物料输送及输送设备.ppt

第三章 固体及流体输送设备,第一节 固体原料的输送 1、机械的输送,机械的输送 为了是物料能起到混合搅拌和输送作用，固体输送主要是采用机械输送。发酵厂内固体输送大多采用皮带输送机，斗式提升机和螺旋混合器（也称绞龙）。如果在绞龙上加盖铁板，则在密闭系统内进行物料输送，对粉状物料而言，可以防止运转时粉尘的飞扬。,2、气流输送,又称风送，或称气力输送。它是利用空气流动所产生的推动力在管道中输送的，其简单原理是，固体物料在垂直向上的气流中，受到向下拉的重力F1，和气流向上推的动力F2，如果F2大于F1，则气流向上推动，使物料由低位向高位运送。例如甘薯干的块状原料，利用风动运送，有引风机把甘薯干运进料管，从低位向高位运送上去，而原料中的铁皮、石块等杂物，因比重较大，不能为气流所带走，而自动掉落在地上。风送特别适于输送散粒状或块状的物料，是一种较好的输送方式。,垂直管中的悬浮输送机理 设物料小颗粒，在静止的空气中自由降落，颗粒上作用力有三：颗粒重力Ws，浮力Wa，及空气阻力fs。 当Ws = Wa + fs时颗粒在空气中以不变的速度t作匀速降落，称为颗粒的自由沉降。,根据相对运动的原理，当空气以颗粒的沉降速度自下而上流过颗粒时，颗粒必将自由悬浮在气流中。这时的气流速度称为颗粒的悬浮速度。 如果气流速度大于颗粒的悬浮速度，则在气流中悬浮的颗粒，必将为气流带走，而发生了气流输送。这时的气流速度又称气流的输送速度,水平管中的悬浮输送机理,当气流速度很大时，颗粒全部悬浮，均匀分布于气演中，呈现所谓悬浮流状态。 当气流速度降低时，一部分颗粒沉积管下部，但没有降落在管壁上，整个管截面上出现上部颗粒稀薄，下部颗粒密集的所谓两相流动状态，这种状态为悬浮输送的极限状态。,气流输送的流程,管网系统的设计计算,A，空气需求量的计算 混合比的确定 定义：每1kg空气所能提升或输送的物料流量G物（kg/h）与空气流量G气（kg/h）之比。 = G物/ G气 选择依据： 大，每1kg空气输送的物料量大； 过高的易造成管道阻塞，阻力损失大，需较高压力的空气，增大设备费用； 松散颗粒（大），潮湿易结快物料和粉状物料（小）； 吸入式流程（小 ），压送式流程（大）。,混合比值 输送方式系统内压力/Pa混合比/ 低真空吸送高真空吸送低压压送高压压送-0.2 105以下（-0.2-0.5）105小于0.5105(17)10511010301101050计算时，可参考经验数据。原粮装卸 =714，米厂 =4左右,气流速度的选择,输送物料的空气速度即输送气流速度，简称气流速度。 气流速度过低，被输送物料不能悬浮或不能完全悬浮； 气流速度过高，浪费动力和增加颗粒的破碎。 气流速度与输送距离 总距离/m气流速度/（m/s）,对大约90%的气流输送，25米/秒的气流速度是足够的。对物料不超过880kg/m3和颗粒体积不大于2.0cm3时，表中的气流速度是可用的。物料密度超过880，但小于1360时，表中气流速度值增加5米/秒。对密度在13601840时，表中增加10米秒。物料密度超过1840或颗粒尺寸大于2.0cm3时，气流速度应由实验测定。,输送空气量的计算,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,管网中的阻力计算（压力降计算）,a，空气管的压力损失p1：指不带物料的气流管道中纯空气气流的压力损失,加速段的压力损失p2 ：加入输料管的的物料，加入前一般是静止的，在气流方向上的初速度一般为零，要求输送它的空气流在瞬间将它加速到输送速度，而产生的压力损失。,C：供料系数，其直为110，连续稳定供料取小值，间断供料或从吸嘴供料取大值。 c，输料管的压力损失：指以稳定状态输送物料时，输料管中由于物料在管内相互碰撞摩擦而引起的压力损失。,d，分离器（卸料器）的压力损失,空气进出口的压力损失,D，气流输送系统中总的压力损失p p= p1+ p2+ p3+ p4+ p5 E，风机风机风量、风压和功率消耗的计算 Q风机=（1.11.2） Q气（m3/h）,p风机=（1.11.2） p （Pa）,第二节 液体物料的输送设备,化工生产中处理的原料、中间产物，产品，大多数是流体，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的过程操作。,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。 流体性能参数的测量, 控制。 研究流体的流动形态，为强化设备和操作提供理论依据。 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。,研究流体的流动和输送主要是解决以下问题。