生物化工1.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一章,流体与流体中的传递现象,任课教师：,梁玉祥,Email:lyxgs623a,新世纪化工教学,(2),由于市场需要,化工专业毕业生参加愈来愈广泛的各类技术工作,导致专业界限更加淡化。因此,专业,需耍在,更广泛,的范围内扩宽。,新世纪化工教学,根据,AIChE,2001,年统计的化工专业的大学毕业生就业情况,化工、石化工业,23.3%,电子工业,15.9,燃料工业,15.7,食品,/,化装产品,10.6,生物技术,/,医药,9.3,商业服务,5.8,工程设计、建造,5.6,环境工程,2.4,其他,11.4,100.0,%,新世纪化工教学,由,就业,统计可见,:,传统的化工、石化以及设计、建造只占,28.9,%,高科技与新兴工业,(,电子、能源、生物、环境等,),占,42.8,%,就业分布很分散,故可以认为化工专业已成为,通用的过程工程,专业,甚至认为是,与高新科技最密切相关,的工程专 业。,因此化工专业需要适应,未来的就业发展,情 况，,扩大知识面。,新世纪化工教学,由此可见，化工专业范围已,扩大到跨学科发展,而,且成为高新科技不可缺少的技术。化工学科的内,容已从过去的,宏观,层次逐步发展到,介观,(,泡、滴、,粒、团,),、,亚微观,(,界面、纳米,),、,微观,(,分子,),及,大宏,观,(,环境、资源、能源等的全球可持续发展,),的,多层,次学科,。因此化工本科教育也要相应,扩大视野，,本专业的教学内容亦应适当修改与更新,。,(,一,),新世纪教学改革的背景,(,续,),建立,交叉学科,（例如与管理、生命科学等）的,学习体制。,重新,注重实践,培养独立工作能力。,更加灵活的学分制，例如,学习与实践交叉进行,。,改革专业基础课程内容，打破过去体系。,增设与高新技术或学科新发展有关的选课。,开展大学生的,学术竞赛,(,例如 化工学会及学校,设科技、论文奖等）。,成绩构成,作业,5,考试,7,每节课后的必做作业,:,用不到八十个字将本节内容进行概括,且在第二次课之前必须交到我的邮箱内,(,或文稿,),随堂作业,15%,物质的三种形态,物质的三种常规聚集状态,固体,-,液体,-,气体,-,约为,110,-8,cm(,分子尺度的量级,),约为,1.510,-8,cm(,分子尺度的量级,),约为,3.310,-7,cm(,分子尺度的量级,),连续介质假定,(Continuum hypotheses)(2),连续介质假定,(Continuum hypotheses)(3),流动质点,连续介质假定,实际状态,理想状态,注意：,该假定对绝大多数流体都适用。但,当流动体系的特征尺度与分子平均自由程相当时,，例如高,真空稀薄气体,的流动，连续介质假定受到限制。,基本术语,基本术语,:,固体、液体和气体,第一节 流体静力学及其应用,物质的三种常规聚集状态：固体、液体和气体；,流体,:,气态和液态物质合称为流体（包括超临界流体、等,离子体等特殊流体），气体可压缩，液体不可压缩。,流体的基本特征是具有流动性。,从微观来看,分子之间有空隙,流体的物理量,(,如,密度、,压强和速度等,),在空,分布不连续。,分子的随机运动,所以在空间任一点上，流体的物理量,在时间上的变化也是不连续的。,在工程技术领域，关心的是流体的宏观特性，即,大量分子的统计平均值。,固体、液体和气体,固体、液体和气体,第一节 流体静力学及其应用,一、流体的物理性质与作用力,非接触力，大小与流体的质量成正比，例如：重力，离心力，电磁力等,接触力，大小与和流体相接触的物体（包括流体本身）的表面（或假想表面）积成正比，例如：压强和应力,处于重力场中的流体，无论运动与否都受到力的作用。,连续介质的受力服从牛顿定律。,重力场,重力加速度,离心力场,离心加速度,流体的受力,场力或体积力（质量力）,表面力,(,一,),、质量力和密度、比体积,单位体积流体所具有的质量称为密度，通常用,表示，其单,位为,kg/m,3,。,式中,m,_,流体的质量，,kg;,V,_,流体的体积，,m,3,气体密度：,气体密度：,一般可当成理想气体处理,:,混合气体密度,:,混合气体的平均分子量；,A,组分的分子量；,A,组分的摩尔分率；,B,组分的分子量；,B,组分的摩尔分率。,(,质量守恒,),A,组分的分容；,B,组分的分容。