流体输配管网 全部课件

1、高等学校教材 流体输配管网 主 编 龚光彩 主 审 陈在康,课程概述 一、 本课程的地位、作用和任务 本课程为建筑环境与设备工程专业主干专业必修理论课之一，是沟通专业基础课与专业课之间的桥梁。通过本课程的学习，目的是使学生进一步拓宽专业基础口径，掌握暖通空调工程、城市燃气工程、供热工程、建筑给排水工程、建筑消防工程、工厂动力工程等各类工程中管网系统设 计分析、调试和调节的基本理论和方法，为学习有关后续课程打下必要的基础，并具备初步的工程实践能力。能够正确应用设计手册和参考资料进行上述管网系统的设计、调试和调节，同时为从事其它大型、复杂管网工程的设计和运行管理打下初步基础。 二、 本课程对先修课

2、的要求 先修课程：高等数学，理论力学，流体力学,课程概述 三、教学内容与教学要求 为适应全国范围内的建筑环境与设备工程专业教学内容改革，本课程是将原有本专业及相关专业的空调工程、燃气输配、供热工程、通风工程、建筑给排水、锅炉及锅炉房设备、建筑消防工程、工厂动力工程等课程中的管网系统原理部分抽出，经提炼后与流体力学泵与风机中的泵与风机部分进行整合、充实而成的一门课程。上述各门专业课不再讲授“管网系统”原理部分，但需要在教学中注意与本课程的联系；流体力学泵与风机不再讲授“泵与风机”部分，并更名为流体力学。 本课程在流体力学的“一元流体动力学基础”、“流动阻力和能量损失”、“孔口管嘴管路流动”“相似

3、性原理”等理论基础上进行教学，不再重复流体力学的这部分内容，但要特别注意加强与这部分内容的联系与呼应，尤其是在能量方程、沿程阻力和局部阻力、串联并联管路、枝状环状管网等方面的衔接与分工。本课程在构建管网系统理论体系的同时，应特别重视工程应用方法和培养学生的工程实践能力，要注意防止本课程偏离工程实践，成为流体力学或网络理论。,第1章 流体输配基础,建筑流体输配管网按照目的和用途来划分，大致可分为下述4类： 1. 满足（建筑）环境控制（生产工艺或生活所需要的环境）目标的管网系统； 2. 满足生产工艺及生活需要的用水，用气管网系统； 3. 安全消防； 4. 其它，如制冷机组各元件（零部件）之间的连接

4、管道、空压管道等。,满足（建筑）环境控制目标的管网系统又可分为下述管道系统： 1、蒸汽供暖系统 2、民用建筑空调通风系统 3、工业通风及环境控制系统 4、空调冷冻水系统、冷却水系统 5、热水采暖系统 6、城市集中供热管网系统（又属市政之一） 统称暖通空调系统。,满足生产工艺与生活需要的用水，用气系统大致为： 1、建筑给水系统 2、建筑排水系统 3、室内煤气（燃气）系统 4、城市燃气系统（也属于市政工程专业的内容之一） 而城市供、排水管网系统均属市政工程（城市道路也可属市政）。,安全消防（可以理解为环境控制需要的一种延伸，即可以归入一种“广义的”可满足环境控制目标需要的管网系统）有： 1、消防给

5、水系统（给排水） 2、防排烟系统（暖通空调） 其它，如制冷工质在制冷机组各元件（零部件）之间的连接管道内部的流动，空气压缩管道等。,按照流体力学特性，管道又可分为简单管路、复杂管路。 复杂管路是简单管路、串联管路与并联管路的组合，一般可分为枝状管网和环状管网。,1.1 有压管网水力计算基础,1.1.1 枝状管网与环状管网 流体输配管网基本任务： 一、流体（物质）的转运与分配 二、能量的转运与分配 在流体（物质）、能量的转运与分配过程中，存在流体的机械能损失。,1.1.1.1 枝状管网 枝状管网是指输送流体的管道通过串联与并联的组合呈树枝状排列的管道系统（管网）。,图1-1 枝状管网,根据并、串

6、联管路的计算原则，可得到该风机应具有的压头为 （1-1） 风机应具有的风量为 （1-2）,图1-2 均匀泄流管路,管段每单位长度上泄出的流量均相同即等于qV，这种管路称为均匀泄流管路,（1-3）,（1-4）,近似写作,（1-5）,引入计算流量qVc,（1-6）,（1-7）,流量qVz=0,（1-8）,环状管网遵循串联和并联管路的计算原则， 根据其特点，并存在下列两个条件： （1）任一节点（如点）流入和流出的流量相等。 （2）任一闭合环路中，如规定顺时针方向流动的阻力损失为正，反之为负，则各管段阻力损失的代数和必等于零。,（1）哈迪克罗斯（Hardy-Cross）方法,图1-4 环路划分,1.1

7、.1.2 环状管网 1、Hardy-Cross方法 环状管网是指管道通过串联与并联的组合存在一个以上闭合环路的管道系统（管网）。 图1-3,计算程序如下： 将管网分成若干环路如图1-4上分成、三个闭合环路。按节点流量平衡确定流量，选取限定流速，定出管径D。 按照上面规定的流量与损失在环路中的正负值，求出每一环路的总损失。 根据上面给定的流量，若计算出来的不为零，则每段管路应加校正流量，而与此相适应的阻力损失修正值为。 用同样的程序，计算出第二次校正后的流量，第三次校正后的流量，直至满足工程精度要求为止。,图 1-5 环网计算图,（2）燃气环状管网水力计算方法 手工表格法步骤： 布置管网，绘制管