,3.1 流体的基本性质,3.2 流体流动的基本规律,3.3 流体压力和流量的测量,3.5 流体输送设备,3.4 管内流体流动的阻力,3.1 流体的基本性质,1密度,单位体积流体所具有的质量称为流体的密度，其表达式为：,流体密度，km-3 ; m流体质量，kg；V流体体积，m3。,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体状态方程进行计算：,=pM/RT,p气体压力 kNm-2或kPa；T气体温度 K；M气体摩尔质量 gmol-1；R气体常数Jmo1-1K-1。,=mV,化工生产中所遇到的流体，往往是含有多个组分的混合物。对于液体混合物，各组分的浓度常用质量分数表示。,I液体混合物中各纯组分液体的密度，kgm-3； wI液体混合物中各组分液体的质量分数。,I气体混合物各纯组分的密度，kgm-3；,I气体混合物中各组分的体积分数。,对于气体混合物:,2比体积,单位质量流体所具有的体积称为流体的比体积，以表示，它与流体的密度互为倒数:,一流体的比体积，m3kg-1； 流体的密度，kgm-3。,=1/,3压力,流体垂直作用于单位面积上的力称为压力：,p流体的压力，Pa； F流体垂直作用于面积A上的力，N； A作用面积，m2。,压力的单位Pa（Pascal，帕），即Nm-2。,latm760mmHg1.01325105Pa10.33mH2O1.033kgf-2,常用压力单位与Pa之间的换算关系如下：,p= FA,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的压力，当被测容器的压力高于大气压时，所测压力称为表压，当测容器的压力低于大气压时，所测压力称为真空度。,两种表达压力间的换算关系为,表压=绝对压力-大气压力 真空度大气压力-绝对压力,用图31来表示其关系,4流量和流速,单位时间内流体流经管道任一截面的流体量，称为流体的流量。若流体量用体积来计量，称为体积流量，以符号qv表示，单位为m3s-1；若流体量用质量来计量，则称为质量流量，以符号qm表示，其单位为kgs-1。若流体量用物质的量表示，称为摩尔流量，以符号qn表示，其单位为mols-1。,qm=qV,质量流量与摩尔流量的关系为,qmMqn,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的距离，称为流体的流速，以u表示，单位为 ms-1。,u=qV/S,S与流体流动方向相垂直的管道截面积，m2,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。 通常所说的流速是指流道整个截面上的平均流速，以流体的体积流量除以管路的截面积所得的值来表示：,质量流速的定义是单位时间内流体流经管路单位截面积的质量，以w表示，单位为 kgs-1m-2，表达式为：,w=qmS,流速和质量流速两者之间的关系：,液体1.53.0ms-1，高粘度液体0.51.0 ms-1；气体1020 ms-1，高压气体1525 ms-1；饱和水蒸气2040 ms-1，过热水蒸气3050 ms-1。,w=u,工业上用的流速范围大致为：,5粘度,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薄的圆筒层，其中一层套着一层，各层以不同的速度向前流动，如图32所示。,图3一3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u沿着x方向运动。,实验证明，对于一定的液体，内摩擦力F与两流体层间的速度差u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y呈反比，即：,F(u/y)A,引入比例系数 ，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，以表示，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y方向上流体速度的变化率,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，所有气体和大多数液体都属于牛顿型流体。,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。,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。,=/(du/dy)=(Nm-2)/(ms-1m-1)Nsm-2Pas,流体的粘度还用粘度与密度的比值来表示，称为运动粘度，以表示之：,对于低压气体混合物的粘度，可采用下式进行计算,1 P100cP（厘泊）=10-1Pas,单位为m2s-1 1st100 cst(厘沲)10-4m2s-1,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； yi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；,Mi气体混合物中某一组分的相对分子质量。