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文檔簡介
第二章流體流動與輸送掌握:1、流體的密度、黏度和壓強(qiáng)的定義、單位和換算2、流體靜力學(xué)基本方程式、流量方程式、連續(xù)性方程式、柏努利方程式及其應(yīng)用3、流體的流動類型及其判定,雷諾數(shù)及其計(jì)算4、流體在圓形直管內(nèi)阻力及其計(jì)算了解:1、圓形直管內(nèi)流體流動的速度分布,邊界層的基本概念2、非圓形管內(nèi)流體阻力的計(jì)算,當(dāng)量直徑,局部阻力的計(jì)算3、孔板流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)的基本結(jié)構(gòu)、測量原理4、了解典型流體輸送設(shè)備——離心泵5、準(zhǔn)數(shù)的概念及其應(yīng)用,為傳熱、傳質(zhì)的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)第一節(jié)流體靜力學(xué)一、基本名詞(一)流體:承受任何微小切向應(yīng)力都會發(fā)生連續(xù)變形的物質(zhì)。所有氣體和絕大多數(shù)液體都是流體一般把液體看成是不可壓縮流體,把氣體看成是可壓縮流體連續(xù)性假設(shè)-假設(shè)流體是由大量質(zhì)點(diǎn)所組成的,彼此之間沒有空隙,完全充滿所占空間的連續(xù)介質(zhì)。在流動過程中不間斷,不滑脫而連續(xù)地流動。(二)密度1、定義:單位體積流體所具有的質(zhì)量,稱為流體的密度。2、影響因素:壓強(qiáng)、溫度3、求取方法:液體混合物:
氣體混合物:4、相對密度(比重)5、比體積(比容)
【例2-1】假如苯和甲苯在混合時沒有體積效應(yīng)。求在20℃時,600kg苯和200kg甲苯混合后混合物的密度。
(三)壓強(qiáng)
絕對壓強(qiáng)表壓真空度表壓=絕壓-當(dāng)?shù)卮髿鈮?/p>
真空度=當(dāng)?shù)卮髿鈮?絕壓
單位面積上所受流體垂直方向的作用力常用壓強(qiáng)單位之間的換算關(guān)系
1atm=760mmHg=10.33mH2O=1.033kgf/cm2=1.013×105N/m2=1.013bar=1.013×105Pa1at=735.6mmHg=10mH2O=1kgf/cm2=9.807×104N/m2=0.9807bar=9.807×104Pa【例2-2】:在蘭州操作的苯乙烯真空蒸餾塔塔頂真空表讀數(shù)為80kPa,在天津操作時,真空表讀數(shù)應(yīng)為多少?已知蘭州地區(qū)的平均大氣壓85.3kPa,天津地區(qū)為101.33kPa。分析:維持操作的正常進(jìn)行,應(yīng)保持相同的絕對壓,根據(jù)蘭州地區(qū)的壓強(qiáng)條件,可求得操作時的絕對壓。解:絕壓=大氣壓-真空度=85300–80000=5300[Pa]真空度=大氣壓-絕壓=101330-5300=96030[Pa]二、流體靜力學(xué)基本方程式
1、形式:p2=p1+ρ(z1-z2)g或p2=p1+ρgh或2、適用條件:適用于靜止的、連通著的同一種連續(xù)流體。3、方程式的意義:1)反映了靜止流體內(nèi)部任意兩個截面壓強(qiáng)之間的關(guān)系;2)在靜止、連續(xù)、均質(zhì)的流體中,處在同一水平面上各點(diǎn)的壓強(qiáng)相等;3)可以用流體柱高度表示壓強(qiáng)大小,但是必須注明流體種類。三、流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用液體靜壓強(qiáng)的測量(U型管壓差計(jì))1、構(gòu)成:U型玻璃管、指示液、標(biāo)尺指示液要求:不互溶、不反應(yīng)、密度大于被測流體的密度。常用指示液:汞、水、四氯化碳、液體石蠟
