化工原理主要知识点

1、化工原理（上）各章主要知识点绪论三个传递：动量传递、热量传递和质量传递 三大守恒定律：质量守恒定律物料衡算；能量守恒定律能量衡算；动量守恒定律动量衡算第一章流动流体第一节 流体静止的基本方程一、密度m pM1.气体密度：p = v 2. m pM1.气体密度：p = v 2. 液体均相混合物密度：RT1aa+ 缶+P1P2anPn（P 混合液体的密度，a 各组分质量分数，p 各组 mn分密度）气体混合物密度： Pm压力或温度改变时，密度随之改变很小的流体成为不可压缩流体（液体）；若有显著的改变则称为可压缩流体（气体）。1 1 +92nnP 混合气体的密度， 9 各组分体积分数） m二、.压力表

2、示方法1 、常见压力单位及其换算关系：1atm = 101300Pa =101.3kPa=0.1013MPa =10.33mH2O = 760mmHg2、压力的两种基准表示：绝压（以绝对真空为基准）表压（真空度）（以当地大气压为基准，由压力表或真空表测出） 表压=绝压一当地大气压真空度=当地大气压一绝压三、流体静力学方程1、静止流体内部任一点的压力，称为该点的经压力，其特点为：（1）从各方向作用于某点上的静压力相等；（2）静压力的方向垂直于任一通过该点的作用平面；（3）在重力场中，同一水平面面上各点的静压力相等，高度不同的水平面的经压力岁位置的高低而变化。2、流体静力学方程（适用于重力场中静止

3、的、连续的不可压缩流体）P = P +P g （z - Z ）2 1 1 2旦二厶 + （Z - Z ）Pg Pg1 2=zp （容器内盛液体，上部与大气相通，p/Pg 静压头，“头”一液位高度，z 位压头Pgpp或位头）上式表明：静止流体内部某一水平面上的压力与其位置及流体密度有关，所在位置与低则压力愈大。四、流体静力学方程的应用1 、U 形管压差计 指示液要与被测流体不互溶，且其密度比被测流体的大 测量液体： p1 - p2 =（P0-P）gR+Pg（z2-z1） 测量气体： p1-p2 =P0gR2、双液体U形管压差计 p1 - p2 = （ P2 -P1）gR第二节 流体流动的基本方程

4、一、基本概念1、体积流量（流量V）：流体单位时间内流过管路任意流量截面（管路横截面）的体积。单位为m3 - s-1s2、 质量流量（m）：单位时间内流过任意流通截面积的质量。单位为kg-1s化工原理（上）m = p VssVC m流速u = -A 质量流速G = 丁G = p u3、黏性：流体所具有的一种拽流体相对运动的性质。（1）气体的黏性力或内摩擦力产生的原因是速度不等的流体层之间动量传递的结果。（2）液体黏性力主要由分之间的吸引力所产生。4、牛顿黏性定律：两相邻流体层之间单位面积上的内摩擦力T （内摩擦应力或剪应力）与两流体层间的速度梯度du / dy成正比，即p=p（T,u 方向相同时

5、取正号，否则取负号）dy服从此定律的流体称为牛顿型流体。4、黏度p的单位为Pas常见流体用mPas（1）流体的黏度随温度而变，温度升高，气体的黏度增大，液体的黏度减小。原因：温度升高时，气体分子运动的平 均速度增大，两相邻气体层间分子交换的速度加快，因而内摩擦力和黏度随之减小。对于液体，温度升高时，液体体积膨胀, 分之间距离增大，吸引力迅速减小，因而黏度随之下降。（2）流体的黏度一般不随压力而变化。二、质量衡算一一连续性方程设流体在管路中做连续稳定流动，从截面1-1流入，从截面2-2流出，则m = m p u A = p u As1s21 1 12 2、, 2,对于不可压缩流体，P=P 2二常

6、数，则u1 A= u2 A2 对于圆管，A =兀d2/4，d为直径，则u1d12二u2dj 如果管路有分支，则m二m, + m21s2三、机械能衡算方程1、理想流体是指没有黏性的流体，即黏度卩=0的流体。 内能（U），位能（gz），动能（u2/2 ），压力能（三、机械能衡算方程1、理想流体是指没有黏性的流体，即黏度卩=0的流体。 内能（U），位能（gz），动能（u2/2 ），压力能（p / p 提供给流体外功是为正，流体向外界做功时为负）u 2 p3、可压缩理想流体机械能衡算关系：gq +亍+ 1+w12 p e12、）,热量（q，吸热为正，放热为负），外功（4、u 2 p二 gz + T +