8、网平面示意图。 计算管网各管段的途泄流量。 假定各管段的气流方向并选择零速点。 求管网各管段的计算流量。 选择管径。 进行初步计算。 进行校正计算，即水力平差计算。,例1-2 有一低压环网，环网中管段的长度及环内建筑用地面积均如图1-6所示，人口密度每公顷为500人，每人每小时的平均用气量为0.08m3，在2、6、9节点处有三个集中用户，用气量如图所示。现供应该管网的是城市焦炉燃气，燃气对空气相对密度为500Pa，求管网中各段的管径。,图1-6 燃气环网计算图,1.1.2 小密度差管流流动,图 1-7热水采暖示意图,对1-1，2-2两个截面，其伯努利方程 （1-20） 式（1-20）考虑的是浮

9、力（密度差）对流动过程的影响，称之为小密度差管流能量方程。 热水自然循环 （1-21）,在工程中的许多场合，我们往往可以认为管道 中流体的密度变化是集中在某处或某个断面发生的，例如热水采暖系统中高温热水通过散热器时流体密度突然发生了变化，这种变化所产生的附加压头可由前述之自然循环系统的作用力计算公式得到。 还有一类典型的流动亦可归结为小密度差管流流动，即管内流体与管外流体存在的密度差所导致的流动，这一类也存在两种场合：一是密度与空气不同的其它气体流动，如燃气流动，其密度大多轻于空气；另一个场合是高温烟气流动，烟气密度一般也低于当地空气的密度。,对于恒定气流流动，其能量方程可表示为： （1-23

10、） 是断面1、2的相对压强，专业上习惯称为静 压。 习惯称为动压。 是容重差与高程差的乘积，称为位压，表 示管内外流体密度差的作用,当气流方向（向上或向下）与实际作用力（重力或浮力）方向相同时，位压为正。当二者方向相反时，位压为负。 应当注意，气流在有效浮力作用下，位置升高，位压减小；位置降低，位压增大。这与气流在有效重力作用下，位置升高，位压增大；位置降低，位压减小正好相反。,是1，2两断面间的压强损失。 静压和位压相加，称为势压，以 表示。 势压与管中水流的测压管水头相对应。 静压和动压之和，称为全压，以 表示。 静压，动压和位压三项之和以 表示，称 为总压，与管中水流的总水头线相对应。,

11、存在位压时，总压等于位压加全压。位压 为零时，总压就等于全压。 位压（ ）（ ）实际上就表示了管内 外流体存在密度差时所具有的附加压头。,烟气流动 图1-9,对1-1断面处烟囱内外之流体可分别写出 其静力学基本方程： （1-25） （1-26） 若 在1-1断面处烟囱内外两侧压差大小为： （1-27）,1.2 无压流动基础明渠均匀流,1.2.1 概述 明渠是一种具有自由表面水流的渠道。 可分为 天然明渠，如天然河道。 人工明渠，如人工渠道（输水渠、排水 渠等）、运河及未充满水流 的管道等。 明渠水流与有压管流不同，它具有自由表面，表面上各点受大气压强作用，其相对压强为零，故又称为无压流动或重力

12、流动。,1.2.1.1 明渠的分类 由于过水断面形状、尺寸与底坡的变化对明渠水流运动有重要影响，故明渠一般分为以下类型： 1. 棱柱形渠道与非棱柱形渠道: 凡是断面形状及尺寸沿程不变的长直渠道，称为棱柱形渠道，否则为非棱柱形渠道。,图 1-10 常见渠道断面形状,2. 顺坡、平坡和逆坡渠道: 明渠底一般是个斜面，在纵剖面上，渠底便成一条斜直线，这一斜线就是渠道底线的坡度便是渠道底坡，它单位流程上渠底高程降低值。 一般规定： 渠底沿程降低的底坡为称为顺坡；渠底水平时，称为平坡；渠底沿程升高时，称为逆坡。,图1-11 渠道底坡类型,1.2.1.2 明渠均匀流的条件与特征 均匀流是一种渐变流的极限情

13、况，即流线是绝对平行无弯曲的流动。 明渠均匀流的水流具有如下特征： 断面平均流速沿程不变；水深也沿程不变；而且总能线即总水头线，水面及渠底相互平行，也就是说，其总水头线坡度（水力坡度），测管水头线坡度（水面坡度）和渠道底坡彼此相等（图1-13），亦即,图1-13 明渠均匀流,1.2.2 明渠均匀流的计算公式 明渠水流一般属于紊流阻力平方区即第二自模区。明渠均匀流水力计算中的流速公式，长期以来一般表示为如下形式： （1-31）,1.谢才公式 1769年，法国工程师谢才（Antoine Chezy）提出了明渠均匀流的计算公式即谢才公式 （1-32） 2.流量模数与正常水深 根据谢才公式可得流量计算

14、式 (1-34),3. 曼宁公式与巴甫洛夫斯基公式 爱尔兰工程师曼宁（Robert Manning）1889年亦提出了一个明渠均匀流公式。 （1-37） 将谢才公式与曼宁公式相比较，便得 （1-38） 此式表明了谢才系数与曼宁粗糙系数之间的重要关系，称之为曼宁公式。,4. 粗糙系数n 粗糙系数值的大小综合反映渠道壁面（包括渠底）对水流阻力的作用，它不仅与渠道表面材料有关，同时和水位高低（即流量大小）以及运行管理的好坏有关。 因此，正确地选择渠道壁面的粗糙系数对于渠道水力计算成果和工程造价的影响颇大。,1.2.3 明渠水力最优断面和允许流速 1. 水力最优断面 明渠均匀流输水能力的大小取决于渠道

