第1章 流體流動與輸送-2

1、1 1.5 1.5 流體輸送管路計算流體輸送管路計算 管路計算就是運用管路計算就是運用流體流動的連續(xù)性方程式流體流動的連續(xù)性方程式、 機械能衡算式機械能衡算式和和流體流動阻力損失計算式流體流動阻力損失計算式去解決去解決 實際工作中常遇到的流體管路輸送的設(shè)計問題和實際工作中常遇到的流體管路輸送的設(shè)計問題和 操作計算。操作計算。 u1A1 = u2A2 21 2 22 2 2 11 1 22 fe h g u g p zH g u g p z flf hhh 21 2 (1)(1)已知管道尺寸、管件和流量，計算流體通過管已知管道尺寸、管件和流量，計算流體通過管 路系統(tǒng)的阻力損失；以便進一步確定輸送

2、設(shè)備的路系統(tǒng)的阻力損失；以便進一步確定輸送設(shè)備的 功率、系統(tǒng)內(nèi)的壓強及設(shè)備間的相對位置；功率、系統(tǒng)內(nèi)的壓強及設(shè)備間的相對位置； (2)(2)已知流量、管長、所需管件和允許壓強降，計已知流量、管長、所需管件和允許壓強降，計 算管路直徑；算管路直徑； (3)(3)已知管道尺寸、管件設(shè)置和允許的阻力損失，已知管道尺寸、管件設(shè)置和允許的阻力損失， 求算管道中流體的流速或流量。求算管道中流體的流速或流量。 fe h g u g p zH g u g p z 22 2 22 2 2 11 1 3 1.5.11.5.1簡單管路簡單管路 流體由入口至出口是在一條管路中流動的，整流體由入口至出口是在一條管路中流

3、動的，整 條管路可以由內(nèi)徑相同的管子組成，也可以由幾種條管路可以由內(nèi)徑相同的管子組成，也可以由幾種 內(nèi)徑不同的管子組成。但不出現(xiàn)流體分支或匯合情內(nèi)徑不同的管子組成。但不出現(xiàn)流體分支或匯合情 況。這種管路也稱為串聯(lián)管路。況。這種管路也稱為串聯(lián)管路。 管路 簡單管路 復雜管路 4 例例: :將水從水塔引至車間，管路為將水從水塔引至車間，管路為108mm108mm4mm4mm的的 鋼管，鋼管的絕對粗糙度為鋼管，鋼管的絕對粗糙度為0.2mm0.2mm，管路長，管路長200m200m （包括管件及閥門的當量長度，但不包括進、出口（包括管件及閥門的當量長度，但不包括進、出口 損失）。水塔內(nèi)水面維持恒定，并

4、高于排出口損失）。水塔內(nèi)水面維持恒定，并高于排出口14m 14m 。 水溫為水溫為2020時，求此管路的輸水量？時，求此管路的輸水量？ 5 21 2 2 2 2 1 2 1 1 22 f h g p g u Z g p g u Z 解：以塔內(nèi)水面為解：以塔內(nèi)水面為1-11-1截面，排水管出口內(nèi)側(cè)為截面，排水管出口內(nèi)側(cè)為2-22-2截面，截面， 選其水平中心線為基準面。在兩截面間列伯努利方程，即：選其水平中心線為基準面。在兩截面間列伯努利方程，即： z1 = 14m，z2= 0，u1= 0，u2= u，p1= p2 22 200 ()(0.5) 20.102 e f ll uu h dgg 6

5、2 9.81 14274.7 200 20001.5 1.5 0.10 u 試差法試差法u Re d 7 1.5.21.5.2復雜管路的計算復雜管路的計算 C B O A C A B B A 2 1 (a)(a)分支管路分支管路 (b)(b)匯合管路匯合管路 (c)(c)并聯(lián)管路并聯(lián)管路 復雜管路的特點復雜管路的特點 (1) (1) 各支管流量之和等于主管流量；各支管流量之和等于主管流量； (2) (2) 對任一支管而言，分支前及匯合后的總壓頭相等，由對任一支管而言，分支前及匯合后的總壓頭相等，由 此可建立支管間的機械能衡算式，從而確定出各支管的流此可建立支管間的機械能衡算式，從而確定出各支管

