中南大學化工原理第一章流體

第一章

流體流動與輸送機械流體流動原理和規(guī)律是重要基礎在化工生產過程中，流體的流動是各個單元操作中的普遍現象。無論是管道輸送、流量的測定、還是流體輸送所需的功率的計算、輸送設備的設計和操作都與流體流動原理和規(guī)律密切相關。主要內容流體流動的基本概念流體靜力學流體動力學流體流動現象管內流動阻力計算流量的測量離心泵其他類型泵氣體輸送裝置概述1、流體具有流動性的物體，氣體和液體統(tǒng)稱為流體。分類：按狀態(tài)分：氣體、液體、超臨界流體；按可壓縮性分：可壓縮流體和不可壓縮流體；按是否可忽略分子間作用力分：理想流體和實際流體；按流變特性分（剪切力與速度梯度的關系）：牛頓型流體和非牛頓型流體。不可壓縮流體：流體的體積（密度）不隨壓力及溫度變化。可壓縮流體：流體的體積（密度）隨壓力及溫度變化。

V=f（p，T）液體：一般為不可壓縮流體氣體：一般為可壓縮流體在工程技術領域，關注的是流體的宏觀特性，即大量分子的統(tǒng)計平均特性，采用連續(xù)性假設可以不考慮分子的復雜運動，從宏觀角度研究流體的流動規(guī)律。假設流體由無數連續(xù)質點組成的連續(xù)介質。2、連續(xù)性假設1.1流體流動的基本概念一、密度ρ1）定義：單位體積流體的質量，kg/m3（SI）

ρ=m/V2）理想氣體的密度

pV=nRT=m/M·RTρ=m/V=pM/RT混合氣體密度ρm

A、B、…、n

氣體混合物中各組分的體積分數ρi

：同溫同壓下組分i的密度3）液體混合物的平均密度ρm

若混合前后體積變化不大或不變——理想溶液則：

wi：混合液中組分i的質量分數二、比體積（比容）v

單位質量流體的體積，m3/kg三、黏度（一）牛頓黏性定律黏性：流體流動時產生內摩擦力的性質，阻止流體產生相對運動的特性。黏度：衡量流體黏性大小的物理量稱為黏度。內摩擦力：運動著的流體內部相鄰兩流體層間由于分子間的作用力和分子的無規(guī)則運動而產生的相互作用力。牛頓黏性定律：實驗證明：流體的內摩擦力（剪應力）與法向速度梯度成正比μ：黏度（Pa·S）牛頓粘性定律發(fā)表在1687年μ：黏度(動力黏度、絕對黏度）單位：Pa·s

厘泊（cp）：1cp=0.01p=0.001Pa·s

物理意義：速度梯度為1時，單位面積上所產生的內摩擦力大小。獲取方法：由實驗測定、查有關手冊或資料、用經驗公式計算。運動黏度：υ＝μ/ρ單位m2/s。溫度對粘度的影響

液體：溫度上升，黏度下降；T↑分子間距離↑分子間引力↓μ↓

氣體：溫度上升，黏度增大。T↑分子不規(guī)則運動和碰撞↑μ↑壓力對粘度的影響壓力不是極高或極低時，壓力對氣體黏度的影響可忽略。（二）流體中的動量傳遞由于流體層之間速度不等，動量從速度大處向速度小處傳遞。：單位體積流體的動量：單位體積流體的動量梯度τ：單位時間單位面積的動量，稱為動量傳遞速率剪應力的單位：（三）、理想流體

黏度為零的流體。（四）、非牛頓型流體牛頓型流體：在流動中形成的剪應力與速度梯度的關系完全符合牛頓黏性定律的流體，如：水、空氣等。非牛頓型流體：不服從牛頓黏性定律的流體。絕大多數高分子量的流體，如：人身上的血液、淋巴、聚乙烯，聚丙烯酰氨，聚氯乙烯，尼龍6，PVS，滌綸，橡膠溶液，各種工程塑料，化纖的熔體等。1.2流體靜力學流體靜力學：研究流體在外力作用下達到平衡時（靜止或相對靜止）各物理量的變化規(guī)律。應用：測量設備或管道內壓強、測量液位等。一、靜止流體的壓強壓強：流體垂直作用于單位面積上的力為流體的壓強，習慣稱為流體的壓力。單位：N/m2，帕斯卡，Pa絕對壓力：以絕對真空為基準測得的壓力表壓：以外界大氣壓為基準測得的壓力表壓=絕對壓力－大氣壓力真空度=大氣壓力－絕對壓力二、靜力學基本方程描述靜止流體內部的壓力隨高度變化的數學表達式。三、方程推導

液柱受力分析下底面所受的向上總壓力：p2A上底面所受的向下總壓力：p1A整個液柱的重力：G＝ρgA(z1-z2)靜止液體中，三力平衡

p2A－p1A－ρgA(z1-z2)＝0∴p2=p1+ρg(z1-z2)

