资源简介

(共60张PPT)
模块一 流体输送技术
01
任务一 认识流体输送管路
02
任务二 计算管路中流体的参数
03
任务三 认识管路中的阻力
04
任务四 选择流体输送方式与相关计算
05
任务五 选用液体输送机械
06
07
任务六 选用气体输送机械
任务七 测定流体输送过程中的参数
09
综合案例
08
总结与归纳
03任务三认识管路中的阻力子任务1认识阻力产生的原因化工管路中产生的阻力，其原因包括内因与外因。内因外因主要包括流体的流动状态以及管路的性质等等。主要包括流体在流动过程中产生的内摩擦力，是由于流体本身的特性粘度。03任务三认识管路中的阻力一、流体阻力产生的内因——流体的粘度流体的典型特征是具有流动性，但不同流体的流动性能不同，这主要是因为流体内部质点间作相对运动时存在不同的内摩擦力。这种表明流体流动时产生内摩擦力的特性称为粘性。粘性是流动性的反面，流体的粘性越大，其流动性越小。流体的粘性是流体产生流动阻力的根源。03任务三认识管路中的阻力平板间液体速度变化对于一定的流体，内摩擦力F与两流体层的速度差du成正比，与两层之间的垂直距离dy成反比，与两层间的接触面积A成正比。F——内摩擦力，N；——法向速度梯度，即在与流体流动方向相垂直的y方向流体速度的变化率，1/s；μ——比例系数，称为流体的粘度或动力粘度，Pa·s。03任务三认识管路中的阻力单位面积上的内摩擦力称为剪应力，以τ表示，单位为Pa。公式称为牛顿粘性定律，表明流体层间的内摩擦力或剪应力与法向速度梯度成正比。剪应力与速度梯度的关系符合牛顿粘性定律的流体，称为牛顿型流体，包括所有气体和大多数液体；不符合牛顿粘性定律的流体称为非牛顿型流体，如高分子溶液、胶体溶液及悬浮液等。本章讨论的均为牛顿型流体。03任务三认识管路中的阻力粘度的单位粘度的单位常常用物理单位制下的cP（厘泊）表示，单位之间的换算关系为：1cP＝10-3Pa·s03任务三认识管路中的阻力粘度的物理意义流体流动时在与流动方向垂直的方向上产生单位速度梯度所需的剪应力。粘度是反映流体粘性大小的物理量。粘度也是流体的物性之一，其值由实验测定。流体的粘度大，在其他条件一定时，在管路中流动的阻力增大。液体的粘度，随温度的升高而降低，压力对其影响可忽略不计。气体的粘度，随温度的升高而增大，一般情况下也可忽略压力的影响，但在极高或极低的压力条件下需考虑其影响。03任务三认识管路中的阻力运动粘度流体的粘性还可用粘度μ与密度ρ的比值表示，称为运动粘度，以符号ν表示。ν=μ/ρ法定单位制中运动粘度的单位为m2/s，显然运动粘度也是流体的物理性质。cgs制中运动粘度的单位为cm2/s，称为斯托克斯，以st（沲）表示。1st=100cst（厘沲）=1×10-4m2/s。03任务三认识管路中的阻力混合物的粘度通常可以用实验来测定，也可以采用经验公式来计算。（1）低压混合气体的平均粘度式中:μm—— 混合气体的粘度，Pa·s；yi——混合气中i组分的摩尔分数；μi—— 混合气中i组分的粘度，Pa·s；Mi——混合气中i组分的分子量。03任务三认识管路中的阻力（2）不缔合混合液体的平均粘度式中:μm—— 混合液体的粘度，Pa·s；xi——混合液体中i组分的摩尔分数；μi—— 混合液体中i组分的粘度，Pa·s。 03
任务三认识管路中的阻力
二、流体阻力产生的外因——流体的流动型态
雷诺实验