15、底坡、粗糙系数以及过水断面的形状和尺寸。在设计渠道时，底坡一般随地形条件而定，粗糙系数取决于渠壁的材料，于是，渠道输水能力只取决于断面大小和形状。 当i、n及A大小一定，使渠道所通过的流量最大的那种断面形状称为水力最优断面。,梯形断面的水力最优条件 设明渠梯形过水断面（图1-10a）的底为b，水深为h，边坡系数为m，水力最优条件为,2. 渠道的允许流速 式中 是免遭冲刷的最大允许流速，简称不冲允许流速； 是免受淤积的最小允许流速，简称不淤允许流速。,1.2.4 明渠均匀流水力计算的基本问题 明渠均匀流的水力计算，主要有以下三种基本问题，现以最常用的梯形断面渠道为例分述如下： 1. 验算渠道的输

16、水能力 这类问题主要是对已成渠道进行校核性的水力计算，特别是验算其输水能力问题。,2. 决定渠道底坡 设计渠道底坡时，一般已知土壤或护面材料、设计流量以及断面的几何尺寸，即已知n、qV和m、b、h0各量，求所需要的底坡i。 3. 决定渠道断面尺寸 在设计一条新渠道时，一般已知流量qV 、渠道底坡i、边坡系数m及粗糙系数n，求渠道断面尺寸b和h。,1.2.5 无压圆管均匀流的水力计算 1.2.5.1. 无压圆管均匀流的水力特征 1、水力特征 （1）明渠均匀流动，对于比较长的无压圆管来说，直径不变的顺直段，其水流状态与明渠均匀流相同，它的水力坡度、水面坡度以及底坡彼此相等。 （2）无压圆管道均匀流

17、之流速和流量分别在水流为满流之前，达到其最大值。 水流在无压圆管中的充满程度可用水深对直径的比值即充满度来表示。其输水性能最优时的水流充满度可根据水力最优条件导出。,2、无压圆管均匀流过水断面水力要素,、,1.2.5.2 无压圆管的计算问题 无压管道水力计算的基本问题分为下述三类。 （1）检验过水能力，即已知管径、充满度、管壁粗糙系数及底坡，求流量。 （2）已知通过流量及管径、充满度和管壁粗糙系数，要求设计管底的坡度。 （3）已知通过流量及充满度、管壁粗糙系数和底坡，要求决定管径。,第2章 泵与风机的理论基础,2.1 泵与风机的分类及性能参数,2.1.1 常用泵与风机的分类 泵与风机是利用外加

18、能量输送流体的流体机械。 2.1.1.1 容积式 容积式泵与风机在运转时，机械内部的工作容积（体积）不断发生变化，从而吸入或排出流体。,又可分为: 1. 往复式 这种机械借活塞在汽缸内的往复作用使缸内容积反复变化，以吸入和排出流体，如蒸汽活塞泵等； 2. 回转式 机壳内的转子或转动部件旋转时，转子与机壳之间的工作容积发生变化，借以吸入和排出流体，如齿轮泵、罗茨鼓风机、滑板泵等。,2.1.1.2 叶片式 叶片式泵与风机的主要结构是可旋转的、带叶片的叶轮和固定的机壳。通过叶轮的旋转对流体做功，从而使流体获得能量。,根据流体的流动情况，可将它们再分为下列数种： 1. 离心式泵与风机； 2. 轴流式泵

19、与风机； 3. 混流式泵与风机； 4. 贯流式风机。 2.1.1.3 其它类型的泵与风机 如引射器、旋涡泵、真空泵等。,图2-1 离心式风机主要结构分解示意图 1吸入口；2叶轮前盘；3叶片；4后盘；5机壳； 6出口；7截流板，即风舌；8支架,工作原理 当叶轮随轴旋转时，叶片间的气体也随叶轮旋转而获得离心力，并使气体从叶片之间的出口处甩出。被甩出的气体挤入机壳，于是机壳内的气体压强增高，最后被导向出口排出。气体被甩出后，叶轮中心部分的压强降低；外界气体即能从风机的吸入口通过叶轮前盘中央的孔口吸人，源源不断地输送气体。,作为向流体提供能量的设备，描述其性能的常用参数有 扬程、流量、功率、效率及转速

20、等。,2.1.2.1 泵的扬程与风机的全压和静压 1. 泵的扬程： 泵所输送的单位重量流量的流体从进口至出口的能量增值即为扬程；也即单位重量流量的流体通过泵所获得的有效能量，单位是m。 2. 风机的压头(全压) 与静压 （1）风机的压头(全压) ：单位体积气体通过风机所获得的能量增量即全压，单位为Pa。 （2）风机的静压：风机全压减去风机出口动压即风机静压. 3. 流量：单位时间内泵或风机所输送的流体量称为流量。常用体积流量表示，单位为“m3/s”或“m3/h”。,2.1.2.2 功率及效率 1. 有效功率: 在单位时间内通过泵的流体（总流）所获得的总能量叫有效功率，以符号Pe表示 对水泵，有

21、 对风机，有 2. 全效率（效率）：表示输入的轴功率P被流体所利用的程度，用泵或风机的全效率（简称效率） 来计量。 3 转速n 它指泵或风机叶轮每分钟的转数即“r/min”。,2.2 离心式泵与风机的基本方程欧拉方程,图2-2 泵或风机工作时能量的转换与迁移过程示意图,2.2.2 理想叶轮 速度三角形 2.2.2.1 理想叶轮 1. 假设流体通过叶轮的流动是恒定的，且可看成是无数层垂直于转动轴线的流面之总和，在层与层的流面之间其流动互不干扰。 2. 假设叶轮具有无限多的叶片，叶片厚度无限薄，流体流过时无惯性冲击。即流体在叶片间流道作相对流动时，其流线与叶片形状一致，且当流体进、出叶片流道时，与

