華東理工化工原理第01章

1、緒緒 論論 自然科學(xué)自然科學(xué)工程科學(xué)工程科學(xué)一、本課程的產(chǎn)生和發(fā)展一、本課程的產(chǎn)生和發(fā)展 最早對(duì)象：化學(xué)工藝學(xué)最早對(duì)象：化學(xué)工藝學(xué) 如聚氯乙烯生產(chǎn)：如聚氯乙烯生產(chǎn)：溫度溫度,壓力壓力,催化劑催化劑 2020世紀(jì)初世紀(jì)初(1900)(1900)：各行各業(yè)互不相關(guān)：各行各業(yè)互不相關(guān)二十年代提出二十年代提出單元操作單元操作第一次抽象第一次抽象主要有：主要有：流體輸送流體輸送, ,攪拌攪拌, ,過(guò)濾過(guò)濾, ,沉降沉降, ,流態(tài)化流態(tài)化 動(dòng)量傳遞動(dòng)量傳遞換熱，蒸發(fā)換熱，蒸發(fā) 熱量傳遞熱量傳遞吸收，精餾，萃取，干燥吸收，精餾，萃取，干燥結(jié)晶，吸附，膜分離結(jié)晶，吸附，膜分離 質(zhì)量傳遞質(zhì)量傳遞第二次抽象第二次

2、抽象 傳遞過(guò)程傳遞過(guò)程二、本課程的主要內(nèi)容和任務(wù)二、本課程的主要內(nèi)容和任務(wù) 內(nèi)容：化工單元操作內(nèi)容：化工單元操作( (以傳遞過(guò)程為主線以傳遞過(guò)程為主線) ) 任務(wù)：認(rèn)識(shí)過(guò)程和設(shè)備的規(guī)律。任務(wù)：認(rèn)識(shí)過(guò)程和設(shè)備的規(guī)律。 應(yīng)用于化工設(shè)計(jì)應(yīng)用于化工設(shè)計(jì), ,生產(chǎn)調(diào)節(jié)生產(chǎn)調(diào)節(jié), ,優(yōu)化操作。優(yōu)化操作。 1 1選擇選擇合理的過(guò)程合理的過(guò)程, ,設(shè)備。設(shè)備。 2 2強(qiáng)化強(qiáng)化化工過(guò)程化工過(guò)程, ,設(shè)備。設(shè)備。 3 3將實(shí)驗(yàn)室成果將實(shí)驗(yàn)室成果放大放大到工業(yè)規(guī)模。到工業(yè)規(guī)模。 4 4發(fā)展發(fā)展新技術(shù)新技術(shù), ,新設(shè)備。新設(shè)備。三、基本的研究方法三、基本的研究方法1 1數(shù)學(xué)分析法數(shù)學(xué)分析法2. 2. 量綱分析實(shí)驗(yàn)研究

3、法量綱分析實(shí)驗(yàn)研究法3. 3. 數(shù)學(xué)模型法數(shù)學(xué)模型法 要能要能“由小見大由小見大”，“由此及彼由此及彼”。 以前：簡(jiǎn)單問(wèn)題以前：簡(jiǎn)單問(wèn)題, ,嚴(yán)格處理。嚴(yán)格處理。 現(xiàn)在：復(fù)雜問(wèn)題現(xiàn)在：復(fù)雜問(wèn)題, ,簡(jiǎn)化處理。簡(jiǎn)化處理。4. 4. 工程問(wèn)題處理方法工程問(wèn)題處理方法四、若干工程觀點(diǎn)四、若干工程觀點(diǎn)(1)(1)衡算衡算觀點(diǎn)：輸入觀點(diǎn)：輸入+ +生成生成= =輸出輸出+ +積累積累(2)(2)平衡平衡觀點(diǎn)：熱力學(xué)平衡指四大平衡觀點(diǎn)：熱力學(xué)平衡指四大平衡 力平衡：高壓力平衡：高壓-低壓，極限低壓，極限P P相等相等 熱平衡：高溫?zé)崞胶猓焊邷?低溫，極限低溫，極限T相等相等 相平衡：高逸度相相平衡：高逸度

4、相-低逸度相，極限低逸度相，極限f相等相等 化學(xué)平衡：化學(xué)反應(yīng)工程研究，此略化學(xué)平衡：化學(xué)反應(yīng)工程研究，此略 (3)(3)速率速率觀點(diǎn)：觀點(diǎn)：1.1.概述概述1.1 1.1 流體流動(dòng)的流體流動(dòng)的連續(xù)性假定連續(xù)性假定1.1.1 1.1.1 連續(xù)性假定連續(xù)性假定 固體力學(xué)：考察對(duì)象固體力學(xué)：考察對(duì)象-單個(gè)固體，離散介質(zhì)。單個(gè)固體，離散介質(zhì)。 流體力學(xué)：考察對(duì)象流體力學(xué)：考察對(duì)象-無(wú)數(shù)質(zhì)點(diǎn)，連續(xù)介質(zhì)。無(wú)數(shù)質(zhì)點(diǎn)，連續(xù)介質(zhì)。 例如點(diǎn)壓強(qiáng)的考察例如點(diǎn)壓強(qiáng)的考察 p p ( (正壓力正壓力/ /面積面積) )第第1章章 流體流動(dòng)與流體輸送機(jī)械流體流動(dòng)與流體輸送機(jī)械質(zhì)點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)含有大量分子的流體微團(tuán)，其尺寸遠(yuǎn)小含

