化工原理第六节管路计算和流量测定
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化工原理-1章流体流动
yi为各物质的摩尔分数,对于理想气体，体积分数与摩尔分数相等。
②混合液体密度计算
假设液体混合物由n种物质组成，混合前后体积
不变，各物质的质量百分比分别为ωi，密度分 别为ρi
n 1 2 混 1 2 n
1
例题1-1 求甲烷在320 K和500 kPa时的密度。
第一节 概述
流体： 指具有流动性的物体，包括液体和气体。
液体：易流动、不可压缩。 气体：易流动、可压缩。 不可压缩流体：流体的体积不随压力及温度变化。
特点：（a） 具有流动性 （b） 受外力作用时内部产生相对运动
流动现象:
① 日常生活中
② 工业生产过程中
煤气
填料塔 孔板流量计
煤气
水封
泵 水池
水
煤 气 洗 涤 塔
组分黏度见---附录9、附录10
1.2.1 流体的压力（Pressure） 一.定义
流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体 的压强，工程上一般称压力。
F [N/m2] 或[Pa] P A
式中 P──压力，N/m2即Pa(帕斯卡)；
F──垂直作用在面积A上的力，N；
A──作用面积，m2。
工程单位制中，压力的单位是at(工程大气压)或kgf/cm2。 其它常用的压力表示方法还有如下几种： 标准大气压（物理大气压）atm；米水柱 mH2O； 毫米汞柱mmHg； 流体压力特性： （1）流体压力处处与它的作用面垂直，并总是指向流体 的作用面。
液体：T↑，μ↓（T↑,分子间距↑，范德华力↓，内摩擦力↓） 气体：T↑，μ↑（T↑,分子间距有所增大，但对μ影响不大， 但T↑，分子运动速度↑，内摩擦力↑）
压力P 对气体粘度的影响一般不予考虑，只有在极高或极 低的压力下才考虑压力对气体粘度的影响。
化工原理管路计算解析
W
4
（2）流量计算
已知：管子d 、、l，管件和阀门 ，供液点z1. p1， 需液点的z2.p2，输送机械 W； 求：流体流速u及供液量qV。
p1
z1g
u12 2
W
p2
z2 g
u22 2
hf
h f ,i
l d
u2 2
hf ,j
u2 2
du
,
d
u
4qV
d 2
2020/10/31
5
试差步骤：
（1）列柏努利方程,求得∑hf ；
14
特点：
（1）主管中的流量为各支路流量之和； qm qm1 qm2
不可压缩性流体 qV qV1 qV 2
（2）流体在各支管流动终了时的总机械能与能量损 失之和相等。
pA
zA
g
1 2
uA2
hfOA
pB
zB g
1 2
uB2
hfOB
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15
作业： 1-35；1-37；1-39
用试差法解决。
p1
z1g
u12 2
W
p2
z2 g
u22 2
hf
h f ,i
l d
u2 2
hf ,j
u2 2
du
,
d
u
4qV
d 2
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三、阻力对管内流动的影响 pa
1
1
pA
pB 2
阀门F开度减小时：
A F B 2
（1）阀关小，阀门局部阻力系数↑ → hf,A-B ↑ →流速u↓ →即流量↓；
（2）在1-A之间，由于流速u↓→ hf,1-A ↓ →pA ↑ ；
化工原理总结
Re一定时，λ随ε/d增大而增大，阻力损失与速度 的平方成正比，称为阻力平方区。
（5）流体在非圆形直管内的流动阻力 当流体在非圆型管内湍流流动时，计算阻力时d用当 量直径de代替。
当量直径：4倍的流通截面积除以流体润湿周边长度
de——当量直径，m； rH——水力半径，m。
de
4A
4rH
对于矩形管长为a,宽为b
