第1章流体流动及流体输送机械（9学时）
一、流体流动
化工过程中需进行物理或化学加工处理的物料主要是液体和气体，即流体。流体输送是化工过程基本的单元操作之一，流体流动的基本原理对化工过程的进行状况、设备投资与动力消耗有着重要影响。利用流体流动的基本原理，可测量流体输送系统中的压力变化和流量，计算输送管路与所需功率，选择输送设备的规格型号，强化化工设备的传质相传热过程等。
1、流体静力学
流体静力学研究流体处于平衡状态时，其内部受力的变化规律。流体静力学的知识可应用于流体在设备或管道中压力的测定、液位的测量和设备液封等方面。
1．1 流体的物理性质
（1）流体的密度
单位体积流体具有的质量，称为流体的密度，其达式为：
（2）比容与相对密度
比容是密度的例数，单位为m３／kｇ，即：
相对密度为物质的密度与标准物质的密度之比。对于固体和液体，标准物质多选用4℃的水；对于气体则多采用标准状态(０℃，1×10５kPa)下的空气。
（３）流体的粘度
流体具有流动性，在外力作用下其内部产生相对运动，另一方面，流休还有一种抗拒内在的向前运动的特性，称为粘性，是流体在流动中表现出来的一种物理属性。粘度是用来度量流体粘性大小的物理量，其值由实验测定。液体的粘度
随温度升高而减小，气体的粘度则随温度升高而增大。压力变化时，液体的强度基本不变，气体的粘度随压力增加而增加得很少，在一般工程计算中可以忽略，只有在极高或极低的压力下，才需考虑压力对气体粘度的影响。
1．２流体静力学基本方程
（１）液体静力学
流体静力学研究流体在外力作用下达到平衡时各物理量的变化规律。在化工过程中，流体的平衡规律应用很广，如流体在设备或管道内压力变化的测量、液体在贮罐内液位的测量、设备的液封高度的确定等。
（２）液体静力学基本方程
当流体处于相对静止状态时，由于重力可以看做是不变的，变化的只是压力，描述流体在重力和压力作用下平衡规律的数学表达式，称为流体静力学基本方程。
（３）液体静力学基本方程推导
在密度为ρ的静止流体中，取一流体微元立方体，其边长分别为dｘ、dy、dｚ它们分别与ｘ、y、ｚ轴平行，如图1—2所示。由于流体处于静止状态，因此所有作用于该立方体上的力在坐标轴上的投影之代数和应等于零。
对于ｚ轴，作用于该立方体的力有：
在Z抽方向的平衡式可写成：
式(1—14)各项除以dxdydz，则z轴方向力的平衡式可简化为
对于x、y轴，作用于该立方体的力仅有压力，亦可写出其相应的力的平衡式，简化后得
式(1-14a)、式(1-14b)和式〔1—14c)称为流体平衡微分方程，积分该微分方程组可得到流体静力学基本方程。将式(1—14a)、式(1—14b)、式(1—14c)分别乘以dz、dx、dy，并相加后得：
上式等号的左侧即为压力的全微分dp，于是
对于不可压缩流体，ρ＝常数，积分上式，得
液体可视为不可压缩的流体，在静止液体中取任意1、2两点，如图1—3
所示，则有
为讨论问题方便，对式(1—15a)进行适当的变换，使点1处于容器的液面上，设液面上方的压力为p0，距液面h处点2的压力为p，式(1-15a)可改写为
式(1—15)、式(1—15a)及式〔1-15b)称为流体静力学基本方程，它们说明，在重力场作用下，静止流体内部压力的变化规律。由式(1—15b)可得出如下规律。
(1)当容器液面上方的压力p０一定时，静止液体内部任一点压力p的大小与液体本身的密度ρ和该点距液面的深度h有关。因此，在静止的、连续的同一液体内，处于同一水平面上各点的压力都相等，该水平面称为等压面。等压面的正确选取是流体静力学基本方程应用的关键所在。
(2)当液面上方的压力p０改变时，液体内部各点的压力p也发生同样大小的改变。即压力可以同样大小地传至液体内各点处。
(3)式(1—15b)可改写为
上式说明，压力差的大小可以用一定高度的液柱表示。
（２）液体静力学基本方程的应用
流体静力学基本方程的应用十分广泛，如流体在设备或管道内压力变化的测量液体在贮罐内液位的测量、设备的液封高度的确定等，均以静力学基本方程为依据。
①流体压力测量
流体压力测量的仪表很多，本节介绍应用流体静力学基本原理的测压仪表，这种测压仪表统称为液柱压差计，可用来测量流体的压力或压力差。常见的液柱压差计有以下几种。
1）u形管压差计。
u形管压差计的结构如图1—4所示，这是一根U形玻璃管，内装有液体作为指示液。指示液要与被测流体不互溶，不起化学反应，且其密度应大于被测流
体的密度。常用的指示液有汞、四氯化碳、水和液体石蜡等。
当测量管道中1—l、与2—2、两截面处流体的压力差时，可将u形管的两端分别与1—l、与2—2、两截面测压口相连通。由于两截面的压力p1和p2不相等，所以在u形管的两侧便出现指示液面的高度差R。R称为压差计的读数，其数值大小反映1—l、与2—2、截面之间压力差p1-p2的大小。p1-p2与R的关系式，可根据流体静力学基本方程进行推导。
图1—4所示的u形管底部装有指示液A，其密度为ρA，u形管两侧臂上部及连接管内均充满待测流体B，其密度为ρB。根据流体静力学基本方程，可得p1-p2 ＝(ρA-ρB)gR+ρB gZ (1-16)
当被测管段处于水平放置时，Z＝0，则上式可简化为
p1-p2 ＝(ρA-ρB)gR (1-16a)
u形管压差计不但可用来测量流体的压力差，而且也可测量流体在任一处的压力。若U形管一端与设备或管道某一截面连接，另一端与大气相通，这时读数R所反映的是管道中某截面处流体的绝对压与大气压之差，即为表压。
2）倾斜液柱压差计。
当被测系统压力差较小时，读数R必然很小。为提高读数的精度，可将液柱压差计倾斜，称为倾斜液柱或斜管压差计，如图1-5所示。此压差计的读数R l与u形管压差计的读数R的关系为：
式中：а—倾斜角，其值越小，R1值就越大。
3）微差压差计。
由式(1—16a)可以看出，若所测得的压力差很小u形管压差计的读数R也就很小，有时难以准确读出R值。为把读数R放大，除了在选用指示液时，尽可能地使其密度ρA与被测流体的密度ρB相接近外，还可采用图1—6所示的微差压差计。它有如下特点。
(1)微差压差计内装有两种密度相近且不互溶的指示液A和C，而指示液C 与被测流体B亦应不互溶。
(2)U形管的两侧臂顶端各装有扩大室，扩大室的截面积要比U形管的截面积大很多，当u形管内指示液A的液面差R很大时，两扩大空的指示液C的液面不致有明显的变化，从而可以认为维持等高。于是压力差p1-p2可用下式计算：p1-p2＝(ρA—ρC)gR (1-18)
需要区别的是：式(1-18)中的ρA—ρC是两种指示液的密度差，而式(1—16a)中的ρA-ρB是指示液与被测液体的密度差。
1．3 定态流动与非定态流动
流体在管道中流动时，若各截面上流体的流速、压力、密度等有关物理量仅随位置而变化，不随时间而变化，则称为定态流动；若流体在各截面上的有关物理量随时间变化，则称为非定态流动。
如图1—8所示，水箱3上部不断地有水从进水管1注入，从下部徘水管4不断地徘出，且在单位时间内，进水量大于徘水量，多余的水由水箱上方溢流管
2溢出，以维持箱内水位恒定不变。若在流动系统，任意取两个截面1—1、及2
—2、，经测定发现，该两截裁面上的流速和压力虽然不相等，即u
1≠u2，p
1≠
p2，
但每一截面上的流速和压力并不随时间而变化，这种流动情况属于定态流动。若将图中进水管的阀门关闭，箱内的水仍由排水管不断排出，由于管内无水补充，则水位逐渐下降，各截面上水的流速与压力也随之而降低，此时各截面上水的流速与压力不但随位置而变比，还随时间而变化，这种流动情况属于非定态流动。
化工生产过程多属于连续定态过程，但开车、停车阶段以及间歇操作均属非定态过程。本章主要讨论流体的定态流动问题。
1．4 连续性方程
如图1—9所示的一定态流动系统，在1—1、与2—2、截面间作物料衡算，由于定态流动系统内无物料积累，根据质量守恒定律，单位时间进入1—1、截面的流体质量与流出2—2、截面的流体质量相等。若以1s为基准，则物料衡算式为q m1＝q m2。
因q m=uAρ，故上式可写成
若上式推广到管路上任何一个截面，则
式(1—25a)表示，在定态流动系统中，流体流经各截面的质量流量不变，而流速u随管道截面积A及流体的密度ρ而变化。若流体可视为不可压缩流体，即ρ＝常数，则式(1—25a)可改写为：
