第二章 流体的流动和输送.ppt

第二章流体的流动(动量传递过程),1概述：一.化工生产中流体流动和输送以及涉及的问题化工生产中处理的物料大多数是流体，化工管道纵横交错，高塔林立，都需要通过流体输送设备将流体送到指定设备中去。如图：要解决的问题有：1流体的压强，流量的测量。流体静力学2流速管径的确定。流体动力学3流动阻力计算及流体输送设备功率的确定。能量衡算4管路中流体的流动状况分析。,图2-1吸收流程,二一些基本概念：,1.理想流体：没有粘性，不可压缩，无流动磨擦阻力的流体。（压强不变的气体）实际流体：具有粘性，可压缩，有流动磨擦阻力的流体。2.稳定流动：流道载面上的流体的T、P、v、组成C等不随时间t变化的流动。非稳定流动：流道载面上的流体的T、P、v、C=f（t）,3.流体的密度和相对密度,1）密度=m/Vkg/m3（公斤s2/m4）对于理想气体：PV=nRTPM=nMRT/V=mRT/V=RT=PM/RT2）相对密度Si=i/H2O(4)=(ikg/m3)/(103kg/m3)i=103Sikg/m34流体的重度r单位体积内的物料所具有的重量r=W/V=(m/v).g=.gN/m3(公斤/m3)1公斤/m3=9.81N/m3,141-2,5流体的压强：P=F/A,SI制：1Pa1N/m21)压强的单位工程制：1at(工程大气压)=1公斤/cm2=98100Pa物理制：1atm=0.76mHg=101325Pa1bar(巴)=106dyn/cm2=10N/10-4m2=105Pa2)压强的液柱表示法：如图：441-2,当管内液体静止时有：Pb(静)=Pa=1atmPb=F/A=hAg/A=hg(流体密度)Pa=hg或h=Pa/g,可见：一定的压强可使密度为的流体上升一定的高度，故液柱高度可表示一定压强，,或：流体柱所产生的压强P只与流体柱高度h和密度有关，而于柱面积无关。P=hg讨论：a.用不同流体表示同一压强时：P=h11g=h22gh1/h2=2/1即柱高与密度成反比b.用同一流体表示不同压强时：P1=h1gp2=h2gh1/h2=P1/P2即柱高与压强成正比例1.计算大气压的Pa值，1atm=？Pa解：P=hg=0.76*13.6*103*9.81=101325Pa例2.大气压最多可使水上升多少m?解：hH2O=Pa/H2Og=101325/103*9.81=10.33m,例3.1mH2O柱所产生的压强能使汞上升多少mm?解:问同一压强(1mH2O柱)能使汞上升多少mm？P=h11g=h22gh2/h1=1/2hHg=hH2O*H2O/Hg=1*103/13.6*103=0.0735m=73.5mmHg,3)压强的相对性表示法,a.绝对压强：以绝对真空为起点而表示的压强b.表压：以当时当地的大气压为起点而表示的压强。c.负压：低于当时当地的大气压的绝对压强。d.真空度：负压与大气压的差值。,(图2-2),可见：当P1atm时：绝对压强=大气压+表压(表示两点之间的压差时-用表压-简单)当PPB2PB3PA1PA2PA3PD1=(H4-H1)g+PA1=PD2=(H2-H1)ig+(H4-H2)g+PA2PA2=PA1+(H2-H1)g-(H2-H1)ig=101325+(H2-H1)g(-i)=101325+0.1*9.81*(103-13.6*103)=88964.4Pa同理:PA3=101325+(H3-H1)g(-i)=101325-0.2*9.81*12600(练习)=76604Pa,pA1pA2PA3B1B2B3H4C1C2C3H3H2D1H1D2D3,解：由静止连通的同种流体中水平面是等压面知：PB=PC=PDPD=101325+hHgg=134.7kPaPA=0.2水g+PB=0.2*103*9.81+134700=173kPa(?