化工原理完整(天大版)ppt课件

2020/5/21,精选,1,化工原理PrinciplesofChemicalEngineering,使用教材：姚玉英主编，化工原理，天津大学出版社，1999参考教材：陈敏恒主编，化工原理，化学工业出版社，2002蒋维钧主编，化工原理，清华大学出版社，1993,2020/5/21,精选,2,0绪论,1流体流动,2流体输送机械,3非均相物系的分离和固体流态化,5蒸馏,6吸收,7蒸馏和吸收塔设备,8液液萃取,9干燥,4传热,2020/5/21,精选,3,0绪论,0.1化工生产与单元操作,0.2单位制与单位换算,0.3物料衡算与能量衡算,2020/5/21,精选,4,0绪论,0.1化工原理课程的性质和基本内容1.化工生产过程,2020/5/21,精选,5,2020/5/21,精选,6,2020/5/21,精选,7,2.单元操作（UnitOperation）单元操作按其遵循的基本规律分类：（1）遵循流体动力学基本规律的单元操作：包括流体输送、沉降、过滤、固体流态化等；（2）遵循热量传递基本规律的单元操作：包括加热、冷却、冷凝、蒸发等；（3）遵循质量传递基本规律的单元操作：包括蒸馏、吸收、萃取、结晶、干燥、膜分离等；,2020/5/21,精选,8,2020/5/21,精选,9,单元操作的研究内容与方向：,研究内容,研究方向,2020/5/21,精选,10,0.2单位制与单位换算,一、基本单位与导出单位,基本单位：选择几个独立的物理量，以使用方便为原则规定出它们的单位；,导出单位：根据其本身的意义，由有关基本单位组合而成。,单位制度的不同，在于所规定的基本单位及单位大小不同。,2020/5/21,精选,11,二、常用单位制,我国法定单位制为国际单位制（即SI制）,2020/5/21,精选,12,三、单位换算,物理量的单位换算,换算因数：同一物理量，若单位不同其数值就不同，二者包括单位在内的比值称为换算因数。（附录二）,经验公式的单位换算,经验公式是根据实验数据整理而成的，式中各符号只代表物理量的数字部分，其单位必须采用指定单位。,2020/5/21,精选,13,以单位时间为基准，如：h，min，s。参数=f(x,y,z),以每批生产周期所用的时间为基准。参数=f(x,y,z,),稳定操作非稳定操作,0.3物料衡算与能量衡算,2020/5/21,精选,14,衡算,(1)物料衡算（质量衡算）,物料衡算反映原料、产品、损失等各种物料流股间量(质量/摩尔流量)的关系。,总体衡算(稳态)其范围可以是某设备的大部分、全部，或是由几个设备组成的一段生产流程、一个车间甚至整个工厂。,2020/5/21,精选,15,物料衡算可以表示为：GI=GO+GA(0-2),此式为总物料衡算式，也适用于物料中的某个组分。如精馏：,注意：在有化学反应的情况下，物料衡算式只适用于任一元素的衡算。,2020/5/21,精选,16,例1(清华版，P6)：稳态时的总物料衡算及组分物料衡算,解：首先根据题意画出过程的物料流程图,生产KNO3的过程中，质量分率为0.2的KNO3水溶液，以F=1000kg/h的流量送入蒸发器，在422K下蒸发出部分水得到50%的浓KNO3溶液。然后送入冷却结晶器，在311K下结晶，得到含水0.04的KNO3结晶和含KNO30.375的饱和溶液。前者作为产品取出,后者循环回到蒸发器。过程为稳定操作，试计算KNO3结晶产品量P、水分蒸发量W和循环的饱和溶液量R。,2020/5/21,精选,17,蒸发器422K,冷却结晶器311K,F=100020%,S50%,R,37.5%,W,0.0%,P1-0.04,解题思路：题求三个量，如何列物料衡算式。首先考虑划定适宜的物衡范围以利于解题。,1求KNO3结晶产品量P,按虚线框作为物料衡算范围，只涉及两个未知量。GI=GO+GA,2020/5/21,精选,18,KNO3组分的物料衡算：F20%=W0%+P(1004)%100020%=0+P96%则：P=208.3kg/h,2水分蒸发量W(物衡范围同1.)总物料衡算式：F=W+P则：W=FP=1000208.3=791.7kg/h,3循环的饱和溶液量R此时以蒸发器或冷却结晶器划定为物衡范围均可，但前者涉及4个量，后者仅3个量1个已知，因此宜以结晶器为衡算范围。