化工原理第一章第五节讲稿修改.ppt

第一章 流体流动一、管路计算类型与基本方法二、简单管路的计算三、复杂管路的计算四、阻力对管内流动的影响第五节 管路计算2023/5/16 一、管路计算的类型与方法管路计算 设计型操作型对 于 给 定 的 流 体 输 送 任 务（如 一 定的 流 体 的 体 积，流 量），选 用 合 理且经济的管路。关键：流速的选择 管 路 系 统 已 固 定，要 求 核 算 在 某给 定 条 件 下 的 输 送 能 力 或 某 项 技术指标2023/5/16三种计算：1）已 知 流 量 和 管 器 尺 寸，管 件，计算管路系统的阻力损失 2）给 定 流 量、管 长、所 需 管 件和允许压降，计算管路直径3）已 知 管 道 尺 寸，管 件 和 允 许压 强 降，求 管 道 中 流 体 的 流 速 或流量直接计算d、u 未知试 差 法或 迭 代法 Re 无 法 求无 法 确定2023/5/16二、简单管路的计算管路简单管路 复杂管路 流 体 从 入 口 到 出 口 是 在 一 条 管 路 中 流 动的，没有出现流体的分支或汇合的情况串联管路：不同管径管道连接成的管路 存在流体的分流或合流的管路分支管路、并联管路 1、串联管路的主要特点a)通过各管段的质量不变，对于不可压缩性流体 2023/5/16b）整个管路的阻力损失等于各管段直管阻力损失之和 例：一 管 路 总 长 为70m，要 求 输 水 量30m3/h，输 送 过程 的 允 许 压 头 损 失 为4.5m 水 柱，求 管 径。已 知 水 的 密 度 为1000kg/m3，粘 度 为1.010-3Pas，钢 管 的 绝 对 粗 糙 度 为0.2mm。分析：求d 求u试差法u、d、未知2023/5/16设初值求出d、u比较计与初值 是否接近是否修正2023/5/16解：根据已知条件 u、d、均 未 知，用 试 差 法，值 的 变 化 范 围 较 小，以为试差变量 假设=0.0252023/5/16解得：d=0.074m，u=1.933m/s查图得：与初设值不同，用此值重新计算解得：2023/5/16查图得：与初设值相同。计算结果为：按 管 道 产 品 的 规 格，可 以 选 用 3 英 寸 管，尺 寸 为88.54mm 内 径 为80.5mm。此 管 可 满 足 要 求，且 压 头 损失不会超过4.5mH2O。2023/5/16三、复杂管路的计算1、分支管路 例：12的 水 在 本 题 附 图 所 示 的 管 路 系 统 中 流 动。已知 左 侧 支 管 的 直 径 为702mm，直 管 长 度 及 管 件，阀 门 的当 量 长 度 之 和 为 42m，右 侧 支 管 的 直 径 为 762mm直 管 长 度 及 管 件，阀 门 的 当 量 长 度 之 和 为84m。连 接 两 支管 的 三 通 及 管 路 出 口 的 局 部 阻 力 可 以 忽 略 不 计。a、b两 槽的 水 面 维 持 恒 定，且 两 水 面 间 的 垂 直 距 离 为2.6m，若 总 流量为55m3/h，试求流往两槽的水量。2023/5/161ab12 22.6mo解：设a、b两 槽 的 水面 分 别 为 截 面1-1 与2-2,分 叉 处 的 截 面 为 0-0,分 别 在0-0 与1-1 间、0-0 与2-2 间 列 柏 努 利方程式2023/5/16表 明：单位质量流体在两支管流动终了时的总机械能与能量损失之和相等，且等于分支点处的总机械能。若以截面2-2 为基准水平面代入式(a)2023/5/16由连续性方程，主管流量等于两支管流量之和，即：(c)2023/5/16代入(b)式由c 式得：2023/5/16 d、e 两 个 方 程 式 中，有 四 个 未 知 数。必 须 要 有aua、bub的 关 系 才 能 解 出 四 个 未 知 数，而 湍 流 时 u的 关 系 通 常又以曲线表示，故要借助试差法求解。取 管 壁 的 绝 对 粗 糙 度 为0.2mm，水 的 密 度1000kg/m3，查附录得粘度1.263mPa.s最后试差结果为：2023/5/16假设的ua，m/s次数项目1 2 32.5133500由图查得的a 值由式e 算出的ub，m/s由图查得的b 值由式d算出的ua，m/s结论0.0030.02711.65961200.00280.02741.45假设值偏高21068000.0030.02752.071206000.00280.0272.19假设值偏低2.11121000.0030.02731.991159000.00280.02712.07假设值可以接受2023/5/16小结：分支管路的特点：1）单位质量流体在两支管流动终了时的总机械能与能量损失之和相等，且等于分支点处的总机械能。2）主管流量等于两支管流量之和2023/5/162、并联管路如 本 题 附 图 所 示 的 并 联 管 路 中，支 管1是 直 径2”的 普 通钢 管，长 度 为30m，支 管2是 直 径 为3”的 普 通 钢 管，长 度 为50m，总 管 路 中 水 的 流 量 为60m3/h，试 求 水 在 两 支 管 中 的流 量，各 支 管 的 长 度 均 包 括 局 部 阻 力 的 当 量 长 度，且 取 两支管的 相等。