化工原理第一章

1、 化化 工工 原原 理理 Principles of Chemical Engineering 南京晓庄学院南京晓庄学院 生物化工与环境工程学院生物化工与环境工程学院 Nanjing Xiaozhuang University 一一. .化工原理化工原理课程的性质与任务课程的性质与任务二、化工过程与单元操作二、化工过程与单元操作三、物理量的单位与量纲三、物理量的单位与量纲四四. . 单元操作中常用的基本概念单元操作中常用的基本概念五五. . 参考书目参考书目绪绪 论论 INTRODUCTION一一. .化工原理化工原理课程的性质课程的性质1 性质性质：（技术基础课或专业基础课或技术科学） 二、

2、化工过程与单元操作二、化工过程与单元操作1. 化工过程（化学工业过程）：由若干物理过程和若干化学化工过程（化学工业过程）：由若干物理过程和若干化学过程组成的工业过程。或将原料改变或分离成有用产品的工过程组成的工业过程。或将原料改变或分离成有用产品的工业过程。业过程。 2单元操作：化工过程中不含化学反应或化学反应次要的物单元操作：化工过程中不含化学反应或化学反应次要的物理过程。是不同工艺中的同一类基本工序。理过程。是不同工艺中的同一类基本工序。 “设备相似、原理相近、基本过程相同设备相似、原理相近、基本过程相同”3化工原理：化工原理：以单元操作为研究对象的一门技术科学。以单元操作为研究对象的一门

3、技术科学。举例：典型的化工生产过程举例：典型的化工生产过程三三. .化工原理化工原理课程的任务课程的任务 1 内容内容: （三传三传） (传动过程)：流体输送流体输送、 沉降沉降、过滤、（流态化）等 单元操作单元操作 ：热交换热交换、（蒸发）等 ：蒸馏蒸馏、吸收吸收、干燥干燥等 2任务任务：培养学生发现、分析、解决单元操作中各种问题的能力 （选、学、用选、学、用） (1) 介绍三传的基本原理。介绍三传的基本原理。 (2) 介绍主要单元操作的典型设备构造、操作原理、计算、介绍主要单元操作的典型设备构造、操作原理、计算、选型、设计及实验研究方法。选型、设计及实验研究方法。 （3）培养学生发现、分析

4、、解决单元操作中各种问题的能）培养学生发现、分析、解决单元操作中各种问题的能力力.四、物理量的单位与量纲四、物理量的单位与量纲1单位单位：计量中作为记数单元所规定的标准量。2. 单位制分类单位制分类 英单位制(FPS)、单位制 物理单位制(CGS) 国际单位制(SI) (含我国的法定单位制） 工程单位制（重力制） （1）物理量）物理量：表示物质物理性质的参数，如长度、面积、：表示物质物理性质的参数，如长度、面积、密度、粘度等。这些物理量可通过几个彼此独立的基本物理密度、粘度等。这些物理量可通过几个彼此独立的基本物理量来表示，其大小则用各种单位来量度称为基本单位。量来表示，其大小则用各种单位来量

5、度称为基本单位。（2）量纲）量纲Dimension 定义：某类物理量定义：某类物理量B（可以相互比较的一类物理量）的量（可以相互比较的一类物理量）的量纲是该类物理量不同单位的统称，记为纲是该类物理量不同单位的统称，记为dimB。 量纲一致性原理量纲一致性原理：任一个理论（物理）方程两边的量纲必相等。：任一个理论（物理）方程两边的量纲必相等。JNITMLBdim 1、国际单位制、国际单位制 SI制制 7个基本单位，个基本单位，2个辅助单位，其余皆个辅助单位，其余皆为为 导出单位。导出单位。 质量质量 （千克或公斤（千克或公斤，kg）；）； 长度长度 （米，（米，m） 时间时间 （秒，（秒，s）；

6、）； 热力学温度热力学温度 （开尔文，（开尔文，K） 电流强度电流强度（安培，（安培，A）；）； 物质的量物质的量（摩尔，（摩尔，mol） 发光强度发光强度 （坎德拉，（坎德拉，cd） 国际单位制（国际单位制（SI）2. 单位换算单位换算 （1）单位换算：在化工计算中，单位换算：在化工计算中，先用换算关系将各物理量先用换算关系将各物理量不同单位制的数值换算成同一种单位制的数值，然后再进不同单位制的数值换算成同一种单位制的数值，然后再进行计算，就能避免差错行计算，就能避免差错。 （2）经验方程的换算：若已知物理量的单位与经验方程中经验方程的换算：若已知物理量的单位与经验方程中规定的单位不相符，则

7、要换算成经验方程中规定的单位后规定的单位不相符，则要换算成经验方程中规定的单位后才能进行运算才能进行运算.2033. 17601cmkgfmmHgatm五、单元操作中常用的基本概念五、单元操作中常用的基本概念 1 物料衡算物料衡算 Material Balances 物料衡算是质量守恒定律在流动系统中的应用，即物料衡算是质量守恒定律在流动系统中的应用，即 AGGG01 （间歇过程，连续过程均可用）（间歇过程，连续过程均可用）1G输入物料的总和输入物料的总和； 0G输出物料的总和；输出物料的总和；AG 积累的物料量。积累的物料量。 无积累无积累 01GG进行物料衡算的进行物料衡算的注意事项注意事

