化學(xué)工程基礎(chǔ)

1、2021-12-1111.2 流體動力學(xué)流體動力學(xué)1.2.1 流體的流量與流速流體的流量與流速 1.2.2 定態(tài)流動與非定態(tài)流動定態(tài)流動與非定態(tài)流動1.2.3 定態(tài)流動系統(tǒng)的質(zhì)量守恒定態(tài)流動系統(tǒng)的質(zhì)量守恒 連續(xù)性方程連續(xù)性方程 1.2.4 定態(tài)流動系統(tǒng)的能量守恒定態(tài)流動系統(tǒng)的能量守恒 柏努利方程柏努利方程 2021-12-1121.2 流體動力學(xué)流體動力學(xué) 1. 體積流量體積流量 單位時間內(nèi)流經(jīng)管道任意截面的流體體積。 VSm3/s或m3/h2.2.質(zhì)量流量質(zhì)量流量 單位時間內(nèi)流經(jīng)管道任意截面的流體質(zhì)量。 mSkg/s或kg/h。 ssVm 二者關(guān)系：一、流量一、流量1.2.1 流體的流量與流

2、速流體的流量與流速2021-12-113二、流速二、流速2. 2. 質(zhì)量流速質(zhì)量流速 單位時間內(nèi)流經(jīng)管道單位截面積的流體質(zhì)量。1.1. 流速流速 （平均平均流速）流速）單位時間內(nèi)流體質(zhì)點在流動方向上所流經(jīng)的距離。 AVuskg/（m2s）uAVAmGss流量與流速的關(guān)系： GAuAVmssm/s2021-12-114uVds4對于圓形管道：流量VS一般由生產(chǎn)任務(wù)決定。流速選擇：三、管徑的估算管徑的估算 d 設(shè)備費用 u 流動阻力 動力消耗 操作費均衡考慮uu適宜適宜費費用用總費用總費用設(shè)備費設(shè)備費操作費操作費2021-12-115常用流體適宜流速范圍：常用流體適宜流速范圍： 水及一般液體 13

3、 m/s粘度較大的液體 0.51 m/s低壓氣體 815 m/s壓力較高的氣體 1525 m/s 2021-12-116 1.2.2 定態(tài)流動與非定態(tài)流動定態(tài)流動與非定態(tài)流動定態(tài)流動定態(tài)流動：各截面上的溫度、壓力、流速等物理量僅隨位置變化，而不隨時間變化； 非定態(tài)流動非定態(tài)流動：流體在各截面上的有關(guān)物理量既隨位置變化，也隨時間變化。),(,zyxfupT),(,zyxfupT2021-12-1171.2.3 定態(tài)流動系統(tǒng)的質(zhì)量守恒定態(tài)流動系統(tǒng)的質(zhì)量守恒連續(xù)性方程連續(xù)性方程 對于定態(tài)流動系統(tǒng)，在管路中流體沒有增加和漏失的情況下： 21ssmm222111AuAu推廣至任意截面 常數(shù)uAAuAum

4、s222111連續(xù)性方程連續(xù)性方程11 2 22021-12-118常數(shù)uAAuAuVs2211不可壓縮性流體，.Const圓形管道 ：2121221ddAAuu 即不可壓縮流體在管路中任意截面的流速與管內(nèi)徑的平方成反比 。2021-12-119例例1-31-3 如附圖所示，管路由一段894mm的管1、一段1084mm的管2和兩段573.5mm的分支管3a及3b連接而成。若水以9103m/s的體積流量流動，且在兩段分支管內(nèi)的流量相等，試求水在各段管內(nèi)的速度。 3a123b2021-12-11101.2.4 定態(tài)流動系統(tǒng)的能量守恒定態(tài)流動系統(tǒng)的能量守恒柏努利方程柏努利方程 一、總能量衡算一、總能

