化工原理绪论

1、化工原理（化工原理（1）学时：学时： 48教材：教材： 化工原理上册化工原理上册 天津大学出版社天津大学出版社参考书参考书: :化工原理上册化工原理上册 化学工业出版社化学工业出版社 食品工程原理食品工程原理 中国轻工业出版社中国轻工业出版社绪论绪论1.1.概述概述-化工生产过程化工生产过程与与单元操作单元操作 化学工业化学工业: :对原料进行化学加工以获得产品。对原料进行化学加工以获得产品。化工生产过程化工生产过程: :用化工手段将原料加工成产品的生产用化工手段将原料加工成产品的生产过程。过程。 该生产过程的核心是该生产过程的核心是化学反应过程化学反应过程，为使化学，为使化学反应经济有效的进

2、行，反应经济有效的进行，反应前反应前物料要达到一定纯度物料要达到一定纯度, ,即需要进行前处理即需要进行前处理; ;反应器内必须保持最佳反应条反应器内必须保持最佳反应条件（压强、温度）件（压强、温度）; ;反应后还要进行后处理，使产反应后还要进行后处理，使产物与反应物分开、产物精制。前物与反应物分开、产物精制。前、后处理中，绝大后处理中，绝大多数过程是多数过程是纯物理过程纯物理过程。 绪论绪论化工生产过程化工生产过程：是由若干化学反应和物理操作串联的是由若干化学反应和物理操作串联的生产过程。生产过程。例：例：用乙炔和氯化氢生产聚氯乙烯塑料用乙炔和氯化氢生产聚氯乙烯塑料乙炔乙炔 提纯提纯 单体合

3、成单体合成 单体精制单体精制 聚合聚合 脱水干燥脱水干燥氯化氢氯化氢 提纯提纯 （反应热）（反应热）（压缩，冷凝） 在各种化工生产过程中，除化学反应外的其余在各种化工生产过程中，除化学反应外的其余物理操作称为物理操作称为单元操作单元操作(Unit Operation)：流体的流：流体的流动与输送，沉降，过滤，搅拌，压缩，传热，蒸发，动与输送，沉降，过滤，搅拌，压缩，传热，蒸发，结晶，干燥，精馏，吸收，萃取，冷冻等。结晶，干燥，精馏，吸收，萃取，冷冻等。化工原理：化工原理：是研究这些是研究这些单元操作单元操作的基础学科，是各的基础学科，是各个个单元操作单元操作的综合和集成。的综合和集成。化工原理

4、化工原理 食品工程原理食品工程原理奶粉生产工艺奶粉生产工艺：各个单元操作串联操作的生产过程各个单元操作串联操作的生产过程 牛奶牛奶 预热杀菌预热杀菌 真空浓缩真空浓缩 过滤过滤 喷雾干燥喷雾干燥 生物化工原料的某些成分如蛋白质、酶之生物化工原料的某些成分如蛋白质、酶之类都是类都是生物活性生物活性物质，在加工过程中会引起变物质，在加工过程中会引起变性、钝化或破坏。性、钝化或破坏。热敏性热敏性和和氧化变质氧化变质及及易腐性易腐性是动、植物原料的共有特点。是动、植物原料的共有特点。食品加工食品加工的科学化和工程化的标志的科学化和工程化的标志-单元操作的单元操作的引入和应用。引入和应用。食品工程食品工

5、程是在化学工程基础上发展起来的一个新领是在化学工程基础上发展起来的一个新领域域-相同的理论基础和单元操作。相同的理论基础和单元操作。2.2.本课程的性质与任务本课程的性质与任务 本课程是在高等数学、物理学及物理化学、化本课程是在高等数学、物理学及物理化学、化学等课程的基础上开设的一门学等课程的基础上开设的一门专业基础课程专业基础课程，其，其主主要任务要任务是研究化工单元操作的基本原理，典型设备是研究化工单元操作的基本原理，典型设备的构造及工艺尺寸的计算或设备选型。的构造及工艺尺寸的计算或设备选型。 本课程作为本课程作为化学工程学化学工程学的一个基础组成部分的一个基础组成部分，是化工是化工、生物

6、、制药、食品、生物、制药、食品等专业的主干课程之一等专业的主干课程之一（学科基础课学科基础课），其在基础课和专业课之间，起着），其在基础课和专业课之间，起着承上启下，由承上启下，由“理理”过渡到过渡到“工工”的桥梁作用。的桥梁作用。3.3.本课程的内容，特点及学习方法本课程的内容，特点及学习方法内容内容：以以“三传三传”-”-流体流动过程（流体流动过程（动量传递动量传递）；）；传热过程（传热过程（热量传递热量传递）；传质过程（）；传质过程（质量传递质量传递）为核心和主线，讲述单元操作的基本原理，典为核心和主线，讲述单元操作的基本原理，典型设备的结构原理，操作性能和设计计算。型设备的结构原理，操

7、作性能和设计计算。教学环节教学环节：理论课教学，实验，课程设计理论课教学，实验，课程设计特点特点：内容多，范围广，难度大。内容多，范围广，难度大。学习方法学习方法：重点掌握重点掌握基本概念基本概念，基本原理基本原理和和基本基本计算计算。1）基本量，导出量）基本量，导出量 （物理量）（物理量） 任何物理量均可由几个彼此独立的基本量表示其性任何物理量均可由几个彼此独立的基本量表示其性质和特征。质和特征。基本量基本量：长度：长度 L m ；质量；质量 m kg ；时间；时间 t s ；温度；温度 T K 导出量导出量：如速度：如速度 u=L/t m/s。2 ）单位制）单位制（基本单位与导出单位的总和

