化工原理第一章 流体流动精.ppt
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1、化工原理第一章流体流动第1页,本讲稿共106页n1.流体:液体和气体统称为流体。流体:液体和气体统称为流体。n特征:n(1)具有流动性;n(2)无固定形状;n(3)在外力作用下,其内部发生相对运动。n2.本章主要讲的内容本章主要讲的内容:流体流动的基本原理及其流动规律。n3.经常应用流体流动规律的场合经常应用流体流动规律的场合:n(1)流体的输送(使流体在低能耗及低设备费用下完成输送).n(2)压强.流速.和流量的测量(控制生产过程).n(3)为强化设备提供适宜的流动条件(为提高设备效率.而化工过程处理的均是流体).第2页,本讲稿共106页4.讨论的方法讨论的方法:连续性假设连续性假设n将流体
2、视为由无数的分子集团组成的连续介质将流体视为由无数的分子集团组成的连续介质,每个分每个分子集团称为质点。这些质点:子集团称为质点。这些质点:n(1)其大小与容器或管道相比是个微不足道的其大小与容器或管道相比是个微不足道的.n(2)质点在流体内部一个紧挨一个质点在流体内部一个紧挨一个,它们之间没有任何空它们之间没有任何空隙。隙。n即认为流体充满其所占的空间,从而把流体视即认为流体充满其所占的空间,从而把流体视 为连续介质,为连续介质,这样就摆脱了复杂的分子运动,从宏观角度来研究流体的这样就摆脱了复杂的分子运动,从宏观角度来研究流体的流动规律。流动规律。n注意:在高度真空下的气体,就不能再视为连续
3、介质。注意:在高度真空下的气体,就不能再视为连续介质。第3页,本讲稿共106页第一节流体静力学基本方程式n流体静力学流体静力学:研究流体在外力作用下达到n平衡的规律。n应用很广应用很广:流体在设备内或管道内压强的变化与测量、压差计、液体在储罐内液位的测量及设备的液封等。n本节只讨论流体在重力和压力作用下的平衡规律。n先介绍有关流体的两个参数:第4页,本讲稿共106页1-1-1 流体的密度流体的密度n1、密度:单位体积流体所具有的质量。2、气体的密度:由于气体是可压缩的,即=f(p,T),而手册中查得的是一定p,t下的值,这就涉及换算问题。当压强不太高,温度不太低时,可按理想气体处理。一般可提供
4、查阅手册获得 第5页,本讲稿共106页T-绝对温度,K,p-Pa(绝对压强)对一定质量的气体 第6页,本讲稿共106页3.混合物密度的计算混合物密度的计算(1)液体混合物:)液体混合物:假设各组分在混合前后的体积不变,则1kg混合物的体积等于各组分单独存在时的体积之和,即 第7页,本讲稿共106页(2)混合气体(浓度常用体积分率表示)以1m3混合气体为基准。假设各组分在混合前后其质量不变,则1m3混合气体的质量等于各组分的质量之和,即 MA,MB,Mn-气体混合物中各组分的摩尔质量 YA,yB,yn-气体混合物中各组分的摩尔分率第8页,本讲稿共106页 4补充几个与密度有关的概念补充几个与密度
5、有关的概念1)液体的比重(相对密度)2)重度:单位体积流体所具有重量3)比容:单位质量的流体所具有的体积 比容:m3/kg 第9页,本讲稿共106页流体流动中的作用力可分为体积力和表面力 体积力:作用于流体每个质点上,并与流体的质量 成正比。对均质流体也与流体的体积成正比。场力:重力、离心力等表面力:压力和剪力,与表面积成正比 第10页,本讲稿共106页 1-1-3流体的静压强流体的静压强 p流体的静压强,PaP垂直作用于流体表面上的压力,NA作用面的面积,m2.1、定义:、定义:流体垂直作用于单位面积上的压力,称为流体的静压强,简称压强。表达式:表达式:称为点静压强称为点静压强.2、特点、特
6、点:(1)在静止流体内部任意面上只受到大小相等,方向相反的压力。(2)作用于静止流体内部任意点上所有不同方位的静压强在数值上相等。第11页,本讲稿共106页工程上:为了适用和换算方便,常将1kgf/cm2称为1个工程大气压,即1at=1kgf/cm2=735.6mmHg=10mH2O=0.9807bar=9.807104Pa 3、压强的不同单位表示法及其之间的换算关系、压强的不同单位表示法及其之间的换算关系(1)SI制中,压强的单位Pa,帕斯卡;N/m2(2)习惯上:atm(标准大气压),某流体柱高度(米),bar(巴),kgf/cm2等 1atm=101.325kPa=1.033kgf/cm