8、项（1）确定衡算范围确定衡算范围（或称系统）。（或称系统）。（2）确定衡算对象确定衡算对象。对有化学变化的过程，衡算对象可找未。对有化学变化的过程，衡算对象可找未发生变化的物质为惰性物质等。发生变化的物质为惰性物质等。（3）确定衡算基准确定衡算基准。对于间歇过程，常以一次（一批）操作。对于间歇过程，常以一次（一批）操作为基准，对于连续过程，则以单位时间为基准。为基准，对于连续过程，则以单位时间为基准。 2. 能量衡算能量衡算 Energy Balances 能量衡算是能量守恒定律在流动系统中的应用，即能量衡算是能量守恒定律在流动系统中的应用，即LQQQ01 伴随各股输入物料进入系统的热（焓）流

9、量，伴随各股输入物料进入系统的热（焓）流量，kW 1Q0Q伴随各股输出物料离开系统的热（焓）流量，伴随各股输出物料离开系统的热（焓）流量，kWLQ系统向环境散失的热流量，或称系统向环境散失的热流量，或称“热损失热损失”，kW 注意：1）当）当QL=0时，则过程为时，则过程为稳定稳定（定态）过程。（定态）过程。 2）衡算基准：连续过程，单位时间）衡算基准：连续过程，单位时间 间歇过程，一个循环（批次）。间歇过程，一个循环（批次）。LQQQ01 3. 3.物系的平衡关系物系的平衡关系 系统的平衡关系可用于判断一个过程在一定条件下能系统的平衡关系可用于判断一个过程在一定条件下能否进行、进行的方向及进

10、行的极限。否进行、进行的方向及进行的极限。 4.4.过程的速率过程的速率 传递速率传递速率 = = 推动力推动力/ /阻力阻力 六、六、教学计划教学计划Teaching Plan1.课堂讲授：围绕教学大纲进行讲授，以教材为蓝本。课堂讲授：围绕教学大纲进行讲授，以教材为蓝本。2.习题课：讲完课后安排一次习题课，作业中的普遍性问题在习题课：讲完课后安排一次习题课，作业中的普遍性问题在作业发回时解答。作业发回时解答。3.实验教学：实验教学：通过验证性实验来帮助学生理解所学理论通过验证性实验来帮助学生理解所学理论。（单。（单独设课）独设课）4. 辅导答疑辅导答疑 (1) 课间及课后；（课间及课后；（2

11、）考前两天）考前两天 教学计划教学计划 5 作业作业 (1) 两周交一次，不用抄题，但要写清题号。两周交一次，不用抄题，但要写清题号。 (2) 计算题求解步骤和要求（也适用于考试）计算题求解步骤和要求（也适用于考试） a. 要写出已知条件和求解参数要写出已知条件和求解参数 b. 一般要画出简图一般要画出简图 c. 已知数据要代入公式已知数据要代入公式 d. 计算结果一般要保留计算结果一般要保留2位小数位小数 教学计划教学计划 6 考核考核Check (1) 平时（考勤作业）平时（考勤作业）20 （2） 实验实验 20% （3） 期末考试期末考试 60% 七、参考书目七、参考书目1、谭天恩等编著

12、：化工原理（第二版），化学工业出版社，、谭天恩等编著：化工原理（第二版），化学工业出版社，1990。2、陈敏恒等编：化工原理（第二版），化学工业出版社，、陈敏恒等编：化工原理（第二版），化学工业出版社，1999。3、涂伟萍等编：化工设备及过程设计，化学工业出版社，、涂伟萍等编：化工设备及过程设计，化学工业出版社，2000。4、匡国柱等编；化工原理学习指导，大连理工大学出版社，、匡国柱等编；化工原理学习指导，大连理工大学出版社，2002。5、王志魁编：化工原理（第二版），化学工业出版社，、王志魁编：化工原理（第二版），化学工业出版社，19986、 姚玉英等编：化工原理例题与习题（第二版），化学工

13、业姚玉英等编：化工原理例题与习题（第二版），化学工业出版社，出版社，19837、贾绍义，柴诚敬主编：化工原理课程设计（化工传递与单、贾绍义，柴诚敬主编：化工原理课程设计（化工传递与单元操作课程设计），天津大学出版社，元操作课程设计），天津大学出版社，20028、McCabe W.L., Smith J.C., Harriott P., Unit Operation of Chemical Engineering, 5th Edition, New York, Mcgraw-Hill Inc.,1993.9、Stanley I. Sandler. Chemical Engineering and

14、 Thermodynamics, Wiley, c1989.第一章第一章. 流体流动流体流动 1.1 概述概述1.2 1.2 流体静力学基本方程流体静力学基本方程1.3 1.3 管内流体流动的基本方程式管内流体流动的基本方程式1.4 1.4 管内流体流动现象管内流体流动现象1.5 1.5 管路计算管路计算1.6 1.6 流量的测量流量的测量 习题习题 1.1.1 1.1.1 概述概述 一连续介质模型一连续介质模型 二流体的性质二流体的性质 1.流体的密度与比体积流体的密度与比体积 2.流体的压力流体的压力 1.1.2 1.1.2 流体静力学方程流体静力学方程 1.1.3 1.1.3 流体静力学

15、基本方程的应用流体静力学基本方程的应用 （一）压力测量（一）压力测量 （二）液面测定（二）液面测定 （三）确定液封高度（三）确定液封高度 1.1.4 1.1.4 例题分析例题分析 幻灯片1目录1.1.1 概概 述述重要性： 1)流体输送管路在化工生产中起着重要的作用，可看成与人体里的血管相当。 2)化工生产中的传热、传质过程以及化学过程大部分是在流体流动下进行的。 3)流体流量的测量也与流体流动有关。 因此，流体流动的基本原理是本门课程及化学反应流体流动的基本原理是本门课程及化学反应工程的重要基础。工程的重要基础。 氨水槽流量计调节阀脱硫塔半水煤气罗茨鼓风机QOHHSNHOHNHSH2442脱