2、測兩點(diǎn)之間壓強(qiáng)差3、測某一點(diǎn)的表壓強(qiáng)p表=(ρ0–ρ)gR4、測某一點(diǎn)的真空度p真=ρgR【例題2-3】:水在附圖所示的水平管內(nèi)流動,在管壁A處連接一U形管壓差計(jì),指示液為汞,密度為13600kg/m3,U形管開口右支管的汞面上注入一小段水(此小段水的壓強(qiáng)可忽略不計(jì)),當(dāng)?shù)卮髿鈮篜a為101.33Pa,水的密度取1000kg/m3,其它數(shù)據(jù)見附圖,求A處的絕對壓強(qiáng)為多少Pa?PB=PC=PD
【例2-4】某流化床反應(yīng)器上裝有兩個U型管壓差計(jì),測得R1=400mm,R2=50mm,指示液為水銀。為防止水銀蒸氣向空中擴(kuò)散,于右側(cè)的U型管與大氣連通的玻璃管中灌入一段水,其高度R3=50mm,試求A\B兩處的表壓強(qiáng)。應(yīng)用靜力學(xué)基本方程式時應(yīng)注意:1)正確選擇等壓面:等壓面必須在連續(xù)、靜止的同一種流體的同一水平面上;2)方程式中各項(xiàng)物理量的單位必須一致。
液位測量化工生產(chǎn)中為了了解容器里物料的儲存量,需要使用液位計(jì)進(jìn)行液位的測量。氣體hhpp液封裝置液封,也稱水封,是一種利用液體的靜壓來封閉氣體的裝置。p0p0乙炔發(fā)生器水封第二節(jié)流體在管內(nèi)的流動一、流量和流速體積流量qv——單位時間流過導(dǎo)管任一截面的流體體積,;質(zhì)量流量qm——單位時間流過導(dǎo)管任一截面的流體質(zhì)量,流速qm=qvρ=uAρ流體種類及狀況常用流速范圍m/s流體種類及狀況常用流速范圍m/s水及一般液體1~3壓力較高的氣體15~25黏度較大的液體0.5~18大氣壓以下飽和水蒸汽40~60低壓氣體8~153大氣壓以下飽和水蒸氣20~40易燃、易爆的低壓氣體(如乙炔等)<8過熱水蒸汽30~50流體在管道中的常用流速范圍
二、穩(wěn)定流動與非穩(wěn)態(tài)流動
1、2、穩(wěn)定(定態(tài))流動:流動流體中任何一點(diǎn)的全部物理量僅隨位置改變而都不隨時間而變3、不穩(wěn)定(不定態(tài))流動:
化工生產(chǎn)多屬于連續(xù)穩(wěn)定過程
三、穩(wěn)定流動系統(tǒng)的物料衡算——連續(xù)性方程1、衡算依據(jù):質(zhì)量守恒定律2、推導(dǎo)過程取從截面1-1到截面2-2的范圍作流體的質(zhì)量衡算常數(shù)3、流速、管道截面積、管徑之間的關(guān)系流速與管道截面積成反比,與管徑的平方成反比。
適宜管徑選擇1)在適宜的流速范圍內(nèi)選定一個合理的流速2)計(jì)算管徑3)根據(jù)管子標(biāo)準(zhǔn)選用與計(jì)算得的管徑相近的管子規(guī)格。某些流體在管中的常用流速范圍如下:自來水1~1.5;低粘度液體1.5~3;高粘度液體0.5~1.0;一般氣體(常壓)10~20;飽和蒸汽(粘度?。?0~40;低壓空氣(粘度大)12~15;
四、流體穩(wěn)定流動時的能量衡算——柏努利方程1、衡算依據(jù):能量守恒定律2、柏努利方程的導(dǎo)出對1-1和2-2范圍的流體作能量衡算1)勢能J2)動能J3)壓強(qiáng)能J4)熱能5)輸送機(jī)械獲得的能量
6)摩擦能量損耗
若無外加熱器若無輸送機(jī)械,是理想流體,忽略摩擦損失對于靜止的、不可壓縮的流體
柏努利方程式五、伯努利方程的應(yīng)用