绝压、表压、负压、真空度),例9指导书P13,如图,求PA,h=0.25mBCD0.2m水A,241-3,作业三-P71(2，3),3.流体稳定流动时的物料衡算与能量衡算,一、流速与管径的关系：1.平均流速v=qv/A体积流量qv=vA=vd2/4v与d2成反比质量流量qm=qv=vA=vd2/42.管径的确定：qv一定时，d,投资,但v,阻力,能耗,生产费日积月累,支出费用庞大,应以降低流速(生产费)为主导因素，一般，据表2-2,选定流速,再据A=qv/v确定d=？例2-43.管道的规格：表2-3,P29,据外径和壁厚计算内径.80*2直径外径*壁厚(单位mm),二、流体稳流时的物料衡算式连续性方程vd如图：,在同一管路中取三个截面，据质量守衡原理：qm1=v1A11=qm1=v2A22连续性方程对于不可压缩性流体有：1=2=则：v1A1=v2A2即：v2/v1=A1/A2=(d1/d2)2连续性方程给出了v=f(d)关系,v1,A1v2,A2v3,A3d1d2d3123,三、流体稳流时的能量衡算式伯努利方程HPv1.流动流体的机械能形式衡算衡算范围以mkg的Vm3流体从1载面2载面过程中的能量变化为例：在1载面处带进去多少能量？在2载面处又带出多少能量？有外加能量和损失能量吗？若没有外加和损失能量，流体的能量会？如图：,则：1载面2载面上有：位能:mgH1mgH2流体在基准面上Hm处所具有的能量动能mv12/2mv22/2流体在Hm处以v运动所具有的能量静压能P1V1P2V2流体在Hm处以v速度顶着P压强运动,运动流体的静压能等于：迫使受压流体运动为反抗外压而必需提供给流体的功。如1载面处：mkg的V1m3流体通过截面1-1，把流体推进截面所需的作用力为p1A1，位移为V1/A1，则对流体做的功即带入1截面的静压能=F1l1=A1P1*V1/A1=p1V1J2.理想流体稳流时的能量衡算式：对于理想流体：不可压缩,V1=V2=m/，无粘性无磨擦阻力，故无能量损失，在无外加功时：mgH1+mv12/2+P1m/=mgH2+mv22/2+P2m/单位:J同除mg得：H1+v12/2g+P1/g=H2+v22/2g+P2/g=常数单位；mJ/N(理想流体的柏努利方程)141-4v2/2g动压头若将动压头位压头，则可提高v2/2gm的高度方程物理义意：理想流体稳定流动时,导管任一载面上的位、动、静三压头之和为一常数。441-4,3.实际流体稳流时的能量衡算式(理想流体方程加以修正)实际流体：有磨擦阻力,损失能量,常有外加能量。如图：将阻力损失能量和外加能量都以压头的形式并入理想流体的柏氏方程中：H1+v12/2g+P1/g+He=H2+v22/2g+P2/g+Hf单位；mJ/N实际流体的柏努利方程,He泵压头,泵的扬程，单位m。是外界提供给每牛顿流体的能量JHe是外加能量，由于有了He的能量,至使H2.v2.P2都,故He必须放在入口端(虽然是中间加入的)当作1截面带入的能量。He不是升扬高度(H2-H1)，一般：He(H2-H1),H2.v2.P2,4.应用能量衡算式柏努利方程的注意事项：(1)对于实际气体，当P/P120%时，可近似应用(V变,压缩或膨胀,内能与机械能互变)，但=(1+2)/2(2)为确定衡范围，必须明确地选取两个计算截面，且：a.截面必须与流向垂直，入口为1截面，出口为2载面。,Hf损失压头,单位m是每牛顿流体从12载面因阻力而损失的能量J。Hf是损失能量,有Hf,至使H2.v2.P2相对于无Hf时,故Hf必须放在出口端(虽是沿途损失的)当作从2截面带走的能量。*工程上处理问题的方法之一：先讨论理想情况，对理想情况的结论修正后，应用于实际情况。,b.截面间流体必须连续流体间断,参数值突变,能量不守恒c.所选截面上已知条件须最多，所求量须在系统中。