5、有大量分子的流體微團(tuán)，其尺寸遠(yuǎn)小于設(shè)備尺于設(shè)備尺寸、遠(yuǎn)大于分子平均自由程。寸、遠(yuǎn)大于分子平均自由程?？赡苄裕嚎赡苄裕?mm1mm3 3常溫常壓氣體含常溫常壓氣體含2.52.510101515個(gè)分子，個(gè)分子， 分子平均自由程為分子平均自由程為0.1m0.1m量級(jí)。量級(jí)。連續(xù)性假定連續(xù)性假定流體是由無(wú)數(shù)質(zhì)點(diǎn)組成的，彼此流體是由無(wú)數(shù)質(zhì)點(diǎn)組成的，彼此間沒有間隙，完全充滿所占空間的連續(xù)介質(zhì)。間沒有間隙，完全充滿所占空間的連續(xù)介質(zhì)。目的目的：可用微積分來(lái)描述流體的各種參數(shù)。：可用微積分來(lái)描述流體的各種參數(shù)。1.1.2 1.1.2 流體受力流體受力體積力體積力 作用于體積中的各個(gè)部位，作用于體積中的各個(gè)部位

6、，力的大小與體積力的大小與體積（質(zhì)量）有關(guān)（質(zhì)量）有關(guān)。如：重力，慣性力，離心力。如：重力，慣性力，離心力。表面力表面力 分解成：垂直于作用面，壓力分解成：垂直于作用面，壓力 p p ； 平行于作用面，平行于作用面，剪切力剪切力。1.1.3 1.1.3 流體流體黏性黏性 黏性的物理本質(zhì)：分子間引力和分子熱運(yùn)動(dòng)、碰黏性的物理本質(zhì)：分子間引力和分子熱運(yùn)動(dòng)、碰 撞。撞。 （錄像）（錄像）牛頓黏性定律牛頓黏性定律表明表明流體受剪切力必運(yùn)動(dòng)。流體受剪切力必運(yùn)動(dòng)。 牛頓型流體牛頓型流體與與非牛頓型流體非牛頓型流體的區(qū)別。的區(qū)別。 = =f f( (物性，溫度物性，溫度) ) t t, , 氣氣，液液理想流

7、體理想流體: : 假定假定=0=01.1.4 1.1.4 流體流動(dòng)的機(jī)械能流體流動(dòng)的機(jī)械能 為為單位質(zhì)量流體的動(dòng)能單位質(zhì)量流體的動(dòng)能 gz 為為單位質(zhì)量流體的位能單位質(zhì)量流體的位能 為為單位質(zhì)量流體的壓強(qiáng)能單位質(zhì)量流體的壓強(qiáng)能22u)2(2mum )(mmgz p)ddd(VlAp 1.2 流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)1.2.1 靜止流體的壓強(qiáng)分布靜止流體的壓強(qiáng)分布1.2.1.1 靜壓強(qiáng)的特性靜壓強(qiáng)的特性任意界面上只受到大小相等方向相反的壓力。任意界面上只受到大小相等方向相反的壓力。作用于任意點(diǎn)不同方位的靜壓強(qiáng)數(shù)值相等。作用于任意點(diǎn)不同方位的靜壓強(qiáng)數(shù)值相等。壓強(qiáng)各向傳遞壓強(qiáng)各向傳遞 。1.2.1.2

8、靜力學(xué)方程靜力學(xué)方程 p+gz=常數(shù)常數(shù) 或或等高等壓，等高等壓，等壓面等壓面2211gzpgzp ghpzzgppaa )(2121.2.1.3 靜力學(xué)方程應(yīng)用條件靜力學(xué)方程應(yīng)用條件同種流體且不可壓縮同種流體且不可壓縮(氣體高差不大時(shí)仍可用氣體高差不大時(shí)仍可用)靜止靜止(或等速直線流動(dòng)的橫截面或等速直線流動(dòng)的橫截面-均勻流均勻流)重力場(chǎng)重力場(chǎng)單連通單連通1.2.2 流流體的總勢(shì)能體的總勢(shì)能 總勢(shì)能總勢(shì)能 （壓強(qiáng)能與位能之和）（壓強(qiáng)能與位能之和） 虛擬壓強(qiáng)虛擬壓強(qiáng)1.2.3 壓強(qiáng)的表示方法壓強(qiáng)的表示方法1.2.3.1 單位單位 N/m2=Pa 106Pa=1MPa 流體柱高度流體柱高度 ( p

9、=gh ) 1 atm=1.013105Pa=760mmHg=10.33mH2O 1 bar=105Pa 1 at=1kg(f)/cm2=9.81104Pa 1.2.3.2 基準(zhǔn)基準(zhǔn) 表壓表壓= =絕對(duì)壓絕對(duì)壓- -大氣壓大氣壓 真空度真空度= =大氣壓大氣壓- -絕對(duì)壓絕對(duì)壓1.2.4 靜力學(xué)方程的工程應(yīng)用靜力學(xué)方程的工程應(yīng)用1.2.4.1 測(cè)壓測(cè)壓已知：已知：R=180mm, h=500mm求：求：pA=? (絕壓絕壓)，(表壓表壓) 解：解：pB=pa+汞汞gR pB=pA+水水gh pA=pa+汞汞gR-水水gh =1.013105+136009.810.18-10009.810.5

