流体流动过程

1 2020 4 17 第二章流体的流动和输送 2 2020 4 17 2 1一些基本概念 2 1 1流体 把流体视为由无数个流体质点所组成 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 或连续性假定 3 2020 4 17 宏观上足够小 以致于可以将其看成一个几何上没有维度的点 同时微观上足够大 它里面包含着许许多多的分子 其行为已经表现出大量分子的统计学性质 流体质点 4 2020 4 17 2 可压缩性 流体在外部温度和压力作用下 流体分子间的距离会发生一定的改变 表现为流体密度大小的变化 流体的特征1 易流动性当流体受到外部切向力作用时 易于变形而产生流动 5 2020 4 17 3 无固定形状流体没有固定的形状 随容器的形状而变化理想流体 指不具有粘度 流动时不产生摩擦阻力的流体 6 2020 4 17 理想液体不具有粘度的液体 流动时不产生摩擦阻力的液体 具有不可压缩 受热不膨胀的性质 理想气体不具有粘度的气体 流动时不产生摩擦阻力的气体 服从理想气体状态方程 7 2020 4 17 理想气体状态方程 以当时条件与标准条件对比时 8 2020 4 17 2 1 2流体的密度 相对密度和比容 1 流体的密度 流体的密度 单位体积流体的质量 用 表示 属于物性 国际单位用kg m3 影响因素 流体种类 浓度 温度 压力 9 2020 4 17 获得方法 1 查物性数据手册 2 公式计算 液体混合物 气体 理想气体状态方程 10 2020 4 17 气体混合物 2 相对密度 是指给定条件下某一物质的密度 1与另一参考物质的密度 2之比 11 2020 4 17 比容是指单位质量的物料所具有的体积 是密度的倒数 2 1 3流体的压强及其测量一 流体的压强 流体垂直作用于单位面积上的力 称为流体的压强 用p表示 工程上习惯称之为压力 12 2020 4 17 1 压强的单位 SI制中 N m2 Pa 称为帕斯卡物理学 cgs制 中 绝对大气压 atm 毫米汞柱 mmHg 米水柱 m水柱 等工程单位制中 kgf cm2 称为工程大气压 at 13 2020 4 17 1atm 标准大气压 1 013 105Pa 760mmHg 10 33mH2O 1at 工程大气压 1kgf cm2 735 6mmHg 10mH2O 98 07 103Pa 1kgf 9 81N 14 2020 4 17 1 某设备上 真空度的读数为80mmHg 其绝压 Pa 该地区的大气压为720mmHg 答案8 7mH2O 8 53 104Pa 2 当地大气压为750mmHg时 测得某体系的表压为100mmHg 则该体系的绝对压强为 mmHg 真空度为 mmHg 850 100 15 2020 4 17 2 1 3流体的压强及其测量 2压强的基准 压强大小的两种表征方法 绝对压力 表压 16 2020 4 17 表压 绝对压力 当地大气压 真空度 当地大气压 绝对压力 17 2020 4 17 二 流体静力学基本方程式 流体所受到的力 质量力 表面力 如重力 离心力等 属于非接触性的力 切向力 剪力 法向力 压力 18 2020 4 17 静止流体所受到的力 质量力 法向力 单位面积上的压力称为压强 习惯上称为静压力 重力场中单位质量流体所受质量力 即为重力加速度 19 2020 4 17 如图所示 容器中盛有密度为 的静止液体 现从液体内部任意划出一底面积为A的垂直液柱 若以容器底部为基准水平面 液柱的上 下底面与基准水平面的垂直距离分别为z1和z2 以p1和p2分别表示高度为z1和z2处的压力 液面上方的压力为p0 20 2020 4 17 分析垂直方向上液柱的受力 向上 p2A 向下 p1A G gA z1 z2 当液柱处于相对静止状态时 说明作用在此液柱上诸力的合力为零 即 