流体流动与传热学习指导书

绪论知识点聚焦单元操作——指在化工生产过程中普遍使用的、遵循一定的物理学定律、所用设备相似、具有类似作用的物理操作，简称单元操作。引入单元操作概念可以将化工生产过程分成单元操作过程与化学反响过程两局部研究，从而缩短化工产品的研发周期。三传——包括：动量传递、热量传递和质量传递。流体输送、过滤等在外力作用下进行的单元操作过程，由牛顿第二定律可知是涉及动量传递的过程；对象加热、汽化、冷却、冷凝等单元操作过程属于因温度差导致的热量传递过程；对于吸收、蒸馏、萃取、吸附等单元操作属于因浓度差导致的相际质量传递过程。“三传”过程往往是同时进行并相互影响，如水的蒸发过程涉及传热与传质过程。三传类似性——“三传”之间存在一定的类似性，如过程进行的方向都是从高〔动量、能量、温度、浓度〕到低；三传过程的阻力均集中于某一区域；过程速率均可表达为过程推动力除以阻力的形式等等。单位与单位制——单位是衡量物理量的大小的依据，有根本单位和导出单位之分。根本单位与导出单位的集合那么称为单位制〔度〕。由于不同时期对研究的需要和出发点的不同，先后有不同的单位制。由于国际单位制〔SI〕有“通用性”与“一贯性”两大优点，所以我国目前使用的法定单位制是以国际单位制为根底并结合国情增添了必要的辅助单位及词冠而构成的。流体——具有流动性质的物体，包括气体和液体。液体的密度随压强的变化可忽略，故称为不可压缩流体；气体的密度随压强有明显的变化，故称为可压缩流体。无流动阻力的流体称为理想流体；满足牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体；实际流体多为非牛顿型流体。系统——工程上指研究的对象，是指定研究的某个区域范围。稳定流动系统与不稳定流动系统的概念——稳定流动系统又称定态或定常流动系统，是指流动系统中各物理量的大小仅随位置变化的系统，也即在指定截面上物理量的值恒为常数的流动系统。假设流动系统中各物理量不仅随位置变化且随时间变化的，那么称为不稳定流动系统，又称非定态或非定常流动系统。对连续生产系统，在正常操作状况下可视为稳定流动系统；在生产的开、停车及事故恢复阶段为不稳定流动系统。稳定流动系统的连续性——欲使流动系统中指定截面上的物理量均为常数，系统中必须充满流体、无空隙。用数学语言描述就是系统中的流体质点处于连续状态。对此特性那么称为稳定流动系统的连续性。稳定流动系统的守恒性——包括质量守恒与能量守恒〔在特定条件下还可以转化为热量守恒〕，即输入、输出系统的质量或能量相等。平衡——平衡状态是过程可能到达的极限，且随过程条件的变化而变化〔如溶解度随温度的变化而变化等〕，故称为“动〔态〕平衡”。过程速率——指过程进行的速度，如热量传递的速度、质量传递的速度等。对任意过程的速率，大小总是和过程推动力成正比而与过程的阻力成反比，也即，过程速率的计算通式类似于欧姆定律。实验关联法——是获得经验公式的主要手段。当某个物理参数的影响因素较多，无法用逻辑演绎的方法得到它的计算关系式时，可以先对该物理参数的影响因素作出定性分析，然后在固定其它影响因素的前提下，用实验方法测出该物理参数与某个影响因素间的关系，并将所测出的关系通过特定的坐标绘成曲线，最后利用所得曲线建立数学模型，以获得该物理参数与某影响因素间的数学关系。余此类推，逐一获得该物理参数与各影响因素间的数学关系，最后通过实验校正，从而获得该物理参数的计算关系式。此法那么称为实验关联法，所得的公式称为经验关联式或经验公式。准数——又称特征数，是指由假设干物理量构成的无单位〔因次〕代数式。计算公式浓缩稳定流动系统的物料衡算式——连续性方程：1、一般式式中：为单位时间内输入系统物料量之和，kg/s；为单位时间内输出系统物料量之和，kg/s。2、对无分支系统3、对不可压缩流体4、不可压缩流体在圆管中流动稳定流动系统的能量守恒：1、一般式式中：为单位时间内输入系统的能量之和，J/s或W；为单位时间内输出系统的能量之和，J/s或W。2、当系统除热量以外不涉及其它能量转化时式中：为单位时间内输入系统的热量之和，J/s或W；为单位时间内输出系统的热量之和，J/s或W。3、对可近似为恒压的传热设备，在不涉及其它能量转化时式中：为单位时间内输入系统的热焓之和，J/s或W；为单位时间内输出系统的热焓之和，J/s或W。过程速率计算通式第一章流体力学第一节流体的根本物性知识点聚焦密度、相对密度和比容——单位体积流体所具有的质量称为流体的密度。相对密度又称比重，系指流体的密度与277K水的密度比，可用比重计实测，流体的相对密度与密度之间的关系为1/1000。比容又称比体积或质量体积，在数值上等于密度的倒数。流体静压强的定义与特性——流体垂直作用于单位面积上的力称为流体的静压力强度，简称静压强。流体静压强的两个特性：1、作用方向总是和作用面相垂直，并指向所考虑的那局部流体的内部；2、任意一点的静压强在各个方向上大小相等。绝对零压强绝对压强、表压强及真空度——流体的静压强是一个相对量，计算确定需要规定基准，用人为规定的压强为0的状态称为绝对零压强，以绝对零压强为起点计量的压强称为绝对压强。工程上为便于计算和测量，常以大气压为基准，规定：系统压强高于大气压强的局部称为表压强，简称表压；系统压强低于大气压强的局部称为真空度。相应上述两种场合下的测压表分别称为压力表和真空表。流量与流速——单位时间内通过流道有效截面的流体量称为流量；单位时间内通过单位有效流道截面的流体量称为流速。由于对流体量的衡量通常用体积或质量，因此，流量和流速都有用体积及质量分别计量的两种。此外，由流速的定义可知，此处的体积流速实际为流动截面上点流速的平均值。内摩擦——系指流体在运动过程中质点间的相互约束作用。内摩擦是形成流动阻力的主要原因之一。粘度的概念——粘度是反映流体粘性大小的物理量，从某种程度上也反映流体的内摩擦性能，有〔动力〕粘度和运动粘度两种。〔动力〕粘度也是牛顿粘性定律中的系数，因大小与流体的粘性有关故称为粘度。对满足牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体。计算公式浓缩密度计算公式：1、密度、相对密度与比容间的换算ρ〔密度〕=1000×〔相对密度〕2、混合液的密度式中：——混合液中i组分的质量分率；——混合液中i组分的密度，kg/m3。公式应用前提：混合液体中各组分间无氢键及缔合作用。3、气体的密度式中：p——气体的压强，kPa；R——气体通用常数，R=8.314kJ/(kmol·K)；T——气体的温度，K；M——气体的千摩尔质量，对混合气体，kg/kmol；。公式应用前提：气体的压强不太高、温度不太低，可近似为理想气体。绝对压强、表压强及真空度之间的换算：表压强＝绝对压强—大气压强真空度＝大气压强—绝对压强=—表压强流量与流速换算：qm〔质量流量〕=ρqv〔体积流量〕混合物的粘度：1、常压气体混合物的粘度式中：yi——气体混合物中i组分的摩尔分数；μi——相同温度下纯i组分的粘度Pa·s；Mi——i组分的摩尔质量kg/kmol。2、液体混合物的粘度式中：xi——液体混合物中i组分的摩尔分数；μi——相同温度下纯i组分的粘度Pa·s。公式应用前提：液体混合物中各组分之间无氢键及缔合作用。相关习题解答1-1丙酮的比重为0.81，试求其密度和比容。〔810，〕【解】根据题意丙酮的密度:丙酮的比容:1-2293K下苯-甲苯混合液，苯的质量分率为0.4，试求其密度。〔872〕【解】查表知，在293K下，苯密度，甲苯密度由那么1-3汽油、煤油、柴油的密度分别为700kg/m3、760kg/m3和900kg/m3，假设三种油品混合物中汽油、煤油、柴油的质量百分数分别为20％、30％和50%，求此混合液的密度。〔809〕【解】由得1-4试估算CO2在360K和4MPa时的密度和比容。