化工原理課件 流體流動操作單元

1、 一、流體的基本性質及計算一、流體的基本性質及計算 流體：具有流動性的物體，包括氣體和液體。 流體質點（流體微團）：大量分子的集團。 （省略分子運動對流體宏觀運動規(guī)律的影響。） 可壓縮流體與不可壓縮流體 可壓縮流體不可壓縮流體 流體 氣體液體 （一）密度與相對密度 1、密度 = 單位： kg/m3 2、氣體的密度 = = 單位： kg/m3 注：其中P的單位是KPa, R=8.314kJ/kmolK V m V m RT PM 3、混合物的密度 （1）液體混合物 (i=1、2、3. .n) （2）氣體混合物 a、 (i=1、2、3. .n) n 1i i i ml w1 n 1i iimg y

2、 b 、 其中： 例題：略； RT pM m mg n 1i iim yMM 4、相對密度（比重） 基準值：1個大氣壓，4（277K）下水的密度。 5、比體積 單位：m3 / kg； 1000 2 OH d 1 m V （二）粘度 1、牛頓粘性定律和粘度 流體的粘性：流體在流動過程中由于流體內摩 擦力而影響流體向前流動的性質。 ：速度梯度，1/s ； ：比例系數(shù)，稱粘度，N.s/m2 dy du A F dy du 2、說明 1、物理意義： 當 =1時，=； 2、單位：1pa.s=10p(泊)=1000cp（厘泊） 3、混合物的粘度（略） 4、影響因素：流體種類、溫度、壓力。 dy du 5、

3、牛頓型流體：符合牛頓粘性定律的流體， 大多數(shù)流體。 非牛頓型流體： 不符合牛頓粘性定律的流體，如： 高分子溶液，膠體溶液、泥漿等。 流體力學 流體靜力學流體動力學 研究流體平衡及運動規(guī)律 研究流體靜止時內部壓力的變化規(guī)律。 研究流體流動的基本規(guī)律。 一、流體的壓力 1、定義： 單位: Pa 2、絕對壓力、表壓力和真空度 （1）例： P PA（絕壓）=1.5atm A設備 PA（表壓）=0.5atm 大氣壓：1atm B設備 PB（絕壓）=0.5atm 0 PB（表壓）=-0.5atm PB（真空度）=0.5atm A P p （2）結論 表壓強=絕對壓強大氣壓 真空度=大氣壓絕對壓強 例：當某

4、設備內絕對壓強為1.9atm 時，問其表壓為多少？當 某設備內絕對壓強為0.9atm 時，問其表壓又為多少？如 用真空度表示是多少?(單位均為大氣壓) 3、單位 1atm=1.013105Pa=101.3kPa=760mmHg =1.033kgf/cm2=10.33mH2O 例題：某設備內壓強為780mmHg,用Pa表示為多少？ 二、流體靜力學基本方程及應用 1、公式推導：受力分析 P=P0+gh 2、說明： （1）液體內部壓力與密度和高度有關； （2）靜止的、連通的同一種液體,處在同一水 平面上兩點的壓強相等； 等壓面：壓強相等； （3）巴斯噶原理：液面上方壓強具有傳遞性。 （4） 壓強大小

5、可以用高度來衡量。 h g pp 12 3、靜力學基本方程的應用 （1）測量壓強及壓強差； （2）測量液位； （3）測量液封高度； 一、流量與流速 質量流量：Ws kg/h 1、流量 Ws= Vs 體積流量:Vs m3/h 2、流速： （1）平均流速 m/s Ws= Vs=uA （2）質量流速： kg/(m2.s) A V u S u A V A W G SS 3、圓形管道直徑的選取 根據： 選擇一常用流速，進行計算： 后進行圓整。 例題： 2 2785. 0 4 d V d V A V u SSS u V d S 785. 0 二、定態(tài)流動與非定態(tài)流動 流體在管道內流動時，任一截面（與流體流

6、動方 向相垂直的）上的流速、密度、壓強等物理參數(shù)均不不 隨時間而變隨時間而變的叫定態(tài)流動。 反之，為非定態(tài)流動。 三、定態(tài)流動系統(tǒng)的物料衡算連續(xù)性方程 據質量守恒定律： 1 2 21ss ww -流體連續(xù)性方程 對于液體（不可壓縮流體）： -液體連續(xù)性方程 也可變?yōu)椋?意義：流體在定常流動時，流速與管道截面積 成反比，與管道直徑的平方成反比。 常數(shù) 222111 AuAu 2211 AuAu 2 1 2 2 1 2 2 1 d d A A u u 四、流動流體能量衡算-柏努利方程 （一）流動系統(tǒng)的能量類型 1、流體所具有的機械能： （1）位能： 在重力場中，液體高于某基準面所具有的能量稱為液

