化工基礎(chǔ)_第2講_流體流動過程及流體輸送設(shè)備馮啟

1、第二章第二章 流體流動過程及輸送機械流體流動過程及輸送機械2 2.1 .1 流體的靜力學基本方程式流體的靜力學基本方程式2 2.2 .2 流體流動的基本規(guī)律流體流動的基本規(guī)律 化工生產(chǎn)中處理的原料、中間產(chǎn)物，產(chǎn)品，大化工生產(chǎn)中處理的原料、中間產(chǎn)物，產(chǎn)品，大多數(shù)是多數(shù)是流體流體，涉及的過程大部分在流動條件下進行。，涉及的過程大部分在流動條件下進行。流體的流動和輸送是必不可少的過程操作。流體的流動和輸送是必不可少的過程操作。 選擇輸送流體所需管徑尺寸，確定輸送流體所選擇輸送流體所需管徑尺寸，確定輸送流體所需能量和設(shè)備。需能量和設(shè)備。流體性能參數(shù)的測量流體性能參數(shù)的測量, 控制。控制。研究流體的流動

2、形態(tài)，為強化設(shè)備和操作提供研究流體的流動形態(tài)，為強化設(shè)備和操作提供理論依據(jù)。理論依據(jù)。了解輸送設(shè)備的工作原理和操作性能，正確地了解輸送設(shè)備的工作原理和操作性能，正確地使用流體輸送設(shè)備。使用流體輸送設(shè)備。研究流體的流動和輸送主要是解決以下問題。研究流體的流動和輸送主要是解決以下問題。2 2.1 .1 流體靜力學基本方程式流體靜力學基本方程式 1 1密度（密度（p10)p10) 單位體積流體所具有的質(zhì)量稱為單位體積流體所具有的質(zhì)量稱為流體的密度流體的密度，其表達式為：其表達式為：流體密度，流體密度，km-3 ; m流體質(zhì)量，流體質(zhì)量，kg；V流體體積，流體體積，m3。 氣體具有可壓縮性及熱膨脹性，

3、其密度隨壓力氣體具有可壓縮性及熱膨脹性，其密度隨壓力和溫度有較大的變化。氣體密度可近似地用理想氣和溫度有較大的變化。氣體密度可近似地用理想氣體狀態(tài)方程進行計算：體狀態(tài)方程進行計算： = pM/RT p氣體絕對壓強氣體絕對壓強 kNm-2或或kPa；T氣體溫度氣體溫度 K；M氣氣體摩爾質(zhì)量體摩爾質(zhì)量 kgmol-1；R氣體常數(shù)，氣體常數(shù)，8.314 Jmo1-1K-1。= mV 化工生產(chǎn)中所遇到的流體，往往是含有多個組化工生產(chǎn)中所遇到的流體，往往是含有多個組分的混合物。對于分的混合物。對于液體混合物液體混合物，各組分的濃度常用，各組分的濃度常用質(zhì)量分數(shù)表示。質(zhì)量分數(shù)表示。n液體混合物中各純組分液

4、體的密度，液體混合物中各純組分液體的密度，kgm-3；xmn液體混合物中各組分液體的質(zhì)量分數(shù)。液體混合物中各組分液體的質(zhì)量分數(shù)。m氣體混合物平均密度，氣體混合物平均密度，kgm-3； Mm氣體混合物的平均摩爾質(zhì)量氣體混合物的平均摩爾質(zhì)量對于對于氣體混合物氣體混合物: : 比體積比體積 單位質(zhì)量流體所具有的體積稱為流體的單位質(zhì)量流體所具有的體積稱為流體的比體積比體積，以以表示，它與流體的密度互為倒數(shù)表示，它與流體的密度互為倒數(shù): : 一流體的比體積，一流體的比體積，m3kg-1；流體的密度，流體的密度，kgm-3。 =1/2 2壓強壓強 流體垂直作用于單位面積上的力稱為流體垂直作用于單位面積上的

