1、第一章 流體流動 流體是指具有流動性的物體，包括液體和氣體。在化學工業生產過程中所處理的物料，包括原料、半成品和成品等，大多都是流體。按照生產工藝的要求，制造產品時往往把它們依次輸送到各設備內，進行化學反應或物理變化；制成的產品又常需要輸送到貯罐內貯存。上述過程進行的好壞、操作費用及設備的投資都與流體的流動狀態有密切的關系。第一節 流體靜力學流體靜止是流體流動的一種特殊形式，流體靜力學主要研究靜止流體內部壓強變化的規律。下面先介紹流體的一些主要物理性質。一、流體的密度1.密度單位體積流體所具有的質量，稱為流體密度，以表示，單位為kg / m3。若以m代表體積為的流體的質量，則 （1-1）2.比

2、體積單位質量流體所具有的體積，稱為流體的比體積，也稱為比容，用v表示，單位為m3/kg。顯然，它與密度互為倒數，即 （1-2） 3.相對密度一定溫度下，某液體的密度與4（277K）時純水的密度水的比值稱為該液體的相對密度，以表示，無單位。即 （1-3）因為水在4時的密度為1000kg / m3,所以由式（1-3）知 = 1000 ，即將相對密度乘以1000即得該液體的密度，單位是kg / m3。4.密度的求取（1）查手冊 流體的密度一般可在有關手冊中查得。任何流體的密度，都隨它的溫度和壓強而變化。但壓強對液體的密度影響很小，可忽略不計，故常稱液體為不可壓縮的流體。溫度對液體的密度有一定的影響，

3、如純水的密度在4時為1000 kg / m3，而在20時則為998.2kg / m3。因此，在查取液體密度數據時，要注意該液體的溫度。氣體具有可壓縮性及熱膨脹性，其密度隨壓強和溫度的不同有較大的變化，因此在查取氣體的密度時必須注意溫度和壓強。（2）計算法 當查不到某一流體的密度時，可用公式進行計算。氣體的密度 在一般的溫度和壓強下，氣體密度可近似用理想氣體狀態方程式計算，即 （1-4） 或 （1-5）液體混合物 對于液體混合物，組分的濃度常用質量分數w表示。現以1kg混合液體為基準，設各組分在混合前后其體積不變，則1kg混合液體的體積應等于各組分單獨存在時的體積之和，即 （1-6）氣體混合物

4、對于氣體混合物，各組分的濃度常用體積分數（等于摩爾分數y）來表示。現以1m3混合氣體為基準，若各組分在混合前后的質量不變，則1m3混合氣體的質量等于各組分的質量之和，即 m=1 1+2 2+n n （1-7）氣體混合物的平均密度 m也可按式（1-4）計算，此時應以氣體混合物的平均摩爾質量Mm代替式中氣體摩爾質量M。氣體混合物的平均摩爾質量Mm可按下式求算，即 Mm = M1y1 + M2y2 + Mnyn （1-8） 二、流體靜壓強1.流體靜壓強流體垂直作用于單位面積上的力稱為流體的靜壓強，簡稱為壓強或壓力，以符號p表示。若以F（N）表示流體垂直作用在面積A(m2)上的力，則 （1-9）按壓強

5、的定義，壓強的單位是m，也稱為帕斯卡（a）。化工生產中經常用到帕的倍數單位，如：a（兆帕）、ka(千帕)、ma(毫帕)，它們的換算關系為 1a103ka106a109ma工程上壓強的大小也常以流體柱高度表示，如米水柱（mH2O）和毫米汞柱（mmHg）等。若流體的密度為，則夜柱高度h與壓強p的關系為 p =hg或 用液柱高度表示壓強時，必須注明流體的名稱，如10mH2O、760mmHg等。流體靜壓強的單位，除采用法定計量單位制中規定的壓強單位a外，有時還采用歷史上沿用的atm（標準大氣壓）、at（工程大氣壓）、kgfcm2等壓強單位，它們之間的換算關系為：1atm1.033kgf/cm2760m

6、mg10.33m1.0133105a1at1kgfcm2735.6mmg10m9.807104a2.絕對壓強、表壓強和真空度以絕對真空為基準測得的壓強稱為絕對壓強，簡稱絕壓，它是流體的真實壓強。被測流體的絕對壓強比大氣壓強高出的數值，稱為表壓強。因此 絕對壓強=大氣壓強表壓強 或 表壓強=絕對壓強大氣壓強被測流體的絕對壓強低于大氣壓強的數值，稱為真空度。因此 絕對壓強=大氣壓強真空度 或 真空度=大氣壓強絕對壓強顯然,設備內流體的絕對壓強愈低，則它的真空度就愈高，真空度的最大值等于大氣壓。絕對壓強、表壓強與真空度之間的關系，可以用圖1-1表示：應當指出，大氣壓強不是固定不變的，它隨大氣的溫度、

7、濕度和所在地區的海拔高度而變化，計算時應以當時當地氣壓計上的讀數為準。另外為了避免絕對壓強、表壓強和真空度三者相互混淆，在以后的討論中規定，對表壓強和真空度均加以標注，如200kPa(表壓)、53kPa(真空度)等。例1-1 某精餾塔塔頂操作壓強須保持5332Pa絕對壓強。試求塔頂真空計應控制在多少mmHg？若（1）當時當地氣壓計讀數為756mmHg；（2）當時當地氣壓計讀數為102.6kPa。解: 真空度=大氣壓強絕對壓強 查附錄 1mmHg=133.3Pa （1）756 =716 mmg（真空度） （2）102.6 =730mmHg（真空度） 例1-2 設備外環境大氣壓強為640mmg,而

8、以真空表測知設備內真空為500mmg。問設備內絕對壓強是多少？解： 絕對壓強 = 大氣壓強 - 真空度 = 640-500 = 140mmHg=140133.3Pa = 1.86104 Pa=18.6kPa例1-3 如果設備內蒸汽為6kgf / cm2,那么壓強表上讀數為若干a？已知環境大氣壓強為1kgfcm2。解： 表壓強=絕對壓強大氣壓強 =6-1=5kgfcm2 =59.807104 Pa =4.9105 Pa=0.49 MPa三、流體靜力學基本方程1流體靜力學基本方程的推導（1）作用在液柱上端面上的總壓力 (方向向下)（2）作用在液柱下端面上的總壓力 （方向向上）（3）作用于整個液柱的

