化工原理习题课.ppt

绪论,1.1学习目的：了解化工原理的研究对象，熟悉化工生产中的基本原理和典型设备的基本知识，了解从实验化学到工业生产所涉及的问题和解决问题的途径。（理论到实践）1.2研究对象：根据某些物理操作的操作原理和特点归纳出若干基本的单元操作，化学原理就是研究各单元操作共性规律的。,根据单元操作所遵循的规律，将其划分为：（1）质量传递（2）热量传递（3）动量传递1.3常用基本概念（1）物料衡算：质量守恒定律在化工中的应用（2）能量衡算：能量守恒定律在化工中的应用1.4单位：制国际单位制SI,1.1流体基本性质1.2流体静力学1.3流体的动力学1.4流动内部结构1.5流体流动阻力1.6管路计算1.7流体流速、流量测量1.8流体输送设备,教学内容,重点掌握,静力学方程连续性方程柏努利方程管路阻力损失计算流体测量离心泵原理及特性,本章内容和重点,第一章流体流动和输送机械,第一节流体的基本性质,1、连续介质假定及流体的定义2、流体的分类（1）按状态分为气体、液体（2）按可压缩性可分为不可压缩流体和可压缩流体.（3）按是否忽略流体分子间作用力，分为理想流体和实际流体。（黏度）（4）按流体的流变特性分为牛顿型和非牛顿型流体。（牛顿黏性定律）,3、流体的密度,kg/m3,3.2理想气体密度,气体混合物,液体混合物,yi摩尔（体积）分数,wi质量分数,单位体积流体的质量称为流体的密度。,3.1液体密度,Mn纯组分摩尔质量,或,7,4、流体的压强,单位：,Pa；atm；某流体柱高度；,基本关系：1atm=101325Pa=101.3kPa=0.1013MPa=10.33mH2O=760mmHg,压强大小的两种表征方法,8,表压强=绝对压强-大气压强真空度=大气压强-绝对压强表压强=-真空度,绝压/表压/真空度的关系,第二节流体静力学,一、静压力特性（1）流体静压强的方向总是和作用面垂直且指向该作用面。（2）在静止流体内部任意点处的流体静压强在各个方向都是相等的。,二、流体静力学基本方程式,Pa,H,Z1,Z2,P2,P1,h,静止流体的受力分析,P2+Z2.g=P1+Z1.g（1）,P2=P1+h.g（3）,由左图的受力平衡得出流体静力学基本方程,（2）,（二）流体静力学基本方程式的物理意义1、由（1）式得。在容器中，某处的压强大小仅与其位置的高低有关，与水平位置无关。（推广：静止的同一种连通的流体，在同一水平面上各点所受到的压强相等-等压面）。2、由（2）式：静压能与位能之和为一常数，并且静压能与位能可相互转换3、由（3）式得.液面上方受到的压强，能以同样大小传递到液体内部。4、将（3）式变形成（4）式得：压力或压力差可用液柱高度表示，须注明液体种类。,三、静力学基本方程的应用关键是找准等压面,压力及压差的测量1）U型压差计,3)倒U形压差计,2)双液体U管压差计微压计,2.液位测量1）玻璃管液面计,2）远距离控制液面计,3、液封高度的计算,第三节流体动力学,一、稳态（定态）流动：与流体流动相垂直的任一截面上，流体的物理性质与流动参数均不随时间的变化称为稳态流动。二、流体的流量与流速（一）流体的流量体积流量qv：m3.S-1；质量流量qm：kg.S-1；（二）流速u：单位是：m/s。,（三）流速与流量的关系：1、qv=u.A；【m3.S-1】=u.A3600【m3.h-1】2、qm=.u.A；【kg.S-1】qm=.u.A3600；【kg.h-1】3、qm=qv.,三、稳态流动时的物料衡算式连续性方程,研究对象：连续性流体、不可压缩、稳态流动,对该系统进行物料衡算：对不可压缩流体qm1=qm2；u1.A1.1=u2.A2.2（1）,（1）（2）两式都叫稳态流动时的物料衡算式连续性方程。