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1、第一章第一章 流体的流动过程与输送机械流体的流动过程与输送机械化学工艺学1 概 述1.1 化工生产中流体的流动与输送化工生产中流体的流动与输送l流体是具有流动性的物质。流体的特征在于其质点几流体是具有流动性的物质。流体的特征在于其质点几乎可以无限地流动乎可以无限地流动, , 而且可以任意分割或改变其形状。而且可以任意分割或改变其形状。物质三态中物质三态中, , 液态与气态液态与气态无一定形状无一定形状, , 能够自由流动能够自由流动, , 因此因此, , 统称为流体统称为流体。1.2 理想流体与实际流体理想流体与实际流体l在流体力学中在流体力学中, , 为了便于研究某些复杂的实际问题为了便于研
2、究某些复杂的实际问题, , 而提出了理想流体这一概念。而提出了理想流体这一概念。理想流体没有粘性理想流体没有粘性, , 在在流动过程中没有摩擦阻力产生流动过程中没有摩擦阻力产生, , 是不可压缩的。是不可压缩的。l实际流体都具有粘性实际流体都具有粘性, , 在流动过程中产生摩擦阻力。在流动过程中产生摩擦阻力。实际液体的压缩性很小实际液体的压缩性很小, , 可以认为是不可压缩的可以认为是不可压缩的; ; 实实际气体当温度、压强变化时际气体当温度、压强变化时, , 其体积变化较大其体积变化较大, , 是可是可以压缩的。以压缩的。2 流体静力学及其应用流体静力学及其应用l静止流体不表现出内摩擦阻力静
3、止流体不表现出内摩擦阻力, , 分子间受力平衡。流体分子间受力平衡。流体在静止状态时在静止状态时, , 所受各种力的大小所受各种力的大小, , 与流体的密度、压与流体的密度、压强等性质有关。强等性质有关。2.1 2.1 流体静力学中的重要物理量流体静力学中的重要物理量l流体的密度：l压强：关于压强的说明：关于压强的说明：1. 压强的单位压强的单位 国际单位制国际单位制(SI ) 中中, 压强的单位用压强的单位用Pa 表表示示, 1 Pa = 1 Nm - 2 。2. 压强的表示方法压强的表示方法 工业上用来测量系统内压强的仪表称工业上用来测量系统内压强的仪表称为压强计为压强计( 或称压力计或称
4、压力计) , 压强计上的读数是系统内的压强计上的读数是系统内的绝对压强与当地大气压强的差值。绝对压强与当地大气压强的差值。在实际生产系统在实际生产系统( ( 设备或管路设备或管路) )内内, , 其绝对压强可能大于或者小于当地大其绝对压强可能大于或者小于当地大气压强气压强, , 工程上常把大于大气压的压强用工程上常把大于大气压的压强用表压强表压强表示表示; ; 而把小于大气压的压强用而把小于大气压的压强用真空度真空度表示。表示。系统内的绝对系统内的绝对压强、表压强和真空度三者之间的关系可表示如下压强、表压强和真空度三者之间的关系可表示如下: 表压强表压强= 绝对压强绝对压强- 大气压强大气压强
5、 真空度真空度= 大气压强大气压强- 绝对压强绝对压强它们三者之间的关系, 可以用下图表示：2.2 流体静力学基本方程流体静力学基本方程l该正立方体所受向下的力有：自身重力： G = g( z0 - z )A 上面液体对顶面的压力：F0 = p0A液柱底面上的压力： F = pAl处于平衡状态的静止液体, 其所受向上的力与向下的力大小相等, 方向相反(液柱的前后、左右所受力, 也是大小相等, 方向相反)。可得 pA = p0A + g( z0 - z)A化简上式, 可得流体静力学方程式: 静力学基本方程式(1 - 3) 说明流体静压强仅与流体的密度和该点的几何位置有关。如所取正立方体液柱的顶面
6、为液面(液面受当地大气压强为pa ) , 液柱高( z0 - z )即为所取液柱底面的深度H, 则式( 1 - 3 )变为：2 .3 流体静力学基本方程式的应用流体静力学基本方程式的应用l压强计按功用分为三类压强计按功用分为三类: ( : ( 1 1) ) 表压强计表压强计 用以用以测量高于大气压的压强测量高于大气压的压强; ( ; ( 2 2) ) 真空压强计真空压强计 用用以测量低于大气压的压强以测量低于大气压的压强; ( ; ( 3 3) ) 压差计压差计 用来用来测量系统内两点间压强的差。按压强计的工作测量系统内两点间压强的差。按压强计的工作原理又可分为液柱压强计、弹簧管压强计和薄原理