9、重力G （方向向下） 由于液柱處于靜止狀態，在垂直方向上的三個作用力的合力為零，即 整理上式得 （1-10） 式中 ，為液柱高度，m。若將液柱上端面取在液面上，則式(1-10)可改寫為 （1-11） 式(1-10)和（1-11）均稱為流體靜力學基本方程式，它表明了靜止流體內部壓強變化的規律。2流體靜力學基本方程的討論（1）在靜止的液體中，液體任一點的壓強與液體的密度和深度有關。液體密度越大，深度越大，則該點的壓強越大。（2）在靜止的、連續的同一種液體內，處于同一水平面上各點的壓強均相等。此壓強相等的面稱為等壓面。（3）當液面上方的壓強或液體內部任一點的壓強有變化時，液體內部各點的壓強也發生同樣

10、大小的變化。靜力學基本方程式是以液體為例推導出來的，也適用于氣體。靜力學基本方程式只能用于靜止的連通著的同一種流體內部，因為他們是根據靜止的同一種連續的液柱導出的。 例1-4 附圖所示的開口容器內盛有油和水。油層高度h1=0.7m、密度1=800kgm3 ，水層高度（指油水分界面與小孔的距離）h2=0.6m、密度2=1000 kgm3。（1）判斷下列兩關系是否成立，即pA=pA、pB=pB；（2）計算水在玻璃管內的高度h。解：（1）判斷下列兩關系是否成立：因為及兩點在靜止的連通著的同一流體內，并在同一水平線上，所以pA=pA關系可以成立。因為和B兩點雖在靜止流體的同一水平面上，但不是連通的同一

11、流體，所以pB=pB的關系不能成立。 （2）計算玻璃管內水的高度h 由上面討論知pA=pA,而pA與pA都可以用流體靜力學方程計算,即 pA=p大氣壓1gh12gh2 pA=p大氣壓2gh 于是 p大氣壓1gh12gh2=p大氣壓2gh 簡化上式并將已知值代入，得 8000.710000.6=1000h 解得 h=1.16 m四、流體靜力學基本方程的應用舉例1流體靜壓強的測量流體靜壓強不僅可以用流體靜 力學基本方程來計算，而且還 可以用各種儀表直接測定。 U形管壓差計是液柱式測壓計中 最普通的一種，其結構如圖1-3 所示。 圖1-3 U形管壓差計設在圖1-4中所示的U形管底部裝有指示液，其密度

12、為A，而在U形管兩臂上部及連接管內均充滿待測流體B，其密度為B。依流體靜力學基本方程式可得由讀數計算壓強差p1p2的公式為 p1p2=（AB）g （1-12）若被測流體是氣體，由于氣 體的密度要比液體的密度 小得多，即 ABA 于是，上式可簡化為 p1p2 A g （1-12a）圖1-4 測量壓強差U形管壓差計也可用來測量流體的表壓強和真空度。測表壓強如圖1-5所示，測真空度如圖1-6所示。圖1-5 側表壓強圖1-6 測真空度例1-5 水在20時流經某管道，在導管兩端相距10m處裝有兩個測壓孔，如在U形管壓差計上水銀柱讀數為3cm，試求水通過這一段管道時的壓強差。解：依式（1-12）得 p1p

13、2= 式中 =13600 kgm3， =998.2 kgm3， =3cm=0.03 m 所以 p =（13600998.2）9.81 0.03 =3.7103 Nm2=3.7kPa 例1-6 水在本題附圖所示的管道內流動，在管道某截面處連接一U形管壓差計，指示液為水銀，讀數R=200mm，h=1000mm。當地大氣壓強p0為760mmg，試求水在該截面處的壓強和真空度。若換以空氣在管內流動，而其它條件不變，求空氣在該截面處的壓強和真空度。可取水的密度為1000 kgm3，水銀的密度為1360 kgm3。解：（1）如圖所示，取水平面aa，依流體靜力學基本原理知： pa=pa=p0又由靜力學基本方

14、程式可得 pa=pghg于是 p=paghg式中 pa=760mmg=1.013105Pa =1000kgm3 =13600kgm3 H=1m, R=0.2m所以 p =1.01310510009.81113600 9.810.2 =6.48104Pa故該截面水的真空度為 1.0131056.48104=3.65104Pa（真空）2液位的測量 如圖1-7所示，用一根玻璃管與貯槽上下相連通，玻璃管內液面的高度便反映貯槽內的液面高度。因為按液體靜力學基本方程，相連通的同一種流體在同一水平面上的1點和2點的靜壓強相等，即 p1=p2而 p1=pagz1 p2=pbgz2于是 pa gz1=pbgz由

15、于貯槽上部與液面計相連通，且貯 槽為與大氣相連通，故pa=pb=p大氣壓所以 z1=z2液面計也可裝成如圖1-8、圖1-9所示的裝置。若容器的位置很低或離操作室較遠，要測量其液位可采用例1-7附圖所示的裝置。例1-7 現有一遠距離測量有機液體貯罐內液位的裝置，如本題附圖所示。自管口通入壓縮氮氣，用調節閥1調節其流量。管內氮氣的流速控制的很小，只要在鼓泡觀察器內看出有氣泡緩慢逸出即可。因此，氣體通過吹氣管4的流動阻力可以忽略不計。管內某截面上的壓強用U形壓差計3來測量。壓差計讀數R的大小，即反映貯罐5內液面的高度。現已知U形壓差計指示液為水銀，其讀數R=100mm。罐內有機液體密度=1250kg

16、 m3，貯罐上方與大氣相通，試求貯罐中液面離吹氣管出口距離h為若干。解：由于吹氣管內氮氣的流速很小，且管內不能存有液體，故可認為管子出口a處與U形管壓差計b處的壓強近似相等，即pa pb 。若pa與pb均以表壓表示，根據流體靜力學基本方程式得 pa=gh pb=g R 所以 h= =1.09m3液封高度的計算在化工生產中為了保證安全正常生產，經常要用液柱產生的壓強把氣體閉在設備中，以防止氣體泄漏、倒流或有毒氣體逸出而污染環境；有時則是為防止壓強過高而起泄壓作用，以保護設備等。通常使用的液體是水，因此常稱水封或安全水封。例1-8 如本題附圖所示，為了控制乙炔發生器內的壓強不超過80mmHg（表壓