p2A p1A gA z1 z2 0 化简得 p2 p1 g z1 z2 1 21 2020 4 17 或 2 若液柱上表面取在液面上 令z1 z2 h 则上式可写为 p2 p0 gh 3 4 上述式子均称为流体静力学基本方程式 它反映了流体不受水平外力作用 只在重力作用下流体内部压力 压强 的变化规律 22 2020 4 17 三 流体静力学基本方程式的讨论 1 当容器液面上方的压强p0一定时 静止液体内任一点压强的大小 与液体本身的密度 和该点距液面的深度h有关 因此 在静止的 连通的同一种液体内 处于同一水平面上的各点的压强都相等 此压强相等的面 称为等压面 23 2020 4 17 2 当p0改变时 液体内部各点的压强也将发生同样大小的改变 帕斯卡原理 3 压强或压强差的大小可用液柱高度来表示 4 将 2 式移项整理得 5 或 24 2020 4 17 适用场合 绝对静止 连续 均质 不可压缩流体 四 流体静力学基本方程式的应用 1 压力计 1 单管压力计 25 2020 4 17 p1 pa p1 表 gR 2 U形压力计 p1 pa 0gR gh 0 26 2020 4 17 2 压差计 1 U型管压差计 指示液的密度为 0 被测流体的密度为 27 2020 4 17 A与A 面为等压面 即 28 2020 4 17 2 微差压力计 读数放大 在U形微差压计两侧臂的上端装有扩张室 其直径与U形管直径之比大于10 当测压管中两指示剂分配位置改变时 扩展容器内指示剂的可维持在同水平面 压差计内装有密度分别为 1和 2的两种指示剂 29 2020 4 17 1略小于 2 p1 p2 2 1 gR 微压差 p存在时 两扩大室液面高差很小以致可忽略不计 但U型管内却可得到一个较大的R读数 30 2020 4 17 例 如附图所示 水在管道中流动 为测得A A B B 截面的压力差 在管路上方安装一U形压差计 指示液为水银 已知压差计的读数R 150mm 31 2020 4 17 试计算A A B B 截面的压力差 已知水与水银的密度分别为1000kg m3和13600kg m3 解 图中 1 1 面与2 2 面间为静止 连续的同种流体 且处于同一水平面 因此为等压面 即 又 32 2020 4 17 所以 整理得 33 2020 4 17 由此可见 U形压差计所测压差的大小只与被测流体及指示剂的密度 读数R有关 而与U形压差计放置的位置无关 34 2020 4 17 2 1 4流量和流速 1 流量和流速 流量 体积流量 质量流量 摩尔流量 35 2020 4 17 流速为 体积流速 m s 质量流速 摩尔流速 流速 36 2020 4 17 2 管径的初选 在管径的选择中 如果选用较小的管径 可以降低基建费用 但在一定的流量条件下 管径越小 流动阻力也随之增大 能耗也将相应增大 因此 合理的管径应综合多方面的因素来确定 一般条件下 可根据选用的流速来对管径进行初步选择 再在此基础上进行多方面的评比来确定实用的管径 37 2020 4 17 即 2 1 5定态流动和非定态流动 38 2020 4 17 1定态流动 流体流动过程中 任一截面上与流动相关的物理量 流速 压强 密度等 不随时间变化的流动 2 1 5定态流动和非定态流动 39 2020 4 17 2非定态流动 在流动过程中 流体在任一截面上的物理量既随位置变化又随时间而变化的流动 40 2020 4 17 2 2流体定态流动时的衡算 2 2 1流体定态流动时的物料衡算 连续性方程式 流体流动过程中涉及三大守恒定律 质量守恒 质量衡算 动量守恒 能量守恒 41 2020 4 17 连续性方程是质量守恒定律的一种表现形式 本节通过物料衡算进行推导 2 2 1流体定态流动时的物料衡算 42 2020 4 17 当流体充满导管作稳态流动时 根据质量守恒定律 单位时间通过导管各截面的流体质量应相等 