化工基础第四讲

1、第四讲第四讲2.5 流速和流量的测量流速和流量的测量 以机械能衡算方程为基础的测定方法，应用公式：以机械能衡算方程为基础的测定方法，应用公式：1 流速和流量测定流速和流量测定 流体的速度和流量测定是一个重要的测量参数；流体的速度和流量测定是一个重要的测量参数； 测量用的方法和流量计的种类很多。测量用的方法和流量计的种类很多。 u1A1=u2A21 测速管（毕托管测速管（毕托管 Pitot ） (1) (1) 结构结构 同心套管、压差计同心套管、压差计 。 RAB实际应用的毕托管示意图实际应用的毕托管示意图(2) 测量原理测量原理 未放测速管时，截面各点均为静压能。未放测速管时，截面各点均为静压

2、能。 放入测速管后，放入测速管后， 外管：开口平行于流向外管：开口平行于流向 pB静压能；静压能； 内管：开口垂直于流向内管：开口垂直于流向 pA滞点压力。滞点压力。 滞点压力滞点压力(冲压能冲压能) =静压能静压能+动能动能22rBAuppABR 毕托管构造原理示意图毕托管构造原理示意图 CP：校正系数，一般取：校正系数，一般取0.980.981.00 (1.00 (实测实测) ) 流量计标定：校正流量计的过程。流量计标定：校正流量计的过程。 (3) 使用方法使用方法 ABrpu2因此，gRCuPr)(2使用时需校正：1) 测量点速度测量点速度 问题：如何测平均流速、流量、速度分布问题：如何

3、测平均流速、流量、速度分布 平均流速：放于管中心处，测出平均流速：放于管中心处，测出 umax， 层流：层流： 湍流：湍流： max5 . 0 uu max8 . 0 uu gR)(2 a）管口截面）管口截面： 严格垂直于流体的流动方向；b）测量点选择）测量点选择： 在稳定流动段（直管段）， 且前后直管各50d , 至少 8-12d； c）毕托管直径）毕托管直径： 外径不超过管径的1/50； d）测量气体时）测量气体时： 压力变化不超过15%； 要求气体流速 5 m/s； e）压差较小时：）压差较小时： 可配合微差压差计使用。3) 适用条件适用条件 大直径管路，流体含固体杂质时不宜采用。2)

4、安装安装4）毕托管的优点：）毕托管的优点：结构简单；使用方便；流体的机械能损失很少。5）毕托管的局限性：）毕托管的局限性：测速管较多地用于测量气体流场中某点的速度；测压孔易堵塞。2 孔板流量计孔板流量计 (1) 结构及特点结构及特点 1) 结构结构 孔板孔板：测量元件； 缩脉缩脉：孔板后1/32/3 d 处。 R121002d1S1u1d0S0u0d2S2u2 孔板流量计 压差计两种取压方式：压差计两种取压方式： 缩脉取压缩脉取压：孔板前1d 孔板后0.5d处。 角接取压角接取压：孔板前后，并尽量靠近孔板。 工业上，常用角接取压。 2) 特点：特点：节流式流量计 (恒截面，变压差)(2) 测量

5、原理在上图所示的1-1、2-2面间列机械能衡算方程：22222211upup若不考虑阻力损失，有：若不考虑阻力损失，有：流速公式推导（流速公式推导（p41),(1010加工取压方式孔流系数：ddRfCe0.820.800.780.760.740.720.700.680.660.640.620.601041051065550.600.550.450.200.650.700.750.8011Reud孔流系数C010dd流量系数与Re之间的关系65. 060. 010604CRe时，5 . 010dd工业标准孔板：(3) 安装要求安装要求 1) 稳定段长度：上游1540d，下游5d处； 2) 不宜安

