化工原理主要知识点

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

    1. 气体密度：

    2. 液体均相混合物密度：  （—混合液体的密度，—各组分质量分数，—各组分密度）

    3. 气体混合物密度：（—混合气体的密度，—各组分体积分数）

    4. 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）。

二、.压力表示方法

1、常见压力单位及其换算关系： 

    2、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—当地大气压    真空度 = 当地大气压—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的、连续的不可压缩流体）

        （容器内盛液体，上部与大气相通，—静压头，“头”—液位高度，—位压头 

                   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：

       测量气体：

2、双液体U形管压差计     

第二节  流体流动的基本方程

一、基本概念

    1、体积流量（流量）：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

    2、质量流量（）：单位时间内流过任意流通截面积的质量。单位为

           流速   质量流速    

    3、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（内摩擦应力或剪应力）与两流体层间的速度梯度成正比，即  （——方向相同时取正号，否则取负号）

服从此定律的流体称为牛顿型流体。

   4、黏度的单位为Pa·s  常见流体用mPa·s

    （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——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

对于不可压缩流体，，则 

对于圆管，，d为直径，则 

如果管路有分支，则 

三、机械能衡算方程

    1、理想流体是指没有黏性的流体，即黏度的流体。

    2、内能（U），位能（gz），动能（），压力能（），热量（，吸热为正，放热为负），外功（，外界提供给流体外功是为正，流体向外界做功时为负）

    3、可压缩理想流体机械能衡算关系：  （——外功）

    4、 1kg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）

5、不可压缩实际流体的机械能衡算式： （——阻力损失）

第三节  流体流动现象

一、雷诺数 

    1、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，Re≤2000时属于层流；Re>4000时为湍流；Re在2000～4000之间时流动处于一种过渡状态。

二、管内流动分析

    1、层流时的速度分布

    体积流量 

    故平均速度  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

       哈根—伯谡叶公式： 

    3、湍流时的速度分布

          （n与Re大小有关，Re愈大，n值也愈大。）

       平均速度  （当n=7时，u=）

第四节  管内流动的阻力损失

一、沿程损失的计算通式及其用于层流

范宁公式：

单位质量流体的沿程损失：

单位体积流体的沿程损失：

单位重量流体的沿程损失：

称为摩擦系数或摩擦因数  （层流时与Re成反比）

二、量纲分析法 （定理）

三、湍流时的摩擦系数

     （适用范围为Re≥4000及≤）

四、非圆形管内的沿程损失

     （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 （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

   1、阻力系数法：  

     ——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，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，，称为管入口阻力系数。

   2、当量计算法（当量长度）

      局部阻力损失：

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和，对于等径管，有

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

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。

2、设计型问题

（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，管内流量应减小。

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：  （——指示液密度，R——U形管压差计读数）

       被测流体为液体：

皮托管优点：阻力小，适于测量大直径气体管路内的流速。

      缺点：不能直接测出平均速度，且压差读数小，常要放大才能读得准确。

    2、孔板

         （——孔板系数）

     体积流量 

     孔板系数 

     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，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”。

   （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，所需压头为

      （——升举高度，——液体静压头的增量，——动压头的增量，与其他项相比，可忽略，——全管路的压头损失）

    2、理论压头

      （1） 叶轮进口与出口之间列伯努利方程：

            理论压头：  （——液体的绝对速度）

      （2）液体从点1运动到点2，静压头之所以增加，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）

               （——绝对速度在周边切线方向上的分速度）

       （4）理论压头与流量的关系

   【式中  Q——泵的流量，；——叶轮旋转的角速度；——叶轮的半径；——叶片的装置角；——叶轮周边宽度】      

    与Q呈线性关系，变化率的正负取决于装置角。当<时，cos>0，叶片后弯，随Q的增大而减小；当=，cos=0,叶片径向，不随Q变化；当<，cos<0，叶片前弯，随Q的增大而增高。

