化工原理第四章第五节
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化工原理第04章03-2019-11-6
dV
d
终
恒压操作时
dV
d
终
KA2 2(V Ve
)
V 2 2VVe
2(V Ve )
（ 因V 2+2VVe=KA2τ）
W
VW dV
d W
当Ve=0时,
P PW
W
8(V Ve ) V 2 2VVe
VW
W
P PW
W
8VW V
3.回转真空过滤机
ΔP一定，q
K qe2 qe
K
n
qe2
(因
K
2P
r
)
n
A 2a 2
17.7 2 0.6352
22个
这样可行吗？
(V+V饼)Φ=V饼(1-ε)
V饼
1
V
10 0.015 1 0.5 0.015
0.309m 3
n
V饼 ba 2
0.309 0.025 0.6352
31个
取31个
例2 一板框压滤机在恒压下进行过滤,水悬浮液含
固量0.1kg固体/kg悬浮液,滤饼空隙率ε=0.4, ρp=5000
kg/m3, qe=0,若过滤10分钟,则得滤液1.2m3,试问： ①当τ=1h, V=? ②过滤1小时后的滤饼体积； ③过滤1小时后，用0.1V的水洗涤,
τW=? (操作压强不变)
解：① w = 0.1, ε=0.5, τ=10min, V=1.2m3
V2=KA2τ
（由 V 2+2VVe=KA2τ ）
5.5 常用过滤设备 1. 叶滤机
结构：
滤叶——金属丝网框架覆以滤布构成； 滤叶组插入悬浮液滤槽中；滤槽可密封加压 操作： 滤液→滤布→进入网状中空部分→汇集于总管流 出，滤渣沉积在滤叶外表面； 洗涤后，反向吹卸滤渣。(压缩空气、清水、蒸汽)
化工原理第4章
根据牛顿第二定律得：
F F g F b F D m 6 d P 3 a P g 6 d P 3g 4 d P 2 1 2 u 2 6 d P 3 P d d
或者 ：
d du(P P)g4d3P Pu2
du 开始瞬间， ，u 最0 大，d 颗粒作加速运动。
实用文档
5.2.2 静止流体中颗粒的自由沉降
p ui2
2 除了上述两个性能指标外，有的教材还介绍了另外一个性能指标，即临界直 径 d ，c d指c 旋风分离器能够分离的最小颗粒直径。
实用文档
5.3.2离心沉降设备
实验结果表明： ，D ，u锥体长度 ，H 2。粗短 形旋风分离器在
p
一定时，处理量大；细长形旋风分离器 p，但 ， 从 经济角度看一般可取
式中 C i进、
0
Ci进 Ci中粒径为
的d颗Pi粒的质量浓度，
。g / m 3
总效率与粒级效率的关系为：
0 xii
式中 x为i 进口气体中粒径为 d颗Pi粒的质量分率。
旋风通分②常离粒将器级经的效过分率旋割风直分径离可器小后至能被除下。3~5不10同%0m 的粒颗径粒的直粒径级dd称分PPci为离分效割率直不径同，。某些 高i 效
实用文档
5.2 颗粒的沉降运动
5.2.1 流体对固体颗粒的绕流 5.2.2 静止流体中颗粒的自由沉降
实用文档
5.2.1 流体对固体颗粒的绕流
流体与固体颗粒之间的相对运动可分为以下三 种情况：
①颗粒静止，流体对其做绕流； ②流体静止，颗粒作沉降运动； ③颗粒与流体都运动，但保持一定的相对运动。
实用文档
进口气速 u1 。若~ 5 2 处m 理5 /量s大，则可采用多个小尺寸的旋风分离器并联操
F F g F b F D m 6 d P 3 a P g 6 d P 3g 4 d P 2 1 2 u 2 6 d P 3 P d d
或者 ：
d du(P P)g4d3P Pu2
du 开始瞬间， ，u 最0 大，d 颗粒作加速运动。
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5.2.2 静止流体中颗粒的自由沉降