,总物衡式：S=R+P即：S=R+208.3,2020/5/21,精选,19,KNO3组分物衡：0.5S=0.375R+0.96P,两式联立解得：R=766.6kg/h,例2：非稳态时的物料衡算（P6例0-4）用1.5m3/s送风量将罐内有机气体由6%吹扫至0.1%(体积)，求所需时间。,解：罐内气体浓度随时间变化，用微分衡算。,2020/5/21,精选,20,在d时间内，对有机气体的“体积”作衡算：根据GI=GO+GA，有,1.5m3/s空气0d=1.5m3/s有机气vd+,整理并积分：,2020/5/21,精选,21,(2)能量衡算,能量有很多种，如机械能、热能、电能、磁能、化学能、原子能、声能、光能等。,化工过程中主要涉及物料的温度与热量的变化，因此：,热量衡算是化工中最常用的能量衡算。,质量衡算与能量衡算的异同点：,同：都须划定衡算的范围和时间基准。,异：1)热量衡算须选择物态和温度基准，这是因为物料所含热量（焓）是温度和物态的函数。液态物质的温度基准常取273K。2)对于有化学反应的系统，须考虑反应物、生成物的差异，因为既使同温，若浓度不同，则它们的焓值及反应热亦不同。3)热量除随物料输入/出外，还可通过热量传递的方式输入/出系统。,2020/5/21,精选,22,热量衡算的依据是能量守恒定律，即：,QI=QO+QL+QA,式中下标符号的意义:I:进入O:离开L:散失A:积累,例3(P8例0-5),溶液的平均比热为3.56kJ/(kg.)求：换热器热损失QL占水蒸气提供热量的百分数?,2020/5/21,精选,23,解：,查P357附录九：120水蒸气焓值为2708.9kJ/kg，120饱和水焓值为503.6kJ/kg。,稳定操作无积累QA=0，则有QI=QO+QL即蒸汽带入Q1+溶液带入Q2=凝液带出Q3+溶液带出Q4+QL,如图虚线为衡算范围,Q1=0.0952708.9=257.3kwQ2=13.56(250)=89kwQ3=0.095503.67=47.8kwQ4=13.56(800)=284.8kw,即：,热损失：,2020/5/21,精选,24,例4非稳定热量衡算举例,W=8t/hT3=100,水蒸气,冷凝水,G=20t,罐内盛有20t重油，初温T1=20，用外循环加热法进行加热，重油循环量W=8t/h。循环重油经加热器升温至恒定的100后又送回罐内，罐内的油均匀混合。问：重油从T1升至T2=80需要多少时间，假设罐与外界绝热（QL=0）。,解：,非稳态，有QA项，以罐为物衡范围，1h为时间基准，0为温度基准。,2020/5/21,精选,25,在d时间内：输入系统重油的焓=WCpT3d输出系统重油的焓=WCpTd系统内积累的焓=GCpdT,则：热衡式：WCpT3d=WCpTd+GCpdT化简得：W(T3T)d=GdT,积分有：,2020/5/21,精选,26,第一章流体流动FlowofFluid,2020/5/21,精选,27,1.1流体的物理性质,1.2流体静力学基本方程,1.3流体流动的基本方程,1.4流体流动现象,1.5流体在管内的流动阻力,1.6管路计算,1.7流量的测量,2020/5/21,精选,28,1.研究流体流动问题的重要性,因此，流体流动成为各章都要研究的内容。流体流动的基本原理和规律是“化工原理”的重要基础。,流体流动的强度对热和质的传递影响很大。强化设备的传热和传质过程需要首先研究流体的流动条件和规律。,传热冷、热两流体间的热量传递；传质物料流间的质量传递。,化工生产过程中，流体（液体、气体）的流动是各种单元操作中普遍存在的现象。如：,2020/5/21,精选,29,流体流动规律在流体输送及传热/质方面的应用在以后各章具体介绍。,2.本章主要研究内容：,1流体流动规律(主要管内)流体动力学；静止流体的规律流体静力学；流体静力学在测量压强、流速(量)、液位及保持设备内压强(或常压)方面的应用,从工程实际情况出发，流动规律的研究采用宏观方法，主要研究流体的宏观运动规律。因此将流体视为“连续介质”无数微团(或称质点)组成，其间无间隙、完全充满所占据的空间。高真空状态除外!,流体流动的研究方法：,2020/5/21,精选,30,3.流体在流动中受到的力,b.