熱工與流體力學(xué)-第4章

第四章

管路計算11/28/2023學(xué)習(xí)導(dǎo)引

管道與附屬件連接起來組成的流體輸送系統(tǒng)稱為管路。制冷空調(diào)工程和熱能動力工程離不開各種管路系統(tǒng)，本章綜合運用前面學(xué)過的連續(xù)性方程、伯努利方程和能量損失計算式來討論工程上常見管路的流動規(guī)律，主要介紹了簡單管路與串聯(lián)、并聯(lián)管路和管網(wǎng)的計算原理與工程應(yīng)用。

11/28/2023學(xué)習(xí)要求

本章的重點是簡單管路和串、并聯(lián)管路的管路計算，通過學(xué)習(xí)應(yīng)達到以下要求：1.理解各種管路的結(jié)構(gòu)特點，能正確劃分不同形式的管路。2.理解長管和短管的含義，掌握判斷方法。3.充分理解管路阻抗的概念和意義，掌握管路阻抗的計算方法。4.掌握簡單管路的流動規(guī)律，并能熟練應(yīng)用于求解工程實際問題。5.熟悉串聯(lián)和并聯(lián)管路的特點，掌握其流動規(guī)律，能對串聯(lián)和并聯(lián)管路進行計算。6.了解枝狀管網(wǎng)和環(huán)狀管網(wǎng)的特點及流動規(guī)律，初步掌握枝狀管網(wǎng)的計算方法。11/28/2023本章難點1.管路阻抗是為簡化管路能量損失而引入的一個參數(shù)，它綜合反映了管路沿程阻力與局部阻力情況，管路阻抗的應(yīng)用是為管路系統(tǒng)設(shè)計打下基礎(chǔ)，是工程計算的需要。充分理解管路阻抗的概念和意義，掌握管路阻抗的計算方法有一定難度，應(yīng)結(jié)合例題與習(xí)題加強練習(xí)。2.實際工程中，對串、并聯(lián)管路和枝狀管網(wǎng)進行分析和計算需要一定的技巧，會有一定的難度，應(yīng)結(jié)合例題與習(xí)題加強練習(xí)。11/28/2023

第一節(jié)簡單管路計算復(fù)雜管路——串聯(lián)管路、并聯(lián)管路和管網(wǎng)

管路計算是工程上確定流量、阻力損失及管道幾何尺寸之間關(guān)系的水力計算。

根據(jù)管路的沿程損失與局部損失的大小將管路分為

:長管

根據(jù)管路敷設(shè)方式可將管路分為:

簡單管路

一、基本概念短管

11/28/20231.簡單管路所謂簡單管路就是具有相同管徑d、相同流量qV和相同管壁粗糙度的管段，它是組成各種管路系統(tǒng)的基本單元。圖11-1簡單管路

11/28/20232.長管和短管

管路中的流體能量損失以沿程損失為主，局部損失占流體總能量損失的比重很小，可以忽略不計，或可按沿程損失的5％～10％進行估算，這樣的管路稱為長管。

管路中局部損失具有相當(dāng)?shù)臄?shù)值，可達到或超過沿程損失的10％，局部損失不能忽略不計的管路。

(1)長管

(2)短管如城市集中供熱干線、給水干線、遠距離輸油管路等如室內(nèi)供熱管、通風(fēng)空調(diào)管等

工程上常將L/d＜1000的管路按短管處理。工程上常將L/d≥1000的管路按長管處理。11/28/20233.標(biāo)準(zhǔn)管徑與限定流速各種工業(yè)管道的管徑均按統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)制造，因此都有一定的規(guī)格。在進行管路計算時，管道的管徑應(yīng)按規(guī)格選取，即應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化。

(1)標(biāo)準(zhǔn)管徑表11-1列出了流體輸送常用鋼管的規(guī)格尺寸。

各種工業(yè)管道的規(guī)格可在有關(guān)手冊中查得。

11/28/2023所謂限定流速，是工程中根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟要求所規(guī)定的合適流速，也即管道造價和運行費用之和相對較低的流速。

(2)限定流速表11-2列出了一些流體在管路中的常用流速范圍。在管路計算時，應(yīng)使管道內(nèi)流體的流速在限定流速范圍內(nèi)。

11/28/2023對于簡單管路，v沿程不變

故管路的壓頭損失Hw為

令

d、qV

不變（s2/m5）

（m）

二、簡單管路計算的基本公式11/28/2023管路的能量損失為管路的壓力損失為（Pa）

多用于不可壓縮的氣體管路計算中，如空調(diào)、通風(fēng)管道算

（J/kg）

簡單管路的計算11/28/2023從式可以看出，對于給定的流體（即

一定）和管道（即L、d一定），在各種局部管件已定，即

已定的情況下，S僅隨

變化，而

值與流動狀態(tài)有關(guān)，當(dāng)流體流動處于湍流粗糙區(qū)時，

僅與相對粗糙度K/d有關(guān)。在工程實際中，大多數(shù)流動處于湍流粗糙區(qū)，所以在管材已定的情況下，

可視為常數(shù)。因此，S對于給定的管路是一個定數(shù)，它綜合反映了管路沿程阻力與局部阻力情況，故稱為管路阻抗。式（11-2）至（11-4）表明，在簡單管路中，總能量損失與體積流量的平方成正比。這一規(guī)律在管路計算中廣為應(yīng)用。11/28/2023三、簡單管路計算示例（1）已知管徑、管長、管件和閥門的設(shè)置及允許的能量損失，求流體的流速或流量。

