流體流動與傳熱學習指導書gaiguod

1、緒 論知識點聚焦操作指在化工生產(chǎn)過程中普遍使用的、遵循一定的物理學定律、所用設備相似、具有類似作用的物理操作單元，簡稱單元操作。引入單元操作概念可以將化工生產(chǎn)過程分成單元操作過程與化學反應過程兩部分研究，從而縮短化工產(chǎn)品的研發(fā)周期。三傳包括：動量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞。流體輸送、過濾等在外力作用下進行的單元操作過程，由牛頓第二定律可知是涉及動量傳遞的過程；對象加熱、汽化、冷卻、冷凝等單元操作過程屬于因溫度差導致的熱量傳遞過程；對于吸收、蒸餾、萃取、吸附等單元操作屬于因濃度差導致的相際質(zhì)量傳遞過程。 “三傳”過程往往是同時進行并相互影響，如水的蒸發(fā)過程涉及傳熱與傳質(zhì)過程。三傳類似性“三傳”之間

2、存在一定的類似性，如過程進行的方向都是從高（動量、能量、溫度、濃度）到低；三傳過程的阻力均集中于某一區(qū)域；過程速率均可表達為過程推動力除以阻力的形式等等。單位與單位制單位是衡量物理量的大小的依據(jù)，有基本單位和導出單位之分?；締挝慌c導出單位的集合則稱為單位制（度）。由于不同時期對研究的需要和出發(fā)點的不同，先后有不同的單位制。由于國際單位制（SI）有“通用性”與“一貫性”兩大優(yōu)點，所以我國目前使用的法定單位制是以國際單位制為基礎并結(jié)合國情增添了必要的輔助單位及詞冠而構(gòu)成的。流體具有流動性質(zhì)的物體，包括氣體和液體。液體的密度隨壓強的變化可忽略，故稱為不可壓縮流體；氣體的密度隨壓強有明顯的變化，故稱

3、為可壓縮流體。無流動阻力的流體稱為理想流體；滿足牛頓粘性定律的流體稱為牛頓型流體；實際流體多為非牛頓型流體。系統(tǒng)工程上指研究的對象，是指定研究的某個區(qū)域范圍。穩(wěn)定流動系統(tǒng)與不穩(wěn)定流動系統(tǒng)的概念穩(wěn)定流動系統(tǒng)又稱定態(tài)或定常流動系統(tǒng)，是指流動系統(tǒng)中各物理量的大小僅隨位置變化的系統(tǒng)，也即在指定截面上物理量的值恒為常數(shù)的流動系統(tǒng)。若流動系統(tǒng)中各物理量不僅隨位置變化且隨時間變化的，則稱為不穩(wěn)定流動系統(tǒng)，又稱非定態(tài)或非定常流動系統(tǒng)。對連續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng)，在正常操作狀況下可視為穩(wěn)定流動系統(tǒng)；在生產(chǎn)的開、停車及事故恢復階段為不穩(wěn)定流動系統(tǒng)。穩(wěn)定流動系統(tǒng)的連續(xù)性欲使流動系統(tǒng)中指定截面上的物理量均為常數(shù)，系統(tǒng)中必須充滿流

4、體、無空隙。用數(shù)學語言描述就是系統(tǒng)中的流體質(zhì)點處于連續(xù)狀態(tài)。對此特性則稱為穩(wěn)定流動系統(tǒng)的連續(xù)性。穩(wěn)定流動系統(tǒng)的守恒性包括質(zhì)量守恒與能量守恒（在特定條件下還可以轉(zhuǎn)化為熱量守恒），即輸入、輸出系統(tǒng)的質(zhì)量或能量相等。平衡平衡狀態(tài)是過程可能到達的極限，且隨過程條件的變化而變化（如溶解度隨溫度的變化而變化等），故稱為“動（態(tài)）平衡”。 過程速率指過程進行的速度，如熱量傳遞的速度、質(zhì)量傳遞的速度等。對任意過程的速率，大小總是和過程推動力成正比而與過程的阻力成反比，也即，過程速率的計算通式類似于歐姆定律。實驗關(guān)聯(lián)法是獲得經(jīng)驗公式的主要手段。當某個物理參數(shù)的影響因素較多，無法用邏輯演繹的方法得到它的計算關(guān)系式

5、時，可以先對該物理參數(shù)的影響因素作出定性分析，然后在固定其它影響因素的前提下，用實驗方法測出該物理參數(shù)與某個影響因素間的關(guān)系，并將所測出的關(guān)系通過特定的坐標繪成曲線，最后利用所得曲線建立數(shù)學模型，以獲得該物理參數(shù)與某影響因素間的數(shù)學關(guān)系。余此類推，逐一獲得該物理參數(shù)與各影響因素間的數(shù)學關(guān)系，最后通過實驗校正，從而獲得該物理參數(shù)的計算關(guān)系式。此法則稱為實驗關(guān)聯(lián)法，所得的公式稱為經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式或經(jīng)驗公式。準數(shù)又稱特征數(shù)，是指由若干物理量構(gòu)成的無單位（因次）代數(shù)式。計算公式濃縮穩(wěn)定流動系統(tǒng)的物料衡算式連續(xù)性方程：1、一般式 式中：為單位時間內(nèi)輸入系統(tǒng)物料量之和，kg/s；為單位時間內(nèi)輸出系統(tǒng)物料量之和，

6、kg/s。2、對無分支系統(tǒng) 3、對不可壓縮流體 4、不可壓縮流體在圓管中流動 穩(wěn)定流動系統(tǒng)的能量守恒：1、一般式 式中：為單位時間內(nèi)輸入系統(tǒng)的能量之和，J/s或W；為單位時間內(nèi)輸出系統(tǒng)的能量之和，J/s或W。2、當系統(tǒng)除熱量以外不涉及其它能量轉(zhuǎn)化時 式中：為單位時間內(nèi)輸入系統(tǒng)的熱量之和，J/s或W；為單位時間內(nèi)輸出系統(tǒng)的熱量之和，J/s或W。3、對可近似為恒壓的傳熱設備，在不涉及其它能量轉(zhuǎn)化時式中：為單位時間內(nèi)輸入系統(tǒng)的熱焓之和，J/s或W；為單位時間內(nèi)輸出系統(tǒng)的熱焓之和，J/s或W。過程速率計算通式 第一章 流體力學第一節(jié) 流體的基本物性知識點聚焦密度、相對密度和比容單位體積流體所具有的質(zhì)量