,(,一,),、质量力和密度、比体积,单位体积流体所具有的质量称为密度，通常用,表示，其单,位为,kg/m,3,。,式中,m,_,流体的质量，,kg;,V,_,流体的体积，,m,3,气体密度：,液体的密度,:,混合液体的密度,:,设定混合液体的体积,=,分体积之和,即,:,液体的密度,:,为,A,组分的质量分率,为,B,质量分率,则有：,(,一,),、质量力和密度、比体积,单位体积流体所具有的质量称为密度，通常用,表示，其单,位为,kg/m,3,。,式中,m,_,流体的质量，,kg;,V,_,流体的体积，,m,3,气体密度：,液体的密度,:,流体密度的倒数称为流体的比体积，又,叫比容，以,表示，其单位为,m,3,/kg,。,注意,:,压强,(,工程上习惯将压强称为压力,),压力单位,:,(,二,),压力与静压强,垂直作用于任意流体微元表面的力称作压力。通常，把流体,单位面积上所受的压力称为流体的静压强，简称压强。,用,p,表示。,式中,p,_,压强，,N/m,2,或,Pa,；,F,_,垂直作用于流体表面的压力，,N,A,_,作用面的表面积，,m,2,SI,制,:,N/m,2,或,Pa,；,压力 的单位,:,kPa,1kPa=1000Pa,工程制,:,标准大气压,(atm),、工程压力,(kgf/cm,2,),、某流体柱高度等。,1atm=101.325kPa=101325N/m,2,=760mmHg,=1.033kgf/cm,2,=10.33mH,2,O,1mmHg=133.32Pa 1at=1kgf/cm,2,=9.80710,4,Pa,注意,:,压强,(,工程上习惯将压强称为压力,),压力单位,:,(,二,),压力与静压强,垂直作用于任意流体微元表面的力称作压力。通常，把流体,单位面积上所受的压力称为流体的静压强，简称压强。,用,p,表示。,式中,p,_,压强，,N/m,2,或,Pa,；,F,_,垂直作用于流体表面的压力，,N,A,_,作用面的表面积，,m,2,真空度与表压,真空度与表压,当被测流体的压力,(,或绝对压力,),小于大气压时,:,当被测流体的压力,(,或绝对压力,),大于大气压时,:,表上读数,=,大气压 绝对压力,表上读数,=,绝对压力大气压,真空度,表压,真空表,压力表,压力表与真空表,注意,:,压强,(,工程上习惯将压强称为压力,),压力单位,:,(,二,),压力与静压强,垂直作用于任意流体微元表面的力称作压力。通常，把流体,单位面积上所受的压力称为流体的静压强，简称压强。,用,p,表示。,式中,p,_,压强，,N/m,2,或,Pa,；,F,_,垂直作用于流体表面的压力，,N,A,_,作用面的表面积，,m,2,真空度与表压,注意,:,大气压与海拔高度有关,注意,:,大气压与海拔高度有关,例,:,有一设备要求绝压为,20mmHg,成都、拉萨的大气压分,别为,720mmHg,、,459.4mmHg,问真空度各为多少,Pa?,20mmHg,成都的真空度,=720,20=700mmHg,=700101325/760,=93326Pa,解,:,拉萨的真空度,=459.4,20=439.4mmHg,=439.4101325/760,=58581Pa,1mmHg=133.32Pa,(,三,),剪力、剪应力和粘度,剪应力：,与剪切形变相对应的应力，方向与作用面相平行。,表面张力：存在于不同流体的相邻界面，,使,流,体表面具有收缩的趋势。表面张力的大小用表面张力系数,s,来表示，其单位为,N/m,。其大小对于流体的分散和多相流动与传热传质有重要影响,粘度,(,放到后面应用之前讲,),二、,流体静力学基本方程,(Basic equations of fluid statics),及其应用,重力场中、静止的、均匀,(,=const),流体中的力学规律,h,基准面,A,z,2,z,1,p,1,p,2,向上的力,向下的力,受力平衡，向下的力,=,向上的力,h,基准面,A,z,1,z,2,p,1,p,2,或,或,单位体积流体的总势能守恒,单位质量流体的总势能守恒,单位体积流体的位能,单位体积流体的压能,单位质量流体压能,单位质量流体的位能,单位体积流体的总势能,单位,kJ/m,3,又叫虚拟压强,单位,Pa,物意：,即单位体积流体势能守恒或单位质量流体总势能守恒,1.,重力场中静止流体总势能不变，静压强仅随垂直,位置而变，与水平位置无关，压强相等的水平面,称为等压面；,2.,静止液体内任意点处的压强与该点距液面的,距离,呈线性关系，也正比于液面上方的压强；,3.,液面上方的压强大小相等地传遍整个液体。