炼油化工课件

1、炼油化工课件1/426 目录第一章 流体流动第二章 流体输送机械第三章 非均相系分离第七章 萃取第八章 干燥2/426 第一章 流体流动3/426把流体视为由无数个流体微团（或流体质点）所组成，这些流体微团紧密接触，彼此没有间隙。这就是连续介质模型。流体微团（或流体质点）： 宏观上足够小，以致于能够将其看成一个几何上没有维度点； 同时微观上足够大，它里面包含着许许多多分子，其行为已经表现出大量分子统计学性质。概述一连续介质模型4/426二 、流体特征 1、流动性,流体不能承受拉力； 2、没有固定形状，形状随容器而变； 3、流体流动外力作用结果； 4、连续性（除高度真空情况）。 5、压缩性 可压

2、缩性流体气体 不可压缩性流体液体5/426三、流体所受到力如重力、离心力等，属于非接触性力。6/426 第一节 流体静力学基本方程式 研究外力作用下平衡规律 一、密度 1.定义：单位体积流体所含有质量。 = m / V kg / m3 流体中某点密度： 2、影响原因：温度和压力（1）液体 认为不可压缩流体，与压力无关，温度升高，密度降低。7/426（2）气体 为可压缩性流体，通常（压力不太高，温度不太低）时可按理想气体处理，不然按真实气体状态方程处理。8/426假设混合后总体积不变，（3）混合物密度 1）液体混合物密度m 取1kg液体，令液体混合物中各组分质量分率分别为: 液体混合物密度计算式

3、9/426 2)气体混合物密度 取1m3 气体为基准,令各组分体积分率为: xvA,xvB,xVn, 其中:混合物中各组分质量为：当V总=1m3时，若混合前后, 气体质量不变， 当V总=1m3时, 气体混合物密度计算式理想气体混合物密度计算式10/426在数值上:3.与密度相关几个物理量 1）比容：单位质量流体所含有体积，用表示， 单位为m3/kg。 2）比重(相对密度)：某物质密度与4下水密度比 值，用 d 表示。11/426二、流体静压强 SI制单位：N/m2，即Pa。其它惯用单位有： atm（标准大气压）、工程大气压 kgf/cm2、bar；流体柱高度（mmH2O，mmHg 等）。 1、

4、压强定义 流体单位表面积上所受压力，称为流体静压强，简称压强。或12/426换算关系为：2、压强表示方法 1）绝对压强（绝压）： 流体体系真实压强称为绝对压强。 2）表压 强（表压）：压力上读取压强值称为表压。 3）真空度：真空表读数 13/426绝对压表压真空度绝对零压大气压实测压力实测压力绝压（余压）绝对压强、真空度、表压强关系为 表压绝对压-大气压 真空度大气压 - 绝对压14/426三、流体静力学基本方程1、流体静力学方程推导15/426流体静力学方程16/4262、静力学方程讨论1.流体某一深处压力与深度和密度相关。2.液面上方流体压力改变，液体内部压力伴随改变且改变值相同（巴斯葛定

5、律）。3.静止、连续同一流体内、同一水平面处各点压力相等。( 等压面 )4.压力或压差可用液柱高度表示。 H =（P2 - P0）/ g17/4263、流体静力学基本方程应用 P1 P2（1）压力测定 U型管压差计 A-A为等压面PA=PAPA= P1+ g ( H+R )PA=P2+ g R+ gH P1 - P2= R g (- )如测量气体 0 P1 - P2= R g 一臂通大气?18/426微差压差计 放大读数 P1 P2 a R b 特点：（1）内装两种密度相近且不互溶指示剂；（2）U型管两臂各装扩大室（水库）。 P1-P2=（a- b）Rg19/426倾斜液柱压差计R= R1 s

6、in 20/426(2) 液位测定 液位计原理遵照静止液体内部压强改变规律,是静力学基本方程一个应用。 液柱压差计测量液位方法： 由压差计指示液读数R能够计算出容器内液面高度。 当R0时，容器内液面高度将到达允许最大高度，容器内液面愈低，压差计读数R越大。21/426远距离控制液位方法： 压缩氮气自管口经调整阀通入，调节气体流量使气流速度极小，只要在鼓泡观察室内看出有气泡迟缓逸出即可。 压差计读数R大小，反应出贮罐内液面高度 。 AB22/426(3) 液封高度计算 液封作用： 若设备内要求气体压力不超出某种程度时，液封作用 就是： 当气体压力超出这个程度时，气体冲破液封流出，又称为安全性液封

7、。 若设备内为负压操作，其作用是： 液封需有一定液位，其高度确实定就是依据流体静力学基本方程式。23/426pR气体Rp真空表气气水R液封 24/426第二节 流体在管内流动一、流量与流速 体积流速质量流速流速点速度，单位：m/s-关系：smVskgm3表示，体积流量，用表示，质量流量，用流量v，单位m/s25/426二稳定流动与不稳定流动 流动参数都不随时间而改变，就称这种流动为稳定流动。不然就称为不稳定流动。 对于圆形管道26/426三、连续性方程 m1 = m2 m =V = uA u1 A1 1= u2 A2 2=常数 对于不可压缩性流体,密度可视为不变 u1 A1= u2 A2 -连

8、续性方程 圆形管道 ： u1 /u2 = (d2/d1)2衡算范围：取管内壁截面1-1与截面2-2间管段。衡算基准：1s对于连续稳定系统： 112227/426四、能量衡算方程式1、流体流动总能量衡算 1）流体本身含有能量 物质内部能量总和称为内能。 单位质量流体内能以 U 表示，单位J/kg。内能：位能：流体因处于重力场内而含有能量。质量为m流体位能 单位质量流体位能 )/(kgJgZ= 流体以一定流速流动而含有能量。 动能：质量为m，流速为u流体所含有动能 单位质量流体所含有动能 28/426静压能（流动功） 将流体压入流体某截面反抗前方流体压力所做功。静压能 =力距离单位质量流体所含有静

