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1、第三章 固體及流體輸送設(shè)備,第一節(jié) 固體原料的輸送 1、機械的輸送,機械的輸送 為了是物料能起到混合攪拌和輸送作用，固體輸送主要是采用機械輸送。發(fā)酵廠內(nèi)固體輸送大多采用皮帶輸送機，斗式提升機和螺旋混合器（也稱絞龍）。如果在絞龍上加蓋鐵板，則在密閉系統(tǒng)內(nèi)進行物料輸送，對粉狀物料而言，可以防止運轉(zhuǎn)時粉塵的飛揚。,2、氣流輸送,,又稱風送，或稱氣力輸送。它是利用空氣流動所產(chǎn)生的推動力在管道中輸送的，其簡單原理是，固體物料在垂直向上的氣流中，受到向下拉的重力F1，和氣流向上推的動力F2，如果F2大于F1，則氣流向上推動，使物料由低位向高位運送。例如甘薯干的塊狀原料，利用風動運送，有引風機把甘薯干運進料

2、管，從低位向高位運送上去，而原料中的鐵皮、石塊等雜物，因比重較大，不能為氣流所帶走，而自動掉落在地上。風送特別適于輸送散粒狀或塊狀的物料，是一種較好的輸送方式。,,垂直管中的懸浮輸送機理 設(shè)物料小顆粒，在靜止的空氣中自由降落，顆粒上作用力有三：顆粒重力Ws，浮力Wa，及空氣阻力fs。 當Ws = Wa + fs時顆粒在空氣中以不變的速度t作勻速降落，稱為顆粒的自由沉降。,,根據(jù)相對運動的原理，當空氣以顆粒的沉降速度自下而上流過顆粒時，顆粒必將自由懸浮在氣流中。這時的氣流速度稱為顆粒的懸浮速度。 如果氣流速度大于顆粒的懸浮速度，則在氣流中懸浮的顆粒，必將為氣流帶走，而發(fā)生了氣流輸送。這時的氣流速

3、度又稱氣流的輸送速度,水平管中的懸浮輸送機理,當氣流速度很大時，顆粒全部懸浮，均勻分布于氣演中，呈現(xiàn)所謂懸浮流狀態(tài)。 當氣流速度降低時，一部分顆粒沉積管下部，但沒有降落在管壁上，整個管截面上出現(xiàn)上部顆粒稀薄，下部顆粒密集的所謂兩相流動狀態(tài)，這種狀態(tài)為懸浮輸送的極限狀態(tài)。,氣流輸送的流程,管網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計計算,A，空氣需求量的計算 混合比的確定 定義：每1kg空氣所能提升或輸送的物料流量G物（kg/h）與空氣流量G氣（kg/h）之比。 = G物/ G氣 選擇依據(jù)： 大，每1kg空氣輸送的物料量大； 過高的易造成管道阻塞，阻力損失大，需較高壓力的空氣，增大設(shè)備費用； 松散顆粒（大），潮濕易結(jié)快物料和

4、粉狀物料（?。?； 吸入式流程（小 ），壓送式流程（大）。,,混合比值 輸送方式系統(tǒng)內(nèi)壓力/Pa混合比/ 低真空吸送高真空吸送低壓壓送高壓壓送-0.2 105以下（-0.2-0.5）105小于0.5105(17)10511010301101050計算時，可參考經(jīng)驗數(shù)據(jù)。原糧裝卸 =714，米廠 =4左右,氣流速度的選擇,輸送物料的空氣速度即輸送氣流速度，簡稱氣流速度。 氣流速度過低，被輸送物料不能懸浮或不能完全懸?。?氣流速度過高，浪費動力和增加顆粒的破碎。 氣流速度與輸送距離 總距離/m氣流速度/（m/s）,,對大約90%的氣流輸送，25米/秒的氣流速度是足夠的。對物料不超過880kg/m3和

5、顆粒體積不大于2.0cm3時，表中的氣流速度是可用的。物料密度超過880，但小于1360時，表中氣流速度值增加5米/秒。對密度在13601840時，表中增加10米秒。物料密度超過1840或顆粒尺寸大于2.0cm3時，氣流速度應(yīng)由實驗測定。,輸送空氣量的計算,由上式計算得的管徑， 在根據(jù)國家的管徑規(guī)格，選用標準管徑。 輸料管一般采用無縫鋼管、 普通水煤氣管、不銹鋼管或硬質(zhì)聚乙烯管等。 用上述公式計算輸送管徑時， 因為被輸送的物料與空氣的重度相差懸殊， 物料的體積忽略不計。 如果用上述公式計算空氣管的管徑，則： 空氣管中的氣流速度取614m/s； 壓縮空氣管路系統(tǒng)取610m/s； 低壓或負壓空氣管

6、路取1014m/s,管網(wǎng)中的阻力計算（壓力降計算）,a，空氣管的壓力損失p1：指不帶物料的氣流管道中純空氣氣流的壓力損失,加速段的壓力損失p2 ：加入輸料管的的物料，加入前一般是靜止的，在氣流方向上的初速度一般為零，要求輸送它的空氣流在瞬間將它加速到輸送速度，而產(chǎn)生的壓力損失。,,C：供料系數(shù)，其直為110，連續(xù)穩(wěn)定供料取小值，間斷供料或從吸嘴供料取大值。 c，輸料管的壓力損失：指以穩(wěn)定狀態(tài)輸送物料時，輸料管中由于物料在管內(nèi)相互碰撞摩擦而引起的壓力損失。,d，分離器（卸料器）的壓力損失,空氣進出口的壓力損失,D，氣流輸送系統(tǒng)中總的壓力損失p p= p1+ p2+ p3+ p4+ p5 E，風機

