第一章緒論**化工（化學工業），又稱化學加工工業，泛指生產過程中化學方法占主要地位的制造工業。是國民經濟重要的基礎工業，是工業經濟中最具活力，競爭力極強的一個部門。（1）為農業提供化肥、農藥、塑料薄膜等農用生產資料；（2）為輕紡、建材、冶金、國防、軍工以及其他工業提供各種配套原材料；（3）為微電子、信息、生物、航天技術等高技術產業提供新型化工材料和新產品；（4）為人們的衣、食、住、行提供各種化工產品。§1－1化學工業的分類和特點**1化學工業的分類

美國：化學工業包括：生產基本化工產品的企業以化學方法為主進行產品加工的企業中國：化學工業包括：基本化學工業化肥工業石油化學工業其他化學工業**化工行業主要產品或用途化學礦山磷礦、硫礦、硼礦、礬礦和石灰石礦等酸、堿硫酸、燒堿、純堿無機鹽磷酸鹽、碳酸鉀、小蘇打、無水硫酸鈉、氰化鈉、硫酸鋁、硝酸鈉、氯化鋅、輕質碳酸鈣、過氧化氫、沉淀硫酸鋇等化肥氮肥（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）、鉀肥化學農藥敵百蟲、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、硫脲等工業的原料熱固性塑料和工程塑料酚醛塑料、氨基塑料、環氧樹脂、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、聚砜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、堿性染料、還原燃料、分散染料、冰染染料、陽離子染料等表1-1主要化工行業及其相關產品續表1-1主要化工行業及其相關產品化工行業主要產品或用途涂料天然樹脂漆、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、有機硅漆等增塑劑鄰苯二甲酸酯、對苯二甲酸二辛酯、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、兩性型等造紙化學品脫墨劑、助留劑、助濾劑、表面處理劑、漿內施膠劑、紙張增強劑、涂布膠粘劑、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、磁盤等橡膠加工輪胎、運輸帶、膠管、膠鞋、碳黑等2化學工業的特點（1）增長速度快；（2）化工科研和新產品開發費用高；（3）大規模連續化生產和技術的復雜性促使化學工業投資加大；（4）化工產品、工藝路線、技術創造性上競爭激烈；（5）新工藝的投入、生產規模的擴大以及設備的腐蝕，致使化學工業的工廠壽命縮短、報廢快；（6）在資金足夠的條件下，化工產品進入市場的自由度大；（7）運輸便利、均相及價值高的化工產品貿易有國際性；（8）化學工業與整個工業相輔相存，在經濟發展中起支柱作用。**化工學科的內容化學工程

研究化工生產中的共同性操作的規律及其工程性質的問題（包括化工原理和化學反應工程）化學工藝也稱為化工生產技術。指將原料物質主要經過化學反應轉變為產品的方法和過程，包括實現這種轉變的全部化學的和物理的措施§1－2化工基礎的內容（化工學科的發展）

**化學工程

在20世紀前的幾百年時間里，出現了不少化學工業，如制糖工業、制堿工業、造紙工業等。介紹每一種工業從原料到成品的生產過程，作為一種特殊的知識講解，這是最早的化學工程學。單一化學工藝學階段2.單元操作階段

20世紀初，人們逐漸發現，許多化學工業中存在共同的操作原理。例如，無論是制糖業還是制堿業，從溶液蒸發得到固體糖和固體堿的原理是相同的，于是，蒸發成為最早提出的單元操作之一。經不斷總結，被稱為單元操作的有：流體流動與輸送、沉降與過濾、固體流態化、傳熱、蒸發、蒸餾、吸收、吸附、萃取、干燥、結晶、膜分離等。**

到20世紀50年代，人們又發現，各單元操作之間還存在著共性。例如，傳熱和蒸發都是熱量傳遞的形式，蒸餾、吸附、吸收、萃取都是質量傳遞的形式。于是，把單元操作歸納為動量傳遞、熱量傳遞和質量傳遞。3.傳遞過程階段4.“三傳一反”階段

20世紀50年代中期，化學工程中出現了“化學反應工程學”這一新的分支。對化學反應器的研究，不僅要運用化學動力學和熱力學原理，而且要運用動量、熱量和質量傳遞原理。于是“傳遞過程”與“反應工程”成為當今化學工程學的兩大支柱。簡稱“三傳一反”階段。**化學工藝

化學工藝具有個別生產的特殊性，即生產不同的化學產品要采用不同的工藝，即使生產相同產品，但原料路線不同時，也要采用不同的化學工藝。盡管如此，化學工藝所涉及的范疇是相同的，一般包括原料的選擇和預處理，生產方法的選擇及方法原理；設備的作用、結構和操作；催化劑的選擇和使用；其他物料的影響；操作條件的影響；生產控制；產品的分離；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工程+化工工藝單元過程**§1－3化工中的一些基本規律

物料衡算（質量守恒）

能量衡算（能量守恒）動量衡算（動量守恒）*平衡關系過程速率**1-3.1物料衡算（質量守恒）：

物料衡算也稱為質量衡算，其依據是質量守恒定律。它反映一個過程中原料、產物、副產物等之間的關系，即進入的物料量必等于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出系統圖1-1物料衡算示意圖物料衡算式：∑M入＝∑M出＋M(1-1)連續穩態流動：∑M入＝∑M出