8、）（基本单位与导出单位的总和）（1）绝对单位制（）绝对单位制（cgs制）：力，达因，制）：力，达因，dyn（2）工程单位制：力，公斤（力）工程单位制：力，公斤（力）, kg(f )（3）国际单位制（）国际单位制（SI）：力，牛顿，）：力，牛顿，N 1N=1kg m/s2 =1/9.81kgf=105dyn4.4.单位制与单位换算单位制与单位换算SISI基本单位基本单位量的名称量的名称量的符号量的符号单位名称单位名称单位符号单位符号 长度长度 l(L) 米米 m 质量质量 m 千克千克 kg 时间时间 t 秒秒 s 电流电流 I 安（培安（培 ） A 热力学温度热力学温度 T 开（尔文）开（尔文

9、） K 发光强度发光强度 I(IV) 坎（德拉）坎（德拉） cd 物质的量物质的量 n 摩尔摩尔 mol导出单位：力导出单位：力 （ N）；）； 压强压强 Pa（N/m2）；）； 功功 ，能，热（，能，热（ J）；功率（）；功率（ W）1) 1) 流体流动过程流体流动过程（动量传递）（动量传递） 研究流体流动及流体和与之接触的固体间发生研究流体流动及流体和与之接触的固体间发生相对运动时的基本规律，以及主要受这些基本规律相对运动时的基本规律，以及主要受这些基本规律支配的若干单元操作，如流体的输送、沉降、过滤、支配的若干单元操作，如流体的输送、沉降、过滤、搅拌及固体的流态化等。搅拌及固体的流态化等

10、。2) 2) 传热过程传热过程（热量传递）（热量传递） 研究传热的基本规律以及主要受这些基本规律研究传热的基本规律以及主要受这些基本规律支配的若干单元操作，如热交换、蒸发等。支配的若干单元操作，如热交换、蒸发等。5.5.传递过程传递过程 3) 3) 传质过程传质过程（质量传递）（质量传递） 研究物质通过相界面迁移过程的基本规律，研究物质通过相界面迁移过程的基本规律，以及主要受这些基本规律支配的若干单元操作，以及主要受这些基本规律支配的若干单元操作，如液体的蒸馏、气体的吸收、固体的干燥及结晶如液体的蒸馏、气体的吸收、固体的干燥及结晶等。等。6.6.物料衡算与能量衡算物料衡算与能量衡算 1) 1)

11、 物料衡算物料衡算 根据质量守恒定律而进行的质量平衡计算。根据质量守恒定律而进行的质量平衡计算。向设备输入的物料质量减去从设备输出的物料质向设备输入的物料质量减去从设备输出的物料质量，必等于积累在设备里的物料质量，即：量，必等于积累在设备里的物料质量，即： AIGGG0输入物料的总和输入物料的总和 输出物料的总和输出物料的总和 积累物料量积累物料量 2) 2) 能量衡算能量衡算 根据能量守恒定律而进行的能量平衡的计算。根据能量守恒定律而进行的能量平衡的计算。在生产中能量可能是热能、电能、机械能或其它能。在生产中能量可能是热能、电能、机械能或其它能。如果是热能，则称为热量衡算。如果是热能，则称为

12、热量衡算。LIQQQ0 随物料进入随物料进入系统的总热量，系统的总热量，kJkJ或或kWkW 随物料离随物料离开系统的总开系统的总热量，热量，kJkJ或或kWkW 向系统周向系统周围散失的热围散失的热量，量，kJkJ或或kWkW 7.7.平衡关系与过程速率平衡关系与过程速率 1) 1) 平衡关系平衡关系 平衡关系予告过程或反应能够达到的极限。如平衡关系予告过程或反应能够达到的极限。如连通器连通器液面最终达到同一水平面，液面最终达到同一水平面，传热传热的极限是冷的极限是冷热流体温度相同，热流体温度相同，气体吸收气体吸收的极限是当时条件下的的极限是当时条件下的饱和溶解度，饱和溶解度，反应反应的极限

13、是当时条件下的平衡转化的极限是当时条件下的平衡转化率。率。 2) 2) 过程速率过程速率 R过程阻力过程推动力流动阻力压强差流动速率传热阻力温度差传热速率传质阻力浓度差吸收速率第第 1 章章 流体流动流体流动 概述概述 液体和气体都具有流动性，通常总称为流体。液体和气体都具有流动性，通常总称为流体。 在化工和食品生产过程中，所处理的原料、半成品、在化工和食品生产过程中，所处理的原料、半成品、 产品以及辅助材料大多数以流体的状态存在。流体的流产品以及辅助材料大多数以流体的状态存在。流体的流动和输送既是一个单元操作，又与其他各种单元操作密动和输送既是一个单元操作，又与其他各种单元操作密切相关。切相

14、关。 水、空气、水蒸气水、空气、水蒸气 典型流体典型流体 牛顿流体（流体力学规律）牛顿流体（流体力学规律） 牛奶、果汁、盐水牛奶、果汁、盐水 稀薄流体稀薄流体 蜂蜜、脂肪、果酱蜂蜜、脂肪、果酱 稠厚流体稠厚流体 非牛顿流体（流变学规律）非牛顿流体（流变学规律） 应用流体流动的基本原理和规律可以解决如下应用流体流动的基本原理和规律可以解决如下工程问题：工程问题：(1)(1)流体输送：流体流速流体输送：流体流速u u，管道直径，管道直径d d，输送设，输送设备选择、操作及其功率计算备选择、操作及其功率计算(2)(2)流体压强，流量和流速的测量流体压强，流量和流速的测量(3)(3)强化设备：为强化其

