流體輸送技術(shù)

1、第一章第一章 流體輸送技術(shù)流體輸送技術(shù)知識(shí)目標(biāo)：知識(shí)目標(biāo)： 了解化工管路的組成及管路布置原則；了解流體輸送機(jī)械的結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用；理解穩(wěn)定流動(dòng)的基本概念；流動(dòng)阻力產(chǎn)生的原因；掌握連續(xù)性方程式、柏努力程式和流體流動(dòng)阻力的計(jì)算；能力目標(biāo)：能力目標(biāo)：能正確選擇流體輸送機(jī)械和管子的直徑；能拆裝化工管路；會(huì)流體輸送機(jī)械的操作和簡(jiǎn)單故障的分析、排除?；どa(chǎn)中所處理的物料，大多為流體（包括液體和氣體） 。為了滿足工藝條件的要求，保證生產(chǎn)的連續(xù)進(jìn)行，需要把流體從一個(gè)設(shè)備輸送至另一個(gè)設(shè)備。實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程要借助管路和輸送機(jī)械。流體輸送機(jī)械是給流體增加機(jī)械能以完成輸送任務(wù)的機(jī)械。管路在化工生產(chǎn)中就相當(dāng)于人體的血管，

2、流體輸送機(jī)械相當(dāng)于人的心臟，作用非常重要。因此，了解管路的構(gòu)成，確定輸送管路的直徑，了解輸送機(jī)械的工作原理，選擇合理的輸送機(jī)械，學(xué)會(huì)合理布置和安裝管路，正確使用輸送機(jī)械非常重要。第一節(jié)第一節(jié) 流體輸送管路流體輸送管路一、管路的分類(lèi)一、管路的分類(lèi)化工生產(chǎn)過(guò)程中的管路通常以是否分出支管來(lái)分類(lèi)，見(jiàn)表 1-1。表 1-1 管路的分類(lèi)類(lèi) 型結(jié) 構(gòu)單一管路單一管路是指直徑不變、無(wú)分支的管路，如圖 1-1(a)所示 簡(jiǎn)單管路串聯(lián)管路雖無(wú)分支但管徑多變的管路，如圖 1-1(b)所示分支管路流體由總管分流到幾個(gè)分支，各分支出口不同，如圖 1-2(a)所示復(fù)雜管路并聯(lián)管路并聯(lián)管路中，分支最終又匯合到總管，如圖 1

3、-2(b)所示對(duì)于重要管路系統(tǒng)，如全廠或大型車(chē)間的動(dòng)力管線（包括蒸汽、煤氣、上水及其他循環(huán)管道等） ，一般均應(yīng)按并聯(lián)管路鋪設(shè)，以有利于提高能量的綜合利用、減少因局部故障所造成的影響。圖 1-1 簡(jiǎn)單管路 圖 1-2 復(fù)雜管路二、管路的基本構(gòu)成二、管路的基本構(gòu)成管路是由管子、管件和閥門(mén)等按一定的排列方式構(gòu)成，也包括一些附屬于管路的管架、管卡、管撐等輔件。由于生產(chǎn)中輸送的流體是各種各樣的，輸送條件與輸送量也各不相同，因此，管路也必然是各不相同的。工程上為了避免混亂，方便制造與使用，實(shí)現(xiàn)了管路的標(biāo)準(zhǔn)化。書(shū)后附錄摘錄了部分管材的規(guī)格。管子是管路的主體，由于生產(chǎn)系統(tǒng)中的物料和所處工藝條件各不相同，所以用

4、于連接設(shè)備和輸送物料的管子除需滿足強(qiáng)度和通過(guò)能力的要求外，還必須耐溫、耐壓、耐腐蝕以及導(dǎo)熱等性能的要求。根據(jù)所輸送物料的性質(zhì)(如腐蝕性、易燃性、易爆性等)和操作條件(如溫度、壓力等)來(lái)選擇合適的管材，是化工生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的問(wèn)題之一。（一）化工管材（一）化工管材管材通常按制造管子所使用的材料來(lái)進(jìn)行分類(lèi)?？煞譃榻饘俟堋⒎墙饘俟芎蛷?fù)合管，其中以金屬管占絕大部分。復(fù)合管指的是金屬與非金屬兩種材料組成的管子，最常見(jiàn)的化工管材見(jiàn)表 1-2。表 1-2 常見(jiàn)的化工管材種類(lèi)及名稱(chēng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)用途有縫鋼管有縫鋼管是用低碳鋼焊接而成的鋼管，又稱(chēng)為焊接管。易于加工制造、價(jià)格低。主要有水管和煤氣管，分鍍鋅管和黑鐵管（不鍍

5、鋅管）兩種。目前主要用于輸送水、蒸汽、煤氣、腐蝕性低的液體和壓縮空氣等。因?yàn)橛泻缚p而不適宜在 0.8MPa（表壓）以上的壓力條件下使用。金屬管鋼管無(wú)縫鋼管無(wú)縫鋼管是用棒料鋼材經(jīng)穿孔熱軋或冷拔制成的，它沒(méi)有接縫。用于制造無(wú)縫鋼管的材料主要有普通碳鋼、優(yōu)質(zhì)碳鋼、低合金鋼、不銹鋼和耐熱鉻鋼等。無(wú)縫鋼管的特點(diǎn)是質(zhì)地均勻、強(qiáng)度高、管壁薄，少數(shù)特殊用途的無(wú)縫鋼管的壁厚也可以很厚。無(wú)縫鋼管能用于在各種壓力和溫度下輸送流體，廣泛用于輸送高壓、有毒、易燃易爆和強(qiáng)腐蝕性流體等。鑄鐵管有普通鑄鐵管和硅鑄鐵管。鑄鐵管價(jià)廉而耐腐蝕，但強(qiáng)度低，氣密性也差，不能用于輸送有壓力的蒸汽、爆炸性及有毒性氣體等。一般作為埋在地下的

6、給水總管、煤氣管及污水管等，也可以用來(lái)輸送堿液及濃硫酸等。銅管與黃銅管由紫銅或黃銅制成。導(dǎo)熱性好，延展性好，易于彎曲成型。 適用于制造換熱器的管子；用于油壓系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)來(lái)輸送有壓液體；銅管還適用于低溫管路，黃銅管在海水管路中也廣泛使用。鉛管鉛管因抗腐蝕性好，能抗硫酸及 10以下的鹽酸，其最高工作溫度是 413K。由于鉛管機(jī)械強(qiáng)度差、性軟而笨重、導(dǎo)熱能力小，目前正被合金管及塑料管所取代。主要用于硫酸及稀鹽酸的輸送，但不適用于濃鹽酸、硝酸和乙酸的輸送。有色金屬管鋁管鋁管也有較好的耐酸性，其耐酸性主要由其純度決定，但耐堿性差。鋁管廣泛用于輸送濃硫酸、濃硝酸、甲酸和醋酸等。小直徑鋁管可以代替銅管來(lái)輸

7、送有壓流體。當(dāng)溫度超過(guò) 433K 時(shí)，不宜在較高的壓力下使用。非金屬管非金屬管是用各種非金屬材料制作而成的管子的總稱(chēng)，主要有陶瓷管、水泥管、玻璃管、塑料管和橡膠管等。塑料管的用途越來(lái)越廣，很多原來(lái)用金屬管的場(chǎng)合逐漸被塑料管所代替。（二）管件（二）管件管件是用來(lái)連接管子以達(dá)到延長(zhǎng)管路、改變管路方向或直徑、分支、合流或封閉管路的附件的總稱(chēng)。最基本的管件如圖 1-3 所示，其用途有如下幾種。180 回彎管 三通 四通 異徑管 90 彎頭 法蘭 卡箍活接頭 管帽 45 彎頭圖 1-3 常用管件用以改變流向：90 彎頭、45 彎頭、180 回彎頭等；用以堵截管路：管帽、絲堵(堵頭)、盲板等；用以連接支管