,m液体混合物的粘度； xi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，采用下式计算：,lgm=,3.2 流体流动的基本规律,1定态流动和非定态流动,流体在管道或设备中流动时，若在任一截面上流体的流速、压力、密度等有关物理量仅随位置而改变，但不随时间而改变，称为定态流动；反之，若流体在各截面上的有关物理量中，只要有一项随时间而变化，则称为非定态流动。,2定态流动过程物料衡算连续性方程,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11和22之间作物料衡算：,qm,1=qm,2,因为qm=uS，所以：,1u1S1=2u2S,在任何一个截面上，则：,qm=1u1S12u2S2nunSn=常数,对于不可压缩流体，=常数，则：,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。,3流体定态流动过程的能量衡算柏努利方程,流动体系的能量形式主要有：流体的动能、位能、静压能以及流体本身的内能。,qV=u1S1=u2S2=unSn=常数,动能 流体以一定的流速流动时，便具有一定的动能。动能为mu2/2，单位为kJ。,位能 流体因受重力的作用，在不同高度处具有不同的位能，相当在高度Z处所做的功，即mgZ，单位为kJ。,静压能 静止流体内部任一处都存在一定的静压力。,把流体引入压力系统所做的功，称为流动功。流体由于外界对它作流动功而具有的能量，称为静压能。,内能 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内位能的总和。以U表示单位质量的流体所具有的内能，则质量为m（kg）的流体的内能为mU，单位kJ。,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。,（1）理想流体流动过程的能量衡算,理想流体是指在流动时没有内摩擦力存在的流体，即粘度为零。,如上图，设在单位时间内有质量为m(kg)、密度为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上选取截面1l和截面22，在两截面之间进行能量衡算。,今流体在截面 22处的流速为u2， 即,= 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量输入，流体也没有对外界作功，则流体在截面11”和截面22”之间应符合：,=,即 mgZ1+m u12/2+p1m/=mgZ2+m u22/2+p2m/,对于单位质量流体，则：,gZ1+ u12/2+p1/=gZ2+u22/2+p2/,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JN-1，即m，称为“压头”，则Z、u2/(2g)和p/(g)分别是以压头形式表示的位能、动能和静压能，分别称为位压头、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，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算方程式，又称为柏努利方程（Bernoulli equation）,由柏努利方程可知，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。,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所获得的外加压头为He，单位JN-1域m。,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，u=0，没有外加能量，He =0，而且也没有因摩擦而造成的阻力损失f=0，则柏努利方程简化为：,Z1+ u12/(2 g)+p1/(g) +He=Z2+u22/(2g)+p2/(g)+hf,p1- p2= g(Z1 -Z2),Z1+ p1/(g) =Z2+p2/(g),或,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。,（2）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。,作图 根据题意作出流动系统的示意图以助分析题意。,单位务必统一 最好均采用国际单位制。,4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。