(1-2)**進行物料衡算時，必須明確下面幾點：1.首先要確定衡算的系統，即衡算對象包括的范圍。2.其次要確定衡算的基準。3.然后確定衡算的對象。4.最后還要確定衡算對象的物理量及單位。**精餾塔原料液含乙醇5％10噸/時乙醇產品含乙醇95％含乙醇0.1％廢水例1-1附圖例1-1每小時有10噸5％的乙醇水溶液進入精餾塔，塔頂餾出的產品中含乙醇95％，塔底排出的廢水中含乙醇0.1％。求每小時可得產品多少噸？若廢水全部排放，每年（按操作7200小時計）損失的乙醇多少噸？解：已知：原料液流量及其中乙醇含量產品和廢水中乙醇含量求：產品和廢水流量分析：兩個未知量，需列出兩個物料衡算方程求解！確定：衡算范圍：包含精餾塔在內的虛線框衡算對象：a.物流的流量b.物流中乙醇的量衡算基準：單位時間：小時設：產品流量為X噸/時、廢水流量為Y噸/時。由物料衡算式：∑M入＝∑M出對物流的量進行衡算：10＝X+Y(1)對乙醇的量進行衡算：10×5％＝X×95％+Y×0.1％(2)X＝0.516噸/時Y＝9.484噸/時每年損失乙醇：9.484×0.1％×7200＝68.28

噸/年1-3.2能量衡算（能量守恒）：

能量衡算的依據是能量守恒定律。

能量衡算的目的是：計算單位產品的能耗了解過程中能量的利用和損失情況確定生產過程中需要輸入、輸出的熱量設計換熱設備**積累Q∑Q入∑Q出系統圖1-2能量衡算示意圖熱量衡算式：∑Q入＝∑Q出＋Q穩態操作：∑Q入＝∑Q出(1-3)(1-4)**1-3.3平衡關系有關平衡的規律可以預測過程能夠達到的極限可以確定當時條件下物料或能量能夠利用的極限可以考察外界參數對平衡的影響和體系中物料狀態對平衡轉化率的影響，從而優化條件衡量過程的效率，從而找出改進的方法**1.3.4過程速率

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

在實際工作中，一個過程以多快的速率由不平衡向平衡移動是極為重要的問題。**§1－4化工過程開發**實驗室研究（小試）可行性研究中間試驗（中試）工業裝置的設計和投產

將實驗室研究擴大為生產規模，使新產品、新工藝或新技術在工業裝置中運轉或轉變為生產的全過程稱為化工過程開發。**§1－5物理量的因次與單位制物理量：表示物質物理性質的參數，如長度、面積、體積、密度、粘度、導熱系數、溫度、壓強等。這些物理量可通過幾個彼此獨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。常用的基本單位長度、力或質量，時間和溫度等，基本量以外的其它物理量，可通過物理量之間的規律（定義或定律），從基本量推導出來稱為導出物理量，他們的單位稱為導出單位。應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稱為它的因次或量綱（有時也把物理量的量綱式簡稱為物理量的量綱）。因次可正、可負、整數、分數等任意有理數。**表示各物理量大小除了數字部分外，還要看該物理量的單位。1、國際單位制SI制7個基本單位，2個輔助單位，其余皆為導出單位。2、工程單位制（重力單位制）3.絕對單位制

4、單位換算**§1－6

學習目標（1）選擇（selection)——如何根據各單元操作在技術上和經濟上的特點，進行“過程和設備”的選擇，以適應指定物系的特征，經濟而有效地滿足工藝要求。（2）設計（Design）——如何進行過程的計算和設備的設計。在缺乏數據的情況下，如何組織實驗以取得必要的設計數據。（3）操作（Operation）如何進行操作和調節以適應生產的不同要求。在操作發生故障時如何尋找故障的緣由。

**§1－7

學習中注意的問題

（1）、要理論聯系實際

（2）、過程原理與設備并重（3）、掌握研究的方法（4）、著重培養自學能力、創新能力基礎：高等數學、物理化學、化工機械**第二章流體的流動和輸送**§2－1一些基本概念

2－1.1流體流體

氣體

液體

把流體視為由無數個流體微團（或流體質點）所組成，這些流體微團緊密接觸，彼此沒有間隙。這就是連續介質模型（或連續性假定）。流體微團（或流體質點）：

宏觀上足夠小，以致于可以將其看成一個幾何上沒有維度的點；同時微觀上足夠大，它里面包含著許許多多的分子，其行為已經表現出大量分子的統計學性質。**

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發生一定的改變，表現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流體的特征1．易流動性

當流體受到外部切向力作用時，易于變形而產生流動。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，流動時不產生摩擦阻力的流體。

理想液體

不具有粘度的液體，流動時不產生摩擦阻力的液體。具有不可壓縮、受熱不膨脹的性質。

理想氣體

不具有粘度的氣體，流動時不產生摩擦阻力的氣體。服從理想氣體狀態方程.**理想氣體狀態方程以當時條件與標準條件對比時：**2－1.2流體的密度、相對密度和比容1．流體的密度

獲得方法：（1）查物性數據手冊

影響因素：流體種類、濃度、溫度、壓力

（2）公式計算：液體混合物：氣體：----------理想氣體狀態方程氣體混合物：流體的密度—單位體積流體的質量。用

表示，屬于物性。國際單位用kg/m3**2.相對密度

是指給定條件下某一物質的密度

1與另一參考物質的密度

2之比。比容

是指單位質量的物料所具有的體積,是密度的倒數。**2－1.3流體的壓強及其測量

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

Pa，稱為帕斯卡物理學（cgs制）中，絕對大氣壓（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(標準大氣壓)=1.013×105

Pa

=760mmHg

=10.33mH2O**2壓強的基準壓強大小的兩種表征方法絕對壓力表壓表壓＝絕對壓力－當地大氣壓真空度＝當地大氣壓－絕對壓力絕對壓強表壓大氣壓真空度絕對壓強絕對零壓線大氣壓線2－1.3

流體的壓強及其測量**

二、流體靜力學基本方程式流體所受到的力質量力表面力如重力、離心力等，屬于非接觸性的力。法向力切向力(剪力)(壓力)靜止流體所受到的力質量力法向力----單位面積上的壓力稱為壓強,習慣上稱為靜壓力。----重力場中單位質量流體所受質量力,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。現從液體內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水平面，液柱的上、下底面與基準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)**當液柱處于相對靜止狀態時，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基本方程式。它反映了流體不受水平外力作用，只在重力作用下流體內部壓力（壓強）的變化規律。**1.當容器液面上方的壓強p0一定時，靜止液體內任一點壓強的大小，與液體本身的密度