式(1-25b)说明，不可压缩流体不仅流经各截面的质量流量相等，它们的体积流量也相等。式(1-25)至式(1-25b)均称为管内定态流动的连续性方程，其反映了在定态流动系统中，流体的流量一定时，管路各截曲面上流速的变化规律。在圆形管道中。对于不可压缩流体，定态流动的连续性方程可以写成：
式(1—26)说明，当流体的体积流量一定时，流速与管径的平方成反比。此规律与管路的安排以及管路上是否装有管件、阀门或输送设备等无关。
1．5 伯努利方程
对流体的流动过程，除掌握流动系统的物料衡算外，还需了解流动系统能量的相互转化关系。本节讨论流体流动的能量衡算，进而得出可用于工程实际问题的伯努利方程。
（1）、流动系统的总能量衡算
在图1—10所示的定态流动系统中，流体从1—1、截面流入，经由粗细不同的管道，从2—2、截面流出。管路上装有对流体做功的泵2及向流体输入或从流体取出热量的换热器1。取内壁面1—1、与2—2、截面间为衡算范围，1kg流体作为衡算基准，0—0、平面作为基准水平面。
令u1、u2为流体分别在1—1、与2—2、截面处的流速，m／s；p1、p2为流体分别在1—1、与2—2、截面处的压力，Pa；z1、z2为1—1、与2—2、截面的中心至基准水平面0—0、的垂直距离，m，A1、A2为1—1、与2—2、截面的面积，m2；v1、v2为流体分别在1—1、与2—2、截面处的比容，m3／kg。
1kg流体进、出系统时输入和输出的能量有以下几项。
①内能
物质内部能量的总和称为内能，它是由分子运动、分子间作用力及分子振动等产生的。从宏观上看，内能是状态函，它与温度有关，而压力对其影响较小。lkg流体输入与输出的内能分别以u1和u2表示，其单位为J／kg。
②位能
流体因受重力的作用，在不同的高度处具有不同的位能，相当于质量为m 的流体自基准水平面升举到某高度Z所做的功。即
位能=mgZ
其单位为J。1kg流体输入与输出的位能分别是gZ1和gZ2，其单位为J／kg。位能是个相对值，随所选基准水平面的位置而定，在基准水平面以上位能为正值，以下位能为负值。
③动能
流体以一定的速度运动时，便具有一定的动能。质量为m、流速为u的流体所具有的动能为：动能=1/2mu2。
其单位为J。lkg流体输入与输出的动能分别为1/2u12与1/2u22，其单位为J/kg。
④静压能
静止流体内部任一处都有一定的静压力，流动着的流体内部任何位置也都有一定的静压力。对于图1-10所示的流动系统，流体通过1—1、截面时，由于该截面处液体具有一定的压力，这就需要对流体做相应的功，以克服这个压力，才能把流体推进系统里去。于是通过l—1、截面的流体必定要带着与所需的功相当的能量进入系统，流体所具有的这种能量称为静压能或流动功。
设质量为m、体积为v1的流体通过1—1、截面，把该流体推进此截面所需的作用力为P1A1、而流体通过此截面所走的距离为V1/A1，则流体带入系统的静压能为：
对于1kG流体，则
其单位为J/lkg。同理，1kg液体离开系统时输出静压能为p2v2，其单位也为J/lkg。
图1-10所示的定态流动系统中，流体只能从1—1、截面流人，从2—2、截面流出因此上述输入与输出系统的四项能量，实际上就是流体在l—l、及2—2、截面上所具有的各种能量，其个位能、动能及静压能又称为机械能，三者之和称为总机械能或总能量。
此外，在图1-10中的管路上还安装有换热器和泵，则进、出该系统的能量还有如下几项。
1）热。
设换热器向lkg流体提供的或从1kg流体取出的热量为Q e，其单位为J/kg。如果换热器对所衡算的流体加热，则Q e为从外界向系统输入的能量；若换热器对所衡算的流体冷却，则Q e为系统向外界输出的热量。规定系统吸热为正，放热为负。
2）外功。
1kg流体通过泵(或其他输送设备)所获得的能量，称为外功或净功，有时也称为有效功，以W c表示，其单位为J/kg。规定系统接受外加功为正，反之为负。
根据能量守恒定律，连续定态流动系统的能量衡算中输入的总能量等于输出的总能量，即：
式(1-27)与式(1-27a)是定态流动过程的总能量衡算式，也是流动系统中热力
学第一定律的表达式。虽然方程中所包括的能量项目较多，但可视具体情况进行简化。
（2）流动系统的机械能衡算式与伯努利方程
1）流动系统的机械能衡算式
上述总能量衡算式中，各项能量可分成机械能和非机械能两类。其中，动能、位能、静压能、外功属于机械能；内能和热是非机械能。机械能和非机械能的区别是，前者在流动过程中可以相互转化，既可用于流体输送、也可转变成热和内能；而后者不能直接转变成机械能用于流体的输送。
在流体输送过程中，主要考虑各种形式机械能的转换。为便于使用式(1-27)或式(1-27a)，可将Δu和Q e从式中消去，从而得到适于计算流体输送系统的机械能变化关系式。若图1-10中的换热器按加热器来考虑，则根据热力学第一定律知：
式(1—30)表示1kg流体流动时的机械能的变化关系，称为流体定态流动时
的机械能衡算式，可压缩流体与不可压缩流体均可适用。
2）伯努利方程
不可压缩流体的密度ρ或比容V为常数，故式(1—30)中的积分项变为
1.4 流体流动现象
前一节中依据定态流动系统的物料衡算和能量衡其关系得到了连续性方程和伯努利方程，从而可以计算流动过程中的有关参数。但并没有涉及流体流动过程中内部质点的运动规律。流体质点的运动方式，影响着流体的速度分布、流动阻力的计算以及流体中的热量传递和质量传递过程，化工过程中许多单元都与流体的流动现象密切相关。
1.4.1流动类型
1、雷诺实验
流体由于存在粘性，运动时产生粘性应力，粘性应力的大小不仅与流体的性质有关，还与流动的形态有关。为了直接观察流体流动时内部质点的运动情况及各种因素对流动状况的影响，1883年，英国科学家雷诺(ReyMoNs)进行了如图l-11所示的实验，这个实验称为雷诺实验。在水箱3内装有溢流装置6，以维持水位恒定。箱的底部接一段直径相同的水平玻璃管4，管出口处有阀门5用来调节流量。水箱上方装有带颜色液体的小瓶1，有色液体可经过细管2注入玻璃管内。在水流经玻璃管的过程中，同时把有色液体送到玻璃管入口以后的管中心位置上。
实验时可以观察到，当玻璃管里水流速度不大时，从细管引到水流中心的有色液体成一直线平稳地流过整根玻璃管，与玻璃管里的水并不相混杂。如图1—12(a)所示。这种现象表明，玻璃管里水的质点是沿着与管铀平行的方向作直线运动的。若把水流速度逐渐提高到一定数值，有色液体的细线开始出现波浪形，速度再增大时，细线便完全消失，有色液体流出细管后随即散开，与水完全混合在一起，使整根玻璃管中的水呈现均匀的颜色，如图1-12(b)所示。此种现象表明，水的质点除了沿管道向前运动外，各质点还作不规则的杂乱运动，且彼此相互碰撞并相互混合。质点速度的大小和方向随时发生变化。
这个实验显示出流体流动的两种截然不同的类型。一种是如图1-12(a)所示的流动，称为层流或滞流；另一种是如图1-12(b)所示的流动，称为湍流或紊流。
2、流动类型的判据—雷诺数
大时，Re较大；当粘滞力较大时，Re较小。
流体的流动类型，可用雷诺数来判断。实验证明，若流体在直管内流动，当Re≤2000时，流体的流动类型属于层流；当Re≥4000时，流动类型用于湍流，而Re值在2000-4000的范围内，可能是层流，也可能是湍流，若受外界条件的影响，如管道直径、方向的改变和管道的振动等都易促成湍流的发生，所以这一范围称为不稳定的过渡区。在生产操作条件下，通常将Re大于3000的情况按湍流考虑。因此，可用雷诺数数值的大小来判断流体的流动类型，雷诺数愈大，说明流体的流动湍动程度愈剧烈，产生的流体流动阻力也愈大。
2、边界层的发展
2）、流体在圆形直管的进口段内的流动
管进口段内流动时，层流边界层内速度分布侧形的发展情况。
流体在进入圆管前，以均匀的流速流动。进管之初速度分布比较均匀，仅在靠管壁处形成很薄的边界层。在粘性的影响下，随着流体向前流，边界层逐渐增厚，而边界层内流速则逐渐减小。由于管内流体的总流量维持不变，所以使管中心部分的流速增加，速度分布随之而变。在距管入口处x
的地方，管壁上已
经形成的边界层在管的中心线上汇合，此后，边界层占据整个圆管的截面，其厚度维持不变，等于管子半径。距管进口的距离x
称为稳定段长度或进口段长度。
在稳定段以后，各截面速度分布共同曲线形状不随x而变，称为完全发展了的流动。
3、边界层的分离
