第三章物料输送及输送设备

1、：混合比：空气密度，：被输送的物料量，：空气输送量，）（气物气气气物333/mkghkgGhmQhmQGsmvhmQDvDQvQvQ/0188.0360033600424：输送气流速度，：空气输送用量，得：由：气气气气气气气气由上式计算得的管径，在根据国家的管径规格，选用标准管径。输料管一般采用无缝钢管、普通水煤气管、不锈钢管或硬质聚乙烯管等。用上述公式计算输送管径时，因为被输送的物料与空气的重度相差悬殊，物料的体积忽略不计。如果用上述公式计算空气管的管径，则：空气管中的气流速度取614m/s；压缩空气管路系统取610m/s；低压或负压空气管路取1014m/s mmDPavpPavpDLKKK

2、KaabDLa：空气管的内径，：空气管路的长度，旧焊接管，焊接管光滑管）（：空气的摩擦系数，）（弯管：）（直管：气气气气弯直111110011. 0121216 . 13 . 10 . 10125. 01221115. 05 . 12250233vvvvDLavvvpp气气气：系数，由下式确定失垂直输料管中的压力损2 . 0302332vPavHHDLaHHHpp气气气：系数，由下式计算）（损失水平压力输料管的压力用：阻力系数，依下表选）（弯管输料管的压力损失气气eeeePavpp2332）（时，压力降为：当旋风分离器用作除尘）（）（时，压力降为：当旋风分离器作卸料器气气气气PavPavccc

3、ccpKKp241214221575. 0851PamPasvvvpp392498147. 1/27. 1443为袋滤器的压力损失一般速，按下式计算：空气在袋中的表观流）（：袋滤器的压力损失袋数袋长每个袋的周长）空气量（p风机=（1.11.2） p （Pa）7 . 05 . 0/33600：效率，：风压，：空气体积，）（式计算风机的消耗功率可按下PahVWQPmV1252iiPavp一般取）（气气 化工生产中处理的原料、中间产物，产品，大化工生产中处理的原料、中间产物，产品，大多数是多数是流体流体，涉及的过程大部分在流动条件下进行。，涉及的过程大部分在流动条件下进行。流体的流动和输送是必不可少

4、的过程操作。流体的流动和输送是必不可少的过程操作。 选择输送流体所需管径尺寸。选择输送流体所需管径尺寸。确定输送流体所需能量和设备。确定输送流体所需能量和设备。流体性能参数的测量流体性能参数的测量, 控制。控制。研究流体的流动形态，为强化设备和操作提供研究流体的流动形态，为强化设备和操作提供理论依据。理论依据。了解输送设备的工作原理和操作性能，正确地了解输送设备的工作原理和操作性能，正确地使用流体输送设备。使用流体输送设备。研究流体的流动和输送主要是解决以下问题。研究流体的流动和输送主要是解决以下问题。3.1 3.1 流体的基本性质流体的基本性质3.3 3.3 流体压力和流量的测量流体压力和流

5、量的测量 3.5 3.5 流体输送设备流体输送设备3.4 3.4 管内流体流动的阻力管内流体流动的阻力3.1 3.1 流体的基本性质流体的基本性质 1 1密度密度 单位体积流体所具有的质量称为单位体积流体所具有的质量称为流体的密度流体的密度，其表达式为：其表达式为：流体密度，流体密度，kkm m-3-3 ; m ; m流体质量，流体质量，kgkg；V V流体体积，流体体积，m m3 3。 气体具有可压缩性及热膨胀性，其密度随压力气体具有可压缩性及热膨胀性，其密度随压力和温度有较大的变化。气体密度可近似地用理想气和温度有较大的变化。气体密度可近似地用理想气体状态方程进行计算：体状态方程进行计算：

6、 =pM/RT p p气体压力气体压力 kNkNm m-2-2或或kPakPa；T T气体温度气体温度 K K；M M气体摩尔质量气体摩尔质量 g gmolmol-1-1；R R气体常数气体常数Jmo1Jmo1-1-1K K-1-1。=m=mV V 化工生产中所遇到的流体，往往是含有多个组化工生产中所遇到的流体，往往是含有多个组分的混合物。对于分的混合物。对于液体混合物液体混合物，各组分的浓度常用，各组分的浓度常用质量分数表示。质量分数表示。 I I液体混合物中各纯组分液体的密度，液体混合物中各纯组分液体的密度，kgkgm m-3-3；w wI I液体混合物中各组分液体的质量分数。液体混合物中

7、各组分液体的质量分数。I I气体混合物各纯组分的密度，气体混合物各纯组分的密度，kgkgm m-3-3； I I气体气体混合物中各组分的体积分数。混合物中各组分的体积分数。 iinnMwWWW22111对于对于气体混合物气体混合物: :iiiim22112 2比体积比体积 单位质量流体所具有的体积称为流体的单位质量流体所具有的体积称为流体的比体积比体积，以以表示，它与流体的密度互为倒数表示，它与流体的密度互为倒数: : 一流体的比体积，一流体的比体积，m m3 3kgkg-1-1；流体的密度，流体的密度，kgkgm m-3-3。 =1/=1/3 3压力压力 流体垂直作用于单位面积上的力称为流体

8、垂直作用于单位面积上的力称为压力压力：p p流体的压力，流体的压力，PaPa；F F流体垂直作用于面积流体垂直作用于面积A A上的力，上的力，N N；A A作用面积，作用面积，m m2 2。压力的单位压力的单位PaPa（PascalPascal，帕），即帕），即N Nm m-2-2。latmlatm760mmHg760mmHg1.013251.0132510105 5PaPa10.33mH10.33mH2 2O O1.033kgf1.033kgf-2-2常用压力单位与常用压力单位与PaPa之间的换算关系如下：之间的换算关系如下：p p= F= FA A 压力有两种表达方式。一是以绝对零压为起点