16、去半水煤气中的H2S） 由上图可知，主要任务主要任务有二：选：选：（合适的（合适的流速流速、合适的、合适的管径管径、阀门、阀门、测量测量仪表、泵、风机）。仪表、泵、风机）。研研：（研究流体的性质，流动形态即条件，流体的有关规律。）：（研究流体的性质，流动形态即条件，流体的有关规律。） 1.1.连续介质模型连续介质模型 1).1).连续介质假定连续介质假定：流体看成由无数质点组成的且：流体看成由无数质点组成的且完全占满空间的连续介质，质点间没有空隙。完全占满空间的连续介质，质点间没有空隙。（如果把流体看成是由分子组成的间断介质，从分子的运动入手来研究如果把流体看成是由分子组成的间断介质，从分子的

17、运动入手来研究流体运动的规律，不仅是十分困难的，也是没有实际意义的。流体运动的规律，不仅是十分困难的，也是没有实际意义的。） 1）流体）流体：液体与气体的统称。：液体与气体的统称。2）理想流体）理想流体：理想液体与理想气体的统称，即粘度为：理想液体与理想气体的统称，即粘度为零的流体。零的流体。3）不可压缩流体：）不可压缩流体：流体的体积不随温度及压力变化。流体的体积不随温度及压力变化。4）可压缩流体）可压缩流体：流体的体积随温度及压力变化。：流体的体积随温度及压力变化。5）实际流体）实际流体：粘度不为零的流体。：粘度不为零的流体。2. 理想流体与实际流体理想流体与实际流体1.2.1 流体的物理

18、性质流体的物理性质1. 定义定义：单位体积流体所具有的质量称为流体的密度，：单位体积流体所具有的质量称为流体的密度， 2. 性质性质 （1）对一定的流体 =f (T, P) （2）对一定的液体一定的液体 （不可压缩流体不可压缩流体） =f (T) （一）（一）. 密度密度 Density 气体的密度随温度和压力的变化较大气体的密度随温度和压力的变化较大 （3）对低压气体对低压气体 p压力（绝对压力），压力（绝对压力），Pa； M摩尔质量，摩尔质量，kg/mol； T绝对温度，绝对温度，K (Kelvin) R气体常数，气体常数，8.3145kJ/(kmol K)。 RTpMVm 当当n =1摩

19、尔摩尔标准状态下标准状态下( ( 0, 1atm下任何气体千摩尔体积为下任何气体千摩尔体积为22.4) RTpMVmTTppTpMpTTTppVMTTVppM000000000004 .22.3mkg （3）对低压气体对低压气体 甲： 式中式中 气体混合物中各组分气体的体积分率。气体混合物中各组分气体的体积分率。 乙： 式中：式中： 气体混合物的平均密度气体混合物的平均密度; 气体混合物的平均摩尔质量气体混合物的平均摩尔质量 yA、yB、yn气体各组分的摩尔分率（也即等于体积分率、分压分率）气体各组分的摩尔分率（也即等于体积分率、分压分率）。 nnBBAAmnBA.RTpMmmviimxiim

20、yMMmmM（4）对低压混合气体或混合理想气体对低压混合气体或混合理想气体 理想混合液体理想混合液体，(1kg)混合液体的体积等于各组分单独存混合液体的体积等于各组分单独存在时的体积在时的体积 之和，即之和，即 nnBBAAm1 i混合液体中各组分的密度，kg/m3； i混合液体中各组分的质量分率； m 液体混合物的平均密度，kg/m3； （5）对理想混合液体）对理想混合液体 （二）（二）. 比容比容 定义：单位质量流体的体积。即 式中： 流体的比容，m3/kg 说明：流体的比容是密度的倒数。说明：流体的比容是密度的倒数。 1mV（三）（三）. .粘度粘度（1 1）定义：流体具有粘性，表征流体

21、粘性的物理性质称为粘定义：流体具有粘性，表征流体粘性的物理性质称为粘滞系数，简称粘度，用符号滞系数，简称粘度，用符号表示。表示。（2 2） 国际单位制：国际单位制：Pas（3 3）粘度的物理意义粘度的物理意义 粘度是促使流体流动产生单位速度梯度的内摩擦力。粘度是促使流体流动产生单位速度梯度的内摩擦力。 所以，粘度越大，流体流动时产生的内摩擦力也越大。所以，粘度越大，流体流动时产生的内摩擦力也越大。（4 4）粘度）粘度又称为又称为动力粘度动力粘度。 物理制单位物理制单位（cP）（5 5）运动粘度运动粘度（ ）： ，SI单位单位 m2/s 物理制单位物理制单位cm2/s，其百分之一为厘沲，其百分之

22、一为厘沲.31Pa s1000cP1cP10 Pa s1mPa s 或 （四）、压强（压力）（四）、压强（压力） 1. 定义：流体垂直作用于单位面积上的压力，称为流定义：流体垂直作用于单位面积上的压力，称为流体的静压强，简称压强，习惯上称为流体的压力。体的静压强，简称压强，习惯上称为流体的压力。其表达式为：其表达式为： 式中：式中：p 流体的静压强，流体的静压强，Pa； P垂直作用于流体表面上的压力，垂直作用于流体表面上的压力，N； A作用面的面积，作用面的面积，m2。 APp问题1、尖尖的针为什么容易刺进物体？、尖尖的针为什么容易刺进物体？2、高山上煮饭为什么煮不熟？、高山上煮饭为什么煮不熟