表面力作用于流体质点表面的力，与表面积成正比。表面力一般分为两类：一为垂直于表面的力称压力，一为平行于表面的力称剪力。,a.体积力作用于每个质点上的力，与流体质量成正比。对于质量均匀的流体则与体积成正比。重力和离心力是两个典型的体积力。,2020/5/21,精选,31,4.流体的特征,具有流动性；无固定形状，随容器形状而变化；受外力作用时内部产生相对运动。,不可压缩流体：流体的体积不随压力变化而变化，如液体；可压缩性流体：流体的体积随压力发生变化，如气体。,2020/5/21,精选,32,1.1流体的物理性质,1.1.1密度一、定义单位体积流体的质量，称为流体的密度。,kg/m3,二、单组分密度,液体密度仅随温度变化（极高压力除外），其变化关系可从手册中查得。,2020/5/21,精选,33,气体当压力不太高、温度不太低时，可按理想气体状态方程计算：,注意：手册中查得的气体密度都是在一定压力与温度下之值，若条件不同，则密度需进行换算。,M气体的摩尔质量;R8.315103J/(kmolK)下标“”表示标准状态,实际上，某状态下理想气体的密度可按下式进行计算：,2020/5/21,精选,34,三、混合物的密度,混合气体各组分在混合前后质量不变，则有,气体混合物中各组分的体积分率。,或,混合气体的平均摩尔质量,气体混合物中各组分的摩尔(体积)分率。,2020/5/21,精选,35,混合液体假设各组分在混合前后体积不变，则有,液体混合物中各组分的质量分率。,四、比容,单位质量流体具有的体积，是密度的倒数。,m3/kg,2020/5/21,精选,36,流体静力学,流体静力学主要研究流体静止时流体内部各种物理量的变化规律，特别是在重力场作用下，静止流体内部的压力变化规律。,1.2流体静力学基本方程式,2020/5/21,精选,37,1.2.1静止流体的压力,流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的静压强，习惯上又称为压力。,一、压力的特性流体压力与作用面垂直，并指向该作用面；任意界面两侧所受压力，大小相等、方向相反；作用于任意点不同方向上的压力在数值上均相同。,二、压力的单位,SI制：N/m2或Pa；,2020/5/21,精选,38,或以流体柱高度表示：,注意：用液柱高度表示压力时，必须指明流体的种类，如600mmHg，10mH2O等。,标准大气压的换算关系：1atm=1.013105Pa=760mmHg=10.33mH2O,三、压力的表示方法,绝对压力以绝对真空为基准测得的压力。表压或真空度以大气压为基准测得的压力。,2020/5/21,精选,39,表压=绝对压力大气压力真空度=大气压力绝对压力,注：表压强和真空度均需加以标注。,2020/5/21,精选,40,1.1.3流体静力学基本方程式,一、静力学基本方程,重力场中对液柱进行受力分析：,（1）上端面所受总压力,（2）下端面所受总压力,（3）液柱的重力,设流体不可压缩，,方向向下,方向向上,方向向下,p1,p2,2020/5/21,精选,41,液柱处于静止时，上述三项力的合力为零:,静力学基本方程,压力形式,能量形式,2020/5/21,精选,42,讨论：,（1）适用于重力场中静止、连续的同种不可压缩性流体；（2）物理意义：,单位质量流体所具有的位能，J/kg；,单位质量流体所具有的静压能，J/kg。,在同一静止流体中，处在不同位置流体的位能和静压能各不相同，但二者可以转换，其总和保持不变。,2020/5/21,精选,43,（3）在静止的、连续的同种流体内，处于同一水平面上各点的压力处处相等。压力相等的面称为等压面。,当流体由两种以上组成(液体在管内夹带气泡流动、两种以上的液体等)时，应逐段计算。,（4）压力具有传递性：液面上方压力变化时，液体内部各点的压力也将发生相应的变化。,(6)气体有较大压缩性上述各式用于气体时，只能在p变化不大的条件下才能使用。但一般而言，化工容器中可忽略T，p的影响。,2020/5/21,精选,44,P14例1-3开口容器，油层厚h1=0.7m，1=800kg/m3；水层厚h2=0.7m，2=1000kg/m3。，,否?求h=?(mH2O),解：,2020/5/21,精选,45,二、静力学基本方程的应用,1.