或p2+ρgz2=p1+ρgz1靜力學基本方程：

在靜止的、連續(xù)的同一液體內，滿足：

p+ρgz=const或或各項物理意義：

z：單位重量的液體從基準面上升高度z后所具有的位能；（J/Norm）

p/ρg：單位重量液體的靜壓能；（J/Norm）各項幾何意義：

z：位頭，液體離基準面的垂直高度（m）

p/ρg：靜壓頭，使靜止液體上升的高度（m）gz、p/ρ

：單位質量的液體所具有的位能、靜壓能。四、流體靜力學基本方程式的應用（一）壓力測量1、U形管液柱壓差計條件：

ρ指>ρ測

指示液與被測流體不互溶原理：靜力學基本方程，同一連續(xù)靜止流體的同一水平的靜壓相等U形管壓差計∴pa＝pb

p1+(m+R)ρg＝p2+mρg+Rρ0gp1－p2＝R（ρ0－ρ）g

倒U形管壓差計：利用被測量液體本身作為指示液倒U形管壓差計p1－p2＝R（ρ0－ρ）g2、斜管壓差計

當被測量的流體壓力或壓差不大時，讀數R很小，為得到精確的讀數，可采用斜管壓差計

斜管壓差計p1－p2＝R（ρ0－ρ）g=R＇sinα（ρ0－ρ）g3、微差壓差計

U形管中放置兩種密度不同、互不相溶的指示液，管的上端有擴張室，擴張室有足夠大的截面積，當讀數R變化時，兩擴張室中液面不致有明顯的變化。P1－P2＝ΔP＝Rg（ρa－ρb）

（二）液面測定

平衡器的小室2中所裝的液體與容器里的液體相同，器里液面高度維持在容器液面容許到達的最大高度處。容器里的液面高度可根據壓差計的讀數R求得。

h越小，容器內的液位越高，當R=0時，h=0，容器內的液面高度即為允許的最大高度。遠程液位測量裝置（三）確定液封高度

為了控制設備內氣體壓力不超過規(guī)定的數值，采用安全液封（或稱為水封）裝置，當設備內壓力超過規(guī)定值時，氣體就從液封管排出，以確保設備操作的安全。水封管插入液面下的深度h為：安全液封p1為表壓1.3

流體動力學1）必要性

化工廠中流體大多沿密閉的管道流動，研究管內流體流動的規(guī)律十分必要。2）主要內容連續(xù)性方程伯努利方程

一、流量與流速（一）流量體積流量：Q（m3/s）

單位時間內流體流經管道任一截面的體積。質量流量：W（kg/s）單位時間內流體流經管道任一截面的質量。兩者之間的關系

W=Qρ（二）流速1）平均流速（體積流速）：u（m/s）

u＝Q/A

W=ρQ

=ρAu2）質量流速：G（kg/m2·s）

！由于氣體的體積與溫度、壓力有關，當溫度、壓力發(fā)生變化時，氣體的體積流量與流速隨之改變，但質量流量不變，采用質量流速比較方便。3）管道直徑的估算以d表示管內徑一般液體流速為0.5～3m/s。氣體為10～30m/s。二、定態(tài)流動與非定態(tài)流動1）定態(tài)流動：流體在管道中流動時，任一點上的流速、壓力等有關流動的物理參數都不隨時間改變。

2）非定態(tài)流動：流動的流體中，有關流動的物理參數，至少有一個隨時間改變。三、連續(xù)性方程流體連續(xù)穩(wěn)定流動時，根據質量守恒定律

W

s

1＝W

s

2即：

ρ1A1u1＝ρ2A2u2

不可壓縮流體：

A1u1＝A2u2

圓形管道：不可壓縮流體在管道中的流速與管道內徑的平方成反比。

1′122′ws1ws2四、伯努利方程式（Bernoulli’sequation）流體機械能衡算式（一）方程推導1、假設：流體無黏性（理想流體）：在管內流動時無摩擦損失；流體在管內連續(xù)穩(wěn)定流動。2、原理：力學原理（牛頓第二定律）作用于流體上的合力等于流體動量變化的速率。受力分析：作用于微管段流體上的各力沿x方向的分力之和為：

pA－(p+dp)A－gρAdz＝－Adp－gρAdz

∴ρAudu＝－Adp－gρAdz積分得：

理想流體的伯努利方程二、伯努利方程的物理意義gz：單位質量流體所具有的位能(J/kg)

p/ρ：單位質量流體所具有的靜壓能(J/kg)

u2/2：單位質量流體所具有的動能(J/kg)

機械能壓頭：單位重量流體所具有的能量位壓頭：z靜壓頭：p/ρg動壓頭(速度壓頭)：u2/2g五、

實際流體的機械能衡算式（一）實際流體的機械能衡算式

實際流體在管道內流動時，由于流體的內摩擦作用，要消耗一部分機械能，在機械能量衡算時必須加入能量損失項。

∑Hf：壓頭損失，m如果有外加機械功（H）輸入其它形式：∑hf

：單位質量流體的能量損失W=gH：單位質量流體的外加能量二、伯努利方程式的應用分析和解決流體輸送有關的問題液體流動過程中流量的測定調節(jié)閥流通能力的計算注意：1、截面選?。捍_定物料衡算和機械能衡算的范圍。①與流動方向垂直②兩截面間流體連續(xù)③所求的物理量在截面上能反映出來④截面已知量較多通常選系統(tǒng)的起點和終點為相應的截面2、確定基準面：確定衡量位能大小的基準通常選截面較低的一個水平面為基準面。3、壓力同時采用表壓或絕對壓力4、對于可壓縮流體，（P2-P1）/P1＜20%時，可用。5、對于非定態(tài)流動系統(tǒng)的任一瞬間，方程成立。