10、=1.204105Pa(絕壓絕壓)pA=1.204105-1.013105=1.91104Pa(表壓表壓)1.2.4.2 液封液封設(shè)備中壓力要保持，液體要排出，須用液封。設(shè)備中壓力要保持，液體要排出，須用液封。應(yīng)用時(shí)注意應(yīng)用時(shí)注意閥開、閥關(guān)閥開、閥關(guān)1.2.4.3 流向判別流向判別 接通后流向？接通后流向？流水的有無(wú)流水的有無(wú)靜力學(xué)靜力學(xué)流水的多少流水的多少動(dòng)力學(xué)動(dòng)力學(xué)判據(jù)判據(jù): :看看z大小，還是大小，還是p大小大?。客凰礁叨缺葔簭?qiáng)同一水平高度比壓強(qiáng)p左左=pA+gzA=P PAp右右=pB+gzB=P PB1.3 流體流動(dòng)中的守恒原理流體流動(dòng)中的守恒原理1.3.1 質(zhì)量守恒質(zhì)量守恒質(zhì)量

11、流量質(zhì)量流量 qm=qV 平均流速平均流速 定態(tài)定態(tài)，不可壓縮流體，不可壓縮流體 u1A1=u2A2AquV 1.3.2 機(jī)械能守衡機(jī)械能守衡 , J/kg, J/kg柏努利方程的物理意義柏努利方程的物理意義：三項(xiàng)機(jī)械能之和為常數(shù)：三項(xiàng)機(jī)械能之和為常數(shù)或或 ， J/N=mJ/N=m 幾何意義：幾何意義：位頭、壓頭、速度頭位頭、壓頭、速度頭總高為常數(shù)總高為常數(shù)(錄像錄像)。2222222111upgzupgz gugpzgugpz2222222111 gZpu22常數(shù)柏努利方程的應(yīng)用條件：柏努利方程的應(yīng)用條件：（1 1）重力場(chǎng)，定態(tài)流動(dòng)，不可壓縮的）重力場(chǎng)，定態(tài)流動(dòng)，不可壓縮的理想流體理想流體（

12、2 2）無(wú)外加機(jī)械能或機(jī)械能輸出。）無(wú)外加機(jī)械能或機(jī)械能輸出。 推廣到工程上可用形式推廣到工程上可用形式定態(tài)：定態(tài)：u u、p p等參數(shù)與時(shí)間無(wú)關(guān)等參數(shù)與時(shí)間無(wú)關(guān)截面處均勻流（沒有加速度）截面處均勻流（沒有加速度）截面處流速均勻分布截面處流速均勻分布理想流體理想流體黏性損失黏性損失 引入引入h hf f關(guān)于加速度：關(guān)于加速度：點(diǎn)點(diǎn)1 1有當(dāng)?shù)丶铀俣?、有遷移加速度有當(dāng)?shù)丶铀俣?、有遷移加速度點(diǎn)點(diǎn)2 2只有當(dāng)?shù)丶铀俣戎挥挟?dāng)?shù)丶铀俣赛c(diǎn)點(diǎn)3 3有遷移加速度有遷移加速度點(diǎn)點(diǎn)4 4沒有加速度沒有加速度均勻流段均勻流段均勻分布均勻分布得機(jī)械能衡算式：得機(jī)械能衡算式：應(yīng)用時(shí)注意應(yīng)用時(shí)注意 u1A1=u2A2+u

13、3A3fehupgzhupgz2222222111截面的選擇截面的選擇 (錄像錄像)1.3.3 工程應(yīng)用工程應(yīng)用(1)(1)測(cè)風(fēng)量測(cè)風(fēng)量由由1-11-1至至2-22-2排方程排方程 壓差計(jì)：壓差計(jì)：可得可得： 2222uppa gRppia 2 iagRppu2)(222 22uAqV (2)(2)虹吸虹吸 從從1-11-1至至2-22-2排方程排方程222upgHpaa gHu22 (3)(3)馬利奧特容器馬利奧特容器 求水面在求水面在a-aa-a面以上面以上時(shí)的放水速度：時(shí)的放水速度：由由a-aa-a面至出口小孔面至出口小孔截面截面2-22-2排方程排方程這時(shí)的流動(dòng)條件是這時(shí)的流動(dòng)條件是定

14、態(tài)定態(tài)的的實(shí)際實(shí)際: :22upgzpaaa agzu2 agzCu20 機(jī)械能衡算式導(dǎo)出步驟：機(jī)械能衡算式導(dǎo)出步驟： 簡(jiǎn)化簡(jiǎn)化: :將問(wèn)題先簡(jiǎn)化到可分析的狀況，得理論將問(wèn)題先簡(jiǎn)化到可分析的狀況，得理論解。解。 修正修正: :逐一解決與實(shí)際的差距，使結(jié)果可工程逐一解決與實(shí)際的差距，使結(jié)果可工程應(yīng)用。應(yīng)用。應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題：應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題： 看是否符合應(yīng)用條件（連續(xù)流，滿流）看是否符合應(yīng)用條件（連續(xù)流，滿流） 畫示意圖畫示意圖 截面選取截面選取 均勻流，已知量最多，大截面均勻流，已知量最多，大截面u u=0=0 真空吸料真空吸料現(xiàn)要將現(xiàn)要將30的乙醇輸送到高位槽，的乙醇輸送到高位槽， ,

