長(zhǎng) 春 工 業(yè) 大 學(xué) 課 程 教 案1

1、長(zhǎng) 春 工 業(yè) 大 學(xué) 課 程 教 案講 稿 用 紙講 授 內(nèi) 容教學(xué)設(shè)計(jì)備注5.1 概述本章考察流固兩相物系中固體顆粒與流體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在流固兩相物系中，不論作為連續(xù)相的流體處于靜止還是作莫種運(yùn)動(dòng)，只要固體顆粒的密度大于流體的密度，那么在重力場(chǎng)中，固體顆粒將在重力方向上與流體做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在離心力場(chǎng)中，則與流體作離心力方向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。許多化工過程與此種相對(duì)運(yùn)動(dòng)相聯(lián)系，例如：（1）兩相物系的沉降分離，其中依靠重力的稱為重力沉降，依靠離心力的稱為離心沉降。（2）流固兩相之間進(jìn)行某種物理與化學(xué)過程，如固體物料的干燥（氣流干燥、噴霧干燥、沸騰干燥）。（3）固體顆粒的流動(dòng)輸送。流固兩相物系內(nèi)的相對(duì)運(yùn)

2、動(dòng)規(guī)律是上述各過程設(shè)計(jì)計(jì)算的基礎(chǔ)。固體顆粒對(duì)流體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律與物理學(xué)中的自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的根本區(qū)別是后者不考慮流體對(duì)固體運(yùn)動(dòng)的阻力。當(dāng)固體尺寸較大時(shí)，阻力遠(yuǎn)小于重力，因而可以略去（舉蘋果重力沉降例子）。但當(dāng)顆粒尺寸較小時(shí)，或流體為液體時(shí)，阻力不容忽略（舉細(xì)粉筆頭或綠豆重力沉降）離子。由此可見，對(duì)流固兩相物系中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的考察應(yīng)從流體對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)的阻力著手。長(zhǎng) 春 工 業(yè) 大 學(xué) 課 程 教 案講 稿 用 紙講 授 內(nèi) 容教學(xué)設(shè)計(jì)備注5.2顆粒的沉降運(yùn)動(dòng)流體對(duì)固體顆粒的繞流前幾章討論靜止的固體壁面對(duì)流體流動(dòng)的阻力及由此產(chǎn)生的流體的機(jī)械能損失（習(xí)慣稱為阻力損失）。本節(jié)將著重討論流體與固體顆粒相對(duì)運(yùn)

3、動(dòng)時(shí)流體對(duì)顆粒的作用力曳力。流體與固體顆粒之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可分為以下三種情況： 顆粒靜止，流體對(duì)其做繞流； 流體靜止，顆粒作沉降運(yùn)動(dòng)； 顆粒與流體都運(yùn)動(dòng)，但保持一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。上述三種情況，只要顆粒與流體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度相同，流體對(duì)顆粒的作用力曳力（即阻力）在本質(zhì)上無區(qū)別，都是由于兩者間相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成的阻力。因此，可以第（1）種情況(繞流)為例來分析顆粒相對(duì)于流體作運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的阻力。（1）兩種曳力表面曳力和形體曳力回顧第1章流體沿固體壁面流過的阻力氛圍兩類：表皮阻力（即表面摩擦阻力）和形體阻力（邊界層分離產(chǎn)生旋渦），繞流時(shí)顆粒受到流體的總曳力=表面曳力+形體曳力。與流體、相對(duì)流速有關(guān)，而且受顆粒

4、的形狀與定向的影響，問題較為復(fù)雜。至今，只有幾何形狀簡(jiǎn)單的少數(shù)情況才可以得到的理論計(jì)算式。例如，粘性流體對(duì)球體的低速繞流（也稱爬流）時(shí)的理論式即斯托克律（Stokes）定律為：當(dāng)流速較高時(shí)，Sokes定律不成立。因此，對(duì)一般流動(dòng)條件下的球形顆粒及其其他形狀的顆粒，的數(shù)值尚需通過實(shí)驗(yàn)解決。（2）曳力（阻力）系數(shù)對(duì)球形顆粒，用因次分析并整理后可得 與關(guān)系的實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果見圖。長(zhǎng) 春 工 業(yè) 大 學(xué) 課 程 教 案講 稿 用 紙講 授 內(nèi) 容教學(xué)設(shè)計(jì)備注圖中球形顆粒的曲線在不同的雷諾數(shù)范圍內(nèi)可用公式表示如下：，層流區(qū)，Sokes定律區(qū) （5-6） ，過渡區(qū)，Allen定律區(qū) （5-7） ，湍流區(qū)，Ne

