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1、第一章 流体流动与输送,流体：没有固定形状，可以自由流动的物质。,(1) = 0 (2)绝对不可压缩,1.1 流体静力学,1.1.1密度、相对密度、比容、比重,密度：单位体积流体所具有的质量。,液体的密度基本上不随压力变化（极高压力除外），但随温度变化稍有改变气体的密度则随温度和压力的改变而变化较大,单位：kgm-3,符号：,影响因素:,研究流体在静止状态下平衡的规律,混合物的密度,液体混合物的密度,气体混合物的密度,wi液体混合物中各组分的质量分数,纯组分密度的数据查工具手册获取。,对理想气体,密度的获得,液体混合物中各组分的密度,练习,已知炼焦煤气的组成为：CO2 1.8%;O2 0.7%
2、; CO 6.5%;CH4 24%；H2 58%; N2 7% (皆为体积%)。试求103.9kPa及298K时炼焦煤气的密度？,计算293K时60%(质量)的醋酸水溶液的密度？,相对密度:指给定条件下，某一物质的密度1与另一参考物质的密度2之比单位：无符号：d,比重:一般各物质的比重是指某物质在某温度下的密度与4水密度之比单位：无符号：d如：硫酸的比重为,比容:单位质量物料所具有的体积.,重度:单位体积流体所具有的重量(工程制中的概念).,1.1.2 压强压强:垂直作用于单位面积上的力。符号：P,1标准大气压(atm)=101325Nm-2=760mmHg柱=10.33mH2O柱,1工程大气
3、压(at)=9.807104Nm-2=735.6mmHg柱=10mH2O柱,单位换算关系 P = g h,现在压力表常用Mpa表示, 1Mpa = 106 Pa,单位： N/m2(=帕斯卡Pa),大气压atm, mmHg, mH2O,工程大气压at(=公斤力/厘米2),压强表示方法：表压强，绝对压强，真空度,表压强=绝对压强-大气压强真空度=大气压强-绝对压强真空度=-表压强,压强表示方法,真空度是表压强的负值,设备内流体的绝对压强越低,其真空度越高.,练习:表压还是真空度?,表压强,真空度,思考：表压和真空度是绝对不变的吗？,绝对压强是唯一的，而大气压随海拔高度而变化，故表压和真空度是变化的
4、 。,1.1.3流体静力学基本方程式,P1A+G=P2A,P1A+hAg=P2A,P1+hg=P2,P1+(Z2-Z1) g=P2,P2 = P0+Z2g,当Z1 = 0;P1 = P0,流体静力学方程式的讨论,. Po一定时,在静止的、连通的同一种液体内，处于同一水平面上的各点的压力都相等。,. P0改变时，液体内部各点的压力也发生同样大小的改变。,.压力或压力差的大小可用液柱高度来表示。,同一压强,因不同的流体密度不同h 值不同, 因此用液柱高度表示流体的压强必须注明是何种流体。,1.1.4流体静力学方程应用实例,U型管压差计,o,P1-P2 = 0gR,U型管压差计,液位计,PA=PB,
5、液封,1.2 流体流动,在流动系统中，若任一截面处的流速、压强、密度等有关物理量仅随位置而变，但不随时间而变，这种流动称为定态流动。若流体流动时，流体任一截面处的有关物理量既随位置又随时间而变，则称为非定态流动。,1.2.1定态流动与非定态流动,定态流动,非定态流动,1.2.2流量与流速,流量：流体在管道中定态流动时，单位时间内流过管道任一截面的流体量，称为流量,常以q表示。,流量,质量流量：以qm（单位kgs1）,体积流量：以qV（单位m3s1）,流速,流体流经管道任一截面上各点的流速并不相同。管截面中心处流速最大，越靠近管壁流速越小，通常以平均流速表示.,流速即单位时间内流体在流动方向上流