15、他单元操作（设备）提强化设备：为强化其他单元操作（设备）提供适宜条件供适宜条件1.1 1.1 流体的物理性质流体的物理性质流体的物理性质与作用力流体的物理性质与作用力1 ) 流流 体体 特特 征征：易流动，无固定形状易流动，无固定形状 气体气体：气体分子间距大，相互作用力小，无一定自由表面和气体分子间距大，相互作用力小，无一定自由表面和体积，充满整个容器。在外力作用或温度变化时，体积改体积，充满整个容器。在外力作用或温度变化时，体积改变较大，一般不能忽略（可压缩和膨胀性），称之为变较大，一般不能忽略（可压缩和膨胀性），称之为可压可压缩流体缩流体。 液体液体：不可压缩流体不可压缩流体。2 ) 连

16、续介质模型连续介质模型（1753年，欧拉）年，欧拉） 不考虑流体的微观分子运动，把流体看作由无穷多个流不考虑流体的微观分子运动，把流体看作由无穷多个流体质点稠密无间隙所组成的连续介质，以研究流体的宏观运体质点稠密无间隙所组成的连续介质，以研究流体的宏观运动规律。动规律。3 ) 流体的密度和比容流体的密度和比容单位体积流体所具有的质量单位体积流体所具有的质量 称为密度称为密度（kgm3） =m/V 式中式中 m流体的质量，流体的质量，kg ；V流体的体积，流体的体积，m3 单位质量流体所具有的体积单位质量流体所具有的体积 称为比容称为比容（m3kg） =V/m 气体密度随温度，压力的改变有较大变

17、化，气体密度随温度，压力的改变有较大变化，通常在温度不太低，压力不太高的情况下，通常在温度不太低，压力不太高的情况下，可用理想气体方程式计算：可用理想气体方程式计算：式中：式中： p气体的绝对压强，气体的绝对压强，Pa M气体的摩尔质量，气体的摩尔质量，kgmol R通用气体常数，通用气体常数，8.315J(molK) T气体的热力学温度，气体的热力学温度，KTppTRTpM1.1.2 1.1.2 流体的粘度流体的粘度1.牛顿粘性定律牛顿粘性定律 流体流动时存在内摩擦力，流体流动时必须克流体流动时存在内摩擦力，流体流动时必须克服内摩擦力作功。这种内摩擦力就是一种平行于服内摩擦力作功。这种内摩擦

18、力就是一种平行于流体微元表面的表面力，通常又称作流体微元表面的表面力，通常又称作剪切力剪切力。 当各流体层速度不同时，层与层之间会发生相对当各流体层速度不同时，层与层之间会发生相对运动和相互作用力。流体的这种内部相邻层间相互运动和相互作用力。流体的这种内部相邻层间相互作用力就是流体内部的内摩擦力或粘滞力。单位面作用力就是流体内部的内摩擦力或粘滞力。单位面积上的内摩擦力就是积上的内摩擦力就是剪应力剪应力。SyuF剪应力，剪应力，Nm2 F剪力，剪力，N S流体层间的接触面积，流体层间的接触面积，m2 du/dy法向速度梯度，法向速度梯度，1s比例系数，称为粘性系数或动力粘度，简称比例系数，称为粘

19、性系数或动力粘度，简称粘度粘度SyuFyuSFdydu牛顿粘性定律：牛顿粘性定律：粘度单位粘度单位: :SI: SI: = /(du/dy) =N s/ m2 = Pascgs : : = dyn s/cm2 = P（泊）（泊） 1泊泊=100cP（厘泊）（厘泊） Pas = 10P =1000cP2.流体的粘度流体的粘度dydu粘度的物理意义粘度的物理意义: : 促使流体产生单位速促使流体产生单位速度梯度的剪应力度梯度的剪应力粘性粘性：确定流体流动：确定流体流动时内摩擦力大小的时内摩擦力大小的物理性质。物理性质。粘度粘度：衡量流体粘性：衡量流体粘性大小的物理量称动大小的物理量称动力粘度，简称

20、粘度。力粘度，简称粘度。温度对粘度的影响温度对粘度的影响：液体液体：温度上升，：温度上升， 则粘度减小。则粘度减小。气体气体：温度上升，则：温度上升，则粘度增大。粘度增大。 理想流体理想流体: 粘度为零的流体粘度为零的流体 牛顿流体牛顿流体： 服从牛顿粘性定律的流体服从牛顿粘性定律的流体 非牛顿流体非牛顿流体：不服从牛顿粘性定律的流体：不服从牛顿粘性定律的流体3. 理想流体理想流体4. 非牛顿流体简介非牛顿流体简介非牛顿流体非牛顿流体粘性流体粘性流体粘弹性流体粘弹性流体与时间无关与时间无关与时间有关与时间有关无屈服无屈服应力应力有屈服有屈服应力应力触变性流体触变性流体流凝性流体流凝性流体dyd

21、u塑性流体塑性流体（污水泥浆，巧克力浆） = y +du/dy假假(涨涨)塑性流体塑性流体（高分子溶液，涂料，蜂密，果浆，淀粉溶液） = k(du/dy)n牛顿流体牛顿流体（所有气体，大多数液体） = du/dydu/dy无屈服应力无屈服应力：假塑性流体，涨塑性流体假塑性流体，涨塑性流体有屈服应力有屈服应力：宾汉塑性流体宾汉塑性流体1.2 1.2 流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式1.2.1 1.2.1 静止流体的压力静止流体的压力1) 压力与静压强压力与静压强 垂直作用于任意流体微元表面的力称作压力。垂直作用于任意流体微元表面的力称作压力。把流体单位面积上所受的压力称为流体的静压强，把

22、流体单位面积上所受的压力称为流体的静压强，简称压强，用简称压强，用p p表示，表示， 即：即： p=P/A式中式中 p静压强，静压强，Nm2或或Pa（帕）（帕） P垂直作用于流体表面的压力，垂直作用于流体表面的压力，N A作用面的表面积，作用面的表面积，m2 习惯上还采用一些其他单位，如习惯上还采用一些其他单位，如atm(标准大标准大气压气压)、某液柱高度、某液柱高度、bar(巴巴)或或kgfcm2、工程大、工程大气压气压(at)等。它们之间的换算关系为：等。它们之间的换算关系为：latm=1.033kgfcm2760mmHg=10.33mH2O 1.0133bar1.0133105 Pala

