化工原理I北京化工大學(xué)郭uok@緒論化工原理是一門非常有用的課程；它所涉及的理論及處理問(wèn)題的方法適用于整個(gè)工程學(xué)科；其意義，不僅局限于“化學(xué)工程”；學(xué)通之后，對(duì)自然界的客觀規(guī)律的認(rèn)識(shí)得以深化；雖然“化工原理”是從“單元操作”發(fā)展起來(lái)的，但不等同于單元操作。網(wǎng)絡(luò)課程：資源共享課→搜索“化工原理”可在線學(xué)習(xí)。0.1化工生產(chǎn)過(guò)程與單元操作0.1.1化工生產(chǎn)過(guò)程化學(xué)工業(yè)是將原料進(jìn)行化學(xué)和物理方法加工而獲得產(chǎn)品的工業(yè)。化工產(chǎn)品不僅是工業(yè)、農(nóng)業(yè)和國(guó)防的重要生產(chǎn)資料，同時(shí)也是人們?nèi)粘Ｉ钪械闹匾钯Y料。近年來(lái)，傳統(tǒng)化學(xué)工業(yè)向石油化工、精細(xì)化工、生物化工、環(huán)境、醫(yī)藥、食品、冶金等工業(yè)領(lǐng)域延伸與結(jié)合，并出現(xiàn)“化工及其相近過(guò)程工業(yè)”的提法，更顯見(jiàn)其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要地位。化工產(chǎn)品種類繁多，生產(chǎn)過(guò)程十分復(fù)雜，每種產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程也各不相同，但加以歸納，均可視為由原料預(yù)處理過(guò)程、化學(xué)反應(yīng)過(guò)程和反應(yīng)產(chǎn)物后處理3個(gè)基本環(huán)節(jié)組成。例如，乙烯法制取氯乙烯的生產(chǎn)過(guò)程是以乙烯、氯化氫和空氣為原料，在壓力為0.5MPa、溫度為220℃、CuCl2為催化劑等條件下反應(yīng)，制取氯乙烯。在反應(yīng)前，乙烯和氯化氫需經(jīng)預(yù)處理除去有害物質(zhì)，避免催化劑中毒。反應(yīng)后產(chǎn)物中，除反應(yīng)主產(chǎn)物氯乙烯外，還含有未反應(yīng)的氯化氫、乙烯及副產(chǎn)物，如二氯乙烷、三氯乙烷等。需經(jīng)后處理過(guò)程，如氯化氫的吸收過(guò)程,二氯乙烷、三氯乙烷與氯乙烯的分離過(guò)程等，最終獲得聚合級(jí)精制氯乙烯。其生產(chǎn)過(guò)程簡(jiǎn)圖如下。

上述生產(chǎn)過(guò)程除單體合成屬化學(xué)反應(yīng)過(guò)程外，原料和反應(yīng)產(chǎn)物預(yù)處理和后處理環(huán)節(jié)中的提純、精制分離，包括為反應(yīng)過(guò)程維持一定的溫度、壓力需進(jìn)行的加熱、冷卻、壓縮等均為物理加工過(guò)程。化學(xué)與石油化學(xué)、制藥等工業(yè)中，物理加工過(guò)程的設(shè)備投資約占全廠設(shè)備投資的90％左右，由此可見(jiàn)它們?cè)诨どa(chǎn)過(guò)程中的重要地位。0.1.2單元操作(Unitoperation)通常，一種產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程往往需要幾個(gè)或數(shù)十個(gè)物理加工過(guò)程。但研究化工生產(chǎn)諸多物理過(guò)程后發(fā)現(xiàn)，根據(jù)這些物理過(guò)程的操作原理和特點(diǎn)，可歸納為若干基本的操作過(guò)程，如流體流動(dòng)及輸送、沉降、過(guò)濾、加熱或冷卻、蒸發(fā)、蒸餾、吸收、干燥、結(jié)晶及吸附等。流體動(dòng)力過(guò)程(fluidflowprocess)(動(dòng)量傳遞)——遵循流體力學(xué)基本規(guī)律，以動(dòng)量傳遞(momentumtransfer)為理論基礎(chǔ)的單元操作；傳熱過(guò)程(heattransferprocess)(熱量傳遞)——遵循傳熱基本規(guī)律，以熱量傳遞(heattransfer)為理論基礎(chǔ)的單元操作；傳質(zhì)過(guò)程(masstransferprocess)(質(zhì)量傳遞)——遵循傳質(zhì)基本規(guī)律，以質(zhì)量傳遞(masstransfer)為理論基礎(chǔ)的單元操作；熱、質(zhì)同時(shí)傳遞的過(guò)程一一遵循熱質(zhì)同時(shí)傳遞規(guī)律的單元操作。1923年，美國(guó)麻省理工學(xué)院教授W.H.華克爾等出版了第一部關(guān)于單元操作的著作《化工原理》(PrinciplesofChemicalEngineering)。解放后，我國(guó)也相繼出版了以單元操作為主線的《化工原理》、《化工過(guò)程與設(shè)備》等教材，至今仍沿用《化工原理》這一名稱。

0.2《化工原理》課程的性質(zhì)、內(nèi)容及任務(wù)本課程的性質(zhì)：本課程是繼數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、物理化學(xué)、計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)之后開(kāi)設(shè)的一門技術(shù)基礎(chǔ)課，它也是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，所討論的每一單元操作均與生產(chǎn)實(shí)踐緊密相連。本課程的內(nèi)容：主要研究化工生產(chǎn)過(guò)程中各單元操作的基本原理、典型設(shè)備及其設(shè)計(jì)計(jì)算方法。①流體動(dòng)力過(guò)程包括流體流動(dòng)與輸送、非均相物系分離等單元操作；②傳熱過(guò)程包括傳熱、蒸發(fā)等單元操作；③傳質(zhì)過(guò)程包括蒸餾、吸收、吸附、膜分離等單元操作；④熱質(zhì)過(guò)程包括干燥、結(jié)晶等單元操作。本課程的任務(wù)：培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用本學(xué)科基礎(chǔ)理論及技能(如電算技能等)分析和解決化工生產(chǎn)中有關(guān)實(shí)際問(wèn)題的能力，特別是要注意培養(yǎng)學(xué)生的工程觀點(diǎn)、定量計(jì)算、設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)能力和創(chuàng)新理念。具體要求有以下幾點(diǎn):①選型根據(jù)生產(chǎn)工藝要求、物料特性和技術(shù)、經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)，能合理地選擇單元操作及設(shè)備；②設(shè)計(jì)計(jì)算根據(jù)選定的單元操作進(jìn)行工藝計(jì)算和設(shè)備設(shè)計(jì)，當(dāng)缺乏數(shù)據(jù)時(shí)能設(shè)法獲取，如通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)取必要數(shù)據(jù)；③操作熟悉操作原理、操作方法和調(diào)節(jié)參數(shù)。具備分析和解決操作中產(chǎn)生故障的基本能力；④開(kāi)發(fā)創(chuàng)新具備探索強(qiáng)化或優(yōu)化過(guò)程與設(shè)備的基本能力。0.3單元操作中常用的基本概念和觀點(diǎn)4個(gè)基本概念和一個(gè)觀點(diǎn)：物料衡算、能量衡算、過(guò)程平衡和速率這4個(gè)基本概念和建立一個(gè)經(jīng)濟(jì)核算的觀點(diǎn)。(1)物料衡算根據(jù)質(zhì)量守恒定律，進(jìn)入與離開(kāi)某一過(guò)程或設(shè)備的物料的質(zhì)量之差應(yīng)等于積累在該過(guò)程或設(shè)備中的物料質(zhì)量，即

(2)能量衡算(energybalance)本教材中討論的能量衡算主要為機(jī)械能和熱能衡算。(3)物系的平衡關(guān)系(equilibriumrelation)

