第1章 流体流动与输送-1

第一章流体流动与输送流体：没有固定形状，可以自由流动的物质。流体理想流体：一种无粘性，在流动中不产生摩擦阻力的流体。实际流体理想气体理想液体(1)μ=0(2)绝对不可压缩2§1.1流体静力学1.1.1密度、相对密度、比容、比重流体密度：单位体积流体所具有的质量。)P,T(f3mkgVm•液体的密度基本上不随压力变化（极高压力除外），但随温度变化稍有改变。•气体的密度则随温度和压力的改变而变化较大。单位：kg·m-3符号：影响因素:3混合物的密度•液体混合物的密度•气体混合物的密度nn3322111wi液体混合物中各组分的质量分数纯组分密度的数据查工具手册获取。RTpMVnMVm对理想气体密度的获得液体混合物中各组分的密度innmyyy2211RTpMmmnnmyMyMyMM22114练习•苯和甲苯混合液中含苯0.44（摩尔分数），试求该混合液在20℃下的平均密度。•空气中各组分的摩尔分数为；0.21O2，0.78N2，0.01Ar，试求标准状况下空气的平均密度，并将求得的结果与从手册中查到的结果相比较。再求绝对压强为38×103Pa，温度为20℃时空气的平均密度。5•相对密度:指给定条件下，某一物质的密度1与另一参考物质的密度2之比•单位：无•符号：d21d比重:一般各物质的比重是指某物质在某温度下的密度与4℃水密度之比单位：无符号：d如：硫酸的比重为相对密度841204.d比重•比容:单位质量物料所具有的体积.kgmmV3161.1.2压强•压强:垂直作用于单位面积上的力。•符号：PAFP1标准大气压(atm)=101325Nm-2=760mmHg柱=10.33mH2O柱1工程大气压(at)=9.807104Nm-2=735.6mmHg柱=10mH2O柱•单位换算关系P=gh•现在压力表常用Mpa表示,1Mpa=106Pa•单位：N/m2(=帕斯卡Pa),大气压atm,mmHg,mH2O,工程大气压at(=公斤力/厘米2)7压强表示方法：表压强，绝对压强，真空度•表压强=绝对压强-大气压强•真空度=大气压强-绝对压强•真空度=-表压强1个标准大气压（表压为零；真空度为零）绝对零压力参考指标01atm测压点1测压点2测压点3绝对压强绝对压强表压强真空度真空度是表压强的负值,设备内流体的绝对压强越低,其真空度越高.8练习:表压还是真空度?测量体系h测量体系h9思考：表压和真空度是绝对不变的吗？大气压随海拔高度而变化，故绝对压强是唯一的，而表压和真空度是变化的。例：在兰州操作的苯乙烯真空蒸馏塔顶的真空表读数为80×103Pa。在天津操作时，若要求塔内维持相同的绝对压强，真空表的读数应为多少？兰州地区的平均大气压强为85.3×103Pa，天津地区的平均大气压强为101.33×103Pa。绝对零压兰州大气压绝压(要求不变)兰州真空度天津大气压天津真空度？101.1.3流体静力学基本方程式P1A+G=P2AP1A+hAg=P2AP1+hg=P2P1+(Z1-Z2)g=P2P2=P0+(Z1-Z2)g当液柱上端与上液面持平，P1=P0ghP011流体静力学方程式的讨论)h,(fP１.Po一定时在静止的、连通的同一种液体内，处于同一水平面上的各点的压力都相等。ghPP0２.P0改变时，液体内部各点的压力也发生同样大小的改变。３.压力或压力差的大小可用液柱高度来表示。同一压强，因不同的流体密度不同，h值不同,因此用液柱高度表示流体的压强必须注明是何种流体。121.1.4流体静力学方程应用实例U型管压差计'PPAAp1p2RZAA'ρoρP1-P2=ρ0gRU型管压差计gRgZPPA1gRgZP'PoA2gR)(PPo2113液位计PA=PB11ghpPA22ghpPB1122ghpghp21hh14液封ghppA水gpphA水15§1.2流体流动•在流动系统中，若任一截面处的流速、压强、密度等有关物理量仅随位置而变，但不随时间而变，这种流动称为定态流动。•若流体流动时，流体任一截面处的有关物理量既随位置又随时间而变，则称为非定态流动。1.2.1定态流动与非定态流动定态流动非定态流动161.2.2流量与流速流量：流体在管道中定态流动时，单位时间内流过管道任一截面的流体量，称为流量,常以q表示。流量tVqV质量流量：以qm（单位kg·s－1）体积流量：以qV（单位m3·s－1）tmqmvmqq17流速•流体流经管道任一截面上各点的流速并不相同。管截面中心处流速最大，越靠近管壁流速越小，通常以平均流速表示。•流速即单位时间内流体在流动方向上流经的距离称为流速，符号为u，其单位为m·s-1。AquV•体积流量qV，质量流量qm及流速u之间关系AuqqVm18•流速的选择：流量一般由生产任务所决定，所以关键在于选择合适的流速。管径uqdV4udqV241外径壁厚流速投资费操作费管径动力消耗19表1-1某些流体在管道中的常用流速范围流体的类别及流动情况流速范围/m·s－1自来水（3×103Pa左右）1~1.5水及低粘度液体（1×105~10×105Pa左右）1.5~3.0高粘度液体0.5~1.0工业供水（8×105Pa以下）1.5~3.0锅炉供水（8×105Pa以下）3.0饱和蒸汽20~40过热蒸汽30~50螺管、蛇管内的冷却水1.0低压空气812~15高压空气15~25常压下一般气体10~20真空操作下气体流速1020例用泵从贮液槽中抽液送到高位槽，已知输送量为44000kg·h-1，液体的密度为850kg·m-3，流速为2m·s-1，求输送管路的直径。解：uqdV4m..d09570sm2sm014404113因计算得到的d值，市场上可能无此规格的管子供应，故要选择与此尺寸相近的管子代替。