第一章-流体流动与输送机械

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1、第一章 流体流动与输送机械,教学目标：,流体的基本物理量； 静力学基本方程及其应用； 柏努利方程及其应用； 流体阻力形成的原因及计算； 常用流量测量装置及原理; 管路计算； 流体输送机械。,掌握内容：,一 研究流体流动问题的重要性,流体流动与输送是最普遍的化工单元操作之一； 研究流体流动问题也是研究其它化工单元操作的重要基础。,流体：包括液体和气体 特点：（a） 具有流动性 （b） 受外力作用时内部产生相对运动,1.1 流体基本性质, 日常生活中,流动现象：,煤 气 洗 涤 塔, 工业生产过程中,二 连续介质假定 假定流体是由无数内部紧密相连、彼此间没有 间隙的流体质点（或微团）所组成的连续介

2、质。 质点：由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备 尺寸、远大于分子自由程。 工程意义：利用连续函数的数学工具，从宏观研究 流体。,三 流体的可压缩性,不可压缩性流体：流体的体积不随压力变化而变 化，如液体； 可压缩性流体：流体的体积随压力发生变化， 如气体。,四 密度,密度：单位体积流体所具有的质量。,式中 流体的密度，kg/m3； m 流体的质量，kg； V 流体的体积，m3。,液体的密度,液体的密度几乎不随压强而变化，随温度略有改变，可视为不可压缩流体。 纯液体的密度可由实验测定或用查找手册计算的方法获取。,气体的密度,气体的密度与温度和压力有关。一般当压力不太高、温度不太低的情况下，可

3、按理想气体处理。,0M/22.4kg/m3为标准状态下气体的密度 注意：手册中查得的气体密度都是在一定压力与温度下之值，若 条件不同，则密度需进行换算。,混合物的密度,1.混合液体,混合液体的密度，在忽略混合体积变化条件下，可用下式估算（以1kg混合液为基准），即：,式中 w1、w2、，wn 液体混合物中各组分的质量分率； 1、2、，n 液体混合物中各组分的密度，kg/m3； m 液体混合物的平均密度，kg/m3。,【例题】已知硫酸与水的密度分别为1830kg/m3与998kg/m3，试求含硫酸为60%(质量)的硫酸水溶液的密度。,解：应用混合液体密度公式，则有,2.混合气体的密度,气体混合物

4、中各组分的体积分数,说明： 气体混合物的组成通常以体积分率表示。 对于理想气体，体积分率与摩尔分率、压力分率是相等的。,五 压力,表达式,表压、绝压、真空度,绝对压强 以绝对零压为基准测得的压强，是流体的真实压强。 表压强 以大气压强为基准测得的压强 表压强绝对压强大气压强 真空度 以大气压强为基准测得的负压 真空度大气压强绝对压强,注意: 1)由于各地大气压不同，故会有总压相同，但表压却不同 2)有时用mmHg表示真空度 3)如用表压，真空度表示压强，必须要说明；如不特别说明一般认为是绝对压强。,若已知某地的大气压力为750 mmHg，而设备A内压力为1000 mmHg，则 PA表= mmH

5、g = Pa。 若设备B的真空度为300 mmHg，则 PB（绝）= mmHg。,250,33330.59,450,【例题】 在兰州操作的苯乙烯精馏塔塔顶的真空度为620mmHg。在天津操作时，若要求塔内维持相同的绝对压力，真空表的读数应为多少？兰州地区的大气压力为640mmHg,天津地区的大气压力为760mmHg。,解：,绝对压强不变,绝压=大气压-真空度 =640mmHg-620mmHg =20mmHg,真空度=大气压-绝压 =760mmHg-20mmHg =740mmHg,1.2 流体静力学平衡方程,一、静力学基本方程式及其讨论,流体在重力场中只受到重力和压力作用。,在静止液体中，上述三