是指物系的傳熱或傳質(zhì)過(guò)程進(jìn)行的方向和能達(dá)到的極限。例如，當(dāng)兩物質(zhì)溫度不同，即溫度不平衡時(shí)．熱量就會(huì)從高溫物質(zhì)向低溫物質(zhì)傳遞，直到溫度相等為止，此時(shí)傳熱過(guò)程達(dá)到極限，兩物質(zhì)間不再有熱量的凈傳遞。(4)過(guò)程傳遞速率(rateoftransferprocess)是指過(guò)程進(jìn)行的快慢，通常用單位時(shí)間內(nèi)過(guò)程進(jìn)行的變化量表示．如傳熱過(guò)程速率用單位時(shí)間內(nèi)傳遞的熱量或用單位時(shí)間內(nèi)單位面積傳遞的熱量表示；傳質(zhì)過(guò)程速率用單位時(shí)間內(nèi)單位面積傳遞的物質(zhì)量表示。顯然，過(guò)程傳遞速率越大，設(shè)備生產(chǎn)能力越大，或在完成同樣產(chǎn)量時(shí)設(shè)備的尺寸越小。工程上，過(guò)程傳遞速率問(wèn)題往往比過(guò)程平衡問(wèn)題更為重要。(5)經(jīng)濟(jì)核算在設(shè)計(jì)具有一定生產(chǎn)能力的設(shè)備時(shí)，根據(jù)設(shè)備型式、材料不同，可提出若干不同設(shè)計(jì)方案。對(duì)于同一設(shè)備，選用不同操作參數(shù)，則設(shè)備費(fèi)和操作費(fèi)也不同，因此，不僅要考慮技術(shù)先進(jìn)，同時(shí)還要通過(guò)經(jīng)濟(jì)核算來(lái)確定最經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方案，達(dá)到技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的優(yōu)化，而且，不僅應(yīng)考慮單一設(shè)備的優(yōu)化，還必須滿足過(guò)程的系統(tǒng)優(yōu)化。當(dāng)今，對(duì)于工程技術(shù)人員而言，建立優(yōu)化的技術(shù)經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)十分重要和必要。

第1章流體流動(dòng)

1.1流體基本性質(zhì)

1.2流體靜力學(xué)

1.3流體動(dòng)力學(xué)

1.4流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.5流體流動(dòng)阻力

1.6管路計(jì)算

1.7流速與流量的測(cè)量

1.8流體輸送機(jī)械

第1章流體流動(dòng)

流體是氣體與液體的總稱。

流體流動(dòng)與輸送是最普遍的化工單元操作之一；研究流體流動(dòng)問(wèn)題也是研究其它化工單元操作的重要基礎(chǔ)。1.1流體基本性質(zhì)1.1.1連續(xù)介質(zhì)假定1.1.2流體的壓縮性1.1.3作用在流體上的力1.1.4質(zhì)量力與密度1.1.5壓力1.1.6剪切力與黏度1.1.1

連續(xù)介質(zhì)假定

假定流體是由無(wú)數(shù)內(nèi)部緊密相連、彼此間沒(méi)有間隙的流體質(zhì)點(diǎn)（或微團(tuán)）所組成的連續(xù)介質(zhì)。質(zhì)點(diǎn)：由大量分子構(gòu)成的微團(tuán)，其尺寸遠(yuǎn)小于設(shè)備尺寸、遠(yuǎn)大于分子自由程。工程意義：利用連續(xù)函數(shù)的數(shù)學(xué)工具，從宏觀研究流體。1.1

流體基本性質(zhì)

1.1.2

流體的可壓縮性

不可壓縮性流體：流體的體積不隨壓力變化而變化，如液體；可壓縮性流體：流體的體積隨壓力發(fā)生變化，如氣體。

表面力：通過(guò)直接接觸而作用于流體表面的力，其大小與流體的表面積成正比。壓力：垂直于表面的法向力；剪切力：平行于表面的切向力。壓力剪切力1.1.3

作用在流體上的力

質(zhì)量力:作用于流體每個(gè)質(zhì)點(diǎn)上的力，其大小與流體的質(zhì)量成正比，如重力、離心力等。1.1.4

質(zhì)量力與密度一、密度單位體積流體的質(zhì)量。kg/m3

二、單組分密度

液體密度僅隨溫度變化（極高壓力除外），其變化關(guān)系可從手冊(cè)中查得。

氣體當(dāng)壓力不太高、溫度不太低時(shí)，可按理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算：

注意：手冊(cè)中查得的氣體密度均為一定壓力與溫度下之值，若條件不同，則需進(jìn)行換算。三、混合物的密度

混合氣體各組分在混合前后質(zhì)量不變，則有

——?dú)怏w混合物中各組分的體積分?jǐn)?shù)。

或——混合氣體的平均摩爾質(zhì)量；

—?dú)怏w混合物中各組分的摩爾(體積)分?jǐn)?shù)。

混合液體假設(shè)各組分在混合前后體積不變，則有

——液體混合物中各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

四、比容單位質(zhì)量流體具有的體積，是密度的倒數(shù)。m3/kg1.1.5

壓力

流體垂直作用于單位面積上的力，稱為流體的靜壓強(qiáng)，習(xí)慣上又稱為壓力。

一、壓力的單位

SI制：N/m2或Pa；或以流體柱高度表示：注意：用液柱高度表示壓力時(shí)，必須指明流體的種類，如600mmHg，10mH2O等。

二、壓力的表示方法

絕對(duì)壓力以絕對(duì)真空為基準(zhǔn)測(cè)得的壓力。

表壓或真空度以大氣壓為基準(zhǔn)測(cè)得的壓力。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的換算關(guān)系：1atm=1.013×105Pa=760mmHg=10.33mH2O表壓=絕對(duì)壓力－大氣壓力真空度=大氣壓力－絕對(duì)壓力絕對(duì)壓力

絕對(duì)壓力

絕對(duì)真空

表壓

真空度

大氣壓

一、牛頓黏性定律

或Fuu＋dudy式中：F——內(nèi)摩擦力，N；

τ——剪應(yīng)力，Pa；

——法向速度梯度，1/s；

μ——比例系數(shù)，稱為流體的黏度，Pa·s

。

1.1.6

剪切力與黏度牛頓型流體：剪應(yīng)力與速度梯度的關(guān)系符合牛頓黏性定律的流體；非牛頓型流體：不符合牛頓黏性定律的流體。

二、流體的黏度

（動(dòng)力黏度）1.黏度的物理意義

流體流動(dòng)時(shí)在與流動(dòng)方向垂直的方向上產(chǎn)生單位速度梯度所需的剪應(yīng)力。液體

:T↑→↓氣體

:一般T↑→

↑超高壓p↑→

↑黏度的物理本質(zhì)：分子間的引力和分子的運(yùn)動(dòng)與碰撞。2.黏度的單位SI制：Pa·s或kg/(m·s)物理制：cP(厘泊）換算關(guān)系1cP＝10-3Pa·s（mPa·s）流體黏度的大致范圍物質(zhì)（20℃）黏度μ/mPa.s空氣0.0181水1.005大豆油8.5甘油14993.運(yùn)動(dòng)黏度

黏度μ與密度ρ之比。單位：三、理想流體與實(shí)際流體理想流體：黏度為零的流體；實(shí)際流體或黏性流體：具有黏性的流體。1.2

流體靜力學(xué)1.2.1靜壓力特性1.2.2流體靜力學(xué)基本方程

1.2

流體靜力學(xué)

流體壓力與作用面垂直，并指向該作用面；任意界面兩側(cè)所受壓力，大小相等、方向相反；作用于任意點(diǎn)不同方向上的壓力在數(shù)值上均相同。1.2.1

靜壓力特性一、靜力學(xué)基本方程

重力場(chǎng)中對(duì)液柱進(jìn)行受力分析：（1）上端面所受總壓力（2）下端面所受總壓力（3）液柱的重力設(shè)流體不可壓縮，p0p2p1z1z2G方向向下方向向上方向向下1.2.2

流體靜力學(xué)基本方程

液柱處于靜止時(shí)，上述三項(xiàng)力的合力為零:——靜力學(xué)基本方程

壓力形式能量形式討論：（1）適用于重力場(chǎng)中靜止、連續(xù)的同種不可壓縮性流體；（2）物理意義：——單位質(zhì)量流體所具有的位能，J/kg；——單位質(zhì)量流體所具有的靜壓能，J/kg。

在同一靜止流體中，處在不同位置流體的位能和靜壓能各不相同，但二者可以轉(zhuǎn)換，其總和保持不變。（3）在靜止的、連續(xù)的同種流體內(nèi)，處于同一水平面上各點(diǎn)的壓力處處相等。壓力相等的面稱為等壓面。（4）壓力具有傳遞性：液面上方壓力變化時(shí)，液體內(nèi)部各點(diǎn)的壓力也將發(fā)生相應(yīng)的變化。

二、靜力學(xué)基本方程的應(yīng)用

1.壓力及壓力差的測(cè)量

（1）U形壓差計(jì)