9、压力有两种表达方式。一是以绝对零压为起点而计量的压力；另一个是以大气压力为基准而计量而计量的压力；另一个是以大气压力为基准而计量的压力，当被测容器的压力高于大气压时，所测压的压力，当被测容器的压力高于大气压时，所测压力称为力称为表压表压，当测容器的压力低于大气压时，所测，当测容器的压力低于大气压时，所测压力称为压力称为真空度真空度。 两种表达压力间的换两种表达压力间的换算关系为算关系为 表压表压= =绝对压力绝对压力- -大气压力大气压力真空度大气压力真空度大气压力- -绝对压力绝对压力用图用图3 31 1来表示其关系来表示其关系4 4流量和流速流量和流速 单位时间内流体流经管道任一截面的流体

10、量，单位时间内流体流经管道任一截面的流体量，称为称为流体的流量流体的流量。若流体量用体积来计量，称为。若流体量用体积来计量，称为体体积流量积流量，以符号，以符号q qv v表示，单位为表示，单位为m m3 3s s-1-1；若流体量用若流体量用质量来计量，则称为质量来计量，则称为质量流量质量流量，以符号，以符号q qm m表示，其表示，其单位为单位为kgkgs s-1-1。若流体量用物质的量表示，称为若流体量用物质的量表示，称为摩摩尔流量尔流量，以符号，以符号q qn n表示，其单位为表示，其单位为molmols s-1-1。qm=qV 质量流量与摩尔流量的关系为质量流量与摩尔流量的关系为 q

11、mMqn 体积流量和质量流量的关系为：体积流量和质量流量的关系为： 单位时间内，流体在管道内沿流动方向所流过单位时间内，流体在管道内沿流动方向所流过的距离，称为流体的流速，以的距离，称为流体的流速，以u u表示，单位为表示，单位为 m ms s-1-1。u=qV/ /S S S与流体流动方向相垂直的管道截面积，与流体流动方向相垂直的管道截面积，m m2 2 管道中心的流速最大，离管中心距离越远，流管道中心的流速最大，离管中心距离越远，流速越小，而在紧靠管壁处，流速为零。速越小，而在紧靠管壁处，流速为零。通常所说的流速是指流道整个截面上的平均流速，通常所说的流速是指流道整个截面上的平均流速，以流

12、体的体积流量除以管路的截面积所得的值来表以流体的体积流量除以管路的截面积所得的值来表示：示： 质量流速质量流速的定义是单位时间内流体流经管路单的定义是单位时间内流体流经管路单位截面积的质量，以位截面积的质量，以w w表示，单位为表示，单位为 kgkgs s-1-1m m-2-2，表表达式为：达式为： w=qmS 流速和质量流速两者之间的关系：流速和质量流速两者之间的关系：液体液体3.0m ms s-1-1，高粘度液体高粘度液体 1.0 m ms s-1-1；气体气体101020 20 m ms s-1-1，高压气体高压气体151525 25 m ms s-1

13、-1；饱和水饱和水蒸气蒸气202040 40 m ms s-1-1，过热水蒸气过热水蒸气303050 50 m ms s-1-1。 w=u工业上用的流速范围大致为：工业上用的流速范围大致为：5 5粘度粘度 粘性是流体内部摩擦力的表现，粘度是衡量流粘性是流体内部摩擦力的表现，粘度是衡量流体粘性大小的物理量，是流体的重要参数之一。流体粘性大小的物理量，是流体的重要参数之一。流体的粘度越大，其流动性就越小。体的粘度越大，其流动性就越小。 流体在圆管内的流动，可以看成分割成无数极流体在圆管内的流动，可以看成分割成无数极薄的圆筒层，其中一层套着一层，各层以不同的速薄的圆筒层，其中一层套着一层，各层以不同

14、的速度向前流动，如图度向前流动，如图32所示。所示。图图3一一3所示，将下板固定，而对上板施加一个恒定所示，将下板固定，而对上板施加一个恒定的外力，上板就以某一恒定速度的外力，上板就以某一恒定速度u沿着沿着x方向运动。方向运动。 实验证明实验证明，对于一定的液体，内摩擦力对于一定的液体，内摩擦力F与两与两流体层间的速度差流体层间的速度差u呈正比，与两层间的接触面积呈正比，与两层间的接触面积A呈正比，而与两层间的垂直距离呈正比，而与两层间的垂直距离y呈反比呈反比，即：即： F(u/y)A 引入比例系数引入比例系数 ，则：，则： F（u/y）A 单位面积上的内摩擦力称为内摩擦应力或剪应力，单位面积

15、上的内摩擦力称为内摩擦应力或剪应力，以以表示，则有：表示，则有： FA（u/y） 当流体在管内流动时，径向速度的变化并不是当流体在管内流动时，径向速度的变化并不是直线关系，而是曲线关系，则有：直线关系，而是曲线关系，则有： （du/dy） du/dy速度梯度，即在与流动方向相垂直的速度梯度，即在与流动方向相垂直的y方方向向上流体速度的变化率上流体速度的变化率 比例系数，亦称为粘性系数，简称粘度。比例系数，亦称为粘性系数，简称粘度。 凡符合牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体，凡符合牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体，所有气体和大多数液体都属于牛顿型流体。所有气体和大多数液体都属于牛顿型流体。 液体的

16、粘度随着温度的升高而减小，气体的粘液体的粘度随着温度的升高而减小，气体的粘度随着温度的升高而增加。度随着温度的升高而增加。 压力变化时，液体的粘度基本上不变，气体的压力变化时，液体的粘度基本上不变，气体的粘度随压力的增加而增加得很少。粘度随压力的增加而增加得很少。=/(du/dy)=(Nm-2)/(ms-1m-1)Nsm-2Pas流体的粘度还用粘度流体的粘度还用粘度与密度与密度的比值来表示，称为的比值来表示，称为运动粘度，以运动粘度，以表示之：表示之： 对于低压气体混合物的粘度，可采用下式进行计对于低压气体混合物的粘度，可采用下式进行计算算1 P100cP（厘泊）厘泊）=10-1Pas单位为单

