流体流动–––基本概念与基本原理

一、  流体静力学基本方程式

或                           

注意：1、应用条件：静止的连通着的同一种连续的流体。

2、压强的表示方法：绝压—大气压=表压   表压常由压强表来测量；

                   大气压—绝压=真空度  真空度常由真空表来测量。

3、压强单位的换算：

                   1atm=760mmHg=10.33mH₂O=101.33kPa=1.033kgf/cm²=1.033at

4、应用：水平管路上两点间压强差与U型管压差计读数R的关系：

处于同一水平面的液体，维持等压面的条件必须时静止、连续和同一种液体。

二、定态流动系统的连续性方程式––––物料衡算式

三、定态流动的柏努利方程式––––能量衡算式

1kg流体：      [J/kg]

讨论点：1、流体的流动满足连续性假设。

2、 理想流体，无外功输入时，机械能守恒式：

3、可压缩流体,当Δp/p₁<20%,仍可用上式，且ρ=ρ_m。

4、注意运用柏努利方程式解题时的一般步骤，截面与基准面选取的原则。

5、流体密度ρ的计算：

理想气体ρ=pM/RT   混合气体

混合液体

上式中：––––体积分率；––––质量分率。

6、gz，u²/2，p/ρ三项表示流体本身具有的能量，即位能、动能和静压能。∑h_f为流经系统的能量损失。W_e为流体在两截面间所获得的有效功，是决定流体输送设备重要参数。输送设备有效功率N_e=W_e·w_s，轴功率N=N_e/η（W）

7、1N流体           [m]   （压头）

1m³流体      ,

四、  柏努利式中的∑h_f

I．                流动类型：

1、雷诺准数Re及流型  Re=duρ/μ，μ为动力粘度，单位为[Pa·s]；

层流：Re≤2000，湍流：Re≥4000；2000<Re<4000为不稳定过渡区。

2、牛顿粘性定律 τ=μ(du/dy)

气体的粘度随温度升高而增加，液体的粘度随温度升高而降低。

3、流型的比较：①质点的运动方式；

②速度分布，层流：抛物线型，平均速度为最大速度的0.5倍；

湍流：碰撞和混和使速度平均化。

③阻力，层流：粘度内摩擦力，

湍流：粘度内摩擦力+湍流应力。

II．              流体在管内流动时的阻力损失

    [J/kg]

1、直管阻力损失h_f       范宁公式(层流、湍流均适用).

层流：  哈根—泊稷叶公式。

湍流区（非阻力平方区）：；高度湍流区（阻力平方区）：，具体的定性关系参见摩擦因数图，并定量分析h_f与u之间的关系。

推广到非圆型管

注：不能用d_e来计算截面积、流速等物理量。

2、局部阻力损失h′_f  ①阻力系数法，

②当量长度法，

注意：截面取管出口内外侧，对动能项及出口阻力损失项的计算有所不同。

当管径不变时，

流体在变径管中作稳定流动，在管径缩小的地方其静压能减小。流体在等径管中作稳定流动流体由于流动而有摩擦阻力损失，流体的流速沿管长不变。流体流动时的摩擦阻力损失h_f所损失的是机械能中的静压能项。完全湍流（阻力平方区）时，粗糙管的摩擦系数数值只取决于相对粗糙度。