（4）轴功率 离心泵的轴功率是指泵轴所需的功率。当泵直接由电 动机带动时，它即是电机传给泵轴的功率，以N表 示，其单位为W或KW。泵的有效功率可写成
Ne QHg
由于有容积损失、水力损失与机 械损失，所以泵的轴功率N要大 于液体实际得到的有效功率，即
N Ne
泵在运转时可能发生超负荷，所配电动机的功率应比 泵的轴功率大。在机电产品样本中所列出的泵的轴功 率，除非特殊说明以外，均系指输送清水时的数值。
0
T0 p Tp 0
上式中的ρ0为标准状态下气体的密度，T0、p0分别为标准 状态下气体的绝对温度和绝对压强。
混合气体的密度：
m
pM m RT
M m M A yA M B yB M n yn
（2）流体的粘度
液体的粘度随温度升高而减小，气体的粘度则随温度升 高而增大。
压强变化时，液体的粘度基本不变；气体的粘度随压强 增加而增加的很少，在一般工程计算中可忽略不计。
Re≤2000时，流动类型为层流； Re≥4000时，流动类型为湍流； 2000＜Re＜4000，过渡区，流动类型不稳定。
层流特点：质点始终沿着与管轴平行的方向作直线运 动，质点之间互不混合。圆管中的流体就如一层一层 的同心圆筒在平行地流动。（滞流） 湍流特点：流体质点除了沿着管道向前流动外，各质 点还作剧烈的径向脉动。（紊流）
（5）流体在非圆形直管内的流动阻力 当流体在非圆型管内湍流流动时，计算阻力时d用当 量直径de代替。
当量直径：4倍的流通截面积除以流体润湿周边长度
de——当量直径，m； rH——水力半径，m。
de
4A
4rH
对于矩形管长为a,宽为b
（4）轴功率 离心泵的轴功率是指泵轴所需的功率。当泵直接由电 动机带动时，它即是电机传给泵轴的功率，以N表 示，其单位为W或KW。泵的有效功率可写成
Ne QHg
由于有容积损失、水力损失与机 械损失，所以泵的轴功率N要大 于液体实际得到的有效功率，即
N Ne
泵在运转时可能发生超负荷，所配电动机的功率应比 泵的轴功率大。在机电产品样本中所列出的泵的轴功 率，除非特殊说明以外，均系指输送清水时的数值。
0
T0 p Tp 0
上式中的ρ0为标准状态下气体的密度，T0、p0分别为标准 状态下气体的绝对温度和绝对压强。
混合气体的密度：
m
pM m RT
M m M A yA M B yB M n yn
（2）流体的粘度
液体的粘度随温度升高而减小，气体的粘度则随温度升 高而增大。
压强变化时，液体的粘度基本不变；气体的粘度随压强 增加而增加的很少，在一般工程计算中可忽略不计。
Re≤2000时，流动类型为层流； Re≥4000时，流动类型为湍流； 2000＜Re＜4000，过渡区，流动类型不稳定。
层流特点：质点始终沿着与管轴平行的方向作直线运 动，质点之间互不混合。圆管中的流体就如一层一层 的同心圆筒在平行地流动。（滞流） 湍流特点：流体质点除了沿着管道向前流动外，各质 点还作剧烈的径向脉动。（紊流）
化工原理第一章 流体流动
两根不同的管中，当流体流动的Re相 同时，只要流体的边界几何条件相 似，则流体流动状态也相同，这称为 流体流动的相似原理。
例1-10 20℃的水在内径为 50mm的管内流动,流速为 2m/s，是判断管内流体流动的 型态。
三.流体在圆管内的速度分布
(a)层流
(b)湍流
u umax / 2 u 0.82umax
hf
le
d
u2 2
三.管内流体流动的总摩擦阻力损失计算 总摩擦阻力损失 =直管摩擦阻力损失+局部摩擦阻力损失
hf hf 直 hf局
l u2 ( le u2 z u2 )
d2 d 2
2
[
(
l
d
l
e
)
z
]
u2 2
管内流体流动的总摩擦阻力损失计算 直管管长 管件阀件当量长度法
hf
l
制氮气的流量使观察瓶内产生少许气泡。 已知油品的密度为850 kg／m3。并铡得水 银压强计的读数R为150mm，同贮槽内的 液位 h等于多少?