和該點距液面的深度

h

有關。因此，在靜止的、連通的同一種液體內，處于同一水平面上的各點的壓強都相等。此壓強相等的面，稱為等壓面。2.當p0改變時，液體內部各點的壓強也將發生同樣大小的改變—帕斯卡原理。3.壓強或壓強差的大小可用液柱高度來表示。4.將(2)式移項整理得：(5)或適用場合：絕對靜止、連續、均質、不可壓縮流體三.流體靜力學基本方程式的討論**四.流體靜力學基本方程式的應用

1.壓力計(1)單管壓力計p1–pa=p1(表)=

gR

(2)U形壓力計p1=pa+

0gR

–

gh

A1pa

A

1

1h

R

23

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

1略小于

2讀數放大p1-p2=

(

2-

1)

gR

在U形微差壓計兩側臂的上端裝有擴張室，其直徑與U形管直徑之比大于10。當測壓管中兩指示劑分配位置改變時，擴展容器內指示劑的可維持在同水平面壓差計內裝有密度分別為

1

和

2

的兩種指示劑。

微壓差

p存在時，兩擴大室液面高差很小以致可忽略不計，但U型管內卻可得到一個較大的R讀數。

**例

如附圖所示，水在管道中流動。為測得A-A′、B-B′截面的壓力差，在管路上方安裝一U形壓差計，指示液為水銀。已知壓差計的讀數R＝150mm，試計算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、連續的同種流體，且處于同一水平面，因此為等壓面，即又**所以整理得由此可見，U形壓差計所測壓差的大小只與被測流體及指示劑的密度、讀數R有關，而與U形壓差計放置的位置無關**2－1.4流量和流速1．流量和流速

流量體積流量＝qVVtm3/s質量流量mqm＝tkg/sqm＝

qV體積流速u＝qVA質量流速平均流速……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，可以降低基建費用，但在一定的流量條件下，管徑越小，流動阻力也隨之增大，能耗也將相應增大。因此，合理的管徑應綜合多方面的因素來確定。一般條件下，可根據選用的流速來對管徑進行初步選擇，再在此基礎上進行多方面的評比來確定實用的管徑。即：**2－1.5定態流動和非定態流動1定態流動

流體流動過程中，任一截面上與流動相關的物理量(流速、壓強、密度等)不隨時間變化的流動。**2非定態流動

在流動過程中，流體在任一截面上的物理量既隨位置變化又隨時間而變化的流動。2－1.5定態流動和非定態流動**§2－2流體定態流動時的衡算2－2.1流體定態流動時的物料衡算連續性方程式

連續性方程是質量守恒定律的一種表現形式，本節通過物料衡算進行推導。流體流動過程中涉及三大守恒定律：質量守恒質量衡算動量守恒能量守恒**對于在控制體內作穩態流動的流體，根據質量守恒定律有：2－2.1流體定態流動時的物料衡算qm1qm2v1v2**

討論

對于不可壓縮的流體

即:ρ＝常數，可得到對于在圓管內作穩態流動的不可壓縮流體適用條件

流體流動的連續性方程式僅適用于穩定流動時的連續性流體。或**思考：

如果管道有分支，則穩定流動時的連續性方程又如何？**2－2.2流體定態流動時的能量衡算位能：是指流體因距所選的基準面有一定距離，由于重力作用而具有的能量1.流體流動時的機械能形式：動能：流體因流動而具有的能量機械能：是位能、動能、靜壓能的總和靜壓能：

是流體處于當時壓力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，其值等于pV()**（1）理想流體伯努利方程式：

設在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械能為定值。2.流體流動的能量衡算－－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稱為壓頭，H稱為位壓頭等伯努利方程**（2）實際流體伯努利方程式：當在1、2截面間的系統中有外界能量He輸入，且為實際流體時，則有摩擦阻力Hf,則伯努利方程為：（3）功率的計算功率是指單位時間耗用的能量，可按下式求算：Pa，Pe-----分別為實際功率和理論功率（有效功率），單位為kW;η------輸送的效率。(1kg)(1N)**

（1）適用條件

在衡算范圍內是不可壓縮、連續穩態流體，同時要注意是實際流體還是理想流體，有無外功加入。（2）衡算基準

3.伯努利方程的討論及應用注意事項1kg1NJ/kg實際流體m液柱**

(3)式中各項能量所表示的意義

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是輸送設備對單位質量流體所作的有效功。由He可計算有效功率(理論功率）(4)各物理量取值及采用單位制方程中的壓強p、速度v是指整個截面的平均值，各物理量必須采用一致的單位制。尤其兩截面的壓強不僅要求單位一致，還要求表示方法一致，

即均用絕對壓、表壓或真空度。**(5)截面的選擇截面的正確選擇對于順利進行計算至關重要，選取截面應使：（a）

兩截面間流體必須連續、均質；（b）兩截面與流動方向相垂直（平行流處，不要選取閥門、彎頭等部位）；（c）所求的未知量應在截面上或在兩截面之間出現；（d）截面上已知量較多（除所求取的未知量外，都應是已知的或能計算出來，且兩截面上的u、p、H與兩截面間的Hf都應相互對應一致)。(6)選取基準水平面

原則上基準水平面可以任意選取，但為了計算方便，常取確定系統的兩個截面中的一個作為基準水平面。如衡算系統為水平管道，則基準水平面通過管道的中心線若所選計算截面平行于基準面，以兩面間的垂直距離為位壓頭H值；若所選計算截面不平行于基準面，則以截面中心位置到基準面的距離為H值。

