流体输送与流体输送机械.pdf
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1、第三章 流体输送与流体输送机械 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
2、以描述流体流动基本规律的传递理论为基础。 概概 述述 流体输送管路计算的基本方程流体输送管路计算的基本方程 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 hz g p u hz g p u fe +=+ 2 22 2 2 1 11 2 1 22 d V A V u 2 4 = +=+ f e hgz pu h gz pu 2 2 2 2 1 1 2 1 22 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 往往接近于1.0。 对于流速较低的层流流动, 值与1.0 相差较大,但由于动能 项
3、在总能量中所占比例很小,也可不加校正。 流体输送管路计算的基本方程流体输送管路计算的基本方程 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 m 代替。 w hN ee = w h N N ee = f h包括所选截面间全部管路阻力损失 he 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,则实际消 耗的功率即流体输送机械的轴功率为: 注
4、意单 位! 管路计算的类型管路计算的类型 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 p2 和垂直高差 z2)和 流体的初始状态(静压强 p1、垂直 高差 z 1) 设计型: 吸 收 塔 11 22 2z 1z 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 he,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 管路计算的类型管路计算的类型 设计型: 费用 u 设备费 总费用 操作费 u最佳 20
5、40 3050 3大气压以下 过热水蒸气 EAE B,所以水 将由容器 C 流出,与泵 联合向容器 B供水。 【例【例【例【例3-63-63-63-6】 00 A 2m 12m B C BV CV C p uC需试差。步骤:初设 uC,算 Re,由 Re 与 /d 按摩擦系数 计算式试差计算出一个 值,将该 值和初设的 uC 代入比 较等式两边计算值,直到满意的计算精度。 2 C CAC C-A C 2 C f u l hEE d =+ 2 C 20 437.34392.646.40.751 0.032 C u =+ () 2 C 44.7333.34.075 C u =+ C 0.3 0.3
6、mm0.01 30 d =则 CCC4 C 3 0.03 1000 3 10 1.0 10 d uu Re u = CC 0.0391.62m/s u = 223 CC C 0.7850.031.624.12m h 4 d Vu = 3 C 154.1219.12m hV V +=+= 【例【例【例【例3-63-63-63-6】 (2) 要达到由泵向容器 C 输水 4.12m3/h,管路系统要求泵提供 的轴功率必须增加。由分支管路特 点,在水池液面与容器 C 的液面和管 路 B 出口处分别列柏努利方程有 OC C O-AA-C ff e hhEEh +=+ OB B O-AA-B ffehhE
7、Eh +=+ A-CC-A 44.7J kg ffhh = () CO C O-AA-C 437.3410024.1644.7406.2J kg ffehhEEh =+ =+= () 2 154.123600 2.41m s 0.7850.04 4 B B B V u d = 此条件下水在 AB 管段的流速 00 A 2m 12m B C BV CV C p 【例【例【例【例3-63-63-63-6】 00 A 2m 12m B C BV CV C p BB4 3 2.41 0.04 1000 9.64 10 1.0 10 d u Re = B 0.3 0.0075 40 d = 22 B B
8、 B A-B B 202.41 0.0356.4172.31J kg 20.042 f u l h d =+=+= BO B O-AA-B 119.6210024.1672.31116.09J kg ffehhEEh =+=+= C 406.2 15 1000 2819W2.89kW 36000.6 e w h N = 要完成此输送任务 AC 分支管路需泵提供的能量 heC 大于 AB 分支管路的 heB,泵的轴功率应满足 AC 管路的要求,所以 AB 管路则通过减小该支管上截止阀的开启度、增加管路阻 力,满足流量分配要求。 由 /dB 和 Re 值查图得 B=0.035 【例【例【例【例3-