7、風機風量、風壓和功率消耗的計算 Q風機=（1.11.2） Q氣（m3/h）,p風機=（1.11.2） p （Pa）,,第二節(jié) 液體物料的輸送設(shè)備,,化工生產(chǎn)中處理的原料、中間產(chǎn)物，產(chǎn)品，大多數(shù)是流體，涉及的過程大部分在流動條件下進行。流體的流動和輸送是必不可少的過程操作。,選擇輸送流體所需管徑尺寸。 確定輸送流體所需能量和設(shè)備。 流體性能參數(shù)的測量, 控制。 研究流體的流動形態(tài)，為強化設(shè)備和操作提供理論依據(jù)。 了解輸送設(shè)備的工作原理和操作性能，正確地使用流體輸送設(shè)備。,研究流體的流動和輸送主要是解決以下問題。,3.1 流體的基本性質(zhì),3.2 流體流動的基本規(guī)律,3.3 流體壓力和流量的測量,3

8、.5 流體輸送設(shè)備,3.4 管內(nèi)流體流動的阻力,3.1 流體的基本性質(zhì),1密度,單位體積流體所具有的質(zhì)量稱為流體的密度，其表達式為：,流體密度，km-3 ; m流體質(zhì)量，kg；V流體體積，m3。,,氣體具有可壓縮性及熱膨脹性，其密度隨壓力和溫度有較大的變化。氣體密度可近似地用理想氣體狀態(tài)方程進行計算：,=pM/RT,p氣體壓力 kNm-2或kPa；T氣體溫度 K；M氣體摩爾質(zhì)量 gmol-1；R氣體常數(shù)Jmo1-1K-1。,=mV,化工生產(chǎn)中所遇到的流體，往往是含有多個組分的混合物。對于液體混合物，各組分的濃度常用質(zhì)量分數(shù)表示。,I液體混合物中各純組分液體的密度，kgm-3； wI液體混合物中

9、各組分液體的質(zhì)量分數(shù)。,I氣體混合物各純組分的密度，kgm-3；,I氣體混合物中各組分的體積分數(shù)。,對于氣體混合物:,2比體積,單位質(zhì)量流體所具有的體積稱為流體的比體積，以表示，它與流體的密度互為倒數(shù):,一流體的比體積，m3kg-1； 流體的密度，kgm-3。,=1/,3壓力,流體垂直作用于單位面積上的力稱為壓力：,p流體的壓力，Pa； F流體垂直作用于面積A上的力，N； A作用面積，m2。,壓力的單位Pa（Pascal，帕），即Nm-2。,latm760mmHg1.01325105Pa10.33mH2O1.033kgf-2,常用壓力單位與Pa之間的換算關(guān)系如下：,p= FA,壓力有兩種表達方

10、式。一是以絕對零壓為起點而計量的壓力；另一個是以大氣壓力為基準而計量的壓力，當被測容器的壓力高于大氣壓時，所測壓力稱為表壓，當測容器的壓力低于大氣壓時，所測壓力稱為真空度。,兩種表達壓力間的換算關(guān)系為,表壓=絕對壓力-大氣壓力 真空度大氣壓力-絕對壓力,用圖31來表示其關(guān)系,4流量和流速,單位時間內(nèi)流體流經(jīng)管道任一截面的流體量，稱為流體的流量。若流體量用體積來計量，稱為體積流量，以符號qv表示，單位為m3s-1；若流體量用質(zhì)量來計量，則稱為質(zhì)量流量，以符號qm表示，其單位為kgs-1。若流體量用物質(zhì)的量表示，稱為摩爾流量，以符號qn表示，其單位為mols-1。,qm=qV,質(zhì)量流量與摩爾流量的

11、關(guān)系為,qmMqn,體積流量和質(zhì)量流量的關(guān)系為：,單位時間內(nèi)，流體在管道內(nèi)沿流動方向所流過的距離，稱為流體的流速，以u表示，單位為 ms-1。,u=qV/S,S與流體流動方向相垂直的管道截面積，m2,管道中心的流速最大，離管中心距離越遠，流速越小，而在緊靠管壁處，流速為零。 通常所說的流速是指流道整個截面上的平均流速，以流體的體積流量除以管路的截面積所得的值來表示：,質(zhì)量流速的定義是單位時間內(nèi)流體流經(jīng)管路單位截面積的質(zhì)量，以w表示，單位為 kgs-1m-2，表達式為：,w=qmS,流速和質(zhì)量流速兩者之間的關(guān)系：,液體1.53.0ms-1，高粘度液體0.51.0 ms-1；氣體1020 ms-1

12、，高壓氣體1525 ms-1；飽和水蒸氣2040 ms-1，過熱水蒸氣3050 ms-1。,w=u,工業(yè)上用的流速范圍大致為：,5粘度,粘性是流體內(nèi)部摩擦力的表現(xiàn)，粘度是衡量流體粘性大小的物理量，是流體的重要參數(shù)之一。流體的粘度越大，其流動性就越小。,流體在圓管內(nèi)的流動，可以看成分割成無數(shù)極薄的圓筒層，其中一層套著一層，各層以不同的速度向前流動，如圖32所示。,圖3一3所示，將下板固定，而對上板施加一個恒定的外力，上板就以某一恒定速度u沿著x方向運動。,實驗證明，對于一定的液體，內(nèi)摩擦力F與兩流體層間的速度差u呈正比，與兩層間的接觸面積A呈正比，而與兩層間的垂直距離y呈反比，即：,F(u/y)

