化工原理教案

1、流体流动与传热绪 论 一、本课程的形成1、化学工业：大规模地改变物料的物理性质、机械性质和化学性质，使之成为符合要求的产品的一种产业。 2、单元操作：化学反应有新的物质产生；物理过程参与操作的物料化学性质并没有改变。化工单元操作（简称单元操作）：指在化工生产过程中普遍使用的、遵循共同的物理学定律、所用设备相似、具有相同作用的物理操作。 3、单元操作分类：动量传递过程（传动过程）：遵循流体动力学规律。有流体流动与输送、非均相分离（沉降、过滤） 热量传递过程（传热过程）：遵循热交换规律。有传热、蒸发、结晶质量传递过程（传质过程）：遵循分子扩散规律。有蒸馏（精馏）、吸收、萃取、干燥二、本课程的性质与

2、任务化工原理课程是化学工艺类及相关（石油、精细化工、环境工程、生化工程、制药工程、食品工程等）专业的一门主干课程，是学生具备了必要的数学、物理、物理化学、工程力学、化工制图等基础知识之后必修的技术基础课。研究相关单元操作的基本原理和规律，熟悉掌握实现这些操作的设备结构、工作原理、操作调控方法、主要性能和有关技术问题，并掌握一定的运算能力、选型及设计能力，能在工程实践中运用这些知识去分析和解决实际问题，使各项操作在最优化条件下进行，这是学习本课程的目的与任务。三、单位与单位制：1、单位与单位制： 表述一个物理量的大小，除用数值外，还必须要有计量单位。 单位： 基本单位在一套单位制中规定几个基本物

3、理量的单位。 如si制规定了七个基本单位：长度m；时间s；质量kg；物质的量mol；热力学温度k；电流a。 导出单位其它单位根据它们与基本物理量之间的关系导出。 如：速度的单位=单位制：因历史原因和学科领域的不同，形成了不同的单位制，如物理单位制、工程单位制，为了便于各地区、各学科领域的交流，1960年10月，第11次国际计量大会上，通过一种新的单位制国际单位制，也称si制。考虑我国的习惯,除si制外，还有法定单位。法定单位：时间秒（s）外可用小时（h）；体积立方米（m3）外可用升（l）。 2、单位换算： 物理量从一种单位换算成另一单位时，量本身并不变化，但数量要变，换算时要乘上两个单位间的换

4、算系数。换算系数彼此间相等而各有不同单位的两个物理量之比。本书附录一列出了各种单位间的换算系数。四、基本概念 1、稳定流动系统与不稳定流动系统： 稳定流动系统在流动系统中，若各截面的有关物理量（q、u、p、）仅随位置而变，但不随时间而变的流动。 不稳定流动系统在流动系统中，若截面的有关物理量（q、u、p、）既随位置而变又随时间而变的流动。在化工生产中，流体流动大都是稳定流动，只有开、停车时或操作不正常时，才是非稳定流动2、稳定流动系统的特点：1）稳定流动系统的连续性：若要保证在流动系统中任一截面有关物理量不随时间而变，系统中必须充满流体并无空隙，即流体质点应处于连续状态，对此特性则称为稳定流动

5、系统的连续性。 2）稳定流动系统的守恒性稳定流动系统的质量守恒： d=a+f能量衡算：能量包括热能、光能、机械能、化学能等，但在化工原理能量衡算中仅考虑热量衡算。计算依据：能量守恒定律 q进= q出+ q损能量衡算的基本方法与物料衡算是相同的。但在使用时要注意：热量不仅可以随物料进、出系统，而且可以透过设备与外界进行热交换,这部分热量称热损失。3、平衡与过程速率： 让一个过程自发进行，经过一段时间后，它将达到一个相对稳定状态平衡。 例如在一杯水中加入一块足够量的盐，在一定的条件下（p、t），刚开始时，盐的溶解速率大于凝固速率，经过一段时间后，盐的溶解速率与凝固速率将达到相等，这个平衡就是动态平

6、衡。 平衡关系判别过程进行的方向和极限。相平衡关系决定了过程进行的方向和极限，但它决定不了过程进行的速率。过程速率：在生产过程中，总希望过程速率快些，使单位时间内生产的量多些，一是可节省时间；二是提高设备的生产能力。一般说物系偏离平衡状态越远，则过程速率越大，则设备的生产能力大，对生产有利。过程速率受什么因素影响呢？影响过程速率的因素有二大类：过程推动力和过程阻力。过程速率可近似地用下式关联过程速率=4、经验关联式工程计算过程中所使用的公式可分为两类：一类是借助物理定律用数学逻辑演绎方法的到的，称为物理方程式；另一类则是单纯根据实验数据整理而来，称为经验关联式（经验公式）。在经验公式的使用中，

