第一章-流体输送

第三节管子的选用与管路安装,第一节流体输送管路,第二节流体流动的基础知识,第四节液体输送机械,第五节气体输送机械,第一章流体流动及输送技术,化工生产中所处理的物料，大多为流体（包括液体和气体）。为了满足工艺条件的要求，保证生产的连续进行，需要把流体从一个设备输送至另一个设备。实现这一过程要借助管路和输送机械。流体输送机械是给流体增加机械能以完成输送任务的机械。管路在化工生产中就相当于人体的血管，流体输送机械相当于人的心脏，作用非常重要。因此，了解管路的构成，确定输送管路的直径，了解输送机械的工作原理，选择合理的输送机械，学会合理布置和安装管路，正确使用输送机械非常重要。,一、管路分类,第一节流体输送管路,第一节流体输送管路,简单管路,各种管路示意图,复杂管路,管路由管子、管件和阀门等按一定的排列方式构成，也包括一些附属于管路的管架、管卡、管撑等辅件。,管路的基本构成,化工管材,管件,管件是用来连接管子以达到延长管路、改变管路方向或直径、分支、合流或封闭管路的附件的总称。,用以改变流向：90弯头、45弯头、180回弯头等；,用以堵截管路：管帽、丝堵(堵头)、盲板等；,用以连接支管：三通、四通等；,用以改变管径：异径管、内外螺纹接头(补芯)等；,用以延长管路：管箍(束节)、螺纹短节、活接头、法兰等。,管件分类,180回弯管三通四通异径管90弯头,法兰卡箍活接头管帽45弯头,管件示例,阀门是用来启闭和调节流量及控制安全的部件。通过阀门可以调节流量、系统压力、及流动方向。,阀门,闸阀截止阀止回阀球阀,旋塞阀安全阀,阀门示例,截止阀、蝶阀、单向阀,蝶阀,第三节管子的选用与管路安装,第一节流体输送管路,第二节流体流动的基础知识,第四节液体输送机械,第五节气体输送机械,第一章流体流动及输送技术,1.研究流体流动问题的重要性流体:在剪应力作用下能产生连续变形的物体称为流体。流体是气体与液体的总称。2.连续介质假定假定流体是由无数内部紧密相连、彼此间没有间隙的流体质点（或微团）所组成的连续介质,3.流体的特征,具有流动性；无固定形状，随容器形状而变化；受外力作用时内部产生相对运动。,不可压缩流体：流体的体积不随压力变化而变化，如液体；可压缩性流体：流体的体积随压力发生变化，如气体。,稳定流动：各截面上的温度、压力、流速等物理量仅随位置变化，而不随时间变化；,不稳定流动：流体在各截面上的有关物理量既随位置变化，也随时间变化。,稳定流动系统,流动系统中各物理量的大小仅随位置变化、不随时间变化,稳定流动系统,正常工业生产中，连续操作过程中的流体流动多属于稳定流动,本章所讨论的流体流动为稳定流动过程,稳定流动系统：,连续操作的开车、停车过程及间歇操作过程属于不稳定流动,1、单位体积流体的质量，称为流体的密度。,kg/m3,2、单组分密度,液体密度仅随温度变化。,（一）密度、比体积,气体当压力不太高、温度不太低时，可按理想气体状态方程计算：,连续性方程,一、流体的物理性质,3、混合物的密度,混合气体各组分在混合前后质量不变，则有,气体混合物中各组分的体积分率。,或,混合气体的平均摩尔质量,气体混合物中各组分的摩尔(体积)分率。,混合液体假设各组分在混合前后体积不变，则有,液体混合物中各组分的质量分率。,4、比容,单位质量流体具有的体积，是密度的倒数。,m3/kg,1.体积流量单位时间内通过流道横截面的流体体积。m3/s或m3/h2.质量流量单位时间内流经管道任意截面的流体质量。kg/s或kg/h。,二、流量与流速,4.质量流速单位时间内流经管道单位截面积的流体质量。,3.