第一章 流体流动和输送

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,目录,第一章 流体流动和输送,第一节 流体的物理性质,一、流体的密度,二、流体的静压强,三、流体的黏性,第二节 流体流动的根本概念,一、流体静力学,二、稳定流动与非稳定流动,三、流量与流速,目录,四、流体流动类型与雷诺准数,五、流体在圆管内的速度分布,六、边界层和边界层的别离,第三节 流体流动的物料衡算和能量衡算,一、物料衡算连续性方程式,二、机械能衡算柏努利方程式,习题课,第四节 流体流动的阻力损失,一、直管阻力损失的计算,二、局部阻力损失的计算,目录,第五节 管路计算,一、,简单管路,二、复杂管路,习题课,第六节 流体流动原理在食品工业中的应用,一、流速与流量测量,二、流体输送机械,第一章 小结,第一章 流体流动和输送,将流体视为由无数流体微团组成的连续介质，,每个流体微团称为质点。,气体和液体统称为流体,连续性假设：,第一章 流体流动和输送,第一节 流体的物理性质,单位体积流体的质量，用,表示，属于物性，,kg/m,3,影响因素：,气体,-,种类、压力、温度、浓度,液体,-,种类、温度、浓度,一、流体的密度,-压力或温度改变时，密度随之显著改变需注明状态,-,压力改变时，密度改变很小,=,f ( p,T),一、流体的密度,获得方法：,1查物性数据手册,2公式计算：,液体混合物：混合前后体积不变,气体混合物：混合前后质量不变,气体：,-,理想气体状态方程,理气,二、流体的静压强,垂直作用于流体单位面积上的力称为,压强,，习惯上称之为压力，用,p,表示。,静压力各向同性,1压力单位,SI,制中，,N/m,2,=Pa,，称为帕斯卡,约定：本教案中出现红线框之处为需读者记忆的,2压力大小的两种表征方法,-,以当地大气压为基准,思考：,1,、表压与真空度是何关系？,2,、真空度越大，意味着什么？,二、流体的静压强,-,以零大气压为基准,Absolute and gage pressures:,atmosphere pressure,absolute zero,pressure,absolute pressure,gage pressure,vacuum = negative gage pressure,absolute pressure,三、流体的黏性,在动画所示的流体分层流动情形下，有,流体内部存在内摩擦力或黏滞力，流体流动时产生内摩擦力的性质，,称为流体的黏性。请点击,化原素材,动画,第一章流体输送,平板液体速度分布,.swf,看动画。,牛顿黏性定律发表在,1687,年,单位面积上的的内摩擦力，,N/m,2,速度梯度,动力黏度,简称,黏度,一牛顿黏性定律,非牛顿型流体：,牛顿型流体：,符合牛顿黏性定律的流体,一牛顿黏性定律,物理意义：,衡量流体黏性大小的一个物理量,单位：,获取方法：,属物性之一。实验、有关手册或资料、经验公式计算。,影响因素：,思考：,为什么？,二流体的黏度 ,气体内摩擦力产生的原因可以从动量传递角度加以理解,液体的内摩擦力那么是由分子间的吸引力所产生,运动黏度，用符号,表示,SI,制单位：,m,2,/s,气体粘度共线图,一、流体静力学,因为流体静止，故,流体柱所受合力 ,0,第二节 流体流动的根本概念,图,1-4,流体静力平衡,流体静力学方程,适用场合：绝对静止、连续、均质、不可压缩；,在静止的、连续的同一液体内，处于同一水平面上的各点，其压强相等,；,压力可传递,-,巴斯噶原理,；,静止流体内压强或压强差的大小可以用液柱高度来表示。