6、装在要求阻力很小处(如泵入口)。(4) 主要优缺点主要优缺点优点：优点：结构简单，制造、使用方便，造价低；缺点：缺点：永久阻力损失大（实测压差的75%）。3 文丘里流量计(1) 结构及特点 1) 结构 喉管喉管2) 特点特点 节流式流量计节流式流量计 (恒截面，变压差恒截面，变压差)(2) 测量原理测量原理 列列1-1及及2-2面间的机械能方程式面间的机械能方程式： )(22gRSCqVV流量：(3) 安装要求安装要求 稳定段长度：上游稳定段长度：上游50d，下游，下游10d。 (4) 主要优缺点主要优缺点 优点：优点：永久阻力损失小(实测压差p1-3的10%)； 缺点：缺点：造价较高，本身尺

7、寸较长。(5) 孔板流量计和文丘里流量计孔板流量计和文丘里流量计 1) 只能测平均流速，不能测速度分布； 2) 采用试差法求流量系数Cv 或 C0； 3) 可绘制校正曲线，直接查取压差-流量关系。4 转子流量计 (1) 结构与特点 1）结构 锥形体（锥角约40）； 转子（密度大于流体密度）。 2) 特点： 变截面，恒压差。2222222111upgzupgz列列1-1及及2-2间伯努利方程：间伯努利方程：)pp(SgV-gV21ffff (2) 测量原理测量原理 原理原理：转子在流体中受力平衡转子在流体中受力平衡 对控制体对控制体(含转子的圆柱体含转子的圆柱体)作力衡算：作力衡算：z2z121

8、 转子受力分析22121uuSSu玻璃管截面积环隙面积代入：fffSgVSSu)(2)(112122因此，fffRSgVCu)(22校正：转子形式）校正系数：,(eRRfC 98. 0104ReCR时，当)uu(21g)zz(pp21221221 (3) 流量计的校正流量计的校正 1) 刻度标准刻度标准(厂家)：液体 20、 水； 气体 20、101325 Pa的空气。fffRVSgVSCq)(22流量：.,10224由刻度直接读流量时，hSqRVe2) 条件变化时，校正方法：条件变化时，校正方法： * 测不同种类流体时，测不同种类流体时， a）校正密度）校正密度 同一刻度下，同一刻度下， b

9、）实验，重新标定刻度-流量曲线(常用方法） * 量程不符时量程不符时， 改变转子f、Vf、Sf)()(AfBBfAVAVBqq即：min, 2max, 2minmaxSSqqVVfffRVsgVsCq)(223) 转子流量计的量程转子流量计的量程变化。时，阻力损失不随流量410eR4) 阻力损失阻力损失(5) 使用使用 1) 用于清洁或腐蚀性流体测量；用于清洁或腐蚀性流体测量； 2) 玻璃管不耐高温、高压，易碎；玻璃管不耐高温、高压，易碎； 3) 开启时，应缓慢调节流量阀。开启时，应缓慢调节流量阀。1) 必须垂直安装（只能测垂直管中流量）；必须垂直安装（只能测垂直管中流量）；2) 必须保证转子

10、位于管中心；必须保证转子位于管中心； （转子上刻有斜槽）（转子上刻有斜槽）3) 各种流量计在管路中的安装；各种流量计在管路中的安装； 为便于检修，各种流量计均应有旁路。为便于检修，各种流量计均应有旁路。(4) 安装安装 1) 优点优点 阻力损失小，测量范围宽，阻力损失小，测量范围宽， 流量计前后不需稳定管段。流量计前后不需稳定管段。(6) 转子流量计的优缺点转子流量计的优缺点2) 缺点缺点 不耐高压不耐高压 (小于小于0.5 MPa)， 管道直径有限管道直径有限 (小于小于50mm)。 2.6 流体输送设备流体输送设备 流体流动需要一定的推动力来克服管路和设备的阻力，才能流体流动需要一定的推动