1)確定管道中流體的流量;2)確定容器間的相對位置;3)確定流體輸送機(jī)械的有效功率;4)確定用壓縮空氣輸送液體時壓縮空氣的壓強(qiáng)等。5)管路的計(jì)算、流量計(jì)的設(shè)計(jì)等應(yīng)用伯努利方程式注意要點(diǎn)
1)
選取截面確定衡算范圍:選取的截面應(yīng)與流動方向垂直,并且兩截面之間的流體必須連續(xù);待求的未知數(shù)應(yīng)在兩截面間之間或在某一截面上,對循環(huán)系統(tǒng),可任選一截面當(dāng)作兩個截面使用。2)確定基準(zhǔn)面,主要是計(jì)算截面處的相對位能。選取的基準(zhǔn)面必須是水平面,水平管截面確定基準(zhǔn)面時,一般是取通過管中心的水平面為基準(zhǔn)面。
3)
式中各物理量單位應(yīng)一致,壓強(qiáng)必須一致4)
截面很大時,截面處流速可以取為05)不同基準(zhǔn)伯努利方程式的選用通常是根據(jù)習(xí)題中給出的能量損失的單位選用相同基準(zhǔn)的伯努利方程式。6)上游截面的三項(xiàng)能量+從輸送機(jī)械獲得的能量=下游截面的三項(xiàng)能量+管道中的摩擦損失能量
【例2-5】在某水平通風(fēng)管段中,管直徑自300mm漸縮到200mm。為了粗略估算其中空氣的流量,在錐形接頭兩端分別測得粗管截面1-1的表壓為1200Pa,細(xì)管截面的表壓為800Pa。空氣流過錐形管的能量損失可以忽略,求空氣的體積流量為若干m3/h?(設(shè)該物系可按不可壓縮流體處理,空氣密度取為1.29Kg/m3)【例2-6】
用虹吸管從高位槽向反應(yīng)器加料,高位槽和反應(yīng)器均與大氣連通,要求料液在管內(nèi)以的速度流動。設(shè)料液在管內(nèi)流動時的能量損失為(不包括出口的能量損失),試求高位槽的液面應(yīng)比虹吸管的出口高出多少?
代入得:∴
(即高位槽液面應(yīng)比虹吸管出口,高2.09米)
∵1-1截面比2-2截面面積大得多,第三節(jié)流量的測量一、測速管(Pitottube)原理:由流體沖壓能(動壓能與靜壓能之和)與靜壓能之差檢測流速。結(jié)構(gòu):為一同心套管,內(nèi)管前端開口,外管前端封閉,距端頭一定距離在外管壁上沿周向開有幾個小孔。由柏努利方程忽略測速管本身對流速的干擾以及A、B兩點(diǎn)間流體的阻力損失,則在來流與B點(diǎn)之間的柏努利方程為測速管(Pitottube)優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡單,對被測流體的阻力小,尤其適用于低壓、大管道氣體流速的測量。缺點(diǎn):輸出的壓差信號較小,一般需要放大后才能較為精確地顯示其讀數(shù)。二、孔板流量計(jì)(OrificeMeter)原理:通過改變流體在管道中的流通截面積而引起動能與靜壓能改變來檢測流量。結(jié)構(gòu):其主要元件是在管道中插入的一塊中心開圓孔的板。用U型管測量孔板前后的壓力變化。在孔板前上游截面1-1與2-2截面之間列柏努利方程(a)(b)孔板流量計(jì)計(jì)算公式優(yōu)點(diǎn):構(gòu)造簡單,制造和安裝都很方便缺點(diǎn):機(jī)械能損失大(稱之為永久損失)C0為孔板流量系數(shù),由實(shí)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)確定三、轉(zhuǎn)子流量計(jì)
原理:錐形管中流體在可以上下浮動的轉(zhuǎn)子上下截面由于壓差(p1-p2)所形成的向上推力與轉(zhuǎn)子的重力相平衡。穩(wěn)定位置與流體通過環(huán)隙的流速u0有關(guān)。結(jié)構(gòu):在上大下小的垂直錐形管內(nèi)放置一個可以上下浮動的轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)子材料的密度大于被測流體。對轉(zhuǎn)子上、下兩端面的流體截面列柏努利方程