9、压能 单位质量流体本身所含有总能量为 ：29/4262）系统与外界交换能量热： 单位质量流体经过划定体积过程中所吸热为：qe (J/kg)； 质量为m流体所吸热= mqe (J)。 当流体吸热时qe为正，流体放热时qe为负。 功： 单位质量经过划定体积过程中接收功为：We(J/kg) 质量为m流体所接收功= mWe(J)流体接收外功时，We为正，向外界做功时, We为负。 流体本身所含有能量和热、功就是流动系统总能量。30/4263）总能量衡算 衡算范围：截面 1 和截面 2 间管道和设备。 衡算基准：1kg流体。 设 1 截面流体流速为u1，压强为P1，截面积为A1，比容为1； 截面 2 流

10、体流速为u2，压强为P2，截面积为A2，比容为v2。 取 o 为基准水平面，截面 1 和截面 2 中心与基准水平面距离为Z1，Z2。0Z112Z231/426对于定态流动系统：输入能量=输出能量稳定流动过程总能量衡算式 输入能量 输出能量 32/4262、流动系统机械能衡算式柏努利方程1）流动系统机械能衡算式流体与环境所交换热 阻力损失 33/426代入上式得： 流体稳定流动过程中机械能衡算式 2）柏努利方程（Bernalli） 当流体不可压缩时， 34/426代入：对于理想流体，当没有外功加入时 We=0 柏努利方程 35/4263. 柏努利方程讨论1）柏努利方程表示理想流体在管道内作稳定流

11、动,无外加能量,在任一截面上单位质量流体所含有位能、动能、静压能（称为机械能）之和为常数，称为总机械能，各种形式机械能可相互转换。2）各项机械能单位皆为J/kg。3）当（P1-P2）/ P2 20%,密度用平均值,不稳定系统瞬间亦可用。4）流体静止,此方程即为静力学方程;36/426 5）柏努利方程不一样形式 a) 若以单位重量流体为衡算基准 位压头，动压头，静压头、 压头损失 He：输送设备对流体所提供有效压头 mb) 若以单位体积流体为衡算基准pa37/4266）对于可压缩流体流动，当所取系统两截面之间绝对压强改变小于原来压强20%，仍可使用柏努利方程。 式中流体密度应以两截面之间流体平均

12、密度m代替 。38/42639/4264.柏努利方程应用确定管道中流体流量(流速)；确定输送设备有效功率；确定容器间相对位置；确定管路中流体压强。40/4262）截面截取 两截面都应与流动方向垂直，而且两截面流体必须是连续，所求得未知量应在两截面或两截面之间，截面相关物理量 Z、u、p 等除了所求物理量之外 ，都必须是已知或者能够经过其它关系式计算出来。（1）应用柏努利方程注意事项 1）作图并确定衡算范围 依据题意画出流动系统示意图，并指明流体流动方向，定出上下截面，以明确流动系统衡标范围。 41/4263）基准水平面选取 基准水平面位置能够任意选取，但必须与地面平行，为了计算方便，通常取基准

13、水平面经过衡算范围两个截面中任意一个截面。如衡算范围为水平管道，则基准水平面经过管道中心线，Z=0。4）单位必须一致 在应用柏努利方程之前，应把相关物理量换算成一致单位，然后进行计算。两截面压强除要求单位一致外，还要求表示方法一致。42/426（2）柏努利方程应用1）确定流体流量例：20空气在直径为 80 mm水平管流过，现于管路中接一文丘里管，如本题附图所表示，文丘里管上游接一水银U管压差计，在直径为 20 mm喉径处接一细管，其下部插入水槽中。空气流入文丘里管能量损失可忽略不计，当U管压差计读数 R=25mm，h=0.5m时，试求此时空气流量为多少 m3/h? 当地大气压强为 101.33

14、103Pa。43/426求流量Vh已知d求u任取一截面柏努利方程判断能否应用？直管气体分析：44/426解：取测压处及喉颈分别为截面1-1和截面2-2 截面1-1处压强 ：流经截面1-1与2-2压强改变为： 截面2-2处压强为 ：)3335101330()490510330()3335101330(121+-+-=-PPP45/426 在截面1-1和2-2之间列柏努利方程式。以管道中心线作基准水平面。 因为两截面无外功加入，We=0。 能量损失可忽略不计hf=0。 柏努利方程式可写为： 式中： Z1=Z2=0 P1=3335Pa（表压） ，P2= - 4905Pa（表压 ） 46/426化简得

15、： 由连续性方程有： 47/426联立(a)、(b)两式48/426 2）确定容器间相对位置 例：如本题附图所表示，密度为850kg/m3料液从高位槽送入塔中，高位槽中液面维持恒定，塔内表压强为9.81103Pa，进料量为5m3/h，连接管直径为382.5mm，料液在连接管内流动时能量损失为30J/kg(不包括出口能量损失)，试求高位槽内液面应为比塔内进料口高出多少？49/426分析： 解： 取高位槽液面为截面1-1，连接管出口内侧为截面2-2,并以截面2-2中心线为基准水平面，在两截面间列柏努利方程式：高位槽、管道出口两截面u、p已知求Z柏努利方程50/426式中： Z2=0 ；Z1=? P

