第1章流体流动与输送课件.ppt

第一章第一章 流体流动与输送流体流动与输送流体：没有固定形状，可以自由流动的物质。(1)=0 (2)绝对不可压缩化化学学工工程基程基础础1.1.1 1 流体静力学流体静力学 1.1.1密度、相对密度、比容、比重密度：单位体积流体所具有的质量。液体的密度基本上不随压力变化（极高压力除外），液体的密度基本上不随压力变化（极高压力除外），但随但随温度温度变化稍有改变变化稍有改变气体的密度则随气体的密度则随温度和压力温度和压力的改变而变化较大的改变而变化较大单位：kgm-3符号：影响因素:化化学学工工程基程基础础研究流体在静止状态下平衡的规律混合物的密度液体混合物的密度 气体混合物的密度wi液体混合物中各组分的质量分数纯组分密度的数据查工具手册获取。对理想气体密度的获得液体混合物中各组分的密度 化化学学工工程基程基础础练习已知炼焦煤气的组成为：已知炼焦煤气的组成为：CO21.8%;O20.7%;CO6.5%;CH424%；H258%;N27%(皆为体积皆为体积%)。试求试求103.9kPa及及298K时炼焦煤气的密度？时炼焦煤气的密度？化化学学工工程基程基础础计算计算293K时时60%(质量质量)的醋酸水溶液的密度？的醋酸水溶液的密度？相对密度:指给定条件下，某一物质的密度1与另一参考物质的密度2之比单位：无符号：d比重:一般各物质的比重是指某物质在某温度下的密度与4水密度之比单位：无符号：d如：硫酸的比重为化化学学工工程基程基础础比容:单位质量物料所具有的体积.重度:单位体积流体所具有的重量(工程制中的概念).1 1.1.2.1.2 压强压强:垂直作用于单位面积上的力。符号：P 1标准大气压标准大气压(atm)=101325N m-2=760mmHg柱柱=10.33mH2O柱柱 1工程大气压工程大气压(at)=9.807 104N m-2=735.6mmHg柱柱=10mH2O柱柱单位换算关系 P=g h现在压力表常用Mpa表示,1Mpa=106 Pa单位：N/m2(=帕斯卡Pa),大气压atm,mmHg,mH2O,工程大气压at(=公斤力/厘米2)化化学学工工程基程基础础压强表示方法：表压强，绝对压强，真空度表压强=绝对压强-大气压强真空度=大气压强-绝对压强真空度=-表压强 压强表示方法真空度是表压强的负值,设备内流体的绝对压强越低,其真空度越高.化化学学工工程基程基础础练习:表压还是真空度?化化学学工工程基程基础础表压强表压强真空度真空度思考：表压和真空度是绝对不变的吗？绝对压强是唯一的，而大气压随海拔高度绝对压强是唯一的，而大气压随海拔高度而变化，故表压和真空度是变化的而变化，故表压和真空度是变化的 。1.1.3流体静力学基本方程式P1A+G=P2AP1A+hAg=P2AP1+hg=P2P1+(Z2-Z1)g=P2P2=P0+Z2g当当Z Z1 1=0;=0;P P1 1=P P0 0化化学学工工程基程基础础流体静力学方程式的讨论.Po一定时一定时在静止的、连通的同一种液体内，处于同一水平在静止的、连通的同一种液体内，处于同一水平面上的各点的压力都相等。面上的各点的压力都相等。.P0改变时，液体内部各点的压力也发生同样改变时，液体内部各点的压力也发生同样大小的改变。大小的改变。.压力或压力差的大小可用液柱高度来表示。压力或压力差的大小可用液柱高度来表示。化化学学工工程基程基础础同一压强同一压强,因不同的流体密度不同因不同的流体密度不同h 值不同值不同,因此用因此用液柱高度表示流体的压强必须注明是何种流体。液柱高度表示流体的压强必须注明是何种流体。1.1.41.1.4流体静力学方程应用实例流体静力学方程应用实例U型管压差计型管压差计o P1-P2=0gRU型管压差计 化化学学工工程基程基础础液位计PA=PB化化学学工工程基程基础础液封化化学学工工程基程基础础1.1.2 2 流体流动流体流动在流动系统中，若任一截面处的流速、压强、密度等有关物理量仅随位置而变，但不随时间而变，这种流动称为定态流动。