11、力来克服管路和设备的阻力，才能把流体从低处送到高处，或从低压系统输送到高压系统。一般把流体从低处送到高处，或从低压系统输送到高压系统。一般把输送液体的机械通称为泵，输送气体的机械称为风机或压缩把输送液体的机械通称为泵，输送气体的机械称为风机或压缩机。机。动力（叶轮）式动力（叶轮）式 利用高速旋转的叶轮给流体提供动能。利用高速旋转的叶轮给流体提供动能。容积（正位移）式容积（正位移）式 利用活塞、齿轮、螺杆等直接挤压流体利用活塞、齿轮、螺杆等直接挤压流体 不属于上述类型的其它形式的泵，如喷射泵。不属于上述类型的其它形式的泵，如喷射泵。 本节以离心泵和往复压缩机为例，简单介绍它们的基本构造本节以离心

12、泵和往复压缩机为例，简单介绍它们的基本构造、原理及其相关特性。、原理及其相关特性。作用作用：向系统输入能量，补充所需机械能；向系统输入能量，补充所需机械能； 用于流体的输送或加压。用于流体的输送或加压。 1.离心泵离心泵 离心泵的构造和工作原理离心泵的构造和工作原理 离心泵是化工生产上广泛应用的一种液体输送设离心泵是化工生产上广泛应用的一种液体输送设备。它的主要构造如图所示。泵的主要部件有：备。它的主要构造如图所示。泵的主要部件有：叶轮、叶轮、泵轴、蜗状泵壳、吸入管、压出管及底阀等泵轴、蜗状泵壳、吸入管、压出管及底阀等。蜗壳蜗壳（外壳）；（外壳）；叶轮叶轮：敞式敞式, ,半蔽式半蔽式, ,蔽式

13、蔽式 单吸式、双吸式。单吸式、双吸式。 附属装置附属装置：底阀、滤网、底阀、滤网、调节阀、平衡孔调节阀、平衡孔( (平衡管平衡管) )、排气孔、轴封。、排气孔、轴封。 1.1 离心泵的基本结构，工作原理离心泵的基本结构，工作原理 (1) (1) 离心泵的结构离心泵的结构 主要结构主要结构： 离心泵外形：离心泵外形： (2) 工作原理工作原理 (a) 排出阶段排出阶段 叶轮旋转叶轮旋转( (产生离心力，使液体产生离心力，使液体获得能量）获得能量）流体流入涡壳流体流入涡壳( (动能动能静压能静压能) ) 流向输出管路。流向输出管路。 (b) 吸入阶段吸入阶段 液体自叶轮中心甩向外缘液体自叶轮中心甩

14、向外缘 叶轮中心形成低压区叶轮中心形成低压区 贮槽液面与泵入口形成压差贮槽液面与泵入口形成压差液体吸入泵内。液体吸入泵内。气缚现象：气缚现象：泵内未充满液体，气体密度低，产生离心力小，泵内未充满液体，气体密度低，产生离心力小，在叶轮中心形成的低压不足以将液体在叶轮中心形成的低压不足以将液体吸上吸上。说明：离心泵无自吸能力，启动前必须将泵体内充满液体说明：离心泵无自吸能力，启动前必须将泵体内充满液体。 离心泵结构示意图离心泵结构示意图(c)(c) 主要部件作用主要部件作用 泵壳泵壳：动能动能静压能，提高液体压力静压能，提高液体压力, 能量转换装置。能量转换装置。 叶轮叶轮：把原动机把原动机(电机

15、电机)的机械能，传递给液体，提高液体的的机械能，传递给液体，提高液体的 动能和静压能。动能和静压能。 叶轮形式：叶轮形式：叶轮叶轮由由4 41212片叶片组成。片叶片组成。 按叶片两侧有无盖板按叶片两侧有无盖板: 敞（开）式敞（开）式、半、半蔽（闭）式蔽（闭）式、蔽（闭）式蔽（闭）式。叶轮的类型叶轮的类型(a)后盖板平衡孔单吸式单吸式双吸式双吸式按吸液方式：单吸式、双吸式。按吸液方式：单吸式、双吸式。蔽式叶轮：适用于输送清洁液体蔽式叶轮：适用于输送清洁液体敞式和半蔽式叶轮：流道不易堵塞，适用于输送含有固体敞式和半蔽式叶轮：流道不易堵塞，适用于输送含有固体颗粒的液体悬浮液，效率低。颗粒的液体悬浮

