离心泵的计算
1计算题j01b10029
如图所示, 水通过倾斜变径管段(A-B), D A=100mm,D B =240mm,水流量为2m3/min,在截面A与B处接一U形水银压差计,其读数R=20mm,A、B两点间的垂直距离为h=0.3m试求:(1) 试求A、B两点的压差等于多少Pa?(2)A、B管段阻力损失为多少mmHg?(3)若管路水平放置,而流量不变,U形水银压差计读数及A、B两点压差有何变化?
计算题j01b10029 (题分:20)
(1) u A=(2/60)/[(π/4)×(0.10)2]=4.244 m/s,
u B=4.244×(1/2.4)2=0.7368 m/s
p A/ρ+u A2/2= gh+p B/ρ+u B2/2+∑h f
∵p A/ρ-(gh+p B/ρ)=(ρi-ρ)gR/ρ
∴p A-p B=(ρi-ρ)gR+ρgh
=(13.6-1)×103×9.81×0.020+103×9.81×0.3
=5415 Pa
(2) ∑h f=(p A/ρ-gh-p B/ρ)+u A2/2-u B2/2
=(ρi-ρ)gR/ρ+u A2/2-u B2/2
=(13.6-1)×9.81×0.020+(4.244)2/2-(0.7368)2/2
=11.2 J/kg
即?p f=ρ∑h f=103×11.2=11.2×103 Pa
换成mmHg: ∑H f=?p f/(ρHg?g)= 11.2×103/(13.6×103×9.81)
=0.0839 mHg=83.9 mmHg
(3) p A/ρ+u A2/2=p B/ρ+u B2/2+∑h f
∵u A、u B、∑h f均不变,故(ρi-ρ)gR’/ρ之值不变
即R’不变,R’=R=20 mm
水平放置时p A-p B = (13.6-1)?103?9.81?0.020 =2472Pa比倾斜放置时的压差值小。
2计算题j02b20067 (20分)
如图所示的输水系统,输水量为36m3/h,输水管均为φ80×2mm的钢管,已知水泵吸入管路的阻力损失为0.2m水柱,压出管路的阻力损失为0.5m水柱,压出管路上压力表的读数为2.5Kgf/cm2。试求:
(1) 水泵的升扬高度;
(2) 若水泵的效率η=70%,水泵的轴功率(KW);
(3) 水泵吸入管路上真空表的读数(mmHg 柱)。
注:当地大气压为750mmHg 柱。
0.2
4.8
U=36/3600/(0.785×0.0762)≈2.2 m/s
(1) 在2-2与3-3截面列B.eq. 5分
Z2+p/ρg+U22/2g+He =Z3+P3/ρg+U32/2g+Hf 2-3
∵U2=U3不计Hf 2-3
∴He =(Z3-Z2)+(P3+P2)/ρg
=0.2 + (2.5+0.525)/(103×9.81)×9.81×104
=30.5mH2O柱
在1-1与4-4列B.eq.