若流体流动时，流体任一截面处的有关物理量既随位置又随时间而变，则称为非定态流动。1.2.1定态流动与非定态流动定态流动与非定态流动定态流动 非定态流动 化化学学工工程基程基础础1.2.2流量与流速流量与流速流量：流体在管道中定态流动时，单位时间内流过管道任一截面的流体量，称为流量,常以q表示。流量流量质量流量：以qm（单位kgs1）体积流量：以qV（单位m3s1）化化学学工工程基程基础础流速流速流体流经管道任一截面上各点流体流经管道任一截面上各点的流速并不相同。管截面中心的流速并不相同。管截面中心处流速最大，越靠近管壁流速处流速最大，越靠近管壁流速越小，通常以越小，通常以平均流速平均流速表示表示.流速即单位时间内流体在流动方向上流经的流速即单位时间内流体在流动方向上流经的距离称为流速，符号为距离称为流速，符号为u u，其单位为其单位为m ms s-1-1。体积流量qV，质量流量qm及流速u之间关系 化化学学工工程基程基础础管径 流速的选择：流量一般由生产任务所决定，所以关键在于选择合适的流速。化化学学工工程基程基础础表表1-1 某些流体在管道中的常用流速范围某些流体在管道中的常用流速范围化化学学工工程基程基础础例2-1用泵从贮液槽中抽液送到高位槽，已知输送量为44 000 kgh-1，液体的密度为850 kgm-3，流速为2 ms-1，求输送管路的直径。解：因计算得到的d值，市场上可能无此规格的管子供应，故要选择与此尺寸相近的管子代替。根据附录中管子规格，选用102 mm3.5 mm的热轧无缝钢管，其内径为：d=0.102 m 20.0035 m=0.095 m化化学学工工程基程基础础1.2.31.2.3流体流动的连续性方程流体流动的连续性方程图图2-2 2-2 连续性方程连续性方程qm,1=qm,2因因qm=uA，故上式可写成：故上式可写成：u1A11=u2A22 将上式推广到管路中任意截面，可得：将上式推广到管路中任意截面，可得：u1A11=u2A22=uA=常数常数 u1A1 =u2A2=uA=常数常数说明在定态流动系统中，流经各截面的不可压缩流体不仅质量流量相等，而且其体积流量也相等。对于截面为圆形的管道 化化学学工工程基程基础础1.2.41.2.4伯努利伯努利 (Bernoullis Equation)方程方程 伯努利方程即表示流体流动过程中，各种形式能量之间的转换关系。物质所具有的能量形式有多种，但对不可压缩流体作定态流动时，则只考虑各种形式机械能的转换，其能量衡算也只是机械能的衡算。因能量不会自行产生，也不会自行消灭，只能从一种形式转变为另一种形式，但总能量不会增加或减少，若在流体流动过程中，无能量加入或损耗，则：输入能量=输出能量化化学学工工程基程基础础动能动能：动能动能=静压能静压能：设设mkg体积为体积为Vm3的流体流经管道截的流体流经管道截面积为面积为A m2的管道，流体通过该截面所走过距的管道，流体通过该截面所走过距离为离为L=V/A。通过该截面时受到上游的力为通过该截面时受到上游的力为F=pA，则流体压过该截面所作的功为则流体压过该截面所作的功为：位能位能：位能位能=mgz 化化学学工工程基程基础础单位J Jkg1 m位压头位压头静压头静压头 动压头动压头 理想流体能量衡算式 理想流体伯努利方程式化化学学工工程基程基础础外加压头或泵压头外加压头或泵压头损失压头 化化学学工工程基程基础础伯努利方程式的讨论伯努利方程式的讨论 只适用于理想流体作定态流动且无外功只适用于理想流体作定态流动且无外功输入的情况。输入的情况。伯努利方程表明，单位质量流体在任一伯努利方程表明，单位质量流体在任一截面上所具有的位能、动能和静压能之截面上所具有的位能、动能和静压能之和为一个常数。即机械能守恒，总能量和为一个常数。即机械能守恒，总能量不变，但能量之间可以互相转换不变，但能量之间可以互相转换。化化学学工工程基程基础础为实际流体作定态流动的能量衡算式。为实际流体作定态流动的能量衡算式。