化工原理第三章第一节PPT课件
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化工原理 第三章教材
现有一底面积为 2m2的降尘室，用以处理 20℃的常压含 尘空气。尘粒密度为 1800kg/m3。现需将直径为 25μm 以上 的颗粒全部除去，试求：
(1) 该降尘室的含尘气体处理能力，m3/s；
(2) 若在该降尘室中均匀设置 9 块水平隔板，则含尘气 体的处理能力为多少 m3/s？
B、增稠器----分离悬浮液（连续生产过程）
① 干扰沉降：相邻颗粒的运动改变了原来单个颗粒周 围的流场，颗粒沉降相互干扰
② 壁效应：壁面，底面处曳力 ↓ ③ 颗粒形状：
例 5-1 颗粒大小测定 已测得密度为 ρp = 1630kg/m3 的塑料珠在 20℃ 的 CCl4 液体中的 沉降速度为 1.70×10-3m/s，20℃时CCl4 的密度ρ=1590kg/m3，粘度 μ=1.03×10-3Pa/s，求此塑料珠的直径
A、受力分析
重力：Fg
mg
6
d
3 p
p
g
浮力：
Fb
m
p
g
6
d
3 p
g
曳力： Fd
Ap
1 u2
2
B、重力沉降的几个阶段
1. 沉降的加速阶段：
设初始速度为0，根据牛顿第二定律：
Fg
Fb
Fd
m du
d
0
du
(p
)g
3
u2
d
p
4d p p
2. 沉降的等速阶段
u Fd
, du
d
某一时刻，du d
悬浮液在任何设备内静置，均会发生沉降过程，其中固体颗粒在 重力作用下沉降与液体分离
➢ 工作原理： ➢ 沉降的两个阶段： 上部----自由沉降 下部----干扰沉降
(1) 该降尘室的含尘气体处理能力，m3/s；
(2) 若在该降尘室中均匀设置 9 块水平隔板，则含尘气 体的处理能力为多少 m3/s？
B、增稠器----分离悬浮液（连续生产过程）
① 干扰沉降：相邻颗粒的运动改变了原来单个颗粒周 围的流场，颗粒沉降相互干扰
② 壁效应：壁面，底面处曳力 ↓ ③ 颗粒形状：
例 5-1 颗粒大小测定 已测得密度为 ρp = 1630kg/m3 的塑料珠在 20℃ 的 CCl4 液体中的 沉降速度为 1.70×10-3m/s，20℃时CCl4 的密度ρ=1590kg/m3，粘度 μ=1.03×10-3Pa/s，求此塑料珠的直径
A、受力分析
重力：Fg
mg
6
d
3 p
p
g
浮力：
Fb
m
p
g
6
d
3 p
g
曳力： Fd
Ap
1 u2
2
B、重力沉降的几个阶段
1. 沉降的加速阶段：
设初始速度为0，根据牛顿第二定律：
Fg
Fb
Fd
m du
d
0
du
(p
)g
3
u2
d
p
4d p p
2. 沉降的等速阶段
u Fd
, du
d
某一时刻，du d
悬浮液在任何设备内静置，均会发生沉降过程，其中固体颗粒在 重力作用下沉降与液体分离
➢ 工作原理： ➢ 沉降的两个阶段： 上部----自由沉降 下部----干扰沉降
化工原理第三章传热
Q S
Kt m
t m
1/ K
(1-3)
传 热 速 率
传热温度差（推动力） 热阻（阻力）
式中：△tm──传热过程的推动力， ℃ 1/K ──传热总阻力（热阻），m2 ·℃/W
两点说明：
➢ 单位传热面积的传热速率(热通量)正比于推动力，反比于 热阻。因此，提高换热器的传热速率的途径是提高传热推
动力和降低热阻。
三、 换热器类型
换热器：实现冷、热介质热量交换的设备
用于输送热量的介质—载热体。 加热介质（加热剂）：起加热作用的载热体。水蒸气、热水等。 冷却介质（冷却剂）：起冷却作用的载热体。冷水、空气制冷剂。
① 直接混合式 —— 将热流体与冷流体直接混合的一种传热方式。 ② 蓄热式 —— 热量 存储在热载体上 传递给冷流体。如
式中：d1为套管的内管直径，d2为套管的内管直径。
应用范围：
Re 1200 ~ 220000, d2 1.65 ~ 17 d1
特征尺寸： 流动当量直径de。