p ui2
2 除了上述两个性能指标外，有的教材还介绍了另外一个性能指标，即临界直 径 d ，c d指c 旋风分离器能够分离的最小颗粒直径。
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5.3.2离心沉降设备
实验结果表明： ，D ，u锥体长度 ，H 2。粗短 形旋风分离器在
p
一定时，处理量大；细长形旋风分离器 p，但 ， 从 经济角度看一般可取
式中 C i进、
0
Ci进 Ci中粒径为
的d颗Pi粒的质量浓度，
。g / m 3
总效率与粒级效率的关系为：
0 xii
式中 x为i 进口气体中粒径为 d颗Pi粒的质量分率。
旋风通分②常离粒将器级经的效过分率旋割风直分径离可器小后至能被除下。3~5不10同%0m 的粒颗径粒的直粒径级dd称分PPci为离分效割率直不径同，。某些 高i 效
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5.2 颗粒的沉降运动
5.2.1 流体对固体颗粒的绕流 5.2.2 静止流体中颗粒的自由沉降
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5.2.1 流体对固体颗粒的绕流
流体与固体颗粒之间的相对运动可分为以下三 种情况：
①颗粒静止，流体对其做绕流； ②流体静止，颗粒作沉降运动； ③颗粒与流体都运动，但保持一定的相对运动。
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进口气速 u1 。若~ 5 2 处m 理5 /量s大，则可采用多个小尺寸的旋风分离器并联操
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
化工原理内容概要-第4章
《化工原理》内容提要第四章吸收1. 基本概念1）吸收的目的：①回收或捕获气体混合物中的有用组分；②除去有害成分。
2）吸收的依据：气体混合物中各组分间某种物理和化学性质的差异。
3）吸收操作必须解决的问题：①选择合适的溶剂；②提供适当的传质设备；③溶剂的再生。
4）物理吸收：吸收时，溶质与溶剂不发生明显的化学反应。
5）化学吸收：吸收时，溶质与溶剂或溶液中的其它物质发生化学反应。
6）吸收分类：单组分吸收/多组分吸收；等温吸收/非等温吸收。
7）溶解度：气液两相处于平衡状态时，溶质在液相中的平衡含量。
8）溶解度曲线：确定温度下，溶质在气相中的分压p e与液相中的摩尔分数x 的关联曲线。
9）对吸收过程：（y-y e）为以气相摩尔分数差表示的吸收传质推动力；（x e-x）为以液相摩尔分数差表示的吸收传质推动力。
10）吸收过程物质传递的三个步骤：①溶质由气相主体传递到两相界面即气相内的物质传递；②溶质在相界面上的溶解，由气相转入液相，即界面上发生的溶解过程。
③溶质自界面被传递至液相主体，即液相内的物质传递。
相界面上的溶解推动力很小，可认为其推动力为零，则相界面上气、液组成满足相平衡关系。
11）吸收过程物质传递的机理包括两种：①分子扩散；②对流传质。
12）主体流动：气相主体与界面之间产生微小压差，压差促使混合气体向界面的流动。
扩散流是分子微观运动的宏观结果，它所传递的是纯组分A 或纯组分B。
13）扩散系数与体系物性、体系的温度、总压或浓度有关。
14）对气体物系，D与绝对温度T的1.81次方成正比，与压强p成反比。
15）对很稀的非电解溶液，D与T成正比，与μ成反比。
16）对流传质：流动流体与相界面之间的物质传递。
17）化学吸收：通常指溶质气体A溶于溶液后，即与溶液中不挥发的反应剂B组分进行化学反应的过程。
18）常用解吸方法：气提解吸(载气解吸)；减压解吸；加热解吸。
