《食品工程原理》

食品工程原理 第一章绪论 第一节课程的性质和内容第二节单位和单位制第三节混合物浓度的表示方法第四节单元操作常用的基本概念 第一节课程的性质和内容 单元操作生产过程 化学反应过程 物理加工过程 归纳 基本操作过程 单元操作 一 单元操作和化学工程原理 化工生产过程 以酒精生产工艺过程为例 原料 粉碎 蒸煮 汽化冷却 糖化 发酵 过滤 蒸馏 产品 前后处理过程是化工生产中必不可少的 且具重要地位 单元操作特点 1 都是物理性操作2 都是化工生产中共有的操作3 不同的生产过程所包含的单元操作的数量及顺序不同 单元操作分类按操作目的分 物料的增压 减压和输送物料的混合与分散物料的加热与冷却非均相混合物的分离均相混合物的分离 常用单元操作 流体的流动和输送 传热 沉降与过滤 干燥 蒸馏 吸收 萃取等 按过程的物理本质分 动量传递过程 单相或多相流动 热量传递过程和物质传递过程 表1化工常用单元操作单元操作目的物态原理传递过程流体流动输送液或气输入机械能动量传递搅拌混合或分散气 液 液 液输入机械能动量传递固 液过滤非均相混合物分离液 固 气 固尺度不同的截留动量传递沉降非均相混合物分离液 固 气 固密度差引起的沉降运动动量传递传热加热 冷却升温 降温 气或液利用温度差传入或热量传递改变相态移出热量蒸发溶剂与溶质的分离液供热以汽化溶剂热量传递吸收均相混合物分离气各组分在溶剂中溶解度不同物质传递蒸馏均相混合物分离液各组分间挥发度不同物质传递萃取均相混合物分离液各组分在溶剂中溶解度不同物质传递干燥去湿固体供热汽化热 质同时传递吸附均相混合物分离液或气各组分在吸附剂中吸附物质传递能力不同 化学工程原理 研究对象传递过程 包括单元操作的过程和设备 研究内容单元操作基本原理 基本规律 相互关系和应用 研究方法实验研究方法 即经验的方法 数学模型方法 即半理论半经验的方法 通过研究回答工业应用中提出的问题 如何根据各单元操作特点 进行 过程和设备 的选择 以适应指定物系的特征 经济而有效地满足工艺要求 如何进行过程的计算和设备的设计 如何进行操作和调节以适应生产的不同要求 在操作发生故障时如何寻找故障的缘由 食品工程原理与化学工程原理 食品工程原理的基本内容来源于化学工程原理 食品工程原理在发展中形成了许多特色 冷冻技术 真空技术等 二 课程的内容和学习要求 学时分配 总学时90 理论课72 实验18学时 第11 14周周末 教学内容 以流体的流动和输送 沉降与过滤 传热 蒸发 干燥 蒸馏 吸收等单元操作为主 学习要求 具备高数 化学 物理 物理化学等基础知识 重视课前 课堂 课后复习与练习三个环节参考资料 化工原理 第二版 陈敏恒等主编 化工版 食品工程原理 杨同舟主编 农业版 食品工程原理 高福成等主编 轻工版 第二节单位和单位制 一 单位和单位制物理量 数值 单位物理量分为基本量和导出量 量纲 因次 表示基本量的符号 如 长度 L 质量 M 或力 F 温度 t 时间 等量纲式 表示基本量与导出量之间的关系 Q LaMbtc d 单位制 基本单位与导出单位的总和 基本量的基本单位 各种单位制均不相同 常见的单位制及基本量的基本单位 长度 L 质量 M 力 F 时间 t 温度 SI制mkgSKCGS制cmgS 工程制mkgfS 导出量的导出单位如 力 F M a SI制 F kg m s2 N 牛顿 压强 P N m2CGS制 F g cm s2 dyn 达因 P dyn cm2工程制 F kgf P kgf m2 二 单位换算 物理量的单位换算原单位表示的物理量数值 换算因数 新单位表示的物理量数值 实验方程式 又称数值公式 的单位换算根据 物理量 数值 单位 关系进行换算 例 已知某吸收塔塔板上的液流量L与塔盘内液层高度H的关系为 L 0 0052 H式中L 液流量 m3 s换算成m3 hr H 液层高度 mmm 解 设液流量与塔盘内液层高度两个物理量分别为L H 即有L L m3 s L L m3 s H H m H H m 则原式改写为 L m3 s 0 0052 H m 将1m3 s 3600m3 hr 1m 1000mm代入上式得 L 3600m3 hr 0 0052 H 1000mm 整理得 L m3 hr 0 592 H mm 换算后的实验方程式为 L 0 592 H 习题 实验方程式的单位换算G 2 45u0 8 p式中 G 蒸发量 磅 质 英尺2小时 换算成kg m2hru 气速 英尺 秒m s p 压强差 大气压 atm N m2 第三节混合物浓度的表示方法 一 物质的量浓度与物质的量分数1 物质的量浓度 简称物质的浓度 也称摩尔浓度 单位kmol m3 2 物质的量分数 摩尔分数 二 物质的质量浓度与质量分数1 质量浓度 也称密度 2 质量分数三 摩尔比与质量比 第四节单元操作常用的基本概念 1 物料衡算 输入量 输出量 累积量 2 能量衡算3 物系的平衡关系4 传递过程速率 过程速率 过程推动力 过程阻力 5 经济核算 第二章流体流动 第一节概述一 流体的定义和分类 3 研究对象质点 含有大量分子的流体微团 流体 是由大量质点组成的 彼此间没有间隙 完全充满所占空间的连续介质 流体的物理性质及运动参数在空间作连续分布 即可以用连续函数的数学工具加以描述 2 特征 具有流动性 无固定形状 在外力作用下 