,流体静力学基本方程，表达了如下的流体静力学原理：,流体静力学基本方程为：（重力场,不可压缩流体,、密度,为常数）,应用上注意几点：,1.,公式的适用条件,(1),重力场,;,(2),讨论的两个点或两个面是静力学连通的,;,(3),连通的流体是均匀的,(),2.,液柱压力,3.,上下压力,应用要点,:1.,等压面,;,.,(,静止的、连通的、均匀的、同一水平面 压力相等,),2.,上下压力,讨论,:,p,A,与,p,B,之关糸,?,(4),(3),A,B,(1),水,A,(2),油,B,p,A,与,p,B,之关糸,?,p,C,与,p,D,之关糸,?,A,B,C,D,流体静力学基本方程的应用,1.,液柱压差计,（,Manometers),普通,U,型管压差计（,Simple manometer,）,倒置,U,型管压差计（,Up-side down manometer,）,倾斜,U,型管压差计（,Inclined manometer,）,双液体,U,型管压差计（,Two-liquid manometer,）,液柱压差计,（,Manometers)P33,(a),(c),(b),(d),U,型管内位于同一水平面上的,a,、,b,两点在相连通的同一静止流体内，两点处静压强相等,由指示液高度差,R,计算压差,若被测流体为气体，其密度较指示液密度小得多，,计算式为,:,普通,U,型管压差计,（,Simple manometer,）,p,0,p,0,0,p,1,p,2,R,a,b,用于测量液体的压差，指示剂密度,0,小于被测液体密度,，,U,型管内位于同一水平面上的,a,、,b,两点在相连通的同一静止流体内，两点处静压强相等,由指示液高度差,R,计算压差,若,0,倒置,U,型管压差计,（,Up-side down manometer),采用倾斜,U,型管可在测量较小的压差,D,p,时，得到较大的读数,R,1,值。,压差计算式,倾斜,U,型管压差计,（,Inclined manometer,）,微差压计，支管顶端有一个扩大室。扩大室内径一般大于,U,型管内径的,10,倍。压差计内装有密度分别为,r,01,和,r,02,的两种指示剂。,有微压差,D,p,存在时，尽管两扩大室液面高差很小以致可忽略不计，但,U,型管内却可得到一个较大的,R,读数,。,对一定的压差,D,p,，,R,值的大小与所用的指示剂密度有关，密度,差,越小，,R,值就越大，读数精度也越高。,双液体,U,型管压差计,（,Two-liquid manometer,）,？,A,A,B,当被测管段不是水平而是倾斜时,公式的推导,如右图所示,A,、,B,面为等压面,即,当,z,1,=z,2,时,则有,B,A,R,z,A,z,B,h,1,h,2,1,2,基准面,流体静力学基本方程的应用,1.,液柱压差计,（,Manometers),2.,液封问题,要求乙炔发生器 里的表压不超过,80mmHg,，问管伸入水中深度最大为多少,?,要使乙炔发生器里的表压不超过,80mmHg,管伸入,.,水中的深度,解,:,即,解得,流体静力学应用之二,液封问题,如图所示密闭室内装有测定室内气压的,U,型压差计和监测水位高度的压强表。指示剂为水银的,U,型压差计读数,R,为,40mm,，,压强表读数,p,为,32.5,kPa,。,试求：水位高度,h,。,解：根据流体静力学基本原理，若室外大气压为,p,a,，,则室内气压,p,o,为,(,p,A,=,p,B,;p,A,=,p,a,;p,B,=p,0,+R,0,g),A,B,【,例,1-2】P13,第三节,流体输送与流体输送机械,流体的流量与流速,流量,:,单位时间内流经某截面流体的数量。,体积流量,(volume flowrate):,q,V,m,3,/s;m,3,/h;,质量流量,(mass,flowrate,):,q,m,kg/s;kg/h,;,流速,:,流体流动的距离,/,时间,;,质量流速,:,w,;kg/(s.m,2,),点速度,u;,平均速度,;m/s,之间关糸,:,例,:,输送水,q,V,=32m,3,/h;,求管规格,解,:,查,P131;,表,3.3,d=0.0793m=79.3mm,查附录,(,管规格,)P435,选公称口径,80mm,外径,88.5mm,内径,=88.5-24=80.5mm,即,d=80.5mm,雷诺实验,雷诺实验,流体流动依不同的流动条件有两种不同的流动型态,层流与湍流。