流体的流动过程与输送机械.ppt

第一章 流体的流动过程与输送机械,化学工艺学,1 概 述,1.1 化工生产中流体的流动与输送流体是具有流动性的物质。流体的特征在于其质点几乎可以无限地流动,而且可以任意分割或改变其形状。物质三态中,液态与气态无一定形状,能够自由流动,因此,统称为流体。1.2 理想流体与实际流体在流体力学中,为了便于研究某些复杂的实际问题,而提出了理想流体这一概念。理想流体没有粘性,在流动过程中没有摩擦阻力产生,是不可压缩的。实际流体都具有粘性,在流动过程中产生摩擦阻力。实际液体的压缩性很小,可以认为是不可压缩的;实际气体当温度、压强变化时,其体积变化较大,是可以压缩的。,2 流体静力学及其应用,静止流体不表现出内摩擦阻力,分子间受力平衡。流体在静止状态时,所受各种力的大小,与流体的密度、压强等性质有关。2.1 流体静力学中的重要物理量流体的密度：压强：,关于压强的说明：,1.压强的单位 国际单位制(SI)中,压强的单位用Pa 表示,1 Pa=1 Nm-2。2.压强的表示方法 工业上用来测量系统内压强的仪表称为压强计(或称压力计),压强计上的读数是系统内的绝对压强与当地大气压强的差值。在实际生产系统(设备或管路)内,其绝对压强可能大于或者小于当地大气压强,工程上常把大于大气压的压强用表压强表示;而把小于大气压的压强用真空度表示。系统内的绝对压强、表压强和真空度三者之间的关系可表示如下:表压强=绝对压强-大气压强 真空度=大气压强-绝对压强,它们三者之间的关系,可以用下图表示：,2.2 流体静力学基本方程,该正立方体所受向下的力有：自身重力：G=g(z0-z)A 上面液体对顶面的压力：F0=p0A液柱底面上的压力：F=pA处于平衡状态的静止液体,其所受向上的力与向下的力大小相等,方向相反(液柱的前后、左右所受力,也是大小相等,方向相反)。可得 pA=p0A+g(z0-z)A,化简上式,可得流体静力学方程式:静力学基本方程式(1-3)说明流体静压强仅与流体的密度和该点的几何位置有关。如所取正立方体液柱的顶面为液面(液面受当地大气压强为pa),液柱高(z0-z)即为所取液柱底面的深度H,则式(1-3)变为：,2.3 流体静力学基本方程式的应用,压强计按功用分为三类:(1)表压强计 用以测量高于大气压的压强;(2)真空压强计 用以测量低于大气压的压强;(3)压差计 用来测量系统内两点间压强的差。按压强计的工作原理又可分为液柱压强计、弹簧管压强计和薄膜压强计等。,2.3.1 U 形管压强计,U 形管压强计如图1-4 所示,一般用透明玻璃管制成,管中盛有密度为i 的指示液。使用时,若U 形管一端与大气连通,另一端与所测系统连通,则可测量系统的表压强或真空度(当所测系统压强低于大气压时);若U 形管两端与所测系统内不同两处相连通,则可测量系统内该两处的压强差。,根据静力学基本方程式，可推导出：,上式为U 形管压强计测量压强差的计算式。由式中可以看出,压强差与U 形管两侧指示液液面差有关,与指示液和被测流体的密度有关,与U 形管的粗细无关。U 形管压强计中所用的指示液密度应比所测系统流体的密度大。工业上常用水、硫酸、四氯化碳和水银作为U 形管压差计的指示液。,3 流体稳态流动时的物料衡算和能量衡算,3.1 稳态流动与非稳态流动 在一个正常的连续生产过程中,管路及设备内任何与流动方向垂直的截面上,流体的温度、压强、组成及流量等都有确定的数值,且仅是位置的函数，并不随时间而变化,这种流动方式称为稳态流动。,3.2 流体稳态流动时的流量与流速,流体充满管路截面稳态流动时,流体质点在单位时间内所流过的距离称为流速。