22、叶片进、出口的几何安装角、一致，即流体“进入和流出时无冲击”。 3. 假设流经叶轮的流体是理想不可压缩流体，即在流动过程中，不计能量损失。,图2-3 流体在叶轮流道中的流动 (a)风机的叶轮；(b)流体在叶轮中的速度 1叶轮前盘；2叶片；3后盘；4轴；5机壳,2.2.2.2 速度三角形,图2-4 叶片进口和出口处流体速度图 图2-5 流体在叶轮中运动的 速度三角形 1进口；2出口；u圆周速度； w相对速度；v绝对速度,2.2.3 理想叶轮流量计算 从理论力学可知，流体的圆周速度为：,2.2.3 理想叶轮欧拉方程,特点： 1. 用动量矩定理推导基本能量方程时，并未分析流体在叶轮流道内的运动过程，

23、于是，流体所获得的理论扬程，仅与流体在叶片进、出口处的运动速度有关，而与流动过程无关； 2. 流体所获得的理论扬程，与被输送流体的种类无关。也就是说无论被输送的流体是水或是空气，乃至其它密度不同的流体；只要叶片进、出口处的速度三角形相同，都可以得到相同的流体柱（液柱或气柱）高度（扬程）。,2.2.4 实际叶轮欧拉方程,实际叶轮的理论扬程方程式或实际叶轮欧拉方程,2.2.5 理论扬程HT之组成,总扬程系由以下三部分组成： 1. 式第三项是单位重量流体的动能增量，也叫动压水头增量， 2. 式的第一项是单位重量流体在叶轮旋转时所产生的离心力所作的功W，使流体自进口(r1处)到出口(r2处)产生一个向

24、外的压能(静压水头)增量。 3. 式的第二项是由于叶片间流道展宽，以致相对速度有所降低而获得的静压水头增量，它代表着流体经过叶轮时动能转化为压能的份量。,2.3 实际叶轮的理论性能曲线,2.3.1 叶型及其对性能的影响,图2-7 叶轮叶型与出口安装角 后向叶型，,；(b)径向叶型，,；(c)前向叶型,实践证明,动压水头成分大，流体在蜗壳及扩压器中的流速大，从而动静压转换损失必然较大。 其它条件相同时，尽管前向叶型的泵和风机的总的扬程较大，但能量损失也大，效率较低。,离心式泵全都采用后向叶轮。在大型风机中，为了增加效率或降低噪声水平，也几乎都采用后向叶型。 叶轮是前向叶型的风机，在相同的压头下，

25、轮径和外形可以做得较小,中小型风机效率不是主要考虑因素, 采用前向叶型。 在微型风机中，大都采用前向叶型的多叶叶轮。,2.3.2 实际叶轮的理论流量压头曲线与流量功率曲线 泵和风机的扬程、流量以及所需的功率等性能是互相影响的，通常用以下三种形式来表示这些性能之间的关系： 1. 泵或风机所提供的流量和扬程之间的关系，用来表示； 2. 泵或风机所提供的流量和所需外加轴功率之间的关系，用来表示； 3. 泵或风机所提供的流量与设备本身效率之间的关系，用来表示。,上述三种关系常以曲线形式绘在以流量qV为横坐标的图上。这些曲线叫做性能曲线。,从曲线可以看出，前向叶型的风机所需的轴功率随流量的增加而增长得很

26、快。因此，这种风机在运行中增加流量时，原动机超载的可能性要比径向叶型风机的大得多，而后向叶型的风机几乎不会发生原动机超载的现象。,离心泵,离心泵装置简图,吸上原理与气缚现象,如果离心泵在启动前壳内充满的是气体，则启动后叶轮中心气体被抛时不能在该处形成足够大的真空度，这样槽内液体便不能被吸上。这一现象称为气缚。,主要部件,（1）叶轮 叶片（+盖板）,612个叶片 （前弯、后弯，径向）,液体通道。,闭式叶轮：前盖板、后盖板,半开式： 后盖板,开式： 无盖板,平衡孔：消除轴向推力,截面积逐渐扩大的蜗牛壳形通道 液体入口 中心,（2）泵壳：泵体的外壳，包围叶轮,出口 切线,作用： 汇集液体，并导出液体

27、； 能量转换装置,（3）泵轴：垂直叶轮面，穿过叶轮中心,轴封：旋转的泵轴与固定的泵壳之间的密封。 作用：防止高压液体沿轴漏出或外界空气漏入。,机械密封,填料密封,填料密封 1填料套；2填料环；3填料；4填料压盖；5长扣双头螺栓；6螺母,填料：采用浸油或涂石墨的石棉绳。 结构简单，但功率消耗大，且有一定程度的泄漏。,（4）导轮的作用, 减少能量损失,2.4 泵与风机的实际性能曲线,2.4.1 水力损失 机内阻力损失发生于下述几个部分。 一，进口损失H1. 二，撞击损失H2. 三，叶轮中的水力损失H3。 它包括：叶轮中的摩擦损失和流道中流体速度大小、方向变化及离开叶片出口等局部阻力损失. 四，动压

28、转换和机壳出口损失H4。,图2-11 撞击损失、其它水力损失与流量的关系,图2-12 机内流体泄漏回流图,2.4.2 容积损失 通过间隙的泄漏流量可由下式估算： q=,减少回流量可以采取以下两方面的措施。 一是尽可能增加密封装置的阻力，例如将密封环的间隙做得较小，且可做成曲折形状. 二是密封环的直径尽可能缩小，从而降低其周长使流通面积减少。,2.4.3 机械损失 泵的圆盘摩擦损失的功率P2可表示为： P2还可用下式近似计算,2.4.4 泵与风机的全效率 泵和风机的全效率等于容积效率，水力效率及机械效率的乘积。,qVH、qVN和qV一P三条曲线是泵或风机在一定转速下的基本性能曲线。 其中最重要的

