形式和強(qiáng)化途徑。兩固體間的輻射傳熱速率方程及其應(yīng)用。（3）本章一般了解的內(nèi)容保溫層臨界直徑。 傳熱單元數(shù)法及其應(yīng)用場合。對流輻射聯(lián)合傳熱。 一般傳熱設(shè)計規(guī)范、相關(guān)計算和設(shè)備選型要考慮的問題。3本章學(xué)習(xí)中應(yīng)注意的問題邊界層的概念。 傳熱單元數(shù)法。因次分析法。輻射傳熱的基本概念和定律，影響輻射傳熱速率的因素。4. 本章學(xué)習(xí)要點41傳熱過程概述本章主要討論定態(tài)傳熱，即傳熱速率在任何時刻都為常數(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)。（1）傳熱的基本方程式根據(jù)傳熱機(jī)理的不同，熱傳遞有三種基本方式，即熱傳導(dǎo)、對流傳熱和輻射傳熱。熱量傳遞可以其中一種方式進(jìn)行，也可以有兩種或三種方式同時進(jìn)行。在無外功輸入時，凈的熱流方向總是由高溫處向低溫處流動。（2）傳熱過程中冷熱流體（接觸）熱交換方式冷熱流體接觸方式及換熱器對于某些傳熱過程可使熱、冷流體直接混合接觸式進(jìn)行熱交換，所采用的設(shè)備稱為混合式換熱器。蓄熱式換熱是熱、冷流體交替地流過蓄熱器，利用固體填充物來積蓄和釋放熱量而達(dá)到換熱的目的。而在化工生產(chǎn)中遇到的多是間壁兩側(cè)流體的熱交換，即冷、熱流通在壁面?zhèn)攘鲃?，固體壁面即構(gòu)成間壁式換熱器。間壁式換熱器是本章討論的重點。冷、熱流體通過間壁兩側(cè)的傳熱過程三個基本步驟a熱流體以對流方式將熱量傳遞給管壁。b熱量以熱傳導(dǎo)方式由管壁的一側(cè)傳遞至另一側(cè)。c傳遞至另一側(cè)的熱量又以對流方式傳遞給冷流體。對流傳熱是由流體內(nèi)部各質(zhì)點發(fā)生宏觀運動而引起的熱量傳遞過程，因而對流傳熱只能發(fā)生在有流體流動的場合，在化工生產(chǎn)中，通常將流體與固體壁面之間的傳熱稱為對流傳熱過程，將熱、冷流體通過壁面間的傳熱稱為熱交換過程，間稱傳熱過程。（3）典型的間壁式換熱器套管式換熱器是最簡單的間壁式換熱器，冷熱流體分別流經(jīng)內(nèi)管和環(huán)隙，而進(jìn)行熱的傳遞。管殼式換熱器是應(yīng)用最廣泛的換熱設(shè)備。在管殼式換熱器中，在管內(nèi)流動的流體稱為管程流體，而另一種在殼與管束之間從管外表面流過的流體稱為殼程流體。管（殼）程流體在管束內(nèi)（殼方）來回流過的次數(shù)，則稱為管（殼）程數(shù)。兩流體間的傳熱管壁表面積即為傳熱面積。對于一定的傳熱任務(wù)，分別用管內(nèi)徑、外徑或平均直徑計算，則對應(yīng)的傳熱面積分別為管內(nèi)側(cè)、管外側(cè)或平均面積。傳熱速率和熱通量是評價換熱器性能的重要指標(biāo)。傳熱速率Q是指單位時間內(nèi)通過傳熱面的熱量，其單位為W，可表示傳熱的快慢。熱通量則是指每單位面積的傳熱速率，其單位為W/m3。由于換熱器的傳熱面積可以用圓管的內(nèi)、外或平均面積表示，因此相應(yīng)的熱通量計算應(yīng)標(biāo)明選擇的基準(zhǔn)面積。（4）載熱體及其選擇物料在換熱器內(nèi)被加熱或冷卻時，通常需要用另外一種流體供給或取走熱量，此種流體稱為載熱體，其中起加熱作用的再載熱體稱為加熱劑（或加熱介質(zhì)）；起冷卻（冷凝）作用的載熱體稱為冷卻劑（或冷卻介質(zhì)）。