即 2 2 1流体定态流动时的物料衡算 v1 v2 43 2020 4 17 讨论对于不可压缩的流体即 常数 可得到 或 44 2020 4 17 对于在圆管内作稳态流动的不可压缩流体 适用条件流体流动的连续性方程式仅适用于稳定流动时的连续性流体 45 2020 4 17 思考 如果管道有分支 则稳定流动时的连续性方程又如何 46 2020 4 17 2 2 2流体定态流动时的能量衡算 位能 是指流体因距所选的基准面有一定距离 由于重力作用而具有的能量 1 流体流动时的机械能形式 动能 流体因流动而具有的能量 47 2020 4 17 静压能 是流体处于当时压力p下所具有的能量 即指流体因被压缩而能向外膨胀作功的能力 其值等于pV 机械能 是位能 动能 静压能的总和 48 2020 4 17 设在1 2截面间没有外界能量输入 液体也没有向外界作功 则m kg 理想液体所具有的机械能为定值 2 流体流动的能量衡算 伯努利方程式 1 理想流体伯努利方程式 49 2020 4 17 50 2020 4 17 两边除以m 得 伯努利方程 51 2020 4 17 两边除以g 得 表示每千克流体所具有得能量 单位 表示每重力单位 牛顿 流体所具有的能量 单位J N 1 即m 工程上将每牛顿流体所具有的各种形式的能量统称为压头 H称为位压头等 52 2020 4 17 2 实际流体伯努利方程式 当在1 2截面间的系统中有外界能量He输入 且为实际流体时 则有摩擦阻力Hf 则伯努利方程为 53 2020 4 17 3 功率的计算 功率是指单位时间耗用的能量 可按下式求算 Pa Pe 分别为实际功率和理论功率 有效功率 单位为kW 输送的效率 54 2020 4 17 1 适用条件在衡算范围内是不可压缩 连续稳态流体 同时要注意是实际流体还是理想流体 有无外功加入 2 衡算基准 3 伯努利方程的讨论及应用注意事项 1kg 1N J kg 实际流体 m液柱 55 2020 4 17 3 式中各项能量所表示的意义式中是指在某截面上流体本身所具有的能量 Hf是指流体在两截面之间所消耗的能量 He是输送设备对单位质量流体所作的有效功 由He可计算有效功率 理论功率 4 各物理量取值及采用单位制方程中的压强p 速度v是指整个截面的平均值 各物理量必须采用一致的单位制 尤其两截面的压强不仅要求单位一致 还要求表示方法一致 即均用绝对压 表压或真空度 56 2020 4 17 5 截面的选择截面的正确选择对于顺利进行计算至关重要 选取截面应使 a 两截面间流体必须连续 均质 b 两截面与流动方向相垂直 平行流处 不要选取阀门 弯头等部位 c 所求的未知量应在截面上或在两截面之间出现 d 截面上已知量较多 除所求取的未知量外 都应是已知的或能计算出来 且两截面上的u p H与两截面间的Hf都应相互对应一致 6 选取基准水平面原则上基准水平面可以任意选取 但为了计算方便 常取确定系统的两个截面中的一个作为基准水平面 如衡算系统为水平管道 则基准水平面通过管道的中心线若所选计算截面平行于基准面 以两面间的垂直距离为位压头H值 若所选计算截面不平行于基准面 则以截面中心位置到基准面的距离为H值 H1 H2可正可负 但要注意正负 57 2020 4 17 例 如附图所示 从高位槽向塔内进料 高位槽中液位恒定 高位槽和塔内的压力均为大气压 送液管为 45 2 5mm的钢管 要求送液量为3 6m3 h 设料液在管内的压头损失为1 2m 不包括出口能量损失 试问高位槽的液位要高出进料口多少米 解 如图所示 取高位槽液面为1 1 截面 进料管出口内侧为2 2 截面 以过2 2 截面中心线的水平面0 0 为基准面 在1 1 和2 2 截面间列柏努利方程 由于题中已知压头损失 用式 1 22a 以单位重量流体为基准计算比较方便 58 2020 4 17 计算结果表明 