第1章 流体流动与输送-2

1、1 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、 机械能衡算式机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去解决 实际工作中常遇到的流体管路输送的设计问题和实际工作中常遇到的流体管路输送的设计问题和 操作计算。操作计算。 u1A1 = u2A2 21 2 22 2 2 11 1 22 fe h g u g p zH g u g p z flf hhh 21 2 (1)(1)已知管道尺寸、管件和流量，计算流体通过管已知管道尺寸、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

2、设备的路系统的阻力损失；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；功率、系统内的压强及设备间的相对位置； (2)(2)已知流量、管长、所需管件和允许压强降，计已知流量、管长、所需管件和允许压强降，计 算管路直径；算管路直径； (3)(3)已知管道尺寸、管件设置和允许的阻力损失，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。求算管道中流体的流速或流量。 fe h g u g p zH g u g p z 22 2 22 2 2 11 1 3 1.5.11.5.1简单管路简单管路 流体由入口至出口是在一条管路中流动的，整流体由入口至出口是在一条管路中流

3、动的，整 条管路可以由内径相同的管子组成，也可以由几种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。但不出现流体分支或汇合情内径不同的管子组成。但不出现流体分支或汇合情 况。这种管路也称为串联管路。况。这种管路也称为串联管路。 管路 简单管路 复杂管路 4 例例: :将水从水塔引至车间，管路为将水从水塔引至车间，管路为108mm108mm4mm4mm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 （包括管件及阀门的当量长度，但不包括进、出口（包括管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

4、高于排出口损失）。水塔内水面维持恒定，并高于排出口14m 14m 。 水温为水温为2020时，求此管路的输水量？时，求此管路的输水量？ 5 21 2 2 2 2 1 2 1 1 22 f h g p g u Z g p g u Z 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： z1 = 14m，z2= 0，u1= 0，u2= u，p1= p2 22 200 ()(0.5) 20.102 e f ll uu h dgg 6

5、2 9.81 14274.7 200 20001.5 1.5 0.10 u 试差法试差法u Re d 7 1.5.21.5.2复杂管路的计算复杂管路的计算 C B O A C A B B A 2 1 (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 复杂管路的特点复杂管路的特点 (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

6、的流 量分配。量分配。 qV,O=qV,BqV,C hO=hBhf,OB=hChf,OC 8 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，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；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在已确定的输送条件下，求算输送设备的功率 9 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两塔中。两塔中。 从贮槽送到泵出口处，分为两支，送至从贮槽送到泵出口处，分为两支，送至A A塔顶部流量最大塔顶部

7、流量最大 为为16200 kgh16200 kgh 1 1，塔内表压强为 ，塔内表压强为9.819.8110105 5 Pa Pa，另一支，另一支 送到送到B B塔中部，最大流量为塔中部，最大流量为8100 kgh8100 kgh 1 1，塔内表压强为 ，塔内表压强为 1.181.1810106 6 Pa Pa。贮槽内液面维持恒定，液面上方压强为。贮槽内液面维持恒定，液面上方压强为 4.94.910104 4 Pa Pa（表压）。已知：当管路上阀门全开，且流（表压）。已知：当管路上阀门全开，且流 量达到规定的最大值时，油品流经各段管路的阻力损失量达到规定的最大值时，油品流经各段管路的阻力损失

8、分别是：由截面分别是：由截面1-11-1至至2-22-2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，由截面油品柱，由截面2-22-2至至4-44-4为为5m 5m 油品柱。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本题附图中所示。油品的密度为面地面的垂直距离如本题附图中所示。油品的密度为810 810 kg mkg m 3 3。求该条件下泵的有效功率。 。求该条件下泵的有效功率。 10 11 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。测量流

9、量的仪器称为流量计。 流量计 容积式流量计 推理式流量计 湿式流量计 盘式流量计 椭圆齿轮流量计 节流式流量计 差压式流量计 面积式流量计 孔板流量计 文丘里流量计 转子流量计 12 1.6.11.6.1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连接孔板前后测压孔的U U形压差计组成。形压差计组成。 构造构造 13 工作原理工作原理 22 2 22 2 11 upup 21 2 1 2 2 2 ppuu 1 2 21 A A uu

10、)pp( ) A A ( u 21 2 1 2 2 2 1 1 )pp( ) A A ( C u 21 2 1 0 0 2 1 )pp( Cu 21 00 2 )(2 00 i Rg Cu )(Rg CAq i V 2 00 )( iba RgPP 14 )(Rg CAq i V 2 00 流量系数和孔流系数流量系数和孔流系数, ,由实验测得由实验测得 C0主要取决于管道流动的主要取决于管道流动的Re, , 面积比面积比A0/A1， 测压方式，孔口形状，加工光洁度，孔板测压方式，孔口形状，加工光洁度，孔板 厚度和管臂粗糙度等。厚度和管臂粗糙度等。 C0 = 0.6 0.7 15 孔板流量计特点