H1，H2可正可負，但要注意正負。**

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

解：如圖所示，取高位槽液面為1-1′截面，進料管出口內側為2-2′截面，以過2-2′截面中心線的水平面0-0′為基準面。在1-1′和2-2′截面間列柏努利方程（由于題中已知壓頭損失，用式（1-22a）以單位重量流體為基準計算比較方便）**

計算結果表明，動能項數值很小，流體位能主要用于克服管路阻力。解本題時注意，因題中所給的壓頭損失不包括出口能量損失，因此2-2′截面應取管出口內側。若選2-2′截面為管出口外側，計算過程有所不同。其中：H1=h；因高位槽截面比管道截面大得多，故槽內流速比管內流速小得多，可以忽略不計，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，噴淋下來后流入下水道，已知道管道內徑均為0.1m，流量為84.82m3/h，水在塔前管路中流動的總摩擦損失(從管子口至噴頭進入管子的阻力忽略不計)為10J/kg，噴頭處的壓強較塔內壓強高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=?塔內壓強？截面的選取？解：取塔內水面3-3’為基準面，取河水表面為1-1’截面，噴頭內側為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：**將已知數據代入柏努利方程式泵的功率：**§2－3實際流體的流動1.牛頓型流體

流體在運動狀態下，有一種抗拒內在的向前運動的特性，稱為粘性。流體不管在靜止還是在流動狀態下，都具有粘性，但只有在流體流動時才能顯示出來。隨流體狀態的不同，粘性的差別非常懸殊。粘性是流動性的反面。

由于粘性存在，流體在管內流動時，管內任一截面上各點的速度并不相同（1）粘性2-3.1粘度**(2)牛頓粘性定律**

實驗證明,對于一定的液體,內摩擦力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:比例系數，即流體的〔動力〕粘度，單位為Pa·s----------剪應力，單位為pa此式所顯示的關系，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產生單位速度梯度的剪應力。粘度總是與速度梯度相聯系,只有在運動時才顯現出來在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p無關,溫度t↑,μ↓。水（20℃），μ＝1.005cP；油的粘度可達幾十、到幾百Cp。

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

理想流體（實際不存在），流體無粘性μ＝0（d）數據獲取粘度是流體物理性質之一，其值由實驗測定；

某些常用流體的粘度,可以從本教材附錄或有關手冊中查得。**

流體流動型態有兩種截然不同的類型，一種是滯流（或層流）；另一種為湍流（或紊流）。兩種流型在內部質點的運動方式，流動速度分布規律和流動阻力產生的原因都有所不同，但其根本的區別還在于質點運動方式的不同。2-3.2流體流動的型態**（1）雷諾實驗

為了直接觀察流體流動時內部質點的運動情況及各種因素對流動狀況的影響,可安排如圖所示的實驗。這個實驗稱為雷諾實驗。**滯流（也稱為層流）：流體質點很有秩序地分層順著軸線平行流動，層與層之間沒有明顯的干擾。各層間分子只因擴散而轉移，不產生流體質點的宏觀混合。

**湍流（也稱為紊流）：流體在管內作湍流流動時，其質點作不規則的雜亂運動，一層滑過一層的黏性流動情況基本消失，質點間相互碰撞，產生大大小小的旋渦。**不穩定的過渡區：在該區域，可能是層流，也可能是湍流。較易受外界條件的影響，很容易發生流型的轉變。**實驗證明，流體的流動狀況是由多方面因素決定的，流速u能引起流動狀況改變,而且管徑d、流體的粘度μ和密度ρ也可以。通過進一步的分析研究，可以把這些影響因素組合成為一個復合數群，此類數群稱為特征數。

（2）雷諾準數Re準數是一個無因次數群。組成此數群的各物理量,必須用一致的單位表示。因此,無論采用何種單位制,只要數群中各物理量的單位一致,所算出的Re值必相等。此數群稱為雷諾數，以Re表示，可判別流體的流動形態**對直管內的流動而言：Re<2000

層流區

2000<Re<4000

由層流轉變為湍流的過渡區Re>4000

湍流區

對于非圓形管道，計算Re時，應以當量直徑de代替特征數中的直徑d

。當量直徑的定義為：（3）流型的判斷圓形管道：de=d長方形管道（邊長為a、b):de=2ab/(a+b)套管（直徑d1、d2）：de=d2-d1**流體流動受固體壁面影響（能感受到固體壁面存在）的區域（4）邊界層邊界層：流體的流速低于未受壁面影響的流速的99%的區域(a)平板上的流動邊界層主流區：在邊界層以外，速度梯度接近為零的區域**層流邊界層：邊界層內的流動類型為層流湍流邊界層：邊界層內的流動類型為湍流層流內層：邊界層內近壁面處一薄層，無論邊界層內的流型為層流或湍流，其流動類型均為層流。層流內層的厚度雖然不大，但黏附在壁面，成為傳熱和傳質的主要阻力。（4）邊界層**（b）圓管入口處的流動邊界層發展內摩擦：一流體層由于粘性的作用使與其相鄰的流體層減速邊界層：受內摩擦影響而產生速度梯度穩定段長度：從管口到形成邊界層所經歷的管長，其長度與管的形狀、管壁粗糙度及雷諾準數等因素有關**邊界層發展：邊界層厚度

隨流動距離增加而增加流動充分發展：邊界層不再改變，管內流動狀態也維持不變，充分發展的管內流型屬層流還是湍流取決于匯合點處邊界層內的流動屬層流還是湍流（b）圓管入口處的流動邊界層發展**（c）流體在圓管內的速度分布滯流時的速度分布

理論分析和實驗都已證明，滯流時的速度沿管徑按拋物線的規律分布，如圖所示。截面上各點速度的平均值等于管中心處最大速度umax的0.5倍。**湍流時的速度分布

湍流時流體質點的運動情況比較復雜，目前還不能完全采用理論方法得出湍流時的速度分布規律。經實驗測定，湍流時圓管內的速度分布曲線如圖所示。速度分布比較均勻，速度分布曲線不再是嚴格的拋物線。管內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的邊界層分離A點流速為零壓強最大駐點加速減壓C點(u→max，p→min)減速加壓S點(u=0，p→max)邊界層分離邊界層的分離會導致流體流動阻力的增大ABS