7、稱為流體的密度。相對密度又稱比重，系指流體的密度與277K水的密度比，可用比重計實測，流體的相對密度與密度之間的關(guān)系為1/1000。比容又稱比體積或質(zhì)量體積，在數(shù)值上等于密度的倒數(shù)。流體靜壓強的定義與特性流體垂直作用于單位面積上的力稱為流體的靜壓力強度，簡稱靜壓強。流體靜壓強的兩個特性：1、作用方向總是和作用面相垂直，并指向所考慮的那部分流體的內(nèi)部；2、任意一點的靜壓強在各個方向上大小相等。絕對零壓強絕對壓強、表壓強及真空度流體的靜壓強是一個相對量，計算確定需要規(guī)定基準，用人為規(guī)定的壓強為0的狀態(tài)稱為絕對零壓強，以絕對零壓強為起點計量的壓強稱為絕對壓強。工程上為便于計算和測量，常以大氣壓為基準

8、，規(guī)定：系統(tǒng)壓強高于大氣壓強的部分稱為表壓強，簡稱表壓；系統(tǒng)壓強低于大氣壓強的部分稱為真空度。相應上述兩種場合下的測壓表分別稱為壓力表和真空表。流量與流速單位時間內(nèi)通過流道有效截面的流體量稱為流量；單位時間內(nèi)通過單位有效流道截面的流體量稱為流速。由于對流體量的衡量通常用體積或質(zhì)量，因此，流量和流速都有用體積及質(zhì)量分別計量的兩種。此外，由流速的定義可知，此處的體積流速實際為流動截面上點流速的平均值。內(nèi)摩擦系指流體在運動過程中質(zhì)點間的相互約束作用。內(nèi)摩擦是形成流動阻力的主要原因之一。粘度的概念粘度是反映流體粘性大小的物理量，從某種程度上也反映流體的內(nèi)摩擦性能，有（動力）粘度和運動粘度兩種。（動力）

9、粘度也是牛頓粘性定律中的系數(shù)，因大小與流體的粘性有關(guān)故稱為粘度。對滿足牛頓粘性定律的流體稱為牛頓型流體。計算公式濃縮密度計算公式： 1、密度、相對密度與比容間的換算 （密度）=1000（相對密度） 2、混合液的密度 式中：混合液中i組分的質(zhì)量分率；混合液中i組分的密度，kg/m3。公式應用前提：混合液體中各組分間無氫鍵及締合作用。3、氣體的密度 式中：p氣體的壓強，kPa；R氣體通用常數(shù)，R=8.314 kJ/(kmolK)；T氣體的溫度，K； M氣體的千摩爾質(zhì)量，對混合氣體，kg/kmol；。公式應用前提：氣體的壓強不太高、溫度不太低，可近似為理想氣體。絕對壓強、表壓強及真空度之間的換算：表

10、壓強絕對壓強 大氣壓強 真空度大氣壓強 絕對壓強= 表壓強流量與流速換算：qm（質(zhì)量流量）=qv（體積流量） 混合物的粘度：1、常壓氣體混合物的粘度 式中：yi氣體混合物中i組分的摩爾分數(shù)；i相同溫度下純i組分的粘度Pas；Mii組分的摩爾質(zhì)量kg/kmol。2、液體混合物的粘度 式中：xi液體混合物中i組分的摩爾分數(shù)；i相同溫度下純i組分的粘度Pas。公式應用前提：液體混合物中各組分之間無氫鍵及締合作用。相關(guān)習題解答1-1已知丙酮的比重為0.81，試求其密度和比容。（810，）【解】根據(jù)題意丙酮的密度: 丙酮的比容: 1-2 293K下苯-甲苯混合液，已知苯的質(zhì)量分率為0.4，試求其密度。（

11、872）【解】查表知，在293K下，苯密度，甲苯密度由 則 1-3 已知汽油、煤油、柴油的密度分別為700kg/m3、760kg/m3和900kg/m3，若三種油品混合物中汽油、煤油、柴油的質(zhì)量百分數(shù)分別為20、30和50%，求此混合液的密度。（809）【解】由 得 1-4 試估算CO2在360K和4MPa時的密度和比容。（58.8，0.017）【解】根據(jù)題意密度 比容 1-5 試估算含氮的體積百分率為25%的氮、氫混合氣體在400K和600MPa下的密度。（1530）【解】根據(jù)題意 1-6 某生產(chǎn)設備上真空表的讀數(shù)為100mmHg，試計算設備內(nèi)的絕對壓強與表壓強各為若干kPa；已知該地區(qū)大氣

12、壓力為760mmHg。（115kPa，-13.3 kPa）【解】真空度 = 大氣壓 絕對壓強=表壓強 故 絕對壓強=760mmHg-100mmHg=660mmHg=115kPa 表壓強=-100mmHg=-13.3kPa1-7 某水泵進口管處真空表讀數(shù)為650mmHg，出口管處壓力表讀數(shù)為2.6at。試求水泵前后水的壓強差為多少kPa?多少米水柱?（341.76kPa，34.85m）【解】根據(jù)題意 1-8 某設備進出口壓差為500mmHg，試求該設備進、出口壓差為多少kPa？（66.7kPa）【解】根據(jù)題意 壓差=500mmHg=0.5136009.81=66.7kPa1-9 管子內(nèi)直徑為10

13、0mm，當277K的水流速為2m/s時，試求水的體積流量和質(zhì)量流量。（0.0157 m3/s，15.7kg/s）【解】根據(jù)題意體積流量 因277K下水的密度為1000 kg/m3，故質(zhì)量流量1-10 溫度為300K 的N2在內(nèi)徑為150mm的管道中流動，已知入口處壓強為150kPa，出口處壓強及流速分別為120kPa、20m/s。試求N2的入口處流速及質(zhì)量流速。（16m/s，13.59kg/m2s）【解】根據(jù)題意設入口處N2的密度為1，體積流量為qv1，質(zhì)量流量為qm1，流速為u1，出口處N2的密度為2，體積流量為qv2，質(zhì)量流量為qm2，流速為u2， 則出口處N2的密度 出口處體積流量 出口