动能项数值很小 流体位能主要用于克服管路阻力 解本题时注意 因题中所给的压头损失不包括出口能量损失 因此2 2 截面应取管出口内侧 若选2 2 截面为管出口外侧 计算过程有所不同 其中 H1 h 因高位槽截面比管道截面大得多 故槽内流速比管内流速小得多 可以忽略不计 即u1 0 p1 0 表压 He 0H2 0 p2 0 表压 Hf 1 2m 将以上各值代入上式中 可确定高位槽液位的高度 59 2020 4 17 例 如图所示 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的总摩擦损失 从管子口至喷头进入管子的阻力忽略不计 为10J kg 喷头处的压强较塔内压强高0 02MPa 水从塔中流到下水道 若泵的效率为65 求泵的轴功率 泵所作的功不全是有效的 考虑其效率 则泵轴消耗的功率 轴功率 Pa Pe 60 2020 4 17 柏努利方程 He 塔内压强 截面的选取 解 取塔内水面3 3 为基准面 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 分析 求Pa 求He 注意 61 2020 4 17 式中 62 2020 4 17 将已知数据代入柏努利方程式 泵的功率 63 2020 4 17 2 3实际流体的流动 1 牛顿型流体 流体在运动状态下 有一种抗拒内在的向前运动的特性 称为粘性 流体不管在静止还是在流动状态下 都具有粘性 但只有在流体流动时才能显示出来 随流体状态的不同 粘性的差别非常悬殊 粘性是流动性的反面 由于粘性存在 流体在管内流动时 管内任一截面上各点的速度并不相同 1 粘性 2 3 1粘度 64 2020 4 17 2 牛顿粘性定律 65 2020 4 17 实验证明 对于一定的液体 内摩擦力F与两流体层的速度差du成正比 与两层之间的垂直距离d 成反比 与两层间的接触面积A成正比 即 此式所显示的关系 称牛顿粘性定律 满足牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体 2 牛顿粘性定律 66 2020 4 17 a 定义式 粘度的物理意义是促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力 粘度总是与速度梯度相联系 只有在运动时才显现出来 此外 常用单位还有泊 P 厘泊 cP 表示 3 粘度 b 单位 67 2020 4 17 c 影响因素液体 f t 与压强p无关 温度t 水 20 1 005cP 油的粘度可达几十 到几百Cp 气体 气体的粘度随压强增加而增加得很少 在一般工程计算中可予以忽略 只有在极高或极低的压强下 才需考虑压强对气体粘度的影响 p 40atm时 f t 与p无关 温度t 理想流体 实际不存在 流体无粘性 0 d 数据获取粘度是流体物理性质之一 其值由实验测定 某些常用流体的粘度 可以从本教材附录或有关手册中查得 68 2020 4 17 流体流动型态有两种截然不同的类型 一种是滞流 或层流 另一种为湍流 或紊流 两种流型在内部质点的运动方式 流动速度分布规律和流动阻力产生的原因都有所不同 但其根本的区别还在于质点运动方式的不同 2 3 2流体流动的型态 69 2020 4 17 1 雷诺实验为了直接观察流体流动时内部质点的运动情况及各种因素对流动状况的影响 可安排如图所示的实验 这个实验称为雷诺实验 70 2020 4 17 滞流 也称为层流 流体质点很有秩序地分层顺着轴线平行流动 层与层之间没有明显的干扰 各层间分子只因扩散而转移 不产生流体质点的宏观混合 71 2020 4 17 湍流 也称为紊流 流体在管内作湍流流动时 其质点作不规则的杂乱运动 一层滑过一层的黏性流动情况基本消失 质点间相互碰撞 产生大大小小的旋涡 72 2020 4 