17、位为m2s-1 1st100 cst(厘沲厘沲)10-4m2s-1在工业上常常遇到各种流体的混合物。在工业上常常遇到各种流体的混合物。m常压下混合气体的粘度；常压下混合气体的粘度； yi气体混合物中某一组分的摩尔分数；气体混合物中某一组分的摩尔分数；m=（yiiMi1/2)（yiMi1/2)=/i与气体混合物相同温度下某一组分的粘度；与气体混合物相同温度下某一组分的粘度； Mi气体混合物中某一组分的相对分子质量。气体混合物中某一组分的相对分子质量。iixlg m液体混合物的粘度；液体混合物的粘度； xi液体混合物中某一组分的摩尔分数；液体混合物中某一组分的摩尔分数； i与液体混合物相同温度下某

18、一组分的粘度与液体混合物相同温度下某一组分的粘度 对于分子不发生缔合的液体混合物的粘度，采用下对于分子不发生缔合的液体混合物的粘度，采用下式计算：式计算：lgm=1定态流动和非定态流动定态流动和非定态流动 流体在管道或设备中流动流体在管道或设备中流动时，若在任一截面上流体的时，若在任一截面上流体的流速、压力、密度等有关物流速、压力、密度等有关物理量仅随位置而改变，但不理量仅随位置而改变，但不随时间而改变，称为定态流随时间而改变，称为定态流动；反之，若流体在各截面动；反之，若流体在各截面上的有关物理量中，只要有上的有关物理量中，只要有一项随时间而变化，则称为一项随时间而变化，则称为非定态流动。非

19、定态流动。 当流体在流动系统中作定态流动时，根据质量当流体在流动系统中作定态流动时，根据质量作用定律，在没有物料累积和泄漏的情况下，单位作用定律，在没有物料累积和泄漏的情况下，单位时间内通过流动系统任一截面的流体的质量应相等。时间内通过流动系统任一截面的流体的质量应相等。 对上图所示截面对上图所示截面11和和22之间作物料衡算：之间作物料衡算： qm,1=qm,2因为因为qm=uS，所以：所以：1u1S1=2u2S 在任何一个截面上，则：在任何一个截面上，则： qm=1u1S12u2S2nunSn=常数常数 对于不可压缩流体，对于不可压缩流体，=常数，则：常数，则： 它反映在定态流动体系中，流

20、量一定时，管路各截面它反映在定态流动体系中，流量一定时，管路各截面上流体流速的变化规律。上流体流速的变化规律。 3流体定态流动过程的能量衡算流体定态流动过程的能量衡算柏努利方程柏努利方程 流动体系的能量形式主要有流动体系的能量形式主要有：流体的动能、位能、流体的动能、位能、静压能以及流体本身的内能。静压能以及流体本身的内能。 qV=u1S1=u2S2=unSn=常数常数 动能动能 流体以一定的流速流动时，便具有一定的动流体以一定的流速流动时，便具有一定的动能。动能为能。动能为mu2/2，单位为单位为kJ。 位能位能 流体因受重力的作用，在不同高度处具有不流体因受重力的作用，在不同高度处具有不同

21、的位能，相当在高度同的位能，相当在高度Z处所做的功，即处所做的功，即mgZ，单位为单位为kJ。 静压能静压能 静止流体内部任一处都存在一定的静压静止流体内部任一处都存在一定的静压力。力。 把流体引入压力系统把流体引入压力系统所做的功，称为流动功。所做的功，称为流动功。流体由于外界对它作流动流体由于外界对它作流动功而具有的能量，称为功而具有的能量，称为静静压能压能。 内能内能 内能（又称热力学能）是流体内部大量分内能（又称热力学能）是流体内部大量分子运动所具有的内动能和分子间相互作用力而形成的子运动所具有的内动能和分子间相互作用力而形成的内位能的总和。以内位能的总和。以U表示单位质量的流体所具有

22、的内表示单位质量的流体所具有的内能，则质量为能，则质量为m（kg）的流体的内能为的流体的内能为mU，单位单位kJ。 流体的流动过程实质上是流动体系中各种形式能流体的流动过程实质上是流动体系中各种形式能量之间的转化过程。量之间的转化过程。（1）理想流体流动过程的能量衡算）理想流体流动过程的能量衡算 理想流体是指在流理想流体是指在流动时没有内摩擦力存在动时没有内摩擦力存在的流体，即粘度为零。的流体，即粘度为零。 如上图，设在单位时间内有质量为如上图，设在单位时间内有质量为m(kg)、密度为密度为的的理想流体在导管中做定态流动，在与流体流动的垂直方向理想流体在导管中做定态流动，在与流体流动的垂直方向

23、上选取截面上选取截面1l和截面和截面22，在两截面之间进行能量，在两截面之间进行能量衡算。衡算。 入E 今流体在截面今流体在截面 22处的流速为处的流速为u2， 即即出E= mgZ1+m u12/2+p1m/= mgZ2+m u22/2+p2m/ 根据能量守恒定律，若在两截面之间没有外界能根据能量守恒定律，若在两截面之间没有外界能量输入，流体也没有对外界作功，则流体在截面量输入，流体也没有对外界作功，则流体在截面11”和截面和截面22”之间应符合：之间应符合： =入E出E 即 mgZ1+m u12/2+p1m/=mgZ2+m u22/2+p2m/ 对于单位质量流体，则：对于单位质量流体，则：

