任務二 流體流動阻力的測定
【任務引入】
流體輸送過程是化工生產(chǎn)過程中一個關鍵的環(huán)節(jié)，流體物料輸送的操作方法是必須要掌握的技能，同時在輸送過程中物料量的變化和能量變化也是要掌握的理論基礎。現(xiàn)通過下面測定輸送體積濃度為50%的乙二醇水溶液及質量分數(shù)為20%的氯化鈉水溶液過程的阻力的操作，學習送料操作方法、設備結構及其理論基礎。
【任務實施】
一、識讀工藝流程圖
流體阻力測定流程圖如圖1-5所示。
圖1-5 流體阻力測定流程圖
二、操作規(guī)程
1.光滑管阻力測定及閘閥局部阻力測定
①到參數(shù)設置界面（東方仿真系統(tǒng)）設置流體阻力測定操作的可變參數(shù)：直管內徑、流體物料種類，點“參數(shù)記錄”記錄到實驗報表中。
②打開離心泵電源開關，打開光滑管路中的閘閥V07。
③調節(jié)小轉子流量計調節(jié)閥V05，在儀表面板中觀察光滑管壓差數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，到直管阻力數(shù)據(jù)界面中記錄光滑管管路數(shù)據(jù)。重復調節(jié)V05，記錄4組以上的數(shù)據(jù)。
④當小轉子流量計滿開度后，關閉小轉子流量計調節(jié)閥，調節(jié)大轉子流量計調節(jié)閥V04開度，在儀表面板中觀察光滑管壓差數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，到直管阻力數(shù)據(jù)界面中記錄光滑管管路數(shù)據(jù)。重復調節(jié)V04，記錄10組左右的數(shù)據(jù)。
⑤在實驗報表里的“光滑管數(shù)據(jù)”查看實驗結果數(shù)據(jù)，可選中某行刪除不合理數(shù)據(jù)，點擊實驗報告查看數(shù)據(jù)和光滑管λ～Re（λ為阻力系數(shù)，Re為雷諾數(shù)）曲線。
⑥光滑管阻力測定結束后，將大轉子流量計調節(jié)閥開到最大開度，在儀表面板中觀察閘閥遠、近點壓差數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，到局部阻力數(shù)據(jù)界面中記錄閘閥局部阻力數(shù)據(jù)一組。
⑦到實驗裝置圖中關閉閘閥和大轉子流量計調節(jié)閥，關閉離心泵電源開關。
2.粗糙管阻力測定及截止閥局部阻力測定
①打開粗糙管截止閥。
②調節(jié)小轉子流量計的調節(jié)閥V05，在儀表面板中觀察粗糙管壓差數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，到直管阻力數(shù)據(jù)界面中記錄粗糙管管路數(shù)據(jù)。重復調節(jié)V05，記錄4組以上的數(shù)據(jù)。
③當小轉子流量計滿開度后，關閉小轉子流量計調節(jié)閥，調節(jié)大轉子流量計調節(jié)閥開度V04，在儀表面板中觀察粗糙管壓差數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，到直管阻力數(shù)據(jù)界面中記錄粗糙管管路數(shù)據(jù)。重復調節(jié)V04，記錄4～6組的數(shù)據(jù)。
④當流量大于1m3/h時，選擇渦輪流量計測量，即關閉大小轉子流量計調節(jié)閥，打開主管路調節(jié)閥，再測4組數(shù)據(jù)。
⑤在實驗報表里的“粗糙管數(shù)據(jù)”中查看實驗結果數(shù)據(jù)，可選中某行刪除不合理數(shù)據(jù)，點擊實驗報告查看數(shù)據(jù)和粗糙管λ～Re曲線。