19）填料塔的结构：气体出口；液体进口；液体分布器；填料压板；填料(塔壁)；液体再分布器；填料支承板；气体进口；液体出口（除沫器)。
化工原理第四章
4.1 液液相平衡
（2）杠杆规则
如图4-2所示，将质量为 krg、组成为
xS 的混合物系R与质量为e kg、组成为
y
x、A
A、
y、xB、B
y，S
的混合物系E相混合，得到一个质量为m kg、组成
为 z A 、z B、 z的S 新混合物系M，其在三角形坐标图
中分别以点R、E和M表示。M点称为R点与E点的和
称为共轭相，联结两共轭液相相点的直线称为联 结线，如图4-3中的RiEi线(i=0,1,2,……n)。显然 萃取操作只能在两相区内进行。
图4-3 溶解度曲线
4.1.2 三角形相图
溶解度曲线可通过下述实验方法得到：在一定温度下， 将组分B与组分S以适当比例相混合，使其总组成位于 两相区，设为M，则达平衡后必然得到两个互不相溶的 液加层入，适其量相的点溶为质RA0并、E充0。分在混恒合温，下使，之向达此到二新元的混平合衡液，中静 置加分入层溶后质得A，到重一复对上共述轭操相作，，其即相可点以为得R到1、nE+11，对然共后轭继相续的 相由点两R相i、变E为i (i一=0相,1时,2,，…其…组n成)，点当用加K入表A示的，量K使点混称合为液混恰溶好点 或分层点。联结各共轭相的相点及K点的曲线即为实验 温度下该三元物系的溶解度曲线。
4.1.2 三角形相图
设溶质A可完全溶于B及S，但B与S为部分互溶， 其平衡相图如图4-3所示。此图是在一定温度下 绘制的，图中曲线R0R1R2RiRnKEnEiE2E1E0称为溶 解度曲线，该曲线将三角形相图分为两个区域： 曲线以内的区域为两相区，以外的区域为均相区。
位于两相区内的混合物分成两个互相平衡的液相，
4.1 液液相平衡
三角形坐标图内任一点代表一个三元混合物系。例如M点即表示由A、B、S三个组 分组成的混合物系。其组成可按下法确定：过物系点M分别作对边的平行线ED、HG 、KF，则由点E、G、K可直接读得A、B、S的组成分别为： =0.4、=0.3、=0.3；也可由 点D、H、F读得A、B、S的组成。在诸三角形坐标图中，等腰直角三角形坐标图可直 接在普通直角坐标纸上进行标绘，且读数较为方便，故目前多采用等腰直角三角形 坐标图。在实际应用时，一般首先由两直角边的标度读得A、S的组成及，再根据归 一化条件求得。
化工原理第四章
第一节 概 述
（一）套管式换热器 如图4-1所示，套管式换热器是由两个直径不同的直管同心套在一
起而构成的。进行换热的冷、热两种流体分别在管内和环隙间流动， 通过内管管壁进行热量交换。因此，内管壁表面积为传热面积。
图4-1 套管换热器
第一节 概 述
（二）列管式换热器
如图4-2所示，列管式换热器主要由壳体、管束、管板和封 头等部件构成。操作时一种流体从换热器的一端接管进入封头， 流经各管束后汇集到另一端封头，并从该封头接管流出，该流 体称为管程流体，另一种流体由壳体接管流入，在壳体与管束 间的空隙流过，壳体内装有数块折流挡板，使流体在外壳内沿 挡板作折流流动，而从另一端的壳体接管流出换热器，该流体 称为壳程（或壳方）流体。由于在换热器中管程流体在管束内 只流过一次，故称为单程列管式换热器。
第一节 概 述
（二）对流传热
对流传热是指流体质点发生相对位移而引起的热量传递过程。 它仅发生在液体和气体中。对流传热可分为强制对流传热和自然对 流传热。前者是由于泵、风机或其他外力作用而引起的流体流动所 产生的传热过程；后者是由于流体各部分温度的不均而形成了密度 的差异，使质点重降轻浮而进行的传热过程。在流体中发生强制对 流传热的同时，往往伴随着自然对流传热。工程上通常把流体与固 体壁面间传热或固体壁面与流体间的传热称为对流传热。
化工原理
第四章 传 热