03任务三认识管路中的阻力03任务三认识管路中的阻力二、流体阻力产生的外因——流体的流动型态雷诺实验层流：其质点作有规则的平行运动，各质点互不碰撞，互不混合。湍流：其质点作不规则的杂乱运动，并相互碰撞，产生大大小小的旋涡。流体流动型态示意图03任务三认识管路中的阻力（2）流体流动型态的判定①雷诺准数（Reynolds number）流体的流动型态主要与流体的密度ρ、粘度μ、流速u和管内径d等因素有关，并可以用这些物理量组成一个数群，称为雷诺准数（Re），用来判定流动型态。雷诺准数，无单位。Re大小反映了流体的湍动程度，Re越大，流体流动湍动性越强。Re反映了流体流动中惯性力与粘性力的对比关系，标志流体流动的湍动程度。其值愈大，流体的湍动愈剧烈，内摩擦力也愈大。03任务三认识管路中的阻力②流型判据（1）当Re≤2000时，流动为层流，此区称为层流区；（2）当Re≥4000时，一般出现湍流，此区称为湍流区；（3）当2000< Re <4000时，流动可能是层流，也可能是湍流，与外界干扰有关，该区称为不稳定的过渡区。03任务三认识管路中的阻力（3）流体在圆管中的速度分布层流时其速度分布曲线呈抛物线形。管壁处速度为零，管中心处速度最大。湍流时其速度分布曲线呈不严格抛物线形。管中心附近速度分布较均匀。03任务三认识管路中的阻力（4）湍流流体中的层流内层当管内流体做湍流流动时，管壁处的流速也为零，靠近管壁处的流体薄层速度很低，仍然保持层流流动，这个薄层称为层流内层。层流底层的厚度随雷诺准数Re的增大而减薄，但不会消失。层流底层的存在，对传热与传质过程都有很大的影响。湍流流动03任务三认识管路中的阻力层流内层的厚度与雷诺数之间的关系？03任务三认识管路中的阻力层流内层的厚度与流体的湍动程度有关，流体的湍动程度越高，即Re越大，层流内层越薄。层流内层的厚度与雷诺数之间的关系？03任务三认识管路中的阻力（5）边界层（Boundary layer）的形成由于边界层的形成，把沿壁面的流动简化成两个区域，即边界层与主流区。在边界层区内，垂直于流动方向上存在着显著的速度梯度，即使粘度较小，摩擦应力仍然相当大，不能忽略。在主流区速度梯度近似为0，摩擦应力可忽略不计，此主流区流体可视为理想流体。03任务三认识管路中的阻力（6）边界层的分离边界层要分离必须满足两个条件：一个是流体有粘性，第二个是流体必须流过物面。边界层分离的后果：产生大量旋涡，造成较大的能量损失。 03
任务三认识管路中的阻力
三、流体阻力产生的外因——管路的性质
管路的性质主要包括管路的组成，直管与弯管，各种管件及阀门，各种辅助装置（过滤器等），管材与管子的新旧程度及管路中截面的变化等等。
03任务三认识管路中的阻力在20℃条件下，前馏分的密度为830kg/m3，粘度为3cp，在圆形直管内流动，其流量为10m3/h，管子规格为φ89×3.5mm，试判断其流动型态。03任务三认识管路中的阻力03任务三认识管路中的阻力子任务2计算流体阻力阻力产生的原因，确定了影响阻力大小的因素主要包括管路的长度、流体的流速或运动状态、管路的特性（管路的粗糙程度、管路的直径等）等，采用相应的计算方法分别计算直管阻力与局部阻力，两者之和为整个管路的总阻力。03任务三认识管路中的阻力一、直管阻力1.范宁公式（Fanning Equation）直管阻力，也叫沿程阻力。直管阻力通常由范宁公式计算，其表达式为：式中hf——直管阻力，J/kg；——摩擦系数，也称摩擦因数，无量纲；l——直管的长度，m；d——直管的内径，m；u——流体在管内的流速，m/s。的值与反映流体湍动程度的Re及管内壁粗糙程度的ε大小有关。03任务三认识管路中的阻力流体在管中流动时产生的阻力是以压强变化方式表现出来的，压力变化可以采用下面的公式进行计算：（（N m/Kg） Kg/m3=N/m2=Pa）03任务三认识管路中的阻力2.