7、體的位能。液體在距離基準面高度為z時的位能相當于 流體從基準面提升高度為z時重力對液體所作的功。 mkg流體所具有的位能：mgzmgz ,單位是：J; 單位質量流體所具有的位能：gzgz ,單位是J/Kg; 22 mmmN m m=Kg=J/Kg ssKgKg gz （2）動能 液體因運動而具有的能量，稱為動能。 mkg流體所具有的動能： ,單位是：J; 單位質量流體所具有的動能： ，單位是J/Kg; 2 2 2 mKg mmN m () =J/Kg 2ssKgKg u 2 2 u 2 2 1 mu （3）靜壓能 流體自低壓向高壓對抗壓力流動時，流體由此 獲得的能量稱為靜壓能。 mkg流體所具

8、有的靜壓能： 單位是：J; 單位質量流體所具有的靜壓能： v流體的比容（比體積）， 2 3 N/mN m =J/Kg Kg/mKg p 11 1 1 11 Vp A V Ap距離力功 1 1 11 11 p p m Vp 2、與環(huán)境交換的能量 （1）外加能量（外加功）， We ，單位是J/Kg ； （2）熱量Q：換熱器與單位質量流體交換的熱量，單位 為 J/Kg ； （3）損失能量（流動阻力），hf ，單位是J/Kg； （二）流動系統(tǒng)的能量衡算-流體柏努利方程 實際流體： （1）有流動阻力，hf ，單位是J/Kg； （2）有外加功， We ，單位是J/Kg ； -實際流體的柏努利方程 （擴展了

9、的柏努利方程） fe h p ugzw p ugz 2 2 22 1 2 11 2 1 2 1 換 熱 器 泵 2 2 1 1 2、理想流體的柏努利方程 理想流體，無摩擦力，據機械能守恒定律： 機械能位能動能壓強能常數(shù) 單位質量流體所具有的機械能 -理想流體的柏努利方程 常數(shù) 2 2 up gz 2 2 22 1 2 11 2 1 2 1p ugz p ugz 3、討論： 機械能守恒與轉換方程 意義：流體的各種機械能形式之間在一定條件下是可以 相互轉換的，但總和不變。如圖所示管道： 系統(tǒng)處在靜止狀態(tài)， 0 21 uu 2 2 1 1 p gz p gz )( 2112 zzgpp 對于可壓縮流

10、體 如果： ，可用 ， 近似按不可壓縮流體處理。 公式中的p既可以用表壓，也可用絕壓，但 須前后保持一致。 %20%100 1 21 p pp 2 21 m 以單位重量流體為衡算基準，有： 位壓頭 靜壓頭 動壓頭 有效壓頭 壓頭損失 以單位體積位衡算基準,有： 22 1122 1e2f 22 pupu zHzH gg 22 1122 1t2f 22 pupu gzPgzP gg 5、實際流體的柏努利方程的應用 計算兩容器間的相對位置； 計算輸送機械的有效功率； 計算流體的輸送量； 計算輸送壓強。 例題：見課本。 五、流動流體現(xiàn)象分析 （一）雷諾準數(shù)與流動類型 1、雷諾實驗 2 、實驗結果： 層

11、流:流體質點規(guī)則平行運動; 流體流動型態(tài) 湍流:流體質點無規(guī)則的雜亂運動; 3、流型的判斷 （1）影響流型的因素： 流速：u； 密度：； 粘度：； 直徑：d； （2）流動型態(tài)的判斷：雷諾數(shù)（無量綱準數(shù)） （3）判斷：當Re2000, 層流； 當2000 4000，湍流； 例：見P23（略） du Re （二）流體在圓管內的流速分布 1、層流時的速度分布 特點：管中心處流速最大 2、湍流時的速度分布 3、層流內層： max 2 1 uu m max 82. 0uu m 第六節(jié) 化工管路的構成與布置 一、化工管路的構成與標準化 化工管路：管子、管件、閥件； 1、化工管路的標準化 制訂化工管路主要構

12、件的結構、尺寸、連接、壓 力等的標準并實施的過程。如壓力標準和直徑標準。 （見附表） 2、管子 規(guī)格：外徑 壁厚mm，長度為3、4、6、9； （1）鑄鐵管：強度差，價格低，用作污水管； 內徑 焊接鋼管（水煤氣管）：輸送水、煤氣等低壓 （2）鋼管 無腐蝕性介質，分為鍍鋅管和黑管。 無縫鋼管：輸送高壓、高溫無腐蝕性流體。 合金鋼管：輸送高溫且有腐蝕性介質。 （3）有色金屬管 紫銅管 銅管 特點：重量輕，導熱性好， 黃銅管 延展性好，用作換熱管。 鉛管：耐酸，機械強度差； 鋁管：耐酸不耐堿，輸送濃硝酸等； （4）非金屬管 陶瓷管和玻璃管：不耐壓，耐腐蝕； 塑料管：種類多，抗腐蝕，易加工； 橡膠管：耐

13、酸、堿腐蝕，有彈性，但易老化； 3、管件 （1）用于改變流向的：彎頭（90、45 、180 ） （2）用于連接支管的：三通、四通等； （3）用于堵塞管路的：管帽、絲堵等； （4）其它：改變管徑、延長管路等。 4、閥件 種類：閘閥、截止閥、止回閥、球閥、 旋塞、隔膜閥等、蝶閥； 截止閥截止閥閘閥閘閥止回閥 旋塞閥 球閥 蝶蝶閥閥 閘閥 旋塞閥 球閥 二、管子的選用（見流量與流速） 三、化工管路的布置與安裝 1、布置原則 （1）管路短、構件少、阻力??； （2）合理安排：間距適宜，便于安裝、操作檢修等； （3）管路排列 （4）采用標準件 （5）熱補償、氣體排放、凝液排出； （6）高度、位置等； 2、