23、？3、茶壶上为什么要开小孔？、茶壶上为什么要开小孔？流体压力具有以下两个流体压力具有以下两个重要特性重要特性： （1）静止流体内任何一点的压力，必垂直于作用面，并指向所）静止流体内任何一点的压力，必垂直于作用面，并指向所考虑的流体的内部。考虑的流体的内部。 （2）流体中任一点压力的大小与所选定的作用面在空间的方位）流体中任一点压力的大小与所选定的作用面在空间的方位无关。无关。 2. 压力的单位压力的单位 换算关系为： 1标准大气压(atm) =101325Pa = 1.01325bar =1.0332kgf/cm2(at) = 10.332mH2O = 760mmHg 1bar =105Pa3

24、. 压力的基准压力的基准 （1）绝对压力和绝对压力和表压表压：绝对压力以：绝对压力以零压力零压力（绝对真空）（绝对真空）为基准为基准，表压则以表压则以当地当地 大气压大气压为基准为基准 测定压力测定压力 当地大气压（表压为零）当地大气压（表压为零） 零压力、绝对真空（绝对压力为零零压力、绝对真空（绝对压力为零 ） 所以 表压表压 = 绝对压力绝对压力-大气压大气压 绝绝对对压压力力表压表压大大气气压压（2）真空度真空度 vacuum：真空度也以当地大气压为基准，但真空度与表压的计算方向相反，即低于大气压的数值称为真空度 当地大气压（真空度为零）（表压为零） 测定压力 零压力、绝对真空（绝对压力

25、为零） 所以 真空度真空度 = 大气压大气压-绝对压力绝对压力 (真空度真空度 = 负的表压负的表压) 大大气气压压真真空空度度绝绝对对压压力力例题例题1. 某离心泵进口真空表读数为某离心泵进口真空表读数为88kPa，出口压力表，出口压力表读数为读数为220kPa，试求离心泵进出口间压差。，试求离心泵进出口间压差。说明：说明：求取压差时，相减的两压强基准必须统一，同为绝对压求取压差时，相减的两压强基准必须统一，同为绝对压力或表压。力或表压。2. 某精馏塔顶操作压强须维持在某精馏塔顶操作压强须维持在5.3kPa，若当地气压计的读，若当地气压计的读数为数为100.6kPa ，塔顶真空表读数应为，塔

26、顶真空表读数应为_kPa 。答案：答案：95.3 1.2.3 流体静力学基本方程流体静力学基本方程 流体静力学：流体在流体静力学：流体在静止静止时，它在重力和压力的作用下的平时，它在重力和压力的作用下的平衡规律。衡规律。012Gpp)(2112zzgpp 1、由（、由（2）知，当容器液面上方的压力）知，当容器液面上方的压力pa改变时，改变时，液体内部各点的压力也发生同样大小的改变。液体内部各点的压力也发生同样大小的改变。 讨论：讨论：) 1).(2112zzgpp)2.(2ghppa2、由（、由（2）知在静止液体内任意点处压力的大小与）知在静止液体内任意点处压力的大小与液体本身的密度和该点距离

27、液面的深度有关。因此，液体本身的密度和该点距离液面的深度有关。因此，在静止的、连续的同一液体内，处于同一水平面上在静止的、连续的同一液体内，处于同一水平面上的各点，因其深度相同，其压力也相等。的各点，因其深度相同，其压力也相等。此压力相此压力相等的水平面称为等的水平面称为等压面等压面。)2.(2ghppa讨论：讨论：)2.(2ghppa3、式（、式（2）可以改写为）可以改写为hgppa2由上式可知，压力或压力差的大小可以用液柱高度表示。由上式可知，压力或压力差的大小可以用液柱高度表示。4、对于（、对于（3）式：）式： a、（、（3）式中各项的单位均为米（）式中各项的单位均为米（m)。 第一项第

28、一项 z 为流体距离基准面的高度，称为为流体距离基准面的高度，称为位压头位压头。该流。该流体所具有的位能为体所具有的位能为mgz。 第二项（第二项（p/g）称为称为静压头静压头。 b、静止液体中任一点位压头与静压头之和为一常数。、静止液体中任一点位压头与静压头之和为一常数。讨论：讨论：)3.(.2211gpzgpz5、因为化工容器有限，所以气体在化工容器中压强、温、因为化工容器有限，所以气体在化工容器中压强、温度、高度变化对密度影响一般可以忽略。式（度、高度变化对密度影响一般可以忽略。式（1）、（）、（2）（3）虽以液体为例推导出来，它也适用于气体，故该）虽以液体为例推导出来，它也适用于气体，

29、故该三式统称为流体静力学基本方程式，三式统称为流体静力学基本方程式，其适用范围是连续其适用范围是连续静止的同种流体。静止的同种流体。讨论：讨论：)3.(.) 1).(22112112gpzgpzzzgpp)2.(2ghppa例题例题-1n本题附图所示的开口容器内盛有油和本题附图所示的开口容器内盛有油和水。油层高度水。油层高度h1=0.7m、密度、密度1=800kg/m3，水层高度，水层高度h2=0.6m、密、密度度2=1000kg/m3。n（1）判断下列两关系是否成立，即）判断下列两关系是否成立，即 pA=pA pB=pBn（2）计算水在玻璃管内的高度）计算水在玻璃管内的高度h。解：（解：（1

30、）pA=pA的关系成立。的关系成立。 pB=pB的关系不能成立。因的关系不能成立。因B及及B两点不两点不是连通着的同一种流体，即截面是连通着的同一种流体，即截面B-B不不是等压面。是等压面。（2）计算玻璃管内水的高度）计算玻璃管内水的高度h 由上面讨论由上面讨论知，知，pA=pA，可以用流体静力学基本方程可以用流体静力学基本方程式计算，即式计算，即 pA=pa+1gh1+2gh2 pA=pa+2gh 于是于是 pa+1gh1+2gh2=pa+2gh 解得解得 h=1.16m1.1.3 流体静力学基本方程的应用流体静力学基本方程的应用 1. 压力测量压力测量 （1）. 指示液指示液 (a) 要求