〔58.8，0.017〕【解】根据题意密度比容1-5试估算含氮的体积百分率为25%的氮、氢混合气体在400K和600MPa下的密度。〔1530〕【解】根据题意1-6某生产设备上真空表的读数为100mmHg，试计算设备内的绝对压强与表压强各为假设干kPa；该地区大气压力为760mmHg。〔115kPa，-13.3kPa〕【解】真空度=大气压—绝对压强=—表压强故绝对压强=760mmHg-100mmHg=660mmHg=115kPa表压强=-100mmHg=-13.3kPa1-7某水泵进口管处真空表读数为650mmHg，出口管处压力表读数为2.6at。试求水泵前后水的压强差为多少kPa?多少米水柱?〔341.76kPa，34.85m〕【解】根据题意1-8某设备进出口压差为500mmHg，试求该设备进、出口压差为多少kPa？〔66.7kPa〕【解】根据题意压差=500mmHg=0.5×13600×9.81=66.7kPa1-9管子内直径为100mm，当277K的水流速为2m/s时，试求水的体积流量和质量流量。〔0.0157m3【解】根据题意体积流量因277K下水的密度为1000kg/m3，故质量流量1-10温度为300K的N2在内径为150mm的管道中流动，入口处压强为150kPa，出口处压强及流速分别为120kPa、20m/s。试求N2的入口处流速及质量流速。〔16m/s，13.59kg/m【解】根据题意设入口处N2的密度为ρ1，体积流量为qv1，质量流量为qm1，流速为u1，出口处N2的密度为ρ2，体积流量为qv2，质量流量为qm2，流速为u2，那么出口处N2的密度出口处体积流量出口处质量流量根据质量守恒：ρ1∙u1∙A=ρ2∙u2∙A1-11硫酸流经由大小管组成的串联管路，硫酸的比重为1.83，体积流量为150L/min，大、小管尺寸分别为φ76×4mm和φ57×3.5mm。试分别求硫酸在小管和大管中的(1)质量流量；(2)流速；(3)质量流速。〔4.575kg/s，1.274、0.6888m/s，2331、1260kg/【解】〔1〕根据质量守恒定律可知，大小管中的质量流量相等。即〔2〕小管中流速大管中流速〔3〕小管的质量流速大管的质量流速第二节流体静力学知识点聚焦流体静力学——是研究静止流体内部各物理量间的定量关系〔即流体静力学根本方程式〕及其应用的学科。流体静力学根本方程式及其推论：p2＝p1+(z2－z1)ρg或p=pa+hρg对上两式进行分析可得到的结论有：在静止〔并连通〕的同种流体内部，同一水平面上流体的静压强相等；在静止〔并连通〕的同种流体内部，压强相等的面〔称为等压面〕应同处在一个水平面。液柱压差计——是用玻璃管制作的简易压差测量装置，有正U形管、倒U形管、双液柱微差计、单管压差计、斜管压差计及复式压差计等，测量精度随被测流体与指示剂密度差的减小而增大。由于玻璃的耐压能力较差，故仅适用于常低压流动系统，并不能完全替代测压表。惰性组分——在工程中系指与工质不发生物理或化学作用的物质。液封——系指在一定的压强范围内用液体密封气相系统的装置，由于工程上多数液封过程的密封液为水故又称为水封。按密封液的流动与否可分为静液封和动液封两种；按液封的目的可分为平安液封、阻断液封〔也称切断液封〕和溢流液封等。〔煤〕气柜——是一切涉及煤气化过程的生产工艺〔如合成氨生产系统、城市煤气供给系统等〕中必不可少的设备。气柜的功能有以下几点：配气〔如空气煤气与水煤气按1：3.01～3.02混合成半水煤气〕、稳压〔出口表压强恒等于钟形顶盖的重量及配重与顶盖截面积的商〕、净化。计算公式浓缩液柱压差计测量计算：1、正U形管式中左端下标1、2分别表示高压面和低压面〔下同〕。应用前提：指示剂密度应大于被测流体密度且相互不发生作用。2、倒U形管应用前提：指示剂密度应小于被测流体密度且相互不发生作用。3、双液柱微差计式中右端下标1、2分别表示指示剂1、2，其中R为指示剂1的液面高差。应用前提：密度应满足，且指示剂2和被测流体不发生作用。液柱压差计测量液位：，当容器与大气相通时液封计算通式相关习题解答习题1-12附图习题1-13附图1-12对高30m的塔进行水压试验时，在离塔底10m高处的压力表读数为500kPa，当地大气压力为100kPa，试求塔底及塔顶处水的绝对压强。〔698.1kPa，403.8kPa〕【解】根据题意离塔底10m处水的绝对压强：p=大气压+表压=100kPa+500kPa=600kPa塔底处水的绝对压强为：塔顶处水的绝对压强为：1-13在此题附图所示的贮油罐中，盛有密度为960kg/m3的油品，油面高于罐底9.6m，油面上方为常压。在罐壁下部有一直径为76Omm的圆孔，其中心距罐底800mm，孔盖用14mm的钢制螺钉紧固。假设螺钉材料的工作应力取为400at，【解】根据题意孔盖中心截面处的压强为：故孔盖受力为每个螺钉的允许受力为故至少需螺钉数为≈14〔个〕1-14用U管压差计测定管道两点间的压强差。管中气体的密度为2kg/m3，压差计中指示液为水，当压差计中指示液的读数为600mm时，管道两端点间的压强差是多少？〔5.9kPa〕【解】根据题意，压强差为：1-15某水管的两端设置一水银U管压差计以测量管内的压差，指示液的读数最大值为2cm。现因读数值太小而影响测量的精确度，拟使最大读数放大20倍左右，试问应选择密度为多少的液体为指示液?〔1630kg/m3〕【解】根据题意：水银密度，水密度为。由得：习题1-16附图所以1-16如此题附图所示，用U管压差计测量某密闭容器中比重为1的液体的液面压强，指示液为水银，一端与大气相通。H＝4m，h1=1m，h2＝1.3m。试求液面上方的表压强为多少kPa?〔10.58kPa〕【解】根据题意设大气压强为P0，容器中液体的密度水银的密度。对U形管左侧：对U形管右侧：由Pa=Pb得：习题1-17附图所以液面上方的表压强为10.58kPa。1-17某锅炉用此题附图所示的复式汞-水压差计以测量液面上方的蒸汽压。汞液面与基准面距垂直距离分别为h1＝2.3m、h2＝1.2m、h3=2.5m、h4=1.4m，两U形管间的连接管内充满了水。锅炉中水面与基准面间的垂直距离h5=3.0m，当地大气压强pa＝745mmHg。试求锅炉上方水蒸汽的压强为多少kPa。〔364.3kPa〕【解】根据题意1点处压强：〔1〕2点处压强：〔2〕3点处压强：〔3〕锅炉上方水蒸气压强：〔4〕将上四式相加并化简得：1-18如下图，在密闭容器内盛有比重为1.2的液体，液面上的压强p1＝1.26at，当地大气压强为1at；接在容器某点的压力表其读数为0.5at。试问液面到压力表接口处的距离H为多少米?(2.07m)习题1-18附图【解】根据题意，液体密度。距液面H处压强p=0.5at+1at=1.5at由得：1-19混合冷凝器在真空下操作，假设真空度为600mmHg、当地大气压强为760mmHg。试计算：(1)设备内的绝对压强为多少kPa？(2)如果此设备管子下端插入水池中，管中水柱高度H为多少m？〔21.33kPa，8.153m〕【解】(1)根据题意设备内绝对压强p=大气压—真空度=760mmHg—600mmHg=160mmHg=21.33kPa(2)由静力学根本原理有习题1-19附图习题1-20附图1-20有一内径为18m的水煤气柜(如附图)。其钟罩及加重物共重为150吨，假设不计水对钟罩的浮力。试求：(1)气体的压强要到达多少才能将罐顶起〔当地大气压强为760mmHg〕?(2)煤气量增加时罐中气体的压强是否增加？为什么？(3)内外水面差h为多少m？〔102.746kPa，不增加，0.148m〕【解】〔1〕根据题意当地大气压强为p0=760mmHg=101.3kPa钟罩及加重物压强p’=kPa故柜中气体承受的压强为p=p’+p0=102.746kPa即气体的压强要到达102.746kPa才能将罐顶起。〔2〕煤气量增加时罐中气体的压强没有增加。