化工第二章 流体流动与输送

1、化工第二章 流体流动与输送第1页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二第二章 流体流动与输送2.1 流体静力学2.2 流体流动2.3 流体流动系统的质量衡算2.4 流体流动系统的能量衡算2.5 管内流动阻力2.6 流体流量的测量2.7 流体输送设备第2页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二3本章主要内容：1. 主要讨论流体处于相对静止和流动过程的基本原理和基本规律：流体静力学基本方程、连续性方程、机械能衡算方程、流动阻力及能量损失的计算；2. 流体在输送系统中压强的变化与测量；3. 输送管路设计与所需功率的计算；4. 流量测量；5. 输送设备的选型与操

2、作；第3页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二掌握：流体的密度、粘度和压强的定义、单位和换算流体静力学基本方程式、流量方程式、连续性方程式、柏努利方程式及其应用流体的流动类型及其判定，雷诺数及其计算流体在圆形直管内阻力及其计算了解：圆形直管内流体流动的速度分布，边界层的基本概念局部阻力的计算孔板流量计、转子流量计的基本结构、测量原理了解典型流体输送设备离心泵第4页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二2.1 流体静力学 基本名词流体的静力学属性及静力学方程流体静力学方程的应用第5页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二2022/9/

3、462.1 流体静力学2.1.1 基本名词1.流体是否仅指液体？承受任何微小切向应力都会发生连续变形的物质。流体 气体 液体流体质点与连续介质模型把流体视为由无数个流体微团（或流体质点）所组成，这些流体微团紧密接触，彼此没有间隙。这就是连续介质模型。第6页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二2022/9/47流体微团（或流体质点）：宏观上足够小，以致于可以将其看成一个几何上没有维度的点；同时微观上足够大，它里面包含着许许多多的分子，其行为已经表现出大量分子的统计学性质.第7页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二2022/9/48流体的特征1易流动性

4、流体受到外部切向力作用时，易于变形而产生流动。2可压缩性 流体在外部温度和压力作用下，流体分子间的距离会发生一定的改变，表现为流体密度大小的变化。工程上：流体 可压缩流体 不可压缩流体密度为常数气体液体第8页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二92.流体的静力学属性1) 流体的密度流体的密度：单位体积流体的质量，属于物性。影响因素：流体种类、浓度、温度、压力 获得方法：（1）查物性数据手册（2）公式计算：第9页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二2022/9/410液体混合物：(无体积效应)气体：-理想气体状态方程气体混合物：(wn：质量分数)(n：

5、体积分数)2) 相对密度相对密度为物质密度与4 C时纯水密度之比，用d表示，量纲为一。如：第10页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二113）流体的压强及其表示方法 流体的压强：流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的压强，简称压强。用p表示，工程上习惯称之为压力。（1）压强单位SI 制中， N/m2 = Pa，称为帕斯卡1 atm(标准大气压) = 1.013105 Pa = 760 mmHg = 10.33 mH2O = 1.033 kgf/cm2 = 1.013105 N/m2 = 1.013 bar1 at(工程大气压) = 735.6 mmHg= 10 mH2O

6、 = 1 kgf/cm2 = 9.807104 N/m2 = 0.9807 bar = 9.807104 Pa1 bar(巴) = 105 Pa1 torr(托) = 1 mmHg第11页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二12表压绝对压力 - 当地大气压真空度当地大气压 - 绝对压力（2）压强大小的两种表征方法绝对压强表压强第12页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二【例】：在兰州操作的苯乙烯真空蒸馏塔塔顶真空表读数为80kPa，在天津操作时，真空表读数应为多少？已知兰州地区的平均大气压85.3kPa，天津地区为101.33kPa。分析：维持操作的