31、：不互溶、不反应、密度大于被测流体的密度。 (b) 常用指示液：汞、水、四氯化碳、液体石蜡。 （2）. U形管压差计形管压差计 RH2p1pabu4 .1.Fig01.1.3 流体静力学基本方程的应用流体静力学基本方程的应用 （2）. U形管压差计形管压差计 RH2p1pabu4 .1.Fig0 0 倒倒U管压差计管压差计 因为倒置因为倒置U管，所以其指管，所以其指示液应为水。设空气和水的示液应为水。设空气和水的密度分别为密度分别为 与与0 ，根据流，根据流体静力学基本原理，截面体静力学基本原理，截面a-a为等压面，则为等压面，则 pa=pap1 - p2 0 gR倾斜式压差计倾斜式压差计 p

32、1 R p2 R 0 倾倾斜斜式式压压差差计计sinRR p1 p2 z1 1 z1 R 2读数放大读数放大 gRpp1221 （3）微差压差计：）微差压差计：应该使用两种密度接近的指示液。应该使用两种密度接近的指示液。注意：注意：上式的（上式的（21）是两种指示液的密度差，不是指示液）是两种指示液的密度差，不是指示液与被测流体的密度差。与被测流体的密度差。例题例题-2n如本题附图所示，蒸汽锅炉上如本题附图所示，蒸汽锅炉上装置一复式装置一复式U形水银测压计，截形水银测压计，截面面2、4间充满水。已知对某基间充满水。已知对某基准面而言各点的标高为准面而言各点的标高为z0=2.1m， z2=0.9

33、m， z4=2.0m，z6=0.7m， z7=2.5m。试求锅炉内水面上。试求锅炉内水面上的蒸汽压强。的蒸汽压强。解：按静力学原理，解：按静力学原理， p1=p2，p3=p4，p5=p6 对水平面对水平面1-2而言，而言，p2=p1，即，即 p2=pa+0 g（z0z1） 对水平面对水平面3-4而言，而言， p3=p4= p2g（z4z2） 对水平面对水平面5-6有有 p6=p4+0g（z4z5） 锅炉蒸汽压强锅炉蒸汽压强 p=p6g（z7z6） 则蒸汽的表压为则蒸汽的表压为 ppa= 305 kPa例例4 容器中的水静止不动。为了测量容器中的水静止不动。为了测量A、B两水平面的压差，安装两水

34、平面的压差，安装一一U形管压差计。图示这种测量方法是否可行？为什么？形管压差计。图示这种测量方法是否可行？为什么？ /AB11汞hHR水图1-2 1-2 附图11pp 0)(2gROHHg02OHHg0RR等于零，即压差计无读数，所以图示这种测量方法不可行等于零，即压差计无读数，所以图示这种测量方法不可行。 分析：为什么压差计的读数为零？为什么压差计的读数为零？ A、B两个截面间确有压差存在，即两个截面间确有压差存在，即h高的水柱高的水柱所引起的压力（压强）。问题出在这种测量方法上，所引起的压力（压强）。问题出在这种测量方法上，是由于导管内充满了被测流体的缘故。连接是由于导管内充满了被测流体的

35、缘故。连接A平面平面测压口的导管中的水在下行过程中，位能不断地转测压口的导管中的水在下行过程中，位能不断地转化为静压能。化为静压能。AB11汞hHR水幻灯片2目录第三节第三节 管内流体流动的基本方程管内流体流动的基本方程 1.3.1 流体流动的基本概念流体流动的基本概念 1. 流量流量 2. 流速流速 1.3.2 流体流动的质量衡算流体流动的质量衡算 1. 稳定流动与不稳定流动稳定流动与不稳定流动 2. 连续性方程连续性方程 1.3.3 流体流动的能量衡算流体流动的能量衡算 1. 伯努力方程式伯努力方程式 2. 伯努力方程的应用伯努力方程的应用 1.3.1 流体流动的基本概念流体流动的基本概念

36、一一. 流量流量1 体积流量：单位时间内流体流经管道任一截面的体积，记体积流量：单位时间内流体流经管道任一截面的体积，记为为Vs，单位为，单位为m3/s。2. 质量流量：单位时间内流体流经管道任一截面的质量，记质量流量：单位时间内流体流经管道任一截面的质量，记为为s，单位为，单位为kg/s。 式中：式中：流体的密度流体的密度, , kg/m3 ssV注意：注意：1. 流量是一种流量是一种瞬时的特性瞬时的特性，不是某断时间内累计，不是某断时间内累计流过的量。它可以因时而异。当不可压缩流体作流过的量。它可以因时而异。当不可压缩流体作定态流动时，流量不随时间而变。定态流动时，流量不随时间而变。2.

37、流量是流量是“单位时间内流过管道任一截面的流体单位时间内流过管道任一截面的流体量量”。 二、流速二、流速 1平均流速平均流速：单位时间内流体流经管道单位截：单位时间内流体流经管道单位截面积的体积面积的体积，u , m/sAVusAuVss 2质量流速质量流速：单位时间内流体流经管道单位截：单位时间内流体流经管道单位截面积的质量，面积的质量，G ，kg/(m2.s) uAAuAGs AVus(1)、流体流经管道任一截面上各点的流速沿管截面变化，、流体流经管道任一截面上各点的流速沿管截面变化，即在管截面的中心处最大，越靠近管壁流速越小，管壁处即在管截面的中心处最大，越靠近管壁流速越小，管壁处为零。

