轻化工程课件:1-1—流体流动
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《化工原理》
轻化工程
绪 论
u化工生产过程与单元操作
举例:聚氯乙烯塑料的生产(乙炔法) 化学方程式:
常见化工单元操作:
ü动量传递过程:流体输送、机械分离、搅拌等
ü热量传递过程:加热、冷却、蒸发等
ü质量传递过程:蒸馏、吸收、萃取、干燥、吸附等 ü热、质同时传递过程:干燥、结晶等
u化工原理课程的内容、性质和任务
Ö性质:重要的专业技术基础课
Ö内容:传递理论
Ö任务:研究基本原理、典型设备,掌握
分析和解决工程问题的基本方法,
培养解决实际问题的能力。
本课程与传统理论的联系和区别
u单元操作中常用的基本概念和观点
Ö质量守恒定律
Ö能量守恒定律
Ö物系的平衡
Ö传递速率(=推动力/阻力)
Ö经济核算的观点
u单位制、单位换算
üCGS制(物理单位制):厘米克秒制 üMKS制(绝对单位制):米千克秒制 ü工程单位制 :米公斤(力)秒
üSI制(国际单位制)
u学习本课程的一般环节和方法: Ö课堂教学
Ö自主学习
Ö作业反馈
u相关参考资料:
1. 《化工原理》,王志魁等,化学工业出版社
2. 《化工原理》(上、下),谭天恩等,化学工业出版社
3. 《化工原理》(上、下),姚玉英等,天津大学出版社
4. 《化工原理》(上、下),陈敏恒等,化学工业出版社
第一章 流体流动与输送机械第一节 流体基本性质
Ø流体的概念:由无数流体微团组成的连续介质 Ø连续性假设
Ø流体的可压缩性
Ø作用在流体上的力
质量力:重力、离心力等
法向力(压力) 表面力
切向力(剪切力)
Ø
密度
混合气体 混合液体
RT
PM m
m
= r n
n 2 1 1 1 m f r f r f r r + + + = L
Ø压力
绝对压力: 以绝对零压为起点计 数的压强。
表压: 压力表指示的压力。
表压强=绝对压强大气压强 真空度:真空表指示的数值。
真空度=大气压强绝对压强
Ø剪切力与黏度
黏度:流体流动时产生内摩擦力的性质。
流体黏性越大,其流动性就越小。
•
实验证明
牛顿黏性定律
• 黏度的物理意义: μ=τ/(du/dy)
• 促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力。
• 只有在运动时才显现出来。
• 分析静止流体规律时不用考虑粘度。
•黏度随压强、温度的变化
黏度是流体的物理性质之一,由实验测定。
流体的粘度μ=f(P,T)
• 黏度的单位
CP(厘泊):1CP=0.01P=1mPa.S=10 3 Pa.S
运动黏度:
•牛顿型流体
•剪应力与速度梯度的关系符合牛顿粘性定律的流体,即n=1。
•如水、所有气体都属于牛顿流体。
n=1, 牛顿流体 n ¹1,非牛顿流体 n=1, 牛顿流体 n ¹1,非牛顿流体
ü牛顿流体和非牛顿流体
•非牛顿型流体
•剪应力与速度梯度的关系不服从牛顿粘性定律,即n ≠1。
•如泥浆、某些高分子溶液、悬浮液等。
n dy du A
F )
( m t = = ü理想流体和实际流体流体
G
Z 1
Z 2
P 1 A P 2 A
P 0
图 1- 1
静力学基本方程的推导
条件:重力场中的静止的、连 续的和不可压缩的流体
Ø流体静力学基本方程
第二节 流体静力学
从静止流体内部任意取一底面积为
A,厚度为dz薄层,对其受力情况 进行分析:
向上的力:PA
向下的力:(P+dP)A+ρAgdz
(P+dP)A+ρgAdzPA=0
对于同一流体,ρ为常数,对上式 进行不定积分得:
P +Z ρg =常数
g Z P g Z P r r 1
1 2 2 + = + g
P P H
r 0
2 - =
静力学基本方程的意义:在静止的流体内部,任一 点的位压能和静压能之和为常数,两者互相转换。
G
Z 1
Z 2
P 1 A P 2 A
P 0
图 1- 1
静力学基本方程的推导
Ø流体静力学方程应用 ü液柱压差计
ü安全液封
ü液位测量
•简单测压管
•U型压差计
gR
gz p p R z g p p A B b B a r r r + + = + + = 2 1 ) ( b
a p p = gR p p B A ) (
2 1 r r - = -
•倒U型压差计
•
倾斜U管压差计
适用于压差较小的情况
a
sin '
R R
=
•微差压差计(双液体U管压差计)
gz
gR p p R z g p p C A b C a r r r + + = + + = 2 1 ) ( b
a p p = gR p p C
A ) ( 2 1 r r - = -
例:某气体(密度ρ=1kg/m 3 ,粘度很小,可视为理想流体)从变
径管流过,大管为φ18×3.5mm ,小管为φ18×2.5mm 。
在A 、B 两点间接一复式压差计,内放等量的水作指示剂(密度ρ=
1000kg/m 3 ),两指示剂之间充满煤油(密度ρ=810kg/m 3 )。
已
知大管中气速为10m/s ,试求复式压差计读数R 1 和R 2
的大小。
•液面的测量
R
h r
r r - = 0 液面越高,h 越 小,压差计读数 R 越小; 当液面达到最高 时,h 为零,R 亦 为零。
•
安全液封
Ø 确保设备安全 Ø 防止气柜内气体泄漏
g
p h r =
体积流量q v
质量流量q m 流速 (平均流速)u
质量流速G
第三节 流体动力学
AG Au q q v
m = = = r r Ø流量和流速: 一般液体 (1~3m/s ) 一般气体(10~30m/s )
Ø定态流动和非定态流动
Ø化工生产中,流体流动大多为定态流动,故
非特别指出,一般所讨论的均为定态流动。
对稳定流动系统做物料衡算,
q m1 = q m2
u 1 A 1 ρ 1 = u 2 A 2 ρ 2 = … =uAρ=const.