23、tlkgfcm2735.6mmHg10mH2O 0.981bar9.81104 Pa2) 2) 压强表示压强表示: :按度量压强的基准（零点）按度量压强的基准（零点）AB绝对压强绝对压强：以绝对零压（真空）为基准（真实压强）：以绝对零压（真空）为基准（真实压强）表压强和真空度表压强和真空度：以大气压为基准：以大气压为基准 当被测流体的绝对压强大于外界大气当被测流体的绝对压强大于外界大气压强时，所用的测压仪表称为压强表。压压强时，所用的测压仪表称为压强表。压强表上的读数表示被测流体的绝对压强比强表上的读数表示被测流体的绝对压强比大气压强高出的数值，即：大气压强高出的数值，即： 表压强表压强= 绝

24、对压强大气压强绝对压强大气压强 当被测流体的绝对压强小于外界大气压当被测流体的绝对压强小于外界大气压强时，用真空表进行测量。真空表的读数表强时，用真空表进行测量。真空表的读数表示被测流体的绝对压强低于当地大气压强的示被测流体的绝对压强低于当地大气压强的数值，称为真空度，即：数值，称为真空度，即：真空度大气压强绝对压强真空度大气压强绝对压强 = 表压强表压强1.2.2 流体静力学基本方程流体静力学基本方程 流体静力学方程研究流体静力学方程研究处于相对静止的流体在重处于相对静止的流体在重力和压力作用下，处于平力和压力作用下，处于平衡状态的规律衡状态的规律。作用于薄层下底作用于薄层下底 的总压力的总

25、压力pA；作用于薄层上底的总压力作用于薄层上底的总压力(p+dp)A；向下作用的重力向下作用的重力gAdz。 当流体处于静止状态时：当流体处于静止状态时： pA(p+dp)AgAdz=0 dp+gdz0 dp+gdz0 若密度若密度为常数，则上式积分得：为常数，则上式积分得：p/+gz=常数常数若积分的上、下限取高度为若积分的上、下限取高度为z1和和z2的二个平面，的二个平面， 而而作用于这二个平面的压强分别为作用于这二个平面的压强分别为p1和和p2，则得：，则得： (p2 p1)/ g = z1 z2或或 p2 p1+g(z1 z2) 2211pgzpgz流体静力学基本方程讨论流体静力学基本

26、方程讨论 pp0+g h当容器内液面上方的压强当容器内液面上方的压强p0一定时，静一定时，静止液体内部任一点压强止液体内部任一点压强p的大小与液体的大小与液体本身的密度本身的密度和该点距液面的深度和该点距液面的深度h有关。有关。在静止的、连续的同一液体内，处于同在静止的、连续的同一液体内，处于同一水平面上的各点压强都相等。一水平面上的各点压强都相等。当液面上方的压强当液面上方的压强p0改变时，液体内部改变时，液体内部各点的压强各点的压强p也发生同样大小的变化。也发生同样大小的变化。压强或压强差可以用一定高度的流体柱压强或压强差可以用一定高度的流体柱h表示，即：表示，即：(p2 p1)/ g =

27、 z1 z2=hp2 p1+g(z1 z2) 1。 p02。 h p p1 p2 点点1处于容器的液面上，处于容器的液面上，设液面上方的压强为设液面上方的压强为p0，距液，距液面面h处的点处的点2压强为压强为p。1.2.3 1.2.3 流体静力学方程的应用流体静力学方程的应用1）U形管压差计形管压差计 （不互溶指示液，（不互溶指示液，指指 ） p pa a=p=pb b p pa a=p=p1 1+hg+Rg +hg+Rg p pb b=p=p2 2+hg+R+hg+R0 0g g p p1 1-p-p2 2= g R(= g R(0 0-)-) 当当 0 0（被测流体为气体时） p p1 1

28、-p-p2 2 = g R = g R0 0)(0gRp1.1.压强与压强差的测量压强与压强差的测量 例例 水平导管上的两点间接水平导管上的两点间接一盛有四氯化碳的一盛有四氯化碳的U型管压型管压差计，压差计读数差计，压差计读数R为为35cm。若导管内流经的是若导管内流经的是(1)水，水，(2)密度为密度为2.5kg/m3气体时，试气体时，试分别计算两点间压强差。分别计算两点间压强差。 解解 指示液：指示液：0 0=1630 kg/m3(1)管内流经水时：管内流经水时： =1000 kg/m3 p=p1p2= (0 0-)g R-)g R =(16301000) =(16301000)9.819

29、.810.35=2163 (N/m0.35=2163 (N/m2 2) )(2)(2)管内流经气体时：管内流经气体时： =2.5 kg/m3 p=p1p2= (0 0-)g R-)g R =(1630 =(16302.5 ) )9.819.810.35=5588 (N/m0.35=5588 (N/m2 2) )2 2）微差压差计）微差压差计 微差压差计亦称微差压差计亦称双液体双液体U形管压差计。它在形管压差计。它在U形管的两形管的两股上增设股上增设两个扩大室两个扩大室，扩大室，扩大室内径与内径与U形管内径之比一般应形管内径之比一般应大于大于10。压差计内装有。压差计内装有A、C两种密度稍有差异