(3)为确定两截面上流体的位能，必须选取一基准面,(选穿过较低截面中心的水平面)(4)方程中各物理量的单位都必须统一于SI制，两压强的起点必须一致。（有负压时用绝对压强）(5)知He可求功率：理论(有效,净)功率Pe=Heqw=Heqvg=qvpeqw重量流量qv体积流量pe外界提供压差*定义泵效率=Pe/PaPa实际功率Pa=Pe/=Heqvg/W(瓦),例10(2-6)P33解：选取高位槽液面和管道出口为计算截面.水平管所在水平面基准面，H1=6m，Hf=5.7m求管道出口处的流速vqv。图2-10解：选取如图所示的计算截面，列伯努利方程：H1+v12/2g+P1/g+He=H2+v22/2g+P2/g+Hfv1=0P1=P2=1atmHe=0H2=0H1=v22/2g+HfH1-Hf=v22/2gv2=2.43m/sqv=3600d22*v2/4=3600*0.785*(75.5-2*3.75)2*10-6*2.43=31.8m3/h若为理想流体(无阻力)则Hf=0，v2=10.9m/s说明阻力相当大。,例11(2-7)解：求将碱液从贮槽抽往塔顶所需泵压头He-Pa选取槽液面为1截面，碱液出口为2截面，地面为基准面，列柏氏方程有：H1+v12/2g+P1/g+He=H2+v22/2g+P2/g+HfHe=(H2-H1)+(v22-v12)/2g+(P2-P1)/g+HfH2-H1=16-1.5=14.5m(P2-P1)/g=2.78mv1=0(流体原本静止，无动能，入口处的流速为泵所提供，即由He考虑)v2=qv/A2=m/A2=25*103*4/3600(0.053)2*1100=2.86m/s(v22-v12)/2g=(2.862-0)/2*9.81=0.417mHf=3mHe=20.7mPa=Pe/=He*qv*g/=He*qm*g/=20.7*25*103*9.81/3600*0.55*1000=1.41/0.55=2.56kW,4415,视水为理想流体，列柏氏方程：H+0/g=0+v02/2g+0/gH=v02/2gv0=,考虑阻力v0=c0，即在任意时刻都有v0=c0，取+d,水从HH-dH,有：A(-dH)=av0dd=-AdH/av0=A/c0a(-dH/)=-(A/c0a)*H-1/2dH,=0d=2A/c0a(-)或：=2A/c0a*(全部流完H2=0),例12(2-8)解：此例为不稳定流动，小孔处的流速v随液体深度变化。以容器液面和小孔截面为计算截面，容器底面为基准面。在液面下降的过程中，水深H和孔口处的流速v0均随时间变化：在任意时刻：-H-v0对应，Hv0?,141-5,例13(2-9)利用柏氏方程求减压泵喷嘴处的压强(P35图2-13)解1.视水为理想流体作近似计算，2.由于P1(d2/d1)1/2,例2-15用Dg40新钢管(48*3.5)输送水，流量为6m3/h,管长l=200米，=1.5*10-3，求输送所需压力差和功率。解：如图，问h=p1-p2/g=p1(表压)/g=?才能提供压强p1,或Pe=?才能提供压强p1，在1,2截面间有：,p=p1-p2=p1表=v22/2+Hfg=pv+pfv2=qv/A=6/3600*0.785*0.0412=1.26m/spv=v2/2=103*1.262/2=0.8kPaRe=dv/=0.041*1.26*103/0.001=5.14*104,pf=lv22/2d=0.0254*200*103*1.262/2*0.041=98.4kPap=pv+pf=0.8+98.4=99.2kPa=pe(外供动力压差)若由水池提供,则：h水=p1-p2/g=99.2*103/103*9.81=10.1m,=0.0015查图得=0.0254,若用泵提供此压强，则:Pe=Heqvg=(Heg)qv=peqvPe=pe*qv=99.2*103*6/3600*10-3=0.165kW,例2-16管道全长l=500m，le=l*0.5=250m,qv=10m3/ht=20求导管的最小直径。