華東理工化工原理第01章

1、緒緒 論論 自然科學(xué)自然科學(xué)工程科學(xué)工程科學(xué) 一、本課程的產(chǎn)生和發(fā)展一、本課程的產(chǎn)生和發(fā)展 最早對象：化學(xué)工藝學(xué)最早對象：化學(xué)工藝學(xué) 如聚氯乙烯生產(chǎn)：如聚氯乙烯生產(chǎn)：溫度溫度,壓力壓力,催化劑催化劑 2020世紀(jì)初世紀(jì)初(1900)(1900)：各行各業(yè)互不相關(guān)：各行各業(yè)互不相關(guān) 二十年代提出二十年代提出單元操作單元操作第一次抽象第一次抽象 主要有：主要有： 流體輸送流體輸送, ,攪拌攪拌, ,過濾過濾, ,沉降沉降, ,流態(tài)化流態(tài)化 動(dòng)量傳遞動(dòng)量傳遞 換熱，蒸發(fā)換熱，蒸發(fā) 熱量傳遞熱量傳遞 吸收，精餾，萃取，干燥吸收，精餾，萃取，干燥 結(jié)晶，吸附，膜分離結(jié)晶，吸附，膜分離 質(zhì)量傳遞質(zhì)量傳遞

2、第二次抽象第二次抽象 傳遞過程傳遞過程 二、本課程的主要內(nèi)容和任務(wù)二、本課程的主要內(nèi)容和任務(wù) 內(nèi)容：化工單元操作內(nèi)容：化工單元操作( (以傳遞過程為主線以傳遞過程為主線) ) 任務(wù)：認(rèn)識過程和設(shè)備的規(guī)律任務(wù)：認(rèn)識過程和設(shè)備的規(guī)律。 應(yīng)用于化工設(shè)計(jì)應(yīng)用于化工設(shè)計(jì), ,生產(chǎn)調(diào)節(jié)生產(chǎn)調(diào)節(jié), ,優(yōu)化操作優(yōu)化操作。 1 1選擇選擇合理的過程合理的過程, ,設(shè)備設(shè)備。 2 2強(qiáng)化強(qiáng)化化工過程化工過程, ,設(shè)備設(shè)備。 3 3將實(shí)驗(yàn)室成果將實(shí)驗(yàn)室成果放大放大到工業(yè)規(guī)模到工業(yè)規(guī)模。 4 4發(fā)展發(fā)展新技術(shù)新技術(shù), ,新設(shè)備新設(shè)備。 三、三、基本的基本的研究方法研究方法 1 1數(shù)學(xué)分析法數(shù)學(xué)分析法 2 2. . 量

3、綱分析實(shí)驗(yàn)研究法量綱分析實(shí)驗(yàn)研究法 3 3. . 數(shù)學(xué)模型法數(shù)學(xué)模型法 要能要能“由小見大由小見大”，“由此及彼由此及彼”。 以前：簡單問題以前：簡單問題, ,嚴(yán)格處理嚴(yán)格處理。 現(xiàn)在：復(fù)雜問題現(xiàn)在：復(fù)雜問題, ,簡化處理簡化處理。 4. 4. 工程問題處理方法工程問題處理方法 四、若干工程觀點(diǎn)四、若干工程觀點(diǎn) (1)(1)衡算衡算觀點(diǎn)：輸入觀點(diǎn)：輸入+ +生成生成= =輸出輸出+ +積累積累 (2)(2)平衡平衡觀點(diǎn)：熱力學(xué)平衡指四大平衡觀點(diǎn)：熱力學(xué)平衡指四大平衡 力平衡：高壓力平衡：高壓-低壓，極限低壓，極限P P相等相等 熱平衡：高溫?zé)崞胶猓焊邷?低溫，極限低溫，極限T相等相等 相平衡：

4、高逸度相相平衡：高逸度相-低逸度相，極限低逸度相，極限f相等相等 化學(xué)平衡：化學(xué)反應(yīng)工程研究，此略化學(xué)平衡：化學(xué)反應(yīng)工程研究，此略 (3)(3)速率速率觀點(diǎn)：觀點(diǎn)： 1.1.概述概述 1.1 1.1 流體流動(dòng)的流體流動(dòng)的連續(xù)性假定連續(xù)性假定 1.1.1 1.1.1 連續(xù)性假定連續(xù)性假定 固體力學(xué)：考察對象固體力學(xué)：考察對象-單個(gè)固體，離散介質(zhì)單個(gè)固體，離散介質(zhì)。 流體力學(xué)：考察對象流體力學(xué)：考察對象-無數(shù)質(zhì)點(diǎn)，連續(xù)介質(zhì)無數(shù)質(zhì)點(diǎn)，連續(xù)介質(zhì)。 例如點(diǎn)壓強(qiáng)的考察例如點(diǎn)壓強(qiáng)的考察 p p ( (正壓力正壓力/ /面積面積) ) 第第1章章 流體流動(dòng)與流體輸送機(jī)械流體流動(dòng)與流體輸送機(jī)械 質(zhì)點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)含有大量