水由敞口恒液位的高位槽通过一管道流向压力恒定的反应器，当管道上的阀门开度减小时，水流量将减小，摩擦系数增大，管道总阻力不变。

五、  管路计算

I．                并联管路：1、

2、   各支路阻力损失相等。

即并联管路的特点是：（1）并联管段的压强降相等；

（2）主管流量等于并联的各管段流量之和；

（3）并联各管段中管子长、直径小的管段通过的流量小。

II．分支管路：1、

2、分支点处至各支管终了时的总机械能和能量损失之和相等。

六、柏式在流量测量中的运用

1、毕托管用来测量管道中流体的点速度。

2、孔板流量计为定截面变压差流量计，用来测量管道中流体的流量。随着R_e增大其孔流系数C₀先减小，后保持为定值。

3、转子流量计为定压差变截面流量计。注意：转子流量计的校正。

测流体流量时，随流量增加孔板流量计两侧压差值将增加，若改用转子流量计，随流量增加转子两侧压差值将不变。

离心泵–––––基本概念与基本原理

一、工作原理

基本部件：叶轮（6~12片后弯叶片）；泵壳（蜗壳）（集液和能量转换装置）；轴封装置（填料函、机械端面密封）。

原理：借助高速旋转的叶轮不断吸入、排出液体。

注意：离心泵无自吸能力，因此在启动前必须先灌泵，且吸入管路必须有底阀，否则将发生“气缚”现象。

某离心泵运行一年后如发现有气缚现象，则应检查进口管路是否有泄漏现象。

二、性能参数及特性曲线

1、压头H，又称扬程   

2、有效功率 

3、离心泵的特性曲线通常包括曲线，这些曲线表示在一定转速下输送某种特定的液体时泵的性能。由线上可看出：时，，所以启动泵和停泵都应关闭泵的出口阀。

离心泵特性曲线测定实验，泵启动后出水管不出水，而泵进口处真空表指示真空度很高，可能出现的故障原因是吸入管路堵塞。

若被输送的流体粘度增高，则离心泵的压头减小，流量减小，效率减小，轴功率增大。

三、离心泵的工作点

1、泵在管路中的工作点为离心泵特性曲线（）与管路特性曲线（）的交点。管路特性曲线为：。

2、工作点的调节：既可改变来实现，又可通过改变来实现。具体措施有改变阀门的开度，改变泵的转速，叶轮的直径及泵的串、并联操作。

离心泵的流量调节阀安装在离心泵的出口管路上，开大该阀门后，真空表读数增大，压力表读数减小，泵的扬程将减小，轴功率将增大。

两台同样的离心泵并联压头不变而流量加倍，串联则流量不变压头加倍。

四、离心泵的安装高度

为避免气蚀现象的发生，离心泵的安装高度≤，注意气蚀现象产生的原因。

1．     为操作条件下的允许吸上真空度，m

为吸入管路的压头损失，m。

2．         允许气蚀余量，m

液面上方压强，Pa；    操作温度下的液体饱和蒸汽压，Pa。

离心泵的安装高度超过允许安装高度时会发生气蚀现象。

传  热–––基本概念和基本理论

传热是由于温度差引起的能量转移，又称热传递。由热力学第二定律可知，凡是有温度差存在时，就必然发生热从高温处传递到低温处。

根据传热机理的不同，热传递有三种基本方式：热传导（导热）、热对流（对流）和热辐射。热传导是物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递；热对流是流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程（包括由流体中各处的温度不同引起的自然对流和由外力所致的质点的强制运动引起的强制对流），流体流过固体表面时发生的对流和热传导联合作用的传热过程称为对流传热（给热）；热辐射是因热的原因而产生的电磁波在空间的传递。任何物体只要在绝对零度以上，都能发射辐射能，只是在高温时，热辐射才能成为主要的传热方式。传热可依靠其中的一种方式或几种方式同时进行。

传热速率Q是指单位时间通过传热面的热量（W）；热通量q是指每单位面积的传热速率（W/m²）。

一、  热传导

1．  导热基本方程––––傅立叶定律

λ––––导热系数，表征物质导热能力的大小，是物质的物理性质之一，单位为W/（m·℃）。纯金属的导热系数一般随温度升高而降低，气体的导热系数随温度升高而增大。

式中负号表示热流方向总是和温度剃度的方向相反。

2．平壁的稳定热传导

单层平壁：

多层（n层）平壁：

公式表明导热速率与导热推动力（温度差）成正比，与导热热阻（R）成反比。

由多层等厚平壁构成的导热壁面中所用材料的导热系数愈大，则该壁面的热阻愈小，其两侧的温差愈小，但导热速率相同。

2．  圆筒壁的稳定热传导

单层圆筒壁：

  或  

当S₂/S₁>2时，用对数平均值，即：

当S₂/S₁£2时，用算术平均值，即： S_m=（S₁+S₂）/2

多层（n层）圆筒壁： 

一包有石棉泥保温层的蒸汽管道，当石棉泥受潮后，其保温效果应降低，主要原因是因水的导热系数大于保温材料的导热系数，受潮后，使保温层材料导热系数增大，保温效果降低。

在包有两层相同厚度保温材料的圆形管道上，应该将导热系数小的材料包在内层，其原因是为了减少热损失，降低壁面温度。

二、对流传热

1．  对流传热基本方程––––牛顿冷却定律

α––––对流传热系数，单位为：W/（m²·℃），在换热器中与传热面积和温度差相对应。

2．  与对流传热有关的无因次数群（或准数）

表1  准数的符号和意义

3．  流体在圆形直管中作强制湍流流动时的传热膜系数

对气体或低粘度的液体

 