設(shè)指示液的密度為，被測(cè)流體的密度為。

A與A′面為等壓面，即而p1p2mRAA’所以整理得若被測(cè)流體是氣體，，則有若ρ0=ρ呢？討論：（1）U形壓差計(jì)可測(cè)系統(tǒng)內(nèi)兩點(diǎn)的壓力差，當(dāng)將U形管一端與被測(cè)點(diǎn)連接、另一端與大氣相通時(shí)，也可測(cè)得流體的表壓或真空度；

表壓真空度p1pap1pa（2）指示液的選取：指示液與被測(cè)流體不互溶，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；其密度要大于被測(cè)流體密度。應(yīng)根據(jù)被測(cè)流體的種類及壓差的大小選擇指示液。

思考：若U形壓差計(jì)安裝在傾斜管路中，此時(shí)讀數(shù)

R反映了什么？p1p2z2RAA’z1

密度接近但不互溶的兩種指示液A和C

；（2）雙液體U管壓差計(jì)

擴(kuò)大室內(nèi)徑與U管內(nèi)徑之比應(yīng)大于10。適用于壓差較小的場(chǎng)合。（3）倒U形壓差計(jì)

指示劑密度小于被測(cè)流體密度，如空氣作為指示劑

（5）復(fù)式壓差計(jì)

（4）傾斜式壓差計(jì)

適用于壓差較小的情況。適用于壓差較大的情況。例1-1如附圖所示，水在水平管道內(nèi)流動(dòng)。為測(cè)量流體在某截面處的壓力，直接在該處連接一U形壓差計(jì)，

指示液為水銀，讀數(shù)

R＝250mm，m＝900mm。已知當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?01.3kPa，水的密度為1000kg/m3，水銀的密度為13600kg/m3。試計(jì)算該截面處的壓力。

例1-2如附圖所示，用一復(fù)式U形壓差計(jì)測(cè)量某種流體流過(guò)管路A、B兩點(diǎn)的壓力差。已知流體的密度為ρ，指示液的密度為ρ0，且兩U形管指示液之間的流體與管內(nèi)流體相同。已知兩個(gè)U形壓差計(jì)的讀數(shù)分別為R1、R2，試推導(dǎo)A、B兩點(diǎn)壓力差的計(jì)算式，由此可得出什么結(jié)論？③②①?gòu)淖笙蛴彝?/p>

等壓面上，左px，右p’x

③②①2.液位測(cè)量

（1）近距離液位測(cè)量裝置

壓差計(jì)讀數(shù)R反映出容器內(nèi)的液面高度。

液面越高，h越小，壓差計(jì)讀數(shù)R越小；當(dāng)液面達(dá)到最高時(shí)，h為零，R亦為零。（2）遠(yuǎn)距離液位測(cè)量裝置

管道中充滿氮?dú)猓涿芏容^小，近似認(rèn)為

而所以

AB3.液封高度的計(jì)算

液封作用：確保設(shè)備安全：當(dāng)設(shè)備內(nèi)壓力超過(guò)規(guī)定值時(shí)，氣體從液封管排出；防止氣柜內(nèi)氣體泄漏。液封高度：大氣空大氣滿1.3流體動(dòng)力學(xué)1.3.1流體的流量與流速1.3.2定態(tài)流動(dòng)與非定態(tài)流動(dòng)1.3.3定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量衡算

——連續(xù)性方程1.3.4定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械能衡算

——柏努利方程

1.3

流體動(dòng)力學(xué)1.體積流量

單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道任意截面的流體體積。

Vs——m3/s或m3/h2.質(zhì)量流量單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道任意截面的流體質(zhì)量。

ms——kg/s或kg/h。

二者關(guān)系：一、流量1.3.1

流體的流量與流速二、流速2.質(zhì)量流速

單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道單位截面積的流體質(zhì)量。流速（平均流速）單位時(shí)間內(nèi)流體質(zhì)點(diǎn)在流動(dòng)方向上所流經(jīng)的距離。

kg/（m2·s）流量與流速的關(guān)系：

m/s

1.3.2

定態(tài)流動(dòng)與非定態(tài)流動(dòng)定態(tài)流動(dòng)：各截面上的溫度、壓力、流速等物理量?jī)H隨位置變化，而不隨時(shí)間變化；

非定態(tài)流動(dòng)：流體在各截面上的有關(guān)物理量既隨位置變化，也隨時(shí)間變化。1.3.3

定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量衡算

——連續(xù)性方程

對(duì)于定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)，在管路中流體沒(méi)有增加和漏失的情況下：

推廣至任意截面

——連續(xù)性方程1122不可壓縮性流體，圓形管道：

即不可壓縮流體在管路中任意截面的流速與管內(nèi)徑的平方成反比。例1-3

如附圖所示，管路由一段φ89×4mm的管1和一段φ108×4mm的管2和兩段φ57×3.5mm的分支管3a及3b連接而成。若水以9×10-3m3/s的體積流量流動(dòng)，且在兩段分支管內(nèi)的流量相等，試求水在各段管內(nèi)的速度。

3a123b管子規(guī)格的通用表示法，外徑×壁厚1.3.4

定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械能衡算

——柏努利方程

一、理想流體的機(jī)械能衡算p2,u2p1,u1z1z2112200衡算范圍：1-1′、2-2′截面以及管內(nèi)壁所圍成的空間衡算基準(zhǔn)：1kg流體基準(zhǔn)面：0-0′水平面（1）內(nèi)能貯存于物質(zhì)內(nèi)部的能量。

1kg流體具有的內(nèi)能為U（J/kg）。（2）位能流體受重力作用在不同高度所具有的能量。

1kg的流體所具有的位能為zg（J/kg）。

（3）動(dòng)能

1kg的流體所具有的動(dòng)能為(J/kg)（4）靜壓能

靜壓能=1kg的流體所具有的靜壓能為

(J/kg)lAV（1）——柏努利方程式

不可壓縮性流體，

式（1）為以單位質(zhì)量流體為基準(zhǔn)的機(jī)械能衡算式，各項(xiàng)單位均為J/kg。根據(jù)能量守恒原則，必有單位zg將(1)式各項(xiàng)同除重力加速度g:（2）式中各項(xiàng)單位為

式（2）即為以單位重量流體為基準(zhǔn)的機(jī)械能衡算式。z——位壓頭——?jiǎng)訅侯^——靜壓頭總壓頭二、實(shí)際流體的機(jī)械能衡算（2）外功(有效功)1kg流體從流體輸送機(jī)械獲得的能量為We(J/kg)。（1）能量損失設(shè)1kg流體損失的能量為ΣWf（J/kg）。（3）（4）或其中He——外加壓頭或有效壓頭，m;Σhf——壓頭損失，m。三、柏努利方程的討論

（1）若流體處于靜止，u=0，ΣWf=0，We=0，則柏努利方程變?yōu)?/p>

說(shuō)明柏努利方程既表示流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，也表示流體靜止?fàn)顟B(tài)的規(guī)律。（2）理想流體在流動(dòng)過(guò)程中任意截面上總機(jī)械能、總壓頭為常數(shù)，即Hz2210理想流體We、ΣWf——在兩截面間單位質(zhì)量流體獲得或消耗的能量。（3）zg、、——某截面上單位質(zhì)量流體所具有的位能、動(dòng)能和靜壓能；有效功率：軸功率：（4）柏努利方程式適用于不可壓縮性流體。對(duì)于可壓縮性流體，當(dāng)時(shí)，仍可用該方程計(jì)算，但式中的密度ρ應(yīng)以兩截面的平均密度ρm代替。四、柏努利方程的應(yīng)用

管內(nèi)流體的流量；輸送設(shè)備的功率；管路中流體的壓力；容器間的相對(duì)位置等。利用柏努利方程與連續(xù)性方程，可以確定：（1）根據(jù)題意畫出流動(dòng)系統(tǒng)的示意圖，標(biāo)明流體的流動(dòng)方向，定出上、下游截面，明確流動(dòng)系統(tǒng)的衡算范圍；（2）位能基準(zhǔn)面的選取必須與地面平行；宜于選取兩截面中位置較低的截面；若截面不是水平面，而是垂直于地面，則基準(zhǔn)面應(yīng)選過(guò)管中心線的水平面。