6、的流 量分配。量分配。 qV,O=qV,BqV,C hO=hBhf,OB=hChf,OC 8 復雜管路的計算內(nèi)容 已知總流量和各支管的規(guī)格，求算各支管的流量；已知總流量和各支管的規(guī)格，求算各支管的流量； 已知各支管的流量、管長及管件、閥門的位置，已知各支管的流量、管長及管件、閥門的位置， 確定合適的管徑；確定合適的管徑； 在已確定的輸送條件下，求算輸送設(shè)備的功率在已確定的輸送條件下，求算輸送設(shè)備的功率 9 用泵將圖中所示貯罐內(nèi)的油品輸送到用泵將圖中所示貯罐內(nèi)的油品輸送到A A，B B兩塔中。兩塔中。 從貯槽送到泵出口處，分為兩支，送至從貯槽送到泵出口處，分為兩支，送至A A塔頂部流量最大塔頂部

7、流量最大 為為16200 kgh16200 kgh 1 1，塔內(nèi)表壓強為 ，塔內(nèi)表壓強為9.819.8110105 5 Pa Pa，另一支，另一支 送到送到B B塔中部，最大流量為塔中部，最大流量為8100 kgh8100 kgh 1 1，塔內(nèi)表壓強為 ，塔內(nèi)表壓強為 1.181.1810106 6 Pa Pa。貯槽內(nèi)液面維持恒定，液面上方壓強為。貯槽內(nèi)液面維持恒定，液面上方壓強為 4.94.910104 4 Pa Pa（表壓）。已知：當管路上閥門全開，且流（表壓）。已知：當管路上閥門全開，且流 量達到規(guī)定的最大值時，油品流經(jīng)各段管路的阻力損失量達到規(guī)定的最大值時，油品流經(jīng)各段管路的阻力損失

8、分別是：由截面分別是：由截面1-11-1至至2-22-2為為3m3m液柱；由截面液柱；由截面2-22-2至至 3-33-3為為7m7m油品柱，由截面油品柱，由截面2-22-2至至4-44-4為為5m 5m 油品柱。油品柱。 因油品在管內(nèi)流動時的動能很小，可以忽略不計。各截因油品在管內(nèi)流動時的動能很小，可以忽略不計。各截 面地面的垂直距離如本題附圖中所示。油品的密度為面地面的垂直距離如本題附圖中所示。油品的密度為810 810 kg mkg m 3 3。求該條件下泵的有效功率。 。求該條件下泵的有效功率。 10 11 1.6 1.6 流體流量的測量流體流量的測量 測量流量的儀器稱為流量計。測量流

9、量的儀器稱為流量計。 流量計 容積式流量計 推理式流量計 濕式流量計 盤式流量計 橢圓齒輪流量計 節(jié)流式流量計 差壓式流量計 面積式流量計 孔板流量計 文丘里流量計 轉(zhuǎn)子流量計 12 1.6.11.6.1孔板流量計孔板流量計 它是由一片插入管道中的中央開有圓孔的金屬它是由一片插入管道中的中央開有圓孔的金屬 薄板（孔口經(jīng)過精密加工，從前到后擴大）和薄板（孔口經(jīng)過精密加工，從前到后擴大）和 連接孔板前后測壓孔的連接孔板前后測壓孔的U U形壓差計組成。形壓差計組成。 構(gòu)造構(gòu)造 13 工作原理工作原理 22 2 22 2 11 upup 21 2 1 2 2 2 ppuu 1 2 21 A A uu