不可压缩流体: ρ=const. u 1 ∙A 1 = u 2 ∙A 2
Ø连续性方程:
ρ 1 A 1 u 1 =ρ 2 A 2
u
2
常数
= Au r 2
1 2 1 2
2 1 ÷ ÷ ø ö ç ç è æ = = d
d A A u u 圆管内不可压缩流体
Ø伯努利方程(机械能衡算式)
衡算范围:
内壁面、1—1与2—2
截面间连续的流体
衡算基准:1kg流体
衡算基准面:
0-0水平面
根据能量守恒定律,在连续稳定流动条件下, 1kg 流体在截面1-1与2-2间的总能量衡算式为:
式中的能量可分为两类:一类称为机械能,包括位能、动 能、静压能与外部机械输入的能量;另一类为内能与热。
2
2
2 2
2 2 1 1 2
1 1 1
2 2 r r P u gZ U We Q P u gZ U e + + + = +
+ + + + We Q P u Z g U e +
= D + D + D + D ) ( 2 2
r
ò - = D 2
1
v v pd Q U u
系统内能量的变化
f
f e h Q Q h Q Q å å - = + = e 或 Q :1K
g 流体所获得的总能量 J/Kg Q = Qe+∑hf ∑hf :1Kg 流体所损失的机械能 J/Kg We Q P
u Z g U e +
= D + D + D + D ) ( 2 2
r
根据热力学第一定律,流体内能的变化等 于流体所获得的能量减去它所作的功,即 能量衡算
对不可压缩流体,其比容υ或密度ρ为常数,均与压力无关,
f W P u gz We P u gz S + + +
= + + + r
r 2
2 2
2 1 2 1 1 2 2 实际流体的伯努利方程
ò ò S + - D + D + D = + S - = D + D + D + - 21 2
1 ) ( 2
) ( 2
2
2
u u u u u u u
u u
u f
f h pd P z
g We We
h Q P Z g pd Q 得:
e
m e W q N = 单位时间输送机械做功(有效功率)
输送机械实际消耗功率(轴功率)
h
e N N =
ü伯努利方程式的讨论
(1)当流体为理想流体时,即ΣW f
=0 r
r 2 2 1
1 P gz P gz +
= + 静力学基本方程
常数
= + + = + + + r
r 2 2 2
2 1
2 1
1 2 2 P u gz We P u gz 理想流体的伯努利方程
(2)当流体静止时,即u 1 =u 2 =0时,W e =0,ΣW f
=0
f
P P u gz gH P u gz å D + + + = + + + 2 2 2
2 1 2 1 1 2
2 r r r r 单位体积的流体——Pa
f e h g
P g u z H g P g u z S + + + = + + + r r 2
2 2
2 1 2
1 1
2 2 单位重量的流体——m 液柱
f
e W
P u gz W P u gz å + + + = + + + r
r 2
2 2 2 1 2 1 1 2 2 单位质量的流体——J/kg
(3)不同衡算基准:
zg ——单位质量流体所具有的位能,J/kg ;
r
p
——单位质量流体所具有的静压能,J/kg ; 2 2
1 u ——单位质量流体所具有的动能,J/kg 。
各项意义:
f
e W P u gz W P u gz å + + + = + + + r
r 2
2 2
2 1 2 1
1 2 2
——位压头,m
g u
2 2
——动压头, m g p
r
——静压头, m 总压头, m
f e h g
P g u z H g P g u z S + + + = + + +
r r 2
2 2
2 1 2 1 1 2 2 z
2
2 2
g
u 2 1
g
u 2 2
g
p r 1 g p r
2 H
z 2
1。