化工原理第四章第五节讲稿
合集下载
精排版《化工原理》讲稿(全)
第一单元动量传递绪论一、化工过程产品2.引出单元操作的概念（化工过程由若干单元操作和反应过程串联而成）。
二、单元操作1.单元操作概念：化工生产中，设备相似、原理相近、基本过程相同的生产过程称为单元操作。
2.单元操作分类：三传一反——P2表0-1(1)动量传递（传动）：流体输送、沉降、过滤等——密度ρ、黏度μ。
(2)热量传递（传热）：热交换、蒸发等——温度t、热导率λ。
(3)质量传递（传质）：蒸馏、吸收、干燥等——相对挥发度α、溶解度x。
3.单元操作特点：(1)物理性操作；(2)共有性操作。
三、基本概念1.物料衡算（质量守恒）2.能量衡算（能量守恒）3.过程极限（平衡状态）——溶解，饱和；传热，温度相等。
4.过程速率（变化快慢）——过程速率=推动力/阻力第一讲流体静力学流体：气体和液体的总称（不可压缩流体、可压缩流体）。
一、主要物理量1.密度（物理性质，温度和压力的函数，可查表获得）ρ=m/V kg/m3定义式理想气体：ρ=m/V=nM/V=pM/RT（pV=nRT 符号说明：R=8.314，T=t+273）相对密度：物质密度与水的密度之比（4℃）。
常用密度：水（20℃）—998kg/m3；水银（20℃）—13.6×103 kg/m32.压力p=P/A Pa 定义式绝对压力：压力的真实值。
表压：表压=绝对压力－大气压力（压力表测得值，真实压力比大气压大的部分）真空度：真空度=大气压力－绝对压力（真空表测得值，真实压力比大气压小的部分）表压=－真空度真空度最大值=大气压常用压力：1atm≈0.1MPa=1.013bar=1.033工程大气压=10.33mH2O=760mmHg例题1-1。
二、流体静力学1.静力学基本方程的推导设：敞口容器内盛有密度为ρ的静止流体，取任意一个垂直流体液柱，上下底面积均为A m 2。
a .作用在液柱上端面上的总压力P 1 P 1= p 1 Ab .作用在液柱下端面上的总压力P 2 P 2= p 2 Ac .作用于整个液柱的重力G G =ρg A (z 1－z 2)液柱静止，垂直方向上的三个作用力的合力为零，即 ：p 1 A + ρg A (z 1－z 2)－p 2 A = 0 令： h = (z 1－z 2) 整理得：p 2 = p 1 + ρg h若将液柱上端取在液面，并设液面上方的压强为p 0, 则： p = p 0 + ρg h上式均称为流体静力学基本方程式：静止流体内部某一点的压强等于作用在其上方的压强加上液柱的重力压强。
陈敏恒化工原理上册化工原理第四章
de 2
u1 — 流体在虚拟细管内的流速，等价于流体在床层颗粒空
隙间的实际 (平均) 流速。
u1 与空床流速(又称表观流速) u、空隙率 的关系
u1
u
当量直径：de
4 a(1 )
虚拟细管长度：Le CL
L
(
Le ) 8L
(1 3
)a
u2
L
'
1
xi
d pi
床层特性
L
(1) 床层空隙率 ① 定义：床层中，空隙所占体积分率。
VB V 1 V
u
VB
VB
表明： 床层堆积的松散程度；
ε↑，空隙越大，床层越松散；
ε对流体流过床层的阻力影响很大。
② 影响床层空隙率的因素
（a）装填方法：干装 湿装
当 Re’ < 3 时，欧根方程右侧第二项可忽略。压降与流速
和粘度的一次方均成正比。
L
150
(1 )2
3
d
2 p
u
当 Re’ > 100 时，欧根方程右侧第一项可忽略。压降与流
速的平方成正比而与粘度无关。
L
1.75
(1 ) 3d p
u2
K ' a2 (1 )2 u
颗粒的形状系数ψ
形状系数
与非球形颗粒等体积的球形颗粒的表面积 非球形颗粒的表面积
S球 1
S
表明：颗粒形状接近于球形的程度； ψ↑，则颗粒越接近于球形。
球形颗粒： 1
工程上多采用可以测量的等体积当量直径dev和ψ 来表示颗粒的特性
u1 — 流体在虚拟细管内的流速，等价于流体在床层颗粒空
隙间的实际 (平均) 流速。
u1 与空床流速(又称表观流速) u、空隙率 的关系
u1
u
当量直径：de
4 a(1 )
虚拟细管长度：Le CL
L
(
Le ) 8L
(1 3
)a
u2
L
'
1
xi
d pi
床层特性
L
(1) 床层空隙率 ① 定义：床层中，空隙所占体积分率。
VB V 1 V
u
VB
VB
表明： 床层堆积的松散程度；
ε↑，空隙越大，床层越松散；
ε对流体流过床层的阻力影响很大。
② 影响床层空隙率的因素
（a）装填方法：干装 湿装
当 Re’ < 3 时，欧根方程右侧第二项可忽略。压降与流速
和粘度的一次方均成正比。
L
150
(1 )2
3
d
2 p
u
当 Re’ > 100 时，欧根方程右侧第一项可忽略。压降与流
速的平方成正比而与粘度无关。
L
1.75
(1 ) 3d p
u2
K ' a2 (1 )2 u
颗粒的形状系数ψ
形状系数
与非球形颗粒等体积的球形颗粒的表面积 非球形颗粒的表面积
S球 1
S
表明：颗粒形状接近于球形的程度； ψ↑，则颗粒越接近于球形。