7、又可分为液柱压强计、弹簧管压强计和薄膜压强计等。膜压强计等。2.3.1 U 形管压强计U 形管压强计如图1 - 4 所示, 一般用透明玻璃管制成, 管中盛有密度为i 的指示液。使用时, 若U 形管一端与大气连通, 另一端与所测系统连通, 则可测量系统的表压强或真空度(当所测系统压强低于大气压时) ; 若U 形管两端与所测系统内不同两处相连通, 则可测量系统内该两处的压强差。根据静力学基本方程式，可推导出：上式为上式为U U 形管压强计测量压强差的计算式。由式形管压强计测量压强差的计算式。由式中可以看出中可以看出, , 压强差与压强差与U U 形管两侧指示液液面差形管两侧指示液液面差有关有关,
8、, 与指示液和被测流体的密度有关与指示液和被测流体的密度有关, , 与与U U 形形管的粗细无关。管的粗细无关。 U 形管压强计中所用的指示液密度应比所测系统流体形管压强计中所用的指示液密度应比所测系统流体的密度大。工业上常用水、硫酸、四氯化碳和水银作为的密度大。工业上常用水、硫酸、四氯化碳和水银作为U 形管压差计的指示液。形管压差计的指示液。3 流体稳态流动时的物料衡算和能量衡算流体稳态流动时的物料衡算和能量衡算3 .1 稳态流动与非稳态流动 在一个正常的连续生产过程中在一个正常的连续生产过程中, , 管路及设管路及设备内任何与流动方向垂直的截面上备内任何与流动方向垂直的截面上, , 流体的
9、温流体的温度、压强、组成及流量等都有确定的数值度、压强、组成及流量等都有确定的数值, , 且且仅是位置的函数，并不随时间而变化仅是位置的函数，并不随时间而变化, , 这种流这种流动方式称为动方式称为稳态流动稳态流动。3.2 流体稳态流动时的流量与流速流体充满管路截面稳态流动时, 流体质点在单位时间内所流过的距离称为流速。工程上所谓的流速是指该截面的平均流速。l流体稳态流动时流体稳态流动时, , 单位时间内单位时间内, , 流体流经垂直流体流经垂直于流动方向的任一截面的流体体积量于流动方向的任一截面的流体体积量, , 称为称为体体积流量。积流量。若单位时间内流经管路任一截面的流若单位时间内流经管
10、路任一截面的流体量以质量表示体量以质量表示, , 则称之谓则称之谓质量流量。质量流量。平均流速与流量的关系为:平均流速 :体积流量 :质量流量:3.3 流体稳态流动时的物料衡算流体稳态流动时的物料衡算连续性方程连续性方程当流体充满导管作稳态流动时当流体充满导管作稳态流动时, 根据根据质量守恒定质量守恒定律律, 在管路系统流体没有增加和漏失情况下在管路系统流体没有增加和漏失情况下, 单单位时间通过管路各截面的流体质量应相等。位时间通过管路各截面的流体质量应相等。 qm1= qm2=qm33.4 流体稳态流动时的能量衡算流体稳态流动时的能量衡算-伯努利方程伯努利方程(重点重点)不论是相对静止的流体
11、不论是相对静止的流体, 还是流动状态的流体还是流动状态的流体, 都具有一定都具有一定的能量的能量, 服从能量守恒定律。服从能量守恒定律。3.4.1 流体流动过程的能量形式流体流动过程的能量形式( (1 1) ) 位能位能 流体在重力作用下，因其所处位置距离某基准面流体在重力作用下，因其所处位置距离某基准面有一定距离而具有的能量称为有一定距离而具有的能量称为位能。位能。位能表示流体在其自位能表示流体在其自身重力下落至基准面所作的功。能量和功的单位在国际单身重力下落至基准面所作的功。能量和功的单位在国际单位制中都是用焦耳位制中都是用焦耳( ( J J ) ) 表示表示, , 用国际单位制中基本单位
12、用国际单位制中基本单位表示则为表示则为kgkgm m2 2s s - 2- 2 ( (即即N Nm)m)。假设质量为。假设质量为m m kgkg 的的流体距某一基准面高度为流体距某一基准面高度为zzm m , , 则所具有的位能为则所具有的位能为m mg gz z J J 。( (2 2) ) 动能动能 流体在管路中流动时流体在管路中流动时, , 由于流动而具有的能量称由于流动而具有的能量称为为动能。动能。由物理学知道由物理学知道, , 当质量为当质量为m m kgkg 的流体以的流体以v v m ms s -1-1 的速度流动时的速度流动时, , 所具有的动能为所具有的动能为1/21/2m