7、必须注意：经验公式的使用范围；经验公式中各参数的单位；经验公式的精确程度。第一章 流 体 力 学基本要求: 了解流体流动的基本规律，要求熟练掌握流体静力学基本方程、连续性方程、柏努利方程的内容及应用，并在此基础上解决流体输送的管路计算问题。1、掌握的内容（1）流体的密度和粘度的定义、单位、影响因素及数据的求取；（2）压强的定义、表示法及单位换算；（3）流体静力学基本方程、连续性方程、柏努利方程的内容及应用；（3）流动型态及其判断，雷诺准数的物理意义及计算；（4）流体在管内流动时流动阻力（直管阻力和局部阻力）的计算；（5）正确使用各种数据图表。2 、了解的内容（1）流体的连续性和压缩性、定态流动

8、与非定态流动；（2）层流与湍流的特征；（3）管内流体速度分布；（4）牛顿粘性定律；（5）层流内层的概念；（6）简单管路计算。概 述：一、流体1.定义：具有流动性的物体，包括气体和液体。2.共性：易流动，无一定形状。3.特性 液体：其形状与容器相同，有一定的自由表面，几乎不可压缩，受热膨胀很小，其体积随p、t变化不大。 气体：能充满任意空间，与容器形状完全相同，易压缩；易膨胀。二、流体输送在化工生产中的应用常见的流体输送方式1.高位槽送料2.真空抽料3.压缩空气送料4.流体输送机械送料第一节 流体的基本物性一、密度与相对密度1.密度：单位：kg/m3影响因素：p和t的求取a.液体：纯液体查表；混

9、合液体利用公式 计算。b.气体a. 纯气体：查表或利用气态方程式。 （注意方程式中各物理量的单位）对理想气体在标准状态下的密度由标准状态下的密度求出其他状态下的密度：由公式计算b、混合气体：或由公式计算2.相对密度：某一液体密度和标准液体（277k时的水）的密度的比值。二、流体的压力（压强）1.定义：p=f/a2.单位si制：n/m2（pa）工程制：kgf/m2、kgf/cm2（at）用液柱高度表示：mmhg 、mh2o等。标准大气压（物理大气压）：atm工程大气压：at3.压强的表示方法a.绝对大气压：以绝对零压（绝对真空）为基准算得的压强。b.表压、真空度：以大气压为基准得到的压力，比大气

10、压高的部分称表压，比大气压低的部分称真空度。关系：p绝=p表+ p大p绝=p大-p真注意：大气压与气温、湿度和所在地的海拔高度有关。绝对零压线大气压线线绝对压强绝对压强表压真空度图1-1 绝对压强、表压与真空度的关系1atm = 1.013105pa =760mmhg =10.33m h2o三、粘度1.定义：衡量流体粘性大小的物理量，用表示。粘性是指实际流体流动时流体分子之间产生内摩擦力的特性。粘性越大，流动性越差，流动阻力越大。2.单位：si制ns/m2=pas物理单位制：dnys/cm21 pas=10p=1000cp=1000m pas3.影响因素：t和p （1）t:气体：t， 液体：t

11、，（2）p: 气体：在很高或很低时才考虑。液体：影响很小，不考虑。4.的求取：纯物质查表、查图；混合物利用经验公式。注意：运动粘度四、流量与流速： 1、定义：单位时间内流经有效截面的流体量称为流量。 2、相互关系： 体积流量与质量流量间关系：qm = qv 流量与流速之间的关系： u = 3、管道直径的估算：由上式可写：d=当qv、qm一定 ，d=f（u）u，d，基建费降低，阻力大，操作费用大u，d，基建费降高，阻力小，操作费用小例：某管道流量为50000kg/h,料液的性质与水相近,密度为960kg/m3,求管道的直径?解:根据d=qm=13.89kg/s=960kg/m3,取u=1.8m/

12、sd=0.101md=0.101m的管子在市面上不一定有买,需进行圆整,查附录二十,可选用公称直径为100mm的水煤气管,其外径为114mm,壁厚4mm,内径为(114-24)=108mm。而实际管内流速 u= =1.58m/s五、稳定连续流动系统的物料衡算连续性方程1稳定流动系统的守恒性a计算依据：质量守恒定律 总进量=总出量 w进 = w出 +w损b作用：帮助我们了解生产过程中原料、产品以及损失的物料数量；完成一定生产任务所需设备的大小。c注意：a）确定衡算范围衡算范围可大可小，大可以对全厂进行总衡算；小可以对某设备、某组分进行衡算。也可以是对全部参加操作的物料为基础的总物料衡算，或是以混

13、合物中某一组分为基础的部分物料衡算。所以在进行物料衡阳算时首先要根据设计任务、生产任务或作业要求确定衡算范围。b）确定衡算基准对连续操作：常以单位时间为基础；对间歇操作：常以一次操作为基础。2连续性方程进入系统总的质量等于出该系统总的质量 即： w进=w出 w1=w2 因为 w = qv qv11=qv22 不可压缩流体1 =2qv1 =qv 2 根据qv= u2s2 u1s1= u2s2 因s=d2u1 = u2（） u1 = u2（） 该式表示：在稳定连续流动系统中，对不可压缩流体，管道中流体的流速与管子的截面积成反比，或流体的流速与管子的直径的平方成反比。第二节 流体静力学一、流体静力学

