力系的一般平衡条件教学设计

GeneralEquilibriumConditionsofASystem

力系的一股平衡条件

在这一部分,我们将研究为了使一个物体保持平衡.作用在其上的力和力偶所必须满足的条件.

根据牛顿第一定律，施加在一个静止物体上的力系的合力一定为零。然而，请注意这个定律对力矩或力系的转动效应只字未提。显然，合力

矩也一定为零，否则物体将会转动。

这里的基本问题是原先叙述的牛顿第一定律（和第二定律）只适用于非常小的物体，或者尺寸可以忽略的非零质量的粒子。然而，它可以

扩展到如下所述的有限尺寸的物体。

考虑一个由两个质点组成的系统，假设/1和/‘2为它们之间的相互作用力（图.1.1）。这些力称为内力，因为它们是由于系统内部的物体之

间的相互作用而产生的。假定内力服从牛顿第三定律，我们有/1=-/20假如还有质点与系统外物体之间的相互作用力施加在质点上，

如尸1.尸2和尸3,这些力称为外力。显然，作用在一个特定粒子上的力一定有相同的应用，因为粒子的尺寸可以忽略。

如果系统内的每一个质点处于平衡，我们就可以说系统是平衡的。在本例中，依据牛顿第一定律，作用在每个质点上的力的合力一定为零。

对质点A我们有：£吊=6+尼+/=0

而对质点B有：=,4+居=（）

作用在系统上的力的总和为：F=FA+Ffi=Fi+F24-F.34-/1+/2=0

现在我们来研究这些力对于同i点P的合力矩。由图LI,我们有：2加?二八X（ZEO+R2X（%）

由于力和72有相同的作用线，力矩的条件可以改写为2/3=为乂（/|+/2+/l+/2）4-nxF3=0

但/'=：所以力和力矩的条件简化为2/=尸1+/2+尸1=0

和2肪＞=（'」xFi）+SxFi）+（r2x尸3）=0

换句话说，如果系统处于平衡，那么作用在其二的合外力一定为零，而且这些力对于任一点的合力矩也为零。内力不需要考虑，因为它们的

效应相互抵消了。

如果系统处于平衡，那么Z/uOandE：A介=0（M）

这里E产丛作用在系统上的所有外力的总和，而是这些力对任意点的今力矩，包括系统中可能作用有的力尚的矩。

方程（1.1）是平衡的必要条件：也就是说，如果系统处于平衡，必须满足这些方程。一般来说它们不是平衡的充分条件。然而，这并不会

带来任何困难，因为我们的研究仅涉及平衡系统。对于刚体，方程（1.1）既是其平衡的必要条件也是充分条件。检验其充分性需要应用牛顿

第二定律和其它超出本课文的知识。

重要的是要注意到，方程（1.1）适用于任何平衡系统，而不管组成该系统的物质是什么。例如，他们适用于大量的静止流体和固体。在

某种条件下，它们（指两方程式）也适用于运动系统，因为它们是建立在牛顿第一定律的基础上，而牛顿第一定律既适用于•匀速运动的质点,

也适用于静止的质点。例如，方程（1.1）适用于做无转动匀速直线运动的物体和以通过质心的固定轴为轴做匀速转动的物体。典型的例子有

做水平匀速直线飞行的飞机和匀速转动的电动机皮带轮。但是，问题涉及的任何运动一般归类为动力学。

当以分量的形式表示时，方程（1.1）可变形为六个标量方程：

Z凡=02吊=°z凡=°ZM〃=°ZM“=Oaz

利用这些方程对系统进行受力分析，解决就外力和作用力偶而言的未知问题。由T有6个方程，所以我们一般可以解决含六个未知数

的问题。如果通过平衡方程可以解出关于外力和力偶的所有未知数，我们就说系统是静定的。反之，系统为静不定。

如果问题中含有的未知数个数比平衡方程的个数多，就要尝试通过研究多个点的转矩来获得更多的方程。遗憾的矩，这个系统不能正常工作。

Unit2应力和应变

材料力学的介绍

材料力学是应用力学的一个分支，涉及受不同类型载荷的固体的性能。这是一个有多种名称的研究领域，包括：“材料强度”，“易变形体

的力学本书中研究的固体包括受轴向载荷的杆，轴，梁，圆柱和由这些零件装配的机构。一般情况下，我们研究的目的是测定因受载而引

起的应力，应变和变形；如果当所有负荷量达到破坏载荷时，能够测得这些物理量，我们就可能得到一份完整的固体力学性能图。

在材料力学的研究中，理论分析和实验研究同等重要。很多情况下，我们通过逻辑推导来获得预测力学性能的公式和方程，但同时我

们必须认识到，这些公式不能用于实际情况中，除非材料的特性是己知的.只有在实验室中做过适当的灰验之后我们才能使用这些特性.并

且，当工程中的重要的问题用逻辑推导方式不能有效的解决时，实验测量就成为一种实际需要。材料力学的发展历史是一个理论与实验极有

趣的结合，在一些情况下，处实验指出了得出正确结果的方式，在另一些情况下确处理论来做这些事。例如，著名的达芬奇(1452-1519)和他

利略(1564-1642)通过做实验测定钢丝，杆，梁的强度，尽管在当时对他们的测试结果并没有充足的理论支持(以现代的标准)。相反，著名的

数学家欧拉口707-1783),在1744年就提出了柱体的数学理论并计算其极限载荷，而过了很久才有实验证明其结果的正确性。因此，欧拉的

理论结果在很多年里仍然未被采用，但今天，它们奠定了圆柱理论的基础。

随着研究的不断深入，把理论推导和在实验上已确定的材料性质结合起来研究的重要性将是显然的。在这一节，首先。我们讨论一些基

木概念，如应力和应变，然后研究受拉伸，压缩和剪切的简单构件的性能。