工程上所谓的流速是指该截面的平均流速。流体稳态流动时,单位时间内,流体流经垂直于流动方向的任一截面的流体体积量,称为体积流量。若单位时间内流经管路任一截面的流体量以质量表示,则称之谓质量流量。,平均流速与流量的关系为:,平均流速:体积流量:质量流量:,3.3 流体稳态流动时的物料衡算连续性方程,当流体充满导管作稳态流动时,根据质量守恒定律,在管路系统流体没有增加和漏失情况下,单位时间通过管路各截面的流体质量应相等。qm1=qm2=qm3,3.4 流体稳态流动时的能量衡算-伯努利方程(重点),不论是相对静止的流体,还是流动状态的流体,都具有一定的能量,服从能量守恒定律。3.4.1 流体流动过程的能量形式(1)位能 流体在重力作用下，因其所处位置距离某基准面有一定距离而具有的能量称为位能。位能表示流体在其自身重力下落至基准面所作的功。能量和功的单位在国际单位制中都是用焦耳(J)表示,用国际单位制中基本单位表示则为kgm2s-2(即Nm)。假设质量为m kg 的流体距某一基准面高度为zm,则所具有的位能为mgz J。,(2)动能 流体在管路中流动时,由于流动而具有的能量称为动能。由物理学知道,当质量为m kg的流体以v ms-1 的速度流动时,所具有的动能为1/2mv2 J,用基本单位表示为kgm2s-2(即Nm)。(3)静压能 静压能是流体由于静压强p所具有的能量。流体由于被压缩而具有向外膨胀做功的能力,当流体压强为p,体积为V 时,其能量总值等于pV。对于不可压缩流体而言,因静压能而做的功为Vp;对于可压缩流体,则为Vdp。若质量为m kg 的流体在其密度为,压强为p 时,它的静压能为m(p/),用国际基本单位表示为,(4)内能 流体由于内部分子运动而具有的能量称为内能(也称热力学能)。分子运动的速度随温度升高而增大,因而,内能也随流体的温度升高而增大,常用UJkg-1 表示每公斤物质所具有的内能。质量为m kg 的流体稳态流动时,在任一位置所具有的内能为Um J。质量为m kg 的流体稳态流动时,在任一位置所具有的总能量为以上各项能量之和:总能量=内能+位能+动能+静压能,3.4.2 理想流体流动过程的能量衡算,对于理想流体,由于不可压缩,故其密度不随压强变化;由于不具有粘性,在流动时没有摩擦阻力产生。流体流动过程中没有热量加入和引出,其流体的温度不变则内能无变化,而只有机械能之间的转化。即在任一流动截面i 上,流体的机械能量总和为一不变的常数:,根据能量守恒原理,在理想流体的连续稳态流动系统中,任取两个截面其总机械能应当相等，即：E1机械能=E2机械能 即：式(19a)是理想流体机械能量衡算的普遍式。常称为理想流体伯努利方程。流体能量衡算的基准不同，伯努利方程的形式也不尽相同。,伯努利方程的其他形式：（1）以单位质量（1kg）为基准，等式两边同除以m，得：（1）以单位重量（1N）为基准，等式两边同除以mg，得：,式(1 9c)中,每一项表示1 N流体所具有的能量,称为压头。z 项表示1 N的流体在高度为z 米处具有的位能,称为位压头,单位为J/N=m;p/g 项表示1 N流体所具有的静压能,称为静压头,单位也是m;v2/2 g 项表示1 N流体流动时所具有的动能,称为动压头或速度头,单位也是用m 来表示。,式(1 9c)中,各项压头之间的关系可以用图1-7 来表示。由图1-7 可以清楚地看出,理想流体稳态流动的管路任一截面,流体的总机械能或总压头是不变的,压头之间可以在一定条件下相互转化。