熱工與流體力學(xué)第11章課件

第十一章

管路計(jì)算7/26/2023學(xué)習(xí)導(dǎo)引

管道與附屬件連接起來組成的流體輸送系統(tǒng)稱為管路。制冷空調(diào)工程和熱能動(dòng)力工程離不開各種管路系統(tǒng)，本章綜合運(yùn)用前面學(xué)過的連續(xù)性方程、伯努利方程和能量損失計(jì)算式來討論工程上常見管路的流動(dòng)規(guī)律，主要介紹了簡單管路與串聯(lián)、并聯(lián)管路和管網(wǎng)的計(jì)算原理與工程應(yīng)用。

7/26/2023學(xué)習(xí)要求

本章的重點(diǎn)是簡單管路和串、并聯(lián)管路的管路計(jì)算，通過學(xué)習(xí)應(yīng)達(dá)到以下要求：1.理解各種管路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，能正確劃分不同形式的管路。2.理解長管和短管的含義，掌握判斷方法。3.充分理解管路阻抗的概念和意義，掌握管路阻抗的計(jì)算方法。4.掌握簡單管路的流動(dòng)規(guī)律，并能熟練應(yīng)用于求解工程實(shí)際問題。5.熟悉串聯(lián)和并聯(lián)管路的特點(diǎn)，掌握其流動(dòng)規(guī)律，能對(duì)串聯(lián)和并聯(lián)管路進(jìn)行計(jì)算。6.了解枝狀管網(wǎng)和環(huán)狀管網(wǎng)的特點(diǎn)及流動(dòng)規(guī)律，初步掌握枝狀管網(wǎng)的計(jì)算方法。7/26/2023本章難點(diǎn)1.管路阻抗是為簡化管路能量損失而引入的一個(gè)參數(shù)，它綜合反映了管路沿程阻力與局部阻力情況，管路阻抗的應(yīng)用是為管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)，是工程計(jì)算的需要。充分理解管路阻抗的概念和意義，掌握管路阻抗的計(jì)算方法有一定難度，應(yīng)結(jié)合例題與習(xí)題加強(qiáng)練習(xí)。2.實(shí)際工程中，對(duì)串、并聯(lián)管路和枝狀管網(wǎng)進(jìn)行分析和計(jì)算需要一定的技巧，會(huì)有一定的難度，應(yīng)結(jié)合例題與習(xí)題加強(qiáng)練習(xí)。7/26/2023

第一節(jié)簡單管路計(jì)算復(fù)雜管路——串聯(lián)管路、并聯(lián)管路和管網(wǎng)

管路計(jì)算是工程上確定流量、阻力損失及管道幾何尺寸之間關(guān)系的水力計(jì)算。

根據(jù)管路的沿程損失與局部損失的大小將管路分為

:長管

根據(jù)管路敷設(shè)方式可將管路分為:

簡單管路

一、基本概念短管

7/26/20231.簡單管路所謂簡單管路就是具有相同管徑d、相同流量qV和相同管壁粗糙度的管段，它是組成各種管路系統(tǒng)的基本單元。圖11-1簡單管路

7/26/20232.長管和短管

管路中的流體能量損失以沿程損失為主，局部損失占流體總能量損失的比重很小，可以忽略不計(jì)，或可按沿程損失的5％～10％進(jìn)行估算，這樣的管路稱為長管。

管路中局部損失具有相當(dāng)?shù)臄?shù)值，可達(dá)到或超過沿程損失的10％，局部損失不能忽略不計(jì)的管路。

(1)長管

(2)短管如城市集中供熱干線、給水干線、遠(yuǎn)距離輸油管路等如室內(nèi)供熱管、通風(fēng)空調(diào)管等

工程上常將L/d＜1000的管路按短管處理。工程上常將L/d≥1000的管路按長管處理。7/26/20233.標(biāo)準(zhǔn)管徑與限定流速各種工業(yè)管道的管徑均按統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)制造，因此都有一定的規(guī)格。在進(jìn)行管路計(jì)算時(shí)，管道的管徑應(yīng)按規(guī)格選取，即應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化。

