浙大化工原理第三章-流体输送与流体输送机械-2012.

第三章流体输送与流体输送机械化工生产系统中流体输送的主要任务：满足对工艺流体的流量和压强的要求。概述流体输送系统包括：流体输送管路、流体输送机械、流动参数测控装置。流体流动与输送有其共同的规律。各种流体输送机械也有共通的原理，所以有通用机械之称。流体输送计算以描述流体流动基本规律的传递理论为基础。3.1管路阻力损失直管阻力损失：流经等径的机械能损失。局部阻力损失：流经管件、阀件的机械能损失。计算公式22udlhf3.1.1直管阻力损失Re641层流：Redf,2湍流：引起阻力损失的外部条件主要由实验研究采用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,mm管道类别,mm金属管无缝黄铜管、铜管及铅管0.01~0.05非金属管干净玻璃管0.0015~0.01新的无缝钢管或镀锌铁管0.1~0.2橡皮软管0.01~0.03新的铸铁管0.3木管道0.25~1.25具有轻度腐蚀的无缝钢管0.2~0.3陶土排水管0.45~6.0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0.03~0.8工业管道的当量粗糙度（roughness）3.1.1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de来代替圆管直径d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。流体浸润周边流通截面积4debaabbaabde224ddπdd4dd4d12122122eabr2r1非圆形截面管道的当量直径当量直径定义：矩形管套管环隙3.1.1直管阻力损失注意：当量直径de仅用于阻力损失和雷诺数的计算式中，即2ulh2fededuRe式中的速度u要用实际的平均速度，42edVu3.1.1直管阻力损失流动方向AA流动方向AA局部阻力损失主要是由于流道的急剧变化使流动边界层分离，所产生的大量漩涡消耗了机械能。3.1.2局部阻力损失计算式局部阻力系数法：22fuh22efluhd当量长度法：——局部阻力系数（由实验测定，表3.4）le——当量长度（由实验测定，图3.4）3.1.2局部阻力损失u取小截面上的流速!100mm的闸阀1/2关le=22m100mm的标准三通le=2.2m100mm的闸阀全开le=0.75m3.1.2局部阻力损失3.2流体输送管路计算的基本方程不可压缩流体在管路中稳定流动udqV24fehgzpuhgzpu2222112122连续性方程柏努利方程2222uudlhfdfRe,3.2.1管路计算基本方程fehuhu22212122PP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。J/s（W）meeqhNmeeqhNNfh包括所选截面间全部管路阻力损失！he若输送流体的质量流量为qm（kg/s），则输送流体所需供给的功率为：如果流体输送机械的效率为，则实际消耗功率为：注意单位！3.2.1管路计算的基本方程——流体输送机械的有效功率——流体输送机械的轴功率3.1.1管路计算的基本方程应用柏努利方程时的注意事项截面的选取截面要与流体流动方向垂直（更严格地说应与流线垂直），截面上各点的总势能P相等。因此截面应选在均匀管段且与管轴线垂直。所选的截面应尽可能是已知条件最多的截面，而待求的参数应在两截面上或在两截面之间。“1”截面在上游，“2”截面在下游。基准水平面的选取取基准面通过一个截面的中心，可使方程简化。各项单位的须一致（如J/kg或Pa）。柏努利方程是对稳定流动而言，在非稳定流动情况下则是针对某一瞬时而言。3.2.2管路计算的类型给定：l、、、qV，P2，P1（或he）选择：u求：d、he（或P1）设计型物性参数：、已知设备参数：l、d、、操作参数：qV、u、P1、P2、he中间变量：（Re，/d）9个变量，给定7个，可求其余2个。根究计算目的不同，管路计算可分为设计型计算和操作型计算。某些流体在管道中常用流速范围费用u设备费总费用操作费uopt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1~3压力较高的气体15~25粘度较大的液体0.5~1饱和水蒸气：低压气体8~158大气压以下40~60易燃、易爆的低压气体（如乙炔等）83大气压以下过热水蒸气20~4030~503.2.2管路计算的类型qV一定，d∝1/u1/2（u=4qV/d2）。u↓，d↑，设备费用↑；u↑，d↓，操作费用↑；但u过小时，维修费↑。给定：d、l、、，P1、P2、he（或qV）求：qV（或P1、he）由于柏努利方程中的流动阻力损失Σhf与流速的关系为非线性，故管路的操作型计算一般需要进行试差。若已知阻力损失服从平方或一次方定律时，可将关系式直接代入柏努利方程计算流速，不需进行试差。d,ud非线性函数操作型3.2.2管路计算的类型3.3流体输送管路计算3.3.1简单管路简单管路即无分支的管路，既可以是等径、也可以由不同管径或截面形状的管道串联组成。无论实际管路有多复杂，总是可以分解为简单管路、并联管路与分支管路三种基本类型的组合。(1)通过各段管路的质量流量相等对于不可压缩流体，体积流量也相等(2)全管路的流动阻力损失为各段直管阻力损失及所有局部阻力之和注意：一般情况下，各段的d、l、u、不同。