9、73-73-73-7】 解:设三角形支管内流动均 进入了阻力平方区,因 此根据各支管的 /d 值 可直接查出或计算出相 应的摩擦系数 三角形供水管网,总管流量为1.2m3/s,各支管长 度分别为l1=600m、l2=600m、l3=800m,管径分别为d1=0.65m、 d2=0.6m、d3=0.5m。通过调节使 CD 支管流量为 BE 支管流量 的 1.5 倍。 V A B C 11,lV 22,l V 33,l V V5 V4 E D 试 求 : 管 网 中 各 管 的 流 量 。 =1000kg/m3,=1.010-3Pas, =0.25mm,不计局部阻力损失。 1 1 2 2 3 3
10、0.25 0.000380.0158 650 0.25 0.000420.0160 600 0.25 0.00050.0167 500 d d d = = = 【例【例【例【例3-73-73-73-7】 V A B C 11,lV 22,l V 33,l V V5 V4 E D 依据题意和连续性方程,各支管流量之间有如下关系 各支管阻力损失为 按管网的流向,并根据并联管路特点有 22 1111 2 111 12 5 11 22 22222 122 22 5 22 22 33332 133 32 5 33 8 66.29 2 8 100.17 2 8 346.89 2 f f f l ul V
11、hV dd l ul V hV dd l ul V hV dd = = = 312 fffhhh =+ 222 312 346.8966.29100.17 VVV =+ 4555 1.51.2 VVVV +=+= 5 0.48 V = 4 0.72 V = 125 0.48 VVV = 12 0.48 VV =+ 324 0.72 VVV += 联立求解方程组可得 333 123 0.806m s0.326m s0.394m s VVV = 23 72. 0VV= 【例【例【例【例3-73-73-73-7】 V A B C 11,lV 22,l V 33,l V V5 V4 E D在此流量分配
12、下,校核 值。 各支管的 Re 数为 可见,各支管的流动的确已进入或十分接近阻力平方区,原 假设成立,上述计算结果有效。 1116 1 3 1 2225 2 3 2 3336 3 3 3 44 10000.806 1.58 10 3.140.65 10 44 10000.326 6.92 10 3.140.6 10 44 10000.394 1.00 10 3.140.5 10 d uV Re d d uV Re d d uV Re d = = = 可压缩流体的管路计算可压缩流体的管路计算 从欧拉方程出发可导出单位质量理想流体沿迹线微小位移过 程中压力梯度与重力作功引起流体动能的改变量 对圆管
13、中的稳态流动,迹线与流线重合,沿迹线的微小位移 等价于沿管轴线流动的微元长度 dl。 对实际粘性流体,在该微元流动长度内摩擦力作功应为 2 d dd 2 up g z = 摩擦力作功总是使流体 机械能减少 2 d d 2 f l u h d = 22 dd dd 22 upl u g z d = 在一定条件下积分上式即可得到可压缩粘性流体在直管内流 动的机械能衡算方程。 可压缩流体的管路计算可压缩流体的管路计算 用质量流速 G 将流速 u 表达为: 式中流体比容 同时将 Re 表达为 由于摩擦系数 =(Re,/d),对等径管而言,d、G 为常数, 在等温或温度改变不大的情况下气体粘度 也基本为
14、常数, 即 Re 数和 d 均为常数因此 沿管长不变。在此条件下有: G uG = 1 = dudG Re = 2 2 2 ddd d0 2 pg zG Gl d += 可压缩流体的管路计算可压缩流体的管路计算 气体比容的变化一般可按理想气体 p-V-T 关系处理: 等温过程 绝热过程 多变过程 、k 气体的绝热指数和 多变指数 p=常数 p =常数 k p=常数 选取适合过程特征的表达式即可积分得到粘性气体输送管路 计算基本公式。 以多变过程为例: 1 2 22 12 11 1 ln10 12 k k kppG Gl kpd + += + 由于气体密度小其位能改变可以忽略不计,积分上式可得
15、2 1 2 22 1 d ln0 2 p p pG Gl d += 可压缩流体的管路计算可压缩流体的管路计算 平均压强 可压缩流体在直管内流动的静压能下降,一部分用于流体膨 胀动能增加,另一部分用于克服摩擦阻力损失。 若流体膨胀程度不大,上式右端括号中第一项可以忽略,则 与不可压缩流体水平直管中流动的柏努利方程相一致。 管路设计时是否按可压缩流体处理主要是看流体膨胀的程 度,并结合上式右端括号中两项的相对大小来判定。 2 21 pp pm + = 12 2 m ppM RT + = += d l p pGpp mm 2 ln 2 1 2 2 21 平均密度 代入上式并整理可得 等温过程 k =
16、 1,从上式可得 222 22 21 11 1 ln0 22 ppG Gl pd +=0 22 ln 22 1 2 2 2 1 2 =+ +l d G MRT pp p p G 【例【例【例【例3-83-83-83-8】 解:煤气的平均密度为 煤气质量流速 忽略输送管线两端的 高差,对等温流动 压强 0.32MPa(表压),温度298K的煤气,以 0.35Nm3/s 的流量送往 150m(包括局部阻力的当量长度)外的 燃烧喷嘴。要求进喷嘴前煤气的压强不低于 0.07MPa(表 压),求煤气输送管道直径。(假设流动为等温,煤气平均分 子量为 13,粘度为 1.6110-5Pas,大气压强为 0.