概述 热传导 对流传热 辐射传热 传热过程的计算 换热器
第四章 传 热
知识目标
掌握热传导的基本规律，平壁和圆筒壁的热传导计算；对流传热 的基本原理，对流传热的速率方程及流体在圆形直管内湍流时的对流 传热系数计算；传热速率方程、热量衡算方程、总传热系数及平均温 度差的计算。理解传热的三种方式及特点；传热推动力及热阻的概念； 影响管内和管外对流传热的因素及各准数的意义；列管式换热器的结 构、特点及强化传热过程的途径。了解有相变的对流传热；热辐射的 基本概念、定理及简单计算；列管换热器的设计和选用。
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)第五节 对流传热系数关联式
Nu=0.26Re0.6Pr0.33
应用范围 Re>3000
特错列征管尺距寸最狭管处外的径距do,离流应速在取(流x1-体do通)和过2每（排t2-管d0 子）中二最者狭之窄中通取小道者处。的速度。 管束排数应为10，若不是10，上述公式的计算结果应乘以下表的系数
流体无相变时的对流传热系数-12
流体有相变时的传热系数-12
二、液体的沸腾
大容积沸腾 管内沸腾
流体有相变时的传热系数-13
1.液体沸腾曲线
气化核心 泡核沸腾 或泡状沸腾 临界点 膜状沸腾
流体有相变时的传热系数-14
2.沸腾传热系数的计算
泡核沸腾传热系数的计算式
α=1.163Z(Δt)2.33 (Eq. Mostinki) 式中 Δt——壁面过热度,℃。
上式应用条件为： pc>3O00KPa, R = 0.01～0.9,q<qc 式中 Z——与操作压强及临界压强有关的参数,W/(m2•℃),其计
算式为：
流体有相变时的传热系数-16
3.影响沸腾传热的因素
（1）液体性质 （2）温度差Δt （3）操作压强 （4）加热壁面
4-5-5 壁温的估算
2.流体在换热器的管间流动
换热器内装有圆缺形挡板时,壳方流体的对流 传热系数的关联式如下：
应用范围 Re =2×1O3～10×105 特征尺寸 当量直径de 定口性温温度度的算除术μ平w均取值壁。温外,均取为液体进、出
流体无相变时的对流传热系数-13
管子为正方形排列 ：
管子为正三角形排列 ：
（2）高粘度的液体
应用范围 Re>10000,0.7<Pr<16700,L/d>60 特征尺寸 取为管内径di 定性温度 除μw取壁温外,均取为液体进、出
（完整版）化工原理各章节知识点总结
（完整版）化工原理各章节知识点总结第一章流体流动质点含有大量分子的流体微团，其尺寸远小于设备尺寸，但比起分子自由程却要大得多。
连续性假定假定流体是由大量质点组成的、彼此间没有间隙、完全充满所占空间的连续介质。
拉格朗日法选定一个流体质点,对其跟踪观察，描述其运动参数(如位移、速度等)与时间的关系。
欧拉法在固定空间位置上观察流体质点的运动情况，如空间各点的速度、压强、密度等，即直接描述各有关运动参数在空间各点的分布情况和随时间的变化。
定态流动流场中各点流体的速度u 、压强p 不随时间而变化。
轨线与流线轨线是同一流体质点在不同时间的位置连线，是拉格朗日法考察的结果。
流线是同一瞬间不同质点在速度方向上的连线，是欧拉法考察的结果。
系统与控制体系统是采用拉格朗日法考察流体的。
控制体是采用欧拉法考察流体的。
理想流体与实际流体的区别理想流体粘度为零，而实际流体粘度不为零。
粘性的物理本质分子间的引力和分子的热运动。
通常液体的粘度随温度增加而减小，因为液体分子间距离较小，以分子间的引力为主。
气体的粘度随温度上升而增大，因为气体分子间距离较大，以分子的热运动为主。
总势能流体的压强能与位能之和。
可压缩流体与不可压缩流体的区别流体的密度是否与压强有关。
有关的称为可压缩流体，无关的称为不可压缩流体。