其内部发生相对运动 产生流动 1 定义流体是液体和气体的统称 4 定态流动与非定态流动定态流动是指点的速度ux uy uz及压强p均为与时间无关的常数 即 定态流动u f x y z 非定态流动u f x y z u f x y z u f x y z 5 运动的描述方法 拉格朗日法 描述同一质点在不同时刻的状态 物理学中考察单个固体质点时用 欧拉法 描述空间各点的状态及其与时间的关系 考察定态流体流动时常用 6 分类 按流体的体积是否随压强 温度变化分不可压缩流体与可压缩流体 按流体流动时是否存在粘性力分理想流体与非理想流体 按流体流动时 与du dy之间是否遵守牛顿粘性定律分牛顿流体与非牛顿流体 二 本章主要内容1 流体静力学基本方程及其应用2 管内流体流动基本方程3 管内流体流动阻力4 管路计算 第二节流体静力学基本方程及其应用 一 流体的物理性质及作用力二 流体静力学基本方程式三 流体静力学基本方程式的应用 一 流体的物理性质及作用力 1 密度与比容 比容 定义式 1 m3 kg 密度 定义式 m V kg m3 影响因素 f P T 确定方法 实验测定或从手册资料中查取液体的密度 f T 气体的密度 f P T 混合液体的密度混合气体的密度 2 流体的压强流动着的流体受到的作用力可分为体积力和表面力 体积力 也称质量力 包括重力 离心力 都是场力 表面力 与表面积成正比的力 包括垂直作用于表面的压力和平行作用于表面的剪力 流动着的流体内部 压力 F N 压强 静压强 P F A N m2即Pa帕 压强的单位1atm 1 013 105Pa 1 033kgf cm2 1 013bar 760mmHg 10 33mH2O 生产中常用单位 1MPa 兆帕 106Pa 10atm注意 以液柱高度表示压强时 一定要指明是何种液体 压强的表示方法 绝对压强 表压强 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 例 已知某设备进口压强P进 1200mmH2O 真空度 出口压强P出 1 6kgf cm2 表压 当地大气压强P0 760mmHg 求设备进出口压强差 用N m2表示 表示方法要一致 单位要一致 解 P进 1200mmH2O 真空度 N m2 P出 1 6kgf cm2 表压 N m2 P P进 P出 1 685 105 N m2 3 流体的粘度剪应力 流体流动时 单位面积上所受的内磨擦力 也称粘性力 或剪力 粘性 是流动着的流体内部分子微观运动的一种宏观表现 其本质是分子间引力和分子的运动和碰撞 静止的流体是不能承受剪应力和剪切变形的 这是流体与固体的力学特性的不同点 粘度 衡量流体剪应力 粘性 大小的物理量 因不同流体而异 是影响流体流动的一个重要的物理性质 平板间液体速度变化图实验证明 对于大多数流体 与du dy成正比F引入比例系数 则 du dy称为牛顿粘性定律 比例系数 称为粘度或粘性系数 动力粘度 dy du 粘度的物理意义 影响因素 粘度的单位及换算cp 厘泊 物理制单位1cp 10 2pPa sSI制单位1cp 10 3Pa s 理想流体 动力粘度 与运动粘度 分析重力场中静止的均匀的液体中一流体柱的受力情况 作用于液柱上表面的力P1A 作用于液柱下表面的力P2A 液柱自身重力 gA z1 z2 则P1A P2A gA z1 z2 0整理得P2 P1 g z1 z2 上式称为流体静力学基本方程式 适用于重力场中静止的均匀的不可压缩流体 反映了静止流体内部的压强跟深度的定量关系 其它表达形式 单位质量流体总势能相等 流体微元受力平衡一般式 dp Xdx Ydy Zdz重力场中X Y 0Z g 二 流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式可通过静力平衡得到 P1A P2A mg 适用范围 基本规律及应用h油 表达式hh水 例 如图 在一开口容器内盛有AA 油水混合物 静置后油层高度0 7m 密度800kg m3 水层高度0 6m 密度1000kg m3 计算水在玻璃管中的高度h A A 在同一水平面上 解 根据静力学基本方程 以A A 为基准面有PA P0 油gh油 水gh水PA P0 水gh即P0 油gh油 水gh水 P0 水ghh 1 16m 问题 1 压强的静力学测量方法 简单测压管PA P0 gRA点的表压为PA P0 gR U型测压管PA P0 igR gh1A点的表压为PA P0 igR gh1 三 流体静力学基本方程式的应用 啊 A A R R U型压差计 结构U型管指示液标尺 m R a b 1 2 测量原理如图 设P1 P2 则指示液呈现出高度差R 称为读数 R与 P的关系 根据静力平衡原理 有Pa Pb a b在同一水平面上 又Pa P1 g m R Pb P2 gm 0gR P P1 P2 R 0 g P P1 P2 R 0 g上式说明 当 0 一定时 P仅与R有关 若两测压点不在同一水平面上 则R 0 g不是真正的压强差 而是两被测截面上的虚拟压强差 U型压差计适用范围 斜管微压计 复式U型压差计等2 液面测量3 确定液封高度作业 P60 2 8 9 10 第三节管内流体流动基本方程 流体流动的规律主要是指流体的流速 压强等运动参数在流体流动过程中的变化规律 