16、液，效率低。单吸式：结构简单，液体从叶轮一侧被吸入。单吸式：结构简单，液体从叶轮一侧被吸入。双吸式：吸液能力大，基本上消除轴向推力。双吸式：吸液能力大，基本上消除轴向推力。单吸式与双吸式叶轮单吸式与双吸式叶轮（2）离心泵的主要性能参数）离心泵的主要性能参数 离心泵的主要性能参数包括：离心泵的主要性能参数包括：扬程、流量、功率和效率。扬程、流量、功率和效率。功率功率 在单位时间内，液体自泵实际得到的功称在单位时间内，液体自泵实际得到的功称为泵的有效功率。用为泵的有效功率。用符号符号Pe表示，单位为表示，单位为W。 扬程扬程 泵对单位重力的流体所做的功称为扬程泵对单位重力的流体所做的功称为扬程(或

17、压头或压头)，亦即液体进出泵前后的压头差，用符号，亦即液体进出泵前后的压头差，用符号H表示表示，单位为米液柱。，单位为米液柱。流量流量 离心泵的流量又称排液量或输送能力，指离心泵的流量又称排液量或输送能力，指在单位时间内泵所排送的液体数量，用符号在单位时间内泵所排送的液体数量，用符号qv表表示，单位为示，单位为m3s-1或或m3h-1。效率效率 离心泵的效率与泵的大小、类型、制造精离心泵的效率与泵的大小、类型、制造精度和输送液体的性质有关。泵的度和输送液体的性质有关。泵的有效功率有效功率Pe、轴功轴功率率P和和效率效率三者之间的关系如下：三者之间的关系如下： 离心泵的主要性能参数之间的关系由实

18、验确定，测离心泵的主要性能参数之间的关系由实验确定，测出的流量与扬程、功率出的流量与扬程、功率, 效率之间的关系曲线称为效率之间的关系曲线称为离心泵的特性曲线或工作性能曲线。离心泵的特性曲线或工作性能曲线。PeqvgH式中式中 H泵的扬程，泵的扬程，m； 一流体的密度，一流体的密度，kgm-3 qv泵的流量，泵的流量，m3s-1 g重力加速度，重力加速度，ms-2。=PeP（3）离心泵的特性曲线）离心泵的特性曲线上图是离心水泵的特性曲线。其遵循下面的规律：上图是离心水泵的特性曲线。其遵循下面的规律：qvH曲线曲线离心泵的扬程随着流量的增大而下降。离心泵的扬程随着流量的增大而下降。qvPe曲线曲

19、线离心泵的功率随着流量的增大而升高。离心泵的功率随着流量的增大而升高。qv曲线曲线 效率开始时随流量的增大而增加，达到效率开始时随流量的增大而增加，达到最大值后，如继续增大流量，则泵效率反而下降。最大值后，如继续增大流量，则泵效率反而下降。（4）离心泵的安装高度和气蚀现象）离心泵的安装高度和气蚀现象泵在与最高效率点对应的流量泵在与最高效率点对应的流量,扬程下工作最为经济。扬程下工作最为经济。Hg=(P0P1)/(g)u12/(2g)Hf 能量衡算式为：能量衡算式为：P0/(g)HgP1/(g)u12/(2g)Hf或(P0P1)/g称为称为离心泵允许吸上真空度离心泵允许吸上真空度，记作，记作Hs

20、， P1越小，越小，Hs越大，越大，Hg便越大。便越大。 但但P1等于或小于在当时温度下的饱和蒸气压时，等于或小于在当时温度下的饱和蒸气压时，液体将生成大量气泡，气泡随液体流到叶轮压力较液体将生成大量气泡，气泡随液体流到叶轮压力较高的区域后，被压缩、破裂又突然凝结，产生很大高的区域后，被压缩、破裂又突然凝结，产生很大的冲击力冲击叶轮和泵壳内表面，使叶轮和泵壳内的冲击力冲击叶轮和泵壳内表面，使叶轮和泵壳内表面造成严重的剥蚀现象，这种现象称为表面造成严重的剥蚀现象，这种现象称为“气蚀气蚀”。 泵的气蚀现象刚发生时，所对应的吸上真空高度泵的气蚀现象刚发生时，所对应的吸上真空高度称为称为最大最大吸上真