13、mv v2 2 J J , , 用基用基本单位表示为本单位表示为kgkgm m2 2s s-2-2 ( (即即N Nm) m) 。(3) (3) 静压能静压能 静压能是流体由于静压强静压能是流体由于静压强p p所具有的能量。流体所具有的能量。流体由于被压缩而具有向外膨胀做功的能力由于被压缩而具有向外膨胀做功的能力, , 当流体压强为当流体压强为p , p , 体积为体积为V V 时时, , 其能量总值等于其能量总值等于pVpV。对于不可压缩流体而言。对于不可压缩流体而言, , 因静压能而做的功为因静压能而做的功为V Vp; p; 对于可压缩流体对于可压缩流体, , 则为则为VVdpdp。若质量
14、为。若质量为m kg m kg 的流体在其密度为的流体在其密度为, , 压强为压强为p p 时时, , 它的静压能为它的静压能为m m( p/ ) , ( p/ ) , 用国际基本单位表示为用国际基本单位表示为( (4 4) ) 内能内能 流体由于内部分子运动而具有的能量称为内能流体由于内部分子运动而具有的能量称为内能( ( 也称热力学能也称热力学能) )。分子运动的速度随温度升高而增大。分子运动的速度随温度升高而增大, , 因而因而, , 内能也随流体的温度升高而增大内能也随流体的温度升高而增大, , 常用常用UUJ Jkgkg-1-1 表示每表示每公斤物质所具有的内能。质量为公斤物质所具有
15、的内能。质量为m m kgkg 的流体稳态流动时的流体稳态流动时, , 在任一位置所具有的内能为在任一位置所具有的内能为U Um m J J 。 质量为质量为m m kgkg 的流体稳态流动时的流体稳态流动时, , 在任一位置所具有在任一位置所具有的总能量为以上各项能量之和的总能量为以上各项能量之和: : 总能量总能量= 内能内能+ 位能位能+动能动能+静压能静压能3.4.2 理想流体流动过程的能量衡算理想流体流动过程的能量衡算 对于理想流体对于理想流体, 由于不可压缩由于不可压缩, 故其密度不随压强变化故其密度不随压强变化;由由于不具有粘性于不具有粘性, 在流动时没有摩擦阻力产生。流体流动过
16、程在流动时没有摩擦阻力产生。流体流动过程中没有热量加入和引出中没有热量加入和引出, 其流体的温度不变则内能无变化其流体的温度不变则内能无变化, 而只有机械能之间的转化。即在任一流动截面而只有机械能之间的转化。即在任一流动截面i 上上, 流体的机流体的机械能量总和为一不变的常数械能量总和为一不变的常数: 根据能量守恒原理根据能量守恒原理, 在理想流体的连续稳态流动系统中在理想流体的连续稳态流动系统中, 任取两个截面其总机械能应当相等任取两个截面其总机械能应当相等，即：即： E1机械能机械能 = E2机械能机械能 即：即： 式式( (1 19a9a) ) 是理想流体机械能量衡算的普遍式。常是理想流
17、体机械能量衡算的普遍式。常称为称为理想流体伯努利方程。理想流体伯努利方程。 流体能量衡算的基准不同，伯努利方程的形式流体能量衡算的基准不同，伯努利方程的形式也不尽相同。也不尽相同。伯努利方程的其他形式：伯努利方程的其他形式：（1）以单位质量（）以单位质量（1kg）为基准，等式两边同除以）为基准，等式两边同除以m，得：，得： （1）以单位重量（）以单位重量（1N）为基准，等式两边同除以）为基准，等式两边同除以mg，得：，得： 式式(1 9c )中中, 每一项表示每一项表示1 N流体所流体所具有的能量具有的能量, 称为压头。称为压头。z 项表示项表示1 N的流体在的流体在高度为高度为z 米处具有的
18、位米处具有的位能能, 称为称为位压头位压头, 单位单位为为J/ N= m; p/ g 项项表示表示1 N流体所具有的流体所具有的静压能静压能,称为称为静压头静压头, 单位也是单位也是m; v2/ 2 g 项表示项表示1 N流体流动时所具有的动能流体流动时所具有的动能, 称为称为动压头或速度头动压头或速度头,单位也是用单位也是用m 来表示。来表示。 式式(1 9c )中中, 各项压头之间的关系可各项压头之间的关系可以用图以用图1 - 7 来表示。来表示。由图由图1 - 7 可以清楚地可以清楚地看出看出, 理想流体稳态流理想流体稳态流动的管路任一截面动的管路任一截面, 流流体的总机械能或总压头体的