17、），在器外裝有安全水封裝置，其作用是當器內壓強超過規定值時，氣體從水封管排出，試求此器的安全水封管應插入槽內水面以下的深度。解：安全操作時，器內的最高表壓強為80mmHg。此時水封管內充滿氣體，水封槽水面的高度保待h（m）。而當器內壓強超過規定值時，氣體將由水封管排出。所以應按器內允許的最高壓強計算水封管插入槽內水面的深度。 過液封管口作基準水平面0-0，在其上取1、2兩點。 其中器內壓強 p1=pa 1.013105 p2=pagh因 p1=p2故 1.013105=10009.81h解得 h =1.09m為了安全起見，實際安裝時管子插入深度應略小于1.09m。第二節 流體動力學一、流量與流

18、速1.流量單位時間內流經管道任一截面的流體量，稱為流量。若流量用體積來計量，則稱為體積流量，以qv表示，其單位為m3 /S。若流量用質量來計量，則稱為質量流量，以qm表示，其單位為kgs 。體積流量和質量流量的關系為 qm= qv （1-13） 2.流速單位時間內流體在流動方向上所流過的距離，稱為流速，以u表示，其單位為m/s。在工程上一般以流體的體積流量除以管路的截面積所得的值來表示。此種速度稱為平均速度，簡稱流速。其表達式為 （1-14）由于氣體的體積流量隨溫度和壓強而變化，顯然氣體的流速亦隨之而變。因此，對氣體的計算采用質量流速就較為方便。質量流速的定義是單位時間內流體流過管道單位截面積

19、的質量，用G表示，單位為kg（m2s），其表達式為 （1-15）3.流量方程式式（1-14）可改寫為 qv=u （1-16）或 qm= qv=u （1-17）式（1-16）、式（1-17）稱為流量方程式。根據流量方程式可以計算流體在管路中的流量、流速或管路的直徑。4.管路直徑的估算一般管路的截面為圓形，若以d表示管道的內徑，由流量方程式，得 d = （1-18）由上式可知，當流量一定時要確定管徑，必須選定流速。流速越大，則管徑越小，可以節省設備費用，但流體流動時的阻力增大，會消耗更多的動力，增加了日常操作費用。反之，流速越小，則管徑越大，可以減少日常操作費用，但增加了設備費用。所以流速不宜過大

20、或過小。最適宜的流速應使設備費用和操作費用之和為最小。適宜的流速可從手冊中查取，表1-1列出了某些流體在管道中的適宜流速范圍，可供參考。表1-1某些流體在管道中的適宜流速范圍流體種類及狀況流速范圍/（m/s）流體種類及狀況流速范圍/（m/s）水及一般液體黏度較大的液體低壓氣體壓強較高的氣體130.51 8151525易燃、易爆的低壓氣體（如乙炔等）飽和水蒸氣： 0.8MPa以下 0.3MPa以下過熱水蒸氣8406020403050例 1-9 某水管的流量為45m3h，試選擇該管路普通級水管型號。解: 由 d =已知 qv=m3s，選適宜流速 u=1.5ms，代入上式得 d = =0.103m=

21、103mm參閱本書附錄，管子規格中沒有內徑正好為103mm的，所以選用DN100mm(或稱英寸)的水管，其外徑為114mm，壁厚為4mm，內徑為11424=106mm。本例的實際流速為 u=1.5（103106）=1.42ms 二、穩定流動和不穩定流動流體在流動系統中，若任一截面上流體的流速、壓強、密度等與流動有關的物理量，僅隨位置改變而不隨時間變化，這種流動稱為穩定流動；若流體在流動時，任一截面上的流速以及其他和流動有關的物理量中，只要有一項不僅隨位置而變，又隨時間而變的流動稱為不穩定流動。化工生產中正常連續生產時，均屬于穩定流動。 三、流體穩定流動時的物料衡算連續性方程如圖1-11所示的穩

22、定流動系統，流體連續不斷地從1-1截面流入，從2-2截面流出，在兩截面間既不向管中添加流體，也不發生漏損，根據質量守恒定律，則物料衡算式為 qm1=qm2 因為 qm=u，故上式可寫成 qm=u1 1 1= u2 2 2 =常數 （1-19） 若流體為不可壓縮的流體，即=常數，則式（1-18）可改寫為 qv=u11=u22=常數 （1-19a）式（1-19a）說明不可壓縮流體不僅流經各截面的質量流量相等，它們的體積流量也相等。同時也表明不可壓縮流體的流速與管道截面積成反比。對于圓形管道，式（1-19a）可改寫為 （1-19b）上式表明體積流量一定時，流速與管徑的平方成反比。例1-10 在穩定流

23、動系統中，水連續地從粗圓管流入細圓管，粗管內徑為細管內徑的兩倍，求細管內水的流速是粗管內的多少倍。解：用下標1及2分別表示粗管和細管。依式（1-19b） 因為 d1=2d2所以 例1-11 某輸水管路由一段內徑為100mm的圓管與一段內徑為80mm的圓管連接而成。若水以60m3h的體積流量流過該管路時，試求此兩段管路內水的流速。解：通過內徑為100mm管的流速為 2.12ms利用式(1-19b)，可得通過內徑為80mm管的流速為 = ms四、流體穩定流動時的能量衡算伯努利方程1.流體流動時所具有的機械能（1）位能m（kg）流體的位能=mgz J1kg流體的位能=gz J/kg 1N流體的位能=

24、z J/N或m，稱為位壓頭（2）動能m（kg）流體的動能= J1kg流體的動能= J/kg 1N流體的動能= J/N或m，稱為動壓頭（3）靜壓能m（kg）流體的靜壓能= J1kg流體的靜壓能= J/kg1N流體的靜壓能= J/N或m，稱為靜壓頭2.外加能量1kg流體從流體輸送機械獲得的能量稱為外加功，用 表示，其單位為J/kg；1N流體從流體輸送機械獲得的能量稱為外加壓頭，用 表示，其單位為m。3.損失能量1kg流體在流動過程中損失的能量用符號 表示，單位為J/kg；1N流體在流動過程中損失的能量稱為壓頭損失，用符號 表示，單位為m。4.流體穩定流動時的能量衡算伯努利方程以1kg流體為衡算基準