,静力学方程的讨论：,一、流体静力学,二、稳定流动与不稳定流动,稳定流动,-,流动参数都不随时间而变化,不稳定流动,-,至少有一个流动参数随时间而变化,1U形管压差计manometer,等压面,思考：,对指示剂有何要求？,U,形压差计适用场合？,静力学方程的应用：,2,、,双液柱压差计,1,略小于,2,2,2,1,1,思考：,面,1-1,、,2-2,哪个是等压面，哪 个不是？,U形管压差计适用于被测压差不太小的场合。假设所测压力差很小，用U形压差计难以读准，可改用如下图的双液体压差计，将读数放大。,点速度,u,，,单位,m/s,三、流量和流速,，单位,m/s,-,-,表,1-2,某些流体的经济流速范围,流体类别,经济流速范围,/ m,s,-1,流体类别,经济流速范围,/ m,s,-1,水及黏度相近液体,油及黏度较大的液体,低压气体（,1MPa,）,易燃、易爆的低压气体,1,3,0.5,1,8,15,4000,湍流,-,根据其值的大小，可以判断流动型态,判据：,量纲为,1,五、流体在圆管内的速度分布,一层流速度分布,因等径管内稳定流动时为等速运动,合力,0,即,面,1-1,上的总压力,面,2-2,上的总压力,侧面上的黏性阻力,F,积分,r,=,R,时,u,=0,图,1-6,圆管内层流速度分布方程的推导,一层流速度分布,r,=0,时，,u,max,抛物线,哈根,-,泊,谡叶,公式,二湍流速度分布,由于湍流运动的复杂性，其管内的速度分布式目前尚不能从理论上导出，只能借助于实验数据用经验公式近似地表达，以下为一种常用的指数形式的经验式：,式中，n值 与Re大小有关,当,1.110,5,Re,3.210,5,时,-1,7,次方律,六、边界层与边界层别离,一边界层及其形成,以平板为例,-,壁面附近，其内部存在速度梯度。,如图虚线下方所示。一般以速度为主体流速的,99%,处 作为划分边界层的界限,边界层,-,离壁面较远处，速度尚未受到壁面的影响，速度梯度 几乎为零。,边界层,u,x,=0.99u,外流区,外流区,边界层与流动阻力、传热、传质都密切相关，今后将陆续讲到。,六、边界层与边界层别离,从前沿开始形成边界层，随距板前沿的距离的增加，边界层也越来越厚度。边界层很薄时，边界层内部为层流。随着边界层加厚，边界层内的流动可由层流转变为湍流。在层流与湍流之间还有一个过渡区。,在湍流边界层之内，由于紧靠壁面处的流体速度仍很小，流动型态保持为层流，称为,层流底层,。,平板：,一边界层及其形成,管内：,在入口处开始形成边界层，并逐渐加厚，以至于在管中心集合，此后边界层厚度等于管半径，速度分布不再变化，此时的流动称为充分开展的流动。,假设边界层集合时流体流动类型为层流，那么这以后管内流动一直保持为层流，反之，假设边界层内流动类型已是湍流，那么管内流动就将保持为湍流。,进口段长度,-,流动到达充分开展所需的管长,六、边界层与边界层别离,一边界层及其形成,二边界层别离,-,如图，当流体流过非流线型物体时会发 生边界层脱离壁面的现象，称为,六、边界层与边界层别离,C点下游的流体在逆压作用下将倒流回来，它们在来流的冲击下，就在点C附近形成明显的旋涡，这旋涡象楔子一样将边界层与物面别离开来，就是边界层别离 。,A,D,C,压力逐渐减小,压力逐渐增大,边界层,当流到点,C,时，速度减为零。,六、边界层与边界层别离,二边界层别离,B,C,形体阻力,流线型,边界层别离会增大能量消耗，在流体输送中应设法防止或减轻，但它对混合及传热、传质又有促进作用，故有时也要加以利用。,假设将圆柱体改为流线形，使边界层不发生别离，阻力损失会大大减小。