,层流（,Laminar Flow,）,与湍流（,Turbulent Flow,）,P16,湍流：流体质点沿管轴线方向流动的同时还有任意方向,上的湍动，因此空间任意点上的速度都是不稳定,的，大小和方向不断改变。,层流：流体质点很有秩序地分层顺着轴线平行流 动，,不产生流 体质点的宏观混合。,湍流流体的流速波形反映了湍动的强弱与频率，同时也说明宏观上仍然有一个稳定的时间平均值。其它参数如温度、压强等也有类似性质。,x,y,湍流的基本特征 时均速度与脉动速度,湍流的特点,t,t,湍流时的瞬时速度,:,物理意义：,惯性力与粘性力之比,雷诺准数,Reynolds number,除流速,u,外，,和，管径,d,也都影响流动型态。,流型判别的依据,雷诺准数,（,Reynolds number,）,Re,2000,稳定的层流区,2000,Re,4000,湍流区,流体在管内流动时：,物理意义：,惯性力,/,粘性力,雷诺准数,Reynolds number,流型判别的依据,雷诺准数,（,Reynolds number,）,求雷诺数,Re,1.d=0.1m,=1000kg/m,3,u=1m/s,=1cp,2.d=0.1m,u=1m/s,=10,-6,m,2,/s,3.d=0.1m,q,m,=(10/4)kg/s,=1cp,湍流的特点,牛顿粘性定律,(P7):,1.1.3,流体的黏度,流体在运动时,任意相邻两层流体有相互抵抗力,这种相互抵抗的作用力称为剪切力,流体所具有的这种抵抗两层流体相对滑动速度的性质称为流体的,粘性,。,粘性是流体固有的物理性质。,牛顿粘性定律,:,u,u,=0,d,u,d,y,y,x,F,面积,A,固定板,牛顿粘性定律,:,牛顿粘性定律,凡遵循牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体,(,如水、空气等,),否则为非牛顿型流体。,牛顿粘性定律,(P7):,1.1.3,流体的黏度,流体的粘度,流体的粘度,流体的粘度,粘度是流体的重要物理性质之一,它是流体组成,和状态,(,压力、温度,),的函数。,一般 而言,:,气体,:,液体,:,流体的粘度,的单位,:,SI,制,工程制的单位,:,泊,(P);,厘泊,(,cP,或,mPa.s,),关糸,:,单位,:SI,制,运动粘度,:,牛顿粘性定律,(P7):,1.1.3,流体的黏度,流体的粘度,混合物粘度的估算,:,常压气体混合物粘度,可采用右式计算,非缔合的液体混合物的粘度可用下式计算,式中,:,m,气体混合物的粘度,y,i,气体混合物组分的摩尔分数,i,同温度下纯组分的粘度,M,i,纯组分的摩尔质量,式中,:,m,液体混合物的粘度,x,i,液体混合物组分的摩尔分数,混合物粘度的估算,:,理想流体与粘性流体,具有粘性的流体统称为粘性流体或实际流体,的流体称为理想流体,牛顿粘性定律,(P7):,1.1.3,流体的黏度,流体的粘度,混合物粘度的估算,:,非牛顿流体（,Non-Newtonian fluid,）,P144,牛顿流体与非牛顿流体,牛顿流体与非牛顿流体,非牛顿流体（,Non-Newtonian fluid,）,P146,高分子熔体和溶液、表面活性剂溶液、石油、食品以及含微细颗粒较多的悬浮体、分散体、乳浊液等流体在层流时并不服从牛顿粘性定律，统称为非牛顿流体。,非牛顿流体的,粘度,不再为一常数而与,d,u,x,/,d,y,有关,宾汉塑性流体或塑性流体（,Bingham plastics,）,y,屈服应力（,threshold shear stress,）,K,宾汉粘度,n,流变指数（,flow behavior index,）,K,稠度系数（,flow consistency index,）,a,表观粘度,幂律（,power law,）,流体,n1,涨塑性流体（,Dilatant,fluid,）,P1,6,非牛顿流体（,Non-,Newtonian fluid,）,热力学第二定律指出,:,所有系统 非平衡态向平衡态转化,非平衡因素推动下物理量传输的共性规律,唯象方程,（,Phenomenological equation,）：,扩散通量扩散系数,扩散推动力,扩散现象与扩散定律,Diffusion phenomena and diffusion laws,贯穿本课程的基本思想之一,动量扩散与牛顿粘性定律,Momentum diffusion