29、是qVH曲线，因为它揭示了泵或风机的两个最重要、最有实用意义的性能参数之间的关系。,2.4.5 泵与风机的性能曲线,通常按照qVH曲线的大致倾向可将其分为下列三种：(1)平坦型，(2)陡降型，(3)驼峰型。,图2-14 三种不同的qVH曲线 1平坦型；2陡降型；3驼峰型,特性曲线的变换,液体粘度的影响 液体粘度改变，HV、NV、V曲线都将随之而变。,液体密度的影响 离心泵的理论流量和理论压头与液体密度无关，HV曲线不随液体密度而变，V曲线也不随液体密度而变。 轴功率则随液体密度的增加而增加。 离心泵启动时一定应在泵体和吸入管路内充满液体，否则将发生“气缚” 现象。,特性曲线是制造厂用20清水在

30、一定转速下实验测定的。若输送液体性质与此相差较大，泵特性曲线将发生变化，应加以修正，使之变换为符合输送液体性质的新特性曲线。,2.5 相似律与比转数,2.5.1 泵与风机的相似律 2.5.1.1 相似条件 泵或风机的相似同样须满足几何、运动及动力相似三个条件, 相似工况：当原型性能曲线上某一工况点A与模型性能曲线上工况点A所对应的流体运动相似，也就是相应的速度三角形相似，则A与A两个工况为相似工况,2.5.1.1 相似律 1流量关系： 2扬程关系： 3功率关系：,2.5.2 风机的无因次性能曲线,图2-17 4-72-11型风机的无因次性能曲线,2.5.3 比转数 同一“系列”的诸多相似机既然

31、可用一条无因次性能曲线来表述，那么，视在此曲线上所取的工况点之不同，就会有许多组值。 如果我们指定效率最高点（即最佳工况点）的一组值，作为这个“系列”的代表值，这样，就把表征“系列”的手段由一条无因次曲线简化成两个参数值，作为这个系列的代表值。从而找到了非相似泵或风机即不同系列机器的比较基础比转数。,实际上的比转数定义为： 比转数的实用意义如下： （一）比转数反映了某系列泵或风机性能上的特点。 （二）比转数可以反映该系列泵或风机在结构上的特点。 （三）比转数可以反映性能曲线变化的趋势。,图2-18 风机比转数，叶轮形状,图2-19 泵的比转数、叶轮形状和性能曲线形状,图2-20 比转数对性能曲

32、线变化趋势影响 (a)比转数较低的机器；(b)比转数较高的机器,前面所讲的大多是设计效率，到目前而言存在的问题： 1. 性能曲线是一条连续的曲线，其上有无穷多个点，泵与风机到底在哪一点上工作，工作时的qv如何定。 2. 设计效率在0.60.95之间，为什么运行效率会低于50%？ 3. 某一台泵的运行效率为75%，设计效率为80%，换一台新泵的设计效率为90%，额定的H、 qv都比旧泵大。实测发现，安装后，新泵的运行效率却降低，为什么？ 4. 有时阀门全开时，运行效率比较低(如60%)，但稍关阀门之后，运行效率反倒有所提高。但关阀门等于增加阻力，增加了消耗，效率应下降才对。 这些问题都可通过运行

33、的工作点的确定来解决,管道特性曲线，也称作装置特性能曲线或系统特性曲线 管道特性曲线是指流体在管道中流动时，流量与维持该流量所需的能量之间的关系。,管路特性曲线及工作点,泵从吸入容器水面AA处抽水，经泵输送至压力容器BB，其中经过吸水管路和压水管路.,1、管路特性曲线,断面AA与11的伯努利方程为,管路特性曲线,断面BB与22的伯努利方程为：,则：,上式左边为泵的扬程，右边为系统阻力，即管路系统为输送液体所需要的总扬程，称为装置扬程Hc。稳定运行时，扬程与阻力平衡。,管路特性曲线,对于风机：,与流量无关，称为静扬程Hst,离心泵的工作点,当泵安装在一定管路系统中的离心泵工作时，泵输出的流量即为

34、管路流量、泵提供的压头即为管路所要求的压头。泵的特性曲线与管路特性曲线有一交点a点，该交点称为离心泵的工作点。,2.6.1 轴流式风机 轴流式泵与风机能满足大流量和低压头要求。 轴流机原理：按流体力学关于“绕流阻力和升力”的相关原理，绕流物体这里指叶片，在垂直于流动方向存在着升力L，平行于流动方向产生阻力D。根据作用力和反作用力关系原理，叶片对流体和升力和阻力的合理利用，就是叶片形状设计的目的。,图2-22 气流质点通过叶栅的运动情况,轴流式风机与离心式风机具有同样的理论压头方程式：,图2-23 30E-11No.36型轴流风机性能曲线,轴流风机在性能曲线方面的特点可以归纳为如下三点： （一）

35、qVH曲线大都属于陡降型曲线。 （二）qVP曲线在流量为零时N最大，当流量增大时，H下降很快，轴功率也有所降低，这样往往使轴流式风机在零流量下启动的轴功率为最大。 （三） qV曲线在最高效率点附近迅速下降，由于流量不在设计工况下气流情况迅速变坏，以致效率下降很快。所以轴流式风机的最佳工作范围较窄。,图2-24 贯流式风机示意图（1叶片；2封闭端面） (a)贯流式风机叶轮结构示意图；(b)贯流式风机中的气流,2.6.2 贯流式风机贯流式风机的主要特点 1.叶轮一般是多叶式前向叶型，但两个端面是封闭的。 2.叶轮的宽度b没有限制，当宽度加大时，流量也增加。 3.贯流式风机不像离心式风机是在机壳侧板