7、2=1.01325bar=760mmHg=10.33m=1.01325105Pa 注:101.325kPa是北纬45度海平面,15C的测定值第12页,本讲稿共106页4.不同的方法表示的压强不同的方法表示的压强真空表:用来测量压强的仪表,当被测流体的绝对压强小于外界大气压强时,所用测压仪表称为真空表。(1)绝对压强:绝对压强:以绝对零压作起点计算的压强,称为绝对压强,它是流体的真实压强。(2)表压强:表压强:压强表上的读数,表示被测流体的绝对压强比大气压高出的数值,称为表压强。(3)真空度:真空度:真空表上的读数,表示被测流体的绝对压强低于大气压强的数值,称为真空度。第13页,本讲稿共106页
8、4.不同的方法表示的压强不同的方法表示的压强(4)三者之间的关系三者之间的关系 注:真空表和压力表是不同的,即不能互换。规定:表压和真空度均应该加以标注即真空度=-表压 真空度=大气压绝对压强 表压=绝对压强大气压 即:3kgf/cm2(表压)或200mmHg(真空度)第14页,本讲稿共106页1-1-3流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式一、基本方程式的推导一、基本方程式的推导 在密度为 的静止流体中,取一微元立方体,其边长分别为dx,dy,dz,它们分别与x,y,z轴平行,如图 pdxdy,定义:流体在重力和压力作用下的平衡规律表达定义:流体在重力和压力作用下的平衡规律表达式,也就是流
9、体处于静止状态时的平衡规律式,也就是流体处于静止状态时的平衡规律。第15页,本讲稿共106页在在z轴方向上轴方向上(1)作用于下底面的压力pdxdy,(2)作用于上底面的压力(3)作用于整个立方体的重力为 pdxdy,第16页,本讲稿共106页1-1-3流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式 pdxdy,第17页,本讲稿共106页第18页,本讲稿共106页提示:静止流体内部,任意一点的静压能与位能之和为一常数。常称为总势能。第19页,本讲稿共106页二、讨论二、讨论 1p0一定,一定,故在静止的连续的同一液体内,故在静止的连续的同一液体内部,处于同一水平面上各点的压强相等部,处于同一水平面上
10、各点的压强相等 2.p0变化时,液体内各点的压强将发生同样的变化变化时,液体内各点的压强将发生同样的变化3,说明压强差的大小可以说明压强差的大小可以用一定高度的液柱来表示,但必须注明何种液体;用一定高度的液柱来表示,但必须注明何种液体;4上式以不可压缩流体为对象推得。对于气体,上式以不可压缩流体为对象推得。对于气体,由于它是可压缩流体,在由于它是可压缩流体,在h不同处,不同处,变,但在变,但在化工容器中,这种变化可以忽略。上式仍然适化工容器中,这种变化可以忽略。上式仍然适用用,取取 m,但只是近似解,但只是近似解.5注意:是在静止的连通着得同一流体内部成立注意:是在静止的连通着得同一流体内部成
11、立第20页,本讲稿共106页114静力学基本方程式的应用静力学基本方程式的应用一、压强与压强差的测量 1、U型管压差计 1)结构2)对指示液的要求:(3)被测流体密度小于指示液的密度,即(2)A与被测流体不起化学变化;(1)A与被测流体不互溶;第21页,本讲稿共106页 1、U型管压差计 3)原理:当流体是气体时,第22页,本讲稿共106页若用U型管压差计测量某点的压力,则只需将其一端通空,另一端连接到被测量点即可第23页,本讲稿共106页 2.微差压差计:微差压差计:可以看出,当所测量的压强差很小时,U型管压差计读数R很小,有时难以准确读出R值,为把读数放大,有两种措施:(1)在选指示液时,