⑥關閉主管路調節(jié)閥，將大轉子流量計調節(jié)閥開至最大開度，在儀表面板中觀察截止閥遠、近點壓差數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，到局部阻力數(shù)據(jù)界面中記錄截止閥局部阻力數(shù)據(jù)一組。
⑦關閉截止閥和大轉子流量計調節(jié)閥，關閉離心泵電源開關。
【任務評價】
①根據(jù)生產(chǎn)任務正確選擇適宜的流程；
②掌握流體流動過程的阻力測定方法；
③在仿真系統(tǒng)調控過程中觀察參數(shù)變化，并分析阻力系數(shù)與雷諾數(shù)間的關系及其變化規(guī)律；
④在流量調節(jié)過程中，熟悉不同類型流量計的測量原理、使用方法及其特性。
【知識鏈接】
知識點一 連續(xù)性方程
一、流量與流速
1.流量
流量是指單位時間內流過管道任一截面的流體量。若流量用體積來計量，則稱為體積流量，符號為Vs，單位為m3/s；若流量用質量來計量，則稱為質量流量，符號為Ws，單位為kg/s。
質量流量和體積流量之間的關系為：
Ws=Vsρ （1-1）
2.流速
流速是指單位時間內流體在流動方向上所流過的距離，符號為u，單位為m/s。實驗證明流體流經(jīng)管道任一截面時，流速沿徑向方向各不相同，故流體的流速通常是指整個管道截面上的平均流速，其表達式為：
（1-2）
式中，A是指與流動方向相垂直的管道截面積，m2。對于圓管，
3.流量檢測
通常把測量流量的儀表稱為流量計，把測量總量的儀表稱為計量表。流量的檢測方法有很多，所對應的檢測儀表種類也很多，如表1-4所示。
表1-4 流量檢測儀表分類比較
（1）轉子流量計 轉子流量計由一個截面積自下而上逐漸擴大的錐形玻璃管構成，管內裝有一個由金屬或其他材料制作的轉子，如圖1-6所示。流體自玻璃管底部流入，經(jīng)過轉子與玻璃管間的環(huán)隙，由頂部流出。轉子流量計的節(jié)流面積是隨流量改變的，而轉子上下游的壓差是恒定不變的，因此也稱轉子流量計為變截面型流量計。轉子流量計的讀數(shù)是在出廠前一般用一定條件下的空氣或水標定的，當用于測量其他流體流量或條件變化時，必須對原刻度進行校正。
圖1-6 轉子流量計
（2）孔板流量計 孔板流量計是由管路中安裝一片中央帶有圓孔的孔板構成的，孔板兩側連接上U形管壓差計，其構造如圖1-7所示。孔板流量計的孔板兩側壓差是隨流量改變的，但其節(jié)流面積是不變的，因此也稱孔板流量計為變壓差流量計。
圖1-7 孔板流量計
孔板流量計安裝在水平管段中，前后要有一定的穩(wěn)定段，通常前面穩(wěn)定段長度約為（15～40）d，后面為5d，孔板中心位于管道中心線上。
（3）文丘里流量計 孔板流量計結構簡單，制造、安裝方便，應用很廣。但流體流經(jīng)孔口時，因流通截面突然收縮和突然擴大，損失壓頭較大。考慮此項損失，出現(xiàn)了文丘里流量計（如圖1-8所示），它是由一段逐漸縮小和逐漸擴大的管子加上U形管壓差計組成的。其測量原理與孔板流量計相似。
圖1-8 文丘里流量計
二、連續(xù)性方程——連續(xù)穩(wěn)態(tài)流動操作系統(tǒng)的質量守恒
設流體在如圖1-9所示的管路中做連續(xù)穩(wěn)態(tài)流動，從截面1-1流向截面2-2。若在管路兩截面間無流體漏損，根據(jù)質量守恒定律，
圖1-9 連續(xù)性方程式系統(tǒng)示意圖
從截面1-1流入的流體質量流量Ws1等于截面2-2流出的流體質量流量Ws2，即可得：
Ws1=Ws2 （1-3）
則有
Vs1 ρ1=Vs2 ρ2 （1-4）
即
u1A1ρ1=u2A2ρ2 （1-5）
以上三式均稱為連續(xù)性方程。
對于不可壓縮流體，ρ1=ρ2，則：u1A1=u2A2
對于圓管則可得：