36、上开口使气流轴向进入风机，而是将机壳部分地敞开使气流直接径向进入风机。 4.在性能上，贯流式风机的全压系数较大，曲线是驼峰型的，效率较低，一般约为3050。 5.进风口与出风口都是矩形的，易与建筑物相配合。,图2-25 贯流式风机的无因次性曲线,2.6.3 往复泵与真空泵 2.6.3.1 往复式泵 往复式泵属于容积泵，主要结构包括泵缸、活塞或柱塞、连杆、吸水阀和压水阀等单作用往复泵的理论流量可按下式计算： qVTAsn,2.6.3.2 真空泵 水环式真空泵实际上是一种压气机，它抽取容器中的气体将其加压到高于大气压，从而能够克服排气阻力将气体排入大气。 真空泵在工作时应不断补充水，用来保证形成水

37、环和带走摩擦引起的热量。,2.6.4 深井泵与旋涡泵 2.6.4.1 深井泵 由以下几个主要部分组成： (一)装于上壳7、中壳9和下壳8中的泵本体，它的叶轮18是混流式多级叶轮； (二)扬水管5和传动轴6； (三)装在地面的电动机1和泵座2； (四)滤水网11与吸水管10。,图2-26 SD型深井泵的结构图 (a)整机外形；(b)泵体结构 1-电动机；2-泵座；3-基础；4-井管；5扬水管；6传动轴；7上壳；8下壳；9中壳；10吸水管；11滤水网；12轴承体；13螺纹联轴 器；14止回阀；15截止阀；16轴承衬套；17锥形套；18叶轮,2.6.5 常用压缩机 2.6.5.1 活塞式压缩机 1压

38、缩机的理论排气量确定： 对于单作用式压缩机 对于双作用式压缩机 压缩机实际排气量由下式确定：,2压缩级数的确定： 所谓多级压缩就是将气体依次在若干级中进行压缩，并在各级之间将气体引入中间冷却器进行冷却。多级压缩除了能降低排气温度，提高容积系数之外，还能节省功率的消耗和降低活塞上的气体作用力。 多级压缩时，级数越多，越接近等温过程，越节省功率的消耗。但是结构也越复杂，造价也越高，发生故障的可能性也就越大。,3活塞式压缩机的变工况工作与流量调节： (1)变工况对压缩机性能的影响 1）吸气压力改变 2）排气压力改变 3）压缩介质改变,（2）活塞式压缩机排气量的调节 1）停转调节 2）改变转数的调节

39、3）停止吸入的调节 4）旁路调节 5）打开吸气阀的调节 6）连接补助容积的调节,2.6.5.2 回转式压缩机 1滑片式气体压缩机 滑片式气体压缩机是由气缸部件、壳体和冷却器等主要部分组成。 滑片式压缩机的理论排气量可用下式确定：,2罗茨式回转压缩机 罗茨式回转压缩机，一般习惯称为罗茨式鼓风机。它是利用对相反旋转的转子来输送气体的设备，其工作情况如图所示。,图2-27 罗茨式回转压缩机 1机壳； 2转子； 3压缩室,3螺杆式气体压缩机 螺杆式气体压缩机的气缸成8字形，内装两个转子阳转子(或称阳螺杆)和阴转子(或称阴螺杆)。 目前转子采用对称型线和非对称型线两种，国内多用钝齿双边对称圆弧型线为转子

40、的端面型线，如图2-28所示,图2-28 转子端面型线 1阳转子；2阴转子,2.6.5.3 离心式压缩机 离心式压缩机的叶轮基本构造与离心风机或泵相同。 压缩机的主轴带动叶轮旋转时，气体自轴向进入并以很高的速度被离心力甩出叶轮，进入扩压器中。在扩压器中由于有宽的通道，气体的部分动能转变为压力能，速度降低而压力提高。接着通过弯道和回流器又被第二级吸入，通过第二级进一步提高压力。依此逐级压缩，一直达到额定压力。,2.6.5.4 压缩机的排气温度及功率计算 1压缩机的排气温度 容积式(活塞式和回转式)压缩机的排气温度可按绝热压缩公式计算,2压缩机的功率 容积式压缩机的功率根据绝热压缩功公式，通过单位

41、换算，对于有中间冷却器的多级压缩容积式压缩机，各级入口温度相同，各级压缩比相同时，其理论功可按下式计算,2.7 相似律的实际应用,2.7.1 当被输送流体的密度改变时性能参数的换算,2.7.2 当转速改变时性能参数的换算,2.7.3 泵叶轮切削仅时轮直径D改变的换算 此时，根据(2-41)，(2-42)及(2-44)式，可将相似律简化为：,2.7.4当叶轮直径和转数都改变性能曲线的换算,图2-29 相似泵qVH曲线的换算,例：某一单吸单级泵，流量Q=45m3/s ，扬程H=33.5m，转速n=2900r/min ,试求其比转数为多少？如该泵为双吸式，应以Q/2作为比转数中的流量计算，则其比转数

42、应为多少，当该泵设计成八级泵，应以H/8作为比转数中的扬程计算值，则比转数为多少？,第3章 冷、热水循环管路,3.1 水的自然循环,3.1.1自然（重力）管流水力特征,图3-1自然循环管路系统示意图,自然（重力）循环管路系统中流体的流动动力取决于竖管段内的密度差和竖管段的垂直高度。,3.1.2自然（重力）循环热水系统的工作原理,图3-2 自然循环热水供暖系统工作原理图 1散热器；2热水锅炉；3供水管路； 4回水管路；5膨胀水箱,由式可以看出，自然循环作用的大小与供、回水的密度差和散热中心和锅炉中心的垂直距离有关。 如供水温度为95，回水温度70，则每米高差可产生的作用压力为，自然循环的作用压力

