化工原理2解析Word格式.docx
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2-7影响离心泵最大允许安装高度的因素有哪些?
2-8什么是液体输送机械的扬程(或压头)?
离心泵的扬程与流量的关系是怎样测定的?
液体的流量、泵的转速、液体的黏度对扬程有何影响?
2-9管路特性方程中的与的大小,受哪些因素的影响?
三、本章例题
例2-1某油田通过φ300×
15mm的水平钢管将原油输送至炼油厂。
管路总长为1.6×
105m,输油量要求为250×
103kg/h,现已知油在输送温度下的粘度为0.187Pa·
s,密度为890kg/m3。
该油管的局部阻力可忽略,现决定采用一种双吸五级油泵,此泵在适宜工作范围内的性能列于本例附表1中。
附表1
Q/(m3/h)
200
240
280
320
H/m
500
490
470
425
注:
表中数据已作粘度校正。
试求在整个输油管路上共需几个泵站?
实际输送量为若干kg/h。
解:
油的体积流量Q==280.9m3/h
管内流速u==1.363m/s
Re==1751<2000为滞流
因原油在直管内作滞流流动,故:
管路压头损失Hf=
=2050m
由附表1单台泵的特性数据查出:
当Q=280.9m3/h时,H=467.5m
初估泵系数n==4.385
故应采用5个泵站。
根据串联原理,用同规格5台泵串联的压头为单台泵的5倍,计算出数据列于本题附表2中。
附表2
2500
2450
2350
2125
将以上数据标绘在本题附图中,得泵的串联合成特性曲线。
因输送管路为水平直管,故管路特性曲线方程为:
He=Hf===7.302Qe2
将此管路特性曲线方程标绘在本题附图中,得泵的串联合成特性曲线。
管路特性曲线与泵合成特性曲线的交点,即为工作点,其对应的流量、压头分别为:
QM=305m3/hHM=2230m
故实际输油量为
Wh=305×
890=271×
103kg/h
例2-2某水泵性能参数列于本题附表1中。
现有两个管路系统,他们的管路特性方程分别为:
He=15+0.077Qe2
及He=15+0.88Qe2
为提高管路系统的供水量,每条管路系统均用两台相同的泵进行组合操作,试比较各个管路系统泵的最佳组合方式及最大流量为若干。
附表1
Q/(L/s)
1
3
5
7
9
11
33.8
34.7
34.6
31.7
27.4
21.8
15
解:
先按题给已知数据画出单台泵的特性曲线M1M2,按压头不变流量加倍的原则,画出二台泵并联时的合成特性曲线AC,又按流量不变压头加倍的原则,画出二台泵串联时的合成特性曲线DB。
对于第一种管路系统,按He=15+0.077Qe2计算出不同Qe下对应He,计算结果列于本题附表2中,然后在本题附图中画出管路特性曲线ABM1。
附表2
He/m
15.077
15.69
16.93
18.77
21.24
24.32
由图可读出泵并联时的工作点AQA=13.1L/s
泵串联时的工作点BQB=11.6L/s
单台泵工作点M1QM=9.2L/s
由此可见,对于第一种管路系统,即管路特性曲线较平坦的低阻管路,用两台泵并联组合,可获得高的流量,最大流量为13.1L/s。
对于第二种管路系统,按He=15+0.88Qe2计算出不同Qe下对应的He,计算结果列于本题附表3,然后在本题附图中画出管路特性曲线DCM2。
附表3
15.88
22.92
37.0
58.12
86.28
由图读出泵并联时的工作点C的流量QC=4.7L/s。
泵串联时的工作点D的流量QD=6.8L/s
单台泵操作时其工作点M2的流量QM2=4.45L/s。
由此可见,对于管路特性曲线较陡的高阻管路,用二台泵串联可获得较大的流量,最大流量为68L/s。
例2-3在图示管路中装有一台离心泵,离心泵的特性曲线方程为(式中的单位用m3/s表示,的单位用m表示),管路两端的位差,压差。
用此管路输送清水时,供水量为10×
10-3m3/s,且管内流动已进入阻力平方区。
若用此管路输送密度为1200kg/m3的碱液,阀门开度及管路两端条件皆维持不变,试求碱液的流量和离心泵的有效功率为多少?
联立管路两端之间的机械能衡算式与泵特性方程可得
据题意,当供水量为10×
10-3m3/s时,泵的压头为
故
因流动进入阻力平方区,且阀门开度不变,用此管路输送碱液K值不变,此时的管路特性方程可由两端面之间的机械能衡算式求得:
而泵特性方程与流体密度无关,由泵和管路特性方程联立
得
离心泵的有效功率为
当此管路输送水时,
,
从本例计算结果可以看出,用同样的管路和离心泵输送密度较大的液体,流量不会降低(如管路两端压强相同,压头、流量与流体密度无关)。
但离心泵的功率与密度成正比,需注意防止电机过载。
例2-4某工艺过程需要使用温度为294K、压强为101.33kPa、流量为1700m3/h的空气。
现用一台离心通风机,从温度为366.3K、压强为98.9kPa的静止空间吸入空气,由风机排出的空气温度不变,压强为102.6kPa,气体速度为46m/s,风机的效率为60%,试计算风机的轴功率。
风机前后压强变化与吸入压强之比为:
=
空气虽为可压缩气体,但由上式计算结果知,可将空气当作不可压缩流体处理。
用平均压强计算空气的平均密度:
kPa
kg/m3
要求输送空气的摩尔流量为:
kmol/h
以上流量换算成吸入状态下的体积流量为:
m3/h
风机操作条件下的风压
=4715Pa
风机的轴功率kW
例2-5气体密度对风机流量的影响
用离心泵通风机将空气送至表压为490.5Pa的锅炉燃烧室,通风机的特性曲线如图所示。
已知在夏季(气温为20℃,大气压为101.3kPa)管路中的气体流量为2.4kg/s,且流动已进入阻力
平方区。
试求在冬季气温降为-20℃,大气压不变,此管路中的气体流量为多少?