He =ΔZ1-4+Hf 1-4+Hf 3-4
∴ΔZ1-4=He -(Hf 1-4+Hf 3-4)=30.5-(0.2+0.5)=29.8m
∴升扬高度为29.8m
(2) Pa =Heq vρg/η=30.5×0.01×103×9.81/0.7=4.27 KW 3分
(3) 在1-1与2-2列B.eq,得5分
0=Z2+(-P)/ρg+U22/2g+Hf 1
-P=Z2ρg-U22ρ/2-Hf 1 -ρg
=-(4.8×103×9.8+2.2 /2×103+0.2×103×9.81)
=-515×102N/M2=515×102/(0.981×105)×735.6=386mmHg (表)
-P2=真空度∴吸入管路上真空表读数为386mmHg 柱=0.525at
3.j01c20113
用离心泵将原油从油库沿管内径为0.15m、长2公里(包括局部阻力的当量长度)的水平管送往炼油厂。输油量为40m3/h。油泵的总效率为0.65,求泵的轴功率。某天,该油泵突然发生故障,于是开动一台备用泵,其压头仅为原来泵的80%,问此泵能输送原油多少m3/h。输送条件下, 原油的密度为890kg/m3, 粘度为0.4Pa s。设油库和炼油贮罐均为常压。
答案:该题条件下,油泵所耗功率完全用于克服管路阻力。
⑴A=(π/4)(0.15)2=0.0177m2u=40/(3600×0.0177)=0.63m/s
Re=duρ/μ=0.15×0.63×890/0.4=210(层流) λ=64/Re=64/210=0.304
H f=λ(l/d)(u2/2g)=0.304×(2000/0.15)×[0.632/(2×9.81)]=82.1m
Ws=40×890/3600=9.9kg/s ∴N=82.1×9.81×9.9/(1000×0.65)=12.3kw
⑵H′=0.8H f=65.7m △P f=65.7×9.81×890=5.736×105N/m
对于层流△P f=32lμu/d
∴u=△P f d/(32lμ)=5.736×105×0.15/ (32×2000×0.4)=0.504m/s
V=3600×0.504×0.0177=32.1m3/h
,长2m的钢管。泵压出管路为φ76×3mm,长30m的
40mm,孔
2(表压),碱液密度ρ=1100kg/m3,泵的效率η=0.6,
=6,ξ闸阀=0.17,ξ孔板=8,试求泵所需功率。
j01a150616
V=(π/4)×0.042×0.62[2g×0.456×(13600-1100)/1100]0.5=0.00785m3/s
u1=0.00785/[(π/4)×0.12]=1m/s u0=1×(0.1/0.07)2=2.04m/s
Σhf =(0.02×2/0.1+0.5)×12/2g+(0.02×30/0.07+4×0.75+6+0.17+8)×2.042/2g=5.51m
He=5.51+(20-1.5)+0.5×104/1100+2.042/2g=28.77m
N=28.77×0.00785×1100/(102×0.6)=4.084kw
5.j02b100556
用泵将贮槽1中的石油送至高位槽2中,两槽液面恒定不变,且其液面差为15m。管子规格为φ89×4.5mm,管路总长为200m(包括局部阻力的当量长度内。)要求流量为21m3/h 。已知石油密度为920Kg/m3,粘度为0.5N.S/m2。试计算:
(1)由于阻力引起的压降;
(2)泵的有效功率;
(3)整理并写出管路特性曲线方程(注明式中变量的单位)
答案:(1)ΔP=λ(l/d)(ρU2/2)
U=21/(3600×0.785×0.082)=1.16m/s
Re =0.080×1.16×920/0.5=170.8层流
λ=64/Re =0.374
ΔP=0.374×(200/0.08)×920×1.162/2 =5.79×105N/m2
∑hf =5.8×105/920=629.9 J/Kg
(2)Ne =QHP/1000
H=gΔZ+∑hf =9.81×15+629.9=777 J/Kg
(3)Ne =21×920×777/(3600×1000)=4.17 KW
在层流范围内
L=ΔZ+∑hf/g
=ΔZ+64/(duρ/μ)×(∑1/d)(1/2g)(Q2/(0.785d2)2)
=15+1.104×104Q Q为m3/s
6.j02b15064 6 欲用离心泵在两敞口容器间输液,该水泵铭牌标有:流量39.6m3/h,扬程15m,轴功率2.02Kw,
效率80%,配用2.8KW电机,转数1400r/min。今欲在以下情况使用是否可以?如不可时采用什么措施才能满足要求(要用计算结果说明)
(1)输送比重为1.8的溶液,流量为38m3/h,扬程30m。
(2)输送比重为0.8的油类,流量为40m3/h,扬程30m。
(3)输送比重为0.9的清液,流量为30m3/h,扬程15m。
答案:(1)电动机功率不够
N=38/3600×15×1800/(102×0.8)=3.5KW 换大电机
(2)扬程不够
H/H′=(n/n′)2
15/30=(1400/n′)2n′=1980
增加n=1980转/分。检查功率:
N/N′=(n/n′)3
2.02/N′=(1400/1980)3N′=5.72KW
换一电机功率为5.72KW,n=1980转/分。
(3)可以使用。通过关小出口阀调节至工作点。
7.j01c201218
如下图所示的输水系统, 用泵将水池中的水输送到敞口高位槽, 管道直径均为φ83×3.5mm,泵的进、出管道上分别安装有真空表和压力表,真空表安装位置离贮水池的水面高度为4.8m,压力表安装位置离贮水池的水面高度为5m。当输水量为36m3/h 时,进水管道的全部阻力损失为1.96J/kg,出水管道的全部阻力损失为4.9J/kg,压力表的读数为2.5kgf/cm2,泵的效率为70%,试求:
⑴两液面的高度差H为多少m?