对于圆形管路，（2）式变形得：,说明在质量流量不变的情况下，流速与管道截面积成反比。,（2）,四、稳态流动的能量衡算式柏努力方程（一）流体流动过程中的能量形式,机械能,位能：流体在重力作用下，因距离基准面有一定的高度而具有的能量。（重力势能）,动能：流体因流动而具有的能量。,静压能：流体因被压缩而能向外膨胀做功的能力。,能量的单位J,（二）流体稳态流动时能量衡算式理性流体柏努力方程,（1）式中每一项都表明每kg流体所具有的各种机械能单位为【J/kg】,若（2）式两边同除以g,则有：,（2）式中的每一项都表明每单位重量（N）流体所具有的各种机械能；单位为：【J/N】或【m液柱】,（2）,（1）,上面的式子都是理想流体柏努力方程。H1、U12/2g、P/g分别是单位重量的流体所具有的位能、动能和静压能，在工业中称：位压头，静压头，动压头。*理想流体柏努力方程的物理意义：机械能守恒；机械能之和为一常数，且它们之间可以相互转化；当流体流速u=0，则柏努力方程变为了流体静力学方程，说明流体静力学方程是柏努力方程的一个特例，也具有静力学方程的意义。,伯努利方程的几何意义,2、实际流体柏努力方程流体流动需要一定的能量，而且流体流动过程中还存在摩擦阻力，也要消耗能量，这就需要采用泵或风机给流体施加能量。即存在能量输入、损失。,从1-1截面到2-2截面进行衡算，对mkg流体进行衡算得：,对单位质量(每kg)流体进行衡算：,（1）,对单位重量(每N)的流体进行衡算：,（2）,上面的式子都是实际流体的伯努利方程，实际流体伯努利方程的物理意义：1）当流体处于静止状态，则柏努力方程变为了流体静力学方程2）总机械能（或总压头）之和为一常数，且可以相互转换。3）He：是指外界施加给单位重量的流体的能量，【J/N】。也叫外加压头或有效压头。Hf：是指每单位重量流体流动因摩擦阻力而消耗的能量。称压头损失。各截面处位能、动能和静压能为状态参数。He和Hf为过程参数。,五、伯努利方程的应用1、注意仔细审题，明确已知条件和未知条件，找出解题思路。2、确定衡算范围，选择1-1截面到2-2截面，明确能流方向。3、要选好基准基准量：根据是对单位质量还是单位重量流体衡算，选相应的伯努利方程形式。基准面：确定位能的相对大小，与地面平行即可，尽可能使计算简单。4、列伯努利方程求解。5、各物理量统一单位，都用SI单位。压强不仅单位要统一，而且基准也要一致（表压、绝压）。,第四节牛顿粘性定律与流体流动形态,1、黏度：单位SI制：【Pa.S】或（泊P、厘泊cP）P=0.1【Pa.S】；cP=0.001【Pa.S】2、流动形态实验揭示出，当流体充满管道作稳定流动时，流体的流动形态可以分为二类：2.1滞流形态（层流形态）：2.2湍流形态（紊流形态）2.3如何来判断流体的流动形态？雷诺通过因次析，得到一个无因次的数群，也叫雷诺准数：,当Re2000时，为滞流形态；Re4000时，为湍流形态；2000Re4000时，为过渡状态。Re的物理意义：（1）是判断流体流动形态的依据。（2）反映流体流动的湍流程度。(3)可变形为：Re=du/=u2/u/d，体现惯性力与粘性力之比。,根据Re准数的大小将流动分为三个区域：层流区、过渡区、湍流区，但流动类型只有两种：层流与湍流。