管壁粗糙程度工业生产上所使用的管道，按其材料的性质和加工情况，大致可分为光滑管(Smooth pipes)与粗糙管(Roughness pipes)。通常把玻璃管、铜管、铅管和塑料管等列为光滑管，把钢管和铸铁管等列为粗糙管。实际上，即使是同一种材质的管子，由于使用时间的长短与腐蚀结垢的程度不同，管壁的粗糙度也会发生很大的变化。03任务三认识管路中的阻力绝对粗糙度绝对粗糙度是管道壁面凸出部分的平均高度，以ε表示。03任务三认识管路中的阻力绝对粗糙度03任务三认识管路中的阻力②相对粗糙度(Relative roughness)相对粗糙度是指绝对粗糙度与管径的比值，即ε/d。管壁粗糙度对摩擦系数的影响程度与管径的大小有关，所以在流动阻力的计算中，要考虑相对粗糙度的大小。管壁粗糙度对流动阻力或摩擦系数的影响，主要是由于流体在管道中流动时，流体质点与管壁凸出部分相碰撞而增加了流体的能量损失，其影响程度与管径的大小有关，因此在摩擦系数图中用相对粗糙度，而不是绝对粗糙度。03任务三认识管路中的阻力3.摩擦系数①层流时摩擦系数流体作层流流动时，流体层平行于管轴流动，层流层掩盖了管壁的粗糙面，同时流体的流动速度也比较缓慢，对管壁凸出部分没有什么碰撞作用，所以层流时的流动阻力或摩擦系数与管壁粗糙度无关，只与Re有关。将代入范宁公式，则：03任务三认识管路中的阻力②湍流时摩擦系数=f（Re，ε/d）根据雷诺准数的不同，可在图中分出四个不同的区域：（a）层流区当Re<2000时，与Re为一直线关系，与相对粗糙度无关。此时，即与u的一次方成正比。03任务三认识管路中的阻力管流摩擦系数与雷诺数及相对粗糙度的关系03任务三认识管路中的阻力（b）过渡区当2000<Re<4000时，管内流动类型随外界条件影响而变化，也随之波动。工程上一般按湍流处理，可从相应的湍流时的曲线延伸查取。（c）湍流区当Re>4000且在图中虚线以下区域时，与Re、都有关，当一定时，λ随Re的增大而减小，Re增大至某一数值后，λ下降缓慢；当Re一定时，λ随的增加而增大。03任务三认识管路中的阻力（d）完全湍流区即图中虚线以上的区域，与Re的数值无关，只取决于ε/d。-Re曲线几乎成水平线，当管子的ε/d一定时，为定值。在这个区域内，阻力损失与u2成正比，故又称为阻力平方区。由图可见，ε/d值越大，达到阻力平方区的Re值越低。03任务三认识管路中的阻力对于湍流时的摩擦系数λ，除了用莫狄图查取外，还可以利用一些经验公式计算。这里介绍适用于光滑管的柏拉修斯（Blasius）式：其适用范围为Re＝5×103～105。03任务三认识管路中的阻力流动状态Reλ阻力与流速的关系层流区Re<2000λ=64/Re， 与无关∝u1过渡区2000< Re <4000λ=f（Re，） 湍流区Re >4000λ=f（Re，）∝u1~2完全湍流区Re > Recλ=f（）与Re无关∝u2λ、Re、ε/d之间的关系归纳与总结03任务三认识管路中的阻力二、局部阻力局部阻力(form friction)是流体流经管路中的管件、阀门、流量计及截面的突然扩大和突然缩小等局部地方所产生的阻力。流体在管路的进口、出口、弯头、阀门、突然扩大、突然缩小或流量计等局部流过时，必然发生流体的流速大小和方向的变化，流动受到干扰、冲击，产生旋涡并加剧湍动或产生涡流现象，加剧了能量消耗，使流动阻力显著增加。局部阻力一般有两种计算方法，即阻力系数法和当量长度法。03任务三认识管路中的阻力或管件与阀门的局部阻力亦可仿照写成如下形式：在湍流流动情况下，某些管件与阀门的当量长度可由图的共线图查得。1.当量长度法03任务三认识管路中的阻力2.阻力系数法将局部阻力表示为动能的某一倍数。或或式中，ζ称为局部阻力系数，一般由实验测定。