1.Stress应力

通过对等截面杆拉伸的研究初步解杼应力和应变的概念［如图L4(a)］。等截面杆是一个具有恒定截面的直线轴。这里，假设在杆的木端

施加轴向力P,产生均匀的伸展或拉伸。假设沿垂直于轴线的方向切割杆，我们就能把杆的一部分当作自由体隔离出来［图1.4(b)］。张力

P作用于杆的右端，在另•端就会出现•些力来代表杆被切除的那•部分。这些力连续的分布在横截面上，类似于作用在被淹没物体表面的

连续的静水压力。力的密度，也就是单位面积二的力的大小称为应力，一•般用。表示。假设应力是均匀分布在横截面上［如图1.4(b)］,我

们很容易得出它的大小等于密度b乘以杆的横截面积A。而且，通过图1.4(b)中所示物体的平衡，我们也能得到它与力P等大反向。因此，

我们得到

P

cr=—(1.3)

A

作为在等截面杆中求解均匀应力的方程C从这个公式可以看出.应力的单位是力除以面积一一例如：牛每平方亮米(2/帆机2)或磅每平方英

寸(psi)。当杆在力的作用下被拉伸时，如图所示，所产生的应力称为拉应力：当施加反方向的力时，杆被压缩，这时所产生的应力称为压应

力。

方程(1.3)的必要条件是应力。必须均匀分布在杆的横做面上。如果轴向力通过截面的质心时，这个条件将会被认识，同时可以通

过静力学验证。当载荷P不是作用在行心时，将会产生挠度，更复杂的分析就是必要的了。然而，如果没有特殊说明，本书中假定所有的轴

向力都作用在横截面的行心。而且，除非另有说明，物体本身的质量一般忽略不计，就像讨论图1.4中的杆那样。

3.Strain应变

受轴向力时，杆的总的伸长量用希腊字母S表示，如图1.4(a)所示。单位长度的伸长即应变，可以用£=?计算得到。这里L是杆的总

长度。注意应变£是无量纲量，只要应变在杆上是均匀的，就可以通过方程(1.4)得到精确的结果。如果杆被拉伸，此时的应变称为拉应变，

即材料伸长或被拉伸：如果杆是被压缩，即为压应变，这就意味着杆的相邻的截而离得更近了。

Unit3正应力和切应力

1.Normalstress正应力

在这之前，我们已经知道组成构件的杆件存在内载。不知不觉地，人们把测定杆件的压力作为研究的笫一步。而这个力是保持系统平衡的必

要教荷。该力是利用穿过杆件的横松而求得的，因此叫做内力或内投荷。这就是压力分析问题的第一步一一求取内载。第：步则是求由这个

载荷产生的应力，这是这部分主要研究的问题，但是求产生这个应力的内载仍然是第一步，也是必不可少的一步。

如图1.8(a)所示的横截面积为2平方英寸的杆件，假设它受到1170磅的拉伸载荷。现在假设载荷已经作用于杆件上，问题随即出现

了。这个载荷是如何分布的？对于杆件来说它处均匀分布的，如图1.8(b)所示。如果载荷均匀的分布在这2平方英寸的横截面上，杆件的

应力大小就等于载荷除以面积，即

loadP［［701b585拈.

stress==——=r,or(T=-=585psi

areaA2.0in2in：

从这个案例中我们注意到：第一是应力的符号，O-o它是希腊语中的小写字母，类似于英语中的s。有些教材中使用s,但是。比较

常用，因此我们使用。。现在习惯于用CT将使后面的工作更方便。在结构设计中，通常使用f表示压力。

第二点是以下的方程：

(7=—(1.5)

A

这个方程对于我们即将研究的问题来说非常重要，应该掌握，它将被重复使用。在获得方程的过程中，假定应力走均匀分布的，也就

是平等分布，这是个非常好的假设，在大量的案例中都适用。即使在这个假设不成立的情况下，设计压力通常取平均E力，因此，公式(1.5>

有广泛的应用。

应力的方向也应当注意。它垂直于力作用的表面，因此叫做正应力。“Nonral”表示垂直于表面的意思。除了大小和方向这两个性质，

应力的第三个特性就是它分布的均匀性。这样，画出应力分布草图就很容易了。当不画草图时，我们学生应当能想象出分布情况。图1.8(b)

所示的是三维图。但我们使用更多的是图1.8（c）中的二维图。

应力产生的效果也是重要的。它不能从矢量力的符号中测得。它不依赖物体的运动而是依赖无物体上的压力。如果压力的趋势是拉伸

物体或是使它分开，就叫做张力.通常，把拉伸张力规定为正的.如果应力是压缩或挤压物体，则把它叫做压缩，取负的“

最后研究的是应力的单位。

Pforce\b.

r=—=-=--=psi

Aareain.

在国际单位制中，压力的单位是牛顿，面积的单位是平方米。因此，应力的单位是牛每平方米。它是一个导出单位，称为帕斯卡，简

称Pao

2.ShearStress切应力

图1.8中物体所受的力是标准的，也就是垂直于横截面。而图1.9（a）中的力则不是标准的。如图1.9（b）,矢量力P分解成竖直分量Py

和切向分量Px。竖直分量Py产生正应力。于是根据cr=P）"A求得平均正应力，它与真实情况非常相近。切向分量将产生剪应力，如

Px

图1.10所示。平均剪应力有以下公式计算得到：Tav=­O

A

但是，这个方程与真实压力有很大的不同。尽管如此，根据实际需要，方程（L6）也广泛的应用在许多工程应用中。下脚表av表示计

算得到的是平均应力而不忍真实应力。

最常用的表示剪应力的符号是是希腊字母tau（7）,而Ss不常用。由于它也是由载荷除以面积得到的，因此它的单位也是psi.ksi.Pa.

