13 流动流体的物料衡算和能量衡算.ppt

化工原理 绪论 流体的基本性质及计算 流体流动与输送 学习目标： 1.掌握流体流动的流量和流速的计算方法； 2.理解定态流动与非定态流动的概念； 3.掌握定态流动系统的物料衡算——连续性方程。 4.掌握定态流动系统的能量衡算——柏努利方程。 5.掌握柏努利方程在工程上的应用。 1.流量和流速 单位时间内流经管道任意截面的流体量，称为流量。 a.体积流量——单位时间内通过管道横截面的流体体积。 m3/s或m3/h b.质量流量——单位时间内流经管道横截面的流体质量。 kg/s或kg/h。 单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离，称为流速。 a.平均流速（u）——流体的体积流量与管道截面积之比。 m/s b.质量流速（G）——流体的质量流量与管道截面积之比。 kg/（m2·s） 流速与流量的关系： 例1 绝对压力为540kPa、温度为30℃的空气，在φ108×4mm的钢管内流动，流量为1500m3/h。试求空气在管内的流速、质量流量和质量流速。 解： 操作条件下密度 质量流量为： 流速为： 质量流速为 对于圆形管道： 上式中流量VS一般由生产任务决定。 要确定管径取决于流速的选择。 流量和流速在工程上的应用：管径的估算 ↑→ d ↓ →设备费用↓ 流动阻力↑ →动力消耗↑ →操作费↑ 均衡考虑 u u适宜 费 用 总费用 设备费 操作费 常用流体适宜流速范围见书上P15表1-1 稳定流动：流体在各截面上有关物理量（如温度、压力、流速等）仅随位置变化，而不随时间变化； 不稳定流动：流体在各截面上的有关物理量既随位置变化，也随时间变化。 2.稳定流动与不稳定流动 在化工生产中，开、停车阶段属于非定态流动，正产连续生产时属于定态流动。 3. 稳定流动系统的物料衡算（质量守恒）——连续性方程 对于稳态流动系统，在管路中流体没有增加和漏失的情况下： 推广至任意截面 ——连续性方程 1 1? 2? 2 可见，在定态流动体系中，当质量流量ms恒定时，流速u随截面积A和密度?变化而变化。 不可压缩性流体， 圆形管道 ： 即：不可压缩流体在管路中任意截面的流速u与管内径的平方d2成反比。 因此，对不可压缩流体，在稳态流动中流经各截面的体积流量也不变，流速u与管道截面积A成反比。 4.流动体系能量的类型 1）内能 贮存于流体内部的能量称为内能。1kg流体具有的内能为U，单位J/kg。 2）位能 流体受重力作用在不同高度处所具有的能量称为位能。计算位能时应先规定一个基准水平面，如0-0‘面。1kg流体具有的位能为Zg，单位J/kg。 3）动能 流体以一定速度流动，故具有动能。 1kg流体具有的位能为1/2u2，单位J/kg。 取1kg流体讨论： 4）静压能 在静止或流动着的流体内部，任一处都有相应的静压力。如果在一内部有液体流动的管壁面上开一个小孔，并在小孔处装一根垂直的细玻璃管，液体便会在玻璃管内上升，上升的液柱高度即是管内该截面处液体静压力的表现。 位能、动能、静压能三者之和称为某截面上的总机械能。 1kg的流体所具有的静压能为 (J/kg) l A V d.外功(有效功)——流体流动时，流体输送机械（泵和风机）向流体做功。1kg流体从流体输送机械所获得的能量为We ，单位 J/kg。 f. 能量损失——流体流动时因克服系统阻力所损耗的机械能。1kg流体损失的能量为ΣWf（J/kg）。 e. 热量 若管路中有加热器、冷却器等换热设备，流体通过时必与之换热。若无，则Q=0。1千克流体交换的热量为Q，单位 J/kg。 5. 稳定流动系统的能量守恒——柏努利方程 柏努利方程反映流体在流动过程中，各种形式机械能的相互转换关系。 衡算范围：1-1′、2-2′截面以及管内壁所围成的空间； 衡算基准：1kg流体； 基准面：0-0′水平面； 若管路中有换热器，且考虑流体的内能，则根据机械能守恒，其输入的能量等于输出的能量，柏努利方程为： J/kg 上式的物理意义：单位质量的流体所具有的机械能。 当系统中无换热设备、流体为不可压缩流体时， 此时，柏努利方程为： 由此类推，单位重量的流体所具有的机械能为： m 令 则 位压头 动压头 静压头 外加压头 压头损失 单位体积的流体所具有的机械能为： Pa 1）当流体从截面1-1’流入截面2-2’作连续、定态流动，且无外加功及能量损失，则： 柏努利方程式 J/kg m Pa 讨 论： 理想流体的机械能守恒。 2）若流体处于静止，u=0，ΣWf=0，We=0，则柏努利方程变为