8、：三通、四通，有時(shí)三通也用來(lái)改變流向，多余的一個(gè)通道接頭用管帽或盲板封上，在需要時(shí)打開(kāi)再連接一條分支管；用以改變管徑：異徑管、內(nèi)外螺紋接頭(補(bǔ)芯)等；用以延長(zhǎng)管路：管箍(束節(jié))、螺紋短節(jié)、活接頭、法蘭等。法蘭多用于焊接連接管路，而活接頭多用于螺紋連接管路。在閉合管路上必須設(shè)置活接頭或法蘭，尤其是在需要經(jīng)常維修或更換的設(shè)備、閥門(mén)附近必須設(shè)置，因?yàn)樗鼈兛梢跃偷夭痖_(kāi)，就地連接。（三）閥門(mén)（三）閥門(mén)閥門(mén)是用來(lái)啟閉和調(diào)節(jié)流量及控制安全的部件。通過(guò)閥門(mén)可以調(diào)節(jié)流量、系統(tǒng)壓力、及流動(dòng)方向，從而確保工藝條件的實(shí)現(xiàn)與安全生產(chǎn)。化工生產(chǎn)中閥門(mén)種類(lèi)繁多，常用的有以下幾種，見(jiàn)表 1-3。表 1-3 常見(jiàn)閥門(mén)名稱(chēng)結(jié)構(gòu)特

9、點(diǎn)用途閘閥主要部件為一閘板，通過(guò)閘板的升降以啟閉管路。這種閥門(mén)全開(kāi)時(shí)流體阻力小，全閉時(shí)較嚴(yán)密，如圖1-4。多用于大直徑管路上作啟閉閥，在小直徑管路中也有用作調(diào)節(jié)閥的。不宜用于含有固體顆粒或物料易于沉積的流體，以免引起密封面的磨損和影響閘板的閉合。截止閥主要部件為閥盤(pán)與閥座，流體自下而上通過(guò)閥座，其構(gòu)造比較復(fù)雜，流體阻力較大，但密閉性與調(diào)節(jié)性能較好，如圖 1-5。不宜用于粘度大且含有易沉淀顆粒的介質(zhì)。止回閥止回閥是一種根據(jù)閥前、后的壓力差自動(dòng)啟閉的閥門(mén)，其作用是使介質(zhì)只作一定方向的流動(dòng)，它分為升降式和旋啟式兩種。升降式止回閥密封性較好，但流動(dòng)阻力大，旋啟式止回閥用搖板來(lái)啟閉。安裝時(shí)應(yīng)注意介質(zhì)的流

10、向與安裝方向。如圖 1-6。止回閥一般適用于清潔介質(zhì)，球閥閥芯呈球狀，中間為一與管內(nèi)徑相近的連通孔，結(jié)構(gòu)比閘閥和截止閥簡(jiǎn)單，啟閉迅速，操作方便，體積小，重量輕，零部件少，流體阻力也小。如圖 1-7。適用于低溫高壓及粘度大的介質(zhì)，但不宜用于調(diào)節(jié)流量。旋塞閥其主要部分為一可轉(zhuǎn)動(dòng)的圓錐形旋塞，中間有孔，當(dāng)旋塞旋轉(zhuǎn)至 90 時(shí)，流動(dòng)通道即全部封閉。需要較大的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，如圖 1-8。溫度變化大時(shí)容易卡死，不能用于高壓。安全閥是為了管道設(shè)備的安全保險(xiǎn)而設(shè)置的截?cái)嘌b置，它能根據(jù)工作壓力而自動(dòng)啟閉，從而將管道設(shè)備的壓力控制在某一數(shù)值以下，從而保證其安全。如圖 1-9。主要用在蒸汽鍋爐及高壓設(shè)備上。 圖 1-4

11、 閘閥 1-5 截止閥 圖 1-6 止回閥 圖 1-7 球閥 圖 1-8 旋塞閥 圖 1-9 全啟式安全閥活動(dòng)建議活動(dòng)建議進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)，讓學(xué)生到實(shí)訓(xùn)基地或工廠去觀察化工管路、管件及閥門(mén)等實(shí)物，除了教材介紹的之外，如閥門(mén)還有隔膜閥、蝶閥、疏水閥及減壓閥等，了解其構(gòu)造與作用。第二節(jié)第二節(jié) 流體流動(dòng)的基礎(chǔ)知識(shí)流體流動(dòng)的基礎(chǔ)知識(shí)一、連續(xù)性方程一、連續(xù)性方程1穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)流體在管路系統(tǒng)中流動(dòng)時(shí)各種參數(shù)的變化情況，可以將流體的流動(dòng)分為穩(wěn)定流動(dòng)和不穩(wěn)定流動(dòng)。若流動(dòng)系統(tǒng)中各物理量的大小僅隨位置變化、不隨時(shí)間變化，則稱(chēng)為穩(wěn)定流動(dòng)。若流動(dòng)系統(tǒng)中各物理量的大小不僅隨位置變化、而且隨時(shí)間變化，則稱(chēng)為不穩(wěn)定流動(dòng)。工

12、業(yè)生產(chǎn)中的連續(xù)操作過(guò)程，如生產(chǎn)條件控制正常，則流體流動(dòng)多屬于穩(wěn)定流動(dòng)。連續(xù)操作的開(kāi)車(chē)、停車(chē)過(guò)程及間歇操作過(guò)程屬于不穩(wěn)定流動(dòng)。本章所討論的流體流動(dòng)為穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程。多觀察多觀察有溢流裝置的恒位槽系統(tǒng)流體的流動(dòng)；若沒(méi)有流體的補(bǔ)充，槽內(nèi)的液位不斷下降時(shí)流體的流動(dòng)。2連續(xù)性方程圖 1-10 流體流動(dòng)的連續(xù)性穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)如圖 1-10 所示，流體充滿管道，并連續(xù)不斷地從截面 1-流入，從截面 2- 1流出。以管內(nèi)壁、截面 1-與 2-為衡算范圍，以單位時(shí)間為衡算基準(zhǔn)，依質(zhì)量守恒定律， 2 1 2進(jìn)入截面 1-的流體質(zhì)量流量與流出截面 2-的流體質(zhì)量流量相等。 1 2即 qm1 = qm 2 （1-1）因?yàn)?/p>

13、 qm = uA式中 qm流體的質(zhì)量流量，指單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道有效截面積的流體質(zhì)量，kg/s；u流體在管道任一截面的平均流速，m/s；A管道的有效截面積，m2；流體的密度，kg/m3。故qm = u1A11= u2A22 （1-2）若將上式推廣到管路上任何一個(gè)截面，即qm = uA = 常數(shù) （1-3）上述方程式表示在穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)中，流體流經(jīng)管道各截面的質(zhì)量流量恒為常量，但各截面的流體流速則隨管道截面積和流體密度的不同而變化。若流體為不可壓縮流體，即=常數(shù)，則 qv= uA = 常數(shù) （1-4）式中 qv流體的體積流量，指單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道有效截面積的流體體積， m3/s；上式說(shuō)明不可壓縮流體

14、不僅流經(jīng)各截面的質(zhì)量流量相等，而且它們的體積流量也相等。而且管道截面積 A 與流體流速 u 成反比，截面積越小，流速越大。若不可壓縮流體在圓管內(nèi)流動(dòng)，因，則24dA （1-5）2121221ddAAuu上式說(shuō)明不可壓縮流體在管道內(nèi)的流速 u 與管道內(nèi)徑的平方 d2成反比。式（1-1）至式（1-5）稱(chēng)為流體在管道中作穩(wěn)定流動(dòng)的連續(xù)性方程。連續(xù)性方程反映了在穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)中，流量一定時(shí)管路各截面上流速的變化規(guī)律，而此規(guī)律與管路的安排以及管路上是否裝有管件、閥門(mén)或輸送設(shè)備等無(wú)關(guān)。【例例 1-1】 如圖 1-10 所示的串聯(lián)變徑管路中，已知小管規(guī)格為573mm，大管規(guī)格為893.5mm，均為無(wú)縫鋼管，水

15、在小管內(nèi)的平均流速為 2.5m/s，水的密度可取為1000kg/m3。試求：水在大管中的流速；管路中水的體積流量和質(zhì)量流量。解解 小管直徑 d1 = 57 23 = 51mm，u1 = 2.5m/s 大管直徑 d2 = 8923.5 = 82mm m/s967. 0)8251(5 . 2)(222121121dduAAuu m3/s0051. 0)051. 0(785. 05 . 24221111duAuqvqm =qv= 0.00511000 = 5.1kg/s二、柏努利方程二、柏努利方程在化工生產(chǎn)中，解決流體輸送問(wèn)題的基本依據(jù)是柏努力方程，因此柏努力方程及其應(yīng)用極為重要。根據(jù)對(duì)穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)