流体流动应当服从质量守恒 能量定恒 动量守恒等守恒原理 根据这些守恒原理可以得到有关运动参数的变化规律 一 流体的流速和流量1 流量体积流量qv m3 s质量流量qm kg sqm qv 定义 质点的运动速度u平均流速u m s u qv Aqv Au AudA质量流速w kg m2 s w qm A u 2 流速 管径的大小应通过经济核算 或根据经验值 定 并注意 密度大的流体 粘度大的流体 含有固体杂质的流体 一些流体在管道中的常用流速 m s 水及一般液体1 3易燃易爆的低压气体小于8粘度较大的液体0 5 1压力较高的气体15 25低压液体8 15饱和水蒸汽20 40过热水蒸汽30 50 3 在管内流动的流体流速的确定 u qv A 4qv d2 即u与流量qv 管径d有关 当qv一定时 u d 操作费 设备费 u d 操作费 设备费 解 2 2cp与水相近 取u 2m s 水在管内流动的流速通常为1 5 3m s qv 60T h 0 018m3 sd qv 0 785u 0 018 0 785 2 0 099m 例 将15 20 的糖水用泵送至远处的设备中 要求输送量为60T h 求所需管道的直径 糖水的 1080kg m3 2 2cp 根据不锈钢管规格可知 108 4mm规格的管道符合要求 如图 对管内稳态流动流体作物料衡算 质量守恒 有qm1 qm2即 1A1u1 2A2u2或 Au 常数u1 u2 A2 A1 d2 d1 2 三 连续性方程 稳态流动系统的物料衡算 结论 适用条件 不可压缩流体在管内作连续稳态流动时 1 2 根据质量守恒定律 以有微分时间d 为依据 可求得一段时间范围内的物料变化量 衡算式 Fd Dd dS 1 F D dS d 2 式中F 瞬间进料速率D 瞬间出料速率S 衡算范围内的累积物料量d 微分时间 非稳态流动系统的物料衡算 例 水槽底有一出水孔 已知从此孔将水放出的速率与槽内液面高度及孔的截面积有关 其关系式如下 式中V为放水速率 m3 S A0为小孔的截面积 m2 h为槽内液面高度 m g为重力加速度9 81m S2 若水槽直径为0 5m 小孔的截面积为10cm2 槽内液面高度为0 6m 求 将槽内水放完需要多少时间 解 已知 A 0 196m2A0 10 3m2h1 0 6mh2 0 根据题意及式 1 Fd Dd dS有Fd 0 dS d Ah Adh D V即 Vd d Ah Adh将积分上下限 1 0 h1 0 6m 2 h2 0代入 1 式积分 可得结果 110秒 1 连续稳态流动系统的总能量衡算连续稳定系统组成 如图所示 四 柏努利方程式 能量衡算式 理想流体能量衡算式可根据牛顿第二运动定律 通过对流动系统中的一个微分单元体作力的分析进行推导 实际流体能量衡算式也可通过对流动系统作能量衡算进行推导 1 2 设 u1 p1 Z1 A1 1 1 衡算范围 衡算基准 基准水平面 1kg流体进出系统时输入与输出的能量 内能U1U2 单位 J kg 位能gz1gz2 动能u12 2u22 2 静压能 流动功 P1 1P2 2流动功 力 距离 PA V A PV1kg流体进出系统时输入与输出的流动功为 P1V1 m1 P1 1P2V2 m2 P2 2以上位能 动能 静压能又称为机械能 三者之和称为总机械能 热量Qe 外加功We 根据能量守衡定律 列出衡算式 U1 gz1 u12 2 p1 1 Qe We U2 gz2 u22 2 p2 2单位 J kg 上式为连续稳态流动系统的总能量衡算式 2 连续稳态流动系统的机械能衡算式 机械能衡算式对于单纯的流体输送系统 不可压缩流体有 U1 gz1 u12 2 p1 U2 gz2 u22 2 p2 gz1 u12 2 p1 U2 U1 gz2 u22 2 p2 实验证明 gz1 u12 2 p1 gz2 u22 2 p2 将 U2 U1 用 hf表示 gz1 u12 2 p1 gz2 u22 2 p2 hf A gz1 u12 2 p1 We gz2 u22 2 p2 hf B 以上 A B 两式均称为机械能衡算式 实际流体柏努利方程式的三种不同形式 以单位质量流体为基准 J kg gz1 u12 2 p1 We gz2 u22 2 p2 hf 柏努利方程式对于不可压缩理想流体 则有gz1 u12 2 p1 gz2 u22 2 p2 柏努利方程式的物理意义是 管内作连续定态流动的理想流体总机械能守衡 但各种形式的机械能之间可以相互转换 以单位重量流体为基准 m液柱 z1 u12 2g p1 g He z2 u22 2g p2 g Hf He We g Hf hf g 以单位体积流体为基准 N m2 gz1 u12 2 p1 We gz2 u22 2 p2 hf 3 柏努利方程式的应用 确定管内流体的流量和压强 确定容器 设备 的相对位置 确定输送机械的功率 应用柏努利方程式解题要点 讨论对于静止的流体有 gz1 p1 gz2 p2 即静力学方程式 对于可压缩流体 1 2当 变化不大时可用平均值代对于作不稳定流动的流体 在任一瞬间衡算式成立 例1 用泵将贮槽中的碱液送到蒸发器中 泵的进出口管尺寸分别为 89 3 5mm和 76 3mm 碱液在进口管内的流速为1 5m s贮槽中的碱液液面距蒸发器入口的垂直距离为7m 碱液经管路系统的能量损失为40J kg 蒸发器内蒸发压力 