化工原理PPT课件 第三章 流体输送与流体输送机械

第三章

流体输送与流体输送机械

概述

化学工业是流程工业，从原料输入到成品输出的每一道工序都在一定的流动状态下进行，整个工厂的生产设备是由流体输送管道构成体系。

装臵中的传热、传质和化学反应情况与流体流动状态密切相关，流动参数的任何改变将迅速波及整个系统，直接影响所有设备的操作状态。因此，往往选择流体的流量、压强和温度等参数作为化工生产系统的主要控制参数。

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。

化工生产系统中流体输送的主要任务是满足对工艺流体的流量和压强的要求。流体输送系统包括：流体输送管路、流体输送机械、流动参数测控装臵。

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。

根据流体流动的质量守恒、动量守恒与能量守恒原理，不可压缩流体在管路中稳定流动时应服从常数

=uA ρh z g p u h z g p f

e +++=+++22

22

2111122ρ

αραd

V A V u 2

4π==∑+++=+++f e h gz p u h gz p u 222

21121

22ρρ连续性方程柏努利方程体积平均流速

由于流体输送系统的流速一般不会很低（湍流），因此动能校正系数α往往接近于1.0。

对于流速较低的层流流动，α值与1.0 相差较大，但由于动能项在总能量中所占比例很小，也可不加校正。

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。

单位为J/s （或W ）

对可压缩流体，若在所取系统两截面之间流体的绝对压强变化小于10％，仍可按不可压缩流体计算，而流体密度以两截面之间的流体的平均密度ρm 代替。

w

h N e e ?=η

ηw

h N N e e

?==

∑f

h

包括所选截面间全部管路阻力损失

h e

若管路输送的流体的质量流量为w （kg/s ），则输送流体所需供给的功率（即流体输送机械的有效功率）为：

如果流体输送机械的效率为η，则实际消耗的功率即流体输送机械的轴功率为：

注意单位！

给定流体输送任务（质量流量w 或体积流量V 、输送距离l 、输送目标点的静压强p 2和垂直高差z 2）和流体的初始状态（静压强p 1、垂直高差z 1）

设计型：

吸收塔

1

1

22

2

z 1

z 1

p 2

p 依据连续性方程和柏努利方程对流体输送系统进行设计或者优化操作计算，结合管路的实际条件，合理地确定流速u 和管径d 。

如果计算结果需要外加输送功h e ，则应结合工程造价与操作维修费用两方面的因素加以考虑。

某些流体在管道中常用流速范围

设计型：

费用

u

设备费

总费用

操作费u 最佳

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）

<8

3大气压以下过热水蒸气

20~4030~50

操作型：

流体输送管路系统一定，需计算其输送能力、输送压力和动力消耗等，则用连续性方程和柏努利方程可求解系统中指定截面处流体的流速u 和压强p 以及指定管段的流动阻力损失∑h f 等，提供操作与控制必需的信息。

由于柏努利方程中的流动阻力损失∑h f 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 R

e /,ε?λ=非线性函数

吸收塔

1

1

22

2

z 1

z 1

p 2

p

管路计算的一般原则

应用柏努利方程时，首先应根据具体问题在流体流动系统中确定衡算范围，也就是确定列出柏努利方程的两截面位臵。截面位臵的确定：

所选的计算截面既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也应相等。因此截面应选在均匀管段且与管轴线垂直。

所选的两个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。

计算重力位能的基准水平面可任取，基准面处流体的重力位能为零。所以若使两计算截面之一为基准面可使方程简化。求解方程时应注意各项单位的一致性（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。

容器B 内保持一定真空度，溶液从敞口容器A 经内径为30mm 导管自动流入容器B 中。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∑h f = 5.5u 2 计算（不包括导管出口的局部阻力），溶液密度为1100kg/m 3。

试计算：送液量每小时为3m 3 时，容器B 内应保持的真空度。

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

f h u

g z p u g z p ∑+++=++2

222

222

1

11

ρρB

A

1

1

22

1.5m

抽真空

a

p p 真

()

a

u u g z p P 1054.2110018.10.681.95.15.524

2222

22?=??+?=???

? ??++=ρ真m

5.122=-=z p p p a 真

0111≈==u z p p a

2

2

2

5.55.5u

u h f ==∑s m 18.103.0785.03600342

22=?==d V u πB

A

1

1

2

2

1.5m

抽真空

a

p p 真

水由水箱底部d =30mm 的泄水孔排出。若水面上方保持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；(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。）

解：(1)设t 时箱内水深H ，孔口流速为u 0，以孔口面为基准

面，在水面与孔口截面间列柏努利方程，有

H

D

1.5m

d

p 真

0.5m

2

2

u

p gH p p a

a +

=+-ρρ

真

?

??

?