假定忽略位壓頭的變化和摩擦阻力損失
轉(zhuǎn)子流量計(jì)
令稱為轉(zhuǎn)子的環(huán)隙面積,又令,稱為轉(zhuǎn)子流量系數(shù)
轉(zhuǎn)子流量計(jì)對于一定的流量,轉(zhuǎn)子會停止在一定位置,即作用于轉(zhuǎn)子的合力為零轉(zhuǎn)子流量計(jì)
流量標(biāo)定:20℃的水或者20℃、0.1MPa的空氣。刻度換算:CR為常數(shù),同一刻度位置若使用單位測定流量的流體不是水,是油或是其他流體u1/u2=(d2/d1)2壓強(qiáng)計(jì)、液位計(jì)、液封裝置靜態(tài)動態(tài)伯努利方程式小結(jié)——連續(xù)性方程確定流量;確定容器相對位置;確定輸送機(jī)械功率;確定壓縮空氣壓強(qiáng)管路計(jì)算、流量計(jì)設(shè)計(jì)如何計(jì)算流體阻力?流體阻力如何產(chǎn)生?流體內(nèi)部是什么樣子?第四節(jié)流體在管內(nèi)的流動阻力一、流體的黏度和牛頓黏性定律1、流體的黏性:流體的黏性是流體固有的屬性之一2、牛頓粘性定律江面流速分布示意圖
粘度定律推導(dǎo)示意圖
牛頓粘度定律
流體內(nèi)部所受的剪應(yīng)力(內(nèi)摩擦力F’)的大小與流體性質(zhì)有關(guān),且與接觸面積A和速度梯度成正比
動量通量與速度梯度成正比牛頓型流體與非牛頓型流體
牛頓型流體:服從牛頓粘度定律的流體非牛頓型流體:塑性流體假塑性流體漲塑性流體3、流體的黏度μ
1)概念1厘泊(cP)=0.01泊=10-3Pa.s2)粘度的物理意義3)溫度對μ的影響對液體,T↑,μ↓;對氣體,T↑,μ↑4、運(yùn)動黏度:黏度與密度之比雷諾實(shí)驗(yàn)二、流體的流動型態(tài)1、兩種流動型態(tài):
層流:各層以不同的流速平行于管壁向前流動。無徑向速度。湍流:除了沿管道向前運(yùn)動以外,各質(zhì)點(diǎn)還作不規(guī)則的雜亂運(yùn)動且互相碰撞,互相混和,有徑向速度。層流(滯流)過渡流湍流(紊流)2、流型的判據(jù)–––雷諾數(shù)
雷諾數(shù)Re=(du)/Re是一個準(zhǔn)數(shù),即沒有單位的純數(shù)實(shí)驗(yàn)證明,流體在管內(nèi)流動時層流Re<2000湍流Re>4000過渡流2000<Re<4000【例2-7】內(nèi)徑25mm的水管,水流速為1m/s,水溫20度,求:1.水的流動類型;
2.當(dāng)水的流動類型為層流時的最大流速?解:1.20℃μ=1cPρ=998.2kg/m3湍流3、流體在圓管內(nèi)的速度分布速度分布:由于流體具有粘度,使管壁處速度為零,離開管壁以后速度漸增,到中心處速度最大,此種變化關(guān)系稱速度分布1)層流特征:流體質(zhì)點(diǎn)無返混,整個流動區(qū)都存在速度梯度,速度分布呈二次拋物線型
平均速度是最大流速的一半,
2)湍流特征:流體質(zhì)點(diǎn)雜亂無章,僅在管壁處存在速度梯度,速度分布服從尼古拉則的七分之一次方定律應(yīng)用范圍是,平均流速是最大流速的0.8倍,
4、湍流時滯流內(nèi)層和緩沖層
層流內(nèi)層或滯流底層
緩沖層或過渡層
湍流主體
層流內(nèi)層的厚度隨Re的增大而減薄
三、流體流動阻力計(jì)算流體在管路系統(tǒng)中的流動可以分為在均勻直管中的流動,產(chǎn)生以表面摩擦為主的沿程阻力在各種管件(象閥門、彎管、設(shè)備進(jìn)出口等)中的流動,由于流道變向、截面積變化、流道分叉匯合等產(chǎn)生以逆壓差或渦流為主的局部阻力。為了克服阻力,要消耗部分能量,稱為阻力損失。這些阻力損失的直接表現(xiàn)是流體流過管路系統(tǒng)的壓強(qiáng)降或壓頭損失。流動阻力的表示方法摩擦因數(shù)(沿程阻力);阻力系數(shù)和當(dāng)量長度(局部阻力)