16、1=0(表压) ； P2=9.81103Pa(表压）由连续性方程 We=0 ，u1d51/4263）确定输送设备有效功率 例：如图所表示，用泵将河水打入洗涤塔中，喷淋下来后流入下水道，已知道管道内径均为0.1m，流量为84.82m3/h，水在塔前管路中流动总摩擦损失(从管子口至喷头进入管子阻力忽略不计)为10J/kg，喷头处压强较塔内压强高0.02MPa，水从塔中流到下水道阻力损失可忽略不计，泵效率为65%，求泵所需功率。52/426分析：求NeNe=WeWs/求We柏努利方程P2=?塔内压强整体流动非连续截面选取？53/426 解：取塔内水面为截面3-3，下水道截面为截面4-4，取地平面为基

17、准水平面，在3-3和4-4间列柏努利方程：将已知数据代入柏努利方程式得： 式中：54/426式中 ： 计算塔前管路，取河水表面为1-1截面，喷头内侧为2-2截面，在1-1和2-2截面间列柏努利方程。 55/426将已知数据代入柏努利方程式 泵功率：56/4264) 管道内流体内压强例1：如图，一管路由两部分组成，一部分管内径为40mm，另一部分管内径为80mm，流体为水。在管路中流量为13.57m3/h，两部分管上都有一测压点，测压管之间连一个倒U型管压差计，其间充以一定量空气。若两测压点所在截面间摩擦损失为260mm水柱。求倒U型管压差计中水柱高度R为多少为mm?57/426求R1、2两点间

18、压强差柏努利方程式解：取两测压点处罚别为截面1-1和截面2-2，管道中心线为基准水平面。在截面1-1和截面2-2间列单位重量流体柏努利方程。式中： z1=0， z2=0u已知分析：58/426代入柏努利方程式： 59/426因倒U型管中为空气，若不计空气质量，P3=P4=P 60/426例2：水在本题附图所表示虹吸管内作定态流动，管路直径没有改变，水流经管路能量损失能够忽略不计，计算管内截面2-2 ,3-3 ,4-4和5-5处压强，大气压强为760mmHg，图中所标注尺寸均以mm计。分析：求P求u柏努利方程某截面总机械能理想流体求各截面P2261/426 解：在水槽水面11及管出口内侧截面66

19、间列柏努利方程式，并以66截面为基准水平面式中： P1=P6=0（表压） u10 代入柏努利方程式 2262/426u6=4.43m/s u2=u3=u6=4.43m/s 取截面2-2基准水平面 , z1=3m ，P1=760mmHg=101330Pa对于各截面压强计算，仍以2-2为基准水平面，Z2=0，Z3=3m ，Z4=3.5m，Z5=3m63/426（1）截面2-2压强 （2）截面3-3压强64/426（3）截面4-4 压强（4）截面5-5 压强 从计算结果可见：P2P3P4 ，而P4P5P6，这是因为流体在管内流动时，位能和静压能相互转换结果。 2265/4265）流向判断 在453m

20、m管路上装一文丘里管，文丘里管上游接一压强表，其读数为137.5kPa，管内水流速u1=1.3m/s，文丘里管喉径为10mm，文丘里管喉部一内径为15mm玻璃管，玻璃管下端插入水池中，池内水面到管中心线垂直距离为3m，若将水视为理想流体，试判断池中水能否被吸入管中？若能吸入，再求每小时吸入水量为多少m3/h？66/426分析：判断流向求P？柏努利方程 解：在管路上选1-1和2-2截面，并取3-3截面为基准水平面设支管中水为静止状态。在1-1截面和2-2截面间列柏努利方程： 比较总机械能67/426式中： 68/4262-2截面总机械能为 3-3截面总机械能为 3-3截面总机械能大于2-2截面总

21、机械能，水能被吸入管路中。 求每小时从池中吸入水量 求管中流速u在池面与玻璃管出口内侧间列柏努利方程式： 柏努利方程69/426式中： 代入柏努利方程中 ：70/426 6）不稳定流动系统计算 例：附图所表示开口贮槽内液面与排液管出口间垂直距离hi为 9m,贮槽内径D为3m，排液管内径 d0为0.04m，液体流过该系统时能量损失可按 公式计算，式中 u 为流体在管内流速，试求经4小时后贮槽内液面下降高度。 分析：不稳定流动系统瞬间柏努利方程微分物料衡算71/426解： 在d时间内对系统作物料衡算，设F为瞬间进料率，D为瞬时出料率，dA为在d时间内积累量， FdDddA d时间内，槽内液面下降d

22、h，液体在管内瞬间流速为u，上式变为： 72/426 在瞬时液面1-1与管子出口内侧截面2-2间列柏努利方程式，并以截面2-2为基准水平面，得： 式中： 73/426将（2）式代入（1）式得： 两边积分： 74/426 h=5.62m 经四小时后贮槽内液面下降高度为： 95.62 = 3.38m 75/426第三节 流体流动现象一、牛顿粘性定律与流体粘度 牛顿粘性定律 流体内摩擦力：运动着流体内部相邻两流体层间作 用力。又称为粘滞力或粘性摩擦力。 流体阻力产生依据76/426粘性:流体在流动中产生内摩擦力性质,粘性是能量损失原因。试验： 剪应力：单位面积上内摩擦力，以表示。适合用于u与y成直线

23、关系 77/426牛顿粘性定律式中： 速度梯度，速度沿法线上改变率。 百分比系数，它值随流体不一样而不一样，流体粘性愈大，其值愈大，称为粘性系数或动力粘度，简称粘度。 78/4262、流体粘度 1)物理意义 促使流体流动产生单位速度梯度剪应力。 粘度总是与速度梯度相联络，只有在运动时才显现出来 2)粘度与温度、压强关系 a) 液体粘度随温度升高而减小，压强改变时，液体粘度基本不变。79/426 b)气体粘度随温度升高而增大，随压强增加而增加极少。3）粘度单位 在SI制中： 在物理单位制中， 80/426SI单位制和物理单位制粘度单位换算关系为： 4) 混合物粘度对常压气体混合物： 对于分子不缔