球形颗粒： 1
工程上多采用可以测量的等体积当量直径dev和ψ 来表示颗粒的特性
化工原理第四章讲稿PPT课件
传热速率与热通量的关系为 q dQ dA
传热速率
传热温差（推动力） 热阻（阻力）
传热温差以△T表示，热阻通常以R或r表示Q T
R
2021/2/11
q T r
第四章 传热
第二节 热传导
一、基本概念和傅立叶定律 二、导热系数 三、平壁的稳定热传导 四、圆筒壁的稳定热传导
2021/2/11
一、基本概念和傅立叶定律
2021/2/11
五、典型的间壁式换热器及其传热过程
1、套管式换热器
套管式换热器是由两种直径大小不同的直管组成的同心 管，一种流体在内管中流动，另一种流体在内、外两壁 间的环隙中流动，通过内管管壁进行热量交换。内管壁 的表面积即为传热面积。
2、列管式换热器
列管式换热器由壳体、管束、管板和封头等部件组成。
2021/2/11
2021/2/11
2021/2/11
一种流体由封头的进口管进入器内，流经封头与管板的空间 分配至各管内（称为管程）。通过管束后，从另一端封头的 出口流出换热器。另一种流体则由壳体的接管流入，在壳体 与管束间的空隙流过（称为壳程），从壳体的另一端接管流 出。壳体内往往安装若干块与管束相垂直的折流挡板。 流体在管束内只通过一次，称为单程列管式换热器。
2021/2/11
二、热源和冷源
1、热源
1）电热：特点是加热能达到的温度范围广，而且便于控制， 使用方便，比较清洁。但费用比较高 。
2）饱和水蒸气： 优点：饱和水蒸气的冷凝温度和压强有一一对应的关系， 调节饱和水蒸汽的压强就可以控制加热温度，使用方便， 而且饱和蒸汽冷凝过程的传热速率快。 缺点：饱和水蒸气冷凝传热能达到的温度受压强的限制。
gradt
lim
化工原理 第四章
第二节 过滤
若滤饼需要洗涤，可将洗水压人洗水通道，经洗涤板 角端的暗孔进入板面与滤布之间。此时，应关闭洗涤板下 部的滤液出口，洗水便在压力差推动下穿过一层滤布及整 个厚度的滤饼，然后再横穿另一层滤布，最后由过滤板下 部的滤液出口排出，这种操作方式称为横穿洗涤法，其作 用在于提高洗涤效果。洗涤结束后，旋开压紧装置并将板 框拉开，卸出滤饼，清洗滤布，重新组合，进入下一个操 作循环。 板框压滤机优点是构造简单，制造方便、价格低；过 滤面积大，可根据需要增减滤板以调节过滤能力；推动力 大，对物料的适应能力强，对颗粒细小而液体较大的滤浆 也能适用。缺点是间歇操作，生产效率低；卸渣、清洗和 组装需要时间、人力，劳动强度大，但随着各种自动操作 的板框压滤机的出现，这一缺点会得到一定程度的改进。
第二节 过滤
（2）多孔性固体介质 是素瓷、金属或玻璃的烧结物、 塑料细粉粘结而成的多孔性塑料管等， 适用于含粘软性 絮状悬浮颗粒或腐蚀性混悬液的过滤,一般可截留粒径1～ 3μm的微细粒子。 （3）粒状介质 是由各种固体颗粒(砂石、木炭、石棉) 或非编织纤维(玻璃棉等)堆积而成。适用于深层过滤，如 制剂用水的预处理。 （4）微孔滤膜，是由高分子材料制成的薄膜状多孔介 质。适用于精滤,可截留粒径0.01μm以上的微粒,尤其适 用于滤除0.02～10μm的混悬微粒。
第二节 过滤
图4-4 滤板和滤框
第二节 过滤
2．转鼓真空过滤机 转筒真空过滤机为连续式真空过滤设备,如图4-5所示。 主机由滤浆槽、篮式转鼓、分配头、刮刀等部件构成。篮 式转鼓是一个转轴呈水平放置的圆筒,圆筒一周为金属网 上履以滤布构成的过滤面,转鼓在旋转过程中,过滤面可依 次浸入滤浆中。转筒的过滤面积一般为5～40m2,浸没部分 占总面积的30%～40%,转速约为0.1～3r/min。转鼓内沿径 向分隔成若干独立的扇形格,每格都有单独的孔道通至分 配头上。转鼓转动时,籍分配头的作用使这些孔道依次与 真空管及压缩空气管相通,因而,转鼓每旋转一周,每个扇 形格可依次完成过滤、洗涤、吸干、吹松、卸饼等操作。
化工原理第4章
Re t ut d
5.3沉降分离设备
5.3.1重力沉降设备
5.3.2离心沉降设备
5.3.1重力沉降设备
降尘室
降尘室的生产能力
降尘室的生产能力是指降
尘室所处理的含尘气体的体
气体 进口 气体 出口
积流量，用qv表示，m3/s。 降尘室内的颗粒运动
气体
集灰斗 降尘室
L B
u
H
以速度u
随气体流动
FD 3d p u
当流速较高时，Stokes定律不成立。因此，对一 般流动条件下的球形颗粒及其其他形状的颗粒， FD的数值尚需通过实验解决。
（2）曳力（阻力）系数 对球形颗粒， 用因次分析并整理后可得：
FD = F (d p , u, , )
1 2 FD AP u 2
Re P d p u
回顾第1章流体沿固体壁面流过的阻力分为两类：表 皮阻力（即表面摩擦阻力）和形体阻力（边界层分离产 生旋涡），绕流时颗粒受到流体的总曳力:
FD与流体 、 、相对流速 u 有关，而且 受颗粒的形状与定向的影响，问题较为复杂。至 今，只有几何形状简单的少数情况才可以得到FD 的理论计算式。例如，粘性流体对球体的低速绕 流（也称爬流）时FD的理论式即斯托克律 （Stokes）定律为：