（1-6）
即在穩(wěn)定流動系統(tǒng)中，流體流過不同大小的截面時，其流速與管徑的平方成反比。
式中 Ws1、Ws2——截面1-1和截面2-2處流體的質量流量，kg/s；
u1、u2——截面1-1和截面2-2處流體的流速，m/s；
A1、A2——截面1-1和截面2-2處的流通截面積，m2；
ρ1、ρ2——截面1-1和截面2-2處流體的密度，kg/m3；
Vs1、Vs2——截面1-1和截面2-2處流體的體積流量，m3/s；
d1、d2——截面1-1和截面2-2處的管內徑，m。
三、連續(xù)性方程式的應用——管子的選用
1.管子的選用
根據(jù)被輸送介質和操作條件，既滿足生產(chǎn)的安全要求，又要滿足經(jīng)濟上合理的原則進行選擇。凡是能用低一級的，就不要用高一級的；能用一般材料的，就不選用特殊材料。
2.管徑的估算
由管道中流體流量與流速和管徑的關系式（1-2）可得：
（1-7）
生產(chǎn)中，流量由生產(chǎn)能力確定，一般是不變的，選擇流速后，即可初算出管子的內徑。工業(yè)上常用流速范圍可參考表1-5。
表1-5 某些流體在管道中的常用流速
【例1-1】 現(xiàn)欲安裝一低壓的輸水管路，水的流量為7m3/h，試確定管子的規(guī)格，并計算其實際流速。
解 因輸送低壓的水，故選鍍鋅的水煤氣管。由表1-5知，將水的流速定為1.5m/s，則
查附錄中管子規(guī)格表，DN40的水煤氣管（普通管）的外徑為48mm，壁厚為3.5mm，實際內徑為48-2×3.5=41（mm）=0.041（m）。
實際流速為
知識點二 伯努利方程
一、伯努利方程式——連續(xù)穩(wěn)態(tài)流動操作系統(tǒng)的能量守恒
1.伯努利方程
對于1kg流體，如圖1-10系統(tǒng)所示，流體從截面1-1流入，從截面2-2流出，該系統(tǒng)所的能量包括：位能（gz）、動能（u2/2）、壓能（靜壓能：p/ρ）、泵的外加能量（We）、阻力損失能量（∑hf），單位均為J/kg。
圖1-10 伯努利方程式系統(tǒng)示意圖
在截面1-1和截面2-2間做能量衡算可得伯努利方程：
（1-8）
對于單位重量流體，則
（1-9）
式中 z1、z2——分別是截面1-1、截面2-2的高度，m；
u1、u2——分別是截面1-1、截面2-2的流體流動速度，m/s；
p1、p2——分別是截面1-1、截面2-2的靜壓力，kPa；
We——系統(tǒng)內輸送機械提供給單位質量流體的外加能量，J/kg；
He——系統(tǒng)內輸送機械提供給單位重量流體的外加能量，稱為外加壓頭，m，He=We/g；
∑hf——單位質量流體損失的能量，J/kg；
∑Hf——單位重量流體損失的能量，也叫損失壓頭，J/N可略寫為m，∑Hf=∑hf/g。
2.靜止流體的能量衡算
當流體為靜止時，流速為零，也無外加能量和能量損失。此時的伯努利方程為：
整理得：
p2=p1+ρg（z1-z2） （1-10）
對于容器內的液體來說，設其上表面的壓力為p0時，距液面任意距離h處作用于其上的壓力為p，則由上式可改寫為：
p=p0+ρgh （1-11）
式（1-10）、式（1-11）稱為靜力學基本方程式，是描述靜止流體內部壓力沿著高度變化的數(shù)學表達式。
由上式可見：
①當容器液面上方的壓力p0一定時，靜止液體內部任一壓力p的大小與液體本身的密度和該點距液面的深度有關。因此，在靜止的、連續(xù)的同一種液體內，處于同一水平面上的各點，因其深度相同，其壓力亦相等。此壓力相等的水平面稱為等壓面。
②當液面上方壓力有變化時，液體內部各點的壓力也發(fā)生同樣大小的改變。
圖1-11 U形管壓差計測量原理
③式（1-11）可改寫成
（1-11a）
說明壓力差的大小可以用一定高度的液體柱來表示。