MPa等等。

在前面部分中，公式（1.5）表明了应力大小，方向，分布状态的重要性。这些对剪应力也同等重要。当然，力的大小可由公式（】.6）

得到。方向平仃于表面，朝着切向万向，因此把它叫做剪应力。假设力的方向是均匀的，如图1.10所示。

Unit4回转壳体的薄膜应力

回转壳体是由一条直线或曲线绕一根旋转形成的（一个回转实体是由一个面绕一根轴旋转而成的）。大多数过程容器是由回转壳体组成的：

圆柱形和圆锥形部件：半球形，椭圆形和准球形的封头；图.1.13。

薄的容器壁被称为“薄膜”：承受载荷不引起严重的弯曲和过大的剪切应力；就象气球的外壁一样。

对受内压回转壳的薄膜应力分析为确定容器壳体最小壁厚奠定了基础。实际的厚度要求同样取决于容器所承受的载荷所产生的应力。

假设大致形状如图1.14的回转壳体在载荷牛用下做对称的旋转：在壳体单位面积上所受的载荷（压力）在周向方向是一致的，但是从顶

部到底部并不是一•模一样的。

让「=压力

t=壳体的厚度

b产经向应力（纵向应力），应力沿着经线作用，

。2=周向或者切向应力，应力沿着平行的圆环作用（通常叫做环向应力），

r,=经向曲率半径，

r2=环向曲率半径。

注意：容器有双曲率；rl和r2的值是由形状决定的。

假设作用在单元上的力通过点a,b,c,d来定义。那么在单元上的应力的法网分量（分力作用在和表面有特定角度的方向）：

这个力被其它力的法向分量抵消与容器壁上的薄膜应力相关联（给出，力=应力X而积）：

将上面等式左右连接弁旦简化，取极限方法令d。/2Tds/2r,sind〃

->d。，给出：

经向应力必可通过作用在周向沿线的力的平衡获得：图1.14。压力垂直分量：

这是一种通过力的垂直分量建立的平衡，取决，作用在压力容器外壁圆周上的经反应力：

连接这些力得出：（1.13）

公式（1.12：和完全适用于任何回转壳体。圆柱体（图1.15a）

圆柱是由平行于回转轴的一条线旋转而得，所以：D是圆柱的直径。

带入公式（1.12）（1.13）得：球体（图1.15b）因此：

圆锥体：

圆锥体是由和轴有一定角度。的直线旋转而成，

带入公式（1.12）和（1.13）得：

最大值将会发生在r=D2/2O

Unit5机械振动

机械振动是一个质点或物体以一个平衡位置为中心做往复周期的振荡运动，由于工程师几乎要面对所有的机械和结构中，因此机械振

另一类L泛的有色合金被称为难熔金属。这些金属有铛、铜和铝，它们的熔点都在3000F(1649C)以上，常用在必须抵抗异常高温的

产品中。

最后，贵金属，价值高是它们的共性.另外，他们一般具有较高的耐腐蚀性，有许多有益的物理特性.

Unit7材料的特性

用于工程构件的任何一种材料的最终强度取决于这种材料在经历了一种或多种不同加工过程之后的机械与物理性质。也有许多特性决定材料

的初始状态适合一些特定的加工工艺。原始材料的最初强度很重要，因为强度在一定程度上影响了材料最终被加工的形状以及最后所能承受

的截面能力，增加或者降低初始材料的强度的因素也很重要。它可用于减小材料的强度并如许现有机牌下将材料加工成•定形状。或者作为

选择去提高材料最终的强度来得到更高的服务强度。强度是一个不明确的词汇，在这被理解为指示出材料接受或抵抗变形的能力。

一个类似的问题也适用于另一个甚至更难以捉摸的材料性质，即材料的韧性。它通常被理解为指的是材料承受大变形(主要是拉伸变形)