24、gZ1+ u12/2+p1/=gZ2+u22/2+p2/ 对于单位重力（重力单位为牛顿）流体，有：对于单位重力（重力单位为牛顿）流体，有： Z1+ u12/(2 g)+p1/(g) =Z2+u22/(2g)+p2/(g) 工程上，将单位重力的流体所具有的能量单位为工程上，将单位重力的流体所具有的能量单位为JN-1，即即m，称为称为“压头压头”，则，则Z、u2/(2g)和和p/(g)分分别是以压头形式表示的位能、动能和静压能，分别称别是以压头形式表示的位能、动能和静压能，分别称为为位压头、动压头和静压头位压头、动压头和静压头。 使用压头形式表示能量时，应注明是哪一种流体，使用压头形式表示能量时，

25、应注明是哪一种流体，如流体是水，应说它的压头是多少米水柱。如流体是水，应说它的压头是多少米水柱。 以上各式都是理想流体在定态流动时的能量衡以上各式都是理想流体在定态流动时的能量衡算方程式，又称为算方程式，又称为柏努利方程柏努利方程（Bernoulli equation）由柏努利方程可知，由柏努利方程可知，理想流体在管道各个截面上的理想流体在管道各个截面上的每种能量并不一定相等，它们在流动时可以相互转每种能量并不一定相等，它们在流动时可以相互转化，但其在管道任一截面上各项能量之和相等，即化，但其在管道任一截面上各项能量之和相等，即总能量（或总压头）是一个常数。总能量（或总压头）是一个常数。 为克

26、服流动阻力使流体流动，往往需要安装流体为克服流动阻力使流体流动，往往需要安装流体输送机械（如泵或风机）。设单位重力的流体从流体输送机械（如泵或风机）。设单位重力的流体从流体输送机械所获得的外加压头为输送机械所获得的外加压头为He，单位单位JN-1域域m。 则实际流体在流动时的柏努利方程为：则实际流体在流动时的柏努利方程为： 对于静止状态的流体，对于静止状态的流体，u=0，没有外加能量，没有外加能量，He =0，而且也没有因摩擦而造成的阻力损失而且也没有因摩擦而造成的阻力损失f=0，则柏则柏努利方程简化为：努利方程简化为： Z1+ u12/(2 g)+p1/(g) +He=Z2+u22/(2g)

27、+p2/(g)+hfp1- p2= g(Z1 -Z2) Z1+ p1/(g) =Z2+p2/(g)或或 实际流体在流动时，由于流体粘性的存在，必然实际流体在流动时，由于流体粘性的存在，必然造成阻力损失。造成阻力损失。 （2）实际流体流动过程的能量衡算）实际流体流动过程的能量衡算 连续性方程和柏努利方程可用来计算化工生产连续性方程和柏努利方程可用来计算化工生产中流体的流速或流量、流体输送所需的压头和功率等中流体的流速或流量、流体输送所需的压头和功率等流体流动方面的实际问题。流体流动方面的实际问题。 作图作图 根据题意作出流动系统的示意图以助分根据题意作出流动系统的示意图以助分析题意。析题意。 单

28、位务必统一单位务必统一 最好均采用国际单位制。最好均采用国际单位制。 4流体流动规律的应用举例流体流动规律的应用举例 在应用柏努利方程时，应该注意以下几点。在应用柏努利方程时，应该注意以下几点。截面的选取截面的选取 确定出上下游截面以明确对流动系确定出上下游截面以明确对流动系统的衡算范围。统的衡算范围。基准水平面的选取基准水平面的选取 为了简化计算，通常将所选为了简化计算，通常将所选两个截面中位置较低的一个作为基准水平面。两个截面中位置较低的一个作为基准水平面。例例 3l 今有一离心水泵，其吸入管规格为今有一离心水泵，其吸入管规格为88.5mm4 mm，压出管为压出管为75.5mm3.75mm

29、，吸入管中水的流速吸入管中水的流速为为 1.4 ms-1，试求压出管中水的流速为多少？试求压出管中水的流速为多少？ （1）管道流速的确定）管道流速的确定解解：吸入管内径吸入管内径dl=88.52 480.5 mm 压出管内径压出管内径 d275.52 3.75=68 mm根据连续性方程根据连续性方程 u1S1= U2S2 圆管的截面积圆管的截面积S=d2/4，上式写成：上式写成： u2/ul=(dl/d2)2压出管中水的流速为：压出管中水的流速为： u2=(dl/d2)2 ul=(80.5/68)21.4ms-11.96 ms-1表明：当流量一定时，圆管中流体的流速与管径的表明：当流量一定时，

30、圆管中流体的流速与管径的平方呈反比。平方呈反比。（2）容器相对位置的确定）容器相对位置的确定 例例32 采用虹吸管从高位槽向反应釜中加料。高采用虹吸管从高位槽向反应釜中加料。高位槽和反应釜均与大气相通。要求物料在管内以位槽和反应釜均与大气相通。要求物料在管内以 1.05 ms-1的速度流动。若料液在管内流动时的能量的速度流动。若料液在管内流动时的能量损失为损失为 2.25 JN-1，试求高位槽的液面应比虹吸管的，试求高位槽的液面应比虹吸管的出口高出多少米才能满足加料要求？出口高出多少米才能满足加料要求？解解：作示意图，：作示意图，取高位槽的液面为截面取高位槽的液面为截面11，虹吸管的出口内侧为

31、截面虹吸管的出口内侧为截面22，并取截面，并取截面22为基准水为基准水平面。平面。Z1+ u12/(2 g)+p1/(g) +He=Z2+u22/(2g)+p2/(g)+hf 式中式中Z1=h，u1 =0 p1=0(表压表压)，He =0； Z20，u2=1.05 ms-1，p2=0（表压），表压），h f2.25 JN-1在两截面间列出柏努利方程式：在两截面间列出柏努利方程式：代入柏努利方程式，并简化得：代入柏努利方程式，并简化得：h1.052 m2s-2/29.81 ms-22.25m2.31m即高位槽液面应比虹吸管的出口高即高位槽液面应比虹吸管的出口高2.31m，才能满才能满足加料的要求