38、在工程计算上为方便起见，流体的流速通常指整个为零。在工程计算上为方便起见，流体的流速通常指整个管截面上的平均速度。管截面上的平均速度。(2)、由于气体的体积流量、由于气体的体积流量 ，故采用，故采用质量流质量流速速。 ).(pTfVs说明：说明：例题例题判断：判断：质量流量一定的气体在管内流动时，其密度和流速可能质量流量一定的气体在管内流动时，其密度和流速可能随温度变化，但质量流速不变。（随温度变化，但质量流速不变。（ ） 答案：答案： 分析：假如沿管长气体温度升高，则其密度变小，流速增大。分析：假如沿管长气体温度升高，则其密度变小，流速增大。但由于密度减小的幅度与流速增大的幅度相同，所以密度

39、和但由于密度减小的幅度与流速增大的幅度相同，所以密度和流速的乘积即质量流速不变。这使我们在计算变温气体的雷流速的乘积即质量流速不变。这使我们在计算变温气体的雷诺数的时可用质量流速代替流速和密度，即诺数的时可用质量流速代替流速和密度，即 dGduRe例题例题 有密度为有密度为1800kg/m3的液体，在内径为的液体，在内径为60mm的管中输送到某处。若其流速为的管中输送到某处。若其流速为0.8m/s，试求该液，试求该液体的体积流量（体的体积流量（m3/h)、质量流量（、质量流量（kg/s）与质量流）与质量流速速kg/(m2s)。 1.1.公称直径公称直径 ( (或公称通径：为了设计、制造、安装和

40、或公称通径：为了设计、制造、安装和修理的方便人为的规定的一种标准直径。一般情况修理的方便人为的规定的一种标准直径。一般情况下，公称直径的数值既不是内径也不是外径，而是下，公称直径的数值既不是内径也不是外径，而是与之相近的整数。与之相近的整数。 2.2.一般钢管的规格：外径一般钢管的规格：外径壁厚，如壁厚，如 894，其中：，其中：代表圆管，外径代表圆管，外径89mm89mm，壁厚，壁厚4mm4mm。三、管子的规格三、管子的规格四四. 管径的计算管径的计算 d管内径，管内径，m；按上述公式求出按上述公式求出d，然后从有关手册上选择标准管径，然后从有关手册上选择标准管径de .n说明说明：依据流体

41、性质及具体情况，参照常用的流速范围，确：依据流体性质及具体情况，参照常用的流速范围，确定流速再计算管径。计算出管径后，还须从有关手册或教材定流速再计算管径。计算出管径后，还须从有关手册或教材附录中选用标准管径。附录中选用标准管径。 22785. 04dVdVuSsuVdS785. 0例题例题：某厂要求安装一根输水量为：某厂要求安装一根输水量为30m3/h的管路，试选择的管路，试选择合适的管径。合适的管径。uVdS785. 0解：解： 已知：已知： Vs 30m3/h 参考参考表表1-1，选取水的，选取水的流速流速u=1.8m/s uVds785. 0mm77m077. 08 . 1785. 0

42、360030d 查查附录附录16中管子规格，确定选用中管子规格，确定选用894（外径（外径89mm，壁厚壁厚4mm）的管子，其内径为：）的管子，其内径为： d = 89-(42）=81mm=0.081m 因此，因此，水在输送管内的实际流速水在输送管内的实际流速为：为： m/s621081078503600302.u1.3.2 流体流动的质量衡算流体流动的质量衡算1）. 定态流动：流动流体中任何一点的全部物理量都不随时间定态流动：流动流体中任何一点的全部物理量都不随时间而变。而变。2）非定态流动：流动流体中任何一点的部分或全部物理量）非定态流动：流动流体中任何一点的部分或全部物理量都随时间而变。

43、都随时间而变。 1. 定态流动与非定态流动定态流动与非定态流动思考思考：在定态流动中，各截面上流体的流速、压强、：在定态流动中，各截面上流体的流速、压强、密度等有关物理量不随时间和位置而变。（密度等有关物理量不随时间和位置而变。（ ） 答案：答案： 分析：这是对定态流动的误解。定态流动要求就某一分析：这是对定态流动的误解。定态流动要求就某一位置讲，与流动有关的物理量不随时间改变，但各位置讲，与流动有关的物理量不随时间改变，但各物理量可因位置不同而异。物理量可因位置不同而异。 设流体在如图所示的管道中作连续稳定的流动，流体从设流体在如图所示的管道中作连续稳定的流动，流体从截面截面1-1流进、从截

44、面流进、从截面2-2流出，在两截面之间的管内壁面流出，在两截面之间的管内壁面上无流体进出。上无流体进出。 1 12 22. 物料衡算物料衡算连续性方程连续性方程21ss222111uAuA常数Au连续性方程式连续性方程式 1 12 2说明：说明：不可压缩流体不可压缩流体常数Au对于圆形管路对于圆形管路22212144udud21221)(dduu常数Au 说明：说明：1）不可压缩流体在管道中的流速与管道内径的平方成反比。）不可压缩流体在管道中的流速与管道内径的平方成反比。2）当流体在均匀直管内作）当流体在均匀直管内作定态流动定态流动时，时，平均流速平均流速沿流程沿流程不不变变，与管路安排以及管

45、件阀门和输送设备无关，并不因内，与管路安排以及管件阀门和输送设备无关，并不因内摩擦而减速。摩擦而减速。21221)(dduun例题：例题：在稳定流动系统中，水连续从粗管流入细管。在稳定流动系统中，水连续从粗管流入细管。粗管内径粗管内径d1=10cm，细管内径，细管内径d2=5cm，当流量为，当流量为4103m3/s时，求粗管内和细管内水的流速？时，求粗管内和细管内水的流速？ 解： 根据不可压缩流体的连续性方程根据不可压缩流体的连续性方程 u1A1=u2A2 u2=4u1=40.51=2.04m/sm/s51. 01 . 041042311AVus倍4510222112dduu1.3 流体流动的

