化工基礎(chǔ)課第三章-流體流動(dòng)及流體輸送設(shè)備

流體流動(dòng)及流體輸送設(shè)備Chapter3FlowTransfer化工基礎(chǔ)第三章一．研究流體規(guī)律的意義1、化工生產(chǎn)產(chǎn)品工藝中所涉及的物料大都是流體大部分在流動(dòng)條件下進(jìn)行。設(shè)備之間、工序之間均采用管道聯(lián)接，都和流體的流動(dòng)與輸送有關(guān)。流體的輸送為“三傳一反”中的“動(dòng)量傳遞”過程三傳：動(dòng)量、熱量、質(zhì)量傳遞一反：化學(xué)反應(yīng)器因此，化工生產(chǎn)需要進(jìn)行準(zhǔn)確的流體流動(dòng)、輸送的工程計(jì)算某化工廠生產(chǎn)場(chǎng)地2、化工生產(chǎn)所涉及的過程：某化工廠生產(chǎn)場(chǎng)地二．研究流體的流動(dòng)、輸送主要解決的問題⑴輸送流體相關(guān)參數(shù)的確定。⑵了解流體輸送設(shè)備的工作原理和操作性能，正確地使用流體輸送設(shè)備。3.1流體的基本性質(zhì)3.2流體流動(dòng)的基本規(guī)律3.4管內(nèi)流體的阻力3.3流體壓力和流量的測(cè)量3.5流體輸送機(jī)械3.1流體的基本性質(zhì)1．密度（density）2．比體積(specificvolume)3．壓力(pressure)4．流量和流速（flowandflowrate）5．粘度(viscosity)⑴密度的物理意義：?jiǎn)挝惑w積的流體所具有的質(zhì)量。V：流體的體積，m3表達(dá)式：ρ：流體的密度，kg·m-3m：流體的質(zhì)量，kg1．密度（density）⑵密度計(jì)算：提示：PV=nRT①

氣體密度用理想氣體狀態(tài)方程進(jìn)行計(jì)算：思考：如何推導(dǎo)②混合流體密度的計(jì)算：各純組分流體的密度，kg·m-3各組分流體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)③混合氣體密度的計(jì)算各組分的體積分?jǐn)?shù)各純組分液體的密度，kg·m-3例題X3-1已知硫酸與水的密度分別為1830kg.m-3與998kg.m-3，試求含硫酸為60%（質(zhì)量）的硫酸水溶液的密度。解：根據(jù)式（3-3）例題X3-2已知干空氣的組成為：O221%、N278%和Ar1%（均為體積%）。試求干空氣在壓力為9.81×104Pa及溫度為100℃時(shí)的密度。解：首先將攝氏度換算為開爾文溫度：100℃=273+100=373KMm=32×0.21+28×0.78+39.9×0.01=28.96再求空氣的平均分子量：根據(jù)式（3-2）：2．比體積(specificvolume)物理意義：?jiǎn)挝毁|(zhì)量流體所具有的體積。表達(dá)式：流體的比體積，m3·kg-1

流體的密度，kg·m-33．壓力(pressure)⑴物理意義：流體垂直作用于單位面積上的力（壓力、壓強(qiáng)）⑵表達(dá)式：P：流體的壓力,PaF：流體垂直作用于面積A上的力，NA：作用面積，m21atm=760mmHg=1.01325×105Pa=10.33mH2O=1.033kgf.cm-2