(1)標(biāo)準(zhǔn)管徑表11-1列出了流體輸送常用鋼管的規(guī)格尺寸。

各種工業(yè)管道的規(guī)格可在有關(guān)手冊(cè)中查得。

7/26/2023所謂限定流速，是工程中根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)要求所規(guī)定的合適流速，也即管道造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用之和相對(duì)較低的流速。

(2)限定流速表11-2列出了一些流體在管路中的常用流速范圍。在管路計(jì)算時(shí)，應(yīng)使管道內(nèi)流體的流速在限定流速范圍內(nèi)。

7/26/2023對(duì)于簡單管路，v沿程不變

故管路的壓頭損失Hw為

令

d、qV

不變（s2/m5）

（m）

二、簡單管路計(jì)算的基本公式7/26/2023管路的能量損失為管路的壓力損失為（Pa）

多用于不可壓縮的氣體管路計(jì)算中，如空調(diào)、通風(fēng)管道算

（J/kg）

簡單管路的計(jì)算7/26/2023從式可以看出，對(duì)于給定的流體（即一定）和管道（即L、d一定），在各種局部管件已定，即已定的情況下，S僅隨變化，而值與流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，當(dāng)流體流動(dòng)處于湍流粗糙區(qū)時(shí)，僅與相對(duì)粗糙度K/d有關(guān)。在工程實(shí)際中，大多數(shù)流動(dòng)處于湍流粗糙區(qū)，所以在管材已定的情況下，可視為常數(shù)。因此，S對(duì)于給定的管路是一個(gè)定數(shù)，它綜合反映了管路沿程阻力與局部阻力情況，故稱為管路阻抗。式（11-2）至（11-4）表明，在簡單管路中，總能量損失與體積流量的平方成正比。這一規(guī)律在管路計(jì)算中廣為應(yīng)用。7/26/2023三、簡單管路計(jì)算示例（1）已知管徑、管長、管件和閥門的設(shè)置及允許的能量損失，求流體的流速或流量。

例11-1如圖11-1（b）所示，水從的水箱A中經(jīng)管路排入大氣中。已知：水箱液面至管路出口的高度差保持不變，H5m，管路的總長度L50m，直徑d100mm，沿程阻力系數(shù)0.038，管路上裝90的標(biāo)準(zhǔn)彎頭3個(gè)，閘板閥1個(gè)，試求管路流量。7/26/2023解：取水箱液面為1—1截面，管路出口外側(cè)為2—2截面，取水平基準(zhǔn)面通過2—2截面。在1—1與2—2截面間列伯努利方程由題意知：z1H，v1v20，

p1p20（表壓），He0，z20，因?yàn)?，故按短管?jì)算，根據(jù)式（11-1）

7/26/2023查附表13，當(dāng)d100mm時(shí)，90彎頭的局部阻力系數(shù)11，閘板閥的局部阻力系數(shù)20.1，管道進(jìn)口局部阻力系數(shù)30.5，管道出口局部阻力系數(shù)41，代入上式（s2/m5）

將上述所有值代入伯努利方程，得

所以

（m3/s）

7/26/2023（2）已知管徑、管長、管件和閥門的設(shè)置及流體的輸送量，求流體通過該管路系統(tǒng)的能量損失，以便進(jìn)一步確定設(shè)備內(nèi)的壓力、設(shè)備之間的相對(duì)位置或輸送設(shè)備所加入的外功。

例11-2

有一鋼板制的風(fēng)道，管徑d300mm，管長L60m，送風(fēng)量qV1.5m3/s，空氣溫度20℃時(shí)密度1.205kg/m3，運(yùn)動(dòng)黏度15.710-6m2/s，風(fēng)道局部阻力系數(shù)總和3.5，試求壓力損失。解：，按短管計(jì)算

