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1、流体流动安全技术分析 一、流量方程式流体流动的规律是通过一些参数描述的，流量与流速就是最基本的参数，而珂者间的关系就是流量方程式。二、 流量流体在流动时，每单位时间内通过管道任一截面的流体量，称为流体的流量。如果流体量用流体的质量来度量，则称为质量流量，用Qm表示，单位是kgs或kgh；如果流体量用流体的体积来度量，则称为体积流量，用Qv表示，单位是m3s或m3h。两者的关系qmPqv 式中相同条件下流体的密度，kgm3。需要注意的是，由于在不同的状态(T、P)下，相同质量气体的体积是不同的，因此，在用体积流量来表示气体的流量时，必须注明气体的状态。三、流速单位时间内，流体在流动方向上经过的距
2、离叫流体的流速。由于流体具有黏性，流体管内流动时，同一流通截面上各点的流速是不同的，越靠近管壁，流速越小，中心的流速最大。在流体输送中所说的流速，通常指整个流通截面上流速的平均值，用u表示，单位是ms。平均流速可以用下式计算：uQvA (512)式中 A垂直于流向的管道截面积，称为流通截面积，m2。对于圆形管路，A就是截面圆的面积，即：式中 d-管道的内径，m。由于气体的体积是随着状态的变化而变化的，工业生产中也有用质量流速来表示气体的流速的。在化工生产中，流体流速不仅关系着流体流动的动量、扬程等与安全有关的问题，而且关系着流体静电的产生和静电火花问题。四、 流量方程式描述流体流量、流速和流通
3、截面积三者之间的关系式称为流量方程式，主要有方程(512)。它告诉我们，在流量一定的情况下，流通截面积越小，流速越大。在工程上，流量方程式主要用来指导选择管子规格和确定塔设备的直径。将方程式(513)代入式(512)得通常，流量是由输送任务决定的，因此，管子的规格取决于流速的大小。由式可以看出，流速越大，管径越小，管路投入(设备费用)越小，但同时，流速越大，流体输送的动力消耗(操作费用)也越大(流体阻力)；反之，结果相反。通常，水及低黏度液体的适宜流速为153Oms，常压气体的适宜流速为1020ms，饱和蒸汽的适宜流速为2040ms等。确定流速时还应考虑流体流动过程中的静电积累问题保持在安全流
4、速范围。例55 需要将密度为960kgm3的料液送人某精馏塔精馏分离。已知进料量是10000kgh，进料速度是142ms。问进料管的直径应该是多少?解 进料管的直径为五、 稳定流动与不稳定流动根据流体流动过程中流动参数的变化情况，可以将流体的流动分为稳定流动与不稳定流动。如图54(a)所示，由于进入恒位槽的流体的流量大于流出的流体的流量，多余的流体就会从溢流管流出，从而保证了恒位槽内液位的恒定。在液体流动过程中，流体的压力、流量、流速等流动参数只与位置有关，而不随时间的延续而变化，像这种流动参数只与空间位置有关而与时间无关的流动，叫稳定流动。图54(b)由于没有流体的补充，贮槽内的液位将随着流
5、动的进行而不断下降，从而导致流体的压力、流量、流速等流动参数不仅与位置有关，而且与时间有关，像这种流动参数既与空间位置有关又与时间有关的流动，叫不稳定流动。化工生产中的连续操作过程，多属于稳定流动，连续操作的开车、停车过程及间歇操作过程属于不稳定流动。六、 稳定流动系统的物料衡算连续性方程当流体在密闭管路中稳定流动时，如果流通截面积发生了变化，则流体的流速也将发生变化。但是，在单位时间内，通过任一截面的流体质量均相等，这是由质量守恒定律决定的，见图5-5。即式(515)和式(516)都是对输送过程物料衡算的结果，称为连续性方程，是研究分析流体流动的重要方程之一。它反映了不同截面间的流量、流速及
6、流通截面积之间的关系，规律与管路的布置形式及管路上是否有管件、阀门或输送设备无关。此式表明，在稳定流动系统中，流通截面积最小的地方，液体的流速最快。例56) 某流体从内径lOOmm的钢管流人内径80mm的钢管，流量为60m3h，试求在稳定流动条件下，两管内的流速。解 大管内的流速从本例可以看出，在稳定流动系统中，流体的流速与管径的平方成反比。七、 稳定流动系统的能量衡算柏努利方程(一) 流动流体所具有的能量能量是物质运动的量度，当物质的各种流动形式发生变化时，与之对应的能量形式也将发生变化。许多流体流动过程中出现事故都与能量的积聚和传递相关。流体流动时主要有3种能量可能发生变化。(1)位能 是
7、流体质量中心处在一定的空间位置而具有的能量。位能是相对值，与所选定的基准水平面有关，其值等于把流体从基准水平面提升到当前位置所做的功。质量为m(kg)，距基准水平面的垂直距离为Z(m)的流体的位能是mZ(J)。(2)动能 是流体具有一定的运动速度而具有的能量。质量为n2(kg)，流速为u(ms)的流体所具有的动能为12muz(J)。(3)静压能 静压力不仅存在于静止流体中，而且也存在于流动流体中，流体因为具有一定的静压力而具有的能量称为流体的静压能。这种能量的宏观表现可以通过图56示意。流体从某管路中流过，如果在管路侧壁上开一小孔并装上一竖直玻璃管，能够发现流体沿小管上升一定高度并停止。静压能