解:求d，故v未知，也未知。总能量是10m位压头，完成10m3/h的输水量,d,投资,Hf，d最多到H=Hf(max)，即为dmin。,H1-H2=v22/2g+HfHf即：10=l/d*v22/2gd,v,均未知，新钢管视为光滑管=f(Re)=f(d,v,),v=f(d)=4qv/3600*d2=4*10/3600d2=0.3164/(dv/)0.25=0.3164/(d/*4*10/3600*d2)0.2510=,*750,331-8，3417,d4.75=1.97*10-6dmin=63mm亦可用试差法求解：dvReHf与H(10m)比较，不等，再设d，直至吻合。,例2-174m20苯柱在32*2.5的新无缝钢管中的qv最大=？解：位压头全部用于克服阻力，看v能有多大qv最大=?在1，2截面间列伯氏方程：H=4=lv2/2gdv未知,Re未知,故、v,求vqv最大=？也可以用试差法求解：设新钢管=0.002设=0.026代入上式得:v=1.65m/s核算:Re=6.0*104据=0.002查得=0.026与假设吻合。qv=vA=d2v/4=0.7850.02721.65=9.510-4m3/s=57L/min或设vRe计算lv2/2gd是否等于4，否则再设。,T-17,均未知，可将=0.3164/(dv/)0.25代入求解,5.液体输送机械,离心泵的工作过程泵体充满水，叶输转动使流体产生离心力，被甩向叶轮外缘与蜗壳的间隙而产生很大的压强。此间液体由于蜗形壳的拦阻而不能转圈，因而被压出，叶轮中心由于液体被甩出而产生很大的真空度，大气将液体压入叶轮中心，故能连续输液。所以：在叶轮中心压强很低，在叶轮外缘压强很高。,一、离心泵：1、离心泵的工作原理离心泵构造:叶轮,蜗形泵壳,2、离心泵的基本性能参数送液量qvm3/h泵的扬程He最大值泵的轴功率PakW泵的效率泵的转速n相互关系：qv、He、Pa分别与转速n的一次二次三次方成正比关系式：关系曲线:-qvHe-qvPa-qvP57qv存在最佳流量点，应在最高的90%范围内的qv下工作。qv,He,泵应根据He确定qvqv,Pa,故应在qv=0时启动。,3、离心泵的安装高度的确定(1)离心泵的气蚀观象：当离心泵叶轮中心处的压强(p叶轮中心=P进泵进口处压强)小于当时条件下液体的饱和蒸汽压Pv时，液体大量气化,气体在泵体中膨胀、压缩而使泵体剧烈震动的观象。,(2)气蚀余量：为防止气蚀现象的发生，叶轮中心处的压强必须高出液体Pv的压强值。中国规定为0.3m液柱，即P中心Pv+0.3g=P1(3)离心泵安装高度的确定，如图:安装高度Hg：,00,3418,331-9,最大允许吸上真空高度：,HS与池液面压强P0和流体的Pv有关，标在标牌上，是在1atm(10.33mH2O柱)下用20的水做实验测得的值，即,但实际工作时池液面压强不一定正好是1atm，液体也不一定是20的水,故需对HS加以校正：HS=P0/g-PV/g-0.3=HS-(P0/g-P0实/g)-(PV/g-PV实/g),(10.33-Ho)液面上压强变化导致的校正量，Ho,Hg。,Ho=P0实/g池液面上的压力柱,为便于在各种情况下计算Hg,实际工作中常用下式：,HS=101325/998.2*9.81-2330/998.2*9.81-0.3=9.81m,Hv=PV实/g液体饱和蒸汽压力柱,HV,Hg(Hv-0.24)蒸气压力柱Hv大于20H2O的压力柱0.24m时导致的Hg减少值。,当池液上的大气压为101325Pa即：Ho=10.33mH2O；液体为20的水，即：Hv=0.24,则(3)式还原为