第四章流体通过颗粒层的流动
思考题
?一、试证明：流体以层流状态通过管道时，其阻力损失
ρ与单位流体体积所具有的表面积（S/V）2呈正比。
二、床层颗粒的当量直径是以什么原则确定的，为什么？
三、床层模型与实际床层在哪些物理量上是等效的？
四、数学模型法的基本步骤是什么？
五、表面过滤时，真正起过滤作用的是什么？
六、过滤过程的特点是什么？为什么可用康采尼方程描述
其速率？
七、影响过滤速率的因素有哪些？
八、试讨论各种条件下滤液量、过滤时间、过滤压差?
过滤常数K的相互关系？
九、洗涤过程的特点是什么？如何确定洗涤速率
(dq/dτ)w？
第四章流体通过颗粒层的流动
第一节概述
一、颗粒床层的分类
分类：固定床----颗粒静止；(催化反应，过滤)
流化床----颗粒悬浮（沸腾床）
二、考察内容：
流体通过颗粒（固定床）的压降(h f)
三、流体通过颗粒床流动的本质特征
1.流体在由大量粒群组成的封闭的固体边界内流动，
属管流；
2.当颗粒较细时，床层内流速一般极慢（爬流），
属层流形态；
3.流体所接触的颗粒几何边界极其复杂，难以准确描述。
（三大因素）
第二节 颗粒床层的特性
§2-1 单颗粒特性（影响流动通道）
一、球形颗粒 体积：36
p
d V π
=
表面积：2p
d S π=
比表面积：p
d
V S a 6
/==
对球形颗粒，直径d p 即可描述其全部外表特征 二、非球形颗粒
工程上用当量直径d e 来描述非球形颗粒特征（等效性不同） 1. 体积当量直径(球非V V =)
ππ
V
d d
V V ev ev
66
3
3球非=
?
=
=
2. 表面积当量直径(S 非=S 球)
ππS
d d
S S es es
=
?
==2球非
3. 比表面积当量直径（α非=α球）
球形度（球形系数）
，令6,/66
5
.02
2
23球非---=
=∴=???
? ?????
? ??==
=∴==
?
=
=ψψψψev
es ev
ea es ev ev es ev es
ev ea ea ea d d d d d d d d d d d
S V d V S a a
d d a a
ψ的几何意义：同体积下，球形颗粒的表面积与非球形颗粒的表面积之比（ψ≤1）
球形颗粒：d p （一个参数）
非球形颗粒：S, a ; (通常:d ev ,ψ)（两个参数） 简便：d ev =d e
e ea e es
e d d a d d S d
V ψψ
πππ
666
2
2
3=
====
§2-2颗粒群的特征
粒度分布测量：筛分法，显微镜法，沉降法等。 一、粒度分布的筛分分析(>70μm)
1. 分布函数：取颗粒总质量为w,直径 F i ---分布函数，F i <1 （见图） 3. 频率函数 设颗粒直径范围d pi ()() pi pi i i d p i i p i d d x f d d f F d d dF f p -= == -? 10 平均分布密度： 显然：分布密度（频率函数） 频率函数曲线两个重要特性： 1）某粒径范围内颗粒的质量分率，等于该粒径范围内频率函数曲线下的面积。而粒径为一定值的颗粒的质量分率为零。 2）频率函数曲线下的全部面积等于1。 4. 颗粒群的平均直径 以比表面积相等为原则，寻求颗粒群的平均直径 ∑==pi i m p d x d d a 1 , 6 对非球形颗粒：d pi =d eai =（ψd ev ） §2-3 床层特性 一、空隙率ε（疏密程度） 定义： 床 颗 床 颗 床床空床层体积颗粒所占体积床层体积V V V V V V V = --= =-=ε1ε ε空隙率不仅与颗粒形状、大小分布有关， 还和填充方式有关。 ε非>ε球；ε非均<ε均；振动: ε↓；湿法：↑；ε难重复 二、床层的各向同性（定向随机） 特点： ε==床 空 床空V V A A 壁效应: ε壁>ε床 床层D 大，可忽略； D 小，加以考虑。 三、床层的比表面积 定义： a a V V V S a V S a B B )1(1, εε-=∴ = -== =床 颗 颗颗 床 颗床层体积颗粒群总表面积 例：下图颗粒床层中，颗粒体积为V p ，求该床层的空隙率。 解： V 床=H D 2 4 π 床层空隙率： H D V H D P 2 2 4 4 π πε-= 空隙率ε反映了床层内颗粒的疏密程度 对均匀直径的球形颗粒：最松散规则排列 ε=0.48 最紧密规则排列 ε=0.26 第三节 流体通过固定床的压降 §3-1 颗粒床层的简化模型 一、问题的复杂性 复杂性：通道错综复杂，弯弯曲曲 管流阻力： 2 2 u d l h f λ= 床层内，l,d 不均匀，通道不规则，难确定 二、层流阻力特征 层流时，直管阻力：22132d d lu h f ∝=ρμ 层流条件下，直管阻力2 ??? ? ? ?∝l f V S h ，而与表面形状无关 三、床层的简化模型（图4-4） 毛细管模型：床层由长为L e ,直径d e 的并联细管束构成，为使()V S /模型=()V S /实际，必须： （1）细管内颗粒的表面积床层实际表面积相等 （2）细管内流动空间与床层实际流动空间相等 可推出：润湿周边 流通截面 ?= 4e d )1(444))(4εε ε-= ==?∏?=a a S V L L A d B e e e 颗空流（ )1(4εε-= a d e 四、毛细管模型的数学描述 2 2 1u d L h e e f ??=?=λρ u 1----流体在细管内的流速（床层内流体的真实流速） 2 4 D V u π = u----空床流速（表观流速） εu u A A u u A u A u = ?=?=?111床 空床空， 单位实际床层高度的压降为： ()2 318u a L L L e ρεελ-?? ? ??=? 床层参数模型参数令),(8'λλ=L L e 则 ()基本式2 3 1'u a L ρεελ-=? p 也称压降 五、模型的验证及参数估值 定义：床层雷诺数μρ 4Re'1u d e = 则 ()μ ερμρ ε εε-=??-=14)1(4Re'a u u a 当Re ，<2时，λ=k //Re /, k /=5.0 代入得：() u a k L με ε3 2 2/ 1-=? 上式称为康采尼方程（注意适用条件：层流） 欧根在更宽的Re / 范围内，得出：29.0Re' 17 .4'+=λ 代入基本式： ()2 3 32 2)1(29.0117.4u a u a L ρεεμεε-+-=? 当Re ’<20/6,右边第二项忽略；当Re ’>100/6，右边第二项忽略 所以，影响床层压降的因素： 操作变量u ；物性μ,ρ；床层特性ε,α。 六、讨论 1 数学模型的基本方法 A. 在充分掌握过程本质的前提下，对复杂的过程大胆、合理地简化 B. 对简化后的过程建立物理、数学模型 C. 实验验证模型的合理性，并对模型参数估值 2 数学模型法的基本特征 A. 必须充分掌握过程特征，了解研究目的。 B. 模型仅在某个方面与实际过程等效 C. 实验目的仅是验证模型的可靠性，测定模型参数，工作量大为减少 D. 