（4）各物理量的單位應(yīng)保持一致，壓力表示方法也應(yīng)一致，即同為絕壓或同為表壓。

（3）截面的選取與流體的流動(dòng)方向相垂直；兩截面間流體應(yīng)是定態(tài)連續(xù)流動(dòng)；截面宜選在已知量多、計(jì)算方便處。

例1-4如附圖所示，從高位槽向塔內(nèi)進(jìn)料，高位槽中液位恒定，高位槽和塔內(nèi)的壓力均為大氣壓。送液hpa管為Φ45×2.5mm的鋼管，要求送液量為3.6m3/h。設(shè)料液在管內(nèi)的壓頭損失為1.2m（不包括出口能量損失），試問(wèn)高位槽的液位要高出進(jìn)料口多少米？hpa1’122’

例1-5在φ45×3mm的管路上裝一文丘里管，文丘里管的上游接一壓力表，其讀數(shù)為5kPa，壓力表軸心與管中心的垂直距離為0.3m，管內(nèi)水的流速為1.5m/s，文丘里管的喉徑為10mm。文丘里喉部接一內(nèi)徑為15mm的玻璃管，玻璃管的下端插入水池中，池內(nèi)水面到管中心的垂直距離為3m。若將水視為理想流體，試判斷池中水能否被吸入管中。3.0m1120.3m200u3.0m1120.3m200u能抽上來(lái)續(xù)問(wèn)：喉管直徑為多少就抽不上來(lái)了？p1比大氣壓高5kPa+0.3m，p2要比大氣壓低3m才能抽上來(lái)。也就是說(shuō)：再續(xù)問(wèn)：第一種情況p2=？再續(xù)問(wèn)：可能嗎？絕對(duì)真空才-10.33m毛病出在哪？

例1-6用水吸收混合氣中氨的常壓逆流吸收流程如附圖所示。用泵將敞口水池中的水輸送至吸收塔塔頂，并經(jīng)噴嘴噴出，水流量為35m3/h。泵的入口管為φ108×4mm無(wú)縫鋼管，出口管為φ76×3mm無(wú)縫鋼管。池中水深為1.5m，池底至塔頂噴嘴入口處的垂直距離為20m。水流經(jīng)所有管路的能量損失為42J/kg（不包括噴嘴），噴嘴入口處的表壓為34kPa。設(shè)泵的效率為60%，試求泵所需的功率。

（水密度以1000kg/m3計(jì)）

20m1.5m氣體121.4流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.4.1流體的流動(dòng)型態(tài)1.4.2流體在圓管內(nèi)的速度分布1.4.3流體流動(dòng)邊界層

1.4.1流體的流動(dòng)型態(tài)

一、雷諾實(shí)驗(yàn)1.4

流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

層流（或滯流）：流體質(zhì)點(diǎn)僅沿著與管軸平行的方向作直線運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)無(wú)徑向脈動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)之間互不混合；

湍流（或紊流）：流體質(zhì)點(diǎn)除了沿管軸方向向前流動(dòng)外，還有徑向脈動(dòng)，各質(zhì)點(diǎn)的速度在大小和方向上都隨時(shí)變化，質(zhì)點(diǎn)互相碰撞和混合。二、流型判據(jù)——雷諾準(zhǔn)數(shù)

（Reynoldsnumber）無(wú)因次數(shù)群判斷流型對(duì)于直圓管管內(nèi)流動(dòng)Re≤2000時(shí)，流動(dòng)為層流，此區(qū)稱為層流區(qū)；Re≥4000時(shí)，一般出現(xiàn)湍流，此區(qū)稱為湍流區(qū)；2000<Re<4000

時(shí)，流動(dòng)可能是層流，也可能是湍流，該區(qū)稱為不穩(wěn)定的過(guò)渡區(qū)。示例：判斷流型Φ57х3.5,20℃水和空氣，0.5m.s-1水空氣密度/kg.m-39981.205黏度/Pa.s1х10-31.81х10-52.物理意義

Re反映了流體流動(dòng)中慣性力與黏性力的對(duì)比關(guān)系，標(biāo)志著流體流動(dòng)的湍動(dòng)程度。

相當(dāng)于質(zhì)量流量/黏度1.4.2流體在圓管內(nèi)的速度分布速度分布：顯然，流體在圓管內(nèi)流動(dòng)時(shí),管截面上質(zhì)點(diǎn)的速度隨半徑的變化關(guān)系隨流速的不同而不同。一、層流流速分布推導(dǎo)在直圓管中，在流動(dòng)方向上取一流體柱（半徑為r，長(zhǎng)度為L(zhǎng)，與管子同軸）做動(dòng)量衡算。基本假定層流不可壓縮流體穩(wěn)定流動(dòng)牛頓型流體忽略進(jìn)口效應(yīng)連續(xù)流體壁面處無(wú)滑動(dòng)LRr由壓力（強(qiáng)）差產(chǎn)生的推力

流體層間內(nèi)摩擦力

r=r處的軸向速度梯度流體柱側(cè)面積牛頓粘性定律管壁處r＝R時(shí)，＝0，可得速度分布方程

穩(wěn)定流動(dòng)體系，作用在流體柱上的合力為0。即推力差與摩擦力相同。r＝0時(shí)，即，管中心流速為最大＝umax

管截面上的平均速度

:即層流流動(dòng)時(shí)的平均速度為管中心最大速度的1/2。

即流體在圓形直管內(nèi)層流流動(dòng)時(shí),其速度呈拋物線分布。二、湍流時(shí)的速度分布

剪應(yīng)力：e為湍流黏度，與流體的流動(dòng)狀況有關(guān)。

湍流速度分布的經(jīng)驗(yàn)式：n與Re有關(guān)，取值如下：

1/7次方定律當(dāng)時(shí)，流體的平均速度

:1.4.3流體流動(dòng)邊界層一、邊界層的形成與發(fā)展

流動(dòng)邊界層：存在著較大速度梯度的流體層區(qū)域，即流速降為主體流速的99％以內(nèi)的區(qū)域。邊界層厚度：邊界層外緣與壁面間的垂直距離。流體在平板上流動(dòng)時(shí)的邊界層：

邊界層區(qū)（邊界層內(nèi)）：沿板面法向的速度梯度很大，需考慮黏度的影響，剪應(yīng)力不可忽略。主流區(qū)（邊界層外）：速度梯度很小，剪應(yīng)力可以忽略，可視為理想流體。什么是理想流體來(lái)著？邊界層流型：層流邊界層和湍流邊界層。層流邊界層：在平板的前段，邊界層內(nèi)的流型為層流。湍流邊界層：離平板前沿一段距離后，邊界層內(nèi)的流型轉(zhuǎn)為湍流。

流體在圓管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的邊界層

充分發(fā)展的邊界層厚度為圓管的半徑；進(jìn)口段內(nèi)有邊界層內(nèi)外之分。也分為層流邊界層與湍流邊界層。進(jìn)口段長(zhǎng)度x0：層流：湍流：湍流流動(dòng)時(shí)：

湍流主體：速度脈動(dòng)較大，以湍流黏度為主，徑向傳遞因速度的脈動(dòng)而大大強(qiáng)化；過(guò)渡層：分子黏度與湍流黏度相當(dāng)；層流內(nèi)層：速度脈動(dòng)較小，以分子黏度為主，徑向傳遞只能依賴分子運(yùn)動(dòng)。——層流內(nèi)層為傳遞過(guò)程的主要阻力Re越大，湍動(dòng)程度越高，層流內(nèi)層越薄。二、邊界層的分離ABSA→C：流道截面積逐漸減小，流速逐漸增加，壓力逐漸減小（順壓梯度）；C→S：流道截面積逐漸增加，流速逐漸減小，壓力逐漸增加（逆壓梯度）；S點(diǎn)：物體表面的流體質(zhì)點(diǎn)在逆壓梯度和黏性剪應(yīng)力的作用下，速度降為0。SS’以下：邊界層脫離固體壁面，而后倒流回來(lái)，形成渦流，出現(xiàn)邊界層分離。邊界層分離的后果：產(chǎn)生大量旋渦；造成較大的能量損失。邊界層分離的必要條件：流體具有黏性；流動(dòng)過(guò)程中存在逆壓梯度。1.5流體流動(dòng)阻力1.5.1直管阻力1.5.2局部阻力1.5.3流體在管路中的總阻力1.5

流體流動(dòng)阻力直管阻力：流體流經(jīng)一定直徑的直管時(shí)由于內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的阻力；局部阻力：流體流經(jīng)管件、閥門等局部地方由于流速大小及方向的改變而引起的阻力。