因为根据钟罩及加重物受力平衡原理，气体的压强应等于大气压加钟罩及加重物压强，所以气体的压强应保持不变。煤气量增加时，气体压强没有增加，但气体的体积增加。〔3〕由得：内外水面差h为：m第三节流体动力学知识点聚焦流动系统的能量类型：能量类型说明1Kg流体为基准〔J/kg〕1N流体为基准〔J/N或m，俗称压头〕流体自身的能量内能——是贮存于物质内部的能量；是物体内部如分子、原子、电子等所含能量的总和。其大小主要取决于流体的种类和温度，当种类及温度一定时内能恒定。UU/g流体的机械能位能——又称势能，是因流体处于地球重力场内而具有的能量。其值等于将流体自基准水平面升举到所在高度所需作的功。gzz动能——是因流体按一定速度运动而具有的能量。数值等于将流体由初速度为零加速到现有速度所需作的功。静压能——是流体因存在有一定的静压强而具有的能量，又称压强能、流动功。其值等于将流体自绝对压强为零增压到现有压强所需做的功。p/ρp/ρg与环境交换的能量功——指流体通过系统中串接的做功设备获得的能量或对环境做的功。这里往往是指系统要求串接的作功设备对单位质量流体提供的能量。We热——系指流体通过系统中串接的传热设备与环境交换的热量。QQ/g损失能——指流体在流动过程中因克服系统阻力所损耗的能量。∑hf柏努利方程——稳定流动系统的能量衡算方程；最早由柏努利根据稳定流动系统的能量守恒性，以理想流体〔即无流动阻力的流体〕为研究对象导出。由于理想流体与实际流体间存在较大的差异，故本教材中主要讨论实际流体的能量衡算方程，即拓展的柏努利方程式及其应用。计算截面及其选择原那么——计算截面是界定系统起点〔1-1/〕和终点〔2-2/〕的两个截面。计算截面的选取是应用柏努利方程式的关键，选择原那么有以下几点：所选计算截面必须和流体的流动方向相垂直；所选择的计算截面〔上〕应包含所需求解的未知量；所选择的计算截面上的物性参数及系统能量损失等要尽可能；以流入系统截面为1-1/截面、以流出系统截面为2-2/截面。基准水平面——即位能为零的面。由于位能为一相对量，故需规定一基准水平面作为位能的零起点。为简化计算起见，人们通常采用低位计算截面位能为零的原那么来选定基准水平面。高位槽供液系统——是利用位差将液体的位能转化动能从而实现供液的装置，在常压生产系统对液体流量的要求很严或批量供液时广泛使用。流程为用泵先将液体由贮槽送至高位槽直至溢流〔溢流的液体通过接管返回到贮槽〕，然后控制在供液流量略小于泵工作流量的条件下对系统供液，从而使得槽面的高度恒定。显然，当系统及流体的物性一定时，高位槽供液系统的流量恒定。轴功率、有效功率、机械效率——轴功率是指做功机械自驱动设备获得的功率；有效功率是指做功机械在单位时间内对工质〔流体〕做的有效功；机械效率那么是指有效功率与轴功率的比值。由于输送机械在工作过程中存在机械能损失，所以机械效率恒小于1。车间供液系统——指车间内的批量供液装置，特点是距离短、间歇性操作。多采用生产系统中的压缩气体为动力，以节省设备投资和减少场地的占用。计算公式浓缩局部拓展的柏努利方程式：1、以1kg流体为基准J/kg2、以1N流体为基准〔即以压头形式表示〕J/kg或m应用前提：系统为不涉及化学变化、温度变化和热量传递的稳定、不可压缩流动系统。有效功率计算式：〔W或kW〕习题1-22附图机械效率计算：相关习题解答1-21水经过内径为200mm的管子由蓄水池送往用水点，：水池水面高于排出管端25m，且维持水池中水位不变。设管路压头损失为24.8mH2O〔不包含管出口处〕，试求管子的排水量为多少m3/h?〔223.9m3【解】根据题意，选取水池液面为1-1/、排出管口内侧为2-2/；选取排出管端水平面为基准面。在两截面间列柏努利方程那么有将z=25m，Hf=248m代入得u2=1.981m/s故管子的排水量为：m3/h1-22此题附图为冷冻盐水循环系统示意图。盐水的密度为1100kg/m3，循环量为36m3/h。自A处经换热器至B处的总摩擦阻力为98J/kg，自B处至A处的为49J/kg。试求循环泵的有效功率为多少kW?〔1.617【解】根据题意，选取A截面右侧为1-1’截面，选取A截面左侧为2-2’截面。即自A、换热器到B再自B经泵到A形成循环系统。那么有z1=z2；u1=u2；p1=p2；∑hf=在两截面间列柏努利方程，即代入数值得：We=147J/kg故有效功率为：1-23用泵将水从水池送到水洗塔顶部。塔内的工作压强为4at(表压)，水池的水面在地面以下3m保持恒定，塔顶水出口高出地面12m。水从水管进口到塔顶出口的压头损失估计为10mH2O。问此泵对水提供的有效压头应为多少米?〔65m〕【解】根据题意，取水池水面为截面1-1’，水洗塔顶部为截面2-2’，并选取截面1-1’为基准水平面。那么z1=0，z2=3m+12m=15m；u1=u2=0；p1=0(表压)，p2=4at(表压)；∑Hf在两截面间列柏努利方程代入上述数值得：习题1-24附图1-24此题附图为CO2水洗塔供水系统。水洗塔内的绝对压强为2100kPa，贮槽水面绝对压强为300kPa。塔内水管与喷头连接处高于水面20m，管路为φ57×2.5mm的有缝钢管，送水量为15m3/h。塔内水管与喷头连接处的绝对压强为2250kPa。设自贮槽至喷头连接处的能量损失为49J/kg，试求水泵的有效功率。〔9.15kW【解】根据题意，取贮槽水面为截面1-1’，塔内水管与接头连接面为截面2-2’，并选取截面1：z1=0，u1=0，P1=300kPa(绝压)；z2=20m，P2=2250kPa(绝压)，∑hf=49J/kg，；将上述数值代入柏努利方程得：有效功率1-25用压缩空气将封闭贮槽中的硫酸输送到高位槽。在输送结束时，两槽的液面高差为4m，硫酸在管中的流速为1m/s，管路的能量损失为16J/kg，硫酸的密度为1800kg/m3。求贮槽中应保持多大的压力?【解】根据题意，取封闭槽内液面为截面1-1’，高位槽内液面为截面2-2’，并选取截面1在两截面间列柏努利方程，即：z1=0，u1=0，z2=4m，p2=0〔表〕，∑hf=16J/kg，ρ=1800kg/m3，u2=0，We=0将上述数值代入柏努利方程得：〔表〕1-26甲烷在一内径由200mm逐渐缩小到100mm的水平变径管中流过。在变径管的粗细两端连有一U管压差计以测量甲烷气体的流量，指示液为水。设逐缩过程的能量损失为零，甲烷的密度为0.645kg/m3。问当U形管两侧的指示液水面差为50mm时，管路中甲烷气体的流量是多少m3/h？〔1138【解】根据题意，取内径为200mm管端口面为截面1-1/，取内径为100mm管端口面为截面2-2。对此问题可用教材导出公式计算〔详见例1-14〕。即〔1-31〕将数值代入即可求出细管端的流速为：所以，在此题情况下该管路中甲烷气的流量为第四节管流过程知识点聚焦流体阻力的形成原因——流体阻力只是在流体流动时存在，当流体静止时阻力消失。形成流体阻力的主要原因有：1、内摩擦作用；2、涡流的生成。两种典型的流动型态——层流与湍流，最早由雷诺于1883年用实验揭示。层流状态一般在低流速过程发生，故又称滞流和粘流。特点是质点的运动轨迹只有管轴向运动无径向运动，在半径相同的圆周上质点的运动速度相同，故称层流。湍流过程一般在较高流速过程发生，其特点是质点运动轨迹杂乱无章，既有整体的轴向运动又有无规那么的径向运动并伴随有涡流，故又称紊流。雷诺准数与流动型态判断——雷诺准数Re〔〕，简称雷诺数，为一无因次数群。对管流过程，雷诺数在2000以内时一般为层流；雷诺数在4000以上时为湍流。流体力学当量直径——指与非圆形管具有相同流体阻力的圆管内径，m。流动边界层概念——流动边界层指显著存在速度梯度的区域，简称边界层。对管内湍流过程，近壁面处的层流薄层即为流动边界层，又称层流内层或层流底层。当流体因流动截面形状或方向突然改变时〔如拐弯〕，层流底层下缘的附面层在惯性的作用下自壁面飞离，速度由0突变，此现象称为边界层别离现象。