14、處質(zhì)量流量根據(jù)質(zhì)量守恒：1u1A=2 u2A1-11 硫酸流經(jīng)由大小管組成的串聯(lián)管路，硫酸的比重為1.83，體積流量為150L/min，大、小管尺寸分別為764mm和573.5mm。試分別求硫酸在小管和大管中的(1)質(zhì)量流量；(2)流速；(3)質(zhì)量流速。（4.575kg/s，1.274、0.6888m/s，2331、1260 kg/m2s）【解】（1）根據(jù)質(zhì)量守恒定律可知，大小管中的質(zhì)量流量相等。即（2）小管中流速 大管中流速（3）小管的質(zhì)量流速大管的質(zhì)量流速第二節(jié) 流體靜力學知識點聚焦流體靜力學是研究靜止流體內(nèi)部各物理量間的定量關(guān)系（即流體靜力學基本方程式）及其應用的學科。流體靜力學基本方程

15、式及其推論：p2p1+(z2z1)g或p=pa + hg對上兩式進行分析可得到的結(jié)論有：在靜止（并連通）的同種流體內(nèi)部，同一水平面上流體的靜壓強相等；在靜止（并連通）的同種流體內(nèi)部，壓強相等的面（稱為等壓面）應同處在一個水平面。液柱壓差計是用玻璃管制作的簡易壓差測量裝置，有正U形管、倒U形管、雙液柱微差計、單管壓差計、斜管壓差計及復式壓差計等，測量精度隨被測流體與指示劑密度差的減小而增大。由于玻璃的耐壓能力較差，故僅適用于常低壓流動系統(tǒng)，并不能完全替代測壓表。惰性組分在工程中系指與工質(zhì)不發(fā)生物理或化學作用的物質(zhì)。液封系指在一定的壓強范圍內(nèi)用液體密封氣相系統(tǒng)的裝置，由于工程上多數(shù)液封過程的密封液

16、為水故又稱為水封。按密封液的流動與否可分為靜液封和動液封兩種；按液封的目的可分為安全液封、阻斷液封（也稱切斷液封）和溢流液封等。（煤）氣柜是一切涉及煤氣化過程的生產(chǎn)工藝（如合成氨生產(chǎn)系統(tǒng)、城市煤氣供應系統(tǒng)等）中必不可少的設備。氣柜的功能有以下幾點：配氣（如空氣煤氣與水煤氣按1：3.013.02混合成半水煤氣）、穩(wěn)壓（出口表壓強恒等于鐘形頂蓋的重量及配重與頂蓋截面積的商）、凈化。計算公式濃縮液柱壓差計測量計算：1、正U形管 式中左端下標1、2分別表示高壓面和低壓面（下同）。應用前提：指示劑密度應大于被測流體密度且相互不發(fā)生作用。2、倒U形管 應用前提：指示劑密度應小于被測流體密度且相互不發(fā)生作用

17、。3、雙液柱微差計 式中右端下標1、2分別表示指示劑1、2，其中R為指示劑1的液面高差。 應用前提：密度應滿足，且指示劑2和被測流體不發(fā)生作用。液柱壓差計測量液位： ，當容器與大氣相通時液封計算通式 相關(guān)習題解答 習題1-12 附圖 習題1-13 附圖1-12 對高30m的塔進行水壓試驗時，在離塔底10m高處的壓力表讀數(shù)為500kPa，當?shù)卮髿鈮毫?00kPa，試求塔底及塔頂處水的絕對壓強。（698.1 kPa，403.8 kPa）【解】根據(jù)題意離塔底10m處水的絕對壓強：p=大氣壓+表壓=100kPa+500kPa=600kPa 塔底處水的絕對壓強為： 塔頂處水的絕對壓強為： 1-13 在

18、本題附圖所示的貯油罐中，盛有密度為960kg/m3的油品，油面高于罐底9.6m，油面上方為常壓。在罐壁下部有一直徑為76Omm的圓孔，其中心距罐底800mm，孔蓋用14mm的鋼制螺釘緊固。若螺釘材料的工作應力取為400at，問至少要用多少根螺釘?（14根）【解】根據(jù)題意孔蓋中心截面處的壓強為： 故孔蓋受力為 每個螺釘?shù)脑试S受力為 故至少需螺釘數(shù)為14（個）1-14 用U管壓差計測定管道兩點間的壓強差。管中氣體的密度為2kg/m3，壓差計中指示液為水，當壓差計中指示液的讀數(shù)為600mm時，管道兩端點間的壓強差是多少？（5.9kPa）【解】根據(jù)題意，壓強差為：1-15 某水管的兩端設置一水銀U管壓

19、差計以測量管內(nèi)的壓差，指示液的讀數(shù)最大值為2cm?，F(xiàn)因讀數(shù)值太小而影響測量的精確度，擬使最大讀數(shù)放大20倍左右，試問應選擇密度為多少的液體為指示液?（1630kg/m3）【解】根據(jù)題意：水銀密度，水密度為。由得： 習題1-16 附圖所以 1-16 如本題附圖所示，用U管壓差計測量某密閉容器中比重為1的液體的液面壓強，指示液為水銀，一端與大氣相通。已知H4m，h1=1m，h21.3m。試求液面上方的表壓強為多少kPa?（10.58kPa）【解】根據(jù)題意設大氣壓強為P0，容器中液體的密度水銀的密度。對U形管左側(cè)： 對U形管右側(cè)：由Pa=Pb 得： 習題1-17 附圖所以液面上方的表壓強為10.58

20、kPa。1-17 某鍋爐用本題附圖所示的復式汞-水壓差計以測量液面上方的蒸汽壓。已知汞液面與基準面距垂直距離分別為h12.3m、h21.2m、h3=2.5m、h4=1.4m，兩U形管間的連接管內(nèi)充滿了水。鍋爐中水面與基準面間的垂直距離h5=3.0m，當?shù)卮髿鈮簭妏a745mmHg。試求鍋爐上方水蒸汽的壓強為多少kPa。（364.3kPa）【解】根據(jù)題意1點處壓強： （1）2點處壓強： （2）3點處壓強： （3）鍋爐上方水蒸氣壓強：（4）將上四式相加并化簡得： 1-18 如圖所示，在密閉容器內(nèi)盛有比重為1.2的液體，已知液面上的壓強p11.26at，當?shù)卮髿鈮簭姙?at；接在容器某點的壓力表其讀

