资源简介

模块一 流体输送操作
项目1 观察流体流动
【教材版本】李祥新、朱建民主编《化工单元操作》，高等教育出版社2009年3月出版。
【教学目标】
1．借助雷诺实验装置，认识流体在管内流动的两种不同型态。
2．学会雷诺准数的计算，并用雷诺准数判断流体流型。
【教学重点、难点】
重点：认识流体流动型态
难点：雷诺准数的计算
【教学方法】
采用项目教学法，以行动导向来进行学习，调动学生的学习积极性，注重培养学生规范操作、观察分析、团结合作的能力。根据本项目特点，采用“导入——演示——实训——评价——讲授——讨论”的教学过程，先让学生在完成具体项目的过程中熟悉相应单元操作，然后通过相关知识的学习达到教学目标。
【学时安排】8学时
【教学建议】
先通过例子导入本项目的工作任务，根据要求布置实训任务，演示实训操作方法，指导学生按步骤完成实训项目。然后，在学生预习的基础上学习流体输送的相关知识。
【教学过程】
一、导入
自然界中存在着大量的流动现象，如河水流动，刮风等等。流体有不同的流动状态。
二、教师讲授及演示实训步骤
1．布置实训任务：观察液体的流动状态。
2．引导学生先大致了解流体输送装置，简述其用途，提高学生学习兴趣。
图1-1 雷诺实验装置
三、学生实训
指导学生按工艺卡片进行实训。
水箱加水——调节流量——记录流量——计算雷诺准数——验证雷诺判据
四、检查评价
学生自查实训情况，各组比较操作情况及数据的准确性，选出最佳操作人员。
五、相关知识
在学生预习及实训操作的基础上，由教师讲授与学生讨论相结合，完成以下内容的学习。
一、流体流动的基础知识
流体包括气体和液体，液体可认为是不可压缩性流体，气体为可压缩性流体。
1．液体内部不同位置的压力
（1）压力的表示方法
化工生产中习惯上将压强称为压力，是指垂直作用于流体单位面积上的压力，以p表示。
单位N/m2，Pa；MPa；kPa；atm；at或kgf/cm2；mH2O；mmHg。换算关系：
1 MPa＝103kPa＝106Pa
1atm＝0.10133MPa＝101.3kPa＝1.033 kgf/cm2 ＝760mmHg＝10.33mH2O
表压：表上反映出的压力，是设备内的实际压力与大气压力之差。
设备内的实际压力称为绝对压力。
真空度：当设备内的实际压力小于大气压时，表上测出的压力叫真空度。
绝对压力与表压力、真空度的关系如图1-3所示。
SHAPE \* MERGEFORMAT
图1-3 绝对压力、表压与真空度的关系
注意：用液柱高度表示压力单位时，液柱名称不能漏掉；表压力、真空度等要加以标注，如2000Pa（表压），10mmHg（真空度）等。还应指明当地大气压力。
（2）静止流体内的压力计算——静力学基本方程
图1-4 容器内液体示意图
（1-1）
静力学基本方程式表明：在静止的、连通着的同种液体内，处于同一水平面上各点的压力相等。压力相等的面称为等压面。液体内部任意一点或液面上方的压力发生变化时，液体内部各点的压力也发生同样大小的变化。
（3）利用静力学方程式解决实际问题
①通过液柱高度可进行压力及压差测量。
图1-5 U形压差计
【例1-1】 如图1-5（b）所示，已知管内流体为水，指示液为汞，压差计上读数为40mm，求两测压点的压差。
解：已知＝1000kg/m3，＝13600kg/m3
p1－p2＝R（－）g＝0.04×（13600－1000）×9.81＝4944.2Pa
②用于了解化工生产中高位槽、储槽、塔器及地下容器内液位的高度。如图1-6和图1-7。
图1-6 容器上的玻璃液位计 图1-7 压差法测量液位
1—玻璃管；2—容器 1—容器；2—平衡室；3—U形管压差计
③计算液封高度。
安全液封（水封）装置的作用：当设备内压力超过规定值时，气体从水封管排出，以确保设备操作的安全，或防止气柜内气体泄漏。水封管的插入深度h为
（1-2）
（a）安全液封 （b）溢流液封
图1-8 液封装置
2．流量和流速
（1）流量
体积流量：单位时间内流体流经管路任一截面处流体的体积，，单位为m3/s。
质量流量：单位时间内流体流经管路任一截面处流体的质量，qm，单位为kg/s。
（1-3）
（2）流速
单位时间内流体质点在流动方向上所流过的距离，u，单位为m/s。
（1-4）
式中 A—— 与流动方向相垂直的管道截面积，m2。
流速、体积流量、质量流量之间的关系为：
（1-5）
（1-6）
（3）管径、流量和流速之间的关系——流量方程
对于圆形管道， （1-9）
3．稳定流动的质量守恒——连续性方程
（1）稳定流动和不稳定流动
稳定流动：槽内水位维持不变，则排水管任一截面处的流速、压力等都不随时间而变。正常连续生产时，均属于稳定流动。
不稳定流动：随着槽中的水放出，槽内水位不断降低，所以排水管中水的流速、压力等也逐渐降低。连续生产的开、停车阶段，属于不稳定流动。
（a） （b）
图1-10 稳定流动和不稳定流动
（2）连续性方程
稳定流动系统，流体地从1-截面流入，从2-截面流出，且充满全部管路。
图1-11 稳定流动系统
（1-11）
若流体为不可压缩流体，即ρ为常数，则
（1-12）
对于圆管，，故
（1-13）
说明：不可压缩流体在管道内的流速u与管道内径的平方d2成反比。管径越小，流速越大，管径最小的地方，流速最大。