??+-=gH p u ρ真20

设d t 时间内液面下降高度为d H ，由物料衡算得

gH

ρ

p =真()m

27.081

.91000103.101760/203=???=

=

g

p H ρ真

()()3

22m 966.027.05.10.1785.05.14

=-??=-=

H D V π

()

s 556005.1203

.081.90

.1222d d 22

27

.05.122

27.05.122

0=-???=+-=?

?????

??

? ??+--==?gH

p gd D gH p H d D t t t ρ

ρ真

真u 0=0时，不再有水流出，此时

H

D t d u d 4

d 4

2

2

π

π

-

=H

D

1.5m

d

p 真

0.5m

(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，有

()?

?

?

???++-=5.020H g p u ρ真()()

?????=-???=??

??

??++--=05.12

222

s 42024.295.1603.081.90.125.02d H g p H d D t ρ真箱内水排空，H =0，导管内流速u 0=1.50

m/s ，水能全部排出。所需时间为

问题：管内流速u 0与D ，d 有关吗？若有，会在式中哪一项出现？

H

D

1.5m

d

p 真

0.5m

直管阻力损失

粘性流体在管内流动，由于内摩擦所引起的机械能损失。用范宁摩擦因子将阻力表达为壁面处的剪应力

2

2

u

f s ρτ=根据柏努利方程中各项的物理意义和直管阻力表达式，可将直管阻力损失h f 表达为单位质量流体克服壁面处内摩擦力所做的功。当流体以平均流速u 通过内径为d 、长度为l 的一段管道时，其阻力损失应为内摩擦功率与质量流率之比，即：

直管阻力损失的计算方法

()224

242

22

2u d l u d l f d l u f u d u dl h s f ??=?===

λρρρπτπ式中范宁摩擦因子f 或摩擦系数λ的计算式均已在前一章推出，

工业管道的当量粗糙度（roughness）

λ经验方程是在圆截面人工粗糙管道中，根据流体流动阻力

损失的实验数据由λ与无因次准数Re 和ε/d 进行关联的结果。应用经验方程应注意几何相似和实验参数范围。实际问题往

往不能与实验条件保持严格的几何相似，工程上采取当量尺

寸的方式使之近似相似并在原经验方程的基础上加以修正。

采用与人工粗糙管相同的实验方法测定一系列工业常见管道的摩擦系数值λ后，反算出与之相当的粗糙度ε。

管道类别ε, mm管道类别ε, mm

金属管无缝黄钢管、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

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d e 来代替圆管直径d 当量直径定义：

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

非圆形截面管道的当量直径

∏

A

d e 44=?

=流体浸润周边流通截面积()b

a ab

b a ab d e +=+?

=224()()()

d d π

d d d

d

d e 121221

22

4

4-=+-?

=π

a

b

r 2

r 1

非圆形截面管道的当量直径

采用当量直径计算非圆形截面管道的Re ，稳定层流的判据仍然是Re ＜2000。

计算阻力系数时，仅以当量直径d e 代替圆形截面直管阻力计算公式中的d ，并不能达到几何相似的满意修正，因此需要对计算结果的可靠性作进一步考察。

一些对比研究的结果表明，湍流情况下一般比较吻合，但与圆形截面几何相似性相差过大时，例如环形截面管道或长宽比例超过3:1 的矩形截面管道，其可靠性较差。

层流情况下可直接采用以下修正公式计算：Re

C

=

λ非圆形管的截面形状d e 常数C 非圆形管的截面形状d e 常数C 正方形，边长为a a 57长方形，长2a ，宽a 1.3a 62等边三角形，边长a 0.58a 53长方形，长4a ，宽a

1.6a

73

环形，环宽=(d 2-d 1)/2

(d 2-d 1)

96

局部阻力损失计算

管路系统中的阀门、弯头、缩头、三通等各种阀件、管件不仅会造成摩擦阻力(skin-friction)，还有流道急剧变化造成的形体阻力(form-friction)，产生大量旋涡而消耗机械能。流体流过这些阀件、管件处的流动阻力称为局部阻力。

流动方向

A

A

流动方向

A

A

局部阻力损失计算局部阻力系数法：2

2

f u h ζ

=2

2

e f l u h d λ

=当量长度法：

ζ——局部阻力系数

l e ——当量长度

局部阻力损失计算100mm 的闸阀1/2 关

l e =22m 100mm 的标准三通

l e =2.2m

100mm 的闸阀全开

l e =0.75m

【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φ60〓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12m 3/h 的流量，倒U 型管最高点距容器A 内液面的高差H 。（ρ=900kg/m 3，μ=0.6〓10-3Pa·s ）。解：溶剂在管中的流速

取钢管绝对粗糙度

2

123600 1.51m s 0.7850.053

u ==?5

3

0.053 1.51900Re 1.20100.610

du ρ

μ-??===??3

0.30.3mm 5.6610

53

d εε-===?则A

B

3.5m

H

11

溢

流

6m

均压管

22