14、基本方程（一）在静止流体内部有以下二个特点：1在静止流体内部，从各个方向作用于某一点的压力都是相等的。否则该点的流体不能保持静止；2同一水平面上各个点的压力也是相等的，否则不能保持静止的水平面。（二）流体静力学基本方程推导： 1、重力：大小f = a（z1- z2）g 方向向下 2、作用在上表面的压力：大小f1 = p1 a 方向向下 3、作用在下表面的压力：大小f2 = p2 a 方向向上 f+ f1+ f2 = 0 p2 = p1 +（z1- z2）g 若将液体柱向上移至液面，而液面上方压强为p0，液体柱高度差z1- z2 =h，h下表面距液面的深度，则可将上式改写为： p2= p0 +h

15、g p2= hg式都是静力学基本方程。（三）讨论： 1、当p0变化时，流体内部各点压强p2也发生同样大小的变化；2、p0不变时，静止流体内部任一点的压强p2的大小与流体本身的密度和该点距液面的深度有关，当t一定后，p2 = f（h）。问题：在静止流体内部，处在同一水平面的各点压强是否一定相等？（四）等压面：在静止流体内部，由压强相等的点所组成的面，满足等压面的四个条件：静止、连续、同一流体的水平面。二、静力学方程在工程上的应用（一）压强和压强差的测定： 1、压强差的测定： 结构：右图是一个u形管压差计，在u形管压差计内装上一种液体，称指示液。 测理原理：在1-1，、2-2，二截面各取一测压孔，

16、用软管与u形管压差计二臂相连，软管上部将被被测流体充满，在水平等径管内流体是流动的，但在软管和u形管压差计内的流体是静止的。若p1p2形管压差计二臂读数不相等，压强大的，作用力大，能量大，它将u形管内的指示液面往下压，出现高度差，用r表示，其值大小反映1-1，、2-2，间的压强差p1p2。根据静力学基本方程：pc=p1+（h+r）g pc，=p2+hg+rig因c-c，是等压面，pc = pc， p1+（h+r）g = p2+hg+rig2、压强的测定：选-，为等压面，1， p1 = p 1，= pa + rgi p = pa + rgi（二）液位的测定：1最简单的液位计就是在容器壁上、下部开

17、二小孔，接一玻璃管，玻璃管内液位高低就是容器液位的高低。静力学基本方程：p2 = p0+hg例：如图示容器内存有密度为800kg/m3的油，u形管内指示液为水银=13600kg/m3，读数r=200mm，求容器内油面高度。p0+hg= p0+rgih= ri/=0.213600/800=3.4m2液位的远程测量当容器（或设备）与大气相同时， （三）液封高度的求取： 液封：利用液柱高度封闭气的一种装置。它是生产过程中为了防止事故发生，为了安全生产而设置的一种装置。 液封的种类：a.安全液封在化工生产中，为了控制设备内气体压力不超过规定的数值，常常使用安全液封装置(或称水封装置)。b.切断液封c.

18、溢流液封液封的作用：封住气体，而让液体从塔内流出；泄压。 液封高度的求取：例：控制乙炔发生器内的压强不大于80mmhg(表压)，求水封中水应比气体出口管高出多少米？ h=p表/g =80133.3/(10009.8) =1.09 m第三节 柏努利方程式及其应用 一、流动系统的能量类型（一）流动着的流体本身具有的能量1内能贮存于流体内部的能量。设1kg流体具有的内能为u，其单位为j/kg。2位能流体受重力作用在不同高度处所具有的能量称为位能。计算位能时应先规定一个基准水平面，如0-0面。将质量为m kg的流体自基准水平面0-0升举到z处所做的功，即为位能位能=mgz1kg的流体所具有的位能为zg

19、，其单位为j/kg。3动能流体以一定速度流动，便具有动能。 m kg流体的动能=1kg的流体所具有的动能为，其单位为j/kg。4静压能在静止或流动的流体内部，任一处都有相应的静压强，如果在一内部有液体流动的管壁面上开一小孔，并在小孔处装一根垂直的细玻璃管，液体便会在玻璃管内上升，上升的液柱高度即是管内该截面处液体静压强的表现，如图1-17所示。对于图1-18的流动系统，由于在1-1截面处流体具有一定的静压强，流体要通过该截面进入系统，就需要对流体做一定的功，以克服这个静压强。换句话说，进入截面后的流体，也就具有与此功相当的能量，流体所具有的这种能量称为静压能或流动功。位能、动能及静压能三种能量