1.5.1

直管阻力一、阻力的表現(xiàn)形式

流體在水平等徑直管中作定態(tài)流動(dòng)。若管道為傾斜管，則

流體的流動(dòng)阻力表現(xiàn)為靜壓能的減少；水平安裝時(shí)，流動(dòng)阻力恰好等于兩截面的靜壓能之差。

二、計(jì)算直管阻力的通式

由于壓力差而產(chǎn)生的推動(dòng)力：流體的摩擦力：令

定常態(tài)流動(dòng)時(shí)：Wf:在兩截面間單位質(zhì)量流體消耗的能量。——直管阻力通式（范寧Fanning公式）

其它形式：——摩擦系數(shù)（摩擦因數(shù)）

則

J/kg壓頭損失壓力損失

該公式層流與湍流均適用。Δp與Δpf

Δp兩截面之間的壓力差Δpf

兩截面之間以壓力差形式表現(xiàn)的能量損失Δp=(p1-p2)+Δpf

Δp=p1-p2+Δpf

1212三、層流時(shí)的摩擦系數(shù)

速度分布方程又——哈根-泊謖葉

（Hagen-Poiseuille）方程

水平管路能量損失

層流時(shí)阻力與速度的一次方成正比。變形：比較得四、湍流時(shí)的摩擦系數(shù)1.因次分析法

目的：（1）減少實(shí)驗(yàn)工作量；（2）結(jié)果具有普遍性，便于推廣。基礎(chǔ)：因次一致性即每一個(gè)物理方程式的兩邊不僅數(shù)值相等，而且每一項(xiàng)都應(yīng)具有相同的因次。基本定理：白金漢（Buckinghan）π定理設(shè)影響某一物理現(xiàn)象的獨(dú)立變量數(shù)為n個(gè)，這些變量的基本因次數(shù)為m個(gè)，則該物理現(xiàn)象可用N＝（n－m）個(gè)獨(dú)立的無(wú)因次數(shù)群表示。湍流時(shí)壓力損失的影響因素：（1）流體性質(zhì)：，（2）流動(dòng)的幾何尺寸：d，l，（管壁粗糙度）（3）流動(dòng)條件：u1234567ΔpfρμudlεMT-2L-1ML-3MT-1L-1LT-1LLL3個(gè)基本因次：M—質(zhì)量，T—時(shí)間，L—長(zhǎng)度物理變量n＝7基本因次m＝3無(wú)因次數(shù)群N＝n－m＝4無(wú)因次化處理式中：——?dú)W拉（Euler）準(zhǔn)數(shù)即該過(guò)程可用4個(gè)無(wú)因次數(shù)群表示。——相對(duì)粗糙度——管道的幾何尺寸——雷諾數(shù)根據(jù)實(shí)驗(yàn)可知，流體流動(dòng)阻力與管長(zhǎng)成正比，即

或莫狄（Moody）摩擦因數(shù)圖：（1）層流區(qū)（Re≤2000）

λ與無(wú)關(guān)，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上與Re為直線關(guān)系，,即與u的一次方成正比。

（2）過(guò)渡區(qū)（2000<Re<4000)將湍流時(shí)的曲線延伸查取λ值。（3）湍流區(qū)（Re≥4000以及虛線以下的區(qū)域）

（4）完全湍流區(qū)

（虛線以上的區(qū)域）

λ與Re無(wú)關(guān)，只與有關(guān)。該區(qū)又稱為阻力平方區(qū)。一定時(shí)，經(jīng)驗(yàn)公式：（1）柏拉修斯（Blasius）式：適用光滑管Re＝5×103～5×105（2）考萊布魯克（Colebrook）式2.管壁粗糙度對(duì)摩擦系數(shù)的影響

光滑管：玻璃管、銅管、鉛管及塑料管等；粗糙管：鋼管、鑄鐵管等。絕對(duì)粗糙度：管道壁面凸出部分的平均高度。相對(duì)粗糙度：絕對(duì)粗糙度與管內(nèi)徑的比值。

層流流動(dòng)時(shí)：流速較慢，與管壁無(wú)碰撞，阻力與

無(wú)關(guān)，只與Re有關(guān)。

湍流流動(dòng)時(shí)：

水力光滑管只與Re有關(guān)，與無(wú)關(guān)

完全湍流粗糙管只與有關(guān)，與Re無(wú)關(guān)

例1-7分別計(jì)算下列情況下，流體流過(guò)Φ76×3mm、長(zhǎng)10m的水平鋼管的能量損失、壓頭損失及壓力損失。（1）密度為910kg/m3、黏度為72mPa.s的油品，流速為1.1m/s；（2）20℃的水，流速為2.2m/s。解（1）解（2）五、非圓形管內(nèi)的流動(dòng)阻力

當(dāng)量直徑：

套管環(huán)隙，內(nèi)管的外徑為d1，外管的內(nèi)徑為d2:

邊長(zhǎng)分別為a、b的矩形管

:說(shuō)明：（1）Re與Wf中的直徑用de計(jì)算；（2）層流時(shí)：正方形

C＝57套管環(huán)隙C＝96（3）流速用實(shí)際流通面積計(jì)算。1.5.2

局部阻力一、阻力系數(shù)法

將局部阻力表示為動(dòng)能的某一倍數(shù)。

或

ζ——局部阻力系數(shù)ζ：zeta

J/kgJ/N=m1.突然擴(kuò)大2.突然縮小3.管進(jìn)口及出口進(jìn)口：流體自容器進(jìn)入管內(nèi)。

ζ進(jìn)口

=0.5進(jìn)口阻力系數(shù)出口：流體自管子進(jìn)入容器或從管子排放到管外空間。

ζ出口

=1出口阻力系數(shù)4.管件與閥門隔膜閥蝶閥二、當(dāng)量長(zhǎng)度法

將流體流過(guò)管件或閥門的局部阻力，折合成直徑相同、長(zhǎng)度為le的直管所產(chǎn)生的阻力。le——

管件或閥門的當(dāng)量長(zhǎng)度，m。1.5.3

流體在管路中的總阻力減少流動(dòng)阻力的途徑：

管路盡可能短，盡量走直線，少拐彎；盡量不安裝不必要的管件和閥門等；管徑適當(dāng)大些。例1-8如附圖所示，料液由敞口高位槽流入精餾塔中。塔內(nèi)進(jìn)料處的壓力為30kPa（表壓），輸送管路為φ45×2.5mm的無(wú)縫鋼管，直管長(zhǎng)為10m。管路中裝有180o回彎頭一個(gè)，90o標(biāo)準(zhǔn)彎頭一個(gè)，標(biāo)準(zhǔn)截止閥（全開(kāi)）一個(gè)。若維持進(jìn)料量為5m3/h，問(wèn)高位槽中的液面至少高出進(jìn)料口多少米？操作條件下料液的物性：hpa解hpa1’22’1注意2-2’截面的位置，如果取在塔內(nèi)側(cè)：1.6管路計(jì)算

1.6.1簡(jiǎn)單管路

1.6.2復(fù)雜管路1.6

管路計(jì)算

1.6.1

簡(jiǎn)單管路

一、特點(diǎn)

（1）流體通過(guò)各管段的質(zhì)量流量不變，對(duì)于不可壓縮流體，則體積流量也不變。

(2)整個(gè)管路的總能量損失等于各段能量損失之和。Vs1,d1Vs3,d3Vs2,d2不可壓縮流體二、管路計(jì)算基本方程：連續(xù)性方程：柏努利方程：阻力計(jì)算（摩擦系數(shù)）：物性、一定時(shí)，需給定獨(dú)立的9個(gè)參數(shù)，方可求解其他三個(gè)未知量。（1）設(shè)計(jì)型計(jì)算

設(shè)計(jì)要求：規(guī)定輸液量Vs，確定一經(jīng)濟(jì)的管徑及供液點(diǎn)提供的位能z1(或靜壓能p1)。給定條件：

①供液點(diǎn)壓力p1或位置z1；

②供液與需液點(diǎn)的距離，即管長(zhǎng)l；

③管道材料與管件的配置，即及；

④需液點(diǎn)的位置z2及壓力p2；

⑤輸送機(jī)械We。對(duì)于圓形管道：流量Vs一般由生產(chǎn)任務(wù)決定。流速選擇：↑→d↓→設(shè)備費(fèi)用↓

流動(dòng)阻力↑→動(dòng)力消耗↑→操作費(fèi)↑均衡考慮uu適宜費(fèi)用總費(fèi)用設(shè)備費(fèi)操作費(fèi)選擇適宜流速確定經(jīng)濟(jì)管徑常用流體適宜流速范圍：

