化工基础课第三章-流体流动及流体输送设备

流体流动及流体输送设备Chapter3FlowTransfer化工基础第三章一．研究流体规律的意义1、化工生产产品工艺中所涉及的物料大都是流体大部分在流动条件下进行。设备之间、工序之间均采用管道联接，都和流体的流动与输送有关。流体的输送为“三传一反”中的“动量传递”过程三传：动量、热量、质量传递一反：化学反应器因此，化工生产需要进行准确的流体流动、输送的工程计算某化工厂生产场地2、化工生产所涉及的过程：某化工厂生产场地二．研究流体的流动、输送主要解决的问题⑴输送流体相关参数的确定。⑵了解流体输送设备的工作原理和操作性能，正确地使用流体输送设备。3.1流体的基本性质3.2流体流动的基本规律3.4管内流体的阻力3.3流体压力和流量的测量3.5流体输送机械3.1流体的基本性质1．密度（density）2．比体积(specificvolume)3．压力(pressure)4．流量和流速（flowandflowrate）5．粘度(viscosity)⑴密度的物理意义：单位体积的流体所具有的质量。V：流体的体积，m3表达式：ρ：流体的密度，kg·m-3m：流体的质量，kg1．密度（density）⑵密度计算：提示：PV=nRT①

气体密度用理想气体状态方程进行计算：思考：如何推导②混合流体密度的计算：各纯组分流体的密度，kg·m-3各组分流体的质量分数③混合气体密度的计算各组分的体积分数各纯组分液体的密度，kg·m-3例题X3-1已知硫酸与水的密度分别为1830kg.m-3与998kg.m-3，试求含硫酸为60%（质量）的硫酸水溶液的密度。解：根据式（3-3）例题X3-2已知干空气的组成为：O221%、N278%和Ar1%（均为体积%）。试求干空气在压力为9.81×104Pa及温度为100℃时的密度。解：首先将摄氏度换算为开尔文温度：100℃=273+100=373KMm=32×0.21+28×0.78+39.9×0.01=28.96再求空气的平均分子量：根据式（3-2）：2．比体积(specificvolume)物理意义：单位质量流体所具有的体积。表达式：流体的比体积，m3·kg-1

流体的密度，kg·m-33．压力(pressure)⑴物理意义：流体垂直作用于单位面积上的力（压力、压强）⑵表达式：P：流体的压力,PaF：流体垂直作用于面积A上的力，NA：作用面积，m21atm=760mmHg=1.01325×105Pa=10.33mH2O=1.033kgf.cm-2

⑶表压(gaugepressure)、真空度（degreeofvacuum）绝对真空：绝对压力（为零）绝对压力表压大气压压绝对压力测定压力＞大气压测定压力＜大气压测定压力测定压力大气压压真空度表压=绝对压力－大气压力真空度=大气压力－绝对压力例题X3-3某台离心泵进、出口压力表读数分别为220mmHg（真空度）及1.7kgf/cm2，若当地大气压力为760mmHg，试求它们的绝对压力各为若干。离心泵进口处压力表读数为真空度、出口压力压力表读数为表压解：∴进口绝对压力P1=760-220=440mmHg=7.2×104Pa真空度=大气压力-绝对压力∴绝对压力=大气压力-真空度表压=绝对压力-大气压力∴绝对压力=大气压力+表压出口绝对压力P2=1.033+1.7=2.733kgf=2.68×105Pa4．流量和流速⑴流量：①体积流量qv单位时间内流体流经管道任一截面的体积，m3·s-1②质量流量qv单位时间内流体流经管道任一截面的质量③摩尔流量：单位时间内流体流经管道任一截面的物质的量⑵流速①流速单位时间内，流体在管道内沿流动方向所流过的距离，m·s-1②质量流速(massvelocityofflow)：

kg·s-1

例题X3-4以内径为105mm的钢管输送压力为2atm、温度为120℃的空气。已知空气在标准状态下的体积流量为630m3·h-1，试求此空气在管内的流速和质量流程。解：依题意将空气在标准状态下的流量换算为操作状态下的流量。因压力不高，可应用理想气体状态方程计算如下：取空气在标准状况下的平均分子量为Mm=28.9实际操作状态下空气的密度为：5．粘度(viscosity)粘性是流体内部摩擦力的表现，粘度是衡量流体粘性大小的物理量。粘度↑，流动性↓以圆形管为例：可将流动的流体看成分割成无数极薄的圆和筒层，相邻两层之间的相互作用力便是流体的内摩擦力。⑴粘度μ的物理意义：设有上、下两块平行放置、面积很大、相距很近的夹板，板间充满流体，下板固定，以一推动力F推动上平板以u恒速运动。引入比例系数μ，有：经实验证明，此时：⑵