⑶表壓(gaugepressure)、真空度（degreeofvacuum）絕對(duì)真空：絕對(duì)壓力（為零）絕對(duì)壓力表壓大氣壓壓絕對(duì)壓力測(cè)定壓力＞大氣壓測(cè)定壓力＜大氣壓測(cè)定壓力測(cè)定壓力大氣壓壓真空度表壓=絕對(duì)壓力－大氣壓力真空度=大氣壓力－絕對(duì)壓力例題X3-3某臺(tái)離心泵進(jìn)、出口壓力表讀數(shù)分別為220mmHg（真空度）及1.7kgf/cm2，若當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?60mmHg，試求它們的絕對(duì)壓力各為若干。離心泵進(jìn)口處壓力表讀數(shù)為真空度、出口壓力壓力表讀數(shù)為表壓解：∴進(jìn)口絕對(duì)壓力P1=760-220=440mmHg=7.2×104Pa真空度=大氣壓力-絕對(duì)壓力∴絕對(duì)壓力=大氣壓力-真空度表壓=絕對(duì)壓力-大氣壓力∴絕對(duì)壓力=大氣壓力+表壓出口絕對(duì)壓力P2=1.033+1.7=2.733kgf=2.68×105Pa4．流量和流速⑴流量：①體積流量qv單位時(shí)間內(nèi)流體流經(jīng)管道任一截面的體積，m3·s-1②質(zhì)量流量qv單位時(shí)間內(nèi)流體流經(jīng)管道任一截面的質(zhì)量③摩爾流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流體流經(jīng)管道任一截面的物質(zhì)的量⑵流速①流速單位時(shí)間內(nèi)，流體在管道內(nèi)沿流動(dòng)方向所流過的距離，m·s-1②質(zhì)量流速(massvelocityofflow)：

kg·s-1

例題X3-4以內(nèi)徑為105mm的鋼管輸送壓力為2atm、溫度為120℃的空氣。已知空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量為630m3·h-1，試求此空氣在管內(nèi)的流速和質(zhì)量流程。解：依題意將空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的流量換算為操作狀態(tài)下的流量。因壓力不高，可應(yīng)用理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算如下：取空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的平均分子量為Mm=28.9實(shí)際操作狀態(tài)下空氣的密度為：5．粘度(viscosity)粘性是流體內(nèi)部摩擦力的表現(xiàn)，粘度是衡量流體粘性大小的物理量。粘度↑，流動(dòng)性↓以圓形管為例：可將流動(dòng)的流體看成分割成無(wú)數(shù)極薄的圓和筒層，相鄰兩層之間的相互作用力便是流體的內(nèi)摩擦力。⑴粘度μ的物理意義：設(shè)有上、下兩塊平行放置、面積很大、相距很近的夾板，板間充滿流體，下板固定，以一推動(dòng)力F推動(dòng)上平板以u(píng)恒速運(yùn)動(dòng)。引入比例系數(shù)μ，有：經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，此時(shí)：⑵

粘度:單位：Pa·s，泊P：g·cm-1·s-1⑶運(yùn)動(dòng)粘度：?jiǎn)挝唬簃2·s-1，沲st：g·cm-1·s-1⑷內(nèi)摩擦應(yīng)力或剪應(yīng)力：?jiǎn)挝幻娣e上的內(nèi)摩擦力。即：3.2流體流動(dòng)的基本規(guī)律1.定態(tài)流動(dòng)和非定態(tài)流動(dòng)3.流體定態(tài)流動(dòng)過程的能量衡算---柏努利方程2.流體定態(tài)流動(dòng)過程的物料衡算---連續(xù)性方程⑴定態(tài)流動(dòng)：1.定態(tài)流動(dòng)和非定態(tài)流動(dòng)⑵非定態(tài)流動(dòng)2.流體定態(tài)流動(dòng)過程的物料衡算---連續(xù)性方程⑴

推導(dǎo)：定態(tài)流動(dòng)時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過流動(dòng)系統(tǒng)任一截面的液體的質(zhì)量應(yīng)相等：

即推廣到任一截面有：BA例X3-5某液體在一管路中穩(wěn)定流過，若將管子直徑減小一半，而流量不變，則液體的流速為原流速的多少倍?解：3.流體定態(tài)流動(dòng)過程的能量衡算---柏努利方程流動(dòng)體系的三種能量形式：②

位能：①

動(dòng)能：③

靜壓能：⑴理想流體流動(dòng)過程的能量衡算11‘22‘基準(zhǔn)面Z1Z2圖中截面1、2之間符合能量守恒定律⑵實(shí)際流體流動(dòng)過程的能量衡算實(shí)際流體輸送過程中存在：流體輸送機(jī)械輸入功He、摩擦阻力損失Σhf——此式為柏努利方程的最常用形式4.流體流動(dòng)規(guī)律的舉例輸送單位質(zhì)量流體所需加入的外功，

是決定流體輸送機(jī)械的重要數(shù)據(jù)。包括所選截面間全部管路阻力損失若管路輸送的流體的質(zhì)量流量為w（kg/s），則輸送流體所需供給的功率（即流體輸送機(jī)械的有效功率）為：如果流體輸送機(jī)械的效率為