21、數(shù)為0.5at。試問液面到壓力表接口處的距離H為多少米?(2.07m) 習題1-18 附圖【解】根據(jù)題意，液體密度。距液面H處壓強p=0.5at+1at=1.5at由得： 1-19 混合冷凝器在真空下操作，若真空度為600mmHg、當?shù)卮髿鈮簭姙?60mmHg。試計算：(1)設備內(nèi)的絕對壓強為多少kPa？(2)如果此設備管子下端插入水池中，管中水柱高度H為多少m？（21.33kPa，8.153m）【解】(1)根據(jù)題意 設備內(nèi)絕對壓強p =大氣壓真空度=760mmHg600mmHg=160mmHg=21.33kPa(2)由靜力學基本原理有 習題1-19 附圖 習題1-20 附圖1-20 有一內(nèi)徑

22、為18m的水煤氣柜(如附圖)。其鐘罩及加重物共重為150噸，若不計水對鐘罩的浮力。試求：(1) 氣體的壓強要達到多少才能將罐頂起（已知當?shù)卮髿鈮簭姙?60mmHg）?(2) 煤氣量增加時罐中氣體的壓強是否增加？為什么？(3) 內(nèi)外水面差h為多少m？（102.746kPa，不增加，0.148m）【解】（1）根據(jù)題意 當?shù)卮髿鈮簭姙閜 0=760mmHg=101.3kPa鐘罩及加重物壓強p=kPa故柜中氣體承受的壓強為p = p+ p 0=102.746 kPa即氣體的壓強要達到102.746 kPa才能將罐頂起。（2）煤氣量增加時罐中氣體的壓強沒有增加。因為根據(jù)鐘罩及加重物受力平衡原理，氣體的壓

23、強應等于大氣壓加鐘罩及加重物壓強，所以氣體的壓強應保持不變。煤氣量增加時，氣體壓強沒有增加，但氣體的體積增加。（3）由得：內(nèi)外水面差h為： m第三節(jié) 流體動力學知識點聚焦流動系統(tǒng)的能量類型：能量類型說明1Kg流體為基準（J/kg）1N流體為基準（J/N或m，俗稱壓頭）流體自身的能量內(nèi)能是貯存于物質(zhì)內(nèi)部的能量；是物體內(nèi)部如分子、原子、電子等所含能量的總和。其大小主要取決于流體的種類和溫度，當種類及溫度一定時內(nèi)能恒定。UU/g流體的機械能位能又稱勢能，是因流體處于地球重力場內(nèi)而具有的能量。其值等于將流體自基準水平面升舉到所在高度所需作的功。gzz動能是因流體按一定速度運動而具有的能量。數(shù)值等于將流

24、體由初速度為零加速到現(xiàn)有速度所需作的功。靜壓能是流體因存在有一定的靜壓強而具有的能量，又稱壓強能、流動功。其值等于將流體自絕對壓強為零增壓到現(xiàn)有壓強所需做的功。p/p/g與環(huán)境交換的能量功指流體通過系統(tǒng)中串接的做功設備獲得的能量或?qū)Νh(huán)境做的功。這里往往是指系統(tǒng)要求串接的作功設備對單位質(zhì)量流體提供的能量。We熱系指流體通過系統(tǒng)中串接的傳熱設備與環(huán)境交換的熱量。QQ/g損失能指流體在流動過程中因克服系統(tǒng)阻力所損耗的能量。hf柏努利方程穩(wěn)定流動系統(tǒng)的能量衡算方程；最早由柏努利根據(jù)穩(wěn)定流動系統(tǒng)的能量守恒性，以理想流體（即無流動阻力的流體）為研究對象導出。由于理想流體與實際流體間存在較大的差異，故本教材

25、中主要討論實際流體的能量衡算方程，即拓展的柏努利方程式及其應用。計算截面及其選擇原則計算截面是界定系統(tǒng)起點（1-1/）和終點（2-2/）的兩個截面。計算截面的選取是應用柏努利方程式的關(guān)鍵，選擇原則有以下幾點：所選計算截面必須和流體的流動方向相垂直；所選擇的計算截面（上）應包含所需求解的未知量；所選擇的計算截面上的物性參數(shù)及系統(tǒng)能量損失等要盡可能已知；以流入系統(tǒng)截面為1-1/截面、以流出系統(tǒng)截面為2-2/截面?；鶞仕矫婕次荒転榱愕拿妗Ｓ捎谖荒転橐幌鄬α浚市枰?guī)定一基準水平面作為位能的零起點。為簡化計算起見，人們通常采用低位計算截面位能為零的原則來選定基準水平面。高位槽供液系統(tǒng)是利用位差將液體的

26、位能轉(zhuǎn)化動能從而實現(xiàn)供液的裝置，在常壓生產(chǎn)系統(tǒng)對液體流量的要求很嚴或批量供液時廣泛使用。流程為用泵先將液體由貯槽送至高位槽直至溢流（溢流的液體通過接管返回到貯槽），然后控制在供液流量略小于泵工作流量的條件下對系統(tǒng)供液，從而使得槽面的高度恒定。顯然，當系統(tǒng)及流體的物性一定時，高位槽供液系統(tǒng)的流量恒定。軸功率、有效功率、機械效率軸功率是指做功機械自驅(qū)動設備獲得的功率；有效功率是指做功機械在單位時間內(nèi)對工質(zhì)（流體）做的有效功；機械效率則是指有效功率與軸功率的比值。由于輸送機械在工作過程中存在機械能損失，所以機械效率恒小于1。車間供液系統(tǒng)指車間內(nèi)的批量供液裝置，特點是距離短、間歇性操作。多采用生產(chǎn)系統(tǒng)

27、中的壓縮氣體為動力，以節(jié)省設備投資和減少場地的占用。計算公式濃縮部分拓展的柏努利方程式：1、以1kg流體為基準 J/kg2、以1N流體為基準（即以壓頭形式表示） J/kg或m應用前提：系統(tǒng)為不涉及化學變化、溫度變化和熱量傳遞的穩(wěn)定、不可壓縮流動系統(tǒng)。有效功率計算式： （W或kW）習題1-22 附圖機械效率計算： 相關(guān)習題解答1-21 水經(jīng)過內(nèi)徑為200mm的管子由蓄水池送往用水點，已知：水池水面高于排出管端25m，且維持水池中水位不變。設管路壓頭損失為24.8mH2O（不包含管出口處），試求管子的排水量為多少m3/h?（223.9m3/h）【解】根據(jù)題意，選取水池液面為1-1/、排出管口內(nèi)側(cè)為