**§2－4流體在圓管內流動時的阻力計算2－4.1滯流時的摩擦阻力滯流是流體作一層滑過一層的流動，流動阻力主要是流體的內部摩擦力。在流動過程中，阻力服從牛頓黏性定律。**由壓力差產生的推力流體層間內摩擦力流體柱所受的推力其表面滑動的摩擦力相等而方向相反因管半徑為R，整理并積分，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湍流時的摩擦阻力根據多方面得實驗并進行適當數據處理后，得到如下公式：或以上兩式稱為范寧公式。------稱為摩擦阻力系數。****1）摩擦因數圖

a)層流區：Re≤2000，λ與Re成直線關系，λ=64/Re。b)過渡區：2000＜Re＜4000，管內流動隨外界條件的影響而出現不同的流型，摩擦系數也因之出現波動。

c)湍流區：

Re≥4000且在圖中虛線以下處時，λ值隨Re數的增大而減小。

d)完全湍流區：圖中虛線以上的區域，摩擦系數基本上不隨Re的變化而變化，接近為一常數，其值只隨相對粗糙度的變化而變化。根據范寧公式，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2)λ值的經驗關系式

柏拉修斯(Blasius)光滑管公式適用范圍為Re=3×103～1×105ε＝e/d＝管的粗糙度/圓管內徑**當流體在管道系統中流經各種管件時，其流速大小和方向都發生了變化，流體質點發生擾動而形成渦流，導致產生摩擦阻力，這類阻力稱為局部阻力。為了便于管路計算，把局部阻力折算成一定長度直管的阻力，此相應的管子長度稱為當量長度le。管路計算主要是利用連續性方程、伯努利方程和阻力計算式確定外加能量（He）、流量（qv）、位置（H）及操作壓強（P）。2－4.3局部阻力2－4.4管路計算**計算步驟確定基準面與衡算面列已知條件（H、p、u）（*）計算Hf

列伯努利方程，求未知量*功率計算**§

2.5流體流量的測量1.孔板流量計是利用孔板對流體的節流作用，使流體的流速增大，壓力減小，以產生的壓力差作為測量的依據。**

如圖所示，在管道內與流動垂直的方向插入一片中央開圓孔的板，孔的中心位于管道的中心線上，孔板前后管壁上有測壓孔，用以連接壓力計即構成孔板流量計。**

為了建立管內流量與孔板前后壓力變化的定量關系，取孔板上游尚未收縮的流動截面為1－1，下游截面宜放在縮脈處，以便測得最大壓差讀數，但由于縮脈的位置及其截面積難于確定，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械能衡算方程，并暫時略去能量損失，可得因為是水平管道，所以H1=H0，化簡得：**對不可壓縮性流體，根據連續性方程，可得：將上式代入可得：**對于實際流體而言，由于流動阻力引起得壓頭損失，孔板處突然收縮造成得擾動，以及板與導管間裝配可能有誤差，將這些影響歸納為一個校正系數c0，對所測的流速加以校正，得：C0稱為孔板流量系數，其值由試驗或經驗關系確定。一般情況下為0.61－－0.63.若液柱壓力計讀數為△R，指示液密度為ρi，則孔板流量計制造簡單，安裝與更換方便，其主要缺點是流體的能量損失大，A0/A1越小，能量損失越大**2.文丘里流量計

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

**

如圖所示，當流體在漸縮漸擴段內流動時，流速變化平緩，渦流較少，于喉頸處（即最小流通截面處）流體的動能達最高。此后，在漸擴的過程中，流體的速度又平緩降低，相應的流體壓力逐漸恢復。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，當孔徑與管徑之比在（1/2)～（1/3)的范圍內時，其值為0.98～1。**3.轉子流量計

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

它系由一個截面自下而上逐漸擴大的錐形垂直玻璃管和一個能夠旋轉自如的金屬或其它材質的轉子所構成。被測流體由底端進入，由頂端流出.**

當流體自下而上流過垂直的錐形管時，轉子受到兩個力的作用：一是垂直向上的推動力，它等于流體流經轉子與錐管間的環形截面所產生的壓力差；另一是垂直向下的凈重力，它等于轉子所受的重力減去流體對轉子的浮力。當流量加大使壓力差大于轉子的凈重力時，轉子就上升。當壓力差與轉子的凈重力相等時，轉子處于平衡狀態，即停留在一定位置上。在玻璃管外表面上刻有讀數，根據轉子的停留位置，即可讀出被測流體的流量。凈壓力差流體浮力轉子重力**△p-----轉子上下間流體的壓力差，單位為PaVR------轉子的體積，單位為m3AR------轉子最大部分頂端面的橫截面積，單位為m2

R，-----分別為轉子材料和流體的密度，單位為kg·m-3若流體通過環隙處的流速為,則按柏努力方程可得：cR------校正因素，與流體流動形態、轉子形狀等因素有關因為

可得：-----環隙面積，單位為m2-----體積流量，單位為m3·h-1**優點：

讀取流量方便，流體阻力小，測量精確度較高，能用于腐蝕性流體的測量；流量計前后無須保留穩定段。缺點：

玻璃管易碎，且不耐高溫、高壓。轉子流量計必須垂直安裝，且應安裝旁路以便于檢修

轉子密度須大于被測流體的密度。其材料可以是不銹鋼、塑料、玻璃、鋁等安裝**§2－6流體輸送機械

在化工生產過程中，流體輸送是主要的單元操作之一它遵循流體流動的基本原理。流體輸送機械是一種向流體作功以提高流體機械能的裝置。通常，將輸送液體的機械稱為泵，將壓送氣體的機械按不同的工況分別稱為通風機、鼓風機、壓縮機和真空泵。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匯集液體，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轉能裝置，因殼內葉輪旋轉方向與蝸殼流道逐漸擴大的方向一致，減少了流動能量損失，并且可以使部分動能轉變為靜壓能。3.軸封裝置軸封：離心泵工作時是泵軸旋轉而泵殼不動，泵軸與泵殼之間的密封。作用：防止高壓液體從泵殼內沿間隙漏出，或外界空氣漏入泵內。**4.離心泵的工作原理