（三）确定液封高度 h p ρg
H 2O
气体 压力 p(表压)
为了安全， 实际安装
水 的管子插入 液面的深度
h 比上式略低
第二节 流体流动中的基本方程式
截面突然变化的局部摩擦损失
突然扩大
突然缩小
A1 / A2 0
z (1 A1 )2
A2
z 0.5(1 A2 )2
A1
当流体从管路流入截面较 大的容器或气体从管路排 到大气中时z1.0
当流体从容器进入管的入 口，是自很大截面突然缩 小到很小的截面z=0.5
局部阻力系数法
hf
z
u2 2
例1-10 20℃的水在内径为 50mm的管内流动,流速为 2m/s，是判断管内流体流动的 型态。
三.流体在圆管内的速度分布
(a)层流
(b)湍流
u umax / 2 u 0.82umax
hf
le
d
u2 2
三.管内流体流动的总摩擦阻力损失计算 总摩擦阻力损失 =直管摩擦阻力损失+局部摩擦阻力损失
hf hf 直 hf局
l u2 ( le u2 z u2 )
d2 d 2
2
[
(
l
d
l
e
)
z
]
u2 2
管内流体流动的总摩擦阻力损失计算 直管管长 管件阀件当量长度法
hf
l
制氮气的流量使观察瓶内产生少许气泡。 已知油品的密度为850 kg／m3。并铡得水 银压强计的读数R为150mm，同贮槽内的 液位 h等于多少?
（三）确定液封高度 h p ρg
H 2O
气体 压力 p(表压)
为了安全， 实际安装
水 的管子插入 液面的深度
h 比上式略低
第二节 流体流动中的基本方程式
截面突然变化的局部摩擦损失
突然扩大
突然缩小
A1 / A2 0
z (1 A1 )2
A2
z 0.5(1 A2 )2
A1
当流体从管路流入截面较 大的容器或气体从管路排 到大气中时z1.0
当流体从容器进入管的入 口，是自很大截面突然缩 小到很小的截面z=0.5
局部阻力系数法
hf
z
u2 2
化工原理讲稿 管路计算
则由图查出λ=0.025，与假设值相符。因此，管内径应为 78mm, 查附录无缝钢管规格表，选用3寸（Φ88.5×4） 的有缝钢管。
一、简单管路的计算
校验： 管内实际流速
u
V
d2
27
3600 0.08052
1.46(m / s)
4
4
0.2 0.0025
d 805
Re 9485 1.17 105 0.0805
二、复杂管路的计算
[例1-22]如图所示，为一由高位槽稳定 供水系统，主管路A、支管路B和C的规 格分别为Φl08×4mm、Φ76×3mm和 Φ70×3mm；其长度(包括当量长度)分 别控制在80m、60m和50m；z2和z3 分别为2.5m和1.5m；管壁的绝对粗糙 度均取0.2mm。常温水的密度和粘度 分别为1000kg/m3和l×10-3Pa·S；若 要求供水的总流量为52m3/h，试确定 高位槽内液面的高度z1。
二、复杂管路的计算
用试差法：假设B、C均处于完全湍流区，查莫狄图，得
B 0.027 C 0.027
代入(a) 、(b),解得
uB 2m / s
uC 2.09m / s
二、复杂管路的计算
校核:
ReB
duB
0.07 2 1000 1.0 10 3
1.4 10 5
ReC
duB
0.064 2.09 1000 1.0 10 3
其中流速u为允许的摩擦阻力所限制，即
hf
l
d
u2 2
(2)
式中及u为d的函数。故要用试差法求管径d
一、简单管路的计算
2
Vs
h f
l
d
u2 2
l
d
一、简单管路的计算
校验： 管内实际流速
u
V
d2
27
3600 0.08052
1.46(m / s)
4
4
0.2 0.0025
d 805
Re 9485 1.17 105 0.0805
二、复杂管路的计算
[例1-22]如图所示，为一由高位槽稳定 供水系统，主管路A、支管路B和C的规 格分别为Φl08×4mm、Φ76×3mm和 Φ70×3mm；其长度(包括当量长度)分 别控制在80m、60m和50m；z2和z3 分别为2.5m和1.5m；管壁的绝对粗糙 度均取0.2mm。常温水的密度和粘度 分别为1000kg/m3和l×10-3Pa·S；若 要求供水的总流量为52m3/h，试确定 高位槽内液面的高度z1。
二、复杂管路的计算