25、： （1-20）若以1N流體為衡算基準： （1-21）5.伯努利方程的討論（1）若流體流動時不產生流動阻力，即hf =0，這種流體稱為理想流體。對于理想流體流動而無外功加入時，則式（1-20）便可簡化為 （1-22）式（1-22）稱為理想流體伯努利方程。它表示理想流體在管道內作穩定流動而又沒有外功加入時，任一截面上流體所具有位能、動能與靜壓能之和相等，但各截面上相同形式的機械能不一定相等，它們是可以相互轉換的。 常用上式分析兩截面間的能量轉化關系。如例1-12 。（2）依式（1-20）中e可以確定輸送設備的有功率，即 Ne =eqm （1-23）（3）伯努利方程只是用于液體。對于氣體，若所取系

26、統兩截面間的絕對壓強變化小于原來絕對壓強的20時，仍可用式（1-20）與式（1-21）進行計算，但此時式中的流體密度應以兩截面間流體的平均密度來代替。（4）如果所討論的系統沒有外功加入，則e=0；又系統里的流體是靜止的，則u=0；沒有運動，自然沒有阻力產生，即hf=0。于是式（1-20）可寫為 上式為流體靜力學基本方程式的另一種表達式。它表明靜止流體內任一點的機械能之和為常數。 五、伯努利方程的應用根據伯努利方程可以解決流體流動中的很多實際問題，如：1確定管道中流體的流量，例1-13 。2確定容器間的相對位置，例1-14 。3確定流體輸送設備的有效功率，例1- 15 。 e eqm Hegqv

27、4確定用壓縮空氣輸送液體時壓縮空氣的壓 強，例1-16 。應用伯努利方程式注意要點 （1）根據題意畫出流動系統的示意圖。（2）選取的截面應與流動方向垂直，并且兩截面間的流體必須連續。待求的未知數應在兩截面之間或在某一截面上，所選截面除待求的未知數外，其余物理量應已知或能用其他關系計算。（3）選取的基準面必須是水平面，為簡化計算，應選在兩個截面中較低的一個截面處。如果位置較低的截面不與地面平行，應選通過截面中心的水平面為基準面。（4）式中各物理量的單位必須一致。（5）式中的壓強可以用絕壓也可以用表壓，但要一致。（6）截面很大時，可取截面處的流速為零。第三節 流體在管內的流動阻力流體流動時必須克服

28、內摩擦力而作功，將流體的一部分機械能轉變為熱能而損失掉，這就是流體運動時造成能量損失的根本原因。當流體流動激烈呈紊亂狀態時，流體質點流速的大小與方向發生急劇的變化，質點之間相互激烈地交換位置，也會損耗機械能，而使流體阻力增大，此外，管壁的粗糙程度、管子的長度和管徑的大小也對流體阻力有一定的影響。一、流體阻力的來源二、流體的黏度流體流動時產生內摩擦力的性質稱為黏性，衡量流體黏性大小的物理量稱為動力黏度或絕對黏度，簡稱黏度，用符號表示，是流體的物理性質之一。黏度的大小實際上反映了流體流動時內摩擦力的大小，流體的黏度越大，流體流動時內摩擦力越大，流體的流動阻力越大。液體的黏度隨溫度升高而減小，氣體的

29、黏度則隨溫度升高而增大。壓強變化時，液體的黏度基本不變；氣體的黏度隨壓強的增加而增加的很少，在一般工程計算中可忽略。流體的黏度可從有關手冊中查得。在SI單位制中，黏度的單位是Pas，在物理單位制中常用P(泊)或cP（厘泊）表示，它們的換算關系為 1Pas =10P=1000cP=1000mPas 或 1cP=1mPas 三、流體的流動類型 1兩種流動類型層流和湍流（1）層流（滯流） 流體質點沿管軸的方向做直線運動，不具有徑向速度。（2）湍流（紊流） 流體質點除沿管道向前流動外，還做不規則的雜亂運動，具有徑向速度。2流動型態的判據雷諾數根據e數值的大小進行判據。 （1-24）Re 2000時為層

30、流；Re 4000時為湍流；Re在20004000的范圍內為過渡區。例 1-17 20的水在內徑為50mm管內流動，流速為2m/s。試計算雷諾數，并判斷管中水的流動類型。解：已知d=0.05m，u=2m/s，從本書附錄中查得水在20時，=998.2kg/m3,=1.00510-3 Pas。則Re4000，所以管中水的流動類型為湍流。非圓形管道流動類型的判據 對非圓形管道，計算Re數值時，需要用一個與圓形管直徑d相當的“直徑”來代替，這個直徑，稱為當量直徑，用de表示，可用下式計算 de = （1-25）對于邊長為a和b的矩形截面de為 de = 對于套管環隙，若外管的內徑為d1,內管的外徑為d

31、2, 則de為 de = 不能用當量直徑來計算非圓形管子或設備的截面積。例1-18 有一套管換熱器，內管的外徑為25mm，外管的內徑為46mm，冷凍鹽水在套管的環隙中流動。鹽水的質量流量為3.73t/h，密度為1150kg/m3,黏度為1.210-3 Pas，試判斷鹽水的流動類型。解：當量直徑為de=46-25=21mm=0.021m, =1150 kg/m3,=1.210-3 Pas， m/s 4000故管中鹽水的流動類型為湍流。四、流體在圓管內流動時的速度分布滯流時各點的速度沿管徑呈拋物線分布，截面上各點速度的平均值u等于管中心處最大速度的0.5倍，湍流時各點的速度沿管徑的分布和拋物線相似