7、 2（22 p2u 21kg不可压缩理想流体稳定流动时的机械能衡算式:（伯努利方程）gZ1 + -2 +（W 外功）eu 2 p5、不可压缩实际流体的机械能衡算式:gZ + -2 +才2 p（w.阻力损失）第三节流体流动现象一、雷诺数RedupRe = P1、雷诺数的量纲为1,故其值不会因采用的单位制不同而改变，但数群中的各个物理量必须采用同一单位制。2、流体在圆形直管中流动，ReW2000时属于层流；Re4000时为湍流；Re20004000之间时流动处于一种过渡状态。、管内流动分析1、层流时的速度分布u 二 p1 一 p2 （R2 - r2）4 plUmax二 2 R 24 plr 2（1

8、 一 ）maxR 2各章主要知识点17-31体积流量V兀R 2二 u2 maxu故平均速度u =丐产 即层流时平均速度等于管中心处最大速度的一半。2、层流时的阻力损失32 卩 lu哈根一伯谡叶公式：V 一3、湍流时的速度分布ru=各章主要知识点17-31体积流量V兀R 2二 u2 maxu故平均速度u =丐产 即层流时平均速度等于管中心处最大速度的一半。2、层流时的阻力损失32 卩 lu哈根一伯谡叶公式：V 一3、湍流时的速度分布ru=u （1 - ）1/n（n与Re大小有关，Re愈大，n值也愈大。）maxR2n 2平均速度 U 二(n + 1)(2n +1)umax(当 n=7 时，u=0.

9、817umax第四节管内流动的阻力损失沿程损失的计算通式及其用于层流范宁公式：、l u 2、单位质量流体的沿程损失：J 万y（八kg-1）单位体积流体的沿程损失：Ap =pw =X（J -m-3或丹）/ d 27 W l u 2单位重量流体的沿程损失：h = 匚二九f g,64九称为摩擦系数或摩擦因数九=云Re(J - N j 或 m) d 2 g（层流时九与Re成反比）二、量纲分析法（兀定理）三、湍流时的摩擦系数x=0.100（d+R!）0-23（适用范围为心4000及“05）四、非圆形管内的沿程损失l U 2w =（J - kg -i）/ d 2ed = 4 x水力半径=4 X流通截面积e

10、润湿周边（润湿周边指流体与管壁面接触的周边长度）层流时的阻力损失“ Re（C为常数，量纲为1,对于正方形、正三角形或环形，C分别为57、53、96）五、局部阻力损失u 21、阻力系数法：wf 乂 2匚局部阻力系数，（1）突然扩大：当流体流过突然扩大的管道时，流速减小，压力相应增大。此时匚0 =1，称为管道出口阻力系数。（2）突然缩小：当流体由大管流入小管时，流股突然减小，到缩脉时，流股截面缩到最小，之后开始逐渐扩大，直至重 新充满整个管截面。当流体从容器流进管道时，匚i = .5，称为管入口阻力系数。I2、当量计算法（当量长度le ）E34!化工原理上）l u 2局部阻力损失：w二九-j-f

11、d 2六、管内流动总阻力损失的计算在管路系统中，总阻力等于沿程损失与局部损失之朿和，对于等径管，有工w二（九丄+工匚）兰=九（+乙！）聖 f d2d 2若管路系统中存在不同管径段，管路总阻力损失应将等径段的阻力损失相加。第五节管路计算 d西一、简单管路1、简单管路是没有分支或汇合的管路，其特点为：（1）通过各管段的质量流量不变，对于不可压缩流体的体积流量也 不变（指稳定流动）；（2）整个管路的阻力损失为各段阻力损失之和。例1-13附圉2例1-13附圉（1）计算泵的有效功率（例1-11）（2） 计算管径（例1-12）3、操作型问题（1）操作性问题分析（例1-13）管内流量变化：将阀门开度减小后，

12、管内流量应减小。P 一 plU 2gz + 12 二（九 +Y 匚 +1） 1 pd2简单管路中阻力系数的变大，如阀门关小等，将导致管内流量减小, 阀门上游压力上升，下游压力减小。此规律具有普遍性。（2）计算流量（例1-14） 二、复杂管路1、复杂管路只指有分支的管路，包括并联管路、分支（或汇支）管路。2、并联管路特点：总流量等于个并联支管流量之和；并联各支管的阻力损失相等。3、并联支管中，细而长的支管通过的流量小，粗而短的支管通过的流量大。4、分支（或汇合）管路的特点：总流量等于各支管流量之和；可在分支点（或汇合点）处将其分为若干个简单管 路，对于每一段简单管路，仍然满足机械能衡算方程。第六