定性温度： 流体进、出口温度的算术平均值。
滴状冷凝：若冷凝液不能润湿壁面，由于表面张力的作用，冷凝 液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面落下，此中冷凝 称为。在实际生产过程中，多为膜状冷凝过程。
➢ 一般金属（固体）的导热系数>非金属（固体）>液体>气体
➢ 多数固体λ与温度的关系
λ=k0+k×t
单位：W/(m •K)
k0 --0℃下的导热系数
k为经验常数。
对大多数金属材料，其k值为负值；对非金属材料则为正值。
➢ 对于金属 t ↑ λ↓(通过自由电子的运动) 对于非金属 t ↑ λ↑ (通过靠晶格结构的振动) 对于液体 t ↑ λ↓ (通过靠晶格结构的振动) 对于气体 t ↑ λ↑ (通过分子不规则热运动)
化工原理 第三章非均相物系分离 第一节重力沉降 课件
无因次数群K也可以判别流型
d ( ρs − ρ)g ut = 18µ
2
2011-11-9
d 3(ρs − ρ)ρg K3 Ret = = 2 18µ 18
当Ret=1时K=2.62，此值即为斯托克斯区的上限 牛顿定律区的下限K值为69.1 例：试计算直径为95µm，密度为3000kg/m3的固体颗粒分 别在20℃的空气和水中的自由沉降速度。 解：1）在20℃水中的沉降。 用试差法计算 先假设颗粒在滞流区内沉降 ，
2011-11-9
ξ=
4dg( ρs − ρ) 3ρut
2
QReet2 =
4d 3 ρ(ρs − ρ)g 3µ 2
2
令 k = d3 ρ( ρs − ρ)g 2
µ
4 3 ξ Re t = k 3
因ξ是Ret的已知函数，ξRet2必然也是Ret的已知函数， ξ～Ret曲线便可转化成 ξRet2～Ret曲线。 计算ut 时，先由已知数据算出ξRet2 的值，再由ξRet2～Ret 曲线查得Ret值，最后由Ret反算ut 。
——艾伦公式
c) 滞流区或牛顿定律区（Nuton）（103＜Ret ＜ 2×105） 滞流区或牛顿定律区（ ） ×
ξ = 0.44
ut =1.74 d( ρs − ρ)g
ρ
——牛顿公式
2011-11-9
3、影响沉降速度的因素 、
1）颗粒的体积浓度 ） 在前面介绍的各种沉降速度关系式中，当颗粒的体积浓 度小于0.2%时，理论计算值的偏差在1%以内，但当颗粒浓 度较高时，由于颗粒间相互作用明显，便发生干扰沉降， 自由沉降的公式不再适用。 2）器壁效应 ） 当器壁尺寸远远大于颗粒尺寸时，（例如在100倍以上） 容器效应可忽略，否则需加以考虑。
化工原理课件-第三章传热
3-1 概述3-2 热传导3-3 3传热书P115对流传热3-4 传热过程计算3-5 热辐射3-6 换热器3-1-1 传热过程在化工生产中的应用3-1-2 传热的三种基本方式3-1-3 3-1概述书P128冷热流体的接触方式3-1-4 热载体及其选择3-1-5 间壁式换热器的传热过程3-1-1 传热过程在化工生产中的应用加热或冷却回收热量保温强化传热过程削弱传热过程3-1-2 传热的三种基本方式一、热传导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；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。
二、对流流体内部质点发生相对位移的热量传递过程。
自然对流：由于流体内温度不同造成的浮升力引起的流动。
强制对流：流体受外力作用而引起的流动。
三、热辐射物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐射。
能量转移、能量形式的转化；不需要任何物质作媒介。
对流传热：流体与固体壁面之间的传热过程。
3-1-3 冷热流体的接触方式一、直接接触式板式塔填料塔凉水塔二、蓄热式低温流体优点：•结构较简单；•耐高温。
缺点：•设备体积大；•有一定程度的混合。