46、能量衡算伯努利方程流体流动的能量衡算伯努利方程 (Bernoulli Equation) Q 2流体出流体出 换热器换热器 2 z2 流体入流体入 1 泵泵 z1 1 Ws 定态流动系统，流体从截面定态流动系统，流体从截面11流入，从截面流入，从截面22流出。流出。衡算范围：内壁面、衡算范围：内壁面、 11与与22截面间截面间衡算基准：衡算基准：1 kg 流体流体0 00 0运动着的流体涉及的能量形式有：运动着的流体涉及的能量形式有： （1）内能：内能：物体内部能量的总和物体内部能量的总和 （2）位能位能（Potential energy ） （3）动能动能（Kinetic energy） Q

47、 2流体出流体出 换热器换热器 2 z2 流体入流体入 1 泵泵 z1 1 Ws （4）静压能静压能（压强能（压强能 ）：流动着的流体内部任何位置流动着的流体内部任何位置都有一定的压力通常称为静压。如果在内部有液体流动的管都有一定的压力通常称为静压。如果在内部有液体流动的管壁上开孔，并与一根垂直的玻璃管相接，液体便会在玻璃管壁上开孔，并与一根垂直的玻璃管相接，液体便会在玻璃管内上升一定高度，这一高度的液柱相对流动的液体来说是静内上升一定高度，这一高度的液柱相对流动的液体来说是静止状态。止状态。 静压能静压能pVpV 式中：式中：V流体的体积，流体的体积，m3 /3mkg流体的密度， （4）静压

48、能静压能 静压能静压能pVpV 对于对于1 kg 流体，流体， 式中：式中：V流体的体积，流体的体积，m3 流体的密度，流体的密度， kg/m3pmpV静压能总机械能位能静压能动能总机械能位能静压能动能进、出该系统的能量还有：进、出该系统的能量还有：(1)(1) 热热：换热器向流体供应的或从体系取出的能量，：换热器向流体供应的或从体系取出的能量， Q， J J (2) (2) 外功外功（净功（净功 ）：流体通过泵（或其他输送设备所获得的能量）, We, J Q 2流体出流体出 换热器换热器 2 z2 流体入流体入 1 泵泵 z1 1 Ws 对实际流体：黏度不为对实际流体：黏度不为0fehpug

49、zWpugz2222121122总机械能 Et机械能衡算方机械能衡算方程（柏努利方程（柏努利方程）程）外加压头静压头动压头位头压头损失feHgpguzHgpguz2222121122或写成每一项单位均为 m “压头压头”的物理意义的物理意义单位重量的流体所具有的机械能，可以把它自身从基单位重量的流体所具有的机械能，可以把它自身从基准水平面升举的高度准水平面升举的高度, ,故可以用故可以用米米来表示。来表示。 对于理想流体：不可压缩，粘度为对于理想流体：不可压缩，粘度为0 0，无外，无外功加入功加入以单位质量以单位质量流体为基准流体为基准2222121122pugzpugzgpguzgpguz2

50、222121122以单位重量流体为基准以单位重量流体为基准理想理想流体流体伯努伯努力方力方程式程式总压头总压头fehpugzWpugz2222121122(2)对静止流体fhEtEt21机械能衡算方程（柏努利方程）讨论：机械能衡算方程（柏努利方程）讨论：（1）适用条件：不可压缩、连续、均质流体、等温流动不可压缩、连续、均质流体、等温流动 2211pgzpgz -静力学方程 Q 2 换换热热器器 2 z2 1 泵泵 z1 1 Ws 应用柏努利方程的应用柏努利方程的注意事项注意事项fehpugzWpugz22221211221 1选取截面，实际是确定衡算范围。应考虑：选取截面，实际是确定衡算范围。

51、应考虑：与流体的流动方向与流体的流动方向相垂直相垂直；两截面间流体应是；两截面间流体应是定态连续流动定态连续流动；宜选在；宜选在已知量最多已知量最多、计算方便处。计算方便处。 某截面上的位能和静压能应是该截面上任何一点的数值，而某截面上的位能和静压能应是该截面上任何一点的数值，而某截面上的动能中的流速是该截面上的平均流速。某截面上的动能中的流速是该截面上的平均流速。2 2基准水平面的选取基准水平面的选取 位能位能基准面必须与地面平行基准面必须与地面平行。选选较低的截较低的截面面作为基准面作为基准面可以简化计算可以简化计算, ,此时这个截面的位能为零。若截面非此时这个截面的位能为零。若截面非水平

52、面，而是垂直于地面，则基准面应选水平面，而是垂直于地面，则基准面应选管中心线的水平面管中心线的水平面。3 3注意各物理量的单位一致。压力可以是绝对压力或表压真空注意各物理量的单位一致。压力可以是绝对压力或表压真空度，但不能混用。如有通大气的截面，以表压为单位时，该度，但不能混用。如有通大气的截面，以表压为单位时，该截面表压为零。截面表压为零。4. 4. 对于气体，如果两截面间的压力差很小，对于气体，如果两截面间的压力差很小， p1p20.2 p1，密度变化也很小，则柏努利方程仍适用，但流密度变化也很小，则柏努利方程仍适用，但流体密度应取两截面处流体密度的平均值。当管道两截面间的体密度应取两截面