,3.4.3 实际流体流动过程的能量衡算,实际流体具有粘性,在稳态流动过程中,由于有内摩擦阻力存在,要消耗一定的能量。为了保证流体在管路内稳态连续流动,需要从外界向管路系统补充能量。例如用泵作功给液体补充能量,在这种情况下,实际流体稳态流动的能量衡算方程式伯努利方程,可以写为：,式中,He 是泵为每牛顿流体提供的能量,相当于体系输入的能量，称为泵的压头(或称泵的扬程),其单位也是m;Hf 表示每牛顿的流体从1-1 截面到2-2 截面所消耗掉的机械能总和,相当于体系输出的能量，称为损失压头,单位也是m。,3.4.3 伯努利方程的讨论,（1）适用范围：式(1-10)是对于不可压缩流体而言,液体可近似地看作是不可压缩的。对于气体,其密度与体积都随温度和压强而变化。当气体被压缩时,一部分机械能转变为热能;当气体膨胀时,一部分热能转变为机械能。因此,在气体流动过程中,当温度、压强变化较大时,则不能用式(1-10)进行计算。但是,在工程计算时,在不同的场合下允许有不同程度的误差。只要压强和温度的变化在允许误差范围内,方程式(1-10)仍可应用。计算时,方程式中的密度取初始和最终的平均值即平均=(1+2)/2。,（2）与流体静力学方程的比较：流体静力学方程是伯努利方程的一种特殊情况。（3）方程各相意义：实际流体的伯努利方程中，动能、位能和静压能项分别由衡算截面上的流速、距基准面距离和静压强所决定，且各参数均有平均值意义。（4）He与泵功率：流体输送所需功率P是指单位时间内耗用的能量。（5）非稳态流动：任一瞬间伯努利方程仍成立，为微分式。（6）基准：所选基准不同，方程式也不同。,3.4.5 应用伯努利方程的注意事项：（1）作出示意图（2）选取截面和确定衡算范围（3）选取基准面（4）单位制统一例题1.3（重点）,4 实际流体的流动过程与阻力计算,实际流体分子间的作用力使流体流动时产生内摩擦阻力,阻碍流体的流动。实际流体流动时阻力的大小与流体的粘性等物理性质有关,也与流体流动的管路直径、管长、管壁粗糙度及流动类型有关。,4.1 流体的黏度,流体的粘性是流体流动时内摩擦阻力的表现。流体的粘性愈大,流动性愈小。衡量流体粘性大小的物理量称为粘度,常以符号表示。,为了明确粘度的物理意义,对粘度建立起一个定量的概念,可以宏观地说明如下:,如图上所示,假设有两块平行的平板,上下两板间充满了薄薄一层液体,若下板固定不动,对上板施加一恒定的外力F,使上板平行于下板作等速直线运动,运动平板带动了紧靠着它的一层液体而运动,而这层液体又将其动能传给邻近的液层,使之也向前运动。则两板间的液体将随着上板运动。但是这些液层之间的速率不同,离运动平板愈远的液层,运动速率愈小,与下边固定平板相邻的液体层速率最小,两平板间流体的速率变化呈线性关系。这是由于液体质点之间内摩擦阻力所造成的。这种内摩擦阻力的大小表现了流体粘性大小,作用力F 即等于两层之间摩擦阻力。,若两板间某液体层的速度为v,与其相邻的上层液体的速率为v+v,两液层垂直方向(y)的距离为y,则(v/y)表示速率沿法线方向上的变化率,称为速率梯度。管路内流体速度的变化如图1-9(b)所示,是曲线分布。实验证明,两层流体间接触面积(A)愈大,速率梯度愈大,则内摩擦阻力F 也愈大。这一关系可以表示为:,式中,比例系数称为粘度系数,简称粘度。粘度是流体的重要物理性质;=F/A 表示单位面积上所受的压力,力的方向与面平行,称为剪切应力。,4.2 流体流动的形态,4.2.1 雷诺实验与雷诺准数 雷诺实验装置,如图1-10 所示。通过雷诺实验可以观测流体的流动类型。