24、合液体混合物 ： 5）运动粘度单位： SI制：m2/s； 物理单位制：cm2/s，用St表示。81/426二、流动类型与雷诺准数1、雷诺试验 2、雷诺数Re雷诺数因次 ：Re是一个没有单位，没有因次纯数 。在计算Re时，一定要注意各个物理量单位必须统一。雷诺准数能够判断流型 82/426流体在圆形直管内流动时： 流体流动类型属于滞流 ；流体流动类型属于湍流； 可能是滞流，也可能是湍流，与外界条件相关。过渡区83/426三、滞流与湍流比较 1、流体内部质点运动方式层流流动时，流体质点沿管轴做有规则平行运动。湍流流动时，流体质点在沿流动方向 运动同时，还做随机脉动。 管道截面上任一点时均速度为：湍

25、流流动是一个时均流动上叠加了一个随机脉动量 。比如，湍流流动中空间某一点瞬时速度可表示为： 湍流特征是出现速度脉动。 84/4262、流体在圆管内速度分布 速度分布：流体在管内流动时截面上各点速度随该点与管中心距离改变关系。 1）圆管内滞流流动速度分布rRl 作用于流体单元左端总压力为：作用于流体单元右端总压力为： 作用于流体单元四面剪应力为： 85/42686/426代入上式得：滞流流动时圆管内速度分布式为抛物线形状（a ）87/426 2）圆管内湍流流动速度分布 410-4Re1.1105时，n=6； 110-5Re3.2106时，n=10 。湍流流动时圆管内速度分布式（b） ab88/4

26、263、滞流和湍流平均速度 经过管截面平均速度就是体积流量与管截面积之比 1）层流时平均速度 流体体积流量为： 滞流时，管截面上速度分布为：89/426积分此式可得 层流时平均速度等于管中心处最大速度二分之一 。90/4262）湍流时平均速度积分上式得：91/4261/7方律 通常碰到情况下，湍流时平均速度大约等于管中心处最大速度0.82倍。 92/4264、滞流和湍流中剪应力滞流流动剪应力 ： 剪应力：单位时间经过单位面积动量，即动量通量。 湍流流动剪应力： ：称为涡流粘度 ，反应湍流流动脉动特征 ，随流动情况及离壁距离而改变。 93/426本质区分 分层流动 质点脉动 圆管内滞流与湍流比较

27、滞流湍流速度分布 平均速度 剪应力 94/426四、边界层概念 1、边界层概念95/4262、边界层形成和发展 96/42697/4263、边界层分离 边界层分离必要条件是：逆压、流体含有粘性这两个原因缺一不可。ADS流线型98/42699/426由此可见： 逆压强梯度轻易造成边界层分离边界层分离造成大量漩涡，大大增加机械能消耗 流体沿着壁面流过时阻力称为摩擦阻力。流道扩大时必造成逆压强梯度因为固体表面形状而造成边界层分离所引发能量损耗称为形体阻力。 粘性流体绕过固体表面阻力为摩擦阻力与形体阻力之和这二者之和又称为局部阻力。 100/426第四节 流体在管内流动阻力 流动阻力产生根源流体含有粘

28、性，流动时存在内部摩擦力. 流动阻力产生条件固定管壁或其它形状固体壁面管路中阻力直管阻力 ：局部阻力： 流体流经一定管径直管时因为流体内摩擦而产生阻力 流体流经管路中管件、阀门及管截面突然扩大及缩小等局部地方所引发阻力。101/426单位质量流体流动时所损失机械能，J/kg。 单位重量流体流动时所损失机械能 ，m。单位体积流体流动时所损失机械能 ，Pa 。是流动阻力引发压强降。注意：与柏努利方程式中两截面间压强差 区分以表示，102/426 表示不是增量，而P中表示增量； 2、普通情况下，P与Pf在数值上不相等；注意：只是一个符号 ；并不是两截面间压强差 1.3、只有当流体在一段既无外功加入、

29、直径又相同水平管 内 流动时， P与压强降Pf在绝对数值上才相等。103/426一、流体在直管中流动阻力 1、计算圆形直管阻力通式 104/426垂直作用于截面1-1上压力 ：垂直作用于截面2-2上压力 ：平行作用于流体表面上摩擦力为 ：105/426圆形直管内能量损失与摩擦应力关系式 与比较，得：2、公式变换 106/426 圆形直管阻力所引发能量损失通式 称为范宁公式。 为无因次系数，称为摩擦因数 。107/4263、管壁粗糙度对摩擦系数影响 化工管路光滑管 粗糙管 玻璃管、黄铜管、塑料管 钢管、铸铁管 管壁粗糙度 绝对粗糙度 相对粗糙度 壁面凸出部分平均高度，以表示 。绝对粗糙度与管道直

30、径比值 即 /d 。108/426层流 湍流109/426 4. 滞流时摩擦损失 哈根-泊谡叶公式 与范宁公式 对比，得： 滞流流动时与Re关系110/4265、湍流时摩擦系数与因次分析法 求 Pf试验研究建立经验关系式方法 基本步骤： 经过初步试验结果和较系统分析，找出影响过程主要原因，也就是找出影响过程各种变量。利用因次分析，将过程影响原因组合成几个无因次数群，以期降低试验工作中需要改变变量数目。 111/426建立过程无因次数群，普通常采取幂函数形式，经过大量试验，回归求取关联式中待定系数。因次分析法 特点：经过因次分析法得到数目较少无因次变量，按无因 次变量组织试验，从而大大降低了试验

