1、27 七月 20221化工原理緒論緒論1.概述-化工生產(chǎn)過程與單元操作 化學(xué)工業(yè):對(duì)原料進(jìn)行化學(xué)加工以獲得產(chǎn)品?；どa(chǎn)過程:用化工手段將原料加工成產(chǎn)品的生產(chǎn)過程。 該生產(chǎn)過程的核心是化學(xué)反應(yīng)過程，為使化學(xué)反應(yīng)經(jīng)濟(jì)有效的進(jìn)行，反應(yīng)前物料要達(dá)到一定純度,即需要進(jìn)行前處理;反應(yīng)器內(nèi)必須保持最佳反應(yīng)條件（壓強(qiáng)、溫度）;反應(yīng)后還要進(jìn)行后處理，使產(chǎn)物與反應(yīng)物分開、產(chǎn)物精制。前、后處理中，絕大多數(shù)過程是純物理過程。 緒論化工生產(chǎn)過程：是由若干化學(xué)反應(yīng)和物理操作串聯(lián)的生產(chǎn)過程。例：用乙炔和氯化氫生產(chǎn)聚氯乙烯塑料乙炔 提純 單體合成 單體精制 聚合 脫水干燥氯化氫 提純 （反應(yīng)熱）（反應(yīng)熱）（壓縮，冷凝） 在

2、各種化工生產(chǎn)過程中，除化學(xué)反應(yīng)外的其余物理操作稱為單元操作(Unit Operation)：流體的流動(dòng)與輸送，沉降，過濾，攪拌，壓縮，傳熱，蒸發(fā)，結(jié)晶，干燥，精餾，吸收，萃取，冷凍等?；ぴ恚菏茄芯窟@些單元操作的基礎(chǔ)學(xué)科，是各個(gè)單元操作的綜合和集成?；ぴ?食品工程原理奶粉生產(chǎn)工藝：各個(gè)單元操作串聯(lián)操作的生產(chǎn)過程 牛奶 預(yù)熱殺菌 真空濃縮 過濾 噴霧干燥 生物化工原料的某些成分如蛋白質(zhì)、酶之類都是生物活性物質(zhì)，在加工過程中會(huì)引起變性、鈍化或破壞。熱敏性和氧化變質(zhì)及易腐性是動(dòng)、植物原料的共有特點(diǎn)。食品加工的科學(xué)化和工程化的標(biāo)志-單元操作的引入和應(yīng)用。食品工程是在化學(xué)工程基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一個(gè)新

3、領(lǐng)域-相同的理論基礎(chǔ)和單元操作。2.本課程的性質(zhì)與任務(wù) 本課程是在高等數(shù)學(xué)、物理學(xué)及物理化學(xué)、化學(xué)等課程的基礎(chǔ)上開設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，其主要任務(wù)是研究化工單元操作的基本原理，典型設(shè)備的構(gòu)造及工藝尺寸的計(jì)算或設(shè)備選型。 本課程作為化學(xué)工程學(xué)的一個(gè)基礎(chǔ)組成部分，是化工、生物、制藥、食品等專業(yè)的主干課程之一（學(xué)科基礎(chǔ)課），其在基礎(chǔ)課和專業(yè)課之間，起著承上啟下，由“理”過渡到“工”的橋梁作用。3.本課程的內(nèi)容，特點(diǎn)及學(xué)習(xí)方法內(nèi)容：以“三傳”-流體流動(dòng)過程（動(dòng)量傳遞）；傳熱過程（熱量傳遞）；傳質(zhì)過程（質(zhì)量傳遞）為核心和主線，講述單元操作的基本原理，典型設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理，操作性能和設(shè)計(jì)計(jì)算。教學(xué)環(huán)節(jié)：理論

4、課教學(xué)，實(shí)驗(yàn)，課程設(shè)計(jì)特點(diǎn)：內(nèi)容多，范圍廣，難度大。學(xué)習(xí)方法：重點(diǎn)掌握基本概念，基本原理和基本計(jì)算。1）基本量，導(dǎo)出量 （物理量） 任何物理量均可由幾個(gè)彼此獨(dú)立的基本量表示其性質(zhì)和特征?；玖浚洪L(zhǎng)度 L m ；質(zhì)量 m kg ；時(shí)間 t s ；溫度 T K 導(dǎo)出量：如速度 u=L/t m/s。2 ）單位制（基本單位與導(dǎo)出單位的總和）（1）絕對(duì)單位制（cgs制）：力，達(dá)因，dyn（2）工程單位制：力，公斤（力）, kg(f )（3）國(guó)際單位制（SI）：力，牛頓，N 1N=1kg m/s2 =1/9.81kgf=105dyn4.單位制與單位換算SI基本單位量的名稱量的符號(hào)單位名稱單位符號(hào) 長(zhǎng)度 l