離心泵啟動后，泵軸帶動葉輪一起作高速旋轉運動，迫使預先充灌在葉片間液體旋轉，在慣性離心力的作用下，液體自葉輪中心向外周作徑向運動。液體在流經葉輪的運動過程獲得了能量，靜壓能增高，流速增大。當液體離開葉輪進入泵殼后，由于殼內流道逐漸擴大而減速，部分動能轉化為靜壓能，最后沿切向流入排出管路。當液體自葉輪中心甩向外周的同時，葉輪中心形成低壓區，在貯槽液面與葉輪中心總勢能差的作用下，致使液體被吸進葉輪中心。依靠葉輪的不斷運轉，液體便連續地被吸入和排出。液體在離心泵中獲得的機械能量最終表現為靜壓能的提高。**4.離心泵的工作原理**5.氣縛現象氣縛現象：當啟動離心泵時，若泵內未能灌滿液體而存在大量氣體，則由于空氣的密度遠小于液體的密度，葉輪旋轉產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，這種可以啟動離心泵，使葉輪空轉，但不能輸送液體的現象稱為“氣縛現象”。離心泵是一種沒有自吸能力的液體輸送機械。若泵的吸入口位于貯槽液面的上方，在吸入管路應安裝單向底閥和濾網。單向底閥可防止啟動前灌入的液體從泵內漏出，濾網可阻擋液體中的固體雜質被吸入而堵塞泵殼和管路。若泵的位置低于槽內液面，則啟動時就無需灌泵。**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，與泵的結構等因素有關

H0-----當地大氣壓，m水柱Hv-----輸送液的蒸氣壓，m水柱u2/2g-----吸入管路中液體的動壓頭，一般可忽略Hf-----吸入管路中的壓頭損失，m水柱**7.離心泵的性能參數和特性曲線離心泵的流量與轉數的關系：離心泵的揚程與轉數的關系離心泵的功率與轉數的關系**2－6.2往復泵

往復泵是一種正位移工作方式泵，它依靠作往復運動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)計量泵①外觀**2-6.4氣體輸送機械1氣體輸送的特點

①動力消耗大：對一定的質量流量，由于氣體的密度小，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，前者經濟流速（15~25m/s）約為后者（1~3m/s）的10倍。這樣，以各自的經濟流速輸送同樣的質量流量，經相同的管長后氣體的阻力損失約為液體的10倍。因而氣體輸送機械的動力消耗往往很大。②氣體輸送機械體積一般都很龐大，對出口壓力高的機械更是如此。③由于氣體的可壓縮性，故在輸送機械內部氣體壓力變化的同時，體積和溫度也將隨之發生變化。這些變化對氣體輸送機械的結構、形狀有很大影響。因此，氣體輸送機械需要根據出口壓力來加以分類。**2氣體輸送機械分類終壓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離心通風機工作原理：結構：主要性能參數及特性曲線：與離心泵相似特點：葉片數目多、短，有徑向、前彎、后彎等，通道多呈矩形