粘性流体绕过固体表面的阻力为摩擦阻力与形体阻力之和。两者之和又称为局部阻力。由上述可知，边界层分离是旋涡形成的一个重要因素。流体流经管件、阀门、管子进出口等局部地方，由于流动方向和流通截面的突然改变，均会发生上述情况。
1．5 流体在管内的流动阻力
将流动阻力产生的原因与影响因素归纳为：流体具有粘性，流动时存在着内摩擦，是流动阻力产生的根源；固定的管壁或其他形式固体壁面，促使流动的流体内部发生相对运动，为流动阻力的产生提供了条件。流动阻力的大小还与流体本身的物理性质、流动状况、流道的形状和尺寸等因素有关。
流体在管路中流动时的阻力可分为直管阻力和局部阻力两种。直管阻力是流体流经一定管径的直管时，由于流体内摩擦而产生的阻力。局部阻力主要是由于流体流经管路中的管件、阀门及管截面的突然扩大或缩小等局部地方所引起的阻力。
1．5.1 流体在直管内的流动阻力
1、计算圆形直管阻力的通式
当流体在管内以一定速度流动时，有两个方向相反的力相互作用于流体。一个是促使流动的推动力，这个力的方向和流动方向一致；另一个是由内摩擦而引起的摩擦阻力，这个力阻止流体的运动，其方向与流体的流动方向相反。因此，只有在推动力与阻力达到平衡的条件下，流动速度才能维持不变，即达到定态流动，如图1—21所示，流体以速度u在一段水平直管内作定态流动，对于不可压缩流体，在1—1、与2—2、截面间列伯努利方程得
1．5.4 管路基本知识
二、流体输送机械
在化工生产中，流体输送是常见的单元操作之一。为了将流体由低能位向高能位输送，必须使用流体的送机械。
生产中所需输送的流体中，有的具有较高的粘度，有的具有较强的腐蚀性，有的易燃和易爆，有的含有固体悬浮颗粒，还有的是高温、高压流体，因此为适应各种流体的输送而发展起来的设备种类很多。目前，化工中常用的流体输送设备，按工作原理大致可分为四类：离心式、往复式、旋转式和流体动力作用式。
气体属于可压缩性流体，在输送过程中会因压缩和膨胀而引起温度和密度的变化，这就使气体输送设备在结构上具有某些与液体输送设备不同的特点。通常，将用于输送液体的输送设备称为泵，而用于输送气体的设备按所产生的压力的高低称为通风机、鼓风机、压缩机和真空泵。
1、离心泵
离心泵在工业生产中应用最广泛。离心泵的突出特点是结构简单、流量均匀
且易于调节和控制、使用寿命长、适用范围广、设备费和操作费低。
1.1离心泵的工作原理
离心泵的基本结构如图2—1所示。主要构件有叶轮与泵壳(又称蜗壳)。叶轮通常由6—12片后弯叶片组成，安装、密封在泵壳内并紧固在泵轴上，泵壳中央的吸人口与吸入导管相连接，且在导管的末端装有带滤网的底阀(又称止回阀)，泵壳侧旁有排出口与排出导管相连接。
离心泵一般由电动机带动，启动前必须在离心泵的泵壳内充满被输送的液体，启动后，电动机带着冲轮高速旋转时，液体受到叶片的推力也随之旋转。在离心力的作用下，液体从叶轮中心被甩向叶轮的边缘，并以很高的速度(一般可达15—35m／s)流向泵壳。由于泵壳中流道逐渐加宽，液体的流速逐渐降低，将一部分动能转变为静压能，使泵出口处的液体具有较高的压力。于是，液体从排出口进入排出导管，输送至所需要的场所。
当叶轮中心的液体被甩出后，在叶轮中心就形成了低压区，在压差作用下液体便经吸入管进入泵内，填补被排出液体的位置。这样，只要叶轮不断地转动，液体便连续地被吸入和压出而达到连续输液的目的。
1.2离心泵的主要构件
离心泵的主要构件有叶轮和泵壳。
(1)叶轮。
叶轮的作用是将原动机能量传递给液体，使液体动能和静压能有所增加。叶轮有开式、半开式和闭式三种类型，如图2—2所示。
开式叶轮在叶轮的两侧，无盖板。如图2—2(a)所示，适用于输送含有杂质(悬浮物)的液体，叶轮流通不易堵塞。开式叶轮结构简单，制造容易，清洗方便，但由于无益板，液体在叶片间运动时，容易产生倒流，故效率较低。
半开式叶轮在吸人口侧无盖板。如图2—2(b)所示，它具有开式叶轮的忧、缺点，但效率略有提高。
闭式叶轮在叶轮两侧均有盖板。如图2—2(c)所示，适用于输送不含杂质的清洁液体。闭式叶轮结构复杂，制造困难，价格较高。不易产生倒流，故效率较高。一般的离心泵多系此类叶轮。
(2)壳体。
离心泵的外壳呈蜗壳形，故又称为蜗壳，壳内通道截面逐渐扩大，如图2—3所示。从叶轮外缘高速抛出的液体，沿泵壳的蜗壳形通道向排出口流动，其流速逐渐降低，减少了能量损失，且使一部分动能有效地转变为静压能。显然，泵壳具有汇集液体和能量转换的双重功能。
在较大的泵中，在叶轮与泵壳之间还装有固定不动的导轮，如图2—3所示，其目的是减少液体直接进入泵壳时的冲击。由于导轮具有很多逐渐转向的通道，使高速液体流过时均匀而缓和地将动能转变为静压能，从而减少能量损失。
1.2离心泵的类型和选用
1、离心泵的类型
在化工生产中放输送液体的性质、流量、压力、温度等差异很大，为适应各种不同的要求，已制造出种类众多的离心泵。例如，按液体性质，可分为清水泵、油泵、耐腐蚀泵、杂质泵等；按液体被吸人的方向可分为单吸和双吸泵，按泵内叶轮的数目可分为单级和多级泵。现对化工生产中常用离心泵的类型作简要介绍。
1）、清水泵
在化工生产中，清水泵被广泛用于输送清水以及物理、化学性质类似于水的清洁液体。常用的型号有IS型、D型、Sh型三类。
IS型。
IS型水泵是单级单吸悬臂式离心水泵，其结构如图2—13所示，全系列扬程范围为8—98m，流量范围为45—360 m3／h。
2）、往复泵
往复泵也是化工生产中较为常用的一种泵，主要由泵体、活塞(或柱塞)和单向阀构成，活塞由曲柄连杆机构带动而作往复运动。单动住复泵的工作原理如图2—17所示，当活塞在外力作用下向右移动时，泵休内形成负压，上端的阀(排出阀)承受压力而关闭，下端的阀(吸入阀)则被泵外液体的压力推开，将液体吸入泵内。当活塞向左秽动时，由于活塞的挤压，泵内液体的压力增大，吸入阀承受压力而关闭，排出阀受压则开启，将液体排出泵外。活塞不停地作往复运动，液体就间歇地吸人和排出。可见，住复泵是通过活塞将外功以静压的方式传递给液体。
由于活塞的往复运动是由曲柄连杆机构的机械运动引起的，故活塞的往复运动是不等速的，徘液量也就随着活塞的移动有相应的起伏。因此，住复泵输入到系统的液体量，可以平均流量计算。为了改善单动泵流量的不均匀性，可采用双动泵或三联泵，其工作原理如图2—18所示。图2—18(a)所示为双动泵，此泵在活塞两侧的泵体内均装有吸入和排出阀，因此无论活塞向何方向运动，总有一吸入阀和一排出阀开启，即在活塞往复一次中，吸液和排液各两次，这样吸入和排出管路中均有液体流过，送液可连续但流量仍有起伏。图2—18(b)所示为三联泵，实际上为三台单动泵并联构成，其流量较单动泵均匀得多。往复泵的流量分布曲线，如图2—19所示。其平均流量以三联泵和双动泵较高。
第二章 流体输送机械 离心泵特性 【2-1】某离心泵用15℃的水进行性能实验，水的体积流量为540m 3/h ，泵出口压力表读数为350kPa ，泵入口真空表读数为30kPa 。若压力表与真空表测压截面间的垂直距离为350mm ，吸入管与压出管内径分别为350mm 及310 mm ，试求泵的扬程。 解 水在15℃时./39957kg m ρ=，流量/V q m h =3540 压力表350M p kPa =，真空表30V p kPa =-（表压） 压力表与真空表测压点垂直距离00.35h m = 管径..12035031d m d m ==， 流速 / ./(.) 122 1 540360015603544V q u m s d ππ == =? . ../.2 2 1212035156199031d u u m s d ???? ==?= ? ????? 扬程 2 2 2102M V p p u u Ηh ρg g --=++ ()(.)(.)....?--?-=++ ??3322 35010301019915603599579812981 ....m =++=0353890078393 水柱 【2-2】原来用于输送水的离心泵现改为输送密度为1400kg/m 3的水溶液，其他性质可视为与水相同。若管路状况不变，泵前后两个开口容器的液面间的高度不变，试说明：(1)泵的压头（扬程）有无变化；(2)若在泵出口装一压力表，其读数有无变化；(3)泵的轴功率有无变化。 解 (1)液体密度增大，离心泵的压头（扬程）不变。（见教材） (2)液体密度增大，则出口压力表读数将增大。 (3)液体密度ρ增大，则轴功率V q gH P ρη = 将增大。 【2-3】某台离心泵在转速为1450r/min 时，水的流量为18m 3/h ，扬程为20m(H 2O)。试求：(1)泵的有效功率，水的密度为1000kg/m 3; (2)若将泵的转速调节到1250r/min 时，泵的流量与扬程将变为多少？ 解 (1)已知/,/V q m h H m kg m ρ===331820 1000水柱， 有效功率 .e V P q gH W ρ== ???=18 1000981209813600