5、分子的流體微團(tuán)，其尺寸遠(yuǎn)小含有大量分子的流體微團(tuán)，其尺寸遠(yuǎn)小 于設(shè)備尺于設(shè)備尺寸、遠(yuǎn)大于分子平均自由程。寸、遠(yuǎn)大于分子平均自由程。 可能性：可能性：1mm1mm3 3常溫常壓氣體含常溫常壓氣體含2.52.5101015 15個(gè)分子， 個(gè)分子， 分子平均自由程為分子平均自由程為0.1m0.1m量級量級。 連續(xù)性假定連續(xù)性假定流體是由無數(shù)質(zhì)點(diǎn)組成的，彼此流體是由無數(shù)質(zhì)點(diǎn)組成的，彼此 間沒有間隙，完全充滿所占空間的連續(xù)介質(zhì)間沒有間隙，完全充滿所占空間的連續(xù)介質(zhì)。 目的目的：可用微積分來描述流體的各種參數(shù)。：可用微積分來描述流體的各種參數(shù)。 1.1.2 1.1.2 流體受力流體受力 體積力體積力 作用

6、于體積中的各個(gè)部位，作用于體積中的各個(gè)部位，力的大小與體積力的大小與體積 （質(zhì)量）有關(guān)（質(zhì)量）有關(guān)。如：重力，慣性力，離心力。如：重力，慣性力，離心力。 表面力表面力 分解成分解成：垂直于作用面垂直于作用面，壓力壓力 p p ； 平行于作用面平行于作用面，剪切力剪切力。 1.1.3 1.1.3 流體流體黏黏性性 黏黏性的物理本質(zhì)性的物理本質(zhì)：分子間引力和分子熱運(yùn)動(dòng)、碰分子間引力和分子熱運(yùn)動(dòng)、碰 撞撞。 （錄像）（錄像） 牛頓牛頓黏黏性定律性定律 表明表明流體受剪切力必運(yùn)動(dòng)流體受剪切力必運(yùn)動(dòng)。 牛頓型流體牛頓型流體與與非牛頓型流體非牛頓型流體的區(qū)別的區(qū)別。 = =f f( (物性，溫度物性，溫度

7、) ) t t, , 氣 氣 ，液 液 理想流體理想流體: : 假定假定=0=0 1.1.4 1.1.4 流體流動(dòng)的機(jī)械能流體流動(dòng)的機(jī)械能 為為單位質(zhì)量流體的動(dòng)能單位質(zhì)量流體的動(dòng)能 gz 為為單位質(zhì)量流體的位能單位質(zhì)量流體的位能 為為單位質(zhì)量流體的壓強(qiáng)能單位質(zhì)量流體的壓強(qiáng)能 2 2 u ) 2 ( 2 m u m )( m mgz p ) d dd ( V lAp 1.2 流體靜力學(xué)流體靜力學(xué) 1.2.1 靜止流體的壓強(qiáng)分布靜止流體的壓強(qiáng)分布 1.2.1.1 靜壓強(qiáng)的特性靜壓強(qiáng)的特性 任意界面上只受到大小相等方向相反的壓力。任意界面上只受到大小相等方向相反的壓力。 作用于任意點(diǎn)不同方位的靜壓強(qiáng)

8、數(shù)值相等。作用于任意點(diǎn)不同方位的靜壓強(qiáng)數(shù)值相等。 壓強(qiáng)各向傳遞壓強(qiáng)各向傳遞 。 1.2.1.2 靜力學(xué)方程靜力學(xué)方程 p+gz=常數(shù)常數(shù) 或或 等高等壓，等高等壓，等壓面等壓面 2 2 1 1 gz p gz p ghpzzgpp aa )( 212 1.2.1.3 靜力學(xué)方程應(yīng)用條件靜力學(xué)方程應(yīng)用條件 同種流體且不可壓縮同種流體且不可壓縮(氣體高差不大時(shí)仍可用氣體高差不大時(shí)仍可用) 靜止靜止(或等速直線流動(dòng)的橫截面或等速直線流動(dòng)的橫截面-均勻流均勻流) 重力場重力場 單連通單連通 1.2.2 流流體的總勢能體的總勢能 總勢能總勢能 （壓強(qiáng)能與位能之和）（壓強(qiáng)能與位能之和） 虛擬壓強(qiáng)虛擬壓強(qiáng)

9、1.2.3 壓強(qiáng)的表示方法壓強(qiáng)的表示方法 1.2.3.1 單位單位 N/m2=Pa 106Pa=1MPa 流體柱高度流體柱高度 ( p=gh ) 1 atm=1.013105Pa=760mmHg=10.33mH2O 1 bar=105Pa 1 at=1kg(f)/cm2=9.81104Pa 1.2.3.2 基準(zhǔn)基準(zhǔn) 表壓表壓= =絕對壓絕對壓- -大氣壓大氣壓 真空度真空度= =大氣壓大氣壓- -絕對壓絕對壓 1.2.4 靜力學(xué)方程的工程應(yīng)用靜力學(xué)方程的工程應(yīng)用 1.2.4.1 測壓測壓 已知：已知：R=180mm, h=500mm 求：求：pA=? (絕壓絕壓)，(表壓表壓) 解：解：pB=