32、。足加料的要求。（3）送料用压缩空气的压力的确定）送料用压缩空气的压力的确定 例例34 用离心泵将贮槽中的料液输送到蒸发器内，用离心泵将贮槽中的料液输送到蒸发器内，敞口贮槽内液面维持恒定。已知料液的密度为敞口贮槽内液面维持恒定。已知料液的密度为 1200 kgm-3，蒸发器上部的蒸发室内操作压力为蒸发器上部的蒸发室内操作压力为 200 mm Hg(真空度真空度)，蒸发器进料口高于贮槽内的液面，蒸发器进料口高于贮槽内的液面 15 m，输送管道的直径为输送管道的直径为 68 min 4mm，送液量为送液量为 20 m3h-1。设溶液流经全部管路的能量损失为设溶液流经全部管路的能量损失为12.23

33、JN-1(不包括出口的能量损失不包括出口的能量损失)，若泵的效率为，若泵的效率为60，试求，试求泵的功率。泵的功率。 （4）流体输送设备所需功率的确定）流体输送设备所需功率的确定 式中式中 ZI=0，ul0，p 10（表压）；表压）；Z215 m，因为因为 qv20/360015.5610-3m3s-1 S（0.06820.004）2m2/4 2.83 10-3 m2故故 u2Qv/S5.56 10-3m3S-1/2.83 103m2 =1.97 ms-1又又 p2200 .013 105/760 = 2.67 104Pa（真空度）真空度） = -2.67 104Pa（表压）表压） 解：解：取

34、贮槽液面为截面取贮槽液面为截面11，管路出口内侧为截，管路出口内侧为截面面22，并以截面，并以截面1一一l为基准水平面。在截面为基准水平面。在截面11和截面和截面22之间进行能量衡算，有：之间进行能量衡算，有：Z1+ u12/(2 g)+p1/(g) +He=Z2+u22/(2g)+p2/(g)+fNeqmgHeqvgHe=1200 kgm-35.56103 m3s-19.81m/s225.16m1.65103W1.65kwf12.23 JN-1将上列各数值代入拍努利方程式得：将上列各数值代入拍努利方程式得：He15 m1.9722m2s-2/(29.81ms-1)-2.67104kgs -2

35、m-1/(12009.81 kgs-2m-2) + 12.23 m 25.16 m液柱液柱泵的理论功率：泵的理论功率：实际功率实际功率：Na=Ne/=1.65kw/0.60=2.75 kw3.3 流体压力和流量的测量流体压力和流量的测量 化工生产中，为了监视和控制工艺过程，实时化工生产中，为了监视和控制工艺过程，实时测量流体性能参数测量流体性能参数, 所用测量仪表有不同的类型。所用测量仪表有不同的类型。 1.流体压力的测量流体压力的测量 （1）U形管压力计形管压力计 U形压力计结构如图示。管中盛有与测形压力计结构如图示。管中盛有与测量液体不互溶、密度为量液体不互溶、密度为i的指示剂。的指示剂。

36、U形管的两个侧管分别连接到被测系统形管的两个侧管分别连接到被测系统的两点的两点, 得：得：p= p2-p1=（i -）g (Z1 -Z2)=（i-）gR式中：式中：R为压力计的读数，即指示液的液面差；为压力计的读数，即指示液的液面差； i和和分别为指示液及被测液体的密度。分别为指示液及被测液体的密度。p= p2 -p1=I g（Z1 -Z2）=I g R若被测量的流体是气体，上式可简化为：若被测量的流体是气体，上式可简化为： （2）倒置）倒置U形管压力计形管压力计倒置倒置U形管压力计结构如上图所示。形管压力计结构如上图所示。 （3）微差压力计）微差压力计 为测量微小压力差，常采用微差压力计。为

37、测量微小压力差，常采用微差压力计。用于气体系统的测量。结构如下图所示用于气体系统的测量。结构如下图所示若两种指示液的密度分别为若两种指示液的密度分别为，l和和2，两两测压点之间的压力差为：测压点之间的压力差为：pp2pl=(1-2)gR上述各压力计构造简单，测压准确，在上述各压力计构造简单，测压准确，在实验室有广泛的应用。实验室有广泛的应用。 2流体流量的测定流体流量的测定 利用流体机械能相互转换原理设计的流体流量测量利用流体机械能相互转换原理设计的流体流量测量仪表有仪表有孔板流量计，文丘里流量计和转子流量计孔板流量计，文丘里流量计和转子流量计等。等。 （1）孔板流量计孔板流量计 孔板流量计的

38、结构孔板流量计的结构简单，如图所示。简单，如图所示。 设流体的密度不变设流体的密度不变，在孔板前导管上取一，在孔板前导管上取一截面截面11，孔板后取，孔板后取另一截面另一截面22，列出，列出两截面之间能量衡算式两截面之间能量衡算式： 式中：式中：u1流体通过孔板前的流速，即流体通过孔板前的流速，即流体在管道中的流速，流体在管道中的流速，ms-1； u2流体通过孔板时的流速，流体通过孔板时的流速，ms-1； p1流体在管道中的静压力，流体在管道中的静压力，Pa； p2流体通过孔板时的压力流体通过孔板时的压力Pa )(221pp 2122u-ugpgpg21221221)(1/ )(2SSppZ1

