化工基础_第2讲_流体流动过程及流体输送设备-冯启

第二章流体流动过程及输送机械2.1流体的静力学基本方程式2.2流体流动的基本规律化工生产中处理的原料、中间产物，产品，大多数是流体，涉及的过程大部分在流动条件下进行。流体的流动和输送是必不可少的过程操作。①选择输送流体所需管径尺寸，确定输送流体所需能量和设备。②流体性能参数的测量,控制。③研究流体的流动形态，为强化设备和操作提供理论依据。④了解输送设备的工作原理和操作性能，正确地使用流体输送设备。研究流体的流动和输送主要是解决以下问题。2.1流体静力学基本方程式1．密度（p10)单位体积流体所具有的质量称为流体的密度，其表达式为：ρ——流体密度，kɡ·m-3;m——流体质量，kg；V——流体体积，m3。气体具有可压缩性及热膨胀性，其密度随压力和温度有较大的变化。气体密度可近似地用理想气体状态方程进行计算：ρ=pM/RTp—气体绝对压强kN·m-2或kPa；T—气体温度K；M—气体摩尔质量kg·mol-1；R—气体常数，8.314J·mo1-1·K-1。ρ=m／V化工生产中所遇到的流体，往往是含有多个组分的混合物。对于液体混合物，各组分的浓度常用质量分数表示。ρn—液体混合物中各纯组分液体的密度，kg·m-3；xmn—液体混合物中各组分液体的质量分数。ρm—气体混合物平均密度，kg·m-3；Mm—气体混合物的平均摩尔质量对于气体混合物:比体积单位质量流体所具有的体积称为流体的比体积，以υ表示，它与流体的密度互为倒数:υ一流体的比体积，m3·kg-1；ρ—流体的密度，kg·m-3。υ=1/ρ2．压强流体垂直作用于单位面积上的力称为压强：p—流体的压力，Pa；P—流体垂直作用于面积A上的力，N；A—作用面积，m2。压力的单位Pa（Pascal，帕），即N·m-2。1atm=760mmHg=1.01325×105Pa=10.33mH2O=1.033kgf·㎝-2常用压力单位与Pa之间的换算关系如下：p=P／A压强有两种表达方式。一是以绝对真空为起点而计量的压强；另一是以大气压强为基准而计量的压强，当被测容器的压强高于大气压时，所测压强称为表压，当测容器的压强低于大气压时，所测压强称为真空度。两种表达压强间的换算关系为表压=绝对压强-大气压强真空度＝大气压强-绝对压强流体压强的重要特性:流体压强处处与它的作用面垂直,并且总是指向流体的作用面流体中任一点压强的大小与所选定的作用面在空间的方位无关3．流体静力学基本方程式流体处于静止状态下所受的压力和重力的平衡关系ρρ2211pgzpgz受力分析（图2-2）或1132244535p1p2p①等压面定义:静止、连续的均质流体，处于同一水平面上的各点压强相等关于静力学方程的讨论实例：ρρ2211pgzpgz等压面概念③p0变化某一数值，则p改变同样大小数值—压力的可传递性ghpp02211pgzpgz或常数pgzpozoh112p1p2z2z1重力场中的压力分布有关、仅和一定，hpp0②④静止流体内部，各不同截面上的压力能和势能两者之和为常数。⑤静力学方程的几种不同形式2211gZpgZpaPgzpgzp2211kgJ/2211zgpzgpNJ/测压管php0ghp0测压管:绝压:气压计:ghp0pghp气压计p=0p0h①测压管和气压计表压:4.流体静力学基本方程式的应用4.1压强的测定②U形管压差计选基准面列静力学方程110gzppgRgzpp220Rzz21gRpp)(21R则）（若gRpp21则若1122p1p2z1z2RU形管压差计00110gzpp11p1paz1R00若U形管压差计一端与大气相通，则可测得表压（或绝压）。