体积流速单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。,kg/（m2s）,m/s,稳定流动系统，流体充满管道，连续不断地从截面1流入，从截面2流出，以单位时间为衡算基准，依质量守恒定律，进入截面1的流体质量流量与流出截面2的流体质量流量应相等，即,连续性方程,其中为流体的质量流量，指单位时间内流经管道有效截面积的流体质量，单位,连续性方程,若将上式推广到管路上任何一个截面，即有,稳定流动系统中，流体流经管道各截面的质量流量恒为常量,连续性方程,若流体为不可压缩流体，即常数，则有,式中为流体的体积流量，指单位时间内流经管道有效截面积的流体体积，单位。,说明不可压缩流体不仅流经各截面的质量流量相等，而且体积流量也相等。且管道截面积与流体流速成反比。,连续性方程,若不可压缩流体在圆管内流动，因，故,式（1）至式（5）称为流体在管道中作稳定流动的连续性方程,连续性方程反映了稳定流动系统中，流量一定时管路各截面上流速的变化规律。,说明不可压缩流体在管道内的流速与管道内径的平方成反比,（1）内能贮存于物质内部的能量。1kg流体具有的内能为U（J/kg）。是温度的函数。,伯努利方程预备知识,（一）流动系统的能量,位能是相对值，计算时需规定基准水平面,（2）位能：流体因处于重力场中而具有的能量。,单位质量流体的位能为,（3）动能：流体因具有一定流动速度而具有的能量。,单位质量流体的动能为,（4）静压能：流体具有一定的压力而具有的能量。,单位质量流体的静压能为,静压能=,（二）压力的表示方法,伯努利方程预备知识,不同的基准流体压力的大小不同,绝对压力：以绝对真空为基准测得的压力，是流体的真实压力。,表压力或真空度：以大气压力为基准测得的压力。,当被测流体的绝对压力大于外界大气压力时，高出的数值称为表压力,当被测流体的绝对压力小于外界大气压力时，低于的数值称为真空度,显然，设备内流体的真空度愈高，它的绝对压力就愈低；表压力愈高，它的绝对压力就愈高。,绝对压力、表压力、真空度以及大气压之间的关系用公式表示为：,图示为：,伯努利方程预备知识,注意！,伯努利方程预备知识,压力以表压或真空度表示时应用括号注明，否则视为绝对压力,压力计算时基准要一致,大气压力的数值随大气温度、湿度和所在地海拔的变化而变化,（三）系统与外界交换的能量,伯努利方程预备知识,(5)外加功：单位质量流体从输送机械中所获得的能量。,(6)损失能量：单位质量流体流动时为克服阻力而损失的能量。,用表示，其单位为J/kg。,用表示，其单位为J/kg。,(7)热设换热器向1kg流体提供的热量为(J/kg)。,1.实际流体的伯努利方程,伯努利方程,衡算范围：1-1面、2-2面与壁面所围成的封闭区域,不可压缩流体,衡算基准：1kg质量的流体，0-0面为基准面,两截面距基准水平面的垂直距离分别为，两截面处的流速分别为，两截面处的压力分别为，流体在两截面处的密度为，单位质量流体所获得的外加功为，从截面1-1流到截面2-2的全部能量损失为。,由稳定流动系统的能量守恒知，输入系统的能量应等于输出系统的能量，即有,实际流体的伯努利方程,实际流体的伯努利方程反映了流体流动过程中各种能量的转化和守恒规律。,其中分别为流体在截面上的位能、动能、静压能,应用伯努利方程必须确定衡算范围,截面选取原则：垂直；沿流动方向上游为1截面，下游为2截面。,基准面选取原则：水平、可任选。,实际流体的伯努利方程,是指在某截面上1kg流体本身所具有的能量，是指流体在两截面之间所获得和所消耗的能量。