30、的指示液。两种密度稍有差异的指示液。由于扩大室的截面远大于由于扩大室的截面远大于U形形管截面，所以即使管截面，所以即使U形管内指形管内指示液示液A的液面差的液面差R很大，两个很大，两个扩大室内指示液扩大室内指示液C的液面变化的液面变化也甚小，可视为等高。根据静也甚小，可视为等高。根据静力学基本方程，压强差可用下力学基本方程，压强差可用下式表示：式表示： p1p2 gR(Ac) 例例 如本题附图所示，为如本题附图所示，为了控制乙炔发生炉了控制乙炔发生炉a a内的压内的压强不超过强不超过10.7 10.7 10 103 3Pa(Pa(表表压压) )，需在炉外装有安全液，需在炉外装有安全液封封( (

31、又称水封又称水封) )装置，其作装置，其作用是当炉内压强超过规定用是当炉内压强超过规定值时，气体就从液封管值时，气体就从液封管b b中中排出。试求此炉的安全液排出。试求此炉的安全液封管应插入槽内水面下的封管应插入槽内水面下的深度深度h h。解：解：按炉内允许的最高压强计算液封管插入槽内水按炉内允许的最高压强计算液封管插入槽内水面下的深度面下的深度h h 。过液封管口作等压面。过液封管口作等压面O-O,O-O,并取并取1 1，2 2两点。两点。3 3）液封高度计算）液封高度计算 故故 pa+ 10.7 103 = pa+ 1000 9.81 h h 解得：解得：h=1.09 (m)p1=炉内压强

32、炉内压强=pa+10.7 103 p2=pa+gh= pa+ 10009.81 h h 因因 p1=p2 例例1-9 为了维持真空蒸发操作的真为了维持真空蒸发操作的真空度，需在其后的冷凝器上方抽真空度，需在其后的冷凝器上方抽真空。同时为了防止外界空气从气压空。同时为了防止外界空气从气压管漏入，致使设备内真空度降低，管漏入，致使设备内真空度降低，气压管必须插入液封槽中，水即在气压管必须插入液封槽中，水即在管内上升一定高度管内上升一定高度h(液封液封)。若真空。若真空表的读数为表的读数为80103 Pa，试求，试求气压气压管中水上升的高度管中水上升的高度h。解：解：设设气压管内气压管内水面上方的绝

33、对水面上方的绝对压强为压强为P,P,液封槽液面作用大气压液封槽液面作用大气压强强P Pa a。根据流体静力学基本方程，。根据流体静力学基本方程，在在液封槽液面等压面上有液封槽液面等压面上有:pap+g hpap+g hmh15. 881. 9100010803gpphapap=真空度真空度= 80103 Pa1.3 1.3 流体流动的基本方程流体流动的基本方程1.3.1流量与流速流量与流速1) 体积流量体积流量：单位时间内通过流道横截面的流体体积。：单位时间内通过流道横截面的流体体积。 VsV/t (m3/s)2) 质量流量质量流量：单位时间内流过流道横截面的流体质量。：单位时间内流过流道横截

34、面的流体质量。 wsVs (kg/s)3) 平均流速平均流速：体积流量与流道横截面积之比。：体积流量与流道横截面积之比。 u= Vs /A (m/s) 常用流速范围常用流速范围 P26 1.3.2 稳态流动与非稳态流动稳态流动与非稳态流动 稳态流动稳态流动：流体在管道中流动时，任一截面处的流速、流体在管道中流动时，任一截面处的流速、流量和压强等有关物理参数都不随时间而变化。流量和压强等有关物理参数都不随时间而变化。 非稳态流动非稳态流动：流动时，任一截面处的有关各物理参数中流动时，任一截面处的有关各物理参数中只要有一项是随时间变化的，则属于不稳定流动。只要有一项是随时间变化的，则属于不稳定流动

35、。1.3.3 连续性方程式连续性方程式1) 物料衡算的一般方法物料衡算的一般方法 物料衡算的依据是质量守恒定律。在工业上常用的计物料衡算的依据是质量守恒定律。在工业上常用的计算基准有三：以加入设备的一批物料为基准，这种基准算基准有三：以加入设备的一批物料为基准，这种基准用于间歇过程；以单位时间的物料量为基准，常用于连用于间歇过程；以单位时间的物料量为基准，常用于连续过程；以单位质量原料或产品为基准。续过程；以单位质量原料或产品为基准。 设：ws1为输入物料量的总和；为输入物料量的总和； ws2为输出物料量的总和。为输出物料量的总和。 在无物料损失的情况下，根据质量守恒定律应有：在无物料损失的情

36、况下，根据质量守恒定律应有： 总进料量总出料量总进料量总出料量 ws1=ws2 (kg)or(kg/s)2) 管内稳定流动连续性方程管内稳定流动连续性方程 不可压缩流体在园管中作稳定流动时，其流速与截面积不可压缩流体在园管中作稳定流动时，其流速与截面积成反比，与园管的直径平方成反比。成反比，与园管的直径平方成反比。 wsu11A1u22A2常数不可压缩流体：不可压缩流体： 12 u1A1u2A2常数常数流体在圆管内流动时：流体在圆管内流动时： u u2 2/u/u1 1=(d=(d1 1/d/d2 2) )2 2 流体在管道内作稳定流动时，不论其间的流体在管道内作稳定流动时，不论其间的流动截面

37、和流动形态如何变化，都服从质量守流动截面和流动形态如何变化，都服从质量守恒定律。由物料衡算可得恒定律。由物料衡算可得管内稳定流动的连续性方程式管内稳定流动的连续性方程式：1 流动系统的总能量衡算流动系统的总能量衡算 对于稳定流动系统，设在一对于稳定流动系统，设在一定时间内进出系统的流体质量为定时间内进出系统的流体质量为m(kg)，若忽略电能和化学能等不，若忽略电能和化学能等不计，则输入和输出系统的能量有：计，则输入和输出系统的能量有： (1)内能内能：流体（分子）内部能量的：流体（分子）内部能量的总和，总和，EmU (J) 。 (2)位能位能：是流体受重力作用，在不：是流体受重力作用，在不同高