高温流体三、间壁式（1）套管换热器热流体T 1传热面为内管壁的表面积冷流体t1t2T2（2）列管换热器热流体T 1传热面为壳内所有管束壁的表面积T 2冷流体t 1t 23-1-4 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；用电加热。
冷却剂：水、空气、冷冻盐水、液氨等加热温度 180 C饱和水蒸气（高、中及低压）冷却温度 30 C水3-1-5 间壁式换热器的传热过程一、基本概念热负荷Q’：工艺要求，某流体需升温或降温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。
化工原理课件：3.1
传热的三种基本方式
1. 热传导
热量从物体内部温度较高的部分传递到温度较低的 部分或者传递到与之相接触的温度较低的另一物体的过 程称为热传导，简称导热。
特点：物质间没有宏观位移，只发生在静止物质内的一 种传热方式。 微观机理因物态而异
•气体 分子做不规则热运动时相互碰撞的结果 •固体 导电体：自由电子在晶格间的运动
3）烟道气 烟道气的温度可达700℃以上，可以将物料加热到比较高的
温度 。 缺点：传热速度慢，温度不易控制。
4）高温载热体： 优点：沸点高（饱和蒸汽压低），化学性质稳定。
2. 冷却剂（冷源）
一般采用水、空气和冷冻盐水、液氨等作为冷源。 通常
• 加热温度180C 饱和水蒸气(加热剂） • 冷却温度30C 水（冷却剂）
对流 导 对流
Q
热
(2)管壁内侧Q2( 热传导) 管壁外侧
热
流 体 T2
冷 流
(3)管壁外侧Q3 (对 流) 冷流体
t1 体
定态传热： Q1 Q2 Q3 Q
总传热速率方程：
传热速率
传热温差（推动力） 热阻（阻力）
Q
KAtm
tm 1/ KA
总传热推动力 总热阻
壁的面积称为传热面，是间壁式换热器的基本尺寸。
间壁式 （1）套管换热器
热流体T1
t2
冷流体t1
T2
传热面为内管的表面积
（2）列管换热器
热流体T1
t2
冷流体t1
T2
传热面为壳内所有管束的表面积
3.1.4 传热学中一些基本概念
一、基本概念 热负荷Q’：工艺要求，同种流体需升温或降温时 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。
化工原理3-1
返回
动画1 动画2
冷热流体直接混合交换热量
冷热流体间接 交换热量
返回
图3-4 返回
图3-5
返回
4. 某燃烧炉的平壁由耐火砖、绝热砖和普通砖三种 砌成，它们的导热系数分别为1.2W/(m·℃)，0.16 W/(m·℃)和0。92 W/(m·℃)，耐火砖和绝热转厚度 都是0.5m，普通砖厚度为0.25m。已知炉内壁温为 1000℃，外壁温度为55℃，设各层砖间接触良好， 求每平方米炉壁散热速率。
b1 ∆t1 = t1 − t 2 = Q λ 1S
因为串联，（定态传热时通过各层的导热速率必相等） 即Q=Q1=Q2=Q3
∆t 2 = t 2 − t3 =
b2 Q λ 2S
∆t 3 = t3 − t 4 = Q
(层数n=3)
b3 λ 3S
上述三式相加,整理得:
t1 − t 4 Q= 3 = bi ∑ Sλ 返回 i =基本方式：传导、对流和辐射。 热传递三种基本方式：传导、对流和辐射。 一、传 导 是物体中温度较高部分分子，通过碰撞或振动 是物体中温度较高部分分子， 将热能以动能形式传给相邻温度较低部分的分子， 将热能以动能形式传给相邻温度较低部分的分子， 这种物体内分子不发生宏观位移的传热方式。 这种物体内分子不发生宏观位移的传热方式。 二、对 流 是流体之间的宏观相对位移所产生的对流运动 将热量由空间中一处传到他处的现象。 ，将热量由空间中一处传到他处的现象。 三、辐 射 是一种以电磁波传递热量的方式。 是一种以电磁波传递热量的方式。
返回
3-2-2 平壁的热传导
仅限于讨论以下条件的热传导 ⑴稳定导热； ⑵平壁面积与平壁厚度相比很大，热量只沿垂直壁面的 Ｘ方向作一维传导； ⑶单层或多层平壁中每层都为均质材料，各层导热系数 均为不随温度而变化的常数