例11-1如圖11-1（b）所示，水從的水箱A中經(jīng)管路排入大氣中。已知：水箱液面至管路出口的高度差保持不變，H

5m，管路的總長度L

50m，直徑d

100mm，沿程阻力系數(shù)

0.038，管路上裝90的標(biāo)準(zhǔn)彎頭3個，閘板閥1個，試求管路流量。11/28/2023解：取水箱液面為1—1截面，管路出口外側(cè)為2—2截面，取水平基準(zhǔn)面通過2—2截面。在1—1與2—2截面間列伯努利方程由題意知：z1

H，v1

v2

0，

p1

p2

0（表壓），He

0，z2

0，因為，故按短管計算，根據(jù)式（11-1）

11/28/2023查附表13，當(dāng)d

100mm時，90彎頭的局部阻力系數(shù)

1

1，閘板閥的局部阻力系數(shù)

2

0.1，管道進口局部阻力系數(shù)

3

0.5，管道出口局部阻力系數(shù)

4

1，代入上式（s2/m5）

將上述所有值代入伯努利方程，得

所以

（m3/s）

11/28/2023（2）已知管徑、管長、管件和閥門的設(shè)置及流體的輸送量，求流體通過該管路系統(tǒng)的能量損失，以便進一步確定設(shè)備內(nèi)的壓力、設(shè)備之間的相對位置或輸送設(shè)備所加入的外功。

例11-2

有一鋼板制的風(fēng)道，管徑d

300mm，管長L

60m，送風(fēng)量qV

1.5m3/s，空氣溫度20℃時密度

1.205kg/m3，運動黏度

15.7

10-6m2/s，風(fēng)道局部阻力系數(shù)總和

3.5，試求壓力損失。解：，按短管計算

風(fēng)道流速

（m/s）

11/28/2023雷諾數(shù)

，為湍流流動

查表10-1管道絕對粗糙度K

0.15mm，相對粗糙度為

查莫迪圖得：

0.0175

管路阻抗為

（s2/m5）

風(fēng)道的壓力損失為

（Pa）

11/28/2023

例11-3圖11-2為一水泵向有壓水箱送水的簡單管路。已知流量qV

20m3/h，水池水面為大氣壓力，有壓水箱的表壓為p2

44

105Pa，兩液面的高度差H

4m，水泵吸水管和排水管的長度分別為L1=5m，L2=10m，其管徑為

57mm

3.5mm，沿程阻力系數(shù)為

0.02，管路進口裝有一個帶底閥的濾水網(wǎng)，兩個閘板閥，三個90

彎頭，試求水泵的揚程及有效功率P。11/28/2023解：取水池水面為基準(zhǔn)面，列1—1和2—2截面間伯努利方程

由題意知：z1

0，v1

v2

0，p1

0（表壓），p2

44

105Pa（表壓），z2

H，d

0.057

2

3.5

0.05mm，

1000kg/m3，查附表13得

進口

10，

閥

0.1，

彎頭

1，

出口

1

將上述各值代入伯努利方程得泵的揚程為：

11/28/2023

460.8（m）

泵的有效功率為

（W）

25.11（kW）

11/28/2023（3）已知管長和管件、閥門的設(shè)置、流體的流量及允許的能量損失，求管徑。

例11-4

已知溫度為20℃時，水在100m長的水平鋼管內(nèi)流動，要求水的流量為27m3/h，管內(nèi)允許的沿程損失為4m，試確定管路的直徑。解：由范寧公式

（m）

qV

27m3/h，故知道了d，就可以算出v，所以上式中有兩個未知數(shù)

與d，需用試差法求解。

11/28/2023參照表11-2，初選v

1.8m/s，則

（m）

73（mm）查表11-1，試選

88.5mm4mm的焊接鋼管，其內(nèi)徑d

88.5

2

4

80.5(mm)

管內(nèi)實際流速為：

（m/s）查表8-1，t

20℃時，

1.007

10-6m2/s

11/28/2023，為湍流流動

查表10-1取鋼管的絕對粗糙度K

0.1mm，相對粗糙度為查莫迪圖得，

0.0225

（m）＜4（m）

計算結(jié)果表明，按d

80.5mm選用管徑，Hf低于管路允許的沿程損失，故選擇

88.5mm4mm的焊接鋼管。

11/28/2023

第二節(jié)串聯(lián)與并聯(lián)管路計算一、串聯(lián)管路由不同管徑的簡單管路頭尾相接構(gòu)成的管路為串聯(lián)管路。對每一節(jié)點(如節(jié)點a、b)，當(dāng)