粘度:单位：Pa·s，泊P：g·cm-1·s-1⑶运动粘度：单位：m2·s-1，沲st：g·cm-1·s-1⑷内摩擦应力或剪应力：单位面积上的内摩擦力。即：3.2流体流动的基本规律1.定态流动和非定态流动3.流体定态流动过程的能量衡算---柏努利方程2.流体定态流动过程的物料衡算---连续性方程⑴定态流动：1.定态流动和非定态流动⑵非定态流动2.流体定态流动过程的物料衡算---连续性方程⑴

推导：定态流动时，单位时间内通过流动系统任一截面的液体的质量应相等：

即推广到任一截面有：BA例X3-5某液体在一管路中稳定流过，若将管子直径减小一半，而流量不变，则液体的流速为原流速的多少倍?解：3.流体定态流动过程的能量衡算---柏努利方程流动体系的三种能量形式：②

位能：①

动能：③

静压能：⑴理想流体流动过程的能量衡算11‘22‘基准面Z1Z2图中截面1、2之间符合能量守恒定律⑵实际流体流动过程的能量衡算实际流体输送过程中存在：流体输送机械输入功He、摩擦阻力损失Σhf——此式为柏努利方程的最常用形式4.流体流动规律的举例输送单位质量流体所需加入的外功，

是决定流体输送机械的重要数据。包括所选截面间全部管路阻力损失若管路输送的流体的质量流量为w（kg/s），则输送流体所需供给的功率（即流体输送机械的有效功率）为：如果流体输送机械的效率为

，则实际消耗的功率即流体输送机械的轴功率为：应用柏努利方程进行计算的一般原则应用柏努利方程时，首先应根据具体问题在流体流动系统中确定衡算范围，也就是确定列出柏努利方程的两截面位置。计算重力位能的基准水平面可任取，基准面处流体的重力位能为零。所以若使两计算截面之一为基准面可使方程简化。所选的两个截面应尽可能是已知条件最多的截面，而待求的参数应在两截面上或在两截面之间。求解方程时应注意各项单位的一致性（J/kg或Pa）。【例X3-6】容器B内保持一定真空度，溶液从敞口容器A经内径为30mm导管自动流入容器B中。容器A的液面距导管出口的高度为1.5m，管路阻力损失可按

hf

=5.5u2计算（不包括导管出口的局部阻力），溶液密度为1100kg/m3。试计算：送液量每小时为3m3时，容器B内应保持的真空度。解：取容器A的液面1-1截面为基准面，导液管出口为2-2截面，在该两截面间列柏努利方程，有【例X3-6】3.3流体压力和流量的测量1．流体压力的测量---U形管压力计2．流体流量的测量---孔板流量计、文丘里流量计、转子流量计1．流体压力的测量---U形管压力计在测量流体压力时，压力计可视为静止流体。在指示液两液面间进行能量衡算，此时柏努利方程简化为：⑴

孔板流量计通过改变流体在管道中的流通截面积而引起动能与静压能改变来检测流量。结构：2．流体流量的测量其主要元件是在管道中插入的一块中心开圆孔的板。用U型管测量孔板前后的压力变化。原理：在孔板前、后截面之间列柏努利方程2.文丘里流量计（VenturiMeter）通过改变流体流通截面积引起动能与静压能改变来进行测量，其原理与孔板流量计相同。采取渐缩后渐扩的流道，避免使流体出现边界层分离而产生旋涡，因此阻力损失较小。原理：结构：文丘里流量计转子上下截面由于压差（p1－p2）所形成的向上推力与转子的重力相平衡。稳定位置与流体通过环隙的流速u0有关。在上大下小的垂直锥形管内放置一个可以上下浮动的转子，转子材料的密度大于被测流体。⑶转子流量计原理：结构：CR:转子流量计校正系数（也称为流量系数)

转子稳定时，浮力与静压力和重力相等：此时柏努利方程为：推导出3.4管内流体的阻力1．管、管件及阀门简介2．流动的形态3.管内流动阻力计算1．管、管件及阀门简介内摩擦力是流体阻力产生的根本原因，管道大小、内壁形状及粗糙度是流体阻力产生的外部条件。2．流动的形态⑴两种流动形态①滞流（层流）②湍流（紊流）流体内质点平行地沿着管轴直线运动，质点间互不混合流体内质点平行地沿着管道向前运动，质点间互相混合⑵流动形态的判据①

雷诺数Re≤2000滞流2000＜

Re＜4000过渡状态（滞流或湍流）Re≥4000湍流abd2d1②

当量直径de（非圆形管道）⑶滞流和湍流的特征滞流时的速度分布湍流时的速度分布⑷流动边界层流体受壁面影响而存在速度梯度的区域边界层：边界层厚度：自壁面流速达流体主体流速99%处的区域边界层分离：流体流过较大曲率的物体时，局部液体产生逆向流动或旋涡，使边界层从壁面分离的现象流动边界层3.管内流动阻力计算管内流动阻力可分为直管阻力和局部阻力液体在管路中的流动阻力与流体的动压头呈正比：：阻力系数⑴直管的阻力计算——范宁公式（Fanningequation）在1-1’和2-2’截面间进行能量衡算范宁公式（Fanningequation）①滞流时的摩擦阻力系数因流体必须有大小相等、方向相反的推动力克服摩擦阻力方能流动，即：积分：d=2R，u=umax/2代入，整理得：②湍流时的摩擦阻力系数析因实验表明，湍流时：故湍流情况下直管摩擦阻力系数的计算步骤如下：计算Re，判断流体流动情况滞流Re≤2000Re≥2000湍流例X3-7已知