19、总机械能或总压头是不变的是不变的, 压头之间可压头之间可以在一定条件下相互转以在一定条件下相互转化。化。3.4.3 实际流体流动过程的能量衡算实际流体流动过程的能量衡算 实际流体具有粘性实际流体具有粘性, 在稳态流动过程中在稳态流动过程中, 由于有内摩擦阻由于有内摩擦阻力存在力存在, 要消耗一定的能量。为了保证流体在管路内稳态连要消耗一定的能量。为了保证流体在管路内稳态连续流动续流动, 需要从外界向管路系统补充能量。例如用泵作功给需要从外界向管路系统补充能量。例如用泵作功给液体补充能量液体补充能量, 在这种情况下在这种情况下, 实际流体稳态流动的能量衡实际流体稳态流动的能量衡算方程式算方程式伯
20、努利方程伯努利方程, 可以写为：可以写为： 式中式中, He 是泵为每牛顿流体提供的能量是泵为每牛顿流体提供的能量, 相当于体系输入相当于体系输入的能量，的能量，称为泵的压头称为泵的压头( 或称泵的扬程或称泵的扬程) , 其单位也是其单位也是m;Hf 表示每牛顿的流体从表示每牛顿的流体从1 - 1 截面到截面到2 - 2 截面所消耗掉的机械截面所消耗掉的机械能总和能总和, 相当于体系输出的能量，相当于体系输出的能量，称为损失压头称为损失压头, 单位也是单位也是m。3.4.3 伯努利方程的讨论伯努利方程的讨论（1）适用范围：）适用范围：式式(1 - 10 )是对于不可压缩流体而言是对于不可压缩流
21、体而言, 液体液体可近似地看作是不可压缩的。对于气体可近似地看作是不可压缩的。对于气体, 其密度与体积都随其密度与体积都随温度和压强而变化。当气体被压缩时温度和压强而变化。当气体被压缩时, 一部分机械能转变为一部分机械能转变为热能热能; 当气体膨胀时当气体膨胀时, 一部分热能转变为机械能。因此一部分热能转变为机械能。因此, 在气在气体流动过程中体流动过程中, 当温度、压强变化较大时当温度、压强变化较大时, 则不能用式则不能用式( 1 -10 )进行计算。但是进行计算。但是, 在工程计算时在工程计算时, 在不同的场合下允许在不同的场合下允许有不同程度的误差。只要压强和温度的变化在允许误差范围有不
22、同程度的误差。只要压强和温度的变化在允许误差范围内内, 方程式方程式( 1 - 10) 仍可应用。计算时仍可应用。计算时, 方程式中的密度取方程式中的密度取初始和最终的平均值即初始和最终的平均值即平均平均= (1 + 2 )/2 。（2）与流体静力学方程的比较：）与流体静力学方程的比较：流体静力学方程是伯努利流体静力学方程是伯努利方程的一种特殊情况。方程的一种特殊情况。（3）方程各相意义：实际流体的伯努利方程中，动能、位）方程各相意义：实际流体的伯努利方程中，动能、位能和静压能项分别由衡算截面上的流速、距基准面距离和静能和静压能项分别由衡算截面上的流速、距基准面距离和静压强所决定，且各参数均有
23、平均值意义。压强所决定，且各参数均有平均值意义。（4）He与泵功率：流体输送所需功率与泵功率：流体输送所需功率P是指单位时间内耗是指单位时间内耗用的能量。用的能量。（5）非稳态流动：任一瞬间伯努利方程仍成立，为微分式。）非稳态流动：任一瞬间伯努利方程仍成立，为微分式。（6）基准：所选基准不同，方程式也不同。）基准：所选基准不同，方程式也不同。3.4.5 应用伯努利方程的注意事项：应用伯努利方程的注意事项：（1）作出示意图）作出示意图（2）选取截面和确定衡算范围）选取截面和确定衡算范围（3）选取基准面）选取基准面（4）单位制统一）单位制统一例题例题1.3 （重点）（重点）4 实际流体的流动过程与
24、阻力计算实际流体的流动过程与阻力计算 实际流体分子间的作用力使流体流动时产生内摩擦阻力实际流体分子间的作用力使流体流动时产生内摩擦阻力, 阻碍流体的流动。实际流体流动时阻力的大小与流体的粘性阻碍流体的流动。实际流体流动时阻力的大小与流体的粘性等物理性质有关等物理性质有关, 也与流体流动的管路直径、管长、管壁粗也与流体流动的管路直径、管长、管壁粗糙度及流动类型有关。糙度及流动类型有关。4.1 流体的黏度流体的黏度 流体的粘性是流体流动时内摩擦阻力的表现。流体的粘流体的粘性是流体流动时内摩擦阻力的表现。流体的粘性愈大性愈大, 流动性愈小。衡量流体粘性大小的物理量称为粘度流动性愈小。衡量流体粘性大小