6、经的距离称为流速，符号为u，其单位为ms-1。,体积流量qV，质量流量qm及流速u之间关系,管径,流速的选择：流量一般由生产任务所决定，所以关键在于选择合适的流速。,表1-1 某些流体在管道中的常用流速范围,例2-1用泵从贮液槽中抽液送到高位槽，已知输送量为44 000 kgh-1，液体的密度为850 kgm-3，流速为2 ms-1，求输送管路的直径。,解：,因计算得到的d值，市场上可能无此规格的管子供应，故要选择与此尺寸相近的管子代替。根据附录中管子规格，选用102 mm3.5 mm的热轧无缝钢管，其内径为：,d = 0.102 m 20.0035 m = 0.095 m,1.2.3流体流动
7、的连续性方程,图2-2 连续性方程,qm,1 = qm,2,因 qm = uA，故上式可写成：,u1A11 = u2A22,将上式推广到管路中任意截面，可得：,u1A11 = u2A22 = uA=常数,u1A1 = u2A2 = uA=常数,说明在定态流动系统中，流经各截面的不可压缩流体不仅质量流量相等，而且其体积流量也相等。,对于截面为圆形的管道,1.2.4伯努利 (Bernoullis Equation)方程,伯努利方程即表示流体流动过程中，各种形式能量之间的转换关系。物质所具有的能量形式有多种，但对不可压缩流体作定态流动时，则只考虑各种形式机械能的转换，其能量衡算也只是机械能的衡算。因
8、能量不会自行产生，也不会自行消灭，只能从一种形式转变为另一种形式，但总能量不会增加或减少，若在流体流动过程中，无能量加入或损耗，则：输入能量 = 输出能量,动能： 动能=,静压能：设m kg体积为V m3的流体流经管道截面积为A m2的管道，流体通过该截面所走过距离为L=V/A。通过该截面时受到上游的力为F =pA，则流体压过该截面所作的功为：,位能： 位能=mgz,单位,J,Jkg1,m,位压头,静压头,动压头,理想流体能量衡算式,理想流体伯努利方程式,外加压头或泵压头,损失压头,伯努利方程式的讨论,只适用于理想流体作定态流动且无外功输入的情况。伯努利方程表明，单位质量流体在任一截面上所具有
9、的位能、动能和静压能之和为一个常数。即机械能守恒，总能量不变，但能量之间可以互相转换。,为实际流体作定态流动的能量衡算式。由于实际流体在流动过程中需克服摩擦阻力作功而消耗掉一部分能量，若无外功输入时，系统的总机械能沿流动方向将逐渐减小。即实际流体在管路内流动时，其上游截面处的总机械能大于下游截面处的总机械能。,伯努利方程式中的静压强项，在计算时表现为两截面的压差，在计算时应注意两截面压强的表示方法应统一，如都用绝对压强代入，或都用表压强代入。,m,J / kg,J / s = W,伯努利方程式是由流体流动系统的机械能衡算关系式导出的 ，若衡算基准不同，可得到伯努利方程式的几种不同形式。实践证明
10、，针对具体情况采用式（2-14）至（2-18）所示的不同形式的伯努利方程进行计算往往比较方便。 对于可压缩流体的流动过程，通常情况下，若两截面之间的绝对压强变化小于原来压强的20%（即时，仍可使用式（2-19）进行计算，此时式中所代入的密度应以平均密度代替。,1.2.5伯努利方程的应用,计算管路中流体流动的流量和流速,如左图所示，水槽液面维持不变，水槽液面距水管出口的垂直距离为6.5 m ,水管为 114 mm4 mm的钢管，流经全部管路的阻力损失为59 Jkg1，求管中水的流量为多少m3s1。(水=1000 kgm3）,解：以水槽液面为1-1截面，水管出口为2-2截面，以水平管的中心线为基准
