化工机械中的典型流动分析

1第11章化工机械中的典型流动分析211化工机械中的典型流动分析一、过程工业定义在工业生产中，很多生产过程处理的物料为流程性物料，如气体、液体、粉体等。过程工业就是以流程性物料为主要处理对象，完成各种生产过程的工业。范围在化肥、石油化工、生物化工、制药、农药、燃料、食品、炼油、轻工、热电、核工业、公用工程、湿法冶金、环境保护等。311化工机械中的典型流动分析（续）4二、成套过程装置11化工机械中的典型流动分析（续）——由一系列的过程机器和过程设备按一定的流程方式，用管道、阀门等连接起来的一个独立的密闭联系系统，再配以必要的控制仪表和设备，即能平稳连续地使以流体为主的各种流程性材料，在装置内部经历必要的物理、化学过程，制造出人们需要的新的流程性材料产品。511化工机械中的典型流动分析（续）管道重油加氢脱硫和制氢装置611化工机械中的典型流动分析（续）三、过程装备在过程工业中过程装备是成套过程装置的主体，它是单元过程设备（如塔、换热器、反应器与储罐等）与单元过程机器（如压缩机、泵、分离机等）两者的统称。711化工机械中的典型流动分析（续）IS清水离心泵压缩机反应器塔与换热器8本章主要内容11.1叶轮机械中的流体流动11.2旋流器中的流体流动11.3通过滤饼层的流体流动11.4沉降离心机中的流体流动911.1叶轮机械中的流体流动叶轮机械——又称为透平机械基本特征——机器内包含一个转子，转子上有一个或多个叶轮，叶轮是主要的过流部件。基本功能——实现流体与转子之间的能量交换。分类（1）按叶轮与流体之间的能量传递关系分类工作机——叶轮对流体做功的流体输送机械——如离心泵、离心压缩机和风机等原动机——流体对叶轮做功的流体动力机械——如气轮机和水轮机等1011.1叶轮机械中的流体流动（续）（2）按流体的性质分类气体压缩机和气轮机等的工作流体是可压缩性的泵和水轮机等的工作流体是不可压缩的。（3）按流体在叶轮中的流动方式径流式轴流式离心泵压缩机1111.1叶轮机械中的流体流动（续）一、叶轮机械工作原理1、概述根据流体的流动方式——分径流式和轴流式两种（1）轴流式叶轮机械——两级轴流压缩机结构——转子上有两组叶片，因随转子运动而被称为动叶片。静止壳体上也有两组叶片，称为静叶片。压缩机的一级1211.1叶轮机械中的流体流动（续）叶轮机械的工作原理——从左边进口吸入的气体，经第一级静叶片导入动叶片，获得能量后经第二级静叶片导入第二级动叶片，气体能量再被提升。叶轮机械的特点——转子上的叶片径向长度较短，在机器内流体的流动方向基本上沿轴向方向，故被称为轴流式叶轮机械。1311.1叶轮机械中的流体流动（续）（2）径流式机械——一级离心泵转子上有若干由中心向外沿展开的叶片，液体从泵中心的进口被导入叶片，液体获得能量后从叶轮边沿排出。在这种机器中，叶片径向长度几乎等于转子的半径，流体流过叶轮的流动基本上沿转子的径向方向，故被称为径流式机械。1411.1叶轮机械中的流体流动（续）2、叶轮机械的相似关系叶轮机械流体力学的一个基点就是流动相似性。在考虑叶轮机械的流动相似问题时，选取下面的有关参数来构造无因次相似准数叶轮直径D流体运动粘度ν叶轮转速N重力加速度g流体流量qv流体总压头增量ΔH用p，v，z分别表示流体压力、速度和位高，则叶轮机械的流体总压头或总能量可表示为gvzgpH221511.1叶轮机械中的流体流动（续）由相似原理的π定理，可将叶轮机械中的流动用上述参数关联成无因次准数函数0,,,223NDDNgDHNDqfv叶轮线速度NDUlDUNDl2——旋转雷诺数，反映了流体惯性力和粘性力对叶轮机械中流体流动的影响。当它足够大时，流体粘滞性的影响可忽略不计，因次分析中将不出现粘性项。DNgNDqfDHv231,1611.1叶轮机械中的流体流动（续）DH322NDqfNDHgv通过实验已知，无因次压头增量与上式右边第二个无因次数的倒数成正比223vqHNDfDgND左边无因次数是单位质量流体具有的机械能与叶轮线速度的平方之比，称为压头系数。右边括号内的无因次数可看成流体出口速度与叶轮线速度之比，称为流动系数。压头系数反映流体动力相似，而流动系数则反映运动相似。1711.1叶轮机械中的流体流动（续）对于几何相似的叶轮机械，从压头系数和流动系数可导出第三个无因次数群——比转速。其定义为4321432221HgNqDNHgNDqNvvs——流动系数的平方根与压头系数的四分之三次方之比，其主要意义是用于不同类型叶轮机械之间的比较，以便选出最适合工作需要的一种，使机器能达到最大效率。