6、力之合力应为零，即,p2Ap1AgA(Z1-Z2)0,上两式即为液体静力学基本方程式。,如果将液柱的上底面取在液面上，设液面上方的压力为p0，液柱Z1-Z2h，则上式可改写为,讨论:,pA 与 pB 之关系?,(4),(3),例如：如图所示a-b、b-c、c-d不是等压面,只有a-c是等压面。,解：选a-a为等压面，在等压面上列静力学方程式： Pa = p+1gh1+2gh2 = p+1gh1+2g(1.4-h1) pa= p+2gh pa= pa,例:密闭容器内盛有油(1=800kg/m3)和水(2=1000kg/m3)，在其底部和顶部用一玻璃管连通，已知油和水总高度(h1+h2)=1.4m

7、，玻璃管中液面h=1.2m，求容器内油层高度。,故：,gz 单位质量流体具有的位能，J/kg；,P/ 单位质量流体具有的静压能， J/kg；,表明：静止流体中，任一截面单位质量流体具有的位能和静压能之和恒 为常数。 或者说静压能和位能可以互相转换，但总值不变能量守恒。,两边同除以g,表明：压强差可用流体的液柱高度来表示，但须注明是某种流体,（一）测压,1、U形管压差计,U形玻璃管 标尺 指示液,结构：,测压原理：,指示液密度0，被测流体密度为，图中A、A两点的压力是相等的，因为这两点都在同一种静止液体（指示液）的同一水平面上。通过这个关系，便可求出（p1p2）的值。,二、静力学基本方程的应用,

8、根据流体静力学基本方程式则有：,测量气体时，由于气体的密度比指示液的密度0小得多，故00，上式可简化为,讨论：, U形管压差计可测系统内两点的压力差，当将U形管一端与被测点连接、另一端与大气相通时，也可测得流体的表压或真空度；, 指示液的选取： 指示液与被测流体不互溶，不发生化学反应； 其密度要大于被测流体密度。 应根据被测流体的种类及压差的大小选择指示液。,例 如附图所示，常温水在管道中流过。为测定a、b两点的压力差，安装一U型压差计，试计算a、b两点的压力差为若干？已知水与汞的密度分别为1000kg/m3及13600kg/m3。,解 取管道截面a、b处压力分别为pa与pb。根据连续、静止的

9、同一液体内同一水平面上各点压力相等的原理，则, RHggRH2Og 0.1(13600-1000) 9.81 1.24 104Pa,密度接近但不互溶的两种指示 液A和C ；,2、双液体U管压差计（微差压差计）,扩大室内径与U管内径之比应大于10 。,（二） 液位测量,压差计读数R反映出容器 内的液面高度。,液面越高，h越小，压差计读数R越小；当液面达到最高时，h为零，R亦为零。,1.近距离液位测量装置,2、远距离测量,管道中充满氮气，其密度较小，近似认为,而,所以,压缩氮气自管口经调节阀通入，调节气体的流量使气流速度极小，只要在鼓泡观察室内看出有气泡缓慢逸出即可。,（三） 液封高度的计算,液封

10、作用： 确保设备安全：当设备内压力超过规定值时，气体从液封管排出； 防止气柜内气体泄漏。,液封高度：,流体静力学方程求解问题时应注意的问题,正确选择等压面。所选择的等压面必须是在连续、相对的同种流体内部的同一水平面上。,基准面位置的选择。以简化计算过程为原则，可以任意选取，若选取得当可以简化计算过程，而不影响计算结果。,计算过程中应保持因次的一致性，即方程中各项的计量单位应统一。,1 流量与流速,单位时间内通过流道有效截面的流体的体积量，以qv表示，单位m3/s或m3/h 。生产中常说的流量就指体积流量。,单位时间内通过流道有效截面的流体的质量，用qm表示，单位kg/s或kg/h。,1.3 流

11、体动力学,两者关系：,单位时间内通过单位流道有效截面的流体的体积量称为体积流速，习惯上简称为流速，以u表示，单位m/s,单位时间内通过单位流道有效截面的流体的质量称为质量流速，以G表示，单位kg/(m2 s),两者关系：,2 定态流动与非定态流动,定态流动（稳定流动）：指流动系统中各物理量的大小仅随位置变化、不随时间变化的系统。,非定态流动（不稳定流动）：流动系统中各物理量的大小不仅位置变化、且随时间变化的系统。,本章着重讨论定态流动问题。,2 定态流动及非定态流动 （1）定态流动（稳态流动） 流场中的物理量，仅和空间位置有关，而和时间无关。,（2）非定态流动（非稳态流动） 流场中的某物理量，