用试差法：假设B、C均处于完全湍流区，查莫狄图，得
B 0.027 C 0.027
代入(a) 、(b),解得
uB 2m / s
uC 2.09m / s
二、复杂管路的计算
校核:
ReB
duB
0.07 2 1000 1.0 10 3
1.4 10 5
ReC
duB
0.064 2.09 1000 1.0 10 3
其中流速u为允许的摩擦阻力所限制，即
hf
l
d
u2 2
(2)
式中及u为d的函数。故要用试差法求管径d
一、简单管路的计算
2
Vs
h f
l
d
u2 2
l
d
化工原理课件-管路计算
。
gz1 u12 2p1Wegz2
u22 2
p2
hf
式中 z1 5m, z2 0, u1 u2 0
p1 0(表), p2 0(表),
We 0,
l h
le u 2
f
d2
假设流型为湍流，λ计算式取为 1 2 lg( / d 2.51 )
3.7 Re
将已知数据代入柏努利方程可得
9.85 hf hf 49.05
2d
l
hf le u2
2 0.082 49.05 138 u 2
0.241436
u
将λ的计算式代入得
u 2
lg
0.241436
解得 u 1.84m/s
0.0001 3.7
2.51
0.082103 103
0.241436
验算流型
Re du
1.6.4 湿式气体流量计
—— 用来测量气体体积的容积式流量计。 构造：
转筒，充气室
测量原理：
转筒旋转，充气室 内气体排出。
说明：
用于小流量气体测量， 常在实验室中使用。
湿式气体流量计
转子流量计 湿式气体流量计 孔板流量计
假设
由 和 d 间的关系 计算出 d
计算Re，并查或计算出
令
判断 与 是否相同
是
否
d 即为所求
1.5.1 简单管路计算
(2) 最适宜管径的确定
1.5.2 复杂管路计算
(1) 并联管路 如图所示，并联管路在主管某处分为几支，然
后又汇合成一主管路。
1.5.2 复杂管路计算
(1) 并联管路 流体流经并联管路系统时，遵循如下原则：
解得 H 5.02m
化工原理上册复习提纲
第五节 阻力损失
h
f
hf hf '
hf直管阻力（沿程阻力）—内摩擦力（流体粘性 ）
hf ’局部阻力 — 管件外部条件引起 — 边界层分离
直管阻力损失的计算
hf
l u d 2
2
64 32lu 层流 Re h f d 2
λ的求算
湍流
图p29
层流： Re
64 Re
原因
（3）搅拌功率的分配
P gqV H
qV d H n
结论：
加大直径或降低转速，流量qV变大，实现大尺度调匀
加大转速或减小直径，压头H 变大，湍动加剧，微观混合
第四章 过滤
第二节 颗粒床层的特性
一、单颗粒特性 比表面积 2、非球形颗粒 3、 的物理意义
S a V
比表面当量直径 d ea
第四节 流体流动的内部结构
一、流动的型态 1、两种流型 层流 湍流
2、流型的判断—雷诺数 Re
Re
du
Re<2000 层流区
Re>4000 湍流区 2000<Re<4000 过渡区，并非一种流型
3、层流、湍流的基本特性
三、边界层及边界脱体 u u
边界层 界限 湍流边 层流边 界层 界层
0
计算中要注意：突然扩大ζ=1，突然缩小ζ=0.5
第六节 管路计算
二、管路计算 1、简单管路 ① qV
4
d 2u
u12 p2 u2 2 l u2 ( gZ 2 ) ( ) ② gZ1 2 2 d 2 du , ) ③ f( d p1
离心泵的工作点
四、组合操作 两台并联泵的合成特性曲线 在同一压头下，两台并联泵的 流量等于单台泵的两倍
化工原理
VV
pVM pM RTV RT
理想气体在标况下的密度为：
0
M 22.4
例如：标况下(0℃（273.15K）,101.325kPa)的空气，
0
M 22.4
29 22.4
1.29kg
/
m3
操作条件下（T, P）下的密度：
0
p p0
T0 T
二、混合物的密度
1.液体混合物的密度ρm
P1 p1 A
P2 p2 A
因为小液柱处于静止状态，
P2 P1 Az1 z1 g 0
两边同时除A
P2 A
P1 A
gz1
z2
0
p2 p1 gz1 z2 0
p2 p1 gz1 z2
令 z1 z2 h 则得： p2 p1 gh
