化工原理绪论

化工原理（1）学时：48教材：《化工原理》上册天津大学出版社参考书:《化工原理》上册化学工业出版社《食品工程原理》中国轻工业出版社绪论1.概述--化工生产过程与单元操作

化学工业:对原料进行化学加工以获得产品。化工生产过程:用化工手段将原料加工成产品的生产过程。该生产过程的核心是化学反应过程，为使化学反应经济有效的进行，反应前物料要达到一定纯度,即需要进行前处理;反应器内必须保持最佳反应条件（压强、温度）;反应后还要进行后处理，使产物与反应物分开、产物精制。前、后处理中，绝大多数过程是纯物理过程。绪论化工生产过程：是由若干化学反应和物理操作串联的生产过程。例：用乙炔和氯化氢生产聚氯乙烯塑料乙炔提纯单体合成单体精制聚合脱水干燥氯化氢提纯

（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物理操作称为单元操作(UnitOperation)：流体的流动与输送，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。化工原理：是研究这些单元操作的基础学科，是各个单元操作的综合和集成。化工原理←→食品工程原理奶粉生产工艺：各个单元操作串联操作的生产过程牛奶预热杀菌真空浓缩过滤喷雾干燥生物化工原料的某些成分如蛋白质、酶之类都是生物活性物质，在加工过程中会引起变性、钝化或破坏。热敏性和氧化变质及易腐性是动、植物原料的共有特点。食品加工的科学化和工程化的标志---单元操作的引入和应用。食品工程是在化学工程基础上发展起来的一个新领域---相同的理论基础和单元操作。2.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、化学等课程的基础上开设的一门专业基础课程，其主要任务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。本课程作为化学工程学的一个基础组成部分，是化工、生物、制药、食品等专业的主干课程之一（学科基础课），其在基础课和专业课之间，起着承上启下，由“理”过渡到“工”的桥梁作用。3.本课程的内容，特点及学习方法内容：以“三传”--流体流动过程（动量传递）；传热过程（热量传递）；传质过程（质量传递）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。教学环节：理论课教学，实验，课程设计特点：内容多，范围广，难度大。学习方法：重点掌握基本概念，基本原理和基本计算。1）基本量，导出量（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质和特征。基本量：长度[L]m；质量[m]kg；时间[t]s；温度[T]K导出量：如速度u=L/tm/s。2）单位制（基本单位与导出单位的总和）（1）绝对单位制（cgs制）：力，达因，dyn（2）工程单位制：力，公斤（力）,kg(f)（3）国际单位制（SI）：力，牛顿，N1N=1[kg·m/s2]=1/9.81[kgf]=105[dyn]4.单位制与单位换算SI基本单位量的名称 量的符号 单位名称 单位符号

长度l(L)米m质量m千克kg时间t秒s电流I安（培）A热力学温度T开（尔文）K发光强度I(IV)坎（德拉）cd物质的量n摩尔 mol 导出单位：力（N）；压强Pa（N/m2）；功，能，热（J）；功率（W）1)流体流动过程（动量传递）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。2)传热过程（热量传递）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。5.传递过程

3)传质过程（质量传递）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，如液体的蒸馏、气体的吸收、固体的干燥及结晶等。6.物物料衡衡算与与能量量衡算算1)物料衡衡算根据质质量守守恒定定律而而进行行的质质量平平衡计计算。。向设设备输输入的的物料料质量量减去去从设设备输输出的的物料料质量量，必必等于于积累累在设设备里里的物物料质质量，，即：：输入物物料的的总和和输输出出物料料的总总和积积累物物料量量2)能量衡衡算根据能能量守守恒定定律而而进行行的能能量平平衡的的计算算。在在生产产中能能量可可能是是热能能、电电能、、机械械能或或其它它能。。如果果是热热能，，则称称为热热量衡衡算。。随物料料进入入系统统的总总热量量，kJ或或kW随物料料离开开系统统的总总热量量，kJ或或kW向系统统周围围散失失的热热量，，kJ或kW7.平平衡关关系与与过程程速率率1)平衡关关系平衡关关系予予告过过程或或反应应能够够达到到的极极限。。