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管路计算
一、管路计算中较常用的方法—试整法
管路计算实际上是连续性方程式,柏努利方程式与能量损失计算式的具体运用,由于已知量与未知量情况不同,计算方法亦随之而改变。在实际工作中常遇到的管路计算问题,归纳起来有以下三种情况:
(1)已知管径,管长,管件和阀门的设置及流体的输送量,求流体通过管路系统的能量损失,以便进一步确定输送设备所加入的外功,设备内的压强或设备间的相对位置等。这一类的计算比较容易,例1-20均属此种情况。
(2)已知管径、管长,管件和阀门的设置及允许的能量损失,求流体的流速或流量。
(3)已知管长,管件和阀门的当量长度、流体的流量及允许的能量损失,求管径。
后两种情况都存在着共同性问题,即流速u或管径d为未知,因此不能计算Re值,别无法判断流体的流型,所以亦不能确定摩擦系数λ。在这种情况下,工程计算常采用试差法或其它方法来求解。下面通过例题介绍试差法的应用。
【例1-21】如本题附图所示,水从水塔引至车间,管路为Φ114×4mm的钢管,共长150m(包括管件及阀门的当量长度,但不包括进,出口损失)。水塔内水面维持恒定,并高于排口l2m,问水温为12℃时,此管路的输水量为若干m3/h。
例1-21 附图
解:以塔内水面为上游截面1-1′,排水管出口内侧为下游截面2-2′,并通过排水管出口中心作基准水平面.在两截面间列柏努利方程式,即
代入柏努利方程式,整理得出管内水的流速为:
(a)
(b)
两式中虽只有两个未知数λ与u,但还不能对u进行求解。由于式b的具体函数关系与流体的流型有关。现u为未知,故不能计算Re值,也就无法判断流型,而且在化工生产中对于粘性不大的流体在管内流动时多为湍流。在湍流情况下,不同Re准数范围,式b的具体关系不同,即使可推测出Re准数的大致范围,将相应的式b具体关系代入式a,又往往得到难解的复杂方程式,故经常采用试差法求算u。即假设一个λ值,代入式a算出u值。利用此u值计算Re准数。根据算出的Re值及ε/d值,从图1-26查出λ值。若查得λ值与假设值相符或接近,则假设的数值可接受。如不相符,需另设一λ值,重复上面计算,直至所设λ值与查出的 λ值相符或接近为止。
设λ=0.02,代入式a得:
12℃时水的粘度为1.236mPa·s,于是
取管壁的绝对粗糙度ε为0.2mm,ε/d=0.2/106=0.00189。
根据Re及ε/d值从图l-26查得λ=0.024。查出的λ值与假设的λ值不相符,故应进行第二次试算。重设λ=0.024,代入式a,解得u=2.58m/s。由此u值算出Re=2.2×105,在图1-26中查得λ=0.0241。查出λ值与所设λ值基本相符,故根据第二次试算的结果知u=2.58m/s。输水量为:
上面用试差法求算流速时,也可先假设u值而由式a算出λ值,再以所假设的u算出Re值。并根据Re及ε/d从图1-26查出λ值,此值与由式a解出的λ值相比较,从而判断所设之u值是否合适。
应予指出,试差法不但可用于管路计算,而且在以后一些章节中经常会用到.试差法井不是用一个方程解两个未知数,而它仍然遵循有几个未知数就应有几个方程来求解的原则,只是其中一些方程式比较复杂,或具体函数关系为未知,仅给出变量关系曲线图,这时可借助试差法。在试算之前,对所要解决的问题应作一番了解,才能避免反复的试算。例如,对于管路的计算,可参考表1-1的经验数据来选定流速u,而摩擦系数λ一般在0.02至0.03的范围内选取。
二、并联管路与分支管路
图1-29 并联管路与分支管路示意图
输送流体的管路,依据其联接和铺设的情况,可分为两类。一类是没有分支的简单管路,可以是管径不变或由若干段异径管段串联而成的管路,前面所介绍的例题均属于此情况。另一类是复杂管路,如图1-29(a)所示,在主管A处分为两支或多支的支管,然后在B处又汇合为一的管路,称为并联管路。又如图1-29(b)所示,在主管C处有分支,但最终不再汇合的管路,称为分支管路。
并联管路与分支管路中各支管的流量彼此影响,相互约制。它们的流动情况虽比简单管路复杂,但仍然是遵循能量衡算与质量衡算的原则。
并联管路与分支管路的计算内容有:
(1)已知总流量和各支管的尺寸,要求计算各支管的流量。
(2)已知各支管的流量,管长及管件。阀门的设置,要求选择合适的管径。
(3)在已知的输送条件下,计算输送设备应提供的功率。
下面通过例题来说明复杂管路中的流动规律及计算方法。
【例1-22】如本题附图所示的并联管路中,支管1是直径为2″(即2(英寸))的普通钢管,其长度为30m;支管2是直径为3″的普通钢管,其长度为50m。总管路中水的流量为60m3/h,试求水在两支管中的流量。
例1-22 附图
各支管的长度均包括局部阻力的当量长度。为了略去试差法的计算内容,取两支管的摩擦系数λ相等。
解:在A、B两截面间列柏努利方程式,即
对于支管1,可写为:
对于支管2,可写为:
比较以上三式,得:
(a)
上式表示并联管路中各支管的能量损失相等。
另外,主管中的流量必等于各支管流量之和,即:
上两式为并联管路的流动规律,尽管各支管的长度、直径相差悬殊,但单位质量的流体流经两支管的能量损失必然相等。因此流经各支管的流量或流速受式a及式b所约束。
对于支管1
对于支管2
将上两式代入式a,即:
由于λ1=λ2,则上式简化为:
由本教材附录二十四查出2″及3″钢管的内径分别为0.053m及0.0805m。故
上式与式b联立,解得:
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