5、力稱為壓強壓強：p流體的壓力，流體的壓力，Pa；P流體垂直作用于面積流體垂直作用于面積A上的力，上的力，N；A作用面積，作用面積，m2。壓力的單位壓力的單位Pa（Pascal，帕），即帕），即Nm-2。1atm=760mmHg=1.01325105Pa=10.33mH2O=1.033 kgf-2常用壓力單位與常用壓力單位與Pa之間的換算關(guān)系如下：之間的換算關(guān)系如下：p= PA 壓強有兩種表達方式。一是以絕對真空為起點壓強有兩種表達方式。一是以絕對真空為起點而計量的壓強；另一是以大氣壓強為基準而計量的而計量的壓強；另一是以大氣壓強為基準而計量的壓強，當被測容器的壓強高于大氣壓時，所測壓強壓強，當

6、被測容器的壓強高于大氣壓時，所測壓強稱為稱為表壓表壓，當測容器的壓強低于大氣壓時，所測壓，當測容器的壓強低于大氣壓時，所測壓強稱為強稱為真空度真空度。 兩種表達壓強間的換兩種表達壓強間的換算關(guān)系為算關(guān)系為 表壓表壓= =絕對壓強絕對壓強- -大氣壓強大氣壓強真空度大氣壓強真空度大氣壓強- -絕對壓強絕對壓強流體壓強的重要特性流體壓強的重要特性:流體壓強處處與它的作用面垂直流體壓強處處與它的作用面垂直,并且總是指并且總是指向流體的作用面向流體的作用面流體中任一點壓強的大小與所選定的作用面流體中任一點壓強的大小與所選定的作用面在空間的方位無關(guān)在空間的方位無關(guān)3 3流體靜力學基本方程式流體靜力學基本

7、方程式 流體處于流體處于靜止靜止狀態(tài)下所受的狀態(tài)下所受的壓力壓力和和重力重力的平衡關(guān)系的平衡關(guān)系2211pgzpgz 受力分析（圖受力分析（圖2-2）或或 1132244535p1p2p 等壓面等壓面定義定義: : 靜止、連續(xù)的均質(zhì)流體，處于同一水平面上的各點壓強相等靜止、連續(xù)的均質(zhì)流體，處于同一水平面上的各點壓強相等關(guān)于靜力學方程的討論關(guān)于靜力學方程的討論實例：實例：2211pgzpgz等壓面概念 p0變化某一數(shù)值，則變化某一數(shù)值，則 p改變同樣大小數(shù)值改變同樣大小數(shù)值壓力的可傳遞性壓力的可傳遞性ghpp02211pgzpgz或常數(shù)pgzpozoh112p1p2z2z1重力場中的壓力分布重力

8、場中的壓力分布有關(guān)、僅和一定，hpp0 靜止流體內(nèi)部，各不同截面上的壓力能和勢能兩者之和為常數(shù)。靜止流體內(nèi)部，各不同截面上的壓力能和勢能兩者之和為常數(shù)。 靜力學方程的幾種不同形式靜力學方程的幾種不同形式 2211gZpgZpaPgzpgzp2211kgJ /2211zgpzgpNJ / 測壓管php0ghp0 測壓管測壓管: : 絕壓:氣壓計氣壓計:ghp0pghp 氣壓計p = 0p0h測壓管和氣壓計測壓管和氣壓計表壓: 4.流體靜力學基本方程式的應(yīng)用流體靜力學基本方程式的應(yīng)用4.1 壓強的測定壓強的測定 U形管壓差計形管壓差計 選基準面選基準面列靜力學方程列靜力學方程110gzppgRgz

9、pp220Rzz21gRpp)(21R則）（若gRpp21則若1122p1p2z1z2RU 形管壓差計00110gzpp11p1paz1R00若若U形管壓差計一端與大氣相通，則可測得表壓（或絕壓）。形管壓差計一端與大氣相通，則可測得表壓（或絕壓）。 11gzgRp（表）apgzgRp11（絕）gRppa0gRpp)(21 傾斜液柱壓差計傾斜液柱壓差計sin1RR R1Rp1p2傾斜液柱壓差計傾斜液柱壓差計 微差壓差計微差壓差計)(10略小且形管直徑擴張室直徑ACU)(21CAgRppp2RcA微差壓差計p1gRpp)(21 倒倒U U形管壓差計形管壓差計gRpp21倒U形管壓差計1122p1p