压强及压强差的测量,（1）U形压差计,设指示液的密度为，被测流体的密度为。,A与A面为等压面，即,而,2020/5/21,精选,46,所以,整理得,若被测流体是气体，则有,斜管压差计,当测量压差较小时，为了扩大R的读数，常将U形管倾斜放置，是为倾斜U管压差计。,2020/5/21,精选,47,讨论：,（1）U形压差计可测系统内两点的压力差，当将U形管一端与被测点连接、另一端与大气相通时，也可测得流体的表压或真空度；,表压,真空度,2020/5/21,精选,48,（2）指示液的选取：指示液与被测流体不互溶，不发生化学反应；其密度要大于被测流体密度。应根据被测流体的种类及压差的大小选择指示液。,2020/5/21,精选,49,思考：若U形压差计安装在倾斜管路中，此时读数R反映了什么？,2020/5/21,精选,50,（2）双液体U管压差计,扩大室内径与U管内径之比应大于10。,适用于压差较小的场合。,密度接近但不互溶的两种指示液A和C；,2020/5/21,精选,51,例：测量气体的微小压差，试问用U形管压差计，苯为指示液，读数R=？；倾斜U管压差计，苯为指示液,=30，读数R=？微差压差计，苯和水为指示液，读数R=？,2020/5/21,精选,52,解：忽略空气密度的影响，下标A为苯，B为水。查苯的密度为879kg/m3，有：,2020/5/21,精选,53,例如附图所示，水在水平管道内流动。为测量流体在某截面处的压力，直接在该处连接一U形压差计，,指示液为水银，读数R250mm，h900mm。已知当地大气压为101.3kPa，水的密度1000kg/m3，水银的密度13600kg/m3。试计算该截面处的压力。,2020/5/21,精选,54,例如附图所示，蒸汽锅炉上装一复式压力计，指示液为水银，两U形压差计间充满水。相对于某一基准面，各指示液界面高度分别为,Z0=2.1m,Z2=0.9m,Z4=2.0m,Z6=0.7m,Z7=2.5m。试计算锅炉内水面上方的蒸汽压力。,2020/5/21,精选,55,因为容器和平衡室上方的压强相同，如此可得等式：,Pa=gH=g（H-h-R）+指gR,解得：h=R（指-）/,由此可见，液面越低（h越大），压差越大。液面越高，压差越小，达最高液位时，压差为零。,因此，压差的大小直接反映了液位的高低。此为液位测量原理。,（1）近距离液位测量装置,2020/5/21,精选,56,（2）远距离液位测量装置,已知两吹气管出口间距H1=1m，煤油=820kg/m3，水=1000kg/m3，Hg=13600kg/m3。求：当R=67mm时，两相界面距上吹气管出口端距离h。,2020/5/21,精选,57,解：,计算结果表明：以压差计读数为信号，控制底部排水阀的开度，就可以使界面维持在两吹气管出口之间。,2020/5/21,精选,58,3.液封高度的计算,液封作用：确保设备安全：当设备内压力超过规定值时，气体从液封管排出；防止气柜内气体泄漏。,液封高度：,维持压力容器(设备)内压力不超标称“安全液封”,2020/5/21,精选,59,1.3流体流动的基本方程,1.3.1流量与流速,1.3.2稳态流动与非稳态流动,1.3.3连续性方程,1.3.4柏努利方程,2020/5/21,精选,60,1.体积流量单位时间内流经管道任意截面的流体体积。VSm3/s或m3/h2.质量流量单位时间内流经管道任意截面的流体质量。wSkg/s或kg/h。,二者关系：,一、流量,1.3.1流体的流量与流速,2020/5/21,精选,61,二、流速,2.质量流速单位时间内流经管道单位截面积的流体质量。,流速（平均流速）单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。,kg/（m2s）,流量与流速的关系：,m/s,2020/5/21,精选,62,对于圆形管道：,流量VS一般由生产任务决定。,流速选择：,三、管径的估算,2020/5/21,精选,63,常用流体适宜流速范围：,水及一般液体13m/s粘度较大的液体0.51m/s低压气体815m/s压力较高的气体1525m/s,2020/5/21,精选,64,1.3.2稳态流动与非稳态流动,稳态流动：各截面上的温度、压力、流速等物理量仅随位置变化，而不随时间变化；,非稳态流动：流体在各截面上的有关物理量既随位置变化，也随时间变化。