------a柏努利方程式所以作力的衡算所以即------b代入a式1、圓形直管阻力公式Fanning公式將表示為動壓頭()的若干倍
改寫b式,得:令則上式為由或Fanning公式意義
計(jì)算內(nèi)摩擦阻力的通式,適用于不可壓縮流體的穩(wěn)態(tài)流動同時適宜層流和湍流,但針對兩種流型的計(jì)算方法不同管壁粗糙度對摩擦系數(shù)的影響
1、
絕對粗糙度:指壁面凸出部分的平均高度2、
相對粗糙度:指絕對粗糙度與管道直徑的比值。/d層流:與管壁粗糙度無關(guān)。
湍流: 當(dāng)b>此時管壁粗糙度對于的影響與層流相同。
當(dāng)b<此時壁面粗糙度對影響成為重要因素。
摩擦因數(shù)計(jì)算方法圓管層流:解析法圓管湍流:因次分析其它(類似律、唯象理論)粗糙情況的影響研究結(jié)果:經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式算圖局部阻力光滑管Hagen-Poiseuille公式:Fanning公式比較Hagen-Poiseuille公式和Fanning公式,得:圓管層流的摩擦因數(shù):2、滯流時計(jì)算公式【例2-8】20℃的甘油在1″管中以0.2m/s流速流動,求流過每米管長時的摩擦阻力。20℃時甘油的粘度為1499厘泊,比重為1.26,1"管的規(guī)格為φ33.5×3.25解:當(dāng)流速為0.2m/s時,求得:
Re=dvρ/μ=(0.027×0.2×1260)/(1499×10-3)=4.54
流動型態(tài)為層流,流過每米管長時的阻力損失為:3、湍流時的計(jì)算
注意公式適用范圍(雷諾數(shù)、粗糙度)光滑管——柏拉修斯(Blasius)式:過渡區(qū)/d=5.6610-3Re=1.2105
=0.032
非圓形直管阻力損失非圓形截面管道流體流動的阻力損失可采用圓形管道的公式來計(jì)算,只需用當(dāng)量直徑de來代替圓管直徑d當(dāng)量直徑定義:流體浸潤周邊即同一流通截面上流體與固體壁面接觸的周長非圓形截面管道的當(dāng)量直徑abr2r1導(dǎo)致局部阻力的部分管件閥門邊界層分離現(xiàn)象(Boundarylayerseparation)倒流分離點(diǎn)u0
DAC’CBxAB:流道縮小,順壓強(qiáng)梯度,加速減壓BC:流道增加,逆壓強(qiáng)梯度,減速增壓CC’以上:分離的邊界層CC’以下:在逆壓強(qiáng)梯度的推動下形成倒流,產(chǎn)生大量旋渦局部阻力損失計(jì)算
局部阻力系數(shù)法:當(dāng)量長度法:——局部阻力系數(shù)le——
當(dāng)量長度局部阻力系數(shù)=(l/d):當(dāng)量長度:流道上某管件或閥門引起的局部損失,等于一段與它直徑相同的長度為le的直管,則le稱為管件或閥門的當(dāng)量長度。局部阻力是一種極復(fù)雜的流動現(xiàn)象,一般只能以實(shí)驗(yàn)測得某些參數(shù)(如或le)來進(jìn)行估算管路系統(tǒng)的總阻力損失為管入口管出口彎管閥門減小流體阻力的主要措施合理布置管路,盡量減少管長減少不必要的閥門管件,避免管路直徑突變適量增大管徑,盡量選用光滑管【例2-9】用φ108×4的鋼管輸送原油,輸送量19T/hr,原油比重為0.90,μ=72Cp.原油從起點(diǎn)站油泵出口壓力為61kgf/cm2(表),終到處壓力為1kgf/cm2(表),若管子是水平安裝的,局部阻力以直管阻力的10%計(jì),試求原油輸送的路程(輸油管長度)是多少?