伯努利方程的物理意义流体流动中的位能、压强能、动能之和保持不变。
平均流速流体的平均流速是以体积流量相同为原则的。
动能校正因子实际动能之平均值与平均速度之动能的比值。
均匀分布同一横截面上流体速度相同。
均匀流段各流线都是平行的直线并与截面垂直,在定态流动条件下该截面上的流体没有加速度, 故沿该截面势能分布应服从静力学原理。
层流与湍流的本质区别是否存在流体速度u、压强p的脉动性，即是否存在流体质点的脉动性。
稳定性与定态性稳定性是指系统对外界扰动的反应。
定态性是指有关运动参数随时间的变化情况。
边界层流动流体受固体壁面阻滞而造成速度梯度的区域。
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
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.传热过程的计算
管内对流:
dQ2 b dAm (Tw tw )
dQ3 2dA2(tw－t)
对于稳态传热 dQ dQ1 dQ2 dQ3
总推动 力
dQ T Tw Tw tw tw t
T t
1
b
1
1b 1
1dA1 dAm 2dA2 1dA1 dAm 2dA2
总热阻
dQ T t 1
KdA
第五节 传热过程的计算
Q KAtm
Q — 传热速率，W K — 总传热系数，W /(m20C) A — 传热面积，m2 tm — 两流体间的平均温度差，0 C
一、热量衡算
t2 , h2
热流体 qm1, c p1
T1, H1
T2 , H 2
冷流体 qm2, cp2,t1, h1
无热损失：Q qm1H1 H 2 qm2 h2 h1
变形：
dQ dT
qm1 c p1＝常数
dQ dt
qm2c p2＝常数
d (T t) dT dt 常数 dQ dQ dQ
斜率＝dt t1 t2
dQ
Q
由于dQ KtdA
d(t) t1 t2
KtdA
Q
分离变量并积分：
Q KA t1 t2 ln t1 t2
tm
t1 t2 ln t1
t2
讨论：（1）也适用于并流 （2）较大温差记为t1，较小温差记为t2 （3）当t1/t2<2，则可用算术平均值代替
tm (t1 t2 ) / 2
（4）当t1＝t2，tm t1＝t2
结论： (1) 就提高传热推动力而言，逆流优于并流。 当换热器的传热量Q及总传热系数K相同的条 件下，采用逆流操作，所需传热面积最小。
化工原理传热过程的计算
液体－气体
K 700～1800
300～800 200～500 50～300
100～350 50～250 10～60
两流体 气体－气体 蒸气冷凝－气体 液体沸腾－液体 液体沸腾－气体 水蒸气冷凝－水 有机物冷凝－有机物 水蒸气冷凝－水沸腾 水蒸气冷凝－有机物沸腾
K 10～40 20～250 100～800 10～60 1500～4700 40～350 1500～4700 500～1200
Q ─ 热流体放出或冷流体吸收的热量，W； qm1,qm2 ─ 热冷流体的质量流量，kg/s； h1,h2 ─ 冷流体的进出口焓，J/kg； H1,H2 ─ 热流体的进出口焓， J/kg 。
1.无相变，且Cp可视为常数
热量衡算式：
Q qm1c p1 T1 T2 qm2cp2 t2 t1
式中： cp1,cp2 ── 热冷流体的比热容， J/(kg·℃) ； t1,t2 ── 冷流体的进出口温度， ℃ ； T1,T2 ── 热流体的进出口温度， ℃ 。
1 K
1
1
Rd1
b
Rd 2
1
2
当传热壁热阻很小，可忽略，且流体清洁，污
垢热阻液可忽略时，则：
11 1
K 1 2
（7）换热器中总传热系数的经验值
两流体 水－水 有机物－水
有机物粘度μ<0.5mPa·s μ＝0.5~1.0mPa·s μ>1.0mPa·s