32、，但頂端較為平坦，平均速度約為管中心最大速度的0.82倍。 在湍流時無論流體主體湍動的如何劇烈，緊靠管壁處總有一層作層流流動的流體薄層，稱為層流內層。層流內層的存在，對傳熱與傳質過程影響很大。層流內層的厚度與Re值有關，Re值越大，厚度越薄；反之越厚。五、流動阻力的計算1.直管阻力的計算（1）圓形直管 hf= （1-26）式中 hf流體在圓形直管內流動時的損失能量，J/k； l直管長度，m； d直管內徑，m； 流體的動能，J/kg； 摩擦系數，無單位，其值與Re和管壁粗糙程度 有關。計算直管阻力的關鍵是求取值。 值求取方法用公式計算 層流時，對于圓形管通過理論推導得 （1-27）湍流時，由于流

33、體質點運動的復雜性，目前還不能完全用理論分析法得到的計算式，而是通過實驗研究，獲得一些半理論、半經驗的公式，可參考有關資料，選用合適的公式計算。查-Re關系圖 a.層流時摩擦系數與管壁粗糙度無關，只與Re有關。 不論是光滑管還是粗糙管，值均由圖中 a線查取，表達這一直線的方程即為式（1-27）。b.湍流時不但與Re有關，還與管壁粗糙度有關。對于光滑管，值可根據Re從圖中b線查取。對于粗糙管值可根據Re從圖中c線查取。c.過渡區 對于阻力計算，考慮到留有余地，值可按湍流曲線的延伸線查取。（2）非圓形直管 當流體流經非圓形直管時，流體阻力仍可用式（1-26）計算。但式中的d和Re中的d，均應用當量

34、直徑de代替。流速仍按實際流道截面計算。當量直徑用于湍流情況下的阻力計算，才比較可靠，而且用于矩形管時，其截面的長寬之比不能超過3:1，用于環形截面時，其可靠性就較差。用于層流時誤差更大，當必須采用當量直徑計算直管阻力時，則除式（1-26）中的d 換以de外，還須對層流時摩擦系數的計算式（1-27）進行修正，即 （1-28）式中，C為無單位常數。一些非圓形管的常數C值見表1-2。 表1-2 某些非圓形管的常數C值非圓形管的截面形狀正方形等邊三角形環 形長 方 形長:寬2:1長 方 形 長:寬4:1常 數 c57539662732.局部阻力的計算（1）阻力系數法此法是將流體克服局部阻力所引起的能

35、量損失表示為動能的某一倍數，即 (1-29)式中 流體克服局部阻力損失的能量， J/kg； 局部阻力系數,無單位，其值由實驗測定，常見管件和閥門的阻力系數見表1-3。計算突然擴大或突然縮小的局部阻力損失時，式(1-29)中的流速u均以小管的流速計。（2）當量長度法 此法是將流體流過管件、閥門等所產生的局部阻力，折合成相當于流體流過一定長度的同直徑的直管時所產生的阻力。此折合的直管長度稱為當量長度，用符號le表示。這樣，流體克服局部阻力所引起的能量損失可仿照式（1-26）寫成如下形式，即 （1-30）式中，le值由實驗測定，單位為m。表1-4列出了部分管件、閥門等以管徑計的當量長度。例如，45標

36、準彎頭的le/d值為15，若這種彎頭配置在108mm4 mm的管路上，則它的當量長度為le=15（108-24）=1500mm=1.5m如果局部阻力都按當量長度法計算，則管路的總能量損失為 （1-31） 式中，le為管路中所有管件與閥門等的當量長度之和。如果局部阻力都按阻力系數法計算，則管路的總能量損失為 （1-32） 式中，為管路中所有管件與閥門等的局部阻力系數之。式（1-31）和式（1-32）適用于等徑管路總阻力的計算，當管路由直徑不同的管段組成時，應分段計算，然后再加和。3.管路總阻力的計算4.降低流體阻力的途徑流體阻力越大，輸送流體時所消耗的動力越大，能耗和生產成本就越高，因此，要設法

37、降低流體阻力。由總阻力計算式分析可知，降低流體阻力可采取如下措施：合理布置管路，盡量減少管長，走直線，少拐彎；減少不必要的管件、閥門，避免管路直徑的突變；適當加大管徑，盡量選用光滑管。第四節 流量的測量一、孔板流量計構造如圖1-21所示孔板流量計的流量計算式為 （1-33）孔板流量計容易制造，流量有較大變化時，調換孔板方便，應用十分廣泛。 其主要缺點是能量損失較大，而且孔口邊緣容易腐蝕和磨損，應定期進行校正。 孔板流量計應安裝在流體流動平穩的地方。二、文丘里流量計構造如圖1-22所示文丘里流量計的流量計算式與孔板流量計相類似，即 （1-34）文丘里流量計的優點是能量損失小，但其各部分尺寸要求嚴

38、格，需要精細加工，所以造價較高。 三、轉子流量計構造如圖1-23所示轉子流量計讀取流量方便，測量精度高，能量損失小，能適應于腐蝕性流體的測量（因為轉子可用各種耐腐蝕性材料制成），所以應用很廣。但因管壁大多為玻璃制品，易破碎，所以不能耐高溫及高壓，在操作時也應緩慢啟閉閥門，以防轉子的突然升降而擊碎玻璃管。轉子流量計在安裝時不需要很長的穩定段，但必須垂直安裝在管路上，而且流體必須是下進上出。 第二章 流體輸送第一節 化 工 管 路一、管子、管件與閥門1管子（1）鋼管 有縫鋼管又稱為焊接鋼管，一般由碳素鋼制成。有縫鋼管分水煤氣鋼管、直縫電焊管和螺旋縫焊管三種，使用最廣泛的是水煤氣鋼管。 無縫鋼管的特

39、點是質地均勻、強度高、韌性好，可用于輸送有壓強的物料，如水蒸氣，高壓水及高壓氣體等。（2）鑄鐵管 普通鑄鐵管由灰鑄鐵鑄造而成。常用作埋入地下的給、排水管、煤氣管道等。 硅鐵鑄管因而具有很好的耐腐蝕性能，特別是耐多種強酸的腐蝕。（3）有色金屬管 銅管適用于制造換熱器的管子，也常用于油壓系統、潤滑系統傳送有壓的液體。 鉛管主要用來輸送濃度在70%以下的冷硫酸，濃度40%以下的熱硫酸和濃度10%以下的冷鹽酸。 鋁管廣泛用作濃硝酸和濃硫酸管路，也常用來制造換熱設備。（4）非金屬管 陶瓷管耐腐蝕性強，除氫氟酸和高溫堿、磷酸外，幾乎對所有的酸類、氯化物、有機溶劑均具有抗腐蝕作用。 塑料管塑料管的特點是抗蝕