,2020/5/21,精选,65,1.3.3连续性方程,对于稳态流动系统，在管路中流体没有增加和漏失的情况下：,推广至任意截面,连续性方程,2020/5/21,精选,66,不可压缩性流体，,圆形管道：,连续性方程反映了稳态下，流量一定时管路各截面流速的变化规律。常用它求：不同A下的u或不同u下的A(或d)。,2020/5/21,精选,67,例1-3如附图所示，管路由一段894mm的管1、一段1084mm的管2和两段573.5mm的分支管3a及3b连接而成。若水以9103m/s的体积流量流动，且在两段分支管内的流量相等，试求水在各段管内的速度。,2020/5/21,精选,68,1.3.4柏努利方程,1、流动系统的总能量衡算,2020/5/21,精选,69,（1）内能贮存于物质内部的能量。1kg流体具有的内能为U（J/kg）。,衡算范围：1-1、2-2截面以及管内壁所围成空间衡算基准：1kg流体基准面：0-0水平面,（2）位能流体受重力作用在不同高度所具有的能量。1kg的流体所具有的位能为zg（J/kg）。,注意：位能是相对值，高于基准面时为正，低于时为负。,2020/5/21,精选,70,（3）动能1kg的流体所具有的动能为(J/kg),（4）静压能,静压能=,（5）热设换热器向1kg流体提供的热量为(J/kg)。,2020/5/21,精选,71,（6）外功(有效功)1kg流体从流体输送机械所获得的能量为We(J/kg)。,以上能量形式可分为两类：,机械能：位能、动能、静压能及外功，可用于输送流体；内能与热：不能直接转变为输送流体的能量。,2020/5/21,精选,72,2流动系统的机械能衡算式与柏努利（Bernoulli）方程式,假设流体不可压缩，则流动系统无热交换，则流体温度不变，则,(1)以单位质量流体为基准,设1kg流体损失的能量为hf（J/kg），有：,(1),式中各项单位为J/kg。,并且实际流体流动时有能量损失。,2020/5/21,精选,73,（2）以单位重量流体为基准,将(1)式各项同除重力加速度g:,令,式中各项单位为,2020/5/21,精选,74,z位压头,动压头,He外加压头或有效压头。,静压头,总压头,Hf压头损失,2020/5/21,精选,75,（3）以单位体积流体为基准,将(1)式各项同乘以:,式中各项单位为,（3）,压力损失,2020/5/21,精选,76,3理想流体的机械能衡算,理想流体是指流动中没有摩擦阻力的流体。,（4）,（5）,柏努利方程式,2020/5/21,精选,77,4.柏努利方程的讨论,（1）若流体处于静止，u=0，hf=0，We=0，则柏努利方程变为,说明柏努利方程即表示流体的运动规律，也表示流体静止状态的规律。,（2）理想流体在流动过程中任意截面上总机械能、总压头为常数，即,2020/5/21,精选,78,2020/5/21,精选,79,We、hf在两截面间单位质量流体获得或消耗的能量。,（3）zg、某截面上单位质量流体所具有的位能、动能和静压能；,有效功率：,轴功率：,2020/5/21,精选,80,（4）柏努利方程式适用于不可压缩性流体。对于可压缩性流体，当时，仍可用该方程计算，但式中的密度应以两截面的平均密度m代替。,2020/5/21,精选,81,管内流体的流量；容器间的相对位置；输送设备的有效功率；管路中流体的压强；,利用柏努利方程与连续性方程，可以确定：,1.3.5柏努利方程式的应用,2020/5/21,精选,82,（1）根据题意画出流动系统的示意图，标明流体的流动方向，定出上、下游截面，明确流动系统的衡算范围；,（2）位能基准面的选取必须与地面平行；宜于选取两截面中位置较低的截面；若截面不是水平面，而是垂直于地面，则基准面应选过管中心线的水平面。,应用柏努利方程解题要点：,2020/5/21,精选,83,（4）各物理量的单位应保持一致，压强的表示方法也应一致，即同为绝压或同为表压。,（3）截面的选取与流体的流动方向相垂直；两截面间流体应是定态连续流动；截面宜选在已知量多、计算方便处。