常數(shù)時，有

qV

0質(zhì)量守恒定律能量疊加原理管段相接點11/28/2023串聯(lián)管路的流動規(guī)律：各管段的流量相等，損失迭加，管路的總阻抗為各段阻抗之和。

串聯(lián)管路聯(lián)立下三式:11/28/2023例11-5

兩水箱用兩段不同直徑的管道相連接（見圖11-4），1-3管段長L1

10m，直徑d1

200mm，

1

0.019；3-6管段長L2

10m，直徑d2

100mm，

2

0.018。管路中的局部管件有：1為管道入口；2和5為90

彎頭；3為漸縮管（

8

）；4為閘閥；6為管道出口。若輸送流量qV

20L/s，求水箱水面的高度差H應(yīng)為多少？

11/28/2023二、并聯(lián)管路由兩個以上簡單管路頭與頭相連，尾與尾相連，形成的管路為并聯(lián)管路。對于每一個節(jié)點(如節(jié)點a、b)，當(dāng)

常數(shù)時，有

質(zhì)量守恒定律由于流體在某一固定點的單位能量值只能有一個，因此單位重量流體無論通過哪根管段從a流到b，產(chǎn)生的能量損失應(yīng)該相同11/28/2023設(shè)并聯(lián)管路的總阻抗為S，各分支管路的阻抗為S1、S2、S3

:由并聯(lián)管路因為整理得11/28/2023并聯(lián)管路的流動規(guī)律：并聯(lián)后管路的總流量等于相并聯(lián)的各支管的流量之和；相并聯(lián)的各支管能量損失相等；并聯(lián)管路總阻抗的平方根倒數(shù)等于各并聯(lián)支管阻抗的平方根倒數(shù)之和。

并聯(lián)管路由并聯(lián)管路的流動規(guī)律，并聯(lián)管路流量分配規(guī)律：阻抗越大的支路，流量越小；阻抗越小的支路，流量越大。

“阻力平衡”11/28/2023

例11-6如圖11-6所示，某兩層樓的供暖立管，管道1的直徑d1

20mm，管長L1

20m，

1

15；管道2的直徑為d2

20mm，管長L2

10m，

2

15，管道的

0.025，干管的流量qV

0.3

10-3m3/s，求各支管的流量qV1和qV2。

11/28/2023

第三節(jié)管網(wǎng)計算基礎(chǔ)由若干簡單管路經(jīng)過多次串、并聯(lián)后形成的復(fù)雜管路稱為管網(wǎng)。

按其管線布置特點的不同可將管網(wǎng)分為:

枝狀管網(wǎng)環(huán)狀管網(wǎng)11/28/2023一、枝狀管網(wǎng)

自一根總管分支出幾根支管后不再匯合的管路系統(tǒng)稱為枝狀管網(wǎng)。

特點:管線少，布置簡單，造價低，工程上采用較多。

1.枝狀管網(wǎng)的流動規(guī)律枝狀管網(wǎng)各管線間只有分支點沒有匯合點。

枝狀管網(wǎng)流動規(guī)律是：總管的流量等于各支管流量之和；全程的能量損失就等于串聯(lián)各管段能量損失的疊加。

11/28/2023如圖所示排風(fēng)枝狀管網(wǎng)，由三個風(fēng)口、六根簡單管路并聯(lián)、串聯(lián)而成。風(fēng)機風(fēng)量

全程能量損失

通常是串聯(lián)各管段能量損失的疊加。枝狀管網(wǎng)在有并聯(lián)管段時，應(yīng)取管段最長，局部阻力最大的一支參加阻力疊加。而其它并聯(lián)的支管均不計入。設(shè)圖中1-4支管阻力損失最大，則全程的能量損失為:

11/28/2023

2.枝狀管網(wǎng)計算步驟以設(shè)計計算為例：

（1）劃分計算管段。一根簡單管路為一個計算管段。枝狀管網(wǎng)（2）確定主管線。一般管路較長、局部阻礙較多的管線為主管線。

（3）確定主管線上各計算管段的管徑及能量損失。（4）計算主管線的總能量損失，選擇動力設(shè)備。枝狀管網(wǎng)流動規(guī)律是：總管的流量等于各支管流量之和；全程的能量損失就等于串聯(lián)各管段能量損失的疊加。

11/28/2023

例11-7某住宅小區(qū)熱水供應(yīng)系統(tǒng)平面布置如圖11-8所示。已知各管段長度為LAB

200m，LBC

180m，LCD

150m，LBE

70m，LCF

80m，各管段的局部阻力系數(shù)為：

AB

6.5，

BC

7.1，

CD

8.1，

BE

9，

CF

12，管段的沿程阻力系數(shù)均為