,第五节管内流动阻力,摩擦阻力,滞流流动时的摩擦阻力,湍流流动时的摩擦阻力,流体在管道内流动时的阻力可分为两类：,直管阻力,局部阻力：流体经管件、阀门等导致产生的阻力。,一、直圆形管道阻力的通用公式,范宁公式对于层流、湍流都适用。只是两种情况下不摩擦系数不同。,（一）流体层流流动时的摩擦阻力计算公式,三个式子都是流体在直圆形管道层流流动时摩擦阻力的计算公式，也叫哈根泊肃叶公式。可见层流时摩擦系数是雷诺数Re的函数：=64/Re,（1）,（2）,（3）,（二）而对于湍流形态如何求？1、的图解法从图中看到，当Re4000及虚线以下的区域为湍流区：这时，不仅与Re有关，而且与相对粗糙度/d有关。当Re1105以上时:流体流动进入完全湍流区，图中虚线以上，图中的线几乎为一水平线，这时值仅与/d有关，而与Re无关，这时Hfu2，也叫阻力平方区。,如何通过莫狄图求值：首先根据已知条件，求出Re值；求出管道的相对粗糙度/d；从横坐标上找出求出的Re值对应点，通过这一点作垂线与相对粗糙度/d对应的曲线相交，从交点作水平线与纵坐标相交，纵坐标上的值就是要求的值。如Re=1106，/d=0.001，求得=0.02；,2、经验公式求3、通过实验求得在该实验条件下的通过上面分析可得到如下结论：（1）Re1105以上，流体进入完全湍流区，只与e有关，而与Re无关，这时Hfu2成正比。也叫阻力平方区。,二、局部阻力一般采用经验公式来求算，常用的方法有二种。1、当量长度法：将局部阻力的损失折算成相应长度直圆管所造成的损失，并入总管一起计算；此相当的管长称为当量长度le。,2、阻力系数法：将局部阻力损失的能量，用动能的倍数来表示。,了各种管件的局部阻力当量长度之和；：各种管件的局部阻力系数之和。注意，计算突然扩大与突然缩小局部阻力时，u为小管中的大速度。,3.流体输送系统中总的机械能损失,第七节、流体流量的测量（一）孔板流量计,C0流量系数，大约在0.6-0.7之间，,（二）文丘里流量计Ab：喉管处的横截面，Cv：修正系数，大约在0.980.99之间，一般由实验测定。,恒截面，变压差,（二）转子流量计,转子流量系数CR与转子的形状和Re有关，需由实验测定,变截面，恒压差，恒流速,第八节离心泵,1.构造,泵壳，叶轮，轴封,2.离心泵的工作原理,从轴心至叶轮边缘，提速,进入叶轮与泵壳之间的通道，动能压强能,轴心处形成负压，流体吸入,气缚现象,3.离心泵的特性参数,流量，qv(m3/h),扬程，H(m),效率，,轴功率，N=Ne/,有效功率，Ne=qv.g.H,4、泵的特性曲线：（1）功率流量（N-Q）曲线：（2）压头流量（H-Q）曲线：（3）效率流量（-Q）曲线：,10,20,30,H/m,/%,10,20,30,40,50,60,70,0,4,8,12,N/Kw,Q,HQ,NQ,某离心泵特性曲线,n=2800r/min,Q/m3*h-1,20,40,60,80,100,5.主要影响因素,(1)密度：Q不变，H不变，基本不变，N；,(2)黏度：Q，H，N；,(3)转速：比例定律,(4)叶轮直径：切割定律,返回,见书P.57,6.离心泵的工作点工作点,工作点所对应的流量与压头，可利用图解法求取，也可由泵特性方程：管路特性方程:,返回,7、离心泵的气蚀现象与安装高度气蚀现象:泵的吸入口处产生的真空度小于液体在该温度下的饱和蒸气压会发生“气蚀”现象。离心泵的汽蚀余量有效气蚀余量（NPSH）a:临界汽蚀余量（NPSH）c必需汽蚀余量（NPSH）r：临界气蚀余量加上一定的安全量,若有效气蚀余量（NPSH）a必需汽蚀余量（NPSH）r泵可以正常运行，否则泵不应运