10、pa+汞 汞gR pB=pA+水 水gh pA=pa+汞 汞gR-水水gh =1.013105+136009.810.18-10009.810.5 =1.204105Pa(絕壓絕壓) pA=1.204105-1.013105=1.91104Pa(表壓表壓) 1.2.4.2 液封液封 設(shè)備中壓力要保持，液體要排出，須用液封。設(shè)備中壓力要保持，液體要排出，須用液封。 應(yīng)用時(shí)注意應(yīng)用時(shí)注意 閥開、閥關(guān)閥開、閥關(guān) 1.2.4.3 流向判別流向判別 接通后流向？接通后流向？ 流水的有無流水的有無靜力學(xué)靜力學(xué) 流水的多少流水的多少動(dòng)力學(xué)動(dòng)力學(xué) 判據(jù)判據(jù): :看看z大小，還是大小，還是p大小大??？ 同一水平

11、高度比壓強(qiáng)同一水平高度比壓強(qiáng) p左 左=pA+gzA =P P A p右 右=pB+gzB =P P B 1.3 流體流動(dòng)中的守恒原理流體流動(dòng)中的守恒原理 1.3.1 質(zhì)量守恒質(zhì)量守恒 質(zhì)量流量質(zhì)量流量 qm=qV 平均流速平均流速 定態(tài)定態(tài)，不可壓縮流體，不可壓縮流體 u1A1=u2A2 A q u V 1.3.2 機(jī)械能守衡機(jī)械能守衡 , J/kg, J/kg 柏努利方程的物理意義柏努利方程的物理意義：三項(xiàng)機(jī)械能之和為常數(shù)：三項(xiàng)機(jī)械能之和為常數(shù) 或或 ， J/N=mJ/N=m 幾何意義：幾何意義：位頭、壓頭、速度頭位頭、壓頭、速度頭總高為常數(shù)總高為常數(shù)(錄像錄像)。 22 2 22 2 2

12、 11 1 up gz up gz g u g p z g u g p z 22 2 22 2 2 11 1 gZ pu 2 2 常數(shù) 柏努利方程的應(yīng)用條件：柏努利方程的應(yīng)用條件： （1 1）重力場，定態(tài)流動(dòng)，不可壓縮的）重力場，定態(tài)流動(dòng)，不可壓縮的理想流體理想流體 （2 2）無外加機(jī)械能或機(jī)械能輸出。）無外加機(jī)械能或機(jī)械能輸出。 推廣到工程上可用形式推廣到工程上可用形式 定態(tài)：定態(tài)：u u、p p等參數(shù)與時(shí)間無關(guān)等參數(shù)與時(shí)間無關(guān) 截面處均勻流（沒有加速度）截面處均勻流（沒有加速度） 截面處流速均勻分布截面處流速均勻分布 理想流體理想流體黏性損失黏性損失 引入引入h hf f 關(guān)于加速度：關(guān)于

13、加速度： 點(diǎn)點(diǎn)1 1有當(dāng)?shù)丶铀俣取⒂羞w移加速度有當(dāng)?shù)丶铀俣?、有遷移加速度 點(diǎn)點(diǎn)2 2只有當(dāng)?shù)丶铀俣戎挥挟?dāng)?shù)丶铀俣?點(diǎn)點(diǎn)3 3有遷移加速度有遷移加速度 點(diǎn)點(diǎn)4 4沒有加速度沒有加速度 均勻流段均勻流段 均勻分布均勻分布 得機(jī)械能衡算式：得機(jī)械能衡算式： 應(yīng)用時(shí)注意應(yīng)用時(shí)注意 u1A1=u2A2+u3A3 fe h up gzh up gz 22 2 22 2 2 11 1 截面的選擇截面的選擇 (錄像錄像) 1.3.3 工程應(yīng)用工程應(yīng)用 (1)(1)測風(fēng)量測風(fēng)量 由由1-11-1至至2-22-2排方程排方程 壓差計(jì)：壓差計(jì)： 可得可得： 2 2 22 uppa gRpp ia 2 ia gR p

14、p u2 )(2 2 2 22u AqV (2)(2)虹吸虹吸 從從1-11-1至至2-22-2排方程排方程 2 2 2 up gH p aa gHu2 2 (3)(3)馬利奧特容器馬利奧特容器 求水面在求水面在a-aa-a面以上面以上 時(shí)的放水速度：時(shí)的放水速度： 由由a-aa-a面至出口小孔面至出口小孔截面截面2-22-2排方程排方程 這時(shí)的流動(dòng)條件是這時(shí)的流動(dòng)條件是定態(tài)定態(tài)的的 實(shí)際實(shí)際: : 2 2 u p gz p a a a a gzu2 a gzCu2 0 機(jī)械能衡算式導(dǎo)出步驟：機(jī)械能衡算式導(dǎo)出步驟： 簡化簡化: :將問題先簡化到可分析的狀況，得理論將問題先簡化到可分析的狀況，得

15、理論 解。解。 修正修正: :逐一解決與實(shí)際的差距，使結(jié)果可工程逐一解決與實(shí)際的差距，使結(jié)果可工程 應(yīng)用。應(yīng)用。 應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意的問題：應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意的問題： 看是否符合應(yīng)用條件（連續(xù)流，滿流）看是否符合應(yīng)用條件（連續(xù)流，滿流） 畫示意圖畫示意圖 截面選取截面選取 均勻流，已知量最多，大截面均勻流，已知量最多，大截面u u=0=0 真空吸料真空吸料 現(xiàn)要將現(xiàn)要將30的乙醇輸送到高位槽，的乙醇輸送到高位槽， , , 管子管子 , ,流量流量0.004m3/s。有人建議抽真有人建議抽真 空，使料液吸上空，使料液吸上。忽略忽略hf 。求：求：p=? ? 3 kg/m800 mm5 . 357 解：從解：