17、1MPa) () 3 3 12 0.420.1701013 1.548kg/m 22 8.314298 m ppM RT + = () 2 2 0.35 22.4130.259 4 W G Ad d = 2 1 12 2 ln 2 m Gpl pp pd =+ 【例【例【例【例3-83-83-83-8】 取管道 设选用DN40的水煤气管,管内径 整理得 5 4 1 2.50 100.03923.25 dd =+ 0.2 0.2mm dd = 4 5 0.25911 1.61 10 1.61 10 Gd Re dd = 4 5 0.21.61 10 0.00493.93 10 410.041 R
18、e d = 4823.541mmd= 代入数据 () 2 6 4 0.2590.42150 0.420.1710ln 1.5480.172dd =+ 若等式右端小于等式左端,则可满足要求 【例【例【例【例3-83-83-83-8】 查图查得 = 0.029,得 用DN50管,流动阻力损失小于允许的压降,且略有裕量。 表明若使用 DN40 管,管路允许的压降 p 不足以克服流动 阻力,因此应加大管径以降低阻力。 重选DN50管,管内径 6023.553mmd= 4 5 0.21.61 10 0.003773.04 10 530.053 Re d = 5 4 10.029 0.03923.252.
19、30 10 0.0530.053 =+= 右边 右边左边 非牛顿流体流动与阻力计算非牛顿流体流动与阻力计算 塑性流体 K 稠度系数 n 流变指数 非牛顿流体的主要类型及本构方程非牛顿流体的主要类型及本构方程 牛顿流体 塑性流体 假塑性流体 涨塑性流体 du dy 0 假塑性流体与涨塑性流体(幂律流体) d d y u y =+ y u y u K n d d d d 1 = 1 d d n a u K y = 表观粘度 n 1 牛顿流体;n 1 假塑性流体;n 1 涨塑性流体。 假塑性流体出现剪切稀化现象(如不对称长链高分子); 涨塑性流体出现剪切增稠现象(如水中含有淀粉硅酸钾和 阿拉伯树胶等
20、的混合体系)。 幂律流体管内流动的阻力损失幂律流体管内流动的阻力损失 注意到柱座标系下 du/dr 0,H 随 V 增加而减 少; (3)前弯叶片:2 90o,ctg2 0, R 1/2 ; (3)前弯叶片: 2 90o,cos2 nn LH H H LH H= 0H H LVH HV V 离心泵的调节与组合离心泵的调节与组合 离心泵的并联和串联离心泵的并联和串联 有大幅度调节要求时,可以采取多 泵组合安装的方式。将组合安装的离心泵视为一个泵组,根 据并联或串联工作的规律,可以作出泵组的特性曲线(或称 合成特性曲线),据此确定泵组的工作点。 并联操作:泵在同一压头下工作,泵组的流量为该压头下各
21、 泵对应的流量之和。 与单台泵在同一管路中的 工作点1相比,并联管组 不仅流量增加,压头也随 之有所增加,因为管路阻 力损失增加。 同一管路系统中并联泵组 的输液量并不能达到两台泵单独工作时的输液量之和。 V1VV2 1 2 I 1H 2H LH H LVH VH并 HV 离心泵的调节与组合离心泵的调节与组合 离心泵的并联和串联离心泵的并联和串联 串联操作:泵送流量相同, 泵组的扬程为该流量下各泵 的扬程之和。 V1V2V 1 2 I II 1H 2H LH H HV 串 LHV H V 0 与同一管路中单台泵工作点1相比,串联泵组不仅提高了扬 程,同时还增加了输送量。正因为如此,在同一管路系
22、统中 串联泵组的扬程不能达到两台泵单独工作时的扬程之和。 离心泵的类型与选用离心泵的类型与选用 离心泵类型离心泵类型 1 - 泵体;2 - 泵盖; 3 - 叶轮;4 - 轴; 5 - 密封环; 6 - 叶轮螺母; 7 - 止动垫圈; 8 - 轴盖; 9 - 填料压盖; 10 - 填料环; 11 - 填料; 12 - 悬架轴承部件 清水泵(IS、D、Sh 型) 广泛用于工矿企业、城市给排水和各种水利工程,也可用于 输送各种不含固体颗粒的、物理化学性质类似于水的介质。 单级单吸式离心清水泵,系列代号为“IS”,结构简图如下: 化工生产中常用清水泵、耐腐蚀泵、油泵、杂 质泵、液下泵、屏蔽泵等。 离心
23、泵的类型与选用离心泵的类型与选用 清水泵 DFW 型卧式离心泵 IS、IR 型单级单吸离心泵 ISG 型管道离心泵 离心泵的类型与选用离心泵的类型与选用 若需要的扬程较高,则可选 D 系列多级离心泵 1吸入段;2中段;3压出段;4轴;5叶轮; 6导叶;7轴承部 1 2 3 4 5 6 7 离心泵的类型与选用离心泵的类型与选用 D 系列多级离心泵 TSWA 型卧式多级泵 TSWA型卧式多级泵 T 透平式 S 单吸泵 W 介质温度低于80 A 第一次更新 DL 型立式多级泵 离心泵的类型与选用离心泵的类型与选用 离心泵的类型与选用离心泵的类型与选用 1泵体;2泵盖;3叶轮;4泵轴;5密封环;6轴套
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