15、,管子管子 , ,流量流量0.004m3/s。有人建議抽真有人建議抽真空，使料液吸上。忽略空，使料液吸上。忽略hf 。求：。求：p=? ?3kg/m800 mm5 . 357 解：從解：從1-2排柏努利方程排柏努利方程 =5520Pa(絕絕) guzgpgpa2222 m/s0 . 205. 0785. 0004. 04222 dquV 2222gzuppa 1281. 98002280010013. 125 根據(jù)物化知識(shí)根據(jù)物化知識(shí) 30 pV=10700Pa1.4 流體流動(dòng)阻力流體流動(dòng)阻力1.4.1 流動(dòng)的類型流動(dòng)的類型對(duì)于水平直管對(duì)于水平直管人們發(fā)現(xiàn)兩種規(guī)律：人們發(fā)現(xiàn)兩種規(guī)律：雷諾實(shí)驗(yàn)表

16、明存在兩種流動(dòng)類型雷諾實(shí)驗(yàn)表明存在兩種流動(dòng)類型( (錄像錄像) )判斷依據(jù)：雷諾數(shù)判斷依據(jù)：雷諾數(shù) ppphf 21fhupgzupgz 2222222111 uRed 阻力損失表現(xiàn)為阻力損失表現(xiàn)為勢(shì)能差勢(shì)能差1.4.1.1 層流層流和和湍流湍流的區(qū)別的區(qū)別 層流層流 湍流湍流(1)(1)(2) (2) (3)(3)無(wú)微團(tuán)作徑向運(yùn)動(dòng)無(wú)微團(tuán)作徑向運(yùn)動(dòng) 有微團(tuán)作徑向運(yùn)動(dòng)有微團(tuán)作徑向運(yùn)動(dòng)(4)(4)層流層從中心到管壁層流層從中心到管壁 層流內(nèi)層附壁層流內(nèi)層附壁(5)(5) yudd yudd) ( (6) (6) h hf f與與 無(wú)關(guān)無(wú)關(guān) h hf f與與 有關(guān)有關(guān)(7)(7)(8) (8) 傳熱

17、、傳質(zhì)慢傳熱、傳質(zhì)慢 傳熱、傳質(zhì)快傳熱、傳質(zhì)快層流和湍流的本質(zhì)區(qū)別層流和湍流的本質(zhì)區(qū)別: : 是否存在速度、壓強(qiáng)的脈動(dòng)性是否存在速度、壓強(qiáng)的脈動(dòng)性1.4.1.2 流型判據(jù)流型判據(jù) Re2000 層流層流 2000Re4000 湍流湍流 d d 1.4.2流動(dòng)阻力流動(dòng)阻力兩種阻力損失兩種阻力損失 根本原因根本原因黏性黏性劃分：劃分：直管阻力損失直管阻力損失（沿程阻力損失）（沿程阻力損失） 局部阻力損失局部阻力損失（管件、閥件的阻力損失）（管件、閥件的阻力損失）1.4.2.1 直管阻力損失直管阻力損失 影響因素：影響因素：物性因素物性因素， 設(shè)備因素設(shè)備因素 d, l, 操作因素操作因素 u機(jī)械能

18、衡算機(jī)械能衡算直管，直管，u1=u2，fhuu 22222211 PP PPP 21fh1.4.2.2 泊謖葉方程泊謖葉方程層流時(shí)，層流時(shí)，得得應(yīng)用條件：應(yīng)用條件：牛頓流體牛頓流體 層流狀態(tài)層流狀態(tài) 圓直管速度分布穩(wěn)定段（非入口圓直管速度分布穩(wěn)定段（非入口 段）。段）。層流直管阻力也可寫成層流直管阻力也可寫成 1.4.2.3 湍流直管阻力損失湍流直管阻力損失記摩擦系數(shù)記摩擦系數(shù)以不同的以不同的Re( (方便地調(diào)節(jié)方便地調(diào)節(jié)u) )，不同的人工粗糙管，不同的人工粗糙管, ,以水或空氣就可做實(shí)驗(yàn)。以水或空氣就可做實(shí)驗(yàn)。 1.4.3 摩擦系數(shù)摩擦系數(shù)1.4.3.1 莫迪圖莫迪圖層流時(shí)，管內(nèi)全部為層流

19、，層流時(shí)，管內(nèi)全部為層流，與與/ /d d無(wú)關(guān)無(wú)關(guān); ;湍流時(shí)，層流內(nèi)層厚度湍流時(shí)，層流內(nèi)層厚度， , ,水力光滑管水力光滑管, ,與與ReRe有關(guān)有關(guān), ,與與/ /d d無(wú)關(guān)無(wú)關(guān), ,與與ReRe、/ /d d都有關(guān)都有關(guān), , , ,完全湍流粗糙管完全湍流粗糙管, ,與與ReRe無(wú)關(guān)無(wú)關(guān), ,與與/ /d d有關(guān)。有關(guān)。同一根管子，可以既是光滑管，又是粗糙管。同一根管子，可以既是光滑管，又是粗糙管。 查查Re=3105, /d=0.0005時(shí)的時(shí)的=0.018查查Re=104, /d=0.0001時(shí)的時(shí)的=0.03。1.4.4 局部阻力損失局部阻力損失管件閥件處流道變化大，多發(fā)生管件閥件