16、從1-2排柏努利方程排柏努利方程 =5520Pa(絕絕) g u z g p g pa 2 2 2 2 m/s0 . 2 05. 0785. 0 004. 0 4 2 2 2 d q u V 2 2 2 2 gz u pp a 1281. 9800 2 2 80010013. 1 2 5 根據(jù)物化知識根據(jù)物化知識 30 pV=10700Pa 1.4 流體流動(dòng)阻力流體流動(dòng)阻力 1.4.1 流動(dòng)的流動(dòng)的類類型型 對于水平直管對于水平直管 人們發(fā)現(xiàn)兩種規(guī)律：人們發(fā)現(xiàn)兩種規(guī)律： 雷諾實(shí)驗(yàn)表明存在兩種流動(dòng)類型雷諾實(shí)驗(yàn)表明存在兩種流動(dòng)類型( (錄像錄像) ) 判斷依據(jù)：雷諾數(shù)判斷依據(jù)：雷諾數(shù) ppp h

17、f 21 f h up gz up gz 22 2 22 2 2 11 1 u Re d 阻力損失表現(xiàn)為阻力損失表現(xiàn)為 勢能差勢能差 1.4.1.1 層流層流和和湍流湍流的區(qū)別的區(qū)別 層流層流 湍流湍流 (1)(1) (2) (2) (3)(3)無微團(tuán)作徑向運(yùn)動(dòng)無微團(tuán)作徑向運(yùn)動(dòng) 有微團(tuán)作徑向運(yùn)動(dòng)有微團(tuán)作徑向運(yùn)動(dòng) (4)(4)層流層從中心到管壁層流層從中心到管壁 層流內(nèi)層附壁層流內(nèi)層附壁 (5)(5) y u d d y u d d ) ( (6) (6) h hf f與與 無關(guān)無關(guān) h hf f與與 有關(guān)有關(guān) (7)(7) (8) (8) 傳熱、傳質(zhì)慢傳熱、傳質(zhì)慢 傳熱、傳質(zhì)快傳熱、傳質(zhì)快 層

18、流和湍流的本質(zhì)區(qū)別層流和湍流的本質(zhì)區(qū)別: : 是否存在速度、壓強(qiáng)的脈動(dòng)性是否存在速度、壓強(qiáng)的脈動(dòng)性 1.4.1.2 流型判據(jù)流型判據(jù) Re2000 層流層流 2000Re4000 湍流湍流 d d 1.4.2流動(dòng)流動(dòng)阻力阻力 兩種阻力損失兩種阻力損失 根本原因根本原因黏性黏性 劃分：劃分：直管阻力損失直管阻力損失（沿程阻力損失）（沿程阻力損失） 局部阻力損失局部阻力損失（管件、閥件的阻力損失）（管件、閥件的阻力損失） 1.4.2.1 直管阻力損失直管阻力損失 影響因素：影響因素：物性因素物性因素， 設(shè)備因素設(shè)備因素 d, l, 操作因素操作因素 u 機(jī)械能衡算機(jī)械能衡算 直管，直管，u1=u2

19、， f h uu 22 2 22 2 11 PP PPP 21 f h 1.4.2.2 泊謖葉方程泊謖葉方程 層流時(shí)，層流時(shí)， 得得 應(yīng)用條件：應(yīng)用條件：牛頓流體牛頓流體 層流狀態(tài)層流狀態(tài) 圓直管速度分布穩(wěn)定段（非入口圓直管速度分布穩(wěn)定段（非入口 段）。段）。 層流直管阻力也可寫成層流直管阻力也可寫成 1.4.2.3 湍流直管阻力損失湍流直管阻力損失 記摩擦系數(shù)記摩擦系數(shù) 以不同的以不同的Re( (方便地調(diào)節(jié)方便地調(diào)節(jié)u) )，不同的人工粗糙管，不同的人工粗糙管, , 以水或空氣就可做實(shí)驗(yàn)。以水或空氣就可做實(shí)驗(yàn)。 1.4.3 摩擦系數(shù)摩擦系數(shù) 1.4.3.1 莫迪圖莫迪圖 層流時(shí)，管內(nèi)全部為層

20、流，層流時(shí)，管內(nèi)全部為層流，與與/ /d d無關(guān)無關(guān); ; 湍流時(shí)，層流內(nèi)層厚度湍流時(shí)，層流內(nèi)層厚度， , ,水力光滑管水力光滑管, ,與與ReRe有關(guān)有關(guān), ,與與/ /d d無關(guān)無關(guān), , ,與與ReRe、/ /d d都有關(guān)都有關(guān), , , ,完全湍流粗糙管完全湍流粗糙管, ,與與ReRe無關(guān)無關(guān), ,與與/ /d d有關(guān)有關(guān)。 同一根管子，可以既是光滑管，又是粗糙管同一根管子，可以既是光滑管，又是粗糙管。 查查Re=3105, /d=0.0005時(shí)的時(shí)的=0.018 查查Re=104, /d=0.0001時(shí)的時(shí)的=0.03。 1.4.4 局部阻力損失局部阻力損失 管件閥件處流道變化大，多