在边界层别离的同时会伴生涡流，造成能量损失，流体在通过弯头、阀门等装置时均会不同程度地发生边界层别离现象，是造成局部阻力损失的主要原因。计算公式浓缩流体力学当量直径：m管内层流状态下的速度分布：1、速度分布函数2、管中心处最大流速3、平均流速湍流过程平均流速与中心最大流速间的关系：u=0.82umax相关习题解答1-27283K的水在内径为25mm的钢管中以1m/s的速度流动，试计算其Re数值并判定其流动型态。〔19151，湍流〕【解】根据题意查表得：283K下水的密度，粘度〔湍流〕1-28由一根内管及外管组合成的套管换热器中，内管为φ25×1.5mm，外管为φ45×2mm。套管环隙间通以冷却用盐水，其流量为2500kg/h密度为1150kg/m3，粘度为1.2cP。试判断盐水的流动型态。〔7017，湍流〕【解】根据题意密度ρ=1150kg/m3，粘度µ=1.2cP。〔湍流〕1-29套管冷却器由φ89×2.5mm和φ57×2.5mm的钢管构成。空气在细管内流动，流速为1m/s，平均温度为353K，绝对压强为2atm。水在环隙内流动，流速为1m/s，平均温度为303K。试求：(1)空气和水的质量流量。(2)空气和水的流动型态。〔kg/s、2.988kg/s，3437、104842，过渡区、湍流〕【解】〔1〕根据题意，有空气的密度空气的质量流量水的质量流量〔2〕查表得：在353K下空气的粘度µ1=3.02×10-5Pa∙s，在303K下，水的粘度µ2=801.2×10-6Pa∙s对空气：(过渡区)对水：因水在套管环隙流动，>4000(湍流)第六节管流系统的能量损失知识点聚焦直管阻力损失与局部阻力损失——直管阻力损失是指流体在流经直管过程中造成的机械能损失，又称沿程阻力损失；流体在通过局部障碍物〔如管件、阀门、设备、流量测量仪表等〕时因克服阻力所损失的能量称为局部阻力损失。系统能量损失——管流系统的能量损失为系统直管阻力损失和所有局部障碍物的局部阻力损失之和。系统能量损失与管中流体的走向无关，而压强降与管中流体的走向有关。绝对粗糙度与相对粗糙度——绝对粗糙度是指管壁凸起及下洼局部的平均高度，以ε表示之；相对粗糙度是指绝对粗糙度与管内径的比值，即ε/d。对绝对粗糙度相同的管道，直径小的对流体运动的干扰作用影响大，故应采用相对粗糙度来衡量。光滑管与粗糙管——玻璃管、铜管、铅管、塑料管等由于其材质及制作工艺的因素外表较为光洁，粗糙程度极小，对摩擦因数的影响可忽略，称为光滑管；而把包括钢管和铸铁管在内的其余管材称为粗糙管。摩擦因数λ——直管阻力损失计算通式〔范宁公式〕中的系数，无因次。对层流过程及光滑管中的湍流过程，摩擦因数仅为雷诺数的函数；对粗糙管湍流过程，摩擦因数不仅与雷诺数有关同时还与管子的相对粗糙度有关。过渡区的摩擦因数为保险起见常按湍流考虑。莫迪图——实测的λ-Re-ε/d关系曲线图，可划分为四个区域：层流区、过渡区、湍流区、充分湍流区。其中充分湍流区的摩擦因数仅随管子的相对粗糙度变化，由范宁公式可知，此时对一定的管子其直管阻力损失仅与流速的平方成正比，故又称阻力平方区。局部阻力损失计算方法——当量长度法、阻力系数法。当量长度法是一种通过引入当量长度〔指与某局部障碍物具有相同能量损失的直管长度〕的概念，将局部阻力损失转化成直管阻力损失计算的方法。阻力系数法是一种将流体通过局部障碍物的能量损失看作是动能的倍数〔阻力系数〕的简化计算方法。相对而言，阻力系数法比拟简便快捷但计算精度不高，适合工程估算。计算公式浓缩水平等径直管中的能量损失和压强降计算关系：1、J/N或m2、Pa流体在水平等径直管中作层流运动时的压强降计算公式〔哈根—帕谡叶方程〕：Pa直管阻力损失的计算通式〔范宁公式〕：1、直管压头损失J/N或m2、直管直管能量损失J/kg摩擦因数λ计算式：1、管内流体作层流运动时〔〕λ=2、光滑管中流体湍流时〔〕〔柏劳修斯方程〕局部阻力损失计算：1、当量长度法J/N或mJ/kg2、阻力系数法J/N或mJ/kg单一管路〔指直径不变无分支的管路〕系统的能量损失计算：1、局部阻力损失采用当量长度法J/N或mJ/kg2、局部阻力损失采用当量长度法J/N或mJ/kg相关习题解答1-30比重为0.86、粘度为3cP的石油在管规格为159×4.5mm的无缝钢管中流动，当石油流量为15.5t/h时，试求总长度为1000m的直管阻力损失。〔5.488J/kg〕【解】根据题意石油流速为>4000(湍流)查表选取绝对粗糙度ε=0.2mm那么ε/d=0.2/150=0.0013查莫迪图得：λ=0.021故直管阻力损失1-31水在38×1.5mm的水平钢管内流过，温度是293K，流速是2.5m/s，管长是100m。求直管的压强降及压头损失。〔356.4kPa，36.4m〕【解】查教材附录知293K下，水的粘度µ=1.005×10-3Pa∙s，水的密度ρ=998.2kg/m3>4000(湍流)查表选取钢管的绝对粗糙度ε=0.2mm；那么ε/d=0.2/35=0.0057查摩擦因数图得λ=0.04故压头损失为习题1-32示意图kPa1-32如此题附图所示，用虹吸管将池中363K的热水引出，两容器水面的垂直距离为2m，管段AB长5m，管段BC长10m(均包括局部阻力的当量长度)。管路内径为20mm，摩擦因数λ为0.02。为保证管路不发生气化现象，管路顶点的最大安装高度为多少?〔2.463m〕【解】根据题意，分别取A池液面到B点处为系统、取B点到C池液面为系统。在两系统中列柏努利方程那么有〔1〕〔2〕联解上两式，可得设容器上方大气压强pa=1.01×105Pa查附录得知：363K下水的饱和蒸气压为70099.66Pa，水的密度为ρ=965.3kg/m3。假设要保证管路不发生气化，那么P2>70099.66Pa。故将上述条件代入〔1〕或〔2〕式那么可解得：也即为保证管路不发生气化现象，管路顶点的最大安装高度为2.463m。从此题解题过程可知，假设忽略虹吸过程的流动阻力，那么顶点的最大高度为：1-33在内径为100mm的钢管内以1.8m/s的流速输送密度为1100kg/m3、粘度为2.1cP的溶液，求每l00m钢管的压强降及压头损失。假设管子由于腐蚀，其绝对粗糙度增至原来的10倍，求压强降增大的百分率。〔4.13m【解】根据题意>4000〔湍流〕查表取钢管的绝对粗糙度为0.2mm；那么ε/d=2/100=0.002查摩擦因数图得：λ=0.025m压强降kPa取显著腐蚀的钢管粗糙度为ε=2mm，那么ε/d=2/100=0.02，查摩擦因数图得λ=0.049。m故压强降增大的百分率为：1-34某液体在圆形直管内作滞流流动，假设管长及液体物性不变，而管径减至原有的1/2，问因流动阻力而产生的能量损失为原来的假设干倍?〔16〕【解】根据题意故当管径减至原有的1/2后流动阻力损失增至为原来的24=16倍。1-35某流体在光滑圆直管中作湍流运动，假设管长及管径均不变而流量增至原有的2倍，两种情况下的摩擦因数λ均可用柏拉修斯公式计算，问因流动阻力产生的能量损失为原来的假设干倍?〔3.364〕【解】根据题意故当流量增至原有的2倍后流动阻力损失增至为原来的21.75=3.364倍。1-36如此题附图所示，用泵将温度为293K的冷却水由水池送至冷却塔。：水池比地面低2m，吸入管路为长10m的φ114×4mm钢管并设有1个90o标准弯头、1个吸滤阀；排出管路为总长36m的φ114×4mm钢管并设有2个90o标准弯头、1个闸阀(1/2开)；喷嘴与管子连接处离地面高24m，塔内压强为700mmH2O(表压)，喷嘴进口处的压强比塔中高0.1at。假设要求输送流量为56m3/h，求泵的理论功率。