20、處流道變化大，多發(fā)生邊界層脫體邊界層脫體, , 產(chǎn)生大量旋渦，消耗了機(jī)械能。產(chǎn)生大量旋渦，消耗了機(jī)械能。錄像錄像 錄像錄像 錄像錄像1.4.4.1 局部阻力計(jì)算式局部阻力計(jì)算式工程上取工程上取 ，阻力系數(shù)阻力系數(shù) 或或 ，le當(dāng)量長(zhǎng)度當(dāng)量長(zhǎng)度實(shí)測(cè)的實(shí)測(cè)的和和le已成圖表，供設(shè)計(jì)使用。已成圖表，供設(shè)計(jì)使用。注意注意:兩種方法并不一致，都有近似；兩種方法并不一致，都有近似； 計(jì)算所取速度要看圖表規(guī)定。計(jì)算所取速度要看圖表規(guī)定。阻力的單位有三種：阻力的單位有三種： 損失壓降損失壓降 Pa=N/m2 損失能量損失能量 J/kg 損失壓頭損失壓頭 J/N=m 查截止閥全開查截止閥全開, 接管內(nèi)徑接管內(nèi)徑

21、d=100mm時(shí)時(shí)的當(dāng)量長(zhǎng)度的當(dāng)量長(zhǎng)度le查管道出口查管道出口損失損失值值工程計(jì)算工程計(jì)算( (一一) )水平管輸油水平管輸油在在250kPa的壓差下輸送的壓差下輸送=800kg/m3, =0.1Pas的的油品，管長(zhǎng)油品，管長(zhǎng)l+le =10km, 管內(nèi)徑管內(nèi)徑d=300mm。求求: 流量為多少流量為多少m3/s？解：畫簡(jiǎn)圖，從解：畫簡(jiǎn)圖，從1 1至至2 2排機(jī)械能守恒式排機(jī)械能守恒式 因因較大，可先設(shè)較大，可先設(shè)ReRe20002000， 層流層流驗(yàn)驗(yàn)原設(shè)成立，計(jì)算有效原設(shè)成立，計(jì)算有效 Re64 m/s7 . 0100001 . 0323 . 0250000)(3222 elldu P20

22、0016781 . 08007 . 03 . 0d uRe/sm050. 07 . 03 . 0785. 04322 udqV工程計(jì)算工程計(jì)算( (二二) )高位槽送液高位槽送液由一高位槽向攪拌反應(yīng)器送料，料液性質(zhì)同由一高位槽向攪拌反應(yīng)器送料，料液性質(zhì)同20的水，流量的水，流量1.3L/s, 鍍鋅鐵管鍍鋅鐵管423mm, 管管長(zhǎng)長(zhǎng)10m，90彎頭彎頭4個(gè)，閘閥個(gè)，閘閥(全開全開)1個(gè)。個(gè)。試求：試求：Z應(yīng)為多少應(yīng)為多少m。解：解：查查9090彎頭彎頭=0.75,=0.75,閘閥全開閘閥全開=0.17,=0.17,出口出口=1=1取取=0.2mm,=0.2mm,/ /d d =0.0056,=0

23、.0056,查查=0.033=0.033。由高位槽液面至反應(yīng)器液面作機(jī)械能衡算由高位槽液面至反應(yīng)器液面作機(jī)械能衡算m/s28. 1036. 014. 3103 . 144232 dquV41061. 4001. 0100028. 1036. 0d uRegudlgpZ2)(2 m13. 281. 9228. 1)117. 075. 04036. 0102 033. 0(81. 9101034兩個(gè)工程計(jì)算的不同特點(diǎn)：兩個(gè)工程計(jì)算的不同特點(diǎn)：已知生產(chǎn)能力要求，求設(shè)備狀況已知生產(chǎn)能力要求，求設(shè)備狀況 管徑計(jì)算問(wèn)題管徑計(jì)算問(wèn)題已知設(shè)備狀況，求生產(chǎn)能力已知設(shè)備狀況，求生產(chǎn)能力( (輸送能力輸送能力) )

24、 管路核算問(wèn)題管路核算問(wèn)題1.5 管路計(jì)算管路計(jì)算1.5.1 變量分析變量分析1.5.1.1 變量變量質(zhì)量守恒式質(zhì)量守恒式機(jī)械能衡算式機(jī)械能衡算式摩擦系數(shù)計(jì)算式摩擦系數(shù)計(jì)算式 udqV24 2)(221udl PP),d(du 其中物性參數(shù)其中物性參數(shù) 、 已知已知 設(shè)備參數(shù)設(shè)備參數(shù) l、d、 、 操作參數(shù)操作參數(shù) qV、u、P P1、P P2 中間變量中間變量 9個(gè)變量，需給定個(gè)變量，需給定6個(gè)，求其它個(gè)，求其它3個(gè)個(gè)按計(jì)算目的可分為按計(jì)算目的可分為 管徑計(jì)算管徑計(jì)算: 給定給定 qV、 P P2、l、 、 選擇選擇 最優(yōu)最優(yōu) u (原則？原則？) 求求 P P1 、d 管路核算管路核算:

25、給定給定 d、P P1 (或或qV)、P P2 、l、 、 ， 求求 qV(或或P P1) 1.5.1.2 阻力損失阻力損失管路管路流量關(guān)系流量關(guān)系 結(jié)論：結(jié)論：管路狀況一定，管路狀況一定，qV,hf hf (P P)一定一定, ,qV qV一定一定, ,hf 圖中，圖中，,則則hfAB_, pA_,pB_,為什么為什么若水流方向相反呢，若水流方向相反呢，,則則hfAB_,pA_,pB_ 42228)(2)(dqdludlhVf P結(jié)論：結(jié)論： 閥門關(guān)小，上游壓強(qiáng)上升，閥門關(guān)小，上游壓強(qiáng)上升， 下游壓強(qiáng)下降，壓差增大下游壓強(qiáng)下降，壓差增大 閥門開大，上游壓強(qiáng)下降，閥門開大，上游壓強(qiáng)下降， 下游

26、壓強(qiáng)上升，壓差減小下游壓強(qiáng)上升，壓差減小判斷判斷1 1：B不變，不變，A，h1_,h2_,(h1-h2)_；A不變，不變，B，h1_,h2_,(h1-h2)_判斷判斷2 2：以下說(shuō)法是否正確：以下說(shuō)法是否正確閥門調(diào)節(jié)流量是由于改變了管道的截面閥門調(diào)節(jié)流量是由于改變了管道的截面;任何管路，流量任何管路，流量qV必有必有hf ;閥關(guān)小，閥關(guān)小， 中中, u,而而hf 的變化的變化 無(wú)法判斷。無(wú)法判斷。 判斷判斷3 3：發(fā)生了什么問(wèn)題？發(fā)生了什么問(wèn)題？如何判斷上游、下游？如何判斷上游、下游？如何判斷泄漏與阻塞？如何判斷泄漏與阻塞？判斷判斷4 4： 1, qV_,qV1_, qV2_,qV3_ 1.5

27、.2 簡(jiǎn)單管路計(jì)算簡(jiǎn)單管路計(jì)算層流狀態(tài)下層流狀態(tài)下 為顯函數(shù)，可直接求解為顯函數(shù)，可直接求解湍流狀態(tài)下湍流狀態(tài)下 為隱函數(shù)，常要試差求解為隱函數(shù)，常要試差求解 ?？上仍O(shè)常可先設(shè)在阻力平方區(qū)，再根據(jù)計(jì)算所在阻力平方區(qū)，再根據(jù)計(jì)算所得得ReRe修正修正。Re64 1.5.2.1 串聯(lián)管路計(jì)算串聯(lián)管路計(jì)算方程特點(diǎn)方程特點(diǎn)：hf總總=hf1+hf2+hf3 qV=qV1=qV2=qV3注意各段阻力計(jì)算的注意各段阻力計(jì)算的 u、l、d、的不同的不同1.5.2.2 復(fù)雜管路計(jì)算復(fù)雜管路計(jì)算 并聯(lián)管路計(jì)算并聯(lián)管路計(jì)算分流或合流時(shí)，有能量的損失和交換，有時(shí)分流或合流時(shí)，有能量的損失和交換，有時(shí)00對(duì)于長(zhǎng)管，三

28、通處的阻力相對(duì)很小可忽略對(duì)于長(zhǎng)管，三通處的阻力相對(duì)很小可忽略方程特點(diǎn)方程特點(diǎn)： qV總總=qV1+qV2 注意注意hf不要重復(fù)計(jì)算不要重復(fù)計(jì)算21ffBAhh PP工程計(jì)算工程計(jì)算( (一一) ) 原有一長(zhǎng)輸油管路原有一長(zhǎng)輸油管路, 直徑直徑d1=1m, 流量為流量為qV1,現(xiàn)為了增加輸油量的現(xiàn)為了增加輸油量的50%, 在原來(lái)的長(zhǎng)管旁并接在原來(lái)的長(zhǎng)管旁并接一根直徑為一根直徑為d2的長(zhǎng)管。已知油在原管道中為層流。的長(zhǎng)管。已知油在原管道中為層流。求：求：d2=?解：解： hf 1=hf 2,qV2qV1,則則 d2d1,u2u1, Re2Re1,小管中也為層流小管中也為層流 或或232dulhf

29、P uRed 222221113232dludlu 212212dduu m84. 05 . 0)(25. 025. 01212 VVqqdd41221122212 ddduduqqVV得得 ，工程計(jì)算工程計(jì)算( (二二) )已知：泵提供給流體的能量已知：泵提供給流體的能量he=150J/kg, lAB=20m, lBC=20m, lBD=30m(均已含均已含le), dAB=38mm，dBC=25mm，dBD=25mm，各管，各管=0.025。求：求：qVC, qVD(m3/s)解：解：從從B點(diǎn)至點(diǎn)至C點(diǎn)點(diǎn), 機(jī)械能衡算機(jī)械能衡算從從B點(diǎn)至點(diǎn)至D點(diǎn)點(diǎn), 機(jī)械能衡算機(jī)械能衡算由于由于zC=zD