17 不稳定的过渡区 在该区域 可能是层流 也可能是湍流 较易受外界条件的影响 很容易发生流型的转变 73 2020 4 17 实验证明 流体的流动状况是由多方面因素决定的 流速u能引起流动状况改变 而且管径d 流体的粘度 和密度 也可以 通过进一步的分析研究 可以把这些影响因素组合成为一个复合数群 此类数群称为特征数 2 雷诺准数 Re准数是一个无因次数群 组成此数群的各物理量 必须用一致的单位表示 因此 无论采用何种单位制 只要数群中各物理量的单位一致 所算出的Re值必相等 此数群称为雷诺数 以Re表示 可判别流体的流动形态 74 2020 4 17 对直管内的流动而言 Re4000湍流区 对于非圆形管道 计算Re时 应以当量直径de代替特征数中的直径d 当量直径的定义为 3 流型的判断 圆形管道 de d长方形管道 边长为a b de 2ab a b 套管 直径d1 d2 de d2 d1 75 2020 4 17 流体流动受固体壁面影响 能感受到固体壁面存在 的区域 4 边界层 边界层 流体的流速低于未受壁面影响的流速的99 的区域 a 平板上的流动边界层 主流区 在边界层以外 速度梯度接近为零的区域 76 2020 4 17 层流边界层 边界层内的流动类型为层流湍流边界层 边界层内的流动类型为湍流层流内层 边界层内近壁面处一薄层 无论边界层内的流型为层流或湍流 其流动类型均为层流 层流内层的厚度虽然不大 但黏附在壁面 成为传热和传质的主要阻力 4 边界层 77 2020 4 17 b 圆管入口处的流动边界层发展 内摩擦 一流体层由于粘性的作用使与其相邻的流体层减速边界层 受内摩擦影响而产生速度梯度 稳定段长度 从管口到形成边界层所经历的管长 其长度与管的形状 管壁粗糙度及雷诺准数等因素有关 78 2020 4 17 边界层发展 边界层厚度 随流动距离增加而增加流动充分发展 边界层不再改变 管内流动状态也维持不变 充分发展的管内流型属层流还是湍流取决于汇合点处边界层内的流动属层流还是湍流 b 圆管入口处的流动边界层发展 79 2020 4 17 c 流体在圆管内的速度分布 滞流时的速度分布 理论分析和实验都已证明 滞流时的速度沿管径按抛物线的规律分布 如图所示 截面上各点速度的平均值等于管中心处最大速度umax的0 5倍 80 2020 4 17 湍流时的速度分布 湍流时流体质点的运动情况比较复杂 目前还不能完全采用理论方法得出湍流时的速度分布规律 经实验测定 湍流时圆管内的速度分布曲线如图所示 速度分布比较均匀 速度分布曲线不再是严格的抛物线 管内流体的平均流速为管中央最大流速的0 8倍左右 81 2020 4 17 d 流体流过曲面或障碍时的边界层分离 A点 驻点 C点 u max p min S点 u 0 p max 边界层分离 边界层的分离会导致流体流动阻力的增大 82 2020 4 17 2 4流体在圆管内流动时的阻力计算 2 4 1滞流时的摩擦阻力 滞流是流体作一层滑过一层的流动 流动阻力主要是流体的内部摩擦力 在流动过程中 阻力服从牛顿黏性定律 83 2020 4 17 由压力差产生的推力 流体层间内摩擦力 流体柱所受的推力其表面滑动的摩擦力相等而方向相反 因管半径为R 整理并积分 得 84 2020 4 17 将u0 2u d 2R 代入上式 整理得 此式称为泊肃叶方程 将Re代入上式得 或 Pa Pa m流体柱 85 2020 4 17 2 4 2湍流时的摩擦阻力 根据多方面得实验并进行适当数据处理后 得到如下公式 或 以上两式称为范宁公式 称为摩擦阻力系数 86 2020 4 17 87 2020 4 17 1 摩擦因数图 a 层流区 Re 2000 与Re成直线关系 64 Re b 过渡区 2000 Re 4000 管内流动随外界条件的影响而出现不同的流型 摩擦系数也因之出现波动 c 湍流区 Re 