水及一般液體1~3m/s黏度較大的液體0.5~1m/s低壓氣體8~15m/s壓力較高的氣體

15～25m/s（2）操作型計(jì)算

給定條件：管子d

、、l，管件和閥門，供液點(diǎn)

z1、p1，需液點(diǎn)的z2、p2，輸送機(jī)械We；計(jì)算目的：流體的流速u及供液量Vs。

給定條件：管子d、、l、管件和閥門、流量Vs等，計(jì)算目的：供液點(diǎn)的位置z1

；或供液點(diǎn)的壓力p1；或輸送機(jī)械有效功We

。

試差法計(jì)算流速的步驟：①根據(jù)柏努利方程列出試差等式；②試差：符合？可初設(shè)阻力平方區(qū)之值注意：若已知流動(dòng)處于阻力平方區(qū)或?qū)恿鳎瑒t無(wú)需試差，可直接解析求解。三、阻力對(duì)管內(nèi)流動(dòng)的影響pApBpaF1122AB

閥門F開(kāi)度減小時(shí)：（1）閥關(guān)小，閥門局部阻力系數(shù)↑

→

Wf,A-B

↑→流速u↓→即流量↓；（2）在1-A之間，由于流速u↓→Wf,1-A

↓

→pA↑

；（3）在B-2之間，由于流速u↓→Wf,B-2↓→pB↓

。

結(jié)論：（1）當(dāng)閥門關(guān)小時(shí)，其局部阻力增大，將使管路中流量下降；（2）下游阻力的增大使上游壓力上升；（3）上游阻力的增大使下游壓力下降。可見(jiàn)，管路中任一處的變化，必將帶來(lái)總體的變化，因此必須將管路系統(tǒng)當(dāng)作整體考慮。例1-9如附圖所示水塔供水系統(tǒng)，采用1144mm的無(wú)縫鋼管，管路總長(zhǎng)（包括所有局部阻力的當(dāng)量長(zhǎng)度）為600m，水塔內(nèi)水面維持恒定，且高于出水口12m。試求管路的輸水量，m3/h。

（設(shè)鋼管的絕對(duì)粗糙度為0.2mm）

11220012m11220012m解：在1-1’和2-2’平面間列柏努利方程例1-10如附圖所示的循環(huán)系統(tǒng)，液體由密閉容器A進(jìn)入離心泵，又由泵送回容器A。循環(huán)量為1.8m3/h，輸送管路為內(nèi)徑等于25mm的碳鋼管，容器內(nèi)液面至泵入口的壓頭損失為0.55m，離心泵出口至容器A液面的壓頭損失為1.6m，泵入口處?kù)o壓zA頭比容器液面靜壓頭高出2m。試求：（1）管路系統(tǒng)需要離心泵提供的壓頭；（2）容器液面至泵入口的垂直距離z。解：zA1.6.2

復(fù)雜管路一、并聯(lián)管路

AVsVs1Vs2Vs3B1.特點(diǎn)：（1）主管中的流量為并聯(lián)的各支路流量之和；不可壓縮流體（2）并聯(lián)管路中各支路的能量損失均相等（不是假定，是必然的）

。注意：計(jì)算并聯(lián)管路阻力時(shí)，僅取其中一支路即可，不能重復(fù)計(jì)算。2.并聯(lián)管路的流量分配而

支管越長(zhǎng)、管徑越小、阻力系數(shù)越大——流量越小；反之——流量越大。COAB分支管路COAB匯合管路二、分支管路與匯合管路

1.特點(diǎn)：（1）主管中的流量為各支路流量之和；

不可壓縮性流體（2）流體在各支管流動(dòng)終了時(shí)的總機(jī)械能與能量損失之和相等。

例1-11如圖所示，高位槽中水分別從BC與BD兩支路排出，其中水面維持恒定。高位槽液面與兩支管出口間的高度差為10m。AB管段的內(nèi)徑為38mm、長(zhǎng)為28m；BC與BD支管的內(nèi)徑相同，均為32mm，長(zhǎng)度分別為12m、15m（以上各長(zhǎng)度均包括管件及閥門全開(kāi)時(shí)的當(dāng)量長(zhǎng)度）。各段摩擦系數(shù)均可取為0.03。試求：（1）BC支路閥門全關(guān)而B(niǎo)D閥門全開(kāi)時(shí)的流量；（2）BC支路與BD支路閥門全開(kāi)時(shí)各支路的流量及總流量。解（1）在高位槽液面與BD管出口外側(cè)列柏努利方程：兩段管路體積流量相同，由連續(xù)性方程：解（2）當(dāng)BD、BC支路閥均全開(kāi)時(shí)，為并聯(lián)管路。1.7流速與流量的測(cè)量

1.7.1測(cè)速管1.7.2孔板流量計(jì)

1.7.3文丘里流量計(jì)1.7.4轉(zhuǎn)子流量計(jì)1.7

流速與流量的測(cè)量1.7.1

測(cè)速管（皮托管）一、結(jié)構(gòu)二、原理內(nèi)管A處外管B處點(diǎn)速度：即討論：（1）皮托管測(cè)量流體的點(diǎn)速度，可測(cè)速度分布曲線；

測(cè)管中心最大流速，由求平均流速，再計(jì)算流量。三、安裝（1）測(cè)量點(diǎn)位于均勻流段，上、下游各有50d直管距離；（2）皮托管管口截面嚴(yán)格垂直于流動(dòng)方向；（3）皮托管外徑d0不應(yīng)超過(guò)管內(nèi)徑d的1/50，即d0<d/50。（2）流量的求取：

由速度分布曲線積分1.7.2孔板流量計(jì)

一、結(jié)構(gòu)與原理

在1-1′截面和2-2′截面間列柏努利方程，暫不計(jì)能量損失變形得

二、流量方程問(wèn)題：（1）實(shí)際有能量損失；

（2）縮脈處A2未知。解決方法：用孔口速度u0替代縮脈處速度u2，引入校正系數(shù)C由連續(xù)性方程令

體積流量質(zhì)量流量則C0——流量系數(shù)（孔流系數(shù)）A0——孔面積。討論：（1）特點(diǎn)：

恒截面、變壓差——差壓式流量計(jì)（2）流量系數(shù)C0

對(duì)于取壓方式、結(jié)構(gòu)尺寸、加工狀況均已規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)孔板Re是以管道的內(nèi)徑d1計(jì)算的雷諾數(shù)當(dāng)Re>Re臨界時(shí)，(3)測(cè)量范圍一般C0=0.6~0.7孔板流量計(jì)的測(cè)量范圍受U形壓差計(jì)量程決定。Re臨界值三、安裝及優(yōu)缺點(diǎn)（1）安裝在穩(wěn)定流段，上游l>10d，下游l>5d；（2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造與安裝方便；（3）能量損失較大。1.7.3

文丘里（Venturi）流量計(jì)

屬差壓式流量計(jì)；能量損失小，造價(jià)高。CV——流量系數(shù)（0.98～0.99）A0——喉管處截面積1.7.4

轉(zhuǎn)子流量計(jì)一、結(jié)構(gòu)與原理

從轉(zhuǎn)子的懸浮高度直接讀取流量數(shù)值。二、流量方程轉(zhuǎn)子受力平衡在1-1′和0-0′截面間列柏努利方程0′1′10流體的浮力

動(dòng)能差

由連續(xù)性方程

CR——流量系數(shù)體積流量（1）特點(diǎn)：

恒壓差、恒流速、變截面——截面式流量計(jì)。討論：（2）刻度換算標(biāo)定流體：20℃水（＝1000kg/m3

）

20℃、101.3kPa下空氣（

＝1.2kg/m3）CR相同,同刻度時(shí)式中：1——標(biāo)定流體；

2——被測(cè)流體。氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)三、安裝及優(yōu)缺點(diǎn)（1）永遠(yuǎn)垂直安裝，且下進(jìn)、上出，安裝支路，以便于檢修。（2）讀數(shù)方便，流動(dòng)阻力很小，測(cè)量范圍寬，測(cè)量精度較高；（3）玻璃管不能經(jīng)受高溫和高壓，在安裝使用過(guò)程中玻璃容易破碎。例1-12某液體轉(zhuǎn)子流量計(jì)，轉(zhuǎn)子為硬鉛，其密度為11000kg/m3。現(xiàn)將轉(zhuǎn)子改為形狀、大小相同，而密度為1150kg/m3的膠質(zhì)轉(zhuǎn)子，用于測(cè)量空氣（50℃、120kPa）的流量。試問(wèn)在同一刻度下，空氣流量為水流量的多少倍？（設(shè)流量系數(shù)CR為常數(shù)）

