流體流動(dòng)安全技術(shù)分析

1、communication is the concentration of management.精品模板助您成功（頁(yè)眉可刪）流體流動(dòng)安全技術(shù)分析 一、流量方程式流體流動(dòng)的規(guī)律是通過(guò)一些參數(shù)描述的，流量與流速就是最基本的參數(shù)，而珂者間的關(guān)系就是流量方程式。二、 流量流體在流動(dòng)時(shí)，每單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)管道任一截面的流體量，稱(chēng)為流體的流量。如果流體量用流體的質(zhì)量來(lái)度量，則稱(chēng)為質(zhì)量流量，用qm表示，單位是kgs或kgh；如果流體量用流體的體積來(lái)度量，則稱(chēng)為體積流量，用qv表示，單位是m3s或m3h。兩者的關(guān)系qmpqv 式中相同條件下流體的密度，kgm3。需要注意的是，由于在不同的狀態(tài)(t、p)下，相同

2、質(zhì)量氣體的體積是不同的，因此，在用體積流量來(lái)表示氣體的流量時(shí)，必須注明氣體的狀態(tài)。三、流速單位時(shí)間內(nèi)，流體在流動(dòng)方向上經(jīng)過(guò)的距離叫流體的流速。由于流體具有黏性，流體管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，同一流通截面上各點(diǎn)的流速是不同的，越靠近管壁，流速越小，中心的流速最大。在流體輸送中所說(shuō)的流速，通常指整個(gè)流通截面上流速的平均值，用u表示，單位是ms。平均流速可以用下式計(jì)算：uqva (512)式中 a垂直于流向的管道截面積，稱(chēng)為流通截面積，m2。對(duì)于圓形管路，a就是截面圓的面積，即：式中 d-管道的內(nèi)徑，m。由于氣體的體積是隨著狀態(tài)的變化而變化的，工業(yè)生產(chǎn)中也有用質(zhì)量流速來(lái)表示氣體的流速的。在化工生產(chǎn)中，流體流速不僅

3、關(guān)系著流體流動(dòng)的動(dòng)量、揚(yáng)程等與安全有關(guān)的問(wèn)題，而且關(guān)系著流體靜電的產(chǎn)生和靜電火花問(wèn)題。四、 流量方程式描述流體流量、流速和流通截面積三者之間的關(guān)系式稱(chēng)為流量方程式，主要有方程(512)。它告訴我們，在流量一定的情況下，流通截面積越小，流速越大。在工程上，流量方程式主要用來(lái)指導(dǎo)選擇管子規(guī)格和確定塔設(shè)備的直徑。將方程式(513)代入式(512)得通常，流量是由輸送任務(wù)決定的，因此，管子的規(guī)格取決于流速的大小。由式可以看出，流速越大，管徑越小，管路投入(設(shè)備費(fèi)用)越小，但同時(shí)，流速越大，流體輸送的動(dòng)力消耗(操作費(fèi)用)也越大(流體阻力)；反之，結(jié)果相反。通常，水及低黏度液體的適宜流速為153oms，常

4、壓氣體的適宜流速為1020ms，飽和蒸汽的適宜流速為2040ms等。確定流速時(shí)還應(yīng)考慮流體流動(dòng)過(guò)程中的靜電積累問(wèn)題保持在安全流速范圍。例55 需要將密度為960kgm3的料液送人某精餾塔精餾分離。已知進(jìn)料量是10000kgh，進(jìn)料速度是142ms。問(wèn)進(jìn)料管的直徑應(yīng)該是多少?解 進(jìn)料管的直徑為五、 穩(wěn)定流動(dòng)與不穩(wěn)定流動(dòng)根據(jù)流體流動(dòng)過(guò)程中流動(dòng)參數(shù)的變化情況，可以將流體的流動(dòng)分為穩(wěn)定流動(dòng)與不穩(wěn)定流動(dòng)。如圖54(a)所示，由于進(jìn)入恒位槽的流體的流量大于流出的流體的流量，多余的流體就會(huì)從溢流管流出，從而保證了恒位槽內(nèi)液位的恒定。在液體流動(dòng)過(guò)程中，流體的壓力、流量、流速等流動(dòng)參數(shù)只與位置有關(guān)，而不隨時(shí)間的

5、延續(xù)而變化，像這種流動(dòng)參數(shù)只與空間位置有關(guān)而與時(shí)間無(wú)關(guān)的流動(dòng)，叫穩(wěn)定流動(dòng)。圖54(b)由于沒(méi)有流體的補(bǔ)充，貯槽內(nèi)的液位將隨著流動(dòng)的進(jìn)行而不斷下降，從而導(dǎo)致流體的壓力、流量、流速等流動(dòng)參數(shù)不僅與位置有關(guān)，而且與時(shí)間有關(guān)，像這種流動(dòng)參數(shù)既與空間位置有關(guān)又與時(shí)間有關(guān)的流動(dòng)，叫不穩(wěn)定流動(dòng)?；どa(chǎn)中的連續(xù)操作過(guò)程，多屬于穩(wěn)定流動(dòng)，連續(xù)操作的開(kāi)車(chē)、停車(chē)過(guò)程及間歇操作過(guò)程屬于不穩(wěn)定流動(dòng)。六、 穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)的物料衡算連續(xù)性方程當(dāng)流體在密閉管路中穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，如果流通截面積發(fā)生了變化，則流體的流速也將發(fā)生變化。但是，在單位時(shí)間內(nèi)，通過(guò)任一截面的流體質(zhì)量均相等，這是由質(zhì)量守恒定律決定的，見(jiàn)圖5-5。即式(515)