表压 保持在20kpa 碱液的密度为1100kg m3 试计算所需的外加能量 7m 11 22 33 解 衡算范围的确定1 1 2 2截面基准水平面的确定1 1所在水平面列柏努利方程式gz1 u12 2 p1 we gz2 u22 2 p2 hfwe 129J kg 例2 用虹吸管从高位槽向反应器加料 高位槽和反应器均与大气连通 要求料液在管内以1m s的速度流动 设料液在管内流动时的能量损失为20J kg 不包括出口的能量损失 试求高位槽的液面应比虹吸管的出口高出多少 1 2 解 取高位槽液面为1 1截面 虹吸管出口内侧截面为2 2截面 并以2 2为基准面 列柏氏方程得 gz1 u12 2 p1 we gz2 u22 2 p2 hf式中 z1 h z2 0 p1 p2 0 表压 we 0 1 1截面比2 2截面面积大得多 u1 0 而u2 1m s hf 20J kg 代入得 9 81h 0 5 20 h 2 09m 即高位槽液面应比虹吸管出口 高2 09m 值得注意的是 本题下游截面2 2必定要选在管子出口内侧 这样才能与题给的不包括出口损失的总能量相适应 例3 在某水平通风管段中 管直径自300mm渐缩到200mm 为了粗略估算其中空气的流量 在锥形接头两端分别测得粗管截面1 1的表压为1200Pa 细管截面的表压为800Pa 空气流过锥形管的能量损失可以忽略 求空气的体积流量为若干m3 h 设该物系可按不可压缩流体处理 空气密度取 1 29kg m3 应用柏努利方程式解题要点 衡算范围的确定衡算基准的选择基准水平面的确定压强的单位及表示方法 第四节管内流体流动阻力一 流体流动类型和雷诺数1 雷诺实验及流体流动类型层流 滞流 湍流 紊流 4 边界层与边界层分离 3 流体流动类型的判别圆形直管内层流Re4000过渡区2000 Re 4000非圆形直管 边界条件由实验确定 2 雷诺数Re du 为无量纲量 无因次准数 对于非圆形直管 式中d用当量直径de代替 二 流体在园管内的速度分布1 层流时的速度分布根据流体受力平衡原理及牛顿粘性定律可以推导出u P 4 L R2 r2 u点速度R管道半径L管道长度r与管中心距离 P压强差 流体的粘度当r 0时即管中心处u R2 P 4 L umax当r R时即管壁处u 0 2 流量qv dqv udA根据u qv A u 2 r drdA 2 r dr P 4 L R2 r2 2 r drqv R4 P 8 L 3 平均流速u与最大点速度umax的关系u qv A R4 P 8 L R2 R2 P 8 Lu umax 2 上式中R用d代 整理可得 P 32 Lu d2 哈根 泊素叶公式 层流时 P与流速u的一次方成正比 等径水平直管 4 湍流时的速度分布湍流的基本特征 湍流时出现了径向速度的脉动 从而加速了径向的动量 热量和质量的传递 湍流时 流体的内磨擦力 总 分子粘性力 涡流粘性力 不遵守牛顿粘性定律 湍流时的速度分布通常根据由实验归纳得到的经验式计算 如 对于光滑管u umax 1 r R 1 nRe 105时n 7Re达2 106时n 10 湍流时圆管内流体的速度分布如图 在湍流主体 Re值越大 曲线顶部区域越宽越平坦 即u与umax越接近 此时用平均流速u代替质点运动速度u引起的误差可忽略 在靠近管壁处 存在着层流薄层 层流底层 层流薄层的厚度与流体的速度和粘度大小等有关 在层流薄层与湍流主体之间存在着一过渡区 以上为流体湍流流动达稳定时的速度分布情况 通常湍流时的平均流速u 0 82umax 三 流体流动阻力 hf 管内流体流动阻力分两类 沿程阻力hf局部阻力hf 因此 总阻力 hf hf hf 1 层流时的直管阻力 以水平直管为例 选取1 1 2 2截面 列柏努利方程 有gz1 u12 2 p1 gz2 u22 2 p2 hfhf p1 p2 p 根据哈根 泊素叶公式 P 32 Lu d2有hf p 32 Lu d2整理得hf L d u2 2 其中 64 Re 摩擦系数 无量纲量 12 2 湍流时的直管阻力通过实验可知 p f d L u 式中 管壁粗糙度 粗糙度 的定义及相对粗糙度 d 湍流时管壁粗糙度 对流动阻力的影响 L时 hf 相同的管道d hf 层流时 对流动阻力有无影响 根据 p f d L u 通过量纲分析可得 p K L d a du b d cu2 L正比于 p a 1即上式可写成 p 2K du b d c L d u2 2 L d u2 2 其中 摩擦系数 Re d 式 hf L d u2 2 直管阻力计算通式 与Re d之间的关系 需由实验测定 见摩擦系数图 图中曲线可分为四个区域 层流区Re 2000 64 Re与 d无关hf u 过渡区2000 Re 4000 湍流区Re 4000 Re d hf u1 75 2 一组线群 完全湍流区 d 与Re无关hf u2 或称阻力平方区 一般流体输送系统 低粘度流体 如水 的 值大致在0 02 0 03之间 与Re d之间的关系也可根据由实验归纳得到的实验方程式计算确定 但使用时应注意适用范围 对于非圆形直管 流体的流动阻力仍可按直管阻力计算公式计算 但计算时要将式中的管径d用非圆形直管的当量直径de代替 3 局部阻力流体在流过阀门 弯头 管道进出口等局部位置时产生的能量损失 边界层与边界层分离 边界层 