化工原理总结

第1章流体流动●本章主要内容：(1)静力学方程及其应用；(2)柏努力方程及其应用；(3)流动阻力及管路的计算；(4)流速及流量的测量。●本章重点：流体流动中的连续性方程及柏努力方程。并运用这些基本理论去分析和解决流体的输送问题。混合液体的密度：公式应用条件：混合前后体积不变，则1kg混合液的体积等于各组分单独存在时的体积之和。（3）气体密度的计算气体的密度随温度和压强而变化nwnBwBAwAmxxx1wAxwBxwnx——液体混合物中各组分的质量分数当气体的压强不太高、温度不太低时，气体密度可按理想气体状态方程来计算。上式中的ρ0为标准状态下气体的密度，T0、p0分别为标准状态下气体的绝对温度和绝对压强。混合气体的密度：RTpMmmnnBBAAmyMyMyMMRTpMVm000TppT（2）流体的粘度液体的粘度随温度升高而减小，气体的粘度则随温度升高而增大。压强变化时，液体的粘度基本不变；气体的粘度随压强增加而增加的很少，在一般工程计算中可忽略不计。国际单位制中粘度的单位为Pa•s物理单位制的粘度单位为P（泊）和cP（厘泊），它们的换算关系如下：1Pa•s=10P=1000cP（重点）粘度与密度之比称为运动粘度，以ν表示混合气体和液体的黏度用P141-8、1-9计算（1）压力的单位在SI制中，压力的单位是N/m2，称为帕斯卡，以Pa表示。也可用其它单位表示：atm（标准大气压）、at（工程大气压），某流体柱高度或kgf/cm2等。（2）单位换算1at=9.81×104Pa=1.0kgf/cm2=10.0mH2O=735.6mmHg1atm=1.013×105Pa=1.033kgf/cm2=10.33mH2O=760mmHg（3）压力的基准压力可以有不同的计量基准绝对压力:以绝对真空(即零大气压）为基准。表压：以当地大气压为基准。表压＝绝对压力－大气压力真空度＝大气压力－绝对压力（1）U形压差计在正U形管中要求指示剂密度大于工作介质密度gZpp110gRgZpp0220)(021Rgppp一、压强与压强差的测量1.3流体流动的基本方程1.3.1流量与流速(一)流量（1）体积流量：单位时间内流体流经管道任一截面的流体的体积，称为体积流量，以表示，其单位为m3/s或m3/h。（2）质量流量:单位时间内流体流经管道任一截面的流体的质量，称为质量流量，以表示，其单位为kg/s或kg/h。体积流量与质量流量之间的关系为SVSWSSVW（二）流速(1)平均流速：流速是指单位时间内液体质点在流动方向上所流经的距离。流量与流速关系为：u＝Vs/A（重点）(2)质量流速：单位时间内流体流经管道单位截面的质量称为质量流速（massvelocity），以G表示，单位为kg/m2·s。G＝Ws/A=ρAu/A=ρu（重点）例1-3用内径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，试求此空气在管内的流速和质量流速（取空气的平均分子量为Mm=28.9）。1.3.3连续性方程式•根据质量守恒定律，从截面1-1进入的流体质量流量应等于从截面2-2流出的流体质量流量，即Ws1＝Ws2•ρ1A1u1＝ρ2A2u2此关系可推广到管道的任一截面，•即ρAu＝常数。若液体不可压缩，ρ＝常数，则上式可简化为Au＝常数。•对于圆形管道，可得•22112)(dduu（重点）H称为压头或扬程，其物理意义为单位重量流体流经泵所获得的能量，单位为m。fehupgzWupgz2222222111We为单位质量流体流经泵所获得的能量，也称为有效功，单位为J/kg。（非常重要）实际流体的柏努利方程式（单位质量）有效功率：单位时间输送设备所作的有效功。