5、(L) 米 m 質(zhì)量 m 千克 kg 時(shí)間 t 秒 s 電流 I 安（培 ） A 熱力學(xué)溫度 T 開（爾文） K 發(fā)光強(qiáng)度 I(IV) 坎（德拉） cd 物質(zhì)的量 n 摩爾 mol導(dǎo)出單位：力 （ N）； 壓強(qiáng) Pa（N/m2）； 功 ，能，熱（ J）；功率（ W）1) 流體流動(dòng)過程（動(dòng)量傳遞） 研究流體流動(dòng)及流體和與之接觸的固體間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的基本規(guī)律，以及主要受這些基本規(guī)律支配的若干單元操作，如流體的輸送、沉降、過濾、攪拌及固體的流態(tài)化等。2) 傳熱過程（熱量傳遞） 研究傳熱的基本規(guī)律以及主要受這些基本規(guī)律支配的若干單元操作，如熱交換、蒸發(fā)等。5.傳遞過程3) 傳質(zhì)過程（質(zhì)量傳遞） 研究

6、物質(zhì)通過相界面遷移過程的基本規(guī)律，以及主要受這些基本規(guī)律支配的若干單元操作，如液體的蒸餾、氣體的吸收、固體的干燥及結(jié)晶等。6.物料衡算與能量衡算 1) 物料衡算 根據(jù)質(zhì)量守恒定律而進(jìn)行的質(zhì)量平衡計(jì)算。向設(shè)備輸入的物料質(zhì)量減去從設(shè)備輸出的物料質(zhì)量，必等于積累在設(shè)備里的物料質(zhì)量，即： 輸入物料的總和 輸出物料的總和 積累物料量 2) 能量衡算 根據(jù)能量守恒定律而進(jìn)行的能量平衡的計(jì)算。在生產(chǎn)中能量可能是熱能、電能、機(jī)械能或其它能。如果是熱能，則稱為熱量衡算。 隨物料進(jìn)入系統(tǒng)的總熱量，kJ或kW 隨物料離開系統(tǒng)的總熱量，kJ或kW 向系統(tǒng)周圍散失的熱量，kJ或kW 7.平衡關(guān)系與過程速率 1) 平衡關(guān)

7、系 平衡關(guān)系予告過程或反應(yīng)能夠達(dá)到的極限。如連通器液面最終達(dá)到同一水平面，傳熱的極限是冷熱流體溫度相同，氣體吸收的極限是當(dāng)時(shí)條件下的飽和溶解度，反應(yīng)的極限是當(dāng)時(shí)條件下的平衡轉(zhuǎn)化率。 2) 過程速率 第 1 章 流體流動(dòng) 概述 液體和氣體都具有流動(dòng)性，通?？偡Q為流體。 在化工和食品生產(chǎn)過程中，所處理的原料、半成品、 產(chǎn)品以及輔助材料大多數(shù)以流體的狀態(tài)存在。流體的流動(dòng)和輸送既是一個(gè)單元操作，又與其他各種單元操作密切相關(guān)。 水、空氣、水蒸氣 典型流體 牛頓流體（流體力學(xué)規(guī)律） 牛奶、果汁、鹽水 稀薄流體 蜂蜜、脂肪、果醬 稠厚流體 非牛頓流體（流變學(xué)規(guī)律） 應(yīng)用流體流動(dòng)的基本原理和規(guī)律可以解決如下工

8、程問題：(1)流體輸送：流體流速u，管道直徑d，輸送設(shè)備選擇、操作及其功率計(jì)算(2)流體壓強(qiáng)，流量和流速的測(cè)量(3)強(qiáng)化設(shè)備：為強(qiáng)化其他單元操作（設(shè)備）提供適宜條件1.1 流體的物理性質(zhì)1.1.1流體的物理性質(zhì)與作用力1 ) 流 體 特 征：易流動(dòng)，無固定形狀 氣體：氣體分子間距大，相互作用力小，無一定自由表面和體積，充滿整個(gè)容器。在外力作用或溫度變化時(shí)，體積改變較大，一般不能忽略（可壓縮和膨脹性），稱之為可壓縮流體。 液體：不可壓縮流體。2 ) 連續(xù)介質(zhì)模型（1753年，歐拉） 不考慮流體的微觀分子運(yùn)動(dòng)，把流體看作由無窮多個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)稠密無間隙所組成的連續(xù)介質(zhì)，以研究流體的宏觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律。3 )

9、 流體的密度和比容單位體積流體所具有的質(zhì)量 稱為密度（kgm3） =m/V 式中 m流體的質(zhì)量，kg ；V流體的體積，m3 單位質(zhì)量流體所具有的體積 稱為比容（m3kg） =V/m 氣體密度隨溫度，壓力的改變有較大變化，通常在溫度不太低，壓力不太高的情況下，可用理想氣體方程式計(jì)算：式中： p氣體的絕對(duì)壓強(qiáng)，Pa M氣體的摩爾質(zhì)量，kgmol R通用氣體常數(shù)，8.315J(molK) T氣體的熱力學(xué)溫度，K1.1.2 流體的粘度1.牛頓粘性定律 流體流動(dòng)時(shí)存在內(nèi)摩擦力，流體流動(dòng)時(shí)必須克服內(nèi)摩擦力作功。這種內(nèi)摩擦力就是一種平行于流體微元表面的表面力，通常又稱作剪切力。 當(dāng)各流體層速度不同時(shí)，層與層