39、+ u12/(2 g)+p1/(g) = Z2+u22/(2g)+p2/(g)因是水平管道，因是水平管道，Z1= Z2，则有则有=u2=实际流体因阻力会引起压头损失，孔板处并有收实际流体因阻力会引起压头损失，孔板处并有收缩造成的骚扰，再考虑到孔板与导管间的装配可缩造成的骚扰，再考虑到孔板与导管间的装配可能有误差，归纳为校正系数，并以代替能有误差，归纳为校正系数，并以代替u2得得 的值为的值为0.610.63。 oc若液柱压力计的读数为若液柱压力计的读数为R，指示液的密度为指示液的密度为i，则则)(20021ppcu)(20021ppRgcu 流量计算公式为流量计算公式为 qv=u0So= )(

40、200iRgSc特点是结构简单，制造方便，应用广泛，缺点是能特点是结构简单，制造方便，应用广泛，缺点是能量损耗较大。量损耗较大。 (2) 文丘里流量计文丘里流量计 针对孔板流量计能量损耗较大的缺点，设计文丘里流针对孔板流量计能量损耗较大的缺点，设计文丘里流量计如图所示。量计如图所示。 qv=u0So= )(20iVRgSc 式中：式中： 为文丘里流量为文丘里流量计的流量系数，其值约计的流量系数，其值约为为0.98，S0为喉管处的截为喉管处的截面积。面积。 vc (3)转子流量计转子流量计 如图所示，转子流量计的主要部件为带刻度线的如图所示，转子流量计的主要部件为带刻度线的锥形玻璃管，管内装可上

41、下浮动的转子。锥形玻璃管，管内装可上下浮动的转子。转子的上升力等于转子的净重力时，转子在流体中转子的上升力等于转子的净重力时，转子在流体中处于平衡状态处于平衡状态pARVRRg-VRg式中式中 p转子上转子上下间的压差下间的压差, VR转子转子体积，体积，AR转子顶端转子顶端面的横截面积面的横截面积, R转转子密度子密度 流体密度流体密度根据柏努利方程同样可导出：根据柏努利方程同样可导出：gpgcuRR/2 式中式中 cR校正因子，与流体的流形、转子形状等有关校正因子，与流体的流形、转子形状等有关。qV= uRSR=cRSRgpg/2 式中式中 SR转子与玻璃管环隙的面积，转子与玻璃管环隙的面

42、积，m2 qV流体的体积流量，流体的体积流量，m3s1 转子采用转子采用不锈钢、铜及塑料不锈钢、铜及塑料等各种抗腐蚀材料等各种抗腐蚀材料制成，适用于中小流量的测定，常用于制成，适用于中小流量的测定，常用于 2以下管以下管道系统中，耐压在道系统中，耐压在 300400 kPa范围。范围。 流量公式为流量公式为3.4 管内流体流动的阻力管内流体流动的阻力 流体本身具有粘性，流体流动时因产生内摩擦流体本身具有粘性，流体流动时因产生内摩擦力而消耗能量，是流体阻力损失产生的根本原因。力而消耗能量，是流体阻力损失产生的根本原因。管道大小、内壁形状、粗糙度等影响着流体流动状管道大小、内壁形状、粗糙度等影响着

43、流体流动状况，是流体产生阻力的外部条件。本节介绍管路与况，是流体产生阻力的外部条件。本节介绍管路与系统的管、管件、阀门，并讨论流体的流动形态和系统的管、管件、阀门，并讨论流体的流动形态和管内流体流动阻力的定量计算。管内流体流动阻力的定量计算。 1. 管、管件及阀门简介管、管件及阀门简介 (1) 管管 管子种类繁多。有管子种类繁多。有铸铁管、钢管、特殊钢管、铸铁管、钢管、特殊钢管、有色金属管、塑料管及橡胶管有色金属管、塑料管及橡胶管等。等。 常把玻璃管、铜管、铅管及塑料管等称为光滑管；常把玻璃管、铜管、铅管及塑料管等称为光滑管；旧钢管和铸铁管称为粗糙管旧钢管和铸铁管称为粗糙管. 钢管分钢管分有缝

44、钢管有缝钢管和和无缝钢管无缝钢管,管子按照管材的性质，管子按照管材的性质，可分为可分为光滑管和粗糙管光滑管和粗糙管。 管壁粗糙面凸出部分的平均高度，称为管壁粗糙面凸出部分的平均高度，称为绝对粗糙绝对粗糙度度，以，以表示。绝对粗糙度表示。绝对粗糙度与管内径与管内径d的比值的比值，称为称为相对粗糙度相对粗糙度。表。表31列出了部分管道的绝对粗糙度。列出了部分管道的绝对粗糙度。 （ 3）阀门）阀门 阀门在管道中用以切断流动或调节流量。常用的阀阀门在管道中用以切断流动或调节流量。常用的阀门有截止阀、闸阀和止逆阀等。门有截止阀、闸阀和止逆阀等。 （2）管件）管件 用来改变管道方向、连接支管、改变管径及堵

45、塞用来改变管道方向、连接支管、改变管径及堵塞管道等。管道等。 2. 流动的形态流动的形态 为了解流体在管内流动状为了解流体在管内流动状况及影响因素，雷诺设计的实况及影响因素，雷诺设计的实验可直接观察到不同的流动形验可直接观察到不同的流动形态。实验装置如图所示。态。实验装置如图所示。 （1）两种流动形态）两种流动形态流速不大时墨水呈一条直线，平流速不大时墨水呈一条直线，平稳流过管，质点彼此平行的沿着稳流过管，质点彼此平行的沿着管轴的方向作直线运动，质点与质点之间互不混合。这管轴的方向作直线运动，质点与质点之间互不混合。这种流动形态称为种流动形态称为滞流或层流滞流或层流。开大阀门时，墨水线开始出现