6、和式(516)都是對(duì)輸送過(guò)程物料衡算的結(jié)果，稱(chēng)為連續(xù)性方程，是研究分析流體流動(dòng)的重要方程之一。它反映了不同截面間的流量、流速及流通截面積之間的關(guān)系，規(guī)律與管路的布置形式及管路上是否有管件、閥門(mén)或輸送設(shè)備無(wú)關(guān)。此式表明，在穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)中，流通截面積最小的地方，液體的流速最快。例56) 某流體從內(nèi)徑loomm的鋼管流人內(nèi)徑80mm的鋼管，流量為60m3h，試求在穩(wěn)定流動(dòng)條件下，兩管內(nèi)的流速。解 大管內(nèi)的流速?gòu)谋纠梢钥闯?，在穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)中，流體的流速與管徑的平方成反比。七、 穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)的能量衡算柏努利方程(一) 流動(dòng)流體所具有的能量能量是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的量度，當(dāng)物質(zhì)的各種流動(dòng)形式發(fā)生變化時(shí)，與之對(duì)應(yīng)的

7、能量形式也將發(fā)生變化。許多流體流動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)事故都與能量的積聚和傳遞相關(guān)。流體流動(dòng)時(shí)主要有3種能量可能發(fā)生變化。(1)位能 是流體質(zhì)量中心處在一定的空間位置而具有的能量。位能是相對(duì)值，與所選定的基準(zhǔn)水平面有關(guān)，其值等于把流體從基準(zhǔn)水平面提升到當(dāng)前位置所做的功。質(zhì)量為m(kg)，距基準(zhǔn)水平面的垂直距離為z(m)的流體的位能是mz(j)。(2)動(dòng)能 是流體具有一定的運(yùn)動(dòng)速度而具有的能量。質(zhì)量為n2(kg)，流速為u(ms)的流體所具有的動(dòng)能為12muz(j)。(3)靜壓能 靜壓力不僅存在于靜止流體中，而且也存在于流動(dòng)流體中，流體因?yàn)榫哂幸欢ǖ撵o壓力而具有的能量稱(chēng)為流體的靜壓能。這種能量的宏觀表現(xiàn)可

8、以通過(guò)圖56示意。流體從某管路中流過(guò)，如果在管路側(cè)壁上開(kāi)一小孔并裝上一豎直玻璃管，能夠發(fā)現(xiàn)流體沿小管上升一定高度并停止。靜壓能就是這種推動(dòng)流體上升的能量，經(jīng)推導(dǎo)知，質(zhì)量為m(kg)，在壓力為戶(hù)(pa)的流體的靜壓能為， mp(j)。位能、動(dòng)能、靜壓能都是機(jī)械能，在流體流動(dòng)時(shí)，三種能量可以相互轉(zhuǎn)換。八、 穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)的能量衡算流體在圖57所示的系統(tǒng)中穩(wěn)定流動(dòng)，由于截面11與截面22處境不同，因此這兩個(gè)截面上的流體的能量是不一樣的。但根據(jù)能量守恒定律，穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)中的能量是守恒的，即進(jìn)人流動(dòng)系統(tǒng)的能量離開(kāi)流動(dòng)系統(tǒng)的能量+系統(tǒng)內(nèi)的能量積累對(duì)于穩(wěn)定流動(dòng)，系統(tǒng)內(nèi)的能量積累為零。在圖57中，流體從11截面

9、經(jīng)泵輸送到22截面，設(shè)流體中心距基準(zhǔn)水平面的距離分別為z1、z2，兩截面處的流速、壓強(qiáng)分別為u1、p1和u2、p2：，流體在兩截面處的密度均為，1kg流體從泵獲得的外加功為w，1kg流體從截面11流到截面22的全部能量損失為e1，則按照能量守恒定律得到式中 w1kg流體在11截面與22截面間獲得的外加功，jkg；ef1kg流體從11截面流到22截面的能量損失，jkg；其他符號(hào)的意義及單位與前面相同。在工程上，常常以1n流體為基準(zhǔn)，計(jì)量流體的各種能量，并把相應(yīng)的能量稱(chēng)為壓頭，單位為m，即1n流體的位能、動(dòng)能、靜壓能分別稱(chēng)為位壓頭、動(dòng)壓頭、靜壓頭，1n流體獲得的外加功叫外加壓頭，1n流體的能量損失