3、实际压头

   压头损失：叶片间的环流；阻力损失；冲击损失。

三、离心泵的主要性能参数

1、压头和流量

2、有效功率、轴功率和效率

   （1）泵内的机械能损耗：水力损失；容积损失；机械损失。

   （2）有效功率： 轴功率N  效率

四、离心泵的特性曲线及其应用

1、离心泵的特性曲线

   （1）离心泵的特性曲线由以下曲线组成： 曲线； 曲线； 曲线； 线。

   （2）泵高效区：最高效率±5%～8%区域

   （3）各种型号的离心泵各有其特性曲线，形状基本上相似，其共同特点如下：

    压头随流量的增大而下降；

    功率随流量的增大而上升（离心泵在启动前应关闭出口阀，使泵在所需功率最小的条件下启动， 以减少电动机的启动电流，同时也避免出口管线的水力冲击）；

    效率现随流量的增大而上升，达到一最大之后再下降。

2、液体性质对离心泵特性的影响

（1）密度的影响：对曲线、曲线无影响，但，故↑，曲线↑。

（2）黏度的影响：当液体的运动粘度小于时，如汽油、煤油、轻柴油等，则黏度对离心泵的特性曲线的影响可忽略不计；当时，.

3、转速与叶轮尺寸对离心泵的影响

（1）转速n的影响

 当角速度变化不大时（<20%）→

                   若不变 →

（2）叶轮尺寸的影响

         泵在原转速n下的特性曲线方程：  ，     

                      当叶轮直径因切割而变小时，

                        若变化程度小于20%，则 →

                                      若不变→

五、离心泵的工作点与流量调节

1、管路特性方程

  可简化为  

  按此式标绘出的曲线称为管路特性曲线。   

2、工作点与流量调节

（1）工作点：将液体送过管路所需的压头与泵对液体所提供的压头恰好相等时的流量，称为泵在官路上的工作点。（即离心泵特性曲线与管路特性曲线的交点M），它表示泵所实际输送的流量和所提供的压头。

（2）流量调节

     为调节流量，即改变工作点，可采用两种方法：改变管路特性曲线（调节阀门）；改变泵的特性曲线（改变泵的转速或切割叶轮）。   

六、离心泵的安装高度

1、安装高度：离心泵的安装位置与被吸入液体液面的垂直高度。

2、“汽蚀”：使液体以很大的速度从周围冲向气泡中心，产生频率很高、瞬时压力很大的冲击的现象。

3、为避免发生汽蚀，就要求泵的安装高度不超过某一定值。采用“汽蚀余量”，又称净正吸上高度（NPSH）来表示蹦的吸上性能。

4、汽蚀余量

一定为正值，愈大，愈能防止出现汽蚀。泵刚好发生汽蚀时（即降为、恰好等于时）的汽蚀余量称为最小汽蚀余量，表示为.

允许汽蚀余量（m）     

泵的安装高度

实际安装高度比允许值低～1m   

七、离心泵的类型、选用、安装与操作

第二节  其他类型泵

第三节  通风机、鼓风机、压缩机和真空泵

 一、分类：

      通风机：排气压力不大于15kPa；（气体输送）

      鼓风机：排气压力为15～300kPa，压缩比小于4；（气体输送）

      压缩机：排气压力大于300kPa，压缩比大于4；（产生高压气体）

         真空泵：排气压力为大气压，压缩比范围很大。（产生真空）

       2、往复压缩机操作循环：压缩阶段；压出阶段（有余隙）；膨胀阶段；吸入阶段。

第五章  传热

第一节  概述

一、传热的三种基本方式：热传导、对流和辐射

    1、热传导

    （1）热传导：热量从物体内温度较高的部分传递到温度较低的部分或者传递到与之接触的温度较低的另一物体的过程称为热传导，简称导热。

    （2）导热机理：

   气体：气体分子做不规则热运动时相互碰撞。

   固体：a、导体固体：许多自由电子在晶格之间运动，自由电子导电也导热；

         b、非导体固体：晶格结构的振动（即原子、分子在其平衡位置附近的振动）。

   液体：主要靠原子、分子在其平衡位置的振动，振动的平衡位置间歇地发生移动。

     2、对流：流体各部分质点发生相对位移而引起的热量传递的过程，对流只能发生在流体内。

               分为自然对流和强制对流。

     3、辐射：一种以电磁波传递能量的现象。

        热辐射：当物体因热而发出辐射能的过程。

        物体在放热时，热能变为辐射能。

        辐射不仅是能量的转移，而且伴有能量形式的转化。

二、传热速率与热阻

1、传热速率

（1）热流量Q：单位时间内通过全部传热面积传递的热量，单位为，即W.传热面积与热流方向垂直。

（2）热通量q：单位时间内通过单位传热面积传递的热量，单位为.