，則實(shí)際消耗的功率即流體輸送機(jī)械的軸功率為：應(yīng)用柏努利方程進(jìn)行計(jì)算的一般原則應(yīng)用柏努利方程時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)具體問題在流體流動(dòng)系統(tǒng)中確定衡算范圍，也就是確定列出柏努利方程的兩截面位置。計(jì)算重力位能的基準(zhǔn)水平面可任取，基準(zhǔn)面處流體的重力位能為零。所以若使兩計(jì)算截面之一為基準(zhǔn)面可使方程簡(jiǎn)化。所選的兩個(gè)截面應(yīng)盡可能是已知條件最多的截面，而待求的參數(shù)應(yīng)在兩截面上或在兩截面之間。求解方程時(shí)應(yīng)注意各項(xiàng)單位的一致性（J/kg或Pa）。【例X3-6】容器B內(nèi)保持一定真空度，溶液從敞口容器A經(jīng)內(nèi)徑為30mm導(dǎo)管自動(dòng)流入容器B中。容器A的液面距導(dǎo)管出口的高度為1.5m，管路阻力損失可按

hf

=5.5u2計(jì)算（不包括導(dǎo)管出口的局部阻力），溶液密度為1100kg/m3。試計(jì)算：送液量每小時(shí)為3m3時(shí)，容器B內(nèi)應(yīng)保持的真空度。解：取容器A的液面1-1截面為基準(zhǔn)面，導(dǎo)液管出口為2-2截面，在該兩截面間列柏努利方程，有【例X3-6】3.3流體壓力和流量的測(cè)量1．流體壓力的測(cè)量---U形管壓力計(jì)2．流體流量的測(cè)量---孔板流量計(jì)、文丘里流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)1．流體壓力的測(cè)量---U形管壓力計(jì)在測(cè)量流體壓力時(shí)，壓力計(jì)可視為靜止流體。在指示液兩液面間進(jìn)行能量衡算，此時(shí)柏努利方程簡(jiǎn)化為：⑴

孔板流量計(jì)通過改變流體在管道中的流通截面積而引起動(dòng)能與靜壓能改變來(lái)檢測(cè)流量。結(jié)構(gòu)：2．流體流量的測(cè)量其主要元件是在管道中插入的一塊中心開圓孔的板。用U型管測(cè)量孔板前后的壓力變化。原理：在孔板前、后截面之間列柏努利方程2.文丘里流量計(jì)（VenturiMeter）通過改變流體流通截面積引起動(dòng)能與靜壓能改變來(lái)進(jìn)行測(cè)量，其原理與孔板流量計(jì)相同。采取漸縮后漸擴(kuò)的流道，避免使流體出現(xiàn)邊界層分離而產(chǎn)生旋渦，因此阻力損失較小。原理：結(jié)構(gòu)：文丘里流量計(jì)轉(zhuǎn)子上下截面由于壓差（p1－p2）所形成的向上推力與轉(zhuǎn)子的重力相平衡。穩(wěn)定位置與流體通過環(huán)隙的流速u0有關(guān)。在上大下小的垂直錐形管內(nèi)放置一個(gè)可以上下浮動(dòng)的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子材料的密度大于被測(cè)流體。⑶轉(zhuǎn)子流量計(jì)原理：結(jié)構(gòu)：CR:轉(zhuǎn)子流量計(jì)校正系數(shù)（也稱為流量系數(shù))

轉(zhuǎn)子穩(wěn)定時(shí)，浮力與靜壓力和重力相等：此時(shí)柏努利方程為：推導(dǎo)出3.4管內(nèi)流體的阻力1．管、管件及閥門簡(jiǎn)介2．流動(dòng)的形態(tài)3.管內(nèi)流動(dòng)阻力計(jì)算1．管、管件及閥門簡(jiǎn)介內(nèi)摩擦力是流體阻力產(chǎn)生的根本原因，管道大小、內(nèi)壁形狀及粗糙度是流體阻力產(chǎn)生的外部條件。2．流動(dòng)的形態(tài)⑴兩種流動(dòng)形態(tài)①滯流（層流）②湍流（紊流）流體內(nèi)質(zhì)點(diǎn)平行地沿著管軸直線運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)間互不混合流體內(nèi)質(zhì)點(diǎn)平行地沿著管道向前運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)間互相混合⑵流動(dòng)形態(tài)的判據(jù)①