例1-3將高位槽內料液向塔內加料。高位槽和塔內的壓力均為大氣壓。要求料液在管內以0.5m/s的速度流動。設料液在管內壓頭損失為1.2m（不包括出口壓頭損失），試求高位槽的液面應該比塔入口處高出多少米？例1-4用泵將貯槽中密度為1200kg/m3的溶液送到蒸發(fā)器內，貯槽內液面維持恒定，其上方壓強為101.33kPa，蒸發(fā)器上部的蒸發(fā)室內操作壓強為26.67kPa（真空度），蒸發(fā)器進料口高于貯槽內液面15m，進料量為20m3/h，溶液流經全部管路的能量損失為120J/kg，管路直徑為60mm，求泵的有效功率。例1-5有一高位槽，水從槽底的接管流出，如附圖所示。高位槽直徑D=1m，槽內水深2m，底部接一管道，管長3m，管徑d=20mm，液體流過該系統(tǒng)的能量損失hf=2.25u2，試求槽內液面下降1m所需的時間。1.4流體流動現象

1、雷諾實驗u比較小時，流體在管內沿軸線方向成一條輪廓清晰的直線，平穩(wěn)地流過整根玻璃管，與旁側的水不混合；u↑，直線流動的有色細流開始出現波動成波浪形細線；速度再增，細線的波動加劇，然后被沖斷而向四周散開，最后使整個玻璃管中的水呈現均勻的顏色。1883年奧斯本?雷諾(OsborneReynolds)做雷諾實驗裝置流體流動類型2、流動類型層流：流體在管中流動時，質點始終沿著與管軸平行的方向作直線運動，質點之間互不混合的流動狀態(tài)稱為層流(laminarflow)或滯流(viscousflow）。湍流：流體質點除了沿著管道向前流動外，各質點的運動速度在大小和方向上都發(fā)生變化，質點間彼此碰撞并互相混合，這種流動狀態(tài)稱為湍流(turbulentflow)或紊流。過渡區(qū)3、雷諾數Re物理意義：表明慣性力與黏性力之比。量綱：1，無因次Re≤2000：層流

Re≥4000：湍流

2000<Re<4000：過渡區(qū)4、邊界層流體流經壁面時，由于流體具有黏性，在垂直于流體流動的方向產生較大速度梯度的區(qū)域。層流內層層流邊界層湍流邊界層usususxc以速度為主體流速的99%處作為劃分邊界層的界限。5、流體在圓管內的速度分布（一）層流時的速度分布

速度分布為拋物線狀管中心的流速最大，向管壁的方向漸減，靠管壁的流速為零，平均速度為最大速度的一半。

哈根—泊謖葉公式層流時由于摩擦阻力所產生的壓差△p與流速u的一次方成正比。（二）流體在圓管中湍流時的速度分布流體質點間進行著湍流動量傳遞，使管截面上的速度分布比較均勻。Re增大，流體湍動程度增大，速度分布曲線頂部區(qū)域越寬闊而平坦。4×104＜Re＜1.1×105時，n=61.1×105＜Re＜3.2×106時，n=7Re＞3.2×106時，n=10一、管材1）鋼管：普通鋼管和合金鋼管焊接鋼管：有縫鋼管，多為低碳鋼管，通常用于壓強較低的輸送系統(tǒng)。無縫鋼管：石油和化工生產中使用最多的一種管型，分為熱軋和冷拔兩種。其特點是質量均勻、強度高。2）鑄鐵管常用于埋在地下的給水總管，煤氣管及污水管等1.5管內流動阻力計算3）有色金屬管銅管、鉛管、鋁管等。銅管導熱性好且重量較輕，適宜于制作換熱器。細的紫銅管常用來作為機械設備的潤滑系統(tǒng)或油壓系統(tǒng)的儀表管路。鉛管具有易于輾壓，鍛制或焊接的有點，且能抗硫酸及10%以下鹽酸的腐蝕，故可作為這類物料的輸送管路。但鉛管機械強度差，較笨重且導熱率低。鋁的導熱性能良好，能代替昂貴的銅管用于制造換熱器。由鋁的純度決定其耐蝕性，廣泛用于輸送濃硝酸，蟻酸，醋酸等物料，但不耐堿。4）非金屬管陶瓷管、水泥管、塑料管等。陶瓷管：能耐酸堿，但性脆，強度低不耐壓，多用來排除腐蝕性的污水。水泥管：可用作地下水管、污水管，也用來輸送無壓氣體。塑料管：最常用的有聚氯乙烯管、聚乙烯管、酚醛塑料及有機玻璃等塑料管。塑料管具有良好的耐腐蝕性而且質輕，但強度較低，耐熱性較差。2、管件及閥門1）管件管與管的連接部件，用來改變管道方向、連接支管、改變管徑及堵塞管道等。90o彎頭45o彎頭180o彎頭管箍活接頭法蘭三通2）閥門閘門閥：通過控制體內閘門的升降來啟閉閥門的，閘板和流體流向相垂直，通道的大小通過改變閘板與閥座之間的相對位置來改變的，當閘板與閥座緊密貼合時可阻止介質通過。。單向閥（止回閥）：靠流體而啟閉，控制流體單向流動的閥門。多用于泵和壓縮機的管路上，以及疏水器的排水管上和其它不允許流體反向流動的地方。球心閥：閥芯呈球狀，故叫球心閥。其主要裝置是螺旋桿端連有盤塞，在閥的中心隔板上裝有盤座。旋塞（考克）：其主要部件為中間開有孔道的錐形旋塞，將旋塞旋至使其孔道與管子相通位置時，流體即由孔道流過。當旋塞旋轉90°時管流完全停止。