恒位水槽中的清水流入玻璃管中,在玻璃管入口中央有同墨水瓶连接的细管,玻璃管清水出口可通过控制阀调节管中的水流速度。,（1）当流速不大时,可以观察到墨水在玻璃管中央沿轴向作平行而有规律的直线运动,与管中主体水流不相混,如图1-10(a)所示,把这种流动状态称为滞流(或层流);,（2）当玻璃管中的水流速率增大到某一值时,墨水流有可能开始波动以致骚乱,并有可能进一步与管中主体水流混合,说明各质点的运动速率在大小和方向上均可能发生变化,这种流动状态称为过渡流,如图(b)所示;（3）当玻璃管中的水流速率继续增大,墨水流出细管小口后就迅速与管中主体水流混合,这种流动状态称为湍流(或紊流),如图(c)所示。,采用不同性质的流体和不同直径的玻璃管进行上述实验的结果证明:流体的流动类型除了同流速(v)有关外,还和管子直径(d)、流体的粘度()、流体的密度()有关。雷诺将这四个物理量用统一的单位制表示,组成一个量纲一的参数,并用符号Re 表示为：,Re 称为雷诺数，反应流体流动时的湍动程度，根据雷诺数大小可以判断流体的流动类型。当Re 小于2 000 时,流体在平滑管内的流动属于明显的滞流;当Re 大于4 000 时,流体的流动类型属于湍流;在2 000 Re 4 000的范围内,流体的流动类型是从滞流到湍流的过渡流状态,可能是滞流,也可能是湍流,视具体情况而定。故把Re=2 000 称为下临界值。在通常情况下,只有当Re10 000 时,才能认为是稳定的湍流。,4.2.2 流体在圆管内的速率分布与流动边界层 当流体充满管路作稳态流动时,由于流体的粘性而产生的摩擦阻力,使流体的速度在圆管内分布不均匀。一般是管路中心速度最大,愈近管壁流速愈小,以至于管壁处流速为零。,当流体在圆管内流动呈滞流状态时,流体质点在管内是一层一层地位移,层与层之间的流体分子只因扩散而转移,没有干扰。流体的流速沿管子断面呈抛物线分布,管中心流速最大,愈近管壁流速愈小,管壁处流速为零。管内流体的平均流速(vm)是最大流速(vma x)的1/2。,当流体在圆管内湍流流动时,流体质点作不规则的运动而互相碰撞,流体质点剧烈地扰动而产生漩涡,只有靠近管壁处还保留很薄一层滞流状态。流体在管内湍流时的流速分布状况与抛物线相近,但顶端稍平坦。湍流程度愈高,速率分布曲线顶端愈显得平坦,靠近管壁处的滞流层愈薄。湍流时的平均流速约为管中心最大流速的0.8 倍。,综上所述，在管内无论流体稳态滞流流动还是稳态湍流流动,靠近管壁处速率都是最小,甚至为零,离开管壁后流速增大,到管中心流速最大。应用边界层概念可将流动流体分成两个区域，这样就将黏性的影响限制在边界层内，可使流体流动问题大为简化。,4.3 实际流体流动过程的阻力计算,流体在流动过程中由于粘性产生摩擦阻力,会消耗一部分能量,故实际流体伯努利方程式中有损失压头Hf 项。流体在管路中流动时由于摩擦阻力所产生的损失压头可以分成两种类型:(1)流体沿直管流动时,摩擦阻力所产生的损失压头,称为直管阻力损失压头;(2)在流体流动过程中,由于流速大小和方向的改变,摩擦阻力所产生的损失压头,称为局部阻力损失压头。例如流体流过阀门、弯头等管件时,引起的涡流而产生的损失压头皆是局部阻力损失压头。,4.3.1 流体在直管中流动的阻力,流体在直管中流动时摩擦阻力的大小,不仅随速度头增大而增加,还与流体流经的管长l 成正比,而与管径d 成反比。因此,因摩擦阻力而产生的损失压头可表示为:,流体流动时,因摩擦阻力所消耗的能量除可用上述的损失压头表示外,还可以用压强降p表示：,式中称为摩擦阻力系数,它与雷诺数Re 及管路内壁的粗糙程度有关,可由实验测定求出。