解：1.8流體輸送機(jī)械概述1.8.1

離心泵1.8.2其它類型化工泵1.8.3氣體輸送機(jī)械概述一、流體輸送機(jī)械的作用由機(jī)械為流體提供能量，將流體從一個(gè)地方輸送到另一個(gè)地方輸送機(jī)械的作用：對(duì)流體做功，使流體E↑,結(jié)果——流體的動(dòng)能↑，或位能↑，靜壓能↑，克服沿程阻力，或兼而有之。機(jī)械為流體提供能量二、流體輸送機(jī)械分類

介質(zhì)： 液體——泵 氣體——風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)工作原理：離心式正位移式：往復(fù)式、旋轉(zhuǎn)式其他（如噴射式）離心式清水泵的外觀1.8.1離心泵Y型油泵雙吸離心泵多級(jí)離心泵1.葉輪——葉片（+蓋板）4-8個(gè)葉片（前彎、后彎，徑向）液體通道。前蓋板、后蓋板，無(wú)蓋板閉式葉輪半開(kāi)式開(kāi)式一、離心泵主要部件

液體入口——中心；出口——切線2.泵殼——泵體的外殼，包圍葉輪截面積逐漸擴(kuò)大的蝸牛殼形通道剖面

3.泵軸——垂直葉輪面，葉輪中心

離心泵裝置簡(jiǎn)圖二、離心泵的工作原理

1.原動(dòng)機(jī)——軸——葉輪，旋轉(zhuǎn)離心力葉片間液體中心外圍——液體被做功動(dòng)能高速離開(kāi)葉輪2.泵殼：液體的匯集與能量的轉(zhuǎn)換（動(dòng)靜）

3.吸上原理與氣縛現(xiàn)象葉輪中心低壓的形成p泵內(nèi)有氣，則泵入口壓力液體不能吸上——?dú)饪`啟動(dòng)前灌泵—液體高速離開(kāi)

4.軸封的作用5.

平衡孔的作用——消除軸向推力——機(jī)械密封與填料密封6.導(dǎo)輪的作用——減少能量損失三、離心泵的性能參數(shù)與特性曲線1、離心泵的理論壓頭葉片數(shù)——液體無(wú)環(huán)流理想流體——無(wú)能量損失假定——離心泵基本方程r—葉輪半徑；ω

—葉輪旋轉(zhuǎn)角速度；Q—泵的體積流量；b—葉片寬度；2

—葉片裝置角。說(shuō)明：（1）裝置角2

：>90o—前彎葉片

<90o—后彎~流動(dòng)能量損失小

=90o—徑向葉片（2）后彎葉片，ctg2

>0

b、r、ω,則HQ

，則H（線性規(guī)律）（3）理論壓頭H與流體的性質(zhì)無(wú)關(guān)（4）H與H的差距—葉片間環(huán)流；阻力損失；沖擊損失2、離心泵的主要性能參數(shù)1.(葉輪)轉(zhuǎn)速n：1000~3000rpm；2900rpm常見(jiàn)

2.(體積)流量Q:m3/h，與葉輪結(jié)構(gòu)、尺寸和轉(zhuǎn)速有關(guān)

3.壓頭（揚(yáng)程）H：1N流體通過(guò)泵獲得的機(jī)械能。J/N,m與Q、葉輪結(jié)構(gòu)、尺寸和n有關(guān)。Hz4.軸功率N：?jiǎn)挝粫r(shí)間原動(dòng)機(jī)輸入泵軸的能量有效功率Ne：?jiǎn)挝粫r(shí)間液體獲得的能量5.效率：=Ne/N<100%——容積損失，水力損失，機(jī)械損失3、離心泵的性能曲線H~QN~Q~Q廠家實(shí)驗(yàn)測(cè)定產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)20C清水離心泵特性曲線n一定說(shuō)明：①H~Q曲線，Q，H。Q很小時(shí)可能例外②N~Q曲線：Q，N。大流量大電機(jī)關(guān)閉出口閥啟動(dòng)泵，啟動(dòng)電流最小③~Q曲線：小Q，；大Q，。max泵的銘牌~與max對(duì)應(yīng)的性能參數(shù)選型時(shí)max例題1-13

離心泵特性曲線測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示，現(xiàn)用20℃水在轉(zhuǎn)速為2900rpm下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。已知吸入管路內(nèi)徑為80mm，出口管路內(nèi)徑為60mm，兩測(cè)壓點(diǎn)的垂直距離h0為0.12m，孔板流量計(jì)的孔徑為34mm，流量系數(shù)為0.64。實(shí)驗(yàn)中測(cè)得一組數(shù)據(jù)：U形壓差計(jì)的讀數(shù)為530mmHg，泵進(jìn)口處真空表讀數(shù)為53kPa，出口處壓力表讀數(shù)為124kPa，電動(dòng)機(jī)輸入功率為2.38kW。電動(dòng)機(jī)效率為0.95，泵軸由電機(jī)直接帶動(dòng)，其傳動(dòng)效率可視為l。試計(jì)算泵的性能參數(shù)。解先求流量，孔板流量計(jì)再求壓頭在截面1和2之間列柏努利方程，忽略兩截面之間的壓頭損失軸功率效率有效功率泵效率匯總n=2900rpm時(shí)流量Qm3hr-1壓頭Hm軸功率Nkw效率η%23.918.362.2653.14、離心泵特性的影響因素

1.流體的性質(zhì)：密度：,(N、Ne)（H，Q，）與無(wú)關(guān)；黏度：，（H，Q，）；N工作流體~20℃水差別大參數(shù)和曲線變化

2.轉(zhuǎn)速——比例定律（近似關(guān)系）前提：假定n20%以內(nèi)時(shí)離心泵效率不變流量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比

揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速的二次方成正比

功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比3.葉輪直徑——切割定律——D-5%以內(nèi)四、離心泵的工作點(diǎn)和流量調(diào)節(jié)問(wèn)題：工作時(shí)，Q,H,N,=?1、管路特性曲線外加壓頭Q

，Hf，H

H

~Q——管路特性(方程)——管路流量~所需外加壓頭管路壓頭損失管路&流體一定Q令于是——管路特性方程(曲線)說(shuō)明：①曲線在H軸上截距;管路所需最小外加壓頭②阻力平方區(qū)，與Q無(wú)關(guān)，并忽略動(dòng)能差其中③高阻管路，曲線較陡；低阻管路曲線較平緩。管路特性系數(shù)2、離心泵的工作點(diǎn)——泵的H~Q與管路的H~Q曲線的交點(diǎn)說(shuō)明①工作點(diǎn)泵的特性&管路的特性工作點(diǎn)確定：聯(lián)解兩特性方程作圖，兩曲線交點(diǎn)②泵裝于管路工作點(diǎn)

~（H,Q)Q=泵供流量=管的流量Q=泵供壓頭=流體的壓頭③工作點(diǎn)~（Q,H,N,）

~泵的實(shí)際工作狀態(tài)3、離心泵的流量調(diào)節(jié)

改變流量改變泵的特性改變工作點(diǎn)改變管路特性1.

改變出口閥開(kāi)度管路特性關(guān)小出口閥leH

，Q管特性曲線變陡工作點(diǎn)左上移開(kāi)大出口閥leH，Q管特性曲線變緩工作點(diǎn)右下移n泵H~Q曲線上移工作點(diǎn)右上移，H，Q3.車削葉輪直徑

2.