雷諾數(shù)Re≤2000滯流2000＜

Re＜4000過渡狀態(tài)（滯流或湍流）Re≥4000湍流abd2d1②

當(dāng)量直徑de（非圓形管道）⑶滯流和湍流的特征滯流時(shí)的速度分布湍流時(shí)的速度分布⑷流動(dòng)邊界層流體受壁面影響而存在速度梯度的區(qū)域邊界層：邊界層厚度：自壁面流速達(dá)流體主體流速99%處的區(qū)域邊界層分離：流體流過較大曲率的物體時(shí)，局部液體產(chǎn)生逆向流動(dòng)或旋渦，使邊界層從壁面分離的現(xiàn)象流動(dòng)邊界層3.管內(nèi)流動(dòng)阻力計(jì)算管內(nèi)流動(dòng)阻力可分為直管阻力和局部阻力液體在管路中的流動(dòng)阻力與流體的動(dòng)壓頭呈正比：：阻力系數(shù)⑴直管的阻力計(jì)算——范寧公式（Fanningequation）在1-1’和2-2’截面間進(jìn)行能量衡算范寧公式（Fanningequation）①滯流時(shí)的摩擦阻力系數(shù)因流體必須有大小相等、方向相反的推動(dòng)力克服摩擦阻力方能流動(dòng)，即：積分：d=2R，u=umax/2代入，整理得：②湍流時(shí)的摩擦阻力系數(shù)析因?qū)嶒?yàn)表明，湍流時(shí)：故湍流情況下直管摩擦阻力系數(shù)的計(jì)算步驟如下：計(jì)算Re，判斷流體流動(dòng)情況滯流Re≤2000Re≥2000湍流例X3-7已知

/d=3.6610-3Re=1.5105

，試求

Re=1.5105湍流繪/d線該線與Re=1.5105

線交點(diǎn)縱坐標(biāo)

=0.026⑵局部阻力損失計(jì)算管路系統(tǒng)中的閥門、三通等閥門、管件不僅會(huì)造成摩擦阻力(skin-friction)，還有流道急劇變化造成的形體阻力(form-friction)，產(chǎn)生大量旋渦而消耗機(jī)械能。流體流過這些閥件、管件處的流動(dòng)阻力稱為局部阻力。三通漩渦閘閥阻力局部阻力損失計(jì)算局部阻力系數(shù)法：當(dāng)量長(zhǎng)度法：

——局部阻力系數(shù)le——

當(dāng)量長(zhǎng)度利用當(dāng)量長(zhǎng)度共線圖求le示例100mm的閘閥1/2關(guān)le=

22m100mm的標(biāo)準(zhǔn)三通le=

2.2m100mm的閘閥全開le=

0.75m流體管道計(jì)算小結(jié)(1)通過各段管路的質(zhì)量流量不變，即服從連續(xù)性方程(2)全管路的流動(dòng)阻力損失為各段直管阻力損失及所有局部阻力之和用柏努利方程進(jìn)行計(jì)算時(shí)，要根據(jù)上述特點(diǎn)并視已知條件和要解決的問題而選擇具體的計(jì)算方法。關(guān)于柏努利方程的小結(jié)對(duì)任一個(gè)包含流體輸送機(jī)械在內(nèi)的管路系統(tǒng)，柏努利方程表達(dá)了從輸送起點(diǎn)（低機(jī)械能點(diǎn)）截面1-1到目標(biāo)點(diǎn)（高機(jī)械能點(diǎn)）截面2-2之間流體的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系。由直管阻力損失計(jì)算式和局部阻力損失計(jì)算式可知式中各項(xiàng)單位為m流體柱，He為流體輸送機(jī)械向每單位重量流體提供的機(jī)械能，∑hf

