中南大学化工原理第一章流体

第一章

流体流动与输送机械流体流动原理和规律是重要基础在化工生产过程中，流体的流动是各个单元操作中的普遍现象。无论是管道输送、流量的测定、还是流体输送所需的功率的计算、输送设备的设计和操作都与流体流动原理和规律密切相关。主要内容流体流动的基本概念流体静力学流体动力学流体流动现象管内流动阻力计算流量的测量离心泵其他类型泵气体输送装置概述1、流体具有流动性的物体，气体和液体统称为流体。分类：按状态分：气体、液体、超临界流体；按可压缩性分：可压缩流体和不可压缩流体；按是否可忽略分子间作用力分：理想流体和实际流体；按流变特性分（剪切力与速度梯度的关系）：牛顿型流体和非牛顿型流体。不可压缩流体：流体的体积（密度）不随压力及温度变化。可压缩流体：流体的体积（密度）随压力及温度变化。

V=f（p，T）液体：一般为不可压缩流体气体：一般为可压缩流体在工程技术领域，关注的是流体的宏观特性，即大量分子的统计平均特性，采用连续性假设可以不考虑分子的复杂运动，从宏观角度研究流体的流动规律。假设流体由无数连续质点组成的连续介质。2、连续性假设1.1流体流动的基本概念一、密度ρ1）定义：单位体积流体的质量，kg/m3（SI）

ρ=m/V2）理想气体的密度

pV=nRT=m/M·RTρ=m/V=pM/RT混合气体密度ρm

A、B、…、n

气体混合物中各组分的体积分数ρi

：同温同压下组分i的密度3）液体混合物的平均密度ρm

若混合前后体积变化不大或不变——理想溶液则：

wi：混合液中组分i的质量分数二、比体积（比容）v

单位质量流体的体积，m3/kg三、黏度（一）牛顿黏性定律黏性：流体流动时产生内摩擦力的性质，阻止流体产生相对运动的特性。黏度：衡量流体黏性大小的物理量称为黏度。内摩擦力：运动着的流体内部相邻两流体层间由于分子间的作用力和分子的无规则运动而产生的相互作用力。牛顿黏性定律：实验证明：流体的内摩擦力（剪应力）与法向速度梯度成正比μ：黏度（Pa·S）牛顿粘性定律发表在1687年μ：黏度(动力黏度、绝对黏度）单位：Pa·s

厘泊（cp）：1cp=0.01p=0.001Pa·s

物理意义：速度梯度为1时，单位面积上所产生的内摩擦力大小。获取方法：由实验测定、查有关手册或资料、用经验公式计算。运动黏度：υ＝μ/ρ单位m2/s。温度对粘度的影响

液体：温度上升，黏度下降；T↑分子间距离↑分子间引力↓μ↓

气体：温度上升，黏度增大。T↑分子不规则运动和碰撞↑μ↑压力对粘度的影响压力不是极高或极低时，压力对气体黏度的影响可忽略。（二）流体中的动量传递由于流体层之间速度不等，动量从速度大处向速度小处传递。：单位体积流体的动量：单位体积流体的动量梯度τ：单位时间单位面积的动量，称为动量传递速率剪应力的单位：（三）、理想流体

黏度为零的流体。（四）、非牛顿型流体牛顿型流体：在流动中形成的剪应力与速度梯度的关系完全符合牛顿黏性定律的流体，如：水、空气等。非牛顿型流体：不服从牛顿黏性定律的流体。绝大多数高分子量的流体，如：人身上的血液、淋巴、聚乙烯，聚丙烯酰氨，聚氯乙烯，尼龙6，PVS，涤纶，橡胶溶液，各种工程塑料，化纤的熔体等。1.2流体静力学流体静力学：研究流体在外力作用下达到平衡时（静止或相对静止）各物理量的变化规律。应用：测量设备或管道内压强、测量液位等。一、静止流体的压强压强：流体垂直作用于单位面积上的力为流体的压强，习惯称为流体的压力。单位：N/m2，帕斯卡，Pa绝对压力：以绝对真空为基准测得的压力表压：以外界大气压为基准测得的压力表压=绝对压力－大气压力真空度=大气压力－绝对压力二、静力学基本方程描述静止流体内部的压力随高度变化的数学表达式。三、方程推导

液柱受力分析下底面所受的向上总压力：p2A上底面所受的向下总压力：p1A整个液柱的重力：G＝ρgA(z1-z2)静止液体中，三力平衡

p2A－p1A－ρgA(z1-z2)＝0∴p2=p1+ρg(z1-z2)