5、量衡算qeWep2,u2,2p1,u1,1221100z2z12021-12-1111（1）內(nèi)能 貯存于物質(zhì)內(nèi)部的能量。 1kg流體具有的內(nèi)能為U（J/kg）。衡算范圍：1-1、2-2截面以及管內(nèi)壁所圍成 的空間衡算基準：1kg流體基準面：0-0水平面（2）位能 流體受重力作用在不同高度所具有的能量。 1kg的流體所具有的位能為zg（J/kg）。 2021-12-1112（3）動能 1kg的流體所具有的動能為 (J/kg) 221u（4）靜壓能 靜壓能= pVAVpAFl1kg的流體所具有的靜壓能為 pmpV(J/kg)（5）熱 設(shè)換熱器向1kg流體提供的熱量為 (J/kg)。 eqlAV20

6、21-12-1113（6）外功(有效功) 1kg流體從流體輸送機械所獲得的能量為We (J/kg)。2222221121112121pugzUqWpugzUeepuzgUqWee221以上能量形式可分為兩類： 機械能：位能、動能、靜壓能及外功，可用于輸 送流體； 內(nèi)能與熱：不能直接轉(zhuǎn)變?yōu)檩斔土黧w的能量。2021-12-11142實際流體的機械能衡算實際流體的機械能衡算 假設(shè) 流體不可壓縮， 則 流動系統(tǒng)無熱交換，則 流體溫度不變， 則 21 0eq21UU (1) 以單位質(zhì)量流體為基準 設(shè)1kg流體損失的能量為Wf（J/kg），有： feWpugzWpugz222212112121(1)式中各

7、項單位為J/kg。并且實際流體流動時有能量損失。2021-12-1115（2）以單位重量流體為基準 將(1)式各項同除重力加速度g :gWgpugzgWgpugzfe222212112121令 gWHeegWhff則 fehgpugzHgpugz222212112121（2）式中各項單位為mNJkgNkgJ/2021-12-1116z 位壓頭gu22動壓頭He外加壓頭或有效壓頭。gp靜壓頭總壓頭hf壓頭損失2021-12-1117（3）以單位體積流體為基準 將(1)式各項同乘以 :feWpugzWpugz222212112121式中各項單位為PamJmkgkgJ33（3）feppugzWpug

8、z222212112121fp壓力損失2021-12-11183理想流體的機械能衡算理想流體的機械能衡算 理想流體是指流動中沒有摩擦阻力的流體。 gpugzgpugz222212112121222212112121pugzpugz（4）（5）柏努利方程式柏努利方程式 2021-12-11194. 4. 柏努利方程的討論柏努利方程的討論 （1）若流體處于靜止，u=0，Wf=0，We=0，則柏努利方程變?yōu)?說明柏努利方程即表示流體的運動規(guī)律，也表示流體靜止?fàn)顟B(tài)的規(guī)律 。2211pgzpgz（2）理想流體在流動過程中任意截面上總機械能、總壓頭為常數(shù)，即.212Constpuzg.212Constgp

9、ugz2021-12-1120gu221gu222gp1gp2Hz22102021-12-1121 We、Wf 在兩截面間單位質(zhì)量流體獲得或消耗的能量。（3）zg、 、 某截面上單位質(zhì)量流體所具有的位能、動能和靜壓能 ；p221u有效功率 ：eseWmN 軸功率 ：eNN 2021-12-1122（4）柏努利方程式適用于不可壓縮性流體。 對于可壓縮性流體，當(dāng) 時，仍可用該方程計算，但式中的密度應(yīng)以兩截面的平均密度m代替。%20121 ppp2021-12-11234柏努利方程的應(yīng)用柏努利方程的應(yīng)用 管內(nèi)流體的流量； 輸送設(shè)備的功率； 管路中流體的壓力； 容器間的相對位置等。利用柏努利方程與連續(xù)

10、性方程，可以確定：2021-12-1124（1）根據(jù)題意畫出流動系統(tǒng)的示意圖，標(biāo)明流體的流動方向，定出上、下游截面，明確流動系統(tǒng)的衡算范圍 ；（2）位能基準面的選取 必須與地面平行； 宜于選取兩截面中位置較低的截面； 若截面不是水平面，而是垂直于地面，則基準面應(yīng)選過管中心線的水平面。 2021-12-1125（4）各物理量的單位應(yīng)保持一致，壓力表示方法也應(yīng)一致，即同為絕壓或同為表壓。 （3）截面的選取 與流體的流動方向相垂直； 兩截面間流體應(yīng)是定態(tài)連續(xù)流動； 截面宜選在已知量多、計算方便處。 2021-12-1126 例例1-4 如附圖所示，從高位槽向塔內(nèi)進料，高位槽中液位恒定，高位槽和塔內(nèi)的