25、的物理量称为粘度, 常以符号常以符号表示。表示。为了明确粘度的物理意义为了明确粘度的物理意义, 对粘度建立起一个定量的概念对粘度建立起一个定量的概念, 可以宏观地说明如下可以宏观地说明如下:如图上所示, 假设有两块平行的平板, 上下两板间充满了薄薄一层液体, 若下板固定不动, 对上板施加一恒定的外力F, 使上板平行于下板作等速直线运动, 运动平板带动了紧靠着它的一层液体而运动, 而这层液体又将其动能传给邻近的液层, 使之也向前运动。则两板间的液体将随着上板运动。但是这些液层之间的速率不同, 离运动平板愈远的液层, 运动速率愈小, 与下边固定平板相邻的液体层速率最小, 两平板间流体的速率变化呈线
26、性关系。这是由于液体质点之间内摩擦阻力所造成的。这种内摩擦阻力的大小表现了流体粘性大小, 作用力F 即等于两层之间摩擦阻力。若两板间某液体层的速度为若两板间某液体层的速度为v , 与其相邻与其相邻的上层液体的速率为的上层液体的速率为v + v , 两液层垂直两液层垂直方向方向( y )的距离为的距离为y , 则则(v/ y )表示表示速率沿法线方向上的变化率速率沿法线方向上的变化率, 称为称为速率梯速率梯度度。管路内流体速度的变化如图。管路内流体速度的变化如图1 - 9( b)所示所示, 是曲线分布。实验证明是曲线分布。实验证明, 两层流体两层流体间接触面积间接触面积( A ) 愈大愈大, 速
27、率梯度愈大速率梯度愈大, 则则内摩擦阻力内摩擦阻力F 也愈大。这一关系可以表示也愈大。这一关系可以表示为为:式中式中, 比例系数比例系数称为粘度系数称为粘度系数, 简称粘度。粘度是流体的重要物理性质简称粘度。粘度是流体的重要物理性质;= F/ A 表示单位面积上所受的压力表示单位面积上所受的压力, 力的方向与面平行力的方向与面平行, 称为剪切应力。称为剪切应力。4.2 流体流动的形态流体流动的形态4.2.1 雷诺实验与雷诺准数雷诺实验与雷诺准数 雷诺实验装置雷诺实验装置, , 如图如图1 - 10 1 - 10 所示。通过雷诺实验可以观所示。通过雷诺实验可以观测流体的流动类型。恒位水槽中的清水
28、流入玻璃管中测流体的流动类型。恒位水槽中的清水流入玻璃管中, , 在玻在玻璃管入口中央有同墨水璃管入口中央有同墨水瓶连接的细管瓶连接的细管, , 玻璃管玻璃管清水出口可通过控制阀清水出口可通过控制阀调节管中的水流速度。调节管中的水流速度。（1）当流速不大时当流速不大时, 可以观察到墨水在可以观察到墨水在玻璃管中央沿轴向作平行而有规律的直玻璃管中央沿轴向作平行而有规律的直线运动线运动, 与管中主体水流不相混与管中主体水流不相混, 如图如图1 - 10 ( a) 所示所示, 把这种流动状态称为把这种流动状态称为滞流滞流( 或层流或层流) ; （2）当玻璃管中的水流速率增大到某一值时当玻璃管中的水流
29、速率增大到某一值时, 墨水流有可能墨水流有可能开始波动以致骚乱开始波动以致骚乱, 并有可能进一步与管中主体水流混合并有可能进一步与管中主体水流混合, 说明各质点的运动速率在大小和方向上均可能发生变化说明各质点的运动速率在大小和方向上均可能发生变化, 这这种流动状态称为种流动状态称为过渡流过渡流, 如图如图( b)所示所示; （3）当玻璃管中的水流速率继续增大当玻璃管中的水流速率继续增大, 墨水流出细管小口后墨水流出细管小口后就迅速与管中主体水流混合就迅速与管中主体水流混合, 这种流动状态称为这种流动状态称为湍流湍流( 或紊或紊流流) , 如图如图( c)所示。所示。 采用不同性质的流体和不同直
30、径的玻璃管进行上述实验采用不同性质的流体和不同直径的玻璃管进行上述实验的结果证明的结果证明: : 流体的流动类型除了同流速流体的流动类型除了同流速( ( v v ) )有关外有关外, , 还还和管子直径和管子直径( d )( d )、流体的粘度、流体的粘度( () )、流体的密度、流体的密度( () )有关。有关。雷诺将这四个物理量用统一的单位制表示雷诺将这四个物理量用统一的单位制表示, , 组成一个量纲一组成一个量纲一的参数的参数, , 并用符号并用符号Re Re 表示为表示为：Re 称为雷诺数，反应流体流动时的湍动程度，根据雷诺数称为雷诺数，反应流体流动时的湍动程度，根据雷诺数大小可以判断