8、就是这种推动流体上升的能量，经推导知，质量为m(kg)，在压力为户(Pa)的流体的静压能为， mP(J)。位能、动能、静压能都是机械能，在流体流动时，三种能量可以相互转换。八、 稳定流动系统的能量衡算流体在图57所示的系统中稳定流动，由于截面11与截面22处境不同，因此这两个截面上的流体的能量是不一样的。但根据能量守恒定律，稳定流动系统中的能量是守恒的，即进人流动系统的能量离开流动系统的能量+系统内的能量积累对于稳定流动，系统内的能量积累为零。在图57中，流体从11截面经泵输送到22截面，设流体中心距基准水平面的距离分别为Z1、Z2，两截面处的流速、压强分别为u1、p1和U2、p2：，流体在两
9、截面处的密度均为，1kg流体从泵获得的外加功为W，1kg流体从截面11流到截面22的全部能量损失为E1，则按照能量守恒定律得到式中 W1kg流体在11截面与22截面间获得的外加功，Jkg；Ef1kg流体从11截面流到22截面的能量损失，Jkg；其他符号的意义及单位与前面相同。在工程上，常常以1N流体为基准，计量流体的各种能量，并把相应的能量称为压头，单位为m，即1N流体的位能、动能、静压能分别称为位压头、动压头、静压头，1N流体获得的外加功叫外加压头，1N流体的能量损失叫损失压头等。用压头表示的能量守恒定律式中 H 1N流体在11截面与22截面间获得的外加功，m；Hf 1N流体从11截面流到2
10、2截面的能量损失，m；其他符号的意义及单位与前面相同。式(517)和式(518)是实际流体的机械能衡算式，习惯上称为柏努利方程，它反映了流体流动过程中，各种能量的转化与守恒规律，这一规律在流体输送中具有重要意义。理想流体(没有黏性，流动时没有内摩擦力)流动时没有能量损失，在没有外加功时，式(518)可写为式(518a)、式(518b)称为理想流体的柏努利方程。九、 柏努利方程的分析与应用(1)能量守恒与转化规律 柏努利方程提示了流体流动过程中，各种能量形式可以相互转化，但总能量是守恒的。为了分析方便，以理想流体的柏努利方程式来分析能量的变化规律。设Z1Z2，则可以看出，动能与静压能是可以相互转
11、化的。由此可以推出，在流动最快的地方，压力最小。在工程上，利用这一规律，制造设计了流体动力式真空泵，也正是这一规律，使飞机上了天，制造了球类比赛中的旋转球。想一想，为什么高速航行的两艘船不能靠得太近，为什么人不能离运行的火车太近等。必须指出，实际流体流动时，由于流体阻力的存在，不同能量形式的转化是不完全的，其差额就是能量损失。例5-7) 密度为900kgm3的某流体从图58管路中流过。已知大、小管的内径分别为106mm和68mm；11截面处流体的流速为lms，压力为1.2atm。求解截面22处流体的压力。解 在截面11与截面22间的列柏努利方程，可得(2)流体自然流动的方向 在式(517)中，
12、如果外加功为零，即流体的流动为自然流动，由于流体阻力始终大于零，则流体在11截面所具有的能量必然会大于流体在22截面所具有的能量。所以，流体自然流动只能从高能位向低能位进行。在化工生产中，经常需要将流体从低能位输送到高能位的地方。为了完成任务，人们必须采取措施，以保证上游截面处流体的能量能大于下游截面处流体的能量。从柏努利方程可以看出，这些措施包括增加上游截面的能量、减少下游截面的能量、在上下游加压(酸贮槽)，在下游抽真空(真空抽料)和使用流体输送机械等。如图59所示，拟用高位水槽输送水至某一地点，已知输送任务为25Ls，水管规格为114X 4mm，若水槽及水管出口均为常压，流体的全部阻力损失
13、为62Jkg，问高位水槽液面至少要比水管出口高多少米?解 在高位水槽液面11和水管出口截面22之间列柏努利方程，得即高位水槽的液面至少要比水管出口截面高68m，才能保证完成输送任务。可以看出，通过设置高位槽，可以提高上游截面的能量，从而可以保证流体按规定的方向和流量流动。(例59) 如图510所示，用酸贮槽输送293K，98的硫酸至酸高位槽，要求的输送量是l 8m3L。已知管子的规格为38X3mm，管子出口比酸贮槽内液面高15m，全部流体阻力为10Jkg。求开始时压缩空气的表压力。又查，273K下，98的硫酸的密度=1836k8m3，代人上式得开始时压缩空气的压力P1=289X10(5)Pa(
14、表压)。可以看出，通过加压来提高上游截面的静压能，可以保证流体按规定的方向和流量流动。如图511所示，用泵将水从水槽送入二氧化碳水洗塔。已知，贮槽水面的压力300kPa，塔内压力为2100kPa，塔内水管与喷头连接处的压力为2250kPa；钢管规格为57X25mm；塔内水管与喷头连接处比贮槽水面高20m；送水量为15m3h；流体从贮槽水面流到喷头的全部流体阻力损失为49Jkg；水的密度取1000kgm3。试求水泵的有效功率。解 在水槽液面11与塔内水管与喷头连 接处2-2之间应用柏努利方程，并以11截面为基准水平面，得将数据代人柏努利方程式，得W2797Jkg水泵的有效功率为 N，Wqvp2797X15XlOOO360011654W11654kW(3)静止流体的衡算式 如果流体是静止的，则ulu20，W0，Ef=0，因此方程(517)变为这说明，在静止流体内部，任一截面上的位能与静压能之和均相等，这就是柏努利方程在静止流体中的表现形式，在化工生产中具有广泛的应用。(4)适应场合 柏努利方程除适合于连续稳定流动的液体外，也适合于压力变化不大(P2一P1/P120)的气体，但对于气体，密度应取两截面密度的平均值；此外，对于不稳定流动的任一瞬间，柏努利方程也是适应的。