p2p1L?解:[kg/s][m2][m/s][層流][J/kg]將以上數(shù)值代入下式:得:L≈31000[m]第五節(jié)離心泵(一)流體輸送機(jī)械在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用①為流體提供動力,以滿足輸送要求;
②為工藝過程創(chuàng)造必要的壓強(qiáng)條件;一、流體輸送設(shè)備概述(二)流體輸送機(jī)械的分類流體輸送機(jī)械按工作原理分類:離心式(葉輪式):離心泵、離心鼓風(fēng)機(jī)
等往復(fù)式:往復(fù)泵、往復(fù)壓縮機(jī)等
旋轉(zhuǎn)式:齒輪泵、螺桿泵等流體動力作用式:噴射泵
根據(jù)流體性質(zhì)的不同分成:輸送液體-離心泵、漩渦泵、往復(fù)泵
輸送氣體-壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)二、離心泵構(gòu)造及原理工作原理:依靠高速旋轉(zhuǎn)的葉輪,液體在慣性離心力的作用下被拋向外周并獲得能量,最終體現(xiàn)為液體靜壓能的增加氣縛現(xiàn)象若泵體內(nèi)存有空氣,由于ρ空氣<<ρ液,
所以產(chǎn)生的離心力很小,因而葉輪中心處所形成的低壓不足以將貯槽內(nèi)的液體吸入泵內(nèi),葉輪空轉(zhuǎn),這種現(xiàn)象稱為氣縛,達(dá)不到輸液目的。
因此,泵啟動前要預(yù)先向泵殼和吸入管道灌液。三、離心泵的參數(shù)送液能力—qv(流量),m3/s增壓程度—H(揚(yáng)程),m旋轉(zhuǎn)機(jī)械的功率—P(泵功率)有效功率Pe效率—η
(泵效率)主要性能參數(shù)泵軸葉輪液體四、離心泵的特性曲線及其應(yīng)用
1、定義:反應(yīng)揚(yáng)程、軸功率、效率和流量之間函數(shù)關(guān)系的曲線,一般用20C的清水在特定轉(zhuǎn)速下由實(shí)驗(yàn)測定。2、應(yīng)用:確定最佳工況參數(shù)確定工作效率(η-qv):泵的工作點(diǎn)應(yīng)在高效率區(qū)(92%)。啟動安全(P–qv):啟動泵時,應(yīng)關(guān)閉出口閥門,以保護(hù)電機(jī)。3、影響離心泵特性的因素1)
密度ρ:H-qv曲線不變,但P-qv曲線不再適用,應(yīng)重新計(jì)算。2)黏度μ:粘度增大,能量損失增大,因此泵的壓頭、流量都要減小,效率下降,而軸功率增大3)泵轉(zhuǎn)速n(比例定律)4)葉輪直徑D(切割定律)【例2-10】用泵將地槽中比重為1.84的硫酸以1.3kg/s的流量送到貯罐中。地槽內(nèi)液面恒定,貯罐高出地槽液面12m,地槽和貯槽皆通大氣。輸送管道內(nèi)徑為25mm,流動過程的能量損失為57.6J/kg,若泵的效率為50%,計(jì)算泵所需的功率。12m12P0P0解:五、離心泵的汽蝕現(xiàn)象與安裝高度1、汽蝕現(xiàn)象:氣泡對葉輪的腐蝕現(xiàn)象1)產(chǎn)生原因:泵入口處壓強(qiáng)小于操作條件下被輸送液體的飽和蒸氣壓。2)汽蝕的危害:使泵體產(chǎn)生振動與噪聲;泵的流量、揚(yáng)程和效率下降;葉輪受到破壞而剝蝕。3)避免方法:限制泵的安裝高度
2、汽蝕余量
有效汽蝕余量:為防止汽蝕現(xiàn)象發(fā)生,離心泵入口處靜壓頭與動壓頭之和超過被輸送液體在操作溫度下的飽和蒸氣壓頭之值。泵的必需汽蝕余量:實(shí)驗(yàn)測定得到并列入泵產(chǎn)品樣本實(shí)際汽蝕余量3、離心泵的允許安裝高度
【例2-11】用離心泵將20℃的清水送到某設(shè)備內(nèi),泵的前后分別裝有真空表和壓強(qiáng)表,如圖。已知泵吸入管路的壓頭損失為2.2m,動壓頭為0.4m,泵的實(shí)際安裝高度為3.5m,操作條件下泵
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