由于实际流体在流动过程中需克服摩擦由于实际流体在流动过程中需克服摩擦阻力作功而消耗掉一部分能量，若无外阻力作功而消耗掉一部分能量，若无外功输入时，系统的总机械能沿流动方向功输入时，系统的总机械能沿流动方向将逐渐减小。即实际流体在管路内流动将逐渐减小。即实际流体在管路内流动时，其上游截面处的总机械能大于下游时，其上游截面处的总机械能大于下游截面处的总机械能。截面处的总机械能。化化学学工工程基程基础础伯努利方程式中的静压强项，在计算时表现为两截面的压差，在计算时应注意两截面压强的注意两截面压强的表示方法应统一表示方法应统一，如都用绝对压强代入，或都用表压强代入。mJ/kgJ/s=W化化学学工工程基程基础础伯努利方程式是由流体流动系统的机械能衡算关系式导出的，若衡算基准不同，可得到伯努利方程式的几种不同形式。实践证明，针对具体情况采用式（2-14）至（2-18）所示的不同形式的伯努利方程进行计算往往比较方便。对于可压缩流体的流动过程，通常情况下，若两截面之间的绝对压强变化小于原来压强的20%（即时，仍可使用式（2-19）进行计算，此时式中所代入的密度应以平均密度代替。1.2.51.2.5伯努利方程的应用伯努利方程的应用 计算管路中流体流动的流量和流速计算管路中流体流动的流量和流速 如左图所示，水槽液面维持不变，水如左图所示，水槽液面维持不变，水槽液面距水管出口的垂直距离为槽液面距水管出口的垂直距离为6.5m,水管为水管为 114mm4mm的钢管，的钢管，流经全部管路的阻力损失为流经全部管路的阻力损失为59Jkg1，求管中水的流量为多少求管中水的流量为多少m3s1。(水水=1000kgm3）Wf=59kJkg1 114mm4mm 解：以水槽液面为解：以水槽液面为1-1截面，水截面，水管出口为管出口为2-2截面，以水平管的截面，以水平管的中心线为基准面，在两截面间列中心线为基准面，在两截面间列伯努利方程。伯努利方程。We=0，z1=6.5m，z2=0，p1=p2=0（按表压计按表压计），），Wf=59kJkg1，d内内=0.114m20.004m=0.106m，u2=2.75 ms1 确定容器间的相对位置 例2-3 如图所示，将密度为850 kgm3的原料液送入精馏塔中，高位槽液面维持恒定，塔内表压强为9.81103 Pa，进料量为5m3h1，连接管为38 mm2.5mm的钢管。料液在管内流动时的能量损失为3.05m液柱，问高位槽的液面应比精馏塔的进料口高出多少米？解：以高位槽液面为解：以高位槽液面为1-1截面，进料截面，进料口为口为2-2截面，并以进料口水平管的截面，并以进料口水平管的中心线为基准面，在两截面间列伯中心线为基准面，在两截面间列伯努利方程。得：努利方程。得：z2=0；p1=0（表压）；表压）；u1=0；d=0.038m20.0025m=0.033m，确定输送设备的有效功率 例例2-4如下所示，用泵将贮槽中密度为如下所示，用泵将贮槽中密度为1100kgm3的溶液送到的溶液送到蒸发器中，贮槽内液面维持恒定，其上方压强为蒸发器中，贮槽内液面维持恒定，其上方压强为101.3103Pa。蒸发器内为真空操作，其压强为蒸发器内为真空操作，其压强为2.67104Pa(真空度真空度)。蒸发。蒸发器进料口高于贮槽内的液面器进料口高于贮槽内的液面14m,输送管道的直径为输送管道的直径为68mm4mm。进料量为进料量为20m3h-1，溶液流经全部管路的能量溶液流经全部管路的能量损失为损失为110Jkg-1，求泵的有效功率。（求泵的有效功率。（137W）应用伯努利方程的要点(1)首首先先应应根根据据题题意意绘绘出出流流动动系系统统的的示示意意图图，并并标标明明流流体体流流动动的的方方向向，定定出出上上、下下游游截截面面，确定流动系统的衡算范围。确定流动系统的衡算范围。(2)(2)所选取的所选取的截面应与流体流动方向垂直截面应与流体流动方向垂直，且，且两截面间的流体必须是两截面间的流体必须是连续的连续的。截面的选取应。截面的选取应便于进行有关物理量的计算便于进行有关物理量的计算 。