53、处流体密度的平均值。当管道两截面间的压力差较大时，则应考虑流体压缩性的影响。压力差较大时，则应考虑流体压缩性的影响。5 5 、大口截面的流速为零。、大口截面的流速为零。柏努利方程应用举例柏努利方程应用举例 例1-1.用虹吸管从高位槽向反应器加料，高位槽和反应器均与用虹吸管从高位槽向反应器加料，高位槽和反应器均与大气连通，要求料液在管内以大气连通，要求料液在管内以1m/s的速度流动。设料液在管的速度流动。设料液在管内流动时的能量损失为内流动时的能量损失为20J/kg（不包括出口的能量损失），（不包括出口的能量损失），试求高位槽的液面应比虹吸管的出口高出多少？试求高位槽的液面应比虹吸管的出口高出多

54、少？ n取高位槽液面为取高位槽液面为1-1截面，虹吸管出口内侧截面为截面，虹吸管出口内侧截面为2-2截面，并以截面，并以2-2为基准面。列柏氏方程得：为基准面。列柏氏方程得： 1-1截面比截面比2-2截面面积大得多截面面积大得多，u1=0 ， fehPugzWPugz2222121122（表压），002121ppzhz0eW 取高位槽液面为取高位槽液面为1-1截面，虹吸管出口内侧截面为截面，虹吸管出口内侧截面为2-2截面，截面，并以并以2-2为基准面。列柏氏方程得：为基准面。列柏氏方程得： 1-1截面比截面比2-2截面面积大得多截面面积大得多， u1=0 ， 注意注意: 本题下游截面本题下游截

55、面2-2必定要选在管子出口内侧，这必定要选在管子出口内侧，这样才能与题给的不包括出口损失的总能量相适应。样才能与题给的不包括出口损失的总能量相适应。112201kgJhsmuf，202181. 9hmh09. 2例例1-2 水从蓄水箱，经过一水管流出，如附图所示。水从蓄水箱，经过一水管流出，如附图所示。假如，假如，z1 =12m，z2 = z3 = 6.5，水流经，水流经d2管段的阻力管段的阻力损失为损失为2m 水柱，水柱， d2=20mm；流经；流经d3管段的阻力损失管段的阻力损失为为1m水柱，水柱， d3=10mm。求：。求： （1）管嘴出口处的流）管嘴出口处的流速速u3；（；（2）接近管

56、口）接近管口2-2截面处的流速截面处的流速u2及压强及压强p2； 例例1-3 如图所示的常温下操作的水槽，下面的出水如图所示的常温下操作的水槽，下面的出水管直径为管直径为57mm3.5mm。当出水阀全关闭时，。当出水阀全关闭时，压力表读数为压力表读数为30.4kPa。而阀门开启后，压力表读。而阀门开启后，压力表读数降到数降到20.3kPa。设压力表之前管路中的压头损失。设压力表之前管路中的压头损失为为0.5m水柱，试求水的流量为多少水柱，试求水的流量为多少m3/h？（1）1-1与与3-3截面列柏努利方程式截面列柏努利方程式 312333211122fHgugpZgugpZ)(0, 0311表压

57、ppu) 12(25 . 61223gu13m.s781. 925 . 2u由由1-1与与2-2截面列柏努利方程式可得截面列柏努利方程式可得: 122222332m.s75. 120107)(dduu212222211122fHgugpZgugpZm34. 3281. 9275. 1)5 . 612(2)(22122212fHguZZgpPa3280081. 9100034. 32 p例例1-4 用泵将贮槽中密度为用泵将贮槽中密度为1200kg/m3的溶液的溶液送到蒸发器内，贮槽内液面维持恒定，其上方压强送到蒸发器内，贮槽内液面维持恒定，其上方压强为为101.33103Pa，蒸发器上部的蒸发室

58、内操作，蒸发器上部的蒸发室内操作压强为压强为26670Pa（真空度），蒸发器进料口高于（真空度），蒸发器进料口高于贮槽内液面贮槽内液面15m，进料量为，进料量为20m3/h，溶液流经全，溶液流经全部管路的能量损失为部管路的能量损失为120J/kg，求泵的有效功率。，求泵的有效功率。管路直径为管路直径为60mm。 流体输送机械功率的计算流体输送机械功率的计算解：取贮槽液面为解：取贮槽液面为1-1截面，管路出口内侧为截面，管路出口内侧为2-2截面，截面，并以并以1-1截面为基准水平面，在两截面间列柏努利方程。截面为基准水平面，在两截面间列柏努利方程。fehpugZWpugZ2222121122式中

59、式中 Z1=0 Z2=15m p1=0（表压）（表压） p2= -26670Pa（表压）（表压） u1=0m/s97. 106. 0785. 036002022u已知：hf =120J/kgJ/kg9 .246120026670120297. 181. 9152eW泵的有效功率泵的有效功率Ne为：为：eseWNkg/s67. 63600120020ssV Ne = 246.96.67 =1647W =1.65kW 设本题泵的效率为设本题泵的效率为0.65，则泵的轴功率为：，则泵的轴功率为： kW54. 265. 065. 1N例例1-5水在本题附图所示的虹吸管内作定态流动，水在本题附图所示的虹

60、吸管内作定态流动，管路直径没有变化，水流经管路的能量损失可以管路直径没有变化，水流经管路的能量损失可以忽略不计，试计算管内截面忽略不计，试计算管内截面2-2、3-3、4-4和和5-5处的压强。大气压强为处的压强。大气压强为1.0133105Pa。图中所。图中所标注的尺寸均以标注的尺寸均以mm计。计。 例1-3 附图n解：为计算管内各截面的压强，应首先计算管内水的流速。先解：为计算管内各截面的压强，应首先计算管内水的流速。先 在贮槽水面在贮槽水面1-1及管子出口内侧截面及管子出口内侧截面6-6间列柏努利方程式，间列柏努利方程式， 并以截面并以截面6-6为基准水平面。为基准水平面。 u2=u3=u