化工原理课件 流体流动操作单元

1、 一、流体的基本性质及计算一、流体的基本性质及计算 流体：具有流动性的物体，包括气体和液体。 流体质点（流体微团）：大量分子的集团。 （省略分子运动对流体宏观运动规律的影响。） 可压缩流体与不可压缩流体 可压缩流体不可压缩流体 流体 气体液体 （一）密度与相对密度 1、密度 = 单位： kg/m3 2、气体的密度 = = 单位： kg/m3 注：其中P的单位是KPa, R=8.314kJ/kmolK V m V m RT PM 3、混合物的密度 （1）液体混合物 (i=1、2、3. .n) （2）气体混合物 a、 (i=1、2、3. .n) n 1i i i ml w1 n 1i iimg y

2、 b 、 其中： 例题：略； RT pM m mg n 1i iim yMM 4、相对密度（比重） 基准值：1个大气压，4（277K）下水的密度。 5、比体积 单位：m3 / kg； 1000 2 OH d 1 m V （二）粘度 1、牛顿粘性定律和粘度 流体的粘性：流体在流动过程中由于流体内摩 擦力而影响流体向前流动的性质。 ：速度梯度，1/s ； ：比例系数，称粘度，N.s/m2 dy du A F dy du 2、说明 1、物理意义： 当 =1时，=； 2、单位：1pa.s=10p(泊)=1000cp（厘泊） 3、混合物的粘度（略） 4、影响因素：流体种类、温度、压力。 dy du 5、

3、牛顿型流体：符合牛顿粘性定律的流体， 大多数流体。 非牛顿型流体： 不符合牛顿粘性定律的流体，如： 高分子溶液，胶体溶液、泥浆等。 流体力学 流体静力学流体动力学 研究流体平衡及运动规律 研究流体静止时内部压力的变化规律。 研究流体流动的基本规律。 一、流体的压力 1、定义： 单位: Pa 2、绝对压力、表压力和真空度 （1）例： P PA（绝压）=1.5atm A设备 PA（表压）=0.5atm 大气压：1atm B设备 PB（绝压）=0.5atm 0 PB（表压）=-0.5atm PB（真空度）=0.5atm A P p （2）结论 表压强=绝对压强大气压 真空度=大气压绝对压强 例：当某

4、设备内绝对压强为1.9atm 时，问其表压为多少？当 某设备内绝对压强为0.9atm 时，问其表压又为多少？如 用真空度表示是多少?(单位均为大气压) 3、单位 1atm=1.013105Pa=101.3kPa=760mmHg =1.033kgf/cm2=10.33mH2O 例题：某设备内压强为780mmHg,用Pa表示为多少？ 二、流体静力学基本方程及应用 1、公式推导：受力分析 P=P0+gh 2、说明： （1）液体内部压力与密度和高度有关； （2）静止的、连通的同一种液体,处在同一水 平面上两点的压强相等； 等压面：压强相等； （3）巴斯噶原理：液面上方压强具有传递性。 （4） 压强大小

5、可以用高度来衡量。 h g pp 12 3、静力学基本方程的应用 （1）测量压强及压强差； （2）测量液位； （3）测量液封高度； 一、流量与流速 质量流量：Ws kg/h 1、流量 Ws= Vs 体积流量:Vs m3/h 2、流速： （1）平均流速 m/s Ws= Vs=uA （2）质量流速： kg/(m2.s) A V u S u A V A W G SS 3、圆形管道直径的选取 根据： 选择一常用流速，进行计算： 后进行圆整。 例题： 2 2785. 0 4 d V d V A V u SSS u V d S 785. 0 二、定态流动与非定态流动 流体在管道内流动时，任一截面（与流体流

6、动方 向相垂直的）上的流速、密度、压强等物理参数均不不 随时间而变随时间而变的叫定态流动。 反之，为非定态流动。 三、定态流动系统的物料衡算连续性方程 据质量守恒定律： 1 2 21ss ww -流体连续性方程 对于液体（不可压缩流体）： -液体连续性方程 也可变为： 意义：流体在定常流动时，流速与管道截面积 成反比，与管道直径的平方成反比。 常数 222111 AuAu 2211 AuAu 2 1 2 2 1 2 2 1 d d A A u u 四、流动流体能量衡算-柏努利方程 （一）流动系统的能量类型 1、流体所具有的机械能： （1）位能： 在重力场中，液体高于某基准面所具有的能量称为液