10、之間會(huì)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)和相互作用力。流體的這種內(nèi)部相鄰層間相互作用力就是流體內(nèi)部的內(nèi)摩擦力或粘滯力。單位面積上的內(nèi)摩擦力就是剪應(yīng)力。剪應(yīng)力，Nm2 F剪力，N S流體層間的接觸面積，m2 du/dy法向速度梯度，1s比例系數(shù)，稱為粘性系數(shù)或動(dòng)力粘度，簡(jiǎn)稱粘度牛頓粘性定律：粘度單位:SI: = /(du/dy) =N s/ m2 = Pascgs : = dyn s/cm2 = P（泊） 1泊=100cP（厘泊） Pas = 10P =1000cP2.流體的粘度粘度的物理意義: 促使流體產(chǎn)生單位速度梯度的剪應(yīng)力粘性：確定流體流動(dòng)時(shí)內(nèi)摩擦力大小的物理性質(zhì)。粘度：衡量流體粘性大小的物理量稱動(dòng)力粘度，簡(jiǎn)稱

11、粘度。溫度對(duì)粘度的影響：液體：溫度上升， 則粘度減小。氣體：溫度上升，則粘度增大。理想流體: 粘度為零的流體牛頓流體： 服從牛頓粘性定律的流體非牛頓流體：不服從牛頓粘性定律的流體3. 理想流體4. 非牛頓流體簡(jiǎn)介非牛頓流體粘性流體粘彈性流體與時(shí)間無關(guān)與時(shí)間有關(guān)無屈服應(yīng)力有屈服應(yīng)力觸變性流體流凝性流體塑性流體（污水泥漿，巧克力漿） = y +du/dy假(漲)塑性流體（高分子溶液，涂料，蜂密，果漿，淀粉溶液） = k(du/dy)n牛頓流體（所有氣體，大多數(shù)液體） = du/dydu/dy無屈服應(yīng)力：假塑性流體，漲塑性流體有屈服應(yīng)力：賓漢塑性流體1.2 流體靜力學(xué)基本方程式1.2.1 靜止流體的

12、壓力1) 壓力與靜壓強(qiáng) 垂直作用于任意流體微元表面的力稱作壓力。把流體單位面積上所受的壓力稱為流體的靜壓強(qiáng)，簡(jiǎn)稱壓強(qiáng)，用p表示， 即： p=P/A式中 p靜壓強(qiáng)，Nm2或Pa（帕） P垂直作用于流體表面的壓力，N A作用面的表面積，m2 習(xí)慣上還采用一些其他單位，如atm(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)、某液柱高度、bar(巴)或kgfcm2、工程大氣壓(at)等。它們之間的換算關(guān)系為：latm=1.033kgfcm2760mmHg=10.33mH2O 1.0133bar1.0133105 Palatlkgfcm2735.6mmHg10mH2O 0.981bar9.81104 Pa2) 壓強(qiáng)表示:按度量壓強(qiáng)的基

13、準(zhǔn)（零點(diǎn)）AB絕對(duì)壓強(qiáng)：以絕對(duì)零壓（真空）為基準(zhǔn)（真實(shí)壓強(qiáng)）表壓強(qiáng)和真空度：以大氣壓為基準(zhǔn) 當(dāng)被測(cè)流體的絕對(duì)壓強(qiáng)大于外界大氣壓強(qiáng)時(shí)，所用的測(cè)壓儀表稱為壓強(qiáng)表。壓強(qiáng)表上的讀數(shù)表示被測(cè)流體的絕對(duì)壓強(qiáng)比大氣壓強(qiáng)高出的數(shù)值，即： 表壓強(qiáng)= 絕對(duì)壓強(qiáng)大氣壓強(qiáng) 當(dāng)被測(cè)流體的絕對(duì)壓強(qiáng)小于外界大氣壓強(qiáng)時(shí)，用真空表進(jìn)行測(cè)量。真空表的讀數(shù)表示被測(cè)流體的絕對(duì)壓強(qiáng)低于當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)的數(shù)值，稱為真空度，即：真空度大氣壓強(qiáng)絕對(duì)壓強(qiáng) = 表壓強(qiáng)1.2.2 流體靜力學(xué)基本方程 流體靜力學(xué)方程研究處于相對(duì)靜止的流體在重力和壓力作用下，處于平衡狀態(tài)的規(guī)律。作用于薄層下底 的總壓力pA；作用于薄層上底的總壓力(p+dp)A；向下作用