⑵泵所需的实际功率为多少K W?
⑶真空表的读数多少kgf/cm2?
解:
⑴取截面0-0, 1-1, 2-2, 3-3如图, 在截面2-2和3-3间列柏努利方程以2-2为基准面(目的求H3) H2g+(p2/ρ)+(u22/2)=H3g +(p3/ρ)+(u32/2)+hf2-3
∵1[at]=9.807×104N/m2=1[kg/cm2] u=Q/A=(36/3600)[(π/4)0.0762]=2.21m/s
(2.5×9.807×104/103)+(2.212/2)=H3×9.81+4.9
245.2+2.44=9.81H3 +4.9 H3 =242.74/9.81=24.74[m]
∴H=H3+5=24.74+5=29.74[m]
⑵在0-0和3-3间列柏努利方程以0-0为基准面(求We)
H0g+(p0/ρ)+(u02/2)+We=H3g +(p3/ρ)+(u32/2)+hf0-3
We=H3g +hf0-3=29.74×9.81+(1.96+4.9)=298.62[J/kg]
Ms=Vsρ=(36/3600)×103=10[kJ/s] Ne=Ms·We= 10×298.62[W]
N实=Ne/η=2986.2/0.70=4267[W]=4.267[kW]
⑶在C-C和H间列柏氏方程以0-0为基准面
H0g +(p0/ρ)+(u02/2)=H1g+(p1/ρ)+(u12/2)+hf0-1
(pa–p1)/ρ=4.8×9.81+(2.212/2)+1.96=51.49m2/s2
=51.49×103/(9.807×104)[at]=0.525[kgf/cm2]
8.j02b20066
用一离心泵将20℃的水,由池中送至高位槽C。其流程如图a所示。已知泵的排出口压力表B读数为2.5at(表压),排出段管总长为180m(包括局部阻力的当量长度),系统的摩擦系数λ可取0.024。其它数据如图a所示。试求:
(1)系统输送的流量m3/h;
(2)若系统所用泵为3B33型离心泵,其特性曲线如图b所示。试求泵的工作点及克服系统阻力所耗的轴功率;
(3)如果泵的吸入底阀A轻微堵塞,则系统的流量、泵的扬程及出口压力表读数有何变化?若严重堵塞有何现象发生?