〔6.205kW习题1-36附图习题1-37附图【解】根据题意，取水池液面为截面1-1’，喷嘴进口处为截面2-2’，并选取截面1在两截面间列柏努利方程，即在293K下，水的粘度µ=1.005×10-3Pa∙s，水的密度ρ=998.2kg/m3由于流速m/s=185719>4000(湍流)查表取钢管的粗糙度为0.2mm，那么ε/d=0.2/106=0.0019查摩擦因数图得λ=0.025直管阻力压头损失为：查表得局部当量长度为：1个1/2开的闸阀：le/d=2003个90o标准弯头：le/d=3×35=1051个吸滤阀：le/d=70局部压头损失为：1.49m故Hf=1.49+1.72=3.21m将z1=0，z2=2+24=26m；p1=0〔表〕，；u1=0，u2=1.764m/s代入柏努利方程得：He=31.07泵的理论功率1-37如此题附图所示，用泵将密度为1073kg/m3、粘度为0.63cP的某溶液从反响器以20t/h的流量送至高位槽。：反响器液面上保持200mmHg的真空度，高位槽液面上方为大气压，两液面间的垂直距离为15m；输送管道为总长50m的φ76×4mm的钢管，并设有2个全开的闸阀、1个孔板流量计(局部阻力系数为4)、5个90o标准弯头。假设泵的机械效率为70%，求泵的轴功率。〔1.619kW〕【解】根据题意，取反响器内液面为截面1-1/，高位槽内液面为截面2-2/，并选取截面1-1/为基准水平面。在两截面间列柏努利方程，即由于流速1.426m/s>4000(湍流)查表取钢管的粗糙度为0.2mm，那么ε/d=0.2/68=0.0029，查摩擦因数图得λ=0.028。直管阻力压头损失为：2.13m1个孔板流量计压头损失为：0.41m查表确定其余局部障碍物的当量长度：2个全开的闸阀：le/d=2×75个90o标准弯头：le/d=5×35管子进、出口：le/d=20+40=60局部压头损失为：故Hf=0.41+0.72+2.13=3.将z1=0，z2=15m，p1=-200mmHg〔表〕，p2=0〔表〕，u1=u2=0，ρ=1073kg/m3代入柏努利方程得：有效功率泵的轴功率第七节管路计算知识点聚焦化工管路及分类——管路在化工生产中的地位就相当于人体内的血管一样重要,化工厂中的管路费用约占工厂总投资的1/3左右。管路按有无分支可分为简单管路和复杂管路：简单管路——无分支管路，根据管径有无变化分为单一管路和串联管路。其中单一管路为最根本的管路，其它管路可看作是单一管路的串、并联结果。复杂管路——有分支管路，根据支管的闭合与否可分为分支管路和并联管路，由于企业的复杂管路系统犹如网状结构，故并联管路和分支管路又分别称为环状管网和树状管网。重要的管路通常为并联管路，以有利于提高能量的综合利用、减少因局部故障所造成的影响。化工管路的根本构成——管子、管件〔起延长、改变流向和管径等作用〕、阀门〔调节系统流量〕。管子连接方法——有螺纹连接〔如通过管箍连接〕、承插连接〔管子的一端扩大成钟形，使一根管子的平头可以插入、环隙中填塞填充料和胶合剂〕、焊接、法兰连接四种。试差法——是常用工程计算方法之一，在计算关系数目少于未知量数目时采用。试差原理是：〔1〕假设变化范围较小的未知量为某常数；〔2〕应用计算关系确定其它的未知量；〔3〕检验假设成立与否，直至吻合为止。如管路计算中先设λ值为常数〔通常λ=0.02～0.03〕，后用计算关系式或计算出u或d，再由Re、ε/d查莫狄图得到λ并与假设值进行比拟，直至两者吻合为止。计算公式浓缩并联管路的相关计算关系式：1、主管流量等于各支管流量之和对不可压缩流体那么有2、流体在各支管中的压差相等3、流体在各支管中的压头损失相等分支管路的相关计算关系式：主管流量等于各支管流量之和；单位质量流体在各支路出口端的总机械能与支路中的能量损失之和相等，且等于单位质量流体在支路入口端的总机械能，即相关习题解答1-38从水塔将温度为293K的水引至车间，采用φ114×4mm的有缝钢管，其计算长度(指直管长度与局部障碍物的当量长度之和)为150m。水塔水面维持恒定，且高于排水管口12m，试求该管路中的水流量。〔76.3m3【解】根据题意，以水塔内水面为截面1-1’，排水管出口外侧为截面2-2z1=12m，z2=0；p1=p2=0〔表〕；u1=u2=0；He=0。代入柏努利方程得：Hf=12m由单一管路系统的压头损失计算公式，即那么有整理得：λu2=0.1663〔1〕采用试差法计算：因λ值通常在0.02～0.03，故先假设λ1=0.02并代入式〔1〕解出u1=1.882m/s查表得知：在293K下，水的粘度µ=1.005×10-3Pa∙s，水的密度ρ=998.2kg/m3故>4000〔湍流〕取有缝钢管的绝对粗糙度为0.2mm，那么ε/d=0.2/106≈0.002由于Re1=3×105、ε/d=0.2/106≈0.002查图得λ1/=0.024，与假设不符，需重新假设。再假设λ2=0.024并代入式〔1〕解出u2=2.403m/s，代入Re计算式求出Re2=2.5×105；由Re2=2.5×105、ε/d=0.2/106≈0.002查图得λ2/=0.024，与假设相符。故流体在该输送系统中的流速为2.403m/s，系统流量为1-39如此题附图所示，由山上的湖泊中引水至贮水池，湖面与水池的水面之高度差为45m，管路计算长度约为4000m，要求水流量为85L/s，湖水的温度可取为293K。问应采用哪种规格的铸铁管?〔300mm〕习题1-39附图【解】根据题意，水池的水面为截面1-1/，湖面为截面2-2/，并选取截面1-1/为基准水平面。在两截面间列柏努利方程，即z1=0，z2=45m，P1=P2=0〔表〕，u1=u2=0，He=0代入柏努利方程得：Hf=45由单一管路系统的压头损失计算公式，即那么有m整理得：λ/d5=18.86〔1〕采用试差法计算：先假设λ=0.02，那么d=0.254m查表得知：在293K下，水的粘度µ=1.005×10-3Pa∙s，水的密度ρ=998.2kg/m3故423415.8取铸铁管的绝对粗糙度为0.3mm那么ε/d=0.3/245≈0.00118查图得=0.024，与假设不符，需重新假设。再假设λ2=0.024并代入式〔1〕解出d2=0.264m，代入Re计算式求得Re2=4.07×105；由Re2=4.07×105、ε/d=0.2/264≈0.00114查图得=0.022，与假设不符，需重新假设。再假设λ3=0.022并代入式〔1〕解出d2=0.259m，代入Re计算式得Re2=4.15×105；由Re2=4.15×105、ε/d=0.2/259≈0.00116查图得=0.022与假设相符。应选择内径为259mm以上的铸铁管即能满足输送要求。查附录管子规格表选用标准管材，选用公称直径为250mm的铸铁管〔其实际内径为260mm、壁厚为10.8mm〕。第八节流量测量知识点聚焦流量测量仪表的分类——根据特点可分为三类：1、定截面、变压差：包括测速管、孔板流量计、文丘里流量计；2、变截面、定压差：如转子流量计；3、转子类：如涡轮流量计〔工作原理类似水表〕。缩脉——当流体遭遇流道突然缩小时，会在惯性的作用下继续收缩一段距离，到达主流脉的最小值，而后缓慢放大至管截面。该主流脉的最小值即称缩脉。流量计安装注意点：1、测速管、孔板流量计、文丘里流量计必需在水平管路中安装，转子流量计必须安装在竖直管路中；2、流量计离上游管口要有足够的距离〔稳定长度=5~10d〕，以确保测量段的稳定和测量的精度；3、为便于流量计的拆卸与检修、放大流量计的量程，应和主管路并联安装并配备阀门。孔板流量计的选用原那么——确保孔流系数为常数，即本着系统常规流量下限时孔流系数为常数的原那么选择孔板规格。流量计的适用范围——转子流量计由于主体采用玻璃或有机玻璃制作，故耐压性能比拟差，仅适用于常低压范围；孔板及文氏流量计可应用于高压系统，但需将压差测量装置改为压力表，相应地，流量计算式中的替换为测量点前后压力表的读数差。