10、2z1z2R00目的：目的： 恒定設(shè)備內(nèi)的壓力，恒定設(shè)備內(nèi)的壓力， 防止超壓；防止超壓；(2) 液封高度液封高度安全液封h0p溢流水00氣液氣gph0液封高度計算：液封高度計算：p00水氣體h0. 煤氣柜 防止氣體外泄；防止氣體外泄； 水封水封 練習習題p54,1, 22.2 流體流動的基本規(guī)律物料衡算式：連續(xù)性方程能量衡算式：伯努利方程1 1流量和流速流量和流速 單位時間內(nèi)流體流經(jīng)管道任一截面的流體量，單位時間內(nèi)流體流經(jīng)管道任一截面的流體量，稱為稱為流體的流量流體的流量。若流體量用體積來計量，稱為。若流體量用體積來計量，稱為體體積流量積流量，以符號，以符號qv表示，單位為表示，單位為m3s-

11、1 或或m3h-1 ；若若流體量用質(zhì)量來計量，則稱為流體量用質(zhì)量來計量，則稱為質(zhì)量流量質(zhì)量流量，以符號，以符號qm表示，其單位為表示，其單位為kgs-1 或或kgh-1 。若流體量用物質(zhì)的若流體量用物質(zhì)的量表示，稱為量表示，稱為摩爾流量摩爾流量，以符號，以符號qn表示，其單位為表示，其單位為mols-1。qm=qV 質(zhì)量流量與摩爾流量的關(guān)系為質(zhì)量流量與摩爾流量的關(guān)系為 qmMqn 體積流量和質(zhì)量流量的關(guān)系為：體積流量和質(zhì)量流量的關(guān)系為： 單位時間內(nèi)，流體在管道內(nèi)沿流動方向所流過單位時間內(nèi)，流體在管道內(nèi)沿流動方向所流過的距離，稱為的距離，稱為流體的流速流體的流速，以，以u表示，單位為表示，單位為

12、 ms-1。u = qV/A A A 與流體流動方向相垂直的管道截面積，與流體流動方向相垂直的管道截面積，m2 管道中心的流速最大，離管中心距離越遠，流管道中心的流速最大，離管中心距離越遠，流速越小，而在緊靠管壁處，流速為零。速越小，而在緊靠管壁處，流速為零。 通常所說的通常所說的流速流速是指管道整個截面上的平均流速是指管道整個截面上的平均流速，以流體的體積流量除以管路的截面積所得的值來，以流體的體積流量除以管路的截面積所得的值來表示：表示： 質(zhì)量流速質(zhì)量流速的定義是單位時間內(nèi)流體流經(jīng)管路單的定義是單位時間內(nèi)流體流經(jīng)管路單位截面積的質(zhì)量，以位截面積的質(zhì)量，以G表示，單位為表示，單位為 kgs-

13、1m-2，表表達式為：達式為： G = qmA 流速和質(zhì)量流速兩者之間的關(guān)系：流速和質(zhì)量流速兩者之間的關(guān)系：液體液體1.5 3.0ms-1，高粘度液體高粘度液體0.5 1.0 ms-1；氣體氣體102 0 ms-1，高壓氣體高壓氣體15 25 ms-1；飽和水蒸氣飽和水蒸氣204 0 ms-1，過熱水蒸氣過熱水蒸氣30 50 ms-1。 G =u工業(yè)上用的流速范圍大致為：工業(yè)上用的流速范圍大致為：練習：習題練習：習題32定態(tài)流動和非定態(tài)流動定態(tài)流動和非定態(tài)流動 流體在管道或設(shè)備中流動流體在管道或設(shè)備中流動時，若在任一截面上流體的時，若在任一截面上流體的流速、壓力、密度等有關(guān)物流速、壓力、密度等

14、有關(guān)物理量僅隨位置而改變，但不理量僅隨位置而改變，但不隨時間而改變，稱為隨時間而改變，稱為定態(tài)流定態(tài)流動動；反之，若流體在各截面；反之，若流體在各截面上的有關(guān)物理量中，只要有上的有關(guān)物理量中，只要有一項隨時間而變化，則一項隨時間而變化，則稱為稱為非定態(tài)流動非定態(tài)流動。 3定態(tài)流動過程物料衡算定態(tài)流動過程物料衡算連續(xù)性方程連續(xù)性方程 當流體在流動系統(tǒng)中作定態(tài)流動時，根據(jù)當流體在流動系統(tǒng)中作定態(tài)流動時，根據(jù)質(zhì)量質(zhì)量守恒定律守恒定律，在沒有物料累積和泄漏的情況下，單位，在沒有物料累積和泄漏的情況下，單位時間內(nèi)通過流動系統(tǒng)任一截面的流體的質(zhì)量應(yīng)相等。時間內(nèi)通過流動系統(tǒng)任一截面的流體的質(zhì)量應(yīng)相等。 對上