風(fēng)道流速

（m/s）

7/26/2023雷諾數(shù)

，為湍流流動(dòng)

查表10-1管道絕對(duì)粗糙度K0.15mm，相對(duì)粗糙度為

查莫迪圖得：0.0175

管路阻抗為

（s2/m5）

風(fēng)道的壓力損失為

（Pa）

7/26/2023

例11-3圖11-2為一水泵向有壓水箱送水的簡單管路。已知流量qV20m3/h，水池水面為大氣壓力，有壓水箱的表壓為p244105Pa，兩液面的高度差H4m，水泵吸水管和排水管的長度分別為L1=5m，L2=10m，其管徑為57mm3.5mm，沿程阻力系數(shù)為0.02，管路進(jìn)口裝有一個(gè)帶底閥的濾水網(wǎng)，兩個(gè)閘板閥，三個(gè)90彎頭，試求水泵的揚(yáng)程及有效功率P。7/26/2023解：取水池水面為基準(zhǔn)面，列1—1和2—2截面間伯努利方程

由題意知：z10，v1v20，p10（表壓），p244105Pa（表壓），z2H，d0.05723.50.05mm，1000kg/m3，查附表13得進(jìn)口10，閥0.1，彎頭1，出口1將上述各值代入伯努利方程得泵的揚(yáng)程為：

7/26/2023460.8（m）

泵的有效功率為

（W）25.11（kW）

7/26/2023（3）已知管長和管件、閥門的設(shè)置、流體的流量及允許的能量損失，求管徑。

例11-4

已知溫度為20℃時(shí)，水在100m長的水平鋼管內(nèi)流動(dòng)，要求水的流量為27m3/h，管內(nèi)允許的沿程損失為4m，試確定管路的直徑。解：由范寧公式

（m）

qV27m3/h，故知道了d，就可以算出v，所以上式中有兩個(gè)未知數(shù)與d，需用試差法求解。

7/26/2023參照表11-2，初選v1.8m/s，則

（m）73（mm）查表11-1，試選88.5mm4mm的焊接鋼管，其內(nèi)徑d88.52480.5(mm)

管內(nèi)實(shí)際流速為：

（m/s）查表8-1，t20℃時(shí)，1.00710-6m2/s

7/26/2023，為湍流流動(dòng)

查表10-1取鋼管的絕對(duì)粗糙度K0.1mm，相對(duì)粗糙度為查莫迪圖得，0.0225

（m）＜4（m）

計(jì)算結(jié)果表明，按d80.5mm選用管徑，Hf低于管路允許的沿程損失，故選擇88.5mm4mm的焊接鋼管。

7/26/2023

第二節(jié)串聯(lián)與并聯(lián)管路計(jì)算一、串聯(lián)管路由不同管徑的簡單管路頭尾相接構(gòu)成的管路為串聯(lián)管路。對(duì)每一節(jié)點(diǎn)(如節(jié)點(diǎn)a、b)，當(dāng)常數(shù)時(shí)，有

qV0質(zhì)量守恒定律能量疊加原理管段相接點(diǎn)7/26/2023串聯(lián)管路的流動(dòng)規(guī)律：各管段的流量相等，損失迭加，管路的總阻抗為各段阻抗之和。

串聯(lián)管路聯(lián)立下三式:7/26/2023例11-5

兩水箱用兩段不同直徑的管道相連接（見圖11-4），1-3管段長L110m，直徑d1200mm，10.019；3-6管段長L210m，直徑d2100mm，20.018。管路中的局部管件有：1為管道入口；2和5為90彎頭；3為漸縮管（8）；4為閘閥；6為管道出口。若輸送流量qV20L/s，求水箱水面的高度差H應(yīng)為多少？

7/26/2023二、并聯(lián)管路由兩個(gè)以上簡單管路頭與頭相連，尾與尾相連，形成的管路為并聯(lián)管路。對(duì)于每一個(gè)節(jié)點(diǎn)(如節(jié)點(diǎn)a、b)，當(dāng)常數(shù)時(shí)，有