摩擦阻力系数与雷诺数Re 及管路相对粗糙度的关系,如图1-12 所示。管路相对粗糙度是管壁绝对粗糙度与管路内直径d 的比值/d。管壁绝对粗糙度为管内壁平均凸凹深度,可从手册中查到。,在工程计算中,可以根据雷诺数及管路相对粗糙度,由图1-12 中查出所对应的摩擦阻力系数值;也可以由下列经验公式计算求得:(1)当流体在管路中的流动属于滞流类型(Re2 000)时,与Re 成直线关系,可以由式(1-14)计算:(2)当流体在管路中的流动属于湍流类型(Re 4 000)时,分两种情况:对玻璃管、塑料管或新钢管等这些管内壁光滑的管路,当Re 为3103 1105 时,可按下式计算:粗糙管中(例如水泥管、铸铁管、旧钢管等),当Re 105 时,摩擦阻力系数接近一常数;当Re=3103 1106 时,我国顾毓珍教授建议采用下式计算:,4.3.2 流体流动过程的局部阻力,流体在管路中流动,由于管路截面的突然扩大或缩小,会引起流速的变化;流体流经管路弯头或阀门等管件时,流动方向会发生改变;这些都会使流体质点间发生碰撞和剧烈湍动而消耗能量,这种阻力损失称为局部阻力损失。流体湍流流动时,局部阻力损失有两种算法:(1)局部阻力系数法 根据阻力损失公式计算:,式中称为局部阻力系数,其值由实验测定。常用的局部阻力系数,如表1-2 所示。,(2)当量长度法 将各种局部阻力折合成为相当于直管某长度的摩擦阻力,从而可与直管阻力合并在一起进行计算。与局部阻力相当的直管长度称为当量长度,用le 表示。那么,总的阻力为：,管件和阀门在湍流时的当量长度与管径之比,列于表1-3。,5 流体流量的测量,5.1 压差式流量计孔板流量计 压差式流量计是基于流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时所产生的压强差实现流量的测量的。,流量计主要是一片中央开孔的薄板安装于流体管路中,孔板前后有连接压强计的测压孔口与U 形管液柱压差计相连接。当管路内的流体连续稳态地流经孔板的小孔时,因为管径突然缩小而流速骤增。根据流体能量衡算方程式,流体在水平管路中流动时,如果动压头增大,静压头必然相应减小,在孔板前后测压孔处所显示的静压强就不同。对于不可压缩流体,其密度不变,能量衡算式为:,水平安装，则Z1=Z2,测压孔处流体束截面积和流速很难测定，因此，用已知孔板小孔截面积A0和孔口流速V0代替，根据连续性方程:若将V1、V2与V0的关系代入能量衡算式，整理可得：C0是一个总校正系数，称为孔板流量计的孔流系数，可以从手册中查到。,5.2 文丘里流量计（自学）5.3 转子流量计(自学),6 流体输送机械,6.1 流体输送机械泵 在化工生产中,常常需要将液体从低处送到高处;从低压升至高压;或者要求保持一定的流量。这些都需要一定的流体输送机械,输送液体的机械设备称为泵。泵的种类很多,有离心泵、往复泵、漩涡泵、齿轮泵、喷射泵等。,6.1.1.离心泵(1)离心泵的构造及工作原理 离心泵是最常见的一种液体输送机械。它是由叶轮、蜗形泵壳、轴封装置构成的。按叶轮的数目,离心泵有单级泵和多级泵之分。单级泵在泵轴上只安装一个叶轮;多级泵在同一泵轴上安装多个叶轮,液体顺序地流经一系列的叶轮,所产生的压头为各个叶轮所产生的压头之和。若按照液体进入叶轮的方法,离心泵又分为单吸式离心泵(液体从叶轮一侧进入)和双吸式离心泵(液体从叶轮两侧同时进入)。,图1-17 离心泵简图 1 泵壳;2工作叶轮;3 泵轴;4 吸入导 管;5 压出管;6 滤网和单向阀,叶轮一般有612 个向后弯曲的叶片。