7、正常进行，应保持相同的绝对压，根据兰州地区的压强条件，可求得操作时的绝对压。 解: 绝压=大气压 - 真空度 = 85300 80000 = 5300Pa真空度=大气压-绝压 =101330 - 5300 =96030Pa第13页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二142.1.2 流体静力学基本方程式流体受力质量力表面力如重力、离心力等，属于非接触性的力。法向力 (压力)切向力 (剪力)静止流体受力质量力法向力- 单位面积上的压力称为压强,习惯上称为静压力。- 重力场中单位质量流体所受质量力,即为重力加速度。反映了流体不受水平外力作用，只在重力作用下流体内部压力（压强）的

8、变化规律。第14页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二15流体静力学方程的推导如图所示，取一垂直流体柱，其底面积为A，在距底面高度为z的水平面上作用的压强为p，分析此水平面上厚度为dz的薄层流体所受的力为：(1) 向上作用于薄层底面的总压力pA；(2) 向下作用于薄层顶面的总压力(p+dp)A；(3) 薄层向下作用的重力gdzAdzp + dppAg第15页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二16流体静止时，作用于流体柱的力处于平衡状态，三力之和应等于零，即：简化得：pA - (p + dp)A - gAdz = 0 dp + gdz = 0 若为常

9、数，上式的不定积分：如取z1和z2为积分下、上限，而作用于z1和z2两个平面上的压强分别为p1、p2，则：流体静力学方程第16页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二17适用场合：绝对静止、连续、均质、不可压缩流体流体静力学基本方程式的讨论压强可以用液柱高度表示；静止流体内部任一点的压强仅为深度的函数同种流体，同一水平面上的压强相等；液面上方的压强能够以同样的大小传递到流体内部；静止流体内部任一点，位能与静压能之和为一常数。hp1p2 = p1+ghz1z2第17页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二2022/9/4180U形管压强计p1 - p2 =

10、 (0 - )gRp1 - p2= 0gR？2.1.3 流体静力学基本方程式的应用若 0第18页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二2022/9/419液位计p1 = p2 h1 = h2化工生产中为了了解容器里物料的储存量，需要使用液位计进行液位的测量。第19页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二2022/9/420液封p = pA + 水ghh = (p pA)/ 水g第20页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二2022/9/421例：如图所示，蒸气锅炉安装一复式U型水银测压计，截面2-4，6-7之间充水，其余为Hg，已知对

11、基准面而言，各点的标高为：z0 = 1.8 m, z2 = 0.9 m, z4 = 2.0 m, z6 = 0.7 m, z7 = 2.5 m, 试计算锅炉内水面上蒸气压强p（表压和绝对压强）第21页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二2022/9/422解：根据流体静力学方程，p1 = p2, p3 = p4, p5 = p6对于水平面1-2：p2 = p1 = pa + Hgg(z0 z1)对于水平面3-4：p4 = p3 = p2 - H2Og(z4 z2)对于水平面5-6：p6 = p5 = p4 + Hgg(z4 z6)锅炉上方蒸气压强p = p6 - H2Og

12、(z7 z6) = pa + Hgg(z0 z1) - H2Og(z4 z2) + Hgg(z4 z6) - H2Og(z7 z6) = 3.66 105 Pap pa = 2.65 105 Pa第22页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二2.2 流体流动 流体的流量和流速稳态流动与非稳态流动流体型态牛顿粘性定律边界层及边界层分离流体在管内的速度分布第23页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二2022/9/4242.2 流体流动2.2.1 流体的流量和流速 体积流量qVVtm3/s质量流量mqmtkg/sqm qV流量：单位时间内通过导管任一横截面积

13、的流体量qmwA流速：单位时间内流体在导管内流过的距离体积流速uqVA质量流速平均流速m/skg/(m2s) w uqm w A u A第24页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二2022/9/425管路直径的估算与选择流体种类及状况常用流速范围m/s流体种类及状况常用流速范围m/s水及一般液体13压力较高的气体1525黏度较大的液体0.518大气压以下饱和水蒸汽4060低压气体8153大气压以下饱和水蒸气2040易燃、易爆的低压气体（如乙炔等）0流体对外界0放热 0z: 位压头, mu2/2g: 动压头, mp/ g: 静压头, m总压头第50页，共151页，2022年