16、能量衡算，即可得到柏努力方程。（一）流動(dòng)系統(tǒng)的能量（一）流動(dòng)系統(tǒng)的能量流動(dòng)系統(tǒng)中涉及的能量有多種形式，包括內(nèi)能、機(jī)械能、功、熱、損失能量，若系統(tǒng)不涉及溫度變化及熱量交換，內(nèi)能為常數(shù)，則系統(tǒng)中所涉及的能量只有機(jī)械能、功、損失能量。能量根據(jù)其屬性分為流體自身所具有的能量及系統(tǒng)與外部交換的能量。1流體所具有的能量機(jī)械能(1)位能 位能是流體處于重力場(chǎng)中而具有的能量。若質(zhì)量為 m（kg）的流體與基準(zhǔn)水平面的垂直距離為 z（m） ，則位能為 mgz（J） ，單位質(zhì)量流體的位能則為 gz（J/kg） 。位能是相對(duì)值，計(jì)算須規(guī)定一個(gè)基準(zhǔn)水平面。(2)動(dòng)能 動(dòng)能是流體具有一定速度流動(dòng)而具有的能量。m（kg）流

17、體，當(dāng)其流速為u（m/s）時(shí)具有的動(dòng)能為（J） ，單位質(zhì)量流體的動(dòng)能為(J/kg)。221mu221u(3)靜壓能 靜壓能是由于流體具有一定的壓力而具有的能量。流體內(nèi)部任一點(diǎn)都有一定的壓力，如果在有液體流動(dòng)的管壁上開(kāi)一小孔并接上一個(gè)垂直的細(xì)玻璃管，液體就會(huì)在玻璃管內(nèi)升起一定的高度，此液柱高度即表示管內(nèi)流體在該截面處的靜壓力值。管路系統(tǒng)中，某截面處流體壓力為 p，流體要流過(guò)該截面，則必須克服此壓力作功，于是流體帶著與此功相當(dāng)?shù)哪芰窟M(jìn)入系統(tǒng)，流體的這種能量稱(chēng)為靜壓能。質(zhì)量為 m（kg）的流體的靜壓能為 pV（J） ，單位質(zhì)量流體的靜壓能為（J/kg）p2壓力的表示方法以絕對(duì)真空為基準(zhǔn)測(cè)得的壓力稱(chēng)為

18、絕對(duì)壓力。以大氣壓力為基準(zhǔn)測(cè)得的壓力稱(chēng)為表壓力或真空度。如若系統(tǒng)壓力高于大氣壓，則超出的部分稱(chēng)為表壓力，所用的測(cè)壓儀表稱(chēng)為壓力表；如若系統(tǒng)壓力低于大氣壓，則低于大氣壓的部分稱(chēng)為真空度，所用的測(cè)壓儀表稱(chēng)為真空表?？梢钥闯觯喈?dāng)于它們之間的關(guān)系為 大絕表ppp絕大真ppp顯然，真空度為表壓的負(fù)值，并且設(shè)備內(nèi)流體的真空度愈高，它的絕對(duì)壓力就愈低。絕對(duì)壓力、表壓力與真空度之間的關(guān)系可用圖 1-11 表示。注意：為了避免相互混淆，當(dāng)壓力以表壓或真空度表示時(shí)，應(yīng)用括號(hào)注明，如未注明，則視為絕對(duì)壓力；壓力計(jì)算時(shí)基準(zhǔn)要一致。大氣壓力以當(dāng)時(shí)、當(dāng)?shù)貧鈮罕淼淖x數(shù)為準(zhǔn)。想一想想一想 不同單位制之間壓力的換算。3系統(tǒng)與

19、外界交換的能量實(shí)際生產(chǎn)中的流動(dòng)系統(tǒng)，系統(tǒng)與外界交換的能量主要有功和損失能量。（1）外加功 當(dāng)系統(tǒng)中安裝有流體輸送機(jī)械時(shí)，它將對(duì)系統(tǒng)作功，即將外部的能量轉(zhuǎn)化為流體的機(jī)械能。單位質(zhì)量流體從輸送機(jī)械中所獲得的能量稱(chēng)為外加功，用 We 表示，其單位為 J/kg。外加功 We 是選擇流體輸送設(shè)備的重要數(shù)據(jù)，可用來(lái)確定輸送設(shè)備的有效功率 Pe，即 Pe=We qm W （1-6）（2）損失能量 由于流體具有粘性，在流動(dòng)過(guò)程中要克服各種阻力，所以流動(dòng)中有能量損失。單位質(zhì)量流體流動(dòng)時(shí)為克服阻力而損失的能量，用 hf表示，其單位為 J/kg。（二）柏努利方程式（二）柏努利方程式圖 1-11 絕壓、表壓、真空度之

20、間的關(guān)系如圖 1-12 所示，不可壓縮流體在系統(tǒng)中作穩(wěn)定流動(dòng)，流體從截面 1-經(jīng)泵輸送到截面 2-。根據(jù) 1 2穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)的能量守恒，輸入系統(tǒng)的能量應(yīng)等于輸出系統(tǒng)的能量。輸入系統(tǒng)的能量包括由截面 1-進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)帶入 1的自身能量，以及由輸送機(jī)械中得到的能量。輸出系統(tǒng)的能量包括由截面 2-離開(kāi)系統(tǒng)時(shí)帶出的自身能 2量，以及流體在系統(tǒng)中流動(dòng)時(shí)因克服阻力而損失的能量。若以 0-面為基準(zhǔn)水平面，兩個(gè)截面距基準(zhǔn)水平面的垂直距離分別為 z1、z2，兩截面處 0的流速分別為 u1、u2，兩截面處的壓力分別為 p1、p2，流體在兩截面處的密度為，單位質(zhì)量流體從泵所獲得的外加功為 We，從截面 1-流到截面

21、2-的全部能量損失為 hf。 1 2則根據(jù)能量守恒定律 （1-7）fhupgzWeupgz222221112121式中 gz1、分別為流體在截面 1-上的位能、動(dòng)能、靜壓能，J/kg；2121u1p 1gz2、分別為流體在截面 2-上的位能、動(dòng)能、靜壓能，J/kg；2221u2p 2式（1-7）稱(chēng)為實(shí)際流體的柏努利方程，是以單位質(zhì)量流體為計(jì)算基準(zhǔn)，式中各項(xiàng)單位均為 J/kg。它反映了流體流動(dòng)過(guò)程中各種能量的轉(zhuǎn)化和守恒規(guī)律，在流體輸送中具有重要意義。通常將無(wú)粘性、無(wú)壓縮性，流動(dòng)時(shí)無(wú)流動(dòng)阻力的流體稱(chēng)為理想流體。當(dāng)流動(dòng)系統(tǒng)中無(wú)外功加入時(shí)（即 We = 0） ，則 （1-8）121121pugz222

22、221pugz上式為理想流體的柏努利方程，說(shuō)明理想流體穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，各截面上所具有的總機(jī)械能相等，總機(jī)械能為一常數(shù)，但每一種形式的機(jī)械能不一定相等，各種形式的機(jī)械能可以相互轉(zhuǎn)換。 圖 1-12 流體的管路輸送系統(tǒng)將單位質(zhì)量流體為基準(zhǔn)的柏努利方程中的各項(xiàng)除以 g，則可得ghgugpzgWegugpzf2222222111令 gWeHe ghHff則 （1-9）fHgugpzHegugpz2222222111式中 z、分別稱(chēng)為位壓頭、動(dòng)壓頭、靜壓頭，單位重量（1N）流體所具有的gu22gp機(jī)械能，m；He有效壓頭，單位重量流體在截面 1-與截面 2-間所獲得的外加功，m； 1 2Hf壓頭損失，單位重