叶轮又分为敞式、半蔽式和蔽式三种,如图1-18 所示。,离心泵开始工作前必须先将被输送的液体灌满泵壳和吸入管路;当叶轮在泵轴带动下旋转时,叶片间的液体便随之旋转,在离心力作用下,叶片间的液体流入叶轮与蜗形泵壳间而排出。泵的工作过程是液体从叶轮所获得的动能转变为静压能的复杂过程。在离心泵的工作过程中,液体的吸入和排出都是连续而均匀的。,(2)离心泵的基本性能参数 离心泵的基本性能参数有:泵的流量、泵的扬程、泵的功率和效率,泵的最大吸入高度和压出高度等。泵的流量 单位时间内泵所能排出的液体量,称为泵的流量，也称泵的送液能力,它表示泵的生产能力。通常泵的铭牌上用qv表示,单位用Lmin-1、m3min-1、m3h-1 等。,泵的扬程 泵作功给单位质量液体所增加的总能量,称为泵的压头或扬程,常用He表示,单位为m。泵的压头就是液体进泵前和出泵后的总压头增加值,在讨论实际流体能量衡算时已经提到,可根据伯努利方程来计算。图1-19为离心泵装置示意图,B-B水平面上的离心泵将A-A水平面上的液体输送到C-C面高度的液池。按图示尺寸,列A-A与C-C两截面的能量衡算方程式并进行简化,得到泵的压头He 为由上式可见,泵的压头不单是泵将液体升扬的高度H总,还包括静压头、动压头和损失压头的变化。,泵的最大吸入高度和压出高度 如图1-19所示,离心泵的吸入高度为A-A面至B-B面的垂直距离H吸入;离心泵的压出高度为B-B面至C-C面的垂直距离H压出。以A-A面为基准面,列A-A与B-B面能量衡算方程,可得到从式(1-25)可以看出,影响离心泵吸入高度的因素有:当贮液池为敞口时,pA为当地大气压强,泵进口的压强p进必须大于液体的饱和蒸气压p饱和,否则泵入口处的液体将会沸腾形成气泡，当含有大量气泡的液体由泵低压区进入高压区时，气泡受压凝结造成局部真空，在周围高压液体作用下产生几十兆帕的冲击压强，使叶轮和泵遭到损坏，这总显现叫做汽蚀。,另外，吸入管的动压头，其值越小越好，泵吸入管路中液体的摩擦阻力Hf愈大,吸入高度愈小。因此,泵的吸入管一般都是直径大,弯头少,以减小阻力损失Hf。泵的功率和效率 单位时间内泵对液体所作的有效功,称为泵的功率,用Pe 表示。离心泵对液体所作的有效功率为：,单位时间内离心泵的轴所消耗的功,还包括机械摩擦所消耗的能量,液体的漏失以及泵的实际压头与理论压头的差别等项能量消耗。因此,离心泵的实际功率(或轴功率)恒大于有效功率(或理论功率)。二者之比称为泵的效率,用总来表示。因此,离心泵轴所消耗的实际功率为：,(3)离心泵的特性曲线离心泵在出厂时,铭牌上一般都标有转数(n)、排液量(qv)、压头或扬程(He)、功率(N轴)和效率(总)等项数据。这些数据指标是在泵的工作效率最高时的数值。但是在实际应用中,当其中一个发生变化时,其他指标也随之变化。因此,通常用实验方法测出这些量之间的关系,即将离心泵在固定转数下其实际送液能力、压头、功率和效率的关系作成曲线,称为该泵的特性曲线。,He-qv,总-qv,P轴-qv,图1-20 为某离心泵n=1 450 rmin-1 时的特性曲线。He-qv 曲线表示离心泵的扬程与实际送液能力的关系;P轴-qv 曲线表示离心泵的轴功率与实际送液能力的关系;总-qv曲线表示离心泵的总效率与实际送液能力的关系。泵的结构型式不同,其特性曲线也不同。一般离心泵出厂前都通过实验测定,而将其特性曲线附在说明书中,作为选择泵的依据。选择泵时,一般应以泵在最高效率附近的性能为准。要保证既能达到要求的压头,又能满足工艺上的送液量。,