流量计校核——由于流量计产品说明书或设备本体上所列的技术参数是以20℃清水或20℃、1atm的空气为实验流体标定的〔如转子流量计上的刻度〕，所以，当实际流体与实验流体不同时，需实测标定或借助公式换算。计算公式浓缩测速管点流速测量计算公式：m/s式中C＝0.98～1.0，称为皮托管校正系数，由实验标定。因C值很接近1，故可不校正。孔板流量计的流量计算公式：m3/s式中：——锐孔的截面积，m2；——孔流系数；——孔板前后的压强差；——综合常数，。孔板流量计的永久压降占总压降的百分数式中：——锐孔直径，m；——主管直径，m。文氏流量计流量计算公式：式中：u0——流体在文氏流量计的喉颈处的流速，m/s；A0——文氏流量计喉颈处的截面积，m2；——文氏流量计的流量系数，CV≈0.98～0.99，常按0.98计算；——综合常数。转子流量计的刻度校正公式：1、式中：下标1为标定流体，下标2为实际流体；——转子材质密度，m3/s。2、被测流体为气体时相关习题解答1-40密度为1600kg/m3、粘度为2cP的某溶液流经φ80×2.5mm的钢管。为测定流量，在管路中装有标准孔板流量计，用U管水银压差计以角接取压法测量孔板两侧压强差，假设溶液的最小流量为300L/min。试确定孔板规格。〔【解】根据题意67941由67941查图得A0/A1=0.25，C0=0.625故孔板的孔径为37.5mm第二章流体输送机械第一节离心泵知识点聚焦离心泵的主要构成——泵体、叶轮。泵体形似蜗牛外壳，故又称蜗壳、泵壳，轮廓为渐开线，除包覆液体的功能外是一能量转换构件，可使液体在逐渐放大的流道中将通过叶轮获得的动能向静压能转化，至出口处压强到达最大值。叶轮上一般有6～12个弯曲方向与叶轮的旋转方向相反的叶片〔称为后弯形叶片〕，叶片后弯便于液体进入泵体与叶轮外缘间的流道。根据叶轮的结构不同可分为闭式、半闭式和敞〔开〕式三种，分别适用于不同液体的输送。离心泵的轴〔密〕封装置——密封泵轴与泵体间隙的装置，有填料〔函〕密封和机械密封两类。作用是将泵轴与泵体之间留有的间隙封住，以确保泵轴的自由转动，同时防止高压液体沿轴外漏以及外界空气吸入泵内。离心泵的“气缚”现象——指因离心泵内有气体导致不能正常抽排液体的现象。当离心泵内有气体时，因气体的密度小、随叶轮旋转产生的离心力小，叶轮中心不能形成足够的负压将贮槽中的液体吸入。因此，离心泵在启动之前必须经过“灌泵”排气操作。离心泵的操作步骤：以上步骤不得有丝毫过失，以确保离心泵正常操作，减少事故概率。离心泵的扬程与系统外加压头——离心泵的扬程H是指泵对1N流体具有的实际做功能力；第一章中的外加压头He是指系统对做功设备提出的做功能力要求，即为满足输送要求，系统串接的做功设备对1N流体应具有的做功能力。所以，泵的选用要满足系统的外加压头要求为前提。离心泵的特性曲线——离心泵出厂前用20℃清水在10mH2O的压强条件下标定的曲线，包括-、及-曲线。由-可知，离心泵的扬程随输出流量的增加而降低；由可知，在流量为0的条件下泵的功耗最小，故为保护设备起见离心泵应在关闭出口阀的状态下启动；由-可知，离心泵存在最高效率点。将最高效率的92％及以上区域称为离心泵的高效率区。为确保离心泵使用的经济性，离心泵的选用应控制在高效率区。离心泵的吸上高度——又称安装高度，指贮槽液面至泵吸入口中心处的垂直距离。离心泵的安装高度存在一定的限制，高度应以确保离心泵不发生气蚀现象为前提，相应的吸上高度称为允许吸上高度。离心泵的气蚀现象——是由于叶轮中心处液体沸腾造成的对离心泵的破坏以及不能正常工作的现象。随着离心泵吸上高度的增加，泵入口处的压强将逐渐减小，当减小到等于输送温度下液体的饱和蒸气压时，液体将在泵的吸入口附近沸腾气化并产生大量的气泡；这些气泡随同液体从泵低压区流向高压区后，在高压作用下迅速凝结或破裂，此时周围的液体以极高的速度冲向原气泡所占据的空间，在冲击点处产生的瞬间压强可高达数十兆帕，冲击频率可高达几万至几十万赫兹；由于巨大的冲击作用使泵体震动并产生噪音，且叶轮局部处在巨大冲击力的反复作用下，使材料外表疲劳，从开始的点蚀到生成裂缝，最终形成海绵状物质剥落，使叶轮或泵体受到破坏。此外，由于产生的气泡占据了液体流道的局部空间，将导致泵的流量、扬程及机械效率下降，严重时并发“气缚”现象导致泵不能正常工作。这种现象称为离心泵的“气蚀现象”。允许气蚀余量——系指离心泵在保证不发生气蚀现象的前提下，离心泵入口处的静压头与动压头之和与操作温度下的饱和蒸气压头之差的最小值。离心泵的允许吸上真空〔高〕度HS——用20℃的清水在10mH2O的压强条件下实验测定的离心泵即将发生气蚀或刚开始气蚀时泵入口处的真空度，m。离心泵的工作点与调节——离心泵的工作点是指离心泵在实际工作过程中的流量与扬程；即泵特性曲线-与管路特性曲线交点的坐标值。其调节方法有两种：泵特性曲线调节法〔通过改变泵的叶轮直径或转速实现〕、管路特性曲线调节法〔通过改变阀门的开度实现〕，实用中以后者居多。离心泵的串并联操作——多泵串联操作的总扬程必低于单泵扬程与泵数目的乘积；多泵并联后的总流量必低于单泵流量与泵数目的乘积。管路特性方程式中B值较小的管路称为低阻管路，低阻管路系统采用并联操作时流量增幅大些。反之，对高阻管路系统采用串联操作时流量增幅大些。离心泵的操作程序——关闭底阀、开启出口阀—灌泵排气—关闭出口阀—启动—开启底阀—逐渐开启出口阀调节至正常流量—关闭出口阀—关闭底阀—停机。常用离心泵的类型与型号表示方法：系列代号泵型说明型号表示实例说明清水泵IS型单级单吸悬臂式IS50-32-200IS表示泵的型式，其后的50为吸入口径〔mm，下同〕，32为排出口径，200为叶轮直径。D型节段多级式D12-25×3D表示泵的型式，其后的12表示公称流量〔泵最高效率点流量的整数值，m3/h〕；25表示泵最高效率点的单级扬程，m；乘号之后的数字表示级数，即该泵在最高效率点时总扬程为75m。Sh型单级双吸式100S90A100表示吸入口的直径，mm；S表示泵的类型为双吸式离心泵；90表示该泵安装标准叶轮并处于最高效率时的扬程，m；字母A为叶轮切割序号，表示该泵中的叶轮是由标准叶轮经过1次标准切割〔假设为B那么经过2次标准切割，无字母表示未经切割〕。F型离心式耐腐蚀泵25FB-16A25代表吸入口的直径，mm；F代表耐腐蚀泵；其后的字母为液体接触部件材料代号，如B代表所用材料为1Cr18Ni9不锈钢；16表示该泵安装标准叶轮并处于最高效率时的扬程，m；A为叶轮切割序号，表示该泵装配的是比标准直径小1号的叶轮。Y型离心式油泵80Y100×2其中80表示泵的吸入口直径为80mm；Y表示单吸离心油泵〔假设后面跟有S那么表示为双吸式〕；100表示单级公称扬程，即在安装标准叶轮并处于最高效率时的单级扬程的整数值；×号后的数字代表级数，表示该泵为2级；A为叶轮切割序号。离心泵的选择——步骤如下：1、确定输送系统的流量与扬程；流量应按最大流量考虑并计算出在最大流量下输送系统所需的外加压头He。2、选择泵的类型与型号；先根据输送液体的性质和操作条件确定泵的类型，然后由系统最大流量和所需的外加压头从泵的样本或产品目录中本着H≥He、处于高效率区的原那么选择适宜的型号。3、核算泵的轴功率；假设输送液体的密度大于水的密度时，应按式〔2-5〕核算泵的轴功率，以指导选用电机。4、确定离心泵的安装高度；为确保离心泵的正常操作，在泵的型号规格确定后，还应确定离心泵的安装高度，以指导安装。计算公式浓缩离心泵的扬程实验计算式：m式中：为离心泵进出口测压点间的垂直距离，m。离心泵的比例定律和切割定律：1、比例定律式中：、、——转速为时泵的流量、扬程、轴功率；、、——转速为时泵的流量、扬程、轴功率。应用条件：泵的转速变化小于±20％、泵的机械效率可视为不变。2、切割定律离心泵的安装高度计算式：1、允许气蚀余量法式中：为允许的最大安装高度；考虑平安因素，实际安装高度比该高度低0.5～1.0m。为液体贮槽液面压强。为输送流体的饱和蒸汽压强。为吸入管路的压头损失。