或p2+ρgz2=p1+ρgz1静力学基本方程：

在静止的、连续的同一液体内，满足：

p+ρgz=const或或各项物理意义：

z：单位重量的液体从基准面上升高度z后所具有的位能；（J/Norm）

p/ρg：单位重量液体的静压能；（J/Norm）各项几何意义：

z：位头，液体离基准面的垂直高度（m）

p/ρg：静压头，使静止液体上升的高度（m）gz、p/ρ

：单位质量的液体所具有的位能、静压能。四、流体静力学基本方程式的应用（一）压力测量1、U形管液柱压差计条件：

ρ指>ρ测

指示液与被测流体不互溶原理：静力学基本方程，同一连续静止流体的同一水平的静压相等U形管压差计∴pa＝pb

p1+(m+R)ρg＝p2+mρg+Rρ0gp1－p2＝R（ρ0－ρ）g

倒U形管压差计：利用被测量液体本身作为指示液倒U形管压差计p1－p2＝R（ρ0－ρ）g2、斜管压差计

当被测量的流体压力或压差不大时，读数R很小，为得到精确的读数，可采用斜管压差计

斜管压差计p1－p2＝R（ρ0－ρ）g=R＇sinα（ρ0－ρ）g3、微差压差计

U形管中放置两种密度不同、互不相溶的指示液，管的上端有扩张室，扩张室有足够大的截面积，当读数R变化时，两扩张室中液面不致有明显的变化。P1－P2＝ΔP＝Rg（ρa－ρb）

（二）液面测定

平衡器的小室2中所装的液体与容器里的液体相同，器里液面高度维持在容器液面容许到达的最大高度处。容器里的液面高度可根据压差计的读数R求得。

h越小，容器内的液位越高，当R=0时，h=0，容器内的液面高度即为允许的最大高度。远程液位测量装置（三）确定液封高度

为了控制设备内气体压力不超过规定的数值，采用安全液封（或称为水封）装置，当设备内压力超过规定值时，气体就从液封管排出，以确保设备操作的安全。水封管插入液面下的深度h为：安全液封p1为表压1.3

流体动力学1）必要性

化工厂中流体大多沿密闭的管道流动，研究管内流体流动的规律十分必要。2）主要内容连续性方程伯努利方程

一、流量与流速（一）流量体积流量：Q（m3/s）

单位时间内流体流经管道任一截面的体积。质量流量：W（kg/s）单位时间内流体流经管道任一截面的质量。两者之间的关系

W=Qρ（二）流速1）平均流速（体积流速）：u（m/s）

u＝Q/A

W=ρQ

=ρAu2）质量流速：G（kg/m2·s）

！由于气体的体积与温度、压力有关，当温度、压力发生变化时，气体的体积流量与流速随之改变，但质量流量不变，采用质量流速比较方便。3）管道直径的估算以d表示管内径一般液体流速为0.5～3m/s。气体为10～30m/s。二、定态流动与非定态流动1）定态流动：流体在管道中流动时，任一点上的流速、压力等有关流动的物理参数都不随时间改变。

2）非定态流动：流动的流体中，有关流动的物理参数，至少有一个随时间改变。三、连续性方程流体连续稳定流动时，根据质量守恒定律

W

s

1＝W

s

2即：

ρ1A1u1＝ρ2A2u2

不可压缩流体：

A1u1＝A2u2

圆形管道：不可压缩流体在管道中的流速与管道内径的平方成反比。

1′122′ws1ws2四、伯努利方程式（Bernoulli’sequation）流体机械能衡算式（一）方程推导1、假设：流体无黏性（理想流体）：在管内流动时无摩擦损失；流体在管内连续稳定流动。2、原理：力学原理（牛顿第二定律）作用于流体上的合力等于流体动量变化的速率。受力分析：作用于微管段流体上的各力沿x方向的分力之和为：

pA－(p+dp)A－gρAdz＝－Adp－gρAdz

∴ρAudu＝－Adp－gρAdz积分得：

理想流体的伯努利方程二、伯努利方程的物理意义gz：单位质量流体所具有的位能(J/kg)

p/ρ：单位质量流体所具有的静压能(J/kg)

u2/2：单位质量流体所具有的动能(J/kg)

机械能压头：单位重量流体所具有的能量位压头：z静压头：p/ρg动压头(速度压头)：u2/2g五、

实际流体的机械能衡算式（一）实际流体的机械能衡算式

实际流体在管道内流动时，由于流体的内摩擦作用，要消耗一部分机械能，在机械能量衡算时必须加入能量损失项。

∑Hf：压头损失，m如果有外加机械功（H）输入其它形式：∑hf

：单位质量流体的能量损失W=gH：单位质量流体的外加能量二、伯努利方程式的应用分析和解决流体输送有关的问题液体流动过程中流量的测定调节阀流通能力的计算注意：1、截面选取：确定物料衡算和机械能衡算的范围。①与流动方向垂直②两截面间流体连续③所求的物理量在截面上能反映出来④截面已知量较多通常选系统的起点和终点为相应的截面2、确定基准面：确定衡量位能大小的基准通常选截面较低的一个水平面为基准面。3、压力同时采用表压或绝对压力4、对于可压缩流体，（P2-P1）/P1＜20%时，可用。5、对于非定态流动系统的任一瞬间，方程成立。