1811.1叶轮机械中的流体流动（续）3、叶轮机械中流体力学基本方程叶轮机械的流体力学模型，机壳内的空间取为控制体——包含叶轮转子和壳体内的所有流体。基本假设：在控制体的进出口，流体均为一维流动，且方向任意；控制体内为稳态流动控制体与外界无热交换流体内无化学反应1911.1叶轮机械中的流体流动（续）222111AvAvnn21,AAnnvv21,vnnqAvAv2211连续性方程稳态流动，流进系统的流体质量应等于流出的质量。即在机器的进出口处有——分别是控制体流体进出口面积对不可压缩流体，ρ＝constant，进出口的体积流量相等——分别是进出口截面上流体的法向速度。2011.1叶轮机械中的流体流动（续）动量矩方程——稳态流动系统所受外力矩之矢量和等于单位时间通过控制面输出控制体的动量矩与输入控制体的动量矩之差。以转子轴线（z轴）作为参考坐标轴，考虑系统进出口处的动量变化，则叶轮机械的动量矩方程可写成1111122222AvvrAvvrMntntzzMttvv21,——外界通过转轴加到系统的扭矩，——进出口截面上流体在转子圆周切向速度分量。对不可压缩流体vttzqvrvrM11222111.1叶轮机械中的流体流动（续）能量方程根据模型假设条件及能量方程，对进口1和出口2两个截面可列出能量守恒方程2222112122hgyvWhgyvsh1、h2——分别是进出口处单位质量流体的焓。对不可压缩流体，模型假设条件下其内能变化很小，故h1和h2可分别用代替21,ppWs——系统单位质量流体对外界做的功。22v1t11.1叶轮机械中的流体流动（续）二、轴流式叶轮机械中的流体流动两级轴流压缩机的第一级为例进行分析。从径向方向观察，气流以轴向速度va进入静叶片组，叶片使气体的压力能转换为动能并改变流动方向，静叶片出口处的气流绝对速度为v1，同时也是动叶片组的进口绝对速度，v1与切线的夹角为α1，u1为动叶片组进口切线速度（动叶片旋转产生的牵连速度），w1为动叶片组进口处气流与叶片的相对速度，与切线的夹角为β1，w1与u1的合速度即为绝对速度v1，而v1t、v1a则分别为绝对速度v1在切向和轴向的分量。静叶轮叶片组动叶轮叶片组vaα1v1v1au1w1β12311.1叶轮机械中的流体流动（续）动叶片出口处对应的速度用下标2表示，意义与进口处相同。静叶片组和动叶片组的出口结构形式相同，流通面积相等。根据连续性方程有12aaavvv由速度分解图可得气体切向速度与轴向速度的关系1122tantantatavvvv轴流叶轮机械的动量矩方程2211211tan1tanzttvvaMrvrvqqrvr——叶轮平均半径2411.1叶轮机械中的流体流动（续）若α1α2，则Mz0，表明外界通过转轴对系统作用一个力矩，或外界对系统做功——工作机（压缩机）若α1α2，则Mz0，表明系统向外界输出力矩或对外做功——动力机（燃气轮机、蒸汽轮机）——压缩机和动力机动叶轮进出口速度和方向角度之间的关系。2511.1叶轮机械中的流体流动（续）三、径流式叶轮机械中的流体流动单级离心泵，流体从轴向进口进入，通过叶轮流道沿径向流出。流体与叶轮在流道中实现能量交换。现取叶轮流道所占据的空间作为控制面来分析。v1、w1、u1和v2、w2、u2分别为叶片进、出口面上流体的绝对速度、相对速度、牵连速度。2611.1叶轮机械中的流体流动（续）设叶片进、出口宽度分别为b1、b2，若流体体积流量为qv，则叶轮进出、口处流体的径向速度（垂直于进出口面的法向速度）v1r、v2r分别为1112222,2rvrvvqrbvqrb1122,urur进、出口面的牵连速度分别为没有径向分量绝对速度的径向分量与相对速度的径向分量相等111222sin,sinrrvwvwβ1、β2可近似取为叶片进、出口安装角，可视为已知参数2711.1叶轮机械中的流体流动（续）进出口面的相对速度分别为1111112222221sin2sin1sin2sinvrvrqwvrbqwvrb进出口面的绝对速度的切向分量分别为11111111222222221cos2tan1cos2tanvtvtqvuwrrbqvuwrrb2811.1叶轮机械中的流体流动（续）代入动量矩方程可得典型的径流式叶轮机械流体流动的动量矩方程，方程中均为已知参数。由此方程可计算轴功率。221122212211112tantanzttvvvMrvrvqqqrrbb29ThankYou！