一些基本概念学习教案

1、会计学1一些一些(yxi)基本概念基本概念第一页，共55页。第1页/共55页第二页，共55页。内容提要内容提要流体静力学流体静力学流体在管内的流动流体在管内的流动流体的流动现象流体的流动现象流动阻力流动阻力管路计算管路计算流量流量(liling)测量测量 流体输送设备流体输送设备要求要求掌握掌握(zhngw)连续性方程和能量方程连续性方程和能量方程能进行管路的设计计算能进行管路的设计计算第2页/共55页第三页，共55页。流体的特征：流体的特征：静止流体不能承受剪应力；静止流体不能承受剪应力；不能承受张力不能承受张力(zhngl)，只能承受压力，只能承受压力无固定形状，随容器的形状而变化；无固定

2、形状，随容器的形状而变化；在外力作用下其内部发生相对运动。在外力作用下其内部发生相对运动。流流 体体流体的概念：人们把运动时物质流体的概念：人们把运动时物质内部各部分会发生相对运动的特内部各部分会发生相对运动的特性称为流动性，并把气体性称为流动性，并把气体(qt)与与液体统称为流体。液体统称为流体。第3页/共55页第四页，共55页。流体流体(lit)力学与流体力学与流体(lit)流动流动n流体力学是研究流体在相对静止与运动时所遵循的宏观基本规律并研究流体力学是研究流体在相对静止与运动时所遵循的宏观基本规律并研究流体与固体作用的学科。流体与固体作用的学科。n流体力学有许多分支，如流体力学有许多分

3、支，如”水力学水力学“及及”空气动力学空气动力学“等。此外还有更等。此外还有更多的针对某个领域的细分，如对航空、航海、气象及水利多的针对某个领域的细分，如对航空、航海、气象及水利(shul)方面的方面的分支。分支。n本章介绍范围主要局限在流体静力学、流体在管道内流动的基本规律及本章介绍范围主要局限在流体静力学、流体在管道内流动的基本规律及流量测量等方面。流量测量等方面。第4页/共55页第五页，共55页。第5页/共55页第六页，共55页。q掌握关于流体输送的基本知识，学会掌握关于流体输送的基本知识，学会(xuhu)管路计算的方法，管路计算的方法，能为泵或风机的选型提供依据。能为泵或风机的选型提供

4、依据。q确定确定(qudng)输送流体所需要的管径。输送流体所需要的管径。q对于各单元操作设备内流体流动状况对过程的影响，具有对于各单元操作设备内流体流动状况对过程的影响，具有初步分析的能力，为强化生产和合理设计初步分析的能力，为强化生产和合理设计(shj)设备奠定基设备奠定基础。础。q 化工生产中的传热、传质过程以及化学反应大都是在流化工生产中的传热、传质过程以及化学反应大都是在流体流动下进行的。流体流动状态对这些单元操作有较大影响体流动下进行的。流体流动状态对这些单元操作有较大影响。 q 表表2-1 学习流体流动的目的学习流体流动的目的p掌握流体流量、流速及压强的测定原理和方法，以便能对掌

5、握流体流量、流速及压强的测定原理和方法，以便能对操作进行控制与调节。操作进行控制与调节。第6页/共55页第七页，共55页。第7页/共55页第八页，共55页。不可压缩流体：流体的体积不可压缩流体：流体的体积(tj)(tj)如果不随压力及温度变化，如果不随压力及温度变化，这种流体称为不可压缩流体。这种流体称为不可压缩流体。 实际上流体都是可压缩的，一般把液体当作不可压缩流体；实际上流体都是可压缩的，一般把液体当作不可压缩流体；气体应当属于可压缩流体。但是，如果压力或温度变化率很小气体应当属于可压缩流体。但是，如果压力或温度变化率很小时，通常时，通常(tngchng)(tngchng)也可以当作不可