计算
例3-3 降尘室除常压炉气中的球形尘粒。降尘室 3 宽和长分别为2m和6m，处理量为1标准 /s，炉气温 -5 度427℃，相应ρ=0.5kg/m3，μ=3.4×10 Pa.s，固体 密度ρS= 400kg/m3，规定气速≤0.5m/s，试求： ①降尘室总高度H； ②理论上能完全分离下来的最小颗粒尺寸； ③粒径为40μm 的颗粒的回收百分率；
m/s
化工原理第四章第5节2014
L Nu
4. Gr准数 称为格拉斯霍夫准数， 表示由温度差引起的浮力与 粘性力之比。 3 2
Gr t gL
2
流体无相变时强制对流传热所确定的准数主要是Nu，Re，Pr ；
自然对流传热所确定的准数主要是Nu，Pr，Gr。
二. 使用由实验数据整理得到的关联式应注意的问题
4.5.2
对流传热过程的量纲分析
一. 量纲分析法所确定的准数
1. Pr准数 称为普兰特准数，表示流体物理性质对对流传热 系数的影响。
Pr
Cp
2. Re准数 即雷诺准数，表示流体流动状态对对流传热系数 的影响。 Lu Re L为传热面的特性尺寸。
3. Nu准数
即努塞尔准数,是表示对流传热系数的准数.
【例】常压空气在内径为20mm的管内由20℃加热到100℃ ，空气 的平均流速为20m/s ，试求管壁对空气的对流传热系数。 d i u 20 100 解: Re 定性温度 60 ℃
2
由附录查得60 ℃ 时空气的物性如下： ρ=1.06kg/m3 =0.02896w/m℃ =2.01*10-5Pa·s
对流传热系数关联式
影响对流传热系数的因素
1．流体的种类和相变化的情况
2．流体的物性
(1)导热系数λ
流体的导热系数愈大，对流传热系数愈大。 （2）粘度 流体的粘度愈大，对流传热系数就愈低。 （3）比热容和密度 Cp值愈大，表示物料携带热量的能力愈强，因此对流
传热的强度愈强。
（4）体积膨胀系数β 体积膨胀系数愈大的流体，所产生的密度差别愈大，因 此有利于自然对流。
Q W hCph T1 T2 WcCpc t2 t1
化工原理讲稿(中国石油大学)第五章 传热3
以套管换热器为例：
热流体放出热量： Q1 m1[ 1 c p ,1 T1 T2 ] 冷流体吸收热量： Q2 m2 [ 2 c p , 2 t 2 t1 ] 能量守恒： Q1＝Q2+Qf
Qf=0
Q1＝Q2
第五节 两流体间的传热计算
例： 在一套管换热器中，用冷却水将1.25kg/s的
第五节 两流体间的传热计算
四、 总传热系数K
总传热系数 K 综合反映传热设备性能，流动状况和流体物 性对传热过程的影响。
物理意义：
Q K A t m
表征间壁两侧流体传热过程的强弱程度。 K = f（流体物性、操作条件、换热器本身特性等）
第五节 两流体间的传热计算
㈠ 传热系数K 的确定方法
T t m Q
1 K x Ax
推动力 阻力
－－传热速率方程式
Q K x Ax T t m
第五节 两流体间的传热计算
1 1 1 K x A x i Ai Am o Ao
平壁：Ai=Am=Ao
Q = K· A· △tm
圆筒壁：Ai≠Am≠Ao
Q = Ki· Ai· △tm= Km· Am· △tm =Ko· Ao· △ tm
1 1 Ko o
Ko o
若αo >>αi，1/αo可忽略，此时有：
1 1 Ki i
Ki i
第五节 两流体间的传热计算
结论：
称1/αo 或1/αi 称为控制热阻，即α小一侧的热阻对传热起决定性作用， 如水蒸汽和空气换热；
当存在控制性热阻时，K 值总是接近α小的值； 当存在控制性热阻，壁温(Tw、tw)总是接近于α大的流体主体温度 欲有效提高 K 值，应采取措施提高控制性热阻侧的α。
热流体放出热量： Q1 m1[ 1 c p ,1 T1 T2 ] 冷流体吸收热量： Q2 m2 [ 2 c p , 2 t 2 t1 ] 能量守恒： Q1＝Q2+Qf
Qf=0
Q1＝Q2
第五节 两流体间的传热计算
例： 在一套管换热器中，用冷却水将1.25kg/s的
第五节 两流体间的传热计算
四、 总传热系数K
总传热系数 K 综合反映传热设备性能，流动状况和流体物 性对传热过程的影响。
物理意义：
Q K A t m
表征间壁两侧流体传热过程的强弱程度。 K = f（流体物性、操作条件、换热器本身特性等）
第五节 两流体间的传热计算
㈠ 传热系数K 的确定方法
T t m Q
1 K x Ax
推动力 阻力
－－传热速率方程式
Q K x Ax T t m
第五节 两流体间的传热计算
1 1 1 K x A x i Ai Am o Ao
平壁：Ai=Am=Ao
Q = K· A· △tm
圆筒壁：Ai≠Am≠Ao
Q = Ki· Ai· △tm= Km· Am· △tm =Ko· Ao· △ tm
1 1 Ko o
Ko o
若αo >>αi，1/αo可忽略，此时有：
1 1 Ki i
Ki i
第五节 两流体间的传热计算
结论：