13、A,引入比例系數(shù) ，則：,F（u/y）A,單位面積上的內(nèi)摩擦力稱為內(nèi)摩擦應(yīng)力或剪應(yīng)力，以表示，則有：,FA（u/y）,當流體在管內(nèi)流動時，徑向速度的變化并不是直線關(guān)系，而是曲線關(guān)系，則有：,（du/dy）,du/dy速度梯度，即在與流動方向相垂直的y方向上流體速度的變化率,比例系數(shù)，亦稱為粘性系數(shù)，簡稱粘度。,凡符合牛頓粘性定律的流體稱為牛頓型流體，所有氣體和大多數(shù)液體都屬于牛頓型流體。,液體的粘度隨著溫度的升高而減小，氣體的粘度隨著溫度的升高而增加。,壓力變化時，液體的粘度基本上不變，氣體的粘度隨壓力的增加而增加得很少。,=/(du/dy)=(Nm-2)/(ms-1m-1)Nsm-2Pas,

14、流體的粘度還用粘度與密度的比值來表示，稱為運動粘度，以表示之：,對于低壓氣體混合物的粘度，可采用下式進行計算,1 P100cP（厘泊）=10-1Pas,單位為m2s-1 1st100 cst(厘沲)10-4m2s-1,在工業(yè)上常常遇到各種流體的混合物。,m常壓下混合氣體的粘度； yi氣體混合物中某一組分的摩爾分數(shù)；,m=（yiiMi1/2)（yiMi1/2),=/,i與氣體混合物相同溫度下某一組分的粘度；,Mi氣體混合物中某一組分的相對分子質(zhì)量。,m液體混合物的粘度； xi液體混合物中某一組分的摩爾分數(shù)； i與液體混合物相同溫度下某一組分的粘度,對于分子不發(fā)生締合的液體混合物的粘度，采用下式

15、計算：,lgm=,3.2 流體流動的基本規(guī)律,1定態(tài)流動和非定態(tài)流動,流體在管道或設(shè)備中流動時，若在任一截面上流體的流速、壓力、密度等有關(guān)物理量僅隨位置而改變，但不隨時間而改變，稱為定態(tài)流動；反之，若流體在各截面上的有關(guān)物理量中，只要有一項隨時間而變化，則稱為非定態(tài)流動。,,,2定態(tài)流動過程物料衡算連續(xù)性方程,當流體在流動系統(tǒng)中作定態(tài)流動時，根據(jù)質(zhì)量作用定律，在沒有物料累積和泄漏的情況下，單位時間內(nèi)通過流動系統(tǒng)任一截面的流體的質(zhì)量應(yīng)相等。,對上圖所示截面11和22之間作物料衡算：,qm,1=qm,2,因為qm=uS，所以：,1u1S1=2u2S,在任何一個截面上，則：,qm=1u1S12u2S

16、2nunSn=常數(shù),對于不可壓縮流體，=常數(shù)，則：,它反映在定態(tài)流動體系中，流量一定時，管路各截面上流體流速的變化規(guī)律。,3流體定態(tài)流動過程的能量衡算柏努利方程,流動體系的能量形式主要有：流體的動能、位能、靜壓能以及流體本身的內(nèi)能。,qV=u1S1=u2S2==unSn=常數(shù),動能 流體以一定的流速流動時，便具有一定的動能。動能為mu2/2，單位為kJ。,位能 流體因受重力的作用，在不同高度處具有不同的位能，相當在高度Z處所做的功，即mgZ，單位為kJ。,靜壓能 靜止流體內(nèi)部任一處都存在一定的靜壓力。,把流體引入壓力系統(tǒng)所做的功，稱為流動功。流體由于外界對它作流動功而具有的能量，稱為靜壓能。,

17、內(nèi)能 內(nèi)能（又稱熱力學能）是流體內(nèi)部大量分子運動所具有的內(nèi)動能和分子間相互作用力而形成的內(nèi)位能的總和。以U表示單位質(zhì)量的流體所具有的內(nèi)能，則質(zhì)量為m（kg）的流體的內(nèi)能為mU，單位kJ。,流體的流動過程實質(zhì)上是流動體系中各種形式能量之間的轉(zhuǎn)化過程。,（1）理想流體流動過程的能量衡算,理想流體是指在流動時沒有內(nèi)摩擦力存在的流體，即粘度為零。,如上圖，設(shè)在單位時間內(nèi)有質(zhì)量為m(kg)、密度為的理想流體在導管中做定態(tài)流動，在與流體流動的垂直方向上選取截面1l和截面22，在兩截面之間進行能量衡算。,今流體在截面 22處的流速為u2， 即,= mgZ1+m u12/2+p1m/,= mgZ2+m u2

18、2/2+p2m/,根據(jù)能量守恒定律，若在兩截面之間沒有外界能量輸入，流體也沒有對外界作功，則流體在截面11”和截面22”之間應(yīng)符合：,=,即 mgZ1+m u12/2+p1m/=mgZ2+m u22/2+p2m/,對于單位質(zhì)量流體，則：,gZ1+ u12/2+p1/=gZ2+u22/2+p2/,對于單位重力（重力單位為牛頓）流體，有：,Z1+ u12/(2 g)+p1/(g) =Z2+u22/(2g)+p2/(g),工程上，將單位重力的流體所具有的能量單位為JN-1，即m，稱為“壓頭”，則Z、u2/(2g)和p/(g)分別是以壓頭形式表示的位能、動能和靜壓能，分別稱為位壓頭、動壓頭和靜壓頭。,

19、使用壓頭形式表示能量時，應(yīng)注明是哪一種流體，如流體是水，應(yīng)說它的壓頭是多少米水柱。,以上各式都是理想流體在定態(tài)流動時的能量衡算方程式，又稱為柏努利方程（Bernoulli equation）,由柏努利方程可知，理想流體在管道各個截面上的每種能量并不一定相等，它們在流動時可以相互轉(zhuǎn)化，但其在管道任一截面上各項能量之和相等，即總能量（或總壓頭）是一個常數(shù)。,為克服流動阻力使流體流動，往往需要安裝流體輸送機械（如泵或風機）。設(shè)單位重力的流體從流體輸送機械所獲得的外加壓頭為He，單位JN-1域m。,則實際流體在流動時的柏努利方程為：,對于靜止狀態(tài)的流體，u=0，沒有外加能量，He =0，而且也沒有因摩