边界层分离 边界层分离造成大量旋涡 大大增加了机械能消耗 局部阻力有两种确定方法 阻力系数法hf u2 2式中 阻力系数 无量纲量 由实验确定 u 流体在管内的流速 m s 当量长度法hf Le d u2 2式中Le 当量长度 m 由实验确定 管路总阻力损失 hf hf hf hf L Le d u2 2 或 L d u2 2 长距离输送 直管阻力为主 车间内输送 局部阻力为主或同时起作用 4 阻力对管内流动的影响简单管路 局部阻力 管内流量 上游阻力 下游压强 下游阻力 上游压强 下游总机械能 上游总机械能 分支管路 某分支阻力 该分支流量 另一分支流量 总流量 总管阻力控制总管流量基本不受支管情况而变 支管阻力控制任一支管情况改变不致影响其它支管 小结 流体流动的基本规律包括以下五个基本方程式 静力学基本方程P2 P1 g h1 h2 表达式 适用范围 应用 流体连续性方程 Au 常数或u1 u2 A2 A1 d2 d1 2 柏努利方程gz1 u12 2 p1 We gz2 u22 2 p2 hf 流动阻力计算式 hf L Le d u2 2 或 L d u2 2 摩擦系数 Re d 不同流动区域的情况 第五节管路计算 一 管路系统分类1 简单管路 没有分支 qv1qv2qv3特点 qv总 qv1 qv2 qv3 hf总 hf1 hf2 hf32 复杂管路 有分支 并联管路特点 qv总 qv1 qv2 qv3 hf总 hf1 hf2 hf3分支管路 略 二 简单管路计算 1 已知 管长L 管径d及流量qv求 磨擦损失 hf及外加功 e e hf Re d u qv 2 已知 管长L 管径d及允许能量损失 hf求 流速u或流量qvu hf 试差法设 u Re 比较 与 3 已知 管长L 流量qv及允许能量损失 hf求 管径dd hf u 试差法 设 u Re 比较 与 设u d Re hf 比较 hf与 hf 4 已知 管长L 流量qv及相对高度 Z求 适宜的管径d和外加能量He 三 计算实例 1 从水塔向某处供水 液面高度差为20m 总管长为100m 管径为100mm 流量为100m3 hr 现因用水量需增加20 决定在管路中50m处并联一条管道 求 此管道的直径 局部阻力忽略 阻力系数均与单管工作时相同 d 0 82m 原工况 Zg hf Lu2 2dqv 0 785d2u 新工况 1 2为并联管路 hf1 hf2 L1u12 2d1 L2u22 2d2q v qv1 qv21 2qv 0 785d12u1 0 785d22u2Zg hf0 hf1Zg L0u02 2d0 L1u12 2d1 可解得u1 u2 d2 0 1 2 2 水由水塔引出 若输水管长度之最后设计方案较其最初设计方案短25 假设此两种情况下水塔水面高度不变 求此输水管由于上述长度的缩短 水的流量将如何变化 变化了百分之几 设流动在阻力平方区 管子较长 故动压头及局部阻力可以忽略不计 Zg hfZg hf Lu2 2d BLu2Zg h f BL u 2u u L L 1 2 3 如图所示 用长度为L 50m 直径为d1 25mm的总管 从高度Z 10m的水塔向用户供水 在用水处水平安装d2 10mm的支管10个 设总管的摩擦系数 0 03 总管10个支管的局部阻力系数 1 20 支管很短 除阀门外其它阻力可以忽略不计 试求 1 当所有阀门全开 6 4 时 总流量为多少m3 s 7 56 10 4m3 s 2 再增设同样支路10个 各支路阻力同前 总流量有何变化 7 65 10 4m3 s 第六节流量测量 一 毕托管1 作用及结构 如图 2 测量原理3 安装二 孔板流量计1 测量原理及流量计算公式2 安装和阻力损失三 转子流量计1 结构及测量原理2 特点 恒流速 恒压差 3 刻度换算四 其它流量测量方法 思考题1 静力学基本方程应用条件是什么 等压面应如何选择 2 如何原则选择U形压差计中的指示剂 3 采用U形压差计测某阀门前后的压力差 问压差计的读数与U形压差计安装的位置有关吗 4 有密度为800kg m3的液体在水平管道中流动 其压力差为100Pa 若用U形压差计 指示剂密度为920kg m3 倒U形压差计和双液体U管压差计 指示剂密度分别为920kg m3和900kg m3 测量 则读数R分别为多少 若压力差为10Pa 应选用哪一种压差计 5 试说明粘度的单位及物理意义 并分析温度与压力对流体粘度的影响 6 试说明牛顿粘性定律的内容及适用条件 7 压强与剪应力的方向及作用面有何不同 8 连续性方程及柏努利方程的依据及应用条件是什么 应用柏努利方程时 如何选择计算截面及基准面 9 柏努利方程有几种表达方式 式中每项的单位及物理意义是什么 10 流体流动有几种类型 判断依据是什么 11 雷诺准数的物理意义是什么 12 层流与湍流的本质区别是什么 13 流体处于层流及湍流流动时 其速度分布曲线呈何形状 最大速度与平均速度之间的关系如何 14 流体在园管内湍流流动时 在径向上从管壁到管中心可分为几个区域 15 何为层流内层 其厚度与哪些因素有关 16 简述因次分析法的基础与依据 并说明应用因次分析法的目的与局限性 17 粘性流体在流动过程中产生直管阻力的原因是什么 产生局部阻力的原因又是什么 18 Re曲线可分为几个区域 在每个区域值的大小与哪些因素有关 