20、均为流体在截面处所具有的机械能，三者之和称为某截面上的总机械能。（二）与环境交换的能量类型1外加能量（外功）在一个流动系统中，还有流体输送机械（泵或风机）向流体作功，1kg流体从流体输送机械所获得的能量称为外功或有效功，用we表示，其单位为j/kg。2热量若管路中有加热器、冷却器等，流体通过时必与之换热。设换热器向1kg流体提供的热量为q，其单位为j/kg。若无，则q=0。3损失能量损失能量是指流体在系统流动时因克服系统阻力所损耗的能量，以表示，单位j/kg。二、稳定、连续流动系统的能量衡算柏努利方程推导（一）柏努利方程推导根据能量守恒定律：输入系统的总能量=输出系统总能量z1g + + +w

21、e = z2g + + +hf 单位j/kg柏努利方程（二）柏柏努利方程的讨论：1、各项的物理意义：表示单位质量的流体具有的能量j/kg；2、外加功wewe输送设备对单位质量流体作的有效功；ne单位时间输送设备所作的有效功，称有效功率；3、理想流体的柏式： z1g + + = z2g + + = 常数4、静止流体的柏式：z1g + = z2g + p2 = p1+（z1-z2）g5、不同衡算基准的柏式：a、以单位质量流体为衡算基准：z1g + + +we = z2g + + +hf j/kgb、以单位重量流体为衡算基准：j/n=mz1 + + +he = z2 + + +hf c、以单位体积流

22、体为衡算基准：j/m3=paz1g + +p1 +we = z2g + + p2+pf三、柏努利方程在工程上的应用z1g + + +we = z2g + + +hf ( j/kg )（一）计算截面的选择原则1、根据题意作计算说明图，以便分析问题;2、与流体的流动方向相垂直；3、截面宜选在已知量多、计算方便处。上游为1-1，下游为2-2；液面为1-1，则p1=p大=0 (表压),u1=0管出口为2-2,则p2=p大=0 (表压),u2=u(二)选取基准水平面位能基准水平面必须与地面平行。为计算方便，宜于选取两截面中位置较低的截面为基准水平面。若截面不是水平面，而是垂直于地面，则基准面应选管中心线

23、的水平面。 位置低的截面取为z=0,另一个为h。确定柏努利方程式,求解问题 单位必须一致,且采用国际标准单位制;尤其在计算截面上的静压能时，p1、p2不仅单位要一致，同时表示方法也应一致，即同为绝压或同为表压。（三）应用示例1.确定高位槽供液系统的槽面高度例:某车间用一高位槽向喷头供应液体，液体密度为1050 kg/m3。为了达到所要求的喷洒条件，喷头入口处要维持4.05104pa的压强（表压），液体在管内的速度为2.2 m/s，管路阻力估计为25j/kg（从高位槽的液面算至喷头入口为止），假设液面维持恒定，求高位槽内液面至少要在喷头入口以上多少米？解：取高位槽液面为11截面，喷头入口处截面为

24、22截面，过22截面中心线为基准面。在此两截面之间列伯努利方程，因两截面间无外功加入（we0），故： z1g + + +we = z2g + + +hf ( j/kg )其中，z1待求值，z20，u10，u22.2 m/s，1050 kg/m3，p1表0，p2表4.05104pa，hf25 j/kg，将已知数据代入，解出z16.73m。分析：计算结果说明高位槽的液面至少要在喷头入口以上6.73米，由本题可知，高位槽能连续供应液体，是由于流体的位能转变为动能和静压能，并用于克服管路阻力的缘故。2、确定流动系统输送设备的有效功率we =(z2 -z1)g + -)+(-)+hf ( j/kg )

25、ne= weg= hegq w 例:用离心泵把20oc的水从贮槽送至水洗塔顶部，槽内水位维持恒定，各部分相对位置如本题附图所示。管路的直径均为，在操作条件下，泵入口处真空度的读数为，水流经吸入管与排出管的能量损失可分别按与 j/kg计算，排出管口通大气，试求水泵的有效功率。解题思路：1、首先是截面的选取，这有三处截面可以 选取：贮槽液面1-1、泵入口处2-2、出水口处3-3。其他截面都不符合已知条件（位置、流速、压强）尽可能多的条件。2、三个截面，有三种组合方式：1-1与2-2，1-1与3-3、2-2与3-3，这要靠练习者自己判断选择。此题是要先求出泵提供的压头，进而求泵的有效功率，这样只有1

26、-1与3-3，2-2与3-3截面的方程中包括了泵提供的压头。练习者可以试着列出1-1与3-3和2-2与3-3的柏努力方程，发现流速是个未知数，如何求出流速？只好求助于列1-1与2-2的柏努力方程了。3、截面选取确定后，再确定基准面，一般是取较低位置的截面为基准面，此处 自然是1-1为基准面了。4、代入柏努力方程时，压强单位要统一，或均用表压，或均用绝压，或均用真空度。若截面通大气，一般用表压。 5、截面代号一般按流向标示，上游截面为1-1，下游截面为2-2，这样代入柏努力方程才不会出错。 6、敞口液面，流速u取为0。 求解过程：在贮槽液面1-1截面和泵入口处2-2截面，以1-1为基准面列柏努力