6、压缩流体处理。也可以当作不可压缩流体处理。 可压缩流体可压缩流体(lit)(lit)：流体：流体(lit)(lit)的体积如果随压力及温度变化，的体积如果随压力及温度变化，则称为可压缩流体则称为可压缩流体(lit)(lit)。流体的压缩性流体的压缩性第8页/共55页第九页，共55页。 在研究流体流动时，常将流体视为由无数在研究流体流动时，常将流体视为由无数(wsh)流体微团组成流体微团组成的连续介质。的连续介质。流体微团或流体质点：流体微团或流体质点：它的大小与容器或管道相比是微不足道它的大小与容器或管道相比是微不足道(wi b z do)的，的，但是比起分子自由程长度却要大得多，但是比起分子

7、自由程长度却要大得多，它包含足够多的分子，能够用统计平均的方法来求出宏观的参它包含足够多的分子，能够用统计平均的方法来求出宏观的参数（如压力、温度）。数（如压力、温度）。连续连续(linx)性的假设性的假设流体介质是由连续流体介质是由连续(linx)的质点组成的；的质点组成的；质点运动过程的连续质点运动过程的连续(linx)性。性。连续介质模型连续介质模型第9页/共55页第十页，共55页。 理想流体是对实际流体简化抽象出来理想流体是对实际流体简化抽象出来(ch li)(ch li)的一种简化模的一种简化模型、概念，指不具有粘度，因而流动不产生摩擦阻力的流体。型、概念，指不具有粘度，因而流动不产

8、生摩擦阻力的流体。 （2 2）理想气体）理想气体(l xin q t)(l xin q t)：流动时没有摩擦阻力的气：流动时没有摩擦阻力的气体。体。 （1）理想液体：不可压缩，受热）理想液体：不可压缩，受热(shu r)不膨胀的液体。不膨胀的液体。第一节第一节 一些基本概念一些基本概念一、理想流体一、理想流体第10页/共55页第十一页，共55页。当温度等条件变化时，理想气体的体积或压强当温度等条件变化时，理想气体的体积或压强(yqing)(yqing)的变化可用理想气体方程描述。的变化可用理想气体方程描述。 PV = nRT = mRT/MR摩尔气体常数摩尔气体常数(chngsh),8.314

9、Jmol-1k-1, (P用用atm时时, R为为 0.082m3atmkmolk)m气体的质量气体的质量,kgM气体的摩尔质量气体的摩尔质量, kgmolR= MPacm3mol-1K-1 = kPam3kmol-1K-1= Jmol-1K-1 = calmol-1K-1第11页/共55页第十二页，共55页。（1）单位体积流体）单位体积流体(lit)的质量，称为流体的质量，称为流体(lit)的密度，其表达式为的密度，其表达式为vm式中式中 流体的密度，流体的密度，kg/m3； m 流体的质量流体的质量(zhling)，kg； v 流体的体积，流体的体积，m3。二、流体的密度二、流体的密度(m

10、d)、相对密度、相对密度(md)和和比容比容1.密度密度(md) 第12页/共55页第十三页，共55页。2.相对密度相对密度d指给定条件指给定条件(tiojin)下某一物质密度下某一物质密度1与另一与另一参考物质密度参考物质密度2之比之比. d =12 如参考物质为如参考物质为4时纯水时纯水 ，d相当于比重相当于比重1mVv 单位质量流体的体积单位质量流体的体积(tj)，称为流体的比容，用符号，称为流体的比容，用符号v表示，表示，单位为单位为m3/kg，则，则亦即流体的比容是密度亦即流体的比容是密度(md)的倒的倒数。数。3. 比容比容 v第13页/共55页第十四页，共55页。4、纯组分流体、

11、纯组分流体(lit)的密度的密度（1）液体的密度）液体的密度对一定的流体对一定的流体(lit)，密度是压力，密度是压力p和温度和温度T的函的函数，可用下式表示数，可用下式表示 ：f（p，T） 液体的密度随压力的变化甚小（极高压力下除液体的密度随压力的变化甚小（极高压力下除外），可忽略不计，但其随温度稍有改变。外），可忽略不计，但其随温度稍有改变。 常用液体的密度常用液体的密度附录（附录（20） 第14页/共55页第十五页，共55页。 上式中的上式中的0M/22.4kg/m3为标准状态（即为标准状态（即T0=273 K及及p0=101.3 kPa）下气体）下气体(qt)的密度。的密度。换算换算(