11、面，在两截面间列伯努利方程。,We= 0，z1= 6.5m，z2=0，p1 = p2= 0（按表压计），Wf =59 kJkg1，d内=0.114 m20.004 m= 0.106 m，,u2 =2.75 ms1,确定容器间的相对位置,例2-3 如图所示，将密度为850 kgm3的原料液送入精馏塔中，高位槽液面维持恒定，塔内表压强为9.81103 Pa，进料量为5m3h1，连接管为38 mm2.5mm的钢管。料液在管内流动时的能量损失为3.05m液柱，问高位槽的液面应比精馏塔的进料口高出多少米？,解：以高位槽液面为1-1截面，进料口为2-2截面，并以进料口水平管的中心线为基准面，在两截面间列伯
12、努利方程。得：,z2 = 0；p1 = 0（表压）；u1 = 0；d = 0.038 m20.0025 m = 0.033 m，,确定输送设备的有效功率,例2-4 如下所示，用泵将贮槽中密度为1100kgm3的溶液送到蒸发器中，贮槽内液面维持恒定，其上方压强为101.3103 Pa。蒸发器内为真空操作，其压强为2.67104 Pa (真空度)。蒸发器进料口高于贮槽内的液面14 m ,输送管道的直径为68mm4mm。进料量为20 m3h-1，溶液流经全部管路的能量损失为110 Jkg-1，求泵的有效功率。（137W）,应用伯努利方程的要点,(1)首先应根据题意绘出流动系统的示意图，并标明流体流动
13、的方向，定出上、下游截面，确定流动系统的衡算范围。,(2) 所选取的截面应与流体流动方向垂直，且两截面间的流体必须是连续的。截面的选取应便于进行有关物理量的计算 。,基准面的选取。各项单位必须一致；截面压强表示方法应该一致。 衡算范围内的外功及阻力损失应完全考虑进去。,1.3流体在管内的流动阻力,实际流体在流动过程中，要消耗能量以克服流动阻力。在化工生产过程中，当应用伯努利方程去处理流体流动及输送过程中的问题时，流动阻力的计算相当重要，本节主要讨论流体阻力的产生、影响及其计算。,1.3.1牛顿粘性定律与流体的粘度,流体的粘性,流体流动时，往往产生阻碍流体流动的内摩擦力，这种流动特性称为流体的粘
14、性。,衡量流体粘性大小的物理量，称为粘度。粘度的物理意义由牛顿粘性定律来说明。,牛顿粘性定律,内摩擦应力或剪应力,比例系数，又称动力粘性或粘度,牛顿粘性定律,物理意义：速度梯度为1时，因流体的粘性而产生的剪应力。,粘度的物理意义,液体的粘度随温度升高而减小，气体的粘度则随温度的升高而增大。粘度与压强关系不大，一般不需考虑压强对液体粘度的影响。,单位,粘度是流体的物理性质之一，其值由实验确定。一些常用流体的粘度可从有关手册中查到。,影响因素,SI Unit,泊 P;厘泊cP； 1 泊=100厘泊=0.1 Pas,其它单位：,1.3.2 流动的型态,图2-7两种流体流动类型,图2-6 雷诺实验装置
15、示意图,大量实验研究表明，除了流体的流速u之外，流体流动的几何尺寸（管径d）、流体的性质（密度和粘度）对流动形态均有影响。,Re 4000 ， 湍流,雷诺将这些影响因素归纳成一个量纲为一的数群，以此判断流体的流动型态，称为雷诺数，用Re表示：,管内层流与湍流的比较,图2-8 滞流时的速度分布曲线,图2-9 湍流时的速度分布曲线,u = 0.5umax,u = 0.8umax,层流底层,1.3.3流动边界层,图2-11 圆管内进口段边界层的形成示意图,层流: xo / d = 0.075 Re,湍流: xo / d = (50 100) d,1.4 流体阻力的计算,流体在流经包括直管、弯头、阀门