以靜力學基本方程式為依據(jù)，用于測量壓力或壓力差時的測量儀器統(tǒng)稱為液柱壓差計，典型的是U形管壓差計，其結構如圖1-11所示。
U形管壓差計：指示液密度為ρ0。指示液必須與被測液體不發(fā)生化學反應且不互溶，ρ0必須大于流體的密度ρ。常用的指示劑為水、四氯化碳、水銀等。根據(jù)靜力學基本方程式可得：
p1-p2=（ρ0-ρ）gR （1-12）
U形壓差計也可測量流體的壓力，測量時將U形管一端與被測點連接，另一端與大氣相通，此時測得的讀數(shù)R所反映的是管道中某截面處流體的絕對壓力與大氣壓力之差，即為表壓。
3.伯努利方程的應用
（1）應用要點 應用伯努利方程解決實際問題時，需注意以下要點：
①作圖與確定衡算范圍。首先根據(jù)問題的內容或題意畫出流動系統(tǒng)的示意圖，定出上下游截面，注明有關參數(shù)，指出流動方向確定衡算范圍。
②截面的選取。截面可以是貯槽液面、管出口、高位槽液面等，選取的兩截面與流動方向垂直，并且兩截面間的流體必須是連續(xù)的。所求未知量應在截面上或截面間，且截面上的z、u、p等有關物理量，除所需求取的未知量外，都應該是已知的或能通過其他關系式計算出來。
③基準水平面的選取。基準水平面可任意選取，但必須與地面平行（水平管路為中心線）。
④單位必須一致。伯努利方程式中各物理量的單位應統(tǒng)一使用SI制單位，其中壓強除要求單位一致外，還要求表示方法一致，可用絕對壓強，也可用表壓，但必須統(tǒng)一。
（2）應用范圍
①確定設備間的相對位置。在化工生產(chǎn)中，有時為了完成一定的生產(chǎn)任務，需確定設備間的相對位置，如利用高位槽向某設備加料，只要槽內液面穩(wěn)定，加料的流量即可穩(wěn)定，需要根據(jù)任務需求來確定高位槽高度。
②確定管路中流體的流速或流量。流體流量是化工生產(chǎn)和科學實驗中的重要參數(shù)之一，往往需要測量和調節(jié)其大小，使操作穩(wěn)定、生產(chǎn)正常，以制得合格產(chǎn)品。
③確定流體流動所需的壓力。在化工生產(chǎn)中，對近距離輸送腐蝕性液體時，可采用壓縮空氣或惰性氣體來取代輸送機械，這時要計算為滿足生產(chǎn)任務所需壓縮空氣的壓力大小。
④確定流體流動所需的外加機械能。用伯努利方程式計算管路系統(tǒng)的外加機械能或外加壓頭，是選擇輸送機械型號的重要依據(jù)，也是確定流體從輸送機械獲得的有效功率的主要依據(jù)。
【例1-2】 某化工廠用泵將堿液輸送至吸收塔頂，經(jīng)噴嘴噴出，如圖1-12所示。泵的進口管為?108mm×4.5mm的鋼管，堿液在進口管中的流速為1.5m/s，出口管為?76mm×2.5mm的鋼管，貯液池中堿液的深度為1.5m，池底至塔頂噴嘴上方入口處的垂直距離為20m，堿液經(jīng)管路的摩擦損失為30J/kg，堿液進噴嘴處的壓力為2.92kPa（表壓），堿液的密度為1100kg/m3。試求泵的有效功率。
圖1-12 例1-2附圖
解：取堿液池液面為1-1截面，以塔頂噴嘴上方入口處管口為2-2截面，取1-1截面為基準水平面。在兩截面間列伯努利方程式：
已知：z1=0，z2=20-1.5=18.5m，p1=0（表壓），p2=29.4kPa（表壓），u1≈0，∑hf=30J/kg
堿液在進口管中的速度
u=1.5m/s
則堿液在出口管中流速按連續(xù)性方程計算得： u2=u（d/d2）2
堿液進口管內徑
d=108-4.5×2=99（mm）
堿液出口管內徑
d2=76-2.5×2=71（mm）
則
u2=1.5×（99÷71）2=2.92（m/s）
整理伯努利方程式可得：
則可得：
堿液的質量流量：
則此泵的功率為：
Ne=WeWs=242.4×12.69=3077（W）