31、流体的流动类型大小可以判断流体的流动类型。当当Re 小于小于2 000 时时, 流体在平滑管内的流动属于明显的滞流流体在平滑管内的流动属于明显的滞流; 当当Re 大于大于4 000 时时, 流体的流动类型属于湍流流体的流动类型属于湍流; 在在2 000 Re 4 000)时时, 分两种情况分两种情况: 对玻璃管、塑料管或新钢管等这些管内壁光滑的管路对玻璃管、塑料管或新钢管等这些管内壁光滑的管路, 当当Re 为为3103 1105 时时,可按下式计算可按下式计算: 粗糙管中粗糙管中(例如水泥管、铸铁管、旧钢管等例如水泥管、铸铁管、旧钢管等) , 当当Re 105 时时, 摩擦摩擦阻力系数阻力系数
32、接近一常数接近一常数; 当当Re = 3103 1106 时时, 我国顾毓珍教授建议我国顾毓珍教授建议采用下式计算采用下式计算:4.3.2 流体流动过程的局部阻力流体在管路中流动流体在管路中流动, , 由于管路截面的突然扩大或缩小由于管路截面的突然扩大或缩小, , 会引起流速的变会引起流速的变化化; ; 流体流经管路弯头或阀门等管件时流体流经管路弯头或阀门等管件时, , 流动方向会发生改变流动方向会发生改变; ; 这些都这些都会使流体质点间发生碰撞和剧烈湍动而消耗能量会使流体质点间发生碰撞和剧烈湍动而消耗能量, , 这种阻力损失称为局这种阻力损失称为局部阻力损失。流体湍流流动时部阻力损失。流体
33、湍流流动时, , 局部阻力损失有两种算法局部阻力损失有两种算法: :(1) 局部阻力系数法局部阻力系数法 根据阻力损失公式计算根据阻力损失公式计算:式中式中称为局部阻力系数称为局部阻力系数, 其值由实验测定。常用的其值由实验测定。常用的局部阻力系数局部阻力系数, 如表如表1 - 2 所示。所示。(2) 当量长度法当量长度法 将各种局部阻力折合成为相当于直管某长度的摩擦阻力将各种局部阻力折合成为相当于直管某长度的摩擦阻力, 从从而可与直管阻力合并在一起进行计算。与局部阻力相当的直而可与直管阻力合并在一起进行计算。与局部阻力相当的直管长度称为当量长度管长度称为当量长度, 用用le 表示。那么表示。
34、那么, 总的阻力为总的阻力为：管件和阀门在湍流时的当量长度与管径之比, 列于表1 - 3。5 流体流量的测量5.1 5.1 压差式流量计压差式流量计孔板流量计孔板流量计 压差式流量计是基于流压差式流量计是基于流体流动的节流原理，利用流体体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时所产生的压强流经节流装置时所产生的压强差实现流量的测量的。差实现流量的测量的。 流量计主要是一片中央开孔的薄板安装于流体管路中流量计主要是一片中央开孔的薄板安装于流体管路中, 孔板前后有连接压强计的测压孔口与孔板前后有连接压强计的测压孔口与U 形管液柱压差计相连形管液柱压差计相连接。当管路内的流体连续稳态地流经孔板的小孔时
35、接。当管路内的流体连续稳态地流经孔板的小孔时, 因为管因为管径突然缩小而流速骤增。根据流体能量衡算方程式径突然缩小而流速骤增。根据流体能量衡算方程式, 流体在流体在水平管路中流动时水平管路中流动时, 如果动压头增大如果动压头增大, 静压头必然相应减小静压头必然相应减小, 在孔板前后测压孔处所显示的静压强就不同。对于不可压缩在孔板前后测压孔处所显示的静压强就不同。对于不可压缩流体流体, 其密度不变其密度不变, 能量衡算式为能量衡算式为:水平安装，则Z1=Z2 测压孔处流体束截面积和流速很难测定，因此，用已知测压孔处流体束截面积和流速很难测定，因此，用已知孔板小孔截面积孔板小孔截面积A0和孔口流速
36、和孔口流速V0代替，根据连续性方程代替，根据连续性方程: 若将若将V1、V2与与V0的关系代入的关系代入能量衡算式，整理可得：能量衡算式，整理可得：C0是一个总校正系数，称为孔板流量计的孔流系数，可以从是一个总校正系数，称为孔板流量计的孔流系数，可以从手册中查到。手册中查到。5.2 文丘里流量计（自学）5.3 转子流量计(自学)6 流体输送机械6.1 6.1 流体输送机械流体输送机械泵泵 在化工生产中在化工生产中, 常常需要将液体从低处送到高处常常需要将液体从低处送到高处; 从低压从低压升至高压升至高压; 或者要求保持一定的流量。这些都需要一定的流或者要求保持一定的流量。这些都需要一定的流体输