以Ne表示：SeeWWNeNN（重点）离心泵的轴功率用N表示：fehupgzWupgz2222222111实际流体的柏努利方程式（单位体积）,单位为Pa1.3.5柏努力方程式的应用（1）流量、流速；（2）容器的相对位置；（3）管路中的流体压强；（4）管路中所需的外加能量。Ws的单位必须是kg/s层流特点：质点始终沿着与管轴平行的方向作直线运动，质点之间互不混合。圆管中的流体就如一层一层的同心圆筒在平行地流动。（滞流）湍流特点：流体质点除了沿着管道向前流动外，各质点还作剧烈的径向脉动。（紊流）层流与湍流的区别：层流只有轴向运动，而湍流不仅有轴向运动，而且还有径向运动。Re≤2000时，流动类型为层流；Re≥4000时，流动类型为湍流；2000＜Re＜4000，过渡区，流动类型不稳定。1.4.2流体在圆管内流动时的速度分布层流流动时的速度分布为抛物线形状。管中心的流速最大，向管壁的方向渐减，靠管壁的流速为零。平均速度为最大速度的一半。湍流速度分布：类似抛物线，顶部宽阔而平坦，管壁较陡。Re↑，顶部越平坦，管壁越陡。（近似）u=0.82umax层流底层：δ，在靠近管壁的区域，仍有一极薄的流体作层流流动，称为层流内层或层流底层。流体的湍流程度越大，层流底层越薄。层流底层的存在，对传质、传热有重要影响。u↑,湍动程度↑，δ↓。1.5流体在管内的流动阻力流动阻力产生的内因是流体的粘性，外因是流动。流体在管内流动的总阻力=直管阻力+局部阻力直管阻力：指流体流经直管时，由于流体流动产生的内摩擦力而产生的阻力。局部阻力：指流体流经管件、阀门等由于改变方向产生旋涡而产生的阻力。fffhhh1.5.1流体在直管中的流动阻力（1）计算圆形直管阻力的通式（范宁公式）λ—摩擦系数，λ与流体流动状况、管路粗糙度有关22udlhf22udlhpff或（2）管壁粗糙度对摩擦系数的影响化工所用管道分为光滑管和粗糙管。管径常以ΦA*B表示，其中A指管外径，B指管壁厚度（3）层流时的摩擦系数Re64232dlupf层流时的哈根-波谡叶方程（重点）（4）湍流时的摩擦系数湍流时摩擦系数是通过因次分析（量纲分析）和实验得到与Re和相对粗糙度的关系。并绘在图上，P44，该图可分为四个区域：①层流区：Re≤2000，λ与Re为直线关系，而与ε/d无关。阻力损失与速度的一次方成正比。λ可计算，也可以查图。λ=64/Reλ=f(Re)②过渡区：2000Re4000，流动类型不稳定，为安全起见，一般按湍流计算λ。③湍流区：Re≥4000及虚线以下的区域λ=f(Re,ε/d)。Re较小，λ集中；Re较大，λ分散ε/d=const：Re↑，λ↓；Re=const：ε/d↑，λ↑④完全湍流区：λ仅与ε/d有关，而与Re无关。Re一定时，λ随ε/d增大而增大，阻力损失与速度的平方成正比，称为阻力平方区。（5）流体在非圆形直管内的流动阻力当流体在非圆型管内湍流流动时，计算阻力时d用当量直径de代替。当量直径：4倍的流通截面积除以流体润湿周边长度de——当量直径，m；rH——水力半径，m。HerAd44baabbaabde2)(24对于矩形管长为a,宽为b22udlhef（1）阻力系数法22uhfu为管中流体流速，ξ为局部阻力系数管件不同ξ也不同，其值由实验测定突然扩大时，突然缩小时，注意：计算突然扩大或突然缩小的局部阻力损失时，流速u均为细管中的流速。当流体从管道中流入截面较大的容器，或气体从管道排放到大气中，ξ=1流体自容器进入管的入口，相当于自很大的截面突然缩小到很小的截面，ξ=0.5221)1(AA212)1(5.0AA2、当量长度法此法是将流体流过管件或阀门所产生的局部阻力损失，折合成流体流过长度为Le的直管的阻力损失。Le由实验测定。P4822udlhef1.5.3管路系统的总能量损失管路系统的总阻力损失包括直管阻力损失和所有管件、阀门等的局部阻力损失。若管路系统中的管径d不变，则总阻力损失计算式为：2)(2udllhef(2)已知d、l和∑hf及管路设置，求管路的输送量Vs。