11、孔板流量计特点 结构简单，制造方结构简单，制造方 便，易于安装，孔便，易于安装，孔 板方便更换。板方便更换。 流体流过孔板后能流体流过孔板后能 量损失较大，并随量损失较大，并随 A0/A1减小而增大。减小而增大。 16 1.6.21.6.2文丘里（文丘里（VenturiVenturi）流量计）流量计 文丘里流量计结构图文丘里流量计结构图 )(Rg ACq i VV 2 0 0.980.99 17 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 gVgVApp ffff )( 21 f ff A )(gV

12、pp )( 21 )pp( ACq RRV 21 2 f f RRV A ACq )(2gv f 18 转子流量计在出厂时一般是用转子流量计在出厂时一般是用2020水或水或20 20 100kPa100kPa的空气进行标定刻度的。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。由于在同一刻度下校正。由于在同一刻度下A A f f相同，则 相同，则 )( )( 12 21 2, 1 , f f V V q q 上式中下标上式中下标1 1表示出厂

13、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。 19 读取流量方便，测量范围宽，能量损失读取流量方便，测量范围宽，能量损失 很小，且能用于腐蚀性液体的测量。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，故不能但由于测量管大多为玻璃制成，故不能 承受高温和高压。承受高温和高压。 在安装时应注意必须保持垂直。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 20 1.7 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对流体做

14、功以提高流体机械 能的装置。能的装置。 输送液体的机械通称为输送液体的机械通称为泵泵；输送气体的机；输送气体的机 械称为械称为风机风机（通风机、鼓风机）。（通风机、鼓风机）。 本节以离心泵为代表，讨论其本节以离心泵为代表，讨论其工作原理工作原理、 基本结构基本结构及及性能性能，并计算其，并计算其功率消耗功率消耗。 21 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.单项底阀；单项底阀；7.7.滤网；滤网；8.8. 排

15、出口排出口 9.9.排出管；排出管；10.10. 调节阀调节阀 液体在泵内的流动液体在泵内的流动 离心泵装置简图离心泵装置简图 22 气缚：泵壳和吸入管路内没有充满液体，泵内气缚：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。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，这种现象称为能输送液体，这种现象称为“气

16、缚气缚”。 为防止启动前泵内及吸入管内的液体泄漏，常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。塞管道及泵壳，从而影响泵的正常操作。 液体密度叶轮转速，叶轮尺寸， 离心力 F 23 1.7.21.7.2离心泵的主要性能参数离心泵的主要性能参数 流量：离心泵的流量是指单位时间内泵输送液流量：离心泵的流量是指单位时间内泵输送液 体的体积。代表泵的送液能力，用符号体的体积。代表泵的送液能力，用符号q qv

17、 v表示表示, , 单位为单位为m m3 3ss 1 1或 或m m3 3hh 1 1。 。 扬程：泵的扬程又称为泵压头，指每重力单位，扬程：泵的扬程又称为泵压头，指每重力单位， 即即1 1牛顿的液体经泵所获得的能量，以符号牛顿的液体经泵所获得的能量，以符号H He e表表 示，单位为示，单位为m m液柱。液柱。 fe h g pp g uu hH 12 2 1 2 2 0 2 24 21 12 2 1 2 2 0 2 fe h g pp g uu hH 21 2 2 2 2 1 2 1 1 22 f h g p g u ZHe g p g u Z g pp hH e 12 0 25 功率和效

18、率功率和效率 e P P gqHP vee 能能量量损损失失 泵泵内内液液体体泄泄露露容容积积损损失失 水水力力损损失失 液液体体流流经经叶叶轮轮，泵泵壳壳因因流流速速、方方 向向改改变变且且发发生生冲冲击击 机机械械损损失失 泵泵轴轴与与轴轴承承和和轴轴封封间间机机械械摩摩擦擦 26 1.7.31.7.3离心泵的特性曲线离心泵的特性曲线 27 1.7.41.7.4离心泵的汽蚀现象和安装高度离心泵的汽蚀现象和安装高度 汽蚀现象汽蚀现象 28 离心泵在运转时，离心泵入口的静压强低于外界的离心泵在运转时，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。当离心压强，液体才能源源不

19、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（几万高的压强（几万kPakPa）。在压力很大频率很高（每）。在压力很大频率很高（每 分钟几万次）的流体质点的连续打

20、击下，叶轮表面分钟几万次）的流体质点的连续打击下，叶轮表面 会逐渐损坏，这种现象称为汽蚀现象。会逐渐损坏，这种现象称为汽蚀现象。 气蚀会使泵的性能降低，流量、扬程和效率大大下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。降。缩短泵的使用寿命，以至于不能正常工作。 29 为避免发生汽蚀现象，离心泵叶轮入口处为避免发生汽蚀现象，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和蒸气压，这就要求根据泵的性能确定泵 的安装高度。的安装高度。 离心泵的安装高度离心泵的安装高度HgHg

21、是根据允许吸上真空是根据允许吸上真空 高度高度H HS S来确定的。来确定的。 30 10 2 110 2 ,fg h g u g pp H 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。 10 2 1 2 ,h g u Hs f 允许吸上真空高度：泵入口允许吸上真空高度：泵入口 处绝对压强为处绝对压强为p p1 1时可允许达时可允许达 到的最大真空度到的最大真空度 31 离心泵说明书或铭牌上所给出的允许吸上真空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高度一般是生产厂以2020清水，在清水，在98.1kPa98.1