28、2-2/；選取排出管端水平面為基準面。在兩截面間列柏努利方程則有將z=25m，Hf =248m 代入得 u2=1.981m/s故管子的排水量為：m3/h1-22 本題附圖為冷凍鹽水循環(huán)系統(tǒng)示意圖。鹽水的密度為1100kg/m3，循環(huán)量為36m3/h。已知自A處經(jīng)換熱器至B處的總摩擦阻力為98J/kg，自B處至A處的為49J/kg。試求循環(huán)泵的有效功率為多少kW?（1.617kW）【解】根據(jù)題意，選取A截面右側(cè)為1-1 截面， 選取A截面左側(cè)為2-2截面。即自A、換熱器到B再自B經(jīng)泵到A形成循環(huán)系統(tǒng)。則有 z1= z2；u1= u2；p1=p2；hf =98+49=147J/kg。在兩截面間列柏

29、努利方程，即 代入數(shù)值得：We=147J/kg故有效功率為：1-23 用泵將水從水池送到水洗塔頂部。塔內(nèi)的工作壓強為4at(表壓)，水池的水面在地面以下3m保持恒定，塔頂水出口高出地面12m。水從水管進口到塔頂出口的壓頭損失估計為10mH2O。問此泵對水提供的有效壓頭應為多少米?（65m）【解】根據(jù)題意，取水池水面為截面1-1，水洗塔頂部為截面2-2，并選取截面1-1為基準水平面。則z1=0，z2=3m+12m=15m； u1= u2=0；p 1=0(表壓)， p 2=4at(表壓)；Hf =10m。在兩截面間列柏努利方程 代入上述數(shù)值得： 習題1-24 附圖1-24 本題附圖為CO2水洗塔供

30、水系統(tǒng)。水洗塔內(nèi)的絕對壓強為2100kPa，貯槽水面絕對壓強為300kPa。塔內(nèi)水管與噴頭連接處高于水面20m，管路為572.5mm的有縫鋼管，送水量為15m3/h。塔內(nèi)水管與噴頭連接處的絕對壓強為2250kPa。設自貯槽至噴頭連接處的能量損失為49J/kg，試求水泵的有效功率。（9.15kW）【解】根據(jù)題意，取貯槽水面為截面1-1，塔內(nèi)水管與接頭連接面為截面2-2，并選取截面1-1為基準水平面。在兩截面間列柏努利方程，即 已知：z1=0， u1=0，P1=300kPa (絕壓)； z2=20m，P2=2250kPa (絕壓) ，hf =49J/kg，；將上述數(shù)值代入柏努利方程得：有效功率1-

31、25 用壓縮空氣將封閉貯槽中的硫酸輸送到高位槽。在輸送結(jié)束時，兩槽的液面高差為4m，硫酸在管中的流速為1m/s，管路的能量損失為16J/kg，硫酸的密度為1800kg/m3。求貯槽中應保持多大的壓力?（表壓強為99.36kPa）【解】根據(jù)題意，取封閉槽內(nèi)液面為截面1-1，高位槽內(nèi)液面為截面2-2，并選取截面1-1為基準水平面。在兩截面間列柏努利方程，即 已知：z1=0，u1=0，z2=4m，p 2=0（表），hf =16J/kg，=1800kg/m3，u2=0，We=0。將上述數(shù)值代入柏努利方程得：（表） 1-26 甲烷在一內(nèi)徑由200mm逐漸縮小到100mm的水平變徑管中流過。在變徑管的粗細

32、兩端連有一U管壓差計以測量甲烷氣體的流量，指示液為水。設逐縮過程的能量損失為零，甲烷的密度為0.645kg/m3。問當U形管兩側(cè)的指示液水面差為50mm時，管路中甲烷氣體的流量是多少m3/h？（1138m3/h）【解】根據(jù)題意，取內(nèi)徑為200mm管端口面為截面1-1/，取內(nèi)徑為100mm管端口面為截面2-2。對此問題可用教材導出公式計算（詳見例1-14）。即 （1-31）將已知數(shù)值代入即可求出細管端的流速為：所以，在本題情況下該管路中甲烷氣的流量為第四節(jié) 管流過程知識點聚焦流體阻力的形成原因流體阻力只是在流體流動時存在，當流體靜止時阻力消失。形成流體阻力的主要原因有：1、內(nèi)摩擦作用；2、渦流的

33、生成。兩種典型的流動型態(tài)層流與湍流，最早由雷諾于1883年用實驗揭示。層流狀態(tài)一般在低流速過程發(fā)生，故又稱滯流和粘流。特點是質(zhì)點的運動軌跡只有管軸向運動無徑向運動，在半徑相同的圓周上質(zhì)點的運動速度相同，故稱層流。湍流過程一般在較高流速過程發(fā)生，其特點是質(zhì)點運動軌跡雜亂無章，既有整體的軸向運動又有無規(guī)則的徑向運動并伴隨有渦流，故又稱紊流。雷諾準數(shù)與流動型態(tài)判斷雷諾準數(shù)Re（），簡稱雷諾數(shù)，為一無因次數(shù)群。對管流過程，雷諾數(shù)在2000以內(nèi)時一般為層流；雷諾數(shù)在4000以上時為湍流。流體力學當量直徑指與非圓形管具有相同流體阻力的圓管內(nèi)徑，m。流動邊界層概念流動邊界層指顯著存在速度梯度的區(qū)域，簡稱邊界

34、層。對管內(nèi)湍流過程，近壁面處的層流薄層即為流動邊界層，又稱層流內(nèi)層或?qū)恿鞯讓?。當流體因流動截面形狀或方向突然改變時（如拐彎），層流底層下緣的附面層在慣性的作用下自壁面飛離，速度由0突變，此現(xiàn)象稱為邊界層分離現(xiàn)象。在邊界層分離的同時會伴生渦流，造成能量損失，流體在通過彎頭、閥門等裝置時均會不同程度地發(fā)生邊界層分離現(xiàn)象，是造成局部阻力損失的主要原因。計算公式濃縮流體力學當量直徑： m管內(nèi)層流狀態(tài)下的速度分布：1、速度分布函數(shù) 2、管中心處最大流速 3、平均流速 湍流過程平均流速與中心最大流速間的關(guān)系：u=0.82 umax相關(guān)習題解答1-27 283K的水在內(nèi)徑為25mm的鋼管中以1m/s的速度流