43、不大，系统中若积有空气，会形成气塞，阻碍循环，因此管路排气是非常重要的,3.1.3自然循环热水系统的形式和特点 图3-3 自然循环单管上供下回式系统 1总立管；2供水干管；3供水立管；4供水支管； 5回水支管；6回水立管；7回水干管；8连接管； 9充水管；10泄水管；11止回阀,自然循环热水系统采用上供下回系统方式 有双管和单管两种系统形式。如图3-3中（a）（b）所示， （a）为双管上供下回式系统； （b）为单管上供下回式（顺流式）系统。,3.1.4 自然循环热水系统的作用压力 3.1.4.1双管上供下回式系统的作用压力,作用压力分别为,3.1.4.2单管上供下回式系统的作用压力,当循环环路

44、中有N组串联的冷却中心（散热器）时，其自然循环作用压力可用下述通式表示,其循环作用压力值为,从上面作用压力的计算公式可见，单管热水供暖系统的作用压力，与水温变化，加热中心与冷却中心的高差，以及冷却中心的个数等因素有关。 每一根立管只有一个自然循环作用压力，而且即使最低层的散热器低于锅炉中心（为负值），也可使循环水流动。,为了计算单管系统自然循环的作用压力，需要求出各个冷却中心之间管路中水的密度，为此，就首先要确定各冷却中心之间管路的水温。,在单管系统运行期间，由于立管的供水温度或流量不符合设计要求，也会出现垂直失调现象。但在单管系统中，影响垂直失调的原因，不是由于各层作用压力的不同，而是由于各

45、层散热器的传热热系数,【例3-1】如图3-6所示为三层楼房自然循环热水供暖系统，明装立管不保温，总立管距散热器立管之间的距离为15m，散热器的热负荷分别为700w，600w，800w。供水温度95，回水温度70。 求：1.双管系统自然循环的综合作用压力。 2.单管系统各层之间立管的水温。 3.单管系统自然循环的综合作用压力。,图3-6 例3-1附图,3.2 水的机械循环,3.2.1 机械循环水力特征 机械循环流动的能量方程与自然循环流动的能量方程的区别在于循环作用压力增加了水泵扬程，即,3.2.2机械循环水系统的工作原理 如图3-7，以机械循环热水供暖系统说明机械循环水系统工作原理。机械循环系

46、统设置了循环水泵、膨胀水箱、集气罐和散热器等设备，与自然循环系统主要区别 一是循环动力不同； 二是膨胀水箱的连接点和作用不同； (膨胀水箱的连接点位于水泵入口或回水干管上.) 三是排气方式不同。,图3-7 机械循环热水系统 1循环水泵；2热水锅炉；3集气罐； 4膨胀水箱,3.2.3 机械循环水系统型式 机械循环水系统按工作介质温度可分为热水循环系统和冷水循环系统； 按工作介质是否与空气接触可分为闭式系统和开式系统； 按系统中的各并联环路中水的流程可分为同程系统和异程系统。 按系统中循环水量的特性可分为定流量系统和变流量系统； 按系统中冷热水管道的布置方式是可分为双管制系统和四管制系统.,3.2

47、.3.1室内机械循环热水供暖系统 室内机械循环热水供暖系统的形式相当多，按管道敷设方式的不同，分为垂直式系统和水平式系统。,1垂直式系统 （1）上供下回式系统,图3-8 机械循环上供下回式热水系统 1热水锅炉；2循环水泵；3集气罐；4膨胀水箱,（2）双管下供下回式系统,图3-9 机械循环下供下回式热水供暖系统 1热水锅炉；2循环水泵；3集气罐； 4膨胀水箱；5空气管；6放气阀,（3）中供式系统,（4）下供上回（倒流）式系统,图3-11 机械循环下供上回（倒流）式热水系统 1热水锅炉；2循环水泵；3膨胀水箱,2.水平式系统,3.2.3.2室外机械循环热水供热管网 机械循环室外热水供热管网由热源、

48、热网和热用户三部分组成。 供热管网的供热管道常用双管制系统。,1.热水管网与热用户的连接方式,图3-14 双管热水供热管网与热用户连接示意图 （a）无混合装置的直接连接；（b）装水喷射器的直接连接； （c）装混合水泵的直接连接；（d）热用户与热网间接连接 1热源的加热装置；2循环水泵；3补给水泵； 4补给水压力调节器；5散热器；6水喷射器；7混合水泵； 8换热器；9热用户系统的循环水泵；10膨胀水箱,2.室外热水供热管网的型式 图3-15 热水支状管网 1热源；2主干线；3支干线；4用户直线； 5热用户的用户引入口,3.2.3.3 机械循环空调冷冻水系统 一个完整的中央空调系统有三大部分组成，

49、即冷热源、供热与供冷管网、空调用户系统。 冷冻水系统是把冷热源产生的冷或热量通过管网输送到空调用户的系统，循环管路由总管、干管和支管组成，各支管与各空调末端装置相连，构成一个个并联回路。,1.双管制与四管制系统 图3-16 两管制与四管制 （a）两管制系统； （b）四管制系统,2.开式和闭式系统 图3-17 开式与闭式系统 （a）开式系统； （b）闭式系统,3.定流量和变流量系统 图3-18 单级泵定流量双管闭式系统 1冷水机组；2循环泵；3空调机组或盘管；4三通阀；5分水器；6集水器,图3-19 变流量系统之一 1冷水机组；2循环泵；3空调机组或盘管； 4二通阀；5分水器；6集水器；7旁通调

50、节阀,4.一次泵和二次泵系统 图3-20 二次泵水系统之一 1一次泵；2冷水机组；3二次泵； 4风及盘管；5旁通管；6二通阀,图3-21 二次泵水系统之二 1冷水机组一次泵；2一次泵； 3二次泵；4压差调节器,3.2.3.4 机械循环同程式和异程式系统 1.异程式系统,图3-22异程式热水系统 1-锅炉；2循环水泵；3集气罐4膨胀水箱,图3-23 异程式冷冻水系统,2.同程式系统,图3-24 热水同程式系统 1-热水锅炉；2-循环水泵；3-集气罐；4-膨胀水箱,图 3-25 同程系统的几种形式 （a）水平管路同程； （b）垂直管路同程； （c）水平与垂直管路均同程,3.2.3.5 机械循环冷却