23、量流體從截面 1-流到截面 2-的能量損失，m。 1 2上式為以單位重量流體為計(jì)算基準(zhǔn)的柏努利方程，式中各項(xiàng)均表示單位重量流體所具有的能量，單位為 J/N（m） 。m 的物理意義是：?jiǎn)挝恢亓苛黧w所具有的機(jī)械能，把自身從基準(zhǔn)水平面升舉的高度。適用于穩(wěn)定、連續(xù)的不可壓縮系統(tǒng)。在流動(dòng)過(guò)程中兩截面間流量不變，滿足連續(xù)性方程?！纠?1-2】 如附圖所示，有一用水吸收混合氣中氨的常壓逆流吸收塔，水由水池用離心泵送至塔頂經(jīng)噴頭噴出。泵入口管為1084mm 無(wú)縫鋼管，管中流體的流量為 40m3/h，出口管為893.5mm 的無(wú)縫鋼管。池內(nèi)水深為 2 m，池底至塔頂噴頭入口處的垂直距離為 20m。管路的總阻力

24、損失為 40J/kg，噴頭入口處的壓力為 120kPa（表壓） 。試求泵所需的有效功率為多少 kW？解解 取水池液面為截面 1-，噴頭入口處為截面 1例 1-2 附圖2-，并取截面 1-為基準(zhǔn)水平面。在截面 1-和截面 2-間列柏努利方程，即 2 1 1 2 fhupgzWeupgz222221112121其中 z1 = 0；z2 = 20 2 =18m； u10； d1 = 10824 =100mm；d2 = 89 - 23.5 = 82mm ；hf = 40J/kg；p1= 0(表壓)，p2 =120kPa(表壓)； smdquv/11. 2)082. 0(785. 03600/40422

25、22代入柏努利方程得 fhuuppzzgWe2)(21221212=338.75 J/kg402)11. 2(10001012018807. 923質(zhì)量流量 qm =A2u2=0.785(0.082)22.111000=11.14kg/s2224ud有效功率 Pe = Weqm = 338.7511.14 = 3774w3.77kw活動(dòng)建議活動(dòng)建議柏努利方程式的應(yīng)用可結(jié)合校內(nèi)外實(shí)訓(xùn)有關(guān)流體輸送的案例進(jìn)行教學(xué)，組織學(xué)生討論柏努利方程的其他工程應(yīng)用，加深對(duì)柏努利方程式的理解并熟練應(yīng)用。三、流體的流動(dòng)型態(tài)三、流體的流動(dòng)型態(tài)在化工生產(chǎn)中，流體輸送、傳熱、傳質(zhì)過(guò)程及操作等都與流體的流動(dòng)狀態(tài)有密切關(guān)系，因

26、此有必要了解流體的流動(dòng)型態(tài)及在圓管內(nèi)的速度分布。（一）流動(dòng)類(lèi)型的劃分（一）流動(dòng)類(lèi)型的劃分流體流動(dòng)時(shí)，依不同的流動(dòng)條件可以出現(xiàn)兩種截然不同的流動(dòng)型態(tài)，即層流和湍流。見(jiàn)表 1-4。表 1-4 雷諾實(shí)驗(yàn)和兩種流動(dòng)型態(tài)流動(dòng)型態(tài)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)速度分布舉例層實(shí)驗(yàn)裝置如圖 1-13，設(shè)流體質(zhì)點(diǎn)沿管軸方向作直層流時(shí)其速度分布管內(nèi)流體的低速流流貯水槽中液位保持恒定，當(dāng)管內(nèi)水的流速較小時(shí)，著色水在管內(nèi)沿軸線方向成一條清晰的細(xì)直線，如圖 1-14a 所示線運(yùn)動(dòng)，分層流動(dòng)，又稱(chēng)滯流曲線呈拋物線形。如圖 1-15 所示。管壁處速度為零，管中心處速度最大。平均流速 u0.5umax動(dòng)、高粘度液體的流動(dòng)、毛細(xì)管和多孔

27、介質(zhì)中的流體流動(dòng)等。過(guò)渡狀態(tài)開(kāi)大調(diào)節(jié)閥，水流速度逐漸增至某一定值時(shí)，可以觀察到著色細(xì)線開(kāi)始呈現(xiàn)波浪形，但仍保持較清晰的輪廓，如圖1-14b 所示過(guò)渡狀態(tài)不是一種獨(dú)立的流動(dòng)型態(tài)，介于層流與湍流之間。可以看成是不完全的湍流，或不穩(wěn)定的層流，或者是兩者交替出現(xiàn)，隨外界條件而定，受流體流動(dòng)干擾的控制。湍流再繼續(xù)開(kāi)大閥門(mén)，可以觀察到著色細(xì)流與水流混合，當(dāng)水的流速再增大到某值以后，著色水一進(jìn)入玻璃管即與水完全混合，如圖 1-14c 所示。流體質(zhì)點(diǎn)除沿軸線方向作主體流動(dòng)外，還在各個(gè)方向有劇烈的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，又稱(chēng)紊流 湍流時(shí)其速度分布曲線呈不嚴(yán)格拋物線形。管中心附近速度分布較均勻，如圖 1-16 所示，平均流速

28、u0.82umax 工程上遇到的管內(nèi)流體的流動(dòng)大多為湍流。 圖 1-13 雷諾實(shí)驗(yàn)裝置示意圖 圖 1-14 雷諾實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較 圖 1-15 層流時(shí)圓管內(nèi)的速度分布 圖 1-16 湍流時(shí)圓管內(nèi)的速度分布（二）流體流動(dòng)型態(tài)的判定（二）流體流動(dòng)型態(tài)的判定1雷諾準(zhǔn)數(shù) 為了確定流體的流動(dòng)型態(tài)，雷諾通過(guò)改變實(shí)驗(yàn)介質(zhì)、管材及管徑、流速等實(shí)驗(yàn)條件，做了大量的實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了歸納總結(jié)。流體的流動(dòng)型態(tài)主要與流體的密度、粘度、流速 u 和管內(nèi)徑 d 等因素有關(guān)，并可以用這些物理量組成一個(gè)數(shù)群，稱(chēng)為雷諾準(zhǔn)數(shù)（Re） ，用來(lái)判定流動(dòng)型態(tài)。 （1-10）duRe雷諾準(zhǔn)數(shù)，無(wú)單位。Re 大小反映了流體的湍動(dòng)程度，R

29、e 越大，流體流動(dòng)湍動(dòng)性越強(qiáng)。計(jì)算時(shí)只要采用同一單位制下的單位，計(jì)算結(jié)果都相同。2.判據(jù) 一般情況下，流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，若 Re4000時(shí)，流動(dòng)為湍流；而 Re 在 20004000 范圍內(nèi)，為一種過(guò)渡狀態(tài)?？赡苁菍恿饕部赡苁峭牧鳌Ｔ谶^(guò)渡區(qū)域，流動(dòng)型態(tài)受外界條件的干擾而變化，如管道形狀的變化、外來(lái)的輕微震動(dòng)等都易促成湍流的發(fā)生，在一般工程計(jì)算中，Re2000 可作湍流處理。 【例例 1-3】 在 20條件下，油的密度為 830kg/m3，粘度為 3cp，在圓形直管內(nèi)流動(dòng)，其流量為 10m3/h，管子規(guī)格為893.5mm，試判斷其流動(dòng)型態(tài)。解解 已知= 830kg/m3，= 3cp =310-3

30、Pas d = 8923.5 = 82mm = 0.082m則 m/s526. 0)820 . 0(785. 03600/10422dquv Re4310931 . 1103038526. 0820 . 0du因?yàn)?Re4000，所以該流動(dòng)型態(tài)為湍流。查一查查一查 非圓形管道的雷諾準(zhǔn)數(shù)怎樣確定，流動(dòng)形態(tài)如何判斷？（三）湍流流體中的層流內(nèi)層（三）湍流流體中的層流內(nèi)層當(dāng)管內(nèi)流體做湍流流動(dòng)時(shí)，管壁處的流速也為零，靠近管壁處的流體薄層速度很低，仍然保持層流流動(dòng)，這個(gè)薄層稱(chēng)為層流內(nèi)層。層流內(nèi)層的厚度隨雷諾準(zhǔn)數(shù) Re 的增大而減薄，但不會(huì)消失。層流內(nèi)層的存在，對(duì)傳熱與傳質(zhì)過(guò)程都有很大的影響。湍流時(shí)，自層流