12、hun sun)求取求取 000 TppT 在气体压力较高、温度较低时，气体的密度在气体压力较高、温度较低时，气体的密度(md)(md)需要采用真需要采用真实气体状态方程式计算。实气体状态方程式计算。气体的密度随压力和温度的变化较大。当压力不太高、气体的密度随压力和温度的变化较大。当压力不太高、 温度不太低时，气体的密度可近似地按理想气体状态方温度不太低时，气体的密度可近似地按理想气体状态方 程式计算：程式计算：RTpMvmP：Pa； M：Kg/mol； R：8.314 J/Kmol； T：K。 （2）气体的密度）气体的密度第15页/共55页第十六页，共55页。（1）气体）气体(qt)混合物混

13、合物:m=pMm/RT Mm My1 + M2y2 + + Mnyn 式中式中 ：M、M2、 Mn 气体混合物各组分气体混合物各组分(zfn)的摩尔质量；的摩尔质量； y1 、 y2 、 yn 气体混合物各组分气体混合物各组分(zfn)的摩尔分率。的摩尔分率。5 5、混合物的密度、混合物的密度(md)(md)对于理想气体，体积分率与摩尔分率、压力分率是相等的。对于理想气体，体积分率与摩尔分率、压力分率是相等的。.第16页/共55页第十七页，共55页。（2）液体混合物）液体混合物 液体混合时，体积液体混合时，体积(tj)往往有所改变。若混合前往往有所改变。若混合前后体积后体积(tj)不变，则不变

14、，则1kg混合液的体积混合液的体积(tj)等于各等于各组分单独存在时的体积组分单独存在时的体积(tj)之和，则可由下式求出之和，则可由下式求出混合液体的密度混合液体的密度m。 1、2、，n 液体混合物中各组分的质量分率；液体混合物中各组分的质量分率； 1、2、，n 液体混合物中各组分的密度，液体混合物中各组分的密度，kg/m3； m 液体混合物的平均密度，液体混合物的平均密度，kg/m3。第17页/共55页第十八页，共55页。例例1 已知硫酸与水的密度已知硫酸与水的密度(md)分别为分别为1830kg/m3与与998kg/m3，试求含硫酸为，试求含硫酸为60%(质量质量)的硫酸水溶液的密的硫酸

15、水溶液的密度度(md)。解：应用混合液体密度公式，则有解：应用混合液体密度公式，则有第18页/共55页第十九页，共55页。例例2 已知干空气的组成为：已知干空气的组成为：O221%、N278%和和Ar1%(均为体积均为体积%)。试求干空气在压力试求干空气在压力(yl)为为9.81104Pa、温度为、温度为100时的密度。时的密度。解：解： 首先将摄氏度换算成开尔文：首先将摄氏度换算成开尔文：100273+100=373K求干空气求干空气(kngq)的平均分子量：的平均分子量： Mm My1 + M2y2 + + Mnyn Mm =32 0.21+28 0.78+39.9 0.01 =28.96

16、气体气体(qt)的平均密度的平均密度为：为：第19页/共55页第二十页，共55页。1、压力的定义：、压力的定义： 垂直作用于流体单位面积上的力，称垂直作用于流体单位面积上的力，称为为(chn wi)流体的压强。习惯上称为流体的压强。习惯上称为(chn wi)压力。作用于整个面上的力称为压力。作用于整个面上的力称为(chn wi)总压力。总压力。在静止流体中，从各方向作用于某一点在静止流体中，从各方向作用于某一点(y din)的压力大小均相的压力大小均相等。等。2、压力的单位、压力的单位: 帕斯卡帕斯卡, Pa, N/m2 (法定法定(fdng)单位单位); 标准大气压标准大气压, atm; 某