1.为测量内直径由d1= 40 mm到d2= 80 mm的突然扩大的局部阻力系数，在扩大两侧装一 U型压差计，指示液为CCl4， 43 CCl 1600kg/m ρ=。当水的流量为2.78×10-3 m3/s时，压 差计读数R为165 mm，如本题附图所示。忽略两侧压口间的直管阻力，试求实际测得局部阻力系数。 计算题1附图 2在一管路系统中,用一台离心泵将密度为1000 kg/m3的清水从敞口地面水池输送到高位密封贮槽(表压为10m H2O柱),两端液面的位差Δz= 10m,管路总长l=50 m(包括所有局部阻力的当量长度),管内径均为40 mm,摩擦系数λ=0.02。试求： （1）该管路的特性曲线方程； （2）若离心泵的特性曲线方程为H=40-200 q V2(H为压头，m ；q V为流量，m3/min),则该管路的输送量为多少m3/min？扬程为多少m? 若此时泵的效率为0.6，泵的轴功率为多少W？ 2在一管路系统中,用一台离心泵将密度为1000 kg/m3的清水从敞口地面水池输送到高位密封贮槽(表压为10m H2O柱),两端液面的位差Δz= 10m,管内径均为40 mm, 管路的输送量为0.217 m3/min离心泵的特性曲线方程为H=40-200 q V2 (H为压头，m ；q V为流量，m3/min), 试求： 1、管路的特性曲线方程；扬程为多少m? 若此时泵的效率为0.6，泵的轴功率为多少W？ 2、若阀门开度减小，使得局部阻力系数增大了70，（假设在完全湍流区），求此时管路中 流体流量？ 3如本题附图所示，用泵将水由低位槽打到高位槽(均敞口，且液面保持不变)。已知两槽液面距离为20 m，管路全部阻力损失为5 m水柱（包括管路进出口局部阻力损失），泵出口管路内径为50 mm，AB管段长为6 m，其上装有U管压强计，压强计读数R为40 mmHg，R'为1200 mmHg，H为1 mH2O，设摩擦系数为0.02。指示剂为水银。求:
流体输送机械的心得体会 在经过一段时间学习了化工原理后，我了解到了化工原理涉及的单元操作有流体流动和流体输送机械，然后我想结合自己所学习的知识做一个总结。 在刚开始学习这一章的时候觉得概念抽象，涉及面广，物理量多、综合性强，计算量大，公式繁杂，尤其是课程中半理论半经验公式和准数、准数关联式令人感到头痛，学习起来难度大。后面慢慢领悟到不能单纯只背公式而不去理解，在自我反思和进步中，我了解到工业生产中，输送流体是很常见的、不可或缺的最基本的单元操作。所谓流体输送机械就是通过向流体作功用来提高流体机械能的机械装置，当流体通过流体输送机械后机械能增加，增加的机械能可以抵消流体输送过程中的摩擦损耗。现阶段最常用的就是泵，同时我也查阅资料了解到机械密封泵的泄漏问题无法良好解决，但是随着科技发展，无泄漏的磁力驱动泵应运而生，绿色环保的磁力驱动泵必将广泛应用。 我也认识到化工原理内容较多，每一个单元操作都要分几次课来学习，有很多时候往往学了后面，忘了前面。所以在学习新的一章之前，我觉得要对旧知识的回忆，并且对上堂课讲过的内容进行总结，重要的公式在笔记本中列出。每学完一章，做一次本章小结。这样不仅容易掌握该章的内容，而且还能够学到解决工程实际问题的思维方法。例如我们学习了流动性方程和伯努利方程，还有阻力计算方程。这些方程主要运用在我们学习的泵的计算。常见的离心泵、往复泵主要用于液体输送，压缩机和风机用于气体输送。而液体输送是重点，
所以我们不仅要学习泵的工作原理，还要将泵与实际操作和成本经济相结合进行具体计算，运用的概念和公式比较多。在求离心泵的特性曲线或工作曲线时，我们要用到前一章的流体流动单元操作中的柏努利方程。所以在各单元操作之间存在着许多相互连贯和衔接的知识点。因此，学习了流体流动才能对流体输送机械有更深的了解。在学习中，我们要善于抓住和利用这些相关衔接点，就可以更好地理解和掌握知识，也就能学习好化工原理这门课程。学习是一个不断思考的过程，我们应该要学会发现问题，解决问题，同时总结问题，这样才能不断进步，并且提升自己的学习能力，将理论和实际相结合，把我们所学习的内容运用到生活中，为今后工作打下基础。
流体流动、流体输送机械习题课例题 1、用离心泵将池中水送到高位槽，已知管路总长 100m （包括当量长），其中压力表后为80m ，管路摩擦系数0.025，管内径0.05m ，当流量为10m 3 /h 时泵 效率为80%，求：（1）泵的轴功率；（2）压力表读 数。（取ρ=1000kg/m 3） 解：（1）如图取1-1、2-2截面，以1-1截面为基准列柏努利方程： 22 1 122 1222 e f p u p u gz W gz W ρρ+++=+++∑ 1212120;21820;;0z z m p p u u ==+==== 2e f W gz W =+∑ 2 2e f l l u W d λ+∑= ]/[415.105 .0785.03600 /104 2 2 s m d q u v =?= = π 22 100 1.4150.02550.06[/]20.052 e f l l u W J kg d λ+∑==??= 29.812050.06246.26[/]e f W gz W J kg =+∑=?+= 有效功率 10 1000246.26684[/]3600 e m e v e P q W q W J s ρ===??= 轴功率 684 855[/]80% e a P P J s η = = = （2）以3-3截面为基准，在3-3、2-2截面间列柏努利方程： 223 322 323222 f p u p u gz gz W ρρ-++=+++∑ 322230;18;0;0; 1.415/z z m p u u u m s ====== 2 3 3 3322 f P u gz W ρ-=+∑-
新型流体输送机械综述 XXX 一前言 在化工生产过程中，流体输送是最常见的，甚至是不可缺少的单元操作。流体输送机械就是向流体作功以提高流体机械能的装置，因此流体输送机械后即可获得能量，以用于克服流体输送沿程中的机械能损失，提高位能以及提高液体压强(或减压等)。 作为化工机械的重要组成，流体输送机械得到了很大重视，得以迅速发展。本文就近十年来新型流量计的发展做出了归纳总结。 二摘要 流体输送机械（fluid transportation machinery）主要有两类： 输送液体的机械和输送气体的机械。 液体输送机械种类：通称为泵。泵根据泵的工作原理划分为: ①叶片式泵，包括离心泵、轴流泵和旋涡泵等，由这类泵产生的压头随输送流量而变化; ②容积式泵。包括往复泵、齿轮泵和螺杆泵等，这类泵的输送流量与出口压力几乎无关; ③流体作用泵。包括以高速射流为动力的喷射泵，以高压气体(通常为压缩空气)为动力的酸蛋(因最初用来输送酸的容器，且呈蛋形而得名)和空气升液器。 气体输送机械 常根据进出口气体的压力差，即出口压力的表压(通常以101325Pa为基准)或压缩比(出口气体的绝对压力与进口气体的绝对压力之比)来分类，分为通风机、鼓风机、压缩机和真空泵。 流体输送机械在这几个种类上分别有所发展，后续将详细介绍。 