如连通器器液面最最终达达到同同一水水平面面，传热的极限限是冷冷热流流体温温度相相同，，气体吸吸收的极限限是当当时条条件下下的饱饱和溶溶解度度，反应的极限限是当当时条条件下下的平平衡转转化率率。2)过程速速率第1章章流流体体流动动概述液体和和气体体都具具有流流动性性，通通常总总称为为流体体。在化工工和食食品生生产过过程中中，所所处理理的原原料、、半成成品、、产品以以及辅辅助材材料大大多数数以流流体的的状态态存在在。流流体的的流动动和输输送既既是一一个单单元操操作，，又与与其他他各种种单元元操作作密切切相关关。水、空空气、、水蒸蒸气典型流流体牛顿流流体（（流体体力学学规律律）牛奶、、果汁汁、盐盐水稀薄流流体蜂蜜、、脂肪肪、果果酱稠厚流流体非牛顿顿流体体（流流变学学规律律）应用流流体流流动的的基本本原理理和规规律可可以解解决如如下工工程问问题：：(1)流体体输送送：流流体流流速u，管管道直直径d，输输送设设备选选择、、操作作及其其功率率计算算(2)流体体压强强，流流量和和流速速的测测量(3)强化化设备备：为为强化化其他他单元元操作作（设设备））提供供适宜宜条件件1.1流流体体的物物理性性质1.1.1流体的的物理理性质质与作作用力力1)流体体特特征征：易流动动，无无固定定形状状气体：气体分分子间间距大大，相相互作作用力力小，，无一一定自自由表表面和和体积积，充充满整整个容容器。。在外外力作作用或或温度度变化化时，，体积积改变变较大大，一一般不不能忽忽略（（可压压缩和和膨胀胀性）），称称之为为可压缩流体体。液体：不可压缩流流体。2)连续介质模模型（1753年，欧拉拉）不考虑流体体的微观分分子运动，，把流体看看作由无穷穷多个流体体质点稠密密无间隙所所组成的连连续介质，，以研究流流体的宏观观运动规律律。3)流体的密度度和比容单位体积流流体所具有有的质量称为密度ρρ（kg／／m3）ρ=m/V式中m—流体的的质量，kg；；V—流体体的体积，，m3单位质量流流体所具有有的体积称为比容υ（m3／kg）υ=V/m气体密度随随温度，压压力的改变变有较大变变化，通常常在温度不不太低，压压力不太高高的情况下下，可用理理想气体方方程式计算算：式中：p——气气体的绝对对压强，PaM——气体体的摩尔质质量，kg／molR——通用用气体常数数，8.315J／／(mol·K)T——气体体的热力学学温度，K1.1.2流体的的粘度1.牛顿粘性定定律流体流动时时存在内摩摩擦力，流流体流动时时必须克服服内摩擦力力作功。这这种内摩擦擦力就是一一种平行于于流体微元元表面的表表面力，通通常又称作作剪切力。当各流体层层速度不同同时，层与与层之间会会发生相对对运动和相相互作用力力。流体的的这种内部部相邻层间间相互作用用力就是流流体内部的的内摩擦力力或粘滞力力。单位面面积上的内内摩擦力就就是剪应力。τ—剪应力力，N／m2F—剪力，，NS—流体层层间的接触触面积，m2du/dy—法向速速度梯度，，1／sμ—比例系系数，称为为粘性系数数或动力粘粘度，简称称粘度牛顿粘性定定律：粘度单位:SI:μ=τ/(du/dy)=N··s/m2=Pa··scgs:μ=dyn·s/cm2=P（泊泊）1泊=100cP（（厘泊）Pa·s=10P=1000cP2.流体的粘度度粘度的物理理意义:促使流体产产生单位速速度梯度的的剪应力粘性：确定流体体流动时内内摩擦力大大小的物理理性质。粘度：衡量流体体粘性大小小的物理量量称动力粘粘度，简称称粘度。温度对粘度度的影响：液体：温度上升升，则则粘度度减小。气体：温度上升升，则粘度度增大。理想流体:粘粘度为零的的流体牛顿流体：服服从牛顿顿粘性定律律的流体非牛顿流体体：不服从牛牛顿粘性定定律的流体体3.理想流体4.非牛顿流体体简介非牛顿流体体粘性流体粘弹性流体体与时间无关关与时间有关关无屈服应力力有屈服应力力触变性流体体流凝性流体体塑性流体（污水泥浆浆，巧克力力浆）τ=τy+μdu/dy假(涨)塑塑性流体（高分子溶溶液，涂料料，蜂密，，果浆，淀淀粉溶液））τ=k(du/dy)n牛顿流体（所有气体体，大多数数液体）τ=μdu/dydu/dy无屈服应力力：假塑性流体体，涨塑性性流体有屈服应力力：宾汉塑性流流体1.2流流体静力学学基本方程程式1.2.1静止流体的的压力1)压力力与静压强强垂直作用于于任意流体体微元表面面的力称作作压力。把把流体单位位面积上所所受的压力力称为流体体的静压强强，简称压压强，用p表示，即：p=P/A式中p——静压压强，N／／m2或Pa（帕帕）P——垂直直作用于流流体表面的的压力，NA——作用用面的表面面积，m2习惯上还采采用一些其其他单位，，如atm(标准大大气压)、、某液柱高高度、bar(巴)或kgf／cm2、工程大气气压(at)等。