14、的重力gAdz。 當(dāng)流體處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)： pA(p+dp)AgAdz=0 dp+gdz0 dp+gdz0 若密度為常數(shù)，則上式積分得：p/+gz=常數(shù)若積分的上、下限取高度為z1和z2的二個(gè)平面， 而作用于這二個(gè)平面的壓強(qiáng)分別為p1和p2，則得： (p2 p1)/ g = z1 z2或 p2 p1+g(z1 z2) 流體靜力學(xué)基本方程討論 pp0+g h當(dāng)容器內(nèi)液面上方的壓強(qiáng)p0一定時(shí)，靜止液體內(nèi)部任一點(diǎn)壓強(qiáng)p的大小與液體本身的密度和該點(diǎn)距液面的深度h有關(guān)。在靜止的、連續(xù)的同一液體內(nèi)，處于同一水平面上的各點(diǎn)壓強(qiáng)都相等。當(dāng)液面上方的壓強(qiáng)p0改變時(shí)，液體內(nèi)部各點(diǎn)的壓強(qiáng)p也發(fā)生同樣大小的變化。壓強(qiáng)或

15、壓強(qiáng)差可以用一定高度的流體柱h表示，即：(p2 p1)/ g = z1 z2=hp2 p1+g(z1 z2) 1。 p02。 h p p1 p2 點(diǎn)1處于容器的液面上，設(shè)液面上方的壓強(qiáng)為p0，距液面h處的點(diǎn)2壓強(qiáng)為p。1.2.3 流體靜力學(xué)方程的應(yīng)用1）U形管壓差計(jì) （不互溶指示液，指 ） pa=pb pa=p1+hg+Rg pb=p2+hg+R0g p1-p2= g R(0-) 當(dāng) 0（被測(cè)流體為氣體時(shí)） p1-p2 = g R01.壓強(qiáng)與壓強(qiáng)差的測(cè)量 例 水平導(dǎo)管上的兩點(diǎn)間接一盛有四氯化碳的U型管壓差計(jì)，壓差計(jì)讀數(shù)R為35cm。若導(dǎo)管內(nèi)流經(jīng)的是(1)水，(2)密度為2.5kg/m3氣體時(shí)，

16、試分別計(jì)算兩點(diǎn)間壓強(qiáng)差。 解 指示液：0=1630 kg/m3(1)管內(nèi)流經(jīng)水時(shí)： =1000 kg/m3 p=p1p2= (0-)g R =(16301000)9.810.35=2163 (N/m2)(2)管內(nèi)流經(jīng)氣體時(shí)： =2.5 kg/m3 p=p1p2= (0-)g R =(16302.5 )9.810.35=5588 (N/m2)2）微差壓差計(jì) 微差壓差計(jì)亦稱雙液體U形管壓差計(jì)。它在U形管的兩股上增設(shè)兩個(gè)擴(kuò)大室，擴(kuò)大室內(nèi)徑與U形管內(nèi)徑之比一般應(yīng)大于10。壓差計(jì)內(nèi)裝有A、C兩種密度稍有差異的指示液。由于擴(kuò)大室的截面遠(yuǎn)大于U形管截面，所以即使U形管內(nèi)指示液A的液面差R很大，兩個(gè)擴(kuò)大室內(nèi)指

17、示液C的液面變化也甚小，可視為等高。根據(jù)靜力學(xué)基本方程，壓強(qiáng)差可用下式表示： p1p2 gR(Ac) 例 如本題附圖所示，為了控制乙炔發(fā)生爐a內(nèi)的壓強(qiáng)不超過10.7 103Pa(表壓)，需在爐外裝有安全液封(又稱水封)裝置，其作用是當(dāng)爐內(nèi)壓強(qiáng)超過規(guī)定值時(shí)，氣體就從液封管b中排出。試求此爐的安全液封管應(yīng)插入槽內(nèi)水面下的深度h。解：按爐內(nèi)允許的最高壓強(qiáng)計(jì)算液封管插入槽內(nèi)水面下的深度h 。過液封管口作等壓面O-O,并取1，2兩點(diǎn)。3）液封高度計(jì)算 故 pa+ 10.7 103 = pa+ 1000 9.81 h 解得：h=1.09 (m)p1=爐內(nèi)壓強(qiáng)=pa+10.7 103 p2=pa+gh= p

18、a+ 10009.81 h 因 p1=p2 例1-9 為了維持真空蒸發(fā)操作的真空度，需在其后的冷凝器上方抽真空。同時(shí)為了防止外界空氣從氣壓管漏入，致使設(shè)備內(nèi)真空度降低，氣壓管必須插入液封槽中，水即在管內(nèi)上升一定高度h(液封)。若真空表的讀數(shù)為80103 Pa，試求氣壓管中水上升的高度h。解：設(shè)氣壓管內(nèi)水面上方的絕對(duì)壓強(qiáng)為P,液封槽液面作用大氣壓強(qiáng)Pa。根據(jù)流體靜力學(xué)基本方程，在液封槽液面等壓面上有:pap+g hpap+g hpap=真空度= 80103 Pa1.3 流體流動(dòng)的基本方程1.3.1流量與流速1) 體積流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過流道橫截面的流體體積。 VsV/t (m3/s)2) 質(zhì)量流