Abstract：In the process of chemical production, often need to be fluid material from one device to another transport equipment; transport from one location to another. When the fluid from low energy transfer orientation must be used for conveying machinery, materials added external moving along the path to overcome resistance and provide the necessary the transportation process of energy. For the mechanical device for conveying fluid material to provide energy called transport machinery, divided into liquid conveying machinery and gas conveying machinery. Now people pay more and more attention to environmental protection, increasingly stringent environmental regulations, environmental awareness has been continuously strengthened. The mechanical design personnel in the design of a variety of environmental protection machinery and energy saving has become an important factor to now consider. Fluid delivery requirements gradually increase, many occasions need fluid conveying machine capable of bearing high strength and corrosion
流体输送设备一章习题及答案 一、选择题 1、离心泵开动以前必须充满液体是为了防止发生( )。A A. 气缚现象； B. 汽蚀现象； C. 汽化现象； D. 气浮现象。 2、离心泵最常用的调节方法是 ( )。B A. 改变吸入管路中阀门开度； B. 改变压出管路中阀门的开度； C. 安置回流支路，改变循环量的大小； D. 车削离心泵的叶轮。 3、离心泵的扬程，是指单位重量流体经过泵后获得的( )。B A. 包括内能在内的总能量； B. 机械能； C. 压能； D. 位能（即实际的升扬高度）。 4、离心泵的扬程是 ( )。D A. 实际的升扬高度； B. 泵的吸液高度； C. 液体出泵和进泵的压差换算成液柱高度 D. 单位重量液体出泵和进泵的机械能差值。 5、某同学进行离心泵特性曲线测定实验，启动泵后，出水管不出水，泵进口处真空计指示真空度很高，他对故障原因作出了正确判断，排除了故障，你认为以下可能的原因中，哪一个是真正的原因( )。C A. 水温太高； B. 真空计坏了； C. 吸入管路堵塞； D. 排出管路堵塞。 6、为避免发生气蚀现象，应使离心泵内的最低压力（）输送温度下液体的饱和蒸汽压。A A. 大于； B. 小于； C. 等于。 7、流量调节，离心泵常用（），往复泵常用（）。A；C A. 出口阀 B. 进口阀 C. 旁路阀 8、欲送润滑油到高压压缩机的气缸中，应采用（）。输送大流量，低粘度的液体应采用（）。C；A A. 离心泵； B. 往复泵； C. 齿轮泵。 9、1m3 气体经风机所获得能量，称为（）。A A. 全风压； B. 静风压； C. 扬程。 10、往复泵在启动之前，必须将出口阀（）。A A. 打开； B. 关闭； C. 半开。 11、用离心泵从河中抽水，当河面水位下降时，泵提供的流量减少了，其原因是（）。C A. 发生了气缚现象； B. 泵特性曲线变了； C. 管路特性曲线变了。 12、离心泵启动前_____，是为了防止气缚现象发生。D A 灌水； B 放气； C 灌油； D 灌泵。 13、离心泵装置中_____的滤网可以阻拦液体中的固体颗粒被吸入而堵塞管道和泵壳。A A. 吸入管路； B. 排出管路； C. 调节管路； D. 分支管路。 14、为提高离心泵的经济指标，宜采用_____ 叶片。B A 前弯； B 后弯； C 垂直； D 水平。 15、离心泵最常用的调节方法是（）。B A. 改变吸入管路中阀门开度； B. 改变排出管路中阀门开度； C. 安置回流支路，改变循环量的大小； D. 车削离心泵的叶轮。 16、往复泵的_____ 调节是采用回路调节装置。C A. 容积； B. 体积； C. 流量； D. 流速。 二、填空题 1、某输水的水泵系统,经管路计算得,需泵提供的压头为H = 19m水柱,输水量为20kg·s-1,则泵的有效功率为_________。3728w 2、离心泵的主要部件有如下三部分:______,_____,_______。泵壳；叶轮；泵轴 3、调节泵流量的方法有：___________,___________,____________。改变阀门的开度；改变泵的转速；车削叶轮外径 4、泵起动时，先关闭泵的出口开关的原因是______________________________。降低起动功率，保护电机，防止超负荷而受到损伤；同时也避免出口管线水力冲击 5、离心泵的流量调节阀安装在离心泵______管路上，关小出口阀门后，真空表的读数______，压力表的读数______。出口；减小；增大 6、离心泵的工作点是______曲线与______曲线的交点。离心泵特性；管路特性 7、泵的扬程的单位是______，其物理意义是______。M；泵提供给单位重量流体的能量 8、离心泵输送的液体粘度越大，其扬程______，流量_______,轴功率______，效率________。越小；越小；越大；越小 9、离心泵输送的液体密度变大，则其扬程_________，流量________，效率_________，轴功率_________。不变；不变；不变；变大 10、通风机的全风压是指_________的气体通过风机所获得的能量，单位常用_________；习惯上以_________单位表示。单位体积；Pa；mmH2O 11、水环真空泵可以造成的最大真空度为85%，即真空泵能达到的最低压力（绝压）是_________mmHg。114 12、启动往复泵时灌泵。不需要 13、齿轮泵的流量 _____ 而扬程 ______。较小；较高 14、石油化工厂常用的压缩机主要有_____和_______两大类。往复式；离心式 15、往复泵常用 _____ 的方法来调节流量。回路调节 16、往复泵适用于。流量较小，扬程较高的场合
流体流动及输送装置 一、填空 1. 按照化工单元操作所遵循的基本规律的不同，可将单元操作分为动量传递、热量传递、质量传递。 2. 化工生产中，物料衡算的理论依据是质量守恒定律，热量衡算的理论基础是能量守恒定律。 3. 当地大气压为750mmHg时，测得某体系的表压为100mmHg，则该体系的绝对压强为850mmHg，真空度为-100mmHg. 4. 液柱压力计量是基于流体静力学原理的测压装置，用U形管压强计测压时，当压强计一端与大气相通时，读数R表示的是表压或真空度。 5. 转子流量计的设计原理是依据流动时在转子的上、下端产生了压强差。 6. 静止液体中两处压力相等的条件是连续、同一液体、同一水平面。 7. 流体在圆管内作稳定连续流动时，当Re≤2000时为滞流流动，其摩擦系数λ=64/Re；当 Re≥4000时为湍流流动。当Re在2000-4000之间时为过渡流。 流体沿壁面流动时，有显著速度梯度的区域称为流动边界层。 8. 当流体的体积流量一定时，流动截面扩大，则流速减少，动压头减少，静压头增加。 9. 柏努利方程实验中，在一定流速下某测压管显示的液位高度为静压头，当流速再增大时，液位高度降低，因为阻力损失增大。 10. 理想流体是指没有粘性或没有摩擦阻力，而实际流体是指具有粘性或有摩擦力，流体流动时产生摩擦阻力的根本原因是流体具有粘性。 11. 一般情况下，温度升高，液体的粘度减小，气体的粘度增大。 12. P/(ρg)的物理意义是表示流动系统某截面处单位重量流体所具有的静压能,称为静压头。mu2/2的物理意义是表示流动系统某截面处1kg流体具有的动能。 13. 雷诺准数的表达式为Re=dμρ/μ。当密度ρ＝1000kg/m，粘度μ=1厘泊的水在内径为d=100mm，以流速为1m/s在管中流动时，其流动类型为湍流 14. 流体在圆直管内流动，当Re≥4000时的流型称为湍流，其平均速度与最大流速的关系为u＝0.8u max；Re≤2000的流型称为滞流，其平均速度为u＝0.5u max。 15. 在管内呈层流时，摩擦系数λ与Re有关。在管内呈湍流时，摩擦系数λ与Re，ε/d 有关。当Re继续增大到大于某一定值时，则流体流动在完全湍流区，摩擦系数λ与ε/d