它它们之间的的换算关系系为：latm=1.033kgf／cm2＝760mmHg=10.33mH2O＝1.0133bar＝1.0133×105Palat＝lkgf／／cm2＝735.6mmHg＝10mH2O＝0.981bar＝9.81×104Pa2)压强强表示:按按度量压强强的基准（（零点）AB绝对压强：以绝对零零压（真空空）为基准准（真实压压强）表压强和真真空度：以大气压压为基准当被测流体体的绝对压压强大于外外界大气压压强时，所所用的测压压仪表称为为压强表。。压强表上上的读数表表示被测流流体的绝对对压强比大大气压强高高出的数值值，即：表压强=绝绝对压强强－大气压压强当被测流体体的绝对压压强小于外外界大气压压强时，用用真空表进进行测量。。真空表的的读数表示示被测流体体的绝对压压强低于当当地大气压压强的数值值，称为真真空度，即即：真空度＝大大气压强－－绝对压强强=－表压压强1.2.2流体静静力学基本本方程流体静力学学方程研究究处于相对对静止的流流体在重力力和压力作作用下，处处于平衡状状态的规律律。①作用于薄薄层下底的的总压力力pA；②作用于薄薄层上底的的总压力(p+dp)A；③向下作用用的重力ρgAdz。当流体处于于静止状态态时：pA－(p+dp)A－ρgAdz=0dp+ρgdz＝0dp+ρgdz＝0若密度ρ为为常数，则则上式积分分得：p/ρ+gz=常数若积分的上上、下限取取高度为z1和z2的二个平面面，而作作用于这二二个平面的的压强分别别为p1和p2，则得：(p2－p1)/ρg=z1－z2或p2＝p1+ρg(z1－z2)流体静力学学基本方程程讨论p＝p0+ρgh①当容器内内液面上方方的压强p0一定时，静静止液体内内部任一点点压强p的的大小与液液体本身的的密度ρ和和该点距液液面的深度度h有关。。②在静止的的、连续的的同一液体体内，处于于同一水平平面上的各各点压强都都相等。③当液面上方方的压强p0改变时，液体体内部各点的的压强p也发发生同样大小小的变化。④压强或压强强差可以用一一定高度的流流体柱h表示示，即：(p2－p1)/ρg=z1－z2=hp2＝p1+ρg(z1－z2)1。p02。hpp1p2点1处于容器器的液面上，，设液面上方方的压强为p0，距液面h处处的点2压强强为p。1.2.3流流体静力学学方程的应用用1）U形管压压差计（不互溶指示示液，ρ指>ρ）pa=pbpa=p1+hρg+Rρgpb=p2+hρg+Rρ0gp1-p2=gR(ρ0-ρ)当ρ0>>ρ（被测流体为气气体时）p1-p2=gRρρ01.压强与压压强差的测量量[例]水水平导导管上的两点点间接一盛有有四氯化碳的的U型管压差差计，压差计计读数R为35cm。若若导管内流经经的是(1)水，(2)密度为2.5kg/m3气体时，试分分别计算两点点间压强差。。[解]指指示液：ρ0=1630kg/m3(1)管内流流经水时：ρ=1000kg/m3⊿p=p1－p2=(ρ0-ρ)gR=(1630–1000)×9.81×0.35=2163(N/m2)(2)管内流经气体体时：ρ=2.5kg/m3⊿p=p1－p2=(ρ0-ρ)gR=(1630–2.5)×9.81×0.35=5588(N/m2)2）微差压差差计微差压差计亦亦称双液体U形管压差计计。它在U形形管的两股上上增设两个扩大室，扩大室内径径与U形管内内径之比一般般应大于10。压差计内内装有A、C两种密度稍稍有差异的指指示液。由于于扩大室的截截面远大于U形管截面，，所以即使U形管内指示示液A的液面面差R很大，，两个扩大室室内指示液C的液面变化化也甚小，可可视为等高。。根据静力学学基本方程，，压强差可用用下式表示：：p1－p2＝gR(ρρA－ρc)[例]如本题题附图所示，，为了控制乙乙炔发生炉a内的压强不不超过10.7×103Pa(表压)，需在炉外外装有安全液液封(又称水水封)装置，，其作用是当当炉内压强超超过规定值时时，气体就从从液封管b中中排出。试求求此炉的安全全液封管应插插入槽内水面面下的深度h。解：按炉内允许的的最高压强计计算液封管插插入槽内水面面下的深度h。过液封封管口作等压压面O-O’’,并取1，，2两点。3）液封高度度计算故pa+10.7×103=pa+1000×9.81×h解得：h=1.09(m)p1=炉内压强=pa+10.7×103p2=pa+ρgh=pa+1000×9.81×h因p1=p2例1-9为了维持真空空蒸发操作的的真空度，需需在其后的冷冷凝器上方抽抽真空。同时时为了防止外外界空气从气气压管漏入，，致使设备内内真空度降低低，气压管必必须插入液封封槽中，水即即在管内上升升一定高度h(液封)。若真空表表的读数为80×103Pa，试求气压管中水上上升的高度h。解：设气压管内水面上方的绝绝对压强为P,液封槽液面作作用大气压强强Pa。