51、水系统,图3-26 共用供回水干管的冷却水循环系统 （a）下水箱式冷却水系统； （b）上水箱式冷却水系统,3.2.4.1高层建筑水系统承压分析,图3-27 高层建筑空调水系统示意图 1冷水机组；2空气处理设备； 3循环水泵；4膨胀水箱；5调节阀,图3-27的系统运行时，B、C和D点的压力为：,设计中，确定各种设备承压能力时，要考虑系统停止运行、启动瞬间和正常运行三种情况下的承压能力，以最大者来选择设备和管路附件。,3.2.4.2高层建筑水系统形式 （1）分层式系统,图3-28 分层式热水供暖系统,图3-29 双水箱分层式热水供暖系统 1加压水泵；2回水箱；3进水箱； 4进水箱溢流管；5信号管；

52、6回水箱溢流,（2）双水箱分层式系统,3.3 水循环系统管路水力计算,3.3.1循环管路水力计算的原理 3.3.1.1水流动压力损失 1.沿程压力损失 流体在管道内流动时，由于流体与管壁间的摩擦，产生能量损失，称为沿程损失，可用沿程水头损失和沿程压力损失表示。,系统的最不利环路平均比摩阻对整个管网经济性起决定作用。这就需要确定一个经济的比摩阻，使得在规定的计算年限内总费用为最小，因此推荐经济平均比摩阻。 沿程阻力系数与流体的流态和管壁的粗糙度有关，即,图3-32 水管路比摩阻计算图 （1mmH2O9.807Pa）,2.局部压力损失 当流体通过管道的一些附件如阀门、弯头、三通、散热器、盘管等时，

53、由于流体速度的大小或方向改变，发生局部旋涡和撞击，产生能量损失，称为局部损失。,3.总压力损失 任何一个冷热水循环系统都是由很多串联、并联的管段组成，通常将流量和管径不变的一段管路称为一个计算管段。 各个计算管段的总压力损失应等于该管段沿程压力损失与该管段局部压力损失之和，即,3.3.1.2当量局部阻力法 当量局部阻力法是实际工程中为了简化计算，将管段的沿程损失折算成相当的局部损失的一种方法。,3.3.1.3当量长度法 当量长度法是将局部压力损失折算成沿程压力损失的一种简化计算方法。,3.3.2 室内热水循环管路水力计算的任务和方法 室内热水供暖循环系统管路水力计算的主要任务 已知各管段的流量

54、和系统的循环作用压力，确定各管段的管径。这是实际工程设计的主要内容。 已知各管段的流量和各管段的管径，确定系统所必需的循环作用压力。常用于校核计算，校核循环水泵扬程是否满足要求。 已知各管段的管径和该管段的允许压降，确定通过该管段的水流量。用于校核已有的热水供暖系统各管段的流量是否满足需要。 供暖系统水力计算的方法有等温降法和不等温降法两种。,3.3.2.1等温降法 等温降法是采用相同的设计温降进行水力计算的一种方法。 例如双管热水供暖系统每组散热器的温度降相同，都是957025；单管热水供暖系统每根立管的供回水温降相同，都是957025。在这个前提下计算各管段流量，进而确定各管段管径。,3.

55、3.2.2不等温降法 不等温降法就是在垂直单管系统中，各立管采用不同的温降进行水力计算。 不等温降法先选定立管温降和管径，根据压力损失平衡的要求，计算各立管流量，再根据流量计算立管的实际温降，确定所需散热器的数量，最后再用当量阻力法确定立管的总压力损失。,3.3.3 自然循环热水供暖系统的水力计算 以自然循环双管热水管路系统为例，说明自然循环热水管路的水力计算具体步骤。 【例题3-2】 图3-33为自然循环双管热水供暖系统两大并联环路的右侧环路，热媒参数：供水温度90，回水温度70；锅炉中心距底层散热器中心距离为3m，层高为3m；每组散热器的供水支管上有一截止阀；确定此环路的管径。,图3-33

56、 重力循环双管热水供暖系统管路计算图,3.3.4 机械循环热水供暖系统的水力计算 （1）如果室内系统入口处循环作用压力已经确定，可根据入口处的作用压力求出各循环环路的平均比摩阻，进而确定各管段管径。 （2）如果室内系统入口处循环作用压力较高，必然要求环路的总压力损失也较高，这会使系统的比摩阻、管道流速相应提高。对于异程式系统，如果最不利环路各管段比摩阻的过大，其他并联环路的压力损失难以平衡，而且设计中还需考虑管路和散热器的承压能力问题。 对于入口处作用压力过大的系统可先采用经济比摩阻60120Pa/m选取管径，然后再确定系统所需的循环作用压力，过剩的入口压力可用调压装置节流消除。 （3）在机械循环热水供暖系统中，循环压力主要是由水泵提供，同时也存在着自然循环作用压力。进行机械循环系统水力计算时，只需考虑水在散热器内冷却产生的作用压力，水在管路中冷却产生的附加压力较小，可以忽略不计。,3.3.4.1机械循环异程式热水供暖系统的水力计算 【例3-3】：图3-34是机械循环单管顺流异程式热水供暖系统两大并联环路中右测环路。热媒参数：供水温度95，回水温度70；系统与外网连接，在引入口处外网的供回水压差为30kPa；楼层高为3m；确定管路的管径。图中已标出立管号，各组散热器的热负荷（W）和各管段的热负荷（W）、长度（m）。,图3-34 机械循环单管顺流热水供暖系统水力计算图,3.