而不发生断裂的能力。在考虑加工工艺，这个参量的大部分值很明显是很有用的。金属加工工艺只受到实际工作材料的韧性影响而受到限制，

所以.强加到材料卜的大量:变形必须被限制为了防I卜材料断裂c然而一些与韧性相反的加「「艺却是有利的。一个适合的一般性的词汇来解

释脆性可能就是脆性了；例如，众所周知某些脆性材料比韧性材料容易加工或剪切。

主要是制造过程中各种材料性质的相互关系，例如强度叮韧性等，影响着牛.产工艺。例如，一个很普通的常识大多数金属当受热时将会

变软和更容易变形。如果变形的速度太快，然而，这种优势会消失，材料会变的更硬更脆，过快的变形会导致断裂。这些效果的事件和重要

性在某市.程克上取决于材料的微观结构，所以金属治金学的知识或者相应的非金属微观结构对于理解这本书的许多学科是十分必要的，乂叫

做材料的强.受。这章开始讨论的目的，实际上，站为了指出这些材料的性质在加工过程中和加工过程之后都重要，为了了解它们为什么这么

重要，它们怎么样影响加工工艺的，很明显我们必须要有比强度、韧性更精确的词汇，在这章考虑了一些标准机械测试是为了了解是否有必

要定义一些更精确的概念。当然，为了了解它很有必要掌握塑性数学理论或理想介质的流变学理论。

一旦多种重要的加工性质被定义和理解，那么我们有必要去考虑这些知识怎样被使用去控制工艺和生产，这些性质怎么样被不同的加工

工艺影响。用这种方法我们可以很容易确定对一个给定的元件和材料的一个合适的方法最后给出最后的形状，要求的强度和性质。因此我们

可以理解为什么传统的学科中的材料强度如此亘要，不仅是因为它与任何工程工件和材料的最终条件有关，也和最终变形前的材料有关。

例如，可能会和考虑形状改变有关或者加工工件的材料去适合生产技术。这些问题超出的这本书的研究范围，并且可能属于在加工设计

或者加工工程中更专业的领域。制造的成本自始至终，即从规定元件要在一定寿命期间满足一定的功能开始，直到最后的检验、试验和保用，

都是最重要的。整个加工工艺包括工件的设计和生产，特别是影响材料的最终强度。

在加工中有一些物理和化学的性质影响着材料的选择和处理。一个物理性质超传热率去影响当它在材料内部变形和冷却硬化的时候的热

流量。同样的，众所周知的例子，是一个重要的抵抗腐蚀的性质。它的重要性在生产的最终阶段很明显，它在加工工艺过程中也很重要，因

为它有时影响表面膜的形成，从而膨响润滑性，或是导热和导电的能力。

Unit10金属的腐蚀

化工厂，伴随着大量多种的气态，有机的和气态的腐蚀，产生每种可想象的腐蚀类型。控制设备的腐蚀在没有化学过程的情况下是一个相当

大的挑战。炼油厂在腐蚀控制方面具有最好声誉，这部分地是由于其产品的价值给了炼油厂以资金来进行腐蚀控制，部分地也是由于对炼油

厂来说如果任何一项腐蚀控制措施出现问题的话，都存在发生火灾的危险。抵抗腐蚀的材料和昂贵的化学抑制剂被认为是必要的保障。什

么是腐蚀？腐蚀是金属由于和环境反应而产生的破坏。

破坏的规定是不包括工艺在内的，比如化学药品的研磨、铝的阳极反应，和钢的发蓝，这些都是有意识的去改善金属。所有种类的化学

和电化学过程在工业上被用做和金属发生化学反应，但是它们被设计出来是用于改善金屈而不是去破坏它。因此这些过程不认为是腐蚀。

金属在腐蚀的定义中被涉及到，但是任何一种材料都能被它的环境破坏：型料在溶剂中膨胀，混凝土在污水中的溶解，木头的腐烂，等

等。这些结果都是不同机理产生的严重问题。但是在这个定义中它们不被包括。金属，他们是否在腐蚀中被侵袭的均匀或者有纹孔或者开裂,

被腐蚀都是通过相同的基本机理，它们不同与其他的材料。这些试验集中在金属上。

腐蚀对于金属来说是个自然过程，因为它们与环境反应生成更稳定的化合物。即使是在•个材料选择总是正确的、设备设计没有任何缺

陷并且操作也没有任何错误的埋想世界中，腐蚀仍将发生，只不过是可以接受的腐蚀速率罢了。

腐蚀的代价。看看真实的腐蚀是怎样的，许多国家的政府在1970年和1980年委托研究，得到了许多数据说明腐蚀的确是大多数的主要

问题。美国的研究估计腐蚀的直接损失是工业产值的4.9%对于工业化国家来说。这4.9%中，大概1%到2%是可以通过现在的技术避免的，

大概是每人每年200美元的浪费。

直接成本包括零件、劳动力代替汽车的消声器，金属的顶板，冷凝管，和所有其他的可腐蚀的金属。一部完整的机器不得不被报废由F

小部件的腐独。单单汽车腐蚀每年就值16亿。直接成本包括金属的重新喷漆，虽然这笔费用不同于安装精确的部件，因为许多金属表面喷漆