有机物－有机物 冷流体粘度μ<1.0mPa·s μ>1.0mPa·s
2.有相变时
2.1 饱和蒸汽冷凝：
Q qm1r qm2c p2 t2 t1
r ─热流体的汽化潜热，kJ/kg；
2.2 冷凝液出口温度T2低于饱和温度TS :
K 700～1800
300～800 200～500 50～300
100～350 50～250 10～60
两流体 气体－气体 蒸气冷凝－气体 液体沸腾－液体 液体沸腾－气体 水蒸气冷凝－水 有机物冷凝－有机物 水蒸气冷凝－水沸腾 水蒸气冷凝－有机物沸腾
K 10～40 20～250 100～800 10～60 1500～4700 40～350 1500～4700 500～1200
Q ─ 热流体放出或冷流体吸收的热量，W； qm1,qm2 ─ 热冷流体的质量流量，kg/s； h1,h2 ─ 冷流体的进出口焓，J/kg； H1,H2 ─ 热流体的进出口焓， J/kg 。
1.无相变，且Cp可视为常数
热量衡算式：
Q qm1c p1 T1 T2 qm2cp2 t2 t1
式中： cp1,cp2 ── 热冷流体的比热容， J/(kg·℃) ； t1,t2 ── 冷流体的进出口温度， ℃ ； T1,T2 ── 热流体的进出口温度， ℃ 。
1 K
1
1
Rd1
b
Rd 2
1
2
当传热壁热阻很小，可忽略，且流体清洁，污
垢热阻液可忽略时，则：
11 1
K 1 2
（7）换热器中总传热系数的经验值
两流体 水－水 有机物－水
有机物粘度μ<0.5mPa·s μ＝0.5~1.0mPa·s μ>1.0mPa·s
有机物－有机物 冷流体粘度μ<1.0mPa·s μ>1.0mPa·s
2.有相变时
2.1 饱和蒸汽冷凝：
Q qm1r qm2c p2 t2 t1
r ─热流体的汽化潜热，kJ/kg；
2.2 冷凝液出口温度T2低于饱和温度TS :
4-5 化工原理第四章
2. 几何位置的影响 3. 表面黑度的影响 Ｑ ，可通过改变黑度的大小强化或减小辐射传热。 4. 辐射表面间介质的影响
减小辐射散热，在两换热面加遮热板（黑度较小的热 屏）。
4.5.6 辐射、对流联合传热
设备的热损失等于对流传热和辐射传热之和 。 由于对流散失的热量 ：
QC c AW t w t
A=QA/Q R=QR/Q D=QD/Q ——物体的吸收率 ——物体的反射率 ——物体的透过率
4、黑体、镜体、透热体和灰体
黑体（绝对黑体）： 能全部吸收辐射能的物体，即A=1的物体 镜体（绝对白体）：能全部反射辐射能的物体，即R=1的物体 透热体 ： 能透过全部辐射能的物体，即D=1的物体
灰体 ：能够以相等的吸收率吸收所有波长辐射能的物体
50mm处设置一块尺寸和炉门相同的而黑度为 0.11的铝板，
试求放置铝板前、后因辐射而损失的热量。
解：(1)放置铝板前因辐射损失的热量
T1 4 T2 4 Q12 C12S[( ) ( ) ] 100 100 取铸铁的黑度为 0.78 1
S S1 3 3 9m
1
C0 0 10 5.669w / m K
8 2
绝对黑体的发射能力和绝对温度的四次方成正比。
灰体的发射能力E ：
T E C 100
4
C：灰体的发射系数，取决于物体性质、表面情况和温度。
黑度（发射率）： 同一温度下，灰体的辐射能力与黑体辐
射能力的比值
E C E0 C 0
管道及圆筒壁保温层外
(2) 空气沿粗糙壁面强制对流 空气速度u<=5m/s时 空气速度u>5m/s时
T 6.2 4.2u
减小辐射散热，在两换热面加遮热板（黑度较小的热 屏）。
4.5.6 辐射、对流联合传热
设备的热损失等于对流传热和辐射传热之和 。 由于对流散失的热量 ：
QC c AW t w t
A=QA/Q R=QR/Q D=QD/Q ——物体的吸收率 ——物体的反射率 ——物体的透过率
4、黑体、镜体、透热体和灰体