,2020/5/21,精选,84,例:（p261-12)如图，常温水自下向上定态流动，p1=169KPa,p2=150KPa,流动过程中能量损失很小。求：ws=?,解：取11面为基准，在11和22之间没有外功加入，能量损失忽略，列柏努利方程：,代入方程式中得到:u2=3.02m/sws=192000kg/h,一、确定管道中流体的流量,2020/5/21,精选,85,二、确定容器间的相对位置,例（p28例1-11）高位槽液面恒定，料液=850kg/m3，塔内表压9.81kPa，Vh=5m3/h，hf=10.30J/kg(不含出口阻力)。求：液面比管出口中线高多少m？,解：设槽液面为1-1，管出口内侧为2-2。,代入解得：,2020/5/21,精选,86,三、输送设备的功率,解：泵的轴功率N=Ne/=Wews/，在1-12-2间列柏式,2020/5/21,精选,87,（1）,2020/5/21,精选,88,由图可见p2要通过p3求取，在3-34-4间列柏式，且以4-4为基准，有：,（表压）,2020/5/21,精选,89,代入式(1),解得：,四、确定管路中流体的压强,P30例1-13水在等径虹吸管内流动，阻力略，求管内2,3,4,5,6各点压强。当地大气为760mmHg。,2020/5/21,精选,90,解：稳态，以2-2为基准面在1-16-6间列柏式求流速。,由连续性方程得：,或：,2020/5/21,精选,91,根据本题情况，各截面总机械能E相等。,且：,同理，其它各截面：,思考：与22同截面的槽内压强p2为多少？P2或p2?,2020/5/21,精选,92,1.4流体流动现象,1.4.1流体的流动类型与雷诺数,1.4.2流体在圆管内流动时的速度分布,1.4.3边界层的概念,2020/5/21,精选,93,1.4.1流动类型与雷诺数,一、雷诺实验与雷诺数,1.4管内流体流动现象,2020/5/21,精选,94,层流（或滞流）：流体质点仅沿着与管轴平行的方向作直线运动，质点无径向脉动，质点之间互不混合；,湍流（或紊流）：流体质点除了沿管轴方向向前流动外，还有径向脉动，各质点的速度在大小和方向上都随时变化，质点互相碰撞和混合。,二、流型判据雷诺准数,无因次数群,2020/5/21,精选,95,判断流型Re2000时，流动为层流，此区称为层流区；Re4000时，一般出现湍流，此区称为湍流区；2000Re4000时，流动可能是层流，也可能是湍流，该区称为不稳定的过渡区。,2.物理意义,Re反映了流体流动中惯性力与粘性力的对比关系，标志着流体流动的湍动程度。,2020/5/21,精选,96,1.4.2流体在圆管内的速度分布,速度分布：流体在圆管内流动时,管截面上质点的速度随半径的变化关系。,一、层流时的速度分布,2020/5/21,精选,97,由压力差产生的推力,流体层间内摩擦力,管壁处rR时，u0，可得速度分布方程,2020/5/21,精选,98,管中心流速为最大，即r0时,uumax,管截面上的平均速度:,即层流流动时的平均速度为管中心最大速度的1/2。,即流体在圆形直管内层流流动时，其速度呈抛物线分布。,2020/5/21,精选,99,二、湍流时的速度分布,剪应力：,e为湍流粘度，与流体的流动状况有关。,湍流速度分布的经验式：,2020/5/21,精选,100,n与Re有关，取值如下：,当时，流体的平均速度:,2020/5/21,精选,101,1.4.3边界层的概念一、边界层的形成与发展,流动边界层：存在着较大速度梯度的流体层区域，即流速降为主体流速的99以内的区域。边界层厚度：边界层外缘与壁面间的垂直距离。,2020/5/21,精选,102,流体在平板上流动时的边界层：,2020/5/21,精选,103,边界层区（边界层内）：沿板面法向的速度梯度很大，需考虑粘度的影响，剪应力不可忽略。主流区（边界层外）：速度梯度很小，剪应力可以忽略，可视为理想流体。,2020/5/21,精选,104,边界层流型：层流边界层和湍流边界层。,层流边界层：在平板的前段，边界层内的流型为层流。湍流边界层：离平板前沿一段距离后，边界层内的流型转为湍流。,2020/5/21,精选,105,流体在圆管内流动时的边界层,2020/5/21,精选,106,充分发展的边界层厚度为圆管的半径；进口段内有边界层内外之分。