5、wton定律區(qū) （5-8） 注意定義與第1章不同，特別流型值亦不同！把代入式（5-5）得 說明在層流區(qū)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論推導(dǎo)一致。其他區(qū)域的解同學(xué)們可結(jié)合有關(guān)內(nèi)容自學(xué)掌握。我這里著重說明的是Allen定律誤差極大（平均誤差高達(dá)15.5%，應(yīng)當(dāng)加以否定）。陳文靖用多項(xiàng)式擬合計(jì)算區(qū)間內(nèi)的值，平均誤差僅0.486%，該式形式如下： 長(zhǎng) 春 工 業(yè) 大 學(xué) 課 程 教 案講 稿 用 紙講 授 內(nèi) 容教學(xué)設(shè)計(jì)備注（推廣到噴霧干燥，氣流干燥大部分均在次區(qū)間），式中，。 Allen誤差大的原因？（用直線取代本來是曲線的原始數(shù)據(jù)，偏離原始數(shù)據(jù)太遠(yuǎn)，計(jì)算誤差大） 計(jì)算機(jī)讀圖技術(shù)，一元非線性擬合，多元非線性擬合，多元

6、非線性智能擬合。靜止流體中顆粒的自由沉降（1）沉降的加速段將一個(gè)表面光滑的球形顆粒置于靜止的流體中，若，顆粒在重力的作用下沿重力方向作沉降運(yùn)動(dòng)，此時(shí)顆粒受到哪些力的作用呢根據(jù)牛頓第二定律得或者開始瞬間，最大，顆粒作加速運(yùn)動(dòng)。（2）沉降的等速階段隨，,到某一數(shù)值時(shí)，式（5-16）右邊等于零，此時(shí)，顆粒將以恒定不變的速度維持下降。此稱為顆粒的沉降速度或造端速度。對(duì)小顆粒，沉降的加速段很短，加速度所經(jīng)歷的距離也很小。因此，對(duì)小顆粒沉降的加速度可以忽略，而近似認(rèn)為顆粒始終以下降。 長(zhǎng) 春 工 業(yè) 大 學(xué) 課 程 教 案講 稿 用 紙講 授 內(nèi) 容教學(xué)設(shè)計(jì)備注（3）顆粒的沉降速度對(duì)球形顆粒，當(dāng)時(shí)，由式（

7、5-16）可得式中 與有關(guān)，也與有關(guān)，將不同區(qū)域的與的關(guān)系式（5-6）式（5-8）分別帶入上式，整理得，層流區(qū)（Sokes區(qū)） ，過渡區(qū)（Allen區(qū)） ，湍流區(qū)（Newton區(qū)） 因與有關(guān)，故需用試差法求解（試差步驟簡(jiǎn)介），有沒有什么辦法可以避免試差，請(qǐng)查閱其他教材，將查閱結(jié)果整理成書面材料（用自己的語言表達(dá)）于星期五之前按時(shí)間次序取前3名交給老師，期末成績(jī)加2分。與的關(guān)系式用陳文靖擬合式表達(dá)更精確，但求需編程計(jì)算，若感興趣的同學(xué)編譯通過的程序于星期五之前按時(shí)間順序取前3名交給老師，期末成績(jī)加5分。（4）其他因素對(duì)沉降速度的影響干擾沉降端效應(yīng)分子運(yùn)動(dòng)非球形顆粒長(zhǎng) 春 工 業(yè) 大 學(xué) 課 程

8、教 案講 稿 用 紙講 授 內(nèi) 容教學(xué)設(shè)計(jì)備注5.3 沉降分離設(shè)備 重力沉降設(shè)備1分級(jí)器利用不同粒徑或不同密度的顆粒在流體中的沉降速度不同這一原理來實(shí)現(xiàn)它們分離的設(shè)備稱為分級(jí)器。將沉降速度不同的兩種顆粒傾倒到向上流動(dòng)的水流中，若水的速度調(diào)整到在兩者的沉降速度之間，則沉降速度較小的那部分顆粒便被漂走分出。若有密度不同的a、b兩種顆粒要分離，且兩種顆粒的直徑范圍都很大，則由于密度大而直徑小的顆粒與密度小而直徑大的顆?？赡芫哂邢嗤某两邓俣?，使兩者不能完全分離。上式表明，不同直徑的顆粒因?yàn)槊芏炔煌哂邢嗤某两邓俣龋撌酱砹司哂邢嗤两邓俣鹊膬煞N顆粒的直徑比。2降塵室（1）工作原理：如圖所示，氣