10、)pp( ) A A ( u 21 2 1 2 2 2 1 1 )pp( ) A A ( C u 21 2 1 0 0 2 1 )pp( Cu 21 00 2 )(2 00 i Rg Cu )(Rg CAq i V 2 00 )( iba RgPP 14 )(Rg CAq i V 2 00 流量系數(shù)和孔流系數(shù)流量系數(shù)和孔流系數(shù), ,由實驗測得由實驗測得 C0主要取決于管道流動的主要取決于管道流動的Re, , 面積比面積比A0/A1， 測壓方式，孔口形狀，加工光潔度，孔板測壓方式，孔口形狀，加工光潔度，孔板 厚度和管臂粗糙度等。厚度和管臂粗糙度等。 C0 = 0.6 0.7 15 孔板流量計特點

11、孔板流量計特點 結(jié)構(gòu)簡單，制造方結(jié)構(gòu)簡單，制造方 便，易于安裝，孔便，易于安裝，孔 板方便更換。板方便更換。 流體流過孔板后能流體流過孔板后能 量損失較大，并隨量損失較大，并隨 A0/A1減小而增大。減小而增大。 16 1.6.21.6.2文丘里（文丘里（VenturiVenturi）流量計）流量計 文丘里流量計結(jié)構(gòu)圖文丘里流量計結(jié)構(gòu)圖 )(Rg ACq i VV 2 0 0.980.99 17 1.6.31.6.3轉(zhuǎn)子流量計轉(zhuǎn)子流量計 轉(zhuǎn)子承受的靜壓力轉(zhuǎn)子所受重力轉(zhuǎn)子承受的靜壓力轉(zhuǎn)子所受重力- -流體對轉(zhuǎn)子的浮力流體對轉(zhuǎn)子的浮力 gVgVApp ffff )( 21 f ff A )(gV

12、pp )( 21 )pp( ACq RRV 21 2 f f RRV A ACq )(2gv f 18 轉(zhuǎn)子流量計在出廠時一般是用轉(zhuǎn)子流量計在出廠時一般是用2020水或水或20 20 100kPa100kPa的空氣進行標定刻度的。的空氣進行標定刻度的。 因被測流體的流量與該流體的密度有關(guān)，故當測因被測流體的流量與該流體的密度有關(guān)，故當測 量其他流體時，應實驗標定或?qū)υ械目潭燃右粤科渌黧w時，應實驗標定或?qū)υ械目潭燃右?校正。由于在同一刻度下校正。由于在同一刻度下A A f f相同，則 相同，則 )( )( 12 21 2, 1 , f f V V q q 上式中下標上式中下標1 1表示出廠

13、時標定流體的流量和密度值表示出廠時標定流體的流量和密度值, , 下標下標2 2表示實際操作時所測流體的流量及密度值。表示實際操作時所測流體的流量及密度值。 19 讀取流量方便，測量范圍寬，能量損失讀取流量方便，測量范圍寬，能量損失 很小，且能用于腐蝕性液體的測量。很小，且能用于腐蝕性液體的測量。 但由于測量管大多為玻璃制成，故不能但由于測量管大多為玻璃制成，故不能 承受高溫和高壓。承受高溫和高壓。 在安裝時應注意必須保持垂直。在安裝時應注意必須保持垂直。 轉(zhuǎn)子流量計特點轉(zhuǎn)子流量計特點 20 1.7 1.7 流體輸送機械流體輸送機械 流體輸送機械流體輸送機械: :對流體做功以提高流體機械對流體做