38、度具有不同的位能。质量为同高度具有不同的位能。质量为m流体由基准水平面升举到高度流体由基准水平面升举到高度z所所作的功，作的功，mgz(J)。 (3)动能动能：是流体由于运动而产生的：是流体由于运动而产生的能量。将质量为能量。将质量为m流体加速至流体加速至u所所作的功，作的功，mu2/2 (J)。1.3.4 1.3.4 柏努利柏努利(Bernoulli)(Bernoulli)方程式方程式(4)静压能静压能（压力能）：流体经控制面（压力能）：流体经控制面进入或流出系统时，必须克服静压强进入或流出系统时，必须克服静压强作功：作功：F FL L（pA)pA)V/A=pV=V/A=pV=mp，流体带，

39、流体带有与此相当的能量，有与此相当的能量，mp或或mp/(J)。(5)外功外功：外界通过设备对系统作的功，：外界通过设备对系统作的功，是功的输入（正）。相反，为功的输是功的输入（正）。相反，为功的输出（负），出（负），Wm We(J)。(6)热量热量：系统通过换热器对外界进行：系统通过换热器对外界进行的热交换。对系统加热为正，系统对的热交换。对系统加热为正，系统对外界加热为负，外界加热为负，Q m Qe (J)。 根据能量守恒定律，系统输入总能量等于输出总能量，得：根据能量守恒定律，系统输入总能量等于输出总能量，得：稳定流动总能量衡算式稳定流动总能量衡算式内能内能 静压能静压能 位能位能 动能

40、动能 热量热量 外功外功mU1+ mp11+ mgz1 + mu12/2 + Q + W = mU2 +mp2 2+ mgz2 + mu22/2 (J)U1+p11+gz1+u12/2+Qe+We= U2+p2 2+gz2+u22/2 (J/kg)h1+gz1+u12/2+Qe+We = h2+gz2+ u22/2 (J/kg)单位质量流体的焓（单位质量流体的焓（复合状态参数，在定压过程中焓的增加值等于所吸收的热量）复合状态参数，在定压过程中焓的增加值等于所吸收的热量）Qe+We = h + gz+u2/2 (J/kg)上式说明：上式说明：外界加给系统的热量和功量，全部用于外界加给系统的热量和

41、功量，全部用于增加流体的焓、位能和动能。增加流体的焓、位能和动能。h1+gz1+u12/2+ Qe+We = h2+gz2+ u22/2 (J/kg)稳定流动总能量方程式应用稳定流动总能量方程式应用Qe+We = h + gz+u2/2(1)通过换热器的流动通过换热器的流动：外界对体系的：外界对体系的机械功机械功We =0，流体从进口至出口的位，流体从进口至出口的位能和动能的变化可以忽略，能和动能的变化可以忽略， Qe = h 表示此时加热量等于流体焓值增加表示此时加热量等于流体焓值增加（冷却放热量为（冷却放热量为）( 2 )通过喷嘴的流动通过喷嘴的流动：无热功交换：无热功交换Qe =0， W

42、e =0；无位能变化，；无位能变化， h + u2/2=0表明流体流过收缩喷嘴后获得的动能等于流体焓值的减少。表明流体流过收缩喷嘴后获得的动能等于流体焓值的减少。(3)通过节流阀的流动通过节流阀的流动：无热功交：无热功交换换Qe =0， We =0；无位能和动能；无位能和动能的变化，的变化， h =0 可见通过节流前后，流体焓值没可见通过节流前后，流体焓值没有变化。有变化。 (4)流过压缩机流过压缩机：设此时对外无热：设此时对外无热交换，交换， Qe = 0，且位能和动能的变，且位能和动能的变化可以忽略，则方程式简化为：化可以忽略，则方程式简化为： We = h Qe+We= h + gz+u

43、2/2说明压缩机所耗的功，等于压缩前后气体焓值的增量说明压缩机所耗的功，等于压缩前后气体焓值的增量2.2.柏努利柏努利( (BernoulliBernoulli) )方程式方程式1) 理想流体柏努利方程式理想流体柏努利方程式 稳定流动总能量方程式是解决工程问题的基础，可稳定流动总能量方程式是解决工程问题的基础，可以解决广泛的工程问题。以解决广泛的工程问题。 为使解决问题简化：将气体视为不可压缩流体为使解决问题简化：将气体视为不可压缩流体（压强变化范围不大）；（压强变化范围不大）； 设想流体为无粘性，无摩擦损失的理想流体设想流体为无粘性，无摩擦损失的理想流体 实际流体实际流体 抽象和假设抽象和假

44、设 不可压缩理想流体不可压缩理想流体（ 1= 2= ； 1= 2= ；U1=U2 ）2222112221uuvpgzvpgz(J/kg)不可压缩理想流体不可压缩理想流体 （ 1= 2= ；1= 2= ；U1=U2 ）若是若是单纯的流动单纯的流动问题，无热功交换问题，无热功交换:We=0；Qe=0U1+p11+gz1+u12/2+Qe+We=U2+p22+gz2+u22/2 (J/kg)不可压缩理想流体稳定流动总能量方程式不可压缩理想流体稳定流动总能量方程式：柏努利方程式柏努利方程式-流体机械能（位能，压力能，动能）衡算式流体机械能（位能，压力能，动能）衡算式机械能转换与总机械能保持不变机械能转