在各区域中 能量损失与流速u的关系是什么 19 流体在圆形直管中流动 若管径一定而将流量增大一倍 则层流时能量损失是原来的多少倍 完全湍流时能量损失又是原来的多少倍 20 圆形直管中 流量一定 设计时若将管径增加一倍 则层流时能量损失是原来的多少倍 完全湍流时能量损失又是原来的多少倍 忽略的变化 第五节管路计算 一 管路系统分类1 简单管路 没有分支 qv1qv2qv3特点 qv总 qv1 qv2 qv3 hf总 hf1 hf2 hf32 复杂管路 有分支 并联管路特点 qv总 qv1 qv2 qv3 hf总 hf1 hf2 hf3分支管路 略 二 简单管路计算1 已知 管长L 管径d及流量qv求 磨擦损失 hf及外加功 e e hf Re d u qv2 已知 管长L 管径d及允许能量损失 hf求 流速u或流量qvu hf 试差法设 u Re 比较 与 3 已知 管长L 流量qv及允许能量损失 hf求 管径dd hf u 试差法 设 u Re 比较 与 设u d Re hf 比较 hf与 hf 4 已知 管长L 流量qv及相对高度 Z求 适宜的管径d和外加能量He 三 计算实例 1 从水塔向某处供水 液面高度差为20m 总管长为100m 管径为100mm 流量为100m3 hr 现因用水量需增加20 决定在管路中50m处并联一条管道 求 此管道的直径 局部阻力忽略 阻力系数均与单管工作时相同 d 0 82m 2 水由水塔引出 若输水管长度之最后设计方案较其最初设计方案短25 假设此两种情况下水塔水面高度不变 求此输水管由于上述长度的缩短 水的流量将如何变化 变化了百分之几 设流动在阻力平方区 管子较长 故动压头及局部阻力可以忽略不计 3 如图所示 用长度为L 50m 直径为d1 25mm的总管 从高度Z 10m的水塔向用户供水 在用水处水平安装d2 10mm的支管10个 设总管的摩擦系数 0 03 总管10个支管的局部阻力系数 1 20 支管很短 除阀门外其它阻力可以忽略不计 试求 1 当所有阀门全开 6 4 时 总流量为多少m3 s 7 56 10 4m3 s 2 再增设同样支路10个 各支路阻力同前 总流量有何变化 7 65 10 4m3 s 4 水位恒定的高位槽从C D两支管同时放水 AB段管长6m 内径41mm BC段管长15m 内径25mm BD段管长24m 内径25mm 上述管长均包括阀门及其它局部阻力的当量长度 但不包括出口动能项 分支点B的能量损失可忽略 试求 1 D C两支管的流量及水槽的总排水量 2 当D阀关闭 求水槽由C支管流出的水量 设全部管路的摩擦系数均取0 03 且不变化 出口在同一水平面上 且出口处损失忽略不计 第六节流量测量 一 毕托管1 作用及结构 如图 2 测量原理3 安装二 孔板流量计1 测量原理及流量计算公式2 安装和阻力损失三 转子流量计1 结构及测量原理2 特点 恒流速 恒压差 3 刻度换算四 其它流量测量方法 第三章流体输送机械 第一节概述流体输送机械分 液体输送机械 泵气体输送机械 风机 压缩机 第二节液体输送机械 离心泵 一 液体输送机械的分类离心式 依靠高速旋转的叶轮对被送流体作功如离心泵 旋涡泵 轴流泵等往复式 依靠往复运动的活塞的推挤对流体作功如活塞泵 柱塞泵 隔膜泵等旋转式 依靠作旋转运动部件的推挤作用对被送流体作功 如齿轮泵 罗茨泵 螺杆泵等11 二 离心泵的性能只有掌握离心泵的工作原理和性能特性才能正确地选用和使用离心泵 1 离心泵的结构及工作原理 略 2 离心泵的性能特性 由以下一组性能参数表示 1 泵的流量qv定义 单位时间内由泵出口排出的液体体积 m3 h 影响因素 泵 叶轮 的结构尺寸 泵的转速 确定方法 实验测定 2 泵的压头 扬程 H定义 单位重量流体经过泵后所获得的能量 m液柱 影响因素 泵的流量 结构尺寸 转速 流体物性 对一定泵 在一定转速下 输送一定的流体时 H仅与Q有关确定方法 实验测定 3 1 2 1压头在管路系统中的作用 0 0 3 3 H Z P g hf增加流体的位能增加流体的压力能克服流动阻力 0 2压头的侧定 以泵的进出口1 1 2 2为上下游截面 列柏努利方程 H Z u2 2g P g当进出口管径相等时H Z P g当进出口测压表装在同一水平高度时H P出 P进 gH P表 P真空度 g 3 泵的功率Pa Pe定义 轴功率Pa 单位时间内泵轴从电机得到的功率 kw 有效功率Pe 单位时间内液体经过泵实际获得的能量 kwPe Hqv g 影响因素 泵的流量 结构尺寸 转速 流体物性 确定方法 实验测定 4 泵的效率 由于泵内各种能量损失的存在 通常Pa Pe 定义 泵的效率 Pe Pa影响因素 确定方法 5 泵的转速n一台在一定的管路系统中正常工作的泵 有一定的转速 一般离心泵额定转速为2900转 分 3 离心泵的性能曲线在一定转速下 20 1atm 介质为清水 测定得到的离心泵的H qv Pa qv qv三条关系曲线 1 性能曲线 测定方法 HH qv qvPaPa qvqv 2 离心泵的性能特点 H qv线 qv 0H较大 qv H Pa qv线 qv 0Pa有最小值 qv Pa qv线 qv 0 0 qv 达最大值后qv 有极大值 且高效区较宽 3 应用 如何启动离心泵 如何调节离心泵的流量 如何提高离心泵的工作效率 4 