14、，5月20日，17点19分，星期二2022/9/4511) 理想流体流动过程的能量衡算理想流体：a. 流体在流动时无摩擦，无能量损失b. 不可压缩流体假设：T、U、不变Qe0、W0理想流体伯努利方程式：单位质量流体的机械能第51页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二522).实际流体流动过程的能量衡算假设：T、U、不变Qe0能量损失：hf (J/kg)由摩擦阻力引起能量补充：He (J/kg)由流体输送设备提供实际流体伯努利方程式：机械能衡算方程（柏努利方程）第52页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二53对实际流体的能量衡算：有效压头静压头动压头位

15、压头压头损失可写成： 第53页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二54机械能衡算方程（柏努利方程）讨论：(1) 适用条件：不可压缩（压强变化 80%有效功率：流体实际获得的功率，Pe，Js-1或WqV 泵的流量, m3s-1He 泵的扬程，m 输送液体的密度, kgm-3g 重力加速度, ms-2第114页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二115离心泵的特性曲线表征离心泵He、P、qV 间的关系，反映泵的性能，是分析和选用泵的重要依据He qV qV P qV qV /m3h-1P/W/%He /mHe qV 曲线流量qV 泵的压头He,即流量越大

16、，泵给单位重量流体提供的机械能越小。但是，这一规律对流量很小的情况可能不适用。 曲线具体形态与泵结构有关。P qV 曲线流量qV 轴功率P qV = 0时P = 0 ，所以大流量输送一定对应着大的配套电机，且离心泵应启动时应关闭出口阀，这样可以使电机的启动电流最小。 qV 曲线流量qV 效率 先后，qV = 0时 = 0 ，根据生产任务选泵时，应使泵在最高效率点附近工作。 第115页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二116例：用泵将地面贮槽中密度为1840 kgm-3的液体以1.5 kgs-1的流量送至贮罐中。地面贮槽内液面恒定，贮罐高出地面贮槽液面10 m，地面贮槽和

17、贮罐皆通大气。输送管道内径25 mm，流动过程的能量损失为52.0 Jkg-1，若泵的效率为50%，计算泵所需的轴功率。分析：轴功率P =？效率为 = 50%有效功率Pe =P即求：扬程He能量衡算：1-1，2-2截面间，且1-1面为基准面第116页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二117解：以1-1截面为基准面，在两截面间应用柏努利方程：已知：d = 25 mm =1840 kgm-3z1 = 0, z2 = 10 mp1 = p2 = 0 (均通大气)u1 = 0，u2 =？qm = 1.5 kgs-1gHf = 52.0 Jkg-1第117页，共151页，2022

18、年，5月20日，17点19分，星期二118有效功率：所以轴功率：效率为 = 50%P =Pe/ = 454.4 W第118页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二119例：用泵将温度为20 C的水，以qV =10.8 m3h-1的流量通过48 mm 3.5 mm的管道由低位贮槽送到高位贮槽，两槽均通大气。入口管不伸到高位槽液面内。管道的水平距离为150 m，垂直高度为10 m其中各种管件和阀门的当量长度为管径的260倍，管壁的绝对粗糙度为0.3 mm，若泵的效率为60%，问需要多大功率的离心泵？分析：轴功率P =？效率为 = 60%有效功率Pe =P即求：扬程He能量衡算：

19、1-1，2-2截面间，且1-1面为基准面第119页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二120解：以1-1截面为基准面，在两截面间应用柏努利方程：已知：d = 48 23.5 = 41 (mm) = 0.041 (m)qV = 10.8 m3h-1 = 3.010-3 m3s-1 =1000 kgm-3z1 = 0, z2 = 10 mp1 = p2 = 0 (均通大气)u1 = 0，u2 =？le = 260 d = 10.66 ml = 160 m = 0.3 mm 水= 10-3 Pas管路总阻力损失：第120页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期