第一章 流体流动与输送设备 1. 燃烧重油所得的燃烧气，经分析知其中含％，％，N 276％，H 2O8％（体积％），试求此混合气体在温度500℃、压力时的密度。 解：混合气体平均摩尔质量 mol kg M y M i i m /1086.281808.02876.032075.044085.03-?=?+?+?+?=∑=∴ 混合密度 3 3 3/455.0)500273(31.81086.28103.101m kg RT pM m m =+????==-ρ 2．已知20℃下水和乙醇的密度分别为998.2 kg/m 3和789kg/m 3,试计算50％（质量％）乙醇水溶液的密度。又知其实测值为935 kg/m 3，计算相对误差。 解：乙醇水溶液的混合密度 7895 .02.9985.01 22 11+ = + = ρρρa a m 3 /36.881m kg m =∴ρ 相对误差： % 74.5%10093536.8811%100=???? ??-=?-实实m m m ρρρ 3．在大气压力为的地区，某真空蒸馏塔塔顶的真空表读数为85kPa 。若在大气压力为90 kPa 的地区，仍使该塔塔顶在相同的绝压下操作，则此时真空表的读数应为多少 解：' '真真绝 p p p p p a a -=-= ∴kPa p p p p a a 7.73)853.101(90)(''=--=--=真真 4．如附图所示，密闭容器中存有密度为900 kg/m 3的液体。容器上方的压力表读数为42kPa ，又在液面下装一压力表，表中心线在测压口以上0.55m ，其读数为58 kPa 。试计算液面到下方测压口的距离。 解：液面下测压口处压力 gh p z g p p ρρ+=?+=10 m h g p p g p gh p z 36.255.081.990010)4258(3 0101=+??-=+-=-+=?∴ρρρ 5. 如附图所示，敞口容器内盛有不互溶的油和水，油层和水层的厚度分别为700mm 和600mm 。在容器底部开孔与玻璃管相连。已知油与水的密度分别为800 kg/m 3和1000 kg/m 3。 （1）计算玻璃管内水柱的高度； （2）判断A 与B 、C 与D 点的压力是否相等。 解：（1）容器底部压力 gh p gh gh p p a a 水水油ρρρ+=++=21 m h h h h h 16.16.07.01000800 2121=+?=+=+=∴水油水水油ρρρρρ 题4 附图 D h 1 h 2 A C 题5 附图
化工原理绪论、流体流动、流体输送机械 一、填空题 1．一个生产工艺是由若干个__________ 和___________构成的。 2．各单元操作的操作原理及设备计算都是以__________、___________、___________、和___________四个概念为依据的。 3．常见的单位制有____________、_____________和_______________。 4．由于在计量各个物理量时采用了不同的__________，因而产生了不同的单位制。 5．一个过程在一定条件下能否进行，以及进行到什么程度，只有通过__________来判断。 6．单位时间内过程的变化率称为___________。 二问答题 7．什么是单元操作？主要包括哪些基本操作？ 8．提高过程速率的途径是什么？ 9．第一章流体流动 一填空题 1．单位体积流体的质量称为________，它与________互为倒数。 2．流体垂直作用于单位面积上的力，称为____________。 3．单位时间内流经管道任一截面的流体量称为________，其表示方法有________和________两种。 4．当管中流体形成稳定流动时，管中必定充满流体，即流体必定是_________的。 5．产生流体阻力的根本原因是________；而___________是产生流体阻力的第二位原因。另外，管壁粗糙度和管子的长度、直径均对流体阻力_______________。 6．流体在管道中的流动状态可分为______ 和__________两种类型，二者在内部质点运动方式上的区别是_____________________________________。
化工原理绪论、流体流动与流体输送机械(doc 9页)
化工原理绪论、流体流动、流体输送机械 一、填空题 1．一个生产工艺是由若干个__________ 和 ___________构成的。 2．各单元操作的操作原理及设备计算都是以 __________、___________、___________、和___________四个概念为依据的。 3．常见的单位制有____________、 _____________和_______________。 4．由于在计量各个物理量时采用了不同的 __________，因而产生了不同的单位制。5．一个过程在一定条件下能否进行，以及进行 到什么程度，只有通过__________来判断。6．单位时间内过程的变化率称为 ___________。 二问答题 7．什么是单元操作？主要包括哪些基本操 作？
1．
2．在测量流体的流量时，随流量的增加孔板流 量计两侧的压差将_______，若改用转子流 量计，随流量增加转子两侧压差值 ________。 一、选择题 3．液体的密度随温度的升高而_________。 A 增大 B 减小 C 不变 D 不一定 4．表压值是从压强表上读得的，它表示的是 _________。 A 比大气压强高出的部分 B 设备 的真实压力 C 比大气压强低的部分 D 大气压强 5．流体的流动类型可以用___________的大小 来判定。 A 流速 B 雷诺准数 C 流量 D 摩擦系数 6．气体在等截面的管道中流动时，如质量流量 不变则其质量流速_________。 A 随温度大小变化 B 随压力大小变 化 C 不变 D 随流速大小变化7．粘度愈大的流体其流动阻力__________。 A 愈大 B 愈小 C 二者无关系 D 不会变化 8．柏努利方程式既可说明流体流动时的基本 规律也能说明流体静止时的基本规律，它表
流体输送机械介绍 原作者： 出处： 【关键词】流体输送机械 【论文摘要】化工生产都是连续流动的各种物料或产品。由于工艺需要常需将流体由低处送至高处；由低压设备送至高压设备；或者克服管道阻力由一车间（某地）水平地送至另一车间（另一地）。为了达到这些目的，必须对流体作功以提高流体能量，完成输送任务。这就需要流体输送机械。 流体输送机械 概述 一、化工生产中为什么要流体输送机械？ 化工生产都是连续流动的各种物料或产品。由于工艺需要常需将流体由低处送至高处；由低压设备送至高压设备；或者克服管道阻力由一车间（某地）水平地送至另一车间（另一地）。为了达到这些目的，必须对流体作功以提高流体能量，完成输送任务。这就需要流体输送机械。 二、为什么要用不同结构和特性的输送机械？ 这是因为化工厂中输送的流体种类繁多： 1、流体种类有强腐蚀性的、高粘度的、含有固体悬浮物的、易 挥发的、易燃易爆的以及有毒的等等； 2、温度和压强又有高低之分； 3、不同生产过程所需提供的流量和压头又各异。 所以需要有各种结构和特性的输送机械。 三、化工流体输送机械分类 一般可分为四类：即离心式、往复式、旋转式和流体动力作用式。这四种类型机械均有国产产品，且大多数已成为系列化产品。 四、本章讨论的主要容 为了能选用一台既符合生产要求，又经济合理的输送机械，不仅要熟知被输送流体的性质、工作条件、输送要求，同时还必须了解各种类型输送机械的工作原理、结构和特性。这样才能正确地选型和合理地使用。这就是本章讨论的主要容。