風量、風壓、軸功率、效率與離心泵相同風量Q：以進口狀態計

**風壓pt：在風機進出口間列機械能衡算方程式：

又稱全風壓,Pa**若使用條件與測定條件不同，需換算：

--------用1atm、20℃空氣測定的風壓

標準全風壓pt0**全壓效率70%~90%

效率

：

功率N：**4壓縮機

往復式壓縮機離心式壓縮機**

在工廠中常用的鼓風機有旋轉式和離心式兩種類型。（1）羅茨鼓風機圖1-66羅茨鼓風機5鼓風機**羅茨鼓風機的工作原理與齒輪泵類似。如圖所示，機殼內有兩個漸開擺線形的轉子，兩轉子的旋轉方向相反，可使氣體從機殼一側吸，從另一側排出。轉子與轉子、轉子與機殼之間的縫隙很小，使轉子能自由運動而無過多泄漏。屬于正位移型的羅茨風機風量與轉速成正比，與出口壓強無關。該風機的風量范圍可自2至500m3/min，出口表壓可達80kPa，在40kPa左右效率最高。該風機出口應裝穩壓罐，并設安全閥。流量調節采用旁路，出口閥不可完全關閉。操作時，氣體溫度不能超過85℃，否則轉子會因受熱臌脹而卡住。**離心式鼓風機的結構特點：離心式鼓風機的外形與離心泵相象，內部結構也有許多相同之處。（2）離心式鼓風機**6真空泵真空泵的一般特點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械。若將前述任何一種氣體輸送機械的進口與設備接通，即成為從設備抽氣的真空泵。然而，專門為產生真空用的設備卻有其獲得之處。（1）由于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，所以余隙的影響很大。**真空泵的主要性能參數有：（1）極限剩余壓力（或真空度）：這是真空泵所能達到最低壓力；（2）抽氣速率：單位時間內真空泵在極限剩余壓力下所吸入的氣體體積，亦即真空泵的生產能力。**往復式真空泵與往復式壓縮式的構造顯著區別，但也有其自身的特點：（1）在低壓下操作，氣缸內、外壓差很小，所用的活門必須更加輕巧；（2）當要求達到較好的真空度時，壓縮比會很大，余隙容積必須很小，否則就不能保證較大的吸氣量。（3）為減少余隙的影響，設有連通活塞左右兩側的平衡氣道。干式往復真空泵可造成高達96~99.9%的真空度；濕式則只能達到80~85%**水環真空泵水環真空泵的外殼呈圓形，其中的葉輪偏心安裝。啟動前，泵內注入一定量的水，當葉輪旋轉時，由于離心力的作用，水被甩至殼壁形成水環。此水環具有密封作用，使葉片間的空隙形成許多大小不同的密封室。由于葉輪的旋轉運動，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。水環真空泵結構簡單、緊湊，最高真空度可達85%。**液環真空泵葉環泵外殼呈橢圓形。當葉輪旋轉時液體被拋向四周形成一橢圓形液環，在其軸方向上形成兩個月牙形的工作腔。由于葉輪的旋轉運動，每個工作腔內密封室逐漸由小變大而從吸入口吸入氣體；然后又由大變小，將氣體強行排出。**旋片真空泵是旋轉式真空泵的一種，其工作原理見圖。當帶有兩個旋片7的偏心轉子按箭頭方向旋轉時，旋片在彈簧8的壓力及自身離心力的作用下，緊貼泵體9內壁滑動，吸氣工作室不斷擴大，被抽氣體通過吸氣口3經吸氣管4進入吸氣工作室，當旋片轉至垂直位置時，吸氣完畢，此時吸入的氣體被隔離。**轉子繼續旋轉，被隔離的氣體逐漸被壓縮，壓強升高。當壓強超過排氣閥片2上的壓強時，則氣體經排氣管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、排氣兩個工作室，轉子每旋轉一周，有兩次吸氣、排氣過程。旋片泵的主要部分浸沒于真空油中，為的是密封個部件間隙，充填有害的余隙和得到潤滑。此泵屬于干式真空泵。**如需抽吸含有少量可凝性氣體的組合氣時，泵上設有專門設計的鎮氣閥（能在一定的壓強下打開的單向閥），把經控制的氣流（通常是濕度不大的空氣）引到泵的壓縮腔內，以提高混合氣的壓強，使其中的可凝性氣體在分壓尚未達到泵腔溫度下的飽和值時，即被排出泵外。旋片泵可達到較高的真空度（絕對壓強約為0.67Pa），抽氣速率比較小，適用于抽除干燥或含有少量可凝性蒸氣的氣體。不適宜用于抽除含塵和對潤滑油起化學作用的氣體。**噴射真空泵噴射泵是利用高速流體射流量壓力能向動能轉換所造成的真空，將氣體吸入泵內，并在混合室通過碰撞、混合以提高吸入氣體的機械能，氣體和工作流體一并排出泵外。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。單級蒸汽噴射泵僅能達到90%的真空度，為獲得更高的真空度可采用多級蒸汽噴射泵。噴射泵的優點是工作壓強范圍大，抽氣量大，結構簡單，適應性強。缺點是效率低。**本章小結H：穩態流動U：流量與流速，連續性方程，測量（孔板、文丘里、轉子流量計工作原理）P：單位（at、atm、kgf/cm2），基準（表壓、真空度），測量（壓力計、壓差計）Hf：流動型態（層流、湍流的特點），流型判斷（雷諾準數），阻力計算（公式與圖）(粘度、當量直徑）He：功率計算式公式應用：管路計算（重點為功率計算）**當流體以層流形態流動時，若管長、流量、流體的性質均不變，管徑減小1/2，則流動阻力增加多少倍？在天津操作的苯乙烯真空精餾塔塔頂真空表的讀數是1kgf/cm2水柱，在蘭州操作時，若要維持塔內的絕對壓強不變，真空表的讀數應為多少kPa（已知天津地區的平均大氣壓為1atm，蘭州地區的平均大氣壓為8.5m水柱）。有一垂直管道，內徑由300mm逐漸縮至200mm，水由下而上在管內流動，測的水在粗管口和細管口的靜壓強分別為250kPa和100kPa，管長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**本章主要內容：1.主要討論流體傳導傳熱、對流傳熱的機理和傳熱方程式及其應用；2.冷熱流體通過固體間壁進行換熱的過程和計算；3.強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構和性能；5.列管式換熱器的設計與選型；

**傳熱過程在化工生產中的應用§3－1概述

3－1.1化工生產中的傳熱過程例如：蒸發、蒸餾、干燥、結晶等傳熱過程的基本要求：1.強化傳熱；2.避免傳熱熱量傳遞方向：高溫傳向低溫傳熱過程的推動力：溫差**換熱方式

1.傳熱過程在化工生產中的應用**

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

優點：方便和有效，而且設備結構較簡單，常用于熱氣體的水冷或熱水的空氣冷卻。

缺點：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，即可通過填料將從熱流體來的熱量，傳遞給冷流體，達到換熱的目的。

優點：結構較簡單，可耐高溫，常用于氣體的余熱或冷量的利用。

缺點：由于填料需要蓄熱，所以設備的體積較大，且兩種流體交替時難免會有一定程度的混合。**(3)間壁式傳熱

在多數情況下，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上并不很多，工業上應用最多的是間壁式傳熱過程。這類換熱器的特點是在冷、熱兩種流體之間用一金屬壁(或石墨等導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：單位面積上的傳熱速率，W·m-2潛熱：單位質量的物質在發生相變化時伴隨的熱量變化

J/kg定壓比熱容cp：壓力恒定時，單位質量的物質溫度升高1K時所需的熱量，J·K-1·kg-1傳熱速率

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

通常連續生產多為穩定傳熱，間歇操作多為不穩定傳熱。化工過程中連續生產是主要的，因而本章主要討論定態傳熱。

3－1.3定態傳熱和非定態傳熱**

一個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傳熱（或熱傳導）。傳導傳熱的本質是物體內部微觀粒子的熱運動而引起的熱量傳遞