37、送机械体输送机械, 输送液体的机械设备称为泵。泵的种类很多输送液体的机械设备称为泵。泵的种类很多, 有离心泵、往复泵、漩涡泵、齿轮泵、喷射泵等。有离心泵、往复泵、漩涡泵、齿轮泵、喷射泵等。6.1.1. 离心泵离心泵(1) 离心泵的构造及工作原理离心泵的构造及工作原理 离心泵是最常见的一种液体输送机械。离心泵是最常见的一种液体输送机械。它是由它是由叶轮叶轮、蜗蜗形泵壳、轴封装置形泵壳、轴封装置构成的构成的。按叶轮的数目。按叶轮的数目, , 离心泵有单级泵离心泵有单级泵和多级泵之分。单级泵在泵轴上只安装一个叶轮和多级泵之分。单级泵在泵轴上只安装一个叶轮; ; 多级泵在多级泵在同一泵轴上安装多个叶轮
38、同一泵轴上安装多个叶轮, , 液体顺序地流经一系列的叶轮液体顺序地流经一系列的叶轮, , 所产生的压头为各个叶轮所产生的压头之和。若按照液体进所产生的压头为各个叶轮所产生的压头之和。若按照液体进入叶轮的方法入叶轮的方法, , 离心泵又分为单吸式离心泵离心泵又分为单吸式离心泵( ( 液体从叶轮一液体从叶轮一侧进入侧进入) )和双吸式离心泵和双吸式离心泵( ( 液体从叶轮两侧同时进入液体从叶轮两侧同时进入) )。 图1 - 17 离心泵简图 1 泵壳; 2工作叶轮; 3 泵轴; 4 吸入导 管; 5 压出管; 6 滤网和单向阀叶轮一般有叶轮一般有612 个向后弯曲的叶片。叶轮又分为敞式、半个向后弯
39、曲的叶片。叶轮又分为敞式、半蔽式和蔽式三种蔽式和蔽式三种, 如图如图1 - 18 所示。所示。离心泵开始工作前必须先将被输送的液体灌满泵壳和吸入管离心泵开始工作前必须先将被输送的液体灌满泵壳和吸入管路路; 当叶轮在泵轴带动下旋转时当叶轮在泵轴带动下旋转时, 叶片间的液体便随之旋转叶片间的液体便随之旋转, 在离心力作用下在离心力作用下, 叶片间的液体流入叶轮与蜗形泵壳间而排叶片间的液体流入叶轮与蜗形泵壳间而排出。出。泵的工作过程是液体从叶轮所获得的动能转变为静压能泵的工作过程是液体从叶轮所获得的动能转变为静压能的复杂过程。在离心泵的工作过程中的复杂过程。在离心泵的工作过程中, 液体的吸入和排出都
40、液体的吸入和排出都是连续而均匀的。是连续而均匀的。(2) 离心泵的基本性能参数离心泵的基本性能参数 离心泵的基本性能参数有离心泵的基本性能参数有:泵的泵的流量流量、泵的、泵的扬程扬程、泵的功、泵的功率和效率率和效率, 泵的最大吸入高度和压出高度等。泵的最大吸入高度和压出高度等。 泵的泵的流量流量 单位时间内泵所能排出的液体量单位时间内泵所能排出的液体量, , 称为泵的称为泵的流流量，也称泵的送液能力量，也称泵的送液能力, , 它表示泵的生产能力。通常泵的铭它表示泵的生产能力。通常泵的铭牌上用牌上用q qv v表示表示, , 单位用单位用L Lminmin-1-1 、m m3 3minmin-1
41、-1 、m m3 3h h-1-1 等。等。 泵的泵的扬程扬程 泵作功给单位质量液体所增加的总能量泵作功给单位质量液体所增加的总能量, , 称为称为泵的压头或扬程泵的压头或扬程, , 常用常用H He e表示表示, , 单位为单位为m m。泵的压头就是液体。泵的压头就是液体进泵前和出泵后的总压头增加值进泵前和出泵后的总压头增加值, , 在讨论实际流体能量衡算在讨论实际流体能量衡算时已经提到时已经提到, , 可根据可根据伯努利方程来计算伯努利方程来计算。图。图1-1-1919为离心泵装为离心泵装置示意图置示意图, B, B- -B B水平面上的离心泵将水平面上的离心泵将A A- -A A水平面上
42、的液体水平面上的液体输送到输送到C C- -C C面高度的液池。按图示尺寸面高度的液池。按图示尺寸, , 列列A A- -A A与与C C- -C C两截面的能量衡算方程式并进行简化两截面的能量衡算方程式并进行简化, , 得到泵的压头得到泵的压头H He e 为为由上式可见由上式可见, , 泵的压头不单是泵将液体升扬的高度泵的压头不单是泵将液体升扬的高度H H总总, , 还包还包括静压头、动压头和损失压头的变化。括静压头、动压头和损失压头的变化。 泵的最大吸入高度和压出高度泵的最大吸入高度和压出高度 如图如图1-191-19所示所示, , 离心泵的离心泵的吸入高度为吸入高度为A-AA-A面至面