球心閥截止閥蝶閥

旋塞

3）管子的連接螺紋連接：管端有螺紋，一般用于直徑100mm以下，介質溫度小于100℃，工作壓強小于1MPa的環(huán)境。法蘭連接：法蘭連接裝拆方便，密封可靠，適用的溫度、壓力和管徑范圍大。該法廣泛應用于大管徑耐溫、耐壓與密封性高的管路連接和管路與設備之間的連接。焊接連接：焊接連接在化工廠中被廣泛采用，適用于有壓管道和真空管道。此方法連接方式簡單、方便不漏。承插連接：適用于埋在地下的管路。插口和套口之間環(huán)隙中須填塞填充物，如麻絲、棉繩等，再塞入石棉水泥或水泥砂漿等膠合劑。二、流體在直管中的流動阻力1、阻力的分類直管阻力：流體流經一定直徑的直管時，所產生的阻力。局部阻力：流體流經管件、閥門及進出口時，受到局部障礙所產生的阻力。由于流速大小或方向突然改變，從而產生邊界層分離，出現大量旋渦，導致很大的機械能損失。三、層流的摩擦阻力

摩擦系數四、湍流的摩擦阻力一、因次分析法只是一種數學分析方法，不能代替實驗?？纱蟠鬁p少變量個數

（1）通過實驗找到所有影響因素：（2）找出各物理量量綱中所涉及的基本量綱

基本量綱個數r＝3

（3）選擇3個物理量作為基本物理量（4）將其余物理量逐一與基本物理量組

成特征數。（5）根據量綱一致性原則確定特征數方程的各項必需具有相同的量綱

----歐拉（Euler）數4個特征數-----相對粗糙度

Π定理：量綱為1的獨立物理量的個數N等于該現象所涉及的物理量數目n減去表示這些物理量的基本量綱數目m（二）管壁粗糙度的影響光滑管：玻璃管、銅管、鉛管、塑料管粗糙管：鋼管和鑄鐵管絕對粗糙度：管壁粗糙面凸出部分的平均高度，ε

相對粗糙度：ε/d層流：流速比較緩慢，流體對管壁凸出部分沒有碰撞作用，λ=f（Re）水力光滑管：層流底層的厚度δ>εδ<ε：λ=f(Re，ε/d)水力光滑管

完全湍流粗糙管

水力光滑管(1)層流區(qū)：Re≤2000，λ可計算，也可以查圖

∴hf∝u(2)過渡區(qū)：

2000<Re<4000，流動類型不穩(wěn)定，為安全計，按湍流計算λ。(3)湍流區(qū)：Re>4000及虛線以下的區(qū)域λ=f(Re,ε/d)(4)完全湍流區(qū)（在圖中虛線以上的區(qū)域）λ=f(ε/d)λ一定，hf∝u2

此區(qū)域也稱為阻力平方區(qū)（5）λ與Re及ε/d的關聯式光滑管，布拉修斯公式，3×103＜Re＜105

湍流區(qū)的光滑管、粗糙管，完全湍流區(qū)考萊布魯克（Colebrook）關聯式在完全湍流區(qū)，Re對λ的影響很小，式中含Re項可以忽略。五、非圓形管內的流動阻力1、當量直徑deA：管道截面積；Π：潤濕周邊長度

例：套管的環(huán)隙，外管的內徑d2，內管的外徑d1

邊長為a，b的矩形管2、層流時摩擦阻力計算C—常數，無因次，可查表不同形狀管道的截面積相等時，方形管道比矩形管道能量損失少，圓形管道比方形管道能量損失少；從減少能量損失的角度看，圓形截面是最佳的。某些非圓形管的常數C值非圓形管的截面形狀正方形等邊三角形環(huán)形長方形長：寬=2：1長：寬=4：1常數C5753966273六、局部摩擦阻力損失（一）局部阻力系數法1、計算式ξ：局部阻力系數2、常用管件和閥門的ξ可查手冊3、突然擴大突然縮小注意：當流體從管道中流入截面較大的容器，或氣體從管道排放到大氣中，ξ=1

流體自容器進入管的入口，或從很大的截面突然縮小到很小的截面，ξ=0.5計算阻力損失時用小管中的流速。（二）當量長度法

將流體流過管件或閥門所產生的局部阻力損失，折合成流體流過長度為le的直管的阻力損失，le由實驗測定。常用當量長度查P32圖名稱阻力系數ξ當量長度與管徑之比le/d彎頭，4500.3517彎頭，9000.7535三通150回彎頭1.575管接頭、活接頭0.042球式止逆閥703500搖板式止逆閥2100全開閘閥0.179半開閘閥4.5225全開截止閥6300半開截止閥9.5475角閥，全開2100水表，盤式7350七、流體在管內流動的總阻力損失計算直管阻力損失所有管件、閥門等的局部阻力損失計算類型簡單管路復雜管路：有并聯、分支或匯合設計型：指給定輸送任務，如流量，要求設計出經濟、合理的管路，如確定優(yōu)化的管徑d等。操作型：管路系統(tǒng)已定，要求核算出在操作條件改變時管路系統(tǒng)的輸送能力或某項技術指標。八、管路計算已知管徑、管長、管件和閥門的設置及流體的輸送量，求流體通過管路系統(tǒng)的能量損失，以便道一步確定輸送設備所加入的外功、設備內的壓強或設備間的相對位置等。這一類計算比較容易。

