流体的流动过程与输送机械.ppt

《流体的流动过程与输送机械.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《流体的流动过程与输送机械.ppt（59页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、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

2、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

3、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(

4、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

5、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

6、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

7、。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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、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。（

13、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

14、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

15、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

16、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

17、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,

18、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

19、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

20、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

21、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

22、 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

23、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

24、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

25、,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

26、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

27、、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

28、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

29、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。,