16、、三通等管件组成的管路时，因流动时流体层分子之间会产生内摩擦力，或因壁面变化促使流动的流体内部发生相对运动，均会造成能量损失。 流体通过直管的能量损失称为直管阻力损失（或沿程阻力损失）hl ；,通过阀门、管件及进、出口时，由于受到局部阻碍而造成的能量损失成为局部阻力损失hf 。,1.4.1流体在直管中的流动阻力,范宁（Fanning）公式,摩擦系数=f (Re, 管壁粗糙度),管壁粗糙度可用绝对粗糙度和相对粗糙度来表示。,管壁凸出部分的平均高度，成为绝对粗糙度，以表示。绝对粗糙度与管内径的比值/d，称为相对粗糙度。,摩擦系数的确定,图2-13 摩擦系数与雷诺数及相对粗糙度的关系,(1)层流时的
17、摩擦系数,图2-14 层流时摩擦阻力系数计算式的推导,哈根泊肃叶公式,（2）湍流时的摩擦系数,工程计算中常须通过实验用量纲分析来建立某些条件下的经验关联式,对于光滑管道当Re=（3100）103 时，值可用柏拉修斯（Blasius）公式计算:,对于粗糙管（钢管或铁管），Re =（33000）103的范围内，也可用我国化工专家顾毓珍教授提出的关联式计算:,对于非圆形管道中的流体流动，当求算和阻力损失时，应将上述各公式中的d按下式计算的当量直径de再代入进行计算。,外管内径为D，内管外径为d的环形通道，其当量直径为：,对于边长分别为a和b的矩形通道，则,1.4.2局部阻力,流体流经管件(阀门，弯头
18、，三通等)及进、出口时因受到局部障碍所产生的局部能量损失。,局部阻力系数法 近似地认为克服局部阻力所引起的能量损失可以表示成动压头的倍数，即：,局部阻力系数,由实验确定,表2-2 湍流时管件和阀门的局部阻力系数值,当量长度法:,将流体流经阀门、管件所产生的局部阻力，折算成流体流过与其相当长度的直管所造成的阻力损失。这一直管长度，称为当量长度le。,图2-15 管件与阀门的当量长度共线图,表2-3 管件与阀门的阻力系数与当量长度数据(适用于湍流),例 2-5 将密度为1100kgm3 的溶液用泵从反应器输送到高位槽（附图）。输送量为2104 kg h1，反应器液面上方压强为2.67104Pa（真
19、空度），高位槽液面上方通大气。管道为57mm3.5mm的钢管，管路总长为45m,管路中有两个全开的闸阀，一个文丘里流量计，五个标准弯头，反应器液面距管路出口的垂直距离为15m。已知该溶液的粘度为6.3103Pas，管壁的绝对粗糙度可取为0.3mm。若该泵的效率为0.65, 求泵的轴功率。,z1= 0, u1= 0, p1= -2.67 104 Pa（表压）,z2 = 15 m, p2= 0(表压),解：如图所示，以反应器液面为1-1截面，高位槽液面为2-2截面，并以1-1截面为基准面，在两截面间列伯努利方程:,若要求算hf，需先求出，为此，须确定管内流体的流动形态。,湍流,查图得=0.037,
20、采用当量长度法计算:查图全开闸阀2个: l e = 0.35m2 = 0.7m标准弯头5个: l e = 15m5 = 7.5m；1个文丘里流量计,查手册, le/d=12，代入得,=31.2m液柱,= 1700W，,2615W,例2-6 粘度为0.030Pas，密度为900kgm3的液体自容器A流过内径为40mm的管路进入容器B。两容器均为敞口，且液面可视为不变。管路中装有一个阀门，阀前管长为50m，阀后管长为20m（均包括局部阻力在内的当量长度）。当阀关闭时，阀前后压力表读数分别为8.83104Pa与4.42104Pa。现将阀门打开1 / 4开度，此时阀门阻力的当量长度为30m，试求： (
