化工原理(上)主要知識點(diǎn)

1、化工原理（上）各章主要知識點(diǎn)緒論三個(gè)傳遞：動(dòng)量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞三大守恒定律：質(zhì)量守恒定律物料衡算；能量守恒定律能量衡算；動(dòng)量守恒定律動(dòng)量衡算第一章流動(dòng)流體第一節(jié)流體靜止的基本方程一、密度mpM1.氣體密度：p=v2.液體均相混合物密度：RT1aa+缶+P1P2anPn（P混合液體的密度，a各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，p各組mn分密度）3. 氣體混合物密度：Pm4. 壓力或溫度改變時(shí)，密度隨之改變很小的流體成為不可壓縮流體（液體）；若有顯著的改變則稱為可壓縮流體（氣體）。11+92nnP混合氣體的密度，9各組分體積分?jǐn)?shù)）m二、.壓力表示方法1、常見壓力單位及其換算關(guān)系：1atm=101300Pa=1

2、01.3kPa=0.1013MPa=10.33mH2O=760mmHg2、壓力的兩種基準(zhǔn)表示：絕壓（以絕對真空為基準(zhǔn)）表壓（真空度）（以當(dāng)?shù)卮髿鈮簽榛鶞?zhǔn)，由壓力表或真空表測出）表壓=絕壓一當(dāng)?shù)卮髿鈮赫婵斩?當(dāng)?shù)卮髿鈮阂唤^壓三、流體靜力學(xué)方程1、靜止流體內(nèi)部任一點(diǎn)的壓力，稱為該點(diǎn)的經(jīng)壓力，其特點(diǎn)為：（1）從各方向作用于某點(diǎn)上的靜壓力相等；（2）靜壓力的方向垂直于任一通過該點(diǎn)的作用平面；（3）在重力場中，同一水平面面上各點(diǎn)的靜壓力相等，高度不同的水平面的經(jīng)壓力歲位置的高低而變化。2、流體靜力學(xué)方程（適用于重力場中靜止的、連續(xù)的不可壓縮流體）P=P+Pg（z-Z）2112旦二厶+（Z-Z）PgPg1

3、2=zp（容器內(nèi)盛液體，上部與大氣相通，p/Pg靜壓頭，“頭”一液位高度，z位壓頭Pgpp或位頭）上式表明：靜止流體內(nèi)部某一水平面上的壓力與其位置及流體密度有關(guān)，所在位置與低則壓力愈大。四、流體靜力學(xué)方程的應(yīng)用1、U形管壓差計(jì)指示液要與被測流體不互溶，且其密度比被測流體的大測量液體：p1-p2=（P0-P）gR+Pg（z2-z1）測量氣體：p1-p2=P0gR2、雙液體U形管壓差計(jì)p1-p2=（P2-P1）gR第二節(jié)流體流動(dòng)的基本方程一、基本概念1、體積流量（流量V）：流體單位時(shí)間內(nèi)流過管路任意流量截面（管路橫截面）的體積。單位為m3-s-1s2、質(zhì)量流量（m）：單位時(shí)間內(nèi)流過任意流通截面積的

4、質(zhì)量。單位為kg-1s化工原理（上）m=pVssVCm流速u=-A質(zhì)量流速G=丁G=pu3、黏性：流體所具有的一種拽流體相對運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)。（1）氣體的黏性力或內(nèi)摩擦力產(chǎn)生的原因是速度不等的流體層之間動(dòng)量傳遞的結(jié)果。（2）液體黏性力主要由分之間的吸引力所產(chǎn)生。4、牛頓黏性定律：兩相鄰流體層之間單位面積上的內(nèi)摩擦力T（內(nèi)摩擦應(yīng)力或剪應(yīng)力）與兩流體層間的速度梯度du/dy成正比，即p=p（T,u方向相同時(shí)取正號，否則取負(fù)號）dy服從此定律的流體稱為牛頓型流體。4、黏度p的單位為Pas常見流體用mPas（1）流體的黏度隨溫度而變，溫度升高，氣體的黏度增大，液體的黏度減小。原因：溫度升高時(shí)，氣體分子運(yùn)動(dòng)的