例1-3将高位槽内料液向塔内加料。高位槽和塔内的压力均为大气压。要求料液在管内以0.5m/s的速度流动。设料液在管内压头损失为1.2m（不包括出口压头损失），试求高位槽的液面应该比塔入口处高出多少米？例1-4用泵将贮槽中密度为1200kg/m3的溶液送到蒸发器内，贮槽内液面维持恒定，其上方压强为101.33kPa，蒸发器上部的蒸发室内操作压强为26.67kPa（真空度），蒸发器进料口高于贮槽内液面15m，进料量为20m3/h，溶液流经全部管路的能量损失为120J/kg，管路直径为60mm，求泵的有效功率。例1-5有一高位槽，水从槽底的接管流出，如附图所示。高位槽直径D=1m，槽内水深2m，底部接一管道，管长3m，管径d=20mm，液体流过该系统的能量损失hf=2.25u2，试求槽内液面下降1m所需的时间。1.4流体流动现象

1、雷诺实验u比较小时，流体在管内沿轴线方向成一条轮廓清晰的直线，平稳地流过整根玻璃管，与旁侧的水不混合；u↑，直线流动的有色细流开始出现波动成波浪形细线；速度再增，细线的波动加剧，然后被冲断而向四周散开，最后使整个玻璃管中的水呈现均匀的颜色。1883年奥斯本•雷诺(OsborneReynolds)做雷诺实验装置流体流动类型2、流动类型层流：流体在管中流动时，质点始终沿着与管轴平行的方向作直线运动，质点之间互不混合的流动状态称为层流(laminarflow)或滞流(viscousflow）。湍流：流体质点除了沿着管道向前流动外，各质点的运动速度在大小和方向上都发生变化，质点间彼此碰撞并互相混合，这种流动状态称为湍流(turbulentflow)或紊流。过渡区3、雷诺数Re物理意义：表明惯性力与黏性力之比。量纲：1，无因次Re≤2000：层流

Re≥4000：湍流

2000<Re<4000：过渡区4、边界层流体流经壁面时，由于流体具有黏性，在垂直于流体流动的方向产生较大速度梯度的区域。层流内层层流边界层湍流边界层usususxc以速度为主体流速的99%处作为划分边界层的界限。5、流体在圆管内的速度分布（一）层流时的速度分布

速度分布为抛物线状管中心的流速最大，向管壁的方向渐减，靠管壁的流速为零，平均速度为最大速度的一半。

哈根—泊谡叶公式层流时由于摩擦阻力所产生的压差△p与流速u的一次方成正比。（二）流体在圆管中湍流时的速度分布流体质点间进行着湍流动量传递，使管截面上的速度分布比较均匀。Re增大，流体湍动程度增大，速度分布曲线顶部区域越宽阔而平坦。4×104＜Re＜1.1×105时，n=61.1×105＜Re＜3.2×106时，n=7Re＞3.2×106时，n=10一、管材1）钢管：普通钢管和合金钢管焊接钢管：有缝钢管，多为低碳钢管，通常用于压强较低的输送系统。无缝钢管：石油和化工生产中使用最多的一种管型，分为热轧和冷拔两种。其特点是质量均匀、强度高。2）铸铁管常用于埋在地下的给水总管，煤气管及污水管等1.5管内流动阻力计算3）有色金属管铜管、铅管、铝管等。铜管导热性好且重量较轻，适宜于制作换热器。细的紫铜管常用来作为机械设备的润滑系统或油压系统的仪表管路。铅管具有易于辗压，锻制或焊接的有点，且能抗硫酸及10%以下盐酸的腐蚀，故可作为这类物料的输送管路。但铅管机械强度差，较笨重且导热率低。铝的导热性能良好，能代替昂贵的铜管用于制造换热器。由铝的纯度决定其耐蚀性，广泛用于输送浓硝酸，蚁酸，醋酸等物料，但不耐碱。4）非金属管陶瓷管、水泥管、塑料管等。陶瓷管：能耐酸碱，但性脆，强度低不耐压，多用来排除腐蚀性的污水。水泥管：可用作地下水管、污水管，也用来输送无压气体。塑料管：最常用的有聚氯乙烯管、聚乙烯管、酚醛塑料及有机玻璃等塑料管。塑料管具有良好的耐腐蚀性而且质轻，但强度较低，耐热性较差。2、管件及阀门1）管件管与管的连接部件，用来改变管道方向、连接支管、改变管径及堵塞管道等。90o弯头45o弯头180o弯头管箍活接头法兰三通2）阀门闸门阀：通过控制体内闸门的升降来启闭阀门的，闸板和流体流向相垂直，通道的大小通过改变闸板与阀座之间的相对位置来改变的，当闸板与阀座紧密贴合时可阻止介质通过。。单向阀（止回阀）：靠流体而启闭，控制流体单向流动的阀门。多用于泵和压缩机的管路上，以及疏水器的排水管上和其它不允许流体反向流动的地方。球心阀：阀芯呈球状，故叫球心阀。其主要装置是螺旋杆端连有盘塞，在阀的中心隔板上装有盘座。旋塞（考克）：其主要部件为中间开有孔道的锥形旋塞，将旋塞旋至使其孔道与管子相通位置时，流体即由孔道流过。当旋塞旋转90°时管流完全停止。