4000且在图中虚线以下处时 值随Re数的增大而减小 d 完全湍流区 图中虚线以上的区域 摩擦系数基本上不随Re的变化而变化 接近为一常数 其值只随相对粗糙度的变化而变化 根据范宁公式 若l d一定 则阻力损失与流速的平方成正比 称作阻力平方区 2 值的经验关系式 柏拉修斯 Blasius 光滑管公式 适用范围为Re 3 103 1 105 e d 管的粗糙度 圆管内径 88 2020 4 17 当流体在管道系统中流经各种管件时 其流速大小和方向都发生了变化 流体质点发生扰动而形成涡流 导致产生摩擦阻力 这类阻力称为局部阻力 为了便于管路计算 把局部阻力折算成一定长度直管的阻力 此相应的管子长度称为当量长度le 管路计算主要是利用连续性方程 伯努利方程和阻力计算式确定外加能量 He 流量 qv 位置 H 及操作压强 P 2 4 3局部阻力 2 4 4管路计算 89 2020 4 17 计算步骤 确定基准面与衡算面列已知条件 H p u 计算Hf列伯努利方程 求未知量 功率计算 90 2020 4 17 2 5流体流量的测量 1 孔板流量计是利用孔板对流体的节流作用 使流体的流速增大 压力减小 以产生的压力差作为测量的依据 91 2020 4 17 如图所示 在管道内与流动垂直的方向插入一片中央开圆孔的板 孔的中心位于管道的中心线上 孔板前后管壁上有测压孔 用以连接压力计即构成孔板流量计 92 2020 4 17 为了建立管内流量与孔板前后压力变化的定量关系 取孔板上游尚未收缩的流动截面为1 1 下游截面宜放在缩脉处 以便测得最大压差读数 但由于缩脉的位置及其截面积难于确定 故以孔板处为下游截面0 0 在1 1和0 0两截面之间列机械能衡算方程 并暂时略去能量损失 可得 因为是水平管道 所以H1 H0 化简得 93 2020 4 17 对不可压缩性流体 根据连续性方程 可得 将上式代入 可得 94 2020 4 17 对于实际流体而言 由于流动阻力引起得压头损失 孔板处突然收缩造成得扰动 以及板与导管间装配可能有误差 将这些影响归纳为一个校正系数c0 对所测的流速加以校正 得 C0称为孔板流量系数 其值由试验或经验关系确定 一般情况下为0 61 0 63 若液柱压力计读数为 R 指示液密度为 i 则 孔板流量计制造简单 安装与更换方便 其主要缺点是流体的能量损失大 A0 A1越小 能量损失越大 95 2020 4 17 2 文丘里流量计 为减少流体节流造成的能量损失 可用一段渐缩渐扩的短管代替孔板 这就构成了文丘里 Venturi 流量计 96 2020 4 17 如图所示 当流体在渐缩渐扩段内流动时 流速变化平缓 涡流较少 于喉颈处 即最小流通截面处 流体的动能达最高 此后 在渐扩的过程中 流体的速度又平缓降低 相应的流体压力逐渐恢复 如此过程避免了涡流的形成 从而大大降低了能量的损失 cv值与众多因素有关 当孔径与管径之比在 1 2 1 3 的范围内时 其值为0 98 1 97 2020 4 17 3 转子流量计 前述各流量计的共同特点是收缩口的截面积保持不变 而压力随流率的改变而变化 这类流量计统称为变压力流量计 另一类流量计是压力差几乎保持不变 而收缩的截面积变化 这类流量计称为变截面流量计 其中最为常见的是转子流量计 它系由一个截面自下而上逐渐扩大的锥形垂直玻璃管和一个能够旋转自如的金属或其它材质的转子所构成 被测流体由底端进入 由顶端流出 98 2020 4 17 当流体自下而上流过垂直的锥形管时 转子受到两个力的作用 一是垂直向上的推动力 它等于流体流经转子与锥管间的环形截面所产生的压力差 另一是垂直向下的净重力 它等于转子所受的重力减去流体对转子的浮力 当流量加大使压力差大于转子的净重力时 转子就上升 当压力差与转子的净重力相等时 转子处于平衡状态 即停留在一定位置上 在玻璃管外表面上刻有读数 根据转子的停留位置 