14、化工管路的安裝 （1）化工管路的連接 螺紋連接 焊接 承插式連接 法蘭連接 （2）化工管路的熱補償 （3）化工管路的試壓與吹掃 （4）化工管路的保溫與涂色 （5）化工管路的防靜電措施 第七節(jié) 流動系統(tǒng)阻力計算 種類:直管阻力(hf) 局部阻力(hf) 流動阻力:hf 一、直管內的流動阻力 1、計算公式： 通過對流體進行能量衡算和受力分析，得出： 范寧公式 其中： 摩擦系數(shù)（摩擦因數(shù)） 阻力壓降： 壓頭損失： 2 2 u d l h f 2 8 u w 2 2 u d l h f g u d l H f 2 2 2、層流時的摩擦因數(shù) 影響摩擦因數(shù)大小的原因：(1)流動型態(tài)（Re） 絕對粗糙度mm

15、 (2)管壁粗糙程度 相對粗糙度/d 3、湍流時的摩擦因數(shù) 其中：/d 相對粗糙度 通過實驗，得到計算的經驗公式或摩擦因數(shù)圖： Re 64 )(Re, d f 圖 * 摩擦因數(shù)與雷諾數(shù)、相對粗糙度的關系匯總摩擦因數(shù)與雷諾數(shù)、相對粗糙度的關系匯總 層流區(qū)： 湍流區(qū)： 完全湍流區(qū)： 過渡區(qū)：既可以按層流計算，也可以按湍流查 圖。 Re 64 )(Re, d f )( d f 補充:非圓形直管的阻力損失 當量直徑： 同心套管： 此時， （C值可查表） 潤濕周邊長 流通截面積 4 e d 12 12 2 1 2 2 )( )( 4 4dd dd dd d e Re C 二、局部阻力計算 1、局部阻力：

16、流體流經局部位置所產生的阻力。 形體阻力：由于流體流速、流動方 局部阻力 向改變產生的阻力 摩擦阻力 當量長度法 2、計算方法 阻力系數(shù)法 局部位置阻力 1、當量長度法 J/Kg 2、阻力系數(shù)法 J/Kg （各局部位置的阻力系數(shù)見附表） （1）突然擴大與突然縮小 計算： 查取阻力系數(shù)。 2 2 u h f 2 2 u d l h e f )( )( 2 1 大 小 A A （2）進口與出口 出口損失的計算：如果出口截面選在管出口 內側內側，則不計出口損失，出口處流速不為零；如 果出口截面選在管出口外側外側，則計算出口損失， 出口流速為零； 5 . 0 進 0 . 1 出 （3）管件與閥門 阻力

17、系數(shù)、當量長度可查表。 四、流體在管內流動總阻力的計算 1、阻力計算公式 （1） J/Kg （2） J/Kg 2 )( 2 u d l hf 2 2 u d ll h e f 注：對于不等徑管路，由于管內流速不 同，阻力應分段計算。 2、減小阻力的方法 （1）減少管長，減少管件、閥門的布置； （2）適當加大直徑，或選用光滑管； （3）降低流動速度； （4）降低流體粘度； （5）加入減阻劑； 例題：見P35。（略） 補充內容 管路計算 一、簡單管路與復雜管路 等徑管路 1、簡單管路 串聯(lián)管路 特點：（1）、 （2）、 332211 AuAuAu 321ffff hhhh 2、復雜管路 并聯(lián)管路

18、復雜管路 分支管路 匯合管路 并聯(lián)管路特點： （1） （2） 分支管路特點： （1） （2）分支點處單位質量流體的機械能總和為一 定值。 321SSSS VVVV ffff hhhh 321 321SSSS VVVV 第八節(jié) 流量的測定 一、皮托測速管 1、結構及原理 2、流速計算 A點壓強能： B點壓強能： A、B兩點壓強能差值： 聯(lián)立： 注：實際計算時加校正系數(shù)C。 2 2 upp A p gRpp AA )( gR u A )(2 二、孔板流量計 1、結構與原理: 2、流量計算： 考慮通過孔子口的阻力損失,用c1校正, 22 2 22 2 11 upup 2 1 0 2 0 2 1 2 221 1 22A Auuupp 21 2 1 0 0 2 1 1pp A A u 21 2 1 0 1 0 2 1 pp A A c u 考慮到測壓口的位置與實際縮脈處的位 置有差別,引入一校正系數(shù)c2。 令： 4 1 0 21 2 1 0 21 0 11 d d cc A A cc c ba pp A A cc u 2 1 2 1 0 21 0 gR cu A 2 00 gR dc gR AcAuV AA s 2 4 2 2 000000 三、文丘里流量計 1、結構及原理： 2、流量計算： CV：文丘里流量計的流量系數(shù)； 3、討論：（1）阻力損失??；