27、方程。在1-1截面和出水口出3-3截面列柏努力方程点评：此题重点是复习柏努利方程的截面选取问题。在有多个截面选择时，如何根据所求问题，选取合适截面。其次了解轴功率的计算公式。3、确定送液气体的压力；例：在图示管路中水槽液位高度保持不变，管路中的流体视为理想流体。试求：a、管路出口流速； b、管路中a、b、c各截面的压强; c、分析流体在流动过程中不同能量之间的转换。第四节 管 流 过 程一、流体阻力的表现与形成原因1.流体阻力的表现2.流体阻力的表现与形成原因 流体在流动时流体质点间存在相互牵制作用，即内摩擦力。 流体在流动时因流动方向或流道截面的改变而产生涡流。 流体在流动时与管壁的摩擦。二

28、、流动型态与雷诺准数1、雷诺实验：当u小时：玻璃管内水的质点沿着管轴的方向作直线运动，如a图所示。当u增大时：玻璃管内水的质点除沿管轴方向运动外，有的还作径向等复杂运动，流体质点相互碰撞，质点的速度大小、方向随时变化。如b图所示。2、流动类型：一种为a图中所示的流动，称为层流或滞流。一种为b图中所示的流动，称为湍流或紊流。雷诺进一步实验发现，流体的流动型态与u、de有关，以re表示。re = 式中：de 是一个反映管路形状大小的参数，称当量直径.注意 de不能理解为相当于圆形管的直径，用de计算的re 结果相当于在圆形管截面积计算的re结果； 不能用de计算的流量，qv =de u 判断依据

29、re 2000 时，流体是层流流动； re 4000 时，流体是湍流流动； 在2000re4000时，是一种不稳定流动。3、单位：没有单位的数群4、雷诺数的物理意义re反映了流体流动中惯性力与粘性力的对比关系，标志流体流动的湍动程度。其值愈大，流体的湍动愈剧烈，内摩擦力也愈大。三、圆管中的流速分布与层流内层： （一）圆管中流速分布： 1、圆管中流速分布是指一个截面上流速大小分布情况。a、层流：层流时流速是一个正规的抛物线，而平时所说的流速是整个截面的平均流速u = 0.5umax b、湍流：湍流时，流速分布类似于抛物线u = 0.8umax 2、层流和湍流的比较层流和湍流的根本区别在于内部质点

30、运动方式不同，这已在前面描述了。但应指出：湍流时质点运动方向和速度随时改变，因此湍流实质上是非定态流动。但实验发现管截面上任一点速度和压强等量总是在一个“平均值”上下变动，这个平均值称为时均值。它不随时间变化，因此仍然将湍流看作是定态流动，以简化湍流的计算。从输送流体的角度考虑，湍流流动增加了能量消耗，因此输送流体时不宜采用太高的流速。但从传质和传热的角度考虑，湍流时质点运动速度加大使层流内层厚度减小，有利于加大传质和传热的传递速率，所以在传质和传热过程中，往往在输送条件的允许下尽可能提高流体的流速。（二）、层流内层1、不管管内流体湍流程度有多大，总有一层紧靠壁面的在一薄层流体在作层流流动,这

31、种作层流运动的流体称为层流内层，它的厚度随re值增大而减小。自该层向管中心推移速度逐渐增大，出现了介于层流和湍流间的过渡流，称为过渡层或缓冲层，再向管中心移动才是湍流主体。层流内层虽然很薄，但却对传热和传质过程都有较大影响，是传递过程的主要阻力。2、当处于稳定、直线流动的层流流体因流动方向或流道尺寸突然改变时，原来紧贴壁面前进的边界层会离开壁面，发生边界层分离，如图所示：(a)突起的壁面后缘：如粗糙表面、翅片管、挡板等(b)截面的突然扩大：如管出口(c)截面的突然缩小：如管进口(d)流道方向变化：如折流、蛇管等第五节 化工管路基础一、化工管路的基本知识1、管子与管件的公称直径和公称压力公称直径

32、：用dg（dn）表示，如dg100公称压力：用pg（pn）表示，如pg102、常用管子（1）有缝钢管水、煤气管。（2）无缝钢管 规格外径壁厚。（3）铸铁管： 规格内径壁厚。（4）有色金属管 铜、铅、铝（5）非金属管3、管子的连接形式 （1）焊接连接（2）法兰连接（3）螺纹连接（4）承插连接4、常用管件（1）管件指管路中的附件。（2）作用 连接用:内牙管、外牙管、活接头、法兰。 分、合流体用：三通、四通。 引导方向：弯头。 改变管径：大小头。 堵塞管路：管帽、管塞。5、常用阀门（1）旋塞（2）闸阀（3）截止阀（4）球阀（5）止回阀6、管子的选用（1）管子材料的选用：安全、经济、合理。（2）管径的