20、擦而造成的阻力損失f=0，則柏努利方程簡化為：,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,實際流體在流動時，由于流體粘性的存在，必然造成阻力損失。,（2）實際流體流動過程的能量衡算,連續(xù)性方程和柏努利方程可用來計算化工生產(chǎn)中流體的流速或流量、流體輸送所需的壓頭和功率等流體流動方面的實際問題。,作圖 根據(jù)題意作出流動系統(tǒng)的示意圖以助分析題意。,單位務(wù)必統(tǒng)一 最好均采用國際單位制。,4流體流動規(guī)律的應(yīng)用舉例,在應(yīng)用柏努利方程時，應(yīng)該注意以下幾點。,截面的選取 確定

21、出上下游截面以明確對流動系統(tǒng)的衡算范圍。,基準水平面的選取 為了簡化計算，通常將所選兩個截面中位置較低的一個作為基準水平面。,例 3l 今有一離心水泵，其吸入管規(guī)格為88.5mm4 mm，壓出管為75.5mm3.75mm，吸入管中水的流速為 1.4 ms-1，試求壓出管中水的流速為多少？,（1）管道流速的確定,解：吸入管內(nèi)徑dl=88.52 480.5 mm 壓出管內(nèi)徑 d275.52 3.75=68 mm 根據(jù)連續(xù)性方程 u1S1= U2S2 圓管的截面積S=d2/4， 上式寫成： u2/ul=(dl/d2)2 壓出管中水的流速為： u2=(dl/d2)2 ul=(80.5/68)21

22、.4ms-11.96 ms-1,表明：當流量一定時，圓管中流體的流速與管徑的平方呈反比。,（2）容器相對位置的確定,例32 采用虹吸管從高位槽向反應(yīng)釜中加料。高位槽和反應(yīng)釜均與大氣相通。要求物料在管內(nèi)以 1.05 ms-1的速度流動。若料液在管內(nèi)流動時的能量損失為 2.25 JN-1，試求高位槽的液面應(yīng)比虹吸管的出口高出多少米才能滿足加料要求？,解：作示意圖，,取高位槽的液面為截面11，虹吸管的出口內(nèi)側(cè)為截面22，并取截面22為基準水平面。,Z1+ u12/(2 g)+p1/(g) +He=Z2+u22/(2g)+p2/(g)+hf 式中Z1=h，u1 =0 p1=0(表壓)，He =0；

23、 Z20，u2=1.05 ms-1，p2=0（表壓），h f2.25 JN-1,在兩截面間列出柏努利方程式：,代入柏努利方程式，并簡化得：,h1.052 m2s-2/29.81 ms-22.25m2.31m,即高位槽液面應(yīng)比虹吸管的出口高2.31m，才能滿足加料的要求。,（3）送料用壓縮空氣的壓力的確定,例34 用離心泵將貯槽中的料液輸送到蒸發(fā)器內(nèi)，敞口貯槽內(nèi)液面維持恒定。已知料液的密度為 1200 kgm-3，蒸發(fā)器上部的蒸發(fā)室內(nèi)操作壓力為 200 mm Hg(真空度)，蒸發(fā)器進料口高于貯槽內(nèi)的液面 15 m，輸送管道的直徑為 68 min 4mm，送液量為 20 m3h-1。設(shè)溶液流經(jīng)

24、全部管路的能量損失為12.23 JN-1(不包括出口的能量損失)，若泵的效率為60，試求泵的功率。,（4）流體輸送設(shè)備所需功率的確定,式中 ZI=0，ul0，p 10（表壓）；Z215 m， 因為 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（表壓）,解：取貯槽液面為截面11，管路出口內(nèi)側(cè)為截面22，并以截面1一l為基

25、準水平面。在截面11和截面22之間進行能量衡算，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,將上列各數(shù)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,泵的理論功率：,實際功率：Na=Ne/=1.65kw/0.60=2.75 kw,3.3

26、流體壓力和流量的測量,化工生產(chǎn)中，為了監(jiān)視和控制工藝過程，實時測量流體性能參數(shù), 所用測量儀表有不同的類型。,1.流體壓力的測量,（1）U形管壓力計,,U形壓力計結(jié)構(gòu)如圖示。管中盛有與測量液體不互溶、密度為i的指示劑。U形管的兩個側(cè)管分別連接到被測系統(tǒng)的兩點, 得：,p= p2-p1=（i -）g (Z1 -Z2)=（i-）gR,式中：R為壓力計的讀數(shù)，即指示液的液面差； i和分別為指示液及被測液體的密度。,p= p2 -p1=I g（Z1 -Z2）=I g R,若被測量的流體是氣體，上式可簡化為：,（2）倒置U形管壓力計,倒置U形管壓力計結(jié)構(gòu)如上圖所示。,（3）微差壓力計,為測量微小壓力差，

27、常采用微差壓力計。用于氣體系統(tǒng)的測量。結(jié)構(gòu)如下圖所示,若兩種指示液的密度分別為，l和2，兩測壓點之間的壓力差為：,pp2pl=(1-2)gR,上述各壓力計構(gòu)造簡單，測壓準確，在實驗室有廣泛的應(yīng)用。,2流體流量的測定,利用流體機械能相互轉(zhuǎn)換原理設(shè)計的流體流量測量儀表有孔板流量計，文丘里流量計和轉(zhuǎn)子流量計等。,（1）孔板流量計,孔板流量計的結(jié)構(gòu)簡單，如圖所示。 設(shè)流體的密度不變，在孔板前導管上取一截面11，孔板后取另一截面22，列出兩截面之間能量衡算式：,式中：u1流體通過孔板前的流速，即流體在管道中的流速，ms-1； u2流體通過孔板時的流速，ms-1； p1流體在管道中的靜壓力，Pa；