根据流体静静力学基本方方程，在液封槽液面等等压面上有:pa＝p+ρghpa＝p+ρghpa－p=真空度=80×103Pa1.3流流体流动的的基本方程1.3.1流流量与流速1)体积流量：单位时间内内通过流道横横截面的流体体体积。Vs＝V/t(m3/s)2)质量流量：单位时间内内流过流道横横截面的流体体质量。ws＝ρVs(kg/s)3)平均流速：体积流量与与流道横截面面积之比。u=Vs/A(m/s)常用流速范围围P261.3.2稳稳态流动与与非稳态流动动稳态流动：流体在管道中中流动时，任任一截面处的的流速、流量量和压强等有有关物理参数数都不随时间间而变化。非稳态流动：流动时，任一一截面处的有有关各物理参参数中只要有有一项是随时时间变化的，，则属于不稳稳定流动。1.3.3连连续性方程程式1)物料衡衡算的一般方方法物料衡算的依依据是质量守守恒定律。在在工业上常用用的计算基准准有三：①以以加入设备的的一批物料为为基准，这种种基准用于间间歇过程；②②以单位时间间的物料量为为基准，常用用于连续过程程；③以单位位质量原料或或产品为基准准。设：∑ws1为输入物料量量的总和；∑ws2为输出物料量量的总和。在无物料损失失的情况下，，根据质量守守恒定律应有有：总进料量＝总总出料量∑ws1=∑ws2(kg)or(kg/s)2)管内稳稳定流动连续续性方程不可压缩流体体在园管中作作稳定流动时时，其流速与与截面积成反反比，与园管管的直径平方方成反比。ws＝u1ρ1A1＝u2ρ2A2＝常数不可压缩流体体：ρ1＝ρ2＝ρu1A1＝u2A2＝常数流体在圆管内内流动时：u2/u1=(d1/d2)2流体在管道内内作稳定流动动时，不论其其间的流动截截面和流动形形态如何变化化，都服从质质量守恒定律律。由物料衡衡算可得管内稳定流动动的连续性方方程式：1．流动系系统的总能量量衡算对于稳定流动动系统，设在在一定时间内内进出系统的的流体质量为为m(kg)，若忽略电电能和化学能能等不计，则则输入和输出出系统的能量量有：(1)内能：流体（分子子）内部能量量的总和，E＝mU(J)。(2)位能：是流体受重重力作用，在在不同高度具具有不同的位位能。质量为为m流体由基基准水平面升升举到高度z所作的功，，mgz(J)。(3)动能：是流体由于于运动而产生生的能量。将将质量为m流流体加速至u所作的功，，mu2/2(J)。1.3.4柏柏努利(Bernoulli)方方程式(4)静压能（压力能）：：流体经控制制面进入或流流出系统时，，必须克服静静压强作功：：F×L＝（pA)×V/A=pV=mpυ，流体带有与与此相当的能能量，mpυ或mp/ρ(J)。(5)外功：外界通过设设备对系统作作的功，是功功的输入（正正）。相反，，为功的输出出（负），W＝mWe(J)。(6)热量：系统通过换换热器对外界界进行的热交交换。对系统统加热为正，，系统对外界界加热为负，，Q＝mQe(J)。根据能量守恒恒定律，系统统输入总能量量等于输出总总能量，得：：稳定流动总能能量衡算式内能静压能位能动能热量外功mU1+mp1υ1+mgz1+mu12/2+Q+W=mU2+mp2υ2+mgz2+mu22/2(J)U1+p1υ1+gz1+u12/2+Qe+We=U2+p2υ2+gz2+u22/2(J/kg)h1+gz1+u12/2+Qe+We=h2+gz2+u22/2(J/kg)↑单位质量流体体的焓（复合状态参数数，在定压过过程中焓的增增加值等于所所吸收的热量量）Qe+We=⊿h+g⊿⊿z+⊿u2/2(J/kg)上式说明：：外界加给系系统的热量量和功量，，全部用于于增加流体体的焓、位位能和动能能。h1+gz1+u12/2+Qe+We=h2+gz2+u22/2(J/kg)稳定流动总总能量方程程式应用Qe+We=⊿h+g⊿⊿z+⊿u2/2(1)通过换热器器的流动：外界对体体系的机械械功We=0，流体体从进口至至出口的位位能和动能能的变化可可以忽略，，Qe=⊿h表示此时加加热量等于于流体焓值值增加（冷却放热热量为—））(2)通过喷嘴的的流动：无热功交交换Qe=0，We=0；无位位能变化，，⊿h+⊿⊿u2/2=0表明明流流体体流流过过收收缩缩喷喷嘴嘴后后获获得得的的动动能能等等于于流流体体焓焓值值的的减减少少。。(3)通过过节节流流阀阀的的流流动动：无无热热功功交交换换Qe=0，，We=0；；无无位位能能和和动动能能的的变变化化，，⊿⊿h=0可见见通通过过节节流流前前后后，，流流体体焓焓值值没没有有变变化化。。(4)流过过压压缩缩机机：设设此此时时对对外外无无热热交交换换，，Qe=0，，且且位位能能和和动动能能的的变变化化可可以以忽忽略略，，则则方方程程式式简简化化为为：：We=⊿⊿hQe+We=⊿⊿h+g⊿⊿z+⊿⊿u2/2说明明压压缩缩机机所所耗耗的的功功，，等等于于压压缩缩前前后后气气体体焓焓值值的的增增量量2.