动画1 动画2
冷热流体直接混合交换热量
冷热流体间接 交换热量
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图3-4 返回
图3-5
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4. 某燃烧炉的平壁由耐火砖、绝热砖和普通砖三种 砌成，它们的导热系数分别为1.2W/(m·℃)，0.16 W/(m·℃)和0。92 W/(m·℃)，耐火砖和绝热转厚度 都是0.5m，普通砖厚度为0.25m。已知炉内壁温为 1000℃，外壁温度为55℃，设各层砖间接触良好， 求每平方米炉壁散热速率。
b1 ∆t1 = t1 − t 2 = Q λ 1S
因为串联，（定态传热时通过各层的导热速率必相等） 即Q=Q1=Q2=Q3
∆t 2 = t 2 − t3 =
b2 Q λ 2S
∆t 3 = t3 − t 4 = Q
(层数n=3)
b3 λ 3S
上述三式相加,整理得:
t1 − t 4 Q= 3 = bi ∑ Sλ 返回 i =基本方式：传导、对流和辐射。 热传递三种基本方式：传导、对流和辐射。 一、传 导 是物体中温度较高部分分子，通过碰撞或振动 是物体中温度较高部分分子， 将热能以动能形式传给相邻温度较低部分的分子， 将热能以动能形式传给相邻温度较低部分的分子， 这种物体内分子不发生宏观位移的传热方式。 这种物体内分子不发生宏观位移的传热方式。 二、对 流 是流体之间的宏观相对位移所产生的对流运动 将热量由空间中一处传到他处的现象。 ，将热量由空间中一处传到他处的现象。 三、辐 射 是一种以电磁波传递热量的方式。 是一种以电磁波传递热量的方式。
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3-2-2 平壁的热传导
仅限于讨论以下条件的热传导 ⑴稳定导热； ⑵平壁面积与平壁厚度相比很大，热量只沿垂直壁面的 Ｘ方向作一维传导； ⑶单层或多层平壁中每层都为均质材料，各层导热系数 均为不随温度而变化的常数
化工原理第3章-1
2 9.81 1.512
0.032 0.053
例：用水泵向高位密闭水箱供水，水箱中液面上方压力为 0.2MPa，管路流量为150m3/h，泵轴中心线距水池液面和水箱 液面的垂直距离分别为2.0m和25m，如附图所示。泵吸入管与 排出管分别为内径205mm和内径180mm的钢管。吸入管管长 10m，管路上装有一个吸水底阀和一个90°标准弯头；排出管 管长200m，其间有全开的闸阀1个和90°标准弯头1个。试求 泵吸入口处A点的真空表读数和泵的轴功率，设泵的效率为 65%。
A
A
流动方向
流动方向
A
A
u0
A
B 分离点 C
C'
倒流
D
X
▪局部阻力计算
✓ 阻力系数法
将局部阻力表示为动能的倍数关系
ξ通过实验测定
hf
u2 2
✓ 当量长度法
若流体流过某局部的阻力在数值上等于长度为le的同径直 管的阻力，则称le为当量长度，局部阻力用长为le的直管 阻力表示
le通过实验测定
hf
1.20105
(湍流)
取钢管绝对粗糙度
0.3mm 则 d 0.3 5.66103
53
查图2-7得摩擦系数
0.032
均压管
管进口突然缩小 90°的标准弯头 球心阀（全开）
0.5 0.75 6.4
1
1
溢 流A 6m
H2 2
B 3.5m
以容器A液面为1-1截面，倒U型管最高点处为2-2截面，并以 该截面处管中心线所在平面为基准面
hf
l d
u2 2
d
u
l
第三章 化工原理第四版王志魁(1)
2021/7/26
32
（二）过滤介质
类别： • 织物介质 • 多孔性固体介质 • 堆积介质 • 多孔膜：高聚物膜、无机膜
2021/7/26
33
（三）滤饼的可压缩性与助滤剂
不可压缩滤饼：空隙不随压力变化 可压缩滤饼：空隙随压力增加而减小 ——加助滤剂