知識點三 流體流動過程的阻力
一、流體流動類型
1.雷諾實驗
通過雷諾實驗證明流體流動時因各種因素的影響，其內部質點的運動情況不同。如圖1-13所示，在水箱3內裝有溢流裝置，以維持水位的恒定。箱的底部接一段直徑相同的水平玻璃管4，管出口處有閥門5控制調節(jié)流量。水箱上方裝有帶色液體的小瓶1，有色液體可經(jīng)過細管2注入玻璃管內。在水流經(jīng)玻璃管的過程中，同時把有色液體送到玻璃管入口以后的管中心位置上。
圖1-13 雷諾實驗裝置圖
1—小瓶；2—細管；3—水箱；4—水平玻璃管；5—閥門；6—溢流裝置
通過實驗可觀察到，在流體流速不大時，流體質點僅沿著與管軸平行的方向作直線運動，流體分為若干層平行向前流動，質點之間互不混合，稱其為層流（或滯流），如圖1-14（a）所示。
在速度增加后，流體質點除了沿管軸方向向前流動外，還有徑向脈動，各質點的速度在大小和方向上都隨時發(fā)生變化，質點互相碰撞和混合，稱其為湍流（或紊流），如圖1-14（b）所示。
圖1-14 流動狀態(tài)圖
2.流體在圓管內的速度分布
由于流體本身的黏性以及管壁的影響，流體在圓管內流動時在管道的任意截面上，各點的速度沿管徑而變。管壁處速度為零，離開管壁以后速度逐漸增加，到管中心處速度最大。任一截面上各點的流速和管徑的函數(shù)關系稱為速度分布，其分布規(guī)律因流型而異。
理論分析和實驗測定都已表明，層流時，速度沿管徑按拋物線的規(guī)律分布，如圖1-15（a）所示。截面上各點流速的平均值u為管中心最大流速的0.5倍，即u=0.5umax。
圖1-15 圓管內速度分布
湍流時圓管內的速度分布曲線如圖1-15（b）所示。由圖可以看出，截面上越靠管中心部分的質點速度越均勻，速度曲線頂部區(qū)域就越平坦，但靠近壁處質點的速度驟然下降，曲線變化很陡，平均流速約為管中心最大流速的0.8倍左右，即u湍流≈0.8umax。
同時湍流時管壁處的速度等于零，即靠近管壁的流體仍作層流流動，這一作層流流動的流體薄層，稱為層流內層或層流底層。自層流內層往管中心推移，速度逐漸增大，出現(xiàn)了即非層流流動亦非完全湍流流動的區(qū)域，這個區(qū)域稱為緩沖層或過渡層，再往中心才是湍流主體。層流內層的厚度隨雷諾數(shù)Re值的增加而減小。
3.雷諾數(shù)Re
通過雷諾實驗分析，影響流體流動狀態(tài)變化的因素不僅有流速u，還有管徑d、流體的黏度μ和密度ρ，這些影響因素的關系可用雷諾數(shù)表征：
（1-13）
式中 Re——雷諾數(shù)，是無量綱數(shù)群；
d——流體流動經(jīng)過管路的內徑，非圓形管道采用當量直徑de：de=4×流通截面積/潤濕周邊長度，m；
u——流體流動的速度，m/s；
ρ——流體的密度，kg/m3；
μ——流體的黏度，Pa·s。
實驗證明：
①當Re≤2000時，流體流動狀態(tài)為層流，此區(qū)稱為層流區(qū)；
②當Re≥4000時，一般出現(xiàn)湍流，此區(qū)稱為湍流區(qū)；
③當2000<Re<4000時，流動可能是層流，也可能是湍流，該區(qū)稱為不穩(wěn)定的過渡區(qū)。
根據(jù)Re準數(shù)的大小將流動分為三個區(qū)域：層流區(qū)、過渡區(qū)、湍流區(qū)，但流動類型只有兩種：層流與湍流。
二、流體流動過程的阻力
流體在流動過程中要克服阻力，流體的黏性是產(chǎn)生流體流動阻力的內因，而固體壁面（管壁或設備壁）促使流體內部產(chǎn)生相對運動（即產(chǎn)生內摩擦），因此壁面及其形狀等因素是流體流動阻力產(chǎn)生的外因。克服這些阻力需要消耗一部分能量，這一能量即為伯努利方程式中的∑hf項。
生產(chǎn)用管路主要是由直管和管件、閥門等兩大部分組成，流體流動阻力也相應分為直管阻力和局部阻力兩類。