已知管徑、管長、管件和閥門的設置及允許的能量損失，求流體的流速或流量。已知管長、管件和閥門的當量長度、流體的流量及允許的能量損失，求管徑。

！后面兩種情況需試差。設計內容計算依據：連續(xù)性方程ρ1A1u1＝ρ2A2u2機械能衡算方程

阻力損失計算式

例1-6如附圖所示，生產中需將高位槽的水輸送到低位槽中，流量為36.0m3/h。管徑φ89×3.5mm，管長為138m（含管件的當量長度），管壁相對粗糙度為1×10-4，水的密度為103kg/m3，黏度為10-3Pa·s。試求兩水槽液面的高度差。例1-7料液自高位槽流入精餾塔，如附圖所示。塔內壓強為1.96×104Pa（表壓），輸送管道為φ36×2mm無縫鋼管，管長8m。管路中裝有90°標準彎頭兩個，180°回彎頭一個，球心閥（全開）一個。為使料液以5m3/h的流量流入塔中，問高位槽應安置多高？（即位差Z應為多少米）。料液在操作溫度下的物性：密度ρ=861kg/m3；粘度μ=0.643×10－3Pa·s。

如圖所示的簡單管路中，設兩貯槽內液位保持恒定，各管段直徑相同，液體穩(wěn)態(tài)流動。管路中安裝一閥門，閥前后各裝一壓力表，閥門在某一開度時，管路中流體的流量為Q，壓力表讀數分別為pA、pB。問：當閥門開度減小時，管路中流量Q、pA、pB及阻力損失如何變化。1.6流量的測定類型：測速管孔板流量計轉子流量計重點：流量計測量結構、原理，安裝、應用的特點1、結構①兩根彎成直角的同心套管；②內管管口敞開；③外管的管口封閉；④外管前端壁面四周開有若干測壓小孔。

一、測速管（皮托管）

Pitottubep測速管實物圖2、測速原理當某一流體以流速u流經測速管時，由于測速管內已充滿待測流體，在其前端形成駐點，動壓能頭在A處轉化為靜壓能，內管所測的為靜壓能和動壓能之和，稱為沖壓能。B點測得靜壓能。

若被測流體為氣體，ρ`

>>ρ

測量點速度，可利用該測速管測出管截面上流體的速度分布。1051061071041031020.50.60.70.80.9

u/umax與Re、Remax的關系3、（動能式）特點常用于氣體速度測量流體阻力小，適于測量大直徑管道內的氣體流速

不能直接讀平均流速不能測定含有固體雜質的流體測速管的尺寸不可過大，一般測速管直徑不應超過管道直徑的1/15。測速管安裝時，必須保證安裝點位于充分發(fā)展流段，一般測量點的上、下游最好各有50d以上的直管段作為穩(wěn)定段。測速管管口截面要嚴格垂直于流動方向。4、測速管使用：二、孔板流量計1、結構由在管道中安裝一片中央帶有圓孔的孔板構成?？装辶髁坑嫈底謮翰钣嫲惭b在管路上的孔板流量計

縮脈：流體截面的最小處（2-2），u最大，p最低；管道中流體的流量愈大，在孔板前后產生的壓差ΔP=P1-P2

也越大，流量與ΔP呈互為對應的關系，只要用差壓計測出孔板前后的壓差ΔP，就能確定流量

。2、測量原理流量方程式忽略1-1，2-2截面間的能量損失

∵1）縮脈的具體位置無法確定，用開孔面積A0代替A22）兩截面間的阻力損失存在。其中：C0=f（取壓方式、直徑比m、Re、ε/d）查圖，采用試差法，確定α。流量系數對于氣體和蒸氣，考慮流體流經孔板時由于壓力降低引起的氣體體積的增大εｋ：氣體膨脹系數，是壓差比、絕熱指數κ、面積比A0/A1的函數；可查。3、特點可測氣體及液體流量，簡單方便，阻力較大，是變壓降（變阻力）流量計。4、安裝上下游需要一段內徑不變的直徑作為穩(wěn)定段，上游長度至少為管徑的５０倍，下游長度為管徑的１０倍。5、文丘里流量計用漸縮漸擴管代替阻力大的孔板，減少流體流經孔板時的能量損失。Cv值一般為0.98～0.99

優(yōu)點：能量損失小。各部分尺寸要求嚴格，加工復雜，造價較高。比托管，孔板、文丘里流量計：恒截面變壓差（變阻力）流量計，人為設置阻力構件，造成局部阻力（壓降），利用能量守恒原理及連續(xù)性方程關聯壓降與流速、流量的關系。三、轉子流量計1、結構

