流体流动与传热
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spContent=以动量和热量传递为主线,讲授流体流动及输送、沉降、过滤、搅拌、传热、蒸发等单元操作。要求理解与掌握基本原理、过程速率、强化措施、设计计算和单元设备,分析与解决传热和动量传递方面的工程实际问题。
—— 课程团队
课程概述

《流体流动与传热》(化工原理上)是化学化工类专业学生的主干课程,它是在学生学完高等数学、大学物理、物理化学上册、算法语言等数理基础课的基础上,综合运用数学、物理、化学等基础知识,分析和解决化工生产中各种物理过程(或单元操作)问题的工程学科,担负着由理论到工程、由基础到专业的桥梁作用。本课程的研究方法主要是理论解析和在理论指导下的实验研究。本课程强调理论和实际相结合,提高分析和解决工程实际问题的能力。 

流体流动与传热是以动量传递和热量传递的基本理论为主线,论述了流体输送、颗粒与流体之间的相对运动(颗粒的沉降分离、过滤分离、固体流态化技术)、液体搅拌、传热过程及设备、蒸发等操作。阐明了对复杂情况借助因次分析法、数学模型法和实验研究的必要性。本课程要求理解与掌握传热和动量传递过程的基本原理、过程速率、强化措施、设计计算和单元设备,增强工程观点,并在此基础上去分析与解决传热和动量传递方面的工程实际问题。


授课目标

本课程要求理解与掌握传热和动量传递过程的基本原理、过程速率、强化措施、设计计算和单元设备,增强工程观点,并在此基础上去分析与解决传热和动量传递方面的工程实际问题。

课程大纲

课程大纲

一、教学内容

绪论:典型化工产品生产实例;化工单元操作的历史梗概;本课程的性质及要回答的问题。

1、流体流动

概述 :流体流动的两种考察方法;流体的作用力和机械能;牛顿粘性定律。

静力学: 静止流体受力平衡的研究方法;压强和势能的分布;压强的表示方法和单位换算;静力学原理的工程应用。

守恒原理: 质量守恒;流量、平均流速;流动流体的机械能守恒(柏努利方程);压头;机械能守恒原理的应用;动量守恒原理及其应用。

流体流动的内部结构:层流和湍流的基本特征;定态和稳态的概念;湍流强度和尺度的概念;流动边界层及边界层分离现象;管流数学描述的基本方法;剪应力分布。

流体流动的机械能损失:沿程阻力损失(湍流阻力)的研究方法———“黑箱法”;当量的概念(当量直径,当量长度,当量粗糙度);局部阻力损失。

管路计算: 管路设计型计算的特点、计算方法(参数的选择和优化,常用流速);管路操作型计算的特点、计算方法;阻力损失对流动的影响;可压缩流体管路阻力的计算方法;简单的分支管路和汇合管路的计算方法。

流量和流速的测量:毕托管、孔板流量计、转子流量计的原理和计算方法。

非牛顿流体的流动:非牛顿流体的基本特性;流动阻力计算。


2、输送机械

管路特性:被输送流体对输送机械的能量要求;管路特性方程;带泵管路的分析方法———过程分解法。

离心泵: 泵的输液原理;影响离心泵理论压头的主要因素(流量、密度及气缚现象等);泵的功率、效率和实际压头;离心泵的工作点和流量调节方法;离心泵的并联和串联;离心泵的安装高度,汽蚀余量;离心泵的选用。

其它泵:容积式泵的工作原理、特点和流量调节方法(以往复泵为主)。

气体输送机械:气体输送的特点及全风压的概念;气体输送机械的主要特性;风机的选择;压缩机和真空泵的工作原理,获得真空的方法。

 

3、搅拌

典型的工业搅拌问题;搅拌的目的和方法;搅拌装置,常用搅拌浆的型式,挡板及其它构件;混合效果的度量(均匀性的标准偏差、分割尺度和分割强度);混合机理;搅拌功率;搅拌器经验放大时需要解决的问题。其它混合设备介绍。

 

4、流体通过颗粒层的流动

固定床:当量和平均的方法;颗粒和床层的基本特性;固定床压降的研究方法———数学模型法;影响压降的主要因素。

过滤:过滤方法及常用过滤机的构造;过滤过程数学描述(物料衡算和过滤速率方程),过滤速率、推动力和阻力的概念;过滤速率方程的积分应用———间接实验的参数综合法;洗涤时间;过滤机的生产能力;加快过滤速率的途径。


5、颗粒的沉降和流态化

绕流基础:两类流动(内部流动和外部流动)问题;表面曳力和形体曳力;球形颗粒的曳力系数及斯托克斯定律。

自由沉降: 沉降运动———极限处理方法;沉降速度及其计算;降尘室的流量、沉降面积和粒径的关系;颗粒分级概念;旋风分离器的工作原理及影响性能的主要因素,粒级效率的概念。

流态化:流化床的工业应用和典型结构;流化床的主要特性;流化床的操作范围(起始流化速度和带出速度)。

气力输送的实际应用。

 