此时双液体U管的读数为 R' 14.3R 14.310 143mm
即，改为双液体U型管压差计后，读数放大14.3倍； 此时读数为143mm。
【例1-6】 如图1-9所示， 控制乙炔发生器内的压 强不大于80mmHg(表压)， 试计算水封的水应比气 体出口管高出多少米？
【解】由题意有:
【解】 用U形压差计测量时，被测流体为气体，可根据式 （1-10a）计算
p1 p2 Rg0
用双液体U管压差计测量时，可根据式（1-12）计算
p1 p2 R ' g( A C )
因为所测压力差相同，联立以上二式，可得放大倍数
R' 0 1000 14.3 R A C 920 850
化简有 P1 P2 Rg(0 ）
pVM pM RTV RT
理想气体在标况下的密度为：
0
M 22.4
例如：标况下(0℃（273.15K）,101.325kPa)的空气，
0
M 22.4
29 22.4
1.29kg
/
m3
操作条件下（T, P）下的密度：
0
p p0
T0 T
二、混合物的密度
1.液体混合物的密度ρm
P1 p1 A
P2 p2 A
因为小液柱处于静止状态，
P2 P1 Az1 z1 g 0
两边同时除A
P2 A
P1 A
gz1
z2
0
p2 p1 gz1 z2 0
p2 p1 gz1 z2
令 z1 z2 h 则得： p2 p1 gh
此时双液体U管的读数为 R' 14.3R 14.310 143mm
即，改为双液体U型管压差计后，读数放大14.3倍； 此时读数为143mm。
【例1-6】 如图1-9所示， 控制乙炔发生器内的压 强不大于80mmHg(表压)， 试计算水封的水应比气 体出口管高出多少米？
【解】由题意有:
【解】 用U形压差计测量时，被测流体为气体，可根据式 （1-10a）计算
p1 p2 Rg0
用双液体U管压差计测量时，可根据式（1-12）计算
p1 p2 R ' g( A C )
因为所测压力差相同，联立以上二式，可得放大倍数
R' 0 1000 14.3 R A C 920 850
化简有 P1 P2 Rg(0 ）
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•
可，不能重复计算。
•
包头钢铁职业技术学院化工原理电子课件
•并联管路的流量分配 •而
•支管越长、管径越小、阻力系数越大——流量越小；
• 反之
——流量越大。
•
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•2、分支管路与汇合管路
•A •A
•C
•O
•O
•C
•B •B
•分支管路 •（动画2）
•汇合管路
•
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•选择适宜流速 •P59 例1-24
•确定经济管 径
•分析：
•求d
•求u
•机械能衡算 式
•或范宁公式
•Re未知，•需试差法求解
•
•设初值λ •求出d、u
•修正λ •否 •比较λ计与初值λ是否接近 •是
•
•解：
• u、d、λ均未知， •用试差法 •以λ为试差变量
•假设λ=0.025 ，
•由机械能衡算式
•内管A处
•外管B处
•
包头钢铁职业技术学院化工原理电子课件
•点速度 ： •即 •讨论： •（1）皮托管测量流体的点速度，可测速度分布 曲线；
•
包头钢铁职业技术学院化工原理电子课件
•（2）流量的求取：
由速度分布曲线积分 测管中心最大流速，由
速，再计算流量。
求平均流
•
•注意：Pitot管是测量点速（线速度）
•λ λ1
•校核： •=0.00099
•d=2.02m •查图或计算•新λ1=0.0205
•
包头钢铁职业技术学院化工原理电子课件
•第六节 流量的测定
皮托测速管 孔板流量计 文丘里流量计 转子流量计
•
包头钢铁职业技术学院化工原理电子课件
•一、皮托测速管（皮托管） •（动画3）
•1、结构 •2、测量原理及流速计算
度量流体流量。•（动画5）
•C0——流量系数（孔流系数）A0——孔面积。
•
