化工基礎(chǔ)-第2講-流體流動過程及流體輸送設(shè)備馮啟

第二章流體流動過程及輸送機(jī)械2.1流體的靜力學(xué)基本方程式2.2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，大多數(shù)是流體，涉及的過程大部分在流動條件下進(jìn)行。流體的流動和輸送是必不可少的過程操作。

①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。②流體性能參數(shù)的測量,控制。③研究流體的流動形態(tài)，為強(qiáng)化設(shè)備和操作提供理論依據(jù)。④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。研究流體的流動和輸送主要是解決以下問題。2.1流體靜力學(xué)基本方程式

1．密度（p10)

單位體積流體所具有的質(zhì)量稱為流體的密度，其表達(dá)式為：ρ——流體密度，kɡ·m-3;m——流體質(zhì)量，kg；V——流體體積，m3。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體狀態(tài)方程進(jìn)行計(jì)算：

ρ=pM/RT

p—?dú)怏w絕對壓強(qiáng)kN·m-2或kPa；T—?dú)怏w溫度K；M—?dú)怏w摩爾質(zhì)量kg·mol-1；R—?dú)怏w常數(shù)，8.314J·mo1-1·K-1。ρ=m／V化工生產(chǎn)中所遇到的流體，往往是含有多個(gè)組分的混合物。對于液體混合物，各組分的濃度常用質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示。ρn—液體混合物中各純組分液體的密度，kg·m-3；xmn—液體混合物中各組分液體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。ρm—?dú)怏w混合物平均密度，kg·m-3；

Mm—?dú)怏w混合物的平均摩爾質(zhì)量對于氣體混合物:

比體積

單位質(zhì)量流體所具有的體積稱為流體的比體積，以υ表示，它與流體的密度互為倒數(shù):υ一流體的比體積，m3·kg-1；ρ—流體的密度，kg·m-3。

υ=1/ρ2．壓強(qiáng)

流體垂直作用于單位面積上的力稱為壓強(qiáng)：p—流體的壓力，Pa；P—流體垂直作用于面積A上的力，N；A—作用面積，m2。壓力的單位Pa（Pascal，帕），即N·m-2。1atm=760mmHg=1.01325×105Pa=10.33mH2O=1.033kgf·㎝-2常用壓力單位與Pa之間的換算關(guān)系如下：p=P／A壓強(qiáng)有兩種表達(dá)方式。一是以絕對真空為起點(diǎn)而計(jì)量的壓強(qiáng)；另一是以大氣壓強(qiáng)為基準(zhǔn)而計(jì)量的壓強(qiáng)，當(dāng)被測容器的壓強(qiáng)高于大氣壓時(shí)，所測壓強(qiáng)稱為表壓，當(dāng)測容器的壓強(qiáng)低于大氣壓時(shí)，所測壓強(qiáng)稱為真空度。

兩種表達(dá)壓強(qiáng)間的換算關(guān)系為

表壓=絕對壓強(qiáng)-大氣壓強(qiáng)真空度＝大氣壓強(qiáng)-絕對壓強(qiáng)流體壓強(qiáng)的重要特性:流體壓強(qiáng)處處與它的作用面垂直,并且總是指向流體的作用面流體中任一點(diǎn)壓強(qiáng)的大小與所選定的作用面在空間的方位無關(guān)3．流體靜力學(xué)基本方程式

流體處于靜止?fàn)顟B(tài)下所受的壓力和重力的平衡關(guān)系

受力分析（圖2-2）或

1132244535p1p2p①等壓面定義:

靜止、連續(xù)的均質(zhì)流體，處于同一水平面上的各點(diǎn)壓強(qiáng)相等關(guān)于靜力學(xué)方程的討論實(shí)例：等壓面概念③

p0變化某一數(shù)值，則p改變同樣大小數(shù)值—壓力的可傳遞性或pozoh112p1p2z2z1重力場中的壓力分布④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)。⑤靜力學(xué)方程的幾種不同形式

測壓管php0

測壓管:

絕壓:氣壓計(jì):氣壓計(jì)p=0p0h

①測壓管和氣壓計(jì)表壓:

4.流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用4.1壓強(qiáng)的測定

②U形管壓差計(jì)