上粗下細的錐形玻璃管（錐角約在4°左右）；固體轉子（或稱浮子）；流體自玻璃管底部流入，經過轉子和管壁之間的環(huán)隙，再從頂部流出。轉子受力平衡時：轉子最大直徑處的截面積轉子體積轉子密度流體密度2、原理根據連續(xù)性方程及機械能衡算方程，

AR—環(huán)隙的截面積

CR—轉子的流量系數（由實驗測定）3、特點變截面流量計恒壓降式，可測量非渾濁液體及氣體流量，能量損失小，結構簡單，可直接讀流量，測量范圍較寬，玻璃制品，不耐高壓。4、流量計的刻度換算出廠前刻度標定：20℃水，或20℃，1atm空氣其它條件使用，需換算5、安裝應嚴格保持垂直6、讀數讀轉子最大截面處的刻度。流體輸送機械1、流體輸送機械：為流體提供能量的機械。2、分類：按輸送的流體分類

輸送液體：泵輸送氣體：風機、壓縮機按工作原理分類

離心式、往復式、旋轉式及流體動力作用式。3、重點：

流體輸送機械的作用原理、基本構造與性能及有關計算，以達到能正確選擇和使用的目的。1.7離心泵特點：適用于不同種類液體的輸送，輸送流量大、適用范圍廣、結構簡單、體積小、質量輕、操作平穩(wěn)、維修方便。一、離心泵工作原理1、結構泵殼泵軸葉輪葉片吸入管排出管底閥2、工作原理啟動前，泵殼內灌滿液體啟動后，泵軸帶動葉輪旋轉，葉片間的液體隨葉輪一起旋轉，液體從葉輪中心進口處被甩到葉輪外圍，蝸殼截面逐漸擴大，大部分動能轉變?yōu)殪o壓能，液體以較高的壓力輸送出去。葉輪中心液體被甩出后，泵殼的吸入口形成一定的真空，利用大氣壓和真空度之間的壓力差，把液體壓入。3、注意防止氣縛現象

氣縛：若離心泵在啟動前未充滿液體，泵殼內存在空氣，由于空氣密度小，所產生的離心力很小，在吸入口所形成的真空不足以將液體吸入泵內，雖啟動泵，不能輸送液體。

措施：啟動前泵內必須灌滿液體。二、離心泵的主要部件（一）葉輪按結構分類：開式葉輪：無蓋板，適于輸送含較多固體的懸浮液半開式葉輪：無前蓋板有后蓋板，適于輸送含較多固體顆粒和雜質的液體閉式葉輪：有前后蓋板，流道是封閉的，適用于高揚程，輸送潔凈的液體。（二）泵殼

收集和導出液體，實現能量轉換。

(三)軸封裝置三、離心泵的主要性能參數

1、主要性能參數：流量、壓頭（揚程）、軸功率、效率、轉速、汽蝕余量2、流量Q

單位時間內泵輸送的液體體積。

單位：m3/s、m3/min、m3/h3、壓頭H（揚程）

定義：單位重量液體流經泵后所獲得的能量單位：Ｊ／Ｎ、m影響因素：泵的結構（如葉輪直徑的大小，葉片的彎曲情況等）、轉速及流量理論壓頭----理想情況下單位重量液體所獲得的能量稱為理論壓頭，用H表示。實際壓頭H實際壓頭比理論壓頭要小。壓頭的確定（實驗法）pM—壓力表讀數（表壓），N/m2；pV

—真空表讀數（負表壓值），N/m2；u1、u2—吸入管、壓出管中液體的流速，m/s；ΣHf—兩截面間的壓頭損失，m。由于兩截面之間管路很短，壓頭損失∑Hf可忽略不計4、功率

有效功率Ne：單位時間內液體從泵中葉輪所獲得的有效能量。

軸功率N：電動機傳給泵軸的功率式中Ne—泵的有效功率，W；

Q—泵的流量，m3/s；

H—泵的壓頭，m

；

ρ—液體的密度，kg/m3；

g—重力加速度，m/s2

5、效率η

反映液體在泵內流動過程中的各種能量損失。水力損失、容積損失、機械損失水力損失ηh

：實際流體在葉片間和泵殼通道內流動將損失一部分機械能容積損失ηv

：泵內部分高壓液體泄漏到低壓區(qū)，使排出的液體流量小于流經葉輪的流量，造成功率損失機械損失ηm

：泵軸與軸承之間的摩擦，泵軸密封處的摩擦等造成的功率損失四、離心泵的特性曲線1、特性曲線

H、N、η與Q之間的關系曲線通常指額定轉數和1工程大氣壓（10mH2O），20℃清水，產品樣本中常附有。H~Q曲線：Q↑，H↓N~Q曲線：Q↑，N↑；關閥啟動（Q=0），保護電機，停泵時先關出口閥以防止高壓液體倒流損壞葉輪。η~Q曲線：存在效率最高點，為泵的設計工作點取最高效率以下7%范圍內為高效區(qū)。離心泵最高效率點為額定點，對應的流量為額定流量。泵在銘牌上所標明的是最高效率下的流量，壓頭和功率；離心泵產品目錄和說明書上常常注明最高效率區(qū)的流量、壓頭和功率的范圍等。1）、液體黏度和密度的影響密度影響：