试用图说明。
j02b20066
解:(1) q v=?m3/h 5分
在B-B及C-C面上列柏努利方程
U B2/2g + P B/ρg + Z B=U C2/2g +0+Zc +∑Hf B-C U C =0
∑Hf =λ(l/d)U B2/2g (λ(l/d)-1)U B2/2g=25-18=7.0
U B2/2g =7/(λ(l/d)-1)=7/(0.024×180/0.1-1)=0.166
∴U B=1.8m/s
q v=(π/4)d2U B=(π/4)×0.12×1.8=0.01417m3/s=51.0m3/h
(2) ⑴工作点:由q v查图b得工作点P(51,31) 10分
∴H=31.0m η=70%
⑵Pf =? 在0-0及C-C列方程:
0+H=Z C+∑Hf0-C∑Hf0-C=H-Z C
∑Hf =31-(18+0.5+1.5)=11.0
Pf =11×51×1000×9.81/(3600×0.7×103)=2.18 KW
(3) 略5分
9.j01b15183
如图所示,槽内水位维持不变。槽底部与内径为100mm钢管相连,管路上装有一个闸阀,阀前离管路入口端15m处安有一个指示液为汞的U形压差计,测压点与管路出口端之间距离为20m。
(1)当闸阀关闭时测得R=600mm,h=1500mm;当闸阀部分开启时,测得R=400mm,
h=1400mm,管路摩擦系数取0.02,入口处局部阻力系数取0.5,问每小时从管中流出水量为多少m3。
(2)当阀全开时(取闸阀全开Le/d=15,λ=0.018),测压点B处的静压强为若干N/m2(表压)。
j01b15183
解:(1)当闸阀全关时,根据静力学关系:
(Z A+h)ρg=RρHg g
得水槽液位高度:Z A=RρHg/ρ-h=0.6×13.6-1.5=6.66m
(2) 闸阀部分开启时
列A-A与B-B截面伯努利方程式
Z A=u B2/2g+P B/ρg+∑h fAB
P B/ρg=(RρHg-hρ)/ρ=(0.4×1.36×104-1.4×1000)/1000=4.04m
Z A-P B/ρg=u B2/2g+(λ(L/d)+ζ)u B2/2g=(1+λ(L/d)+ζ)u B2/2g
6.66-4.04=(1+0.02×15/0.1+0.5)u B2/2g=4.5u B2/2g
∴u B=9.81/4.5
?=3.38 m/s
2
2.62?
V=(π/4)×d2u×3600=0.785×0.12×3.38×3600=95.5 m3/h
(3)当闸阀全开时,列A-A与C-C截面伯努利方程:
Z A=u c2/2g+∑h fA-C=(1+λ(L+Le)/d+ζ)u c2/2g
6.66=(1+0.018(35/0.1+15)+0.5)u c2/2g
解得u c=4.02m/s
由A-A与B-B截面间伯努利方程式得:
Z A=u B2/2g+P B/ρg+∑h fAB
=P B/ρg+(1+λ(L/d)+ζ)u B2/2g
∴P B/ρg=Z A-(1+λ(L/d)+ζ)u B2/2g
=6.66-(1+0.018×15/0.1+0.5)×4.022/(2×9.81)
=3.20 m
∴P B=3.20×1000×9.81=3.14×104N/m2
10. [三]计算题(15分) j01b20095
某液体密度800kg/m3,粘度73cP,在连接两容器间的光滑管中流动,管径300mm,总长为50m(包括局部当量长度),两容器液面差为3.2m(如图示)。
求:⑴管内流量为多少?
⑵若在连接管口装一阀门,调节此阀的开度使流量减为原来的一半,阀的局部阻力系数是多少?按该管折算的当量长度又是多少? 层流:λ=64/Re;湍流:λ=0.3164/Re0.25
j01b20095
⑴在1-1面和2-2面之间,列柏式以2-2面为基准面:u1≈u2≈0
gz1=Σhf1-2 =λ(l/d)(u2/2)
设流体流动符合柏拉修斯公式:λ=0.3164/Re0.25
