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1、Date1化工原理 绪论学习目标：1.掌握流体流动的流量和流速的计算方法；2.理解定态流动与非定态流动的概念；3.掌握定态流动系统的物料衡算连续性方程。4.掌握定态流动系统的能量衡算柏努利方程。5.掌握柏努利方程在工程上的应用。Date2化工原理 绪论1.流量和流速单位时间内流经管道任意截面的流体量，称为流量。a.体积流量单位时间内通过管道横截面的流体体积。 m3/s或m3/hb.质量流量单位时间内流经管道横截面的流体质量。 kg/s或kg/h。 Date3化工原理 绪论单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离，称为流速。a.平均流速（u）流体的体积流量与管道截面积之比。m/sb.质量流速（
2、G）流体的质量流量与管道截面积之比。kg/（m2s）流速与流量的关系：Date4化工原理 绪论例1 绝对压力为540kPa、温度为30的空气，在1084mm的钢管内流动，流量为1500m3/h。试求空气在管内的流速、质量流量和质量流速。 解： 操作条件下密度 质量流量为：流速为：质量流速为Date5化工原理 绪论对于圆形管道：上式中流量VS一般由生产任务决定。要确定管径取决于流速的选择。流量和流速在工程上的应用：管径的估算 d 设备费用 流动阻力 动力消耗 操作费均衡 考虑uu适宜费 用总费用设备费操作费常用流体适宜流速范围见书上P15表1-1Date6化工原理 绪论稳定流动：流体在各截面上有
3、关物理量（如温度、压力、流速等）仅随位置变化，而不随时间变化； 不稳定流动：流体在各截面上的有关物理量既随位置变化，也随时间变化。2.稳定流动与不稳定流动在化工生产中，开、停车阶段属于非定态流动，正产连续生产时属于定态流动。Date7化工原理 绪论3. 稳定流动系统的物料衡算（质量守恒）连续性方程 对于稳态流动系统，在管路中流体没有增加和漏失的情况下： 推广至任意截面 连续性方程1122可见，在定态流动体系中，当质量流量ms恒定时，流速u随截面积A和密度变化而变化。Date8化工原理 绪论不可压缩性流体，圆形管道 ：即：不可压缩流体在管路中任意截面的流速u与管内径的平方d2成反比。因此，对不可
4、压缩流体，在稳态流动中流经各截面的体积流量也不变，流速u与管道截面积A成反比。Date9化工原理 绪论4.流动体系能量的类型1）内能 贮存于流体内部的能量称为内能。1kg流体具有的内能为U，单位J/kg。2）位能 流体受重力作用在不同高度处所具有的能量称为位能。计算位能时应先规定一个基准水平面，如0-0面。1kg流体具有的位能为Zg，单位J/kg。3）动能 流体以一定速度流动，故具有动能。 1kg流体具有的位能为1/2u2，单位J/kg。取1kg流体讨论：Date10化工原理 绪论4）静压能 在静止或流动着的流体内部，任一处都有相应的静压力。如果在一内部有液体流动的管壁面上开一个小孔，并在小孔
5、处装一根垂直的细玻璃管，液体便会在玻璃管内上升，上升的液柱高度即是管内该截面处液体静压力的表现。位能、动能、静压能三者之和称为某截面上的总机械能。1kg的流体所具有的静压能为 (J/kg)lAVDate11化工原理 绪论d.外功(有效功)流体流动时，流体输送机械（泵和风机）向流体做功。1kg流体从流体输送机械所获得的能量为We ，单位 J/kg。f. 能量损失流体流动时因克服系统阻力所损耗的机械能。1kg流体损失的能量为Wf（J/kg）。 e. 热量 若管路中有加热器、冷却器等换热设备，流体通过时必与之换热。若无，则Q=0。1千克流体交换的热量为Q，单位 J/kg。Date12化工原理 绪论5
6、. 稳定流动系统的能量守恒柏努利方程 柏努利方程反映流体在流动过程中，各种形式机械能的相互转换关系。Date13化工原理 绪论衡算范围：1-1、2-2截面以及管内壁所围成的空间；衡算基准：1kg流体；基准面：0-0水平面；若管路中有换热器，且考虑流体的内能，则根据机械能守恒，其输入的能量等于输出的能量，柏努利方程为：Date14化工原理 绪论J/kg上式的物理意义：单位质量的流体所具有的机械能。当系统中无换热设备、流体为不可压缩流体时，此时，柏努利方程为：Date15化工原理 绪论由此类推，单位重量的流体所具有的机械能为： m令 则 位压头动压头静压头外加压头压头损失Date16化工原理 绪论