（3）

2、传热速率与热阻R的关系

第二节  热传导

一、傅里叶定律

    1、温度场和温度梯度

      （1）温度场：物体（或空间）各点温度在时空中的分布。

              （t——某点的温度，x,y,z——点坐标，——时间）

      （2）不稳定温度场：温度随时间而改变的温度场。

            稳定温度场：各点温度均不随时间而改变的温度场。

      （3）温度梯度：两等温面的温度差与其间的法向距离之比，某点的温度梯度为趋于零时的极限值，即  

温度梯度是向量，方向垂直于等温面，并以温度增加的方向为正。

    2、傅里叶定律表达式

       导热量q与温度梯度成正比：

       ——热导率，单位为。负号表示热流方向与温度梯度的方向相反。

二、热导率

    1、固体   

       纯金属的导热率随温度升高而略有减小；非金属的值随密度的增大或温度的升高而增大。

    2、液体  

       非金属液体以水的热导率最大。除水和甘油外，绝大多数的热导率随温度的升高而略有减小。

    3、气体

       气体的热导率随温度的升高而增大。

三、平壁的稳定热传导

1、单层平壁的稳定热传导

R——无限平壁的导热热阻，.

2、多层平壁的稳定热传导        

四、圆筒壁的稳定热传导    

1、无限长单层圆筒壁一维稳态导热（无内热源）

——圆筒壁厚度，；——平均面积，；

（），

2、无限长多层圆筒壁一维稳态导热（无内热源）

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-流体间的温差成正比： ，

——给热系数，单位为

二、传热速率和给热系数

   ——传热系数，单位与相同。

1、换热管内外面积不相等的考虑

  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

           （——管壁内侧和外侧的污垢热阻）

3、若污垢热阻与壁阻可忽略时，

（1）若相差较大时：若<<，则 ；若>>，则，应提高较小的进而提高K；

（2）若相差不大时，二者应同时提高。

三、传热温差和热量衡算

   为换热器进、出口处的平均温差

     ， 

四、传热效率-传热单元数法

1、传热速率方程：

2、热量衡算方程：

3、传热效率

  （1）若热流体的较小时，

  （2）若冷流体的较小时，

4、传热单元数

      （1）热流体

      （2）热流体

5、传热效率和传热单元数NTU的关系

   （1）逆流换热器：

   （2）并流换热器：

       ——热容量之比，

六、壁温的计算

对于稳定传热过程，

——热流体侧传热面积、冷流体侧传热面积和平均传热面积；

    ——热流体侧和冷流体侧的壁温；

    ——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。

二、给热系数与量纲分析

特征数的符号和意义

    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，

适用范围：,～160，管长和管径之比

定型尺寸规定为管内径；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，；当流体被冷却时，，空气或其他对称双原子气体，

     （2）当壁温和流体平均温度相差较大时，

       应用范围：，～16700，

       特征尺寸：管内径

       定性温度：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

       适用范围：，，

      3、弯曲管道内的给热系数

      ——圆管、直管中的给热系数；

          ——管内径，m；

          ——弯管轴的曲率半径，m

      4、非圆形直管中的给热系数

         将管内径改为当量直径

      5、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：

      6、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

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。

二、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.

2、斯蒂芬-波尔茨曼定律：

——黑体的发射常数，

——黑体的发射系数，

4、黑度：不随波长而变化的比值通称为黑度，它取决于物体的种类、表面状况和温度，其值小于1。

三、克希霍夫定律

它说明一切物体的发射能力与其吸收率的比值均相等，且等于同温度下绝对黑体的发射能力，其值只与物体的温度有关。

     ，即在同一温度下，物体的吸收率和黑度在数值上是相等的。

和在物理意义上不相同：表示灰体发射能力占黑体发射能力的分数；为外界投射来的辐射能可被物体吸收的分数。

四、两固体间的相互辐射

1、两无限大平行灰体壁面之间的相互辐射

    两面积无限大的平行板，， 

两面积有限大的平行板，，

2、一物体被另一物体所包围时的辐射

      （1） ，  ，——被包围物体的黑度。

         ，

      （2） 若外围物体可作为黑体，或很小，如插入管路的温度计，则

第六章  传热设备

        换热器的强化途径

        1、强化：力求使换热器设备的传热速率尽可能增大，力图用较少的传热面积或较小体积的设备来完成同样的任务。

        2、强化措施：

         （1）单位体积内的传热面积A   改进传热面的结构，如翅片管换热器。

         （2）平均温差

         （3）传热系数