40、性好、質輕、加工容易，其中熱塑性塑料可任意彎曲或延伸以制成各種形狀。（5）復合管最常見的形式是襯里管，它是為了滿足降低成本、增加強度和防腐的需要，在一些管子的內層襯以適當的材料，如金屬、橡膠、塑料、搪瓷等而形成的。2.管件（1）改變管路的方向，如圖2-1中的1、3、6、13各種管件；（2）連接管路支管如圖2-1中的2、4、7、12各種管件；（3）改變管道的直徑，如圖2-1中的10、11等；（4）堵塞管路，如圖2-1中之8及14；（5）連接兩管，如圖2-1中之9及15。3閥門（1）閘閥結構如圖2-2閘閥形體較大，造價較高，但當全開時，流體阻力小，常用作大型管路的開關閥，不適用于控制流量的大小及有

41、懸浮物液體管路上。（2）截止閥 又稱球心閥，結構如圖2-3它是利用圓形閥盤在閥桿的升降時，改變其與閥座間的距離，以開關管路和調節流量。 截止閥對流體的阻力比閘閥要大的多，但比較嚴密可靠。截止閥可用于水、蒸汽、壓縮空氣等管路，但不宜用于黏度大及有懸浮物的流體管路。流體的流動方向應該是從下向上通過閥座。（3）節流閥（調節閥）它是屬于截止閥的一種，如圖2-4所示。它的結構和截止閥相似，所不同的是閥座口徑小，同時用一個圓錐或流線形的閥頭代替圖2-3中的圓形閥盤，可以較好的控制、調節流體的流量，或進行節流調壓等。該閥制作精度要求較高，密封性能好。主要用于儀表、控制以及取樣等管路中。 （4）旋塞 旋塞也叫

42、考克，其結構原理如圖2-5所示。其優點為結構簡單，開關迅速，流體阻力小，可用于有懸浮物的液體，但不適用于調節流量，亦不宜用于壓強較高、溫度較高的管路和蒸汽管路中。（5）球閥 球閥又稱球心閥,如圖2-6所示。它是利用一個中間開孔的球體作閥心，依靠球體的旋轉來控制閥門的開關。它和旋塞相仿，但比旋塞的密封面小，結構緊湊，開關省力，遠比旋塞應用廣泛。（6）隔膜閥 常見的有膠膜閥，如圖2-7所示。這種閥門的啟閉密封是一塊特制的橡膠膜片，膜片夾置在閥體與閥蓋之間。關閉時閥桿下的圓盤把膜片壓緊在閥體上達到密封。這種閥門結構簡單，密封可靠，便于檢修，流體阻力小，適用于輸送酸性介質和帶懸浮物質流體的管路中。 （

43、7）止回閥 止回閥又稱單向閥，如圖2-8所示，其作用是只允許流體向一個方向流動，一旦流體倒流就自動關閉。止回閥按結構不同，分為升降式和旋啟式兩類。升降式止回閥的閥盤是垂直于閥體通道作升降運動的，一般安裝在水平管道上，立式的升降式止回閥則應安裝在垂直管道上；旋啟式止回閥的搖板是圍繞密封面作旋轉運動，一般安裝在水平管道上。止回閥一般適用于清凈介質的管路中，對含有固體顆粒和黏度較大的介質管路中，不宜采用。（8）安全閥 安全閥是一種截斷裝置，當超過規定的工作壓強時，它便自動開啟，而當恢復到原來壓強時，則又自動地關閉。其用于預防蒸汽鍋爐、容器和管道內壓強升高到規定的壓強范圍以外。安全閥可分為兩種類型，即

44、彈簧式和重錘式，如圖2-9所示。（9）疏水閥 疏水閥又稱冷凝水排除閥，俗稱疏水器，用于蒸汽管路中，能自動間歇排除冷凝液，并能阻止蒸汽泄漏。疏水閥的種類很多，目前廣泛使用的是熱動力式疏水閥，如圖2-10所示。二、管路的連接管路的連接包括管子與管子、管子與各種管件、閥門及設備接口等處的連接。目前比較普遍采用的有：承插式連接、螺紋連接、法蘭連接及焊接。1承插式連接鑄鐵管、耐酸陶瓷管、水泥管常用承插式連接。管子的一頭擴大成鐘形，使一根管子的平頭可以插入。環隙內通常先填塞麻絲或石棉繩，然后塞入水泥、瀝青等膠合劑。它的優點是安裝方便，允許兩管中心線有較大的偏差，缺點是難于拆除，高壓時不可靠。2螺紋連接螺紋

45、連接常用于水、煤氣管。管端有螺紋，可用各種現成的螺紋管件將其連接而構成管路。螺紋連接通常僅用于小直徑的水管、壓縮空氣管路、煤氣管路及低壓蒸汽管路。用以連接直管的管件常用的有管箍和活絡管接頭。3法蘭連接法蘭連接是常用的連接方法。優點是裝拆方便，密封可靠，適用的壓強、溫度與管徑范圍很大。缺點是費用較高。鑄鐵管法蘭是與管身同時鑄成，鋼管的法蘭可以用螺紋接合，但最方便還是用焊接法固定。法蘭連接時，兩法蘭間需放置墊圈起密封作用。墊圈的材料有石棉板、橡膠、軟金屬等，隨介質的溫度壓強而定。 4焊接連接焊接法較上述任何連接法都經濟、方便、嚴密。無論是鋼管、有色金屬管、聚氯乙烯管均可焊接，故焊接連接管路在化工廠

46、中已被廣泛采用，且特別適宜于長管路。但對經常拆除的管路和對焊縫有腐蝕性的物料管路，以及不允許動火的車間中安裝管路時，不得使用焊接。焊接管路中僅在與閥件連接處要使用法蘭連接。三、管路的熱補償管路兩端固定，當溫度變化較大時，就會受到拉伸或壓縮，嚴重時可使管子彎曲、斷裂或接頭松脫。因此，承受溫度變化較大的管路，要采用熱膨脹補償器。一般溫度變化在32以上，便要考慮熱補償，但管路轉彎處有自動補償的能力，只要兩固定點間兩臂的長度足夠，便可不用補償器。化工廠中常用的補償器有凸面式補償器和回折管補償器。1凸面式補償器圖2-11 凸面式補償器凸面補償器可以用鋼、銅、鋁等韌性金屬薄板制成。圖2-11表示兩種簡單的