6、传热

传热过程:加热和冷却方法;传热速率。

热传导:傅利叶定律;常用工程材料的导热系数;导热问题分析方法(热量衡算和导热速率式);一维导热的计算。

对流给热:牛顿冷却定律———变量分离法;自然对流的起因和影响因素;管内层流给热、管内强制对流(湍流)给热系数经验式;沸腾给热和沸腾曲线;蒸汽冷凝给热。

辐射:单个物体的辐射和吸收特性(Stefan Boltzmann定律,Kirchhoff定律);黑体和灰体;两黑体间的相互辐射;两物体组成封闭系统中的辐射换热计算。

间壁换热过程:热量衡算和传热速率式———换热过程的数学描述方法;传热平均温度差,热阻和传热系数———工程处理方法;垢层热阻,壁温计算方法。

传热计算:传热设计型问题的参数选择和计算方法;传热操作型问题的讨论和计算方法(传热单元数);间歇传热过程计算的基本方法。

换热器:列管式换热器的设计与选型;常用换热器的结构;换热设备的强化和其它类型。

 

7、蒸发

蒸发过程及设备:工业蒸发实例;蒸发过程的目的、方法及特点;常用蒸发器的结构;管内气液两相流动型式;二次蒸汽和加热蒸汽的能位差别;沸点升高和传热温度差损失;加热蒸汽的经济性;蒸发设备的生产强度。

单效蒸发的计算:物料衡算、热量衡算和传热速率方程。


二、重点难点

从总体上看,重点章节为:流体的流动和输送、传热原理和设备等、对不同专业,除上述重点章节必须保证外,还可另加重点章节。

本课程的难点:从总体上看,每一单元操作的过程分析,尤其是动态分析,以课堂讲授、和讨论相结合的方式进行教学,要注意采用启发式,调动学生的学习积极性。

从各单元操作之间的比较上看,第一章流体流动是难点,流体流动内容多,工程观念强,单位换算多,学生初次接触工程学科,学习方法不适应。因而,在教学方法上都有一定难度。在讲授中应注意精讲多练,循序渐进,上好习题课。加强工程观念的教育。应严格考核和检查,每次作业批改要仔细,错误要求学生订正,课堂上要抽时间分析总结作业中的问题,在学完本章后进行阶段测验和试题分析,学好第一章,关系到本课程的总体教学效果,一定要从严要求,从严把关。另外,教学时数上应充分保证,讲授中要注意深入浅出,步步引导,不宜过快。应增加习题课、讨论课和课外作业,以保证学得扎实。


本课程各章节的重点、难点如下:

1、流体流动:

重点:机械能守恒方程及其应用;流动型态;边界层概念;因次分析法。

难点:机械能的守恒和转换;边界层分离。

2、输送机械 :

重点:离心泵的特性和选用。、

难点:离心泵的基本方程;离心泵的安装高度。

3、搅拌:

重点:搅拌器的结构特点和型式选用。

4、沉降过滤流态化

重点:沉降速度的概念和计算;过滤理论和恒压过滤计算;固体的流态化和不正常的流态化现象。

难点:过滤速率方程及其应用。

5、传热:

重点:对流传热和对流传热膜系数α;传热速率方程;列管换热器的结构特点和设计方法;各类换热器的特点和选用。

难点:对流传热的概念;对流传热膜系数的研究方法;传热速率方程和热量衡算式之间的关系;列管换热器的设计方法。

 

三、学时分配

绪论               2

第一章 流体流动        14

第二章 输送机械        8

第三章 搅拌           2 

第四、五章 沉降过滤流态化  12

第六章 传热           14

第七章 蒸发            4

总共                56


预备知识

高等数学

大学物理

物理化学


证书要求

对学员取得证书的要求如下:

本课程的学习包括:观看讲课视频、随堂测验、单元测验和作业、参与课程讨论和期末考试。

(1)参与课堂交流区讨论,占5%;

(2)单元测验,占10%;

(3) 单元作业,占10%;

(4)域外成绩(观看讲课视频、课件、教学资源等),占5%;

(4)期中测验、后半部分测验、期末考试 占70%。

总评成绩60-80分为合格,可获得合格证书;

总评成绩80分以上为优秀,可获得优秀证书。


参考资料

1. 陈敏恒等,化工原理第四版(上册).化学工业出版社,2015

2. 马江权,冷一欣,韶晖,等.化工原理学习指导第二版[M].上海:华东理工大学出版社,2014

3. 马江权,魏科年,韶晖,等.化工原理实验第三版[M].上海:华东理工大学出版社,2016

4. 柴诚敬,贾绍义,张国亮,等.化工原理第三版(上册)[M].北京:高等教育出版社,2016

5. 谭天恩,窦梅.化工原理第四版(上册)[M].北京:化学工业出版社,2013

6. 丁忠伟,刘丽英,刘伟(上册).化工原理(上册)[M].北京:高等教育出版社,2014

7. 管国锋,赵汝溥.化工原理第四版[M].北京:化学工业出版社,2015

8. 钟秦,陈迁乔,王娟,等.化工原理第3版[M]. 北京:国防工业出版社,2013

9. 王瑶,贺高红.化工原理(上册)[M]. 北京:化学工业出版社,2016

10. 袁惠兴.分离过程与设备[M].北京:化学工业出版社,2016

11. 尹芳华,马江权.现代分离技术[M].北京:化学工业出版社,2016

12. McMabe W L著;伍钦,钟理,夏清,译. Unit Operations of Chemical Engineering(化学工程单元操作)(英文改编版)[M].北京:化学工业出版社,2011