第一章-流体流动与输送机械

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①日常生活中流动现象：煤气洗涤塔②工业生产过程中煤气煤气水孔板流量计泵水封填料塔水池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ρ——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，可按理想气体处理。ρ0＝M/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；ρ1、ρ2、…，ρn——液体混合物中各组分的密度，kg/m3；ρm——液体混合物的平均密度，kg/m3。12121nmn【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。121240.60.41183099837.285101370/mwwmkgm解：应用混合液体密度公式，则有按混合后质量衡算2.混合气体的密度按平均摩尔质量法1122mnn12,,n气体混合物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。五压力定义：垂直作用于单位面积上的表面力称为流体的静压强,简称压强。流体的压强具有点特性。工程上习惯上将压强称之为压力。表达式单位：pgh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750mmHg，而设备A内压力为1000mmHg，则PA表=mmHg=Pa。若设备B的真空度为300mmHg，则PB（绝）=mmHg。25033330.59450【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=740mmHg1.2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。水平方向：各力平衡垂直方向：1.下底面所受之向上总压力为p2A；2.上底面所受之向下总压力为p1A；3.整个液柱之重力G＝ρgA(Z1-Z2)。在静止液体中，上述三力之合力应为零，即p2A－p1A－ρgA(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-Z2＝h，则上式可改写为ghpp02)(2112zzgppghpp02当P0一定时，h↑→P2↑，即：静止流体中任一点的压力与流体密度ρ和所处高度h有关，与容器形状无关；P0变化时，会以同样大小传递到液体内部─帕斯卡原理；应用：水压机、液压传动装置讨论:等压面:静止流体中，同一水平面各点压强相等，称此水平面为等压面等压面条件：静止、连续、同一流体、同一液面（缺一不可）pA与pB之关系?水AB流入流出(4)压缩空气水AB(3)AB(1)水A(2)油B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+ρ1gh1+ρ2gh2=p+ρ1gh1+ρ2g(1.4-h1)pa′=p+ρ2ghpa=pa′p12h1h2h'aa例:密闭容器内盛有油(ρ1=800kg/m3)和水(ρ2=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，玻璃管中液面h=1.2m，求容器内油层高度。故：2112(h-1.4)(1.2-1.4)1000h===1.0m800-1000112212h+1.4-h=h)(2112zzgppgz─单位质量流体具有的位能，J/kg；P/ρ─单位质量流体具有的静压能，J/kg；2211gzpgzp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。2211gzpgzp两边同除以ghzzgpp1212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：注意其选择指示液密度ρ0，被测流体密度为ρ，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（p1－p2）的值。二、静力学基本方程的应用p1p2mRAA’根据流体静力学基本方程式则有：测量气体时，由于气体的ρ密度比指示液的密度ρ0小得多，故ρ0－ρ≈ρ0，上式可简化为U型管左侧U型管右侧120()ppgR120ppgRp1p2mRAA’)(1ARmgppgRgmpp02A''AApp讨论：①U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；②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、静止的同一液体内同一水平面上各点压力相等的原理，则21-aHOppxg2122-()HgHgHgbHOPRgpRgpRgpRxg11p=p22---()abHOHgHOppxgRgRxg＝RρHgg－RρH2Og＝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；)(CA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。)(CA21Rgpp（二）液位测量压差计读数R反映出容器内的液面高度。Rh0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AB•管道中充满氮气，其密度较小，近似认为BAppghppaAgRppaB0而所以Rh0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。gph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。体积流量质量流量1.3流体动力学两者关系：mvqq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：质量流速体积流速vquAmvqqGuAAmvqquAGA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。0tu),,(zyxfF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。0tu（2）非定态流动（非稳态流动）流场中的某物理量，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。),,,(tzyxfF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1122上式可写成:u1A1ρ1=u2A2ρ2推广到管路上任何一个截面，即:u1A1ρ1=u2A2ρ2=…=uAρ=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:ρ＝常数，可得到u1A1=u2A2=…=uA=常数u1A1=u2A2对于在圆管内作稳态流动的不可压缩流体：22221144dudu2)(1221dduu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123mmmqqqmmqq进出即三、连续性方程的应用－选用管径（1）初估管径流量qv一般由生产任务决定。对于圆形管道：流速选择：uqdv4u↑流动阻力↑→动力消耗↑→操作费↑均衡考虑→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Dg100；水煤气管公称直径（或为Ø英寸）既不表示内径，也不表示外径φ外径×壁厚内径=外径－2×壁厚（2）根据管子规格园整①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