21、1)管路中流体的质量流量；(2)阀前后压力表的读数为多少（已知流体流动型态为层流）？,1.5 流体输送管路计算,管路计算就是运用流体流动的连续性方程式、机械能衡算式和流体流动阻力损失计算式去解决实际工作中常遇到的流体管路输送的设计问题和操作计算。,u1A1 = u2A2,已知管道尺寸、管件和流量，计算流体通过管路系统的阻力损失；以便进一步确定输送设备的功率、系统内的压强及设备间的相对位置；,已知流量、管长、所需管件和允许压强降，计算管路直径；,已知管道尺寸、管件设置和允许的阻力损失，求算管道中流体的流速或流量。,1.5.1简单管路是指流体由入口至出口是在一条管路中流动的，整条管路可以由内径相同
22、的管子组成，也可以由几种内径不同的管子组成。但不出现流体分支或汇合情况。这种管路也称为串联管路。,例 2-7 将水从水塔引至车间，管路为108mm4mm的钢管，钢管的绝对粗糙度为0.2mm，管路长200m（包括管件及阀门的当量长度，但不包括进、出口损失）。水塔内水面维持恒定，并高于排出口14m 。水温为20时，求此管路的输水量？,解：以塔内水面为1-1截面，排水管出口内侧为2-2截面，选其水平中心线为基准面。在两截面间列伯努利方程，即：,z1 = 14m, z2= 0, u1= 0,u2= u, p1 = p2,试差法,1.5.2复杂管路的计算,(a)分支管路,(b)汇合管路,(c)并联管路,
23、复杂管路的特点,(1) 各支管流量之和等于主管流量；,(2) 对任一支管而言，分支前及汇合后的总压头相等，由此可建立支管间的机械能衡算式，从而确定出各支管的流量分配。,qV,O = qV,B qV,C,hO=hBhf,OB=hChf,OC,复杂管路的计算内容,已知总流量和各支管的规格，求算各支管的流量；已知各支管的流量、管长及管件、阀门的位置，确定合适的管径；在已确定的输送条件下，求算输送设备的功率,例 2-8 用泵将图中所示贮罐内的油品输送到A，B两塔中。从贮槽送到泵出口处， 分为两支，送至A塔顶部流量最大为16200 kgh1，塔内表压强为9.81104Pa，另一支送到B塔中部，最大流量为
24、8100 kgh1，塔内表压强为1.18106 Pa。贮槽内液面维持恒定，液面上方压强为4.9104 Pa（表压）。已知：当管路上阀门全开，且流量达到规定的最大值时，油品流经各段管路的阻力损失分别是：由截面1-1至2-2为3m液柱；由截面2-2至3-3为7m油品柱，由截面2-2至4-4为5m 油品柱。因油品在管内流动时的动能很小，可以忽略不计。各截面地面的垂直距离如本题附图中所示。油品的密度为810 kg m3。求该条件下泵的有效功率。,1.6 流体流量的测量,测量流量的仪器称为流量计。,1.6.1孔板流量计,它是由一片插入管道中的中央开有圆孔的金属薄板（孔口经过精密加工，从前到后扩大）和连接
25、孔板前后测压孔的U形压差计组成。,构造,工作原理,流量系数或孔流系数,由实验测得.,C0主要取决于管道流动的Re, 面积比A0/A1，测压方式，孔口形状，加工光洁度，孔板厚度和管壁粗糙度等,C0 = 0.6 0.7,孔板流量计特点,结构简单，制造方便，易于安装孔板方便更换,流体流过孔板后能量损失较大，并A0/A1随减小而增大,孔板与管道轴线垂直孔口中心与管道轴线重合,1.6.2文丘里（Venturi）流量计,图2-19 文丘里流量计结构图,0.980.99,1.6.3转子流量计,转子承受的静压力转子所受重力-流体对转子的浮力,转子流量计在出厂时一般是用20水或20,100kPa的空气进行标定刻