21、發(fā)生管件閥件處流道變化大，多發(fā)生邊界層脫體邊界層脫體, , 產(chǎn)生大量旋渦，消耗了機(jī)械能。產(chǎn)生大量旋渦，消耗了機(jī)械能。 錄像錄像 錄像錄像 錄像錄像 1.4.4.1 局部阻力計(jì)算式局部阻力計(jì)算式 工程上取工程上取 ，阻力系數(shù)阻力系數(shù) 或或 ，le當(dāng)量長度當(dāng)量長度 實(shí)測的實(shí)測的和和le已成圖表，供設(shè)計(jì)使用。已成圖表，供設(shè)計(jì)使用。 注意注意:兩種方法并不一致，都有近似；兩種方法并不一致，都有近似； 計(jì)算所取速度要看圖表規(guī)定。計(jì)算所取速度要看圖表規(guī)定。 阻力的單位有三種：阻力的單位有三種： 損失壓降損失壓降 Pa=N/m2 損失能量損失能量 J/kg 損失壓頭損失壓頭 J/N=m 查截止閥全開查截止閥

22、全開, 接管內(nèi)徑接管內(nèi)徑 d=100mm時(shí)時(shí) 的當(dāng)量長度的當(dāng)量長度le 查管道出口查管道出口 損失損失值值 工程計(jì)算工程計(jì)算( (一一) )水平管輸油水平管輸油 在在250kPa的壓差下輸送的壓差下輸送=800kg/m3, =0.1Pas的的 油品，管長油品，管長l+le =10km, 管內(nèi)徑管內(nèi)徑d=300mm。 求求: 流量為多少流量為多少m3/s？ 解：畫簡圖，從解：畫簡圖，從1 1至至2 2排機(jī)械能守恒式排機(jī)械能守恒式 因因較大，可先設(shè)較大，可先設(shè)ReRe20002000， 層流層流 驗(yàn)驗(yàn) 原設(shè)成立，計(jì)算有效原設(shè)成立，計(jì)算有效 Re 64 m/s7 . 0 100001 . 032 3

23、 . 0250000 )(32 22 e ll d u P 20001678 1 . 0 8007 . 03 . 0d u Re /sm050. 07 . 03 . 0785. 0 4 322 udqV 工程計(jì)算工程計(jì)算( (二二) )高位槽送液高位槽送液 由一高位槽向攪拌反應(yīng)器送料，料液性質(zhì)同由一高位槽向攪拌反應(yīng)器送料，料液性質(zhì)同 20的水，流量的水，流量1.3L/s, 鍍鋅鐵管鍍鋅鐵管423mm, 管管 長長10m，90彎頭彎頭4個(gè)，閘閥個(gè)，閘閥(全開全開)1個(gè)。個(gè)。 試求：試求：Z應(yīng)為多少應(yīng)為多少m。 解：解： 查查9090彎頭彎頭=0.75,=0.75,閘閥全開閘閥全開=0.17,=0

24、.17,出口出口=1=1 取取=0.2mm,=0.2mm,/ /d d =0.0056,=0.0056,查查=0.033=0.033。 由高位槽液面至反應(yīng)器液面作機(jī)械能衡算由高位槽液面至反應(yīng)器液面作機(jī)械能衡算 m/s28. 1 036. 014. 3 103 . 14 4 2 3 2 d q u V 4 1061. 4 001. 0 100028. 1036. 0d u Re g u d l g p Z 2 )( 2 m13. 2 81. 92 28. 1 )117. 075. 04 036. 0 10 2 033. 0( 81. 910 10 3 4 兩個(gè)工程計(jì)算的不同特點(diǎn)：兩個(gè)工程計(jì)算的不

25、同特點(diǎn)： 已知生產(chǎn)能力要求，求設(shè)備狀況已知生產(chǎn)能力要求，求設(shè)備狀況 管徑計(jì)算問題管徑計(jì)算問題 已知設(shè)備狀況，求生產(chǎn)能力已知設(shè)備狀況，求生產(chǎn)能力( (輸送能力輸送能力) ) 管路核算問題管路核算問題 1.5 管路計(jì)算管路計(jì)算 1.5.1 變量分析變量分析 1.5.1.1 變量變量 質(zhì)量守恒式質(zhì)量守恒式 機(jī)械能衡算式機(jī)械能衡算式 摩擦系數(shù)計(jì)算式摩擦系數(shù)計(jì)算式 udqV 2 4 2 )( 2 21 u d l PP ), d ( d u 其中物性參數(shù)其中物性參數(shù) 、 已知已知 設(shè)備參數(shù)設(shè)備參數(shù) l、d、 、 操作參數(shù)操作參數(shù) qV、u、 、P P 1、 、P P 2 中間變量中間變量 9個(gè)變量，需給