,截面的选取 确定出上下游截面以明确对流动系统的衡算范围。,基准水平面的选取 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。,例 3l 今有一离心水泵，其吸入管规格为88.5mm4 mm，压出管为75.5mm3.75mm，吸入管中水的流速为 1.4 ms-1，试求压出管中水的流速为多少？,（1）管道流速的确定,解：吸入管内径dl=88.52 480.5 mm 压出管内径 d275.52 3.75=68 mm 根据连续性方程 u1S1= U2S2 圆管的截面积S=d2/4， 上式写成： u2/ul=(dl/d2)2 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平方呈反比。,（2）容器相对位置的确定,例32 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 1.05 ms-1的速度流动。若料液在管内流动时的能量损失为 2.25 JN-1，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？,解：作示意图，,取高位槽的液面为截面11，虹吸管的出口内侧为截面22，并取截面22为基准水平面。,Z1+ u12/(2 g)+p1/(g) +He=Z2+u22/(2g)+p2/(g)+hf 式中Z1=h，u1 =0 p1=0(表压)，He =0； Z20，u2=1.05 ms-1，p2=0（表压），h f2.25 JN-1,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：,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2.31m，才能满足加料的要求。,（3）送料用压缩空气的压力的确定,例34 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 1200 kgm-3，蒸发器上部的蒸发室内操作压力为 200 mm Hg(真空度)，蒸发器进料口高于贮槽内的液面 15 m，输送管道的直径为 68 min 4mm，送液量为 20 m3h-1。设溶液流经全部管路的能量损失为12.23 JN-1(不包括出口的能量损失)，若泵的效率为60，试求泵的功率。,（4）流体输送设备所需功率的确定,式中 ZI=0，ul0，p 10（表压）；Z215 m， 因为 qv20/360015.5610-3m3s-1 S（0.06820.004）2m2/4 2.83 10-3 m2 故 u2Qv/S5.56 10-3m3S-1/2.83 103m2 =1.97 ms-1 又 p2200 .013 105/760 = 2.67 104Pa（真空度） = -2.67 104Pa（表压）,解：取贮槽液面为截面11，管路出口内侧为截面22，并以截面1一l为基准水平面。在截面11和截面22之间进行能量衡算，有：,Z1+ u12/(2 g)+p1/(g) +He=Z2+u22/(2g)+p2/(g)+f,NeqmgHeqvgHe=1200 kgm-35.56103 m3s-19.81m/s225.16m 1.65103W1.65kw,f12.23 JN-1,将上列各数值代入拍努利方程式得：,He15 m1.9722m2s-2/(29.81ms-1)-2.67104kgs -2m-1/(12009.81 kgs-2m-2) + 12.23 m 25.16 m液柱,泵的理论功率：,实际功率：Na=Ne/=1.65kw/0.60=2.75 kw,3.3 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，实时测量流体性能参数, 所用测量仪表有不同的类型。,1.流体压力的测量,（1）U形管压力计,U形压力计结构如图示。管中盛有与测量液体不互溶、密度为i的指示剂。U形管的两个侧管分别连接到被测系统的两点, 得：,p= p2-p1=（i -）g (Z1 -Z2)=（i-）gR,式中：R为压力计的读数，即指示液的液面差； i和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：,（2）倒置U形管压力计,倒置U形管压力计结构如上图所示。,（3）微差压力计,为测量微小压力差，常采用微差压力计。用于气体系统的测量。结构如下图所示,若两种指示液的密度分别为，l和2，两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，在实验室有广泛的应用。,2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仪表有孔板流量计，文丘里流量计和转子流量计等。