質(zhì)量守恒定律由于流體在某一固定點(diǎn)的單位能量值只能有一個(gè)，因此單位重量流體無論通過哪根管段從a流到b，產(chǎn)生的能量損失應(yīng)該相同7/26/2023設(shè)并聯(lián)管路的總阻抗為S，各分支管路的阻抗為S1、S2、S3

:由并聯(lián)管路因?yàn)檎淼?/26/2023并聯(lián)管路的流動(dòng)規(guī)律：并聯(lián)后管路的總流量等于相并聯(lián)的各支管的流量之和；相并聯(lián)的各支管能量損失相等；并聯(lián)管路總阻抗的平方根倒數(shù)等于各并聯(lián)支管阻抗的平方根倒數(shù)之和。

并聯(lián)管路由并聯(lián)管路的流動(dòng)規(guī)律，并聯(lián)管路流量分配規(guī)律：阻抗越大的支路，流量越??；阻抗越小的支路，流量越大。

“阻力平衡”7/26/2023

例11-6如圖11-6所示，某兩層樓的供暖立管，管道1的直徑d120mm，管長L120m，115；管道2的直徑為d220mm，管長L210m，215，管道的0.025，干管的流量qV0.310-3m3/s，求各支管的流量qV1和qV2。

7/26/2023

第三節(jié)管網(wǎng)計(jì)算基礎(chǔ)由若干簡單管路經(jīng)過多次串、并聯(lián)后形成的復(fù)雜管路稱為管網(wǎng)。

按其管線布置特點(diǎn)的不同可將管網(wǎng)分為:

枝狀管網(wǎng)環(huán)狀管網(wǎng)7/26/2023一、枝狀管網(wǎng)

自一根總管分支出幾根支管后不再匯合的管路系統(tǒng)稱為枝狀管網(wǎng)。

特點(diǎn):管線少，布置簡單，造價(jià)低，工程上采用較多。

1.枝狀管網(wǎng)的流動(dòng)規(guī)律枝狀管網(wǎng)各管線間只有分支點(diǎn)沒有匯合點(diǎn)。

枝狀管網(wǎng)流動(dòng)規(guī)律是：總管的流量等于各支管流量之和；全程的能量損失就等于串聯(lián)各管段能量損失的疊加。

7/26/2023如圖所示排風(fēng)枝狀管網(wǎng)，由三個(gè)風(fēng)口、六根簡單管路并聯(lián)、串聯(lián)而成。風(fēng)機(jī)風(fēng)量

全程能量損失

通常是串聯(lián)各管段能量損失的疊加。枝狀管網(wǎng)在有并聯(lián)管段時(shí)，應(yīng)取管段最長，局部阻力最大的一支參加阻力疊加。而其它并聯(lián)的支管均不計(jì)入。設(shè)圖中1-4支管阻力損失最大，則全程的能量損失為:

7/26/2023

2.枝狀管網(wǎng)計(jì)算步驟以設(shè)計(jì)計(jì)算為例：

（1）劃分計(jì)算管段。一根簡單管路為一個(gè)計(jì)算管段。枝狀管網(wǎng)（2）確定主管線。一般管路較長、局部阻礙較多的管線為主管線。

（3）確定主管線上各計(jì)算管段的管徑及能量損失。（4）計(jì)算主管線的總能量損失，選擇動(dòng)力設(shè)備。枝狀管網(wǎng)流動(dòng)規(guī)律是：總管的流量等于各支管流量之和；全程的能量損失就等于串聯(lián)各管段能量損失的疊加。

7/26/2023

例11-7某住宅小區(qū)熱水供應(yīng)系統(tǒng)平面布置如圖11-8所示。已知各管段長度為LAB200m，LBC180m，LCD150m，LBE70m，LCF80m，各管段的局部阻力系數(shù)為：AB6.5，BC7.1，CD8.1，BE9，CF12，管段的沿