11gzgRp（表）apgzgRp11（绝）gRppa0gRpp)(21③倾斜液柱压差计sin1RRRp1p2倾斜液柱压差计α④微差压差计)(10略小且形管直径扩张室直径ACU)(21CAgRppp2RρcρA微差压差计p1gRpp)(21⑤倒U形管压差计gRpp21倒U形管压差计1122p1p2z1z2R00目的：①恒定设备内的压力，防止超压；(2)液封高度安全液封h0p溢流水00气液气gph0液封高度计算：p00水气体h0.煤气柜②防止气体外泄；水封练习习题p54,1,22.2流体流动的基本规律物料衡算式：连续性方程能量衡算式：伯努利方程1．流量和流速单位时间内流体流经管道任一截面的流体量，称为流体的流量。若流体量用体积来计量，称为体积流量，以符号qv表示，单位为m3·s-1或m3·h-1；若流体量用质量来计量，则称为质量流量，以符号qm表示，其单位为kg·s-1或kg·h-1。若流体量用物质的量表示，称为摩尔流量，以符号qn表示，其单位为mol·s-1。qm=ρqV质量流量与摩尔流量的关系为qm＝Mqn体积流量和质量流量的关系为：单位时间内，流体在管道内沿流动方向所流过的距离，称为流体的流速，以u表示，单位为m·s-1。u=qV/AA——与流体流动方向相垂直的管道截面积，m2管道中心的流速最大，离管中心距离越远，流速越小，而在紧靠管壁处，流速为零。通常所说的流速是指管道整个截面上的平均流速，以流体的体积流量除以管路的截面积所得的值来表示：质量流速的定义是单位时间内流体流经管路单位截面积的质量，以G表示，单位为kg·s-1·m-2，表达式为：G=qm／A流速和质量流速两者之间的关系：液体1.5～3.0m·s-1，高粘度液体0.5～1.0m·s-1；气体102～0m·s-1，高压气体15～25m·s-1；饱和水蒸气204～0m·s-1，过热水蒸气30～50m·s-1。G=ρu工业上用的流速范围大致为：练习：习题32．定态流动和非定态流动流体在管道或设备中流动时，若在任一截面上流体的流速、压力、密度等有关物理量仅随位置而改变，但不随时间而改变，称为定态流动；反之，若流体在各截面上的有关物理量中，只要有一项随时间而变化，则称为非定态流动。3．定态流动过程物料衡算——连续性方程当流体在流动系统中作定态流动时，根据质量守恒定律，在没有物料累积和泄漏的情况下，单位时间内通过流动系统任一截面的流体的质量应相等。对上图所示截面1—1’和2—2’之间作物料衡算：qm,1=qm,2又因为qm=ρuA，所以：ρ1u1A1=ρ2u2A2在任何一个截面上，则：qm=ρ1u1A1＝ρ2u2A2＝…＝ρnunAn=常数对于不可压缩流体，ρ=常数，则：它反映在定态流动体系中，流量一定时，管路各截面上流体流速的变化规律。qV=u1A1=u2A2=…=unAn=常数qm,1=qm,24．流体定态流动过程的能量衡算——伯努利方程流动体系的能量形式主要有：流体的动能、位能、静压能以及流体本身的内能。①动能流体以一定的流速流动时，便具有一定的动能。动能为mu2/2，单位为kJ。②位能流体因受重力的作用，在不同高度处具有不同的位能，相当在高度z处所做的功，即mgz，单位为kJ。③静压能静止流体内部任一处都存在一定的静压力。把流体引入压力系统所做的功，称为流动功。流体由于外界对它作流动功而具有的能量，称为静压能。④内能内能（又称热力学能）是流体内部大量分子运动所具有的内动能和分子间相互作用力而形成的内能的总和。以U表示单位质量的流体所具有的内能，则质量为m（kg）的流体的内能为mU，单位kJ。流体的流动过程实质上是流动体系中各种形式能量之间的转化过程。管道内的不可压缩流体，不考虑热力学能，仅对总机械能进行衡算。