     流体被加热时，n=0.4；液体被冷却时，n=0.3。

定型几何尺寸为管子内径d_i。

定性温度取流体进、出口温度的算术平均值。

应用范围为Re>10000，Pr=0.7~160，(l/d)>60。

对流过程是流体和壁面之间的传热过程，定性温度是指确定准数中各物性参数的温度。

沸腾传热可分为三个区域，它们是自然对流区、泡状沸腾区和膜状沸腾区，生产中的沸腾传热过程应维持在泡状沸腾区操作。

无相变的对流传热过程中，热阻主要集中在传热边界层或滞流层内，减少热阻的最有效的措施是提高流体湍动程度。

引起自然对流传热的原因是系统内部的温度差，使各部分流体密度不同而引起上升、下降的流动。

用无因次准数方程形式表示下列各种传热情况下诸有关参数的关系：

（1）      无相变对流传热  Nu=f（Re，Pr，Gr）

（2）      自然对流传热    Nu=f（Gr，Pr）

（3）      强制对流传热    Nu=f（Re，Pr）

在两流体的间壁换热过程中，计算式Q=KSΔt，式中Δt表示为两流体温度差的平均值；S表示为泛指传热面，与K相对应。

在两流体的间壁换热过程中，计算式Q=aSΔt，式中Δt=t_w-t_m 或 T_m-T_w；S表示为一侧的传热壁面。

滴状冷凝的膜系数大于膜状冷凝膜系数。

水在管内作湍流流动时，若使流速提高至原来的2倍，则其对流传热系数约为原来的 2^0.8倍。若管径改为原来的1/2而流量相同，则其对流传热系数约为原来的4^0.8×2^0.2倍。（设条件改变后，仍在湍流范围）

三、间壁两侧流体的热交换

间壁两侧流体热交换的传热速率方程式

Q=KSΔt_m

式中K为总传热系数，单位为：W/（m²·℃）；Δt_m为两流体的平均温度差，对两流体作并流或逆流时的换热器而言，

当Δt₁/Δt₂< 2时，Δt_m可取算术平均值，即：Δt_m=（Δt₁+Δt₂）/2

基于管外表面积S_o的总传热系数K_o

四、换热器

间壁式换热器有夹套式、蛇管式、套管式、列管式、板式、螺旋板式、板翅式等。提高间壁式换热器传热系数的主要途径是提高流体流速、增强人工扰动；防止结垢，及时清除污垢。消除列管换热器温差应力常用的方法有三种，即在壳体上加膨胀节，采用浮头式结构或采用U型管式结构。翅片式换热器安装翅片的目的是增加传热面积；增强流体的湍动程度以提高α。为提高冷凝器的冷凝效果，操作时要及时排除不凝气和冷凝水。

间壁换热器管壁温度t_w接近α大的一侧的流体温度；总传热系数K的数值接近热阻大的一侧的α值。如在传热实验中用饱和水蒸气加热空气，总传热系数接近于空气侧的对流传热膜系数，而壁温接近于水蒸气侧的温度。

对于间壁换热器W_hC_ph(T₁-T₂)=WcC_pc(t₂-t₁)=KSΔt_m等式成立的条件是稳定传热、无热损失、无相变化。

列管换热器，在壳程设置折流挡板的目的是增大壳程流体的湍动程度，强化对流传热，提高α值，支撑管子。

在确定列管换热器冷热流体的流径时，一般来说，蒸汽走管外；易结垢的流体走管内；高压流体走管内；有腐蚀性的流体走管内；粘度大或流量小的流体走管外。

 