柏柏努努利利(Bernoulli)方方程程式式1)理想想流流体体柏柏努努利利方方程程式式稳定定流流动动总总能能量量方方程程式式是是解解决决工工程程问问题题的的基基础础，，可可以以解解决决广广泛泛的的工工程程问问题题。。为使使解解决决问问题题简简化化：：①①将将气气体体视视为为不不可可压压缩缩流流体体（（压压强强变变化化范范围围不不大大））；；②设设想想流流体体为为无无粘粘性性，，无无摩摩擦擦损损失失的的理理想想流流体体实际际流流体体抽象象和和假假设设不可可压压缩缩理理想想流流体体（υυ1=υ2=υ；；ρ1=ρρ2=ρρ；；U1=U2）(J/kg)不可可压压缩缩理理想想流流体体（υυ1=υ2=υ；；ρ1=ρρ2=ρρ；；U1=U2）若是是单纯纯的的流流动动问题题，，无无热热功功交交换换:We=0；；Qe=0U1+p1υ1+gz1+u12/2+Qe+We=U2+p2υ2+gz2+u22/2(J/kg)不可可压压缩缩理理想想流流体体稳稳定定流流动动总总能能量量方方程程式式：柏努努利利方方程程式式---流流体体机机械械能能（（位位能能，，压压力力能能，，动动能能））衡衡算算式式机械械能能转转换换与与总总机机械械能能保保持持不不变变(J/kg)(J/kg)每1kg质量流体能量量(m)每1kg.m/s2重量流体能量量(N/m2)每1m3体积流体的能能量2)实际际流体柏柏努利方方程式实际流体体：有粘粘性，流流体流动动过程发发生摩擦擦，消耗耗机械能能。减少少的机械械能转化化为热力力学能，，总能量量守恒。。通常把把方程式式中的(U2－U1)称为机械械能损失失或摩擦擦损失（∑hf），并将方方程式写写成：稳定流动动总能量量方程式式不可压缩缩实际流流体稳定定流动的的能量衡衡算：输输送系统统有泵对对外无热交换换(Qe＝＝0)(J/kg)(J/kg)不可压缩缩实际流流体柏努利方方程式有效功率率(Ne)：单位时时间内输输送设备备所作的的有效功功(J/kg)(N/m2)3.柏柏努利方方程式的的讨论1）不可可压缩理理想流体体稳定流流动的不同形式式机械能能互相转转化和总机械能能守恒。2）不稳定流流动系统的任任一瞬间间，柏努努利方程程式成立立。3）可压缩流流体：若两截截面间的的压强变变化小于于原来的的20%[(p1－p2)/p1＜20%]，，可用柏柏努利方方程式。。ρρm=(ρρ1+ρ2)/24）当流体静静止时：u=0，流体体静力学学基本方方程：=常数(J/kg)[例1-6]如如附附图所示示的开口口水箱，，其下部部一方装装有泄水水龙头，，设水箱箱上方有有维持水水位恒定定的装置置，液面面与泄水水出口的的高差⊿⊿z＝＝10m。试求求龙头开开启后，，水流达达稳定时时水的流流量。已已知管内内径为12mm。（不不计流动动阻力））[解]取取水水箱底面面为基准面，液面为为1-1截截面，龙头出出口为2-2截截面，1-1截面（大截面面)面积远大大于2-2截面面，其速速度相对对甚小可可以忽略略不计，，即：u1<<u2，u12/2≈0；p1=p2=pa；在1-1和2-2截面面间列柏柏努利方方程式1.3.5柏柏努利方方程式的的应用1.应用柏努努利方程程式解题题步骤及及要点1）作图：根据题题意画出出流动系统统示意图图。2）基准面选选取：一般取最最低面，，与地面面平行。3）截面选取取：垂直于流流动方向向；截面面间流体体连续；；未知量量最少；；“大截面面”容器和小小管子。4）在两截面面间列柏柏努利方方程式。5）方程程式中各各物理量量的单位位须一致致，压强强的表示示方法一一致。[例]水水从从高位槽槽通过虹虹吸管流流出，其其中：h=8m，H=6m，，设槽中中水面保保持不变变，不计计流动阻阻力损失失，试求求管出口口处水的的流速及及虹吸管管最高处处的压强强。[解]取取管管口为基准面，水面为为1-1截截面（大截面面），，管口为为2-2截截面，管最高高处为3-3截截面，即有：：u1<<u2，u12/2≈0；p1=p2=pa；z1=H=6m,z2=0,z3=h=8m1）在1-1和和2-2截面间间列柏努努利方程程式：2）在2-2和和3-3截面间间列柏努努利方程程式（u2=u3）：[例1-7]牛牛奶用用泵由由真空空锅被被抽送送，经经冷却却器至至位于于9m高度度的牛牛奶贮贮罐中中。各各段输输送管管路的的长度度如图图。真真空锅锅内的的真空空度87800Pa(660mmHg)，，贮罐罐开口口通大大气。。牛奶奶输送送量为为4.35t/h。。整个个管路路包括括冷却却器在在内的的摩擦擦损失失为50J/kg。。试近近似估估计所所需泵泵的能能量。。估算算时将将牛奶奶相对对密度度视为为1。。[解]作作图图，取取泵中中心为为基准准面，，锅内内液面面为1-1截面面（大截面面)，，管出出口为为2-2截截面：：u1<<u2，u12/2≈≈0；p2=paz1=1.5m，z2=9m，∑∑hf=50J/kgd2=32－2×2=28mm在1-1和和2-2截截面间间列柏柏努利利方程程式：：真空度＝－－表压强，，p1=－87800Pa（表压强）；p2=0（表压强）[例]用用泵将贮贮液池中常常温下的水水送至吸收收塔顶部，，贮液池水水面维持恒恒定，各部部分的相对对位置如图图所示。