黑体（绝对黑体）： 能全部吸收辐射能的物体，即A=1的物体 镜体（绝对白体）：能全部反射辐射能的物体，即R=1的物体 透热体 ： 能透过全部辐射能的物体，即D=1的物体
灰体 ：能够以相等的吸收率吸收所有波长辐射能的物体
50mm处设置一块尺寸和炉门相同的而黑度为 0.11的铝板，
试求放置铝板前、后因辐射而损失的热量。
解：(1)放置铝板前因辐射损失的热量
T1 4 T2 4 Q12 C12S[( ) ( ) ] 100 100 取铸铁的黑度为 0.78 1
S S1 3 3 9m
1
C0 0 10 5.669w / m K
8 2
绝对黑体的发射能力和绝对温度的四次方成正比。
灰体的发射能力E ：
T E C 100
4
C：灰体的发射系数，取决于物体性质、表面情况和温度。
黑度（发射率）： 同一温度下，灰体的辐射能力与黑体辐
射能力的比值
E C E0 C 0
管道及圆筒壁保温层外
(2) 空气沿粗糙壁面强制对流 空气速度u<=5m/s时 空气速度u>5m/s时
T 6.2 4.2u
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
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。
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2020/3/26
4、黑体、镜体、透热体和灰体
黑体（绝对黑体）：能全部吸收辐射能的物体，即α=1的物体 镜体（绝对白体）：能全部反射辐射能的物体，即ρ=1的物体 透热体 ：能透过全部辐射能的物体，即τ=1的物体 灰体 ：能够以相等的吸收率吸收所有波长辐射能的物体
2020/3/26
5、固体、液体与气体的热辐射特点
对黑体辐射能力的吸收率α之比，等于同温度 下黑体的辐射能力Eb。
辐射能力仅仅是温度的函数
一切灰体的辐射能力与其吸收率之比，也仅仅是温度的 函数，这是克希霍夫定律的内容之一。
2020/3/26
（二）吸收率与黑度的关系
E
Eb
任何灰体对黑体辐射能的吸收率等于同温度下该灰体的黑度。
2020/3/26
1)
1.当A1/A2≈1时，此公式简化为公式（4－59） 1 A2 2
2.当被包围的物体的表面积A1比包围物的A2很小， A1/A2≈0
此公式变为
A1 ( 1 1) 0
A2 2
C12 1Cb
从上述几种情况可知，两物体表面的黑度愈大，则总辐射
系数就越大，辐射传热速率就越大。
2020/3/26
（二）、 辐射传热速的强化与削弱方法 1.改变物体表面的黑度 2.采用遮热板
2020/3/26
3.灰体（P161）
单色辐射能力：单位表面积、单位时间内的发射某一特定波长 下单位波长间隔向空间辐射的能量。
E dE / d
对任一波长，灰体的单色辐射能力Eλ与黑体的单色辐射 能力Ebλ之比值均等于灰体的黑度ε，及灰体的黑度不随波 长而变化。
2020/3/26
三、克希霍夫定律
第四章 传热
第五节 辐射传热
一、热辐射的基本概念 二、物体的辐射能力与斯蒂芬波尔兹曼定律 三、克希霍夫定律 四、两固体间的辐射传热 五、对流和辐射的联合传热
2020/3/26
一、基本概念和定律
1、热辐射
热辐射 ：物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐射 辐射传热 ：不同物体间相互辐射和吸收能量的综合过程
φ：几何因子或角度系数，表示从辐射面积A所发射出的 能量为另一物体表面所拦截的分数。数值与两表面的形状 、大小、相互位置以及距离有关。
1）、 两无限大而距离很近的平行壁面之间的辐射传热A=A1Fra bibliotekA2, φ=1
C12
1
Cb 1
1
1 2