26、定個(gè)變量，需給定6個(gè)，求其它個(gè)，求其它3個(gè)個(gè) 按計(jì)算目的可分為按計(jì)算目的可分為 管徑計(jì)算管徑計(jì)算: 給定給定 qV、 、 P P 2、l、 、 選擇選擇 最優(yōu)最優(yōu) u (原則？原則？) 求求 P P1 、d 管路核算管路核算: 給定給定 d、 、P P 1 (或或qV)、 、P P 2 、l、 、 ， 求求 qV(或 或P P 1) 1.5.1.2 阻力損失阻力損失管路管路流量關(guān)系流量關(guān)系 結(jié)論：結(jié)論：管路狀況一定，管路狀況一定，qV,hf hf (P P)一定一定, ,qV qV一定一定, ,hf 圖中，圖中，,則則hfAB_, pA_,pB_,為什么為什么 若水流方向相反呢，若水流方向相反

27、呢， ,則則hfAB_,pA_,pB_ 42 22 8 )( 2 )( d q d lu d l h V f P 結(jié)論：結(jié)論： 閥門關(guān)小，上游壓強(qiáng)上升，閥門關(guān)小，上游壓強(qiáng)上升， 下游壓強(qiáng)下降，壓差增大下游壓強(qiáng)下降，壓差增大 閥門開大，上游壓強(qiáng)下降，閥門開大，上游壓強(qiáng)下降， 下游壓強(qiáng)上升，壓差減小下游壓強(qiáng)上升，壓差減小 判斷判斷1 1： B不變，不變，A，h1_,h2_,(h1-h2)_； A不變，不變，B，h1_,h2_,(h1-h2)_ 判斷判斷2 2：以下說法是否正確：以下說法是否正確 閥門調(diào)節(jié)流量是由于改變了管道的截面閥門調(diào)節(jié)流量是由于改變了管道的截面; 任何管路，流量任何管路，流量qV

28、必有必有hf ; 閥關(guān)小，閥關(guān)小， 中中, u,而而hf 的變化的變化 無法判斷。無法判斷。 判斷判斷3 3： 發(fā)生了什么問題？發(fā)生了什么問題？ 如何判斷上游、下游？如何判斷上游、下游？ 如何判斷泄漏與阻塞？如何判斷泄漏與阻塞？ 判斷判斷4 4： 1, qV_,qV1_, qV2_,qV3_ 1.5.2 簡單管路計(jì)算簡單管路計(jì)算 層流狀態(tài)下層流狀態(tài)下 為顯函數(shù)，可直接求解為顯函數(shù)，可直接求解 湍流狀態(tài)下湍流狀態(tài)下 為隱函數(shù)，常要試差求解為隱函數(shù)，常要試差求解 ?？上仍O(shè)常可先設(shè)在阻力平方區(qū)，再根據(jù)計(jì)算所在阻力平方區(qū)，再根據(jù)計(jì)算所 得得ReRe修正修正。 Re 64 1.5.2.1 串聯(lián)管路計(jì)算串

29、聯(lián)管路計(jì)算 方程特點(diǎn)方程特點(diǎn)：hf總 總=hf1+hf2+hf3 qV=qV1=qV2=qV3 注意各段阻力計(jì)算的注意各段阻力計(jì)算的 u、l、d、的不同的不同 1.5.2.2 復(fù)雜管路計(jì)算復(fù)雜管路計(jì)算 并聯(lián)管路計(jì)算并聯(lián)管路計(jì)算 分流或合流時(shí)，有能量的損失和交換，有時(shí)分流或合流時(shí)，有能量的損失和交換，有時(shí)00 對于長管，三通處的阻力相對很小可忽略對于長管，三通處的阻力相對很小可忽略 方程特點(diǎn)方程特點(diǎn)： qV總 總=qV1+qV2 注意注意hf不要重復(fù)計(jì)算不要重復(fù)計(jì)算 21ff BA hh PP 工程計(jì)算工程計(jì)算( (一一) ) 原有一長輸油管路原有一長輸油管路, 直徑直徑d1=1m, 流量為流量

30、為qV1, 現(xiàn)為了增加輸油量的現(xiàn)為了增加輸油量的50%, 在原來的長管旁并接在原來的長管旁并接 一根直徑為一根直徑為d2的長管。已知油在原管道中為層流。的長管。已知油在原管道中為層流。 求：求：d2=? 解：解： hf 1=hf 2, qV2qV1,則則 d2d1,u2u1, Re2Re1,小管中也為層流小管中也為層流 或或 2 32 d ul h f P u Re d 2 2 22 2 1 11 3232 d lu d lu 2 1 2 2 1 2 d d u u m84. 05 . 0)( 25. 025. 0 1 2 12 V V q q dd 4 1 2 2 11 2 22 1 2 d

31、 d du du q q V V 得得 ， 工程計(jì)算工程計(jì)算( (二二) ) 已知：泵提供給流體的能量已知：泵提供給流體的能量he=150J/kg, lAB=20m, lBC=20m, lBD=30m(均已含均已含le), dAB=38mm， dBC=25mm，dBD=25mm，各管，各管=0.025。 求：求：qVC, qVD(m3/s) 解：解：從從B點(diǎn)至點(diǎn)至C點(diǎn)點(diǎn), 機(jī)械能衡算機(jī)械能衡算 從從B點(diǎn)至點(diǎn)至D點(diǎn)點(diǎn), 機(jī)械能衡算機(jī)械能衡算 由于由于zC=zD, pC=pD=pa 得得 由由 得得 uC=1.21uD ，dC=dD, qVC=1.21qVD qV=qVC+qVD=2.21qVD