and Newtonian viscous law,对象：单组分气体、一维、等温层流流动体系中的动量扩散现象,层流流体中由速度梯度推动的扩散称为分子动量扩散,动量,速度梯度,速度分布,动量为一矢量，方向,-,流速的方向,;,而动量扩散的方向,指向速度降低的方向,;,y,u,x,T,A,u,x,(y),T(y),A,(y),o,动量扩散与牛顿粘性定律,宏观上，动量浓度,(,即单位体积流体具有的动量,),为,在气体密度均匀的条件下，动量浓度,u,x,仅,取决于流体所在位置处的宏观流速,u,x,(,y,),微观上，热运动,-,分子之间的碰撞和动量交换,-,动量浓度趋于均匀,-,导致了流速不同的流体层与层之间在,y,方向上的动量传递。,流动气体分子的运动,分子数密度为,n,、分子量为,Mr,厚度均不超过分子平均自由程,（即保证,y,方向上气体分子的每一次迁移运动都会在两层流体之间产生动量交换）,y,u,x,T,A,u,x,(y),T(y),A,(y),o,y,考察任意,y,位置处相邻的两层气体,在该微小尺度范围内流体宏观流速分布函数可视为线性，即两层流体的流速分别为,u,x,和,u,x,+,（,d,u,x,/d,y,）,u,x,+,(d,u,x,/d,y,),u,x,动量扩散与牛顿粘性定律,分子数通量,质量通量,热运动在三维空间,各向同性,气体密度维持均匀，,具有等分子数、反方向交换的特征。,动量扩散通量,动量扩散与牛顿粘性定律,取位于上层的单位微元体积的流体为体系 从统计平均的观点，与相邻的下层流体在,y,方向上通过单位微元底面积在单位时间内交换的通量为,气体分子均方根速率,根据牛顿第二定律,:,运动体系的动量变化率等于作用在该体系上的力，动量变化率的方向与力的方向相同,运动粘度,Kinematic viscosity,剪应力（,shear stress,）,yx,：表示平行作用于单位面积上的切向力，下标,x,代表剪应力或者动量的方向，,y,代表力的作用面的法线方向或者动量传递的方向。,动量浓度梯度,动量扩散系数,动量扩散通量的推动力,动量扩散与牛顿粘性定律,牛顿粘性定律,:,1,1,2,2,u,1,、,z,1,、,p,1,u,2,、,z,2,、,p,2,h,e,h,f,稳定的流体流动系统,向高位槽输水,城市供水系统,控制体,进入体系,离开体系,输入能量,输出能量,管壁粗糙度对摩擦系数的影响,:,u,u,层流时，阻力损失主要由流体内摩擦引起，取决于流体的粘度和速度梯度。圆管内牛顿流体层流速度梯度并不因管壁粗糙度的局部影响而发生明显改变，所以粗糙度对摩擦系数的值无影响。,湍流速度梯度仅存在于管壁附近。阻力损失既有发生在管壁附近的流体粘性造成的内摩擦损失（粘性阻力），又有发生在湍流主体的旋涡引起的流体质点的激烈碰撞而造成的机械能损失（惯性阻力）。,Re,增大到一定值以后，层流内层已经薄得使粗糙物几乎完全进入湍流主 体成为流动阻力的控制性因素，而粘性阻力所占的比重可以忽略不计，从而进入所谓阻力平方区。,(P98),Re,越大，层流内层越薄，更多的壁面粗糙物暴露于湍流主体中加剧旋涡运动和流体质点的碰撞，增加惯性阻力。,状态参数：,U,、,p,、,z,运行参数：,h,f,、,h,e,。,直管阻力的通用表达式,介质挺正参数：,、,、,、。,局部阻力,工业管道的当量粗糙度（,roughness,）,经验方程是在圆截面人工粗糙管道中，根据流体流动阻力损失的实验数据由,与无因次准数,Re,和,/,d,进行关联的结果。,应用经验方程应注意几何相似和实验参数范围。实际问题往往不能与实验条件保持严格的几何相似，工程上采取当量尺寸的方式使之近似相似并在原经验方程的基础上加以修正。,采用与人工粗糙管相同的实验方法测定一系列工业常见管道的摩擦系数值,后，反算出与之相当的粗糙度,。,管道类别,e,mm,管道类别,e,mm,金属管,无缝黄钢管、铜管及铅管,0.010.05,非金属管,干净玻璃管,0.00150.01,新的无缝钢管或镀锌铁管,0.10.2,橡皮软管,0.010.03,新的铸铁管,0.3,木管道,0.251.25,具有轻度腐蚀的无缝钢管,0.20.3,陶土排水管,0.456.0,具有显著腐蚀的无缝钢管,0.5,以上,很好整平的水泥管,0.33,旧的铸铁管,0.85,以上,石棉水泥管,0.030.8,直管阻力损失,非圆形截面管道流体流动的阻力损失可采用圆形管道的公式来计算，只需用当量直径,d,e,来代替圆管直径,d,当量直径定义：,流体浸润周边即同一流通截面上流体与固体壁面接触的周长,非圆形截面管道的当量直径,a,b,r,2,r,1,非圆形截面管道的当量直径,采用当量直径计算非圆形截面管道的,Re,，稳定层流的判据仍然是,Re,2000,。