14、功以提高流體機械 能的裝置。能的裝置。 輸送液體的機械通稱為輸送液體的機械通稱為泵泵；輸送氣體的機；輸送氣體的機 械稱為械稱為風機風機（通風機、鼓風機）。（通風機、鼓風機）。 本節(jié)以離心泵為代表，討論其本節(jié)以離心泵為代表，討論其工作原理工作原理、 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)及及性能性能，并計算其，并計算其功率消耗功率消耗。 21 1.7.11.7.1離心泵的工作原理及主要構(gòu)件離心泵的工作原理及主要構(gòu)件 離心泵的工作原理離心泵的工作原理 1.1.葉輪；葉輪；2.2.泵殼；泵殼；3.3.泵泵 軸；軸；4.4.吸入口吸入口 5.5.吸入管；吸入管； 6.6.單項底閥；單項底閥；7.7.濾網(wǎng)；濾網(wǎng)；8.8. 排

15、出口排出口 9.9.排出管；排出管；10.10. 調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥 液體在泵內(nèi)的流動液體在泵內(nèi)的流動 離心泵裝置簡圖離心泵裝置簡圖 22 氣縛：泵殼和吸入管路內(nèi)沒有充滿液體，泵內(nèi)氣縛：泵殼和吸入管路內(nèi)沒有充滿液體，泵內(nèi) 有空氣，空氣的密度遠小于液體的密度，葉輪有空氣，空氣的密度遠小于液體的密度，葉輪 旋轉(zhuǎn)對其產(chǎn)生的離心力很小，葉輪中心處所產(chǎn)旋轉(zhuǎn)對其產(chǎn)生的離心力很小，葉輪中心處所產(chǎn) 生的負壓不足以造成吸上液體所需要的真空度。生的負壓不足以造成吸上液體所需要的真空度。 盡管被啟動的離心泵葉輪在高速旋轉(zhuǎn)，但卻不盡管被啟動的離心泵葉輪在高速旋轉(zhuǎn)，但卻不 能輸送液體，這種現(xiàn)象稱為能輸送液體，這種現(xiàn)象稱為“氣

16、縛氣縛”。 為防止啟動前泵內(nèi)及吸入管內(nèi)的液體泄漏，常為防止啟動前泵內(nèi)及吸入管內(nèi)的液體泄漏，常 在吸入管底部安裝一個單向底閥。在底閥外常在吸入管底部安裝一個單向底閥。在底閥外常 裝有濾網(wǎng)，以防止流體中的固體雜質(zhì)吸入而堵裝有濾網(wǎng)，以防止流體中的固體雜質(zhì)吸入而堵 塞管道及泵殼，從而影響泵的正常操作。塞管道及泵殼，從而影響泵的正常操作。 液體密度葉輪轉(zhuǎn)速，葉輪尺寸， 離心力 F 23 1.7.21.7.2離心泵的主要性能參數(shù)離心泵的主要性能參數(shù) 流量：離心泵的流量是指單位時間內(nèi)泵輸送液流量：離心泵的流量是指單位時間內(nèi)泵輸送液 體的體積。代表泵的送液能力，用符號體的體積。代表泵的送液能力，用符號q qv

17、 v表示表示, , 單位為單位為m m3 3ss 1 1或 或m m3 3hh 1 1。 。 揚程：泵的揚程又稱為泵壓頭，指每重力單位，揚程：泵的揚程又稱為泵壓頭，指每重力單位， 即即1 1牛頓的液體經(jīng)泵所獲得的能量，以符號牛頓的液體經(jīng)泵所獲得的能量，以符號H He e表表 示，單位為示，單位為m m液柱。液柱。 fe h g pp g uu hH 12 2 1 2 2 0 2 24 21 12 2 1 2 2 0 2 fe h g pp g uu hH 21 2 2 2 2 1 2 1 1 22 f h g p g u ZHe g p g u Z g pp hH e 12 0 25 功率和效