對于一定的傳熱過程，選擇的載熱體及工藝條件決定了需要提供或取出的熱量，從而決定了傳熱過程的操作費用。選擇載熱體時還應(yīng)考慮載熱體的溫度易調(diào)控；飽和蒸汽壓較低，加熱時不易分解；毒性小，不易燃、易爆，不腐蝕設(shè)備；價格便宜，來源容易等。42熱傳導(dǎo)熱量不依靠宏觀混合運動而從物體中的高溫區(qū)向低溫區(qū)移動的過程叫熱傳導(dǎo)，簡稱導(dǎo)熱。物體或系統(tǒng)內(nèi)的各點間的溫度差，是熱傳導(dǎo)的必要條件。有導(dǎo)熱方式引起的熱傳遞速率（簡稱導(dǎo)熱速率）決定于物體內(nèi)溫度的分布情況。熱傳導(dǎo)在固體、液體和氣體中都可以發(fā)生，但它們的導(dǎo)熱機(jī)理各有不同，其中在固體中的熱傳導(dǎo)最為典型。（1）基本概念和傅立葉定律溫度場和溫度梯度a溫度場 溫度場就是任一瞬間物體或系統(tǒng)內(nèi)各點的溫度分布總和。若溫度場內(nèi)各點的溫度不隨時間變化，即為定態(tài)溫度場，否則稱為非定態(tài)溫度場。若物體內(nèi)的溫度僅沿一個坐標(biāo)方向發(fā)生變化，此溫度場為定態(tài)一維溫度場，即b等溫面 溫度場中同一時刻下相同溫度各點所組成的面積為等溫面。溫度不同的等溫面彼此不相交；在等溫面上將無熱量傳遞，而沿和等溫面相交的任何方向則有熱量傳遞。c溫度梯度 將兩相鄰等溫面的溫度差與其垂直距離之比的極限稱為溫度梯度。對定態(tài)定態(tài)一維溫度場，溫度梯度可表示為：。溫度梯度為向量，它的正方向是指向溫度增加的方向。通常，將溫度梯度的標(biāo)量也稱為溫度梯度。傅立葉定律描述熱傳導(dǎo)現(xiàn)象的物理定律為傅立葉定律（Fouriers Law），其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 式中的負(fù)號表示熱傳導(dǎo)服從熱力學(xué)第二定律，即熱通量的方向與溫度梯度的方向相反，也即熱量朝著溫度下降的方向傳遞。（2）導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)的定義式為：。該式表明，導(dǎo)熱系數(shù)在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量。導(dǎo)熱系數(shù)表征了物質(zhì)的導(dǎo)熱能力的大小，是物質(zhì)的物理性質(zhì)之一。導(dǎo)熱系數(shù)的大小和物質(zhì)的形態(tài)、組成、密度、溫度及壓強(qiáng)有關(guān)。一般來說，金屬的戴熱系數(shù)最大，非金屬次之，液體較小、氣體最小。（3）平面壁的熱傳導(dǎo)單層平壁熱傳導(dǎo)假設(shè)材料均勻，導(dǎo)熱系數(shù)不隨溫度變化，或可取平均值；平壁內(nèi)的溫度僅沿垂直于平壁的方向變化，即等溫面垂直于傳熱方向；平壁面積與平壁厚度相比很大，故可以忽略熱損失。這是最簡單的定態(tài)、一維、平壁熱傳導(dǎo)，則有：。此式適用于為常數(shù)的定態(tài)傳熱過程。在工程計算中對于各處溫度不同的固體，其導(dǎo)熱系數(shù)可以取固體兩側(cè)面溫度下的值得算術(shù)平均值。此式表明導(dǎo)熱系數(shù)與導(dǎo)熱推動力成正比，與導(dǎo)