45、换与总机械能保持不变2222222111upgzupgz2222112221uuvpgzvpgz(J/kg)(J/kg)每每1kg质量质量流体能量流体能量2222222111upgzupgz(m)每每1kg.m/s2重 量重 量 流 体流 体能量能量gugpzgugpz2222222111(N/m2)每每1m3体积体积流体的能量流体的能量2)2)实际流体柏努利方程式实际流体柏努利方程式实际流体：有粘性，流体流动过程发生摩擦，消耗机械能。减少的机械能转实际流体：有粘性，流体流动过程发生摩擦，消耗机械能。减少的机械能转化为热力学能，总能量守恒。通常把方程式中的化为热力学能，总能量守恒。通常把方程式

46、中的(U2U1)称为机械能损失称为机械能损失或摩擦损失或摩擦损失（hf），并将方程式写成：，并将方程式写成：22222221111122UupgzWQupgzUee稳定流动总能量方程式不可压缩实际流体稳定流动的能量衡算：输送系统有泵对外不可压缩实际流体稳定流动的能量衡算：输送系统有泵对外无热交换无热交换(Qe0)(221222222111UUupgzWupgze(J/kg)fehupgzWupgz2222222111(J/kg)不可压缩实际流体不可压缩实际流体柏努利方程式柏努利方程式有效功率有效功率(Ne)：单位时间内输送设备所作的有效功：单位时间内输送设备所作的有效功fehupgzWupgz

47、2222222111(J/kg)seewWNmghgugpzgWgugpzfe2222222111fehupgzWupgz2222222111(N/m2)3. 柏努利方程式的讨论柏努利方程式的讨论1）不可压缩理想流体稳定流动的）不可压缩理想流体稳定流动的不同形式机械能互相转不同形式机械能互相转化化和和总机械能守恒总机械能守恒。2）不稳定流动不稳定流动系统的任一瞬间，柏努利方程式成立。系统的任一瞬间，柏努利方程式成立。3）可压缩流体可压缩流体：若两截面间的压强变化小于原来的：若两截面间的压强变化小于原来的20% (p1 p2)/ p1 20 %，可用柏努利方程式。，可用柏努利方程式。 m= (1

48、+ 2)/24）当流体静止时当流体静止时：u=0，流体静力学基本方程：，流体静力学基本方程：2222222111upgzupgz=常数常数 (J/kg)2211pgzpgz例例1-6 如附图所示的开口水箱，如附图所示的开口水箱，其下部一方装有泄水龙头，设水其下部一方装有泄水龙头，设水箱上方有维持水位恒定的装置，箱上方有维持水位恒定的装置，液面与泄水出口的高差液面与泄水出口的高差 z10m。试求龙头开启后，水流达。试求龙头开启后，水流达稳定时水的流量。已知管内径为稳定时水的流量。已知管内径为12mm。（不计流动阻力）。（不计流动阻力） 解解 取水箱底面为取水箱底面为基准面基准面，液面为，液面为1

49、-1截面截面，龙头出口为，龙头出口为2-2截面截面，1-1截面截面（大截面（大截面)面积远大于面积远大于2-2截面，其速度相对截面，其速度相对甚小可以忽略不计，即：甚小可以忽略不计，即：u u1 1uu2 2 ，u u1 12 2/20/20；p p1 1=p p2 2= p pa a ；在在1-1和和2-2截面间列柏努利方程式截面间列柏努利方程式2222222111upgzupgz22221ugzgz)/(00158.014012.0785.043222smudVs)/(141081.92)(2212smzzgu22221ugzgz1.3.5 1.3.5 柏努利方程式的柏努利方程式的应用应用

50、1. 1. 应用柏努利方程式解题步骤及要应用柏努利方程式解题步骤及要点点1 1）作图作图：根据题意画出：根据题意画出流动系统示意图流动系统示意图。2 2）基准面选取基准面选取：一般取最低面，与地面平行一般取最低面，与地面平行。3 3）截面选取截面选取：垂直于流动方向；截面间流体连续；未知量最少；垂直于流动方向；截面间流体连续；未知量最少；“大截面大截面”容器和小管子容器和小管子。4 4）在两截面间列柏努利方程式在两截面间列柏努利方程式。5 5）方程式中各物理量的单位须一致，压强的表示方法一致）方程式中各物理量的单位须一致，压强的表示方法一致。例例 水从高位槽通过虹吸管流出，其中：水从高位槽通过

51、虹吸管流出，其中：h=8m，H=6m，设槽中水面保持不变，设槽中水面保持不变，不计流动阻力损失，试求管出口处水不计流动阻力损失，试求管出口处水的流速及虹吸管最高处的压强。的流速及虹吸管最高处的压强。 解解 取管口为取管口为基准面基准面，水面为，水面为1-1截面截面（大截面）（大截面） ，管口为，管口为2-2截面截面，管最高处，管最高处为为3-3截面截面，即有：，即有： u u1 1uu2 2，u u1 12 2/20/20；p p1 1= p p2 2= p pa a；22221ugzgz)/(8.10681.92)(2212smzzgu2222222111upgzupgzz1=H=6m, z

52、2=0 , z3=h=8m 1）在）在1-1和和2-2截面间列柏努利方程式：截面间列柏努利方程式：2）在）在2-2和和3-3截面间列柏努截面间列柏努利方程式（利方程式（ u u2 2=u=u3 3）：）：3322pgzpgz)/(1028.2881.9100010013.1245323mNghpgzppa 例例1-7 牛奶用泵由真空锅被抽牛奶用泵由真空锅被抽送，经冷却器至位于送，经冷却器至位于9m高度的高度的牛奶贮罐中。各段输送管路的牛奶贮罐中。各段输送管路的长度如图。真空锅内的真空度长度如图。真空锅内的真空度87800Pa(660mmHg)，贮罐开，贮罐开口通大气。牛奶输送量为口通大气。牛奶

