第四章 顆粒與流體之間的相對(duì)流動(dòng)

1、第四章 顆粒與流體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng) 本章學(xué)習(xí)目的與要求 n掌握顆粒與流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的基本理論， 為食品流化加工、沉降分離加工等工藝 設(shè)計(jì)、設(shè)備選型提供原理知識(shí)。 n要求學(xué)生掌握流體繞過(guò)顆粒以及顆粒在 流體中沉浮的速度和阻力計(jì)算方法。 n分析并處理流化加工、氣力輸送、沉降 和過(guò)慮中的工程實(shí)際問(wèn)題。 4-1 流體繞過(guò)顆粒及顆粒床層的流動(dòng) n單顆粒特性 v球形和非球形 （ dev, des, dea, s） 非球形顆粒四個(gè)幾何參數(shù)之間的關(guān)系？ n床層特性 v空隙率 v各向同性 v比表面積 n顆粒群的特性 n 顆粒床層特性 n頻率函數(shù) n分布函數(shù) 注意兩函數(shù)間的轉(zhuǎn)化關(guān)系？ n 顆粒群的特性 ipd idi

2、-1d 0 i f pd 粒徑 密度函數(shù) f 0 分布函數(shù)F pd 粒徑 i pdmaxd 1.0 iF 4-1 流體繞過(guò)顆粒及顆粒床層的流動(dòng) n 流體繞球形顆粒的流動(dòng) A B C 85 0 u0 A BC 140 0 u0 理想流體 實(shí)際流體 v總曳力 v顆粒雷諾數(shù) 斯托克斯（Stockes）定律 sincos DSFw AA FFFdApdA Re p p d u 4-1 流體繞過(guò)顆粒及顆粒床層的流動(dòng) n 曳力與雷諾數(shù) n 修正雷諾數(shù)Rep關(guān)系 4-1 流體繞過(guò)顆粒及顆粒床層的流動(dòng) 4-2 顆粒在流體中的流動(dòng) n顆粒沉降受力及形態(tài) 重力Fg； 浮力Fb； 曳力FDRet500Ret 1 v

3、受力分析 v沉降速度 對(duì)球形顆粒，加速度為零時(shí)： 4-2 顆粒在流體中的流動(dòng) n自由沉降和沉降速度 4 3 pp t d bD du FFFm d Fg Fb FD n沉降速度計(jì)算方法 v試差法 滯流區(qū)（Rep或Ret 1）： 過(guò)渡區(qū)（1Rep（或Ret）500）： 湍流區(qū)（500 Rep（或Ret）2105）： v摩擦因數(shù)群法（圖解法） 2 18 pp t dg 57 1.6 0.40.6 0.154 pp t dg 1.74 pp t dg 計(jì)算實(shí)例見(jiàn)教材P287例41和42 4-3 固體流態(tài)與氣力輸送 n固體流化態(tài) v基本概念 v流態(tài)化過(guò)程 固定床階段流化床階段 氣力輸送階段 4-3 固

4、體流態(tài)與氣力輸送 n流化床主要特性及流化類型 (c)(d)(a)(b) p L (e) u u uuuu 充分流態(tài)化時(shí)呈現(xiàn)類似液體的性質(zhì) v簡(jiǎn)化模型 v壓力降 v臨界流化速度 n流化床的流體力學(xué) L u Le u 表觀速度 p p m pg A 2 () 1650 ep mf dg u n流化床的傳熱 計(jì)算公式：() bw Qs TT 流化床傳熱機(jī)理 流化床內(nèi)溫度分別 v流化技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用 Fluidized heating or cooling Fluidized drying Fluidized granulation 4-3 常見(jiàn)流化床設(shè)備 Conic bottomed Flat

5、 bottomed Horizontal drying chambers 4-3 固體流態(tài)與氣力輸送 n氣力輸送 Conic bottomed Flat bottomedHorizontal drying chambers 風(fēng)機(jī) 料倉(cāng) 進(jìn)料段 顆粒加速段 膨脹段密相稀相 彎管加速區(qū) 高磨損區(qū) 氣固分離 v氣力輸送原理 氣源顆粒進(jìn)料與加速段 穩(wěn)定輸送階段氣源 氣固分離器 4-3 固體流態(tài)與氣力輸送 n氣力輸送 輸送氣流速度與流動(dòng)狀態(tài)的關(guān)系 n氣力輸送 v氣體輸送類型及裝置 v吸引式 低真空吸引 氣源真空度13kPa 高真空吸引 氣源真空度0.06kPa n氣力輸送 v壓送式 氣源表壓 0.050