31、內(nèi)層向管中心推移，速度漸增，存在一個(gè)流動(dòng)型態(tài)即非層流亦非湍流區(qū)域，這個(gè)區(qū)域稱(chēng)為過(guò)渡層或緩沖層。再往管中心推移才是湍流主體?？梢?jiàn)，流體在管內(nèi)作湍流流動(dòng)時(shí)，橫截面上沿徑向分為層流內(nèi)層、過(guò)渡層和湍流主體三部分。四、流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力四、流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力流體在管路中流動(dòng)時(shí)的阻力分為直管阻力和局部阻力兩種。直管阻力是流體流經(jīng)一定管徑的直管時(shí)，由于流體的內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的阻力。局部阻力是流體流經(jīng)管路中的管件、閥門(mén)及截面的突然擴(kuò)大和突然縮小等局部地方所引起的阻力。總阻力等于直管阻力和局部阻力的總和。（一）流體的粘度（一）流體的粘度多觀察多觀察 （1）氣體和液體的流動(dòng)性哪個(gè)更好？同溫度下水和油的流動(dòng)性那個(gè)好

32、？（2）觀察河水的流動(dòng)，為什么河中心處水的流速比河岸處水的流速大？1粘性流體流動(dòng)時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)間存在相互吸引力，流通截面上各點(diǎn)的流速并不相等，即其內(nèi)部存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)某質(zhì)點(diǎn)以一定的速度向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，與之相鄰的質(zhì)點(diǎn)則會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一個(gè)約束力阻礙其運(yùn)動(dòng)，將這種流體質(zhì)點(diǎn)間的相互約束力稱(chēng)為內(nèi)摩擦力。流體流動(dòng)時(shí)為克服這種內(nèi)摩擦力需消耗能量。流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生內(nèi)摩擦的性質(zhì)稱(chēng)為流體的粘性。粘性大的流體流動(dòng)性差，粘性小的流體流動(dòng)性好。粘性是流體的固有屬性，流體無(wú)論是靜止還是流動(dòng)，都具有粘性。圖 1-17 所示，有上下兩塊平行放置且面積很大而相距很近的平板，板間充滿某種液體。若將下板固定，而對(duì)上板施加一個(gè)恒定的外力 F，上

33、板就以恒定速度 u 沿 x 方向運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，兩板間的液體就會(huì)分成無(wú)數(shù)平行的薄層而運(yùn)動(dòng)，粘附在上板底面的一薄層液體也以速度 u 隨上板運(yùn)動(dòng)，其下各層液體的速度依次降低，粘附在下板表面的液層速度為零，流體相鄰層間的內(nèi)摩擦力即為 F。實(shí)驗(yàn)證明，F(xiàn) 與上下兩板間沿 y 方向的速度變化率 u/y 成正比，與接觸面積 A 成正比。流體在圓管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，u 與 y 的關(guān)系是曲線關(guān)系，上述變化率應(yīng)寫(xiě)成dudy，稱(chēng)為速度梯度，即 AdyduF若單位流層面積上的內(nèi)摩擦力稱(chēng)為剪應(yīng)力，則 （1-11）dyduAF上式稱(chēng)為牛頓粘性定律，即流體層間的剪應(yīng)力與速度梯度成正比。式中比例系數(shù)，稱(chēng)為動(dòng)力粘度或絕對(duì)粘度，簡(jiǎn)稱(chēng)粘度。查

34、一查查一查 涂料及泥漿的流動(dòng)是否服從牛頓粘性定律？試了解此類(lèi)流體的規(guī)律。2粘度粘度是表征流體粘性大小的物理量，是流體的重要物理性質(zhì)之一，流體的粘性越大，值越大。其值由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。流體的粘度隨流體的種類(lèi)及狀態(tài)而變化，液體的粘度隨溫度升高而減小，氣體的粘度隨溫度升高而增大。壓力變化時(shí)，液體的粘度基本不變，氣體的粘度隨壓力增加而增加得很少，一般工程計(jì)算中可以忽略。某些常用流體的粘度，可以從有關(guān)手冊(cè)和本書(shū)附錄中查得。粘度的法定計(jì)量單位是 Pas；但在工程手冊(cè)中粘度的單位常用物理單位制，泊（P）或厘泊（cP）表示。它們之間的關(guān)系是1Pas =10P=1000cP流體的粘性還可用粘度與密度的比值來(lái)表示，稱(chēng)為

35、運(yùn)動(dòng)粘度，以表示 （1-12）運(yùn)動(dòng)粘度的法定計(jì)量單位為 m2/s；在物理單位制中，運(yùn)動(dòng)粘度的單位為 cm2/s，稱(chēng)為沲（St） 。（二）直管阻力（二）直管阻力1范寧公式直管阻力，也叫沿程阻力。直管阻力通常由范寧公式計(jì)算，其表達(dá)式為 （1-13）22udlhf式中 hf直管阻力，J/kg；圖 1-17 平板間液體速度變化摩擦系數(shù)，也稱(chēng)摩擦因數(shù)，無(wú)量綱；l直管的長(zhǎng)度，m；d直管的內(nèi)徑，m；u流體在管內(nèi)的流速，m/s。范寧公式中的摩擦因數(shù)是確定直管阻力損失的重要參數(shù)。的值與反映流體湍動(dòng)程度的Re 及管內(nèi)壁粗糙程度的大小有關(guān)。2管壁粗糙程度工業(yè)生產(chǎn)上所使用的管道，按其材料的性質(zhì)和加工情況，大致可分為光

36、滑管與粗糙管。通常把玻璃管、銅管和塑料管等列為光滑管，把鋼管和鑄鐵管等列為粗糙管。實(shí)際上，即使是同一種材質(zhì)的管子，由于使用時(shí)間的長(zhǎng)短與腐蝕結(jié)垢的程度不同，管壁的粗糙度也會(huì)發(fā)生很大的變化。絕對(duì)粗糙度 絕對(duì)粗糙度是指管壁突出部分的平均高度，以表示，如圖 1-18 所示。表 1-5 中列出了某些工業(yè)管道的絕對(duì)粗糙度數(shù)值。圖 1-18 管壁粗糙程度對(duì)流體流動(dòng)的影響表 1-5 某些工業(yè)管道的絕對(duì)粗糙度管道類(lèi)別絕對(duì)粗糙度 /mm無(wú)縫黃銅管、銅管及鋁管新的無(wú)縫鋼管或鍍鋅鐵管新的鑄鐵管具有輕度腐蝕的無(wú)縫鋼管具有重度腐蝕的無(wú)縫鋼管舊的鑄鐵管干凈玻璃管很好整平的水泥管0.010.050.10.20.30.2 0.

37、30.5 以上0.85 以上0.00150.010.33相對(duì)粗糙度 相對(duì)粗糙度是指絕對(duì)粗糙度與管道內(nèi)徑的比值，即/d。管壁粗糙度對(duì)摩擦系數(shù)的影響程度與管徑的大小有關(guān)，所以在流動(dòng)阻力的計(jì)算中，要考慮相對(duì)粗糙度的大小。3摩擦系數(shù)（1）層流時(shí)摩擦系數(shù) 流體作層流流動(dòng)時(shí)，管壁上凹凸不平的地方都被有規(guī)則的流體層所覆蓋，與/d 無(wú)關(guān)，摩擦系數(shù)只是雷諾準(zhǔn)數(shù)的函數(shù) （1-14）Re64將代入范寧公式，則Re64 （1-15）232dulhf上式為哈根-伯稷葉方程，是流體在圓直管內(nèi)作層流流動(dòng)時(shí)的阻力計(jì)算式。（2）湍流時(shí)摩擦系數(shù)由于湍流時(shí)流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)情況比較復(fù)雜，目前還不能完全用理論分析方法求算湍流時(shí)摩擦系數(shù)的公