,计算阻力系数时，仅以当量直径,d,e,代替圆形截面直管阻力计算公式中的,d,，并不能达到几何相似的满意修正，因此需要对计算结果的可靠性作进一步考察。,一些对比研究的结果表明，湍流情况下一般比较吻合，但与圆形截面几何相似性相差过大时，例如环形截面管道或长宽比例超过,3:1,的矩形截面管道，其可靠性较差。,层流情况下可直接采用以下修正公式计算：,非圆形管的截面形状,d,e,常数,C,非圆形管的截面形状,d,e,常数,C,正方形，边长为,a,a,57,长方形，长,2,a,，宽,a,1.3,a,62,等边三角形，边长,a,0.58,a,53,长方形，长,4,a,，宽,a,1.6,a,73,环形，环宽,=(d,2,-d,1,)/2,(,d,2,-,d,1,),96,局部阻力损失计算,管路系统中的阀门、弯头、缩头、三通等各种阀件、管件不仅会造成摩擦阻力,(skin-friction),，还有流道急剧变化造成的形体阻力,(form-friction),，产生大量旋涡而消耗机械能。流体流过这些阀件、管件处的流动阻力称为局部阻力。,局部阻力损失计算,局部阻力系数法：,当量长度法：,局部阻力系数,l,e,当量长度,局部阻力损失计算,100mm,的闸阀,1/2,关,l,e,=,22m,100mm,的标准三通,l,e,=,2.2m,100mm,的闸阀全开,l,e,=,0.75m,3.,完全湍流区,.,对一定管糸,.,一定,则,.,又称之为阻力平方区,1.,层流区,.,又称之为阻力一次方区,.,2.,湍流区,.,讨论,(,关于,注重区域,):,流体输送管路计算的基本方程,根据流体流动的质量守恒、动量守恒与能量守恒原理，不可压缩流体在管路中稳定流动时应服从,连续性方程,柏努利方程,体积平均流速,由于流体输送系统的流速一般不会很低（湍流），因此动能校正系数,往往接近于,1.0,。,对于流速较低的层流流动，,值与,1.0,相差较大，但由于动能项在总能量中所占比例很小，也可不加校正。,流体输送管路计算的基本方程,输送单位质量流体所需加入的外功，,是决定流体输送机械的重要数据。,单位为,J/s,（或,W,）,对可压缩流体，若在所取系统两截面之间流体的绝对压强变化小于,10,，仍可按不可压缩流体计算，而流体密度以两截面之间的流体的平均密度,m,代替。,包括所选截面间全部管路阻力损失,若管路输送的流体的质量流量为,w,（,kg/s,），则输送流体所需供给的功率（即流体输送机械的有效功率）为：,如果流体输送机械的效率为,，则实际消耗的功率即流体输送机械的轴功率为：,注意单位！,管路计算的类型,（质量流量,w,或体积流量,V,、输送距离,l,、输送目标点的静压强,p,2,和垂直高差,z,2,）和流体的初始状态（静压强,p,1,、垂直高差,z,1,）,设计型：,-,给定流体输送任务,依据连续性方程和柏努利方程对流体输送系统进行设计或者优化操作计算，结合管路的实际条件，合理地确定流速,u,和管径,d,。,如果计算结果需要外加输送功,h,e,，则应结合工程造价与操作维修费用两方面的因素加以考虑。,某些流体在管道中常用流速范围,管路计算的类型,设计型：,费用,u,设备费,总费用,操作费,u,最佳,流体种类及状况,常用流速范围,m/s,流体种类及状况,常用流速范围,m/s,水及一般液体,13,压力较高的气体,1525,粘度较大的液体,0.51,饱和水蒸气：,低压气体,815,8,大气压以下,4060,易燃、易爆的低压气体（如乙炔等）,H,L,;V V,管,),略大,略大,举例,(,浙大,P56),如图所示，要求将,20,水,(,粘度,为,1cP),从水池打入水塔中，每,小时送水量不低于,75t,，水池与,水塔液位恒定，之距离为,13m,，,输水管为,1404.5mm,的钢管,管长为,70m(,包括所有启局部阻力,),，,摩擦系数,=0.3164Re,-0.25,。现库存有两台不同型号的清水泵,A,、,B,，它们的性能如表,2-1,所示，试从中选一台合适的泵。