是防止腐蚀，腐蚀防护的成木也包括例如阴极保护的投资成本、其电力消耗和维修成本、化学缓蚀剂的成本以及抗腐蚀材料的附加成本等。

间接费用更碓以确定，尽管他们可能至少对一样大的直接费用进行了调查。间接班用包括工厂停产，损失或污染的产品，丧失效率，对于防

腐需要进行必要的设计，大约20%的电子故障是由腐蚀造成的。

腐蚀导致了我们一个非常现实的代价就是资源枯竭，但是这不是算作直接费用。据估计，40%的钢铁生产用以取代钢材腐蚀损失，

许多金属，特别是例如珞和锲等那些制造合金时所必需的金属，都不能通过当代技术进行可回收利用。能源资源也降低腐蚀，因为能源必须

用于生产替代金属。

人力资源是一种浪费，拥有时间和智慧的许多工程师和技术人员必须在日常斗争腐蚀。往往腐蚀工作分配给新的，程师或技术员，因为它是

一种快速的方法为他/她去了解的人，工厂运作.它的问题.然后，如果他们会得到进步以及与另一个有经验的学员已经重新开始学习周期。

PARTin工业流程

Unit11化学工程

1.什么是化学工程？

从广义上讲，工程被定义为特定行业使用的科学技术和设施，例如，机械工程是指技术和设施被用来制造及其，它（机械工程）主要是以机

械力基础，这些力用于改变被加工材料的表面形状或物理性质，而材料的化学性质不变。化学工程包括材料的化学加工，主要以化学和物理

化学的高度且杂性为基础。

因此，化学工程是注重设计，制造，机械设备操作，化学加工工业机械等要就工程领域的分支。

化学工业是首先以化学科学为基础，例如物理化学，化学热力学，和化学动力学。等等，然而，它（化学工程）不是简单的复制他们的

发现，而是依靠他们进行大量的化学处理。主要的目的是使化学工程成为一门纯粹的学科，是一种能够找到一种操作和设计商业设备及配件

最适合最经济的方案。因此，化学工程在没有经济，物理，数学，控制理论，机械原理，和其他科学技术的紧密联系是不可想象的。

在化学工程的早期，化学工程是一门大的描述性的学科。在那时许多的早期的化学工程的教科书和手册都是百科全书一样商业生产过程

中所知道。在科学和工业制造取得进展并在增加化学制品的数量上给人印象深刻。如今，是有充当的80,000种化学品的生产来源。化学工

业的发展，一方面使化学和技术科学向前发展，另一方面可为化学加工工艺奠定理论基础。

随着化学工程的稳步向前发展，新的数据・新的联系，新的归纳正在被加入化学工程的主题。许多他们自己的分支区别化学工程的主流。

正如加工和机械设计，自动化，化学模拟加工和建模等等。

2.化学工程的基本趋势？

化学工程一直被用来加工工业来改变原料的物理状态或化学成分。化学工程师所研究问题的传统范国，从复杂性和规模上来讲，也许都可以

称之为是中等尺度的问题。这种尺度包含反应器和单一工序的装备以及制造工厂里单位操作的组合体。未来的中等尺度研究将越来越多地有

微观尺度的研究和极端复杂系统的宏观尺度的研究来补充。

化学工程将来会整合成比其他任何工程领域分支都宽尺度（的工程学科，例如，一些工作可能把宏观尺度的环境和中间尺度的燃烧系统

和微观尺度的分子反应和运动联系起来。另一些工作可能把一个复合的飞行器的宏观尺度的性能和中间尺度的机翼的化学反应器以及反应器

的布局将受豆杂液体的微观动力学研究的影响。

如此，将来化学工程将会构想和在微观到宏观的连续的尺度范围内严谨的解决问题.他们将会新的工具和新的观察发现以及研究其他学

科：分子生物学，化学，固体物理，材料科学，和电子工程。并且他们在制造和过程设计和加工方面将会越来越多的月计算机，人们的智慧,

以及解决问题的专门的系统。

Unit12工业制造的传递现象

1.引言

传递现象是一个共有的名词来源于有规则的集成研究的三个古典的工程领域的学科；（1）能量或热传动，（2）质量传递或犷散（3）动量传递

或流体动力学。当然，热和质量传递发生在流体中，正是由于这个原因•些工程研究人员们青睐于热传导和固体扩散，然而，这个学科实际

上是比流体力学的范围更广。该学科不同于流体力学之处还在于传递现象的研究利用了传热，传质，和动量传递方程之间的相似性。这些相

似性，随着它们经常被提起，能够经常涉及到相似的物理构造借以发生传送，因而，明白个传送过程就可以明白另一个传送过程。而且，

如果微分方理和边界条件都相同，则仅需对其口一个（传递）过程求解，因为通过改变名称，该解可用作任何其他传递过程的解.