38、式，而是通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，獲得經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算式。各種經(jīng)驗(yàn)公式，均有一定的適用范圍，可參閱有關(guān)資料。為了計(jì)算方便，通常將摩擦系數(shù)對(duì) Re 與/d 的關(guān)系曲線標(biāo)繪在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上，如圖1-19 所示，該圖稱(chēng)為莫狄（Moody）圖。這樣就可以方便地根據(jù) Re 與/d 值從圖中查得各種情況下的值。根據(jù)雷諾準(zhǔn)數(shù)的不同，可在圖中分出四個(gè)不同的區(qū)域：a 層流區(qū) 當(dāng) Re4000 且在圖中虛線以下區(qū)域時(shí)，=f（Re，/d） 。對(duì)于一定的/d，隨 Re 數(shù)值的增大而減小。d 完全湍流區(qū) 即圖中虛線以上的區(qū)域， 與 Re 的數(shù)值無(wú)關(guān)，只取決于/d。-Re曲線幾乎成水平線，當(dāng)管子的/d 一定時(shí)，為定值。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，阻力損失

39、與 u2成正比，故又稱(chēng)為阻力平方區(qū)。由圖可見(jiàn)，/d 值越大，達(dá)到阻力平方區(qū)的 Re 值越低?！纠?1-4】 20的水，以 1m/s 速度在鋼管中流動(dòng)，鋼管規(guī)格為603.5mm，試求水通過(guò) 100m 長(zhǎng)的直管時(shí)，阻力損失為多少？解解 從本書(shū)附錄中查得水在 20時(shí)的=998.2kg/m3，=1.005103Pasd = 60 3.52 =53mm， = 100m，u =1m/sl431026. 510005. 12 .9981053. 0Redu取鋼管的管壁絕對(duì)粗糙度=0.2mm，則004. 0532 . 0d據(jù) Re 與/d 值，可以從圖 1-19 上查出摩擦系數(shù)=0.03則 J/3 .282

40、1053. 010003. 0222udlhf圖 1-19 與 Re、/d 的關(guān)系（三）局部阻力（三）局部阻力局部阻力是流體流經(jīng)管路中的管件、閥門(mén)及截面的突然擴(kuò)大和突然縮小等局部地方所產(chǎn)生的阻力。流體在管路的進(jìn)口、出口、彎頭、閥門(mén)、突然擴(kuò)大、突然縮小或流量計(jì)等局部流過(guò)時(shí)，必然發(fā)生流體的流速和流動(dòng)方向的突然變化，流動(dòng)受到干擾、沖擊，產(chǎn)生旋渦并加劇湍動(dòng)，使流動(dòng)阻力顯著增加，如圖 1-20。局部阻力一般有兩種計(jì)算方法，即阻力系數(shù)法和當(dāng)量長(zhǎng)度法。圖 1-20 不同情況下的流動(dòng)干擾1當(dāng)量長(zhǎng)度法當(dāng)量長(zhǎng)度法是將流體通過(guò)局部障礙時(shí)的局部阻力計(jì)算轉(zhuǎn)化為直管阻力損失的計(jì)算方法。所謂當(dāng)量長(zhǎng)度是與某局部障礙具有相同能

41、量損失的同直徑直管長(zhǎng)度，用 le 表示，單位為m，可按下式計(jì)算 （1-16）22udlehf式中 u管內(nèi)流體的平均流速，m/s。le當(dāng)量長(zhǎng)度，m， 當(dāng)局部流通截面發(fā)生變化時(shí)，u 應(yīng)該采用較小截面處的流體流速。le 數(shù)值由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，在湍流情況下，某些管件與閥門(mén)的當(dāng)量長(zhǎng)度也可以從圖 1-21 查得。2阻力系數(shù)法將局部阻力表示為動(dòng)能的一個(gè)倍數(shù)，則 （1-17）22uhf式中 局部阻力系數(shù)，無(wú)單位，其值由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。常見(jiàn)的局部阻力系數(shù)見(jiàn)表 1-6。（四）總阻力（四）總阻力管路系統(tǒng)的總阻力等于通過(guò)所有直管的阻力和所有局部阻力之和。1. 當(dāng)量長(zhǎng)度法當(dāng)用當(dāng)量長(zhǎng)度法計(jì)算局部阻力時(shí)，其總阻力計(jì)算式為fh （1-1

42、8）2 2udlelhf式中 le管路全部管件與閥門(mén)等的當(dāng)量長(zhǎng)度之和，m。2. 阻力系數(shù)法當(dāng)用阻力系數(shù)法計(jì)算局部阻力時(shí)，其總阻力計(jì)算式為 （1-19）2)(2udlhf式中 管路全部的局部阻力系數(shù)之和。應(yīng)當(dāng)注意，當(dāng)管路由若干直徑不同的管段組成時(shí)，管路的總能量損失應(yīng)分段計(jì)算，然后再求和。總阻力的表示方法除了以能量形式表示外，還可以用壓頭損失 Hf（1N 流體的流動(dòng)阻力，m）及壓力降pf（1m3流體流動(dòng)時(shí)的流動(dòng)阻力，m）表示。它們之間的關(guān)系為hf = Hfg （1-20）pf =hf =Hf g （1-21）【例例 1-5】 20的水以 16m3/h 的流量流過(guò)某一管路，管子規(guī)格為573.5mm。

43、管路上裝有 90的標(biāo)準(zhǔn)彎頭兩個(gè)、閘閥（1/2 開(kāi)）一個(gè)，直管段長(zhǎng)度為 30m。試計(jì)算流體流經(jīng)該管路的總阻力損失。解解 查得 20下水的密度為 998.2kg/m3，粘度為 1.005mPas。管子內(nèi)徑為 d = 5723.5 = 50mm = 0.05m水在管內(nèi)的流速為m/s26. 2)05. 0(785. 03600/16785. 022dqAquvv流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的雷諾準(zhǔn)數(shù)為 531012. 110005. 12 .99826. 205. 0Redu查表取管壁的絕對(duì)粗糙度=0.2mm，則/d=0.2/50=0.004，由 Re 值及/d 值查圖得=0.0285。用阻力系數(shù)法計(jì)算查表得：9

44、0標(biāo)準(zhǔn)彎頭，=0.75；閘閥（1/2 開(kāi)度） ，=4.5。所以J/kg0 .592)26. 2()5 . 4275. 0(05. 0300285. 02)(22udlhf用當(dāng)量長(zhǎng)度法計(jì)算查表得：90標(biāo)準(zhǔn)彎頭，l/d=30；閘閥（1/2 開(kāi)度） ，l/d=200。 J/kg6 .622)26. 2(05. 005. 0)200230(300285. 0222udlelhf從以上計(jì)算可以看出，用兩種局部阻力計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果差別不大，在工程計(jì)算中是允許的。圖 1-21 管件與閥件的當(dāng)量長(zhǎng)度共線圖表 1-6 常見(jiàn)局部障礙的阻力系數(shù)活動(dòng)建議活動(dòng)建議 分析產(chǎn)生流動(dòng)阻力的原因，明確計(jì)算流動(dòng)阻力的必要性，取

45、一實(shí)際輸水管路，進(jìn)行阻力計(jì)算。第三節(jié)第三節(jié) 管子的選用與管路安裝管子的選用與管路安裝確定輸送管路的直徑，合理布置和安裝管路，對(duì)確保生產(chǎn)正常進(jìn)行、降低設(shè)備費(fèi)用和操作費(fèi)用，具有十分重要的意義。一、管子的選用一、管子的選用管道的內(nèi)徑計(jì)算式為 （1-22）uqdv4式中 d管道的內(nèi)徑，m； u適宜流速，m/s，通過(guò)經(jīng)濟(jì)衡算，選擇合理的流速。流量一般為生產(chǎn)任務(wù)所決定，所以關(guān)鍵在于選擇合適的流速。若流速選擇過(guò)大，管徑雖然可以減小，但流體流過(guò)管道的阻力增大，動(dòng)力消耗高，操作費(fèi)用隨之增加。反之，流速選擇過(guò)小，操作費(fèi)用可以相應(yīng)減小，但管徑增大，管路的設(shè)備費(fèi)用隨之增加。所以需根據(jù)具體情況通過(guò)經(jīng)濟(jì)權(quán)衡來(lái)確定適宜的流