,伯努利方程的讨论,（1）理想流体的伯努利方程,当流动系统中无外加功时（即时），有,理想流体稳定流动时，总机械能为一常数,理想流体在流动系统各截面上所具有的总机械能相等,（2）可压缩流体,伯努利方程的讨论,对于可压缩流体，若流动系统两截面间的绝对压力变化较小（常规定为），则仍可用伯式进行计算，但流体密度应以两截面间流体的平均密度来代替。,（3）以单位重量（1N）流体为计算基准的伯努利方程,将以1kg流体为基准的伯式中的各项除以g，则可得,伯努利方程的讨论,令，则,分别称为位压头、动压头、静压头与压头损失，而则被称为输送设备对流体所提供的有效压头。,伯努利方程的讨论,伯努利方程的讨论,稳定、连续、不可压缩系统。两截面间流量不变，满足连续性方程。,确定高位槽供液系统的槽面高度确定输送设备的有效功率确定送液气体的压力流量测量,（4）伯奴利方程适用条件,（5）伯努利方程的应用,（6）运用伯奴利方程解题要点,伯努利方程的讨论,作图与确定衡算范围,画出流动系统示意图并指明流体流动方向，以明确衡算范围,截面的选取,与流向垂直；定出上、下游截面；两截面间的流体必须连续，所求未知量应在截面上或截面之间反映出来;求有效功率，截面应选在泵的两侧。,运用伯式解题要点,基准水平面的选取,可任意选取，但必须与地面平行。通常取所选两截面中的任一个,单位必须统一,表示方法也应一致，或为绝对压力，或为表压力,伯努利方程的讨论,（7）解题步骤,作图与选截面；,选取基准水平面；,列方程，寻找已知条件，求解。,雷诺实验装置,雷诺实验,雷诺实验现象,雷诺实验现象,流体流动的型态,层流：,流体质点沿管轴方向作直线运动，分层流动，又称滞流,湍流：,流体质点除沿轴线方向作主体流动外，还在各个方向有剧烈的随机运动，又称紊流,过渡状态不是一种独立的流动形态，介于层流与湍流之间。,层流与湍流在圆管内的速度分布,层流速度分布曲线,湍流速度分布曲线,层流速度分布,流体流动形态的判定,判定指标：,无单位;,大小反映流体的湍动程度，值越大，流体流动湍动性越强;,计算时只要采用同一单位制下的单位，计算结果都相同。,雷诺准数,流体流动形态的判据,层流(滞流),过渡状态,湍流,可能是层流，也可能是湍流，是一种不稳定的状态。,一般工程计算中，可作湍流处理。,湍流流体中的层流内层,湍流流体靠近管壁处作层流流动的流体薄层,层流内层：,层流内层的厚度随雷诺准数Re的增大而减薄，但不会消失。,层流内层的存在对传热与传质过程都有很大的影响。,流体在管内作湍流流动时，横截面上沿径向分为层流内层、过渡层和湍流主体三部分。,层流内层,流体的粘度,粘性：,流体流动时产生内摩擦的性质,粘性大的流体流动性差，粘性小的流体流动性好。,粘性是流体的固有属性。,牛顿粘性定律,若流体相邻层间的内摩擦力为F，则,若单位流层面积上的内摩擦力称为剪应力，则,牛顿粘性定律指明流体层间的剪应力与速度梯度成正比。,服从牛顿粘性定律的流体，称为牛顿型流体。,比例系数称为粘度。,流体的粘度,粘度是表征流体粘性大小的物理量，是流体的重要物理性质之一。,影响因素：流体的种类及状态（温度、压力）。液体的粘度随温度升高而减小，气体的粘度随温度升高而增大。压力变化，液体粘度基本不变，气体粘度随压力增加而增加得很少.,查取：某些常用流体的粘度，可以从有关手册和本书附录中查得。,单位及换算：SI制中，粘度单位是Pas，工程上或文献中常用cgs制，泊（P）或厘泊（cP）表示。,混合物的粘度，如缺乏实验数据，可参阅有关资料，选用适当的经验公式进行估算。,流体的粘度,1Pas=10P=1000cP,流体的流动阻力,流体在管路中流动时的阻力分为直管阻力和局部阻力,直管阻力：流体流经一定管径的直管时，由于流体的内摩擦而产生的阻力。