28、 p2流體通過孔板時的壓力Pa,Z1+ u12/(2 g)+p1/(g) = Z2+u22/(2g)+p2/(g),因是水平管道，Z1= Z2，則有,=,=,u2=,實際流體因阻力會引起壓頭損失，孔板處并有收縮造成的騷擾，再考慮到孔板與導管間的裝配可能有誤差，歸納為校正系數(shù)，并以代替u2得,的值為0.610.63。,若液柱壓力計的讀數(shù)為R，指示液的密度為i，則,流量計算公式為,qv=u0So=,特點是結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，應(yīng)用廣泛，缺點是能量損耗較大。,(2) 文丘里流量計,針對孔板流量計能量損耗較大的缺點，設(shè)計文丘里流量計如圖所示。,qv=u0So=,式中： 為文丘里流量計的流量系數(shù)，其值約

29、為0.98，S0為喉管處的截面積。,(3)轉(zhuǎn)子流量計,如圖所示，轉(zhuǎn)子流量計的主要部件為帶刻度線的錐形玻璃管，管內(nèi)裝可上下浮動的轉(zhuǎn)子。,轉(zhuǎn)子的上升力等于轉(zhuǎn)子的凈重力時，轉(zhuǎn)子在流體中處于平衡狀態(tài),pARVRRg-VRg,式中 p轉(zhuǎn)子上下間的壓差, VR轉(zhuǎn)子體積，AR轉(zhuǎn)子頂端面的橫截面積, R轉(zhuǎn)子密度 流體密度,根據(jù)柏努利方程同樣可導出：,式中 cR校正因子，與流體的流形、轉(zhuǎn)子形狀等有關(guān)。,qV= uRSR=cRSR,式中 SR轉(zhuǎn)子與玻璃管環(huán)隙的面積，m2 qV流體的體積流量，m3s1,轉(zhuǎn)子采用不銹鋼、銅及塑料等各種抗腐蝕材料制成，適用于中小流量的測定，常用于 2以下管道系統(tǒng)中，耐壓在 300

30、400 kPa范圍。,流量公式為,3.4 管內(nèi)流體流動的阻力,流體本身具有粘性，流體流動時因產(chǎn)生內(nèi)摩擦力而消耗能量，是流體阻力損失產(chǎn)生的根本原因。管道大小、內(nèi)壁形狀、粗糙度等影響著流體流動狀況，是流體產(chǎn)生阻力的外部條件。本節(jié)介紹管路與系統(tǒng)的管、管件、閥門，并討論流體的流動形態(tài)和管內(nèi)流體流動阻力的定量計算。,1. 管、管件及閥門簡介,(1) 管,管子種類繁多。有鑄鐵管、鋼管、特殊鋼管、有色金屬管、塑料管及橡膠管等。,常把玻璃管、銅管、鉛管及塑料管等稱為光滑管；舊鋼管和鑄鐵管稱為粗糙管.,鋼管分有縫鋼管和無縫鋼管,管子按照管材的性質(zhì)，可分為光滑管和粗糙管。,管壁粗糙面凸出部分的平均高度，稱為絕對粗

31、糙度，以表示。絕對粗糙度與管內(nèi)徑d的比值，稱為相對粗糙度。表31列出了部分管道的絕對粗糙度。,（ 3）閥門 閥門在管道中用以切斷流動或調(diào)節(jié)流量。常用的閥門有截止閥、閘閥和止逆閥等。,（2）管件 用來改變管道方向、連接支管、改變管徑及堵塞管道等。,2. 流動的形態(tài),為了解流體在管內(nèi)流動狀況及影響因素，雷諾設(shè)計的實驗可直接觀察到不同的流動形態(tài)。實驗裝置如圖所示。,（1）兩種流動形態(tài),流速不大時墨水呈一條直線，平穩(wěn)流過管，質(zhì)點彼此平行的沿著,管軸的方向作直線運動，質(zhì)點與質(zhì)點之間互不混合。這種流動形態(tài)稱為滯流或?qū)恿鳌?開大閥門時，墨水線開始出現(xiàn)波動。流速繼續(xù)增大，細線消失，墨水與水完全混合。,表

32、明水的質(zhì)點除了沿著管道向前流動以外，各質(zhì)點還作不規(guī)則的紊亂運動，且彼此相互碰撞，互相混合，水流質(zhì)點除了沿管軸方向流動外，還有徑向的復雜運動，這種流動形態(tài)稱為湍流或紊流。,（2）流動形態(tài)的判據(jù),影響流體流動的因素除流速u外，還有流體流過的通道管徑d的大小，及流體的物理性質(zhì)如粘度和密度。稱為雷諾數(shù)，以符號Re表示：,流體在直管中流動時，當Re2 000，流體流動形態(tài)為滯流；當 Re4 000時，流體流動形態(tài)為湍流；而當2000Re4000時，流體的流動則認為處于一種過渡狀態(tài)，可以是滯流，也可以是湍流。,Redu/,若將各物理量的量綱代入，則有：,Re=LLT-1ML-3/ML-1T-1,（3）滯流

33、和湍流的特征,如圖所示，滯流時流速沿管徑呈拋物線分布，管中心處流速最大，管截面各點速度的平均值為管中心處最大速度的0.5倍； 湍流時，流體質(zhì)點強烈湍動有利于交換能量，使得管截面靠中心部分速度分布比較均勻流速分布曲線前沿平坦，湍流的流速分布曲線與雷諾數(shù)大小有關(guān)，湍流的平均速度約為最大速度的0.8倍。,湍流流動時在靠近管壁處總有一層作滯流流動的流體薄層，稱之為滯流底層。滯流內(nèi)層的存在對傳熱過程和傳質(zhì)過程有很大的影響。,例 35 在168mm5mm的無縫隙鋼管中輸送原料油，已知油的運動粘度為 90cst，密度為 910 kgm-3，試求燃料油在管中作滯流時的臨界速度。,解：運動粘度 v=/，層流時R