Q與ρ無關

H與ρ無關；η與ρ無關

N∝ρ2離心泵性能曲線的影響因素，N~Q曲線上移。黏度的影響：

μ↑→u↓，Q↓

μ↑→流體的流動摩擦損失↑，H↓μ↑→葉輪的蓋板與流體間的摩擦損失↑→N↑→η↓實驗表明，當<20倍清水的黏度（20℃

）時，對特性曲線的影響很小，可忽略不計。2）、離心泵轉速對特性曲線的影響當效率不變時比例定律當泵的轉速變化小于20%時，效率基本不變

3）、葉輪直徑對特性曲線的影響當外徑D的減小量＜5﹪，泵的效率不變切割定律

五、離心泵的工作點與流量調節(jié)1、管路特性曲線

1-1、2-2截面間的伯努利方程與Q無關，令為H0對于特定的管路系統(tǒng)，l、le、d為定值，湍流時摩擦系數λ的變化也很小令k：管路特性系數，與管路長度、管徑、摩擦系數、局部阻力系數有關k大：高阻力管路k?。旱妥枇苈?、工作點工作點（dutypoint）：流量Q與壓頭Ｈ，既是管路系統(tǒng)所要求，又是離心泵所能提供的；若該點所對應效率在最高效率區(qū)，則該工作點是適宜的。3、流量調節(jié)

通過改變管路特性曲線或泵的特性曲線，改變工作點，調節(jié)流量。改變管路特性曲線——調節(jié)閥門開度：關小或開大閥門，增大或減小管路阻力，改變管路特性曲線。特點：閥門調節(jié)方便，廣泛被采用；關小閥門使阻力增加，消耗更多能量以克服阻力，不經濟。

改變泵的特性曲線改變泵的轉速：沒有節(jié)流引起的附加能量損失，比較經濟；用變頻器等設備可實現轉速的無級調節(jié)，克服了以往轉速難以連續(xù)調節(jié)的缺點，使其應用前景廣泛。切割葉輪直徑

減少葉輪直徑，使泵的流量變小并降低能耗，但可調節(jié)范圍不大，難以做到流量的連續(xù)調節(jié)，且直徑減小不當還會降低泵的效率，實際生產中很少采用。

離心泵的并聯操作

當一臺泵的流量不夠時，可以用兩臺泵并聯操作，以增大流量。特點：使低阻力管路系統(tǒng)的流量增加較多，高阻力管路系統(tǒng)流量增加較少。

當生產上需要提高泵的壓頭時，可以將泵串聯使用。

離心泵的串聯操作串聯操作較適用于高阻管路。

六、離心泵的汽蝕現象與安裝高度1、汽蝕現象

當葉輪入口最低壓力p1降到液體在該處溫度下的飽和蒸汽壓pv時，液體將有部分汽化，小汽泡隨液體流到葉輪內壓力高于pv區(qū)域，小汽泡會突然破裂，其中的蒸氣會迅速凝結，周圍的液體將以高速沖向剛消失的汽泡中心，造成很高的局部沖擊壓力，沖擊葉輪，發(fā)生噪音，引起震動。金屬表面受到壓力大、頻率高的沖擊而剝蝕，使葉輪表面呈現海綿狀的破壞，這種現象稱為“汽蝕”（Cavitation）。

低壓區(qū)→產生氣泡→高壓區(qū)→氣泡破裂→產生局部真空→水力沖擊→發(fā)生振動、噪音，對部件產生麻點、蜂窩狀的破壞現象。葉片表面產生蜂窩狀腐蝕；泵體震動，并發(fā)出噪音（600~25000Hz）；流量、壓頭、效率都明顯下降；嚴重時甚至吸不上液體。為避免汽蝕的發(fā)生，泵的安裝高度不能太高。汽蝕的危害：1）汽蝕余量

NPSH（netpostivesuctionhead)：凈正吸入壓頭2、汽蝕余量2）臨界汽蝕余量(NPSH)c

發(fā)生汽蝕的臨界條件：葉輪入口處附近的最低壓強等于液體的飽和蒸汽壓Pv，泵入口處的壓強必等于某確定的最小值P1，min

在泵入口處1和葉輪入口處附近K截面列柏努利方程

(NPSH)c=實驗測定：用20℃清水測定。以泵的揚程較正常值下降3%作為發(fā)生汽蝕的標志，測定泵剛好發(fā)生汽蝕時的p1即可。理論計算：3）必須汽蝕余量(NPSH)r(NPSH)r=(NPSH)c+0.3m3、離心泵的允許安裝高度1）安裝高度Hg：在吸液池液面a-a’截面和進口管路上的1-1截面間列柏努利方程2）最大安裝高度Hg,max

3）允許安裝高度

規(guī)定：實際汽蝕余量比還要大0.5m以上，即泵的實際安裝高度Hg比低0.5m。

4、允許吸上真空高度HsHs：泵入口處壓力P1可允許達到的最高真空度七、離心泵的種類、型號、選用及操作1、離心泵的類型清水泵、耐腐蝕泵、油泵、雜質泵1）清水泵：用于工業(yè)生產，輸送物理、化學性質與清水類似的液體。泵的標準