選基準(zhǔn)面列靜力學(xué)方程1122p1p2z1z2RU形管壓差計(jì)0011p1paz1R00若U形管壓差計(jì)一端與大氣相通，則可測得表壓（或絕壓）。③傾斜液柱壓差計(jì)R1Rp1p2傾斜液柱壓差計(jì)α④微差壓差計(jì)p2RρcρA微差壓差計(jì)p1⑤倒U形管壓差計(jì)倒U形管壓差計(jì)1122p1p2z1z2R00目的：①恒定設(shè)備內(nèi)的壓力，防止超壓；(2)液封高度安全液封h0p溢流水00氣液氣液封高度計(jì)算：p00水氣體h0.煤氣柜②防止氣體外泄；水封練習(xí)習(xí)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．流量和流速

單位時(shí)間內(nèi)流體流經(jīng)管道任一截面的流體量，稱為流體的流量。若流體量用體積來計(jì)量，稱為體積流量，以符號qv表示，單位為m3·s-1

或m3·h-1；若流體量用質(zhì)量來計(jì)量，則稱為質(zhì)量流量，以符號qm表示，其單位為kg·s-1

或kg·h-1。若流體量用物質(zhì)的量表示，稱為摩爾流量，以符號qn表示，其單位為mol·s-1。qm=ρqV

質(zhì)量流量與摩爾流量的關(guān)系為

qm＝Mqn

體積流量和質(zhì)量流量的關(guān)系為：

單位時(shí)間內(nèi)，流體在管道內(nèi)沿流動方向所流過的距離，稱為流體的流速，以u表示，單位為m·s-1。u=qV/A

A——

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(yuǎn)，流速越小，而在緊靠管壁處，流速為零。通常所說的流速是指管道整個(gè)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表示：

質(zhì)量流速的定義是單位時(shí)間內(nèi)流體流經(jīng)管路單位截面積的質(zhì)量，以G表示，單位為kg·s-1·m-2，表達(dá)式為：

G=qm／A

流速和質(zhì)量流速兩者之間的關(guān)系：液體1.5～

3.0m·s-1，高粘度液體0.5～

1.0m·s-1；氣體102～

0m·s-1，高壓氣體15～

25m·s-1；飽和水蒸氣204～

0m·s-1，過熱水蒸氣30～

50m·s-1。

G=ρu工業(yè)上用的流速范圍大致為：練習(xí)：習(xí)題32．定態(tài)流動和非定態(tài)流動流體在管道或設(shè)備中流動時(shí)，若在任一截面上流體的流速、壓力、密度等有關(guān)物理量僅隨位置而改變，但不隨時(shí)間而改變，稱為定態(tài)流動；反之，若流體在各截面上的有關(guān)物理量中，只要有一項(xiàng)隨時(shí)間而變化，則稱為非定態(tài)流動。

3．定態(tài)流動過程物料衡算——連續(xù)性方程

當(dāng)流體在流動系統(tǒng)中作定態(tài)流動時(shí)，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，在沒有物料累積和泄漏的情況下，單位時(shí)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。

對上圖所示截面1—1’和2—2’之間作物料衡算：

qm,1=qm,2又因?yàn)閝m=ρuA，所以：ρ1u1A1=ρ2u2A2

在任何一個(gè)截面上，則：

qm=ρ1u1A1＝ρ2u2A2＝…＝ρnunAn=常數(shù)

對于不可壓縮流體，ρ=常數(shù)，則：它反映在定態(tài)流動體系中，流量一定時(shí)，管路各截面上流體流速的變化規(guī)律。

qV=u1A1=u2A2=…=unAn=常數(shù)qm,1=qm,24．流體定態(tài)流動過程的能量衡算——伯努利方程流動體系的能量形式主要有：流體的動能、位能、靜壓能以及流體本身的內(nèi)能。