53、输送量为4.35t/h。整个管路包括冷却器。整个管路包括冷却器在内的摩擦损失为在内的摩擦损失为50J/kg。试。试近似估计所需泵的能量。估算近似估计所需泵的能量。估算时将牛奶相对密度视为时将牛奶相对密度视为1。解解 作图，取泵中心为基准面，锅内液面为作图，取泵中心为基准面，锅内液面为1-1截面（截面（大大截面截面) ，管出口为，管出口为2-2截面：截面：u u1 1uu2 2，u u1 12 2/20/20；p p2 2= p pa az1=1.5m，z2=9m，hf= 50J/kgd2=3222=28mm)/(21350296. 1100087800)5 . 19(81. 92)(22212

54、12kgJhuppzzgWfefehupgzWupgz2222222111在在1-1和和2-2截面间列柏努利方程式：截面间列柏努利方程式：真空度表压强，真空度表压强， p p1 1= 87800Pa （表压强）表压强） ； p p2 2= 0 0（表压强）表压强）)/(96. 1028. 0785. 01000/ )3600/4350(/22smAwAVuss 例例 用泵将贮液池中常温下的水送用泵将贮液池中常温下的水送至吸收塔顶部，贮液池水面维持至吸收塔顶部，贮液池水面维持恒定，各部分的相对位置如图所恒定，各部分的相对位置如图所示。输水管的直径为示。输水管的直径为763mm，排水管出口喷头连接

55、处的压强排水管出口喷头连接处的压强6.15104Pa(表压表压)，送水量为，送水量为34.5m3/h，水流经全部管道的能量，水流经全部管道的能量损失为损失为160J/kg，试求泵的有效功，试求泵的有效功率。率。 解解 作图，取贮液池水面为为基准作图，取贮液池水面为为基准面，同为面，同为1-1截面（截面（大截面大截面) ，管出，管出口为口为2-2截面：截面：u u1 1u4000Re4000，在虚线以下，在虚线以下，与与ReRe和和/d/d都有关。都有关。随随/d/d增增加而增加，随加而增加，随ReRe增大而逐渐缓和下降。增大而逐渐缓和下降。ReRe较小，较小，/d/d影响较小，影响较小，ReR

56、e较较大，大，/d/d影响较大。影响较大。完全湍流区完全湍流区：在虚线以上在虚线以上，与与ReRe无关，无关，h hf与与u u2 2成正比（阻力平方成正比（阻力平方区）。区）。层流区层流区： Re2000Re2000，=64/Re=64/Re，与管壁粗，与管壁粗糙度无关。糙度无关。过渡区过渡区： Re=2000Re=200040004000 不稳定，可按层流或湍不稳定，可按层流或湍流，工程按湍流延伸查流，工程按湍流延伸查取。取。 例例1-81-8相对密度相对密度1.031.03，粘度，粘度150mPa150mPa. .s s的番茄汁流的番茄汁流过长过长10m10m的钢管（的钢管（76mm76

57、mm3.5mm)3.5mm)，流速为，流速为1.5m/ s1.5m/ s，计算沿程损失。，计算沿程损失。 解解 d=76d=762 23.5=69mm=0.069m u=1.5m/s 3.5=69mm=0.069m u=1.5m/s =1030kg/m =1030kg/m3 3 =150=1501010-3-3=0.15Pa=0.15Pa. .s s210107.715.0069.05.11030Reud流动为层流，由摩擦系数图或计算得：流动为层流，由摩擦系数图或计算得： =0.09 =0.09，计算沿程损失：计算沿程损失：)/(7 .1425 . 1069. 01009. 0222kgJud

58、Lhf 例例1-8-11-8-1已知：已知：Re=7000Re=7000，/d=0.003 /d=0.003 ，求摩擦系，求摩擦系数。数。=0.038=0.0385. 非圆形管内的流体阻力非圆形管内的流体阻力 在工程实际上有许多在工程实际上有许多非圆形管道或设备，虽然非圆形管道或设备，虽然流道截面形状对流速分布流道截面形状对流速分布及流动阻力都有影响，但及流动阻力都有影响，但实验证明：在湍流情况下，实验证明：在湍流情况下，非圆管用非圆管用当量直径当量直径de代替代替直径直径d应用圆管阻力公式应用圆管阻力公式的误差不大。的误差不大。润湿周边长流道截面积当量直径444:Ardehdddde244:

59、圆管)(2)(2)(4:22rRrRrRde圆环)(2:baabde矩形1.5.2 1.5.2 管路上的局部阻力管路上的局部阻力 流体流过管路的入口、出口、弯头、阀门、突扩、流体流过管路的入口、出口、弯头、阀门、突扩、突缩等局部位置时，其流速和流向发生变化，涡流现突缩等局部位置时，其流速和流向发生变化，涡流现象加剧，消耗大量能量。由于流体流过这些局部多数象加剧，消耗大量能量。由于流体流过这些局部多数是湍流，所以主要讨论湍流流动时的局部阻力，其计是湍流，所以主要讨论湍流流动时的局部阻力，其计算方法有：当量长度法和阻力系数法。算方法有：当量长度法和阻力系数法。1. 当量长度法当量长度法 将流体流过

60、局部位置所产生的局部阻力折合成相当将流体流过局部位置所产生的局部阻力折合成相当于某个长度（当量长度于某个长度（当量长度 Le ）上的圆直管的阻力。）上的圆直管的阻力。 局部阻力：局部阻力： Le ：从手：从手册查取册查取(J/kg)22udLehf22udLeLhhhfff2. 阻力系数法阻力系数法 将流体流过局部将流体流过局部位置所产生的局位置所产生的局部阻力表示为流部阻力表示为流体体动能动能u2/2的某个的某个倍数倍数 （局部阻力（局部阻力系数）。系数）。 值由实值由实验测定，可从手验测定，可从手册中查得。册中查得。22uhf(J/kg)2)(2udLhhhfff 例例1-9 1-9 将将