输输水管的直直径为76×3mm，排水管管出口喷头头连接处的的压强6.15×104Pa(表压压)，送水水量为34.5m3/h，水流流经全部管管道的能量量损失为160J/kg，试试求泵的有有效功率。。[解]作作图，取取贮液池水水面为为基基准面，同同为1-1截面（大截面)，管出出口为2-2截面：：u1<<u2，u12/2≈0；z1=0，z2=2+24=26m，∑hf=160J/kg，，ρ=1000kg/m3p1=pa=0（表压强）；p2=6.15×104Pa（表压强）d2=76－2×3=70mm在1-1和和2-2截截面间列柏柏努利方程程式：1.4流流体流动动现象1.4.1流动类类型与雷诺诺数1)稍打开开阀门，水水流速度很很小时，水水流中心的的有色液体是是一条平稳稳流过的直直线，与水完全全不相混杂杂，表明管管内水的质质点基本成成平行的直直线运动。。2)当继续续提高水流流速度到一一定时，有色液细线线开始出现现波纹形。3)随着速速度再提高高，细线完全消消失，有色色液散开使使水均匀染染色，表明水流流不再是平平行的直线线流，而是是在向出口口流动的总总方向之下下，同时有有各个方向向的不规则则运动，彼彼此碰撞并并互相混杂杂。1.雷诺实实验与雷诺诺数1883年年，英国学学者雷诺(Reynolds)用实验验证明，流流体运动存存在着两种种根本不同同的形态，，即：层流和湍流，其摩擦损损失存在着着很大区别别。2.层流和湍流雷诺实验揭揭示了流体体流动形态态与流动速速度的关系系，发现流流体流动形形态与以下下四个因素素有关：流流体动力粘粘度μ、流流体密度ρρ、导管直直径d和平平均流速u。用量纲纲分析法将将这四个因因素归纳为为一个量纲纲为一的无无因次准数数：雷诺数数Re，，用以判别别流体流动动的形态。。临界雷诺数数：流动状态态发生变化化时的雷诺诺数下临界雷诺诺数：湍流变为为层流时的的雷诺数Re=2000上临界雷诺诺数：层流变为为湍流时的的雷诺数Re=4000两临界雷诺诺数之间：：可能是层层流，也可可能是湍流流（过渡流流）。Re＜2000层流2000＜＜Re＜4000过渡流Re＞4000湍流壁湍流：发生在流流体与固体体壁面的接接触流动时时，如流体体流经密闭闭管道、明明渠或浸没没物体等。。自由湍流：由不同速速度运动的的两液层之之间的接触触而产生，，如将流体体喷射到大大量静止流流体中等。。湍流流动：流体质点点作不规则则运动，相相互碰撞和和混杂，并并产生大量量旋涡。由由质点碰撞撞产生的附附加阻力比比由流体粘粘性产生的的摩擦阻力力大得多。。时间间脉动动速速度度1.4.2流流体体在在圆圆管内内流流动动时时的速速度度分分布布1.层层流流时时的的速速度度分分布布园形形直直管管内内层层流流流流动动时时，流流体体质质点点沿沿着着与与管管轴轴平平行行方方向向作作直直线线流流动动，，管管轴轴中中心心处处流流速速最最大大，，管管壁壁处处最最小小。。Rr抛物物面面2.湍湍流流时时的的速速度度分分布布湍流流流流动动时时，，由由于于流流体体质质点点间间的的剧剧烈烈碰碰撞撞和和混混合合，，管管中中心心流流速速分分布布较较平平坦坦，，不不呈呈抛抛物物面面：：Re=4×103n=6Re=1.1×105n=7Re=2.0×106n=101.4.3边边界界层层的的概概念念1.边边界界层层的的形形成成流体体边边界界层层：：受受壁壁面面影影响响而而存存在在速速度度梯梯度度的的流流体体层层速度度为为us的均均匀匀流流平平行行流流经经固固体体壁壁面面时时，，与与壁壁面面接接触触的的流流体体，，因因分分子子附附着着力力而而静静止止不不动动，，壁壁面面附附近近的的流流体体层层，，由由于于流流体体粘粘性性而而减减速速，，此此减减速速效效应应将将沿沿垂垂直直于于壁壁面面的的流流体体内内部部方方向向逐逐渐渐减减弱弱。。在在离离壁壁面面一一定定距距离离δδ处处，，流流速速已已接接近近于于均均匀匀流流的的速速度度us，在在此此层层内内存存在在速速度度梯梯度度，，该该薄薄层层称称为为流流体体边边界界层层。。2.边界层的发展展边界层厚度δδ，是离板前缘缘距离x的函函数，厚度增增加。边界层外：主流区，du/dy≈0，近似无粘性性阻力，与理理想流体等效效。边界层内：流动可能是是层流，也可可能是湍流，，取决于雷诺诺数，τ=μdu/dy。边界层前段：边界层较薄薄，为层流边边界层。湍流边界层内内：湍流主体缓冲层：非层层流又非完全全湍流层流内层过度区边界层后段：在离板前缘缘距离xc处，由层流转转为湍流（过过度区），后后成湍流边界界层。3.边界层的分离离边界层分离：：当流体沿曲曲面流动或流流动中遇障碍碍物时，不论论是层流或湍湍流，会发生生边界层脱离离壁面的现象象。