1.直管阻力
直管阻力hf（單位為J/kg）是指流體流經(jīng)一定管徑的直管時，由于流體的內摩擦而產(chǎn)生的阻力。其計算通式為范寧公式：
（1-14）
式中 l——直管長度，m；
d——管子的內徑，m；
u——流體的流速，m/s；
λ——摩擦系數(shù)。
摩擦系數(shù)在阻力計算中是個關鍵參數(shù)，其與流體流動類型、管壁的粗糙程度等有關。化工生產(chǎn)中的管道按其材質的性質和加工情況大致可分為光滑管和粗糙管。通常把玻璃管、黃銅管、塑料管等列為光滑管，把鋼管和鑄鐵管等列為粗糙管。實際上，即使用同一材質的管子鋪設的管道，由于使用時間的長短與腐蝕、結垢的程度不同，管壁的粗糙程度也會發(fā)生很大的差異。
管壁的粗糙度可用絕對粗糙度和相對粗糙度來表示，絕對粗糙度是指壁面凸出部分的平均高度，以ε表示，見表1-6。在選取管壁的絕對粗糙度值時，必須考慮流體對管壁的腐蝕性，流體中的固體雜質是否會黏附在壁面上以及使用情況等因素。
表1-6 常用工業(yè)管道的絕對粗糙度ε
相對粗糙度是指絕對粗糙度與管道直徑的比值，即ε/d。管壁粗糙度對摩擦系數(shù)λ的影響程度與管徑的大小有關，如對于絕對粗糙度相同的管道，直徑不同，對λ的影響就不相同，對直徑小的影響較大。所以在流動阻力的計算中不但要考慮絕對粗糙度的大小，還要考慮相對粗糙度的大小。
在工程計算中，通過大量實驗數(shù)據(jù)整理可得λ與Re、ε/d（相對粗糙度）的關系圖（見圖1-16）。
圖1-16 摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)及相對粗糙度的關系
從圖中分析得：
（1）層流區(qū) Re≤2000，λ僅與Re有關，且呈直線關系：
（1-15）
（2）過渡區(qū) 2000<Re<4000，該區(qū)內的層流或湍流曲線均可用，在工程上為安全起見，估算大些為宜，一般將湍流時的曲線延伸即可。
（3）湍流區(qū) Re≥4000及虛線以下區(qū)域，λ與Re、ε/d都有關，可從圖中曲線查出λ值，其中最下面的一條為光滑管時λ與Re的關系。在Re=5000～105時，光滑管內：
（1-16）
（4）完全湍流區(qū) 或稱阻力平方區(qū)，在圖中虛線以上的區(qū)域，此時曲線接近于直線，即λ與Re無關，僅與ε/d有關。
【例1-3】 在?108mm×4mm、長20m的鋼管中輸送油品。已知該油品的密度為900kg/m3，黏度為0.072Pa·s，流量為32t/h。試計算油品流經(jīng)管道的能量損失及壓力降。
解：
能量損失
壓力降
Δp=hfρ=6.45×900=5805（Pa）
2.局部阻力
局部阻力是指流體在流經(jīng)管路的進口、出口、彎頭、閥門、擴大或縮小等局部位置時，其流速大小和方向都發(fā)生了變化，且流體受到干擾或沖擊，使渦流現(xiàn)象加劇而損失的能量。由實驗測知，流體即使在直管中為層流流動，但經(jīng)過管件或閥門時也容易變?yōu)橥牧鳌Ｆ溆嬎阃ㄊ接腥缦聝煞N方法：
①阻力系數(shù)法：
（1-17）
式中 u——流體的流速，m/s，管路管徑變化（擴大或縮小）時以小管流速為準；
ζ——局部阻力系數(shù)。
局部阻力系數(shù)，一般由實驗確定。常見的閥門或管件的局部阻力系數(shù)見表1-7。
表1-7 常見閥門和管件的局部阻力系數(shù)ζ
②當量長度法：
（1-18）
式中，le稱為閥門或管件的當量長度，單位為m，表示流體流過某一管件或閥門的局部阻力，相當于流過一段與其具有相同直徑、長度為le的直管阻力，其值是由實驗確定（見圖1-17）。
圖1-17 管件與閥門的當量長度共線圖
3.流體在管路中的總阻力