为泵的允许气蚀余量，指泵在确保不发生气蚀现象的前提下入口处流体的总压头与输送流体的饱和蒸汽压头差的最小值。即m2、允许吸上真空度法式中：为泵的允许吸上真空〔高〕度，指在保证不发生气蚀现象的前提下泵入口处允许到达的最大真空〔高〕度，即。其余同上。管路特性方程：式中：；，Ａ为管截面积。相关习题解答2-1用20℃的清水对某离心泵进行性能测试。经实验测得：当流量为240m3/h时，泵入口处的真空度为10kPa，出口处的表压强为430kPa，两表间的垂直距离0.5【解】查附录知20℃下水的密度ρ=998.2kg/m3由题意知：h0=0.5m；；p2−p1=430+10=440kPa。故当流量为240m32-2在用水测定某离心泵性能的实验中，当流量为26m3/h时，泵出口压力表读数为152kPa，泵入口处真空表读数为24.8kPa，真空表与压力表两测压口间的垂直距离为0.4m，泵的进、出口管径相等。假设泵在操作条件下的轴功率为2.【解】根据题意h0=0.4m；；p2−p1=152+24.8=176.8kPa故当流量为26m3有效功率机械效率2-3将密度为1200kg/m3的碱液自常压碱池用离心泵打入碱洗塔的顶部，：塔顶压力表读数为59.3kPa，流量为30m3/h，泵的吸入管路阻力为2m碱液柱，压出管路阻力为5m碱液柱，碱液池液面到碱洗塔碱液进口处的垂直距离为12m。试求：〔1〕此时泵的扬程；〔2〕假设泵的轴功率为3.6k【解】〔1〕根据题意；；；Hf=2m+5m=7m。故此时系统对泵的扬程要求为〔2〕有效功率机械效率2-4用某离心泵输送清水，：转速为1450r/min，流量为60m3/h，扬程为52m，轴功率为16.1kW。试求：〔1〕该泵的机械效率；〔2〕假设欲将流量增大20m3/h，按切割定律估算转速应增至多少？此时的扬程和轴功率为多少？〔52.79%，1933.33【解】〔1〕当流量为60m3有效功率机械效率〔2〕qv,1=60m3/h，qv,2=80m3/h根据切割定律那么根据切割定律那么根据切割定律那么2-5在海拔1000m的高原上，使用一离心清水泵吸水，该泵吸入管路中的损失压头为6m水柱。今拟将该泵安装于水源水面之上3m处，用户所在地夏季水温为20℃。问此泵能否正常工作？〔不能【解】查表得：1000m的高原上大气压强=9.19mH2O。由允许气蚀余量法计算，假设允许汽蚀余量为0，那么最大吸上高度为：2.95m<3m可见，即使允许汽蚀余量为0，该泵也不能正常工作。2-6拟用一台离心泵将某减压精馏塔塔釜中密度为986kg/m3的液体产品输送至高位槽。：釜中的真空度为66.65kPa〔釜中液体处于沸腾状态，其饱和蒸气压等于釜中的绝对压力，当地大气压强为101.3kPa〕，吸入管路的压头损失为0.87m液柱，该泵的允许气蚀余量为4.【解】根据题意可知，釜中的绝对压强p0=101.3-66.65=34.65kPa，液体的饱和蒸气压pv=34.65kPa，∆h=4.2m，Hf,0-1=0.87m故-5.07m所以泵的安装位置不适宜。为了平安起见，离心泵的安装高度应比允许吸上高度低0.5-1.0m，所以应将泵安装在塔釜液面以下5.57～6.07m2-7用水对某离心泵作实验，得到以下各实验数据：，0612182430，m37.2383734.531.828.5现拟用该泵通过φ76×4mm、长355m〔包括局部阻力的当量长度〕的导管输送某液体。：吸入与排出的空间均为常压设备，两设备液面间的垂直距离为4.8m，摩擦因数0.08。试求该泵在运转时的流量。〔16.5m【解】根据题意；；阻力损失将代入上式得：1615556.32qv故管路特性方程为：根据实验数据作图得离心泵的特性曲线，并根据管路特性方程作管路特性曲线，两曲线的交点即为该泵在运转时的流量qv=16.5m3/h2-8用离心泵从蓄水池以每小时30吨的流量向高位槽送水。：槽内水面压强为34.3kPa〔表〕，槽内水面高于蓄水池水面16m，管路总阻力损失为2.1mH2O。试选一台适宜的离心泵。〔IS80-65-125【解】根据题意：；；；Hf=2.1m故当流量为30m3查教材附录中的离心泵性能参数表，选用离心泵型号IS80-65-125。该泵在流量为30m3/h时扬程为22.5m2-9拟用离心泵通过内径100mm的钢管从江中取水送入蓄水池，：池中水面高出江面30m，管路计算总长度为60m，水在管内的流速为1.5m/s，摩擦因数0.028。今库存有以下四种规格的离心泵，问能否从库存中选用一台泵？泵ⅠⅡⅢⅣ流量，L/s17161512扬程，mH2O42383532【解】根据题意，选取江面为1-1/、蓄水池液面为2-2/。那么有：；；。当系统流量为11.775L/s所以可以从库存中选择Ⅳ泵。2-10某化工厂各车间排出的热水平均温度为65℃，先聚集于热水池中，然后经离心泵以40m3/h的流量送至凉水塔的顶部，并经喷头喷出而落入凉水池中，以到达冷却的目的。：喷头入口位置较热水池水面高6m，水在进入喷头之前需维持0.6at的表压强，吸入管路和排出管路中压头损失分别为1和3m，管路中的动压头可忽略不计。试选一台适宜的离心泵并确定其安装高度〔当地大气压为760mmHg〕。〔IS80-65-125【解】根据题意选取热水池液面为1-1/、凉水塔喷嘴进口处为2-2/。那么有；；；Hf=1+3=4m查附录知65℃下水的密度ρ=980.5kg/m故当流量为40m3查教材附录25可知，IS80-65-125、IS80-65-160、IS100-65-250等均能满足输送要求。但比拟而言，IS80-65-160扬程浪费大且电机功率和轴功耗最大，故不可取。IS80-65-125的轴功率最低，操作最经济。IS100-65-250扬程损失最小，但功耗大且设备费用高。应选用IS80-65-125。该泵转速为2900r/min时，当流量为40m3/h时扬程为21.25m查水的饱和蒸汽压表知，65℃时水的饱和蒸汽压pv=25.014kPa。故实际安装高度应比最大安装高度低0.5～1.0m，故泵的安装应控制在距热水池液面2.93～3.43m以内。2-11用内径106mm的钢管将温度为20℃、物性与水相似的某溶液从池中输送到高位槽中。要求输液量为45m3/h，摩擦因数λ可取为0.03，管路计算总长为240m，两液面间垂直距离为8【解】〔1〕；；。管道中流体的流速为故系统的损失压头为故当流量为45m3查表选用离心泵型号IS80-65-125。该泵在转速2900r/min、流量为45m3/h时扬程为〔2〕即该泵在使用过程中因通过阀门调节工作点导致的能量损失为5.3J/N。第二节其它化工生产用泵知识点聚焦各类泵型的性能比拟：泵的类型非正位移泵正位移泵离心泵轴流泵旋涡泵往复泵〔含计量泵和隔膜泵〕旋转泵〔螺杆泵和齿轮泵〕流量均匀性均匀均匀均匀不均匀尚可恒定性随管路特性而变恒定恒定范围广，易到达大流量大流量小流量较小流量小流量扬程大小不易到达高扬程扬程低扬程较高高扬程较高扬程功率稍低，愈偏离额定值愈小稍低，高效区窄低高较高操作流量调节小幅度调节用出口阀；大泵大幅度调节可调节转速或切削叶轮直径。小幅度调节用旁路阀；有些泵可以调节叶片角度。用旁路阀调节。小幅度调节用旁路阀；大幅度调节可调节转速、行程等。用旁路阀调节。自吸作用一般没有没有局部型号有有有启动出口阀关闭出口阀全开维修简便麻烦较简便结构与造价结构简单，造价低廉结构紧凑简单，加工要求稍高。结构复杂，振动大，体积庞大，造价高。结构紧凑、加工要求较高。使用范围流量和扬程适用范围广，尤其适用于较低扬程、大流量。除高粘度物料不太适合外，可输送各种物料。特别适用于大流量、低扬程。适用于高扬程、小流量的清洁物料。适宜输送流量小、高扬程的物料；输送悬浮液时，要采用特殊结构的隔膜泵。适宜输送小流量、较高扬程的物料，对高粘度物料比拟适宜。正位移设备——进入设备的液体只能沿出口排出，不可倒流。