13、节流量测量一、变压头的流量计（恒截面，变压头）1、测速管（皮托管）被测流体为液体:被测流体为液体:（p被测流体为液体:被测流体为液体:（p0 指示液密度，RU形管压差计读数）缺点：不能直接测出平均速度,2、孔板缺点：不能直接测出平均速度,2、孔板u = C ：2gR（P0 一 P）0 0 （孔板系数）皮托管优点：阻力小，适于测量大直径气体管路内的流速。 且压差读数小，常要放大才能读得准确。体积流量V；2gR（P0 一 P）体积流量VI1 P孔板系数C0 = f R才孔板安装位置：上下游要各有一段等径直管作为稳定段，上游至少idi，下游至少。 孔板优点：构造简单，制造与安装都比较方便；缺点：阻力

14、损失大。3、文丘里管 优点：阻力损失小，相同压差读数下流量比孔板大，对测量含有固体颗粒的液体也较孔板适用；缺点：加工较难，精 度要求高，因而造价高，安装时需占去一定管长位置。二、变截面流量计（恒压头，变截面）转子流量计（简称为转子计）第二章流体输送机械第一节 离心泵一、离心泵的操作原理与构造1、操作原理（主要靠高速旋转的叶轮所产生的离心力）（1）开动前泵内要先灌满所输送的液体。离心泵开动是如果泵壳内和吸入管路内没有充满液体，它便没有抽吸液体的能力，这是因为空气的密度比液体小得多， 随着叶轮旋转所产生的离心力不足以造成吸上液体所需的真空度。像这种因泵壳内存在气体而导致吸不上液的现象，称为“气 缚

15、”。（2）离心泵最基本的部件为叶轮与泵壳。二、离心泵的理论压头与实际压头1 、压头的意义泵向单位重量液体提供的机械能，称为泵的压头（或扬程），用符号H表示，单位为m 对于任一管路输送系统，所需压头h为Ap Au2 v 了h 二 Az +Z heP g 2 gf（Az升举高度，AP/ Pg 液体静压头的增量，Au2/2g 动压头的增量，与其他项相比，可忽略,工hf 全管路的压头损失）2、理论压头c u cos au cc u cos au cc cc c cp - pc 2 - c 2理论压头：H 1 + 24（ c c2 液体的绝对速度）Pg2g1 2（2）液体从点1运动到点2,静压头之所以增

16、加（P2 P1）/Pg，其原因有二：液体在叶轮内受到离心力作用，接受了外功；相邻两叶片所构成的通道的截面积自内向外逐渐扩大，液体通过时的速度逐渐变小，使得部分动能转变为静压能。（3）离心泵理论压头表达式（离心泵的基本方程）（C2M 绝对速度C2在周边切线方向上的分速度）4）理论压头与流量的关系(r )22Q cot (r )222兀b 22【式中Q泵的流量，m巧一1 ； 叶轮旋转的角速度；丫2 叶轮的半径；卩2 叶片的装置角；b2 叶轮周边宽度】H与Q呈线性关系，变化率的正负取决于装置角卩2。当卩20，叶片后弯，H随Q的增大而减2 2 2小；当卩2=90，cos卩2=0叶片径向，H不随Q变化；

17、当卩290。，cos卩2 2)m ln(r / r )热量衡算方程： Q = ms1热量衡算方程： Q = ms1cp1(T1 -T2) = m21A 平均面积，A二2兀1r ；m m mr r(r2/ 2)2、无限长多层圆筒壁一维稳态导热(无内热源)t tt t 总推动力Q = 1 n+i _.n+1= 一 -ln(r /r) 总热阻ii+1. iXA2兀l入i=1 i mii=1i第三节 两流体间的热量传递一、两流体间通过间壁传热的分析 牛顿冷却定律：热通量q与壁面-流体间的温差(t t)成正比：q = (t -t),wwa _给热系数，单位为W - m-2 - K-1或卬-m-2- C-

18、1二、传热速率和给热系数q = K(T -t)K二、传热速率和给热系数q = K(T -t)K 传热系数，单位与a相同。1、换热管内外面积不相等的考虑KqdA d2 2 1 1KqdA d1 1 2 2传热面积计算的最终结果通常用管外面积表示。2、污垢热阻11 d d b d2 + R 2 +K a ds1 d 九 d2 1 1 13、若污垢热阻与壁阻可忽略时，11 1 d1+ i 或 Ka a dK1 1 2 2 1亠 + R + 1s2d1 +ad12(i)若a1，a2相差较大时：若a1 a，则 K u 幺a 或K u a K u a ，应121 d 222 min1三、传热温差和热量衡算

19、 Q = KAAt mAtmAtm为换热器进、出口处的平均温差At - At i 2 (At / At 2)ln(At / At ) i 212AtAt12-At2(At / At 2)12(t2 -t1)四、传热效率-传热单元数法1、传热速率方程： Q = KAAtm3、传热效率Q 二Qmax（1）若热流体的mc（1）若热流体的mc较小时,sp2）若冷流体的 m c 较小时,spT -T =2T -111t -t=1T -1114、传热单元数T - T12AT - T12Atmt - t-2 1Atm cms2 p 25、传热效率 和传热单元数 NTU 的关系_ 1 - exp(NTU (1