17、流体柱高度某流体柱高度; bar（巴）或（巴）或kgf/cm2等。等。三、流体的压力三、流体的压力第20页/共55页第二十一页，共55页。1标准大气压标准大气压(atm)=101325Pa =10330kgf/m2 =1.033kgf/cm2(bar, 巴巴) =10.33mH2O =760mmHg3.单位单位(dnwi)的换算的换算关系：关系：第21页/共55页第二十二页，共55页。4.压力压力(yl)的计量基准的计量基准以绝对真空为基准，绝对压强；以绝对真空为基准，绝对压强；以当地当时的大气压为基准，以当地当时的大气压为基准， 压强压强 当时当地的大气压当时当地的大气压 称为表压称为表压

18、表压表压 = 绝对压力绝对压力 - 当时大气压当时大气压 压强压强 当时当地的大气压当时当地的大气压 称为真空度称为真空度 真空度真空度 = 当时大气压当时大气压 - 绝对压力绝对压力例：氯碱工业例：氯碱工业(gngy)电解电解2NaCl + 2H2O=Cl2 +H2 + 2NaOHCl2管道管道 比当地大气压小比当地大气压小 510 mmH2O 真空度真空度H2管道管道 比当地大气压大比当地大气压大 510 mmH2O 表压表压第22页/共55页第二十三页，共55页。 绝对压力、表压和真空度的关系绝对压力、表压和真空度的关系（a）测定压力）测定压力大气压（大气压（b）测定压力）测定压力 将将

19、U形管两端分别与形管两端分别与1-1及及2-2相连通，当相连通，当P1不等于不等于P2 ， 指示指示(zhsh)液出现高度差液出现高度差R ， R为压强计的读数。为压强计的读数。 i PA PA 由静力学基本由静力学基本(jbn)方程式可方程式可得：得： PAP1g(zR) PAP2gzig R由上两式得到：由上两式得到：P1g(zR) P2gzig R简化：简化：P1- P2(i-) g R 若被测流体为气体，若被测流体为气体，i-i 简化：简化：P1- P2ig R第32页/共55页第三十三页，共55页。第33页/共55页第三十四页，共55页。 微差压差微差压差(y ch)计计 特点特点(

20、tdin)： 压差计内装两种密度相近(xin jn)，且不互溶指示液A、C，指示液C与流体B也不互溶。 U形管两端侧臂顶端各装有扩大室，俗称“小库”。扩大室的内径与U形管内径之比应大于10，这样既使U形管内指示液A的液面差R很大，但两扩大室内指示液C的液面变化很微小，可认为维持等高。 U形管压差计 ，若所测压强差很小，读数R就很小，难以准确读数。用微差压差计来放大读数R。 P1- P2(i-) g RiiH1H2第34页/共55页第三十五页，共55页。 Pa P2igH2 PaP1igH1igR P2igH2P1igH1igR P2P1ig(H1H2) igR (ii) gRi重指示重指示(z

21、hsh)液密度液密度i轻指示轻指示(zhsh)液密度液密度 iiH1H2第35页/共55页第三十六页，共55页。（2）液位的测量）液位的测量测量液位，了解容器内液体的贮测量液位，了解容器内液体的贮存量或控制设备内的液面存量或控制设备内的液面原理：遵循静止流体内部压强变原理：遵循静止流体内部压强变化的规律化的规律原始液位计是在容器壁底部及液原始液位计是在容器壁底部及液面上方器壁各开一小孔，用玻面上方器壁各开一小孔，用玻璃管将两孔连接，玻璃管内指璃管将两孔连接，玻璃管内指示示(zhsh)液面高度即容器内液液面高度即容器内液位高度。位高度。第36页/共55页第三十七页，共55页。第37页/共55页第