称1/αo 或1/αi 称为控制热阻，即α小一侧的热阻对传热起决定性作用， 如水蒸汽和空气换热；
当存在控制性热阻时，K 值总是接近α小的值； 当存在控制性热阻，壁温(Tw、tw)总是接近于α大的流体主体温度 欲有效提高 K 值，应采取措施提高控制性热阻侧的α。
《化工原理精品课程》PPT课件
煤气
孔板流量计 水封
泵 水池
水
煤气洗涤塔
填料塔
煤气
流体流动是最普遍的化工单元操作之一； 研究流体流动问题也是研究其它化工单元操作的 重要基础。
两类问题： 流体静力学问题 流体动力学问题
研究流体在流动和静止时的规律。
2 . 连续介质假定 假定流体是由无数内部紧密相连、彼此间没有
间隙的流体质点（或微团）所组成的连续介质。 质点：由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备
设液面上方的压强为P0
p p0 gh
——静力学基本方程
讨论： （1）适用于重力场中静止、连续的同种不可压缩性 流体； （2）液体内部压强P是随P0和h的改变而改变的，即：
P f P0 , h
（3）当容器液面上方压强P0一定时，静止液体内部
的压强P仅与垂直距离h有关，即： P h
在静止的、连续的同种流体内，处于同一水平面上 各点的压力处处相等。压力相等的面称为等压面。
二、静力学基本方程的应用 普通的
1. 压力及压力差的测量
起放大作用
（1）U形压差计
设指示液的密度为 a ，
复式压差计p1p2来自被测流体的密度为b 。 m
A与A′面 为等压面，即 p A p A'
而 pA p1 b g(m R)
R
A
A’
pA' p2 b gm a gR
所以
p1 b g(m R) p2 b gm a gR
整理得
p1 p2 (a b )gR
若被测流体是气体，b a ，则有 p1 p2 Rg a
讨论：
（1）U形压差计可测系统内两点的压力差，当将U形
管一端与被测点连接、另一端与大气相通时，也可测
化工原理第四章
化工原理第四章
11
化工原理第四章
12
（2）U型管换热器 特点：管内清洗困难
化工原理第四章
13
（3）浮头式换热器 结构较为复杂,成本高,消除了温差应力，应用广泛。
化工原理第四章
14
2.板式换热器
1）夹套式换热器
化工原理第四章
15
Ø 结构：夹套式换热器主要用于反应过程的加热 或冷却，是在容器外壁安装夹套制成。
Ø 优点：结构简单。
Ø 缺点：传热面受容器壁面限制，传热系数小。 为提高传热系数且使釜内液体受热均匀，可在釜 内安装搅拌器。也可在釜内安装蛇管。
化工原理第四章
16
2）板式换热器
化工原理第四章
17
化工原理第四章
18
化工原理第四章
19
3）螺旋板式换热器（逆流）
化工原理第四章
20
化工原理第四章
21
化工原理第四章
42
4.7.3 各种间壁式换热器的比较和传热的强 化途径
1.各种间壁式换热器的比较
视具体情况，综合考虑择优选定。
化工原理第四章
43
（1）加大流速； （2）增强流体的扰动； （3）在流体中加固体颗粒； （4）采用短管技术； （5）防止结垢和及时清除垢层。 原则：抓住影响强化传热的主要矛盾，结合设备结 构、动力消耗、检修操作等，采取经济合理的强化 方法。
Ø 优点：结构简单，便于防腐，能承受高压。
Ø 缺点：由于容器体积比管子的体积大得多,因此管外 流体的表面传热系数较小。为提高传热系数，容器内 可安装搅拌器。
化工原理第四章
6
（2）喷淋式
化工原理第四章
7
Ø 结构：多用于冷却管内的热流体。将蛇管成排 地固定于钢架上，被冷却的流体在管内流动，冷 却水由管上方的喷淋装置中均匀淋下，故又称喷 淋式冷却器。
化工原理讲稿 传质系数和传质理论
b-─与温度有关的常数，见P69表9-3
适用条件： (1)气体的空塔质量流速G为 320-4150kg/(m2h) (2)液体的空塔质量流速W为 4400-58500 kg/(m2h)； (3)直径为25mm的环形填料。
第五节 传质系数和传质理论
3.传质系数的准数关联式 (1) 计算气相传质系数的准数关联式
m2/m3，为填料层的空隙率m3/m3）；
U0 -─气体在填料空隙中的实际流速，u0=u/（u为空塔气速m/s）；
第五节 传质系数和传质理论
(2)计算液相传质系数的准数关联式
Sh L 0.000595 Re L 0.67 Sc L 0.33 Ga 0.33
液相舍伍德准数
Sh L
kL
cSm c
传质系数和传质理论
一、传质系数 二、 传质理论
第五节 传质系数和传质理论
一、传质系数 传质系数的影响因素 ➢物系的性质 ➢填料的结构 ➢操作条件 传质系数的来源
➢实验测定 ➢经验公式 ➢准数关联式
第五节 传质系数和传质理论
1.传质系数的实验测定 由填料层高度计算式：
h V Yb Ya KY a Ym
➢ 由此理论所得的传质系数计算式形式简单，但等效膜层厚度 1 和 2 以及界面上浓度 pi 和 Ci 都难以确定；
➢ 双膜理论存在着很大的局限性，例如对具有自由相界面或高度湍动 的两流体间的传质体系，相界面是不稳定的，因此界面两侧存在稳 定的等效膜层以及物质以分子扩散方式通过此两膜层的假设都难以 成立；