,（1）孔板流量计,孔板流量计的结构简单，如图所示。 设流体的密度不变，在孔板前导管上取一截面11，孔板后取另一截面22，列出两截面之间能量衡算式：,式中：u1流体通过孔板前的流速，即流体在管道中的流速，ms-1； u2流体通过孔板时的流速，ms-1； p1流体在管道中的静压力，Pa； p2流体通过孔板时的压力Pa,Z1+ u12/(2 g)+p1/(g) = Z2+u22/(2g)+p2/(g),因是水平管道，Z1= Z2，则有,=,=,u2=,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能有误差，归纳为校正系数，并以代替u2得,的值为0.610.63。,若液柱压力计的读数为R，指示液的密度为i，则,流量计算公式为,qv=u0So=,特点是结构简单，制造方便，应用广泛，缺点是能量损耗较大。,(2) 文丘里流量计,针对孔板流量计能量损耗较大的缺点，设计文丘里流量计如图所示。,qv=u0So=,式中： 为文丘里流量计的流量系数，其值约为0.98，S0为喉管处的截面积。,(3)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，转子在流体中处于平衡状态,pARVRRg-VRg,式中 p转子上下间的压差, VR转子体积，AR转子顶端面的横截面积, R转子密度 流体密度,根据柏努利方程同样可导出：,式中 cR校正因子，与流体的流形、转子形状等有关。,qV= uRSR=cRSR,式中 SR转子与玻璃管环隙的面积，m2 qV流体的体积流量，m3s1,转子采用不锈钢、铜及塑料等各种抗腐蚀材料制成，适用于中小流量的测定，常用于 2以下管道系统中，耐压在 300400 kPa范围。,流量公式为,3.4 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管内流体流动阻力的定量计算。,1. 管、管件及阀门简介,(1) 管,管子种类繁多。有铸铁管、钢管、特殊钢管、有色金属管、塑料管及橡胶管等。,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.,钢管分有缝钢管和无缝钢管,管子按照管材的性质，可分为光滑管和粗糙管。,管壁粗糙面凸出部分的平均高度，称为绝对粗糙度，以表示。绝对粗糙度与管内径d的比值，称为相对粗糙度。表31列出了部分管道的绝对粗糙度。,（ 3）阀门 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。,（2）管件 用来改变管道方向、连接支管、改变管径及堵塞管道等。,2. 流动的形态,为了解流体在管内流动状况及影响因素，雷诺设计的实验可直接观察到不同的流动形态。实验装置如图所示。,（1）两种流动形态,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,管轴的方向作直线运动，质点与质点之间互不混合。这种流动形态称为滞流或层流。,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。,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，这种流动形态称为湍流或紊流。,（2）流动形态的判据,影响流体流动的因素除流速u外，还有流体流过的通道管径d的大小，及流体的物理性质如粘度和密度。称为雷诺数，以符号Re表示：,流体在直管中流动时，当Re2 000，流体流动形态为滞流；当 Re4 000时，流体流动形态为湍流；而当2000Re4000时，流体的流动则认为处于一种过渡状态，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：,Re=LLT-1ML-3/ML-1T-1,（3）滞流和湍流的特征,如图所示，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处最大速度的0.5倍； 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0.8倍。,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，称之为滞流底层。滞流内层的存在对传热过程和传质过程有很大的影响。,例 35 在168mm5mm的无缝隙钢管中输送原料油，已知油的运动粘度为 90cst，密度为 910 kgm-3，试求燃料油在管中作滞流时的临界速度。,解：运动粘度 v=/，层流时Re的临界值为2 000，其中 d168-25=158mm=0.158m 90cst9010-2 10-4m2s-1910-5m2s-1,生产中的流体流动大多数是以湍流形态进行的。