35、動，試計算其Re數(shù)值并判定其流動型態(tài)。（19151，湍流）【解】根據(jù)題意查表得： 283K下水的密度，粘度（湍流）1-28 由一根內(nèi)管及外管組合成的套管換熱器中，已知內(nèi)管為251.5mm，外管為452mm。套管環(huán)隙間通以冷卻用鹽水，其流量為2500kg/h密度為1150kg/m3，粘度為1.2cP。試判斷鹽水的流動型態(tài)。（7017，湍流）【解】根據(jù)題意已知密度=1150kg/m3 ，粘度=1.2cP。（湍流）1-29 套管冷卻器由892.5mm和572.5mm的鋼管構(gòu)成。空氣在細管內(nèi)流動，流速為1m/s，平均溫度為353K，絕對壓強為2atm。水在環(huán)隙內(nèi)流動，流速為1m/s，平均溫度為303K

36、。試求：(1)空氣和水的質(zhì)量流量。(2)空氣和水的流動型態(tài)。（kg/s、2.988kg/s，3437、104842，過渡區(qū)、湍流）【解】（1）根據(jù)題意，有空氣的密度空氣的質(zhì)量流量水的質(zhì)量流量（2）查表得：在353K下空氣的粘度1=3.0210-5Pas，在303K下，水的粘度2=801.210-6 Pas對空氣：(過渡區(qū))對水：因水在套管環(huán)隙流動，4000(湍流)第六節(jié) 管流系統(tǒng)的能量損失知識點聚焦直管阻力損失與局部阻力損失直管阻力損失是指流體在流經(jīng)直管過程中造成的機械能損失，又稱沿程阻力損失；流體在通過局部障礙物（如管件、閥門、設備、流量測量儀表等）時因克服阻力所損失的能量稱為局部阻力損失。

37、系統(tǒng)能量損失管流系統(tǒng)的能量損失為系統(tǒng)直管阻力損失和所有局部障礙物的局部阻力損失之和。系統(tǒng)能量損失與管中流體的走向無關(guān)，而壓強降與管中流體的走向有關(guān)。絕對粗糙度與相對粗糙度絕對粗糙度是指管壁凸起及下洼部分的平均高度，以表示之；相對粗糙度是指絕對粗糙度與管內(nèi)徑的比值，即/d。對絕對粗糙度相同的管道，直徑小的對流體運動的干擾作用影響大，故應采用相對粗糙度來衡量。光滑管與粗糙管玻璃管、銅管、鉛管、塑料管等由于其材質(zhì)及制作工藝的因素表面較為光潔，粗糙程度極小，對摩擦因數(shù)的影響可忽略，稱為光滑管；而把包括鋼管和鑄鐵管在內(nèi)的其余管材稱為粗糙管。摩擦因數(shù)直管阻力損失計算通式（范寧公式）中的系數(shù)，無因次。對層流

38、過程及光滑管中的湍流過程，摩擦因數(shù)僅為雷諾數(shù)的函數(shù)；對粗糙管湍流過程，摩擦因數(shù)不僅與雷諾數(shù)有關(guān)同時還與管子的相對粗糙度有關(guān)。過渡區(qū)的摩擦因數(shù)為保險起見常按湍流考慮。莫迪圖實測的-Re-/d關(guān)系曲線圖，可劃分為四個區(qū)域：層流區(qū)、過渡區(qū)、湍流區(qū)、充分湍流區(qū)。其中充分湍流區(qū)的摩擦因數(shù)僅隨管子的相對粗糙度變化，由范寧公式可知，此時對一定的管子其直管阻力損失僅與流速的平方成正比，故又稱阻力平方區(qū)。局部阻力損失計算方法當量長度法、阻力系數(shù)法。當量長度法是一種通過引入當量長度（指與某局部障礙物具有相同能量損失的直管長度）的概念，將局部阻力損失轉(zhuǎn)化成直管阻力損失計算的方法。阻力系數(shù)法是一種將流體通過局部障礙物

39、的能量損失看作是動能的倍數(shù)（阻力系數(shù)）的簡化計算方法。相對而言，阻力系數(shù)法比較簡便快捷但計算精度不高，適合工程估算。計算公式濃縮水平等徑直管中的能量損失和壓強降計算關(guān)系：1、 J/N或m 2、 Pa流體在水平等徑直管中作層流運動時的壓強降計算公式（哈根帕謖葉方程）： Pa直管阻力損失的計算通式（范寧公式）：1、直管壓頭損失 J/N或m2、直管直管能量損失 J/kg摩擦因數(shù)計算式：1、管內(nèi)流體作層流運動時（） =2、光滑管中流體湍流時（） （柏勞修斯方程）局部阻力損失計算：1、當量長度法 J/N或m J/kg2、阻力系數(shù)法 J/N或m J/kg單一管路（指直徑不變無分支的管路）系統(tǒng)的能量損失計算

40、：1、局部阻力損失采用當量長度法 J/N或m J/kg2、局部阻力損失采用當量長度法 J/N或m J/kg1-35 某流體在光滑圓直管中作湍流運動，若管長及管徑均不變而流量增至原有的2倍，兩種情況下的摩擦因數(shù)均可用柏拉修斯公式計算，問因流動阻力產(chǎn)生的能量損失為原來的若干倍?（3.364）【解】根據(jù)題意 故當流量增至原有的2倍后流動阻力損失增至為原來的21.75=3.364倍。1-36 如本題附圖所示，用泵將溫度為293K的冷卻水由水池送至冷卻塔。已知：水池比地面低2m，吸入管路為長10m的1144mm鋼管并設有1個90o標準彎頭、1個吸濾閥；排出管路為總長36m的1144mm鋼管并設有2個90