19、量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流過流道橫截面的流體質(zhì)量。 wsVs (kg/s)3) 平均流速：體積流量與流道橫截面積之比。 u= Vs /A (m/s) 常用流速范圍 P26 1.3.2 穩(wěn)態(tài)流動(dòng)與非穩(wěn)態(tài)流動(dòng) 穩(wěn)態(tài)流動(dòng)：流體在管道中流動(dòng)時(shí)，任一截面處的流速、流量和壓強(qiáng)等有關(guān)物理參數(shù)都不隨時(shí)間而變化。 非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)：流動(dòng)時(shí)，任一截面處的有關(guān)各物理參數(shù)中只要有一項(xiàng)是隨時(shí)間變化的，則屬于不穩(wěn)定流動(dòng)。1.3.3 連續(xù)性方程式1) 物料衡算的一般方法 物料衡算的依據(jù)是質(zhì)量守恒定律。在工業(yè)上常用的計(jì)算基準(zhǔn)有三：以加入設(shè)備的一批物料為基準(zhǔn)，這種基準(zhǔn)用于間歇過程；以單位時(shí)間的物料量為基準(zhǔn)，常用于連續(xù)過程；以單位質(zhì)量原料或產(chǎn)品

20、為基準(zhǔn)。 設(shè)：ws1為輸入物料量的總和； ws2為輸出物料量的總和。 在無物料損失的情況下，根據(jù)質(zhì)量守恒定律應(yīng)有： 總進(jìn)料量總出料量 ws1=ws2 (kg)or(kg/s)2) 管內(nèi)穩(wěn)定流動(dòng)連續(xù)性方程 不可壓縮流體在園管中作穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，其流速與截面積成反比，與園管的直徑平方成反比。 wsu11A1u22A2常數(shù)不可壓縮流體： 12 u1A1u2A2常數(shù)流體在圓管內(nèi)流動(dòng)時(shí)： u2/u1=(d1/d2)2 流體在管道內(nèi)作穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，不論其間的流動(dòng)截面和流動(dòng)形態(tài)如何變化，都服從質(zhì)量守恒定律。由物料衡算可得管內(nèi)穩(wěn)定流動(dòng)的連續(xù)性方程式：1 流動(dòng)系統(tǒng)的總能量衡算 對(duì)于穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)，設(shè)在一定時(shí)間內(nèi)進(jìn)出系統(tǒng)

21、的流體質(zhì)量為m(kg)，若忽略電能和化學(xué)能等不計(jì)，則輸入和輸出系統(tǒng)的能量有： (1)內(nèi)能：流體（分子）內(nèi)部能量的總和，EmU (J) 。 (2)位能：是流體受重力作用，在不同高度具有不同的位能。質(zhì)量為m流體由基準(zhǔn)水平面升舉到高度z所作的功，mgz(J)。 (3)動(dòng)能：是流體由于運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的能量。將質(zhì)量為m流體加速至u所作的功，mu2/2 (J)。1.3.4 柏努利(Bernoulli)方程式(4)靜壓能（壓力能）：流體經(jīng)控制面進(jìn)入或流出系統(tǒng)時(shí)，必須克服靜壓強(qiáng)作功：FL（pA)V/A=pV=mp，流體帶有與此相當(dāng)?shù)哪芰浚琺p或mp/(J)。(5)外功：外界通過設(shè)備對(duì)系統(tǒng)作的功，是功的輸入（正）。

22、相反，為功的輸出（負(fù)），Wm We(J)。(6)熱量：系統(tǒng)通過換熱器對(duì)外界進(jìn)行的熱交換。對(duì)系統(tǒng)加熱為正，系統(tǒng)對(duì)外界加熱為負(fù)，Q m Qe (J)。 根據(jù)能量守恒定律，系統(tǒng)輸入總能量等于輸出總能量，得：穩(wěn)定流動(dòng)總能量衡算式內(nèi)能 靜壓能 位能 動(dòng)能 熱量 外功mU1+ mp11+ mgz1 + mu12/2 + Q + W = mU2 +mp2 2+ mgz2 + mu22/2 (J)U1+p11+gz1+u12/2+Qe+We= U2+p2 2+gz2+u22/2 (J/kg)h1+gz1+u12/2+Qe+We = h2+gz2+ u22/2 (J/kg)單位質(zhì)量流體的焓（復(fù)合狀態(tài)參數(shù)，在定壓