需要强调的是，然而，在传递过程中有很多相似之处，也有很重要的不同之处，尤其在动量传动，和热或质量传递。尽管如此，一个对

传递过程相似之处有系统的研究会使识别和明白他们的不同之处变得更加简单。

2.为什么工程师要研究传递现象？

H从这门学科涉及到•些自然规律，一些人把它归类为工程方面的•个分支。这如这些原因•些参与经济性设计和设备操作以及技能方面的

工程师，卜分适当地提出传递现象将会在实践由体现价值。大致有两种答案回答这些问题。第一种要要求认识热，质量，动量等传递发生在

各种工程设备中，热交换器，压缩机，核电站，增湿机，空气冷却器，干燥器，分储得，减震器等等。这些传递过程也参与到人体当中就像

在复杂得过程凭借污染物质的其反应扩散到大气中。如果工程师想要了解在工程装备中所发生的情况，并就造作的经济性做出明智的决策，

那么他们应该对控制这些传递过程的物理定律有所理解，这一点很重要。

第二中答案是工程师们需要能够用他们对自然规律的理解来设计这些正在发生的装备过程。这样做他们必须预测出热，质量或动量等传递的

比率。例如，考察一个简单的换热器，即一根管子，通过保持器壁温高于流过管庆的流体温度，即可加热流体。这个比率通过管壁传热给流

体的依靠的因素叫做热传递系数这是在进行显贵的实验室或试验工厂测量后以及通过相关度量的以观察或实验为依据的方程式所获得的。这

些方程式在一定范困内适合一些数据的方程式；它们不是建立在原理的基础上，也不能用在已经获得数据的精确度意外的问题上。

更便宜的而且一•般更可嵬的方程式被用在传递现象来预测传热系数通过以自然规律为基础的方程式。这些预测的结果将会通过一个研究

工程师计算一些方程式（通常是用十算机）后获得的。一个设比工程师将会用这些方程式是研窕型的工程师获得传热系数。

记住设计热交换器的工作样也是不管如何要先得到传热系数。由于这个原闪，•些传递现象的课程仅仅强调传热系数的确定和实际的

单元操作课程的设计水平。当然获得参数也是很重要的，热传递系数被用作设计，也正是由于这些原因一个传递课程可以被认为是一个工程

课程就像是一门学科。

事实上，有一些设计的工程师可以用这个方法和传递想象的方程式直接用于设备的设计的例子。一个例子就是一个作为一个管子说明的

管上型的反应器，这个热交换器伴随着均和化学反应发生在里面会描述的早些，流体以某种反应物浓度进入管G而以减小了的反应物浓度

和提高了的*品浓度排除管子。

当然，不是所有的问题今天都可以用这种方式解决。然而，随着计算机的发展，越来越多的问题将会用这种方法解决。如果工程学的学

生接受教育没有变得过时，那他们必须做好思想准备，同伙理解传递现象的一种方法，应用计算机将会创造未来。因为它有巨大的潜力正像

他的应用的趋势，传递现象的课程将会最终证叨这是在大学牛.涯最实际而且有用的的课程。

Unit13传热原理

实际的全部的已完成的操作都有化学工程参与生产或以热的形式吸收能量。因此，控制传热的定律和以控制热流为主要目的的仪器类型都是

很重要的。

1.自然的热流动

当两个不同温度的物体进行接触时，热量会有温度高的物体流到温度地的物体。这种流动经常朝着温度下降的方向，热的流动有三种途径：

传导，对流，和粗射。

传导如果一个连续的实体中存在着温度变化，热量可能流动不伴随物质的任何运动。热量的这种流动叫做传导。在金属体中，热传递

的结果来自自由电子的运动，所以热传递和电的传导率很相似。在电的传导率低的实体中，在大多数的液体中，热传导的结果伴随着温度变

化的分子运动的动量。气体的传导发生在任意的运动的分子，所以热是一种犷散从高温地区传导低温地区。区普通的传导的例子就是热在不

透明的物体中流动，就像火炉里的砖墙或是管子的金属壁。

对流当一个宏观的液体微粒穿过一个特定的表面，例如一个固定容积的范围内，它带有确定数目的焰。这样的焰的流动来自连续的热

的流动或者荀单的对流。由于对流是一种宏观现象，因此，只有当力作用在微团或液流上且该力能够克服摩擦力并维持其运动时，这种传递

现象才能发生。对流的一个例子是焰的变化由7湍流流动和由于热的空气流过普遍的冷却器。

自然和强制对流强制对流在液体中有两种形式，如果这种趋势的原因是密度不同和液体中温度变化引起的密度不同所产生的浮力。这

个作用叫做自然对流。流动的空气穿过加热的冷却罂就是自然对流的一个例子。如果这个气流产生的运动被机械力的作用分开如泵和搅拌器，

这种流动域漏度的变化程度无关叫做强制对流。热流动由液体被泵入以个加热的管子就是强制对流的例子。这两种力有可能同时在同一种液

体中作用，这是自然对流和强制对流共同作用。

辐射辐射是一个术语来自于能量以电磁波的形式穿过空间，如果辐射正在穿过空的空间，它不会改变热或其它任何形式的能量。也不

会使它偏离原来的路径。然而。在它自己的路径中，辐射将会被传播，被反射或者被吸收。它仅通过吸收能量来产生热量，这种改变是数量

上的，例如，融化的石英传播所有的辐射当它受到打击是；一个磨亮的不透明的表面将会吸收大多数的辐射，并将会改变这样吸收能量数量

上的在热中，

单元子和双原子气体对热射线是可以通过的，经常发现热羟过某种气体团是，它可以通过辅射的方式也可以传导。例子是；从散热器或

未保温的蒸汽管道向周围环境气体损失热量在熔炉传热以及其它高温气体加热损失。这两个机制是互相独立并且是并行产生的。所以一种类

型的热流动可以被控制或与其它独立的。传热，对流和输射都被分开和避免相互间造成影响二者都很重要。在一般的条件卜，射线变得重要

并与液体流动的情况无关。传热传导它们对流动状态是非常敏感的收温度影响的。

2.传热率

热通量传热计算是基丁热的传热表面的面积用平方英尺每小时的单位表示。每单位面积的传热率叫做热通量。许多类型的传热装备都是用管

子构成的。热通量也可以在内表面上，或者在管子的外表面。尽管这个选择是随意的，但它必须得明确的规定因为热通量的重要的数值是不

同的。

流体流动的平均温度当一个流体正在变热或者变冷时，流体横截面的温度会变化。如果流体被加热，流体罪近加热表面的温度最高，

中心外温度逐渐降低，如果流体被冷却，流体室近冷却表面的温度最低，从中心到表面温度组件升高。应为这个温度变化遍及整个流体的横

截面。为了明确，我们必须指出，流体的温度是指什么。大家一致认为，流束的温度就是假设把流过所研究截面的全部流束取出并绝热混合

后所达到的均匀温度。这个温度所以明确的叫做平均或流体混合温度。

