物料輸送及輸送設備.ppt

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1、第三章 固體及流體輸送設備,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)內進行物料輸送，對粉狀物料而言，可以防止運轉時粉塵的飛揚。,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,管網系統(tǒng)的設計計算,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： 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，增大設備費用； 松散顆粒（大），潮濕易結快物料和

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，可參考經驗數據。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，而產生的壓力損失。,,C：供料系數，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) 液體物料的輸送設備,,化工生產中處理的原料、中間產物，產品，大多數是流體，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備。 流體性能參數的測量, 控制。 研究流體的流動形態(tài)，為強化設備和操作提供理論依據。 了解輸送設備的工作原理和操作性能，正確地使用流體輸送設備。,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,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 流體輸送設備,3.4 管內流體流動的阻力,3.1 流體的基本性質,1密度,單位體積流體所具有的質量稱為流體的密度，其表達式為：,流體密度，km-3 ; m流體質量，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氣體摩爾質量 gmol-1；R氣體常數Jmo1-1K-1。,=mV,化工生產中所遇到的流體，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量分數表示。,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、各組分液體的質量分數。,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。,對于氣體混合物:,2比體積,單位質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:,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來表示其關系,4流量和流速,單位時間內流體流經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；若流體量用質量來計量，則稱為質量流量，以符號qm表示，其單位為kgs-1。若流體量用物質的量表示，稱為摩爾流量，以符號qn表示，其單位為mols-1。,qm=qV,質量流量與摩爾流量的

11、關系為,qmMqn,體積流量和質量流量的關系為：,單位時間內，流體在管道內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：,質量流速的定義是單位時間內流體流經管路單位截面積的質量，以w表示，單位為 kgs-1m-2，表達式為：,w=qmS,流速和質量流速兩者之間的關系：,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,粘性是流體內部摩擦力的表現，粘度是衡量流體粘性大小的物理量，是流體的重要參數之一。流體的粘度越大，其流動性就越小。,流體在圓管內的流動，可以看成分割成無數極薄的圓筒層，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 ，則：,F（u/y）A,單位面積上的內摩擦力稱為內摩擦應力或剪應力，以表示，則有：,FA（u/y）,當流體在管內流動時，徑向速度的變化并不是直線關系，而是曲線關系，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，亦稱為粘性系數，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；,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； 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,流體在管道或設備中流動時，若在任一截面上流體的流速、壓力、密度等有關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，根據質量作用定律，在沒有物料累積和泄漏的情況下，單位時間內通過流動系統(tǒng)任一截面的流體的質量應相等。,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,對于不可壓縮流體，=常數，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能。,qV=u1S1=u2S2==unSn=常數,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、內能 內能（又稱熱力學能）是流體內部大量分子運動所具有的內動能和分子間相互作用力而形成的內位能的總和。以U表示單位質量的流體所具有的內能，則質量為m（kg）的流體的內能為mU，單位kJ。,流體的流動過程實質上是流動體系中各種形式能量之間的轉化過程。,（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摩擦力存在的流體，即粘度為零。,如上圖，設在單位時間內有質量為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”之間應符合：,=,即 mgZ1+m u12/2+p1m/=mgZ2+m u22/2+p2m/,對于單位質量流體，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，應注明是哪一種流體，如流體是水，應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。,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 根據題意作出流動系統(tǒng)的示意圖以助分析題意。,單位務必統(tǒng)一 最好均采用國際單位制。,4流體流動規(guī)律的應用舉例,在應用柏努利方程時，應該注意以下幾點。,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：吸入管內徑dl=88.52 480.5 mm 壓出管內徑 d275.52 3.75=68 mm 根據連續(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釜中加料。高位槽和反應釜均與大氣相通。要求物料在管內以 1.05 ms-1的速度流動。若料液在管內流動時的能量損失為 2.25 JN-1，試求高位槽的液面應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，虹吸管的出口內側為截面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，敞口貯槽內液面維持恒定。已知料液的密度為 1200 kgm-3，蒸發(fā)器上部的蒸發(fā)室內操作壓力為 200 mm Hg(真空度)，蒸發(fā)器進料口高于貯槽內的液面 15 m，輸送管道的直徑為 68 min 4mm，送液量為 20 m3h-1。設溶液流經

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，管路出口內側為截面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,化工生產中，為了監(jiān)視和控制工藝過程，實時測量流體性能參數, 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形壓力計結構如圖示。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，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形管壓力計結構如上圖所示。,（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。結構如下圖所示,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,上述各壓力計構造簡單，測壓準確，在實驗室有廣泛的應用。,2流體流量的測定,利用流體機械能相互轉換原理設計的流體流量測量儀表有孔板流量計，文丘里流量計和轉子流量計等。,（1）孔板流量計,孔板流量計的結構簡單，如圖所示。 設流體的密度不變，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，并以代替u2得,的值為0.610.63。,若液柱壓力計的讀數為R，指示液的密度為i，則,流量計算公式為,qv=u0So=,特點是結構簡單，制造方便，應用廣泛，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，其值約