7、单位体积的流体所具有的机械能为： PaDate17化工原理 绪论1）当流体从截面1-1流入截面2-2作连续、定态流动，且无外加功及能量损失，则：柏努利方程式 J/kgmPa讨 论：理想流体的机械能守恒。Date18化工原理 绪论2）若流体处于静止，u=0，Wf=0，We=0，则柏努利方程变为流体静力学方程柏努利方程既表示流体的运动规律，也表示流体静止状态的规律。Date19化工原理 绪论3）若被输送流体的质量流量为Ws，输送机械的有效功率为：实际消耗功率(轴功率) ：（4）柏努利方程式也适用于不可压缩性流体。当 时，仍可用该方程计算，但式中的密度应以两截面的平均密度m代替。Date20化工原理
8、 绪论在应用柏努利方程时，要注意：b.截面的选取与流体的流动方向相垂直；两截面间流体应是定态连续流动；截面宜选在已知量多、计算方便处。 c.位能基准面的选取必须与地面平行；选取两截面中位置较低的截面；若截面不是水平面，而是垂直于地面，则基准面应选过管中心线的水平面。 d.各物理量的单位应保持一致，压力表示方法也应一致，即同为绝压或同为表压。 a.画图及确定衡算范围，画出流动系统的示意图，标明流体的流动方向，定出上、下游截面，明确流动系统的衡算范围。6.柏努利方程在工程上的应用 Date21化工原理 绪论1）确定管路中流体的流速和流量。流体的流量是化工生产和科学实验中的重要参数之一，往往需要测量
9、和调节其大小，使操作稳定，生产正常，生产合格产品。柏努利方程的应用：P20 例题1-72）确定设备之间的相对位置。在化工生产中，有时为了完成一定的生产任务，需要确定设备之间的相对位置，如高位槽的安装高度、水塔的高度等。Date22化工原理 绪论例2 如图所示，从高位槽向塔内进料，高位槽中液位恒定，高位槽和塔内的压力均为大气压。送液管为452.5mm的钢管，要求送液量为3.6m3/h。设料液在管内的压头损失为1.2m，试问高位槽的液位要高出进料口多少米?hpaDate23化工原理 绪论hpa解：如图取高位槽液面1-1截面，进料管出口端2-2截面，选取2-2截面的中心线为基准面。在两截面间列柏努利
10、方程:1122根据题意，已知：z1=h，Z2=0，u1=0，p1=p2=0(表压) 00将数据代入柏努利方程，得：Date24化工原理 绪论3）确定流体流动所需的压力。在化工生产中，对近距离输送腐蚀性液体时，可采用压缩空气或惰性气体来取代输送机械。P20 例题 1-94）确定流体流动所需要的外加机械能。用柏努利方程式计算管路系统的外加机械能或外加压头，是选择输送机械型号的重要依据，也是确定流体从输送机械所获得有效功率的重要依据。Date25化工原理 绪论例3 某化工厂用泵将敞口碱液池中的碱液（密度为1100kg/m3） 输送至吸收塔顶，经喷嘴喷出，如附图所示。泵的入口管为 1084mm的钢管，
11、管中的流速为1.2m/s，出口管为763mm 的钢管。贮液池中碱液的深度为1.5m，池底至塔顶喷嘴入口处 的垂直距离为20m。碱液流经所有管路的能量损失为30.8J/kg， 在喷嘴入口处的压力为29.4kPa（表压）。设泵的效率为60%， 试求泵所需的功率。 20m1.5mDate26化工原理 绪论20m1.5m解：取碱液池液面1-1截面和塔顶喷嘴入口2-2截面，以1-1作为截面为基准水平面。在1-1和2-2截面之间列柏努利方程：1122根据题意，已知：z1=0，p1=0(表压)， z2=20-1.5=18.5m，u1=0，=1100 kg/m3，Wf = 30.8J/kg。 塔顶喷嘴入口处的速度u2等于泵出口端的速度u出，由连续性方程得：Date27化工原理 绪论将数据代入柏努利方程得：输送碱液所需要的外加能量We为：泵的有效功率Pe为：泵的轴功率P为：Date28化工原理 绪论Date29化工原理 绪论