Re=duρ/μ∴gz1=(0.3164/Re0.25)(l/d)(u2/2)=[0.3164/(ρ/μ) 0.25](l/d1.25)(u1.75/2) ∴u1.75=2gz1/{[0.3164/(ρ/μ) 0.25]×(l/d1.25)}
=2×9.81×3.2/{[0.3164/(800/0.073) 0.25](50/0.31.25)}=9.01542
∴u=3.513m/s 验证:Re=0.3×3.513×800/0.073=11550>3000,假设正确
∴V=Su=(π/4)d2u=(π/4)(0.3)2×3.513×3600=893.95(m3/hr)
⑵流量减半,即是流速减半u=3.513/2=1.7565m/s Re=5775符合柏拉斯式条件
列1-1面至2-2之间的柏式:gz1=[(0.3164/Re0.25)(l/d)+ζ](u2/2)
∴ζ=2gz1/u2-(0.3164/Re0.25)(l/d)
=2×9.81×3.2/1.75652-(0.3164/57750.25)×(50/0.3)=14.3
又ζ(u2/2)=λ(le /d)(u2/2)=(0.3164/Re0.25)(le /d)(u2/2)
∴ζ=(0.3164/Re0.25)(le /d)
le =(dζ/0.3164)Re0.25=(0.3×14.3/0.3164)×57750.25=118.2(m)
传热过程计算
1 j04c2012614
有一套管换热器,由内管为φ54×2mm,套管为φ116×4mm的钢管组成。内管中苯自50℃被加热至80℃,流量为4000kg/h。环隙中为2at(绝)的饱和水蒸汽冷凝。蒸汽冷凝传热系数为10000W/m2.℃。
已知:苯在50~80℃之间的物性数据平均值为:
ρ=880kg/m,CP=1.86.86kJ/kg.℃
λ=0.134W/m.℃,μ=0.39cP
管内侧污垢热阻R1=0.0004m2.℃/W
管壁及管外侧污垢热阻不计。
蒸汽温度与压强关系如下表所示
压强at(绝) 1.0 2.0 3.0
温度℃99.1 120 133
试求:A)管壁对苯的对流传热系数;
B)套管的有效长度;
C)若加热蒸汽压力降为1at(绝),问苯出口温度有何变化?应为多少?
解: (1)Re=d1.G/μ=[0.05×4000/(3600×π/4×0.052)]/(0.39×10-3)
=7.2586×104
Pr =CPμ/λ=1.86×103×0.39×10-3/0.134= 5.4
α1=0.023λ/d(Re )0.8(Pr )0.4
=(0.023×0.134/0.05)×(7.2586×104)0.8×5.40.4=936.4 W/m2 .℃
(2)Q=4000/3600×1.86×103(80-50)=6.2×104 W
1/K1=1/936.4 +1/10000+0.0004 ∴K1=637.8 W/m2.℃
Δtm =((120-50)-(120-80))/ln(120-50)/(120-80)=53.6℃
A1=Q/(K1Δtm)=6.2×104/(637.8×53.6)= 1.814m2
l=A1/(πd内)=1.814/(π×0.05)=11.55 m
(3)K不变,A不变,T变为99.1℃,苯的流量及比热均不变。
设出口温度为t2′,在新条件下,传热速率方程变为
Q=GCp(t2′-t1)=KA△t m
4000/3600×1.86×103 (t2′-50)
=637.8×1.814((99.1-50)-(99.1-t2′))/ln(99.1-50)/(99.1-t2′)
解得ln(99.1-50)/(99.1-t2′)=0.5598
∴t2′= 71℃
2、j04b200891 (20分)
用一传热面积为3m2由φ25×2.5mm的管子组成的单程列管式换热器, 用初温为10℃的水将机油由200℃冷却至100℃, 水走管内, 油走管间。已知水和机油的质量流量分别为1000kg/h和1200kg/h, 其比热分别为4.18kJ/kg.K 和2.0kJ/kg.K; 水侧和油侧的对流传热系数分别为2000W/m2.K 和250W/m2.K, 两流体呈逆流流动, 忽略管壁和污垢热阻。
A)计算说明该换热器是否合用?