（四）过滤过程物料衡算 （1）湿滤渣密度
C 1 C 1
C p C——kg湿渣/kg干渣
2021/7/26
34
（2）干渣质量与滤液体积之比
w
X
(1 CX ) /
kg干渣/m3滤液
X——kg固体/kg悬浮液 （3）湿渣质量与滤液体积之比
wC ——kg湿渣/m3滤液
（4）湿渣体积与滤液体积之比
wC v
c
m3滤饼/m3滤液
2021/7/26
35
二、过滤速率基本方程式
37
令 r 32 ——滤饼的比阻
d2
过滤速度
dV
Ad
pc
r Vc
A
滤饼阻力 过滤介质阻力
Rc
r VC
A
rv V
A
Rm
rv Ve
A
v——获得单位体积滤液所形成滤饼的体积，
m3滤饼/m3滤液；
2021/7/26
38
（二）过滤基本方程
滤饼层：
dV pc
Ad Rc
过滤介质层：
dV pm
Ad Rm
（一）过滤速率
过滤速率： dV m3 / s
d
过滤速度： dV m / s
Ad
设为层流流动
d 2 Δp
Δp
u
32l
32l
d2
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中除去。
颗粒在降尘室中的运动
2021/2/12
降尘室
思考3：要想使某一粒度的颗粒在降尘室 中被100%除去，必须满足什么条件？
思考4：能够被100%除去的最小颗粒， 必须满足什么条件？
t
0
H u0
t
0
即L u
H u0
u0
d 2 s g
18
dmin
18Hu
gs L
g
18
s
Vs A0
连续相 包围着分散相物质且处于连续 连续相介质 状态的流体
如：气态非均相物系中的气体 液态非均相物系中的连续液体
连续相与分散相 分离
不同的物理性质
机械 分离
分散相和连续相 发生相对运动的方式
2021/2/12
沉降 过滤
2021/2/12
2021/2/12
2021/2/12
2021/2/12
2021/2/12
r2
r
B ur
C
u
ut
颗粒在旋转流场中的运动
2021/2/12
1、自由沉降
Rer=dur/ 1或2
层流区 24
Rer
ur
d 2 s ar
18
d 2 s 2r
18
d 2 s ut2
18r
KC
ac g
-----离心分离因数 数值约为几千～几万
对照重力场
u0
d 2 s g
18
A
r1 O
S Sp
对于球形颗粒，φs=1，颗粒形状与球形的差异愈大，球形
通过因次分析法得知，ξ值是颗粒与流体相对运动时的
雷诺数Ret的函数。 对于球形颗粒的曲线，按Ret值大致分为三个区： a) 滞流区或托斯克斯(stokes)定律区（10 –4＜Ret<1）
24
Ret
ut
d 2s
18
——斯托克斯公式
2021/2/12
颗粒沉降的阻力系数与雷诺数的关系
2021/2/12
2021/2/12
mg1
s
u02
2
4
d2
0
质m量g力或Fmc ar
颗粒在流体中沉降时受力
1、自由沉降
d 3
6
s 1
s
g
d 2
4
u02
2
0
u0
4d s g
3
Re0=du0/ 1或2
层流区 24
Re0
u0
d
2s
18
g
----斯托克斯定律
2021/2/12
2、阻力系数ξ
b) 过渡区或艾伦定律区（Allen）（1＜Ret<103）
18.5 Ret0.6
ut 0.269
gd s Re t0.6
——艾伦公式
c) 滞流区或牛顿定律区（Nuton）（103＜Ret ＜ 2×105）
0.44
ut 1.74
d s g
——牛顿公式
2021/2/12
1、自由沉降
2021/2/12
非均相混合物 物系内部有隔开两相的界面存在且 界面两侧的物料性质截然不同的混
合物。 固体颗粒和气体构成的含尘气体
例如 固体颗粒和液体构成的悬浮液 不互溶液体构成的乳浊液 液体颗粒和气体构成的含雾气体
非均相物系
分散相 分散物质
处于分散状态的物质 如：分散于流体中的固体颗粒、 液滴或气泡
第三章 机械分离与固体