46、波动。流速继续增大，细开大阀门时，墨水线开始出现波动。流速继续增大，细线消失，墨水与水完全混合。线消失，墨水与水完全混合。 表明水的质点除了沿着管道向前流动以外，各表明水的质点除了沿着管道向前流动以外，各质点还作不规则的紊乱运动，且彼此相互碰撞，互质点还作不规则的紊乱运动，且彼此相互碰撞，互相混合，水流质点除了沿管轴方向流动外，还有径相混合，水流质点除了沿管轴方向流动外，还有径向的复杂运动，这种流动形态称为向的复杂运动，这种流动形态称为湍流或紊流湍流或紊流。 （2）流动形态的判据）流动形态的判据 影响流体流动的因素除流速影响流体流动的因素除流速u外，还有流体流过的外，还有流体流过的通道管径通道

47、管径d的大小，及流体的物理性质如粘度的大小，及流体的物理性质如粘度和密度和密度。称为雷诺数，以符号称为雷诺数，以符号Re表示：表示：流体在直管中流动时，流体在直管中流动时，当当Re2 000，流体流动形态为流体流动形态为滞流；滞流；当当 Re4 000时，流体流动形态为湍流；时，流体流动形态为湍流；而而当当2000Re4000时，流体的流动则认为处于一种过渡时，流体的流动则认为处于一种过渡状态状态，可以是滞流，也可以是湍流。，可以是滞流，也可以是湍流。Redu/若将各物理量的量纲代入，则有：若将各物理量的量纲代入，则有：Re=LLT-1ML-3/ML-1T-1 （3）滞流和湍流的特征）滞流和湍

48、流的特征 如图所示，如图所示，滞流时流速沿管径呈抛物线分布，管滞流时流速沿管径呈抛物线分布，管中心处流速最大，管截面各点速度的平均值为管中心中心处流速最大，管截面各点速度的平均值为管中心处最大速度的处最大速度的0.5倍；倍；湍流时，流体质点强烈湍动有利于交换能量，使得管湍流时，流体质点强烈湍动有利于交换能量，使得管截面靠中心部分速度分布比较均匀流速分布曲线前沿截面靠中心部分速度分布比较均匀流速分布曲线前沿平坦，湍流的流速分布曲线与雷诺数大小有关，湍流平坦，湍流的流速分布曲线与雷诺数大小有关，湍流的平均速度约为最大速度的的平均速度约为最大速度的0.8倍。倍。 湍流流动时在靠近管壁处总有一层作滞流

49、流动的流湍流流动时在靠近管壁处总有一层作滞流流动的流体薄层，称之为体薄层，称之为滞流底层滞流底层。滞流内层的存在对传热过。滞流内层的存在对传热过程和传质过程有很大的影响。程和传质过程有很大的影响。 例例 35 在在168mm5mm的无缝隙钢管中输送原料油，的无缝隙钢管中输送原料油，已知油的运动粘度为已知油的运动粘度为 90cst，密度为密度为 910 kgm-3，试求燃料油试求燃料油在管中作滞流时的临界速度。在管中作滞流时的临界速度。 解：解：运动粘度运动粘度 v=/，层流时层流时Re的临界值为的临界值为2 000，其中其中 d168-25=158mm=0.158m90cst9010-2 10

50、-4m2s-1910-5m2s-1生产中的流体流动大多数是以湍流形态进行的。生产中的流体流动大多数是以湍流形态进行的。代入代入Redu/ 得：得：Redu/du/2 000故临界速度为故临界速度为 u2000910-5m2s-1/0.158m1.14ms-1 计算非圆形管的计算非圆形管的Re值时，要以当量直径值时，要以当量直径de代替代替d。, 当量直径当量直径de定义为：定义为： （4）流动边界层）流动边界层 由于流体粘性作用，近壁面处的流体将相继受阻由于流体粘性作用，近壁面处的流体将相继受阻而降速。随着流体沿壁面向前运动，流速受影响的区而降速。随着流体沿壁面向前运动，流速受影响的区域逐渐扩

51、大。将流体受壁面影响而存在速度梯度的区域逐渐扩大。将流体受壁面影响而存在速度梯度的区域称为域称为流体流动的边界层流体流动的边界层。一般把边界层厚度定义为一般把边界层厚度定义为自壁面到流速达到流体主体流速自壁面到流速达到流体主体流速 99处的区域。处的区域。de=4流体流动截面积流体流动截面积/流道润湿周边长度流道润湿周边长度 当流体流入圆管时，只在进口附近一段距离内有当流体流入圆管时，只在进口附近一段距离内有边界层内外之分。如图边界层内外之分。如图321所示。当管流雷诺数等所示。当管流雷诺数等于于9 105时，入口管长度约为时，入口管长度约为40倍管直径。倍管直径。流体流过较大曲率的物体时，会

52、发生边界层分离现流体流过较大曲率的物体时，会发生边界层分离现象。如图象。如图322，流体流过圆柱体时，在圆柱表面，流体流过圆柱体时，在圆柱表面ABC处逐步形成边界层，并因流动截面受阻而在处逐步形成边界层，并因流动截面受阻而在B处流速最大。处流速最大。 3管内流动阻力计算管内流动阻力计算 管内流动阻力可分为管内流动阻力可分为直管阻力和局部阻力直管阻力和局部阻力。直管直管阻力是当流体在直管中流动时因内摩擦力而产生的阻阻力是当流体在直管中流动时因内摩擦力而产生的阻力；力；局部阻力是流体在流动中，由于管道的局部阻力局部阻力是流体在流动中，由于管道的局部阻力障碍所引起的阻力。障碍所引起的阻力。 流体在管

53、路中流动阻力与流速有关。流速愈快，能流体在管路中流动阻力与流速有关。流速愈快，能量损失就愈大，即阻力损失与流体的动压头呈正比量损失就愈大，即阻力损失与流体的动压头呈正比guhf22 式中式中是一比例系数，称为阻力系数。是一比例系数，称为阻力系数。 (1)直管阻力的计算直管阻力的计算 在柏努利方程式中在柏努利方程式中, hf是指流体在管路系统中的总阻是指流体在管路系统中的总阻力损失，力损失，hf=hfhl设其静压力分别为设其静压力分别为p1和和P2，且且p1P2，在两个截面之间在两个截面之间的柏努利方程式为：的柏努利方程式为： 如图，流体在长为如图，流体在长为l，内径为内径为d的管内以流速的管内