34、e的臨界值為2 000，其中 d168-25=158mm=0.158m 90cst9010-2 10-4m2s-1910-5m2s-1,生產(chǎn)中的流體流動大多數(shù)是以湍流形態(tài)進行的。,代入Redu/ 得： Redu/du/2 000,故臨界速度為 u2000910-5m2s-1/0.158m1.14ms-1,計算非圓形管的Re值時，要以當量直徑de代替d。, 當量直徑de定義為：,（4）流動邊界層,由于流體粘性作用，近壁面處的流體將相繼受阻而降速。隨著流體沿壁面向前運動，流速受影響的區(qū)域逐漸擴大。將流體受壁面影響而存在速度梯度的區(qū)域稱為流體流動的邊界層。一般把邊界層厚度定義為自壁面到流速達到流體主

35、體流速 99處的區(qū)域。,de=4流體流動截面積/流道潤濕周邊長度,當流體流入圓管時，只在進口附近一段距離內(nèi)有邊界層內(nèi)外之分。如圖321所示。當管流雷諾數(shù)等于9 105時，入口管長度約為40倍管直徑。,流體流過較大曲率的物體時，會發(fā)生邊界層分離現(xiàn)象。如圖322，流體流過圓柱體時，在圓柱表面ABC處逐步形成邊界層，并因流動截面受阻而在B處流速最大。,3管內(nèi)流動阻力計算,管內(nèi)流動阻力可分為直管阻力和局部阻力。直管阻力是當流體在直管中流動時因內(nèi)摩擦力而產(chǎn)生的阻力；局部阻力是流體在流動中，由于管道的局部阻力障礙所引起的阻力。,流體在管路中流動阻力與流速有關(guān)。流速愈快，能量損失就愈大，即阻力損失與流體的動

36、壓頭呈正比,式中是一比例系數(shù)，稱為阻力系數(shù)。,(1)直管阻力的計算,在柏努利方程式中, hf是指流體在管路系統(tǒng)中的總阻力損失，,hf=hfhl,設(shè)其靜壓力分別為p1和P2，且p1P2，在兩個截面之間的柏努利方程式為：,如圖，流體在長為l，內(nèi)徑為d的管內(nèi)以流速u作定態(tài)流動，,在等徑水平管內(nèi)，有Z1= Z2，u1= u2=u，上式變?yōu)椋?垂直作用于流體柱兩端截面11和22上的力分別為：,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，故推動流體流動的推

37、動力,F1- F2 =(p1-p2) d2/4,而平行作用于管內(nèi)表面上的摩擦力F為,Fdl,流體在管內(nèi)作定態(tài)等速流動，作用于流體上的推動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,上式稱為范寧(Fanning)公式，是直管阻力的計算通式。流體在直管內(nèi)流動的阻力及壓力損失與流體流速和管道幾何尺寸呈正比，比例系數(shù)稱為摩擦阻力系數(shù)。,如圖所示，選管中心至管壁的任一r處的流體圓筒，管長為l，則截面積為r2，滑動表面積為2rl。取微分距離dr, 滑動摩擦阻力為：,要克服F而使流體流動，流體必須接受與其大小相等、方向相反的推

38、動力-(p1-p2)r2，即有,滯流時的摩擦阻力系數(shù),整理并積分，得：,-(p1-p2)r2=2rl,r：0R，u：umax0,pR222lumax,以d=2R，u=umax/2代入，并整理,湍流時，流體質(zhì)點是不規(guī)則的紊亂運動，質(zhì)點間互相碰撞激烈，瞬間改變方向和大小。 Re越大，滯流底層越薄，管壁粗糙度對湍流阻力的影響越大。因而，湍流的流體阻力或摩擦阻力系數(shù)還與管壁粗糙度有關(guān)。,湍流時的摩擦阻力系數(shù),=64/Re,p =32ul/d2,或,a析因?qū)嶒?對所研究的過程作理論分析和探索，尋找影響過程的主要因素。影響的諸因素為：,量綱分析法是通過把變量組合成為一數(shù)群，減少了實驗變量個數(shù)，相應(yīng)減少了實

39、驗次數(shù)。該法在工程上廣泛應(yīng)用?？杉僭O(shè)為下列冪函數(shù)形式：,實驗研究的步驟和方法,p=f(d,l,u, ,, ),b規(guī)劃實驗 確定所研究的物理量與各影響因素的具體關(guān)系，需在其它變量不變下，多次改變一個變量。采用正交實驗法、量綱分析法等簡化實驗。,PK d a l b u cde f,代入并整理得：,du/為雷諾數(shù)Re； 稱為歐拉數(shù)，以 Eu表示； d為相對粗糙度。,c.實驗數(shù)據(jù)處理 獲得量綱為一數(shù)群后，它們間的關(guān)系還需通過實驗，并將實驗數(shù)據(jù)進行處理，用適當方式表達出來。對于湍流摩擦阻力系數(shù)為,對于光滑管（=0），常用的關(guān)聯(lián)式有柏拉修斯（Blasius）公式,PK d b-e-f l b u2-e