9、體入室后，因流通截面擴(kuò)大而速度減慢。氣流中的塵粒一方面隨氣流沿水平方向運(yùn)動(dòng)，其速度與氣流速度相同；另一方面在重力作用下以沉降速度垂直向下運(yùn)動(dòng)。只要?dú)怏w室內(nèi)所經(jīng)歷時(shí)間大于塵粒從室頂沉降到室底所用時(shí)間，塵粒便可分離出來。長(zhǎng) 春 工 業(yè) 大 學(xué) 課 程 教 案講 稿 用 紙講 授 內(nèi) 容教學(xué)設(shè)計(jì)備注（2）能被除去的最小顆粒直徑：顯然，粒子直徑越大，越容易被除去。下面考慮如何確定能被作去的最小顆粒直徑。前已述及，某一粒徑的粒子能100%被除去的條件是其從室頂沉降到室底所需要時(shí)間小于氣流在室內(nèi)的停留時(shí)間，前者可用該粒子的室高除以沉降速度而得；而后者由室長(zhǎng)除以氣流速度而得：，即（4）其中為以氣體體積流量表

10、示的處理量，m3/s；為降塵室的底面積，。該式給出了顆粒能被除去的條件，即其沉降速度要大于處理量與底面積之商。顯然，該式取等號(hào)式時(shí)對(duì)應(yīng)著能被除去的最小顆粒（因?yàn)榭紤]的是最小顆粒直徑，所以可以認(rèn)為沉降運(yùn)動(dòng)處于層流區(qū)）。，（5）說明：顯然，能被（100%）除去的最小顆粒尺寸不僅與顆粒和氣體的性質(zhì)有關(guān)，還與處理量和降塵室底面積有關(guān)。（3）最大處理量：由式（4）可知，由此可以計(jì)算含塵氣體的最大處理量。說明：含塵氣體的最大處理量與某一粒徑對(duì)應(yīng)的，是指這一粒徑及大于該粒徑的顆粒都能100%被除去時(shí)的最大氣體量；最大的氣體處理量不僅與粒徑相對(duì)應(yīng)，還與降塵室底面積有關(guān)，底面積越大處理量越大，但處理量與高度無關(guān)

11、。為此，降塵室都做成扁平形；為提高氣體處理量，室內(nèi)以水平隔板將降塵室分割居若干層，稱為多層降塵室。隔板的間距應(yīng)考慮出灰的方便。（4）補(bǔ)充說明：氣體在降塵室內(nèi)流通截面上的均布非常重要，分布不均必須有部分氣體在室內(nèi)停留時(shí)間過短，其中所含顆粒來不及沉降而被帶出室外。為使氣體均布，降塵室進(jìn)出口通常都做成錐形；為防止操作過程中已被除下的塵粒又被氣流重新卷起，降塵室的操作氣速往往很低；另外，為保證分離效率，室底面積也必須較大。因此，降塵室是一種龐大而低效的設(shè)備，通常只能捕獲大于50的粗顆粒。要將更細(xì)小的顆粒分離出來，就必須采用更高效的除塵設(shè)備。長(zhǎng) 春 工 業(yè) 大 學(xué) 課 程 教 案講 稿 用 紙講 授 內(nèi)