11、壓力均為大氣壓。送液hpa管為452.5mm的鋼管，要求送液量為3.6m3/h。設(shè)料液在管內(nèi)的壓頭損失為1.2m（不包括出口能量損失），試問高位槽的液位要高出進料口多少米？2021-12-1127 例例1-6 某化工廠用泵將敞口堿液池中的堿液（密度為1100kg/m3）輸送至吸收塔頂，經(jīng)噴嘴噴出，如附圖所示。泵的入口管為1084mm的鋼管，管中的流速為1.2m/s，出口管為763mm的鋼管。貯液池中堿液的深度為1.5m，池底至塔頂噴嘴入口處的垂直距離為20m。堿液流經(jīng)所有管路的能量損失為30.8J/kg（不包括噴嘴），在噴嘴入口處的壓力為29.4kPa（表壓）。設(shè)泵的效率為60%，試求泵所需的

12、功率。 2021-12-112820m1.5m2021-12-11294.2KJ/SfeWpugzWpugz2222121121212121221ddAAuu2021-12-113030二、二、靜力學(xué)基本方程的應(yīng)用靜力學(xué)基本方程的應(yīng)用 1. 壓力及壓力差的測量壓力及壓力差的測量 （1）U形壓差計形壓差計 設(shè)指示液的密度為 ，被測流體的密度為 。 0A與A面 為等壓面，即AApp)(1RmgppAgRgmppA02而p1p2mRAA2021-12-113131所以gRgmpRmgp021)(整理得gRpp)(021若被測流體是氣體， ，則有0021Rgpp2021-12-113232討論：討論：

13、（1）U形壓差計可測系統(tǒng)內(nèi)兩點的壓力差，當(dāng)將U形管一端與被測點連接、另一端與大氣相通時，也可測得流體的表壓或真空度； 表壓真空度p1pap1pa2021-12-113333（2）指示液的選?。?指示液與被測流體不互溶，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)； 其密度要大于被測流體密度。 應(yīng)根據(jù)被測流體的種類及壓差的大小選擇指示液。 2021-12-113434思考：思考：若U形壓差計安裝在傾斜管路中，此時讀數(shù) R反映了什么？gzzgRpp)()(12021p1p2z2RAAz12021-12-113535（2）雙液體雙液體U管壓差計管壓差計 擴大室內(nèi)徑與U管內(nèi)徑之比應(yīng)大于10 。)(CA 密度接近但不互溶的兩種指示

14、液A和C ；適用于壓差較小的場合。)(21CARgpp2021-12-113636（3） 倒倒U形壓差計形壓差計 RgRgpp)(021 指示劑密度小于被測流體密度，如空氣作為指示劑 （5） 復(fù)式壓差計復(fù)式壓差計 （4） 傾斜式傾斜式壓差計壓差計 適用于壓差較小的情況。適用于壓差較大的情況。2021-12-113737例例1-1 如附圖所示，水在水平管道內(nèi)流動。為測量流體在某截面處的壓力，直接在該處連接一U形壓差計， 指示液為水銀，讀數(shù) R250mm，h900mm。已知當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?01.3kPa，水的密度1 0 0 0 k g / m3， 水 銀 的 密 度13600kg/m3。試計算該截面處的壓力。 2021-12-113838例例1-2 如附圖所示，蒸汽鍋爐上裝一復(fù)式壓力計，指示液為水銀，兩U形壓差計間充滿水。相對于某一基準面，各指示液界面高度分別為 Z0=2.1m, Z2=0.9m, Z4=2.0m, Z6=0.7m, Z7=2.5m。 試計算鍋爐內(nèi)水面上方的蒸汽壓力。2021-12-1139392. 液位測量液位測量 （1 1）近距離液位測量裝置）近距離液位測量裝置 壓差