22、三十八页，共55页。（3 3）液封）液封在化工生产中，为了控制设备内在化工生产中，为了控制设备内气体压力不超过规定的数值，气体压力不超过规定的数值，常常装有安全液封（或称为水常常装有安全液封（或称为水封）装置。封）装置。其作用是当设备内压力超过规定其作用是当设备内压力超过规定值时，气体就从液封管排出值时，气体就从液封管排出(pi ch)(pi ch)，以确保设备操作，以确保设备操作的安全。的安全。若设备要求压力不超过若设备要求压力不超过P P（表压），（表压），按静力学基本方程式，则水封按静力学基本方程式，则水封管插入液面下的深度管插入液面下的深度h h为为 h hP P(水水g)g)nP72

23、,题题5第38页/共55页第三十九页，共55页。例例4 4：水平管道中两点间连接一：水平管道中两点间连接一U U形压差计，指示液为汞。已知形压差计，指示液为汞。已知压差计的读数压差计的读数(dsh)(dsh)为为30mm30mm，试分别计算管内流体为（，试分别计算管内流体为（1 1）水）水；（；（2 2）压力为）压力为101.3kPa101.3kPa、温度为、温度为2020的空气时压力差。的空气时压力差。 PaRgp2 .370881. 903. 0)100013600()(0333/206. 1)20273(31. 81029103 .101mkgRTpMPaRgp1 .400281. 90

24、3. 0)206. 113600()(0Rgp0解：（解：（1） （2）空气密度）空气密度 空气密度较小，第39页/共55页第四十页，共55页。例例5：如附图所示，常温水在管道中流过。为测定：如附图所示，常温水在管道中流过。为测定a、b两点的压力差，安两点的压力差，安装一装一U型压差计，试计算型压差计，试计算a、b两点的压力差为若干？已知水与汞的密度两点的压力差为若干？已知水与汞的密度(md)分别为分别为1000kg/m3及及13600kg/m3，R=0.1m。第40页/共55页第四十一页，共55页。解：取管道截面解：取管道截面a、b处压力处压力(yl)分别为分别为pa与与pb。根据连续、静止

25、的。根据连续、静止的同一液体内同一水平面上各点压力同一液体内同一水平面上各点压力(yl)相等的原理，则相等的原理，则 p1p1 （a）p1paxH2Ogp1=RHgg+p2=RHgg+p2=RHgg+pb（Rx）H2Og根据根据(gnj)式（式（a）papbxH2OgRHgg（Rx）H2OgRHggRH2Og0.1(13600-1000) 9.81=1.24 104Pa第41页/共55页第四十二页，共55页。例例6：为了确定容器中石油产品的液面，采用如附图：为了确定容器中石油产品的液面，采用如附图(f t)所示所示的装置。压缩空气用调节阀的装置。压缩空气用调节阀1调节流量，使其流量控制得很小调

26、节流量，使其流量控制得很小，只要在鼓泡观察器，只要在鼓泡观察器2内有气泡缓慢逸出即可。因此，气体通内有气泡缓慢逸出即可。因此，气体通过吹气管过吹气管4的流动阻力可忽略不计。吹气管内压力用的流动阻力可忽略不计。吹气管内压力用U管压差计管压差计3来测量。压差计读数来测量。压差计读数R的大小，反映贮罐的大小，反映贮罐5内液面高度。指示内液面高度。指示液为汞。液为汞。（1）分别由）分别由a管或由管或由b管输送空气时，压差计读数分别为管输送空气时，压差计读数分别为R1或或R2，试推导，试推导R1、R2分别同分别同Z1、Z2的关系。的关系。 （2）当（）当（Z1Z2）1.5m，R10.15m，R20.06

27、m时，试时，试求石油产品的密度求石油产品的密度P及及Z1。 第42页/共55页第四十三页，共55页。解解 （1）在本例附图所示的流程）在本例附图所示的流程(lichng)中，由于空气通往石油产品时，中，由于空气通往石油产品时，鼓泡速度很慢，可以当作静止流体处理。因此可以从压差计读数鼓泡速度很慢，可以当作静止流体处理。因此可以从压差计读数R1，求出，求出液面高度液面高度Z1，即，即 （a）pHgRz11（b）pHgRz22（2）将式（）将式（a）减去式（）减去式（b）并经整理得）并经整理得 32121/816136005 . 106. 015. 0mkgzzRRHgpmz5 . 28161360