20、二121判断流型：流动型态为湍流相对粗糙度：查表得： = 0.034以上数据代入式：得扬程：第121页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二122有效功率：所以轴功率：效率为 = 60%P =Pe/ = 2.3 kW第122页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二123例：某车间要将密度为 = 1200 kgm-3的溶液以qV =100 m3h-1的流量从贮槽送到高10 m（从贮槽的液面向上计算）的高位槽内，贮槽内的压强为0.1 MPa（绝对压强），高位槽内的压强为0.05 MPa（表压），导管的直径为159 mm4.5 mm，管路的长度为150 m（直

21、管长度加上局部阻力的当量长度）。假设管路的摩擦系数为 = 0.03，问能否选用扬程He = 17.1 m，送液能力为0.0306 m3s-1的离心泵？第123页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二124解：判断泵是否使用主要看其扬程和送液能力是否满足要求。所需送液流量：qV =100 m3h-1 = 0.0278 m3s-1 17.1 m此离心泵的扬程不符合要求，泵不适用。第126页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二127离心泵的安装高度如图：若增加泵的安装高度Hg，则叶轮中心处的压力p必然下降。当Hg增加，而p下降至被输送流体在操作温度下的饱和蒸

22、气压时，将在泵内产生：被输送流体在叶轮中心处发生气化，产生大量气泡； 气泡由中心向周边运动，由于压力增加而急剧凝结，产生局部真空，周围液体高速冲向真空区域；气泡冷凝发生在叶片表面时，众多液滴高频撞击叶片；加速叶片的腐蚀 。气蚀现象第127页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二128安装高度如图：取泵吸入贮槽水面为截面0-0，水流方向垂直面为截面1-1，并以0-0截面为基准面，进行能量衡算z0 = 0, z1 = Hg, pa :槽面大气压强，p1：泵入口压强u0 = 0， u1：入口流速第128页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二129设：Hs =

23、 (pa p1)/g得离心泵的安装高度Hg：而： z1 = Hg第129页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二130u12/(2g): 吸入管路上的流体动压头，u1 Hg，故离心泵的吸入管径常大于压出管径，以减小u1Hf：吸入管路的阻力损失，管路上尽量减少管件、阀门等可减小Hf ，增大安装高度Hg最大安装高度：开始发生气蚀时的安装高度， Hg,max = (pa p1)/(g) = Hs习惯用Hs = (pa p1)/(g)液柱高度：允许吸上真空高度；实验测定；产品说明书上常为98.1 kPa下输送20 清水时的结果开始发生气蚀时的(pa p1)：允许吸入压差；第130页

24、，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二131例：某工段领到一台离心泵，泵的铭牌上标着：流量qV =20 m3h-1，扬程He = 30.8 mH2O，转速n = 2900 rmin-1，允许吸上真空高度Hs = 7.2 m，泵的流量和扬程均符合要求，若已知管路的全部阻力为1.8 mH2O，当时当地大气压为736 mmHg，试计算： (1) 输送20水时泵的安装高度为多少？ (2) 输送90水时泵的安装高度又为多少？ 第131页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二2022/9/4132解：(1) 求输送20水时泵的安装高度已知：Hs = 7.2 m，Hf

25、 =1.8 mH2O ， u12/(2g)通常数值较小，忽略不计，当时当地大气压为736 mmHg 10 mH2O，与泵出厂时实验条件基本符合，故Hs不用换算即：Hg = 7.2 1.8 = 5.4 m 第132页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二133(2) 输送90水时的安装高度 此时由于水温高, 允许吸上真空高度会有很大变化, 应进行换算： 已知：大气压为736 mmHg 10 mH2O，查表得90时水的饱和蒸汽压pt = 70.1 kPa，该温度下水的密度为 965.3 kgm-3计算出的Hg为负值，这说明此离心泵在输送90的水时，其安装位置应在贮槽液面以下的2