15、圖所示截面對上圖所示截面11和和22之間作物料衡算：之間作物料衡算： qm,1=qm,2又因為又因為qm=uA，所以：所以：1u1A1 =2u2A2 在任何一個截面上，則：在任何一個截面上，則： qm=1u1A12u2A2nunAn= 常數(shù)常數(shù) 對于不可壓縮流體，對于不可壓縮流體，=常數(shù)，則：常數(shù)，則： 它反映在定態(tài)流動體系中，流量一定時，管路各截面它反映在定態(tài)流動體系中，流量一定時，管路各截面上流體流速的變化規(guī)律。上流體流速的變化規(guī)律。 qV = u1A1 = u2A2 = = unAn = 常數(shù)常數(shù)qm,1=qm,24流體定態(tài)流動過程的能量衡算流體定態(tài)流動過程的能量衡算伯努利伯努利方程方程

16、 流動體系的能量形式主要有：流動體系的能量形式主要有：流體的動能、位能、流體的動能、位能、靜壓能以及流體本身的內(nèi)能。靜壓能以及流體本身的內(nèi)能。 動能動能 流體以一定的流速流動時，便具有一定的動流體以一定的流速流動時，便具有一定的動能。動能為能。動能為mu2/2，單位為單位為kJ。 位能位能 流體因受重力的作用，在不同高度處具有不流體因受重力的作用，在不同高度處具有不同的位能，相當在高度同的位能，相當在高度z處所做的功，即處所做的功，即mgz，單位為單位為kJ。 靜壓能靜壓能 靜止流體內(nèi)部任一處都存在一定的靜壓力。靜止流體內(nèi)部任一處都存在一定的靜壓力。 把流體引入壓力系統(tǒng)把流體引入壓力系統(tǒng)所做的

17、功，稱為所做的功，稱為流動功流動功。流體由于外界對它作流動流體由于外界對它作流動功而具有的能量，稱為功而具有的能量，稱為靜靜壓能壓能。 內(nèi)能內(nèi)能 內(nèi)能（又稱熱力學能）是流體內(nèi)部大量分內(nèi)能（又稱熱力學能）是流體內(nèi)部大量分子運動所具有的內(nèi)動能和分子間相互作用力而形成的子運動所具有的內(nèi)動能和分子間相互作用力而形成的內(nèi)能的總和。以內(nèi)能的總和。以U表示單位質(zhì)量的流體所具有的內(nèi)能，表示單位質(zhì)量的流體所具有的內(nèi)能，則質(zhì)量為則質(zhì)量為m（kg）的流體的內(nèi)能為的流體的內(nèi)能為mU，單位單位kJ。 流體的流動過程實質(zhì)上是流動體系中各種形式能流體的流動過程實質(zhì)上是流動體系中各種形式能量之間的轉(zhuǎn)化過程。量之間的轉(zhuǎn)化過程。

18、 管道內(nèi)的不可壓縮流體，管道內(nèi)的不可壓縮流體，不考慮熱力學能不考慮熱力學能，僅對，僅對總機械能進行衡算?？倷C械能進行衡算。（1）理想流體流動過程的能量衡算）理想流體流動過程的能量衡算 如上圖，設(shè)在單位時間內(nèi)有質(zhì)量為如上圖，設(shè)在單位時間內(nèi)有質(zhì)量為m(kg)、密度為密度為的的理想流體在導管中做定態(tài)流動，在與流體流動的垂直方向理想流體在導管中做定態(tài)流動，在與流體流動的垂直方向上選取截面上選取截面1-l和截面和截面2-2，在兩截面之間進行能量衡算。，在兩截面之間進行能量衡算。 入E 今流體在截面今流體在截面 2-2處的流速為處的流速為u2， 即即出E= mgz1+m u12/2+p1m/= mgz2+