模型方程是半经验、半理论的。 3 影响床层压降的因素 A.流速的影响（同圆管） 层流（Re ， <2）， u ∝? 高度湍流（6 100 Re '> ）， 2u ∝? B.物性的影响（同圆管） Re ， <2 ,与ρ无关 6 100 Re '> C.床层特性的影响 (1)空隙率ε： b.ε的可变性大，可靠性差； c.ε较小的误差，将引起压降明显的误差 (2)比表面积α 2，对同形状颗粒，d p↓，α越大↑，h f()↑。 第四节过滤 §4-1过滤原理 一、过滤 1.过滤目的：液固、气固混合物的分离 2.两种常用的过滤操作 (1)滤饼过滤（表面过滤）（见图4-7） 颗粒截留在过虑介质表面。适用于较高浓度的悬浮液 (2)深层过滤（见图4-8） 颗粒靠静电力、表面力吸附于过滤。介质内部。 适用于低浓度、细颗粒的分离 二、架桥现象 对表面过滤，真正起过滤作用的是滤饼本身，过滤介质仅给架桥现象提供条件 三、过滤介质 1 织物介质：由纤维、金属丝编织而成。 2 多孔介质：由固体颗粒烧（粘）结而成。（布氏漏斗） 3 堆积介质：由固体颗粒、纤维堆积而成。（沙滤） 四、滤饼的压缩性和助滤剂 1 滤饼的压缩性 滤饼的空隙率ε与操作压差有关的称可压缩滤饼，反之称为不可压缩滤饼。 2 助滤剂 能提高空隙率和减少阻力的固体颗粒、纤维。使用助滤剂必须不使产品纯度变化。 五、过滤过程特点 1 滤液是通过固定床的流动，但过程是非定态的 2 过滤速率 ---单位时间、单位过滤面积（床层截面积）通过的滤液量（表观流速） ττd dq Ad dV u = = A V q = ：单位过滤面积流过的累积滤液量m 3/m 2 V---累积滤液量m 3 ； A:过滤面积m 2 §4-2 过滤过程的数学描述 一、物料衡算 令33 m m 悬浮液总体积固体体积=φ（悬浮液中固体的体积百分数） ρρρφ)1(w w w p p -+= w ——悬浮液中固体的质量百分数； L ——滤饼厚度 m ； A--过滤面积 m 2 ； ε—滤饼空隙率； ρp —颗粒真实密度。 1 物料衡算基本式 悬浮液中固体体积=滤饼中固体体积 悬浮液中清液体积=滤液质量+滤饼中清液体积 2 滤液量V （q ）与滤饼厚度L 的关系 对固体进行物料衡算：（q=V/A ） )1(εφ-=+=LA V LA V V 悬 悬 q L ?--=)1(φεφ 在工业上，εφ很小，可忽略， q L ?-= ) 1(εφ 结论：在悬浮液颗粒浓度、性质、滤饼特性一定时， 滤饼厚度与累积滤液量成正比。 随着过滤时间的继续，滤液量越多，滤饼越厚， 滤饼阻力越大。（非定态过程） 二、过滤速率(特征方程) 由康采尼方程： q L L K a u d dq u a K L ) 1(, 1)1()1('2233 2 2' φεφμεετμε ε--=?-==-=? 又联立 q r d dq φμτ?=，式中3 2') 1(εε-=a K r 滤饼的比阻 分母——滤饼对过滤的阻力 --过滤推动力 三、过滤速率基本方程 清液通过滤饼速率：q r dt dq φμ21-=，令e e q L )1(φεφ--= 清液通过介质速率：e q r d dq φμτ3 2-= )(2,)(22,) (2 e e e V V KA d dV q q K d dq r K q q r d dq += +=? = +? =ττφμ φμτ或则：令 上式称过滤速率基本方程 四、过滤常数 令s r r ? =0.，s 压缩性指数 （不可压缩滤饼：s=0；可压缩滤饼：s=0.2-0.8） μφ012r K s -?= ，显然K=f( ,μ,φ,床层特性) 习惯称k,q e 为过滤常数，而q e 仅与过滤介质有关，过滤介质一定，q e 一定，为真正的常数，而k 往往会变化。 §4-3 过滤时间与滤液量的关系 一、恒速过滤 τ τ τττττττ2 2 2 2 2 ,)(2)0,0(,A K VV V K qq q q q K q d dq q c q q d dq C d dq e e e =+=+?+======??=∴=或则 讨论： (1) dq/d τ与τ的关系(如图a) （2）q 与τ的关系(如图b) (3) K 与τ的关系（如图c ） c q c K c q c q q K q e e 22,)(22 +===+=τττ得由 必须注意：使用恒速速率方程时，应使K 与τ严格对应。 二、恒压过滤 τ τττμ φτ222000122)(2)(22, KA VV V K qq q Kd dq q q q q K d dq c r K c e e q e e s =+=+=++==?==???-或，得：，积分：由： 讨论： (1) K 与τ的关系(如图a) (2) q 与τ的关系(如图b,4-10) (3) dq/d τ与τ的关系(如图c,4-9) 三、先恒速、后恒压 ) ()(2)()(22 112121 121 1 1 τττ ττ τ-=-+-∴=+=+??K q q q q q Kd dq q q K q q q e q q e e 恒压阶段：恒速阶段： 四、过滤常数的测定 滤了τ1时间，获q 1滤液量。因此，应用先变压、后恒压方程得： e e q K q q K q q 2 )(111 ++=--ττ 实验测得不同τ与q 的对应值，作图 e q K K 2 1 截距：斜率： 可得不同的K 值。 0log log ~log log log log 2r s r r s r r K r s ==?+?=? =? = 截距，斜率作：由μφ 由上述原理，可测得有关常数。 五、过滤计算 1 设计型计算 给定物系及生产任务（V,V e ,r 0,s,μ,Ф,,τ）,求过 滤面积、确定过滤设备型号、规格。 2 操作型计算 (B) 给定物系及设备、操作条件（r 0,s,V e ，μ,Ф, , τ,A ）， 求生产能力V (D) 给定物系及设备、生产任务(r 0,s,V e ,μ,Ф,τ，A ， V ）， § 4-4滤饼的洗涤 一、洗涤过程的特点 1 仍为过滤过程； 2 过程是定态的 二、洗涤速率 w w w e w w w d dq q q q r d dq )/(;) ()(ττφμτ= +?=洗涤所需时间： 总滤液量 连续过滤结束时获得的洗涤面积洗涤液用量----q m m q w )(/23 终 终终终终终时，则当K q q q q q K d dq d dq w e w e w w w )(2)(2)()(,+= ∴+= =?=?=τττμμ 三、洗涤液用量 在洗涤过程中，洗出液中的溶质浓度与洗涤时间τw 的关系如图 4-29 图中曲线ab 的表示洗出液基本上是滤液，它所含的溶质浓度几乎未被洗涤液所稀释，为置换阶段。V 洗=εAL 。 图中曲线bc 的段，洗出液中溶质浓度急剧下降，此阶段所用的洗涤液量约与前一阶段相同。 图中曲线cd 的段，滤饼中的溶质逐步被洗涤液沥取带出，洗出液中溶质浓度很低。 第五节 过滤设备和操作 一、液滤机(如图4-15) 加压操作，间隙式。其特点： (1)过滤面积与洗涤面积相等；(2)洗涤液路径与滤液一致。 )()(e w w w q q r d dq +?=φμτ 化工原理绪论、流体流动、流体输送机械 、填空题 一个生产工艺是由若干个 各单元操作的操作原理及设备计算都是以 四个概念为依据的。 常见的单位制有 一个过程在一定条件下能否进行，以及进行到什么程度，只有通过 断。 单位时间过程的变化率称为 问答题 7. 什么是单元操作？主要包括哪些基本操作? 8. 提高过程速率的途径是什么？ 第一章流体流动 填空题 流体垂直作用于单位面积上的力，称为 两种。 当管中流体形成稳定流动时，管中必定充满流体，即流体必定是 因。另外，管壁粗糙度和管子的长度、直径均对流体阻力 流体在管道中的流动状态可分为 点运动方式上的区别是 判断液体处于同一水平面上的各点压强是否相等的依据是 流体若由低压头处流向高压头处时，所加入外加功的作用是 在测量流体的流量时，随流量的增加孔板流量计两侧的压差将 ________ ，若改用转 子流量计，随流量增加转子两侧压差值 ___________________ 。 选择题 构成的。 由于在计量各个物理量时采用了不同的 ，因而产生了不同的单位制。 来判 单位体积流体的质量称为 ，它与 互为倒数。 单位时间流经管道任一截面的流体量称为 ,其表示方法有 的。 产生流体阻力的根本原因是 ；而 是产生流体阻力的第二位原 .两种类型，二者在部质 10 . 液体的密度随温度的升高而 11 表压值是从压强表上读得的，它表示的是 D 大气压强 13 - 气体在等截面的管道中流动时，如质量流量不变则其质量流速 14 - 粘度愈大的流体其流动阻力 15 - 柏努利方程式既可说明流体流动时的基本规律也能说明流体静止时的基本规律, 响却越来越明显。 18 - 当液体部任一点的压强有变化时，将使液体部其它各点的压强 二' 判断题 19 - 气体的粘度随压力的升高而增大。 （） 20 - 层流层的厚度随流体湍动程度的增加而增加。 21 -流体在管路中作稳定流动时，任一截面处流体的流速、密度与截面积的乘积均相等。 22 ■当液体部某点压强一定时，则液体的密度越大，此点距液面的高度也越大。 23 -流体阻力的主要表现之一是静压强下降。 24 ■ 真空度为定值时，大气压强越大，则绝对压强越大。 A 增大 B 减小 C 不变 不一定 A 比大气压强高出的部分 B 设备的真实压力 比大气压强低的部分 12 ■ 流体的流动类型可以用 的大小来判定。 A 流速 B 雷诺准数 C 流量 摩擦系数 A 随温度大小变化 B 随压力大小变化 C 不变 D 随流速大小变化 A 愈大 B 愈小 C 二者无关系 D 不会变化 表明静止流体任一点流体的 是常数。 A 总能量 B 静压能与动压能的和 C 压强 静压 台匕 冃匕 16 -流体的流动状态是由多方面因素决定的, 增大，都使流体向 向移动， 增大，使流体向 方向移动。 A 湍流 B 滞流 C 过渡流 D 稳流 17 ■ 湍流流动的流体随 Re 值的增大，摩擦系数与 关系不大，而 的影 A 雷诺准数 B 粘度 C 管壁粗糙度 D 流体阻力 A 发生变化 B 发生同样大小的变化 C 不变化 D 发生不同情况的变 第四章 传 热 热传导 【4-1】有一加热器，为了减少热损失，在加热器的平壁外表面，包一层热导率为(m·℃)、厚度为300mm 的绝热材料。已测得绝热层外表面温度为30℃，另测得距加热器平壁外表面250mm 处的温度为75℃，如习题4-1附图所示。试求加热器平壁外表面温度。 解 2375℃, 30℃t t == 计算加热器平壁外表面温度1t ，./()W m λ=?016℃ (1757530025005016016) t --= ..145 025********t =?+=℃ 【4-2】有一冷藏室，其保冷壁是由30mm 厚的软木做成的。软木的热导率λ= W/(m·℃)。若外表面温度为28℃，内表面温度为 3℃，试计算单位表面积的冷量损失。 解 已 知 .(),.123℃, 28℃, =0043／℃ 003t t W m b m λ==?=， 则单位表面积的冷量损失为 【4-3】用平板法测定材料的热导率，平板状材料的一侧用电热器加热，另一侧用冷水冷却，同时在板的两侧均用热电偶测量其表面温度。若所测固体的表面积为0.02m 2 ，材料的厚度为0.02m 。现测得电流表的读数为2.8A ，伏特计的读数为140V ，两侧温度分别为280℃和100℃，试计算该材料的热导率。 解 根据已知做图 热传导的热量 .28140392Q I V W =?=?= .().() 12392002 002280100Qb A t t λ?= = -- 【4-4】燃烧炉的平壁由下列三层材料构成：耐火砖层，热导率λ=(m·℃)，厚度230b mm =；绝热砖层，热导率λ=(m·℃)；普通砖层，热导率λ=(m·℃)。 耐火砖层内侧壁面温度为1000℃，绝热砖的耐热温度为940℃，普通砖的耐热温度为130℃。 (1) 根据砖的耐热温度确定砖与砖接触面的温度，然后计算绝热砖层厚度。若每块绝热砖厚度为230mm ，试确定绝热砖层的厚度。 (2) 若普通砖层厚度为240mm ，试计算普通砖层外表面温度。 解 (1)确定绝热层的厚度2b 温度分布如习题4-4附图所示。通过耐火砖层的热传导计算热流密度q 。 绝热砖层厚度2b 的计算 每块绝热砖的厚度为023m ．，取两块绝热砖的厚度为 习题4-1附图 习题4-3附图 习题4-4附图 《化工原理实验》 讲稿 二0一四年二月 1.雷诺实验 一、实验目的 1.观察层流、湍流的流态及其转化特征； 2.测定临街雷诺准数，掌握圆管流动形态的判别准则； 3.观察紊流（或湍流）产生过程，理解紊流产生机理。 二、实验原理 1. 液体在运动时，存在着两种根本不同的流动状态。当液体流速较小时，惯性力较小，粘滞力对质点起控制作用，使各流层的液体质点互不混杂，液流呈层流运动。当液体流速逐渐增大，质点惯性力也逐渐增大，粘滞力对质点的控制逐渐减弱，当流速达到一定程度时，各流层的液体形成涡体并能脱离原流层，液流质点即互相混杂，液流呈紊流运动。这种从层流到紊流的运动状态，反应了液流内部结构从量变到质变的一个变化过程。 2.当初始状态流速较大时，从紊流到层流的过渡流速为下临界流速，对应的雷诺准数为下临界雷诺数，反之为上临界流速和上临界雷诺数。 μ ρu d = Re （1） 式中 d ——导管直径，m ； ρ——流体密度，kg ·m 3-； μ——流体粘度，Pa ·s ； u ——流体流速，m ·s 1-； 大量实验测得：当雷诺准数小于某一下临界值时，流体流动型态恒为层流；当雷诺数大于某一上临界值时，流体流型恒为湍流。在上临界值与下临界值之间，则为不稳定的过渡区域。对于圆形导管，下临界雷诺数为2000，上临界雷诺数为10000。一般情况下，上临界雷诺数为4000时，即可形成湍流。 应当指出，层流与湍流之间并非是突然的转变，而是两者之间相隔一个不稳定过渡区域，因此，临界雷诺数测定值和流型的转变，在一定程度上受一些不稳定的其他因素的影响。 