31、次数，使试验简便易行。 依据：因次一致性标准和白金汉(Buckinghan)所提出定理。112/426i=n-m 凡是依据基本物理规律导出物理量方程 式中各项因次必定相同，也就是说，物理 量方程式左边因次应与右边因次相同。 湍流时影响阻力损失主要原因有： 管径 d 管长 l 平均速度 u 流体密度 粘度 管壁粗糙度 湍流摩擦系数无因次数群： 因次一致标准 ：定理： 113/426用幂函数表示为：以基本因次质量（M）、长度(L)、 时间(t) 表示各物理量：代入（1）式，得：114/426以b，f，g表示a，c，e，则有：代入（1）式，得：115/426整理，得：所以：式中：数群（4）=变量（7

32、）-基本因次（3）管子长径比； 雷诺数Re；欧拉准数，以Eu表示 。116/4266. 直管内湍流流动阻力损失 湍流流动，取 l/d 指数 b=1 。117/426a)层流区：Re，与Re成直线关系，=64/Re。b)过渡区：Re4000，管内流动随外界条件影响而 出现不一样流型，摩擦系数也因之出现波动。 c)湍流区：Re4000且在图中虚线以下处时，值随Re数 增大而减小。 d)完全湍流区： 图中虚线以上区域，摩擦系数基本上不随Re改变而改变，值近似为常数。 依据范宁公式，若l/d一定，则阻力损失与流速平方成正比，称作阻力平方区 。 1）摩擦因数图 118/4261）摩擦因数图 119/42

33、6120/426121/4262) 值经验关系式 柏拉修斯(Blasius)光滑管公式 适用范围为Re=31031105 7. 非圆形管内摩擦损失 对于圆形管道，流体流径管道截面为:流体润湿周围长度为: d de=4流道截面积/润湿周围长度122/426对于长宽分别为a与b矩形管道：对于一外径为d1内管和一内径为d2外管组成环形通道123/426二、局部阻力损失 因为流体流速或流动方向突然发生改变而产生涡流，从而造成形体阻力。产生边界层分离。124/426小管d,2e=l2ulwf局125/426管出口126/426管出口弯管阀门管入口22u222u2管出口弯管阀门管入口22u222u2管出口

34、弯管阀门管入口22u222u2总结： 管路系统总阻力损失为机械能衡算方程：2-2面取在出口内侧时，wf中应不包含出口阻力损失，但 2-2面取在出口外侧时，wf中应包含出口阻力损失，其大小为 ，但2-2面动能为零。 127/426减小阻力办法： 改进固壁对流动影响： 减小管壁粗糙度，预防或推迟流体与壁面分离。 加极少许添加剂，影响流体运动内部结构。128/426第五节 管路计算管路简单管路 复杂管路 流体从入口到出口是在一条管路中流动，没有出现流体分支或汇合情况串联管路：不一样管径管道连接成管路 存在流体分流或合流管路分支管路、并联管路 一、管路类型和计算方法129/426已经有公式：130/4

35、26惯用三种计算： 1）已知流量和管器尺寸，管件，计算管路系统阻力损失 2） 给定流量、管长、所需管件和允许压降，计算管路直径 3）已知管道尺寸，管件和允许压强降，求管道中流体流速或流量直接计算d、u未知试差法或迭代法 Re无法求无法确定131/426二、简单管路特点： 1、稳定流动，经过各管段质量流量不变，对不 可压缩均质流体，则体积流量不变，即 2、整个管路总摩擦损失为各管段及各局部摩擦损失之和，即 132/426 现将阀门开度减小，试定性分析以下各流动参数：管内流量、阀门前后压力表读数pA、pB、摩擦损失wf（包含出口）怎样改变？ 解：1-1面和2-2面（出口截面外测）间有： 不变不变1

36、33/426134/426设初值求出d、u比较计与初值是否靠近是否修正试差法计算过程135/426三、复杂管路特点并联管路特点： 1）并联管路中各支管能量损失相等。2）主管中流量等于各支管流量之和。3）并联管路中各支管流量关系为：长而细支管经过流量小，短而粗支管则流量大。136/426分支管路特点： 1）单位质量流体在两支管流动终了时总机械能与能量损失之和相等，且等于分支点处总机械能。 2）主管流量等于两支管流量之和(b)分支或汇合管路137/426解：（1）k1关小，则V1 减小。 假设V不变V2、V3不变V变小，故假设不成立假设V变大V2、V3变小V变小，故假设不成立现将支路1上阀门k1关

37、小，则以下流动参数将怎样改变？(1)总管流量V、支管1、2、3流量V1、V2、V3；(2)压力表读数pA、pB。138/426V2、V3变大pA变大、pB变小现将支路1上阀门k1关小，则以下流动参数将怎样改变？(1)总管流量V、支管1、2、3流量V1、V2、V3；(2)压力表读数pA、pB。139/426140/426第六节 流量测量流量计变压头流量计变截面流量计 将流体动压头改变以静压头改变形式表示出来。普通，读数指示由压强差换算而来。如：测速管、孔板流量计和文丘里流量计 流体经过流量计时压力降是固定，流体流量改变时流道截面积发生改变，以保持不一样流速下经过流量计压强降相同。如：转子流量计

38、141/426一、测速管：又称皮托（Pitot）管1、测速管结构和原理p 对于某水平管路，测速管内管A点测得是管口所在位置局部流体动压头与静压头之和，称为冲压头 。B点测得为静压头冲压头与静压头之差142/426 压差计指示数R代表A，B两处压强之差。 若所测流体密度为，U型管压差计内充有密度为指示液，读数为R。测速管测定管内流体基本原理和换算公式 实际使用时c=0.981.00 143/4262、使用皮托管注意事项 1）测速管所测速度是管路内某一点线速度，它能够用于测定流道截面速度分布。 2）普通使用测速管测定管中心速度，然后可依据截面上速度分布规律换算平均速度。 3）测速管应放置于流体均匀