7、体的位能。液体在距离基准面高度为z时的位能相当于 流体从基准面提升高度为z时重力对液体所作的功。 mkg流体所具有的位能：mgzmgz ,单位是：J; 单位质量流体所具有的位能：gzgz ,单位是J/Kg; 22 mmmN m m=Kg=J/Kg ssKgKg gz （2）动能 液体因运动而具有的能量，称为动能。 mkg流体所具有的动能： ,单位是：J; 单位质量流体所具有的动能： ，单位是J/Kg; 2 2 2 mKg mmN m () =J/Kg 2ssKgKg u 2 2 u 2 2 1 mu （3）静压能 流体自低压向高压对抗压力流动时，流体由此 获得的能量称为静压能。 mkg流体所具

8、有的静压能： 单位是：J; 单位质量流体所具有的静压能： v流体的比容（比体积）， 2 3 N/mN m =J/Kg Kg/mKg p 11 1 1 11 Vp A V Ap距离力功 1 1 11 11 p p m Vp 2、与环境交换的能量 （1）外加能量（外加功）， We ，单位是J/Kg ； （2）热量Q：换热器与单位质量流体交换的热量，单位 为 J/Kg ； （3）损失能量（流动阻力），hf ，单位是J/Kg； （二）流动系统的能量衡算-流体柏努利方程 实际流体： （1）有流动阻力，hf ，单位是J/Kg； （2）有外加功， We ，单位是J/Kg ； -实际流体的柏努利方程 （扩展了

9、的柏努利方程） fe h p ugzw p ugz 2 2 22 1 2 11 2 1 2 1 换 热 器 泵 2 2 1 1 2、理想流体的柏努利方程 理想流体，无摩擦力，据机械能守恒定律： 机械能位能动能压强能常数 单位质量流体所具有的机械能 -理想流体的柏努利方程 常数 2 2 up gz 2 2 22 1 2 11 2 1 2 1p ugz p ugz 3、讨论： 机械能守恒与转换方程 意义：流体的各种机械能形式之间在一定条件下是可以 相互转换的，但总和不变。如图所示管道： 系统处在静止状态， 0 21 uu 2 2 1 1 p gz p gz )( 2112 zzgpp 对于可压缩流

10、体 如果： ，可用 ， 近似按不可压缩流体处理。 公式中的p既可以用表压，也可用绝压，但 须前后保持一致。 %20%100 1 21 p pp 2 21 m 以单位重量流体为衡算基准，有： 位压头 静压头 动压头 有效压头 压头损失 以单位体积位衡算基准,有： 22 1122 1e2f 22 pupu zHzH gg 22 1122 1t2f 22 pupu gzPgzP gg 5、实际流体的柏努利方程的应用 计算两容器间的相对位置； 计算输送机械的有效功率； 计算流体的输送量； 计算输送压强。 例题：见课本。 五、流动流体现象分析 （一）雷诺准数与流动类型 1、雷诺实验 2 、实验结果： 层

11、流:流体质点规则平行运动; 流体流动型态 湍流:流体质点无规则的杂乱运动; 3、流型的判断 （1）影响流型的因素： 流速：u； 密度：； 粘度：； 直径：d； （2）流动型态的判断：雷诺数（无量纲准数） （3）判断：当Re2000, 层流； 当2000 4000，湍流； 例：见P23（略） du Re （二）流体在圆管内的流速分布 1、层流时的速度分布 特点：管中心处流速最大 2、湍流时的速度分布 3、层流内层： max 2 1 uu m max 82. 0uu m 第六节 化工管路的构成与布置 一、化工管路的构成与标准化 化工管路：管子、管件、阀件； 1、化工管路的标准化 制订化工管路主要构

12、件的结构、尺寸、连接、压 力等的标准并实施的过程。如压力标准和直径标准。 （见附表） 2、管子 规格：外径 壁厚mm，长度为3、4、6、9； （1）铸铁管：强度差，价格低，用作污水管； 内径 焊接钢管（水煤气管）：输送水、煤气等低压 （2）钢管 无腐蚀性介质，分为镀锌管和黑管。 无缝钢管：输送高压、高温无腐蚀性流体。 合金钢管：输送高温且有腐蚀性介质。 （3）有色金属管 紫铜管 铜管 特点：重量轻，导热性好， 黄铜管 延展性好，用作换热管。 铅管：耐酸，机械强度差； 铝管：耐酸不耐碱，输送浓硝酸等； （4）非金属管 陶瓷管和玻璃管：不耐压，耐腐蚀； 塑料管：种类多，抗腐蚀，易加工； 橡胶管：耐