第二篇：化工原理实验总结

09级化学师范1班 黄静（20xx0971） 在这个学期，我一共做了七个化工原理实验。在这七次的实验过程中，我不光体验到了自己动手操作去探索实验结果的艰辛，同时也深刻的感受到了每个实验给我带来的无限的快乐。

做化工原理的实验其实一点都不容易。在实验之前，我做了很充分得预习工作，在预习实验之前还需要把课本上的知识吃透，因为这是做实验的前提。否则在老师讲解的过程中就会听不懂，这这将使在做实验的过程中难度系数增大，浪费做实验的宝贵实验，做实验的过程中，一定要亲力亲为，务必要将每个步骤每个细节都摸准吃透。实验之后还要反复的思考、复习。这样留给我的印象才会深刻。否则，过后不久就会把实验忘得一干二净。实验之后还需要反复的思考。

我做的第一个化工原理实验是由林老师主讲的流体机械能转化实验，我做了很充分得准备，再加上林老师精彩的讲解，我的思路变得更加的清晰。唯一的遗憾就是在进行数据处理的时候，我没有能够做到认真、仔细。在林老师得耐心指导下，我在以后的实验中慢慢的改进，虽然我不是最优秀的同学，但是做到了我自己的问心无愧！

在这七次实验中，给我印象最为深刻的就是填料塔精馏实验。也是在我心目中难度系数最大的实验。在实验的前一天晚上，我很认真的预习了这个实验，但是有几处原理不是很明白，晚自习

放学我就向同学请教，再在同学的帮助下，我的认知得到进一步的提高。在实验的过程中，我们组的同学相对的较多，在组长的带领下，我们被分成了三组，有的人做折光率出的测定，有的做电脑操作，还有一部分同学看仪器。每位同学都参与进了实验。曾老师很耐心的指导我们，经过同学们的团结协作，我们终于攻克了这个实验，得到了实验结果。

填料塔精馏实验让我最为头痛的事情便是对其的数据的处理。我先是自己在草稿纸上，构思了自己的思路，然后找到我的同学给他们看，并请他们给予我指点，我们讨论的一个晚上，终于意见达成一致，在第二天的晚上，我便开始把我的思路洋洋洒洒的写在了实验报告上。

经过这个学期的实验，我从老师、同学、以及课本和网络上都学到了很多的东西，加强了我的动手操作的能力，并且培养了我的独立思考的能力。特别是在做实验报告的时候，因为在做实验数据处理的过程中出现了很多问题，如果不解决的话，将会很难的继续下去。在数据的处理的过程中我有时候要进行数据的获取，这就不得不要查阅文献，还有画图的时候，有时候要用到Excel 绘图，Origin软件的绘图，以及曲线专家的使用。开始的时候我对这些软件的操作非常头疼，后来经过自己的反复摸索，再加上大家的指点现在我已经能够做到熟练的操作这些软件。化工原理实验让使得我对计算机的认识有所提高，我现在能够熟练的操作这些软件，心里真的很开心。

我明白了很多道理，首先是在知识层次方面：“没有一番寒彻骨，怎得梅花扑鼻香”， “在科学上没有平坦的大道，只有不畏劳苦沿着陡峭山路攀登的人，才有希望达到光辉的顶点。 ——马克思”!我经过这个学期的默默的努力，虽然我不是最为优秀的，虽然我的成绩比不了同学们，但是我毫无遗憾，因为我已经尽力了。

其次，在做做事方面，在实验的过程中，由于实验条件有限，人员较多，在实验的过程中我做到了谦让，就是让每一位同学都参与到了实验中，让每一位同学都有动手操作的机会，虽然我是一位普通的同学，我没有权利去组织同学们的分工合作，但是我做到了我这个小人物所能，就是关爱和关注我的同学，积极动员每一位同学都参与实验。同时我也体会到了谦让合作的快感。

我想这些在我今后的学习、工作生涯中将奠定一份坚定的基础。因为这些不仅仅是教会了我化工原理的知识，而且也让我悟出了很多为人处事的道理。我想这个学期的化工原理实验将成为我大学生活中永远铭记的最为美丽的时光！

（统计：1589字） 20xx年x月x日星期二

黄静20xx0971

09级化学师范1班