5、平均速度增大，兩相鄰氣體層間分子交換的速度加快，因而內(nèi)摩擦力和黏度隨之減小。對于液體，溫度升高時(shí)，液體體積膨脹,分之間距離增大，吸引力迅速減小，因而黏度隨之下降。（2）流體的黏度一般不隨壓力而變化。二、質(zhì)量衡算一一連續(xù)性方程設(shè)流體在管路中做連續(xù)穩(wěn)定流動(dòng)，從截面1-1流入，從截面2-2流出，則m=mpuA=puAs1s211122、,2,對于不可壓縮流體，P=P2二常數(shù)，則u1A=u2A2對于圓管，A=兀d2/4，d為直徑，則u1d12二u2dj如果管路有分支，則m二m,+m21s2三、機(jī)械能衡算方程1、理想流體是指沒有黏性的流體，即黏度卩=0的流體。內(nèi)能（U），位能（gz），動(dòng)能（u2/2），

6、壓力能（p/p提供給流體外功是為正，流體向外界做功時(shí)為負(fù)）u2p3、可壓縮理想流體機(jī)械能衡算關(guān)系：gq+亍+1+w12pe12、）,熱量（q，吸熱為正，放熱為負(fù)），外功（4、u2p二gz+T+2（22p2u21kg不可壓縮理想流體穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)的機(jī)械能衡算式:（伯努利方程）gZ1+-2+（W外功）eu2p5、不可壓縮實(shí)際流體的機(jī)械能衡算式:gZ+-2+才2p（w.阻力損失）第三節(jié)流體流動(dòng)現(xiàn)象一、雷諾數(shù)RedupRe=P1、雷諾數(shù)的量綱為1,故其值不會(huì)因采用的單位制不同而改變，但數(shù)群中的各個(gè)物理量必須采用同一單位制。2、流體在圓形直管中流動(dòng)，ReW2000時(shí)屬于層流；Re4000時(shí)為湍流；Re200

7、04000之間時(shí)流動(dòng)處于一種過渡狀態(tài)。、管內(nèi)流動(dòng)分析1、層流時(shí)的速度分布u二p1一p2（R2-r2）4plUmax二2R24plr2（1一）maxR2各章主要知識點(diǎn)17-31體積流量V兀R2二u2maxu故平均速度u=丐產(chǎn)即層流時(shí)平均速度等于管中心處最大速度的一半。2、層流時(shí)的阻力損失32卩l(xiāng)u哈根一伯謖葉公式：V一3、湍流時(shí)的速度分布ru=u（1-）1/n（n與Re大小有關(guān)，Re愈大，n值也愈大。）maxR2n2平均速度U二(n+1)(2n+1)umax(當(dāng)n=7時(shí)，u=0.817umax第四節(jié)管內(nèi)流動(dòng)的阻力損失沿程損失的計(jì)算通式及其用于層流范寧公式：、lu2、單位質(zhì)量流體的沿程損失：J萬y

8、（八kg-1）單位體積流體的沿程損失：Ap=pw=X（J-m-3或丹）/d27Wlu2單位重量流體的沿程損失：h=匚二九fg,64九稱為摩擦系數(shù)或摩擦因數(shù)九=云Re(J-Nj或m)d2g（層流時(shí)九與Re成反比）二、量綱分析法（兀定理）三、湍流時(shí)的摩擦系數(shù)x=0.100（d+R!）0-23（適用范圍為心4000及“05）四、非圓形管內(nèi)的沿程損失lU2w=（J-kg-i）/d2ed=4x水力半徑=4X流通截面積e潤濕周邊（潤濕周邊指流體與管壁面接觸的周邊長度）層流時(shí)的阻力損失“Re（C為常數(shù)，量綱為1,對于正方形、正三角形或環(huán)形，C分別為57、53、96）五、局部阻力損失u21、阻力系數(shù)法：wf乂

9、2匚局部阻力系數(shù)，（1）突然擴(kuò)大：當(dāng)流體流過突然擴(kuò)大的管道時(shí)，流速減小，壓力相應(yīng)增大。此時(shí)匚0=1，稱為管道出口阻力系數(shù)。（2）突然縮?。寒?dāng)流體由大管流入小管時(shí)，流股突然減小，到縮脈時(shí)，流股截面縮到最小，之后開始逐漸擴(kuò)大，直至重新充滿整個(gè)管截面。當(dāng)流體從容器流進(jìn)管道時(shí)，匚i=.5，稱為管入口阻力系數(shù)。I2、當(dāng)量計(jì)算法（當(dāng)量長度le）E34!化工原理上）lu2局部阻力損失：w二九-j-fd2六、管內(nèi)流動(dòng)總阻力損失的計(jì)算在管路系統(tǒng)中，總阻力等于沿程損失與局部損失之朿和，對于等徑管，有工w二（九丄+工匚）蘭=九（+乙?。┞}fd2d2若管路系統(tǒng)中存在不同管徑段，管路總阻力損失應(yīng)將等徑段的阻力損失相加。