,代入Redu/ 得： Redu/du/2 000,故临界速度为 u2000910-5m2s-1/0.158m1.14ms-1,计算非圆形管的Re值时，要以当量直径de代替d。, 当量直径de定义为：,（4）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大。将流体受壁面影响而存在速度梯度的区域称为流体流动的边界层。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 99处的区域。,de=4流体流动截面积/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边界层内外之分。如图321所示。当管流雷诺数等于9 105时，入口管长度约为40倍管直径。,流体流过较大曲率的物体时，会发生边界层分离现象。如图322，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B处流速最大。,3管内流动阻力计算,管内流动阻力可分为直管阻力和局部阻力。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。,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,式中是一比例系数，称为阻力系数。,(1)直管阻力的计算,在柏努利方程式中, hf是指流体在管路系统中的总阻力损失，,hf=hfhl,设其静压力分别为p1和P2，且p1P2，在两个截面之间的柏努利方程式为：,如图，流体在长为l，内径为d的管内以流速u作定态流动，,在等径水平管内，有Z1= Z2，u1= u2=u，上式变为：,垂直作用于流体柱两端截面11和22上的力分别为：,Z1+ u12/(2 g)+p1/(g) =Z2+u22/(2g)+p2/(g)+ hf,p1-p2=ghf,F1=p1A1= p1d12/4,F2=p2A2= p2 d22/4,d1=d2=d，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F为,Fdl,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：,(p1-p2) d22/4=dl,p1-p2=4l/d,hf =4l/gd,得,得,上式称为范宁(Fanning)公式，是直管阻力的计算通式。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，比例系数称为摩擦阻力系数。,如图所示，选管中心至管壁的任一r处的流体圆筒，管长为l，则截面积为r2，滑动表面积为2rl。取微分距离dr, 滑动摩擦阻力为：,要克服F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-(p1-p2)r2，即有,滞流时的摩擦阻力系数,整理并积分，得：,-(p1-p2)r2=2rl,r：0R，u：umax0,pR222lumax,以d=2R，u=umax/2代入，并整理,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。 Re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，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,=64/Re,p =32ul/d2,或,a析因实验 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：,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,p=f(d,l,u, , ),b规划实验 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。采用正交实验法、量纲分析法等简化实验。,PK d a l b u cde f,代入并整理得：,du/为雷诺数Re； 称为欧拉数，以 Eu表示； d为相对粗糙度。,c.实验数据处理 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，用适当方式表达出来。对于湍流摩擦阻力系数为,对于光滑管（=0），常用的关联式有柏拉修斯（Blasius）公式,PK d b-e-f l b u2-e 1-ee f,将指数相同的变量合并，得,= (Re，/d),=0.316 4 Re0.25,上式适用于湍流区的整个范围。,工程上，经常用共线图将与Re和/d的关系形象化，将经验关系式转换成图线,如图325所示。,上式适用于流体在光滑管中, 3 000Re105范围内的计算。