即可读出被测流体的流量 99 2020 4 17 p 转子上下间流体的压力差 单位为PaVR 转子的体积 单位为m3AR 转子最大部分顶端面的横截面积 单位为m2 R 分别为转子材料和流体的密度 单位为kg m 3 若流体通过环隙处的流速为 则按柏努力方程可得 cR 校正因素 与流体流动形态 转子形状等因素有关 因为可得 环隙面积 单位为m2 体积流量 单位为m3 h 1 100 2020 4 17 优点 读取流量方便 流体阻力小 测量精确度较高 能用于腐蚀性流体的测量 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 转子流量计必须垂直安装 且应安装旁路以便于检修 转子密度须大于被测流体的密度 其材料可以是不锈钢 塑料 玻璃 铝等 安装 101 2020 4 17 2 6流体输送机械 在化工生产过程中 流体输送是主要的单元操作之一它遵循流体流动的基本原理 流体输送机械是一种向流体作功以提高流体机械能的装置 通常 将输送液体的机械称为泵 将压送气体的机械按不同的工况分别称为通风机 鼓风机 压缩机和真空泵 2 6 1离心泵 离心泵的主要部件 1 叶轮2 泵壳3 轴封装置 102 2020 4 17 1 叶轮 103 2020 4 17 2 泵壳 泵壳的作用 汇集液体 即从叶轮外周甩出的液体 再沿泵壳中通道流过 排出泵体 转能装置 因壳内叶轮旋转方向与蜗壳流道逐渐扩大的方向一致 减少了流动能量损失 并且可以使部分动能转变为静压能 3 轴封装置轴封 离心泵工作时是泵轴旋转而泵壳不动 泵轴与泵壳之间的密封 作用 防止高压液体从泵壳内沿间隙漏出 或外界空气漏入泵内 104 2020 4 17 4 离心泵的工作原理 离心泵启动后 泵轴带动叶轮一起作高速旋转运动 迫使预先充灌在叶片间液体旋转 在惯性离心力的作用下 液体自叶轮中心向外周作径向运动 液体在流经叶轮的运动过程获得了能量 静压能增高 流速增大 当液体离开叶轮进入泵壳后 由于壳内流道逐渐扩大而减速 部分动能转化为静压能 最后沿切向流入排出管路 当液体自叶轮中心甩向外周的同时 叶轮中心形成低压区 在贮槽液面与叶轮中心总势能差的作用下 致使液体被吸进叶轮中心 依靠叶轮的不断运转 液体便连续地被吸入和排出 液体在离心泵中获得的机械能量最终表现为静压能的提高 105 2020 4 17 4 离心泵的工作原理 106 2020 4 17 5 气缚现象气缚现象 当启动离心泵时 若泵内未能灌满液体而存在大量气体 则由于空气的密度远小于液体的密度 叶轮旋转产生的惯性离心力很小 因而叶轮中心处不能形成吸入液体所需的真空度 这种可以启动离心泵 使叶轮空转 但不能输送液体的现象称为 气缚现象 离心泵是一种没有自吸能力的液体输送机械 若泵的吸入口位于贮槽液面的上方 在吸入管路应安装单向底阀和滤网 单向底阀可防止启动前灌入的液体从泵内漏出 滤网可阻挡液体中的固体杂质被吸入而堵塞泵壳和管路 若泵的位置低于槽内液面 则启动时就无需灌泵 107 2020 4 17 6 离心泵的允许安装高度 离心泵的安装高度Hg根据泵的允许吸上 真空 高度Hs确定 Hs 允许吸上真空高度 与泵的结构等因素有关 H0 当地大气压 m水柱 Hv 输送液的蒸气压 m水柱 u2 2g 吸入管路中液体的动压头 一般可忽略 Hf 吸入管路中的压头损失 m水柱 108 2020 4 17 7 离心泵的性能参数和特性曲线 离心泵的流量与转数的关系 离心泵的扬程与转数的关系 离心泵的功率与转数的关系 109 2020 4 17 2 6 2往复泵 往复泵是一种正位移工作方式泵 它依靠作往复运动的活塞依次开启吸入阀和排出阀从而吸入和排出液体 110 2020 4 17 2 6 3其他化工用泵1非正位移泵 旋涡泵示意图 111 2020 4 17 2正位移泵 2 计量泵 外观 112 2020 4 17 