也分为层流边界层与湍流边界层。,进口段长度：层流：湍流：,2020/5/21,精选,107,湍流流动时：,2020/5/21,精选,108,湍流主体：速度脉动较大，以湍流粘度为主，径向传递因速度的脉动而大大强化；过渡层：分子粘度与湍流粘度相当；层流内层：速度脉动较小，以分子粘度为主，径向传递只能依赖分子运动。,层流内层为传递过程的主要阻力,Re越大，湍动程度越高，层流内层厚度越薄。,2020/5/21,精选,109,2.边界层的分离,2020/5/21,精选,110,AC：流道截面积逐渐减小，流速逐渐增加，压力逐渐减小（顺压梯度）；CS：流道截面积逐渐增加，流速逐渐减小，压力逐渐增加（逆压梯度）；S点：物体表面的流体质点在逆压梯度和粘性剪应力的作用下，速度降为0。SS以下：边界层脱离固体壁面，而后倒流回来，形成涡流，出现边界层分离。,2020/5/21,精选,111,边界层分离的后果：产生大量旋涡；造成较大的能量损失。,边界层分离的必要条件：流体具有粘性；流动过程中存在逆压梯度。,2020/5/21,精选,112,1.5流体在管内的流动阻力,1.5.1直管阻力,1.5.2局部阻力,2020/5/21,精选,113,1.5流体流动阻力,直管阻力：流体流经一定直径的直管时由于内摩擦而产生的阻力；局部阻力：流体流经管件、阀门等局部地方由于流速大小及方向的改变而引起的阻力。,1.5.1流体在直管中的流动阻力,一、阻力的表现形式,2020/5/21,精选,114,流体在水平等径直管中作定态流动。,2020/5/21,精选,115,若管道为倾斜管，则,流体的流动阻力表现为静压能的减少；水平安装时，流动阻力恰好等于两截面的静压能之差。,2020/5/21,精选,116,二、直管阻力的通式,由于压力差而产生的推动力：,流体的摩擦力：,令,定态流动时,2020/5/21,精选,117,直管阻力通式（范宁Fanning公式）,其它形式：,摩擦系数（摩擦因数）,该公式层流与湍流均适用；注意与的区别。,2020/5/21,精选,118,三、层流时的摩擦系数,速度分布方程,又,哈根-泊谡叶（Hagen-Poiseuille）方程,2020/5/21,精选,119,能量损失,层流时阻力与速度的一次方成正比。,变形：,比较得,2020/5/21,精选,120,四、湍流时的摩擦系数,1.因次分析法,目的：（1）减少实验工作量；（2）结果具有普遍性，便于推广。,基础：因次一致性即每一个物理方程式的两边不仅数值相等，而且每一项都应具有相同的因次。,2020/5/21,精选,121,基本定理：白金汉（Buckinghan）定理设影响某一物理现象的独立变量数为n个，这些变量的基本因次数为m个，则该物理现象可用N（nm）个独立的无因次数群表示。,湍流时压力损失的影响因素：（1）流体性质：，（2）流动的几何尺寸：d，l，（管壁粗糙度）（3）流动条件：u,2020/5/21,精选,122,物理变量n7基本因次m3无因次数群Nnm4,无因次化处理,式中：,欧拉（Euler）准数,即该过程可用4个无因次数群表示。,2020/5/21,精选,123,相对粗糙度,管道的几何尺寸,雷诺数,根据实验可知，流体流动阻力与管长成正比，即,或,2020/5/21,精选,124,莫狄（Moody）摩擦因数图：,2020/5/21,精选,125,（1）层流区（Re2000）与无关，与Re为直线关系，即,即与u的一次方成正比。,（2）过渡区（2000Re10d，下游l5d；,缺点：圆孔的锐角边缘易被腐蚀、磨损或挂焦圆孔的形状改变(须定期校正)；能量损失大。,优点：孔板流量计的制造、调换都简便；可耐高温、高压，不怕含尘的气体。,损失按下式估算：,2020/5/21,精选,177,1.7.3文丘里（Venturi）流量计,文丘里流量计的收缩角一般取1525，扩大角取57。流体流过渐缩渐扩管时，避免了流体边界层的脱离，基本上不产生漩涡，阻力损失较小。,2020/5/21,精选,178,CV流量系数（0.980.99）A0喉管处截面积,其工作原理与孔板的相同，,多用于测低压气体流速；但加工精度、造价较高。,2020/5/21,精选,179,1.7.4转子流量计,一、结构与原理,从转子的悬浮高度直接读取流量数值。