33、确定对圆形管d=二、化工管路的布置原则1、尽量减少管长、管件。2、合理安排管路。3、管路排列的规则。4、尽量采用标准件。5、采取热补偿等装置。6、管路的高度。7、一般化工管路采用明线安装。看化工生产、科研过程教学片两节课第六节 管流系统的能量损失一、两种阻力损失： 1、直管阻力损失：流体流经一定管径的理管时，由于流体的内摩擦而引起的能量损失称直管阻力损失或沿程阻力损失。用“hf”表示。 2、局部阻力损失：流体流经管路中的管件、阀件、流量计等局部障碍时所引起的能量阻力。称局部阻力损失，用“hf”表示。故管路总的能量损失hf=hf“+hf” 二、直管阻力损失计算： 1、计算公式： hf“= 式中：

34、l 直管长度，m； d 直管内径，m； u 流体流速，m/s； 比例系数，摩擦系数，无因次。 2、值： 与流体的流动形态re有关，还与管子粗糙度程度有关。 管子粗糙度：管子根据材质，加工方法可分：光滑管；玻璃管、铜管、塑料管等粗糙管：钢管、水泥管等 绝对粗糙度：指壁面凸出部分的平均高度。 相对粗糙度：/d指壁面凸出部分的平均高度与直径的比。 的计算： 由于与流动型态有关，而液体的流动型态又的二种，所以公别讨论。a、 层流时的计算：层流时，流体是平行流动的，层流内层的厚度完全恢盖了管壁凸凹不平的壁面，流体的质点与管壁凸凹部分不会发生碰撞，所以层流时，与管子的粗糙度无关，只与re有关，实验证明或理

35、论推导：=，它们为线性关系。 b、湍流时的计算：湍流时，流体的层流内层的厚度很薄，它不能恢盖管壁凸凹不平的壁面，流体的质点与管壁凸凹部分会发生碰撞使湍流程度加剧，此时对的影响相当大，= f（re、/d），的计算：经验式和查图二种方法。 3、 re 关系图：这是一个双对数坐标图。横轴是re的大小，左纵轴是，右纵轴是/d 根据已知量先计算re，若re=46000，在横坐标上尽可能地找到re=46000的这一点，再根据是光滑管还是粗糙管选择对应的/d曲线，作re=46000的垂线与/d曲线相交于一点，过主点作水平线，与左轴相交地一点，即为re=46000时管壁粗糙度为/d的摩擦系数值。 4、 re关

36、系图分析：由re关系图分析可以分成四个区。 层流区：re 2000与re有关，与/d无关，= hf=hf= f（u），阻力大小与流速的大小一次方成正比，称阻力一次方区。 过渡区：2000re4000 的求取一般按湍流来考虑。 湍流区：re4000特点：=f（re、/d）当/d一定时，是随re的增大而减小的；当re一定时，=/d增大而增大的。完全平方区：图中虚线部分，在虚线部分，曲线呈水平状，说明此时的值与re的大小无关，只与/d有关，=f（/d）。对于一定管路，相对粗糙度/d一定，也就一定。hf=hf=f（u2），阻力大小与流速的平方成正比，称阻力平方区。5、hf是单位重量流体在流动过程中所损

37、失的机械能，对于hf还可以用不同的衡算基准，故能量损失的计算式也有不同的表达形式：用单位质量流体作为衡算基准：hf= j/kg 用单位何体积流体作为衡算基准： p= j/n=m 三、局部阻力计算： 流体通过管道的管件、阀件、扩大口、流量计等局部障碍时，因流通截面积发生了改变，流体的流动方向、速度变化很大，产生大量的旋涡从而消耗很大的能量，比通过同等长度的直管损失能量要大得多。因管路复杂、种类繁多，难经精确计算，局部阻力能量损失的计算有二种近似公式进行计算。1、阻力系数法：将所有影响局部阻力的因素全归结到一个系数来，即动能的一个倍数。 hf”=式中：局部阻力系数，有表可查。只要根据管件、阀件的名

38、称去查相关的数据。2、当量长度法：把流体通过某一局部障碍所损失的能量，折算成流体流过相同管径一定长度直管的能量损失。如：900标准弯头，它的当量长度不是弯头本身的长度，而是流体流过900时产生的阻力损失折算成通过等管径直管的长度所产生的阻力损失。用“le”表示。 hf”= 式中：le当量长度； 当量系数，有表可查。各种管件、阀件的可通过实验方法进行测定，教材也有会查就行。因阻力系数法或当量长度法计算都是近似计算，而管件、阀件加工精度、材质及使用的时间长短不同，对局部损失的大小也就不同，教材上的有关数据不可能考虑这么细，所以只是一个粗略计算或估算，采用不同的方法计算的出来的结果难免会有差别。四、