23、過程中焓的增加值等于所吸收的熱量）Qe+We = h + gz+u2/2 (J/kg)上式說明：外界加給系統(tǒng)的熱量和功量，全部用于增加流體的焓、位能和動(dòng)能。h1+gz1+u12/2+ Qe+We = h2+gz2+ u22/2 (J/kg)穩(wěn)定流動(dòng)總能量方程式應(yīng)用Qe+We = h + gz+u2/2(1)通過換熱器的流動(dòng)：外界對(duì)體系的機(jī)械功We =0，流體從進(jìn)口至出口的位能和動(dòng)能的變化可以忽略， Qe = h 表示此時(shí)加熱量等于流體焓值增加（冷卻放熱量為）( 2 )通過噴嘴的流動(dòng)：無熱功交換Qe =0， We =0；無位能變化， h + u2/2=0表明流體流過收縮噴嘴后獲得的動(dòng)能等于流體焓

24、值的減少。(3)通過節(jié)流閥的流動(dòng)：無熱功交換Qe =0， We =0；無位能和動(dòng)能的變化， h =0 可見通過節(jié)流前后，流體焓值沒有變化。 (4)流過壓縮機(jī)：設(shè)此時(shí)對(duì)外無熱交換， Qe = 0，且位能和動(dòng)能的變化可以忽略，則方程式簡(jiǎn)化為： We = h Qe+We= h + gz+u2/2說明壓縮機(jī)所耗的功，等于壓縮前后氣體焓值的增量2.柏努利(Bernoulli)方程式1) 理想流體柏努利方程式 穩(wěn)定流動(dòng)總能量方程式是解決工程問題的基礎(chǔ)，可以解決廣泛的工程問題。 為使解決問題簡(jiǎn)化：將氣體視為不可壓縮流體（壓強(qiáng)變化范圍不大）； 設(shè)想流體為無粘性，無摩擦損失的理想流體 實(shí)際流體 抽象和假設(shè) 不可

25、壓縮理想流體（ 1= 2= ； 1= 2= ；U1=U2 ）(J/kg)不可壓縮理想流體 （ 1= 2= ；1= 2= ；U1=U2 ）若是單純的流動(dòng)問題，無熱功交換:We=0；Qe=0U1+p11+gz1+u12/2+Qe+We=U2+p22+gz2+u22/2 (J/kg)不可壓縮理想流體穩(wěn)定流動(dòng)總能量方程式：柏努利方程式-流體機(jī)械能（位能，壓力能，動(dòng)能）衡算式機(jī)械能轉(zhuǎn)換與總機(jī)械能保持不變(J/kg)(J/kg)每1kg質(zhì)量流體能量(m)每1kg.m/s2重量流體能量(N/m2)每1m3體積流體的能量2)實(shí)際流體柏努利方程式實(shí)際流體：有粘性，流體流動(dòng)過程發(fā)生摩擦，消耗機(jī)械能。減少的機(jī)械能轉(zhuǎn)

26、化為熱力學(xué)能，總能量守恒。通常把方程式中的(U2U1)稱為機(jī)械能損失或摩擦損失（hf），并將方程式寫成：穩(wěn)定流動(dòng)總能量方程式不可壓縮實(shí)際流體穩(wěn)定流動(dòng)的能量衡算：輸送系統(tǒng)有泵對(duì)外無熱交換(Qe0)(J/kg)(J/kg)不可壓縮實(shí)際流體柏努利方程式有效功率(Ne)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)輸送設(shè)備所作的有效功(J/kg)(N/m2)3. 柏努利方程式的討論1）不可壓縮理想流體穩(wěn)定流動(dòng)的不同形式機(jī)械能互相轉(zhuǎn)化和總機(jī)械能守恒。2）不穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)的任一瞬間，柏努利方程式成立。3）可壓縮流體：若兩截面間的壓強(qiáng)變化小于原來的20% (p1 p2)/ p1 20 %，可用柏努利方程式。 m= (1+ 2)/24）當(dāng)流體靜

27、止時(shí)：u=0，流體靜力學(xué)基本方程：=常數(shù) (J/kg)例1-6 如附圖所示的開口水箱，其下部一方裝有泄水龍頭，設(shè)水箱上方有維持水位恒定的裝置，液面與泄水出口的高差 z10m。試求龍頭開啟后，水流達(dá)穩(wěn)定時(shí)水的流量。已知管內(nèi)徑為12mm。（不計(jì)流動(dòng)阻力） 解 取水箱底面為基準(zhǔn)面，液面為1-1截面，龍頭出口為2-2截面，1-1截面（大截面)面積遠(yuǎn)大于2-2截面，其速度相對(duì)甚小可以忽略不計(jì)，即：u1u2 ，u12/20；p1=p2= pa ；在1-1和2-2截面間列柏努利方程式1.3.5 柏努利方程式的應(yīng)用1. 應(yīng)用柏努利方程式解題步驟及要點(diǎn)1）作圖：根據(jù)題意畫出流動(dòng)系統(tǒng)示意圖。2）基準(zhǔn)面選?。阂话闳?/p>