球心阀截止阀蝶阀

旋塞

3）管子的连接螺纹连接：管端有螺纹，一般用于直径100mm以下，介质温度小于100℃，工作压强小于1MPa的环境。法兰连接：法兰连接装拆方便，密封可靠，适用的温度、压力和管径范围大。该法广泛应用于大管径耐温、耐压与密封性高的管路连接和管路与设备之间的连接。焊接连接：焊接连接在化工厂中被广泛采用，适用于有压管道和真空管道。此方法连接方式简单、方便不漏。承插连接：适用于埋在地下的管路。插口和套口之间环隙中须填塞填充物，如麻丝、棉绳等，再塞入石棉水泥或水泥砂浆等胶合剂。二、流体在直管中的流动阻力1、阻力的分类直管阻力：流体流经一定直径的直管时，所产生的阻力。局部阻力：流体流经管件、阀门及进出口时，受到局部障碍所产生的阻力。由于流速大小或方向突然改变，从而产生边界层分离，出现大量旋涡，导致很大的机械能损失。三、层流的摩擦阻力

摩擦系数四、湍流的摩擦阻力一、因次分析法只是一种数学分析方法，不能代替实验。可大大减少变量个数

（1）通过实验找到所有影响因素：（2）找出各物理量量纲中所涉及的基本量纲

基本量纲个数r＝3

（3）选择3个物理量作为基本物理量（4）将其余物理量逐一与基本物理量组

成特征数。（5）根据量纲一致性原则确定特征数方程的各项必需具有相同的量纲

----欧拉（Euler）数4个特征数-----相对粗糙度

Π定理：量纲为1的独立物理量的个数N等于该现象所涉及的物理量数目n减去表示这些物理量的基本量纲数目m（二）管壁粗糙度的影响光滑管：玻璃管、铜管、铅管、塑料管粗糙管：钢管和铸铁管绝对粗糙度：管壁粗糙面凸出部分的平均高度，ε

相对粗糙度：ε/d层流：流速比较缓慢，流体对管壁凸出部分没有碰撞作用，λ=f（Re）水力光滑管：层流底层的厚度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)层流区：Re≤2000，λ可计算，也可以查图

∴hf∝u(2)过渡区：

2000<Re<4000，流动类型不稳定，为安全计，按湍流计算λ。(3)湍流区：Re>4000及虚线以下的区域λ=f(Re,ε/d)(4)完全湍流区（在图中虚线以上的区域）λ=f(ε/d)λ一定，hf∝u2

此区域也称为阻力平方区（5）λ与Re及ε/d的关联式光滑管，布拉修斯公式，3×103＜Re＜105

湍流区的光滑管、粗糙管，完全湍流区考莱布鲁克（Colebrook）关联式在完全湍流区，Re对λ的影响很小，式中含Re项可以忽略。五、非圆形管内的流动阻力1、当量直径deA：管道截面积；Π：润湿周边长度

例：套管的环隙，外管的内径d2，内管的外径d1

边长为a，b的矩形管2、层流时摩擦阻力计算C—常数，无因次，可查表不同形状管道的截面积相等时，方形管道比矩形管道能量损失少，圆形管道比方形管道能量损失少；从减少能量损失的角度看，圆形截面是最佳的。某些非圆形管的常数C值非圆形管的截面形状正方形等边三角形环形长方形长：宽=2：1长：宽=4：1常数C5753966273六、局部摩擦阻力损失（一）局部阻力系数法1、计算式ξ：局部阻力系数2、常用管件和阀门的ξ可查手册3、突然扩大突然缩小注意：当流体从管道中流入截面较大的容器，或气体从管道排放到大气中，ξ=1

流体自容器进入管的入口，或从很大的截面突然缩小到很小的截面，ξ=0.5计算阻力损失时用小管中的流速。（二）当量长度法

将流体流过管件或阀门所产生的局部阻力损失，折合成流体流过长度为le的直管的阻力损失，le由实验测定。常用当量长度查P32图名称阻力系数ξ当量长度与管径之比le/d弯头，4500.3517弯头，9000.7535三通150回弯头1.575管接头、活接头0.042球式止逆阀703500摇板式止逆阀2100全开闸阀0.179半开闸阀4.5225全开截止阀6300半开截止阀9.5475角阀，全开2100水表，盘式7350七、流体在管内流动的总阻力损失计算直管阻力损失所有管件、阀门等的局部阻力损失计算类型简单管路复杂管路：有并联、分支或汇合设计型：指给定输送任务，如流量，要求设计出经济、合理的管路，如确定优化的管径d等。操作型：管路系统已定，要求核算出在操作条件改变时管路系统的输送能力或某项技术指标。八、管路计算已知管径、管长、管件和阀门的设置及流体的输送量，求流体通过管路系统的能量损失，以便道一步确定输送设备所加入的外功、设备内的压强或设备间的相对位置等。这一类计算比较容易。