26、.0 m处. 第133页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二134水泵：适用于输送清水或物性与水相近、无腐蚀性且杂质较少的液体。结构简单，操作容易。 耐腐蚀泵：用于输送具有腐蚀性的液体，接触液体的部件用耐腐蚀的材料制成，要求密封可靠。 油泵：输送石油产品的泵，要求有良好的密封性。 泥浆泵：输送含固体颗粒的液体、稠厚的浆液，叶轮流道宽，叶片数少。 离心泵的类型离心泵结构简单，流量均匀操作方便，易于调节和控制，适用于输送各类液体或浆液，应用范围广泛，在化工生产中，约占用泵数量的80% 90%第134页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二135离心泵的选用

27、选用离心泵一般按以下步骤进行：首先，根据输送液体的性质和操作条件，选定泵的类型；按输送任务中的最大流量和设计的输送管路系统计算所需压头（用柏努利方程）；根据流量和所要求的压头从泵的产品目录中选用泵的合适型号，并留有一定的冗余；最后根据泵的特性参数（流量和扬程）核算泵的轴功率。第135页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二1362.7.2 往复泵利用活塞的往复运动将能量传递给液体，以完成液体输送单动泵：活塞往复一次，吸、排液交替进行各一次，输送液体不连续； 双动泵：活塞两侧都装有阀室，每次行程都在吸液和排液，供液连续，但不均匀； 三联泵：三台单动泵并联，但冲程互相错开120

28、，供液连续均匀。往复泵的扬程几乎与流量无关，理论上压头可以任意高，但要受泵体和输液管路承压能力的限制。第136页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二1372.7.3 旋转泵泵壳内有两个齿轮：主动、被动。吸入腔两齿轮拨开，形成低压吸入液体；液体被带至排出腔，排出腔内两齿合拢， 形成高压排挤出液体。 齿轮泵的压头较高而流量较小，可输送粘稠液体以至膏状物料（如润滑油），但不能输送含有固体颗粒的悬浮液。齿轮泵螺杆泵排出口吸入口工作原理与齿轮泵相似依靠泵体内转子的旋转来吸收、排出液体，常用的有齿轮泵和螺杆泵等第137页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二138

29、2.7.4 真空泵从系统中抽走气体使系统内压强低于大气压外壳呈圆形，叶轮偏心安装。泵内注水，叶轮旋转时，离心力作用使水被甩至壳壁形成水环，水环浸没隔开叶片，叶片间形成密封腔。偏心叶轮旋转使密封室外由小变大形成真空，将气体从吸入口吸入；继而密封室由大变小，气体由压出口排出。水环真空泵水环真空泵的最大真空度可达83 kPa第138页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二1392.7.4 真空泵喷射泵利用流体流动时动能和静压能的相互转换所造成的真空，将气体吸入泵内。喷射泵的流体可以是水，也可以是水蒸汽。第139页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二2022/

30、9/4140球形抽气管第140页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二141本章内容总结1. 主要研究对象和解决的问题研究对象：牛顿型流体符合牛顿粘性定律的气体和液体解决的问题：定常态下常压或低压流体输送的能量转换、能量传递的计算；在工业上主要运用于流体的管路计算和设计、输送设备的选用等.第141页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二1422. 内容要点流体流动的连续性方程（物料衡算质量守恒定律在流体力学中的体现）A1u1 = A2u2 =A3u3 =常数柏努利方程（能量衡算能量守恒定律在流体力学中的体现）第142页，共151页，2022年，5月20日，17点19分，星期二143流体静力学基本方程（柏努利方程特例）推论： z1 = z2, p1 = p2 (一定) p = p0 + gh (为液体内任一点的压强)理想流体：流动时无摩擦阻力和不可