化工基礎(chǔ)課第三章-流體流動及流體輸送設(shè)備

流體流動及流體輸送設(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條件下進行。設(shè)備之間、工序之間均采用管道聯(lián)接，都和流體的流動與輸送有關(guān)。流體的輸送為“三傳一反”中的“動量傳遞”過程三傳：動量、熱量、質(zhì)量傳遞一反：化學(xué)反應(yīng)器因此，化工生產(chǎn)需要進行準確的流體流動、輸送的工程計算某化工廠生產(chǎn)場地2、化工生產(chǎn)所涉及的過程：某化工廠生產(chǎn)場地二．研究流體的流動、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量3.5流體輸送機械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：單位體積的流體所具有的質(zhì)量。V：流體的體積，m3表達式：ρ：流體的密度，kg·m-3m：流體的質(zhì)量，kg1．密度（density）⑵密度計算：提示：PV=nRT①

氣體密度用理想氣體狀態(tài)方程進行計算：思考：如何推導(dǎo)②混合流體密度的計算：各純組分流體的密度，kg·m-3各組分流體的質(zhì)量分數(shù)③混合氣體密度的計算各組分的體積分數(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：單位質(zhì)量流體所具有的體積。表達式：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）⑵表達式：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）絕對真空：絕對壓力（為零）絕對壓力表壓大氣壓壓絕對壓力測定壓力＞大氣壓測定壓力＜大氣壓測定壓力測定壓力大氣壓壓真空度表壓=絕對壓力－大氣壓力真空度=大氣壓力－絕對壓力例題X3-3某臺離心泵進、出口壓力表讀數(shù)分別為220mmHg（真空度）及1.7kgf/cm2，若當?shù)卮髿鈮毫?60mmHg，試求它們的絕對壓力各為若干。離心泵進口處壓力表讀數(shù)為真空度、出口壓力壓力表讀數(shù)為表壓解：∴進口絕對壓力P1=760-220=440mmHg=7.2×104Pa真空度=大氣壓力-絕對壓力∴絕對壓力=大氣壓力-真空度表壓=絕對壓力-大氣壓力∴絕對壓力=大氣壓力+表壓出口絕對壓力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單位時間內(nèi)流體流經(jīng)管道任一截面的質(zhì)量③摩爾流量：單位時間內(nèi)流體流經(jīng)管道任一截面的物質(zhì)的量⑵流速①流速單位時間內(nèi)，流體在管道內(nèi)沿流動方向所流過的距離，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。已知空氣在標準狀態(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：依題意將空氣在標準狀態(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)方程計算如下：取空氣在標準狀況下的平均分子量為Mm=28.9實際操作狀態(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↑，流動性↓以圓形管為例：可將流動的流體看成分割成無數(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，以一推動力F推動上平板以u恒速運動。引入比例系數(shù)μ，有：經(jīng)實驗證明，此時：⑵

粘度:單位：Pa·s，泊P：g·cm-1·s-1⑶運動粘度：單位：m2·s-1，沲st：g·cm-1·s-1⑷內(nèi)摩擦應(yīng)力或剪應(yīng)力：單位面積上的內(nèi)摩擦力。即：3.2流體流動的基本規(guī)律1.定態(tài)流動和非定態(tài)流動3.流體定態(tài)流動過程的能量衡算---柏努利方程2.流體定態(tài)流動過程的物料衡算---連續(xù)性方程⑴定態(tài)流動：1.定態(tài)流動和非定態(tài)流動⑵非定態(tài)流動2.流體定態(tài)流動過程的物料衡算---連續(xù)性方程⑴

推導(dǎo)：定態(tài)流動時，單位時間內(nèi)通過流動系統(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)流動過程的能量衡算---柏努利方程流動體系的三種能量形式：②

位能：①

動能：③

靜壓能：⑴理想流體流動過程的能量衡算11‘22‘基準面Z1Z2圖中截面1、2之間符合能量守恒定律⑵實際流體流動過程的能量衡算實際流體輸送過程中存在：流體輸送機械輸入功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（即流體輸送機械的有效功率）為：如果流體輸送機械的效率為

，則實際消耗的功率即流體輸送機械的軸功率為：應(yīng)用柏努利方程進行計算的一般原則應(yīng)用柏努利方程時，首先應(yīng)根據(jù)具體問題在流體流動系統(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。計算重力位能的基準水平面可任取，基準面處流體的重力位能為零。所以若使兩計算截面之一為基準面可使方程簡化。所選的兩個截面應(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。求解方程時應(yīng)注意各項單位的一致性（J/kg或Pa）?！纠齒3-6】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計算（不包括導(dǎo)管出口的局部阻力），溶液密度為1100kg/m3。試計算：送液量每小時為3m3時，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量1．流體壓力的測量---U形管壓力計2．流體流量的測量---孔板流量計、文丘里流量計、轉(zhuǎn)子流量計1．流體壓力的測量---U形管壓力計在測量流體壓力時，壓力計可視為靜止流體。在指示液兩液面間進行能量衡算，此時柏努利方程簡化為：⑴