已知管径、管长、管件和阀门的设置及允许的能量损失，求流体的流速或流量。已知管长、管件和阀门的当量长度、流体的流量及允许的能量损失，求管径。

！后面两种情况需试差。设计内容计算依据：连续性方程ρ1A1u1＝ρ2A2u2机械能衡算方程

阻力损失计算式

例1-6如附图所示，生产中需将高位槽的水输送到低位槽中，流量为36.0m3/h。管径φ89×3.5mm，管长为138m（含管件的当量长度），管壁相对粗糙度为1×10-4，水的密度为103kg/m3，黏度为10-3Pa·s。试求两水槽液面的高度差。例1-7料液自高位槽流入精馏塔，如附图所示。塔内压强为1.96×104Pa（表压），输送管道为φ36×2mm无缝钢管，管长8m。管路中装有90°标准弯头两个，180°回弯头一个，球心阀（全开）一个。为使料液以5m3/h的流量流入塔中，问高位槽应安置多高？（即位差Z应为多少米）。料液在操作温度下的物性：密度ρ=861kg/m3；粘度μ=0.643×10－3Pa·s。

如图所示的简单管路中，设两贮槽内液位保持恒定，各管段直径相同，液体稳态流动。管路中安装一阀门，阀前后各装一压力表，阀门在某一开度时，管路中流体的流量为Q，压力表读数分别为pA、pB。问：当阀门开度减小时，管路中流量Q、pA、pB及阻力损失如何变化。1.6流量的测定类型：测速管孔板流量计转子流量计重点：流量计测量结构、原理，安装、应用的特点1、结构①两根弯成直角的同心套管；②内管管口敞开；③外管的管口封闭；④外管前端壁面四周开有若干测压小孔。

一、测速管（皮托管）

Pitottubep测速管实物图2、测速原理当某一流体以流速u流经测速管时，由于测速管内已充满待测流体，在其前端形成驻点，动压能头在A处转化为静压能，内管所测的为静压能和动压能之和，称为冲压能。B点测得静压能。

若被测流体为气体，ρ`

>>ρ

测量点速度，可利用该测速管测出管截面上流体的速度分布。1051061071041031020.50.60.70.80.9

u/umax与Re、Remax的关系3、（动能式）特点常用于气体速度测量流体阻力小，适于测量大直径管道内的气体流速

不能直接读平均流速不能测定含有固体杂质的流体测速管的尺寸不可过大，一般测速管直径不应超过管道直径的1/15。测速管安装时，必须保证安装点位于充分发展流段，一般测量点的上、下游最好各有50d以上的直管段作为稳定段。测速管管口截面要严格垂直于流动方向。4、测速管使用：二、孔板流量计1、结构由在管道中安装一片中央带有圆孔的孔板构成。孔板流量计数字压差计安装在管路上的孔板流量计

缩脉：流体截面的最小处（2-2），u最大，p最低；管道中流体的流量愈大，在孔板前后产生的压差ΔP=P1-P2

也越大，流量与ΔP呈互为对应的关系，只要用差压计测出孔板前后的压差ΔP，就能确定流量

。2、测量原理流量方程式忽略1-1，2-2截面间的能量损失

∵1）缩脉的具体位置无法确定，用开孔面积A0代替A22）两截面间的阻力损失存在。其中：C0=f（取压方式、直径比m、Re、ε/d）查图，采用试差法，确定α。流量系数对于气体和蒸气，考虑流体流经孔板时由于压力降低引起的气体体积的增大εｋ：气体膨胀系数，是压差比、绝热指数κ、面积比A0/A1的函数；可查。3、特点可测气体及液体流量，简单方便，阻力较大，是变压降（变阻力）流量计。4、安装上下游需要一段内径不变的直径作为稳定段，上游长度至少为管径的５０倍，下游长度为管径的１０倍。5、文丘里流量计用渐缩渐扩管代替阻力大的孔板，减少流体流经孔板时的能量损失。Cv值一般为0.98～0.99

优点：能量损失小。各部分尺寸要求严格，加工复杂，造价较高。比托管，孔板、文丘里流量计：恒截面变压差（变阻力）流量计，人为设置阻力构件，造成局部阻力（压降），利用能量守恒原理及连续性方程关联压降与流速、流量的关系。三、转子流量计1、结构