54、以流速u作定态流动，作定态流动， 在等径水平管内，有在等径水平管内，有Z1= Z2，u1= u2=u，上式变为：上式变为：垂直作用于流体柱两端截面垂直作用于流体柱两端截面11和和22上的力分别为：上的力分别为： Z1+ u12/(2 g)+p1/(g) =Z2+u22/(2g)+p2/(g)+ hfp1-p2=ghfF1=p1A1= p1d12/4F2=p2A2= p2 d22/4d1=d2=d，故推动流体流动的推动力故推动流体流动的推动力F1- F2 =(p1-p2) d2/4而平行作用于管内表面上的摩擦力而平行作用于管内表面上的摩擦力F为为Fdl 流体在管内作定态等速流动，作用于流体上的推

55、流体在管内作定态等速流动，作用于流体上的推动力和摩擦阻力必然大小相等，方向相反，有：动力和摩擦阻力必然大小相等，方向相反，有： (p1-p2) d22/4=dl p1-p2=4l/dhf =4l/gd得得dlu2828ugudlhf2222udlghpff得得上式称为范宁上式称为范宁(Fanning)公式，是直管阻力的计算通公式，是直管阻力的计算通式式。流体在直管内流动的阻力及压力损失与流体流速流体在直管内流动的阻力及压力损失与流体流速和管道几何尺寸呈正比，比例系数称为和管道几何尺寸呈正比，比例系数称为摩擦阻力系数摩擦阻力系数。 如图所示，选管中心至管壁的任一如图所示，选管中心至管壁的任一r处

56、的流体圆筒，处的流体圆筒，管长为管长为l，则截面积为则截面积为r2，滑动表面积为滑动表面积为2rl。取微取微分距离分距离dr, 滑动摩擦阻力为：滑动摩擦阻力为：要克服要克服F而使流体流动，流体必须接受与其大小相等、而使流体流动，流体必须接受与其大小相等、方向相反的推动力方向相反的推动力-(p1-p2)r2，即有即有dudr 滞流时的摩擦阻力系数滞流时的摩擦阻力系数 drdurldyduAF2整理并积分，得：整理并积分，得：Rudulrdrpp0021max2)(-(p1-p2)r2=2rlr：0R，u：umax0 pR222lumax以以d=2R，u=umax/2代入，并整理代入，并整理 湍流

57、时，流体质点是不规则的紊乱运动，质点间湍流时，流体质点是不规则的紊乱运动，质点间互相碰撞激烈，瞬间改变方向和大小。互相碰撞激烈，瞬间改变方向和大小。 Re越大，滞流越大，滞流底层越薄，管壁粗糙度对湍流阻力的影响越大。因而，底层越薄，管壁粗糙度对湍流阻力的影响越大。因而，湍流的流体阻力或摩擦阻力系数还与管壁粗糙度有关。湍流的流体阻力或摩擦阻力系数还与管壁粗糙度有关。 湍流时的摩擦阻力系数湍流时的摩擦阻力系数=64/Rep =32ul/d2或或gudlgphf2Re642a析因实验析因实验 对所研究的过程作理论分析和探索，对所研究的过程作理论分析和探索，寻找影响过程的主要因素。影响的诸因素为：寻找

58、影响过程的主要因素。影响的诸因素为：量纲分析法是通过把变量组合成为一数群，减少了量纲分析法是通过把变量组合成为一数群，减少了实验变量个数，相应减少了实验次数。该法在工程实验变量个数，相应减少了实验次数。该法在工程上广泛应用。可假设为下列幂函数形式：上广泛应用。可假设为下列幂函数形式：实验研究的步骤和方法实验研究的步骤和方法p=f(d,l,u, , )b规划实验规划实验 确定所研究的物理量与各影响因素的具确定所研究的物理量与各影响因素的具体关系，需在其它变量不变下，多次改变一个变量。体关系，需在其它变量不变下，多次改变一个变量。采用正交实验法、量纲分析法等简化实验。采用正交实验法、量纲分析法等简

59、化实验。PK d a l b u cde f代入并整理得：代入并整理得：du/为雷诺数为雷诺数Re； 称为欧拉数，以称为欧拉数，以 Eu表示；表示； d为相对粗糙度。为相对粗糙度。 2puc.实验数据处理实验数据处理 获得量纲为一数群后，它们间的关获得量纲为一数群后，它们间的关系还需通过实验，并将实验数据进行处理，用适当方系还需通过实验，并将实验数据进行处理，用适当方式表达出来。对于式表达出来。对于湍流摩擦阻力系数为湍流摩擦阻力系数为 对于光滑管（对于光滑管（=0），），常用的关联式有柏拉修斯常用的关联式有柏拉修斯（Blasius）公式公式PK d b-e-f l b u2-e 1-ee f将

60、指数相同的变量合并，得将指数相同的变量合并，得feddudlKup22= (Re，/d)=0.316 4 Re0.25 上式适用于湍流区的整个范围。上式适用于湍流区的整个范围。 工程上，经常用共线图将工程上，经常用共线图将与与Re和和/d的关系形象的关系形象化，将经验关系式转换成图线化，将经验关系式转换成图线,如图如图325所示。所示。上式适用于流体在光滑管中上式适用于流体在光滑管中, 3 000Re105范围内范围内的计算。的计算。对于粗糙管，常见的有加考莱布鲁克公式对于粗糙管，常见的有加考莱布鲁克公式-1/2= 1.742 lg2 /d18.7(Re1/2)d. 完全湍流区完全湍流区 Re