Ru匕4U0Q,湍流
J层流底层区
湍流」过渡流区(缓冲层)
「湍流主体区(湍流核心)
3.流体质点的运动方式
(1)层流:
轴向运动(稳态流动)
(2)湍流:
脉动(非稳态流动)
五、流体在圆管内的速度分布
流体在圆管内的速度分布是指流体流动时,管截面上质点的轴向速度沿半径的变化。
由于层
流与湍流是本质完全不同的两种流动类型,故两者速度分布规律不同。
(1)流体在圆管内的速度分布
(a)层流:
抛物线分布,u=0.5umax
(b)湍流:
非抛物线分布,u~0.82umax
(2)流体在直管内的流动阻力
(a)层流:
阻力来自内摩擦力
(b)湍流:
阻力来自内摩擦力和碰撞及混合,即阻力为摩擦应力与湍流应力之和
边界层的概念
1•形成:
润湿t附着t内摩擦力t减速t梯度
(1)边界层:
壁面附近存在速度梯度的流体层。
一般取边界层外缘的流速u=0.99us。
广层流
边界层〈过渡流
'湍流
层流底层区
湍流边界层过渡流区(缓冲层)
I湍流主体区(湍流核心)
(2)主流区:
不存在速度梯度的区域或边界层以外的区域。
由实验可以测得层流流动时的速度分布。
沿着管径测定不同半径处的流速,标绘在图1-16
上,速度分布为抛物线形状。
管中心的流速最大,向管壁的方向渐减,靠管壁的流速为零。
平均速度为最大速度的一半。
实验证明,层流速度的抛物线分布规律,并不是流体刚入管口就立刻形成的,而是要流过一段距离后才能充分发展成抛物线的形状。
如图1-17所示,流体在流入管口之前速度分布是均匀的。
在进入管口之后,则靠近管
壁的一层非常薄的流体层,因附着在管壁上,其速度突然降为零。
流体在继续往里流动的过程中,靠近管壁的各层流体,由于粘性的作用,而逐渐滞缓下来。
又由于各截面上的流量为一定值,管中心处各点的速度必然增大。
当液体深入到一定距离之后,管中心的速度等于平均速度的两倍时,层流速度分布的抛物线规律才算完全形成。
六、流体流动阻力
(一)管、管件及阀门
管路系统是由管、管件、阀门以及输送机械等组成的。
当流体流经管和管件、阀门时,为克服流动阻力而消耗能量。
因此,在讨论流体在管内的流动阻力时,必需对管、管件以及阀门有所了解。
1.管
管子的种类很多,目前已在化工厂中广泛应用的有铸铁管、钢管、特殊钢管、有色金属、塑料管及橡胶管等。
钢管又有有缝与无缝之分;有色金属管又可分为紫钢管、黄铜管、铅管及铝管等。
有缝钢管多用低碳钢制成;无缝钢管的材料有普通碳钢、优质碳钢以及不锈钢等。
不锈钢管价昂选用时应慎重,但是在输送强腐蚀性的液体或某些特殊要求的情况下,应用也不少,如稀硝酸用管、混酸用管等。
铸铁管常用于埋在地下的给水总管、煤气管及污水管等。
输送浓硝酸、稀硫酸则应分别使用铝管及铅管。
2.管件
管件(pipefitting)为管与管的连接部件,它主要是用来改变管道方向、连接支管、改变管径及堵塞管道等。
图1-22所示为管道中常用的几种管件。
3.阀门
阀门装于管道中用以调节流量。
常用的阀门有以下几种。
(1)截止阀
截止阀(globevalve)构造如图1-23所示,它是依靠阀盘换的上升或下降,以改变阀盘与阀座的距离,以达到调节流量的目的。
截止阀构造比较复杂,在阀体部分液体流动方向经数次改变,流动阻力较大。
但这种阀门严密可靠,而且可较精确地调节流量,所以常用于蒸汽、压缩空气及液体输送管道。
若流体中含有悬浮颗粒时应避免使用。
(2)闸阀
闸阀(gatevalve)又称为闸板阀。
如图1-24所示。
闸阀是利用闸板的上升或下降,以调节
管路中流体的流量。
闸阀构造简单,液体阻力小,且不易为悬浮物所堵塞,故常用于大直径管道。
其缺点是闸阀阀体高;制造、检修比较困难。
(3)止逆阀
止逆阀(checkvalve)又称为单向阀。
其功用在于只允许流体沿单方向流动。
如图1-25所示。
当流体自左向右流动时,阀自动开启;如遇到有反向流动时,阀自动关闭。
止逆阀只能在单向
开关的特殊情况下使用。
形成层流抛物线规律的这一段,称为层流的起始段,X°=0.05dRe。
(二)流体在直管中的流动阻力
1、阻力的含义FrictionImplication
内摩擦力=摩擦阻力=流动阻力=能量损失=阻力损失=阻力=hf
2、阻力的分类ClassificationoftheFriction
直管阻力:
流体流经一定直径的直管时,所产生的阻力。
局部阻力:
流体流经管件、阀门及进出口时,由于受到局部障碍所产生的阻力。
流体在管内从第一截面流到第二截面时,由于流体层之间的分子动量传递而产生的内摩擦阻力,或由于流体之间的湍流动量传递而引起的摩擦阻力,使一部分机械能转化为热能。