➢ 该理论提出的双阻力概念，即认为传质阻力集中在相接触的两流体 相中，而界面阻力可忽略不计的概念，在传质过程的计算中得到了 广泛承认，仍是传质过程及设备设计的依据；
第五节 传质系数和传质理论
适用条件： (1)气体的空塔质量流速G为 320-4150kg/(m2h) (2)液体的空塔质量流速W为 4400-58500 kg/(m2h)； (3)直径为25mm的环形填料。
第五节 传质系数和传质理论
3.传质系数的准数关联式 (1) 计算气相传质系数的准数关联式
m2/m3，为填料层的空隙率m3/m3）；
U0 -─气体在填料空隙中的实际流速，u0=u/（u为空塔气速m/s）；
第五节 传质系数和传质理论
(2)计算液相传质系数的准数关联式
Sh L 0.000595 Re L 0.67 Sc L 0.33 Ga 0.33
液相舍伍德准数
Sh L
kL
cSm c
传质系数和传质理论
一、传质系数 二、 传质理论
第五节 传质系数和传质理论
一、传质系数 传质系数的影响因素 ➢物系的性质 ➢填料的结构 ➢操作条件 传质系数的来源
➢实验测定 ➢经验公式 ➢准数关联式
第五节 传质系数和传质理论
1.传质系数的实验测定 由填料层高度计算式：
h V Yb Ya KY a Ym
➢ 由此理论所得的传质系数计算式形式简单，但等效膜层厚度 1 和 2 以及界面上浓度 pi 和 Ci 都难以确定；
➢ 双膜理论存在着很大的局限性，例如对具有自由相界面或高度湍动 的两流体间的传质体系，相界面是不稳定的，因此界面两侧存在稳 定的等效膜层以及物质以分子扩散方式通过此两膜层的假设都难以 成立；
➢ 该理论提出的双阻力概念，即认为传质阻力集中在相接触的两流体 相中，而界面阻力可忽略不计的概念，在传质过程的计算中得到了 广泛承认，仍是传质过程及设备设计的依据；
第五节 传质系数和传质理论
化工原理第四章第五节讲稿共50页文档
流传热系数也愈大。 2）粘度
流体的粘度愈大，对流传热系数愈低。 3）比热和密度
2020/1/5
ρcp：单位体积流体所具有的热容量。 ρcp值愈大，流体携带热量的能力愈强，对流传热的强 度愈强。 （4）体积膨胀系数
体积膨胀系数β值愈大，密度差愈大，有利于自然对 流。对强制对流也有一定的影响。
3、流体的温度 4、流体流动状态
2020/1/5
bc10 abcd0
3 b c d 3 0
b10
a 1
b1
c0 d 0
1l1l Nu
2
lu
Re
3
cp
Pr
Nuf(RPer, )
——流体无相变时强制对流时的准数关系式
2020/1/5
2、自然对流传热过程
第四章 传热
第五节 对流传热系数关联式
一、对流传热系数的影响 因素
二、对流传热过程的因次 分析
三、流体无相变时的对流 传热系数
四、流体有相变时的对流 传热系数
2020/1/5
一、对流传热系数的影响因素
1、流体的种类和相变化的情况 2、流体的物性
1）导热系数 滞流内层的温度梯度一定时，流体的导热系数愈大，对
f 1 6105 Re1.8
4）流体在弯管内作强制对流
' 1 1 .7d i7 /R
2020/1/5
5）流体在非圆形管中作强制对流
对于非圆形管内对流传热系数的计算，前面有关的经
验式都适用，只是要将圆管内径改为当量直径de。
套管环隙中的对流传热，用水和空气做实验，所得的
关联式为：
2020/1/5
选择l、λ、μ、u作为三个无因次准数的共同物理量
流体的粘度愈大，对流传热系数愈低。 3）比热和密度
2020/1/5
ρcp：单位体积流体所具有的热容量。 ρcp值愈大，流体携带热量的能力愈强，对流传热的强 度愈强。 （4）体积膨胀系数
体积膨胀系数β值愈大，密度差愈大，有利于自然对 流。对强制对流也有一定的影响。
3、流体的温度 4、流体流动状态
2020/1/5
bc10 abcd0
3 b c d 3 0
b10
a 1
b1
c0 d 0
1l1l Nu
2
lu
Re
3
cp
Pr
Nuf(RPer, )
——流体无相变时强制对流时的准数关系式
2020/1/5
2、自然对流传热过程
第四章 传热
第五节 对流传热系数关联式
一、对流传热系数的影响 因素
二、对流传热过程的因次 分析
三、流体无相变时的对流 传热系数
四、流体有相变时的对流 传热系数
2020/1/5
一、对流传热系数的影响因素
1、流体的种类和相变化的情况 2、流体的物性
1）导热系数 滞流内层的温度梯度一定时，流体的导热系数愈大，对
f 1 6105 Re1.8
4）流体在弯管内作强制对流
' 1 1 .7d i7 /R
2020/1/5
5）流体在非圆形管中作强制对流
对于非圆形管内对流传热系数的计算，前面有关的经
验式都适用，只是要将圆管内径改为当量直径de。
套管环隙中的对流传热，用水和空气做实验，所得的
关联式为：
2020/1/5
选择l、λ、μ、u作为三个无因次准数的共同物理量
化工原理第四章第五节讲稿