改變?nèi)~輪轉(zhuǎn)速改變泵的特性離心泵型號(hào)舉例IS65-50-1252520290036512.5514500.5565IS65-50-125A22.41629002.26511.2414500.5565IS

65-50-125

B2113.529001.565單級(jí)懸臂式離心泵入、出口管徑葉輪名義直徑葉輪經(jīng)2次切割t/hrmrpmKWmm型號(hào)流量揚(yáng)程轉(zhuǎn)速功率入口管徑水的密度可取為1000kg.m-3。試求：(1)閥門全開(kāi)時(shí)離心泵的流量與壓頭；(2)現(xiàn)關(guān)小閥門使流量減為原來(lái)的90％，寫出此時(shí)的管路特性方程，并計(jì)算多消耗在閥門上的功率(設(shè)此時(shí)泵的效率為62％)。例1-14

如圖所示，用離心泵將水由貯槽A送往高位槽B，兩槽均為敞口；且液位恒定。已知輸送管路為Φ5mm×2.5mm，在泵出口閥門全開(kāi)的情況下，整個(gè)輸送系統(tǒng)的總長(zhǎng)為20m(包括所有局部阻力的當(dāng)量長(zhǎng)度)，摩擦系數(shù)可取為0.02。查該離心泵的樣本，在輸送范圍內(nèi)其特性方程為H=18-6×105Q2(Q的單位為m3s-1，H的單位為m)。解（1）閥全開(kāi)時(shí)先求管路特性方程離心泵特性方程操作點(diǎn)應(yīng)滿足管路和離心泵兩個(gè)特性方程（2）閥關(guān)小后，管路特性改變管路特性方程中不變但B因閥門關(guān)小而改變關(guān)小后的管路特性方程為閥門關(guān)小造成的功率損失閥門全開(kāi)時(shí)，流量若為所需壓頭為：閥門全開(kāi)時(shí)的管路特性因閥門關(guān)小損失的壓頭為10.9-7.26=2.83m4、離心泵的組合操作1.并聯(lián)操作設(shè)兩臺(tái)泵型號(hào)相同，各項(xiàng)參數(shù)均相同，并聯(lián)后在同一壓頭下流量為單臺(tái)泵的兩倍。2.串聯(lián)操作設(shè)兩臺(tái)泵型號(hào)相同，各項(xiàng)參數(shù)均相同，串聯(lián)后在同一流量下壓頭為單臺(tái)泵的兩倍。3.組合方式的選擇型號(hào)不同的泵不宜組合操作，使用多級(jí)泵機(jī)雙吸泵較好。五、離心泵的安裝高度1、安裝高度:

問(wèn)題：液面到泵入口處的垂直距離(Hg)安裝高度有無(wú)限制？在0-0和1-1截面之間建立柏努利方程Hg，則p1當(dāng)p1pv，葉輪中心汽化汽泡被拋向外圍凝結(jié)局部真空壓力升高周圍液體高速?zèng)_向汽泡中心撞擊葉片(水錘)伴隨現(xiàn)象:①泵體振動(dòng)并發(fā)出噪音②H,Q,嚴(yán)重時(shí)不送液；安裝高度，汽蝕問(wèn)題：如何確定Hg的上限——允許安裝高度③時(shí)間長(zhǎng)久，水錘沖擊和化學(xué)腐蝕，損壞葉片

1.

三個(gè)基本概念：

2、汽蝕余量（NPSH）與允許安裝高度

①有效汽蝕余量(NPHS)a:

泵入口處：靜壓頭+動(dòng)壓頭-飽和蒸汽壓(液柱)(NPHS)a的物理意義：(NPHS)a，p1

汽蝕②臨界汽蝕余量(NPHS)c:——發(fā)生汽蝕時(shí)的(有效)汽蝕余量汽蝕時(shí)，1處：動(dòng)壓頭+靜壓頭=——由實(shí)驗(yàn)測(cè)定——逐步降低p1，人為制造汽蝕，確定發(fā)生汽蝕現(xiàn)象的最小p1。③必需汽蝕余量(NPSH)r為臨界汽蝕余量加一定安全量構(gòu)成。標(biāo)注于離心泵樣本之中。正常運(yùn)轉(zhuǎn)的泵要求2.允許安裝高度計(jì)算Hg3.

允許汽蝕余量的校正

(NPSH)r為20C清水條件下測(cè)定，使用條件不同時(shí)要校正，校正曲線見(jiàn)說(shuō)明書(shū)。(NPHS)a3、討論

1.

汽蝕現(xiàn)象產(chǎn)生的原因：①安裝高度太高；②被輸送流體的溫度太高，液體蒸汽壓過(guò)高；③吸入管路阻力或壓頭損失太高。

2.

計(jì)算出的Hgmax<0,

低于貯槽液面安裝

3.Hg允大小與Q有關(guān)：

Q，則Hgmax。

4.安裝泵時(shí)為保險(xiǎn)，Hg比Hg允還要小0.5至1米。用可能的最大Q計(jì)算Hgmax例1-15用IS65—50—160型離心泵將敞口貯槽中50℃水運(yùn)出，輸水量為25m3.hr-1。在操作條件下，吸入管路的壓頭損失估計(jì)為2.3m，當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?00kPa。試確定該泵的安裝高度。解:由附錄五查得，50℃水的飽和蒸氣壓為12.43×103Pa，密度為988.1kg.m-3。由附錄十二查得，當(dāng)輸水量為25m3.hr-1時(shí),該泵的(NPSH)r=2m，則泵的允許安裝高度:再打出半米富裕，實(shí)際安裝高度4.74-0.5=4.24m

六、離心泵的類型、選用、安裝與操作1、離心泵的類型按輸送液體的性質(zhì)不同1.

清水泵：輸送清水或相近、無(wú)腐蝕性、雜質(zhì)較少的液體。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低。——IS2.耐腐蝕泵：輸送腐蝕性的液體，用耐腐蝕材料制成，要求密封可靠。——F3.

油泵：輸送石油產(chǎn)品，要求有良好密封性。——Y

4.

雜質(zhì)泵：輸送含固體顆粒的液體、稠厚的漿液，葉輪流道寬，葉片數(shù)少。——P單吸泵；雙吸泵單級(jí)泵；多級(jí)泵串聯(lián)組合；并聯(lián)組合

2、離心泵的選用（1）根據(jù)液體的性質(zhì)確定類型（2）確定管路流量和所需外加壓頭

Q生產(chǎn)任務(wù)，H管路的特性方程（3）根據(jù)所需Q和H確定泵的型號(hào)

①查性能表或曲線，要求泵的H和Q與管路所需相適應(yīng)。②若需Q有變，以最大Q為準(zhǔn)，H應(yīng)以最大Q值查找。③若泵的H和Q與管路所需不符，在鄰型號(hào)中找H和Q都稍大一點(diǎn)的。⑤若液體性質(zhì)與清水相差大，則應(yīng)對(duì)所選泵的特性曲線和參數(shù)進(jìn)行校正，看是否能滿足要求。④若幾個(gè)型號(hào)都行，應(yīng)選在操作條件下最高者⑥為保險(xiǎn)，所選泵可稍大;但若太大,能量利用程度低。3、離心泵的安裝與操作安裝①安裝高度應(yīng)小于允許安裝高度②盡量減少吸入管路阻力，短、直、粗、管件少；調(diào)節(jié)閥應(yīng)裝于出口管路。操作①啟動(dòng)前應(yīng)灌泵，并排氣。②應(yīng)在出口閥關(guān)閉的情況下啟動(dòng)泵③停泵前先關(guān)閉出口閥，以免損壞葉輪④經(jīng)常檢查軸封情況往復(fù)泵一、結(jié)構(gòu)和工作原理主要部件：泵缸；活塞；活塞桿；吸入閥、排出閥

工作原理：1.8.2

其它類型化工用泵說(shuō)明：①活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，直接以靜壓能形式供能。

②單動(dòng)泵，供液不連續(xù)；雙動(dòng)泵，連續(xù)。③為耐高壓，活塞和連桿用柱塞代替。

二、往復(fù)泵的流量和壓頭

1.

理論平均流量單動(dòng)雙動(dòng)

2.

實(shí)際平均流量=容積效率理論平均流量與壓頭無(wú)關(guān)

3.

瞬時(shí)流量的不均勻性①單動(dòng)泵，吸、排液不連續(xù)②曲柄連桿，活塞運(yùn)動(dòng)速度與時(shí)間正弦規(guī)律

4.

流量的精確性Q僅與活塞面積、沖程、往復(fù)頻率有關(guān)

5.

往復(fù)泵的壓頭

擠壓供液，H任意高。其上限取決于材料強(qiáng)度、密封、電機(jī)負(fù)載實(shí)際取決于管路特性

6.

特性曲線

Q僅與泵特性有關(guān)，與管路特性(和H）無(wú)關(guān)

H僅與管路特性有關(guān)，與泵特性(和Q)無(wú)關(guān)

—正位移特性