这种性质称为正位移特性，具有这种特性的设备称为正位移设备。正位移及高压输送机械的流量调节法——正位移设备的流量调节必须采用旁路调节〔又称回流支路调节〕，即从设备出口引出一根支管并配以流量调节阀门回流至设备入口，以防止过压造成生产平安事故。高压输送机械的轴向推力及平衡装置——对高压输送机械，因流体的进出口压强差巨大，会对设备造成自高压面沿轴向朝着低压面方向的推力，简称轴向推力。为减少轴向推力对设备的破坏，对高压输送机械往往需设置平衡装置，将出口管中的高压流体引入到入口区，如在离心泵的叶轮上打孔、离心式压缩机中的平衡盘以及大型压缩机组及往复泵的回流支路等均可起到平衡轴向推力的作用。容积式输送机械——是依靠包容流体的密封工作空间容积的周期性变化,把能量周期性地传递给流体,使流体的压强增加,直至将流体强行排出的流体输送机械。容积式输送机械的稳流装置〔空气室〕——往复泵等容积式输送机械由于结构及工作特点必然产生流量和压强的脉动，从而降低了泵的吸入性能，缩短泵和管路的使用寿命，特别是在排出管路的管径较小，管路较长，系统中没有足够大的背压时，可能因惯性压头过大冲开泵的出口阀而造成实际流量大于理论流量的所谓“过流量现象”。为此往往配备有常压式或预压式吸入空气室和排出空气室，以到达稳压恒流的目的。计算公式浓缩往复泵的理论流量计算式：1、单动泵式中：——往复泵的理论流量，m3/min；——活塞截面积，m2；——活塞冲程，m；——活塞每分钟往复次数，1/min。2、双动泵式中：为活塞杆的截面积，m2。相关习题解答2-12某单动往复泵活塞的直径为160mm、冲程为200mm。现拟用该泵将比重为930kg/m3的某种液体从敞口贮液槽送至某设备中，要求的流量为25.8m3/h，设备的液体入口较贮液槽液面高19.5m；设备内液面上方的压强为314kPa〔表〕，外界大气压为98.1kPa，管路的压头损失为10.3m【解】〔1〕此泵的活塞每分钟往复次数根据题意实际排液量为：所以〔2〕此泵的轴功率选取贮槽液面为截面1-1/，设备内的液面为截面2-2/，并以截面1-1/为基准水平面，由柏努利方程式有：式中z1=0，z2=19.5m；p1=0〔表〕，p2=314kPa〔表〕；u1=u2≈0；Hf=10.3m所以泵的轴功率2-13某双动往复泵的柱塞的直径为180mm，柱塞杆的直径为60mm，曲柄的半径为145mm，柱塞每分钟往复55次。为了测定此泵的性能，将泵排出的水注入一个直径为3m的贮水桶中，在26.6分钟的试验中，桶内的水面升高2.【解】根据题意，实际排液量为：理论排液量为：=766.3L/min所以，容积效率第三节气体输送机械知识点聚焦气体输送机械的类型——常根据出口表压强〔终压〕或〔压缩比〕来进行分类：1、通风机，有轴流式和离心式，终压不大于14.7kPa；2、鼓风机，有离心式和旋转式〔罗茨鼓风机〕，终压为14.7～350kPa，压缩比小于4；3、压缩机，有离心式、往复式和液环式等形式，终压在350kPa以上，压缩比大于4；4、真空泵，有离心式、往复式、液环式及流体作用式等，出口压强为大气压或略高于大气压，压缩比根据所造成的真空度决定。全风压和静风压、动风压的概念——风机的全风压是指单位体积流体通过风机获得的净能量，或Pa；静风压=，即风机的出入口压强差，当风机入口与大气相通时为风机的终压，Pa；动风压=，即单位体积流体的输出动能，或Pa。全风压=静风压+动风压。离心〔通〕风机的分类——低压风机〔增压幅度低于1kPa或100mm水柱〕、中压风机〔增压幅度为1～2.94kPa或100～300mm水柱〕、高压风机〔增压幅度为2.94～14.7kPa或300～1500mm水柱〕。中、低压风机主要用于换气，高压风机那么主要用来输送气体。离心式通风机、鼓风机及压缩机的区别——区别主要在级数上，离心式通风机为单级，鼓风机和压缩机均为多级；其中离心式压缩机的级数多达几十级，为了便于冷却和稳压，往往中间分段，段与段之间设有中间冷却器和稳压装置，这是有别于离心式鼓风机的地方。再一区别就是转速，离心式压缩机的转速一般在10000r/min以上，而离心通风机和鼓风机的转速那么在常速范围，由此可见离心式压缩机的构造要比前两种复杂得多。离心式压缩机的分类：分类名称说明按排气压力分低压压缩机排气压力在3~10kg/cm2中压压缩机排气压力在10~100kg/cm2高压压缩机排气压力在100~1000kg/cm2超高压压缩机排气压力＞1000kg/cm2按功率分微型压缩机轴功率小于10kW小型压缩机轴功率处于10~100kW中型压缩机轴功率处于100~1000kW大型压缩机轴功率处于1000kW以上按吸入气体的流量分小流量压缩机流量小于100Nm3/min中流量压缩机流量处于100~1000Nm3/min大流量压缩机流量大于1000Nm3/min按结构特点分水平剖分型垂直剖分型多级压缩流程——当气体的压缩比大于8时，一般采用多级压缩。多级压缩的常规流程由“冷却器—气液别离器—1级汽缸—中间冷却器—中间油气别离器—2级汽缸—……出口冷却器—出口油气别离器”的形式构成，随着级数的升高气体的压强增大、气体的体积越来越小，故汽缸容积减小，由此可区分低压缸和高压缸。设置中间冷却器的目的是为将排出气体中夹带的油份冷凝后便于后续的中间别离器别离，以减少对后级汽缸的损伤，同时确保压缩机的吸气能力。计算公式浓缩离心通风机的风压计算式：1、全风压或Pa2、当气体进出口管在同一中心线时3、实际风压与标定风压〔常压、20℃的空气〕的换算往复式压缩机的吸气量计算式：1、单动往复式压缩机的理论吸气量2、双动往复式压缩机的理论吸气量式中：——理论吸气量，m3/min；——活塞截面积，m2；——活塞的冲程，m；——活塞每分钟往复次数，1/min；a——活塞杆的截面积，m2。3、往复压缩机的实际排气量式中：V1为活塞处于上死点时的气缸容积；V4活塞处于下死点时的气缸容积；V3为余隙容积。相关习题解答2-14现需输送温度为200℃、密度为0.75kg/m3的烟气，要求输送流量为12700m3/h，全风压为120mmH2O。当地大气压为98kPa。工厂仓库中有一台风机。其铭牌上流量为【解】根据题意，实验条件下系统的全风压为：故该风机不可用。2-15拟用风机向常压枯燥器系统输送空气。空气的温度为293K，质量流量为30t/h。假设所需的全风压为280mmH2O。试选择一台适宜的通风机。〔4-72-11No.8C〕【解】根据题意查表得，在293K、常压下，空气的密度ρ=1.205kg/m3空气输送量为：查教材附录可知，选用4-72-11No.8C型通风机即可满足要求。2-16某单级单动往复压缩机的气缸内径为180mm，活塞冲程为200mm，往复次数为2401/min。现需要向某设备以80kg【解】根据题意单动往复式压缩机理论吸气量即吸入空气密度大于等于1.09kg/m3时，此压缩机就能满足生产要求。查教材附录可知，常温常压下，空气的密度为1.205kg/m3，故该压缩机能满足生产要求。第三章非均相物系的别离第一节重力沉降及设备知识点聚焦相〔态〕——系指物质的聚集状态。处于同相态的混合物系称为均相物系，处于不同相态的混合物系那么称为非均相物系。非均相物系中处于相对分散状态的相称分散相；处于相对连续状态的相称连续相。分散相与连续相中密度较大者称为重相，反之那么称为轻相。依据连续相的物理状态，非均相物系有气态非均相物系和液态非均相物系。非均相物系的别离——是将连续相与分散相加以别离的单元操作。非均相物系别离方法类型——1、沉降依据连续相和分散相的密度差异，在外力作用下使密度不同的两相发生相对运动，从而实现别离的操作。根据外力的不同，沉降可分为重力沉降与离心沉降两类。2、过滤依据两相对固体多孔介质透过性的差异，在重力、压强差或离心力的作用下使非均相系统得以别离的操作。有重力过滤、压差过滤、离心过滤等。3、湿法别离依据两相在液体中的润湿性能差