(3)已知l、∑hf、Vs及管路设置，确定输送管路的管径。（1）简单管路（2）复杂管路①并联管路并联管路特点：总流量等于各支管流量之和；a)V＝V1＋V2＋V3单位质量流体流经各支管的阻力损失相等。b)hf1=hf2=hf3=hfAB123AB根据hf1=hf2=hf3各支管的流量比即d增大，l下降，流量越大。232333522222512211122111112111888)4(212dVldVldVldVdludlssss335322521151321::::ldldldVVVsss②分支管路：流体在主管处有分支，但最终不再汇合的管路称分支管路。P55例1-25V＝V1＋V2＋V3＋……可在分支处将其分为若干简单管路，然后按一般的简单管路计算，在计算分支管路所需的能量时，须按耗用量最大的那支管路计算。测量流量的原理：管道中流体的流量愈大，在孔板前后产生的压差ΔP=P1-P2也越大，Vs与ΔP互为一一对应的关系。所以只要用差压计测出孔板前后的差ΔP，就能知道流量Vs。)(2CVs000RgA)(22u0000gRCpCC0:流量系数或孔流系数，无因次，其数值在0.6左右，可通过实验测得。P71（重点）第2章流体输送机械概述流体从低处→高处；低压处→高压处；所在地→较远处；需要对流体做功，增加流体的机械能。流体输送设备（通用机械）：液体输送设备——泵；气体输送设备——通风机、鼓风机、压缩机或真空泵。作用：向系统输入能量，补充所需机械能；用于流体的输送或加压。（3）效率泵的效率就是反映能量损失的大小。能量损失的原因①容积损失：泵的泄漏造成的。容积效率η1。②水力损失：由于流体流过叶轮、泵壳时产生的能量损失。水力效率η2。③机械损失：泵在运转时，在轴承、轴封装置等机械部件接触处由于机械磨擦而消耗部分能量，机械效率η3。泵的总效率η（又称效率）η＝η1×η2×η3对离心泵来说，一般0.6~0.85左右，大型泵可达0.90。（4）轴功率离心泵的轴功率是指泵轴所需的功率。当泵直接由电动机带动时，它即是电机传给泵轴的功率，以N表示，其单位为W或KW。泵的有效功率可写成gQHNeeNN由于有容积损失、水力损失与机械损失，所以泵的轴功率N要大于液体实际得到的有效功率，即泵在运转时可能发生超负荷，所配电动机的功率应比泵的轴功率大。在机电产品样本中所列出的泵的轴功率，除非特殊说明以外，均系指输送清水时的数值。2离心泵的特性曲线•一、离心泵的特征曲线•（1）H--Q曲线•（2）N--Q•（3）η--QQ↑,H↓Q↑,N↑Q=0,η=0注意：特性曲线是在一定转速下测定。最高效率点称为设计点。离心泵的铭牌上标出的性能参数就是指该泵在运行时效率最高点的性能参数。启动离心泵时，为了减小启动功率，应将出口阀关闭。高效率区：ηmax×92%3、离心泵的性能的改变和换算1）液体物性对离心泵特性的影响(1)密度的影响离心泵的压头、流量、效率均与液体的密度无关。但泵的轴功率与输送液体的密度有关，随液体密度而改变。因此，当被输送液体与水不同时，原离心泵特性曲线中的N—Q曲线不再适用。(2)粘度的影响若被输送液体的粘度大于常温下清水的粘度，则泵体内部液体的能量损失增大，因此泵的压头、流量都要减小，效率下降，而轴功率增大，亦即泵的特性曲线发生改变。2）离心泵的转速对特性曲线的影响当转速n改变时，泵的流量Q、压头H及功率N也相应改变。对同一型号泵、同一种液体，在效率η不变的条件下，Q、H、N随n的变化关系如下式表示。适用条件：同一型号泵、同一种液体，在效率η不变的前提下。3）叶轮直径对离心泵特性的影响当离心泵的转速一定时，通过切割叶轮直径D，使其变小，也能改变特性曲线。(称为切割定律)32222222)(,)(,DDNNDDHHDDQQ适用条件：同一