三、实验装置 (雷诺实验仪CEA —F01型) 雷诺试验装置主要由稳压溢流水槽、试验导管和转子流量计等部分组成，如图1所示。自来水不断注入并稳压溢流水槽。稳压溢流水槽的水流经试验导管和流量计，最后排入下水道。稳压溢流水槽的溢流水，也直接排入下水道。 第一章《流体力学》练习题 一、单选题 1．单位体积流体所具有的（）称为流体的密度。 A 质量； B 粘度； C 位能； D 动能。 A 2．单位体积流体所具有的质量称为流体的（）。 A 密度； B 粘度； C 位能； D 动能。 A 3．层流与湍流的本质区别是（）。 A 湍流流速＞层流流速； B 流道截面大的为湍流，截面小的为层流； C 层流的雷诺数＜湍流的雷诺数； D 层流无径向脉动，而湍流有径向脉动。 D 4．气体是（）的流体。 A 可移动； B 可压缩； C 可流动； D 可测量。 B 5．在静止的流体内，单位面积上所受的压力称为流体的（）。 A 绝对压力； B 表压力； C 静压力； D 真空度。 C 6．以绝对零压作起点计算的压力，称为（）。 A 绝对压力； B 表压力； C 静压力； D 真空度。 A 7．当被测流体的（）大于外界大气压力时，所用的测压仪表称为压力表。 A 真空度； B 表压力； C 相对压力； D 绝对压力。 D 8．当被测流体的绝对压力（）外界大气压力时，所用的测压仪表称为压力表。 A 大于； B 小于； C 等于； D 近似于。 A 9．（）上的读数表示被测流体的绝对压力比大气压力高出的数值，称为表压力。 A 压力表； B 真空表； C 高度表； D 速度表。 A 10．被测流体的（）小于外界大气压力时，所用测压仪表称为真空表。 A 大气压； B 表压力； C 相对压力； D 绝对压力。 D 11. 流体在园管内流动时，管中心流速最大，若 为湍流时，平均流速与管中心的最大流速的关系为（）。 A. Um＝1/2Umax； B. Um＝0.8Umax； C. Um＝3/2Umax。 B 12. 从流体静力学基本方程了解到U型管压力计测量其压强差是( )。 A. 与指示液密度、液面高度有关，与U形管粗细无关； B. 与指示液密度、液面高度无关，与U形管粗细有关； C. 与指示液密度、液面高度无关，与U形管粗细无关。 A 北 京 化 工 大 学 实 验 报 告 课程名称： 化工原理实验 实验日期： 2008.10.29 班 级： 化工0602 姓 名：许兵兵 学 号： 200611048 同 组 人 ：汤全鑫 阮大江 阳笑天 流体流动阻力的测定 摘要 ● 测定层流状态下直管段的摩擦阻力系数（光滑管、粗糙管和层流管）。 ● 测定湍流状态不同（ε/d）条件下直管段的摩擦阻力系数（突然扩大管）。 ● 测定湍流状态下管道局部的阻力系数的局部阻力损失。 ● 本次实验数据的处理与图形的拟合利用Matlab 完成。 关键词 流体流动阻力 雷诺数 阻力系数 实验数据 Matlab 一、实验目的 1、掌握直管摩擦阻力系数的测量的一般方法； 2、测定直管的摩擦阻力系数λ以及突扩管的局部阻力系数ζ； 3、测定层流管的摩擦阻力 4、验证湍流区内λ、Re 和相对粗糙度的函数关系 5、将所得光滑管的Re -λ方程与Blasius 方程相比较。 二、实验原理 不可压缩流体（如水），在圆形直管中作稳定流动时，由于粘性和涡流的作用产生摩擦阻力；流体在流过突然扩大和弯头等管件时，由于流体运动的速度和方向突然发生变化，产生局部阻力。影响流体流动阻力的因素较多，在工程研究中，利用因次分析法简化实验，引入无因此数群 雷 诺 数： μρ du = Re 相对粗糙度： d ε 管路长径比： d l 可导出： 2)(Re,2u d d l p ??=?εφρ 这样，可通过实验方法直接测定直管摩擦阻力系数与压头损失之间的关系： 22u d l p H f ? ?=?=λρ 因此，通过改变流体的流速可测定出不同Re 下的摩擦阻力系数，即可得出一定相对粗糙度的管子的λ—Re 关系。 在湍流区内，λ = f（Re ，ε/ d ），对于光滑管大量实验证明，当Re 在3×103至105的范围内，λ与Re 的关系遵循Blasius 关系式，即： 25 .0Re 3163.0=λ 对于层流时的摩擦阻力系数，由哈根—泊谡叶公式和范宁公式，对比可得： Re 64=λ 局部阻力： f H =2 2 u ?ξ [J/kg] 三、装置和流程 四、操作步骤 1、启动水泵，打开光滑管路的开关阀及压降的切换阀，关闭其它管路的开关阀和切换阀； 2、排尽体系空气，使流体在管中连续流动。检验空气是否排尽的方法是看当流量为零时候U 形压差计的两液面是否水平； 3、调节倒U 型压差计阀门1、2、3、 4、5的开关，使引压管线内流体连续、液柱等高； 4、打开流量调节阀，由大到小改变10次流量（Re min ＞4000）,记录光滑管压降、孔板压降数据； 5、完成10组数据测量后，验证其中两组数据，确保无误后，关闭该组阀门； 6、测量粗糙管（10组）、突然扩大管（6组）数据时，方法及操作同上； 7、测量层流管压降时，首先连通阀门6、7、8、9、10所在任意一条回流管线，其次打开进入高位水灌的上水阀门11，关闭出口流量调节阀16； 8、当高位水灌有溢流时，打开层流管的压降切换阀，对引压管线进行排气操作； 9、打开倒U 型压差计阀门5，使液柱上升到n 型压差计示数为0的位置附近，然后关闭该阀门，检 图1 流体阻力实验装置流程图 1． 水箱 2．离心泵 3．孔板流量计 4．管路切换阀 5．测量管路 6．稳流罐 7．流量调节阀 第三章 颗粒与流体之间的相对运动 一、前言：(本章:本质上讲:属于流体流动过程,从方法或手段上讲:属于非均相分离过程,下册讲的 蒸馏、吸收、萃取等单元操作都是均相分离过程)。 1、相：体系中具有相同组成，相同物理性质和相同化学性质的均匀物质。相与相之间有明确的 界面。 例如：气、液、固称为三态，每一态又称为一相。再例如：空气（或溶液）虽是混合物，但 由于内部完全均匀，所以是一个相。水和冰共存时，其组成虽同是O H 2，但因有不同的物理性质，所以是两个相；水、冰和蒸汽共存时是三个相。两块晶体相同的硫磺是一个相，两块晶体不同的硫磺（如 斜方硫和单斜硫）是两个相。 2、均相：凡物系内部各处物理料质均匀而不存在相界面者，称为均相混合物或均相物系。溶 液及混合气都是均相混合物。 3、非均相：凡物系内部有隔开两相的界面存在，而界面两侧的物料性质截然不同者，称为非 均相混合物或非均相物系。 非均相??? ?? ?? 属于气体非均相间煤气中夹杂煤渣子）合成氨厂造气车（如尘气体气体与固体微粒组成含 沫液）（含有气泡的液体即泡 液态非均相）（如碎木屑放在水面上浮液液体与固体离子组成悬 ,:,,, 非均相物系里，处于分散状态的物质称为分散物质（或分散相），包围着分散物质而处于 连续状态的流体，称为分散介质（或连续相）。如:浮悬液中的固体颗粒，称为分散物质，液体是分散介质。 4、非均相物系的分离：通过机械方法分离非均相物系的单元操作。具体点讲机械方法:沉降和过滤。 二、工业上非均相物系分离的目的 1、 收取分散物质：如从催化反应器出来的气体中，往往带有催化剂颗粒，必须把这些有 价值的颗粒回收利用。 