根据附录中管子规格，选用ф102mm×3.5mm的热轧无缝钢管，其内径为：d=0.102m－2×0.0035m=0.095m13310144.0mkg8503600hkg44000smsqqmV211.2.3流体流动的连续性方程图1流体定态流动时的质量衡算qm,1=qm,2因qm=uAρ，故上式可写成：u1A1ρ1=u2A2ρ2将上式推广到管路中任意截面，可得：u1A1ρ1=u2A2ρ2=uAρ=常数u1A1=u2A2=uA=常数说明在定态流动系统中，流经各截面的不可压缩流体不仅质量流量相等，而且其体积流量也相等。对于截面为圆形的管道2121221)(ddAAuu22•动能：动能=•静压能：设qm的流体体积流量为qv，单位时间内通过截面的流体流经距离为qv/A。通过截面时受到压力为pA，则流体压过截面所作的功为：•位能：位能=qmgz22'1'1u2u1Z2Z11.2.4伯努利(BernoullisEquation)方程221uqmvvvvqpAqApqpAqAp22221111)/)(()/)((vvvvqpAqApqpAqAp22221111)/)(()/)((23单位2222222111upgzupgzqqqqqqmvmmvmJ·s－12222222111upgzupgzJ·kg－1gugpzgugpz2222222111m位压头静压头动压头理想流体能量衡算式理想流体伯努利方程式22'1'1u2u1Z2Z124•伯努利方程即表示流体流动过程中，各种形式能量之间的转换关系。•物质所具有的能量形式有多种，但对不可压缩流体作定态流动时，则只考虑各种形式机械能的转换，其能量衡算也只是机械能的衡算。•因能量不会自行产生，也不会自行消灭，只能从一种形式转变为另一种形式，但总能量不会增加或减少，若在流体流动过程中，无能量加入或损耗，则：输入能量=输出能量25Z1Z2Z333221121f2222e2111hg2ugpzHg2ugpz外加压头或泵压头损失压头32f2333222222hgugpzgugpz基准面26伯努利方程式的讨论•只适用于理想流体作定态流动且无外功输入的情况。•伯努利方程表明，单位质量流体在任一截面上所具有的位能、动能和静压能之和为一个常数。即机械能守恒，总能量不变，但能量之间可以互相转换。2223332222upgzupgzgugpzgugpz222333222227•为实际流体作定态流动的能量衡算式。由于实际流体在流动过程中需克服摩擦阻力作功而消耗掉一部分能量，若无外功输入时，系统的总机械能沿流动方向将逐渐减小。即实际流体在管路内流动时，其上游截面处的总机械能大于下游截面处的总机械能。fehgugpzHgugpz222222211128•伯努利方程式中的静压强项，在计算时表现为两截面的压差，在计算时应注意两截面压强的表示方法应统一，如都用绝对压强代入，或都用表压强代入。fehgugpzHgugpz2222222111mgHeJ/kgmegqHJ/s=WePffWgh291.2.5伯努利方程的应用计算管路中流体流动的流量和流速如左图所示，水槽液面维持不变，水槽液面距水管出口的垂直距离为6.5m，水管为ф114mm×4mm的钢管，流经全部管路的阻力损失为59J·kg－1，求管中水的流量为多少m3·h－1。(ρ水=1000kg·m－3）30∑hf=59J·kg－1ф114mm×4mm解：以水槽液面为1-1截面，水管出口为2-2截面，以水平管的中心线为基准面，在两截面间列伯努利方程。fhgugpzHegugpz2222222111He=0，z1=6.5m，z2=0，u1=0，p1=p2=0（按表压计），∑hf=59J·kg－1，d内=0.114m－2×0.004m=0.106mu2=3.09m·s－11313122h28.980273.0sm09.3)m106.0(44msmudqV31确定容器间的相对位置如图所示，将密度为850kg·m－3的原料液送入精馏塔中，高位槽液面维持恒定，塔内表压强为9.81×103Pa，进料量为5m3·h－1，连接管为φ38mm×2.5mm的钢管。料液在管内流动时的能量损失为3.05m液柱，问高位槽的液面应比精馏塔的进料口高出多少米？32解：以高位槽液面为1-1截面，进料口为2-2截面，并以进料口水平管的中心线为基准面，在两截面间列伯努利方程。得：fhgpguzgpguz2222121122z2=0；p1=0（表压）；u1=0；d=0.038m－2×0.0025m=0.033m，fhgpguz2221212113262.1)033.0(436005smmhshmAquVm.m.sm.mkgPasm.)sm.(z3640538198509810819262123221133确定输送设备的有效功率如下图所示，用泵将贮槽中密度为1100kg·m-3的溶液送到蒸发器中，贮槽内液面维持恒定，其上方压强为101.3×103Pa。蒸发器内为真空操作，其压强为2.67×104Pa(真空度)。蒸发器进料口高于贮槽内的液面14m，输送管道的直径为φ68mm×4mm。进料量为20m3·h-1，溶液流经全部管路的能量损失为110J·kg-1，求泵的有效功率。34如本题附图所示，某药厂将从植物中萃取出的溶液，用泵经ø57mm×3.5mm的不锈钢管从开口槽A送往楼上车间的密闭槽B中作进一步处理。两槽液面均维持恒定，B槽液面高于进口管1m，进口管又高于A槽液面20m。B槽上方压强表读数为110×103Pa。流动系统中总能量损失为70J/kg，不包括由管子进入B槽