特性曲线的校正转速 液体性质 叶轮尺寸等对特性曲线的影响 离心泵特性的影响因素 1 流体的性质 液体的密度 压头和流量均与液体的密度无关 有效功率和轴功率随密度的增加而增加 效率与密度无关 液体的粘度 粘度增加 泵的流量 压头 效率都下降粘度增加 轴功率上升当流体的粘度有较大变化时 泵的特性曲线也要发生变化 2 转速离心泵的转速发生变化时 其流量 压头和轴功率都要发生变化 比例定律 3 叶轮直径叶轮尺寸对离心泵的性能也有影响 当切割量小于20 时 切割定律 三 管路特性曲线及离心泵的工作点 1 管路特性曲线对于一定的泵送系统 要求泵供给的压头H 可由柏努利方程求得 H Z P g u2 2g Hf Z P g u2 2g L d u2 2g C u2 2g L d u2 2g C f qv H Q关系曲线称为管路特性曲线 2 离心泵的工作点在同一坐标上 绘出泵的特性曲线H qv和管路特性曲线H qv 两曲线的交点A即为泵的工作点 HH qvAqv H qv 说明 泵的工作点由泵的特性和管路的特性共同决定 可通过联立求解泵的特性方程和管路的特性方程得到 安装在管路中的泵 其输液量即为管路的流量 在该流量下泵提供的扬程也就是管路所需要的外加压头 因此 泵的工作点对应的泵压头既是泵提供的 也是管路需要的 工作点对应的各性能参数反映了一台泵的实际工作状态 3 离心泵的工作点的调节泵的特性曲线 改变泵的转速 叶轮尺寸管路特性曲线 改变出口阀门开度4 离心泵的串联和并联 四 离心泵的安装高度1 气蚀现象2 离心泵的安装高度的确定 1 气蚀余量有效 装置 气蚀余量 ha ha P1 g u12 2g Pv gHg P0 g Pv g ha Hf 允许 必需 气蚀余量 h ha h hr 0 3 hr为必需气蚀余量 当 ha hr时 开始发生气蚀 ha h时 不会发生气蚀 2 离心泵的最大允许安装高度HgmaxHgmax P0 g Pv g h Hf式中 Hf为吸入管路的阻力损失 3 离心泵的实际安装高度HgHg Hgmax 例题 离心泵送80 热水 汽蚀余量 h 2m 问能否完成输送任务 8m 1m 1m 7m 离心泵的安装与操作 1 安装 安装高度不能太高 应小于允许安装高度 设法尽量减少吸入管路的阻力 以减少发生汽蚀的可能性 主要考虑 吸入管路应短而直 吸入管路的直径可以稍大 吸入管路减少不必要的管件 调节阀应装于出口管路 2 操作 启动前应灌泵 并排气 应在出口阀关闭的情况下启动泵 停泵前先关闭出口阀 以免损坏叶轮 经常检查轴封情况 五 离心泵的选用1 离心泵的分类清水泵 耐腐蚀泵 油泵 液下泵 杂质泵 屏蔽泵 管道泵 低温用泵等 2 离心泵的选用步骤 1 确定输送系统要求的qv H 2 确定泵的类型 3 确定泵的型号 综合性能曲线 4 校核泵的轴功率 5 校核泵的工作点是否在高效区内 3 各类化工用泵比较 往复泵的操作要点和流量调节往复泵的效率一般都在70 以上 最高可达90 它适用于所需压头较高的液体输送 往复泵可用以输送粘度很大的液体 但不宜直接用以输送腐蚀性的液体和有固体颗粒的悬浮液 1 由于往复泵是靠贮池液面上的大气压来吸入液体 因而安装高度有一定的限制 2 往复泵有自吸作用 启动前无需要灌泵 3 一般不设出口阀 即使有出口阀 也不能在其关闭时启动 4 往复泵的流量调节方法 用旁路阀调节流量 泵的送液量不变 改变曲柄转速 计量泵计量泵是往复泵的一种 计量泵主要应用在一些要求精确地输送液体至某一设备的场合 或将几种液体按精确的比例输送 如化学反应器一种或几种催化剂的投放 后者是靠分别调节多缸计量泵中每个活塞的行程来实现的 隔膜泵隔膜泵也是往复泵的一种 在工业生产中 隔膜泵主要用于输送腐蚀性液体或含有固体悬浮物的液体 齿轮泵齿轮泵的压头较高而流量较小 可用于输送粘稠液体以至膏状物料 如输送封油 但不能用于输送含有固体颗粒的悬浮液 螺杆泵螺杆泵效率高 噪音小 适用于在高压下输送粘稠性液体 并可以输送带颗粒的悬浮液 旋涡泵旋涡泵是一种特殊类型的离心泵 旋涡泵的特点如下 1 压头和功率随流量增加下降较快 因此启动时应打开出口阀 改变流量时 旁路调节比安装调节阀经济 2 在叶轮直径和转速相同的条件下 旋涡泵的压头比离心泵高出2 4倍 适用于高压头 小流量的场合 3 结构简单 加工容易 且可采用各种耐腐蚀的材料制造 4 输送液体的粘度不宜过大 否则泵的压头和效率都将大幅度下降 5 输送液体不能含有固体颗粒 例 用离心泵从江中取水送入贮水池内 池中水面高出江面20米 管路长度 包括局部阻力的当量长度 为45米 水温为20 管壁相对粗糙度 d 0 001 要求输水的水量为20 25m3 h 1 试选择适当的管径 2 试选择一台离心泵 3 确定离心泵的安装高度 H Z Hf Z L d u2 2gqv 0 785d2u 1 设u d 确定管道规格2 由u d Re Hf H根据qvmax H确定泵型号3 Hgmax P0 g Pv g h HfHg Hgmax 0 5 1 0 第三节气体输送机械 一 分类 1 用于气体输送通风机 出口表压小于15kPa 压缩比小于1 15鼓风机 出口表压10 300kPa 压缩比为1 1 42 产生高压气体压缩机 出口表压大于100kPa 压缩比大于23 产生真空真空泵 出口表压小于15kPa 压缩比小于1 15 二 