上粗下细的锥形玻璃管（锥角约在4°左右）；固体转子（或称浮子）；流体自玻璃管底部流入，经过转子和管壁之间的环隙，再从顶部流出。转子受力平衡时：转子最大直径处的截面积转子体积转子密度流体密度2、原理根据连续性方程及机械能衡算方程，

AR—环隙的截面积

CR—转子的流量系数（由实验测定）3、特点变截面流量计恒压降式，可测量非浑浊液体及气体流量，能量损失小，结构简单，可直接读流量，测量范围较宽，玻璃制品，不耐高压。4、流量计的刻度换算出厂前刻度标定：20℃水，或20℃，1atm空气其它条件使用，需换算5、安装应严格保持垂直6、读数读转子最大截面处的刻度。流体输送机械1、流体输送机械：为流体提供能量的机械。2、分类：按输送的流体分类

输送液体：泵输送气体：风机、压缩机按工作原理分类

离心式、往复式、旋转式及流体动力作用式。3、重点：

流体输送机械的作用原理、基本构造与性能及有关计算，以达到能正确选择和使用的目的。1.7离心泵特点：适用于不同种类液体的输送，输送流量大、适用范围广、结构简单、体积小、质量轻、操作平稳、维修方便。一、离心泵工作原理1、结构泵壳泵轴叶轮叶片吸入管排出管底阀2、工作原理启动前，泵壳内灌满液体启动后，泵轴带动叶轮旋转，叶片间的液体随叶轮一起旋转，液体从叶轮中心进口处被甩到叶轮外围，蜗壳截面逐渐扩大，大部分动能转变为静压能，液体以较高的压力输送出去。叶轮中心液体被甩出后，泵壳的吸入口形成一定的真空，利用大气压和真空度之间的压力差，把液体压入。3、注意防止气缚现象

气缚：若离心泵在启动前未充满液体，泵壳内存在空气，由于空气密度小，所产生的离心力很小，在吸入口所形成的真空不足以将液体吸入泵内，虽启动泵，不能输送液体。

措施：启动前泵内必须灌满液体。二、离心泵的主要部件（一）叶轮按结构分类：开式叶轮：无盖板，适于输送含较多固体的悬浮液半开式叶轮：无前盖板有后盖板，适于输送含较多固体颗粒和杂质的液体闭式叶轮：有前后盖板，流道是封闭的，适用于高扬程，输送洁净的液体。（二）泵壳

收集和导出液体，实现能量转换。

(三)轴封装置三、离心泵的主要性能参数

1、主要性能参数：流量、压头（扬程）、轴功率、效率、转速、汽蚀余量2、流量Q

单位时间内泵输送的液体体积。

单位：m3/s、m3/min、m3/h3、压头H（扬程）

定义：单位重量液体流经泵后所获得的能量单位：Ｊ／Ｎ、m影响因素：泵的结构（如叶轮直径的大小，叶片的弯曲情况等）、转速及流量理论压头----理想情况下单位重量液体所获得的能量称为理论压头，用H表示。实际压头H实际压头比理论压头要小。压头的确定（实验法）pM—压力表读数（表压），N/m2；pV

—真空表读数（负表压值），N/m2；u1、u2—吸入管、压出管中液体的流速，m/s；ΣHf—两截面间的压头损失，m。由于两截面之间管路很短，压头损失∑Hf可忽略不计4、功率

有效功率Ne：单位时间内液体从泵中叶轮所获得的有效能量。

轴功率N：电动机传给泵轴的功率式中Ne—泵的有效功率，W；

Q—泵的流量，m3/s；

H—泵的压头，m

；

ρ—液体的密度，kg/m3；

g—重力加速度，m/s2

5、效率η

反映液体在泵内流动过程中的各种能量损失。水力损失、容积损失、机械损失水力损失ηh

：实际流体在叶片间和泵壳通道内流动将损失一部分机械能容积损失ηv

：泵内部分高压液体泄漏到低压区，使排出的液体流量小于流经叶轮的流量，造成功率损失机械损失ηm

：泵轴与轴承之间的摩擦，泵轴密封处的摩擦等造成的功率损失四、离心泵的特性曲线1、特性曲线

H、N、η与Q之间的关系曲线通常指额定转数和1工程大气压（10mH2O），20℃清水，产品样本中常附有。H~Q曲线：Q↑，H↓N~Q曲线：Q↑，N↑；关阀启动（Q=0），保护电机，停泵时先关出口阀以防止高压液体倒流损坏叶轮。η~Q曲线：存在效率最高点，为泵的设计工作点取最高效率以下7%范围内为高效区。离心泵最高效率点为额定点，对应的流量为额定流量。泵在铭牌上所标明的是最高效率下的流量，压头和功率；离心泵产品目录和说明书上常常注明最高效率区的流量、压头和功率的范围等。1）、液体黏度和密度的影响密度影响：