包括7个变量，涉及4个基本因次，
1 ( 2,3)
2
cp
Pr
1
l
Nu
3
l3 2gt 2
Gr
Nu f (Gr, Pr)
——自然对流传热准数关系式
10/17/2019
准数的符号和意义
准数名称
符号 准数式
意义
努塞尔特准数
l
（Nusselt）
Nu
表示对流传热的系数
若膜层为湍流（Re＞1800）时
0.0077(
2 g3 2
）1 3
Re 0.4
•滞流时，Re值增加，α减小； •湍流时，Re值增加，α增大；
10/17/2019
10/17/2019
b) 蒸汽在水平管外冷凝
0.725
r 2 g3 d0t
c)蒸汽在水平管束外冷凝
流传热系数也愈大。 2）粘度
流体的粘度愈大，对流传热系数愈低。 3）比热和密度
10/17/2019
ρcp：单位体积流体所具有的热容量。 ρcp值愈大，流体携带热量的能力愈强，对流传热的强 度愈强。 （4）体积膨胀系数 体积膨胀系数β值愈大，密度差愈大，有利于自然对流 。对强制对流也有一定的影响。
3、流体的温度 4、流体流动状态
10/17/2019
二、因次分析法在对流传热中的应用
1、流体无相变时的强制对流传热过程
•列出影响该过程的物理量，并用一般函数关系表示：
f (l，，，cp，，u)
•确定无因次准数π的数目
i nm74 3
1 ( 2，3）
10/17/2019
电子教案与课件：化工原理上册 第四章-传热(第五次课)-new
（1）恒温传热
当冷、热流体均为单纯相变，则整个换热过程热流体的 温度保持为T，冷流体的温度保持为t，积分式可写为：
dQ K(T t) dA
积分得 Q K(T t)A
（2）变温传热（逆流、并流、错流、折流）
2
1
1
2
2
并流
逆流
错流
图 换热器中流体流向示意图
T1
t2
T1
T2
t1
t
1
图 两侧流体变温时的温度变化
在换热器的传热量Q及总传热系数K值相同的条件下，采用 逆流操作，可以节省传热面积，而且可以节省加热介质或冷却 介质的用量。在生产中的换热器多采用逆流操作。
（2）错流、折流传热的平均传热温差
先按逆流算，然后乘以校正系数
tm t tm
t f (P, R)
P t2 t1 T1 t1
R T2 T1 t2 t1
1 1 di bdi
Ki hi hodo dm
Km
dm
1 b
dm
hidi hodo
2.3 污垢热阻
在计算总传热系数K时，污垢热阻一般不能忽视，若管壁内、 外侧表面上的热阻分别为Rsi及Rso时，则有
1 Ko
do hi d i
Rsi
do di
bdo
dm
Rso
1
ho
当传热面为平壁或薄管壁时，di、do、dm近似相等，则有
二、传热速率基本方程
2.1 总传热速率微分方程 2.2 总传热系数K
1、K的计算式 2、污垢热阻 3、总热阻计算式的简化 4、控制热阻的概念 5、一些总传热系数的数值范围 2.3 总传热速率方程与平均传热温差
2.1 总传热速率微分方程
当冷、热流体均为单纯相变，则整个换热过程热流体的 温度保持为T，冷流体的温度保持为t，积分式可写为：
dQ K(T t) dA
积分得 Q K(T t)A
（2）变温传热（逆流、并流、错流、折流）
2
1
1
2
2
并流
逆流
错流
图 换热器中流体流向示意图
T1
t2
T1
T2
t1
t
1
图 两侧流体变温时的温度变化
在换热器的传热量Q及总传热系数K值相同的条件下，采用 逆流操作，可以节省传热面积，而且可以节省加热介质或冷却 介质的用量。在生产中的换热器多采用逆流操作。
（2）错流、折流传热的平均传热温差
先按逆流算，然后乘以校正系数
tm t tm
t f (P, R)
P t2 t1 T1 t1
R T2 T1 t2 t1
1 1 di bdi
Ki hi hodo dm
Km
dm
1 b
dm
hidi hodo
2.3 污垢热阻
在计算总传热系数K时，污垢热阻一般不能忽视，若管壁内、 外侧表面上的热阻分别为Rsi及Rso时，则有
1 Ko
do hi d i
Rsi
do di
bdo
dm
Rso
1
ho
当传热面为平壁或薄管壁时，di、do、dm近似相等，则有
二、传热速率基本方程
2.1 总传热速率微分方程 2.2 总传热系数K
1、K的计算式 2、污垢热阻 3、总热阻计算式的简化 4、控制热阻的概念 5、一些总传热系数的数值范围 2.3 总传热速率方程与平均传热温差
2.1 总传热速率微分方程
《化工原理》第四章 液体搅拌
u H∝ 2g
因此压头 功率
2
轮的速度
u ∝ nd
2
3 5
H ∝n d
2
P ∝ Hq ∝ n d
20
三．搅拌槽内液体的循环量和压头
3．搅拌效果与q/H
q 8/ 3 ∝d H
q 8/ 5 ∝n H
叶轮操作的基本原则是：当消耗相同的功率时， 若搅拌过程是以宏观混合为目的（即大循环流小 剪切），宜采用大直径、低转速的叶轮。相反， 如果要求高剪切流动（即小尺寸的微观混合）， 则宜采用小直径、高转速叶轮。
功率数
包含待求功率
搅拌雷诺数
Re =
d 2 nρ
µ
衡量流体流动状态