2-1-1 离心泵的工作原理 离心泵的种类很多，但工作原理相同，构造小异。其主要工作部件是旋转叶轮和固定的泵壳 （如图（此图最好能实现动态）所示）。叶轮是离心泵直接对液体作功的部件，其上通常有6 到12片后弯叶片（即叶片弯曲方向与旋转方向相反）。离心泵工作时，叶轮由电机驱动作高速 旋转运动，迫使叶片间的液体也随之作旋转运动。同时因离心力的作用，使液体由叶轮中心向外缘作径向运动。液体在流经叶轮的运动过程中获得能量，并以高速离开叶轮外缘进入蜗形泵壳。在泵壳，由于流道的逐渐扩大而减速，又将部分动能转化为静压能，达到较高的压强，最后沿切向流入压出管道。 在液体受迫由叶轮中心流向外缘的同时，在叶轮中心处形成真空。泵的吸入管路一端与叶轮中心处相通，另一端则浸没在输送的液体，在液面压力（常为大气压）与泵压力（负压）的压差作用下，液体经吸入管路进入泵，只要叶轮的转动不停，离心泵便不断地吸入和排出液体。由此 可见离心泵主要是依靠高速旋转的叶轮所产生的离心 力来输送液体，故名离心泵。 离心泵若在启动前未充满液体，则泵存在空气，由 于空气密度很小，所产生的离心力也很小。吸入口处 所形成的真空不足以将液体吸入泵，虽启动离心泵，但 不能输送液体，这种现象就称为“气缚”。所以离心泵 启动前必须向壳体灌满液体，在吸入管底部安装带滤网 的底阀。底阀为止逆阀，防止启动前灌入的液体从泵漏 失。滤网防止固体物质进入泵。靠近泵出口处的压出管 道上装有调节阀，供调节流量时使用。 2-1-2 离心泵的理论压头 一、离心泵的理论压头 从离心泵工作原理知，液体从离心泵叶轮获得能量 而提高了压强。单位质量液体从旋转的叶轮获得多少能量以及影响获得能量的因素，可以从理论上来分析。由于液体在叶轮的运动比较复杂，故作如下假设： （1）叶轮叶片的数目无限多，叶片的厚度为无限薄，液体完全沿着叶片的弯曲表面而流动，无任何倒流现象； （2）液体为粘度等于零的理想流体，没有流动阻力。如图所示，叶轮带动液体一起作旋转运动时，液体具有一个随叶轮旋转的圆周速度u，其运动方向为所处圆周的切线方向；同时，液体又具有沿叶片间通道流的相对速度w，其运动方向为所在处叶片的切线方向；液体在叶片之间任一点的绝对速度c为该点的圆周速度u与相对速度w的向量和。由图可导出三者之间的关系：
流体流动与输送机械习题课 一、书 1－30 某工业燃烧炉产生的烟气由烟囱排入大气。烟囱的直径为2m ，相对粗糙度为0.0004。烟气在烟囱内的平均温度为200℃，此温度下烟气的密度为0.67kg/m3，黏度0.026mP·s ，烟气流量80000m3/h 。在烟囱高度范围内，外界大气的平均密度1.15kg/m3，烟囱内底部的压强低于地面大气压0.2kPa ， （1）求此烟囱应有多少高度？ （2）试讨论用烟囱排气的必要条件是什么？ （3）提高吸气量，在设计上应采取什么措施？ 答案见陈敏恒习题答案。 二、化工原理习题指导书p45 1－51 用压缩空气将密度为1200 kg/m 3的碱液自低位槽送至高位槽，两槽的液面维持恒定。管子规格为φ60×3.5mm ，各管段的能量损失分别为 =∑AB f W ,2,u W CD f =∑，2,5.1u W BC f =∑（J/kg ） （u 为碱液在管内的流速）。两U 形压差计中的指示液均为水银，R 1=60mm, h=100mm 。试求（1）压缩空气的压力p 1；（2）U 形压差计读数R 2。 解：（1）201,5.1) (u g R W BC f =-=∑ρ ρρ 0541200 5112001360081906051012..) (...)(g R u =?-??=ρρ-ρ= s m u /01.2=∴ 在低位槽1与高位槽2间列柏努利方程 212222121121 21-∑+++=++ f W p u g z p u g z ρ ρ 86 .13101.25.381.9125.1222222121 =?+?=+++==∑+=-u u u g z W g z p f ρ kPa p 2.1581=∴（表压） 附图 4m 12m
第二章流体输送机械 离心泵特性 【2-1】某离心泵用 15 C 的水进行性能实验，水的体积流量为 540m 3/h ，泵出口压力表 读数为350kPa ，泵入口真空表读数为 30kPa 。若压力表与真空表测压截面间的垂直距离为 350mm ，吸入管与压出管内径分别为 350mm 及310 mm ，试求泵的扬程。 解 水在 15 C 时 995.7kg/m 3，流量 q V 540m 3 / h 压力表P M 350kPa,真空表g 30kPa （表压） 压力表与真空表测压点垂直距离 ％ 0.35m 管径 d ! 0.35m, d 2 0.31m 2 d . u 2 q - 1.56 d 2 2 2 P M P V U 2 U 1 H h 。 2 - p 2 g 350 103 ( 30 103) 0.35 - 995.7 9.81 0.35 38.9 0.078 39.3m 水柱 【2-2】原来用于输送水的离心泵现改为输送密度为 1400kg/m 3的水溶液，其他性质可 视为与水相同。若管路状况不变，泵前后两个开口容器的液面间的高度不变，试说明： （1） 泵的压头（扬程）有无变化； （2）若在泵出口装一压力表，其读数有无变化； （3）泵的轴功 率 有无变化。 解（1）液体密度增大，离心泵的压头（扬程）不变。 （见教材） （2） 液体密度增大，则出口压力表读数将增大。 （3） 液体密度 增大，则轴功率 P 乐gH 将增大。 【2-3】某台离心泵在转速为 1450r/min 时，水的流量为 18m 3/h , 扬程为20m （H 2O ）。试 求：（1）泵的有效功率，水的密度为 1000kg/ m 3 ； （2）若将泵的转速调 节到 1250r/min 时，泵的 流量与扬程将变为多少？ 解(1)已知 q v 18m 3 / h, H 20m 水柱， 1000 kg /m 3 有效功率 P e q v gH —— 1000 9.81 20 981W 流速 U 1 q v 540/3600 1.56m /s 4d1 (0.35)2 2 0.35 031 1.99 m / s 扬程 (1.99)2 (1.56)2 2 9.81
单元练习：流体流动及输送机械 一、填空题（仅供练习使用，需掌握基本概念与基本公式） 1. 层流时，摩擦系数λ与Re的关系为λ=64/Re。 2. U型管压差计指示液为水，若所测压差不变，要使读数R增大，应更换一种密度比水 小的指示液。 3. 流体输送机械向流体提供的能量主要用于流体势能提高和 阻力损失。 4. 离心泵前必须先灌泵是因为空气密度小，造成的压差或泵吸入口的真空度小 而不能将液体吸入泵内。 5. 用离心泵将地面敞口容器中的碱液送至离地面10m高处密闭容器中，容器上方真空表读数 为P，现在表的读数增大，其他管路条件不变，则管路总阻力损失将增大。6. 水由敞口高位槽通过一管路流向压力恒定的反应器，当管路上的阀门开度减小（湍流态变 为层流态），水流量将减小，摩擦系数增大，管路总阻力损失增大。（增大，减小，不变） 二、选择题 1. 对离心泵允许安装高度没有影响的是下列情况中的 D 。 A. 安装处的大气压； B. 输送液体温度； C. 吸入管道的流动阻力； D. 排出管道的流动阻力 2．流体在圆管内层流流动时，最大速度是平均速度的（ C ） A. 四分之一 B. 一半 C .二倍 D. 四倍 3. 当被测流体的绝对压强大于外界大气压强时，所用的测压仪表称为（ A ） A. 压力表 B. 真空表 C. 高度表 D. 速度表 4. 流体在直管中流动，当Re≤2000时，流体的流动类型属于（ A ） A.层流 B. 湍流 C.过渡流 D. 漩涡流 三、简答题 1. 离心泵在开车前为何要先关闭出口阀门？ 答：离心泵开动时的瞬时启动电流为正常工作电流的5～7倍，为保护电机，关闭出口阀以减小负荷，减小电流，防止电极因瞬时电流过大而烧毁。 2. 汽蚀现象产生的原因是什么？会造成什么样的结果？
《第二章流体输送机械》习题解答 1）某盛有液体的圆筒容器，容器轴心线为铅垂向，液面水平，如附图中虚线所示。当容器以等角速度ω绕容器轴线旋转，液面呈曲面状。试证明： ①液面为旋转抛物面。 ② 。 ③液相内某一点（r ，z ）的压强。式中ρ为液体密度。 解 题给条件下回旋液相内满足的一般式为 C r gz P =- ?+22 2 ρωρ （常量） 取圆柱坐标如图，当Z=0,r=0,P=P 0,∵C=P 0 故回旋液体种，一般式为0 22 2 p r gz p =- ?+ρωρ ① ① 液面为P=P 0的等压面 2 2 2 2 2,02 r g Z r gz ωρωρ= =- ?，为旋转抛物面 ②2 2 2R g H ω= 又 g R dr r g rdr Z h R r r 424 20 3 2 02 ωππωππ?= = ?=?? ? 即：h 0=g R 42 2ω ∴H=2h 0 ③某一点（r,Z ）的压强P: ) 2( 2 2 202 2 0Z g r g P r gh P P -?+=+ ?-=ωρρωρ