Q与ρ无关

H与ρ无关；η与ρ无关

N∝ρ2离心泵性能曲线的影响因素，N~Q曲线上移。黏度的影响：

μ↑→u↓，Q↓

μ↑→流体的流动摩擦损失↑，H↓μ↑→叶轮的盖板与流体间的摩擦损失↑→N↑→η↓实验表明，当<20倍清水的黏度（20℃

）时，对特性曲线的影响很小，可忽略不计。2）、离心泵转速对特性曲线的影响当效率不变时比例定律当泵的转速变化小于20%时，效率基本不变

3）、叶轮直径对特性曲线的影响当外径D的减小量＜5﹪，泵的效率不变切割定律

五、离心泵的工作点与流量调节1、管路特性曲线

1-1、2-2截面间的伯努利方程与Q无关，令为H0对于特定的管路系统，l、le、d为定值，湍流时摩擦系数λ的变化也很小令k：管路特性系数，与管路长度、管径、摩擦系数、局部阻力系数有关k大：高阻力管路k小：低阻力管路2、工作点工作点（dutypoint）：流量Q与压头Ｈ，既是管路系统所要求，又是离心泵所能提供的；若该点所对应效率在最高效率区，则该工作点是适宜的。3、流量调节

通过改变管路特性曲线或泵的特性曲线，改变工作点，调节流量。改变管路特性曲线——调节阀门开度：关小或开大阀门，增大或减小管路阻力，改变管路特性曲线。特点：阀门调节方便，广泛被采用；关小阀门使阻力增加，消耗更多能量以克服阻力，不经济。

改变泵的特性曲线改变泵的转速：没有节流引起的附加能量损失，比较经济；用变频器等设备可实现转速的无级调节，克服了以往转速难以连续调节的缺点，使其应用前景广泛。切割叶轮直径

减少叶轮直径，使泵的流量变小并降低能耗，但可调节范围不大，难以做到流量的连续调节，且直径减小不当还会降低泵的效率，实际生产中很少采用。

离心泵的并联操作

当一台泵的流量不够时，可以用两台泵并联操作，以增大流量。特点：使低阻力管路系统的流量增加较多，高阻力管路系统流量增加较少。

当生产上需要提高泵的压头时，可以将泵串联使用。

离心泵的串联操作串联操作较适用于高阻管路。

六、离心泵的汽蚀现象与安装高度1、汽蚀现象

当叶轮入口最低压力p1降到液体在该处温度下的饱和蒸汽压pv时，液体将有部分汽化，小汽泡随液体流到叶轮内压力高于pv区域，小汽泡会突然破裂，其中的蒸气会迅速凝结，周围的液体将以高速冲向刚消失的汽泡中心，造成很高的局部冲击压力，冲击叶轮，发生噪音，引起震动。金属表面受到压力大、频率高的冲击而剥蚀，使叶轮表面呈现海绵状的破坏，这种现象称为“汽蚀”（Cavitation）。

低压区→产生气泡→高压区→气泡破裂→产生局部真空→水力冲击→发生振动、噪音，对部件产生麻点、蜂窝状的破坏现象。叶片表面产生蜂窝状腐蚀；泵体震动，并发出噪音（600~25000Hz）；流量、压头、效率都明显下降；严重时甚至吸不上液体。为避免汽蚀的发生，泵的安装高度不能太高。汽蚀的危害：1）汽蚀余量

NPSH（netpostivesuctionhead)：净正吸入压头2、汽蚀余量2）临界汽蚀余量(NPSH)c

发生汽蚀的临界条件：叶轮入口处附近的最低压强等于液体的饱和蒸汽压Pv，泵入口处的压强必等于某确定的最小值P1，min

在泵入口处1和叶轮入口处附近K截面列柏努利方程

(NPSH)c=实验测定：用20℃清水测定。以泵的扬程较正常值下降3%作为发生汽蚀的标志，测定泵刚好发生汽蚀时的p1即可。理论计算：3）必须汽蚀余量(NPSH)r(NPSH)r=(NPSH)c+0.3m3、离心泵的允许安装高度1）安装高度Hg：在吸液池液面a-a’截面和进口管路上的1-1截面间列柏努利方程2）最大安装高度Hg,max

3）允许安装高度

规定：实际汽蚀余量比还要大0.5m以上，即泵的实际安装高度Hg比低0.5m。

4、允许吸上真空高度HsHs：泵入口处压力P1可允许达到的最高真空度七、离心泵的种类、型号、选用及操作1、离心泵的类型清水泵、耐腐蚀泵、油泵、杂质泵1）清水泵：用于工业生产，输送物理、化学性质与清水类似的液体。泵的标准