19、m u22/2+p2m/ 根據(jù)能量守恒定律，若在兩截面之間沒有外界能根據(jù)能量守恒定律，若在兩截面之間沒有外界能量輸入，流體也沒有對外界作功，則流體在截面量輸入，流體也沒有對外界作功，則流體在截面1-1”和截面和截面2-2”之間應(yīng)符合：之間應(yīng)符合： =入E出E 即 mgz1+m u12/2+p1m/=mgz2+m u22/2+p2m/ 對于單位質(zhì)量流體，則：對于單位質(zhì)量流體，則： gz1+ u12/2+p1/=gz2+u22/2+p2/ 對于單位重力（重力單位為牛頓）流體，有：對于單位重力（重力單位為牛頓）流體，有： z1+ u12/(2 g)+p1/(g) =z2+u22/(2g)+p2/(g

20、) 工程上，將單位重力的流體所具有的能量單位為工程上，將單位重力的流體所具有的能量單位為JN-1，即即m，稱為稱為“壓頭壓頭”，則，則z、u2/(2g)和和p/(g)分分別是以壓頭形式表示的位能、動能和靜壓能，分別稱別是以壓頭形式表示的位能、動能和靜壓能，分別稱為為位壓頭、動壓頭和靜壓頭位壓頭、動壓頭和靜壓頭。 使用壓頭形式表示能量時，應(yīng)注明是哪一種流體，使用壓頭形式表示能量時，應(yīng)注明是哪一種流體，如流體是水，應(yīng)說它的壓頭是多少米水柱。如流體是水，應(yīng)說它的壓頭是多少米水柱。 以上各式都是理想流體在定態(tài)流動時的能量衡以上各式都是理想流體在定態(tài)流動時的能量衡算方程式，又稱為算方程式，又稱為伯努利方

21、程伯努利方程（Bernoulli equation）由伯努利方程可知，由伯努利方程可知，理想流體在管道各個截面上的理想流體在管道各個截面上的每種能量并不一定相等，它們在流動時可以相互轉(zhuǎn)每種能量并不一定相等，它們在流動時可以相互轉(zhuǎn)化，但其在管道任一截面上各項能量之和相等，即化，但其在管道任一截面上各項能量之和相等，即總能量（或總壓頭）是一個常數(shù)?？偰芰浚ɑ蚩倝侯^）是一個常數(shù)。2211pgzpgz 注意注意Bernoulli 方程的適用條件；方程的適用條件； 重力場中，連續(xù)穩(wěn)定流動的不可壓縮流體。重力場中，連續(xù)穩(wěn)定流動的不可壓縮流體。 對可壓縮流體，若開始和終了的壓力變化不超過對可壓縮流體，若開始

22、和終了的壓力變化不超過20%，密密度取平均壓力下的數(shù)值，也可應(yīng)用上式度取平均壓力下的數(shù)值，也可應(yīng)用上式。0u流體靜止，流體靜止，幾點說明：幾點說明： 注意式中各項的意義及單位；注意式中各項的意義及單位； 三種形式機械能三種形式機械能的相互轉(zhuǎn)換；的相互轉(zhuǎn)換； Bernoulli 方程與靜力學方程關(guān)系（方程與靜力學方程關(guān)系（p12)；應(yīng)用應(yīng)用 單位統(tǒng)一；單位統(tǒng)一； 基準統(tǒng)一；基準統(tǒng)一； 選擇界面，條件充分，垂直流動方向；選擇界面，條件充分，垂直流動方向； 原則上沿流動方向上任意兩截面均可。原則上沿流動方向上任意兩截面均可。200021112121upgzupgz0001010ppuza) 虹吸管虹

23、吸管在在0-0 和和1-1面間列柏努利方程面間列柏努利方程gHu20可得：可得：位能位能 動能動能 虹吸管Apah110BpaH0 b) 文氏管和噴射泵文氏管和噴射泵222221112121upgzupgz)(21212221uupp壓力能壓力能 動能動能 1122p1 文氏管u1p2u2 為克服流動阻力使流體流動，往往需要安裝流體為克服流動阻力使流體流動，往往需要安裝流體輸送機械（如泵或風機）。設(shè)單位重力的流體從流體輸送機械（如泵或風機）。設(shè)單位重力的流體從流體輸送機械所獲得的外加壓頭為輸送機械所獲得的外加壓頭為We，單位單位Jkg-1。 則實際流體在流動時的柏努利方程為：則實際流體在流動時的柏努利方程為： 對于靜止狀態(tài)的流體，對于靜止狀態(tài)的流體，u=0，