（1）理想流体流动过程的能量衡算如上图，设在单位时间内有质量为m(kg)、密度为ρ的理想流体在导管中做定态流动，在与流体流动的垂直方向上选取截面1-l’和截面2-2’，在两截面之间进行能量衡算。入E今流体在截面2-2’处的流速为u2，即出E=mgz1+mu12/2+p1m/ρ=mgz2+mu22/2+p2m/ρ根据能量守恒定律，若在两截面之间没有外界能量输入，流体也没有对外界作功，则流体在截面1-1”和截面2-2”之间应符合：=入E出E即mgz1+mu12/2+p1m/ρ=mgz2+mu22/2+p2m/ρ对于单位质量流体，则：gz1+u12/2+p1/ρ=gz2+u22/2+p2/ρ对于单位重力（重力单位为牛顿）流体，有：z1+u12/(2g)+p1/(ρg)=z2+u22/(2g)+p2/(ρg)工程上，将单位重力的流体所具有的能量单位为J·N-1，即m，称为“压头”，则z、u2/(2g)和p/(ρg)分别是以压头形式表示的位能、动能和静压能，分别称为位压头、动压头和静压头。使用压头形式表示能量时，应注明是哪一种流体，如流体是水，应说它的压头是多少米水柱。以上各式都是理想流体在定态流动时的能量衡算方程式，又称为伯努利方程（Bernoulliequation）由伯努利方程可知，理想流体在管道各个截面上的每种能量并不一定相等，它们在流动时可以相互转化，但其在管道任一截面上各项能量之和相等，即总能量（或总压头）是一个常数。ρρ2211pgzpgz④注意Bernoulli方程的适用条件；重力场中，连续稳定流动的不可压缩流体。对可压缩流体，若开始和终了的压力变化不超过20%，密度取平均压力下的数值，也可应用上式。0u流体静止，几点说明：①注意式中各项的意义及单位；②三种形式机械能的相互转换；③Bernoulli方程与静力学方程关系（p12)；应用①单位统一；②基准统一；③选择界面，条件充分，垂直流动方向；④原则上沿流动方向上任意两截面均可。200021112121uρpgzuρpgz0001010ppuza)虹吸管在0-0和1-1面间列柏努利方程gHu20可得：位能→动能虹吸管Apah110BpaH0b)文氏管和喷射泵222221112121upgzupgz)(21212221uupp压力能→动能1122p1文氏管u1p2u2为克服流动阻力使流体流动，往往需要安装流体输送机械（如泵或风机）。设单位重力的流体从流体输送机械所获得的外加压头为We，单位J·kg-1。则实际流体在流动时的柏努利方程为：对于静止状态的流体，u=0，没有外加能量，He=0，而且也没有因摩擦而造成的阻力损失hf=0，则柏努利方程简化为：p1-p2=ρg(z1-z2)gz1+p1/g=gz2+p2/ρ或实际流体在流动时，由于流体粘性的存在，必然造成阻力损失。（2）实际流体流动过程的能量衡算(p20)kgJ/压力头损失损失的机械能①②③实际流体柏努利方程几种表达形式及意义位能静压能动能有效功位头压力头动压头有效压头（速度头）Pam连续性方程和柏努利方程可用来计算化工生产中流体的流速或流量、流体输送所需的压头和功率等流体流动方面的实际问题。4．流体流动规律的应用举例在应用柏努利方程时，应该注意以下几点。①依题意画出流程示意图，标明流动方向；②选取适当截面，与流向垂直；截面的选取应包含待求的未知量和尽可能多的已知量，如大截面、敞开截面；③式中各项的单位相同；④基准一致，压力基准，位头基准；⑤流速使用所选截面上平均速度；⑥有效功率Pe：meeqWP或gHqPVe⑦效率PPe/P——输送机械的轴功率伯努利方程的应用例题2-2,2-3，2-4,2-5习题4