39、系统的总能力损失1. hf= hf+ hf”=+2减少阻力损失的途径 根据hf=+可知， 管路尽可能走直线，l；hf 管路尽可能减少管件、阀件， le，；hf适当增加管径；在化工生产中，流体的流动一般都处在湍流区和完全湍流区，在此时的d和u的变化对hf的影响是很大的。当qv一定，管径增大一倍，2d1=d2，u2=1/4u1hf1= hf2=从上分析可知：管径增大二倍，阻力损失减少了32倍。但事物总是存在矛盾，d所消耗的金属材料就，投资费用d，uhf，操作费用五、适宜管径的确定；管子直径如何选择，应根据经济核算来确定。通过核算，找出u与设备投资费用、操作费用之间的关系，算出总费用，总费用最低处对

40、应的u，就是最适宜的流速，根据qv、u算出的d，就是适宜的管径。但目前我国的管理水平，要完成这个核算还是非常困难的，也可以说现在的管理者管理水平还没有达到用操作费用、设备费用等经济手段确定适宜的d，u等，原因是多方面的，光操作费用这一项就很难确定。所以现在的设计工作者，还是根据经验数据来进行选取，一些流体在一般管路中常用流速范围。课 堂 练 习1控制乙炔发生器内的压强不大于8kpa(表压)，求水封中水应比气体出口管高出多少米？ 2. 水在水平等径管内流过，要测 a-a，b-b二截面压强差pa -pb=？安装了二个u形压差计，指示液为水银，u形压差计的连接管内及水银面上方充满了水，u形管内各水银

41、与管道中心线的垂直距离分别为：h1= 1200mm，h2 = 300mm，h3 = 1300mm，h4 = 350mm。 3.如图示一输送系统，已知泵的吸入管为将89*4mm，长15m，压出管为57*3.5mm，长50m，=0.2mm，管路中还有全开的截止阀和900的标准弯头，输送的物料为293k的苯，流量为18m3/h，求系统的全部能量损失及泵的有效功率。4.如图示：阀门全关时，pa=3*105pa，pb=3.3*105pa，z=2m。a、打开阀门时，判断不流方向，并计算打开阀门时，联接管内的瞬间流速，管路阻力损失为5，u为管内流速；b、最终平衡时，z又为多少？设pa、pb在整个过程中不变。

42、5.将293k98%硫酸用泵从常压贮槽送入表压为200kpa的设备中,所用管子内径为50mm , 硫酸流入设备处与贮槽液面垂直距离为15m,损失压头为22.6m,酸流量为3kg/s. 求泵的有效功率并选出一台合适的离心泵? 6.用泵将轻油，由真空度为200mmhg的容器送至表压为1.8at的贮槽内，液面落差为12m，已知泵的管路损失压头5m，油的密度为720kg/m3，流速为1m/s，求外加功率?第七节 管 路 计 算一、管路计算中常用的方法试差法管路计算实际上是连续性方程式、柏努利方程式与能量损失计算式的具体运用，由于已知量与未知量情况不同，计算方法亦随之而改变。在实际工作中常遇到的管路计算

43、问题，归纳起来有以下三种情况:(1) 已知管径、管长、管件和阀门的设置及流体的输送量，求流体通过管路系统的能量损失，以便进一步确定输送设备所加入的外功、设备内的压强或设备间的相对位置等。这一类的计算比较容易。（2) 已知管径、管长、管件和阀门的设置及允许的能量损失，求流体的流速或流量。(3) 已知管长、管件和阀门的当量长度、流体的流量及允许的能量损失，求管径。后两种情况都存在着共同性问题，即流速u或管径d为未知，因此不能计算re值，则无法判断流体的流型，所以亦不能确定摩擦系数。在这种情况下，工程计算中常采用试差法或其它方法来求解。试差法计算流速的步骤： 根据柏努利方程列出试差等式； 试差：若已

44、知流动处于阻力平方区或层流区，则无须试差，可直接由解析法求解。例：常温水在一根水平钢管中流过，管长为80m，要求输水量为40m3/h，管路系统允许的压头损失为4m，取水的密度为1000kg/m3，粘度为110-3 pas，试确定合适的管子。（设钢管的绝对粗糙度为0.2mm）解：水在管中的流速 整理得： 即为试差方程。由于d或u的变化范围较宽，而的变化范围小，试差时宜于先假设进行计算。具体步骤：先假设，由试差方程求出d，然后计算u、re和，由莫狄图查得，若与原假设相符，则计算正确；若不符，则需重新假设，直至查得的值与假设值相符为止。实践表明，湍流时值多在0.020.03之间，可先假设，由试差方程

45、解得 m校核： 查莫狄图，得0.025，与原假设不符，以此值重新试算，得 m，m/s，查得0.025，与假设相符，试差结束。由管内径m，查附录表 ，选用1144mm的热轧无缝钢管合适，其内径为106mm，比所需略大，则实际流速会更小，压头损失不会超过4m，可满足要求。试差计算法是工程手算计算中最常用的一种计算手段，它不仅经常应用于解决类似上述例题的情况，而且当联立方程式数目较多时，不论是用一般代入法还是用行列式求解，数字运算很繁杂，这时也可用试差法求解。另外，对高阶一元方程的求解，试差计算法也是可行的计算手段。在本题的试差计算法中并不是用一个方程式解出两个未知数，它仍然遵循有几个未知数就要用几