A-B:流通截面减减小，加速减压B-C：减速加压C-D：分离面C点：分离点B点:流速最大,压力最小边界层分离后后出现流体空白区，回流形成涡流。在涡流区，由由于流体质点点的碰撞和混混合而消耗大大量能量。由物体表面形形状造成边界界层分离而引引起的流动阻阻力和能量损损耗，称为形形体阻力。凡是流道发生生突然改变时时，都会发生生边界层分离离引起机械能能损失，需要要避免或减少少。1.5流流体在管内的的流动阻力流动阻力产生生的原因与影影响因素：流体具有粘粘性，流动时时存在着内摩摩擦，是流动动阻力产生的的根源；固定定的管壁或其其它形状固体体壁面，促使使流动的流体体内部发生相相对运动，为为流动阻力的的产生提供了了条件。流动动阻力的大小小与流体的物物理性质、流流动状况及壁壁面的形状等等因素有关。。流体在管路中中流动时的阻阻力：直管阻力：是流体流经经一定管径的的直管时，由由于流体内摩摩擦而产生的的阻力，这种种阻力的大小小与路程长度度成正比，或或称为沿程阻力。hf局部阻力：主要是由于于流体流经管管路中的管件件、阀门及管管截面的突然然扩大或缩小小等局部地方方所引起的阻阻力。hf’∑hf=hf+hf’1.5.1流体在在直管中的流流动阻力(沿沿程阻力)1.计算圆圆形直管阻力力的通式τ=μdu/dy(计计算困难)Z1=Z2，u1=u2=uF=τS=τπdL范宁公式---圆形直直管阻力公式式λ：无因次摩擦系系数，是流体物性性和流动状况况（雷诺数Re和管壁粗粗糙度ε）的的函数。沿程阻力与Re、εε、L、d、、u等因素有有关。(J/kg)2.管壁粗糙糙度对摩擦系系数的影响光滑管、粗糙糙管与管壁粗粗糙度光滑管：玻璃管、黄黄铜管、塑料料管粗糙管：钢管、铸铁铁管绝对粗糙度ε:壁面面凸出部分的的平均高度（（表1-2，，p49)相对粗糙度:ε/d3.层流时时的摩擦系数数园形直直管层层流流流动时时的摩摩擦系系数:哈根－－泊谡谡叶方方程：层流流时的的压强强降（（摩擦擦损失失）与与u的的一次次方成成正比比4.湍湍流时时的摩摩擦系系数1）对于光光滑管管，有布布拉修修斯(Blasius)公式式湍流流流动的的摩擦擦系数数除与与Re有关关外，，还受受管壁壁粗糙糙度εε的影影响，，比层层流复复杂得得多，，难以以从理理论上上推导导得出出摩擦擦系数数λ的的计算算式，，根据据实验验得到到了一一些经经验公公式。。2）对于粗粗糙管管，有柯柯尔布布鲁克克(Colebrook)公公式摩擦系系数图图（以以ε/d为为参数数，标标绘λλ与Re的的关系系图））双对数数坐标标③湍流区区：Re>4000，在在虚线线以下下，λλ与Re和和ε/d都都有关关。λλ随εε/d增加加而增增加，，随Re增增大而而逐渐渐缓和和下降降。Re较较小，，ε/d影影响较较小，，Re较大大，εε/d影响响较大大。④完全湍湍流区区：在虚线线以上上，λ与Re无无关，，hf与u2成正比比（阻阻力平平方区区）。。①层流区区：Re≤≤2000，λ=64/Re，与与管壁壁粗糙糙度无无关。。②过渡区区：Re=2000～4000不稳定定，可可按层层流或或湍流流，工工程按按湍流流延伸伸查取取。[例1-8]相相对密密度1.03，，粘度度150mPa.s的番番茄汁汁流过过长10m的钢钢管（（￠76mm××3.5mm)，流流速为为1.5m/s，，计算算沿程程损失失。[解]d=76－－2××3.5=69mm=0.069mu=1.5m/sρ=1030kg/m3μ=150×10-3=0.15Pa.s流动为为层流流，由由摩擦擦系数数图或或计算算得：：λλ=0.09，，计算算沿程程损失失：[例1-8-1]已已知：：Re=7000，，ε/d=0.003，，求求摩擦擦系数数。λ=0.0385.非非圆形形管内内的流流体阻阻力在工工程程实实际际上上有有许许多多非非圆圆形形管管道道或或设设备备，，虽虽然然流流道道截截面面形形状状对对流流速速分分布布及及流流动动阻阻力力都都有有影影响响，，但但实实验验证证明明：：在在湍湍流流情情况况下下，，非非圆圆管管用用当量量直直径径de代代替替直直径径d应应用用圆圆管管阻阻力力公公式式的的误误差差不不大大。。1.5.2管管路上的的局部阻阻力流体流过过管路的的入口、、出口、、弯头、、阀门、、突扩、、突缩等等局部位位置时，，其流速速和流向向发生变变化，涡涡流现象象加剧，，消耗大大量能量量。由于于流体流流过这些些局部多多数是湍湍流，所所以主要要讨论湍湍流流动动时的局局部阻力力，其计计算方法法有：当当量长度度法和阻阻力系数数法。1.当当量长度度法将流体流流过局部部位置所所产生的的局部阻阻力折合合成相当当于某个个长度（（当量长长度Le）上的圆圆直管的的阻力。。局局部阻阻力：Le：从手册册查取(J/kg)2.阻阻力系系数法将流体流流过局部部位置所所产生的的局部阻阻力表示示为流体体动能u2/2的某个倍倍数ζ（局部阻阻力系数数）。