32、從從0點(diǎn)至點(diǎn)至D點(diǎn)點(diǎn), 機(jī)械能衡算機(jī)械能衡算 和和 代回衡算式，得代回衡算式，得 150=69.81+(2.5+6.43)107q2VD 得得 qVD=1.0110-3 m3/s qVC=1.21qVD=1.2210-3 m3/s 1.6 流速和流量的測量流速和流量的測量 1.6.1 皮托管皮托管 沿流線從沿流線從1至至2排排 柏努利方程柏努利方程 u2=0 根據(jù)根據(jù)h1, h2的指示可算出的指示可算出點(diǎn)速度點(diǎn)速度 22 2 22 2 11 upup 1.6.2 孔板流量計(jì)孔板流量計(jì) 分析處理方法：分析處理方法： (1)(1)先作先作=0處理處理 (2)(2)再考慮再考慮的影響的影響 由由1至

33、至2截面作能量衡算截面作能量衡算 質(zhì)量守恒質(zhì)量守恒 A1u1=A2u2 整理后整理后 22 2 22 2 11 uu PP (3)(3)考慮考慮的影響的影響；A2難以實(shí)測，用難以實(shí)測，用A0計(jì)計(jì) C0=f(Red,m), m=A0/A1 工程計(jì)算工程計(jì)算(一一) 標(biāo)準(zhǔn)孔板標(biāo)準(zhǔn)孔板 已知：孔徑已知：孔徑d0, 管徑管徑d1, 物性物性, i，讀數(shù)，讀數(shù)R 求：流量求：流量qV 解：解：2 1 0 )( d d m 1.6.3 轉(zhuǎn)子流量計(jì)轉(zhuǎn)子流量計(jì) 轉(zhuǎn)子力平衡：轉(zhuǎn)子力平衡：(p1-p2)Af=Vf f g 由由1-2能量守恒式：能量守恒式： 重力重力 = 浮力浮力 + 動(dòng)壓差力動(dòng)壓差力 22 2

34、0 2 2 2 1 1 1 u gz pu gz p 22 )()( 2 1 2 0 1221 uu AgzzAApp fff 2 1 2 0 2 1 0 u A A AgVgV ffff 轉(zhuǎn)子流量計(jì)的特點(diǎn)：恒流速、恒壓差轉(zhuǎn)子流量計(jì)的特點(diǎn)：恒流速、恒壓差 刻度換算：刻度換算： 出廠標(biāo)準(zhǔn)：出廠標(biāo)準(zhǔn)： 液體液體 氣體氣體 f ff A gV AA u )(2 )/(1 1 2 10 0 f ff RV A gV CAuAq )(2 000 )( )( AfB BfA VA VB q q 3 kg/m1000 3 kg/m2 . 1 工程計(jì)算工程計(jì)算(三三)刻度換算刻度換算 用轉(zhuǎn)子流量計(jì)計(jì)量乙醇流量

35、，已知：用轉(zhuǎn)子流量計(jì)計(jì)量乙醇流量，已知： ， ，測量范圍內(nèi)，測量范圍內(nèi)CR為常為常 數(shù)，現(xiàn)讀數(shù)為數(shù)，現(xiàn)讀數(shù)為5 m3/h，實(shí)際流量為多少？，實(shí)際流量為多少？ 解：出廠標(biāo)定解：出廠標(biāo)定 3 kg/m3000 f 3 kg/m800 乙乙醇醇 3 kg/m1000 )( )( 標(biāo)標(biāo)實(shí)實(shí) 實(shí)實(shí)標(biāo)標(biāo) 讀讀實(shí)實(shí) f f VV qq )10003000(800 )8003000(1000 5 /hm86. 5 3 流量計(jì)比較流量計(jì)比較 皮托管：測得點(diǎn)速度，流量須計(jì)算皮托管：測得點(diǎn)速度，流量須計(jì)算 孔板流量計(jì)：測得銳孔平均速度，孔板流量計(jì)：測得銳孔平均速度， A0恒定恒定, u0變化變化, p變化變化, 不

36、易阻塞不易阻塞 轉(zhuǎn)子流量計(jì)：測得的流量讀數(shù)需換算轉(zhuǎn)子流量計(jì)：測得的流量讀數(shù)需換算 p恒定恒定, u0恒定恒定, A0變化變化, 易阻塞易阻塞 其它流量計(jì)介紹其它流量計(jì)介紹 彎管流量計(jì)彎管流量計(jì) 阻力流量計(jì)阻力流量計(jì) 狹縫流量計(jì)狹縫流量計(jì) 渦輪流量計(jì)渦輪流量計(jì) 目的：給流體加入機(jī)械能目的：給流體加入機(jī)械能 1.7.1 管路特性管路特性 1.7.1.1管路特性方程管路特性方程 流體對輸送機(jī)械的能量要求流體對輸送機(jī)械的能量要求 從從1 1至至2 2截面截面 1.7 流體輸送機(jī)械流體輸送機(jī)械 H g u g p z 2 2 11 1 f H g u g p z 2 2 22 2 22 42 28 2