由给定条件可知,在夏季气体状态与特性曲线试验条件相同,空气密度。
通风机在夏季的体积流量
由通风机特性曲线查得,此时风机产生的风压力为。
通风机的工作点()必落在下列管路特性曲线上,故
由此式可求得系数
在冬季,空气密度为
因管内流动已进入阻力平方区,K值不变,故在冬季管路所需要的风压与流量的关系为
将上式左端换算成试验条件下的风压,则
上式即相应于冬季工作条件的管路特性曲线。
此管路特性曲线与泵特性曲线交点A即泵在冬季的工作点。
由点A可知,在冬季管路的体积流量为2.03m3/s,质量流量为2.03×
1.4=2.84kg/s。
与夏季相比,质量流量增加了
从此例可以看出,当气体的压缩性可以忽略时,气体输送管路计算与液体输送管路相同,也是联立求物料衡算式、机械能衡算式、阻力系数计算式和泵特性曲线方程式。
所不同的是通风机的特性曲线是以单位体积气体为基准表示的,与气体密度有关。
因此,当被输送气体不是在常温常压下的空气时,管路特性曲线应事先加以换算。
从此例还可以看出,同样的管路输送气体,气体的温度降低,密度增大,质量流量可能显著增加。
例2-6根据输送任务确定管径与相应的离心泵
欲将池水以的流量送至高位槽,高位槽水面比水池液面高13米,管长为50米,管路内有90°
弯头2个,全开闸门阀一个,入口底阀一个(),试在常用流速范围内选择两个流速,分别计算管径并选用适当的泵。
本例属设计型问题。
在设计型问题中泵尚未
确定,泵的特性曲线方程未知,故只有以下三式可用:
物料衡算式
能量衡算式
直管阻力系数计算式
在以上三式中,含有、、、、、、、、、、和共12个变量,其中已知、、、、、、和(随管材的选择而定),但问题仍没有确定的解。
设计者选择不同的流速,计算管径和所需压头,然后根据流量和压头选用相应的泵,并从中选出最优的方案。
根据水在管内的常用流速(1~3m/s)范围,选择以下两种流速进行计算:
(1)选择,则
根据产品规格,采用热轧钢管,=82mm,管壁粗糙度取=0.2mm,管内流速为
、
查得。
管路所需压头为
根据,,可选用IS80-65-125型水泵。
(2)选择,则
采用热轧钢管,,,则
,
根据,,可选用IS80-65-160型水泵。
两种管径所需压头之比为28.1/17.9=1.57,显然,采用较大管径可减小能耗。
但究竟选择哪一个方案,还应按使用年限计算管路和离心泵的折旧费,综合考虑操作费和折旧费后,以总费用较小者为佳。
例2-7输送管路对外加功的需求
在图示管路中装有离心泵,吸入管直径,长,阻力系数,压出管直径,长,阻力系数,在压出管E处装有阀门,其局部阻力系数,
管路两端水面高度差H=10m,泵进口
高于水面2m,管内流量为。
试求:
(1)每千克流体需从离心泵获得多少机械能?
(2)泵进、出口断面的压强和各为多少?
(3)如果是高位槽中的水沿同样管路向下流出,
管内流量不变,问是否需要安装离心泵?
(1)泵吸入管内的流速为
泵压出管内的流速为
在断面1-1和2-2之间列机械能衡算式,并移项整理得:
克服阻力损失所需能量仍然是由势能直接提供的。
从以上计算结果可以看出,流体所获得的外加功主要用于克服管路阻力和增加流体的势能。
对于通常管路,动能增加项很小,可以忽略不计。
(2)以断面1-1为基准,在断面1-1和C-C之间列机械能衡算式可得
在断面D-D和2-2之间列机械能衡算式可得
在断面C-C和D-D之间机械能衡算式得
此结果表明,输送机械能对流体做功的最终结果主要是增加了流体的压强能。
(3)在断面2-2和1-1之间列机械能衡算式,可求出沿同一管路(无泵)输送同样流量所需要的势能差为
管路两端流体的实际势能差为
因,所以单靠势能差不足以克服管路在规定流量下的阻力,所差部分需要输送机械提供。
四、本章习题
选择题、填空题
2-1用离心泵从水池抽水到水塔中,设水池和塔液面维持恒定,若离心泵在正常操作范围内工作,开大出口阀将导致()。
(A)送水量增加,泵的压头下降;
(B)送水量增加,泵的压头增大
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