2 6 4气体输送机械 1气体输送的特点 动力消耗大 对一定的质量流量 由于气体的密度小 其体积流量很大 因此气体输送管中的流速比液体要大得多 前者经济流速 15 25m s 约为后者 1 3m s 的10倍 这样 以各自的经济流速输送同样的质量流量 经相同的管长后气体的阻力损失约为液体的10倍 因而气体输送机械的动力消耗往往很大 气体输送机械体积一般都很庞大 对出口压力高的机械更是如此 由于气体的可压缩性 故在输送机械内部气体压力变化的同时 体积和温度也将随之发生变化 这些变化对气体输送机械的结构 形状有很大影响 因此 气体输送机械需要根据出口压力来加以分类 113 2020 4 17 2气体输送机械分类 终压p2 1 15atm 压缩比 终压p2 4atm 压缩比 终压p2 4atm 压缩比 终压为大气压 压缩比近似 114 2020 4 17 3离心通风机 工作原理 结构 主要性能参数及特性曲线 与离心泵相似特点 叶片数目多 短 有径向 前弯 后弯等 通道多呈矩形 风量 风压 轴功率 效率 与离心泵相同 风量Q 以进口状态计 115 2020 4 17 风压pt 在风机进出口间列机械能衡算方程式 又称全风压 Pa 116 2020 4 17 若使用条件与测定条件不同 需换算 用1atm 20 空气测定的风压 标准全风压pt0 117 2020 4 17 全压效率70 90 效率 功率N 118 2020 4 17 4压缩机 往复式压缩机离心式压缩机 119 2020 4 17 在工厂中常用的鼓风机有旋转式和离心式两种类型 1 罗茨鼓风机 图1 66罗茨鼓风机 5鼓风机 120 2020 4 17 罗茨鼓风机的工作原理与齿轮泵类似 如图所示 机壳内有两个渐开摆线形的转子 两转子的旋转方向相反 可使气体从机壳一侧吸 从另一侧排出 转子与转子 转子与机壳之间的缝隙很小 使转子能自由运动而无过多泄漏 属于正位移型的罗茨风机风量与转速成正比 与出口压强无关 该风机的风量范围可自2至500m3 min 出口表压可达80kPa 在40kPa左右效率最高 该风机出口应装稳压罐 并设安全阀 流量调节采用旁路 出口阀不可完全关闭 操作时 气体温度不能超过85 否则转子会因受热臌胀而卡住 121 2020 4 17 离心式鼓风机的结构特点 离心式鼓风机的外形与离心泵相象 内部结构也有许多相同之处 2 离心式鼓风机 122 2020 4 17 6真空泵 真空泵的一般特点真空泵就是从真空容器中抽气 一般在大气压下排气的输送机械 若将前述任何一种气体输送机械的进口与设备接通 即成为从设备抽气的真空泵 然而 专门为产生真空用的设备却有其获得之处 1 由于吸入气体的密度很低 要求真空泵的体积必须足够大 2 压缩比很高 所以余隙的影响很大 123 2020 4 17 真空泵的主要性能参数有 1 极限剩余压力 或真空度 这是真空泵所能达到最低压力 2 抽气速率 单位时间内真空泵在极限剩余压力下所吸入的气体体积 亦即真空泵的生产能力 124 2020 4 17 往复式真空泵与往复式压缩式的构造显著区别 但也有其自身的特点 1 在低压下操作 气缸内 外压差很小 所用的活门必须更加轻巧 2 当要求达到较好的真空度时 压缩比会很大 余隙容积必须很小 否则就不能保证较大的吸气量 3 为减少余隙的影响 设有连通活塞左右两侧的平衡气道 干式往复真空泵可造成高达96 99 9 的真空度 湿式则只能达到80 85 125 2020 4 17 水环真空泵水环真空泵的外壳呈圆形 其中的叶轮偏心安装 启动前 泵内注入一定量的水 当叶轮旋转时 由于离心力的作用 水被甩至壳壁形成水环 此水环具有密封作用 使叶片间的空隙形成许多大小不同的密封室 由于叶轮的旋转运动 密封室外由小变大形成真空 将气体从吸入口吸入 继而密封室由大变小 气体由压出口排出 水环真空泵结构简单 紧凑 最高真空度可达8