【例1-2】 如图1-10所示的串联变径管路中，已知小管规格为φ57mm×3mm，大管规格为φ89mm×3.5mm，水在小管内的平均流速为2.5m/s，水的密度可取为1000kg/m3。试求：（1）水在大管中的流速。（2）管路中水的体积流量和质量流量。
解：（1）小管内径d1＝57－2×3＝51mm，u1＝2.5m/s，
大管内径d2＝89－2×3.5＝82mm。
m/s
（2） m3/s
kg/s
4．稳定流动的机械能守恒——柏努利方程
（1）流体所具有的能量——机械能
流体在管内做稳定流动过程中，有三种形式机械能——位能、动能、静压能的改变及转换。
①位能。mgZ（J），单位为J/kg。位能是相对值，计算时须规定一个基准水平面，如0-面。
②动能。，单位为J/kg。
③静压能。m（J），单位为J/kg。
上述三种机械能都可以用测压管中的一段液体柱高度来表示，称为“压头”。位压头表示1N流体的位能；动压头表示1N流体的动能；静压头表示1N流体的静压能。
（2）系统与外界交换的能量
外功或有效功：1kg流体从流体输送机械所获得的能量，We，单位为J/kg。
损失能量：流体在系统流动时因克服系统阻力所损耗的能量，，J/kg。
（3）柏努利方程——反映了流体流动过程中各种能量的转化和守恒规律。
图1-15 流体流动的总能量衡算
（1-14）
将式（1-14）中的各项除以g，则可得
令 ，
则
（1-15）
式中 ，，——分别称为位压头、动压头、静压头，为单位重量（1 N）流体所具有的机械能，m；
He ——有效压头，单位重量流体在截面1-与截面2-间所获得的外加功，m；
Hf ——压头损失，单位重量流体从截面1-流到截面2-的能量损失，m。
式（1-15）中各项均表示单位重量流体所具有的能量，单位为J/N（m）。
（3）柏努利方程在工程上的应用
①确定两设备间的相对位置高度
【例1-3】 某车间用一高位槽向喷头供应液体，液体密度为1050 kg/m3。为了达到所要求的喷淋条件，喷头入口处要维持4.05×104Pa的压力（表压），液体在管内的速度为2.2 m/s，管路阻力为25J/kg（从高位槽的液面算至喷头入口处），假设液面维持恒定，求高位槽内液面至少要在喷头入口以上多少米？
例1-3附图
解：取高位槽液面为1-截面，喷头入口处为2-截面，以2-截面所在水平面为基准面
在两截面之间列柏努利方程
列出已知条件 Z1＝？ Z2＝0
u1＝ 0 u2＝2.2 m/s
p1＝0 p2 ＝4.05×104Pa （均为表压），ρ＝1050 kg/m3
We＝0 Σhf＝25 J/kg
代入柏努利方程
解得 Z1＝6.73m。
②确定输送设备的有效功率
输送设备的有效功率为
（1-16）
式中 Pe ——输送设备的有效功率，J/s或W；
qm——流体的质量流量，kg/s；
We——1kg流体从输送设备获得的外加能量（又称外加功），J/kg。
【例1-4】 用离心泵把水从贮槽送至填料塔顶部，槽内水位维持恒定，各部分相对位置如本题附图所示。管路的直径均为φ57mm×2.5mm ，送水流量为15 m3/h。塔内水管出口处的表压为125kPa，能量损失为5m水柱。求水泵的有效功率。
例1-4附图
解：
取贮槽液面为截面1-，塔内出口处为截面2-，以截面1-为基准面。
在两截面之间列柏努利方程
列出已知条件
Z1＝0 Z2＝20－1.5＝18.5m
u1≈0 ＝15 m3/h， d＝57－2×2.5＝52mm＝0.052m
u2＝1.96 m/s
p1＝0 p2＝125kPa，ρ＝1000 kg/m3
We＝？ Σhf＝5×9.81＝49.05J/kg
代入求解
解得 We＝357.45J/kg
质量流量 qm＝＝15×1000/3600＝4.17kg/s
有效功率 Pe＝qm We＝357.45×4.17＝1489.5 W≈1.49kW
③确定输送液体的压力
④求管路中流体的流量
二、管内流体的流动型态
1．流动型态的划分
层流（滞流）
湍流（紊流）
过渡流
工程上遇到的管内流体的流动大多为湍流，而管内流体的低速流动、高黏度液体的流动、毛细管和多孔介质中的流体流动等属于层流。
流体流动速度在管道截面上的分布规律因流型而异：
（a）滞流 （b）湍流
图1-17 圆管内速度分布
在圆管中，层流时，其速度分布曲线呈抛物线形，平均流速u=0.5umax。
湍流时其速度分布曲线呈不严格抛物线形，平均流速u=0.82umax。
2．流体流动型态的判定
流体的流动型态与流体密度ρ、黏度μ、流速u和管径d（内径）等因素有关，用雷诺准数Re可以判定流动型态。
在圆形直管道中，雷诺准数计算公式为
（1-17）
雷诺准数Re无量纲，计算时只要采用同一单位制下的单位，计算结果都相同。Re大小反映了流体的湍动程度，Re越大，流体流动的湍动性越强。
当流体在直管内流动时，Re≤2000时为层流；Re≥4000时为湍流；2000＜Re＜4000时，可能为层流，也可能为湍流，与流动环境有关。
如果流体流通的截面不是圆形，其直径可用当量直径de代替。
（1-18）
【作业】
复习题
5．分析并比较下列各组概念的联系与区别。
体积流量 绝对压力 位能 层流 能量损失
质量流量 表压 动能 湍流 压头损失
流速 真空度 静压能 过渡流
计算题
表压
绝对压力

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