46、速。某些流體在管路中的常用流速范圍列于表 1-7 中。表 1-7 某些流體在管道中的常用流速范圍流體的類(lèi)別及情況流速范圍/m/s水及低粘度液體（0.11.0MPa）工業(yè)供水（0.8 MPa 以下）鍋爐供水（0.8 MPa 以下）飽和蒸汽一般氣體（常壓）離心泵排出管（水一類(lèi)液體）液體自流速度（冷凝水等）真空操作下氣體流速1.53.01.53.03.0204010202.53.00.510應(yīng)用式（1-22）算出管徑后，還需根據(jù)管子規(guī)格選用標(biāo)準(zhǔn)管徑。選用標(biāo)準(zhǔn)管徑后，再核算流體在管內(nèi)的實(shí)際流速。【例例 1-6】 某廠精餾塔進(jìn)料量為 36000kg/h，該料液的性質(zhì)與水相近，其密度為960kg/m3，試

47、選擇進(jìn)料管的管徑。解：解： m3/s0.01049603600/00036mvqq因料液的性質(zhì)與水相近，參考表 1-7，選取 u = 1.8m/s。得 m0.0868 . 114. 30401. 044uqdv根據(jù)本書(shū)附錄的管子規(guī)格表，選用893.5mm 的無(wú)縫鋼管，其內(nèi)徑為 d =893.52 = 82mm則實(shí)際流速為 m/s1.97)0.082(785. 00401. 0422dqAquvv流體在管內(nèi)的實(shí)際流速為 1.97m/s，仍在適宜流速范圍內(nèi)，因此所選管子可用。二、管路的布置與安裝原則二、管路的布置與安裝原則工業(yè)上的管路布置既要考慮到工藝要求，又要考慮到經(jīng)濟(jì)要求，還要考慮到操作方便與

48、安全，在可能的情況下還要盡可能美觀。因此，布置管路時(shí)應(yīng)遵守以下原則。1. 在工藝條件允許的前提下，應(yīng)使管路盡可能短，管件和閥門(mén)應(yīng)盡可能少，以減少投資，使流體阻力減到最低。2. 應(yīng)合理安排管路，使管路與墻壁、柱子或其它管路之間應(yīng)有適當(dāng)?shù)木嚯x，以便于安裝、操作、巡查與檢修。如管路最突出的部分距墻壁或柱邊的凈空不小于 100mm，距管架支柱也不應(yīng)小于 100mm，兩管路的最突出部分間距凈空，中壓約保持 40mm60mm，高壓約保持70mm90mm，并排管路上安裝手輪操作閥門(mén)時(shí)，手輪間距約 100mm。3. 管路排列時(shí)，通常使熱的在上，冷的在下；無(wú)腐蝕的在上，有腐蝕的在下；輸氣的在上，輸液的在下；不經(jīng)

49、常檢修的在上，經(jīng)常檢修的在下；高壓的在上，低壓的在下；保溫的在上，不保溫的在下；金屬的在上，非金屬的在下；在水平方向上，通常使常溫管路、大管路、振動(dòng)大的管路及不經(jīng)常檢修的管路靠近墻或柱子。4. 管子、管件與閥門(mén)應(yīng)盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件，以便于安裝與維修。5. 對(duì)于溫度變化較大的管路須采取熱補(bǔ)償措施，有凝液的管路要安排凝液排出裝置，有氣體積聚的管路要設(shè)置氣體排放裝置。6. 管路通過(guò)人行道時(shí)高度不得低于 2m，通過(guò)公路時(shí)不得小于 4.5m，與鐵軌不得小于6m，通過(guò)工廠主要交通干線一般為 5m。7. 一般情況下，管路采用明線安裝，但上下水管及廢水管采用埋地鋪設(shè)，埋地安裝深度應(yīng)當(dāng)在當(dāng)?shù)乇鶅鼍€以下。在布置管路時(shí)

50、，應(yīng)參閱有關(guān)資料，依據(jù)上述原則制訂方案，確保管路的布置科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、合理、安全。 技能訓(xùn)練一技能訓(xùn)練一 管路拆裝訓(xùn)練管路拆裝訓(xùn)練訓(xùn)練目標(biāo)熟悉可拆式組裝管路的安裝過(guò)程，并掌握其安裝技術(shù)。訓(xùn)練準(zhǔn)備1管路的布置是由設(shè)備的布置而確定，要正確的布置和安裝管路，必須明確生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)和操作條件的要求，遵循管路布置和安裝的原則，繪制出配管圖。2管子的連接方式主要有四種：螺紋連接、法蘭連接、承插式連接及焊接等。3管路的組裝方式大致可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是可拆式，即用法蘭、絲扣、填料等方法連接；另一類(lèi)是不可拆式，主要是采用焊接方法連接。此處重點(diǎn)介紹可拆式?？刹鹗浇M裝要點(diǎn)：先將管路按現(xiàn)場(chǎng)位置分成若干段組裝。然后從管路一端

51、向另一端固定接口逐次組合；也可以從管路兩端接口向中間逐次組合。在組合過(guò)程中，必須經(jīng)常檢查管路中心線的偏差，盡量避免因偏離過(guò)大而造成最后合攏的接口處錯(cuò)口太大的毛病。管路的安裝工作包括：管路安裝、法蘭和螺紋接合、閥門(mén)安裝和試壓。（1）管路安裝 管路的安裝應(yīng)得保證橫平豎直，水平管其偏差不大于 15mm10m，但其全長(zhǎng)不能大于50mm，垂直管偏差不能大于 10mm。（2）法蘭與螺紋接合法蘭安裝要做到對(duì)得正、不反口、不錯(cuò)口、不張口。緊固法蘭時(shí)要做到：未加墊片前，將法蘭密封面清理干凈，其表面不得有溝紋；墊片的位置要放正，不能加入雙層墊片；在緊螺栓時(shí)要按對(duì)稱(chēng)位置的秩序擰緊，緊好之后螺栓兩頭應(yīng)露出 24 扣；

52、管道安裝時(shí)，每對(duì)法蘭的平行度、同心度應(yīng)符合要求。螺紋接合時(shí)管路端部應(yīng)加工外螺紋，利用螺紋與管箍、管件和活管接頭配合固定。其密封則主要依靠錐管螺紋的咬合和在螺紋之間加敷的密封材料來(lái)達(dá)到。常用的密封材料是白漆加麻絲或四氟膜，纏繞在螺紋表面，然后將螺紋配合擰緊。（3）閥門(mén)安裝閥門(mén)安裝時(shí)應(yīng)把閥門(mén)清理干凈，關(guān)閉好再進(jìn)行安裝，單向閥、截止閥及調(diào)節(jié)閥安裝時(shí)應(yīng)注意介質(zhì)流向，閥的手輪便于操作。（4）水壓試驗(yàn)管路安裝完畢后，應(yīng)作強(qiáng)度與嚴(yán)密度試驗(yàn)，試驗(yàn)是否有漏氣或漏液現(xiàn)象。管路的操作壓力不同，輸送的物料不同，試驗(yàn)的要求也不同。當(dāng)管路系統(tǒng)是進(jìn)行水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力(表壓)為294kPa，在試驗(yàn)壓力下維持 5min，未發(fā)

53、現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，則水壓試驗(yàn)為合格。訓(xùn)練步驟（要領(lǐng)）(1)對(duì)實(shí)際裝置的管路尺寸進(jìn)行測(cè)繪并畫(huà)出安裝配管圖。(2)在教師指導(dǎo)和配合下，學(xué)生親自動(dòng)手安裝，要求掌握管子、閥門(mén)、管件等安裝的基本技術(shù)。(3)安裝中要注意安全。第四節(jié)第四節(jié) 液體輸送機(jī)械液體輸送機(jī)械一般來(lái)說(shuō)流體輸送機(jī)械可分為液體輸送機(jī)械（通稱(chēng)為泵）和氣體輸送機(jī)械（如風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、真空泵等） 。按照工作原理不同又可分為離心式、往復(fù)式、旋轉(zhuǎn)式和流體作用式。其中以離心式最為常見(jiàn)。一、離心泵的結(jié)構(gòu)類(lèi)型一、離心泵的結(jié)構(gòu)類(lèi)型離心泵具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，檢修方便，操作容易和適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，在化工生產(chǎn)中應(yīng)用十分廣泛。1離心泵的結(jié)構(gòu)離心泵的結(jié)構(gòu)圖 1-22 所示