13、酸、碱腐蚀，有弹性，但易老化； 3、管件 （1）用于改变流向的：弯头（90、45 、180 ） （2）用于连接支管的：三通、四通等； （3）用于堵塞管路的：管帽、丝堵等； （4）其它：改变管径、延长管路等。 4、阀件 种类：闸阀、截止阀、止回阀、球阀、 旋塞、隔膜阀等、蝶阀； 截止阀截止阀闸阀闸阀止回阀 旋塞阀 球阀 蝶蝶阀阀 闸阀 旋塞阀 球阀 二、管子的选用（见流量与流速） 三、化工管路的布置与安装 1、布置原则 （1）管路短、构件少、阻力小； （2）合理安排：间距适宜，便于安装、操作检修等； （3）管路排列 （4）采用标准件 （5）热补偿、气体排放、凝液排出； （6）高度、位置等； 2、

14、化工管路的安装 （1）化工管路的连接 螺纹连接 焊接 承插式连接 法兰连接 （2）化工管路的热补偿 （3）化工管路的试压与吹扫 （4）化工管路的保温与涂色 （5）化工管路的防静电措施 第七节 流动系统阻力计算 种类:直管阻力(hf) 局部阻力(hf) 流动阻力:hf 一、直管内的流动阻力 1、计算公式： 通过对流体进行能量衡算和受力分析，得出： 范宁公式 其中： 摩擦系数（摩擦因数） 阻力压降： 压头损失： 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、层流时的摩擦因数 影响摩擦因数大小的原因：(1)流动型态（Re） 绝对粗糙度mm

15、 (2)管壁粗糙程度 相对粗糙度/d 3、湍流时的摩擦因数 其中：/d 相对粗糙度 通过实验，得到计算的经验公式或摩擦因数图： Re 64 )(Re, d f 图 * 摩擦因数与雷诺数、相对粗糙度的关系汇总摩擦因数与雷诺数、相对粗糙度的关系汇总 层流区： 湍流区： 完全湍流区： 过渡区：既可以按层流计算，也可以按湍流查 图。 Re 64 )(Re, d f )( d f 补充:非圆形直管的阻力损失 当量直径： 同心套管： 此时， （C值可查表） 润湿周边长 流通截面积 4 e d 12 12 2 1 2 2 )( )( 4 4dd dd dd d e Re C 二、局部阻力计算 1、局部阻力：

16、流体流经局部位置所产生的阻力。 形体阻力：由于流体流速、流动方 局部阻力 向改变产生的阻力 摩擦阻力 当量长度法 2、计算方法 阻力系数法 局部位置阻力 1、当量长度法 J/Kg 2、阻力系数法 J/Kg （各局部位置的阻力系数见附表） （1）突然扩大与突然缩小 计算： 查取阻力系数。 2 2 u h f 2 2 u d l h e f )( )( 2 1 大 小 A A （2）进口与出口 出口损失的计算：如果出口截面选在管出口 内侧内侧，则不计出口损失，出口处流速不为零；如 果出口截面选在管出口外侧外侧，则计算出口损失， 出口流速为零； 5 . 0 进 0 . 1 出 （3）管件与阀门 阻力

17、系数、当量长度可查表。 四、流体在管内流动总阻力的计算 1、阻力计算公式 （1） J/Kg （2） J/Kg 2 )( 2 u d l hf 2 2 u d ll h e f 注：对于不等径管路，由于管内流速不 同，阻力应分段计算。 2、减小阻力的方法 （1）减少管长，减少管件、阀门的布置； （2）适当加大直径，或选用光滑管； （3）降低流动速度； （4）降低流体粘度； （5）加入减阻剂； 例题：见P35。（略） 补充内容 管路计算 一、简单管路与复杂管路 等径管路 1、简单管路 串联管路 特点：（1）、 （2）、 332211 AuAuAu 321ffff hhhh 2、复杂管路 并联管路

18、复杂管路 分支管路 汇合管路 并联管路特点： （1） （2） 分支管路特点： （1） （2）分支点处单位质量流体的机械能总和为一 定值。 321SSSS VVVV ffff hhhh 321 321SSSS VVVV 第八节 流量的测定 一、皮托测速管 1、结构及原理 2、流速计算 A点压强能： B点压强能： A、B两点压强能差值： 联立： 注：实际计算时加校正系数C。 2 2 upp A p gRpp AA )( gR u A )(2 二、孔板流量计 1、结构与原理: 2、流量计算： 考虑通过孔子口的阻力损失,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 考虑到测压口的位置与实际缩脉处的位 置有差别,引入一校正系数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、文丘里流量计 1、结构及原理： 2、流量计算： CV：文丘里流量计的流量系数； 3、讨论：（1）阻力损失小；