28、015. 01第43页/共55页第四十四页，共55页。（2）质量流量）质量流量(liling) (mass flow rate) qm, kg/s 单位时间内流体流经管道任一截面的质量，称为质量单位时间内流体流经管道任一截面的质量，称为质量流量流量(liling)，以，以qm表示，其单位为表示，其单位为kg/s。体积流量。体积流量(liling)与质量流量与质量流量(liling)之间的关系为：之间的关系为： qm=qV （1）体积流量）体积流量 （volumetric flow rate）qV, m3/s 单位时间内流体流经管道任一截面的体积，称为单位时间内流体流经管道任一截面的体积，称为(

29、chn wi)体积流量，以体积流量，以qV表示，其单位为表示，其单位为m3/s。五、五、 流量流量(liling)(liling)和流和流速速1.流量流量第44页/共55页第四十五页，共55页。 实验证明，流体在管道内流动时，由于流体具有粘性，管道横截实验证明，流体在管道内流动时，由于流体具有粘性，管道横截面上流体质点速度面上流体质点速度(sd)是沿半径变化的。管道中心流速最大，愈靠是沿半径变化的。管道中心流速最大，愈靠管壁速度管壁速度(sd)愈小，在紧靠管壁处，由于液体质点粘附在管壁上，愈小，在紧靠管壁处，由于液体质点粘附在管壁上，其速度其速度(sd)等于零。等于零。质点的流速：单位质点的流

30、速：单位(dnwi)时间内流体质点在流动方向上所流时间内流体质点在流动方向上所流经经的距离。的距离。 （1）流速）流速(li s) (average velocity) v, m/s2.流速流速第45页/共55页第四十六页，共55页。 平均速度平均速度: : 一般以管道一般以管道(gundo)(gundo)截面积除体积流量所得截面积除体积流量所得的值，来表示流体在管道的值，来表示流体在管道(gundo)(gundo)中的速度。此种速度称为中的速度。此种速度称为平均速度，简称流速。平均速度，简称流速。 v vqV/AqV/A流量与流速关系流量与流速关系(gun x)为：为： qm=qV=Av 式

31、中式中 A 管道的截面积，管道的截面积，m2第46页/共55页第四十七页，共55页。3、管径的初选、管径的初选(ch xun) 一般一般(ybn)管道的截面均为圆形，以管道的截面均为圆形，以d表示管道的内径，则表示管道的内径，则d24qv(v) d4qv(v)12 流速流速 ，d，阻力，阻力 ，操作费用，操作费用 流速流速 ，d，管路费用，管路费用 每种流体的适宜流速范围见每种流体的适宜流速范围见29页表页表2-2管子有一定规格，以公称直径管子有一定规格，以公称直径Dg表示，水管、煤气管的规格见表表示，水管、煤气管的规格见表2-3无缝钢管尺寸无缝钢管尺寸 AB A外径外径 B壁厚壁厚 d内内=

32、A-2B 第47页/共55页第四十八页，共55页。例例7 7：某厂要求安装一根输水量为：某厂要求安装一根输水量为30m3/h30m3/h的管道的管道(gundo)(gundo)，试选择合适的管径。，试选择合适的管径。mmm77077.08.10.78530/3600dvq0.785vd解：管内径为解：管内径为 选取水在管内的流速选取水在管内的流速(li s)u(li s)u1.8m/s (1.8m/s (自来水自来水1-1.5, 1-1.5, 水及低粘度液体水及低粘度液体1.5-3.0 )1.5-3.0 )第48页/共55页第四十九页，共55页。 查表中管道规格，确定选用查表中管道规格，确定选用(xunyng)Dg80(xunyng)Dg80（外径（外径88.5mm88.5mm，壁厚，壁厚4mm4mm）的管子，则其内径为）的管子，则其内径为 d=88.5-(4 d=88.5-(42)2)80.5mm80.5mm0.0805m 0.0805m v22q300.785d0.785 (0.0805)3600v1.62m/s因此，水在输送管内的实际操作流速为