41、o標準彎頭、1個閘閥(1/2開)；噴嘴與管子連接處離地面高24m，塔內(nèi)壓強為700mmH2O(表壓)，噴嘴進口處的壓強比塔中高0.1at。若要求輸送流量為56m3/h，求泵的理論功率。（6.205kW） 習題1-36 附圖 習題1-37 附圖【解】根據(jù)題意，取水池液面為截面1-1，噴嘴進口處為截面2-2，并選取截面1-1為基準水平面。在兩截面間列柏努利方程，即 已知在293K下，水的粘度=1.00510-3 Pas，水的密度=998.2kg/m3由于流速 m/s=1857194000(湍流)查表取鋼管的粗糙度為0.2mm，則 /d=0.2/106=0.0019查摩擦因數(shù)圖得=0.025直管阻力

42、壓頭損失為：查表得局部當量長度為：1個1/2開的閘閥：le/d=2003個90o標準彎頭：le/d=335=1051個吸濾閥：le/d=70局部壓頭損失為：1.49m故Hf =1.49+1.72=3.21m將z1=0，z2=2+24=26m；p1=0（表），；u1=0，u2=1.764m/s代入柏努利方程得：He =31.07m泵的理論功率 1-37 如本題附圖所示，用泵將密度為1073kg/m3、粘度為0.63cP的某溶液從反應器以20t/h的流量送至高位槽。已知：反應器液面上保持200mmHg的真空度，高位槽液面上方為大氣壓，兩液面間的垂直距離為15m；輸送管道為總長50m的764mm的鋼

43、管，并設有2個全開的閘閥、1個孔板流量計(局部阻力系數(shù)為4)、5個90o標準彎頭。若泵的機械效率為70%，求泵的軸功率。（1.619kW）【解】根據(jù)題意，取反應器內(nèi)液面為截面1-1/，高位槽內(nèi)液面為截面2-2/，并選取截面1-1/為基準水平面。在兩截面間列柏努利方程，即 由于流速 1.426m/s4000(湍流)查表取鋼管的粗糙度為0.2mm，則 /d=0.2/68=0.0029，查摩擦因數(shù)圖得 =0.028。直管阻力壓頭損失為：2.13m1個孔板流量計壓頭損失為：0.41m查表確定其余局部障礙物的當量長度：2個全開的閘閥：le/d=275個90o標準彎頭：le/d=535管子進、出口：le/

44、d=20+40=60局部壓頭損失為：故 Hf =0.41+0.72+2.13=3.26m將z1=0，z2=15m，p1=-200mmHg（表），p2=0（表），u1=u2=0，=1073 kg/m3代入柏努利方程得：有效功率泵的軸功率第七節(jié) 管路計算知識點聚焦化工管路及分類管路在化工生產(chǎn)中的地位就相當于人體內(nèi)的血管一樣重要,化工廠中的管路費用約占工廠總投資的1/3左右。管路按有無分支可分為簡單管路和復雜管路：簡單管路無分支管路，根據(jù)管徑有無變化分為單一管路和串聯(lián)管路。其中單一管路為最基本的管路，其它管路可看作是單一管路的串、并聯(lián)結(jié)果。復雜管路有分支管路，根據(jù)支管的閉合與否可分為分支管路和并聯(lián)管

45、路，由于企業(yè)的復雜管路系統(tǒng)猶如網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，故并聯(lián)管路和分支管路又分別稱為環(huán)狀管網(wǎng)和樹狀管網(wǎng)。重要的管路通常為并聯(lián)管路，以有利于提高能量的綜合利用、減少因局部故障所造成的影響?；す苈返幕緲?gòu)成管子、管件（起延長、改變流向和管徑等作用）、閥門（調(diào)節(jié)系統(tǒng)流量）。管子連接方法有螺紋連接（如通過管箍連接）、承插連接（管子的一端擴大成鐘形，使一根管子的平頭可以插入、環(huán)隙中填塞填充料和膠合劑）、焊接、法蘭連接四種。試差法是常用工程計算方法之一，在計算關(guān)系數(shù)目少于未知量數(shù)目時采用。試差原理是：（1）假設變化范圍較小的未知量為某常數(shù)；（2）應用計算關(guān)系確定其它的未知量；（3）檢驗假設成立與否，直至吻合為止。如管

46、路計算中先設值為常數(shù)（通常=0.020.03），后用計算關(guān)系式或計算出u或d，再由Re、/d查莫狄圖得到并與假設值進行比較，直至兩者吻合為止。計算公式濃縮并聯(lián)管路的相關(guān)計算關(guān)系式：1、主管流量等于各支管流量之和 對不可壓縮流體則有 2、流體在各支管中的壓差相等 3、流體在各支管中的壓頭損失相等 分支管路的相關(guān)計算關(guān)系式：1 主管流量等于各支管流量之和；4 單位質(zhì)量流體在各支路出口端的總機械能與支路中的能量損失之和相等，且等于單位質(zhì)量流體在支路入口端的總機械能，即相關(guān)習題解答1-40 密度為1600kg/m3、粘度為2cP的某溶液流經(jīng)802.5mm的鋼管。為測定流量，在管路中裝有標準孔板流量計，

47、用U管水銀壓差計以角接取壓法測量孔板兩側(cè)壓強差，若溶液的最小流量為300L/min。試確定孔板規(guī)格。（37.5mm）【解】根據(jù)題意67941由67941查圖得A0/A1=0.25，C0=0.625故孔板的孔徑為37.5mm第二章 流體輸送機械第一節(jié) 離心泵知識點聚焦離心泵的主要構(gòu)成泵體、葉輪。泵體形似蝸牛外殼，故又稱蝸殼、泵殼，輪廓為漸開線，除包覆液體的功能外是一能量轉(zhuǎn)換構(gòu)件，可使液體在逐漸放大的流道中將通過葉輪獲得的動能向靜壓能轉(zhuǎn)化，至出口處壓強達到最大值。 葉輪上一般有612個彎曲方向與葉輪的旋轉(zhuǎn)方向相反的葉片（稱為后彎形葉片），葉片后彎便于液體進入泵體與葉輪外緣間的流道。根據(jù)葉輪的結(jié)構(gòu)不