40、1-ee f,將指數(shù)相同的變量合并，得,= (Re，/d),=0.316 4 Re0.25,上式適用于湍流區(qū)的整個范圍。,工程上，經(jīng)常用共線圖將與Re和/d的關(guān)系形象化，將經(jīng)驗關(guān)系式轉(zhuǎn)換成圖線,如圖325所示。,上式適用于流體在光滑管中, 3 000Re105范圍內(nèi)的計算。,對于粗糙管，常見的有加考萊布魯克公式,-1/2= 1.742 lg2 /d18.7(Re1/2),d. 完全湍流區(qū) Re足夠大時,與 Re無關(guān),僅與/d有關(guān)。 hfu1.75,例36 20的水在直徑為460mm3.5mm的鍍鋅鐵管中以1ms-1的流速流動，試求水通過100m長度管子的壓力降及壓頭損失為多少。,a滯流區(qū) Re

41、2 000，64/Re,與/d無關(guān)。,b過渡區(qū) 2 000Re4000，流形為非定態(tài)易波動, 常作湍流處理。,c. 湍流區(qū) Re4 000以及虛線以下區(qū)域,與 Re和/d均有關(guān),隨 Re的增大而減小, 隨/d增大而增大. hfu1.75,在圖 325找到 Re5.26104，再在右邊找到/d0.004的線，通過兩者的交點在左邊讀出值0.031。,Pf=(l/d)(u2/2) 0.031(100m/0.053m)(998.2kgm312m2s-2/2) =2.92104 Nm-2,壓頭損失為： hf=(l/d)u2/(2g) =0.031(100m/0.053m)(12m2s-2/29.807m

42、s-2) =2.98 m水柱,解：查手冊得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,取鍍鋅鐵管絕對粗糙度0.2mm,則/d0.2/530.004,將上述數(shù)據(jù)代入壓力降公式，得：,阻力系數(shù)法 將局部阻力所引起的能量損失，表示為動壓頭的一個倍數(shù)，即 hl=u2/(2g) 為局部阻力系數(shù)。,a突然擴大與突然收縮 流體流過的管道直徑突然擴大或突然收縮時，局部阻力系數(shù)可根據(jù)小管與大管的截面積之比S1/S2。,（2）局部阻力的計算,局部阻力的計算

43、方法有阻力系數(shù)法和當量長度法兩種。,b進口和出口 當流體從容器進入管內(nèi)時，可看作從很大截面 S1突然流入很小截面S2。,當量長度法 將局部阻力損失折算成相當長度的直管的阻力損失，此相當?shù)墓荛L度稱為當量長度le。,在湍流條件下，某些常見管件與閥門的當量長度折算關(guān)系如圖327所示。,采用當量長度法計算管路的局部阻力：,hl=(le/d)u2/(2g),,例37 要求向精餾塔中以均勻的流速進料，現(xiàn)裝設(shè)一高位糟，使得料液自動流入精餾塔中，如附圖所示。若高位槽的液面保持1.5m的高度不變，塔內(nèi)操作壓力為0.4kgfcm-2(表壓)，塔的進料量需維持在50m3h-1，則高位槽的液面應(yīng)該高出塔的進料口多少米

44、才能達到要求？若已知料液的粘度為1.510-3Pas，密度為900 kgm-3，連接管的尺寸為108mm4 mm的鋼管，其長度為h+1.5 m，管道上的管件有 180的回彎頭、截止閥及 90的彎頭各一個。,解：取高位槽內(nèi)液面為截面1一1，精餾塔的加料口內(nèi)側(cè)為截面22”，并取此加料口的中心線為基準水平面。在兩截面間列柏努利方程,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

45、/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， 查圖得 0.0275,hf (l/d) u2/(2g)0.0275(h1.5)/0.100(1.772/29.807)=0.044(h+1.5),物料由貯槽流入管子，取le12.1；180彎頭le210；截止閥(按1/2開度計), le3=28；90 彎頭le44.5,結(jié)果表明高位槽液面至少高出塔內(nèi)進料口6.93m，才能滿足精餾塔的進料要求。,0.0275(2.l10284.5)/0.100l.772/(29.807)=

46、1.96m液柱,hf (le/d) u2/(2g) (le1+ le2+ le3+ le4)/du2/(2g),將以上數(shù)據(jù)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 流體輸送設(shè)備,流體流動需要一定的推動力來克服管路和設(shè)備的阻力，才能把流體從低處送到高處，或從低壓系統(tǒng)輸送到高壓系統(tǒng)。一般把輸送液體的機械通稱為泵，輸送氣體的機械稱為風機或壓縮機。,離心式 利用高速旋轉(zhuǎn)的葉輪給流體提供動能。 正位移式 利用活塞、齒輪、螺桿等直接擠壓流體 不屬于上述類型的其它形式的泵，如噴射泵。,本節(jié)以離心泵和往復壓縮機為例，簡單介紹它們的基本

47、構(gòu)造、原理及其相關(guān)特性。,1.離心泵,(1)離心泵的構(gòu)造和工作原理,離心泵是化工生產(chǎn)上廣泛應(yīng)用的一種液體輸送設(shè)備。它的主要構(gòu)造如圖所示。泵的主要部件有：葉輪、泵軸、蝸狀泵殼、吸入管、壓出管及底間等。,離心泵啟動時，由于空氣的密度較液體的密度小得多，產(chǎn)生的離心力也很小，此時在葉輪中心造成的真空度很低，不足以把液體吸到葉輪中心，這樣泵雖能啟動，但卻不能輸送液體的現(xiàn)象稱為“氣縛”。,（2）離心泵的主要性能參數(shù),離心泵的主要性能參數(shù)包括： 揚程、流量、功率和效率。,功率 在單位時間內(nèi)，液體自泵實際得到的功稱為泵的有效功率。用符號Ne表示，單位為W。,揚程 泵對單位重力的流體所做的功稱為揚程(或壓頭)，