Unit14化学工程的单元操作

1.介绍

化学加工可以包含各种各样的不同的过程顺序，它的原理是独立于我们的操作的材料和操作的系统，把熨杂的工艺过程分解成单个的物理过

程（即单元程作）和多种化学反应过程的实践，导致了化学工程的通用性。单元操作的观念在化学工程是基于不同的过程步骤可以减少简单

操作或反应，而这些反应在不考虑操作条件下有同样的基本反应。这个原则，在美国化学工业的发展过程中变得明显，在1915年早些首次变

得明显。

任何一个化学过程，无论所操作规模大小：可以被分解成单元作用的同等的一些系列，像粉碎，混合，加热，烘干，吸取，浓缩，析出，

沉淀，结晶，过滤，溶解，电解等等。基本单元操作的数量不是很大而且只有很少几个包含特定的操作，化学工程的豆杂性源于各种条件如

温度，压力等的多样性。由于条件的变化，单元作用就必须在不同的过程中完成。同时化学工程的复杂性还受到由反应物的物理及化学性质

所决定的结构材料和设备设计的影响。

单元操作的开始清单列举「十二个功能，不是所有的都包含单元操作。再增加的都会命名，在那些年处于适中的比率但是最近在一个加

速的比率。流体流动，热传递，蒸储，加湿，气体吸收，沉积，分类，搅拌，和离心过滤已经被公认。最近几年，新技术逐渐被理解，比较

适用于过去但很少使用分离技术这导致了分离，处理，操作或者是介入制造的数量上的持续增长，这些可用于没有重大改变的各种进程.这

是根据一个术语〃单元操作％现在为我们提供了、一系列的技术合作。

2.单元操作的分类

流体流动这涉及的原则，确定流动或运输任何流体从一个点到另一个点。

传热这个单元操作处理的原则是，积累和转让的热量和能量从一个地方到另一个地方。

蒸发这是一个特殊的情况下传热，其中涉及蒸发的挥发性溶剂，如水从一个非易失性溶质如盐或其它材料在解决方案

烘干在这个操作中挥发液体，通常是水，从固体材料中挥发出去。

蒸僭这是一个过程即液态混合物的分离通过沸腾，因为它们的蒸汽压不同。

吸收这个过程的•个组成部分是通过对其一液体的处理提取天然气流。

膜分离这一过程涉及的是溶质从液体或气体中通过半透明膜屏障传播到另一流体中。

液-液萃取在这种情况下的解决办法是，在混合溶剂中除去与之接触的另种液体。

液-固浸取这涉及到处理微细固体，同一种液体溶解并消除了溶质中所载的固体。

结晶这涉及除去溶质，如盐从溶液沉淀溶质的解决办法。

机械物理分离这涉及分离固体流体或气体的机械方法，如过滤，沉淀，压缩体积，而这些问题往往被列入为单独的单元操作。

晶。传热放生在干燥，蒸馆，蒸

每图3.1展示了一个典型的情况。

原।物理处理-分离，净化等等。最

后

Fig.3.1Typicalchemicalprocess

对于用于物理处理的设备设计的步骤是研究单元操作。在这里我们感到关切的是化学处理的一个过程。经济上这肯能是一个无关紧要的

单元，说一个简单的混合罐。然而，化学处理的步骤是整个过程的中心，它破花了经济过程。

设计的反应器没有例子和许多其它可以提出的进程，所追求的最佳的并步仅仅是反应器的成本的最小化。也许一种设计方案中的反应器

费用并不算高，但从反应器出来的物料后处理费用可能远高于另一些反应器设计方案中的处理费用。因此，整体过程的经济性必须加以考虑。

反应器的设计用到信息，知识，以及不同领域的经验-热力学，化学动力学，流体力学，传热，传质，和经济学，化学反应工程是综合

所有因素，其目的是正确设计一个化学反应器。化学反应器的设计也许是一种只有化学工程领域才涉及的工作。并且可能正是因为这种功能

才奠定了化学工程作为工程领域的•个特殊分叉而存在的合理性。

化学反应器的设计有两个必须回答的问题；

（1）我们期望放生的是什么变化？

（2）它们进行的速度会有多快？

第一个i可题与热力学有关，第二个问题则与各种速率过程，例如化学动力学及传热学关。把这些都放一起，试图确定这些相互关联的

过程是一个非常棘手的问题：我们从最简单的情况通过考虑其它因素建立我们的分析，直到我们能够处理更困难的问题。

1.热力学

热力学给我们在设计上两个非常重要的信息，在反应过程中的热释放和热吸收以及最大可能的反应程度。

化学反应总是伴随着释放或吸收能星，我们必须直到适当设计的术要性。考虑这个反应

反应温度T是传热从周围环境到反应系统当中，当一摩尔的A消失形成R摩尔的R和S摩尔的S,该系统测量处于同一温度和压强在反

应前后。热反应是可以从热化学的数据知道或估计的。

热力学也可以计算反应材料的标准自由度为平衡常数。与已知的平衡常数，化学反应产品的最高产量是可以估计出来的。

2.化学热力学

在适当的条件下提供的材料可能被转化为新的和山不用材料物质构成的的不同材料。如果发生这种情况只有通过重新安排或组成原子形成新

的分子在分配，我们说一个化学反应的发生。化学是联系着反应的研窕。它研究反应的模式和机制，物理和能量改变的关系以及牛.成产品的

效率。

这是垠后提到的领域，化学动力学，这是我们主要的。化学动力学寻找影响反应效率的因素。它衡量着这个比率并提出有价值发现的解

释。对于化学工程师化学动力学处必须知道的如果他是满意设计设备来影响在技术规模生的反应。当然，如果反应时迅速的足以使系统基本

上是平衡的，设计是非常简化的。动力学信息是不需要的，热力学信息本身就足矣。

Unit16压力容器及其部件

压力容器时不泄露的容胎。它们有各种尺寸。最小的直径不到英寸，最大的直径能达到150英尺甚至更大。某些是埋在地下或海洋深

处，多数是安放在地上或支撑在平台上，还有一些实际上是在航天飞行器中的贮槽和液压装置.中。

由于内部压力，容器被设计成各种形状和尺寸.内部的压力可能低到1英寸，水的袅面压力可能达到3OOOOO多磅.普通的单层表面建

筑压力是15到5000磅，虽然有很多容器的设计压力高出或低于这个范围。ASME锅炉和压力标准中第八卷第一节指定一个范围从15磅在底

部到上限，然而，内部压力在3000磅以上，ASME标准，第八卷第一节，指出考虑特殊设计的情况是必要的。

压力容器的典型部件描述如下：

圆柱壳体在石化工业中对于结构压力容器圆柱壳体是经常被用到的，它是很容易制造、安装并且维修很经济。虽然在一些场合应用

载荷和外压控制，要求的厚度通常山内压决定。其他因素如热应力和不连续压力可能有要求厚度决定。