2）直径0.2m 、高0.4m 的空心圆桶内盛满水，圆筒定该中心处开有小孔通大气，液面与顶盖内侧面齐平，如附图所示，当圆筒以800rpm 转速绕容器轴心线回旋，问：圆筒壁内侧最高点与最低点的液体压强各为多少？ 解 C r gz P =- ?+22 2 ρωρ 取圆柱坐标如图，当Z=0,r=0, P=P 0 ,∴C=P 0 故回旋液体种，一般式为 0 22 2 p r gz p =- ?+ρωρ B 点：Z=0,r=R=0.1m, Pa R P P B 42222 01051.31.0)260800 (210002 ?=?= = -πρω C 点:Z=-0.4m,r=0.1m, Pa r gZ P P C 4222201090.31.0)260800 (21000)4.0(81.910002?=?+-??-=+?-=-πρωρ 3）以碱液吸收混合器中的CO 2的流程如附图所示。已知：塔顶压强为0.45at （表压）， 碱液槽液面与塔内碱液出口处垂直高度差为10.5m ，碱液流量为10m 3/h ，输液管规格是φ57×3.5mm ，管长共45m （包括局部阻力的当量管长），碱液密度，粘度， 管壁粗糙度。试求：①输送每千克质量碱液所需轴功，J/kg 。②输送碱液所需有效功率，W 。 解 ① Kg J U d l l P P gh W e S /2)1(2 2+++-+ =λρ s m U /41.1)050.0(4360010 2== π 4 310 23.4102120041.1050.0?=???= -e R 3 10450 2 .0-?==d ε ,查得031.0=λ
单元测试一：流体流动及输送机械 一、填空题 1. 流体在圆形直管做层流流动，管中心最大流速为平均流速得 倍，摩擦系数λ与Re 的关系为 。2，λ=64/Re ； 2. U 型管压差计指示液为水，若所测压差不变，要使读数R 增大，应更换一种密度比水 的指示液。小，A B i ()Rg ρρ-=-P P 3. 流体输送机械向流体提供的能量主要用于 和 。提高流体势能，克服阻力损失； 4. 离心泵前必须先灌泵是因为 。空气密度小，造成的压差或泵吸入口的真空度小而不能将液体吸入泵内； 5. 用离心泵将地面敞口容器中的碱液送至离地面10m 高处密闭容器中，容器上方真空表读数为P ，现在表的读数增大，其他管路条件不变，则管路总阻力损失将 。增大，2V H Kq g ρ?=+P ，g ρ?P 减小，导致离心泵工作点向右下移动，流量增大，根据阻力损失计算式可知，h f 增大，压头降低， 6. 已知某泵的特性曲线为He=30-2.4q v 2，则将其与另一台完全相同的泵串联组合后，串联泵的特性曲线为 He=60-4.8q v 2 ，若并联，并联泵的特性曲线为 He=30-0.6q v 2 。 7. 启动离心泵前，应先 和 ，启动往复泵前，必须检查是否打开 。关闭出口阀，灌泵，出口阀； 8. 某空气转子流量计最大刻度为30 m 3/h ，若用以测量氮气流量（P 、T 相同），则q v,max = m 3/h ，若用以测P=3atm 的空气，则q v,max = m 3/h 。30.5，19.32 ； 0f V V R V q q C A PM RT q ρρρ=>>==所以 9. 水由敞口高位槽通过一管路流向压力恒定的反应器，当管路上的阀门开度减小（湍流态变为层流态），水流量将 ，摩擦系数 ，管路总阻力损失 。（增大，减小，不变）减小，增大，不变；莫迪图判断摩擦系数，高位槽与反应器机守方程判断总阻力损失。 10. 用离心泵在两敞口容器间输液，同一管路中，用离心泵输送密度ρ=1.2ρ水的液体，与输水相比，离心泵的流量 ，扬程 ，轴功率 。（增大，减小，不变）不变，不变，增大； 22222222sin cos /V T a V e q r b c H u c g P ρgq H /ηπαα===，， 11. 对离心泵允许安装高度没有影响的是下列情况中的 D 。 A. 安装处大气压； B. 输送液体温度； C. 吸入管道的流动阻力； D. 排出管道的流动阻力
23 第二章 流体输送机械 离心泵特性 【2-1】某离心泵用15℃的水进行性能实验，水的体积流量为540m 3/h ，泵出口压力表读数为350kPa ，泵入口真空表读数为30kPa 。若压力表与真空表测压截面间的垂直距离为350mm ，吸入管与压出管内径分别为350mm 及310 mm ，试求泵的扬程。 解 水在15℃时./39957kg m ρ=，流量/V q m h =3540 压力表350M p kPa =，真空表30V p kPa =-（表压） 压力表与真空表测压点垂直距离00.35h m = 管径..12035031d m d m ==， 流速 / ./(.) 122 1540360015603544V q u m s d ππ == =? 扬程 22 21 02M V p p u u Ηh ρg g --=++ 【2-2】原来用于输送水的离心泵现改为输送密度为1400kg/m 3的水溶液，其他性质可视为与水相同。若管路状况不变，泵前后两个开口容器的液面间的高度不变，试说明：(1)泵的压头（扬程）有无变化；(2)若在泵出口装一压力表，其读数有无变化；(3)泵的轴功率有无变化。 解 (1)液体密度增大，离心泵的压头（扬程）不变。（见教材） (2)液体密度增大，则出口压力表读数将增大。 (3)液体密度ρ增大，则轴功率V q gH P ρη = 将增大。 【2-3】某台离心泵在转速为1450r/min 时，水的流量为18m 3/h ，扬程为20m(H 2O)。试求：(1)泵的有效功率，水的密度为1000kg/m 3; (2)若将泵的转速调节到1250r/min 时，泵的流量与扬程将变为多少？ 解 (1)已知/,/V q m h H m kg m ρ===331820 1000水柱， 有效功率 .e V P q gH W ρ== ???=18 1000981209813600 (2) 转速 /min 11450n r =时流量3118V q m h =／，扬程1220m H O H =柱 转速 /min 21250n r = 流量 ./3221 11250 181551450 V V n q q m h n ==?=
流体流动与输送机械习题及答案 1. 某烟道气的组成为CO 2 13％，N 2 76％，H 2O 11％（体积％），试求此混合气体在温度500℃、压力101.3kPa 时的密度。 解：混合气体平均摩尔质量 kg/mol 1098.2810)1811.02876.04413.0(33--?=??+?+?=∑=i i m M y M ∴ 混合密度 33 3kg/m 457.0) 500273(31.81098.28103.101=+????== -RT pM ρm m 2．已知20℃时苯和甲苯的密度分别为879 kg/m 3 和867 kg/m 3 ,试计算含苯40％及甲苯60％（质量％）的混合液密度。 解： 867 6 .08794.01 2 2 1 1 += + = ρρρa a m 混合液密度 3 kg/m 8.871=m ρ 3．某地区大气压力为101.3kPa ，一操作中的吸收塔塔内表压为130kPa 。若在大气压力为75 kPa 的高原地区操作该吸收塔，且保持塔内绝压相同，则此时表压应为多少？ 解： ' '表表绝＋p p p p p a a =+= ∴kPa 3.15675)1303.101)(' '=-==＋（ －＋真表a a p p p p 4．如附图所示，密闭容器中存有密度为900 kg/m 3 的液体。容器上方的压力表读数为42kPa ，又在液面下装一压力表，表中心线在测压口以上0.55m ，其读数为58 kPa 。试计算液面到下方测压口的距离。 解：液面下测压口处压力 gh p z g p p ρρ+=?+=10 m 36.255.081 .990010)4258(3 0101=+??-=+ρ-=ρ-ρ+=?∴h g p p g p gh p z 题4 附图