48、亦即液體進出泵前后的壓頭差，用符號He表示，單位為米液柱。,流量 離心泵的流量又稱排液量或輸送能力，指在單位時間內(nèi)泵所排送的液體數(shù)量，用符號qv表示，單位為m3s-1或m3h-1。,效率 離心泵的效率與泵的大小、類型、制造精度和輸送液體的性質(zhì)有關(guān)。泵的有效功率Ne、軸功率Na和效率三者之間的關(guān)系如下：,離心泵的主要性能參數(shù)之間的關(guān)系由實驗確定，測出的流量與揚程、功率, 效率之間的關(guān)系曲線稱為離心泵的特性曲線或工作性能曲線。,NeqvgHe,式中 He泵的揚程，m； 一流體的密度，kgm-3 qv泵的流量，m3s-1 g重力加速度，ms-2。,=NeNa,（3）離心泵的特性曲線,上圖

49、是離心水泵的特性曲線。其遵循下面的規(guī)律：,qvHe曲線離心泵的揚程隨著流量的增大而下降。,qvNe曲線離心泵的功率隨著流量的增大而升高。,qv曲線 效率開始時隨流量的增大而增加，達到最大值后，如繼續(xù)增大流量，則泵效率反而下降。,離心泵的轉(zhuǎn)速與He, Ne及qV的關(guān)系式如下：,（4）離心泵的安裝高度和氣蝕現(xiàn)象,泵在與最高效率點對應(yīng)的流量,揚程下工作最為經(jīng)濟。,qv,l/qv,2=nl/n2 HelHe,2=(nln2)2 Ne,1Ne,2=(nln2)3,Hg=(P0P1)/(g)u12/(2g)hf,能量衡算式為：,P0/(g)HgP1/(g)u12/(2g)hf,或,

50、(P0P1)/g稱為離心泵吸上真空高度，記作Hs， P1越小，Hs越大，Hg便越大。,但P1等于或小于在當時溫度下的飽和蒸氣壓時，液體將生成大量氣泡，氣泡隨液體流到葉輪壓力較高的區(qū)域后，被壓縮、破裂又突然凝結(jié)，產(chǎn)生很大的沖擊力沖擊葉輪和泵殼內(nèi)表面，使葉輪和泵殼內(nèi)表面造成嚴重的剝蝕現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為“氣蝕”。,泵的氣蝕現(xiàn)象剛發(fā)生時，所對應(yīng)的吸上真空高度稱為最大吸上真空高度(Hs,max)。為了保證泵在運轉(zhuǎn)中不發(fā)生氣蝕現(xiàn)象，規(guī)定留有0.3米的安全量，稱為允許吸上真空高度(Hs)：,Hs=Hs,max- 0.3,如果輸送條件與泵樣本所給條件不相符時，用下式加以校正：,式中 Hs新條件下的允許吸上真空

51、高度，m水柱； Hs泵樣本上的允許吸上真空高度, m水柱； Ha泵工作地方的大氣壓，其值隨海拔高度不同而異，m水柱； Hv被輸送液體的飽和蒸氣壓, m水柱； 10293 K測定時的大氣壓力，m水柱； 0.24在293 K時水的飽和蒸氣壓，m水柱。,Hs Hs+(Ha-10) (Hv-0.24),2往復壓縮機,壓縮機 壓縮比在4以上，終壓在300kPa(表壓)以上。分為低壓壓縮機(表壓在210kPa)、中壓壓縮機(表壓在10100kPa)和高壓壓縮機(表壓在100一1000 kPa)。,通風機 壓縮比在11.15間，終壓不大于14.7kPa(表壓),按其出口壓力或壓縮比可分為

52、以下幾類。,鼓風機 壓縮比小于4，終壓在 14.7300 kPa(表壓)。,真空泵 用于減壓操作，終壓相當于當時當?shù)氐拇髿鈮毫Α?吸氣過程 壓縮過程 排氣過程,如圖是單動往復壓縮機的結(jié)構(gòu)及其操作原理示意圖。,往復式壓縮機的工作過程可分為吸氣、壓縮和排氣三個步驟進行。,每一個工作循環(huán)都是吸入狀態(tài)相同的低壓氣體，排出狀態(tài)相同的高壓氣體。,壓縮機每一個實際工作循環(huán)是由膨脹一吸氣一壓縮一排氣四個連續(xù)的過程所組成。封閉曲線4l234表示了一個完整的工作循環(huán)。,降低了排氣的溫度； 節(jié)省壓縮所需的功率； 提高了氣缸的容積利用率。,多級壓縮的優(yōu)點是：,根據(jù)熱力學原理，氣體受壓縮時，它的體積、壓力和溫度都發(fā)生了

53、變化，是一個多變的壓縮過程。,本章從流體的基本性質(zhì)開始，對流體流動的基本規(guī)律流體流動的連續(xù)性方程（質(zhì)量守恒定律在流體流動過程中的應(yīng)用，用于不同截面上流體流速的相互轉(zhuǎn)換）和流體流動的柏努利方程（能量守恒定律在流體流動過程中的應(yīng)用，用于各類管路計算）作了詳盡討論。造成流體流動能量損失的內(nèi)因是流體的粘性，外因是流動的外部條件（流動的形態(tài)，管件、閥門以及管壁的粗糙度等），雷諾數(shù)作為流體流動形態(tài)的判據(jù)，相對粗糙度用于度量管道的不,小結(jié),學習本章的目的是學會選擇適宜的流體測量裝置和輸送設(shè)備，根據(jù)被輸送流體的性質(zhì)及生產(chǎn)的任務(wù)和要求，應(yīng)用柏努利方程進行管路計算，熟悉正確選泵的基礎(chǔ)，下圖歸納了本章內(nèi)容的主干框架及相互關(guān)系。,光滑程度，流體流動的阻力方程用于計算能量損耗。在不同的流動形態(tài)下，流體流動的阻力系數(shù)不同，采用的實驗研究（量綱分析法）處理湍流流動的阻力系數(shù)的方法，在工程上具有普遍的意義。,