43、至B-BB-B面的垂直距离面的垂直距离H H吸入吸入; ; 离心泵的压离心泵的压出高度为出高度为B-BB-B面至面至C-CC-C面的垂直距离面的垂直距离H H压出压出。以。以A-AA-A面为基面为基准面准面, , 列列A-AA-A与与B-BB-B面能量衡算方程面能量衡算方程, , 可得到可得到从式从式(1-25)(1-25)可以看出可以看出, , 影响离心泵吸入高度的因素有影响离心泵吸入高度的因素有: :当贮液池为敞口时当贮液池为敞口时, p, pA A为当地大气压强为当地大气压强, , 泵进口的压强泵进口的压强p p进进必必须大于液体的饱和蒸气压须大于液体的饱和蒸气压p p饱和饱和, , 否
44、则泵入口处的液体将会沸否则泵入口处的液体将会沸腾形成气泡，当含有大量气泡的液体由泵低压区进入高压区腾形成气泡，当含有大量气泡的液体由泵低压区进入高压区时，气泡受压凝结造成局部真空，在周围高压液体作用下产时，气泡受压凝结造成局部真空，在周围高压液体作用下产生几十兆帕的冲击压强，使叶轮和泵遭到损坏，这总显现叫生几十兆帕的冲击压强，使叶轮和泵遭到损坏，这总显现叫做做汽蚀汽蚀。另外，吸入管的动压头，其值越小越好，泵吸入管路中另外，吸入管的动压头，其值越小越好，泵吸入管路中液体的摩擦阻力液体的摩擦阻力H Hf f愈大愈大, , 吸入高度愈小。因此吸入高度愈小。因此, , 泵的吸入泵的吸入管一般都是直径大
45、管一般都是直径大, , 弯头少弯头少, , 以减小阻力损失以减小阻力损失H Hf f。 泵的功率和效率泵的功率和效率 单位时间内泵对液体所作的有效功单位时间内泵对液体所作的有效功, , 称为泵的功率称为泵的功率, , 用用P Pe e 表示。离心泵对液体所作的有效功表示。离心泵对液体所作的有效功率为：率为：单位时间内离心泵的轴所消耗的功单位时间内离心泵的轴所消耗的功, , 还包括机械摩擦还包括机械摩擦所消耗的能量所消耗的能量, , 液体的漏失以及泵的实际压头与理论液体的漏失以及泵的实际压头与理论压头的差别等项能量消耗。因此压头的差别等项能量消耗。因此, , 离心泵的实际功率离心泵的实际功率(
46、( 或轴功率或轴功率) )恒大于有效功率恒大于有效功率( (或理论功率或理论功率) ) 。二者之比。二者之比称为泵的效率称为泵的效率, , 用用总来表示。因此总来表示。因此, ,离心泵轴所消耗离心泵轴所消耗的实际功率为：的实际功率为：(3) 离心泵的特性曲线离心泵的特性曲线离心泵在出厂时离心泵在出厂时, , 铭牌上一般都标有转数铭牌上一般都标有转数( n )( n )、排液、排液量量( q( qv v ) )、压头或扬程、压头或扬程( H( He e ) )、功率、功率( N( N轴轴) ) 和效率和效率( (总总) ) 等项数据。这些数据指标是在泵的工作效率最高时等项数据。这些数据指标是在泵
47、的工作效率最高时的数值。但是在实际应用中的数值。但是在实际应用中, , 当其中一个发生变化时当其中一个发生变化时, , 其他指标也随之变化。其他指标也随之变化。因此因此, , 通常用实验方法测出这些通常用实验方法测出这些量之间的关系量之间的关系, , 即将离心泵在固定转数下其实际送液能即将离心泵在固定转数下其实际送液能力、压头、功率和效率的关系作成曲线力、压头、功率和效率的关系作成曲线, , 称为该泵的特称为该泵的特性曲线。性曲线。He-qv总-qvP轴-qv图图1 - 20 为某离心泵为某离心泵n = 1 450 rmin - 1 时的特性曲线。时的特性曲线。He - qv 曲线曲线表示离心
48、泵的扬程与实际送液能力表示离心泵的扬程与实际送液能力的关系的关系;P轴轴- qv 曲线曲线表示离心泵的轴功率与实际送液能表示离心泵的轴功率与实际送液能力的关系力的关系;总总- qv曲线曲线表示离心泵的总效率与实际送液能表示离心泵的总效率与实际送液能力的关系。力的关系。泵的结构型式不同泵的结构型式不同, 其特性曲线也不同。一般离心泵其特性曲线也不同。一般离心泵出厂前都通过实验测定出厂前都通过实验测定, 而将其特性曲线附在说明书而将其特性曲线附在说明书中中, 作为选择泵的依据。选择泵时作为选择泵的依据。选择泵时, 一般应以泵在最高一般应以泵在最高效率附近的性能为准。要保证既能达到要求的压头效率附近的性能为准。要保证既能达到要求的压头, 又能满足工艺上的送液量。又能满足工艺上的送液量。