流體在管路中的總阻力為直管阻力和局部阻力之和：
（1-19）
（1-19a）
【例1-4】 料液自高位槽流入精餾塔，如圖1-18所示。塔內壓強為1.96×104Pa（表壓），輸送管道為?36mm×2mm無縫鋼管，管長8m。管路中裝有90°標準彎頭兩個，180°回彎頭一個，球心閥（全開）一個。為使料液以3m3/h的流量流入塔中，問高位槽應安置多高（即位差z應為多少米）？料液在操作溫度下的物性數(shù)據(jù)：密度ρ=861kg/m3；黏度μ=0.643×10-3Pa·s。
圖1-18 例1-4附圖
解：取出口管中心線作為基準面。在高位槽液面1-1與管出口內側截面2-2間列伯努利方程：
已知：z1=z，z2=0，p1=0（表壓），u1≈0，p2=1.96×104Pa（表壓）
阻力損失：
查表1-6取管壁絕對粗糙度ε=0.3mm，則：ε/d=0.3÷32=0.00938
由圖1-16查得λ=0.039
局部阻力系數(shù)由表1-7查得ζ分別為：
方框1$$
故
所求位差
【自測練習】
一、問題思考
1.用U形管壓差計測得某吸收塔頂、塔釜的壓力差。U形管中指示液為水，讀數(shù)為500mm，塔中氣體密度為2.0kg/m3，則吸收塔的壓力差為多少帕？若用汞作為指示液，則壓力差讀數(shù)為多少？這里為什么不用汞作為指示液？
問題思考題2附圖
2.看附圖回答如下問題：
（1）閥門關閉時，兩個測壓點A、B上的讀數(shù)哪個大？
（2）閥門打開時，兩測壓點A、B上讀數(shù)哪個大？流量哪個大？流速哪個大？分別說明原因。
3.何謂流體的層流流動和湍流流動？如何判斷流體的流動是層流還是湍流？
4.在質點運動方面和圓管中的速度分布方面，層流和湍流有什么區(qū)別？
5.某油品以層流狀態(tài)在直管內流動，流量不變時，下列情況阻力損失為原來的多少？
（1）管長增加一倍；（2）管徑增大一倍；（3）提高油溫使黏度為原來的1/2（密度變化不大）。
二、工藝計算
1.密度為1820kg/m3的硫酸，定態(tài)流過內徑為50mm和68mm組成的串聯(lián)管路，體積流量為150L/min。試求硫酸在大管和小管中的質量流量（kg/s）和流速（m/s）。
2.甲烷在附圖所示的管路中流動。管路內徑從200mm逐漸縮小到100mm，在操作條件下甲烷的平均密度為1.43kg/m3，流量為1700m3/h。在粗細兩管間連接一U形壓差計，指示液為水（密度為1000kg/m3），若忽略兩截面間的能量損失，問U形壓差計的讀數(shù)R為多少？
工藝計算題2附圖
工藝計算題3附圖
3.用一復式U形壓差計測量水流過管路中A、B兩點的壓力差，如附圖所示。指示液為汞，兩U形管之間充滿水，已知h1=1.2m，h2=0.4m，h4=1.4m，h3=0.25m，試計算A、B兩點的壓力差。
4. 25℃水在?60mm×3mm的管道中流動，流量為20m3/h，試判斷流型。
5.某一高位槽供水系統(tǒng)如附圖所示，管子規(guī)格為?45mm×2.5mm。當閥門全關時，壓力表的讀數(shù)為78kPa。當閥門全開時，壓力表的讀數(shù)為75kPa，且此時水槽液面至壓力表處的能量損失可以表示為∑hf=u2（J/kg）（u為水在管內的流速）。試求：（1）高位槽的液面高度；（2）閥門全開時水在管內的流量（m3/h）。
工藝計算題5附圖
6.用泵將貯槽中溫度為293K、密度為120kg/m3的硝基苯送至反應器中，進料量為3×104kg/h，貯槽液面上為大氣壓，反應器內壓力為1.0×104Pa（表壓）。管路為?89mm×4mm的不銹鋼管，總長45m，其上裝有孔板流量計（阻力系數(shù)為8.25）一個、全開閘閥兩個和90°標準彎頭4個。貯槽液面與反應器之間垂直距離為15m，若泵的總效率為0.65，液面穩(wěn)定，求泵的軸功率。