2、 净化分散介质：合成氨生产，半水煤气中含有2CO 、S H 2灰尘等杂质，为了防止合 成触媒中毒，必须将这些杂质一一去除，以保证触媒的活性。 3、 环境保护：对三废：废气、废液、废渣的处理，地球由于被污染加剧,环保越来越受 到人们的重视。综上所述,非均相物系分离的目的是除害收益。 三、本章解决的问题 以硫铁矿为原料生产硫酸，在沸腾炉中进行的主化学反应为： 23222 82114SO O Fe O FeS +=+ 在焙烧时还有一些副反应，如生成3SO 、 硫酸盐、砷与硒的氧化物、氟化氢等。同时2SO 炉气中含有大量矿尘，它们主要是铁、铅、铜、钴、钡、锑、铋的氧化物和硫酸盐，此外 还含有气体杂质。如：三氧化硫、三氧化二砷、二氧化硒、氟化氢等。这些杂质能够堵塞管路和催化床,并使催化剂（52O V ）中毒，（二氧化硫催化氧化变成三氧化硫）。故炉气需 第四章多组分系统热力学 4.1有溶剂A与溶质B形成一定组成的溶液。此溶液中B的浓度为c B，质量摩尔浓度为b B，此溶液的密度为。以M A，M B分别代表溶剂和溶质的摩尔质量，若溶液的组成用B的摩尔分数x B表示时，试导出x B与c B，x B与b B之间的关系。 解：根据各组成表示的定义 4.2D-果糖溶于水（A）中形成的某溶液，质量分数，此溶液在20 C时的密度。求：此溶液中D-果糖的（1）摩尔分数；（2）浓度；（3）质量摩尔浓度。 解：质量分数的定义为 4.3在25 C，1 kg水（A）中溶有醋酸（B），当醋酸的质量摩尔浓度b B介于 和之间时，溶液的总体积 。求： （1）把水（A）和醋酸（B）的偏摩尔体积分别表示成b B的函数关系。（2）时水和醋酸的偏摩尔体积。 解：根据定义 当时 4.460 ?C时甲醇的饱和蒸气压是84.4 kPa，乙醇的饱和蒸气压是47.0 kPa。二者可形成理想液态混合物。若混合物的组成为二者的质量分数各50 %，求60 ?C 时此混合物的平衡蒸气组成，以摩尔分数表示。 解：质量分数与摩尔分数的关系为 求得甲醇的摩尔分数为 根据Raoult定律 4.580 ?C是纯苯的蒸气压为100 kPa，纯甲苯的蒸气压为38.7 kPa。两液体可形成理想液态混合物。若有苯-甲苯的气-液平衡混合物，80 ?C时气相中苯的摩尔分数，求液相的组成。 解：根据Raoult定律 4.6在18 ?C，气体压力101.352 kPa下，1 dm3的水中能溶解O2 0.045 g，能溶解N2 0.02 g。现将 1 dm3被202.65 kPa空气所饱和了的水溶液加热至沸腾，赶出所溶解的O2和N2，并干燥之，求此干燥气体在101.325 kPa，18 ?C下的体积及其组成。设空气为理想气体混合物。其组成体积分数为：， 实验四 1.实验中冷流体和蒸汽的流向，对传热效果有何影响? 无影响。因为Q=αA△t m，不论冷流体和蒸汽是迸流还是逆流流动，由 于蒸汽的温度不变，故△t m不变，而α和A不受冷流体和蒸汽的流向的影响， 所以传热效果不变。 2.蒸汽冷凝过程中，若存在不冷凝气体，对传热有何影响、应采取什么 措施？ 不冷凝气体的存在相当于增加了一项热阻，降低了传热速率。冷凝器 必须设置排气口，以排除不冷凝气体。 3.实验过程中，冷凝水不及时排走，会产生什么影响？如何及时排走冷 凝水？ 冷凝水不及时排走，附着在管外壁上，增加了一项热阻，降低了传热速 率。在外管最低处设置排水口，及时排走冷凝水。 4.实验中，所测定的壁温是靠近蒸汽侧还是冷流体侧温度？为什么？传热系数k 接近于哪种流体的 壁温是靠近蒸汽侧温度。因为蒸汽的给热系数远大于冷流体的给热系 数，而壁温接近于给热系数大的一侧流体的温度，所以壁温是靠近蒸汽侧温度。而总传热系数K接近于空气侧的对流传热系数 5.如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对α关联式有何影响？ 基本无影响。因为α∝(ρ2gλ3r/μd0△t)1/4，当蒸汽压强增加时，r 和△t 均增加，其它参数不变，故(ρ2gλ3r/μd0△t)1/4变化不大，所以认为蒸汽压强 对α关联式无影响。 实验五固体流态化实验 1.从观察到的现象，判断属于何种流化？ 2.实际流化时，p为什么会波动？ 3.由小到大改变流量与由大到小改变流量测定的流化曲线是否重合，为什么？ 4流体分布板的作用是什么？ 实验六精馏 1．精馏塔操作中，塔釜压力为什么是一个重要操作参数，塔釜压力与哪些因素有关? 答（1）因为塔釜压力与塔板压力降有关。塔板压力降由气体通过板上孔口或通道时为克服局部阻力和通过板上液层时为克服该液层的静压力而引起，因而塔板压力降与气体流量（即塔内蒸汽量）有很大关系。气体流量过大时，会造成过量液沫夹带以致产生液泛，这时塔板压力降会急剧加大，塔釜压力随之升高，因此本实验中塔釜压力可作为调节塔釜加热状况的重要参考依据。（2）塔釜温度、流体的粘度、进料组成、回流量。 2．板式塔气液两相的流动特点是什么? 答：液相为连续相，气相为分散相。 3．操作中增加回流比的方法是什么，能否采用减少塔顶出料量D的方法? 答：（1）减少成品酒精的采出量或增大进料量，以增大回流比；（2）加大蒸气量，增加塔顶冷凝水量，以提高凝液量，增大回流比。 5．本实验中进料状态为冷态进料，当进料量太大时，为什么会出现精馏段干板，甚至出现塔顶既没有回流也没有出料的现象，应如何调节? 【采矿课件】第4章颗粒在流体中的运动 习题解答 1．什么是体积分数、质量分数？两者的关系如何？已知石英与水的密度分不为2650kg/m3和 1000kg/m3，将相同质量的石英砂和水配置成悬浮液，求悬浮液的质量分数、体积分数、物理密度和黏度？ 【解】悬浮体的体积分数ΦB（旧称容积浓度λ）是指悬浮体中固体颗粒（或气泡、液滴）的体积占有率，它是无量纲数，数值上等于单位体积的悬浮体中固体颗粒（或气泡、液滴）占有的体积。悬浮体的质量分数w B（旧称重量浓度C）是指悬浮体中固体颗粒的质量占有率，它也是无量纲数。若颗粒和流体的密度分不用δ和ρ表示，体积分数ΦB与质量分数w B有下面的关系： 已知δ=2650kg/m3和ρ=1000kg/m3，设石英砂和水的质量差不多上W，则有 故质量分数、体积分数、物理密度和黏度分不为0.5000、0.2740、1452kg/m3和2.2902μ。 2．牛顿流体和非牛顿流体的有效黏度和微分黏度有何特点？什么叫屈服切应力？哪些非牛顿流体的流变特性可用幂律模型描述？幂律模型中的参数K和n有何物理意义？ 【解】有效粘度是流变曲线上指定点到原点的直线斜率；微分粘度是流变曲线上指定点的切线斜率。牛顿流体的有效黏度等于微分黏度，同时差不多上常数；宾汉流体，微分粘度为常数，但有效黏度不为 常数，同时有效黏度大于微分黏度，当剪切速率趣近于零时有效黏度变为无穷大；假塑性流体的有效黏度大于微分黏度；胀塑性流体的有效黏度小于微分黏度；屈服假塑性流体与宾汉流体有些类似，只是微分黏度不是常数。 宾汉认为，当悬浮液的浓度大到其中的颗粒互相接触之后，就有塑性现象发生，欲使系统开始流淌，施加的剪切力必须足以破坏使颗粒形成的网架结构，那个刚好能够破坏颗粒网架结构的切应力确实是屈服切应力。 