注意，计算突然扩大与突然缩小局部阻力时，u为小管中的大速度。进口阻力系数，出口阻力系数。03任务三认识管路中的阻力管路系统中的总阻力，应包括直管中的摩擦阻力、突然扩大、突然缩小以及管件与阀门的局部阻力，其计算通式可写为：局部阻力直管阻力三、流体在管路中的总阻力03任务三认识管路中的阻力（1）当量长度法当用当量长度法计算局部阻力时，其总阻力计算式为式中Σle——管路全部管件与阀门等的当量长度之和，m。（2）阻力系数法当用阻力系数法计算局部阻力时，其总阻力计算式为式中Σζ——管路全部的局部阻力系数之和。03任务三认识管路中的阻力总阻力的表示方法除了以能量形式表示外，还可以用压头损失Hf（1N流体的流动阻力，m）及压力降Δpf（1m3流体流动时的流动阻力，m）表示。它们之间的关系为：hf=HfgΔpf=ρhf=ρHfg03任务三认识管路中的阻力降低流动系统能量损失的途径1.管路尽可能短些，尽量走直线、少拐弯，也就是尽量减小L值；2.尽量不装不必要的管件和阀门等,即尽量减小ΣLe值；03任务三认识管路中的阻力四、管路计算管路计算按配管情况可分为简单管路和复杂管路，后者又可分为分支管路和并联管路。简单管路复杂管路管路分类直径不变异径管串联分支管路并联管路03任务三认识管路中的阻力在定态流动时,其基本特点为：①流体通过各管段的质量流量不变，对于不可压缩流体，则体积流量也不变，即qvS1=qvS2=qvS3②整个管路的总能量损失等于各段能量损失之和，即：∑hf=hf1+hf2+hf3（1）简单管路简单管路是指流体从入口至出口是在一条管路(管径可以相同，也可以不同)中流动，中间没有出现分支或汇总情况。03任务三认识管路中的阻力（2） 复杂管路并联管路主要包括分支、汇合和并联管路。流体分流后不再汇合称为分支管路，分流的管路重新回到一个管路称为汇合管路，流体分流以后又汇合在一起，称为并联管路。03任务三认识管路中的阻力分支管路与汇合管路特点：①总管流量等于各支管流量之和，对于不可压缩性流体。②虽然各支管的流量不等，但在分支点的总机械能为一定值，表明流体在各支管流动终了时的总机械能与能量损失之和必相等。03任务三认识管路中的阻力并联管路特点：①对于不可压缩性流体，主管中的流量为并联的各支管流量之和。②并联管路中各支管的能量损失均相等。注意：计算并联管路阻力时，可任选一根支管计算，而绝不能将各支管阻力加和在一起作为并联管路的阻力。03任务三认识管路中的阻力（3）非圆形管道的流动阻力对于非圆形管内的湍流流动，仍可用在圆形管内流动阻力的计算式，但需用非圆形管道的当量直径代替圆管直径。当量直径（equivalentdiameter,de）定义为总流的有效截面与流体与固体壁面的接触长度（湿润周边）比值。03任务三认识管路中的阻力对于套管环隙，当内管的外径为d1，外管的内径为d2时，其当量直径为:对于边长分别为a、b的矩形管，其当量直径为:03任务三认识管路中的阻力分别计算下列情况下，流体流过φ76×3mm、长10m的水平钢管的能量损失、压头损失及压力损失。（1）密度为910kg/m3、粘度为72cP的前馏分，流速为1.1m/s；（2）20℃的水，流速为2.2 m/s。03任务三认识管路中的阻力03任务三认识管路中的阻力03任务三认识管路中的阻力在一φ108×4mm、长20m的钢管中输送油品。已知该油品的密度为900kg/m3，黏度为0.072Pa·s，流量为32t/h。试计算该油品流经管道的能量损失及压力降。03任务三认识管路中的阻力03任务三认识管路中的阻力

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