简单管路的基本特点u1u2u33.3.1简单管路ffffhhhh21常数mmmmqqqq321常数VVVVqqqq321【例3-1】容器B内保持一定真空度，使溶液从敞口容器A经导管流入容器B中。导管内径30mm，容器A的液面距导管出口的高度为1.5m，管路阻力损失可按∑hf=5.5u2计算（不包括导管出口的局部阻力），溶液密度为1100kg/m3。解：取容器A的液面1-1截面为基准面，导液管出口为2-2截面，在该两截面间列柏努利方程，有fhugzpugzp2222222111BA11221.5m抽真空app真计算送液量为每小时3m3时，容器B内应保持的真空度。auugzpP1054.2110018.10.681.95.15.524222222真m5.122zpppa真00111uzppa2225.55.5uuhfsm18.103.0785.0360034222dVuBA11221.5m抽真空app真【例3-1】【例3-2】水由位于水箱底部、孔径d为30mm的泄水孔排出。若水箱内水面上方保持20mmHg真空度，水箱直径D为1.0m，盛水深度1.5m，试求（1）能自动排出的水量及排水所需时间；解：（1）设t时刻水箱内水深度为H，孔口水流速度为u0，以孔口面为基准面，在水面与孔口截面间列柏努利方程，有HD1.5mdp真0.5m220upgHppaa真gHpu真2012【例3-2】设dt时间内液面下降高度为dH，由物料衡算得m27.081.91000103.101760/203gpH真s556005.1203.081.90.1222dd2227.05.12227.05.1220gHpgdDgHpHdDttt真真u0=0时，不再有水流出，此时HD1.5mdp真0.5mgHp真322m966.027.05.10.1785.05.14HDVHDtdud4d4220【例3-2】t时刻，以导管出口为基准面，在水箱液面与导管出口间列柏努利方程，可以导出5.020Hgpu真当水箱内的水排空，即H=0时，由上式算得导管内流速u0=1.50m/s，所以水箱内的水能全部排出。所需时间为HD1.5mdp真0.5m（2）如在泄水孔处安装一内径与孔径相同的0.5m长的导水管（虚线所示），水箱能否自动排空及排水所需时间（流动阻力可忽略不计。）12【例3-2】05.12222s42024.295.1603.081.90.125.02dHgpHdDt真问题：管内流速u0与D，d有关吗？若有，会在式中哪一项出现？【例3-3】溶剂由容器A流入B。容器A液面恒定，两容器液面上方压力相等。溶剂由A底部倒U型管排出，其顶部与均压管相通。容器A液面距排液管下端6.0m，排液管为60×3.5mm钢管，由容器A至倒U型管中心处，水平管段总长3.5m，有球阀1个(全开)，90°标准弯头3个。试求：要达到12m3/h的流量，倒U型管最高点距容器A内液面的高差H。（=900kg/m3，=0.6×10-3Pa·s）。21236001.51ms0.7850.053u530.0531.51900Re1.20100.610du解：溶剂在管中的流速AB3.5mH11溢流6m均压管22AB3.5mH11溢流6m均压管22【例3-3】30.30.3mm5.661053d则查图得摩擦系数0.0326.4入管口突然缩小90°的标准弯头球心阀（全开）以容器A液面为1-1截面，倒U型管最高点处为2-2截面，并以该截面处管中心线所在平面为基准面，列柏努利方程有2212122fhuHzzgg75.05.0【例3-3】2123.56.02fHuhd229.59.5110.0320.50.7536.40.0531.73m229.810.0321.510.053dHgud2uu112m25m0.2MPaA332【例3-4】用水泵向压力为0.2MPa的高位密闭水箱供水，流量为150m3/h，泵轴中心线距水池和水箱液面的垂直距离分别为2.0m和25m。泵吸入管与排出管内径分别为205mm和180mm。吸入管管长10m，管路上装有一个吸水底阀和一个90°标准弯头；排出管管长200m，其间有全开的闸阀1个和90°标准弯头1个。试求泵吸入口处A点的真空表读数和泵的轴功率（设泵的效率为65%）。【例3-4】112m25m0.2MPaA33222AB0.2051.261.63ms0.180BAduud5AAA30.2051.2610002.58101.010duRe5BBB30.181.6310002.93101.010duRe2215036001.26ms0.7850.2054AAVud解：取水的密度为1000kg/m3，粘度为1.0×10-3Pa﹒s，设泵的吸入和排出管路水的流速分别为uA和uB，则【例3-4】取管壁绝对粗糙度0.3mm，则33AB0.30.31.46101.6710205180ddAB0.0220.0215.275.0查图得摩擦系数水泵吸水底阀90°的标准弯头112m25m0.2MPaA332取水池液面1-1截面为基准面，泵吸入点处A为2-2截面，列柏努利方程，有22122122fppughz12aappppp真【例3-4】2AuuJ/kg57.5226.175.02.5205.010022.022221AAAAfudlhPa1060.202.712100026.181.910002214222Audlgzp真112m25m0.2MPaA332【例3-4】又取水箱液面为3-3截面，在1-1与3-3截面间列柏努利方程