ζ值由实验验测定，，可从手手册中查查得。(J/kg)[例1-9]将将5℃℃的鲜牛牛奶以5000kg/h的流流量从贮贮奶罐输输送至杀杀菌器进进行杀菌菌。这条条管路系系统所用用的管子子外径为为38mm、内内径35mm的的无缝钢钢管，管管子长度度12m，中间间有一只只摇板式式单向阀阀，3只只90°°弯头，，试计算算管路进进口至出出口的摩摩擦阻力力。已知知鲜奶5℃时的的粘度为为3mPa·s，密度度为1040kg/m3。[解](1)算算流速：：(2)算算Re：：(5)求求摩擦损损失：(4)局局部阻力力系数ζ：1只摇板板式单向向阀2.03只90°弯头头3×1.1管子入口口0.5管子出口口1.0∑ζ=6.8(3)查查摩擦系系数λ：由表1-2查得得管子ε＝0.25；ε/d=0.00025/0.035=0.00715；λ=0.0381.6管路计算算(1)管管路计计算的基基本方法法综合应用用连续性方方程，柏努利方方程式和阻力损失失计算式式。(2)管管路的的情况1.简单管路路hf总＝∑hf,iws,1=ws,2=ws,3当ρ＝const则则Vs,1=Vs,2=Vs,32.复杂管路路1)并并联管路路Σhf,1=Σhf,2=Σhf,3ws,总＝Σws,i当ρ＝const则Vs,总＝ΣVs,i各支管的的流量:CAB2)分分支管路路EA+Σhf,A=EB+Σhf,BVs＝VsA+VsB(3)管管路计算算的类型型1)已知知流量Vs、管道尺寸寸L、d,管件，计算管管路系统统的能量损失失，以及所所需输送送设备的的功率等；(直直接计算算）2)给定定流量、管长、所需管件和允许的的能量损失失，计算管管路直径；(用试试差法计计算）3)已知知管道尺寸寸、管件和允许的的能量损失失，求管道道中流体体的流速和流量。(用试试差法计计算）(4)管管径径的选择择食品工业业和化工工生产经经常需要要安装许许多管路路，其费费用占整整个设备费和生产费的很大比比例，如如何选用用管子是是一个重重要的问问题。选选择管子子，除按按工艺要要求并从从经济角角度来考考虑管路路布置和和管子的的材质以以外，主主要是如如何选用用合适的的管径，后者仍然然是经济衡衡算问题。。生产费用主主要是每年年消耗在克克服管路阻阻力的能量量费用。在在一定流量量下，不同同管径必然然得出不同同的流速，，不同的雷雷诺数，从从而得出不不同的能量量损失∑hf。用实践经验验和综合经经济效果及及其他因素素得到的管管内流动的的常用流速范范围作为选用管管径的根据据，可以使使问题简化化。[例1-10]15℃、20％砂糖糖液用泵将将其长距离离输送至位位于高5m的某处，，估计管路路长度为150m，，要求输送送量为60t/h，，试求所需需泵的能量量。[解]考考虑到管管路甚长，，动能及局局部损失可可忽略不计计；又因常常压下输送送；p1＝p2，故计算式式可简化为为：上式中已知知L＝150m，而而d、u、、λ待定，，且互相依依赖。故问问题归结为为选择管径径和管子。。由表1-1查得：15℃、20%砂糖液液的密度为为l080kg/m3，由图l-2查得其粘度度为2.2mPa··s，与水水相仿。查查阅常用流流速范围表表，在工业业供水1.5～3.5m/s的流速范范围内取u＝2m/s。按所给的的流量计算算管径：从管子规格格表选无缝缝钢管Φ108mm×4mm，再计算算：计算Re：：查摩擦系数数λ：由表1-2查得管管子ε＝0.25mm；ε/d=0.00025/0.1=0.0025；λ=0.026计算需要泵泵提供的能能量：泵的有效功功率为：例题（试差法）[例]从水水塔引水至至车间，管管路为Φ114××4mm的无缝钢管管，管路的的计算长度度150m(包括直管管长度及局局部阻力的的当量长度度)。水塔塔内液面维维持恒定，，并高于排排水管口12m，水塔液面面及管子出出口均通大大气。试求求水温为20℃时此管路的的输水量。。解：取水塔塔液面为1-1截面面（大截面)，排水管出出口为2-2截面：：u1<<u2，u12/2≈0；；以水管出口口中心平面面为基准面面。已知：zl＝12m，，z2＝0，p1＝p2＝0(表压)，u2＝u，L+∑Le=150m，d=114－2×4=0.106m，，∑hf=λ(L+∑∑Le)u2/2d在两截面间间列出柏努努利方程：：(两个未知知数)应用试差法先求u：(湍流时，，一般λ=0.02～0.03)试设：λ=0.02计算Re：20℃水水ρ=998kg/m3，μ=1.005××10-3Pa.s查λ：查得管子ε＝0.20mm；ε/d=0.2/106=0.0019λ=0.0235，与试设值不不相符合；重设：λ=0.0235，代入前式再计算：u=2.62m/s；；Re=2.76×105按u=2.62m/s，计计算输水量量：再查表得：：λ=0.0236，与重设值很很接近，可可不再重算算；3%1.7流