30、, pC=pD=pa得得由由得得 uC=1.21uD ，dC=dD, qVC=1.21qVD qV=qVC+qVD=2.21qVD從從0點(diǎn)至點(diǎn)至D點(diǎn)點(diǎn), 機(jī)械能衡算機(jī)械能衡算和和代回衡算式，得代回衡算式，得 150=69.81+(2.5+6.43)107q2VD得得 qVD=1.0110-3 m3/s qVC=1.21qVD=1.2210-3 m3/s1.6 流速和流量的測(cè)量流速和流量的測(cè)量1.6.1 皮托管皮托管 沿流線從沿流線從1至至2排排 柏努利方程柏努利方程 u2=0 根據(jù)根據(jù)h1, h2的指示可算出的指示可算出點(diǎn)速度點(diǎn)速度 22222211upup 1.6.2 孔板流量計(jì)孔板流量計(jì)分

31、析處理方法：分析處理方法：(1)(1)先作先作=0處理處理(2)(2)再考慮再考慮的影響的影響由由1至至2截面作能量衡算截面作能量衡算質(zhì)量守恒質(zhì)量守恒 A1u1=A2u2整理后整理后22222211uu PP(3)(3)考慮考慮的影響的影響；A2難以實(shí)測(cè)，用難以實(shí)測(cè)，用A0計(jì)計(jì) C0=f(Red,m), m=A0/A1工程計(jì)算工程計(jì)算(一一) 標(biāo)準(zhǔn)孔板標(biāo)準(zhǔn)孔板已知：孔徑已知：孔徑d0, 管徑管徑d1, 物性物性, i，讀數(shù)，讀數(shù)R求：流量求：流量qV解：解：210)(ddm 1.6.3 轉(zhuǎn)子流量計(jì)轉(zhuǎn)子流量計(jì)轉(zhuǎn)子力平衡：轉(zhuǎn)子力平衡：(p1-p2)Af=Vf f g由由1-2能量守恒式：能量守恒式

32、： 重力重力 = 浮力浮力 + 動(dòng)壓差力動(dòng)壓差力 2220222111ugzpugzp 22)()(21201221uuAgzzAAppfff2120210uAAAgVgVffff 轉(zhuǎn)子流量計(jì)的特點(diǎn)：恒流速、恒壓差轉(zhuǎn)子流量計(jì)的特點(diǎn)：恒流速、恒壓差刻度換算：刻度換算：出廠標(biāo)準(zhǔn)：出廠標(biāo)準(zhǔn)： 液體液體 氣體氣體 fffAgVAAu)(2)/(112100 fffRVAgVCAuAq)(2000 )()(AfBBfAVAVBqq 3kg/m1000 3kg/m2 . 1 工程計(jì)算工程計(jì)算(三三)刻度換算刻度換算 用轉(zhuǎn)子流量計(jì)計(jì)量乙醇流量，已知：用轉(zhuǎn)子流量計(jì)計(jì)量乙醇流量，已知： ， ，測(cè)量范圍內(nèi)，測(cè)量范

33、圍內(nèi)CR為常為常數(shù)，現(xiàn)讀數(shù)為數(shù)，現(xiàn)讀數(shù)為5 m3/h，實(shí)際流量為多少？，實(shí)際流量為多少？解：出廠標(biāo)定解：出廠標(biāo)定 3kg/m3000 f 3kg/m800 乙乙醇醇 3kg/m1000 )()(標(biāo)標(biāo)實(shí)實(shí)實(shí)實(shí)標(biāo)標(biāo)讀讀實(shí)實(shí) ffVVqq)10003000(800)8003000(10005 /hm86. 53 流量計(jì)比較流量計(jì)比較 皮托管：測(cè)得點(diǎn)速度，流量須計(jì)算皮托管：測(cè)得點(diǎn)速度，流量須計(jì)算 孔板流量計(jì)：測(cè)得銳孔平均速度，孔板流量計(jì)：測(cè)得銳孔平均速度， A0恒定恒定, u0變化變化, p變化變化, 不易阻塞不易阻塞 轉(zhuǎn)子流量計(jì)：測(cè)得的流量讀數(shù)需換算轉(zhuǎn)子流量計(jì)：測(cè)得的流量讀數(shù)需換算 p恒定恒定, u

34、0恒定恒定, A0變化變化, 易阻塞易阻塞 其它流量計(jì)介紹其它流量計(jì)介紹 彎管流量計(jì)彎管流量計(jì) 阻力流量計(jì)阻力流量計(jì) 狹縫流量計(jì)狹縫流量計(jì) 渦輪流量計(jì)渦輪流量計(jì) 目的：給流體加入機(jī)械能目的：給流體加入機(jī)械能1.7.1 管路特性管路特性1.7.1.1管路特性方程管路特性方程流體對(duì)輸送機(jī)械的能量要求流體對(duì)輸送機(jī)械的能量要求從從1 1至至2 2截面截面 1.7 流體輸送機(jī)械流體輸送機(jī)械Hgugpz 22111 fHgugpz 22222 2242282VVfKqqgddlgudlH 高度湍流，高度湍流，K與流量無(wú)關(guān)與流量無(wú)關(guān)1.7.1.2 1.7.1.2 管路特性的影響因素管路特性的影響因素阻力部分