48、同可分為閉式、半閉式和敞（開）式三種，分別適用于不同液體的輸送。離心泵的軸（密）封裝置密封泵軸與泵體間隙的裝置，有填料（函）密封和機械密封兩類。作用是將泵軸與泵體之間留有的間隙封住，以確保泵軸的自由轉(zhuǎn)動，同時防止高壓液體沿軸外漏以及外界空氣吸入泵內(nèi)。離心泵的“氣縛”現(xiàn)象指因離心泵內(nèi)有氣體導致不能正常抽排液體的現(xiàn)象。當離心泵內(nèi)有氣體時，因氣體的密度小、隨葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力小，葉輪中心不能形成足夠的負壓將貯槽中的液體吸入。因此，離心泵在啟動之前必須經(jīng)過“灌泵”排氣操作。離心泵的操作步驟： 以上步驟不得有絲毫差錯，以確保離心泵正常操作，減少事故概率。離心泵的揚程與系統(tǒng)外加壓頭離心泵的揚程H是指泵對

49、1N流體具有的實際做功能力；第一章中的外加壓頭He是指系統(tǒng)對做功設備提出的做功能力要求，即為滿足輸送要求，系統(tǒng)串接的做功設備對1N流體應具有的做功能力。所以，泵的選用要滿足系統(tǒng)的外加壓頭要求為前提。離心泵的特性曲線離心泵出廠前用20清水在10mH2O的壓強條件下標定的曲線，包括-、及-曲線。由-可知，離心泵的揚程隨輸出流量的增加而降低；由可知，在流量為0的條件下泵的功耗最小，故為保護設備起見離心泵應在關(guān)閉出口閥的狀態(tài)下啟動；由-可知，離心泵存在最高效率點。將最高效率的92及以上區(qū)域稱為離心泵的高效率區(qū)。為確保離心泵使用的經(jīng)濟性，離心泵的選用應控制在高效率區(qū)。離心泵的吸上高度又稱安裝高度，指貯槽

50、液面至泵吸入口中心處的垂直距離。離心泵的安裝高度存在一定的限制，高度應以確保離心泵不發(fā)生氣蝕現(xiàn)象為前提，相應的吸上高度稱為允許吸上高度。離心泵的氣蝕現(xiàn)象是由于葉輪中心處液體沸騰造成的對離心泵的破壞以及不能正常工作的現(xiàn)象。隨著離心泵吸上高度的增加，泵入口處的壓強將逐漸減小，當減小到等于輸送溫度下液體的飽和蒸氣壓時，液體將在泵的吸入口附近沸騰氣化并產(chǎn)生大量的氣泡；這些氣泡隨同液體從泵低壓區(qū)流向高壓區(qū)后，在高壓作用下迅速凝結(jié)或破裂，此時周圍的液體以極高的速度沖向原氣泡所占據(jù)的空間，在沖擊點處產(chǎn)生的瞬間壓強可高達數(shù)十兆帕，沖擊頻率可高達幾萬至幾十萬赫茲；由于巨大的沖擊作用使泵體震動并產(chǎn)生噪音，且葉輪局

51、部處在巨大沖擊力的反復作用下，使材料表面疲勞，從開始的點蝕到生成裂縫，最終形成海綿狀物質(zhì)剝落，使葉輪或泵體受到破壞。此外，由于產(chǎn)生的氣泡占據(jù)了液體流道的部分空間，將導致泵的流量、揚程及機械效率下降，嚴重時并發(fā)“氣縛”現(xiàn)象導致泵不能正常工作。這種現(xiàn)象稱為離心泵的“氣蝕現(xiàn)象”。允許氣蝕余量系指離心泵在保證不發(fā)生氣蝕現(xiàn)象的前提下，離心泵入口處的靜壓頭與動壓頭之和與操作溫度下的飽和蒸氣壓頭之差的最小值。離心泵的允許吸上真空（高）度HS用20的清水在10mH2O的壓強條件下實驗測定的離心泵即將發(fā)生氣蝕或剛開始氣蝕時泵入口處的真空度，m。離心泵的工作點與調(diào)節(jié)離心泵的工作點是指離心泵在實際工作過程中的流量與

52、揚程；即泵特性曲線-與管路特性曲線交點的坐標值。其調(diào)節(jié)方法有兩種：泵特性曲線調(diào)節(jié)法（通過改變泵的葉輪直徑或轉(zhuǎn)速實現(xiàn)）、管路特性曲線調(diào)節(jié)法（通過改變閥門的開度實現(xiàn)），實用中以后者居多。離心泵的串并聯(lián)操作多泵串聯(lián)操作的總揚程必低于單泵揚程與泵數(shù)目的乘積；多泵并聯(lián)后的總流量必低于單泵流量與泵數(shù)目的乘積。管路特性方程式中B值較小的管路稱為低阻管路，低阻管路系統(tǒng)采用并聯(lián)操作時流量增幅大些。反之，對高阻管路系統(tǒng)采用串聯(lián)操作時流量增幅大些。離心泵的操作程序關(guān)閉底閥、開啟出口閥灌泵排氣關(guān)閉出口閥啟動開啟底閥逐漸開啟出口閥調(diào)節(jié)至正常流量關(guān)閉出口閥關(guān)閉底閥停機。常用離心泵的類型與型號表示方法：系列代號泵型說明型號

53、表示實例說明清水泵IS型單級單吸懸臂式IS50-32-200IS表示泵的型式，其后的50為吸入口徑（mm，下同），32為排出口徑，200為葉輪直徑。D型節(jié)段多級式D12-253D表示泵的型式，其后的12表示公稱流量（泵最高效率點流量的整數(shù)值，m3/h）；25表示泵最高效率點的單級揚程，m；乘號之后的數(shù)字表示級數(shù)，即該泵在最高效率點時總揚程為75m。Sh型單級雙吸式100S90A100表示吸入口的直徑，mm；S表示泵的類型為雙吸式離心泵；90表示該泵安裝標準葉輪并處于最高效率時的揚程，m；字母A為葉輪切割序號，表示該泵中的葉輪是由標準葉輪經(jīng)過1次標準切割（若為 B則經(jīng)過2次標準切割，無字母表示未經(jīng)切割）。F型離心式耐腐蝕泵25FB-16A25代表吸入口的直徑，mm；F代表耐腐蝕泵；其后的字母為液體接觸部件材料代號，如B代表所用材料為1Cr18Ni9不銹鋼；16表示該泵安裝標準葉輪并處于最高效率時的揚程，m；A為葉輪切割序號，表示該泵裝配的是比標準直徑小1號的葉輪。Y型離心式油泵80Y1002A其中80表示泵的吸入口直徑為80mm；Y表示單吸離