弗鲁德数
n2 d Fr = g
衡量重力的影响
x y
PN = K Re Fr
32
二．搅拌功率的准数关联式
再令
则有
PN Φ= y Fr PN Φ = y = K Re x Fr
对于全挡板条件的搅拌装置， Fr = 1
Φ = PN = K Re
2
第四章 液体搅拌
4.1 搅拌器的性能和混合机理 4.1.1 搅拌设备
3
一．搅拌设备的基本结构
叶轮 搅拌器 搅拌装置 传动机构 搅拌设备 轴封（填料函密封和机械密封） 槽体 搅拌槽（釜） 附件（挡板、导流筒等） 搅拌轴
4
一．搅拌设备的基本结构
1―搅拌槽；2―搅拌器； 3―搅拌轴；4―加料管； 5―电动机；6―减速机； 7―联轴节；8―轴封； 9― 温 度 计 套 管 ； 10― 挡板；11―放料阀
动画20 图4-1典型的搅拌设备
5
二．机械搅拌器的类型
平叶(如平叶桨式、平直叶涡轮式) 叶片形状 折叶（如折叶桨式） 螺旋面叶（如推进式、螺带式、螺杆式等）
天津大学版 化工原理 第四章 5传热计算课件
t2逆max=T1, t2并max＝T2， t2 并<t 2逆
t1
T2 t2并 t1
(b)冷却介质的出口温度：
A
t2↑→用量↓→操作费用↓， 但 △tm↓→A↑→设备费↑ (c)流速的选择：u↑→α↑→K↑→A↓→设备费↓，
但△p阻↑→操作费↑
(2).操作型问题
• 已知换热器的传热面积A及有关尺寸，冷热流体的进口 温度、流动方式，求冷热流体的出口温度
•
G1′cp1( T1-T2′)= 2G2cp2(t2′-t1)
•
t2′-t1= G1cp1/2G2cp2 ( T1-T2′)
(b)
• 根据水量增加之前的条件计算
•
G1cp1/ G2cp2 = t2-t1/ T1-T2=(90-15)/(120-80)=1.88
• 将此值代入(b)式，得
• t2′- t1=(1.88/2)( T1-T2′)=0.94* (T1-T2′)
qm1c p1 t2 t1 85 20 2.17 q m2 c p2 T1 T2 100 70
T2
c.并流较易控制流体的出口温度 t1
t2并 t1
A
（2）错流和折流时的平均温差
简单折流
一种流体作折流流动， 另一种流体不折流，或 仅沿一个方向流动。
错流
错流是指两流体在间壁两 侧彼此的流动方向垂直；
复杂折流
若两种流体都作折流流 动或既有错流又有折流， 称为复杂折流。
错流或折流时的平均温差，通常是先按逆流求 算，然后再根据流动型式加以修正
（1）查取：从手册和专著中获得，如《化工工艺设 计手册》
（2）实验测定
五、壁温的估算
若管内外流体的平均温度分别为ti和to，给热系数分别为 a i
化工原理第四章第五节讲稿
Nu 0.23Re0.6 Pr1 3( )0.14 w
0.23 ( dou )0.6 (cp )1 3( )0.14
do
w
2020/12/8
2020/12/8
2020/12/8
应用范围： Re=3～2×104 定性尺寸：管外径do，流速取换热器中心附近管排中最
窄通道处的速度
定性温度： 除μw取壁温以外，其余均取液体进、出口温度 的算术平均值。
2020/12/8
d) 蒸汽中不凝气体含量的影响 蒸汽中含有空气或其它不凝气体，壁面可能为气体层所遮
盖，增加了一层附加热阻，使α急剧下降。 e)冷凝壁面的影响
若沿冷凝液流动方向积存的液体增多，液膜增厚，使传 热系数下降。
例如管束，冷凝液面从上面各排流动下面各排，使液膜 逐渐增厚，因此下面管子的α要比上排的为低。
b 1
c0 d 0
1 l1
l
Nu
2
lu
Re
3
cp
Pr
Nu f (Re, Pr)
——流体无相变时强制对流时的准数关系式
2020/12/8
2、自然对流传热过程
f (l，，cp，，，gt)
包括7个变量，涉及4个基本因次，
1 ( 2,3)
2
cp
Pr
1
l
Nu
3
l3 2gt 2
Gr
(3)因次分析
将共同物理量与余下的物理量分别组成无因次准数
1 l ab cud
2 lef guh
3 lijkumcp
对π1而言，实际因次为：
M
0 L0
0T
0
La
ML
(
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
物理量
l cp
u
因 次 M 3 T L M L3 M L L2 2T ML 3T L
(2)选择m个物理量作为i个无因次准数的共同物理量 •不能包括待求的物理量 •不能同时选用因次相同的物理量 •选择的共同物理量中应包括该过程中所有的基本因次。
2020/1/22
选择l、λ、μ、u作为三个无因次准数的共同物理量
关联式为：
0.02
de
d1 d2
0.53
Re
0.8
Pr
1 3
应用范围： Re=12000~220000，d1/d2=1.65~17
di L
10
定性尺寸：管内径di。
定性温度：除μw取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的 算术平均值。