基准面的选取。各项单位必须一致；截面压强表示方法应该一致。衡算范围内的外功及阻力损失应完全考虑进去。1.31.3流体在管内的流动阻力流体在管内的流动阻力实际流体在流动过程中，要消耗能量以克服流动阻力。在实际流体在流动过程中，要消耗能量以克服流动阻力。在化工生产过程中，当应用伯努利方程去处理流体流动及输化工生产过程中，当应用伯努利方程去处理流体流动及输送过程中的问题时，流动阻力的计算相当重要，本节主要送过程中的问题时，流动阻力的计算相当重要，本节主要讨论讨论流体阻力的产生、影响及其计算流体阻力的产生、影响及其计算。1.3.11.3.1牛顿粘性定律与流体的粘度牛顿粘性定律与流体的粘度 流体的粘性流体的粘性 流体流动时，往往产生阻碍流体流动的内摩擦力，流体流动时，往往产生阻碍流体流动的内摩擦力，这种流动特性称为这种流动特性称为流体的粘性流体的粘性。衡量流体粘性大小的物理量，称为衡量流体粘性大小的物理量，称为粘度粘度。粘度的物理意义由粘度的物理意义由牛顿粘性定律牛顿粘性定律来说明。来说明。牛顿粘性定律牛顿粘性定律 内摩擦应力或剪应力 比例系数比例系数，又称，又称动力粘性动力粘性或或粘度粘度 牛顿粘性定律牛顿粘性定律 物理意义：速度梯度为速度梯度为1 1时，因流体的粘性而产生的剪应力时，因流体的粘性而产生的剪应力。粘度的物理意义粘度的物理意义液体的粘度随温度升高而减小，气体的粘度则随液体的粘度随温度升高而减小，气体的粘度则随温度的升高而增大。温度的升高而增大。粘度与压强关系不大，一般不需考虑压强对液体粘度与压强关系不大，一般不需考虑压强对液体粘度的影响。粘度的影响。单位单位粘度是流体的物理性质之一，其值由实验确定。粘度是流体的物理性质之一，其值由实验确定。一些常用流体的粘度可从有关手册中查到一些常用流体的粘度可从有关手册中查到。影响因素影响因素SIUnit泊泊 P;P;厘泊厘泊cPcP；1 1 泊泊=100=100厘泊厘泊=0.1=0.1 Pa s其它单位：其它单位：1.3.2 1.3.2 流动的型态流动的型态 图图2-7两种流体流动类型两种流体流动类型图图2-6雷诺实验装置示意图雷诺实验装置示意图大量实验研究表明，除了流体的流速u之外，流体流动的几何尺寸（管径d）、流体的性质（密度和粘度）对流动形态均有影响。Re 2000，层流（滞流）层流（滞流）2000Re 4000，湍流湍流雷诺将这些影响因素归纳成一个量纲为一的数群，以此判断流体的流动型态，称为雷诺数雷诺数，用Re表示：管内层流与湍流的比较图图2-8滞流时的速度分布曲线滞流时的速度分布曲线 图图2-9湍流时的速度分布曲线湍流时的速度分布曲线 u=0.5umaxu=0.8umax层流底层层流底层1.3.31.3.3流动边界层流动边界层 图图2-11圆管内进口段边界层的形成示意图圆管内进口段边界层的形成示意图 层流层流:xo/d=0.075Re 湍流湍流:xo/d=(50100)d 1.4 流体阻力的计算 流体在流经包括流体在流经包括直管、弯头、阀门、三通等管直管、弯头、阀门、三通等管件件组成的管路时，因流动时流体层分子之间会组成的管路时，因流动时流体层分子之间会产生产生内摩擦力内摩擦力，或因壁面变化促使流动的流体，或因壁面变化促使流动的流体内部发生相对运动，均会造成能量损失。内部发生相对运动，均会造成能量损失。流体通过直管的能量损失称为流体通过直管的能量损失称为直管阻力损失直管阻力损失（或（或沿程阻力损失沿程阻力损失）hl；通过阀门、管件及进、出口时，由于受到局部通过阀门、管件及进、出口时，由于受到局部阻碍而造成的能量损失成为阻碍而造成的能量损失成为局部阻力损失局部阻力损失hf。1.4.11.4.1流体在直管中的流动阻力流体在直管中的流动阻力 范宁（范宁（Fanning）公式公式 摩擦系数摩擦系数=f(Re,管壁粗糙度管壁粗糙度)管壁粗糙度可用绝对粗糙度和相对粗糙度来表示。管壁粗糙度可用绝对粗糙度和相对粗糙度来表示。管壁凸出部分的平均高度，成为绝对粗糙度，以管壁凸出部分的平均高度，成为绝对粗糙度，以表示。