46、个方程式求解的原则，只是其中一些变量间的关系是用关系线表达的。在试差之前，应对要解决的问题进行分析，确定一些变量的可变范围（如本题中湍流时的值范围），才可避免盲目试差。一般经过两三次重复计算才可以得到满意的结果。二、并联管路与分支管路输送流体的管路，依据其联接和铺设的情况，可分为两类。一类是没有分支的简单管路，可以是管径不变或由若干段异径管段串联而成的管路，前面所介绍的例题均属于此情况。另一类是复杂管路，在主管a处分为两支或更多支的支管，然后在b处又汇合为一的管路，称为并联管路。又如在主管c处有分支，但最终不再汇合的管路，称为分支管路。并联管路与分支管路中各支管的流量彼此影响，相互约制。它们的

47、流动情况虽比简单管路复杂，但仍然是遵循能量衡算与质量衡算的原则。并联管路与分支管路的计算内容有:(1) 已知总流量和各支管的尺寸，要求计算各支管的流量。(2) 已知各支管的流量、管长及管件、阀门的设置，要求选择合适的管径。(3) 在已定的输送条件下，计算输送设备应提供的功率。第八节 流量测量： 一、测速计（皮托管）： a、结构：详见教材 它是由一根弯成直角的同心套筒套管组成，外管的管口是封闭的，在四周开有若干个小孔，为了减少误差，测速管的前端经常做成半球形。内管的管口是敞口的，并使管口正对着液体流动的方向，外管和内管的尾端分别与u形压差计的两臂相连，内管和外管开孔处的距离相差很能够小，可以认为

48、在同一位置，因皮托管较小，可认为对管内的流体流动无影响。b、测量原理：内管管口正对流体流动方向，当流体流到内管管口时，因管口流体是不动的，而此时流体的能量动能不会消失，它将转变成静压能，此时内管的静压能就比原来和静压能要大，超出的部分就是动能转变的，内管测量总能量=管口所在位置的静压能+管口处的动能，称为冲压能，而外管的管口因没有正对着流体流动方向，它测得的只是流体此时的静压强，原来平衡的u形压差计此时因内、外管的能量大小不一样，而产生压差。 a点：冲压能 ea = pa= ea b点：静压能 eb = pa=ea papb = （eaeb） = u = =测速计是利用动能转换成静压能的原理设

49、计的。注意：测速计只能测点速度，要测平均流速： 测中心处流速：层流u=umax u=0.8 umax 分别测出再平均u= c、特点：结构简单，使用方便，对流体阻力较小，但对流体要求高，测定的是流体的点速度。 二、孔板流量计： a、结构：详见教材 一个中心开有小孔（带一定锥度）的园形金属薄板，垂直插入管道中，孔中心位于管中心线上，二边由法兰连接，在孔板前后与u形管压差计二臂连接。 b、测量原理：在没有孔板时，流体的流动是充满整个管道的，当装有孔板后，流体的流道发生了改变，当流体流过小孔以后，由于惯性作用，流体并不马上恢复到充满整个管道，而是继续收缩一定距离后才逐渐扩大到整个管道，流动截面最小处2

50、-2称为缩脉处，流体在缩脉处，流通截面最小，流速最大，动能最大，相应地静压能最小，既静压能降低提供流体的动能，因此，流体以一定流速流过孔板时，就产生一定的压强差，流量越大，产生的压强差越大，孔板流量计就是利用压差的变化测量流量的。c、有关计算：分别取孔板前后的管道和缩脉处为1-1、2-2，在1-1、2-2间列柏式（先不考虑能量损失），为什么？影响能量损失的因素有很多，如果首先把什么都考虑进去，变得很复杂，就抓不到主要矛盾，得不到正确的结果，这是处理工程问题的一种方法。 在1-1、2-2 间列柏式：因水平管z1 = z2、we = 0、hf = 0+ = + = 在推导计算过程中，暂不考虑能量损失，实际上能量损失的影响因素是不可忽略的，而这部分能量损失用数学方法是算不出来的，影响因素太多，只能用实验的方法进行测定，故引入一个修正系数c1。 、阻力修正系数c1：= c1 、位置修正系数c2 ： = c1c2 、压差修正系数c3 ： = c1c2c3 用u1 = u0（）2 代入整理得：qv = u0 a0 = a0 c0 c0 孔流系数，大小由实验测取。 c0 = d、特点：结构简单、使用、安装方便，适用范围广，因流体流动变化大，能量损失大，为避免阀件、管件带来的扰动而影响测量结果的准确性，孔板前后要有一定的距