35、：阻力部分：管徑管徑d管長(zhǎng)管長(zhǎng)l、le或或勢(shì)能增加部分：勢(shì)能增加部分：位差位差z壓差壓差p密度密度= d gpp 12 1.7.2 離心泵離心泵1.7.2.1 離心泵的離心泵的工作原理工作原理1.7.2.1.1 主要構(gòu)件主要構(gòu)件( (錄像錄像) )葉輪：迫使液體高速旋轉(zhuǎn)，形成離心力場(chǎng)葉輪：迫使液體高速旋轉(zhuǎn)，形成離心力場(chǎng)中心加入低勢(shì)能、低動(dòng)能液體中心加入低勢(shì)能、低動(dòng)能液體外緣輸出高勢(shì)能、高動(dòng)能液體外緣輸出高勢(shì)能、高動(dòng)能液體蝸殼：流道逐漸擴(kuò)大，將動(dòng)能部分轉(zhuǎn)化成勢(shì)能蝸殼：流道逐漸擴(kuò)大，將動(dòng)能部分轉(zhuǎn)化成勢(shì)能 1.7.3 離心泵的特性曲線離心泵的特性曲線（1 1）泵的有效壓頭）泵的有效壓頭泵內(nèi)損失：泵內(nèi)

36、損失：容積損失容積損失: :部分流體漏回入口處部分流體漏回入口處水力損失水力損失: :0,0,葉片數(shù)目有限葉片數(shù)目有限機(jī)械損失機(jī)械損失: :軸承、軸封的摩擦軸承、軸封的摩擦（2 2）泵的有效功率）泵的有效功率 Pe=gqVHe Pa基本上隨流量基本上隨流量qV單調(diào)上升單調(diào)上升 泵啟動(dòng)時(shí)關(guān)出口閥泵啟動(dòng)時(shí)關(guān)出口閥（3 3）泵的效率）泵的效率aePP 泵的特性曲線測(cè)定泵的特性曲線測(cè)定( (錄像錄像) )d吸吸=38mm,d出出=25mm,測(cè)得水流量測(cè)得水流量qV=510-4m3/s,p壓壓=0.2MPa,p真真=27kPa。求：求：He=? 解：由泵進(jìn)、出口列方程解：由泵進(jìn)、出口列方程1.7.3 離

37、心泵的流量調(diào)節(jié)和組合操作離心泵的流量調(diào)節(jié)和組合操作1.7.3.1 工作點(diǎn)工作點(diǎn)工程處理方法：過(guò)程分解法工程處理方法：過(guò)程分解法1.7.3.2 流量調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)(1)出口閥開度出口閥開度優(yōu)點(diǎn)：調(diào)節(jié)簡(jiǎn)便、靈活優(yōu)點(diǎn)：調(diào)節(jié)簡(jiǎn)便、靈活缺點(diǎn)：能耗缺點(diǎn)：能耗(2)改變轉(zhuǎn)速改變轉(zhuǎn)速n節(jié)能，但不方便節(jié)能，但不方便 新老泵特性曲線關(guān)系新老泵特性曲線關(guān)系 時(shí)，時(shí)， (等效率點(diǎn)等效率點(diǎn)) nnqqVV 22 VVqqnnHH22VVqqHH 例例1 已知：充分湍流，已知：充分湍流，=常數(shù)，現(xiàn)將離心水泵常數(shù)，現(xiàn)將離心水泵由輸水改為輸送由輸水改為輸送CCl4, =1630kg/m3求：求：當(dāng)當(dāng)p1=p2時(shí)時(shí),qV ,H

38、, ,p出出 ,Pe ;當(dāng)當(dāng)p1p2時(shí)，時(shí)，qV ,H , ,p出出 ,Pe 。解：解：管路特性不變管路特性不變,工作點(diǎn)工作點(diǎn)不變不變, qV不變不變, H不變不變, 不變。不變。由點(diǎn)由點(diǎn)3至至2排能量方程排能量方程 管路特性曲線下移，管路特性曲線下移，因因 ，圖解思維，圖解思維qV，H，不定不定 gp 1.7.4 離心泵的離心泵的安裝高度安裝高度1.7.4.1 汽蝕現(xiàn)象汽蝕現(xiàn)象(錄像錄像)葉輪入口葉輪入口K處壓強(qiáng)最低，處壓強(qiáng)最低，Hg太大時(shí)，太大時(shí)，pKpV,液體汽化，形成汽泡，受壓縮后潰滅。液體汽化，形成汽泡，受壓縮后潰滅。后果：葉輪受沖擊而出現(xiàn)剝落；后果：葉輪受沖擊而出現(xiàn)剝落； 泵軸振動(dòng)強(qiáng)烈，甚至振斷。泵軸振動(dòng)強(qiáng)烈，甚至振斷。1.7.4.2 汽蝕余量汽蝕余量NPSH由由1至至K：pK=pV, 發(fā)生汽蝕發(fā)生汽蝕, 這時(shí)這時(shí)p1最小最小, 定義定義臨界汽蝕余量臨界汽蝕余量(NPSH)c由由0至至K：pK=pV時(shí)時(shí) KfkkHgugpgugp 1221122 gpgugpNPSHVC 2)(21min1KfkHgu 122 100fgHHgp gugpHkkKf221 guHHgpgpHkKffVg221100max CfV