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•优点：构造简单，制造和安装都很方便 •缺点：机械能损失（称之为永久损失）大 •当d0/d1=0.2时，永久损失约为测得压差的90%， •常用的d0/d1=0.5情形下，永久损失也有75%。
•结构简单、阻力小、使用方便，•
•尤其适用于测量气体管道内的流速。•
•缺点：•
•不能直接测出平均速度，•
•且压差计读数小，常须放大才能读得准确。•
•
•二. 孔板式流量计
•（动画4）
•1.结构：
•管路中嵌入一环形金属板 ，环中心处在管道中心线上
•2.原理：
•当流体以一定的流量流经 小孔时，就产生一定的压 强差，流量愈大，所产生 的压强差也就愈大。所以 根据测量压强差的大小来
•
•三.文丘里（Venturi）流量计 •（动画6）
属差压式流量计； 能量损失小，造价高。
•
包头钢铁职业技术学院化工原理电子课件
•缺点：加工比孔板复杂，因而造价高，且安
•
装时需占去一定管长位置，
•优点：其永久损失小，故尤其适用于低压气
•
体的输送。
•
•四.转子流量计 •（动画7）
•体积流量
•
包头钢铁职业技术学院化工原理电子课件
算式解题。
•
包头钢铁职业技术学院化工原理电子课件
❖ 掌握雷诺准数的表达式及物理意义，并根据Re来判断流动 类型。
❖ 了解流体在圆管内的速度分布。 ❖ 掌握直管阻力与局部阻力的计算。 ❖ 了解简单与复杂管路，并能作以简单的计算。 ❖ 了解测速管、孔板流量计、转子流量计的测量原理，并能
作以简单的计算。
•
包头钢铁职业技术学院化工原理电子课件
•复杂管路
•1、并联管路 •（动画1）
•VS1
•VS
•VS2
•A
•特点：
•B •VS3
•（1）主管中的流量为并联的各支路流量之和；
•
包头钢铁职业技术学院化工原理电子课件
•不可压缩流体 •（2）并联管路中各支路的能量损失均相等。
•注意：计算并联管路阻力时，仅取其中一支路 即
•特点： •（1）主管中的流量为各支路流量之和；
•不可压缩流体 • （2）流体在各支管流动终了时的总机械能与能量 损失之和相等。
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•管路计算
•基本方程： •连续性方程 •机械能衡算方程 •阻力计算式
•其中
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•（1）设计型计算
设计要求：规定输液量Vs，确定一经济的管径或
供液点提供的位能z1(或静压能p1)或所需外加功。
•涡流流量计（动画8）
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•小结
❖ 掌握液体、气体的密度计算。 ❖ 了解牛顿粘性定律，掌握粘度的单位及单位换算。 ❖ 掌握压力的定义及表压、真空度、绝对压力的定义，并能
熟练பைடு நூலகம்算。 ❖ 能熟练地运用流体静力学基本方程式解题。 ❖ 掌握流量、流速的定义及连续性方程。 ❖ 掌握各种形式的机械能衡算式，并能熟练地运用机械能衡
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化工原理第六节管路计 算和流量测定
2020年6月3日星期三
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•简单管路
•特点：
•Vs1,d
1
•Vs2,d
2
•Vs3,d
3
•（1）流体通过各管段的质量流量不变，对于不可 压缩流体，则体积流量也不变。
•不可压缩流体 •(2) 整个管路的总能量损失等于各段能量损失之和 。
•测umax平均速度流 量
•Remax=umaxd/
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•3、安装
•（1）测量点位于均匀流段，上、下游各有50d直管距离； •（2）皮托管管口截面严格垂直于流动方向；
•（3）皮托管外径d0不应超过管内径d的1/50，即d0<d/50 。
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•测速管的优点•：•