10、第五節(jié)管路計(jì)算d西一、簡單管路1、簡單管路是沒有分支或匯合的管路，其特點(diǎn)為：（1）通過各管段的質(zhì)量流量不變，對于不可壓縮流體的體積流量也不變（指穩(wěn)定流動(dòng)）；（2）整個(gè)管路的阻力損失為各段阻力損失之和。例1-13附圉2、設(shè)計(jì)型問題（1）計(jì)算泵的有效功率（例1-11）（2）計(jì)算管徑（例1-12）3、操作型問題（1）操作性問題分析（例1-13）管內(nèi)流量變化：將閥門開度減小后，管內(nèi)流量應(yīng)減小。P一plU2gz+12二（九+Y匚+1）1pd2簡單管路中阻力系數(shù)的變大，如閥門關(guān)小等，將導(dǎo)致管內(nèi)流量減小,閥門上游壓力上升，下游壓力減小。此規(guī)律具有普遍性。（2）計(jì)算流量（例1-14）二、復(fù)雜管路1、復(fù)雜管路只

11、指有分支的管路，包括并聯(lián)管路、分支（或匯支）管路。2、并聯(lián)管路特點(diǎn)：總流量等于個(gè)并聯(lián)支管流量之和；并聯(lián)各支管的阻力損失相等。3、并聯(lián)支管中，細(xì)而長的支管通過的流量小，粗而短的支管通過的流量大。4、分支（或匯合）管路的特點(diǎn)：總流量等于各支管流量之和；可在分支點(diǎn)（或匯合點(diǎn)）處將其分為若干個(gè)簡單管路，對于每一段簡單管路，仍然滿足機(jī)械能衡算方程。第六節(jié)流量測量一、變壓頭的流量計(jì)（恒截面，變壓頭）1、測速管（皮托管）被測流體為液體:被測流體為液體:（p0指示液密度，RU形管壓差計(jì)讀數(shù)）缺點(diǎn)：不能直接測出平均速度,2、孔板u=C：2gR（P0一P）00（孔板系數(shù)）皮托管優(yōu)點(diǎn)：阻力小，適于測量大直徑氣體管路

12、內(nèi)的流速。且壓差讀數(shù)小，常要放大才能讀得準(zhǔn)確。體積流量V；2gR（P0一P）I1P.各章主要知識點(diǎn)J17孔板系數(shù)C0=fR才孔板安裝位置：上下游要各有一段等徑直管作為穩(wěn)定段，上游至少idi，下游至少?？装鍍?yōu)點(diǎn)：構(gòu)造簡單，制造與安裝都比較方便；缺點(diǎn)：阻力損失大。3、文丘里管優(yōu)點(diǎn)：阻力損失小，相同壓差讀數(shù)下流量比孔板大，對測量含有固體顆粒的液體也較孔板適用；缺點(diǎn)：加工較難，精度要求高，因而造價(jià)高，安裝時(shí)需占去一定管長位置。二、變截面流量計(jì)（恒壓頭，變截面）轉(zhuǎn)子流量計(jì)（簡稱為轉(zhuǎn)子計(jì)）第二章流體輸送機(jī)械第一節(jié)離心泵一、離心泵的操作原理與構(gòu)造1、操作原理（主要靠高速旋轉(zhuǎn)的葉輪所產(chǎn)生的離心力）（1）開動(dòng)前

13、泵內(nèi)要先灌滿所輸送的液體。離心泵開動(dòng)是如果泵殼內(nèi)和吸入管路內(nèi)沒有充滿液體，它便沒有抽吸液體的能力，這是因?yàn)榭諝獾拿芏缺纫后w小得多，隨著葉輪旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力不足以造成吸上液體所需的真空度。像這種因泵殼內(nèi)存在氣體而導(dǎo)致吸不上液的現(xiàn)象，稱為“氣縛”。（2）離心泵最基本的部件為葉輪與泵殼。二、離心泵的理論壓頭與實(shí)際壓頭1、壓頭的意義泵向單位重量液體提供的機(jī)械能，稱為泵的壓頭（或揚(yáng)程），用符號H表示，單位為m對于任一管路輸送系統(tǒng)，所需壓頭h為ApAu2v了h二Az+ZhePg2gf（Az升舉高度，AP/Pg液體靜壓頭的增量，Au2/2g動(dòng)壓頭的增量，與其他項(xiàng)相比，可忽略,工hf全管路的壓頭損失）2、理