物質的三態均可以充當熱傳導介質，但導熱的機理因物質種類不同而異，具體為：

固體金屬：自由電子運動在晶格之間；

液體和非金屬固體：晶格結構的振動；即分子、原子在其平衡位置的振動。

氣體：分子的不規則運動。§3－2熱傳導（導熱）**

3－2.1熱傳導基本方程－－傅立葉定律負號表示傳熱的方向與溫度升高的方向（梯度方向）相反稱為導熱系數,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：是物質導熱能力的標志,與物質種類、熱力學狀態（T、P）有關。物理含義：代表單位溫度梯度下的熱通量大小，即：當物體兩個面（等溫面）間溫差為1K，厚度為1m時，每經過1m2傳熱面積所能傳導的熱量。故物質的

越大，導熱性能越好。一般地，

導電固體>

非導電固體，

液體>

氣體T

，

氣體

，

水

，其它液體的

。導熱系數：數據來源：物質的導熱系數可以通過實驗測定，也可以查資料、計算固體液體混合物氣體混合物計算**若

為常數，則：當x=0時，t=t1，當x=δ時，t=t2積分上式得：

3－2.2平面壁的定態熱傳導1.單層平面壁的熱傳導**2.多層平面壁的熱傳導（無內熱源）**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若

為常數，則：--------可見溫度分布為對數關系1r1r2δt2

tt0

r

3－2.3圓筒壁的一維穩態導熱****

Φ=常數，但

q

常數2.多層圓筒壁的熱傳導（無內熱源）**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：

設保溫層內半徑r處的溫度為t，代入上式：將已知數據代入，整理得溫度t與半徑的關系式為：

t=-126.6lnr–18.64筒壁內的溫度分布不是直線，而是曲線。****§3－3對流傳熱（熱對流）傳熱方式熱輻射熱對流熱傳導

熱對流是指流體各部分之間發生相對位移所引起的熱量傳遞過程。熱對流僅發生在流體中。對流方式*強制對流自然對流因流體中各處溫度不同引起密度差異而使流體質點產生相對位移因攪拌等外力而使質點產生相對位移**流動的流體與外界的傳熱靜止流體與外界的傳熱強制對流自然對流**

3－3.1牛頓冷卻定律**

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

α——比例系數稱為傳熱膜系數（也稱作給熱系數）。物理意義:當流體主體與壁面間的溫度差為1K時,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對流傳熱膜系數通過理論分析和實驗表明，影響對流給熱系數的因素有以下幾方面：(1).流動型態

層流：熱流主要依靠熱傳導的方式傳熱。由于流體的導熱系數比金屬的導熱系數小得多，所以熱阻大。

湍流：質點充分混合且層流底層變薄，

較大。但Re

，動力消耗大。(2).引起流動的原因

自然對流：由于流體內部存在溫差引起密度差形成的浮升力，造成流體內部質點的上升和下降運動，一般u較小，

也較小。

強制對流：外力作用引起的流動運動，一般u較大，故

較大。1影響因素**(3).流體的物性

當流體種類確定后，根據溫度、壓力（氣體）查對應的物性，影響

較大的物性有：

，

，

，cp。(4).是否發生相變

主要有蒸汽冷凝和液體沸騰。發生相變時，由于汽化或冷凝的潛熱遠大于溫度變化的顯熱（r遠大于cp）。一般情況下，有相變化時對流傳熱系數較大，機理各不相同，情況復雜。**(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；會造成邊界層分離，產生旋渦，增加湍動，使

增大。

（1）形狀：比如管、板、管束等；

（2）大小：比如管徑和管長等；

（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平放置。對于一種類型的傳熱面常用一個對對流傳熱系數有決定性影響的特性尺寸L來表示其大小。**表征給熱系數的特征準數

由于影響對流傳熱系數的因素很多，要建立一個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群（準數），然后再用實驗確定這些準數的關系，得到α的關連式。反映流體流動型態對對流給熱系數的的影響

反映流體物性對對流給熱系數的影響

反映自然對流對對流給熱系數的影響

2傳熱過程的特征數**(1)圓形直管強制湍流的給熱系數流體在圓形直管內作強制湍流時，對于低粘度流體，則有應用范圍：Re＞10000；0.7＜Pr＜120；

定性溫度：取流體進、出口溫度的算術平均值。特征尺寸：取為管內徑d1。3.傳熱膜系數的特征關聯式n=0.4被加熱n=0.3被冷卻思考2：

與u、d有何比例關系？思考1：為什么加熱時n取0.4，冷卻時取0.3？**(1)液體的沸騰傳熱

工業上經常需要將液體加熱使之沸騰蒸發，如：在鍋爐中把水加熱水蒸汽；在蒸發器中將溶劑汽化以濃縮溶液，都是屬于沸騰傳熱。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生的沸騰現象，此時，液體的運動由自然對流和汽泡的擾動所引起的。強制對流沸騰是指液體在管內流動的過程中而受熱沸騰的現象，此時，汽泡不能自由升浮，而是受迫隨液體一起流動，形成復雜的汽—液兩相流動，在流動過程中沿途吸熱，直至全部汽化。3.沸騰和冷凝時的傳熱膜系數**沸騰曲線

工業上一般維持沸騰裝置在核狀沸騰下工作，其優點是：此階段下α大，tW小。**

蒸汽是工業上最常用的熱源，在鍋爐內利用煤燃燒時產生的熱量將水加熱汽化，使之產生蒸汽。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系。蒸汽在飽和溫度下冷凝成同溫度的冷凝水時，放出冷凝潛熱，供冷流體加熱。(2)蒸汽冷凝的對流傳熱

蒸汽冷凝的方式

膜狀冷凝：冷凝液體能潤濕壁面，它就在壁面上鋪展成膜狀冷凝時蒸汽放出的潛熱必須穿過液膜才能傳遞到壁面上去，此時，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，給熱系數隨之越小。**

滴狀冷凝：凝液不能完全潤濕壁面，在壁面上形成一個個小液滴，且不斷成長變大，在非水平壁面上受重力作用而沿壁滾動，在下滾過程中，一方面會合相遇