绝对粗糙度与管内径的比值表示。绝对粗糙度与管内径的比值/d d，称为相对称为相对粗糙度。粗糙度。摩擦系数的确定摩擦系数的确定图图2-13摩擦系数与雷诺数及相对粗糙度的关系摩擦系数与雷诺数及相对粗糙度的关系 (1)(1)层流时的摩擦系数层流时的摩擦系数 图图2-14层流时摩擦阻力系数层流时摩擦阻力系数计算式的推导计算式的推导 哈根哈根泊肃叶公式泊肃叶公式 （2）湍流时的摩擦系数湍流时的摩擦系数 工程计算中常须通过实验用量纲分析来建立某些工程计算中常须通过实验用量纲分析来建立某些条件下的经验关联式条件下的经验关联式 对于光滑管道当对于光滑管道当Re=（3100）103时，时，值可用值可用柏拉修斯（柏拉修斯（Blasius）公式计算）公式计算:对于粗糙管（钢管或铁管），对于粗糙管（钢管或铁管），Re=（33000）10103 3的的范围内，也可用我国化工专家顾毓珍教授提出的关联范围内，也可用我国化工专家顾毓珍教授提出的关联式计算式计算:对于非圆形管道中的流体流动，当求算对于非圆形管道中的流体流动，当求算和阻力损失时，和阻力损失时，应将上述各公式中的应将上述各公式中的d d按下式计算的按下式计算的当量直径当量直径dede再代入进再代入进行计算。行计算。外管内径为外管内径为D，内管外径为，内管外径为d的的环形通道环形通道，其当量直径，其当量直径为为：对于边长分别为对于边长分别为a和和b的的矩形通道矩形通道，则，则1.4.21.4.2局部阻力局部阻力 流体流经管件(阀门，弯头，三通等)及进、出口时因受到局部障碍所产生的局部能量损失。局部阻力系数法局部阻力系数法 近似地认为克服局部阻力所引起的能量近似地认为克服局部阻力所引起的能量损失可以表示成动压头的倍数，即：损失可以表示成动压头的倍数，即：局部阻力系数局部阻力系数 由实验确定由实验确定 表表2-2湍流时管件和阀门的局部阻力系数湍流时管件和阀门的局部阻力系数值值 当量长度法当量长度法:将流体流经阀门、管件所产生的局部阻力，将流体流经阀门、管件所产生的局部阻力，折算成流体流过与其相当长度的直管所造成折算成流体流过与其相当长度的直管所造成的阻力损失。这一直管长度，称为的阻力损失。这一直管长度，称为当量长度当量长度le。图2-15 管件与阀门的当量长度共线图 表表2-3 2-3 管件与阀门的阻力系数与当量长度数据管件与阀门的阻力系数与当量长度数据(适用于湍流适用于湍流)例例2-5将密度为将密度为1100kgm3的溶液用泵从反应器输送到高位的溶液用泵从反应器输送到高位槽（附图）。输送量为槽（附图）。输送量为2104kgh1，反应器液面上方压强反应器液面上方压强为为2.67104Pa（真空度），高位槽液面上方通大气。管道为真空度），高位槽液面上方通大气。管道为57mm3.5mm的钢管，管路总长为的钢管，管路总长为45m,管路中有两个全开管路中有两个全开的闸阀，一个文丘里流量计，五个标准弯头，反应器液面距的闸阀，一个文丘里流量计，五个标准弯头，反应器液面距管路出口的垂直距离为管路出口的垂直距离为15m。已知该溶液的粘度为已知该溶液的粘度为6.3103Pas，管壁的绝对粗糙度可取为管壁的绝对粗糙度可取为0.3mm。若该泵的效率为若该泵的效率为0.65,求泵的轴功率。求泵的轴功率。z1=0,u1=0,p1=-2.67 104Pa（表压表压）z2=15m,p2=0(表压表压)解：如图所示，以反应器液面为1-1截面，高位槽液面为2-2截面，并以1-1截面为基准面，在两截面间列伯努利方程:若要求算若要求算hf，需先求出，需先求出，为此，须确定管内流体的流动形态。，为此，须确定管内流体的流动形态。湍流湍流 查图得查图得=0.037=0.037 采用当量长度法计算采用当量长度法计算:查图全开闸阀查图全开闸阀2个个:l e=0.35m2=0.7m标准弯头标准弯头5个个:l e=15m5=7.5m；1个文丘里流量计个文丘里流量计,查手册查手册,le/d=12，代入得，代入得=31.2m液柱液柱 =17001700W，2615W2615W例2-6 粘度为0.030Pas，密度为900kgm3的液体自容器A流过内径为40mm的管路进入容器B。