,局部阻力：流体流经管路中的管件、阀门及截面的突然扩大和突然缩小等局部地方时所引起的阻力。,总阻力：直管阻力和局部阻力的总和。,（一）层流时的速度分布,速度分布：流体在圆管内流动时,管截面上质点的速度随半径的变化关系。,层流时的速度分布,由压力差产生的推力,流体层间内摩擦力,管壁处rR时，0，可得速度分布方程,管中心流速为最大，即r0时，umax,管截面上的平均速度:,即层流流动时的平均速度为管中心最大速度的1/2。,即流体在圆形直管内层流流动时，其速度呈抛物线分布。,（二）层流时的摩擦系数,速度分布方程,又,哈根-泊稷叶（Hagen-Poiseuille）方程,能量损失,层流时阻力与速度的一次方成正比。,变形：,比较得,直管阻力,直管阻力的计算：,范宁公式,的值与反映流体湍动程度的Re及管内壁粗糙程度的大小有关。,管壁粗糙程度,绝对粗糙度：,指管壁突出部分的平均高度，以表示。,相对粗糙度：,指绝对粗糙度与管道内径的比值，即/d。,某些工业管道的绝对粗糙度,层流时的摩擦系数,流体作层流流动时，摩擦系数与/d无关，只是雷诺准数的函数,因此，流体在圆直管内作层流流动时的阻力为,查莫狄（Moody）图,湍流时的摩擦系数,使用经验公式,湍流时摩擦系数的计算：,莫狄图,根据雷诺准数的不同，可在图中分出四个不同的区域：,莫狄图使用方法,1）层流区Re2000,2）过渡区20003.0204010202.53.00.510,某些流体在管道中的流速范围,技能训练管路拆装训练,管路的布置与安装原则,工业上的管路布置既要考虑到工艺要求，又要考虑到经济要求，还要考虑到操作方便与安全，在可能的情况下还要尽可能美观。,管路的布置与安装原则,第三节管子的选用与管路安装,第一节流体输送管路,第二节流体流动的基础知识,第四节液体输送机械,第五节气体输送机械,第一章流体流动及输送技术,流体输送机械,液体输送机械,气体输送机械,（通称为泵）,（如风机、压缩机、真空泵等）,离心式,往复式,旋转式,流体作用式,离心泵的结构,离心泵的外观,l-泵体；2-叶轮；3-密封环；4-轴套；5-泵盖；6-泵轴；7-托架；8-联轴器；9-轴承；10-轴封装置；11-吸入口；12-蜗形泵壳；13-叶片；14-吸入管；15-底阀；16-滤网；17-调节阀；18-排出管,离心泵结构详解,离心泵叶轮,离心泵的吸液方式,为使泵内液体能量转换效率增高，叶轮外周安装导轮。,离心泵泵壳,作用：,将叶轮封闭在一定的空间内，以便由叶轮的作用吸入和压出液体,外形：,多为蜗壳形，故又称蜗壳,蜗壳形流道截面积逐渐扩大，从叶轮四周甩出的高速液体逐渐减速，部分动能有效转换为静压能。,泵壳不仅汇集由叶轮甩出的液体，同时又是一个能量转换装置。,离心泵轴封装置,作用：,防止泵壳内液体沿轴漏出或外界空气漏入泵壳内,类型：,填料密封、机械密封,浸油、涂有石墨的石棉绳,依靠装在轴上的动环与固定在泵壳上的静环之间端面的相对运动,离心泵工作原理,启动前，泵壳内灌满被输送的液体；启动后，叶轮由轴带动高速转动，叶片间的液体也随着转动。在离心力的作用下，液体从叶轮中心被抛向外缘并获得能量，以高速离开叶轮外缘进入蜗形泵壳。在蜗壳中，液体由于流道的逐渐扩大而减速，又将部分动能转变为静压能，最后以较高的压力流入排出管道，送至需要场所。液体由叶轮中心流向外缘时，在叶轮中心形成了一定的真空，由于贮槽液面上方的压力大于泵入口处的压力，液体便被连续压入叶轮中。可见，只要叶轮不断地转动，液体便会不断地被吸入和排出。