28、最低面，與地面平行。3）截面選?。捍怪庇诹鲃?dòng)方向；截面間流體連續(xù)；未知量最少；“大截面”容器和小管子。4）在兩截面間列柏努利方程式。5）方程式中各物理量的單位須一致，壓強(qiáng)的表示方法一致。例 水從高位槽通過虹吸管流出，其中：h=8m，H=6m，設(shè)槽中水面保持不變，不計(jì)流動(dòng)阻力損失，試求管出口處水的流速及虹吸管最高處的壓強(qiáng)。 解 取管口為基準(zhǔn)面，水面為1-1截面（大截面） ，管口為2-2截面，管最高處為3-3截面，即有： u1u2，u12/20；p1= p2= pa；z1=H=6m, z2=0 , z3=h=8m 1）在1-1和2-2截面間列柏努利方程式：2）在2-2和3-3截面間列柏努利方程式（

29、 u2=u3）： 例1-7 牛奶用泵由真空鍋被抽送，經(jīng)冷卻器至位于9m高度的牛奶貯罐中。各段輸送管路的長(zhǎng)度如圖。真空鍋內(nèi)的真空度87800Pa(660mmHg)，貯罐開口通大氣。牛奶輸送量為4.35t/h。整個(gè)管路包括冷卻器在內(nèi)的摩擦損失為50J/kg。試近似估計(jì)所需泵的能量。估算時(shí)將牛奶相對(duì)密度視為1。解 作圖，取泵中心為基準(zhǔn)面，鍋內(nèi)液面為1-1截面（大截面) ，管出口為2-2截面：u1u2，u12/20；p2= paz1=1.5m，z2=9m，hf= 50J/kgd2=3222=28mm在1-1和2-2截面間列柏努利方程式：真空度表壓強(qiáng)， p1= 87800Pa （表壓強(qiáng)） ； p2= 0

30、（表壓強(qiáng)） 例 用泵將貯液池中常溫下的水送至吸收塔頂部，貯液池水面維持恒定，各部分的相對(duì)位置如圖所示。輸水管的直徑為763mm，排水管出口噴頭連接處的壓強(qiáng)6.15104Pa(表壓)，送水量為34.5m3/h，水流經(jīng)全部管道的能量損失為160J/kg，試求泵的有效功率。 解 作圖，取貯液池水面為為基準(zhǔn)面，同為1-1截面（大截面) ，管出口為2-2截面：u14000，在虛線以下，與Re和/d都有關(guān)。隨/d增加而增加，隨Re增大而逐漸緩和下降。Re較小，/d影響較小，Re較大，/d影響較大。完全湍流區(qū)：在虛線以上，與Re無關(guān)，hf與u2成正比（阻力平方區(qū)）。層流區(qū)： Re2000，=64/Re，與管

31、壁粗糙度無關(guān)。過渡區(qū)： Re=20004000 不穩(wěn)定，可按層流或湍流，工程按湍流延伸查取。例1-8相對(duì)密度1.03，粘度150mPa.s的番茄汁流過長(zhǎng)10m的鋼管（76mm3.5mm)，流速為1.5m/ s，計(jì)算沿程損失。解 d=7623.5=69mm=0.069m u=1.5m/s =1030kg/m3 =15010-3=0.15Pa.s流動(dòng)為層流，由摩擦系數(shù)圖或計(jì)算得： =0.09，計(jì)算沿程損失：例1-8-1已知：Re=7000，/d=0.003 ，求摩擦系數(shù)。=0.0385. 非圓形管內(nèi)的流體阻力 在工程實(shí)際上有許多非圓形管道或設(shè)備，雖然流道截面形狀對(duì)流速分布及流動(dòng)阻力都有影響，但實(shí)驗(yàn)

32、證明：在湍流情況下，非圓管用當(dāng)量直徑de代替直徑d應(yīng)用圓管阻力公式的誤差不大。1.5.2 管路上的局部阻力 流體流過管路的入口、出口、彎頭、閥門、突擴(kuò)、突縮等局部位置時(shí)，其流速和流向發(fā)生變化，渦流現(xiàn)象加劇，消耗大量能量。由于流體流過這些局部多數(shù)是湍流，所以主要討論湍流流動(dòng)時(shí)的局部阻力，其計(jì)算方法有：當(dāng)量長(zhǎng)度法和阻力系數(shù)法。1. 當(dāng)量長(zhǎng)度法 將流體流過局部位置所產(chǎn)生的局部阻力折合成相當(dāng)于某個(gè)長(zhǎng)度（當(dāng)量長(zhǎng)度 Le ）上的圓直管的阻力。 局部阻力： Le ：從手冊(cè)查取(J/kg)2. 阻力系數(shù)法 將流體流過局部位置所產(chǎn)生的局部阻力表示為流體動(dòng)能u2/2的某個(gè)倍數(shù) （局部阻力系數(shù)）。 值由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，可