37、VVf Kqq gd d l g u d l H 高度湍流，高度湍流，K與流量無關(guān)與流量無關(guān) 1.7.1.2 1.7.1.2 管路特性的影響因素管路特性的影響因素 阻力部分：阻力部分：管徑管徑d 管長管長l、le或或 勢能增加部分：勢能增加部分：位差位差z 壓差壓差p 密度密度= d g pp 12 1.7.2 離心泵離心泵 1.7.2.1 離心泵的離心泵的工作原理工作原理 1.7.2.1.1 主要構(gòu)件主要構(gòu)件( (錄像錄像) ) 葉輪：迫使液體高速旋轉(zhuǎn)，形成離心力場葉輪：迫使液體高速旋轉(zhuǎn)，形成離心力場 中心加入低勢能、低動(dòng)能液體中心加入低勢能、低動(dòng)能液體 外緣輸出高勢能、高動(dòng)能液體外緣輸出高

38、勢能、高動(dòng)能液體 蝸殼：流道逐漸擴(kuò)大，將動(dòng)能部分轉(zhuǎn)化成勢能蝸殼：流道逐漸擴(kuò)大，將動(dòng)能部分轉(zhuǎn)化成勢能 1.7.3 離心泵的特性曲線離心泵的特性曲線 （1 1）泵的有效壓頭）泵的有效壓頭 泵內(nèi)損失：泵內(nèi)損失： 容積損失容積損失: :部分流體漏回入口處部分流體漏回入口處 水力損失水力損失: :0,0,葉片數(shù)目有限葉片數(shù)目有限 機(jī)械損失機(jī)械損失: :軸承、軸封的摩擦軸承、軸封的摩擦 （2 2）泵的有效功率）泵的有效功率 Pe=gqVHe Pa基本上隨流量基本上隨流量qV單調(diào)上升單調(diào)上升 泵啟動(dòng)時(shí)關(guān)出口閥泵啟動(dòng)時(shí)關(guān)出口閥 （3 3）泵的效率泵的效率 a e P P 泵的特性曲線測定泵的特性曲線測定( (

39、錄像錄像) ) d吸 吸=38mm,d出出=25mm, 測得水流量測得水流量 qV=510-4m3/s, p壓 壓=0.2MPa, p真 真=27kPa。 。 求：求：He=? 解：由泵進(jìn)、出口列方程解：由泵進(jìn)、出口列方程 1.7.3 離心泵的流量調(diào)節(jié)和組合操作離心泵的流量調(diào)節(jié)和組合操作 1.7.3.1 工作點(diǎn)工作點(diǎn) 工程處理方法：過程分解法工程處理方法：過程分解法 1.7.3.2 流量調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié) (1)出口閥開度出口閥開度 優(yōu)點(diǎn)：調(diào)節(jié)簡便、靈活優(yōu)點(diǎn)：調(diào)節(jié)簡便、靈活 缺點(diǎn)：能耗缺點(diǎn)：能耗 (2)改變轉(zhuǎn)速改變轉(zhuǎn)速n 節(jié)能，但不方便節(jié)能，但不方便 新老泵特性曲線關(guān)系新老泵特性曲線關(guān)系 時(shí)，時(shí)，

40、(等效率點(diǎn)等效率點(diǎn)) n n q q V V 2 2 V V q q n n H H 2 2 V V q q H H 例例1 已知：充分湍流，已知：充分湍流， =常數(shù)，現(xiàn)將離心水泵常數(shù)，現(xiàn)將離心水泵 由輸水改為輸送由輸水改為輸送CCl4, =1630kg/m3 求：求：當(dāng)當(dāng)p1=p2時(shí)時(shí), qV ,H , ,p出 出 ,Pe ; 當(dāng)當(dāng)p1p2時(shí)，時(shí)， qV ,H , ,p出 出 ,Pe 。 。 解：解：管路特性不變管路特性不變,工作點(diǎn)工作點(diǎn) 不變不變, qV不變不變, H不變不變, 不變。不變。 由點(diǎn)由點(diǎn)3至至2排能量方程排能量方程 管路特性曲線下移，管路特性曲線下移， 因因 ，圖解思維，圖解

41、思維 qV，H，不定不定 g p 1.7.4 離心泵的離心泵的安裝高度安裝高度 1.7.4.1 汽蝕現(xiàn)象汽蝕現(xiàn)象(錄像錄像) 葉輪入口葉輪入口K處壓強(qiáng)最低，處壓強(qiáng)最低，Hg太大時(shí)，太大時(shí)，pKpV, 液體汽化，形成汽泡，受壓縮后潰滅。液體汽化，形成汽泡，受壓縮后潰滅。 后果：葉輪受沖擊而出現(xiàn)剝落；后果：葉輪受沖擊而出現(xiàn)剝落； 泵軸振動(dòng)強(qiáng)烈，甚至振斷。泵軸振動(dòng)強(qiáng)烈，甚至振斷。 1.7.4.2 汽蝕余量汽蝕余量NPSH 由由1至至K： pK=pV, 發(fā)生汽蝕發(fā)生汽蝕, 這時(shí)這時(shí)p1最小最小, 定義定義臨界汽蝕余量臨界汽蝕余量(NPSH)c 由由0至至K： pK=pV時(shí)時(shí) Kf kk H g u g p g u g p 1 22 11 22 g p g u g p NPSH V C 2 )( 2 1min1 Kf k H g u 1 2 2 10 0 fg HH g p g u g p H kk Kf 2 2 1 g u HH g p g p