12、使很小,但后果是液面不稳定;(2)使用微差压差计:第24页,本讲稿共106页(2)为读数方便,使U型管两端各装有扩大室,扩大室内径与U型管内径之比大于10,这样就使得管内指示液A的液面差R很大,但两个扩大室内的指示液C的液面变化很小,可以认为维持等高。(1)微差压差计内装有两种密度相近,且不互溶的指示液A和C,而指示液C与被测流体B亦不互溶。微差压差计的特点:微差压差计的特点:第25页,本讲稿共106页 3、倾斜压差计:为了提高读数的精度,可以将液柱压差计倾斜放置。即:第26页,本讲稿共106页 二、液位的测量:二、液位的测量:目的:了解容器里的贮存量,控制设备里的液位目的:了解容器里的贮存量
13、,控制设备里的液位 1、最原始的液位测量:、最原始的液位测量:特点:因玻璃管易碎,且不便于远传或远处观察特点:因玻璃管易碎,且不便于远传或远处观察 第27页,本讲稿共106页2、安装平衡室:、安装平衡室:条件:(1)平衡器的小室里面所装的液体与容器里的相同。(2)平衡器里液面的高度维持在容器液面允许达到的最大高度处。则结论:(1)当容器里得液面达到最大高度时:R=0 (2)R0时可根据压差的计算法,计算液面高度,容器里液面愈低压差计读数越大 平衡室液位维持在设备的最高液位处平衡室液位维持在设备的最高液位处第28页,本讲稿共106页3、远距离测量液位、远距离测量液位 当容器离操作室较远,或埋在地
14、面一下时,液位的测量装置如图。管内氮气的流速由调节阀控制,一般很小,在最高液位时有气泡缓缓溢出即可,气体流速不能太大,否则阻力损失较大,不可忽略。除此之外,液位的测量方法还有很多,有利用浮力的浮球式液位计,电容式液位计,超声波,射线等等。第29页,本讲稿共106页 三、液封高度的计算 真空液封 第30页,本讲稿共106页四、静力学方程式其他应用1、倾析器 第31页,本讲稿共106页2、稳压高位槽(马里奥特容器)第32页,本讲稿共106页3、倒液封 第33页,本讲稿共106页第二节第二节 流体在管内的流动流体在管内的流动 1.流量:流量:2.流速:流速:1)实验表明:流体流经管道任一截面时各点的
15、流速沿管径 变化,中心处最大,壁面处最小为0。速度分布复杂,工程上为方便取平均值。滞流 湍流 121流量与流速流量与流速体积流量:流体量用通过的流体的体积表示。VS,m3/s 单位时间内流过管道任一截面的流体量。流体量:质量流量:流体量用通过的流体的质量表示。Ws,kg/s 单位时间内流体在流动方向上流过的距离。u,m/s 第34页,本讲稿共106页3.管道内径的计算:若管道为圆形截面,则管道内径的计算:若管道为圆形截面,则 第35页,本讲稿共106页122 定态流动与非定态流动定态流动与非定态流动 定态流动:定态流动:在流动系统中,若各截面上流体的流速、压强、密度等有关物理量仅随位置而变化,
16、不随时间而变化,这种流动称为定态流动。化工生产中多属于这种连续定态流动过程 非定态流动非定态流动:在流动系统中,若各截面上流体 的流速、压强、密度等有关物理量不仅随位置而变 化,而且随时间而变化,这种流动称为非定态流动。第36页,本讲稿共106页123 连续性方程式连续性方程式1.物料衡算:如图:第37页,本讲稿共106页123 连续性方程式连续性方程式第38页,本讲稿共106页124 能量衡算方程式能量衡算方程式1.流动系统的总能量衡算方程式:如图衡算范围:设备内壁面、11截面、22截面间围成的系统衡算基准:1kg流体 基准水平面:o-o 第39页,本讲稿共106页v1,v2 流体分别在截面
17、11与 截面22处的比容;m3/kg 符号含义:符号含义:u1,u2 流体分别在截面11与截面22处的流速;m/s p1,p2 流体分别在截面11 与截面22处的压强;Pa Z1,Z2 流体分别为截面11 与截面22处的中心与 基准 水平面的垂直距离;mA1,A2 流体分别为截面11与 截面22处的面积;m2 第40页,本讲稿共106页1kg流体进、出系统时输入和输出的能量:第41页,本讲稿共106页1kg流体进、出系统时输入和输出的能量:第42页,本讲稿共106页以1kg流体为基准的总能量衡算方程式为:第43页,本讲稿共106页 二、流动系统的机械能衡算式与伯努利方程式 第44页,本讲稿共1
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