孔板流量計通過改變流體在管道中的流通截面積而引起動能與靜壓能改變來檢測流量。結(jié)構(gòu)：2．流體流量的測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（VenturiMeter）通過改變流體流通截面積引起動能與靜壓能改變來進行測量，其原理與孔板流量計相同。采取漸縮后漸擴的流道，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)放置一個可以上下浮動的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子材料的密度大于被測流體。⑶轉(zhuǎn)子流量計原理：結(jié)構(gòu)：CR:轉(zhuǎn)子流量計校正系數(shù)（也稱為流量系數(shù))

轉(zhuǎn)子穩(wěn)定時，浮力與靜壓力和重力相等：此時柏努利方程為：推導(dǎo)出3.4管內(nèi)流體的阻力1．管、管件及閥門簡介2．流動的形態(tài)3.管內(nèi)流動阻力計算1．管、管件及閥門簡介內(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．流動的形態(tài)⑴兩種流動形態(tài)①滯流（層流）②湍流（紊流）流體內(nèi)質(zhì)點平行地沿著管軸直線運動，質(zhì)點間互不混合流體內(nèi)質(zhì)點平行地沿著管道向前運動，質(zhì)點間互相混合⑵流動形態(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

當量直徑de（非圓形管道）⑶滯流和湍流的特征滯流時的速度分布湍流時的速度分布⑷流動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，局部液體產(chǎn)生逆向流動或旋渦，使邊界層從壁面分離的現(xiàn)象流動邊界層3.管內(nèi)流動阻力計算管內(nèi)流動阻力可分為直管阻力和局部阻力液體在管路中的流動阻力與流體的動壓頭呈正比：：阻力系數(shù)⑴直管的阻力計算——范寧公式（Fanningequation）在1-1’和2-2’截面間進行能量衡算范寧公式（Fanningequation）①滯流時的摩擦阻力系數(shù)因流體必須有大小相等、方向相反的推動力克服摩擦阻力方能流動，即：積分：d=2R，u=umax/2代入，整理得：②湍流時的摩擦阻力系數(shù)析因?qū)嶒灡砻?，湍流時：故湍流情況下直管摩擦阻力系數(shù)的計算步驟如下：計算Re，判斷流體流動情況滯流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

線交點縱坐標

=0.026⑵局部阻力損失計算管路系統(tǒng)中的閥門、三通等閥門、管件不僅會造成摩擦阻力(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械能。流體流過這些閥件、管件處的流動阻力稱為局部阻力。三通漩渦閘閥阻力局部阻力損失計算局部阻力系數(shù)法：當量長度法：

——局部阻力系數(shù)le——

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

22m100mm的標準三通le=

2.2m100mm的閘閥全開le=

0.75m流體管道計算小結(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行計算時，要根據(jù)上述特點并視已知條件和要解決的問題而選擇具體的計算方法。關(guān)于柏努利方程的小結(jié)對任一個包含流體輸送機械在內(nèi)的管路系統(tǒng)，柏努利方程表達了從輸送起點（低機械能點）截面1-1到目標點（高機械能點）截面2-2之間流體的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系。由直管阻力損失計算式和局部阻力損失計算式可知式中各項單位為m流體柱，He為流體輸送機械向每單位重量流體提供的機械能，∑hf

為管路系統(tǒng)的阻力損失3.5流體輸送機械1.離心泵2.往復(fù)壓縮機流體輸送機械：為流體提供機械能的機械設(shè)備。工業(yè)流體的種類及輸送方式與要求多種多樣，因此流體輸送機械的種類繁多。泵（Pumps）：輸送液體的機械壓縮機或風(fēng)機（Compressorsandblowers）：輸送氣體的機械。真空泵（Vacuumpumps）：負壓條件下工作的壓縮機。按其工作原理，泵與壓縮機又可分為：本節(jié)以離心泵為代表重點討論其工作原理、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能；⑶其它如噴射泵：利用流體高速噴射時動能與靜壓能相互轉(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)葉輪式液體輸送機械，在泵類機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：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，使泵外液體在勢能差的推動下被連續(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出的H、V、N性能參數(shù)即為最高效率時的數(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。（流量極小時例外）氣縛現(xiàn)象泵啟動前空氣未排盡或運轉(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、出口壓差減小?；蛘弋斉c泵相連的出口管路系統(tǒng)勢壓頭一定時，會使泵入口處的真空度減小、吸入流量下降。嚴重時泵將無法吸上液體。解決方法：離心泵工作時、尤其是啟動時一定要保證液體連續(xù)的條件?？刹捎迷O(shè)置底閥、啟動前灌泵、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程之比軸功率之比流量之比例X3-8用清水測定某離心泵的特性曲線。管路流量為25m3/h時，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，測得泵的軸功率為3.35kW，電機轉(zhuǎn)速為2900轉(zhuǎn)/分，真空表與壓力表測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點為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驗直接測出，需計算壓頭和效率。解：【例X3-9】因距離短，

hf1-2可忽略不計；且動壓頭變化為零，則：對應(yīng)的泵的效率為對應(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