29、為0.98，S0為喉管處的截面積。,(3)轉子流量計,如圖所示，轉子流量計的主要部件為帶刻度線的錐形玻璃管，管內裝可上下浮動的轉子。,轉子的上升力等于轉子的凈重力時，轉子在流體中處于平衡狀態(tài),pARVRRg-VRg,式中 p轉子上下間的壓差, VR轉子體積，AR轉子頂端面的橫截面積, R轉子密度 流體密度,根據柏努利方程同樣可導出：,式中 cR校正因子，與流體的流形、轉子形狀等有關。,qV= uRSR=cRSR,式中 SR轉子與玻璃管環(huán)隙的面積，m2 qV流體的體積流量，m3s1,轉子采用不銹鋼、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 管內流體流動的阻力,流體本身具有粘性，流體流動時因產生內摩擦力而消耗能量，是流體阻力損失產生的根本原因。管道大小、內壁形狀、粗糙度等影響著流體流動狀況，是流體產生阻力的外部條件。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，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),為了解流體在管內流動狀況及影響因素，雷諾設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，質點彼此平行的沿著,管軸的方向作直線運動，質點與質點之間互不混合。這種流動形態(tài)稱為滯流或層流。,開大閥門時，墨水線開始出現波動。流速繼續(xù)增大，細線消失，墨水與水完全混合。,表

32、明水的質點除了沿著管道向前流動以外，各質點還作不規(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,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，及流體的物理性質如粘度和密度。稱為雷諾數，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大小有關，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。滯流內層的存在對傳熱過程和傳質過程有很大的影響。,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,生產中的流體流動大多數是以湍流形態(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有邊界層內外之分。如圖321所示。當管流雷諾數等于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管內流動阻力計算,管內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摩擦力而產生的阻力；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。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，稱為阻力系數。,(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，內徑為d的管內以流速u作定態(tài)流動，,在等徑水平管內，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,而平行作用于管內表面上的摩擦力F為,Fdl,流體在管內作定態(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，比例系數稱為摩擦阻力系數。,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,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，流體質點是不規(guī)則的紊亂運動，質點間互相碰撞激烈，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還與管壁粗糙度有關。,湍流時的摩擦阻力系數,=64/Re,p =32ul/d2,或,a析因實驗 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群，減少了實驗變量個數，相應減少了實

39、驗次數。該法在工程上廣泛應用?？杉僭O為下列冪函數形式：,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Re； 稱為歐拉數，以 Eu表示； d為相對粗糙度。,c.實驗數據處理 獲得量綱為一數群后，它們間的關系還需通過實驗，并將實驗數據進行處理，用適當方式表達出來。對于湍流摩擦阻力系數為,對于光滑管（=0），常用的關聯(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，經常用共線圖將與Re和/d的關系形象化，將經驗關系式轉換成圖線,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,僅與/d有關。 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。,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,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,將上述數據代入壓力降公式，得：,阻力系數法 將局部阻力所引起的能量損失，表示為動壓頭的一個倍數，即 hl=u2/(2g) 為局部阻力系數。,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，局部阻力系數可根據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，此相當的管長度稱為當量長度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，現裝設一高位糟，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：取高位槽內液面為截面1一1，精餾塔的加料口內側為截面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,結果表明高位槽液面至少高出塔內進料口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),將以上數據代入柏努利方程：,h4.441.772/(29.807)0.044(h1.5)1.96,解得：h6.93 m,3.5 流體輸送設備,流體流動需要一定的推動力來克服管路和設備的阻力，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、構造、原理及其相關特性。,1.離心泵,(1)離心泵的構造和工作原理,離心泵是化工生產上廣泛應用的一種液體輸送設備。它的主要構造如圖所示。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象稱為“氣縛”。,（2）離心泵的主要性能參數,離心泵的主要性能參數包括： 揚程、流量、功率和效率。,功率 在單位時間內，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，指在單位時間內泵所排送的液體數量，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有關。泵的有效功率Ne、軸功率Na和效率三者之間的關系如下：,離心泵的主要性能參數之間的關系由實驗確定，測出的流量與揚程、功率, 效率之間的關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。,離心泵的轉速與He, Ne及qV的關系式如下：,（4）離心泵的安裝高度和氣蝕現象,泵在與最高效率點對應的流量,揚程下工作最為經濟。,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，產生很大的沖擊力沖擊葉輪和泵殼內表面，使葉輪和泵殼內表面造成嚴重的剝蝕現象，這種現象稱為“氣蝕”。,泵的氣蝕現象剛發(fā)生時，所對應的吸上真空高度稱為最大吸上真空高度(Hs,max)。為了保證泵在運轉中不發(fā)生氣蝕現象，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，終壓相當于當時當地的大氣壓力。,吸氣過程 壓縮過程 排氣過程,如圖是單動往復壓縮機的結構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（質量守恒定律在流體流動過程中的應用，用于不同截面上流體流速的相互轉換）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），雷諾數作為流體流動形態(tài)的判據，相對粗糙度用于度量管道的不,小結,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備，根據被輸送流體的性質及生產的任務和要求，應用柏努利方程進行管路計算，熟悉正確選泵的基礎，下圖歸納了本章內容的主干框架及相互關系。,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的方法，在工程上具有普遍的意義。,