解：在A、B 两 截 面 间 列 柏 努利方程式，即：2023/5/16对于支管1对于支管2并联管路中各支管的能量损失相等。由连续性方程，主管中的流量等于各支管流量之和。2023/5/16对于支管1对于支管22023/5/16由 附 录17 查 出2英 寸 和3英 寸 钢 管 的 内 径 分 别 为0.053m及0.0805m。2023/5/16小结：并联管路的特点：1）并联管路中各支管的能量损失相等。2）主管中的流量等于各支管流量之和。3）并联管路中各支管的流量关系为：2023/5/16例：如 本 题 附 图 所 示，用 泵 输 送 密 度 为710kg/m3的 油品，从 贮 槽 输 送 到 泵 出 口 以 后，分 成 两 支：一 支 送 到A 塔顶 部，最 大 流 量 为10800kg/h，塔 内 表 压 强 为98.07104Pa另一 支 送 到B 塔 中 部，最 大 流 量 为6400kg/h，塔 内 表 压 强 为118104Pa。贮 槽C 内 液 面 维 持 恒 定，液 面 上 方 的 表 压 强 为49103Pa。上 述 这 些 流 量 都 是 操 作 条 件 改 变 后 的 新 要 求 而管路仍用如图所示的旧管路。现 已 估 算 出 当 管 路 上 阀 门 全 开，且 流 量 达 到 规 定 的 最大 值 时，油 品 流 经 各 段 管 路 的 能 量 损 失 是：由 截 面1-1 至2-2(三 通 上 游）为20J/kg；由 截 面2-2 至3-3（管 出 口 内 侧)2023/5/16为60J/kg；由 截 面2-2 至4-4（管 出 口 内 侧）为50J/kg。油 品在 管 内 流 动 时 的 动 能 很 小，可 以 忽 略。各 截 面 离 地 面 的 垂 直距离见本题附图。已知泵的效率为60%，求新情况下泵的轴功率。2023/5/16分析：求轴功率柏努利方程1-1 至2-22-2 的总机械能E2?分支管路的计算解：在截面1-1 与2-2 间列柏努利方程，并以地面为基准水平面式中：2023/5/16设E 为 任 一 截 面 三 项 机 械 能 之 和，即 总 机 械 能，则2-2 截 面的总机械能为：将以上数值代入柏努利方程式，并简化得：泵1kg油品应提供的有效能量为：(a)2023/5/16求We 已知E22-2 到3-32-2 到4-4选Max仍 以 地 面 为 基 准 水 平 面，各 截 面 的 压 强 均 以 表 压 计，且 忽略动能，则截面3-3 的总机械能为：截面4-4 的总机械能为：2023/5/16保证油品自截面2-2 送到截面3-3，分支处所需的总机械能为保证油品自截面2-2 送到截面4-4，分支处所需的总机械能为当时，才能保证两支管中的输送任务。将E2值代入式(a)通过泵的质量流量为：2023/5/16新情况下泵的有效功率为：泵的轴功率为：当 输 送 设 备 运 转 正 常 时，油 品 从 截 面2-2 到4-4 的 流 量 正 好 达到6400kg/h 的 要 求，但 是 油 品 从 截 面2-2 到3-3 的 流 量 在 阀 门全 开 时 便 大 于10800kg/h 的 要 求。所 以，操 作 时 可 把 左 侧 支 管的 调 节 阀 关 小 到 某 一 程 度，以 提 高 这 一 支 管 的 能 量 损 失，到使流量降到所要求的数值。2023/5/16四、阻力对管内流动的影响1、简单管路内阻力对管内流动的影响阀门由全开转为半开，试讨论各流动参数的变化2023/5/161）阀 门 的 阻 力 系 数 增 大，hf,A-B增 大，由 于 高 位 槽 液 而 维持不变，故流道内流体的流速应减小。2）管路流速变小，截面1-1 至A 处的阻力损失下降。A 点的静压强上升2023/5/163）同 理，由 于 管 路 流 速 小，导 致B 处 到 截 面2-2 的 阻 力 损失下降，而截面2-2 处的机械能不变，B 点的静压强将下降。一般性结论：1）任何局部阻力的增大将使管内各处的流速下降。2）下游的阻力增大将导致上游的静压强的上升。3）上游的阻力增大将使下游的静压强下降。2023/5/162、分支管路中阻力对管内流动的影响某一支路阀门由全开转为半开，试讨论各流动参数的变化2023/5/162)O 点处静压强的上升将使总流速u0下降1）阀 门A 关 小，阻 力 系 数A增 大，支 管 中 的 流 速u2将 出 现 下降趋势，O 点处的静压强将上升。3）O 点处静压强的上升使另一支管流速u3出现上升趋势忽略动压头总 之，分支管路中的阀门关小，其结果是阀门所在支管的流量减小，另一支管的流量增大，而总流量则呈现下降趋势2023/5/16注意两种极端情况：1.总管阻力可以忽略，支管阻力为主任一支管情况的改变不致影响其他支管的流量如：城市供水、煤气管线2.总管阻力为主，支管阻力可以忽略总 管 中 的 流 量 不 因 支 管 情 况 而 变，支 管 的 启 闭 仅 改 变 各 支 管间的流量的分配2023/5/163、汇合管路中阻力对管内流动的影响阀门由全开转为半开，试讨论各流动参数的变化2023/5/16阀门关小 总管流量下降O 点静压强升高u1、u2降低2023/5/16