,2020/5/21,精选,180,二、流量方程,转子受力平衡,在1-1和0-0截面间列柏努利方程,0,1,1,0,2020/5/21,精选,181,由连续性方程,CR流量系数,2020/5/21,精选,182,体积流量,（1）特点：恒压差、恒流速、变截面截面式流量计。,讨论：,（2）刻度换算,标定流体：20水（1000kg/m3）20、101.3kPa下空气（1.2kg/m3）,2020/5/21,精选,183,CR相同,同刻度时,式中：1标定流体；2被测流体。,气体转子流量计,2020/5/21,精选,184,三、安装及优缺点,（1）永远垂直安装，且下进、上出，安装支路，以便于检修。（2）读数方便，流动阻力很小，测量范围宽，测量精度较高；（3）玻璃管不能经受高温和高压，在安装使用过程中玻璃容易破碎。不能把流量转换为电信号送到控制仪表上。,2020/5/21,精选,185,第二章流体输送机械,Fluid-movingMachinery,2020/5/21,精选,186,2.1离心泵,2.2其它类型液体输送机械,2.4气体输送和压缩机械,2020/5/21,精选,187,输送设备向流体施加外功，以提高流体的机械能，使流体具有较高的静压能，足以克服输送时所消耗的能量损失；或送至高位槽；或提供流体应具有的高压或低压(真空度)。,1按被送介质分：,输送液体的机械泵；,输送气体的机械风机。,按产生压强的高低又可分为：通风机、鼓风机、压缩机。,2020/5/21,精选,188,2从工作原理分：,本章主要介绍常用的输送机械的基本结构、工作原理和特性，学习如何选择、安装设备，使设备在尽可能高的效率下运作。,离心式：离心泵、旋涡泵、鼓风机、离心通风机,往复式：往复泵、计量泵、压缩机,旋转式：齿轮泵、双螺杆泵、蠕动泵,流体动力式：蒸汽喷射泵,学习时注意：,即使同形式的输送机械也因气体的可压缩性和气、液密度差异大而在结构及特性上有区别。,即使同为离心泵，也因输送的物料不同分为水泵、油泵、泥浆泵等等。当然结构上也有区别。,2020/5/21,精选,189,2.1离心泵,离心泵的外观,2020/5/21,精选,190,2.1.1主要部件和工作原理,（1）叶轮,叶片（+盖板）,1.主要部件,2020/5/21,精选,191,4-8个叶片（前弯、后弯，径向）,液体通道。,前盖板、后盖板，无盖板,闭式叶轮,半开式,开式,液体入口中心,（2）泵壳：,泵体的外壳，包围叶轮,截面积逐渐扩大的蜗牛壳形通道,出口切线,（3）泵轴：垂直叶轮面，叶轮中心。,2020/5/21,精选,192,离心泵装置简图,2020/5/21,精选,193,2离心泵的工作原理,原动机轴叶轮，旋转,（1）,离心力,叶片间液体,中心外围,液体被做功,动能,高速离开叶轮,2020/5/21,精选,194,（2）泵壳：,液体的汇集与能量的转换,（动静）,（3）吸上原理与气缚现象,叶轮中心低压的形成,p,泵内有气，则,泵入口压力,液体不能吸上,气缚,启动前灌泵,液体高速离开,（4）轴封的作用,（5）平衡孔的作用,消除轴向推力,2020/5/21,精选,195,（6）导轮的作用,减少能量损失,2020/5/21,精选,196,2.1.2离心泵的基本方程式,一.离心泵的理论压头,叶片数且无限薄，液体无环流；,理想流体，无流动阻力，无能量损失。,离心泵基本方程,D2叶轮半径；Q泵的体积流量；b2叶轮出口宽度；叶片装置角；n叶轮转速。,2020/5/21,精选,197,2020/5/21,精选,198,上式反映了离心泵的HT与QT、n、D2和叶片几何形状间的关系，下面分述：,叶轮的转速和直径,当QT、2、b2一定时，nD2则：HT,可见，前弯叶片产生的理论压头最大。,2.叶片的几何形状,若固定D2、n、b2及QT，则：,后弯叶片290ctg20HTu22/g,径向叶片=,前弯叶片,2020/5/21,精选,199,左图为不同2值下静压头Hp与动压头Hc间的比例关系。其中后弯叶片产生的静能/动能比最大，能损最小。,这是因为当绝对速度c2较大时，阻力损失加大，同时也会产生更为剧烈的涡流使能损进一步加大。,所以，离心泵常采用后弯叶片。,3.理论流量,当离心泵的几何尺寸(D2、b2、2)和转速(n)一定时，令：,