12、不仅和空间位置有关，而且和时间有关。 随着过程的进行，h减低,u 降低。,3 定态流动系统的质量守恒连续性方程,连续性方程是质量守恒定律的一种表现形式，本节通过物料衡算进行推导。,对于连续稳态的一维流动，如果没有流体的泄漏或补充，由物料衡算的基本关系：,输入质量流量=输出质量流量 qm1= qm2,设流体在如图所示的管道中: 作连续定态流动; 从截面1-1流入，从截面2-2流出；,一、连续性方程式,上式可写成:,u1A11= u2A22,推广到管路上任何一个截面，即:,u1A11= u2A22= uA= 常数,以上两式都称为管内稳定流动的连续性方程式。它反映了在稳定流动系统中，流体流经各截面的

13、质量流量不变时，管路各截面上流速的变化规律。此规律与管路的安排以及管路上是否装有管件、阀门或输送设备等无关。,对于不可压缩的流体，即:常数，可得到,对于在圆管内作稳态流动的不可压缩流体：,式中d1及d2分别为管道上截面1和截面2处的管内径。 上式说明不可压缩流体在管道中的流速与管道内径的平方成反比。,在分支管路中，还需要依据 物料衡算进行，即：,流体流动的连续性方程式仅适用于稳定流动时的连续性流体。,二、讨论：,（2）系统截面一定要具有连续性，而内部连不连续、发生什么过程可以不管；,（1）适用范围：,（3）分支管路的连续性方程式,即,三、连续性方程的应用选用管径,（1 ）初估管径,流量qv一般

14、由生产任务决定。,对于圆形管道 ：,流速选择：,u,流动阻力动力消耗操作费, d, 设备费用,通常表示方法有两种：,公称直径（英寸）Dg,铸铁管，水煤气管规格常用公称直径或英寸表示。 铸铁管 公称直径表示内径，如Dg 100；,水煤气管 公称直径（或为英寸）既不表示内径，也 不表示外径,外径壁厚,内径 = 外径 2 壁厚,（2）根据管子规格园整, 管子规格,注意：如不加说明，单位都认为mm。,一、 流体能量类型 （1）流体自身的能量,贮存于物质内部的能量。 1kg流体具有的内能为U（J/kg）。,内能,位能（势能）,1kg流体具有的位能为gZ（J/kg）。,1N流体具有的位能为Z （m）。,流

15、体受重力作用在不同高度所具有的能量,位压头,4 定态流动系统的机械能守恒柏努利方程,静压能,流体因有一定的压强而具有的能量，称为静压能。,1kg流体具有的位能为 （J/kg）。,流体的位能、动能、静压能统称为流体的机械能，三者之和称为流体的总机械能。,1N的流体具有的静压能为 （m）。,1kg流体具有的动能为 （J/kg）。,动能,1N的流体所具有的动能为： （m）。,流体流动时因有一定的流速所具有的能量。,静压头,动压头,（2） .流体与环境交换的能量类型,指流体通过系统中串接的传热设备（如换热器）与环境交换的热量，以Q表示，单位为J/kg。 Q可为正可为负，对不涉及热量传递的流动系统，Q0

16、。,指流体通过系统中串接的做功设备（如泵、压缩机等）获得的能量或要求作功设备提供的能量。,流体在系统中流动时因克服系统阻力所损耗的能量。,二、柏努利方程式,（1）、机械能衡算式柏努利方程式,流体稳定流动时的能量衡算：,由能量守恒定律：,总能量衡算式：,输出能量：,输入能量：,式中各项单位为J/N，m。,当流动系统不涉及与环境的热量交换及温度变化时，此时=0，U1=U2。则柏努利方程可化为：,式中各项单位为J/kg。,（2）、讨论柏努利方程式,1）适用范围：a 定态流动系统；b 不可压缩流体；c 重力场中。,2）守衡与变化,如没有外加能量和损失能量，在任一流动截面上单位质量流体的总机械能守恒。而每一种形式