①動能流體以一定的流速流動時(shí)，便具有一定的動能。動能為mu2/2，單位為kJ。

②位能流體因受重力的作用，在不同高度處具有不同的位能，相當(dāng)在高度z處所做的功，即mgz，單位為kJ。

③靜壓能靜止流體內(nèi)部任一處都存在一定的靜壓力。

把流體引入壓力系統(tǒng)所做的功，稱為流動功。流體由于外界對它作流動功而具有的能量，稱為靜壓能。

④內(nèi)能內(nèi)能（又稱熱力學(xué)能）是流體內(nèi)部大量分子運(yùn)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U表示單位質(zhì)量的流體所具有的內(nèi)能，則質(zhì)量為m（kg）的流體的內(nèi)能為mU，單位kJ。流體的流動過程實(shí)質(zhì)上是流動體系中各種形式能量之間的轉(zhuǎn)化過程。管道內(nèi)的不可壓縮流體，不考慮熱力學(xué)能，僅對總機(jī)械能進(jìn)行衡算。（1）理想流體流動過程的能量衡算

如上圖，設(shè)在單位時(shí)間內(nèi)有質(zhì)量為m(kg)、密度為ρ的理想流體在導(dǎo)管中做定態(tài)流動，在與流體流動的垂直方向上選取截面1-l’和截面2-2’，在兩截面之間進(jìn)行能量衡算。

今流體在截面2-2’處的流速為u2，即=mgz1+mu12/2+p1m/ρ=mgz2+mu22/2+p2m/ρ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1-1”和截面2-2”之間應(yīng)符合：

=

即mgz1+mu12/2+p1m/ρ=mgz2+mu22/2+p2m/ρ

對于單位質(zhì)量流體，則：gz1+u12/2+p1/ρ=gz2+u22/2+p2/ρ

對于單位重力（重力單位為牛頓）流體，有：

z1+u12/(2g)+p1/(ρg)=z2+u22/(2g)+p2/(ρg)

工程上，將單位重力的流體所具有的能量單位為J·N-1，即m，稱為“壓頭”，則z、u2/(2g)和p/(ρg)分別是以壓頭形式表示的位能、動能和靜壓能，分別稱為位壓頭、動壓頭和靜壓頭。使用壓頭形式表示能量時(shí)，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。以上各式都是理想流體在定態(tài)流動時(shí)的能量衡算方程式，又稱為伯努利方程（Bernoulliequation）由伯努利方程可知，理想流體在管道各個(gè)截面上的每種能量并不一定相等，它們在流動時(shí)可以相互轉(zhuǎn)化，但其在管道任一截面上各項(xiàng)能量之和相等，即總能量（或總壓頭）是一個(gè)常數(shù)。④注意Bernoulli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。對可壓縮流體，若開始和終了的壓力變化不超過20%，密度取平均壓力下的數(shù)值，也可應(yīng)用上式。流體靜止，幾點(diǎn)說明：

①注意式中各項(xiàng)的意義及單位；②三種形式機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換；③Bernoulli方程與靜力學(xué)方程關(guān)系（p12)；應(yīng)用

①單位統(tǒng)一；②基準(zhǔn)統(tǒng)一；③選擇界面，條件充分，垂直流動方向；④原則上沿流動方向上任意兩截面均可。a)虹吸管在0-0和1-1面間列柏努利方程可得：位能→動能虹吸管Apah110BpaH0

b)文氏管和噴射泵壓力能→動能

1122p1文氏管u1p2u2為克服流動阻力使流體流動，往往需要安裝流體輸送機(jī)械（如泵或風(fēng)機(jī)）。設(shè)單位重力的流體從流體輸送機(jī)械所獲得的外加壓頭為We，單位J·kg-1。

則實(shí)際流體在流動時(shí)的柏努利方程為：對于靜止?fàn)顟B(tài)的流體，u=0，沒有外加能量，He=0，而且也沒有因摩擦而造成的阻力損失hf=0，則柏努利方程簡化為：

p1-p2=

ρ

g(z1-z2)

gz1+p1/g=gz2+p2/ρ或?qū)嶋H流體在流動時(shí)，由于流體粘性的存在，必然造成阻力損失。（2）實(shí)際流體流動過程的能量衡算(p20)

壓力頭損失損失的機(jī)械能①②③實(shí)際流體柏努利方程幾種表達(dá)形式及意義位能靜壓能動能有效功位頭壓力頭動壓頭有效壓頭（速度頭）

Pam連續(xù)性方程和柏努利方程可用來