流态化
第一节 重力沉降
一、沉降速度
1、球形颗粒的自由沉降 2、阻力系数 3、影响沉降速度的因素 4、沉降速度的计算 5、分级沉降
二、降尘室
1、降尘室的结构 2、降尘室的生产能力
2021/2/12
混合物
均相混合物 物系内部各处物料性质均匀而且不 存在相界面的混合物。 例如：互溶溶液及混合气体
以速度u
以速度ut
随气体流动 作沉降运动
2021/2/12
1．重力沉降设备
降尘室
气体
气体
结构：
进口
出口
除尘原理：
思考1：为什么气体进入降尘 室后，流通截面积要扩大？
集灰斗
思考2：为什么降尘室要做成扁平的？
L
停留时间 t
L u
沉降时间 0 高度 u0
含尘气体
B
u
H
若t 0
则表明，该颗粒能在降尘室 u0
离心沉降速度
颗粒受力：
❖ 离心加速度ar=2r=ut2/r不是常量
离心力Fc mar
❖ 沉降过程没有匀速段，但在小颗粒 沉降时，加速度很小，可近似作为匀速 沉降处理
浮力Fb mar s
曳力FD
ur2
2
A
类似重力沉降速度推导，得：
ur
4d s ar
对照重力场
u0
4d s g
3
A
r1 O
度小于0.2%时，理论计算值的偏差在1%以内，但当颗粒浓 度较高时，由于颗粒间相互作用明显，便发生干扰沉降，
自由沉降的公式不再适用。
2）器壁效应
当器壁尺寸远远大于颗粒尺寸时，（例如在100倍以上）
容器效应可忽略，否则需加以考虑。
ut '
1
ut 2.1
d
D
2021/2/12
3）颗粒形状的影响
球形度
s
2021/2/12
2021/2/12
2021/2/12
第二节 沉降分离
一、沉降原理
1、自由沉降 ---单个颗粒在无限大流 体中的降落过程
加速段：极短，通常可以忽略
曳力FD
u02
2
d 2
4
浮力Fb
m g s
等速段：该段的颗粒运动速度称为 沉降速度，用u0表示。
重力沉降速度：以球形颗粒为例
合外力 Fc Fb FD 0
r2
r
B ur
C
u
ut
颗粒在旋转流场中的运动
2021/2/12
❖ 干扰沉降
2、实际沉降
由于干扰作用，实际沉降速度 小于自由沉降速度。
❖ 非球形颗粒的沉降 球形度越小，沉降速度越小； 颗粒的位向对沉降速度也有影响。
❖ 壁面效应 由于壁面效应，实际沉降速度小于自由沉降速度。
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二、沉降设备
重力沉降设备
降尘室气固体系 沉降槽液固体系
---用于除去>75m以上颗粒
离心沉降设备旋旋液风分分离离器器
气固体系
---用于除去>5～10m
液固体系
颗粒
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二、降尘室
1、降尘室的结构
2、降尘室的生产能力
降尘室的生产能力是指降尘室所处理的含尘气体的体积流 量，用Vs表示，m3/s。 降尘室内的颗粒运动
L
思考5：粒径比dmin小的颗粒，
u
被除去的百分数如何计算？
气体
u0
B H
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颗粒在降尘室中的运动
降尘室
思考2：为什么降尘室要做成扁平的？
LH
u u0
最大处理量------能够除去最小颗粒时的气体流量Vs
Vs BHu BLu0 A0u0
可见，降尘室最 大处理量与底面积、 沉降速度有关,而 与降尘室高度无关。
故降尘室多做成 扁平的。
L
注意!!
多层降尘室
气体
降尘室内气体流速不应过高，以免将 已沉降下来的颗粒重新扬起。根据经验， 多数灰尘的分离，可取u<3m/s，较易扬 起灰尘的，可取u<1.5m/s。
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u
B
ut
H
颗粒在降尘室中的运动
3、影响沉降速度的因素
1）颗粒的体积浓度 在前面介绍的各种沉降速度关系式中，当颗粒的体积浓