化工基础 第3章 流体流动过程及流体输送设备1

3.1流体的基本性质3.2流体流动的基本规律3.3流体压力和流量的测量3.5流体输送设备3.4管内流体流动的阻力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。②确定输送流体所需能量和设备。③流体性能参数的测量,控制。④研究流体的流动形态，为强化设备和操作提供理论依据。⑤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。3.1流体的基本性质1．密度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—气体压力kN·m-2或kPa；T—气体温度K；M—气体摩尔质量g·mol-1；R—气体常数J·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。ρi—液体混合物中各纯组分液体的密度，kg·m-3；wi—液体混合物中各组分液体的质量分数。ρi—气体混合物各纯组分的密度，kg·m-3；φi—气体ρ混合物中各组分的体积分数。iinnM22111对于气体混合物:iiiim22112．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/ρ3．压力流体垂直作用于单位面积上的力称为压力：p—流体的压力，Pa；F—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。Latm=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=F／A压力有两种表达方式。一是以绝对零压为起点而计量的压力；另一是以大气压力为基准而计量的压力，当被测容器的压力高于大气压时，所测压力称为表压，当测容器的压力低于大气压时，所测压力称为真空度。两种表达压力间的换算关系为表压=绝对压力-大气压力真空度＝大气压力-绝对压力用图3—1来表示其关系4．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；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。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/SS——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流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w表示，单位为kg·s-1·m-2，表达式为：w=qm／S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。w=ρu工业上用的流速范围大致为：5．粘度粘性是流体内部摩擦力的表现，粘度是衡量流体粘性大小的物理量，是流体的重要参数之一。流体的粘度越大，其流动性就越小。流体在圆管内的流动，可以看成分割成无数极薄的圆筒层，其中一层套着一层，各层以不同的速度向前流动，如图3-2所示。平板间的流体剪应力与速度梯度图3-3所示，将下板固定，而对上板施加一个恒定的外力，上板就以某一恒定速度u沿着x方向运动。实验证明，对于一定的液体，内摩擦力F与两流体层间的速度差u呈正比，与两层间的接触面积A呈正比，而与两层间的垂直距离y呈反比，即：F∝(Δu/Δy)A引入比例系数μ，则：F=μ(Δu/Δy)A单位面积上的内摩擦力称为内摩擦应力或剪应力，以τ表示，则有：τ=F／A=μ(Δu/Δy)当流体在管内流动时，径向速度的变化并不是直线关系，而是曲线关系，则有：τ=μ(du/dy)du/dy——速度梯度，即在与流动方向相垂直的y方向上流体速度的变化率μ——比例系数，亦称为粘性系数，简称粘度。凡符合牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体，所有气体和大多数液体都属于牛顿型流体。液体的粘度随着温度的升高而减小，气体的粘度随着温度的升高而增加。压力变化时，液体的粘度基本上不变，气体的粘度随压力的增加而增加得很少。意义：剪应力的大小与速度梯度成正比。描述了任意两层流体间剪应力大小的关系。物理意义:dydu—动力粘度，简称粘度[μ]=[τ/(du/dy)]=(N·m-2)/(m·s-1·m-1)=N·s·m-2=Pa·s流体的粘度还用粘度μ与密度ρ的比值来表示，称为运动粘度，以v表示之：对于低压气体混合物的粘度，可采用下式进行计算1P=100cP（厘泊）=10-1Pa·s单位为m2·s-11st—100cst(厘沲)=10-4m2·s-1在工业上常常遇到各种流体的混合物。μm——常压下混合气体的粘度；yi——气体混合物中某一组分的摩尔分数；μm=（∑yiμiMi1/2)／（∑yiMi1/2)v=μ/ρdydudydua6.流体类型①牛顿型流体：符合牛顿粘性定律的流体。气体及大多数低分子量液体是牛顿型流体。②非牛顿型流体μa——表观粘度，非纯物性,是剪应力的函数。Ⅰ假塑性流体：表观粘度随速度梯度的增大而减小。几乎所有高分子溶液或溶体属于假塑性流体。Ⅱ胀塑性流体：表观粘度随速度梯度的增大而增大。淀粉、硅酸盐等悬浮液属于胀塑性流体。Ⅲ粘塑性流体：当应力低于τ0时，不流动；当应力高于τ0时，流动与牛顿型流体一样。τ0称为屈服应力。如纸浆、牙膏、污水泥浆等。Ⅳ触变性流体：表观粘度随时间的延长而减小，如油漆等。Ⅴ粘弹性流体：既有粘性，又有弹性。当从大容器口挤出时，挤出物会自动胀大。如塑料和纤维生产中都存在这种现象。0du/dyτA-牛顿流体；B-假塑性流体；C-宾汉塑性流体；D-胀塑性流体；牛顿流体与非牛顿流体剪应力与速度梯度的关系3.2流体流动的基本规律1．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。2．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，根据质量作用定律，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因为qm=ρuS，所以：ρ1u1S1=ρ2u2S在任何一个截面上，则：qm=ρ1u1S1＝ρ2u2S2＝…＝ρnunSn=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=u1S1=u2S2=…=unSn=常数3．流体定态流动过程的能量衡算——柏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位能的总和。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。（1）理想流体流动过程的能量衡算理想流体是指在流动时没有内摩擦力存在的流体，即粘度为零。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，又称为柏努利方程（Bernoulliequation）由柏努利方程可知，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；1132244535p1p2①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力相等关于静力学方程的讨论实例：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/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Apah110BpaH0理想流体能量分布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He，单位J·N-1域m。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：Z1+u12/(2g)+p1/(ρg)+He=Z2+u22/(2g)+p2/(ρg)+hfp1-p2=ρg(Z1-Z2)Z1+p1/(ρg)=Z2+p2/(ρg)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kgJ/Rupgzwupgze2222222111mNJ/f2222e2