,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 Re足够大时,与 Re无关,仅与/d有关。 hfu1.75,例36 20的水在直径为460mm3.5mm的镀锌铁管中以1ms-1的流速流动，试求水通过100m长度管子的压力降及压头损失为多少。,a滞流区 Re2 000，64/Re,与/d无关。,b过渡区 2 000Re4000，流形为非定态易波动, 常作湍流处理。,c. 湍流区 Re4 000以及虚线以下区域,与 Re和/d均有关,随 Re的增大而减小, 随/d增大而增大. hfu1.75,在图 325找到 Re5.26104，再在右边找到/d0.004的线，通过两者的交点在左边读出值0.031。,Pf=(l/d)(u2/2) 0.031(100m/0.053m)(998.2kgm312m2s-2/2) =2.92104 Nm-2,压头损失为： hf=(l/d)u2/(2g) =0.031(100m/0.053m)(12m2s-2/29.807ms-2) =2.98 m水柱,解：查手册得20水,=998.2kgm-3,=1.005103Pas 已知 d603.5253mm, l=100m,u1ms-1 所以 Re=du/=0.0531998.2/1.00510-3=5.26 104,取镀锌铁管绝对粗糙度0.2mm,则/d0.2/530.004,将上述数据代入压力降公式，得：,阻力系数法 将局部阻力所引起的能量损失，表示为动压头的一个倍数，即 hl=u2/(2g) 为局部阻力系数。,a突然扩大与突然收缩 流体流过的管道直径突然扩大或突然收缩时，局部阻力系数可根据小管与大管的截面积之比S1/S2。,（2）局部阻力的计算,局部阻力的计算方法有阻力系数法和当量长度法两种。,b进口和出口 当流体从容器进入管内时，可看作从很大截面 S1突然流入很小截面S2。,当量长度法 将局部阻力损失折算成相当长度的直管的阻力损失，此相当的管长度称为当量长度le。,在湍流条件下，某些常见管件与阀门的当量长度折算关系如图327所示。,采用当量长度法计算管路的局部阻力：,hl=(le/d)u2/(2g),例37 要求向精馏塔中以均匀的流速进料，现装设一高位糟，使得料液自动流入精馏塔中，如附图所示。若高位槽的液面保持1.5m的高度不变，塔内操作压力为0.4kgfcm-2(表压)，塔的进料量需维持在50m3h-1，则高位槽的液面应该高出塔的进料口多少米才能达到要求？若已知料液的粘度为1.510-3Pas，密度为900 kgm-3，连接管的尺寸为108mm4 mm的钢管，其长度为h+1.5 m，管道上的管件有 180的回弯头、截止阀及 90的弯头各一个。,解：取高位槽内液面为截面1一1，精馏塔的加料口内侧为截面22”，并取此加料口的中心线为基准水平面。在两截面间列柏努利方程,hfhfhl(l+le)/du2/(2g),Redu/0.1001.77900/0.0011.06105,Z1+ u12/(2 g)+p1/(g) =Z2+u22/(2g)+p2/(g)+ h f,式中 Z1=h，Z2=0, u10,u2(50/3 600)/(0.100/2)21.77 ms-1,(p2-p1)/(g)=0.49.807104/(9009.807) 4.44 m液柱,取0.3 mm，/d0.3/100=0.003， 查图得 0.0275,hf (l/d) u2/(2g)0.0275(h1.5)/0.100(1.772/29.807)=0.044(h+1.5),物料由贮槽流入管子，取le12.1；180弯头le210；截止阀(按1/2开度计), le3=28；90 弯头le44.5,结果表明高位槽液面至少高出塔内进料口6.93m，才能满足精馏塔的进料要求。,0.0275(2.l10284.5)/0.100l.772/(29.807)=1.96m液柱,hf (le/d) u2/(2g) (le1+ le2+ le3+ le4)/du2/(2g),将以上数据代入柏努利方程：,h4.441.772/(29.807)0.044(h1.5)1.96,解得：h6.93 m,3.5 流体输送设备,流体流动需要一定的推动力来克服管路和设备的阻力，才能把流体从低处送到高处，或从低压系统输送到高压系统。一般把输送液体的机械通称为泵，输送气体的机械称为风机或压缩机。,离心式 利用高速旋转的叶轮给流体提供动能。 正位移式 利用活塞、齿轮、螺杆等直接挤压流体 不属于上述类型的其它形式的泵，如喷射泵。,本节以离心泵和往复压缩机为例，简单介绍它们的基本构造、原理及其相关特性。,1.离心泵,(1)离心泵的构造和工作原理,离心泵是化工生产上广泛应用的一种液体输送设备。它的主要构造如图所示。泵的主要部件有：叶轮、泵轴、蜗状泵壳、吸入管、压出管及底间等。