12、 容教學(xué)設(shè)計(jì)備注 離心沉降設(shè)備 顆粒在重力或離心力場(chǎng)中都可發(fā)生沉降過程。利用離心力比利用重力要有效得多，因?yàn)轭w粒的離心力由旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生，轉(zhuǎn)速越大，則離心力越大；而顆粒所受的重力卻是固定的。因此，利用離心力作用的分離設(shè)備不僅可以分離出比較小的顆粒，而且設(shè)備的體積也可縮小很多。 1旋風(fēng)分離器（1）構(gòu)造與工作原理：旋風(fēng)分離器是利用離心沉降原理從氣流中分離出顆粒的設(shè)備。如圖所示，上部為圓筒形、下部為圓錐形；含塵氣體從圓筒上側(cè)的矩形進(jìn)氣管以切線方向進(jìn)入，藉此來獲得器內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。氣體在器內(nèi)按螺旋形路線向器底旋轉(zhuǎn)，到達(dá)底部后折而向上，成為內(nèi)層的上旋的氣流，稱為氣芯，然后從頂部的中央排氣管排出。氣體中所夾帶的

13、塵粒在隨氣流旋轉(zhuǎn)的過程中，由于密度較大，受離心力的作用逐漸沉降到器壁，碰到器壁后落下，滑向出灰口。 旋風(fēng)分離器各部分的尺寸都有一定的比例，只要規(guī)定出其中一個(gè)主要尺寸，如圓筒直徑D或進(jìn)氣口寬度B，則其它各部分的尺寸亦確定。（2）分離性能估計(jì)能被分離出的最小顆粒直徑臨界直徑：假定：顆粒與氣體在旋風(fēng)分離器內(nèi)的切線速度恒定，與所在位置無關(guān)，且等于在進(jìn)口處的速度；顆粒沉降過程中所穿過的最大氣層厚度等進(jìn)氣口寬度B；顆粒與氣流的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為層流。在第三個(gè)假設(shè)條件下，顆粒沉降速度仍可用Stokes公式表示，只是需要將其中重力加速度換為離心加速度?？紤]到氣體的密度遠(yuǎn)小于顆粒的密度，并以氣體進(jìn)口速度代替切線速度，旋

14、轉(zhuǎn)半徑取平均值，則沉降速度可表示為：根據(jù)第二條假設(shè)，沉降時(shí)間=令氣體進(jìn)入氣芯以前在向內(nèi)旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)為N，由運(yùn)行距離為，故得氣體在器內(nèi)的有效停留時(shí)間為：停留時(shí)間=某一粒徑的顆粒能100%地被分離出來的條件是：該粒徑的顆粒穿過最大氣層厚度所需要時(shí)間小于等于氣體在器內(nèi)的有效停留時(shí)間，即長(zhǎng) 春 工 業(yè) 大 學(xué) 課 程 教 案講 稿 用 紙講 授 內(nèi) 容教學(xué)設(shè)計(jì)備注；（6）上式如果取等號(hào)，就是恰好能100%被分離出來的顆粒直徑，以表示。其中氣體在器內(nèi)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)N經(jīng)常取5?？梢姡R界直徑不僅與顆粒和氣體的性質(zhì)有關(guān)，而且與旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)和處理量有關(guān)。處理量越?。ㄔ叫。㈩w粒密度越大、進(jìn)口越窄、長(zhǎng)徑比越大（N越

15、大），則臨界直徑越小，或者說越容易分離。導(dǎo)出該式的假定很勉強(qiáng)，故只屬粗略估計(jì)。分離效率粉塵中含有大小不同的顆粒，通過旋風(fēng)分離器后，各種大小不同的顆粒被分離出的百分?jǐn)?shù)各不相同，按顆粒大小分別表示出各自被分離的質(zhì)量分率，此即粒級(jí)效率。顯然，直徑大于臨界直徑的顆粒粒級(jí)效率均為1。假設(shè)顆粒進(jìn)入器內(nèi)時(shí)分布完全均勻，則與器壁距離小于的各種直徑的顆粒所占的質(zhì)量分率應(yīng)為。有些顆粒，雖然直徑小于臨界直徑，但進(jìn)入器內(nèi)時(shí)它們與器壁的距離小于B，故也可能被分離。由式（6）可知，能被分離出的顆粒直徑與此顆粒距器壁的距離的1/2次成正比。于是：?？紤]式（6）的意義，該式的含意是：進(jìn)入時(shí)離器壁為的顆粒中，直徑等于的都能被分離，即。于是：式中的即為直徑等于d的顆粒的粒級(jí)效率。進(jìn)入旋風(fēng)分離器的全部粉塵中實(shí)際上能被分離出來的總質(zhì)量分率，稱為總效率?？傂什粌H與旋風(fēng)分離器的粒級(jí)效率有關(guān)，還與進(jìn)入粉塵的粒