假塑性流体（包括胀塑性流体）的流变特性可用如下幂律模型描述： 幂律模型中的参数K也是流体黏性的量度，它不同于黏度，流体越黏，K值越大；指数n是液体非牛顿性的量度，n值与1相差越大，则非牛顿性越明显；关于假塑性流体的n<1（关于胀塑性流体n>1）。 3．什么是自由沉降？什么是干涉沉降？ 【解】颗粒在流体中沉降时，若不受周围颗粒或容器壁干扰，称为自由沉降。颗粒在有限空间中的沉降称之为干涉沉降。矿物加工中粒群在矿浆中的沉降确实是典型的干涉沉降，球体在窄管中的沉降也是干涉沉降。 4．已知石英与水的密度分不为2650kg/m3和1000kg/m3，水的运动黏度为1.007x10-6 m2/s，求直径为0.2mm的球形石英颗粒在水中的自由沉降速度、雷诺数和阻力系数？ 【解】已知δ=2650kg/m3、ρ=1000kg/m3、ν=1.007x10-6 m2/s和d=0.0002m，则 先试用通用公式运算： 流体流动阻力的测定 1.在测量前为什么要将设备中的空气排尽？怎样才能迅速地排尽？为什么？如何检验管路中的空气已经被排除干净？ 答：启动离心泵用大流量水循环把残留在系统内的空气带走。关闭出口阀后，打开U 形管顶部的阀门，利用空气压强使U 形管两支管水往下降，当两支管液柱水平，证明系统中空气已被排除干净。 2.以水为介质所测得的？~Re关系能否适用于其他流体？ 答：能用，因为雷诺准数是一个无因次数群，它允许d、u、、变化 3?在不同的设备上（包括不同管径），不同水温下测定的?~Re数据能否关联在同一条曲线上？ 答:不能，因为Re二du p仏与管的直径有关 离心泵特性曲线的测定 1.试从所测实验数据分析，离心泵在启动时为什么要关闭出口阀门？本实验中，为了得到较好的实验效果，实验流量范围下限应小到零，上限应到最大，为什么？ 答：关闭阀门的原因从试验数据上分析：开阀门意味着扬程极小，这意味着电机功率极大，会烧坏电机 （2）启动离心泵之前为什么要引水灌泵？如果灌泵后依然启动不起来，你认为可能的原因是什么？ 答：离心泵不灌水很难排掉泵内的空气，导致泵空转而不能排水；泵不启动可能是电路问题或是泵本身已损坏，即使电机的三相电接反了，泵也会启动的。 （3）泵启动后，出口阀如果不开，压力表读数是否会逐渐上升？随着流量的增大，泵进、出口压力表分别有什么变化？为什么？ 答：当泵不被损坏时，真空表和压力表读数会恒定不变，水泵不排水空转不受 外网特性曲线影响造成的 恒压过滤常数的测定 1.为什么过滤开始时，滤液常常有混浊，而过段时间后才变清？ 答：开始过滤时，滤饼还未形成，空隙较大的滤布使较小的颗粒得以漏过，使滤液浑浊，但当形成较密的滤饼后，颗粒无法通过，滤液变清。? 2.实验数据中第一点有无偏低或偏高现象？怎样解释？如何对待第一点数据？ 答：一般来说，第一组实验的第一点△ A A q会偏高。因为我们是从看到计量桶出现第一滴滤液时开始计时，在计量桶上升1cm 时停止计时，但是在有液体流出前管道里还会产生少量滤液，而试验中管道里的液体体积产生所需要的时间并没有进入计算，从而造成所得曲线第一点往往有较大偏差。 3?当操作压力增加一倍，其K值是否也增加一倍？要得到同样重量的过滤液，其过滤时间是否缩短了一半？ 答：影响过滤速率的主要因素有过滤压差、过滤介质的性质、构成滤饼的 颗粒特性，滤饼的厚度。由公式K=2I A P1-s, T=qe/K可知，当过滤压强提高一倍时，K增大，T减小，qe是由介质决定，与压强无关。 传热膜系数的测定 1.将实验得到的半经验特征数关联式和公认式进行比较，分析造成偏差的原因。 答：答：壁温接近于蒸气的温度。 可推出此次实验中总的传热系数方程为 其中K是总的传热系数，a是空气的传热系数，02是水蒸气的传热系数，3是铜管的厚度，入是铜的导热系数，R1、R2为污垢热阻。因R1、R2和金属壁的热阻较小，可忽略不计，则Tw- tw,于是可推导出，显然，壁温Tw接近于给热系数较大一侧的流体温度，对于此实验，可知壁温接近于水蒸气的温度。 化工原理绪论、流体流动、流体输送机械 一、填空题 1．一个生产工艺是由若干个__________ 和___________构成的。 2．各单元操作的操作原理及设备计算都是以__________、___________、___________、和___________四个概念为依据的。 3．常见的单位制有____________、_____________和_______________。 4．由于在计量各个物理量时采用了不同的__________，因而产生了不同的单位制。 5．一个过程在一定条件下能否进行，以及进行到什么程度，只有通过__________来判断。 6．单位时间内过程的变化率称为___________。 二问答题 7．什么是单元操作？主要包括哪些基本操作？ 8．提高过程速率的途径是什么？ 9．第一章流体流动 一填空题 1．单位体积流体的质量称为________，它与________互为倒数。 2．流体垂直作用于单位面积上的力，称为____________。 3．单位时间内流经管道任一截面的流体量称为________，其表示方法有________和________两种。 4．当管中流体形成稳定流动时，管中必定充满流体，即流体必定是_________的。 5．产生流体阻力的根本原因是________；而___________是产生流体阻力的第二位原因。另外，管壁粗糙度和管子的长度、直径均对流体阻力_______________。 6．流体在管道中的流动状态可分为______ 和__________两种类型，二者在内部质点运动方式上的区别是_____________________________________。 7．判断液体内处于同一水平面上的各点压强是否相等的依据是_________、___________、________________。 8．流体若由低压头处流向高压头处时，所加入外加功的作用是______________________________。 9．在测量流体的流量时，随流量的增加孔板流量计两侧的压差将_______，若改用转子流量计，随流量增加转子两侧压差值________。 一、选择题 10．液体的密度随温度的升高而_________。 化工原理课后习题(第四章) 第4章 传热 4-1、燃烧炉的平壁由下列三种材料构成: 耐火砖的热导率为,K m W 05.111 --??=λ 厚度 mm 230=b ；绝热砖的热导率为1 1 K m W 151.0--??=λ；普通砖的热导率为11K m W 93.0--??=λ。若耐火砖内侧温度为C 10000 , 耐火砖与绝热砖接触面最高温度为C 9400 ,绝热砖与普通砖间的最高温度不超过C 1300 (假设每两种砖之间接触良好界面上的温度相等) 。试求：（1）绝热砖的厚度。绝热砖的尺寸为：mm 230mm 113mm 65??; (2) 普通砖外测的温度。普通砖的尺寸为：mm 240mm 1200mm 5??。(答： ⑴m 460.02=b ；⑵C 6.344 ?