/d=3.6610-3Re=1.5105

，试求

Re=1.5105湍流绘/d线该线与Re=1.5105

线交点纵坐标

=0.026⑵局部阻力损失计算管路系统中的阀门、三通等阀门、管件不仅会造成摩擦阻力(skin-friction)，还有流道急剧变化造成的形体阻力(form-friction)，产生大量旋涡而消耗机械能。流体流过这些阀件、管件处的流动阻力称为局部阻力。三通漩涡闸阀阻力局部阻力损失计算局部阻力系数法：当量长度法：

——局部阻力系数le——

当量长度利用当量长度共线图求le示例100mm的闸阀1/2关le=

22m100mm的标准三通le=

2.2m100mm的闸阀全开le=

0.75m流体管道计算小结(1)通过各段管路的质量流量不变，即服从连续性方程(2)全管路的流动阻力损失为各段直管阻力损失及所有局部阻力之和用柏努利方程进行计算时，要根据上述特点并视已知条件和要解决的问题而选择具体的计算方法。关于柏努利方程的小结对任一个包含流体输送机械在内的管路系统，柏努利方程表达了从输送起点（低机械能点）截面1-1到目标点（高机械能点）截面2-2之间流体的能量转换关系。由直管阻力损失计算式和局部阻力损失计算式可知式中各项单位为m流体柱，He为流体输送机械向每单位重量流体提供的机械能，∑hf

为管路系统的阻力损失3.5流体输送机械1.离心泵2.往复压缩机流体输送机械：为流体提供机械能的机械设备。工业流体的种类及输送方式与要求多种多样，因此流体输送机械的种类繁多。泵（Pumps）：输送液体的机械压缩机或风机（Compressorsandblowers）：输送气体的机械。真空泵（Vacuumpumps）：负压条件下工作的压缩机。按其工作原理，泵与压缩机又可分为：本节以离心泵为代表重点讨论其工作原理、结构和工作特性。⑴离心式：利用高速旋转的叶轮使流体获得动能并转变为静压能；⑵正位移式（往复式、旋转式）：利用活塞、齿轮挤压流体使流体获得静压能与动能；⑶其它如喷射泵：利用流体高速喷射时动能与静压能相互转换的原理吸引输送另一种流体。1.离心泵（CentrifugalPumps）离心泵是典型的高速旋转叶轮式液体输送机械，在泵类机械中具有很好的代表性。⑴离心泵的结构和工作原理叶轮（Impeller）泵壳（Volute）特点：泵的流量与压头灵活可调、输液量稳定且适用介质范围很广。自吸：泵内液体在叶轮中心入口处因加速而减压，使泵外液体在势能差的推动下被连续地吸入泵内。离心泵结构离心泵的特性曲线（Characteristiccurves）

HNqV～He曲线qV增大，He下降qV～Ne曲线qV增大，Ne升高qV～η曲线qV增大，η先升后降离心泵铭牌上标出的H、V、N性能参数即为最高效率时的数据。一般将最高效率值的92%的范围称为泵的高效区，泵应尽量在该范围内操作。（流量极小时例外）气缚现象泵启动前空气未排尽或运转中有空气漏入，使泵内流体平均密度下降，导致叶轮进、出口压差减小。或者当与泵相连的出口管路系统势压头一定时，会使泵入口处的真空度减小、吸入流量下降。严重时泵将无法吸上液体。解决方法：离心泵工作时、尤其是启动时一定要保证液体连续的条件。可采用设置底阀、启动前灌泵、使泵的安装位置低于吸入液面等措施。气缚现象离心泵的比例定律扬程之比轴功率之比流量之比例X3-8用清水测定某离心泵的特性曲线。管路流量为25m3/h时，泵出口处压力表读数为0.28MPa(表压)，泵入口处真空表读数为0.025MPa，测得泵的轴功率为3.35kW，电机转速为2900转/分，真空表与压力表测压截面的垂直距离为0.5m。试确定与泵特性曲线相关的其它性能参数（管道管径不变）。以真空表和压力表两测点为1，2截面列柏努力方程，有泵特性曲线性能参数有：转速n、流量qV、压头He、轴功率Ne和效率

。流量和轴功率已由实验直接测出，需计算压头和效率。解：【例X3-9】因距离短，

hf1-2可忽略不计；且动压头变化为零，则：对应的泵的效率为对应的泵的有效功率为离心泵的汽蚀现象与泵的安装高度离心泵的安装高度有一定的限度，超过这一限度泵就不能吸入液体，并可能造成气