18、率功率和效率 e P P gqHP vee 能能量量損損失失 泵泵內(nèi)內(nèi)液液體體泄泄露露容容積積損損失失 水水力力損損失失 液液體體流流經(jīng)經(jīng)葉葉輪輪，泵泵殼殼因因流流速速、方方 向向改改變變且且發(fā)發(fā)生生沖沖擊擊 機機械械損損失失 泵泵軸軸與與軸軸承承和和軸軸封封間間機機械械摩摩擦擦 26 1.7.31.7.3離心泵的特性曲線離心泵的特性曲線 27 1.7.41.7.4離心泵的汽蝕現(xiàn)象和安裝高度離心泵的汽蝕現(xiàn)象和安裝高度 汽蝕現(xiàn)象汽蝕現(xiàn)象 28 離心泵在運轉(zhuǎn)時，離心泵入口的靜壓強低于外界的離心泵在運轉(zhuǎn)時，離心泵入口的靜壓強低于外界的 壓強，液體才能源源不斷地被吸入和壓出。當離心壓強，液體才能源源不

19、斷地被吸入和壓出。當離心 泵入口處壓強低于被輸送液體在操作溫度下的飽和泵入口處壓強低于被輸送液體在操作溫度下的飽和 蒸氣壓時，就會引起液體的部分氣化并產(chǎn)生許多小蒸氣壓時，就會引起液體的部分氣化并產(chǎn)生許多小 氣泡，由泵中心的低壓區(qū)流進葉輪高壓區(qū)的氣泡受氣泡，由泵中心的低壓區(qū)流進葉輪高壓區(qū)的氣泡受 壓而重新凝結(jié)，造成局部真空，使周圍液體以極大壓而重新凝結(jié)，造成局部真空，使周圍液體以極大 速度沖向原氣泡所占據(jù)的空間。在沖擊點處形成極速度沖向原氣泡所占據(jù)的空間。在沖擊點處形成極 高的壓強（幾萬高的壓強（幾萬kPakPa）。在壓力很大頻率很高（每）。在壓力很大頻率很高（每 分鐘幾萬次）的流體質(zhì)點的連續(xù)打

20、擊下，葉輪表面分鐘幾萬次）的流體質(zhì)點的連續(xù)打擊下，葉輪表面 會逐漸損壞，這種現(xiàn)象稱為汽蝕現(xiàn)象。會逐漸損壞，這種現(xiàn)象稱為汽蝕現(xiàn)象。 氣蝕會使泵的性能降低，流量、揚程和效率大大下氣蝕會使泵的性能降低，流量、揚程和效率大大下 降?？s短泵的使用壽命，以至于不能正常工作。降。縮短泵的使用壽命，以至于不能正常工作。 29 為避免發(fā)生汽蝕現(xiàn)象，離心泵葉輪入口處為避免發(fā)生汽蝕現(xiàn)象，離心泵葉輪入口處 的絕對壓強必須大于工作溫度下液體的飽的絕對壓強必須大于工作溫度下液體的飽 和蒸氣壓，這就要求根據(jù)泵的性能確定泵和蒸氣壓，這就要求根據(jù)泵的性能確定泵 的安裝高度。的安裝高度。 離心泵的安裝高度離心泵的安裝高度HgHg

21、是根據(jù)允許吸上真空是根據(jù)允許吸上真空 高度高度H HS S來確定的。來確定的。 30 10 2 110 2 ,fg h g u g pp H 離心泵的允許吸上真空高度與離心泵的允許吸上真空高度與 泵的結(jié)構(gòu)尺寸、被輸送液體的泵的結(jié)構(gòu)尺寸、被輸送液體的 性質(zhì)及當?shù)氐拇髿鈮河嘘P(guān)。性質(zhì)及當?shù)氐拇髿鈮河嘘P(guān)。 10 2 1 2 ,h g u Hs f 允許吸上真空高度：泵入口允許吸上真空高度：泵入口 處絕對壓強為處絕對壓強為p p1 1時可允許達時可允許達 到的最大真空度到的最大真空度 31 離心泵說明書或銘牌上所給出的允許吸上真空離心泵說明書或銘牌上所給出的允許吸上真空 高度一般是生產(chǎn)廠以高度一般是生產(chǎn)廠以2020清水，在清水，在98.1kPa98.1