（4－59）
2020/3/26
2）、 两个面积大小有限且相等的平行壁面，只有部分能 投射到对方的壁面上。
（一）、辐射能力与吸收率的关系
温度T 辐射能力E 黑度为ε 吸收系数为α
αEb
E Eb (1-α)Eb
2020/3/26
温度Tb 辐射能力Eb 黑度为1 吸收系数为1
• 当T＞Tb，灰体损失的热能为E－αEb • 当T＝Tb，灰体损失的热能为E＝ αEb • 得α＝E/Eb • 在热平衡辐射时，任何灰体的辐射能力E与其
表示，单位：W/m2。 E=Q/A
（一）、黑体的发射能力Eb可用斯蒂芬玻尔兹曼定律表示
Eb
T 4
Cb
T 100
4 ——斯蒂芬---波尔茨曼定律
: 黑体的发射常数或斯蒂芬---波尔茨曼常数
5.67 108 w / m2 K 4
Cb :
黑体的发射系数
C b
108 5.67w / m2 K
A=A1=A2, φ＜1，从图4－33（P163)，查φ
C12 1 2Cb
（4－60）
3）、一个物体被另一物体包围的辐射传热。 A用被包围的物体的表面积A1, φ＝1
C12
Cb 1 A1 ( 1 1)
（4－61）
1 A2 2
2020/3/26
讨论此公式应用时的简化
C12
1
Cb A1 ( 1
四、两固体间的辐射传热
(一）、 辐射传热速率的计算
这里只介绍两壁面之间的空间，只有透过率τ＝1的透热性 气体，不考虑在两壁面间有CO2、水蒸气等吸收辐射能的气体。 从高温物体1传给低温物体2的辐射传热速率：
Q12
C12A
T1 100
4
T2
4
100
2020/3/26
C1-2：物体1对物体2的总发射系数，取决于壁面的性质 和两个壁面的几何因素。
绝对黑体的发射能力和绝对温度的四次方成正比。
2020/3/26
（二）、实际物体的辐射能力、黑度与灰体
1.实际物体的辐射能力 黑度（ε发射率）：
黑体辐射能力最大，同一温度下，实际的发射能力与黑
体发射能力的比值 E
E
Eb
Cb
TEb 100
4
E C T 4C 5.67w /(m2 K 4 )
4
改成对流传热系数的形式
QR R A1T1 T2
r
c12
T1 100
4
2、热射线
热射线 ：可见光线和红外光线统称为热射线 •服从反射定律和折射定律 •能在均一介质中作直线传播 •在真空和大多数的气体（惰性气体和对称的双原子气体）中 热射线可以完全透过
2020/3/26
3、热辐射对物体的作用
Q Q Q Q Q Q Q 1 QQQ
1
Q
Qρ
Qα Qτ
α=Q α /Q ——物体的吸收率 ρ=Q ρ /Q ——物体的反射率 τ=Q τ /Q ——物体的透过率
100
2020/3/26
2.黑度ε
黑度表示实际物体的辐射能力接近黑体辐射能力的 程度，实际物体的黑度大，其辐射能力就大。
实际物体的黑度只与自身状况有关，包括表面的 材料、温度及表面状况（粗糙度、氧化程度）。
粗糙表面黑度大 氧化表面的黑度比非氧化表面高一些 金属的黑度随温度升高略有增大。 非金属的黑度一般较大，在0.85～0.95之间。
2020/3/26
五、辐射、对流联合传热
设备的热损失等于对流传热和辐射传热之和 。 由于对流散失的热量 ：
QC c A1T1 T2
由于辐射而散失的热量 ：
Qr
c12
A1
T1 100
4
T2
4
100
∵设备向大气辐射传热， 1
2020/3/26
Qr
c12
A1
Tw 100
4
T 100
1.固体与液体的辐射特点：透射率τ=0， α + ρ =1 固体和液体表面情况对热辐射的影响较大。 2.气体的辐射特点：气体发射和吸收的热辐射能都是在整个气 体容积内沿射线行程进行的。
2020/3/26
二、物体的发射能力---斯帝芬-波尔茨曼定律
物体发射能力： 物体在一定的温度下，单位表面积、单位 时间内所发射的全部波长的总能量。用E