39、流段，且其管口截面严格垂直于流动方向，普通测量点上，下游最好都有50倍直径长直管距离，最少应有812倍直径长直管段。 4）测速管安装于管路中，装置头部和垂直引出部分都将对管道内流体流动产生影响，从而造成测量误差。所以，除选好测点位置，尽可能降低对流动干扰外，普通应选取皮托管直径小于管径1/50。 优点：结构简单、阻力小、使用方便，尤其适合用于测量气体管道内流速。缺点：不能直接测出平均速度，且压差计读数小，常须放大才能读得准确。144/426二、孔板流量计1、结构和原理两种取压方式：(1) 角接法取压口在法兰上； (2) 径接法上游取压口在距孔板1倍管径处，下游取压口在距孔板1/2倍管径处。14

40、5/426 影响两测压点间压力差原因：孔板结构、流速。 测量原理：暂不计摩擦损失，1、2之间有：146/426孔流系数：取决于截面比A0/A1,管内雷诺数Re1,孔口形状及加工精度等。147/426当Re1超出某界限值时，C0不再随Re1而变C0=const，此时流量就与压差计读数平方根成正比，所以，在孔板设计和使用中，希望Re1大于界限值。148/426优点：结构简单，制造和安装都很方便缺点：机械能损失（称之为永久损失）大。安装时应在其上、下游各有一段直管段作为稳定段，上游长度最少应为10d1，下游为5d1 使用注意事项： 孔板缩口愈小，孔口速度愈大，读数就愈大，阻力损失愈大。所以，选择孔板

41、流量计A0/A1值，往往是设计该流量计关键问题。 当d0/d1=0.2时，永久损失约为测得压差90%，惯用d0/d1=0.5情形下，永久损失也有75%。149/426三、文丘里流量计1、结构和原理收缩段锥角通常取1525，扩大段锥角要取得小些，普通为57缺点：加工比孔板复杂，因而造价高，且安装时需占去一定管长位置。优点：其永久损失小，故尤其适合用于低压气体输送。150/426变压头流量计特点是：恒截面，变压头。总结：151/426四、转子流量计1、结构和原理微锥形玻璃管，锥角约为4左右 。转子（或称浮子）,直径略小于玻璃管内径；转子密度须大于被测流体密度。 152/426当转子停留在某一高度时

42、， 将转子近似看为一个圆柱体，则在0-0、1-1面间列伯努利方程： 原理：先按理想流体推导，此时摩擦力为零。153/426 考虑到实际转子不是圆柱状、流体非理想，将上式加一校正系数，得：154/426转子流量计安装、使用中注意事项读数常需换算： 使用时被测流体物性（、）与标定用流体不一样（20C水或20C、1atm空气），则流量计刻度必须加以换算：转子流量计必须垂直安装，且应安装旁路方便于检修V、实际被测流体流量、密度；V、 标定用流体流量、密度155/426优点：读取流量方便，流体阻力小，测量准确度较高，能用于腐蚀性流体测量；流量计前后无须保留稳定段。缺点：玻璃管易碎，且不耐高温、高压。 下

43、标1代表标定流体（水或空气）流量和密度值，下标2代表实际操作中所用流体流量和密度值。 转子流量计在出厂时普通是依据20水或20、0.1MPa下空气进行实际标定，并将流量值刻在玻璃管上。 使用时若流体条件与标定条件不符时，应试验标定或进行刻度换算。 156/426第二章 流体输送机械流体输送机械157/426第一节 液体输送设备特点：机械内部工作容积不停发生改变。按泵工作原理分:特点：使流体取得速度158/4261、离心泵工作原理和结构一、离心泵离心泵工作过程： 开泵前，先在泵内灌满要输送液体。 开泵后，泵轴带动叶轮一起高速旋转产生离心力。液体在此作用下，从叶轮中心被抛向叶轮外周，压力增高，并以

44、很高速度（5-25 m/s）流入泵壳。 在蜗形泵壳中因为流道不停扩大，液体流速减慢，使大部分动能转化为压力能。最终液体以较高静压强从排出口流入排出管道。 泵内液体被抛出后，叶轮中心形成了真空，在液面压强（大气压）与泵内压力（负压）压差作用下，液体便经吸入管路进入泵内，填补了被排除液体位置。 离心泵之所以能输送液体，主要是依靠高速旋转叶轮所产生离心力，所以称为离心泵。 159/426 气 缚 离心泵开启时，假如泵壳内存在空气，因为空气密度远小于液体密度，叶轮旋转所产生离心力很小，叶轮中心处产生低压不足以造成吸上液体所需要真空度，这么，离心泵就无法工作，这种现象称作“气缚”。 为了使开启前泵内充满

45、液体，在吸入管道底部装一止逆阀。另外，在离心泵出口管路上也装一调整阀，用于开停车和调整流量。160/426离心泵主要结构：161/4261）叶轮a)叶轮作用 将电动机机械能传给液体,使液体动能有所提升。 b)叶轮分类 依据结构闭式叶轮开式叶轮 半闭式叶轮 叶片内侧带有前后盖板，适于输送洁净流体，效率较高。没有前后盖板，适合输送含有固体颗粒液体悬浮物。只有后盖板，可用于输送浆料或含固体悬浮物液体，效率较低。162/426163/426按吸液方式 单吸式叶轮双吸式叶轮液体只能从叶轮一侧被吸入，结构简单。相当于两个没有盖板单吸式叶轮背靠背并在了一起，能够从两侧吸入液体，含有较大吸液能力，而且能够很好