=t ) 解：⑴第一层：1 1 2 1λb t t A Q -= 第二层：2 2 32 λb t t A Q -= ? ()()322 22111 t t b t t b -=-λλ ?()()130940151.0940100023.005 .12 -=-b ?m 446.02 =b 因为绝热砖尺寸厚度为mm 230，故绝热砖层厚度2 b 取m 460.0， 校核： ()()3 940460 .0151.0940100023.005 .1t -=- ?C 3.1053 ?=t ； ⑵()()4 33 3 2111t t b t t b -=-λλ ?C 6.344?=t 。 4-2、某工厂用mm 5mm 170?φ的无缝钢管输送水蒸气。为了减少沿途的热损失，在管外包两层绝热材料：第一层为厚mm 30的矿渣棉，其热导率为 11 K m 0.065W --?? ;第二层为厚mm 30的石棉灰， 其热导率为1 1 K m 0.21W --??。管内壁温度为C 3000 ，保温层外表面温度为C 400 。管道长m 50。试求该管道的散热量。无缝钢管热导率为1 1K m 45W --?? （答：kW 2.14=Q ） 解：已知：11棉K m 0.065W --??=λ，1 1灰 K m 0.21W --??=λ 查表得：1 1K m W 54--??=钢 λ ()3 4 323 2 1 2 1 4 1ln 1ln 1ln 12d d d d d d t t l Q λλλπ++ -= 其中：0606.016.017.0ln ln 12==d d ， 302.017.023.0ln ln 23==d d ， 231.023 .029.0ln ln 34==d d ()1 m W 28421 .0231.0065.0302.0450606.0403002-?=++-=πl Q ， kW 2.14W 1042.1502844 =?=?=Q 。 4-3、冷却水在mm 1mm 19?φ，长为m 0.2的钢管中以1 s 1m -?的流速通过。水温由88K 2升至K 298。求管壁对水的对流传热系数。 (答：1 2 K m 4260W --??) 解：设为湍流 水的定性温度K 2932 298 288=+=t ， 查表得：1 1 C kg kJ 183.4--???=p c ， 1 1 K m W 5985.0--??=λ， s Pa 10004.13 ??=-μ， 实验三 单相流体阻力测定实验 一、实验目的 ⒈ 学习直管摩擦阻力△P f 、直管摩擦系数的测定方法。 ⒉ 掌握不同流量下摩擦系数 与雷诺数Re 之间关系及其变化规律。 ⒊ 学习压差传感器测量压差，流量计测量流量的方法。 ⒋ 掌握对数坐标系的使用方法。 二、实验内容 ⒈ 测定既定管路内流体流动的摩擦阻力和直管摩擦系数。 ⒉ 测定既定管路内流体流动的直管摩擦系数与雷诺数Re 之间关系曲线和关系式。 三、实验原理 流体在圆直管内流动时，由于流体的具有粘性和涡流的影响会产生摩擦阻力。流体在管内流动阻力的大小与管长、管径、流体流速和摩擦系数有关，它们之间存在如下关系。 h f = ρf P ?=2 2 u d l λ （3-1） λ= 22u P l d f ?? ?ρ （3-2） Re = μ ρ ??u d （3-3） 式中：-d 管径，m ； -?f P 直管阻力引起的压强降，Pa ； -l 管长，m ； -u 管内平均流速，m / s ； -ρ流体的密度，kg / m 3 ； -μ流体的粘度，N ·s / m 2 。 摩擦系数λ与雷诺数Re 之间有一定的关系，这个关系一般用曲线来表示。在实验装置中，直管段管长l 和管径d 都已固定。若水温一定，则水的密度ρ和粘度μ也是定值。所以本实验实质上是测定直管段流体阻力引起的压强降△P f 与流速u （流量V ）之间的关系。 根据实验数据和式3-2可以计算出不同流速（流量V ）下的直管摩擦系数λ，用式3-3计算对应的Re ，从而整理出直管摩擦系数和雷诺数的关系，绘出λ与Re 的关系曲线。 四、实验流程及主要设备参数： 1.实验流程图:见图1 水泵8将储水槽9中的水抽出,送入实验系统,首先经玻璃转子流量计2测量流量,然后送入被测直管段5或6测量流体流动的光滑管或粗糙管的阻力,或经7测量局部阻力后回到储水槽, 水循环使用。被测直管段流体流动阻力△p可根据其数值大小分别采用变送器18或空气—水倒置∪型管10来测量。 第一章 流体流动 流体的重要性质 1．某气柜的容积为6 000 m 3，若气柜内的表压力为5.5 kPa ，温度为40 ℃。已知各组分气体的体积分数为：H 2 40%、 N 2 20%、CO 32%、CO 2 7%、C H 4 1%，大气压力为 101.3 kPa ，试计算气柜满载时各组分的质量。 解：气柜满载时各气体的总摩尔数 ()mol 4.246245mol 313 314.86000 0.10005.53.101t =???+== RT pV n 各组分的质量： kg 197kg 24.246245%40%4022H t H =??=?=M n m kg 97.1378kg 284.246245%20%2022N t N =??=?=M n m kg 36.2206kg 284.246245%32%32CO t CO =??=?=M n m kg 44.758kg 444.246245%7%722CO t CO =??=?=M n m kg 4.39kg 164.246245%1%144CH t CH =??=?=M n m 2．若将密度为830 kg/ m 3的油与密度为710 kg/ m 3的油各60 kg 混在一起，试求混合油的密度。设混合油为理想溶液。 解： ()kg 120kg 606021t =+=+=m m m 33 122 1 1 21t m 157.0m 7106083060=??? ? ??+=+ = +=ρρm m V V V 3 3t t m m kg 33.764m kg 157 .0120=== V m ρ 流体静力学 3．已知甲地区的平均大气压力为85.3 kPa ，乙地区的平均大气压力为101.33 kPa ，在甲地区的某真空设备上装有一个真空表，其读数为20 kPa 。若改在乙地区操作，真空表的读数为多少才能维持该设备的的绝对压力与甲地区操作时相同？ 解：（1）设备内绝对压力 绝压=大气压-真空度= () kPa 3.65Pa 1020103.8533=?-? 【4-6】某工厂用1705mm mm φ?的无缝钢管输送水蒸气。为了减少沿途的热损失，在管外包两层绝热材料，第一层为厚30mm 的矿渣棉，其热导率为./()W m K ?0065；第二层为厚30mm 的石棉灰，其热导率为./()W m K ?021。管内壁温度为300℃，保温层外表面温度为40℃。管路长50m 。试求该管路的散热量。 解 () ln ln ln 14234 112233 2111l t t q r r r r r r πλλλ-= ++ () ln ln ln ..230040185111511454580006585021115 π-= ++ /W m =284 .42845014210l Q q l W ==?