,离心泵启动时，由于空气的密度较液体的密度小得多，产生的离心力也很小，此时在叶轮中心造成的真空度很低，不足以把液体吸到叶轮中心，这样泵虽能启动，但却不能输送液体的现象称为“气缚”。,（2）离心泵的主要性能参数,离心泵的主要性能参数包括： 扬程、流量、功率和效率。,功率 在单位时间内，液体自泵实际得到的功称为泵的有效功率。用符号Ne表示，单位为W。,扬程 泵对单位重力的流体所做的功称为扬程(或压头)，亦即液体进出泵前后的压头差，用符号He表示，单位为米液柱。,流量 离心泵的流量又称排液量或输送能力，指在单位时间内泵所排送的液体数量，用符号qv表示，单位为m3s-1或m3h-1。,效率 离心泵的效率与泵的大小、类型、制造精度和输送液体的性质有关。泵的有效功率Ne、轴功率Na和效率三者之间的关系如下：,离心泵的主要性能参数之间的关系由实验确定，测出的流量与扬程、功率, 效率之间的关系曲线称为离心泵的特性曲线或工作性能曲线。,NeqvgHe,式中 He泵的扬程，m； 一流体的密度，kgm-3 qv泵的流量，m3s-1 g重力加速度，ms-2。,=NeNa,（3）离心泵的特性曲线,上图是离心水泵的特性曲线。其遵循下面的规律：,qvHe曲线离心泵的扬程随着流量的增大而下降。,qvNe曲线离心泵的功率随着流量的增大而升高。,qv曲线 效率开始时随流量的增大而增加，达到最大值后，如继续增大流量，则泵效率反而下降。,离心泵的转速与He, Ne及qV的关系式如下：,（4）离心泵的安装高度和气蚀现象,泵在与最高效率点对应的流量,扬程下工作最为经济。,qv,l/qv,2=nl/n2 HelHe,2=(nln2)2 Ne,1Ne,2=(nln2)3,Hg=(P0P1)/(g)u12/(2g)hf,能量衡算式为：,P0/(g)HgP1/(g)u12/(2g)hf,或,(P0P1)/g称为离心泵吸上真空高度，记作Hs， P1越小，Hs越大，Hg便越大。,但P1等于或小于在当时温度下的饱和蒸气压时，液体将生成大量气泡，气泡随液体流到叶轮压力较高的区域后，被压缩、破裂又突然凝结，产生很大的冲击力冲击叶轮和泵壳内表面，使叶轮和泵壳内表面造成严重的剥蚀现象，这种现象称为“气蚀”。,泵的气蚀现象刚发生时，所对应的吸上真空高度称为最大吸上真空高度(Hs,max)。为了保证泵在运转中不发生气蚀现象，规定留有0.3米的安全量，称为允许吸上真空高度(Hs)：,Hs=Hs,max- 0.3,如果输送条件与泵样本所给条件不相符时，用下式加以校正：,式中 Hs新条件下的允许吸上真空高度，m水柱； Hs泵样本上的允许吸上真空高度, m水柱； Ha泵工作地方的大气压，其值随海拔高度不同而异，m水柱； Hv被输送液体的饱和蒸气压, m水柱； 10293 K测定时的大气压力，m水柱； 0.24在293 K时水的饱和蒸气压，m水柱。,Hs Hs+(Ha-10) (Hv-0.24),2往复压缩机,压缩机 压缩比在4以上，终压在300kPa(表压)以上。分为低压压缩机(表压在210kPa)、中压压缩机(表压在10100kPa)和高压压缩机(表压在100一1000 kPa)。,通风机 压缩比在11.15间，终压不大于14.7kPa(表压),按其出口压力或压缩比可分为以下几类。,鼓风机 压缩比小于4，终压在 14.7300 kPa(表压)。,真空泵 用于减压操作，终压相当于当时当地的大气压力。,吸气过程 压缩过程 排气过程,如图是单动往复压缩机的结构及其操作原理示意图。,往复式压缩机的工作过程可分为吸气、压缩和排气三个步骤进行。,每一个工作循环都是吸入状态相同的低压气体，排出状态相同的高压气体。,压缩机每一个实际工作循环是由膨胀一吸气一压缩一排气四个连续的过程所组成。封闭曲线4l234表示了一个完整的工作循环。,降低了排气的温度； 节省压缩所需的功率； 提高了气缸的容积利用率。,多级压缩的优点是：,根据热力学原理，气体受压缩时，它的体积、压力和温度都发生了变化，是一个多变的压缩过程。,本章从流体的基本性质开始，对流体流动的基本规律流体流动的连续性方程（质量守恒定律在流体流动过程中的应用，用于不同截面上流体流速的相互转换）和流体流动的柏努利方程（能量守恒定律在流体流动过程中的应用，用于各类管路计算）作了详尽讨论。造成流体流动能量损失的内因是流体的粘性，外因是流动的外部条件（流动的形态，管件、阀门以及管壁的粗糙度等），雷诺数作为流体流动形态的判据，相对粗糙度用于度量管道的不,小结,学习本章的目的是学会选择适宜的流体测量装置和输送设备，根据被输送流体的性质及生产的任务和要求，应用柏努利方程进行管路计算，熟悉正确选泵的基础，下图归纳了本章内容的主干框架及相互关系。,光滑程度，流体流动的阻力方程用于计算能量损耗。在不同的流动形态下，流体流动的阻力系数不同，采用的实验研究（量纲分析法）处理湍流流动的阻力系数的方法，在工程上具有普遍的意义。,