46、消除轴向推力。 164/426165/4262）泵壳 泵壳作用 聚集液体，作导出液体通道； 使液体能量发生转换，一部分动能转变为静压能。 导叶轮 为了降低液体直接进入蜗壳时碰撞，在叶轮与泵壳之间有时还装有一个固定不动带有叶片圆盘，称为导叶轮。导叶轮上叶片弯曲方向与叶轮上叶片弯曲方向相反，其弯曲角度恰好与液体从叶轮番出方向相适应，引导液体在泵壳通道内平缓改变方向，使能量损失减小，使动能向静压能转换更为有效。 166/426167/4263）轴封装置A 轴封作用 为了预防高压液体从泵壳内沿轴四面而漏出，或者外界空气漏入泵壳内。B 轴封分类 轴封装置 填料密封： 机械密封： 主要由填料函壳、软填料和

47、填料压盖组成，普通离心泵采取这种密封。 主要由装在泵轴上随之转动动环和固定于泵壳上静环组成，两个环形端面由弹簧弹力相互贴紧而作相对运动，起到密封作用。 端面密封168/426169/426170/426171/426172/426173/4262、离心泵基本方程1）离心泵基本方程式导出 假设以下理想情况： 1）泵叶轮叶片数目为无限多个，也就是说叶片厚度为无限薄，液体质点沿叶片弯曲表面流动，不发生任何环流现象。 2）输送是理想液体，流动中无流动阻力。 在高速旋转叶轮当中，液体质点运动包含： 液体随叶轮旋转；经叶轮番道向外流动。174/426液体与叶轮一起旋转速度 u1 或 u2 方向与所处圆周切

48、线方向一致，大小为： 液体沿叶片表面运动速度w1、w2，方向为液体质点所处叶片切线方向，大小与液体流量、流道形状等相关。 两个速度合成速度就是液体质点在点1或点2处相对于静止壳体速度，称为绝对速度，用c1、c2来表示。175/426单位重量液体由点1到点2取得机械能为: 单位重量理想液体，经过无数叶片旋转，取得能量称作理论压头，用H表示。HC: 液体经叶轮后动能增加 HP: 液体经叶轮后静压能增加；176/4262）叶轮中相邻两叶片组成自中心向外沿逐步扩大液体流道，液体经过时部分动能转化为静压能，这部分静 压能增加可表示为： 静压能增加项HP主要因为两方面原因促成：1）液体在叶轮内接收离心力所

49、作外功，单位重量液体所接收外功能够表示为： 177/426单位重量流体经叶轮后静压能增加为:（a）依据余弦定理，上述速度之间关系可表示为： 178/426代入（a）式，并整理可得到：(b)普通离心泵设计中，为提升理论压头，使1=90，即cos1=0离心泵基本方程式离心泵理论压头表示式 179/426流量可表示为叶轮出口处径向速度与出口截面积乘积从点2处速度三角形能够得出代入 H=u2c2cos2/g 离心泵基本方程式 表示离心泵理论压头与理论流量，叶轮转速和直径、叶轮几何形状间关系。180/4262）离心泵基本方程式讨论 （1）理论压头与流量Q、叶轮转速、叶轮尺寸和 结构r2、b2、2）有关；

50、（2）叶轮直径及转速越大，则理论压头越大；（4)在叶轮转速、直径一定时，流量Q与理论 压头H关系受装置角b2影响以下：对于某个离心泵（即其2、2、b2固定），当转速一定时，理论压头与理论流量之间呈线形关系，可表示为：（3）理论压头H与液体密度无关。 这就是说，同一台泵不论输送何种密度液体，对单 位重量流体所能提供能量是相同。181/426叶片后弯，20， 即H随流量增大而减小；叶片径向，2=90，ctg2=0， 即H不随流量而改变；叶片前弯，290，ctg20， 即H随流量增大而增大。 182/426前弯叶片产生理论压头最高，这类叶片是最正确形式叶片吗？NO！静压头增加：动压头增加： 前弯叶片

51、，动能提升大于静压能提升。 因为液体流速过大，在动能转化为静压能实际过程中，会有大量机械能损失，使泵效率降低。普通都采取后弯叶片。 183/426 3、实际压头 离心泵实际压头与理论压头有较大差异，原因在于流体在经过泵过程中存在着压头损失，它主要包含：1）叶片间环流 2）流体阻力损失 3）冲击损失 184/426185/426 主要取决于叶片数目、装置角2、叶轮大小等原因，而几乎与流量大小无关。（1）叶片间环流运动详细原因以下：186/426（2）水力损失-可近似视为与流 速平方呈正比-在设计流量下，此 项损失最小。流量 若偏离设计量越远， 冲击损失越大。187/426以泄漏流量q大小来估算。

52、（3）容积损失 能够证实，当泵结构不变时，q值与扬程平方根成正比。188/426q-HH实际压头设计流量理论压头、实际压头及各种压头损失与流量关系为189/4263、离心泵主要性能参数和特征曲线1）离心泵主要性能参数H，泵对单位重量流体提供有效能量（扬程），m。Q，泵单位时间实际输出液体量，m3/s或m3/h。n，单位r.p.s或r.p.mN，电机输入离心泵功率，单位W 或kW。h，泵抗气蚀性能参数，m 。190/426离心泵压头测量离心泵压头取决于： 泵结构（叶轮直径、叶片弯曲情况等） 转速 n 流量 Q， 确定转速一定时，泵压头与流量之间关系靠试验测定191/426在泵进口b、泵出口c间列

53、机械能衡算式：192/426效率：，无量纲193/426NNe机械损失容积损失水力损失小型水泵：普通为5070% 大型泵：可达90%以上（2）水力损失（3）机械损失泵轴与轴承、密封圈等机械部件之间摩擦与效率相关各种能量损失：（1）容积损失： 194/4262）离心泵特征曲线 离心泵 H、N 都与离心泵 Q 相关，它们之间关系由确定离心泵压头试验来测定，试验测出一组关系曲线： HQ 、Q 、 NQ 离心泵特征曲线 注意：特征曲线随转速而变。 各种型号离心泵都有本身独自特征曲线，但形状基本相同，含有共同特点 195/4261）HQ曲线：表示泵压头与流量关系，离心泵压头普遍是随流量增大而下降（流量很