21、空度吸上真空度(Hs,max)。为了保证泵在运转中不。为了保证泵在运转中不发生气蚀现象，规定留有发生气蚀现象，规定留有0.3米的安全量，称为米的安全量，称为允许允许吸吸上真空度上真空度(Hs)：Hs=Hs,max- 0.3Hg=(P0P1)/(g)u12/(2g)Hf 如果输送条件与泵样本所给条件不相符时，用下式如果输送条件与泵样本所给条件不相符时，用下式加以校正：加以校正： 式中式中 Hs新条件下的允许吸上真空高度，新条件下的允许吸上真空高度，m水柱；水柱； Hs泵样本上的允许吸上真空高度泵样本上的允许吸上真空高度, m水柱；水柱； Ha泵工作地方的大气压，其值随海拔高度不同泵工作地方的大气

22、压，其值随海拔高度不同而异，而异，m水柱；水柱； Hv被输送液体的饱和蒸气压被输送液体的饱和蒸气压, m水柱；水柱； 10293 K测定时的大气压力，测定时的大气压力，m水柱；水柱； 0.24在在293 K时水的饱和蒸气压，时水的饱和蒸气压，m水柱。水柱。 Hs Hs+(Ha-10) (Hv-0.24)离心泵的气蚀余量（离心泵的气蚀余量（p49)例例2-9（p50)离心泵的类型离心泵的类型1 1、清水泵、清水泵2 2、防腐蚀泵、防腐蚀泵3 3、油泵、油泵4 4、杂质泵、杂质泵离心泵的选用（离心泵的选用（P51）2往复压缩机往复压缩机压缩机压缩机 压缩比在压缩比在4以上，终压在以上，终压在300

23、kPa(表压表压)以以上。分为上。分为低压压缩机低压压缩机(表压在表压在2-10kPa)、中压压缩机中压压缩机(表压在表压在10-100kPa)和和高压压缩机高压压缩机(表压在表压在100-1000 kPa)。 通风机通风机 压缩比在压缩比在11.15间，终压不大于间，终压不大于14.7kPa(表压表压)按其出口压力或压缩比可分为以下几类。按其出口压力或压缩比可分为以下几类。鼓风机鼓风机 压缩比小于压缩比小于4，终压在，终压在 14.7-300 kPa(表压表压)。真空泵真空泵 用于减压操作，终压相当于当时当地的大气用于减压操作，终压相当于当时当地的大气压力。压力。吸气过程吸气过程 压缩过程压

24、缩过程 排气过程排气过程 如图是单动往复压缩机的结构及其操作原理示意图。如图是单动往复压缩机的结构及其操作原理示意图。往复式压缩机的工作过程可分为吸气、压缩和排气往复式压缩机的工作过程可分为吸气、压缩和排气三个步骤进行。三个步骤进行。每一个工作循环都是吸入状每一个工作循环都是吸入状态相同的低压气体，排出状态相同的低压气体，排出状态相同的高压气体。态相同的高压气体。压缩机每一个实际工作循环是由压缩机每一个实际工作循环是由膨胀一吸气一压缩膨胀一吸气一压缩一排气一排气四个连续的过程所组成。封闭曲线四个连续的过程所组成。封闭曲线4l234表示了一个完整的工作循环。表示了一个完整的工作循环。降低了排气的温度；降低了排气的温度；节省压缩所需的功率；节省压缩所需的功率；提高了气缸的容积利用率。提高了气缸的容积利用率。多级压缩的优点是：多级压缩的优点是： 根据热力学原理，气体受压缩时，它的体积、根据热力学原