,泵,流量,/(m,3,/h),扬程,/m,轴功率,/kW,效率,/,A,B,80,79,15.2,14.8,4.35,4.1,76,78,解,:,管路所需的流量,在,1-1,与,2-2,间列柏氏方程,:,泵,流量,/(m,3,/h),扬程,/m,轴功率,/kW,效率,/,A,B,80,79,15.2,14.8,4.35,4.1,76,78,注意提问,其他类型泵,往复泵,结构：由泵缸、活塞、活塞杆、吸入和排出单向阀（活门）构成，有电动和汽动两种驱动形式。,原理：活塞往复运动，在泵缸中造成容积的变化并形成负压和正压，完成一次吸入和排出。,(,后面少学时不讲,),往复泵的工作原理,其他类型泵,一、往复泵,结构：,工作原,理：,与离心泵比较：,启动：不需要灌泵，具有自吸能力。,安装：靠缸的内外压差吸液，安装高度收到限制。,泵的特性曲线：,H,只取决于泵的部件机械强度和原动机功率。理论上可以达到任意高度。（但泵的扬程不可能无限增大。）,实际上由于存在液体泄漏的情况，使得：实际,Q,理论,Q,压头越大，漏损越大。,一、往复泵,与离心泵比较：,与离心泵比较：,旁路,一、往复泵,流量调节：不能用出口阀门调节流量,适用于小流量、高压头的情况下输送高粘度的液体,。,与离心泵比较：,一、往复泵,3S2,系列高压往复泵,XPB-90B,型高压旋喷注浆泵,型式：三缸单作用柱塞式,柱塞直径：,45mm,柱塞行程：,120mm,工作压力：,45MPa,流量：,46-103/min,吸入管直径：,2,排除管直径：,16-25mm,电机功率：,90KW,电机型号：调速,YCT 335-4C,外形尺寸：,3050X1800X1150mm,往复泵,其他容积式泵：,各类泵的适用范围：,计量泵（,Metering pump,）：又称比例泵，其工作原理与往复泵相同。计量泵的传动装置是通过偏心轮把电机的旋转运动变成柱塞的往复运动。偏心轮的偏心距可调，以此来改变柱塞往复的行程，从而达到调节和控制泵的流量的目的。计量泵一般用于要求输液量十分准确或几种液体要求按一定配比输送的场合。,YJH,系列隔膜计量泵,1,、电机,2,、蜗轮蜗杆,3,、凸轮,4,、推杆,5,、膜片,6,、调节手轮,7,、排出阀,8,、吸入阀,9,、泵头,其它化工用泵,JJM,系列隔膜泵,J,系列计量泵,JKM,系列计量泵,（液压驱动）,其它化工用泵,隔膜泵：,往复泵和计量泵由于活塞或活柱直接摩擦缸体，因而不适宜输送腐蚀性液体或悬浮液。隔膜泵用弹性金属薄片或耐腐蚀性橡皮制成的隔膜将活柱与被输送液体隔开，与活柱相通的一侧则充满油或水。当活柱往复运动时，迫使隔膜交替向两侧弯曲，将液体吸入和排出。隔膜泵因其独特的结构，使输送液体的种类得以拓宽。,QBY,型气动隔膜泵,其它化工用泵,齿轮泵：,属旋转类正位移泵，主要构件是泵壳和一对相互啮合的齿轮。运动时，两个齿轮在泵的吸入口脱离啮合，形成低压区，液体被吸入并随齿轮的转动被强行压向排出端。在排出端两齿轮又相互啮合形成高压区将液体挤压出去。,齿轮泵可产生较高的扬程，但流量小。适用于输送高粘度液体或糊状物料，但不宜输送含固体颗粒的悬浮液。,KCB,型齿轮油泵,其它化工用泵,螺杆泵：,按螺杆的数目，有单螺杆泵、双螺杆泵、三螺杆泵以及五螺杆泵。螺杆泵的工作原理与齿轮泵相似，是借助转动的螺杆与泵壳上的内螺纹、或螺杆与螺杆相互啮合将液体沿轴向推进，最终由排出口排出。,螺杆泵压头高、效率高、无噪音、适用于输送高粘度液体。,其它化工用泵,旋涡泵：,一种特殊类型的离心泵。由叶轮和泵体构成，叶轮是一个圆盘，四周由凹槽构成的叶片成辐射状排列，叶片数目可多达几十片。叶轮旋转过程中泵内液体随之旋转的同时，又在径向环隙的作用下多次进入叶片反复作旋转运动，从而获得较高能量。,其它化工用泵,旋涡泵的压头随流量增大而下降很快，只有输送小流量才可获得高压头。与离心泵不同，旋涡泵的轴功率随流量增大而下降，流量为零时，轴功率最大。为此，启动泵时应将出口阀全开。,旋涡泵的效率一般较低（,20%50%,）。但因其结构简单，加工容易，可采用耐腐材料制造，适用于高压头、小流量，不含固体颗料且粘度不大的液体。,其它化工用泵,2.2,气体压送机械,终压,p,2,1.15atm,，压缩比,终压,p,2,4atm,，压缩比,终压为大气压，压缩比可达,气体输送机械,共性：气体和液体同为流体，输送机械的工作原理基本相似。,特性：气体密度远较液体小且可压缩,（,1,）一定质量流量下气体体积流量大，输送机械的体积较大。,（,2,）气体输送管路的常用流速要比液体输送管路大得多，一般约,10,倍左右。因此输送相同的质量流量，气体输送要求提供的,压头相应也更高。