,离心泵工作原理图示,泵启动时，若泵壳与吸入管路内没有充满液体，则泵壳内存有空气，由于空气的密度远小于液体的密度，产生的离心力很小，叶轮中心就不能输送液体，此种现象称为气缚。,离心泵的气缚现象,气缚现象图示,离心泵的性能参数,流量：,指离心泵在单位时间内排入到管路系统内的液体体积，以Q表示，单位为L.s-1或m3.h-1。,扬程：,指泵给予单位重量液体的有效能量，以H表示，单位为m。,效率：,反映泵对外加能量的利用程度，以表示，无量纲。,轴功率：,指泵轴所需的功率，以P表示，单位为W或kW。每秒钟泵对输出液体所作的功，称为泵的有效功率，以Pe表示。,离心泵性能曲线示意图,离心泵的选用,选用原则：,确定离心泵的类型,确定输送系统的流量和扬程,确定离心泵的型号,校核轴功率,列出泵在设计点处的性能，供使用时参考,p叶轮pv，使液体汽化,离心泵的气蚀现象,汽蚀现象：,泵内液体汽化，汽泡形成和破裂的过程中使叶轮材料受到损坏的现象,产生原因：,危害：,（1）叶轮遭到剥蚀；,（2）产生噪音和振动；,（3）流量不稳定，显著下降，严重时不能送液。,工程上规定，当泵的扬程下降3时，认为进入了气蚀状态。,气蚀现象预防措施,只需使得即可，亦即或者升高或者降低,气蚀现象图示,离心泵的允许安装高度,工程上从根本上避免气蚀现象的方法是限制泵的安装高度,避免离心泵气蚀现象发生的最大安装高度，即泵的吸入口与吸入贮槽液面间可允许达到的最大垂直距离，称为离心泵的允许安装高度,也叫允许吸上高度，由表示。,假定泵在可允许的最高位置上操作，以液面为基准面，则由列贮槽液面0-0与泵的吸入口1-1两截面间的伯努利方程式，可得,离心泵的允许安装高度,允许汽蚀余量：,一般由实验测定，由泵性能中查取。,离心泵的允许安装高度,泵吸入口处动压头与静压头之和比被输送液体的饱和蒸汽压头高出的最小数值，用表示。,当允许安装高度为负值时，离心泵的吸入口低于贮槽液面。,为安全起见，泵的实际安装高度通常能比允许安装高度低0.5m1m。,管路的特性曲线,对于给定的管路，其输送任务（流量）与完成任务所需要的压头之间也存在一定的关系，这种关系称为管路特性，表示在压头与流量的关系图上，称为管路的特性曲线。,管路特性方程:,管路特性曲线,管路特性影响因素,管路的铺设情况,操作条件,与泵的特性无关！,指定泵安装在特定管路中，只能有一个稳定的工作点。,离心泵的工作点,将泵的HQ曲线与管路的HQ曲线绘在同一坐标系中，两曲线的交点称为泵的工作点,当泵安装在指定管路时，流量与压头之间的关系既要满足泵的特性，也要满足管路的特性,QM=Q=Qe,离心泵的工作点,离心泵的流量调节,调节泵的工作点,调节管路特性曲线和泵的特性曲线,改变阀门的开度,离心泵的流量调节,离心泵的操作,离心泵的开停车操作（1）开车前的准备工作（2）开车程序（3）停车程序（4）两泵切换离心泵操作训练离心泵操作仿真训练,第三节管子的选用与管路安装,第一节流体输送管路,第二节流体流动的基础知识,第四节液体输送机械,第五节气体输送机械,第一章流体流动及输送技术,气体输送机械,输送和压缩气体的设备统称为气体压送机械,气体压送机械也分离心式、旋转式、往复式等类型,气体压送机械的分类,工业上常用的通风机主要有离心通风机和轴流通风机两种型式。轴流式通风机所产生的风压很小，一般只作通风换气之用。用于气体输送的，多为离心通风机。,通风机,离心式通风机的工作原理和基本结构与离心泵相似，但机壳断面有方形和圆形两种，一般低、中压通风机多为方形，高压的多为圆形，叶轮上叶片数目较多且长度较短。,离心通风机结构与工作原理,离心通风机性能参数,风量:,风压：,轴功率与全压效率：,按进口处的气体状态计的单位时间内从风机出