26、度的。因被测流体的流量与该流体的密度有关,故当测量其他流体时,应实验标定或对原有的刻度加以校正。由于在同一刻度下Af 相同,则,上式中下标1表示出厂时标定流体的流量和密度值,下标2表示实际操作时所测流体的流量及密度值。,读取流量方便，测量范围宽，能量损失很小，且能用于腐蚀性液体的测量。但由于测量管大多为玻璃制成，故不能承受高温和高压。在安装时应注意必须保持垂直。,转子流量计特点,1.7 流体输送机械,流体输送机械 对流体做功以提高流体机械能的装置.输送液体的机械通称为泵；输送气体的机械称为风机（通风机、鼓风机）、压缩机和真空泵。 本节以离心泵为代表，讨论其工作原理、基本结构及性能，并计算其功率
27、消耗。,1.7.1离心泵的工作原理及主要构件,离心泵的工作原理,1.叶轮；2.泵壳；3.泵轴；4.吸入口 5.吸入管；6.底阀；7.滤网；8.排出口 9.排出管；10.调节阀,图2-21 液体在泵内的流动,图2-20 离心泵装置简图,气缚；泵壳和吸入管路内没有充满液体，泵内有空气，空气的密度远小于液体的密度，叶轮旋转对其产生的离心力很小，叶轮中心处所产生的负压不足以造成吸上液体所需要的真空度。尽管被启动的离心泵叶轮在高速旋转，但却不能输送液体，这种现象称为“气缚”。为防止启动前泵内及吸入管内的液体泄漏，常在吸入管底部安装一个单向底阀。在底阀外常装有滤网，以防止流体中的固体杂质吸入而堵塞管道及泵
28、壳，从而影响泵的正常操作。,1.7.2.离心泵的主要性能参数,流量：离心泵的流量是指单位时间内泵输送液体的体积。代表泵的送液能力，用符号qv表示,单位为m3s1或m3h1。扬程：泵的扬程又称为泵压头，指每重力单位，即1牛顿的液体经泵所获得的能量，以符号He表示，单位为m液柱。,功率和效率,1.7.3 离心泵的特性曲线,1.7.4离心泵的气蚀现象和安装高度,气蚀现象,离心泵在运转时，离心泵入口的静压强低于外界的压强，液体才能源源不断地被吸入和压出。当离心泵入口处压强低于被输送液体在操作温度下的饱和蒸气压时，就会引起液体的部分气化并产生许多小气泡，由泵中心的低压区流进叶轮高压区的气泡受压而重新凝结
29、，造成局部真空，使周围液体以极大速度冲向原气泡所占据的空间。在冲击点处形成极高的压强（几万kPa）。在压力很大频率很高（每分钟几万次）的流体质点的连续打击下，叶轮表面会逐渐损坏，这种现象称为气蚀现象。气蚀会使泵的性能降低，流量、扬程和效率大大下降。缩短泵的使用寿命，以至于不能正常工作。,为避免发生气蚀现象，离心泵叶轮入口处的绝对压强必须大于工作温度下液体的饱和蒸气压，这就要求根据泵的性能确定泵的安装高度。离心泵的安装高度Hg是根据允许吸上真空高度HS来确定的。,离心泵的允许吸上真空高度Hs是指泵入口处绝对压强为p1时可允许达到的最大真空度，其单位为m（液柱）。设大气压为p0，则其表达式为,离心
30、泵的允许吸上真空高度与泵的结构尺寸、被输送液体的性质及当地的大气压有关。,允许吸上真空高度,离心泵说明书或铭牌上所给出的允许吸上真空高度一般是生产厂以20清水，在98.1kPa下测定的数值。当操作条件和输送工质与上述实验条件不符合时，须进行换算，换算公式为,Hs操作条件下输送液体时的允许吸上真空高度， m（液柱）,Hs泵样本或铭牌上给出的输送清水时的允许吸上真空高度, m(水柱),Ha为当地的大气压强, m(水柱),V为操作温度下被输送液体的蒸汽压，Pa,为操作条件下被输送液体的密度， kgm-3,表2-3 不同海拔高度的大气压强,大气压随海拔高度而变化，从表2-3中可看出，泵安装地点的海拔高度越高，大气压力就越低, 允许吸上真空高度就越小。 当被输送液体的温度升高，相对应的饱和蒸气压就增大，泵的允许吸上真空高度也减小。,1.7.6离心泵的选用,1.7.5离心泵的类型,水泵耐腐蚀泵油泵泥浆泵,