33、從手冊(cè)中查得。(J/kg) 例1-9 將5的鮮牛奶以5000kg/h的流量從貯奶罐輸送至殺菌器進(jìn)行殺菌。這條管路系統(tǒng)所用的管子外徑為38mm、內(nèi)徑35mm的無縫鋼管，管子長(zhǎng)度12m，中間有一只搖板式單向閥，3只90彎頭，試計(jì)算管路進(jìn)口至出口的摩擦阻力。已知鮮奶5時(shí)的粘度為3mPas，密度為1040kg/m3。 解 (1)算流速：(2)算Re：(5)求摩擦損失：(4)局部阻力系數(shù)： 1只搖板式單向閥 2.0 3只90彎頭 31.1 管子入口 0.5 管子出口 1.0 =6.8(3)查摩擦系數(shù)：由表1-2查得管子0.25；/d=0.00025/0.035=0.00715； =0.0381.6 管路

34、計(jì)算(1) 管路計(jì)算的基本方法 綜合應(yīng)用連續(xù)性方程，柏努利方程式和阻力損失計(jì)算式。(2) 管路的情況1. 簡(jiǎn)單管路hf總hf,i ws,1=ws,2=ws,3 當(dāng)const 則 Vs,1=Vs,2=Vs,32. 復(fù)雜管路1) 并聯(lián)管路hf,1=hf,2=hf,3 ws,總ws,i 當(dāng)const 則Vs,總Vs,i 各支管的流量:CAB2) 分支管路EA+hf,A= EB+hf,BVs VsA + VsB(3)管路計(jì)算的類型1)已知流量Vs、管道尺寸L、d,管件，計(jì)算管路系統(tǒng)的能量損失，以及所需輸送設(shè)備的功率等；(直接計(jì)算）2)給定流量、管長(zhǎng)、所需管件和允許的能量損失，計(jì)算管路直徑；(用試差法計(jì)

35、算）3)已知管道尺寸、管件和允許的能量損失，求管道中流體的流速和流量。(用試差法計(jì)算）(4) 管徑的選擇 食品工業(yè)和化工生產(chǎn)經(jīng)常需要安裝許多管路，其費(fèi)用占整個(gè)設(shè)備費(fèi)和生產(chǎn)費(fèi)的很大比例，如何選用管子是一個(gè)重要的問題。選擇管子，除按工藝要求并從經(jīng)濟(jì)角度來考慮管路布置和管子的材質(zhì)以外，主要是如何選用合適的管徑，后者仍然是經(jīng)濟(jì)衡算問題。 生產(chǎn)費(fèi)用主要是每年消耗在克服管路阻力的能量費(fèi)用。在一定流量下，不同管徑必然得出不同的流速，不同的雷諾數(shù)，從而得出不同的能量損失hf。 用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和綜合經(jīng)濟(jì)效果及其他因素得到的管內(nèi)流動(dòng)的常用流速范圍作為選用管徑的根據(jù)，可以使問題簡(jiǎn)化。 例1-10 15、20砂糖液用泵將

36、其長(zhǎng)距離輸送至位于高5m的某處，估計(jì)管路長(zhǎng)度為150m，要求輸送量為60t/h，試求所需泵的能量。解 考慮到管路甚長(zhǎng)，動(dòng)能及局部損失可忽略不計(jì)；又因常壓下輸送；p1p2，故計(jì)算式可簡(jiǎn)化為： 上式中已知L150m，而d、u、待定，且互相依賴。故問題歸結(jié)為選擇管徑和管子。 由表1-1查得：15、20%砂糖液的密度為l080kg/m3，由圖l-2查得其粘度為2.2mPas，與水相仿。查閱常用流速范圍表，在工業(yè)供水1.53.5m/s的流速范圍內(nèi)取u2m/s。按所給的流量計(jì)算管徑：從管子規(guī)格表選無縫鋼管108mm4mm，再計(jì)算：計(jì)算Re：查摩擦系數(shù)：由表1-2查得管子0.25mm；/d=0.00025/0.1=0.0025； =0.026 計(jì)算需要泵提供的能量：泵的有效功率為：例題（試差法）例從水塔引水至車間，管路為1144mm的無縫鋼管，管路的計(jì)算長(zhǎng)度150m(包括直管長(zhǎng)度及局部阻力的當(dāng)量長(zhǎng)度)。水塔內(nèi)液面維持恒定，并高于排水管口12m，水塔液面及管子出口均通大氣。試求水溫為20時(shí)此管路的輸水量。解：取水塔液面為1-1截面（大截面) ，排水管出口為2-2截面： u1 U形管壓差計(jì)反映的是測(cè)量點(diǎn)（A點(diǎn)和B點(diǎn)）的沖壓能與