两容器均为敞口，且液面可视为不变。管路中装有一个阀门，阀前管长为50m，阀后管长为20m（均包括局部阻力在内的当量长度）。当阀关闭时，阀前后压力表读数分别为8.83104Pa与4.42104Pa。现将阀门打开1/4开度，此时阀门阻力的当量长度为30m，试求：(1)管路中流体的质量流量；(2)阀前后压力表的读数为多少（已知流体流动型态为层流）？1.5 1.5 流体输送管路计算流体输送管路计算管路计算就是运用管路计算就是运用流体流动的连续性方程式流体流动的连续性方程式、机机械能衡算式械能衡算式和和流体流动阻力损失计算式流体流动阻力损失计算式去解决实去解决实际工作中常遇到的流体管路输送的设计问题和操际工作中常遇到的流体管路输送的设计问题和操作计算。作计算。u u1 1A A1 1=u u2 2A A2 2已知管道尺寸、管件和流量，计算流体通过管路已知管道尺寸、管件和流量，计算流体通过管路系统的阻力损失；以便进一步确定输送设备的功系统的阻力损失；以便进一步确定输送设备的功率、系统内的压强及设备间的相对位置；率、系统内的压强及设备间的相对位置；已知流量、管长、所需管件和允许压强降，计算已知流量、管长、所需管件和允许压强降，计算管路直径；管路直径；已知管道尺寸、管件设置和允许的阻力损失，求算已知管道尺寸、管件设置和允许的阻力损失，求算管道中流体的流速或流量。管道中流体的流速或流量。1.5.11.5.1简单管路简单管路是指流体由入口至出口是在一条管是指流体由入口至出口是在一条管路中流动的，整条管路可以由内径相同的管子组成，路中流动的，整条管路可以由内径相同的管子组成，也可以由几种内径不同的管子组成。但不出现流体也可以由几种内径不同的管子组成。但不出现流体分支或汇合情况。这种管路也称为分支或汇合情况。这种管路也称为串联管路串联管路。例例 2-7 2-7 将水从水塔引至车间，管路为将水从水塔引至车间，管路为108mm4mm108mm4mm的的钢管，钢管的绝对粗糙度为钢管，钢管的绝对粗糙度为0.2mm0.2mm，管路长，管路长200m200m（包括管（包括管件及阀门的当量长度，但不包括进、出口损失）。水塔内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，并高于排出口水面维持恒定，并高于排出口14m 14m。水温为。水温为2020时，求此时，求此管路的输水量？管路的输水量？解：以塔内水面为解：以塔内水面为1-11-1截面，排水管出口内侧为截面，排水管出口内侧为2-22-2截面，截面，选其水平中心线为基准面。在两截面间列伯努利方程，即：选其水平中心线为基准面。在两截面间列伯努利方程，即：z z1 1=14m,=14m,z z2 2=0,=0,u u1 1=0,=0,u u2 2=u u,p p1 1=p p2 2 试差法试差法1.5.21.5.2复杂管路的计算复杂管路的计算(a)(a)分支管路分支管路 (b)(b)汇合管路汇合管路 (c)(c)并联管路并联管路 复杂复杂管路的特点管路的特点 (1)(1)各支管流量之和等于主管流量；各支管流量之和等于主管流量；(2)(2)对任一支管而言，分支前及汇合后的总压头相等，由对任一支管而言，分支前及汇合后的总压头相等，由此可建立支管间的机械能衡算式，从而确定出各支管的流此可建立支管间的机械能衡算式，从而确定出各支管的流量分配。量分配。q qV V,O,O=q qV V,B,B q qV V,C,Ch hO O=h hB Bh hf f,OB,OB=h hC Ch hf f,OC,OC复杂管路的计算内容 已知总流量和各支管的规格，求算各支管的流量；已知各支管的流量、管长及管件、阀门的位置，确定合适的管径；在已确定的输送条件下，求算输送设备的功率 例例 2-8 2-8 用泵将图中所示贮罐内的油品输送到用泵将图中所示贮罐内的油品输送到A A，B B两两塔中。