,（,3,）由于气体的可压缩性，在输送机械内部气体压强变化时，其,体积和温度随之而变。气体输送机械结构设计更为复杂，,上必须考虑的影响因素也更多,。,输送机械,出口压强（表压）,压缩比,通风机（,Fan,）,15 kPa,1,1.5,鼓风机（,Blower,）,15 kPa,0.3 MPa,0.3MPa,4,真空泵（,Vacuum pump,）,大气压,减压抽吸,离心通风机,（,Centrifugal Fan,）,罗茨鼓风机（容积式风机、正位移类型）,工作原理：与齿轮泵相似。,结构：由机壳和腰形转子组成。,两转子之间、转子与机壳之间间隙很小，转子能自由转动又无过多泄漏。当两转子反向旋转时，可使气体从一侧吸入，而从另一侧强行排出。如改变两转子的旋转方向，则吸入与排出口互换。,工业上常用的鼓风机主要有旋转式和离心式两种类型。,特点：风量与转速成正比而与出口压强无关。故罗茨鼓风机出口阀不可完全关闭，流量用旁路调节。且出口应安装稳压气罐和安全阀。罗茨鼓风机工作时，温度不能超过,85,，以防转子因热膨胀而卡住。,罗茨鼓风机的出口压强一般不超过,80 kPa,（表压）。出口压强过高，泄漏量增加，效率降低。,鼓风机,（,Blower,）,L6LD,系列,L10WDA,系列,L4LD,系列,3R5WD,系列,罗茨,鼓风机,（,Blower,）,工作原理：与离心泵相同。,单级风机产生风压的较低，风压较高的离心鼓风机采用多级，其结构也与多级离心泵类似。,离心鼓风机的送气量大，但出口压强仍不高，一般不超过,0.3 MPa,（表压），即压缩比不大，因而无需冷却装置，各级叶轮的直径大小也大致相同。,结构示意图,多级低速离心鼓风机,离心鼓风机（透平鼓风机,Turboblower,）,工业上使用的压缩机主要有往复式和离心式两种类型。,往复式压缩机,结构：主要部件有气缸、活塞、吸入和压出活门。,工作原理：与往复泵相似，依靠活塞往复运动和活门的交替动作将气体吸入和压出。,气体在压缩过程中体积缩小、密度增大、温度升高。,压缩机（,Compressor,）,离心式压缩机,离心式压缩机又称透平压缩机，其主要结构和工作原理与离心鼓风机相似，但压缩机有更多的叶轮级数，通常在,10,级以上，因此可产生很高的风压。由于压缩比较高，气体体积收缩大，温升也高，所以压缩机也常分成几段，每段又包括若干级，叶轮直径逐级减小，且在各段之间设有中间冷却器。离心式压缩机流量大，供气均匀，体积小，维护方便，且机体内无润滑油污染气体。离心式压缩机在现代大型合成氨工业和石油化工企业中有很多应用，其压强可达几十,MPa,，流量可达几十万,m,3,/h,。,压缩机（,Compressor,）,旋片式压缩机,螺杆式压缩机,可连续输出流量超过,400 m/min,，压力高达,1 MPa,。,和叶片式压缩机相比，此类压缩机能输送出连续的无脉动的压缩空气。,压缩机（,Compressor,）,涡旋式压缩机是,20,世纪,90,年代末期开发并问世的高科技压缩机，结构简单，只有四个运行部件压缩机工作腔由相运动涡卷付形成多个相互封闭的镰形工作腔，当动涡卷作平动运动时，使镰形工作腔由大变小而到压缩和排出空气。,涡旋式压缩机效率高、可靠性好，是当今世界最节能压缩机。在低噪声、长寿命等诸方面大大优于其它型式的压缩机，被誉为“环保型压缩机”。,由于涡旋式压缩机主要运动件涡卷付，只有磨合没有磨损，因而寿命更长，被誉为免维修压缩机。,涡旋式压缩机（,Compressor,）,水环真空泵,主要由呈圆形的泵壳和带有辐射状叶片的叶轮组成。叶轮偏心安装。泵内充有一定量的水，当叶轮旋转时，水在离心力作用下形成水环，起密封作用，将叶片间的空隙分隔为大小不等的气室，,当气室由小变大时、形成真，在吸入口吸入气体；当气室由,大到小时，气体被压缩，在排,气口排出。,水环真空泵属湿式真空泵，结构简单。由于旋转部分没有机械摩擦，使用寿命长，操作可靠。适用于抽吸夹带有液体的气体。但效率低，一般为,30%50%,，所能造成的真空度还受泵体内水温的限制。,真空泵（,Vacuum Pump,）,旋片真空泵,由泵壳、带有两个旋片的偏心转子和排气阀片组成。泵工作时，旋片始终将,泵腔分为吸,气、排气两,个工作室，,转子每转一,周，完成两,次吸、排气,过程。,旋片泵的主要部分浸没于真空油中，以确保对各部件缝隙的密封和对相互摩擦部件的润滑。旋片泵属干式真空泵，适用于抽除干燥或含有少量可凝性蒸汽的气体。不适宜抽除含尘和对润滑油起化学反应的气体。旋片真