47、形式。管路伸、縮時，凸出部分發生變形而進行補償。此種補償器只適用于低壓的氣體管路（由真空到表壓為196kPa）。圖2-11 凸面式補償器圖2-12 回折管補償器2回折管補償器回折管補償器的形狀如圖2-12所示。此種補償器制造簡便，補償能力大，在化工廠中應用最廣。回折管可以是外表光滑的如圖2-12（a）所示，也可以是有折皺的如圖2-12（b）所示。前者用于管徑小于250mm的管路，后者用于直徑大于250mm的管路。回折管和管路間可以用法蘭或焊接連接。四、管路布置的基本原則化工廠的管路為了便于安裝、檢修和操作管理，多數是明線敷設的。管路布置應考慮到減少基建投資、保證生產操作安全，便于安裝和檢修、節

48、約動力消耗，美觀整齊等。 考慮管路的走向時，應使管路阻力損失達到最小在確定管路的具體位置時，必須考慮操作、檢查、檢修工作的順利進行要按管路內輸送介質的特性確定管路的結構特點。管路的管件、閥門應減少非標準的特殊結構,盡量采用標準件，以利于管路的安裝和維修。第二節 液體輸送機械化工廠中所用的液體輸送機械（泵）種類很多，若以工作原理不同可分為“速度式”和“容積式”兩大類。速度式液體輸送機械主要是通過高速旋轉的葉輪，或高速噴射的工作流體傳遞能量，其中有離心泵、軸流泵和噴射泵。容積式液體輸送機械則依靠改變容積來壓送與吸取液體，容積式泵按其結構的不同可分為往復活塞式和回轉活塞式，其中有往復泵、計量泵和齒輪

49、泵等。一、離心泵離心泵是化工生產中應用最廣泛的液體輸送機械 1離心泵的工作原理和主要部件（1）工作原理 離心泵是一種葉片式泵。圖2-13所示為一臺離心泵的裝置簡圖。 離心泵排液過程的工作原理：在啟動前，須先向泵殼內灌滿被輸送的液體。在啟動后，泵軸就帶動葉輪一起旋轉。此時，處在葉片間的液體在葉片的推動下也旋轉起來，因而液體便獲得了離心力。在離心力的作用下，液體以極高的速度從葉輪中心拋向外緣，獲得很高的動能，液體離開葉輪進入泵殼后，由于泵殼中流道逐漸加寬，液體的流速逐漸降低，又將部分動能轉變為靜壓能，使泵出口處液體的壓強進一步提高，而從泵的排出口進入排出管路。離心泵吸液過程的工作原理：當泵內液體從

50、葉輪中心被拋向外緣時，在中心處形成低壓區，這時貯槽液面上方在大氣壓強的作用下，液體便經過濾網7和底閥6沿吸入管5而進入泵殼內。只要葉輪不斷的轉動，液體便不斷地被吸入和排出。離心泵在啟動前，須先向泵殼內灌滿被輸送的液體。否則發生“氣縛” 現象。（2）離心泵的主要部件 葉輪 葉輪的作用是將原動機的機械能傳給液體，提高液體的動能和靜壓能。葉輪按其機械結構可分為閉式、半閉式和開式三種，如圖2-14所示。按吸液方式的不同，葉輪可分為單吸式和雙吸式兩種。單吸式葉輪的結構簡單，如圖2-15（a）所示，液體只能從葉輪一側被吸入。雙吸式葉輪如圖2-15（b）所示，液體可同時從葉輪兩側吸入。 泵殼 離心泵的泵殼又

51、稱蝸殼，因為殼內壁與葉輪的外緣之間形成了一個截面積逐漸擴大的蝸牛殼形通道，如圖2-16所示。泵殼不僅是一個匯集和導出液體的部件，而且本身還是一個轉能裝置。同時，在此通道內逐漸減速，減少了能量損失， 對于較大的泵，為了減少液體直接進入蝸殼時的碰撞，在葉輪與泵殼之間還裝有一個固定不動而帶有葉片的圓盤稱為導輪，如圖2-17所示，由于導輪具有很多逐漸轉向的流道，使高速液體流過時能均勻而和緩地將動能轉變為靜壓能，以減少能量損失。 軸封裝置 泵軸與殼之間的密封稱為軸封，軸封的作用是防止泵內高壓液體從泵殼內沿軸的四周而漏出，或者外界空氣沿軸漏入泵殼內。常用的軸封裝置有填料密封和機械密封兩種。a.填料密封 填

52、料密封的裝置稱作填料函，俗稱盤根箱，如圖2-18所示。 填料密封是利用填料的變形來達到密封的目的。當填料函用于與泵吸入口相通時，泵殼與轉軸接觸處則是泵內的低壓區，這時為了更好的防止空氣從填料函不嚴密處漏入泵內，故在填料函內裝有液封圈3，如圖2-19所示。b.機械密封 對于輸送酸、堿以及易燃、易爆、有毒的液體，密封要求比較高，既不允許漏入空氣，又力求不讓液體滲出，近年來已多采用機械密封裝置，如圖2-20所示。機械密封是利用兩個端面緊貼達到密封。機械密封與填料密封比較，有以下優點：密封性能好，使用壽命長，軸不易被磨損，功率消耗小，其缺點是零件加工精度高，機械加工復雜，對安裝的技術條件要求比較嚴格，

53、裝卸和更換零件也比較麻煩，價格也比填料函高的多。2離心泵的主要性能參數與特性曲線針對具體的液體輸送任務，要選擇合適規格的離心泵并使之安全高效運行，就需要了解泵的性能及其相互之間的關系。離心泵主要性能參數有流量、揚程、軸功率和效率等，而它們之間的關系則用特性曲線來表示。（1）離心泵的主要性能參數 流量 是指在單位時間內泵能排入到管路系統內的液體體積，以qv表示，其單位為L/s、m3/s或m3/h。離心泵流量與泵的結構、尺寸和轉速有關。揚程（壓頭） 是指泵對單位重量（1N）液體所提供的有效能量，以H表示，其單位為J/N或m。揚程的大小取決于泵的結構、尺寸、轉速和流量。功率和效率 單位時間內液體從泵