14、論壓頭cucosaucccccc（1）葉輪進(jìn)口與出口之間列伯努利方程：p-pc2-c2理論壓頭：H1+24（cc2液體的絕對速度）Pg2g12（2）液體從點(diǎn)1運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)2,靜壓頭之所以增加（P2P1）/Pg，其原因有二： 液體在葉輪內(nèi)受到離心力作用，接受了外功； 相鄰兩葉片所構(gòu)成的通道的截面積自內(nèi)向外逐漸擴(kuò)大，液體通過時(shí)的速度逐漸變小，使得部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能。（3）離心泵理論壓頭表達(dá)式（離心泵的基本方程）（C2M絕對速度C2在周邊切線方向上的分速度）4）理論壓頭與流量的關(guān)系(r)22QcotP2兀b22【式中Q泵的流量，m巧一1；葉輪旋轉(zhuǎn)的角速度；丫2葉輪的半徑；卩2葉片的裝置角；b2葉輪周邊

15、寬度】H與Q呈線性關(guān)系，變化率的正負(fù)取決于裝置角卩2。當(dāng)卩20，葉片后彎，H隨Q的增大而減222??；當(dāng)卩2=90，cos卩2=0葉片徑向，H不隨Q變化；當(dāng)卩290。，cos卩22)mln(r/r)熱量衡算方程：Q=ms1cp1(T1-T2)=m121A平均面積，A二2兀1r；mmmrr(r2/2)2、無限長多層圓筒壁一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱(無內(nèi)熱源)tttt總推動(dòng)力Q=1n+i_.n+1=一-ln(r/r)總熱阻ii+1.iXA2兀l入i=1imii=1i第三節(jié)兩流體間的熱量傳遞一、兩流體間通過間壁傳熱的分析牛頓冷卻定律：熱通量q與壁面-流體間的溫差(tt)成正比：q=(t-t),wwa_給熱系數(shù)，單位

16、為W-m-2-K-1或卬-m-2-C-1二、傳熱速率和給熱系數(shù)q=K(T-t)K傳熱系數(shù)，單位與a相同。1、換熱管內(nèi)外面積不相等的考慮KqdAd2211KqdAd1122傳熱面積計(jì)算的最終結(jié)果通常用管外面積表示。2、污垢熱阻11ddbd 2+R2+Kads1d九d21113、若污垢熱阻與壁阻可忽略時(shí)，111d1 +i或KaadK11221亠+R+1s2d1+ad12(i)若a1，a2相差較大時(shí)：若a1a，則Ku幺a或KuaKua，應(yīng)121d222min1三、傳熱溫差和熱量衡算Q=KAAtmAtmAtm為換熱器進(jìn)、出口處的平均溫差A(yù)t-Ati2(At/At2)ln(At/At)i212AtAt1

17、2-At2(At/At2)12(t2-t1)四、傳熱效率-傳熱單元數(shù)法1、傳熱速率方程：Q=KAAtm3、傳熱效率Q二Qmax（1）若熱流體的mc較小時(shí),sp2）若冷流體的mc較小時(shí),spT-T=2T-111t-t=1T-1114、傳熱單元數(shù)T-T12Atmt-t-21Atmcms2p25、傳熱效率和傳熱單元數(shù)NTU的關(guān)系_1-exp(NTU(1-C”)L-C-expNTU(1-C)RR1）熱流體NTU12）熱流體NTU11）逆流換熱器：KAmcs1p1KA2）并流換熱器：1-expLNTU(1+C)R1+CRCR熱容量之比C=(mc)/(mc)Rspminspmax六、壁溫的計(jì)算wbQ,t=

