(完整版)四川大学化工原理课件上册3

第三章

流体输送与流体输送机械

概述

?化学工业是流程工业，从原料输入到成品输出的每一道工序都在一定的流动状态下进行，整个工厂的生产设备是由流体输送管道构成体系。

?装置中的传热、传质和化学反应情况与流体流动状态密切相关，流动参数的任何改变将迅速波及整个系统，直接影响所有设备的操作状态。因此，往往选择流体的流量、压强和温度等参数作为化工生产系统的主要控制参数。

?流体流动与输送有其共同的规律。各种流体输送机械也有共通的原理，所以有通用机械之称。

?化工生产系统中流体输送的主要任务是满足对工艺流体的流量和压强的要求。流体输送系统包括：流体输送管路、流体输送机械、流动参数测控装置。

?流体输送计算以描述流体流动基本规律的传递理论为基础。

根据流体流动的质量守恒、动量守恒与能量守恒原理，不可压缩流体在管路中稳定流动时应服从常数

=uA ρh z g p u h z g p f

e +++=+++22

22

2111122ρ

αραd V A V u 2

4π=

=∑+++=+++f e h gz p u h gz p u 222

21121

22ρρ连续性方程柏努利方程体积平均流速

由于流体输送系统的流速一般不会很低（湍流），因此动能

校正系数α往往接近于1.0。

对于流速较低的层流流动，α值与1.0 相差较大，但由于动能项在总能量中所占比例很小，也可不加校正。

输送单位质量流体所需加入的外功，是决定流体输送机械的重要数据。

单位为J/s （或W ）

对可压缩流体，若在所取系统两截面之间流体的绝对压强变化小于10％，仍可按不可压缩流体计算，而流体密度以两截面之间的流体的平均密度ρm 代替。

w

h N e e ?=η

ηw

h N N e e

?==

∑f

h

包括所选截面间全部管路阻力损失

h e

若管路输送的流体的质量流量为w （kg/s ），则输送流体所需供给的功率（即流体输送机械的有效功率）为：

如果流体输送机械的效率为η，则实际消耗的功率即流体输送机械的轴功率为：

注意单位！

给定流体输送任务（质量流量w 或体积流量V 、输送距离l 、输送目标点的静压强p 2和垂直高差z 2）和流体的初始状态（静压强p 1、垂直高差z 1）

设计型：

吸收塔

1

1

22

2

z 1

z 1

p 2

p 依据连续性方程和柏努利方程对流体输送系统进行设计或者优化操作计算，结合管路的实际条件，合理地确定流速u 和管径d 。

如果计算结果需要外加输送功h e ，则应结合工程造价与操作维修费用两方面的因素加以考虑。

某些流体在管道中常用流速范围

设计型：

费用

u

设备费

总费用

操作费u 最佳

流体种类及状况常用流速范围

m/s

流体种类及状况常用流速范围

m/s

水及一般液体1~3压力较高的气体15~25粘度较大的液体0.5~1饱和水蒸气：低压气体

8~158大气压以下40~60易燃、易爆的低压气体（如乙炔等）

<8

3大气压以下过热水蒸气

20~4030~50

操作型：

流体输送管路系统一定，需计算其输送能力、输送压力和动力消耗等，则用连续性方程和柏努利方程可求解系统中指定截面处流体的流速u 和压强p 以及指定管段的流动阻力损失∑h f 等，提供操作与控制必需的信息。

由于柏努利方程中的流动阻力损失∑h f 与流速的关系为非线性，故管路的操作型计算一般需要进行试差。

若已知阻力损失服从平方或一次方定律时，可将关系式直接代入柏努利方程计算流速，不需进行试差。

()

d R

e /,ε?λ=非线性函数

吸收塔

1

1

22

2

z 1

z 1

p 2

p

管路计算的一般原则

应用柏努利方程时，首先应根据具体问题在流体流动系统中确定衡算范围，也就是确定列出柏努利方程的两截面位置。截面位置的确定：

所选的计算截面既要与流体流动方向垂直（更严格地说应与流线垂直），截面上各点的总势能也应相等。因此截面应选在均匀管段且与管轴线垂直。

所选的两个截面应尽可能是已知条件最多的截面，而待求的参数应在两截面上或在两截面之间。

计算重力位能的基准水平面可任取，基准面处流体的重力位能为零。所以若使两计算截面之一为基准面可使方程简化。求解方程时应注意各项单位的一致性（J/kg 或Pa）。

柏努利方程是对稳定流动而言，在非稳定流动情况下则是针对某一瞬时而言。

容器B 内保持一定真空度，溶液从敞口容器A 经内径为30mm 导管自动流入容器B 中。容器A 的液面距导管出口的高度为1.5m ，管路阻力损失可按∑h f = 5.5u 2 计算（不包括导管出口的局部阻力），溶液密度为1100kg/m 3。

试计算：送液量每小时为3m 3 时，容器B 内应保持的真空度。

解：取容器A 的液面1-1截面为基准面，导液管出口为2-2截面，

在该两截面间列柏努利方程，有

f h u

g z p u g z p ∑+++=++2

222

222

111

ρρB

A

1

1

22

1.5m

抽真空

a

p p 真

()

a

u u g z p P 1054.2110018.10.681.95.15.524

22222

2?=??+?=???

? ??++=ρ真m

5.122=-=z p p p a 真

0111≈==u z p p a

2

2

2

5.55.5u

u h f ==∑s m 18.103

.0785.03600342

22=?==d V u πB

A

1

1

2

2

1.5m

抽真空

a

p p 真

水由水箱底部d =30mm 的泄水孔排出。若水面上方保持20mmHg 真空度，水箱直径D 为1.0m ，盛水深度1.5m ，试求(1)能自动排出的水量及排水所需时间；(2) 如在泄水孔处安装一内径与孔径相同的0.5m 长的导水管（虚线所示），水箱能否自动排空及排水所需时间（流动阻力可忽略不计。）

解：(1)设t 时箱内水深H ，孔口流速为u 0，以孔口面为基准

面，在水面与孔口截面间列柏努利方程，有

H

D

1.5m

d

p 真

0.5m

2

2

u

p gH p p a

a +

=+-ρρ

真

?

??

?

??+-=gH p u ρ真20

设d t 时间内液面下降高度为d H ，由物料衡算得

gH

ρ

p =真()m

27.081

.91000103.101760/203

=???==g p H ρ真()()3

22m 966.027.05.10.1785.05.14

=-??=-=

H D V π

()

s 556005.1203

.081.90

.1222d d 22

27

.05.122

27.05.122

0=-???=+-=?

?????

??

? ??+--==?gH

p gd D gH p H d D t t t ρ

ρ真

真u 0=0时，不再有水流出，此时

H

D t d u d 4

d 4

2

2

π

π

-

=H

D

1.5m

d

p 真

0.5m