54、所獲得的能量，稱為有效功率，以Ne表示，單位為J/s或W。有效功率可用下式計算 Neqvg （2-1）單位時間內泵軸從電動機所獲得的能量，稱為軸功率，以N表示，單位為J/s或W。泵的軸功率大于泵的有效功率。有效功率和軸功率之比，稱為泵的效率，以表示，即 （2-2）若式（2-1）中Ne以kW為單位，則泵的軸功率N（kW）為 （2-3）（2）離心泵的特性曲線為了便于了解泵的性能，泵的制造廠通過實測而得出一組表明qv、Nqv和qv關系的曲線，標繪在一張圖上，稱為離心泵的特性曲線或工作性能曲線，將此圖附于泵樣本或說明書中，供使用部門選用和操作時參考。特性曲線一般都是在一定轉速和常壓下，以常溫的清水為工

55、質作實驗測得的。圖2-20為IS-100-80-125型離心式水泵的特性曲線。 qv曲線 表示泵的流量與揚程的關系，離心泵的揚程隨流量的增加而下降（在流量極小時有例外）。 qv曲線 表示泵的流量與軸功率的關系，離心泵的軸功率隨流量的增大而上升，流量為零時軸功率最小。所以離心泵啟動時，應關閉泵的出口閥門，使啟動功率減少，以保護電機。 qv曲線 表示泵的流量與效率的關系，當qv=時=，隨著流量的增大，效率隨之而上升達到一個最大值，而后流量再增大，效率便下降。上述關系表明離心泵在某一定轉速下，有一個最高效率點，稱為設計點。泵在最高效率點相對應的流量及揚程下工作最為經濟。與最高效率點對應的qv、值稱為

56、最佳工況參數，離心泵的銘牌上標出的性能參數就是上述的最佳工況參數。根據生產任務選用離心泵時，應盡可能的使泵在最高效率點附近運轉，一般以泵的工作效率不低于最高效率的92%為合理。 3影響離心泵特性的因素（1）液體的密度（2）液體的黏度（3）離心泵的轉速泵的流量、揚程、軸功率與轉速的近似關系符合比例定律，即 （2-4） （4）葉輪的直徑泵的流量、揚程、軸功率與葉輪直徑之間的近似關系符合切割定律，即 （2-5）4離心泵的工作點和流量調節（1）管路特性曲線 管路特性曲線是表示一定的管路系統所需的外加壓頭（或揚程）e與流量qve之間關系的曲線。表示該曲線的方程稱為管路特性方程。如圖2-22所示的輸送系統

57、內，若貯液槽與受液槽的液面均維持恒定，且輸送管路的直徑不變。管路特性方程的推導：則液體流過管路系統所必需的壓頭（即要求泵提供的壓頭），可在圖中所示截面11與22間列伯努利方程式得 （2-6）令 若貯液槽與受液槽的截面積都很大，兩個截面處的流速都很小可以忽略不計，則 0。管路系統的壓頭損失為而對于特定的管路，l、le、d均為定值，湍流時摩擦因數的變化很小，于是令 所以，式（2-6）可寫成 e=A （2-6a）式（2-6a）就是管路特性方程。將式(2-6a)在壓頭與流量的坐標圖上進行標繪，即得如圖2-23所示的eqve曲線，稱為管路特性曲線。（2）離心泵的工作點將泵的性能曲線qv與其所在管路的特性

58、曲線eqve，用同樣的比例尺繪在同一張坐標圖上，如圖224所示，兩線交點M所對應的流量和揚程，既能滿足管路系統的要求，又為離心泵所提供，即qv=qve，=e。換句話說，離心泵以一定的轉速在此特定管路系統中運轉時，只能在這一點工作，因為此點M表明流量qve的液體流經該管路時所需的外加壓頭e與泵在qv=qve時所提供的揚程，正好在這一點上統一起來。所以，點即是泵在此管路中的工作點。（3）離心泵的流量調節 當離心泵在指定的管路上工作時，若工作點的流量與生產上要求的流量不一致時，就要對泵進行流量調節，實質上就是設法改變離心泵的工作點。既然泵的工作點為管路特性曲線和泵的性能曲線所決定，所以，改變兩曲線之

59、一均能達到調節流量的目的。 改變管路特性曲線 改變管路特性曲線最簡單的方法是改變泵出口閥的開啟程度，以改變管路中流體的阻力，從而達到調節流量的目的，如圖225所示。 改變泵的性能曲線 a.改變泵的轉數 根據離心泵的比例定律可知，如果泵的轉速改變，其特性曲線也發生改變。如圖2-26所示。 b.改變葉輪直徑 根據離心泵的切割定律可知，改變葉輪直徑，泵的性能曲線也將改變，其規律與改變泵的轉速類似，如圖2-27所示。 5離心泵的并聯與串聯操作（1）并聯操作 如圖2-28所示。兩臺泵并聯以后所獲得的流量增加，但小于兩臺泵單獨操作時的流量之和，即qv并2qv單。（2）串聯操作 如圖2-29所示。兩臺泵串聯

60、后的揚程增加，但小于兩臺泵單獨操作時的揚程之和，即串2單。由離心泵的工作原理可知，在圖2-30所示的輸液裝置中，離心泵能夠吸上液體是靠吸入貯槽液面與泵入口處的壓強差作用。 6離心泵的汽蝕現象與安裝高度（1）離心泵的汽蝕現象 產生汽蝕的原因 泵入口處的壓強小于操作條件下被輸送液體的飽和蒸氣壓。汽蝕的危害 使泵體產生振動與噪音；泵的流量、揚程和效率下降；葉輪受到剝蝕而破壞。 避免方法 限制泵的安裝高度。（2）離心泵的汽蝕余量 為防止汽蝕現象的發生，在離心泵的入口處，液體的靜壓頭和動壓頭之和,必須大于液體在操作溫度下的飽和蒸氣壓頭，并將它們之間的差值定義為離心泵的汽蝕余量，即 （2-7）為保證不發生