10、叫損失壓頭等。用壓頭表示的能量守恒定律式中 h 1n流體在11截面與22截面間獲得的外加功，m；hf 1n流體從11截面流到22截面的能量損失，m；其他符號(hào)的意義及單位與前面相同。式(517)和式(518)是實(shí)際流體的機(jī)械能衡算式，習(xí)慣上稱(chēng)為柏努利方程，它反映了流體流動(dòng)過(guò)程中，各種能量的轉(zhuǎn)化與守恒規(guī)律，這一規(guī)律在流體輸送中具有重要意義。理想流體(沒(méi)有黏性，流動(dòng)時(shí)沒(méi)有內(nèi)摩擦力)流動(dòng)時(shí)沒(méi)有能量損失，在沒(méi)有外加功時(shí)，式(518)可寫(xiě)為式(518a)、式(518b)稱(chēng)為理想流體的柏努利方程。九、 柏努利方程的分析與應(yīng)用(1)能量守恒與轉(zhuǎn)化規(guī)律 柏努利方程提示了流體流動(dòng)過(guò)程中，各種能量形式可以相互轉(zhuǎn)化，

11、但總能量是守恒的。為了分析方便，以理想流體的柏努利方程式來(lái)分析能量的變化規(guī)律。設(shè)z1z2，則可以看出，動(dòng)能與靜壓能是可以相互轉(zhuǎn)化的。由此可以推出，在流動(dòng)最快的地方，壓力最小。在工程上，利用這一規(guī)律，制造設(shè)計(jì)了流體動(dòng)力式真空泵，也正是這一規(guī)律，使飛機(jī)上了天，制造了球類(lèi)比賽中的旋轉(zhuǎn)球。想一想，為什么高速航行的兩艘船不能靠得太近，為什么人不能離運(yùn)行的火車(chē)太近等。必須指出，實(shí)際流體流動(dòng)時(shí)，由于流體阻力的存在，不同能量形式的轉(zhuǎn)化是不完全的，其差額就是能量損失。例5-7) 密度為900kgm3的某流體從圖58管路中流過(guò)。已知大、小管的內(nèi)徑分別為106mm和68mm；11截面處流體的流速為lms，壓力為1.

12、2atm。求解截面22處流體的壓力。解 在截面11與截面22間的列柏努利方程，可得(2)流體自然流動(dòng)的方向 在式(517)中，如果外加功為零，即流體的流動(dòng)為自然流動(dòng)，由于流體阻力始終大于零，則流體在11截面所具有的能量必然會(huì)大于流體在22截面所具有的能量。所以，流體自然流動(dòng)只能從高能位向低能位進(jìn)行。在化工生產(chǎn)中，經(jīng)常需要將流體從低能位輸送到高能位的地方。為了完成任務(wù)，人們必須采取措施，以保證上游截面處流體的能量能大于下游截面處流體的能量。從柏努利方程可以看出，這些措施包括增加上游截面的能量、減少下游截面的能量、在上下游加壓(酸貯槽)，在下游抽真空(真空抽料)和使用流體輸送機(jī)械等。如圖59所示，

13、擬用高位水槽輸送水至某一地點(diǎn)，已知輸送任務(wù)為25ls，水管規(guī)格為114x 4mm，若水槽及水管出口均為常壓，流體的全部阻力損失為62jkg，問(wèn)高位水槽液面至少要比水管出口高多少米?解 在高位水槽液面11和水管出口截面22之間列柏努利方程，得即高位水槽的液面至少要比水管出口截面高68m，才能保證完成輸送任務(wù)?？梢钥闯?，通過(guò)設(shè)置高位槽，可以提高上游截面的能量，從而可以保證流體按規(guī)定的方向和流量流動(dòng)。(例59) 如圖510所示，用酸貯槽輸送293k，98的硫酸至酸高位槽，要求的輸送量是l 8m3l。已知管子的規(guī)格為38x3mm，管子出口比酸貯槽內(nèi)液面高15m，全部流體阻力為10jkg。求開(kāi)始時(shí)壓縮空

14、氣的表壓力。又查，273k下，98的硫酸的密度=1836k8m3，代人上式得開(kāi)始時(shí)壓縮空氣的壓力p1=289x10(5)pa(表壓)?？梢钥闯觯ㄟ^(guò)加壓來(lái)提高上游截面的靜壓能，可以保證流體按規(guī)定的方向和流量流動(dòng)。如圖511所示，用泵將水從水槽送入二氧化碳水洗塔。已知，貯槽水面的壓力300kpa，塔內(nèi)壓力為2100kpa，塔內(nèi)水管與噴頭連接處的壓力為2250kpa；鋼管規(guī)格為57x25mm；塔內(nèi)水管與噴頭連接處比貯槽水面高20m；送水量為15m3h；流體從貯槽水面流到噴頭的全部流體阻力損失為49jkg；水的密度取1000kgm3。試求水泵的有效功率。解 在水槽液面11與塔內(nèi)水管與噴頭連 接處2-2之間應(yīng)用柏努利方程，并以11截面為基準(zhǔn)水平面，得將數(shù)據(jù)代人柏努利方程式，得w2797jkg水泵的有效功率為 n，wqvp2797x15xlooo3600