IS

50-32-250

國際標準單級單吸清水離心泵泵的吸入口直徑，mm泵排出口直徑，mm泵葉輪的名義尺寸，mm2）耐腐蝕泵

輸送酸、堿、鹽等腐蝕性液體時，需用耐腐蝕泵。

F單級單吸式離心泵使用較多，近年來已推出許多新產品。3）油泵對密封性要求高，以免易燃液體泄漏。

Y型油泵使用較多。4）液下泵

葉輪由加長的泵軸伸入到液體貯槽內，軸封要求不高、可用于輸送化工過程中各種腐蝕性液體。液下泵的型號有“FY”。5）屏蔽泵無密封泵，葉輪與電機連為一體，密封在泵殼內，無需軸封裝置，可用于輸送易燃易爆、劇毒等液體，效率較低。2、選擇步驟：確定所需的壓頭，功率根據具體的管路布置條件和工藝規(guī)定的流量計算出壓頭，功率。確定離心泵的類型及型號根據輸送液體的性質，選擇合適類型的離心泵。根據所需的壓頭，流量，功率選擇滿足要求的型號。校核型號確定后，通過計算校核所選的泵是否滿足要求。1.8其他類型泵一、往復泵原理：利用活塞的往復運動，將能量傳遞給液體，以完成液體輸送任務。特點：輸送流體的流量只與活塞的位移有關，與管路無關；壓頭只與管路情況有關，具有這種特性的泵稱為正位移泵。使用：適于壓力高、流量小、黏度大的液體輸送。1、往復泵的工作原理活塞運動左→右：泵內形成低壓，排出閥受壓而關閉，吸入閥被泵外液體的壓力推開，將液體吸入；右→左：泵內液體壓力增大，吸入閥受壓而關閉，排出閥開啟，液體被排出。死點：活塞左右移動的頂點沖程：兩死點之間的活塞行程（活塞運動的距離）2、往復泵的類型1）單動泵：間歇排液，流量不均勻2）雙動泵3）三聯泵3、往復泵的輸液量和流量調節(jié)1）理論流量QT：單動泵QT=ASnr/60雙動泵QT=(2A-a)Snr/60

A—活塞面積，m2；D—活塞直徑，m；

S—活塞的種程，m；n—活塞往復的次數，1/mina—活塞桿截面積，m22）實際流量Q

由于吸入閥和排出閥啟、閉滯后的漏液，填料處漏液，實際流量小于理論流量。

ηV：容積效率4、往復泵的特性曲線和工作點

QT=常數5、流量調節(jié)

旁路調節(jié)改變電機轉速121-旁路閥2-安全閥與離心泵比較：-----具有自吸能力，不必灌液

----安裝高度也受限制，但無汽蝕現象啟動前是否需要灌液？安裝高度是否有限制？流量Q與壓頭H關系？-----流量與壓頭幾乎無關

與離心泵比較：輸液量均勻性？連續(xù)性？流量調節(jié)方法？----輸液量不均勻、不連續(xù)

----流量調節(jié)不可用出口閥門調節(jié)方法。

適用于小流量、高壓頭的情況下輸送高粘度的液體。效率高，通常為7293%。離心泵應用范圍最廣。特別適用于化工生產的原因是它的流量均勻而易于調節(jié)，又能輸送有腐蝕性、含懸浮物的液體。往復泵往復泵只宜在壓頭高、流量也較大的情況下使用。與離心泵比較：二、齒輪泵1）結構：主動輪：由電機帶動從動輪：與主動輪相嚙合而轉動2）原理：在泵的吸入口，兩齒輪的齒向兩側撥開，形成了低壓區(qū)而將液體吸入，齒輪旋轉時，液體分為兩路沿泵內壁，被齒輪嵌住，隨齒輪轉動到達排出空間，在排出端兩齒輪的齒相互合攏，形成高壓區(qū)將液體排出。3）使用：可產生很高的壓頭，流量較小，適宜于輸送粘稠液體，但不能輸送含固體顆粒的懸浮液。齒輪泵三、螺桿泵

1）結構：螺桿泵主要有泵殼和螺桿構成，2）原理：螺桿在具有內螺紋的泵殼中偏心轉動，將液體沿軸向推進，由排出口排出。3）使用：壓頭高、效率高、噪音低，適用于輸送高粘度液體。

1-吸入口2-螺桿3-泵殼

4-壓出口四、旋渦泵特殊類型的離心泵1）結構：由葉輪和泵殼組成，葉輪是一個四周銑有凹槽的圓盤，凹槽構成輻射狀的葉片，2）原理：葉輪旋轉時，泵內液體隨之旋轉，在流道和葉片間反復運動并獲得能量，間壁和葉輪的縫隙很小，泵的吸入口和排出口由與葉輪間隙很小的間壁分開。3）使用：啟動前要灌泵。1-葉輪2-葉片3-泵殼4-流道5-間壁

五、軸流泵1）結構：轉軸、螺旋槳行葉片2）原理：軸流泵通過液體對葉片作繞流運動后在葉輪兩側所形成的壓差提供壓頭。3）使用：提供給液體的壓頭較小，但是輸送量很大，適用于大流量、低壓頭的液體的輸送。軸流泵1-吸入室2-葉片3-導葉4-泵體5-出水彎管1.9氣體輸送機械1、壓縮比壓縮比=氣體排出壓力/吸入壓力（絕對壓力）2、分類