54、小时可能有例外）2）NQ曲线：表示泵轴功率与流量关系，离心泵轴功率随流量增加而上升，流量为零时轴功率最小。 离心泵开启时，应关闭出口阀，使开启电流最小，以保护电机。3）Q曲线：表示泵效率与流量关系，伴随流量增大，泵效率将上升并到达一个最大值，以后流量再增大，效率便下降。196/426设计点与最高效率相比，效率下降58由图可见： Q，H ，N，有最大值。197/426 离心泵在一定转速下有一最高效率点。离心泵在与最高效率点相对应流量及压头下工作最为经济。 与最高效率点所对应Q、H、N值称为最正确工况参数。离心泵铭牌上标明就是指该泵在运行时最高效率点状态参数。 注意：在选取离心泵时，应使离心泵在该

55、点附近工作。普通要求操作时效率应不低于最高效率92%。198/4264、离心泵性能改变1）液体性质影响 密度离心泵流量 与液体密度无关。 离心泵压头 与液体密度无关 HQ曲线不因输送液体密度不一样而变 。泵效率不随输送液体密度而变。 离心泵轴功率与输送液体密度相关 。199/426粘度 当输送液体粘度大于常温（20）清水粘度时，泵压头减小，H；泵流量减小；泵效率下降，；泵轴功率增大 ，N。泵特征曲线发生改变，选泵时应依据原特征曲线进行修正 试验表明，当液体运动粘度小于20cst（厘斯）时，对特征曲线影响很小，如汽油、柴油、煤油等粘度影响可忽略不计，可不进行修正。20清水粘度=1厘斯 1厘斯=1

56、0-6m2/s 200/426转速 当液体粘度不大且转速改变不大时（小于20%），利用出口速度三角形相同近似假定，可推知：若不变，则转速增大201/426叶轮直径当叶轮直径因切割而变小时，若改变程度小于20%，则若不变，则202/4265、离心泵气蚀现象与允许吸上高度1）离心泵气蚀现象气蚀产生条件：叶片入口附近K处压强PK等于或小于输送温度下液体饱和蒸气压 气蚀产生后果：叶片表面产生蜂窝状腐蚀 ；泵体震动，并发出噪音；流量、压头、效率都显著下降；严重时甚至吸不上液体。203/4262）离心泵允许吸上高度 为防止汽蚀现象，安装高度必须加以限制，即存在最大安装高度又称为允许吸上高度，指泵吸入口与吸

57、入贮槽液面间可允许到达最大垂直距离，以Hg表示。在液面0与泵入口处1两截面间列柏努利方程P0即为大气压强Pa 204/426离心泵允许吸上真空度 注意：HS 单位是压强单位，通常以 m 液柱来表示。在水泵性能表里普通把它单位写成 m（实际上应为mH2O）。离心泵允许吸上真空度 定义式将 代入得允许吸上高度计算式205/426 HS值越大，表示该泵在一定操作条件下抗气蚀性能好，安装高度Hg越高。 HS与泵结构、流量、被输送液体物理性质及当地大气压等原因相关。HS 随Q增大而减小。 确定离心泵安装高度时应使用泵最大流量下HS进行计算，通常由泵制造工厂试验测定，试验在大气压为10mH2O（9.81P

58、a）下,以20清水为介质进行。若输送其它液体，且操作条件与上述试验条件不符时，需对HS进行校正。 206/426气蚀余量 刚好发生汽蚀时， pkpv， pe到达最小值pe,min。在s-s面、e-e面间列机械能衡算：最小汽蚀余量207/426-最小汽蚀余量普通要求，允许汽蚀余量是泵特征参数之一，由厂家测定。 实际安装高度比 还要低0.51m208/426注意：1）离心泵允许吸上真空度和允许气蚀余量值是与其流量相关，大流量下h较大而HS较小，所以，必须注意使用最大额定流量值进行计算。2）离心泵安装时，应注意选取较大吸入管路，降低吸入管路弯头、阀门等管件，以降低吸入管路阻力。3）当液体输送温度较高

59、或液体沸点较低时，可能出现允许安装高度为负值情况，此时，应将离心泵安装于贮槽液面以下，使液体利用位差自流入泵内。209/4266、离心泵工作点与流量调整1）管路特征曲线与泵工作点 管路特征曲线 210/426离心泵工作点 离心泵特征曲线与管路特征曲线交点M，就是离心泵在管路中工作点。 M点所对应流量Q和压头H表示离心泵在该特定管路中实际输送流量和提供压头。H泵特征曲线 QM 泵-供方管路-需方211/4262）离心泵流量调整调整阀门改变n、切割叶轮阀门开大阀门关小 M 工作点 阀门关小时： 管路局部阻力加大，管路特征曲线变陡，工作点由原来 M 点移到 M1 点，流量由 QM 降到 QM1； 当

60、阀门开大时：管路局部阻力减小，管路特征曲线变得平坦一些，工作点由 M 移到 M2流量加大到 QM2。M1M2改变管路特征曲线212/426优点：调整快速方便，流量可连续改变；缺点：流量阻力加大，要多消耗动力，不经济。 改变泵转速改变泵特征曲线 若把泵转速提升到 n1：则HQ 线上移，工作点由 M 移至 M1 ，流量由 QM 加大到 QM1； 若把泵转速降至 n2：则 HQ线下移，工作点移至 M2，流量减小到 QM2 M 工作点优点：流量随转速下降而减小，动力消耗也相应降低；缺点：需要变速装置或价格昂贵变速电动机，难以做到流量连续调整，化工生产中极少采取。 M1转速提升M2转速降低213/426