从贮槽送到泵出口处，塔中。从贮槽送到泵出口处，分为两支，送至分为两支，送至A A塔顶塔顶部流量最大为部流量最大为16200 kgh16200 kgh1 1，塔内表压强为，塔内表压强为9.81109.81104 4PaPa，另一支送到，另一支送到B B塔中部，最大流量为塔中部，最大流量为8100 8100 kghkgh1 1，塔内表压强为，塔内表压强为1.18101.18106 6 PaPa。贮槽内液面维。贮槽内液面维持恒定，液面上方压强为持恒定，液面上方压强为4.9104.9104 4 PaPa（表压）。已知：（表压）。已知：当管路上阀门全开，且流量达到规定的最大值时，油当管路上阀门全开，且流量达到规定的最大值时，油品流经各段管路的阻力损失分别是：由截面品流经各段管路的阻力损失分别是：由截面1-11-1至至2-2-22为为3m3m液柱；由截面液柱；由截面2-22-2至至3-33-3为为7m7m油品柱，由截油品柱，由截面面2-22-2至至4-44-4为为5m 5m 油品柱。因油品在管内流动时的油品柱。因油品在管内流动时的动能很小，可以忽略不计。各截面地面的垂直距离如动能很小，可以忽略不计。各截面地面的垂直距离如本题附图中所示。油品的密度为本题附图中所示。油品的密度为810 kg m810 kg m3 3。求该。求该条件下泵的有效功率。条件下泵的有效功率。1.6 1.6 流体流量的测量流体流量的测量测量流量的仪器称为流量计流量计。1.6.1孔板流量计孔板流量计 它是由一片插入管道中的中央开有圆孔的金属薄板（孔口经过精密加工，从前到后扩大）和连接孔板前后测压孔的U形压差计组成。构造构造工作原理流量系数流量系数或或孔流系数孔流系数,由实验测得由实验测得.C C0 0主要取决于管道流动的主要取决于管道流动的ReRe,面积比面积比A A0 0/A A1 1，测压方式，孔口形状，加工光洁度，孔，测压方式，孔口形状，加工光洁度，孔板厚度和管壁粗糙度等板厚度和管壁粗糙度等C C0 0=0.6=0.6 0.7 0.7孔板流量计特点孔板流量计特点结构简单，制造方便，易于安装孔板结构简单，制造方便，易于安装孔板方便更换方便更换流体流过孔板后能量损失较大，并流体流过孔板后能量损失较大，并A A0 0/A A1 1随随减小而增大减小而增大孔板与管道轴线垂直孔板与管道轴线垂直孔口中心与管道轴线重合孔口中心与管道轴线重合1.6.21.6.2文丘里（文丘里（Venturi）流量计）流量计图图2-19 2-19 文丘里流量计结构图文丘里流量计结构图 0.980.980.99 0.99 1.6.31.6.3转子流量计转子流量计 转子承受的静压力转子所受重力转子承受的静压力转子所受重力-流体对转子的浮力流体对转子的浮力 转子流量计在出厂时一般是用20水或20,100kPa的空气进行标定刻度的。因被测流体的流量与该流体的密度有关,故当测量其他流体时,应实验标定或对原有的刻度加以校正。由于在同一刻度下Af 相同,则上式中下标上式中下标1 1表示出厂时标定流体的流量和密度值表示出厂时标定流体的流量和密度值,下标下标2 2表示实际操作时所测流体的流量及密度值。表示实际操作时所测流体的流量及密度值。读取流量方便，测量范围宽，能量损失很小，且能用于腐蚀性液体的测量。但由于测量管大多为玻璃制成，故不能承受高温和高压。在安装时应注意必须保持垂直。转子流量计特点转子流量计特点1.7 流体输送机械流体输送机械流体输送机械流体输送机械 对流体做功以提高流体机械能的装置.输送液体的机械通称为泵泵；输送气体的机械称为风机风机（通风机、鼓风机）、压压缩机缩机和真空泵真空泵。本节以离心泵为代表，讨论其工作原理、基本结构及性能，并计算其功率消耗。1.7.11.7.1离心泵的工作原理及主要构件离心泵的工作原理及主要构件 离心泵的工作原理 1.1.叶轮；叶轮；2.2.泵壳；泵壳；3.3.泵泵轴；轴；4.4.吸入口吸入口 5.5.吸入管；吸入管；6.6.