20、 - C”)L-C - exp NTU(1-C )RR1）热流体 NTU12）热流体 NTU11）逆流换热器： KAmcs1 p1KA2）并流换热器： 2）并流换热器： 1 - exp L NTU(1 + C )R1 + CRC C R 热容量之比C = (m c )/(m c )R s p min s p max六、壁温的计算w b Q六、壁温的计算w b Q,t = T , t = t +a 4 w w 九 4 w a A11m22对于稳定传热过程，Q = a1 A1(T； - T) = |a (T -1 ) =a2A2(t -1) = KAAt1 11 w b m w w 2 2 wmA

21、1, A2, A 热流体侧传热面积、冷流体侧传热面积和平均传热面积 12mT , t 热流体侧和冷流体侧的壁温；ww“，2 热流体侧和冷流体侧的给热系数。第四节 给热系数一、给热系数的影响因素和数值范围 影响给热的因素：（1）引起对流的原因；（2）流体的流动形态；（3）流体的物理性质；（4）传热面的几何因素；（5）流体有无相态变化。、给热系数与量纲分析特征数的符号和意义特征数名称符号涵义努塞尔数“ al Nu = T表示导热热阻与对流热阻只比雷诺数Re =塑反映流体的流动形态和湍流程度普朗特数c uPr反映与传热有关的流体性质。气体Pr 1格拉晓夫数Gr=13 p2 pgAtU 2反映由于温差

22、而引起的自然对流的强度 相对于自然对流时的“雷诺数” 0 流体的膨胀系数i/c； At流体内的温度差。c 0gAt流体由于温度差而产生的浮升力，N kg-1三、流体做强制对流时的给热系数1、流体在圆形直管内做强制湍流(1)当壁温和流体平均温度相差不大时Nu = 0.023 Reo$ Pr n适用范围：Re I0000, Pr = 0.6160,管长和管径之比1 /d 50 定型尺寸1规定为管内径d ;定性温度为流体进、出口温度的算术平均值。当流体被加热时，n = 4 ；当流体被冷却时，n = 3，空气或其他对称双原子气体，Pr沁.7 (2)当壁温和流体平均温度相差较大时,(u )0-14Nu

23、= 0.027 Re0.8 Pr0.33 一1 / 1 / d 60应用范围：Re 10000，Pr =0.716700,特征尺寸：管内径定性温度： u 取壁温作定性温度，其他物理性质均为流体进、出口温度的算术平均值。 2、流体在圆形直管内做强制层流duNu = 1.86(RePr 一 )1/3()0.141u适用范围：Re Pr 0.6， RePr(1 /d) 103、弯曲管道内的给热系数ar = (1 +，圆管、直管中的给热系数；d管内径，m；R 弯管轴的曲率半径，m4、非圆形直管中的给热系数 将管内径改为当量直径 d ee5、流体在管外强制对流 流体在管束外横向流过时的给热系数： Nu

24、= C1C2 Ren Pr0.46、提高给热系数的途径不论管内或管外，提高流速都能增大给热系数四、流体做自然对流时的给热系数Nu = C(Gr Pr)n五、蒸汽冷凝时的给热系数膜状冷凝：当饱和蒸气与低于饱和温度的壁面接触时，蒸汽将放出潜热并冷凝成液体。若冷凝液能润湿壁面，并形成 一层完整的液膜向下流动，则称为膜状冷凝。滴状冷凝：若冷凝壁面上存在一层油状物质，或者蒸气中混有油类或脂质物质，冷凝液不能润湿壁面，结成滴状小液 滴，从壁面落下，重又露出冷凝面，则称为滴状冷凝。六、液体沸腾时的给热系数1、工业上液体沸腾可分为：大容积内沸腾和管内沸腾。2、沸腾现象(1)沸腾给热过程最主要的特征是液体内部有气泡生成。(2)气泡生成依赖两个条件：液体必须过热；加热壁面上应存在汽化核心。第五节 辐射传热一、基本概念1、绝对黑体（黑体）：能全部吸收辐射能的，即吸收率 A=1 的物体。2、绝对白体（镜体）：能全部反射辐射能的，即反射率 R=1 的物体。3、透热体：能透过全部辐射能的，即透过率 D=1 的物体。、物体的发射能力与斯蒂芬-波尔茨曼定律1、物体在一定温度下，单位表面积单位时间内所发射的全部辐射能，称为该物体在该温度下的发射能力E,单位为 W -