当Gr 25000时，按上式计算出α后，再乘以一校正因子
f
0.81
0.015Gr
1 3
2020/1/22
3）流体在圆形直管内呈过渡流 对于Re=2300~10000时的过渡流范围， 先按湍流的
流传热系数也愈大。 2）粘度
流体的粘度愈大，对流传热系数愈低。 3）比热和密度
2020/1/22
ρcp：单位体积流体所具有的热容量。 ρcp值愈大，流体携带热量的能力愈强，对流传热的强 度愈强。 （4）体积膨胀系数 体积膨胀系数β值愈大，密度差愈大，有利于自然对流 。对强制对流也有一定的影响。
3、流体的温度 4、流体流动状态
公式计算α，然后再乘以校正系数f。
f 1 6 105 Re1.8
4）流体在弯管内作强制对流
' 11.77di / R
2020/1/22
5）流体在非圆形管中作强制对流
对于非圆形管内对流传热系数的计算，前面有关的经
验式都适用，只是要将圆管内径改为当量直径de。
套管环隙中的对流传热，用水和空气做实验，所得的
3）应用范围：关联式中Re,Pr等准数的数值范围。
2020/1/22
三、流体无相变时的对流传热系数
1、流体在管内作强制对流
1）流体在圆形直管内作强制湍流 a)低粘度（大约低于2倍常温水的粘度）流体
Nu 0.023Re0.8Pr n
或
0.023
d
du
0.8
Pr n
第四章 传热
第五节 对流传热系数关联式
一、对流传热系数的影响 因素
二、对流传热过程的因次 分析
三、流体无相变时的对流 传热系数
四、流体有相变时的对流 传热系数
2020/1/22
一、对流传热系数的影响因素
1、流体的种类和相变化的情况 2、流体的物性
1）导热系数 滞流内层的温度梯度一定时，流体的导热系数愈大，对
2020/1/22
二、因次分析法在对流传热中的应用
1、流体无相变时的强制对流传热过程
•列出影响该过程的物理量，并用一般函数关系表示：
f (l，，，cp，，u)
•确定无因次准数π的数目
i nm74 3
1 ( 2，3）
2020/1/22
•确定准数的形式
(1)列出物理量的因次 物理量因次
当流体被加热时n=0.4，流体被冷却时，n=0.3。
2020/1/22
应用范围：Re 10000,0.6 Pr 120,管长与管径比 l / di 60
若l / di＜60时，将计算所得的α乘以 [1 (di L)]0.7
定性尺寸：Nu、Re等准数中的l取为管内径di。
定性温度：取为流体进、出口温度的算术平均值。
3b c d 3 0
b 1 0
a 1
b 1
c0
d 0
1 l1
l
Nu
2
lu
Re
3
cp
Pr
Nu f (Re, Pr)
——流体无相变时强制对流时的准数关系式
2020/1/22
2、自然对流传热过程
f (l，，cp，，，gt)
2) 流体在圆形直管内作强制滞流 当管径较小，流体与壁面间的温度差较小，自然对流对
强制滞流的传热的影响可以忽略时
2020/1/22Nu源自1.86Re1 3
Pr
1 3
di L
1
3
w
0.1 4
应用范围：Re 2300,6700
Pr
0.6,Gr
25000, Re Pr
雷诺准数
（Reynolds） Re
普兰特准数
（Prandtl）
Pr
格拉斯霍夫准数
（Grashof）
Gr
lu
确定流动状态的准数
cp
表示物性影响的准数
gtl3 2
2
表示自然对流影响的准数
2020/1/22
3、应用准数关联式应注意的问题 1）定性温度：各准数中的物理性质按什么温度确定
2）定性尺寸：Nu，Re数中L应如何选定。
(3)因次分析
将共同物理量与余下的物理量分别组成无因次准数
1 l ab cud
2 lef guh
3 lijkumcp
对π1而言，实际因次为：
M
0 L0
0T 0
La
ML
(
3T
)b ( M
L
)c( L)d
M
(
3T
)
2020/1/22
bc 1 0 abcd 0
湍流的对流传热系数远比滞流时的大。
2020/1/22
5、流体流动的原因
强制对流：由于外力的作用
自然对流：由于流体内部存在温度差，使得各部分 的流体密度不同，引起流体质点的位移 单位体积的流体所受的浮力为：
1 0 g 0 1 t 0g 0gt
6、传热面的性状、大小和位置
包括7个变量，涉及4个基本因次，
1 ( 2,3)
2
cp
Pr
1
l
Nu
3
l3 2gt 2
Gr
Nu f (Gr, Pr)
——自然对流传热准数关系式
2020/1/22
准数的符号和意义
准数名称
符号 准数式
意义
努塞尔特准数
l
（Nusselt）
Nu
表示对流传热的系数
b) 高粘度的液体
0.14
Nu
0.027 Re 0.8 Pr 0.23
u
w
u
w
0.1 4
为考虑热流体方向的校正项。
2020/1/22
应用范围： Re 1000, 0.7 Pr 16700 ,
定性尺寸： 取为管内径di。
L 60 di
定性温度：除μw取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的 算术平均值。