我们把这部分机械能称为能量损失。
管路一般由直管段和管件、阀门等组成。
因此,流体在管路中的流动阻力,可分为直管阻力和局部阻力两类。
直管阻力是流体流经一定直径的直管时,所产生的阻力。
局部阻力是流体流经管件、阀门及进出口时,由于受到局部障碍所产生的阻力。
所以,流体流经管路的总能量损失,应为直管阻力与局部阻力所引起能量损失之总和。
(三)管壁粗糙度RoughnessofPipeWalls
1.管的分类Classificationofpipes
光滑管Smoothpipe:
玻璃管、铜管、塑料管等
1粗糙管Roughpipe:
钢管、铸铁管等
2.绝对粗糙度:
粗糙面凸出部分的平均高度,,m
3.相对粗糙度:
,无量纲(因次)。
4•层流时,粗糙度对阻力没有影响。
5.湍流时
(1)爲£没有影响。
(2)昂叮£有影响。
第七章传热基本知识
一、概述
(一)传热过程在化工生产中的应用
加热或冷却
换热强化传热过程
保温削弱传热过程
传热过程即热量传递过程。
在化工生产过程中,几乎所有的化学反应过程都需要控制在一定的温度下进行。
为了达到和保持所要求的温度,反应物在进入反应器前常需加热或冷却到一定温度。
在过程进行中,由于反应物需要吸收或放出一定的热量,故又要不断地导入或移出热量;有些单元操作,如蒸馏、蒸发、干燥和结晶等,都有一定的温度要求,所以也需要有热能的输入或输出,过程才能进行;此外,许多设备或管道在高温或低温下操作,若要保证管路中输送的流体能维持一定的温度以及减少热量损失,则需要保温(或隔热);近十多年来,随着能源价格的不断上涨,回收废热及节省能源已成为降低生产成本的重要措施之一。
以上所讲到的情况,都与热量传递有关。
可见,在化工生产中,传热过程具有相当重要的地位。
化工生产中常遇到的传热问题,通常有以下两类:
一类是要求热量传递情况好,亦即要求传热速率高,这样可使完成某一换热任务时所需的设备紧凑,从而降低设备费用;
另一类是像高温设备及管道的保温,低温设备及管道的隔热等,则要求传热速率越低越好。
(二)传热的三种基本方式
传热的基本方式
热的传递是由于系统内或物体温度不同而引起的。
当无外功输入时,根据热力学第二定律,热总是自动地从温度较高的部分传给温度较低的部分,或是从温度较高的物体传给温度较低的物体。
根据传热机理不同,传热的基本方式有三种:
传导、对流和辐射。
1、热传导
又称导热。
当物体内部或两个直接接触的物体之间存在着温度差异时,物体中温度较高部分
的分子因振动而与相邻的分子碰撞,并将能量的一部分传给后者,藉此,热能就从物体的温度较高部分传到温度较低部分。
称这种传递热量的方式为热传导。
在热传导过程中,没有物质的宏观位移。
热量从物体内温度较高的部分传递到温度较低的部分,或传递到与之接触的另一物体的过程称为热传导。
特点:
没有物质的宏观位移
气体:
分子做不规则热运动时相互碰撞的结果
丿固体:
导电体:
自由电子在晶格间的运动
[非导电体:
通过晶格结构的振动来实现的
液体:
机理复杂,主要靠原子、分子在平衡位置上的热运动。
2、对流
又称热对流、对流传热。
在流体中,主要是由于流体质点的位移和混合,将热能由一处传至另一处的传递热量的方式为对流传热。
对流传热过程中往往伴有热传导。
工程中通常将流体和固体壁面之间的传热称为对流传热;若流体的运动是由于受到外力的作用(如风机、水泵或其它
外界压力等)所引起,则称为强制对流(forcedconvection);若流体的运动是由于流体内部冷、热部分的密度不同而引起的,则称为自然对流(naturalconvection)。
3、辐射
辐射是一种通过电磁波传递能量的过程。
任何物体,只要其绝对温度不为零度,都会以电磁
波的形式向外界辐射能量。
其热能不依靠任何介质而以电磁波形式在空间传播,当被另一物体部分或全部接受后,又重新转变为热能。
这种传递热能的方式称为辐射或热辐射。
实际上上述三种传热方式很少单独存在,而往往是同时出现的。
如化工生产中广泛应用的间
(三)冷热流体的接触方式
1•直接接触式
冷热流体直接混合进行热量交换。
2.蓄热式
冷热流体交替流过换热器。
优点:
结构较简单;耐高温。
缺点:
设备体积大;有一定程度的混合。
3.间壁式
冷热流体通过换热壁面热交换。
1)套管换热器
传热面为内管壁的表面
传热面为壳内所
有管束壁的表面积
(四)热载体及其选择
加热剂:
热水、饱和水蒸气、矿物油或联苯等低熔混合物、烟道气等。
冷却剂:
水、空气、冷冻盐水、液氨等
冷却温度>30°C水;加热温度<180°C饱和水蒸气
(5)间壁式换热器中的传热过程
1.基本概念
热负荷Q':
同种流体温升或温降时,吸收或放出的热量,单位J/s或W。
传热速率Q:
热流量,单位时间内通过换热器的整个传热面传递的热量,单位J/s或W。
热流密度q:
热通量,单位时间内通过单位传热面积传递的热量,单位J/(s.m2)或W/m2。
2.冷热流体通过间壁的传热过程
3.冷热流体通过间壁的传热过程
3.冷热流体通过间壁的传热过程
卩潸圧躋們亠叫怜hi诽
定态传热:
Q1=Q2=Q3=Q
总传热速率方程:
式中:
K——总传热系数,W/(m2.C)或W/(m2.K);Q——传热速率,W或J/s;
A——总传热面积,m2△tm——两流体的平均温差,C
或Ko
工业生产中冷、热两种流体的热交换,大多数情况下不允许两种流体直接接触,要求用固体壁隔开,这种换热器称为间壁式换热器。
图4-1所示的套管式换热器是其中的一种。
它是由两
根管子套在一起组成的。
两种流体分别在内客与两根管的环隙中流动,进行热量交换。
热流体的温度由T1降至T2;冷流体的温度由t1升至t2。
间壁两侧流体的换热情况可用图4-2表示。
由于热流体与冷流体之间有温度差△tm,则热量通过间从热流体传给冷流体。
单位时间内的传
热量,即传热速率(heattransferrate)Q,与传热面积A及两流体的温度差△tm成正比,为
式中
Q=KA△tm
比例系数,称为总传热系数
(4-1)
W/m2•K(或W/m2「C);
Q传热速率,J/s(或W);
A传热面积,m2;
△tm——两流体的平均温度差,K(或C)。
式(4-1)称传热速率方程式或传热基本方程式,它是换热器设计最重要的方程式。
当所要求的
传热速率Q、温度差△tm及总传热系数K已知时,可用传热速率方程式计算所需要的传热面积
A。
如图4-2所示,热流体靠对流传热将热量传给管壁,在管壁中靠热传导将热量从一侧传到另一侧,再靠对流传热将热量从管壁传给冷流体。
因此,要掌握传热过程的原理,首先要分别研究热传导和对流传热的基本原理。
(六)换热器的热负荷计算
热负荷是生产上要求流体温度变化而吸收或放出的热量。
换热器中冷、热两流体进行热交换,若忽略热损失,则根据能量守恒原理,热流体放出的热量Q1必等于冷流体吸收的热量Q2,
Q1=Q2,称此为热量衡算式。
热量衡算式与传热速率方程式为换热器传热计算的基础。
设计换热器时,根据热负荷要求,用传热速率方程式计算所需传热面积。
下面介绍热负荷计算。
(一)无相变化时热负荷计算
1.比热法当物质与外界交换热量时,物质不发生相变化而只有温度变化,这种热量称
为显热。
在恒压条件下,单位质量的物质升高1C所需的热量,称为定压比热或定压热容。
以
符号cp表示,单位为kJ/kg•K(或kJ/kg「C)。
(二)有相变化时热负荷计算
当流体与外界交换热量过程中发生相变化时,其热负荷用潜热法计算。
例如,饱和蒸汽冷凝
为同温度下的液体时放出的热量,或液体沸腾汽化为同温度下的饱和蒸汽时吸收的热量,可用下式计算
Q=Gr
汽化(或蒸汽冷凝)潜热,单位为kJ/kg。
潜热等于饱和蒸汽的焓与同温度下液体焓之差值。
例4-1试计算压力为147.1kN/m2,流量为1500kg/h的饱和水蒸汽冷凝后并降温至50C时
所放出的热量。
解此题可分成两步计算:
一是饱和水蒸汽冷凝成水,放出潜热;二是水温降至50C时所
放出的显热。
蒸汽冷凝成水所放出的热量为Q1
水由110.7C降温至50C时放出的热量Q2
共放出热量Q
Q=Q1+Q2
二、热传导
(一)有关热传导的基本概念
只要物体内部有温度差存在,就有热量从高温部分向低温部分传导。
所以研究热传导必须涉及物体内部的温度分布。
1.温度场和等温面
温度场:
某一瞬间空间中各点的温度分布,称为温度场。
等温面:
温度场中同一时刻相同温度各点组成的面称为等温面。
因为空间同一点不能同时具有两个不同的温度,所以不同的等温面彼此不能相交。
2.温度梯度温度梯度是一个点的概念。
温度梯度是一个向量。
方向垂直
二)导热系数
1.固体的导热系数
入在数值上等于单位温度梯度下的热通量。
常用的固体导热系数见表4-1
入是分子微观运动的宏观表现
在所有固体中,金属是最好的导热体。
纯金属的导热系数一般
随温度升高而降低。
而金属的纯度对导热系数影响很大,如含碳为
45W/m-K,不锈钢的导热系数仅为16W/m-K。
2.液体的导热系数
1%的普通碳钢的导热系数为
液体分成