6、.2MPa 4-4 非均勻相混合物的分離 n重力沉降 v應(yīng)用 氣體的除塵 懸浮液的增稠 固體物料的分級(jí) 固體物料的分類 分級(jí)原理示意圖 4-4 重力沉降的設(shè)備 降 塵 室 n降塵室工作原理 t t H u tr 停留時(shí)間： 顆粒被分離 出的條件： 沉降時(shí)間： r L u 塵粒在降塵室內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài) n干擾沉降 v產(chǎn)生原因 v間歇沉降試驗(yàn)觀察懸浮液的沉聚過(guò)程 v沉降器 間歇式，半連續(xù)式和連續(xù)式 4-4 非均勻相混合物的分離 n離心沉降 v離心沉降速度 2 4 3 ppT r du u r uT為切向速度 離心分離因素： 22 T c ru K ggr Kc越大，設(shè)備分離效果越好 4-4 非均勻相混

7、合物的分離 n離心沉降設(shè)備 n旋風(fēng)分離結(jié)構(gòu)與操作原理 n旋風(fēng)分離的性能 v臨界直徑 v分離效率 總效率 粒級(jí)效率 9 c eip B d N u 12 0 1 cc c 12 1 ii pi i cc c 計(jì)算實(shí)例見(jiàn)教材P326例45 n標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離的粒級(jí)效率曲線 粒級(jí)效率曲線 標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器的p d/d50的曲線 4-4 非均勻相混合物的分離 n過(guò)濾 v過(guò)濾操作的基本概念 過(guò)濾介質(zhì) 濾餅 濾漿 濾液 助濾劑 過(guò)濾阻力、推動(dòng)力 v典型過(guò)濾操作程序 過(guò)濾 濾餅洗滌 濾餅去濕 濾餅卸除 常見(jiàn)的過(guò)濾設(shè)備 板框壓濾機(jī) 板框壓濾機(jī)操作簡(jiǎn)圖 葉濾機(jī) 轉(zhuǎn)鼓真空過(guò)濾機(jī) 流線式過(guò)濾機(jī)層濾器 4-4 非均勻相混合

8、物的分離 n過(guò)濾基本方程 v過(guò)濾速度 對(duì)于顆粒床層內(nèi)的滯流流動(dòng)K=5 v濾餅阻力 設(shè) ，則上式變?yōu)椋?r 為濾餅的比阻； R= rL為濾餅阻力。 3 2 2 1 c pdV u Ad K aL 由康采尼公式得 3 2 2 51 r a cc ppdV Adr LR v過(guò)濾阻力 過(guò)濾阻力是R與Rm （過(guò)濾介質(zhì)的阻力）之和 v過(guò)濾基本方程 其中， ， s為濾餅的壓縮指數(shù)（0s1）， 對(duì)于不可壓縮濾餅s0。K與濾漿有關(guān)與壓差無(wú)關(guān)的過(guò)濾常數(shù)，K與 濾漿和壓差有關(guān)的過(guò)濾常數(shù) cm em ppdVp AdrLLRR 21 s e dVAp dvrVV () s rrp 2 2 e dVKA dVV v恒壓過(guò)濾方程 v恒速過(guò)濾方程 v先恒速后恒壓過(guò)濾方程 v過(guò)濾常數(shù) 22 22 22 2 ()() ee e ee VKA VVVKA VVKA 22 2 e K VVVA 間歇過(guò)濾的濾液量與過(guò)濾時(shí)間的關(guān)系 222 111 ()2()() 2 e K VVVV VA 1 11 1 12 ()() e qqqq qqKK 取一系列q和值作圖可得K和qe v間歇過(guò)濾機(jī)的計(jì)算 v連續(xù)過(guò)濾機(jī)的計(jì)算 2 z wD ALBZ VLBZ V Q 過(guò)濾計(jì)算 例子見(jiàn)教材P352例48 總過(guò)