底阀；底阀；7.7.滤网；滤网；8.8.排排出口出口 9.9.排出管；排出管；10.10.调调节阀节阀图图2-21 2-21 液体在泵内的流动液体在泵内的流动 图图2-20 2-20 离心泵装置简图离心泵装置简图 气缚；泵壳和吸入管路内没有充满液体，泵内有空气，空气的密度远小于液体的密度，叶轮旋转对其产生的离心力很小，叶轮中心处所产生的负压不足以造成吸上液体所需要的真空度。尽管被启动的离心泵叶轮在高速旋转，但却不能输送液体，这种现象称为“气缚”。为防止启动前泵内及吸入管内的液体泄漏，常在吸入管底部安装一个单向底阀。在底阀外常装有滤网，以防止流体中的固体杂质吸入而堵塞管道及泵壳，从而影响泵的正常操作。1.7.2.1.7.2.离心泵的主要性能参数离心泵的主要性能参数 流量流量：离心泵的流量是指单位时间内泵输送液：离心泵的流量是指单位时间内泵输送液体的体积。体的体积。代表泵的送液能力，用符号代表泵的送液能力，用符号qv表示表示,单位为单位为m3s1或或m3h1。扬程扬程：泵的扬程又称为：泵的扬程又称为泵压头泵压头，指每重力单位，指每重力单位，即即1 1牛顿的液体经泵所获得的能量，牛顿的液体经泵所获得的能量，以符号以符号HeHe表示，单位为表示，单位为m m液柱。液柱。功率和效率1.7.3 离心泵的特性曲线 1.7.41.7.4离心泵的气蚀现象和安装高度 气蚀现象气蚀现象离心泵在运转时，离心泵入口的静压强低于外界的压强，液体才能源源不断地被吸入和压出。当离心泵入口处压强低于被输送液体在操作温度下的饱和蒸气压时，就会引起液体的部分气化并产生许多小气泡，由泵中心的低压区流进叶轮高压区的气泡受压而重新凝结，造成局部真空，使周围液体以极大速度冲向原气泡所占据的空间。在冲击点处形成极高的压强（几万kPa）。在压力很大频率很高（每分钟几万次）的流体质点的连续打击下，叶轮表面会逐渐损坏，这种现象称为气蚀现象。气蚀会使泵的性能降低，流量、扬程和效率大大下降。缩短泵的使用寿命，以至于不能正常工作。为避免发生气蚀现象，离心泵叶轮入口处的绝对压强必须大于工作温度下液体的饱和蒸气压，这就要求根据泵的性能确定泵的安装高度。离心泵的安装高度Hg是根据允许吸上真空高度HS来确定的。离心泵的允许吸上真空高度Hs是指泵入口处绝对压强为p1时可允许达到的最大真空度，其单位为m（液柱）。设大气压为p0，则其表达式为离心泵的允许吸上真空高度与离心泵的允许吸上真空高度与泵的结构尺寸、被输送液体的泵的结构尺寸、被输送液体的性质及当地的大气压有关性质及当地的大气压有关。允许吸上真空高度允许吸上真空高度离心泵说明书或铭牌上所给出的允许吸上真空高度一般是生产厂以20清水，在98.1kPa下测定的数值。当操作条件和输送工质与上述实验条件不符合时，须进行换算，换算公式为H Hs s 操作条件下输送液体时的允许吸上真空高度，操作条件下输送液体时的允许吸上真空高度，m m（液柱）（液柱）H Hs s泵样本或铭牌上给出的输送清水时的允许吸上真空高度泵样本或铭牌上给出的输送清水时的允许吸上真空高度,m m(水柱水柱)H Ha a为当地的大气压强为当地的大气压强,m m(水柱水柱)p pV V为操作温度下被输送液体的蒸汽压，为操作温度下被输送液体的蒸汽压，PaPa 为操作条件下被输送液体的密度，为操作条件下被输送液体的密度，kgkg m m-3-3表表2-3 2-3 不同海拔高度的大气压强不同海拔高度的大气压强 大气压随海拔高度而变化，从表大气压随海拔高度而变化，从表2-32-3中可中可看出，泵安装地点的看出，泵安装地点的海拔高度越高海拔高度越高，大气压，大气压力就越低力就越低,允许吸上真空高度就越小。允许吸上真空高度就越小。当当被输送液体的温度升高被输送液体的温度升高，相对应的饱，相对应的饱和蒸气压就增大，泵的允许吸上真空高度也和蒸气压就增大，泵的允许吸上真空高度也减小。减小。1.7.6离心泵的选用离心泵的选用1.7.5离心泵的类型离心泵的类型水泵水泵耐腐蚀泵耐腐蚀泵油泵油泵泥浆泵泥浆泵