IS

50-32-250

国际标准单级单吸清水离心泵泵的吸入口直径，mm泵排出口直径，mm泵叶轮的名义尺寸，mm2）耐腐蚀泵

输送酸、碱、盐等腐蚀性液体时，需用耐腐蚀泵。

F单级单吸式离心泵使用较多，近年来已推出许多新产品。3）油泵对密封性要求高，以免易燃液体泄漏。

Y型油泵使用较多。4）液下泵

叶轮由加长的泵轴伸入到液体贮槽内，轴封要求不高、可用于输送化工过程中各种腐蚀性液体。液下泵的型号有“FY”。5）屏蔽泵无密封泵，叶轮与电机连为一体，密封在泵壳内，无需轴封装置，可用于输送易燃易爆、剧毒等液体，效率较低。2、选择步骤：确定所需的压头，功率根据具体的管路布置条件和工艺规定的流量计算出压头，功率。确定离心泵的类型及型号根据输送液体的性质，选择合适类型的离心泵。根据所需的压头，流量，功率选择满足要求的型号。校核型号确定后，通过计算校核所选的泵是否满足要求。1.8其他类型泵一、往复泵原理：利用活塞的往复运动，将能量传递给液体，以完成液体输送任务。特点：输送流体的流量只与活塞的位移有关，与管路无关；压头只与管路情况有关，具有这种特性的泵称为正位移泵。使用：适于压力高、流量小、黏度大的液体输送。1、往复泵的工作原理活塞运动左→右：泵内形成低压，排出阀受压而关闭，吸入阀被泵外液体的压力推开，将液体吸入；右→左：泵内液体压力增大，吸入阀受压而关闭，排出阀开启，液体被排出。死点：活塞左右移动的顶点冲程：两死点之间的活塞行程（活塞运动的距离）2、往复泵的类型1）单动泵：间歇排液，流量不均匀2）双动泵3）三联泵3、往复泵的输液量和流量调节1）理论流量QT：单动泵QT=ASnr/60双动泵QT=(2A-a)Snr/60

A—活塞面积，m2；D—活塞直径，m；

S—活塞的种程，m；n—活塞往复的次数，1/mina—活塞杆截面积，m22）实际流量Q

由于吸入阀和排出阀启、闭滞后的漏液，填料处漏液，实际流量小于理论流量。

ηV：容积效率4、往复泵的特性曲线和工作点

QT=常数5、流量调节

旁路调节改变电机转速121-旁路阀2-安全阀与离心泵比较：-----具有自吸能力，不必灌液

----安装高度也受限制，但无汽蚀现象启动前是否需要灌液？安装高度是否有限制？流量Q与压头H关系？-----流量与压头几乎无关

与离心泵比较：输液量均匀性？连续性？流量调节方法？----输液量不均匀、不连续

----流量调节不可用出口阀门调节方法。

适用于小流量、高压头的情况下输送高粘度的液体。效率高，通常为7293%。离心泵应用范围最广。特别适用于化工生产的原因是它的流量均匀而易于调节，又能输送有腐蚀性、含悬浮物的液体。往复泵往复泵只宜在压头高、流量也较大的情况下使用。与离心泵比较：二、齿轮泵1）结构：主动轮：由电机带动从动轮：与主动轮相啮合而转动2）原理：在泵的吸入口，两齿轮的齿向两侧拨开，形成了低压区而将液体吸入，齿轮旋转时，液体分为两路沿泵内壁，被齿轮嵌住，随齿轮转动到达排出空间，在排出端两齿轮的齿相互合拢，形成高压区将液体排出。3）使用：可产生很高的压头，流量较小，适宜于输送粘稠液体，但不能输送含固体颗粒的悬浮液。齿轮泵三、螺杆泵

1）结构：螺杆泵主要有泵壳和螺杆构成，2）原理：螺杆在具有内螺纹的泵壳中偏心转动，将液体沿轴向推进，由排出口排出。3）使用：压头高、效率高、噪音低，适用于输送高粘度液体。

1-吸入口2-螺杆3-泵壳

4-压出口四、旋涡泵特殊类型的离心泵1）结构：由叶轮和泵壳组成，叶轮是一个四周铣有凹槽的圆盘，凹槽构成辐射状的叶片，2）原理：叶轮旋转时，泵内液体随之旋转，在流道和叶片间反复运动并获得能量，间壁和叶轮的缝隙很小，泵的吸入口和排出口由与叶轮间隙很小的间壁分开。3）使用：启动前要灌泵。1-叶轮2-叶片3-泵壳4-流道5-间壁

五、轴流泵1）结构：转轴、螺旋桨行叶片2）原理：轴流泵通过液体对叶片作绕流运动后在叶轮两侧所形成的压差提供压头。3）使用：提供给液体的压头较小，但是输送量很大，适用于大流量、低压头的液体的输送。轴流泵1-吸入室2-叶片3-导叶4-泵体5-出水弯管1.9气体输送机械1、压缩比压缩比=气体排出压力/吸入压力（绝对压力）2、分类