為管路系統(tǒng)的阻力損失3.5流體輸送機(jī)械1.離心泵2.往復(fù)壓縮機(jī)流體輸送機(jī)械：為流體提供機(jī)械能的機(jī)械設(shè)備。工業(yè)流體的種類及輸送方式與要求多種多樣，因此流體輸送機(jī)械的種類繁多。泵（Pumps）：輸送液體的機(jī)械壓縮機(jī)或風(fēng)機(jī)（Compressorsandblowers）：輸送氣體的機(jī)械。真空泵（Vacuumpumps）：負(fù)壓條件下工作的壓縮機(jī)。按其工作原理，泵與壓縮機(jī)又可分為：本節(jié)以離心泵為代表重點(diǎn)討論其工作原理、結(jié)構(gòu)和工作特性。⑴離心式：利用高速旋轉(zhuǎn)的葉輪使流體獲得動(dòng)能并轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能；⑵正位移式（往復(fù)式、旋轉(zhuǎn)式）：利用活塞、齒輪擠壓流體使流體獲得靜壓能與動(dòng)能；⑶其它如噴射泵：利用流體高速噴射時(shí)動(dòng)能與靜壓能相互轉(zhuǎn)換的原理吸引輸送另一種流體。1.離心泵（CentrifugalPumps）離心泵是典型的高速旋轉(zhuǎn)葉輪式液體輸送機(jī)械，在泵類機(jī)械中具有很好的代表性。⑴離心泵的結(jié)構(gòu)和工作原理葉輪（Impeller）泵殼（Volute）特點(diǎn)：泵的流量與壓頭靈活可調(diào)、輸液量穩(wěn)定且適用介質(zhì)范圍很廣。自吸：泵內(nèi)液體在葉輪中心入口處因加速而減壓，使泵外液體在勢(shì)能差的推動(dòng)下被連續(xù)地吸入泵內(nèi)。離心泵結(jié)構(gòu)離心泵的特性曲線（Characteristiccurves）

HNqV～He曲線qV增大，He下降qV～Ne曲線qV增大，Ne升高qV～η曲線qV增大，η先升后降離心泵銘牌上標(biāo)出的H、V、N性能參數(shù)即為最高效率時(shí)的數(shù)據(jù)。一般將最高效率值的92%的范圍稱為泵的高效區(qū)，泵應(yīng)盡量在該范圍內(nèi)操作。（流量極小時(shí)例外）氣縛現(xiàn)象泵啟動(dòng)前空氣未排盡或運(yùn)轉(zhuǎn)中有空氣漏入，使泵內(nèi)流體平均密度下降，導(dǎo)致葉輪進(jìn)、出口壓差減小?；蛘弋?dāng)與泵相連的出口管路系統(tǒng)勢(shì)壓頭一定時(shí)，會(huì)使泵入口處的真空度減小、吸入流量下降。嚴(yán)重時(shí)泵將無(wú)法吸上液體。解決方法：離心泵工作時(shí)、尤其是啟動(dòng)時(shí)一定要保證液體連續(xù)的條件?？刹捎迷O(shè)置底閥、啟動(dòng)前灌泵、使泵的安裝位置低于吸入液面等措施。氣縛現(xiàn)象離心泵的比例定律揚(yáng)程之比軸功率之比流量之比例X3-8用清水測(cè)定某離心泵的特性曲線。管路流量為25m3/h時(shí)，泵出口處壓力表讀數(shù)為0.28MPa(表壓)，泵入口處真空表讀數(shù)為0.025MPa，測(cè)得泵的軸功率為3.35kW，電機(jī)轉(zhuǎn)速為2900轉(zhuǎn)/分，真空表與壓力表測(cè)壓截面的垂直距離為0.5m。試確定與泵特性曲線相關(guān)的其它性能參數(shù)（管道管徑不變）。以真空表和壓力表兩測(cè)點(diǎn)為1，2截面列柏努力方程，有泵特性曲線性能參數(shù)有：轉(zhuǎn)速n、流量qV、壓頭He、軸功率Ne和效率

。流量和軸功率已由實(shí)驗(yàn)直接測(cè)出，需計(jì)算壓頭和效率。解：【例X3-9】因距離短，

hf1-2可忽略不計(jì)；且動(dòng)壓頭變化為零，則：對(duì)應(yīng)的泵的效率為對(duì)應(yīng)的泵的有效功率為離心泵的汽蝕現(xiàn)象與泵的安裝高度離心泵的安裝高度有一定的限度，超過這一限度泵就不能吸入液體，并可能造成氣