B)夏天当水的初温达到30℃, 而油的流量及冷却程度不变时, 该换热器是否合用? 如何解决? (假设传热系数不变)
2. (20分)j04b2008910
解:(1) Q1=1200×2×(200-100)=240000KJ/h
Q2=Q1, t2=t1+Q1/(mρ2·Cp2)=10+24000/(1000×4.18)=67.4℃
△tm=(123.6-90)/ln(123.6/90)=110℃
1/K1=1/α1+d1/(α2·d2)=1/250+25/(2000×20) K1=216.2W/m2K
A1=Q1/(K△tm)=240000×103/(216.2×3600×110)=2.8m2<3m2故适用
(2) t1=30℃时
t2=30+240000/(1000×4.18)=87.4℃
△tm=(112.6-70)/ln(112.6/70)=89.6℃
A1=240000×103/(3600×89.6×216.2)=3.45m2>3m2不适用
解决办法是调大水量, 使t2↓, △tm↑, 并使α↑, K↑
3.j04c201288
在逆流操作的列管换热器中,把氢氧化钠溶液从70℃冷却到35℃,氢氧化钠走管内,流量为1.11kg/s,比热为3770J/kg.K,氢氧化钠对管壁的对流传热系数为930W/m2.k现用15℃的水作为冷却剂,水走管外,流量为1.67kg/s,比热为4180J/kg.K,管壁对水的传热系数为1000W/m2.K,(管壁热阻及垢阻略计),忽略热损失(可近似按平壁处理) 试求:
A)冷却剂出口温度及所需传热面积;
B)操作中若氢氧化钠及水的初始温度不变,而两流体的流量都增大一倍,则流量增大后的冷、热流体的出口温度变为多大?(假设两流体均为湍流,其物理性质不变, 传热温度差可取用算术平均值)。
解:1)Q=G1 CP1 (T1 -T2 )=1.11×3770×(70-35)=146464.5 W
忽略热损失,则Q=G2 CP2 (t2 -t1 )
即146464.5=1.67×4180(t2 -15)
解得t2 =36℃
∵Δt1 /Δt2 <2
∴Δtm =(34+20)/2=27℃
∵为薄壁园筒,∴按平壁近似计算
K=α1 α2 /(α1 +α2 )=930×1000/(930+1000)=481.9 W/m2.K
∴A=Q/KΔtm =146464.5/(481.9×27)=11.3 m2
2)忽略热损失,Q吸=Q放
2G1 CP1 (T1 -T2′)=2G2 CP2 (t2 ′-t1 )
2×1.11×3770(70-T2 ′)=2×1.67×4180(t2 ′-15)
得T2 ′=95 - 1.67t2 ′-----①
传热速率方程式:Q=K′AΔTm ′=2G1 CP1 (70- T2 ′)
其中:K′=1/(1/(2×930) + 1/(2×1000)=838 W/m2.K
A=11.3m2
Δtm ′=((70-t2′)+(T2′-15))/2=(55+T2′-t2′)/2
代入原公式:
838×11.3×(55+T2 ′-t2 ′)/2 = 2×1.11×3770×(70-T2 ′)
得: 2.77T2′- 68.7 =t2 ′-----②
联立方程①与②得:
T2′=37.3℃(升高了)
t2 ′=34.6℃(冷却水温度下降)
4.j04b151096
90℃的正丁醇,在逆流换热器中被冷却到50℃,换热器的换热面积为6m2,传热系数K=230W/m2℃,正丁醇的流量为1930Kg/h。冷却介质为18℃水,热损失可以忽略。求:
A)冷却水出口温度;
B)冷却水消耗量。70℃正丁醇Cp=2.98KJ/Kg.℃水Cp=4.187KJ/Kg.℃
解:Q=Gh CP h (T1 -T2 )=(1930/3600)×2.98×103(90-50)
=6.39×104w
∴Δtm =Q/KA=6.39×104/(230×6)=46.3℃
Δtm =((T1 -t2 )+(T2 -t1 ))/2
=((90-t2 )+(50-18))/2
=61-t2/2=46.3
∴t2=29.4℃
Q=Gc CP (t2 -t1 )
∴冷却水消耗量Gc =Q/(CP c (t2 -t1 ))
=6.39×104/(4.18×1000×(29.4-18))=1.34kg/s=4.8×103Kg/h
△t1=90-29.4=60.6℃
△t2=50-18=32℃
△t1/△t2 =60.6/32=1.89<2
故平均温度差采用算术均是可以接受的.
5. j04c20119
在某列管式换热器中,将一定量的空气加热。空气在管内作湍流流动,饱和水蒸汽在管外冷凝。今因生产任务加大一倍,除用原换热器外,尚需加一台新换热器。如果使新旧两台换热器并联使用,且使二台换热器在空气流量、进、出口温度及饱和蒸汽温度都相同的条件下操作。