工作原理及特点通风机离心式分为低压 中压 高压三类轴流式排送量大 但风压甚小鼓风机离心式分单级 出口风压 50kPa 多级 出口风压 50MPa 旋转式罗茨风机 风量为0 03 9m3 s 出口风压 80kPa 压缩机往复式离心式真空泵往复式喷射真空泵水环真空泵 第四章沉降与过滤 第一节概述1 混合物的分类均相混合物与非均相混合物两相流动物系液 固气 固 2 非均相混合物分离的目的回收分散物质 净制分散介质 环保 3 非均相混合物分离的种类沉降 过滤 液体洗涤 电除尘等 第二节颗粒的沉降运动1 沉降在外力作用下 使流体与固体组成的两相物系产生相对运动 从而使两相物系得以分离的单元操作 沉降 两相流动物系 液 固气 固重力场中 重力沉降离心力场中 离心沉降 2 颗粒的特性球形颗粒的直径dp非球形颗粒的当量直径dev球形度 s 考察两相物系的相对运动应从流体对颗粒运动的阻力着手 一 流体对颗粒运动的阻力 曳力 形体阻力表面阻力Fd dp2 4 u2 2 式中阻力系数 是颗粒相对于流体运动的Ret的函数 可通过实验测定 当Ret值在不同的范围时的 值 层流区 斯托克斯区 10 42 105 0 1式中Ret dput 二 球形颗粒的自由沉降速度 静止液体中 自由沉降 自由沉降运动方程 Fg Fb Fd m du d ma式中 Fg 6dp3 pg重力Fb 6dp3 g浮力Fd dp2 4 u2 2阻力 曳力 Fb Fg Fd 当沉降开始时 u 0 a有最大值 u a 当u ut后 三力达平衡 即a 0 颗粒开始作匀速下沉运动 且ut 4gdp p 3 将Ret在不同的范围时的 值代入上式可得 以上三区域的沉降速度公式为 滞流区ut gdp2 p 18 过渡区ut 4g2 p 2 225 1 3dp湍流区ut 1 77 dp p g 由以上三式可知 滞流区 流体粘性引起的表面摩擦阻力占主导地位湍流区 颗粒形体阻力占主导地位过渡区 随Ret 表面摩擦阻力 颗粒形体阻力 研究颗粒与流体的相对运动时 颗粒与流体的综合物特性可用沉降速度ut表示 因 气 ut液体中 沉降速度的确定 试差法 设一种流型 ut Ret 看Ret是否在所设的流型区内 避免试差法 利用 Ret2 Ret关系曲线 当液体作水平运动时 相对运动绝对速度 当液体向上流动时 相对运动绝对速度uP u ut 例 求下列形状 尺寸的固体颗粒在30 常压空气中的自由沉降速度 直径为30 m的球形颗粒 直径为0 5 m的球形颗粒 已知 p 2670Kg m3 1 165Kg m3 1 86 10 5Pas 三 其它影响沉降速度的因素1 颗粒形状当量粒径dede 6VP 1 3球形度 s及球形度对运动阻力的影响 s S SP球体相对流动阻力最小 s越接近1 流动阻力越小Ret越大 s对 影响越显著 2 壁效应 容器壁与底增加了颗粒沉降的曳力 3 干扰沉降 颗粒与颗粒相互干扰 通常ut干扰 ut自由4 其它 分子运动 液滴与气泡的运动等 第三节沉降分离设备一 重力沉降设备 一 降尘室1 工作原理设 H 降尘室高度uA 降尘室底面积u 气流平均速度utqv 气流处理量ut 沉降速度 2 颗粒在降尘室中被分离出来的条件沉降时间 停留时间沉降时间 t H ut停留时间 r AH qV 所以颗粒沉降条件为 AH qV H ut即ut qV A或qV A utA 降尘室底面积 3 结论 降尘室的生产能力与底面积成正比 与降尘室的高度无关 降尘室的最大生产能力qVmax A utc utc称为临界沉降速度 对应于能够100 分离的最小颗粒直径dPC 4 降尘室的工艺计算 已知降尘室尺寸 物系性质 处理量 求能够100 分离的最小颗粒直径即临界颗径dPC 已知降尘室尺寸 物系性质 要求去除的最小颗粒直径 核算降尘室的处理能力 已知VS和dPC及有关物性 设计降尘室 即确定A H 当液体作湍流流动时 旋涡影响颗粒沉降 使分离效果变劣 二 沉聚槽1 悬浮液的沉聚过程 将新配制的颗粒均匀的悬浮液倒入容器 颗粒开始沉降 容器内出现四个区 A清液区 B等浓度区 C变浓区 D沉聚区 AB界面下降速度 B区的沉降速度 AC区扩大 B区缩小至消失 AC界面下降速度变慢 AC界面消失 全部颗粒集中到D区 达到临界沉降点 颗粒再沉降 沉渣被压紧 若悬浮液颗粒不均匀 沉聚过程没有B区和 过程 2 悬浮液的沉聚与自由沉降的区别 颗粒从低浓度区沉降到高浓度区 悬浮液浓度 沉降阻力 颗粒越密集 被置换出的液体向上运动对沉降的阻滞作用越大即颗粒越向下 ut越小 大颗粒与小颗粒相互影响 从而使大颗粒ut 小颗粒ut 当有颗粒相互勾连聚集成絮状整团往下沉时 可使沉降加快 絮凝 3 沉聚槽增稠器 澄清器 二 离心沉降设备 离心分离因素a重力Fg mg定值离心力Fc mui2 r mr 2随r ui而变离心分离因素K r 2 g u2 gr rN2 900K值随r N变 r离心半径 N转速 ui切向速度 离心沉降速度ur 小颗粒沉降时流动阻力一般处于斯托克斯区 ur dp2 p r 2 18 utr 2 g aut 离心沉降较重力沉降更有效 更快 旋风分离器1 操作原理与结构 生产上用于分离气流中粒径在5 100 m之间的颗粒 不适宜用于粘性粉尘 含湿量大的粉尘 腐蚀性粉尘的分离 气流波动较大时对除尘效果及阻力影响较大 标准旋风分离器各部分尺寸比例见讲