成型的封头许多的端封头和过度部分有设计工程师选择。用一种结构相对另一种依靠很多因素，如成型方法、材料成本、和空间限。

一些经常应用的成型封头是：

带凸缘的封头这些封头通常在较低压力的压力设备中，例如汽油罐和锅炉。有些也应用在较高压力的但是较小直径的设备中。设计和

结构的许多细节在ASME标准，第八卷第•节中给出。

半球形封头通常，在一个给定温度和压力下半球形的要求厚度是相同直径和材料圆柱壳体的一半。假如我们用银和钛昂贵的合金建造

实心或覆盖形半球形封头，这样是很经济的。假如使用碳钢，然而，由于这高价的制造费用就不比凸缘形和碟形的封头经济。

半球形封头经常通过部分三角形结构加工，也可以通过旋转法或施压法加工。由于半球形封头比与它们连接的圆柱壳体薄，所以在封头与壳

体连接区域必须是等高的，以便减小不连续区域的影响。

椭圆与准球形封头这样的封头是十分普遍的在压力容器中。它们的厚度与连接壳体是一样的。这就简化了焊接安装的工作。因此，

由于这边意外的区域所需的厚度小于封头的实际厚度，多余的部分就可以用于这些区域内接管的补强。许多工厂都可以提供不同直径和厚度

的封头而且在价格上有很强的竞争力。

锥型和准锥形封头这些封头在漏斗型和塔容器中作为底部封头应用，而且它们也可用做不同圆柱直径的过渡区域。由于在链接

区不平衡应力，这圆锥到圆柱的链接区必须考成成圆锥形设计的一部分。因为较大的力，ASME标准，八卷-节中，规定当锥形内部施加压

力顶角限制成小于30度。

盲板，覆盖版，和法兰一个较为普遍形式的压力容器封头是无支撑的扁平封头或覆板。这可能由完整壳体组成或由壳体焊接而成，

可能山螺栓或快速开关装置连接而成。可能是圆形、方形、矩形或其他形状。螺栓被安装应用垫圈的地方的扁平封头称为盲板。通常，盲板

被连接在两个边缘区之间放一个垫圈的容器封头上。虽然扁平的封头可能是圆形或非圆形的，但是它们有均匀的厚度,

开口和接管所有的工艺容器都需要有输入和输出的物料。对于•一些容器，物料是大量的或内部经常变化的，通常是通过连接的整

个封头或一部分来给开一个较大的通道。然而，对于大多数容器，物料的进口4出口通过与管道相连接的封头或壳体的开口。另外还有一些

开口还是需要的，例如方便人进入的人孔。对以一些从外面检测容器的手孔的开匚也是必要的。另外一些清理容器的和排水口也必须有。这

些开U不总是有一个接管被安装在开口。有时闭口有一个人孔盖或或手孔盖直接被焊接或用螺栓连接在容器上。

支撑大多数设立容器由裙座支撑。由于它们传递剪切力所以裙座是经济的。它们总是通过地脚螺栓和轴承板把力传递到地基上。

支脚容器是较轻的并且支脚到容器的底部提供较容易的通道。一个经济的设计是支脚直接连在容器上并且力是由剪切产生的。水平容器通常

由鞍座支撑，由于壳体太薄有时加强环可能被月把力传递到鞍座上。热膨胀问题应该被考虑。

Unit17压力容器的设计

容器的选择虽然很多因素决定着容器的选择，但是影响选择的两个基本要求是安全和经济。许多内容都被考虑，像材料的可获取性，抗腐

蚀能力，材料的强度，类型和载荷的大小，安装的位置包括风载荷和地震载荷，制造的地点，容器安装的方位和在设备制造地点劳动力的可

用性。

随着特殊压力容器在石油化工和其他工业的广泛应用，恰当材料的应用很快变成一个主要问题。对于容器的最主要的材料是碳钢。许多

其他特殊材料也被应用在抗腐蚀或者储存液体材料的性质不衰减的能力方面。材料的替代十分广泛并且覆盖层和涂层被广泛应用。设计工程

师必须与过程工程师进行交流为的是所有备用材料归因于容器的整体完整性。对于这些容器要求野外安装与在现场建造的相比，尽管容器制

造的不利条件，但是在焊接处的侦星安全必须保证。对射线探伤，应力消除，和其他在野外的操作预测必须建立。

对于那些在低温环境下运行或盛装液体的容曙，必须注意保证材料在低温下的抗击能力。为r满足性能容曙可能要求高合金钢，有色金

属，或一些特别的高温要求。

那种压力容器标注被应用首先考虑的是是否有•项标准在安装方面。如果有就按规定标准进行。如果管辖部门已经决定采用ASME

规范的第八俺，那么需要确定的只是选用第一分篇还是第二分篇。

有•很多操作需要用第一分篇而不是第..分篇，但是底线是经济的情况下。第一分篇用近似的公式，图表，和曲线图在简单的计算。第二

分篇，在另一方面，用复杂的公式、图表、在压力报告中必须被描述的分析设计方法。有时，由于对按第一分篇设计的容器在最低要求之外

又增加了许多附加要求，因此按第二分篇设计选取较高的需用应力可能更为经济。

特殊的设计要求在所有单元增加标准信息，像压力、设计温度、形状和尺寸，其他的信息内容也是必要的并且必须被记录下来。腐

蚀和侵蚀量波给并且一个合适的材料和保护方法必须被记录。液体的类型必须被包含，像致命因子，必须被提到由于要求的特殊设计细节。

支撑位置，水平或竖宜，并且支撑点像来自支撑容器和管子的力一样必须被记录。坐落位置也得给出一边风、笠、地鹿的要求可能被确定。

冲击力和周期要求也要包括。

对于ASME标准，第八篇第二分篇，是否作为疲劳分析的说明已经通过AD-160给出。如果疲劳分析被要求，这个特殊的周期和力也被

给出。另外，设计说明书指出是否包括恒力或瞬时力。需用压力包含很多种形式的力

设计报告和计算ASME标准，第八篇第二分篇，规定•种正式形式的带有假设设计报告在使用说明书中在压力分析计算方面。这些

计算被准备和鉴定由一个专业的工程师在压力容器的设计试验中。如同用户设计条件一样，制造商的设计报告以及有关制造厂数据报告的证

书嗾使强制性的.这有制造厂保存成文件保存五年.

材料的说明书所有的标准都有材料的详细说明书和要求用于描述哪种材料是允许的。被允许的这些材料特殊的标准被列出或被限制

在被允许的应力值范围内。根据这个章程和标准，对于一个特殊进程的容器的许用材料是被规定的。例如，仅SA与SB的标准材料可能用在

ASME锅炉和压力容器制造中。

安全因素为了提供一个设计与实际公式的差距，那个被建立在复杂的理论与不同失效模式下，实际的设计公式应用在减小厚度和压力

水准，一种安全因素被应用在多种材料性能，这种性能决定着许用应力。安全因素直接与理论和失败模型、没中规定的特殊设计要求和被确

定和估计的多种真实压力水准的程度有关。

纵观世界，多种安全因素被用在材料的寿命上去建立锅炉、压力容器和管子的设计许用压力。对于这个温度变化到建立许用压力的缓慢

破坏的温度，这所有建立的许用压力是在屈服强度的基础上的