54、的為安裝于管路中的一臺(tái)臥式單級(jí)單吸離心泵。圖中(a)為其基本結(jié)構(gòu)，(b)為其在管路中的示意圖。(a) 結(jié)構(gòu)示意圖 (b) 在管路中的示意圖圖 1-22 單級(jí)單吸離心泵的結(jié)構(gòu)l-泵體；2-葉輪；3-密封環(huán)；4-軸套；5-泵蓋；6-泵軸；7-托架；8-聯(lián)軸器；9-軸承；10-軸封裝置； 11-吸入口；12-蝸形泵殼；13-葉片；14-吸入管；15-底閥；16-濾網(wǎng)；17-調(diào)節(jié)閥；18-排出管（1）葉輪葉輪的作用是將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能直接傳給液體，以增加液體的靜壓能和動(dòng)能（主要增加靜壓能） 。葉輪一般有 612 片后彎葉片。葉輪有開(kāi)式、半閉式和閉式三種，如圖 1-23 所示。 圖 1-23 離心泵的葉輪

55、 圖 1-24 離心泵的吸液方式開(kāi)式葉輪在葉片兩側(cè)無(wú)蓋板，制造簡(jiǎn)單、清洗方便，適用于輸送含有較大量懸浮物的物料，效率較低，輸送的液體壓力不高；半閉式葉輪在吸入口一側(cè)無(wú)蓋板，而在另一側(cè)有蓋板，適用于輸送易沉淀或含有顆粒的物料，效率也較低；閉式葉輪在葉輪在葉片兩側(cè)有前后蓋板，效率高，適用于輸送不含雜質(zhì)的清潔液體。一般的離心泵葉輪多為此類(lèi)。后蓋板上的平衡孔以消除軸向推力。離開(kāi)葉輪周邊的液體壓力已經(jīng)較高，有一部分會(huì)滲到葉輪后蓋板后側(cè)，而葉輪前側(cè)液體入口處為低壓，因而產(chǎn)生了將葉輪推向泵入口一側(cè)的軸向推力。這容易引起葉輪與泵殼接觸處的磨損，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。平衡孔使一部分高壓液體泄露到低壓區(qū)，減小葉輪前

56、后的壓力差。但由此也會(huì)引起泵效率的降低。葉輪有單吸和雙吸兩種吸液方式。如圖 1-24 所示。（2）泵殼作用是將葉輪封閉在一定的空間，以便由葉輪的作用吸入和壓出液體。泵殼多做成蝸殼形，故又稱(chēng)蝸殼。由于流道截面積逐漸擴(kuò)大，故從葉輪四周甩出的高速液體逐漸降低流速，使部分動(dòng)能有效地轉(zhuǎn)換為靜壓能。泵殼不僅匯集由葉輪甩出的液體，同時(shí)又是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換裝置。為使泵內(nèi)液體能量轉(zhuǎn)換效率增高，葉輪外周安裝導(dǎo)輪。導(dǎo)輪是位于葉輪外周固定的帶葉片的環(huán)。這些葉片的彎曲方向與葉輪葉片的彎曲方向相反，其彎曲角度正好與液體從葉輪流出的方向相適應(yīng)，引導(dǎo)液體在泵殼通道內(nèi)平穩(wěn)地改變方向，將使能量損耗減至最小，提高動(dòng)能轉(zhuǎn)換為靜壓能的效率

57、。（3）軸封裝置作用是防止泵殼內(nèi)液體沿軸漏出或外界空氣漏入泵殼內(nèi)。常用軸封裝置有填料密封和機(jī)械密封兩種。填料一般用浸油或涂有石墨的石棉繩。機(jī)械密封主要的是靠裝在軸上的動(dòng)環(huán)與固定在泵殼上的靜環(huán)之間端面作相對(duì)運(yùn)動(dòng)而達(dá)到密封的目的。2離心泵的類(lèi)型離心泵的類(lèi)型離心泵種類(lèi)繁多，相應(yīng)的分類(lèi)方法也多種多樣，例如，按液體的性質(zhì)可分為水泵、耐腐蝕泵、油泵、雜質(zhì)泵、屏蔽泵、液下泵和低溫泵等。各種類(lèi)型的離心泵按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)各自成為一個(gè)系列，并以一個(gè)或幾個(gè)漢語(yǔ)拼音字母作為系列代號(hào)，在每一系列中，由于有各種不同的規(guī)格，因而附以不同的字母和數(shù)字來(lái)區(qū)別。以下僅對(duì)化工廠中常用離心泵的類(lèi)型作一簡(jiǎn)單說(shuō)明，見(jiàn)表 1-8。表 1-8

58、離心泵的類(lèi)型類(lèi) 型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)用 途IS 型單級(jí)單吸式。泵體和泵蓋都是用鑄鐵制成。特點(diǎn)是泵體和泵蓋為后開(kāi)門(mén)結(jié)構(gòu)型式，優(yōu)點(diǎn)是檢修方便，不用拆卸泵體、管路和電機(jī)是應(yīng)用最廣的離心泵，用來(lái)輸送清水以及物理、化學(xué)性質(zhì)類(lèi)似于水的清潔液體。D 型多級(jí)泵，可達(dá)到較高的壓頭，如圖 1-25 所示要求的壓頭較高而流量并不太大的場(chǎng)合清水泵sh 型雙吸式離心泵，葉輪有兩個(gè)入口，故輸送液體流量較大，如圖 1-26 所示輸送液體的流量較大而所需的壓頭不高的場(chǎng)合耐腐蝕泵（F 型）特點(diǎn)是與液體接觸的部件用耐腐蝕材料制成，密封要求高，常采用機(jī)械密封裝置FH 型（灰口鑄鐵） FG 型（高硅鑄鐵） FB 型（鉻鎳合金鋼） FM 型（鉻

59、鎳鉬鈦合金鋼） Fs 型（聚三氟氯乙烯塑料）輸送酸、堿等腐蝕性液體油泵(Y 型)有良好的密封性能。熱油泵的軸密封裝置和軸承都裝有冷卻水夾套輸送石油產(chǎn)品雜質(zhì)泵（P 型）葉輪流道寬，葉片數(shù)目少，常采用半敞式或敞式葉輪。有些泵殼內(nèi)襯以耐磨的鑄鋼護(hù)板。不易堵塞，容易拆卸，耐磨PW 型（污水泵） PS 型（砂泵） PN（泥漿泵）輸送懸浮液及粘稠的漿液等屏蔽泵無(wú)泄漏泵，葉輪和電機(jī)聯(lián)為一個(gè)整體并密封在同一泵殼內(nèi)，不需要軸封裝置。缺點(diǎn)是效率較低，約為 2650。常輸送易燃、易爆、劇毒及具有放射性的液體液下泵(EY 型)液下泵經(jīng)常安裝在液體貯槽內(nèi)，對(duì)軸封要求不高，既節(jié)省了空間又改善了操作環(huán)境。其缺點(diǎn)是效率不高。

60、適用于輸送化工過(guò)程中各種腐蝕性液體和高凝固點(diǎn)液體。 圖 1-25 多級(jí)泵示意圖 圖 1-26 雙吸泵示意圖 二、離心泵的工作原理二、離心泵的工作原理離心泵的葉輪安裝在泵殼內(nèi)，并緊固在泵軸上，泵軸由電機(jī)直接帶動(dòng)。液體經(jīng)底閥和吸入管進(jìn)入泵內(nèi)。由壓出管排出。在泵啟動(dòng)前，泵殼內(nèi)灌滿被輸送的液體；啟動(dòng)后，葉輪由軸帶動(dòng)高速轉(zhuǎn)動(dòng)，葉片間的液體也必須隨著轉(zhuǎn)動(dòng)。在離心力的作用下，液體從葉輪中心被拋向外緣并獲得能量，以高速離開(kāi)葉輪外緣進(jìn)入蝸形泵殼。在蝸殼中，液體由于流道的逐漸擴(kuò)大而減速，又將部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能，最后以較高的壓力流入排出管道，送至需要場(chǎng)所。液體由葉輪中心流向外緣時(shí)，在葉輪中心形成了一定的真空，由于