=? .kW =142 【4-7】水蒸气管路外径为108mm ，其表面包一层超细玻璃棉毡保温，其热导率随温度/℃t 的变化关系为 ../()0033000023t W m K λ=+?。水蒸气管路外表面温度为150℃，希望保温层外表面温度不超过50℃，且每米管路的热量损失不超过/160W m 。试确定所需保温层厚度。 解 保温层厚度以b 表示 (..)220033000023l dt dt q r t r dr dr λππ=-=-+ (..)2 21 1 20033000023r t l r t dr q t dt r π=-+? ? .ln .()()2221212100023200332l r q t t t t r π? ?=-+-???? 已知/12150℃,50 160t t q W m ===℃, ,.1210．0540054r m r r b b ==+=+ ..()..() ln .220066314150500000233141505016010054b ??-+??-= ?? + ??? ..ln .2073144510054160b +? ?+= ??? 解得保温层厚度为 ..00133133b m mm == 保温层厚度应不小于13.3mm 【4-9】空气以4m s ／的流速通过..755375mm mm φ?的钢管，管长5m 。空气入口温度为32℃，出口温度为68℃。(1)试计算空气与管壁间的对流传热系数。(2)如空气流速增加一倍，其他条件均不变，对流传热系数又为多少？(3)若空气从管壁得到的热量为578W ，钢管内壁的平均温度为多少。 解 已知/,.,,,124 0068 5 32 68℃u m s d m l m t t =====℃ (1)对流传热系数α计算 空气的平均温度 3268 502 m t += =℃ 化工原理实验-流体流动阻力系数的测定实验报告 ————————————————————————————————作者: ————————————————————————————————日期: 流体流动阻力系数的测定实验报告 一、实验目的: 1、掌握测定流体流动阻力实验的一般实验方法。 2、测定直管的摩擦阻力系数λ及突然扩大管和阀门的局部阻力系数ξ。 3、验证湍流区内摩擦阻力系数λ为雷诺系数Ｒe和相对粗糙度的函数。 4、将所得光滑管的λ—Re方程与Bｌasius方程相比较。 二、实验器材： 流体阻力实验装置一套 三、实验原理: 1、直管摩擦阻力 不可压缩流体(如水),在圆形直管中做稳定流动时，由于黏性和涡流 的作用产生摩擦阻力;流体在流过突然扩大、弯头等管件时，由于流体运 动的速度和方向突然变化,产生局部阻力。影响流体阻力的因素较多，在 工程上通常采用量纲分析方法简化实验，得到在一定条件下具有普遍意 义的结果,其方法如下。 流体流动阻力与流体的性质，流体流经处的几何尺寸以及流动状态有关,可表示为 △Ｐ＝f （d, l, ｕ,ρ,μ,ε) 引入下列无量纲数群。 雷诺数Re=duρ／μ 相对粗糙度ε/ d 管子长径比l / d 从而得到 △P/(ρｕ2)=ψ(duρ/μ,ε／d, l / d) 令λ＝φ(Re，ε/ d） △P/ρ＝(l/ d）φ(Re,ε/ d)ｕ２/2 可得摩擦阻力系数与压头损失之间的关系,这种关系可用试验方法 =△P／ρ＝λ（l ／d）u2／2 直接测定。h f ——直管阻力，Ｊ/kg 式中，h f ｌ——被测管长，m d——被测管内径，m u——平均流速，m/s λ——摩擦阻力系数。 当流体在一管径为ｄ的圆形管中流动时,选取两个截面,用U形压差 计测出这两个截面间的静压强差,即为流体流过两截面间的流动阻力。根 据伯努利方程找出静压强差和摩擦阻力系数的关系式,即可求出摩擦阻 力系数。改变流速可测出不同Re下的摩擦阻力系数,这样就可得出某一 相对粗糙度下管子的λ—Re关系。 (１)、湍流区的摩擦阻力系数 一、单选题 1．单位体积流体所具有的（）称为流体的密度。 A A 质量； B 粘度； C 位能； D 动能。 2．单位体积流体所具有的质量称为流体的（）。 A A 密度； B 粘度； C 位能； D 动能。 3．层流与湍流的本质区别是（）。 D A 湍流流速＞层流流速； B 流道截面大的为湍流，截面小的为层流； C 层流的雷诺数＜湍流的雷诺数； D 层流无径向脉动，而湍流有径向脉动。4．气体是（）的流体。 B A 可移动； B 可压缩； C 可流动； D 可测量。 5．在静止的流体，单位面积上所受的压力称为流体的（）。 C A 绝对压力； B 表压力； C 静压力； D 真空度。 6．以绝对零压作起点计算的压力，称为（）。 A A 绝对压力； B 表压力； C 静压力； D 真空度。 7．当被测流体的（）大于外界大气压力时，所用的测压仪表称为压力表。 D A 真空度； B 表压力； C 相对压力； D 绝对压力。 8．当被测流体的绝对压力（）外界大气压力时，所用的测压仪表称为压力表。 A A 大于； B 小于； C 等于； D 近似于。 9．（）上的读数表示被测流体的绝对压力比大气压力高出的数值，称为表压力。 A A 压力表； B 真空表； C 高度表； D 速度表。 10．被测流体的（）小于外界大气压力时，所用测压仪表称为真空表。 D A 大气压； B 表压力； C 相对压力； D 绝对压力。 11. 流体在园管流动时，管中心流速最大，若为湍流时，平均流速与管中心的 最大流速的关系为（）。 B A. Um＝1/2Umax； B. Um＝0.8Umax； C. Um＝3/2Umax。 12. 从流体静力学基本方程了解到U型管压力计测量其压强差是( )。 A A. 与指示液密度、液面高度有关，与U形管粗细无关； B. 与指示液密度、液面高度无关，与U形管粗细有关； C. 与指示液密度、液面高度无关，与U形管粗细无关。 13.层流底层越薄( )。 C A. 近壁面速度梯度越小； B. 流动阻力越小； C. 流动阻力越大； D. 流体湍动程度越小。 14.双液体U形差压计要求指示液的密度差( ) C A. 大； B. 中等； C. 小； D. 越大越好。 15.转子流量计的主要特点是( )。 C A. 恒截面、恒压差； B. 变截面、变压差； C. 恒流速、恒压差； D. 变流速、恒压差。 16.层流与湍流的本质区别是：( )。 D A. 湍流流速>层流流速； B. 流道截面大的为湍流，截面小的为层流； C. 层流的雷诺数<湍流的雷诺数； D. 层流无径向脉动，而湍流有径向脉动。 17.圆直管流动流体，湍流时雷诺准数是（）。 B A. Re ≤ 2000； B. Re ≥ 4000； C. Re = 2000～4000。 18.某离心泵入口处真空表的读数为 200mmHg ，当地大气压为101kPa, 则泵入化工原理流体流动
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