18、T,t=t+a4ww九4waA11m22對于穩(wěn)定傳熱過程，Q=a1A1(T；-T)=|a(T-1)=a2A2(t-1)=KAAt111wbmww22wmA1,A2,A熱流體側(cè)傳熱面積、冷流體側(cè)傳熱面積和平均傳熱面積12mT,t熱流體側(cè)和冷流體側(cè)的壁溫；ww“，2熱流體側(cè)和冷流體側(cè)的給熱系數(shù)。第四節(jié)給熱系數(shù)一、給熱系數(shù)的影響因素和數(shù)值范圍影響給熱的因素：（1）引起對流的原因；（2）流體的流動(dòng)形態(tài)；（3）流體的物理性質(zhì)；（4）傳熱面的幾何因素；（5）流體有無相態(tài)變化。、給熱系數(shù)與量綱分析特征數(shù)的符號和意義特征數(shù)名稱符號涵義努塞爾數(shù)“alNu=T表示導(dǎo)熱熱阻與對流熱阻只比雷諾數(shù)Re=塑反映流體的流動(dòng)

19、形態(tài)和湍流程度普朗特?cái)?shù)cuPr反映與傳熱有關(guān)的流體性質(zhì)。氣體Pr1格拉曉夫數(shù)Gr=13p2pgAtU2反映由于溫差而引起的自然對流的強(qiáng)度相對于自然對流時(shí)的“雷諾數(shù)”0流體的膨脹系數(shù)i/c；At流體內(nèi)的溫度差。c0gAt流體由于溫度差而產(chǎn)生的浮升力，Nkg-1三、流體做強(qiáng)制對流時(shí)的給熱系數(shù)1、流體在圓形直管內(nèi)做強(qiáng)制湍流(1)當(dāng)壁溫和流體平均溫度相差不大時(shí)Nu=0.023Reo$Prn適用范圍：ReI0000,Pr=0.6160,管長和管徑之比1/d50定型尺寸1規(guī)定為管內(nèi)徑d;定性溫度為流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。當(dāng)流體被加熱時(shí)，n=4；當(dāng)流體被冷卻時(shí)，n=3，空氣或其他對稱雙原子氣體，Pr沁

20、.7(2)當(dāng)壁溫和流體平均溫度相差較大時(shí),(u)0-14Nu=0.027Re0.8Pr0.33一1/d60顯丿應(yīng)用范圍：Re10000，Pr=0.716700,特征尺寸：管內(nèi)徑定性溫度：u取壁溫作定性溫度，其他物理性質(zhì)均為流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。2、流體在圓形直管內(nèi)做強(qiáng)制層流duNu=1.86(RePr一)1/3()0.141u適用范圍：RePr0.6，RePr(1/d)103、彎曲管道內(nèi)的給熱系數(shù)ar=(1+，圓管、直管中的給熱系數(shù)；d管內(nèi)徑，m；R彎管軸的曲率半徑，m4、非圓形直管中的給熱系數(shù)將管內(nèi)徑改為當(dāng)量直徑de5、流體在管外強(qiáng)制對流流體在管束外橫向流過時(shí)的給熱系數(shù)：Nu=C1C

21、2RenPr0.46、提高給熱系數(shù)的途徑不論管內(nèi)或管外，提高流速都能增大給熱系數(shù)四、流體做自然對流時(shí)的給熱系數(shù)Nu=C(GrPr)n五、蒸汽冷凝時(shí)的給熱系數(shù)膜狀冷凝：當(dāng)飽和蒸氣與低于飽和溫度的壁面接觸時(shí)，蒸汽將放出潛熱并冷凝成液體。若冷凝液能潤濕壁面，并形成一層完整的液膜向下流動(dòng)，則稱為膜狀冷凝。滴狀冷凝：若冷凝壁面上存在一層油狀物質(zhì)，或者蒸氣中混有油類或脂質(zhì)物質(zhì)，冷凝液不能潤濕壁面，結(jié)成滴狀小液滴，從壁面落下，重又露出冷凝面，則稱為滴狀冷凝。六、液體沸騰時(shí)的給熱系數(shù)1、工業(yè)上液體沸騰可分為：大容積內(nèi)沸騰和管內(nèi)沸騰。2、沸騰現(xiàn)象(1)沸騰給熱過程最主要的特征是液體內(nèi)部有氣泡生成。(2)氣泡生成依賴兩個(gè)條件：液體必須過熱；加熱壁面上應(yīng)存在汽化核心。第五節(jié)輻射傳熱一、基本概念1、絕對黑體（黑體）：能全部吸收輻射能的，即吸收率A=1的物體。2、絕對白體（鏡體）：能全部反射輻射能的，即反射率R=1的物體。3、透熱體：能透過全部輻射能的，即透過率D=1的物體。、物體的發(fā)射能力與斯蒂芬-波爾茨曼定律1、物體在一定溫度下，單位表面積單位時(shí)間