,返回目录,六、边界层与边界层别离,二边界层别离,第三节 流体流动的物料衡算和能量衡算,主要研究流体在,管路,中的流动，,遵循着守恒定律,一、物料衡算,连续性方程,能量守恒,质量守恒,质量衡算方程,-,开放体系，质量守恒定律内容改为如下：,质量守恒定律,-,封闭体系中物质质量不变,对于如图所示的管道内,稳定流动,，,上式第三项为,0,，于是,一、物料衡算,连续性方程,-,管内流动的连续性方程,思考：,如果管道有分支，则稳定流动时的连续性方程又如何？,一、物料衡算,连续性方程,二、机械能衡算,柏努利方程,能量守恒,质量守恒,运动着的单位质量流体涉及的能量形式有,内能,、,动能、 位能、静压能、 外功、热,U,，,J/kg,取决于温度,一流动系统的总能量衡算,u,2,/2,J/kg,gz,J/kg,p/,J/kg,w,e,，,J,/,kg,外界对流体外功为正，流体向外作功为负,q,e,J/kg,吸热为正,放热为负,机械能,-,可直接用于输送流体,在流体流动过程中可相互转变,可转变为热或内能。,如果撇开内能和热而只考虑机械能，对以下图所示的截面1与2之间实际流体的稳定流动，存在下述机械能衡算关系：,二、机械能衡算,柏努利方程,二流动系统的机械能衡算柏努利方程,-,机械能衡算方程,w,f,称为阻力损失，永远为正，单位,J/kg,每一项单位均为,J/kg,对理想流体，由于无黏性，那么流动时无能量损失；假设体系无外功参加，那么机械能衡算式简化,-柏努利Bernoulli方程,二、机械能衡算,柏努利方程,二流动系统的机械能衡算柏努利方程,含义：,对没有黏性的流体，流动系统上游的机械能等于下游的机械能。,外加压头,静压头,动压头,位头,压头损失,每一项单位均为,m,-,机械能衡算方程,-,机械能衡算方程,每一项单位均为,J,m,-3,即,Pa,压力损失,二、机械能衡算,柏努利方程,三柏努利方程式的意义与应用,1适用条件：不可压缩、连续、均质流体、等温、非等温流动,-,静力学方程。,可见流体静止状态是流体流动的一种特殊形式。,2对流体静止，可化简得：,3假设流动系统无外加功，即 we0，那么,这说明流体能自动从高机械能能位流向低机械能能位。,二、机械能衡算,柏努利方程,三柏努利方程式的意义与应用,习题课,使用机械能衡算方程时，应注意以下几点结合例1说明：,包含待求变量。,体系内的流体必须连续、稳定流动；,有流体进出的流通截面应与流动方向相垂直，且条件最多；,体系（上下游截面）的选取：,基准水平面的选取,压力,用绝压或表压均可，但两边必须统一。,一般将基准面定在某一流通截面的中心上,【,例,】,轴功率的计算,如下图，Vs=13 m3/h,泵进口管为561.5 mm，泵出口为501.5 mm,储槽液面距蒸发器入口处的垂直距离为6 m， 为96 J/kg，p2=70.166 kPa(真空度)，操作地区的平均大气压强为101.33 kPa。牛奶的密度为1090 kg/m3。试求：1泵的有效功率；2假设该泵效率为0.63，泵的轴功率。,解：,按照截面选取原那么，应取面1-1至面2-2 ，而不能取面1-1至面3-3。并以1-1截面为基准水平面,【,例,】,轴功的计算,在面,1-1,和面,2-2 ,间有,z,2,=6 m,，,w,f,=96 J/kg,p270166 Pa表压；,【,例,】,轴功的计算,故泵的有效功率即单位时间内泵对流体所做的有效功为：,返回,目录,泵的轴功率为：,第四节 流体流动的阻力损失,机械能衡算方程,-由于流速大小或方向突然改变，从而产生边界层别离，出现大量旋涡，导致很大的机械能损失。,wf 分为两类见图：,沿程损失直管损失,局部损失,第四节 流体流动的阻力损失,一、沿程直管阻力损失的计算 一计算通式,由机械能衡算得：,-,沿程损失计算通式,范宁公式,长径比,量纲为,1,动能,摩擦系数,量纲为,1,一、沿程直管阻力损失的计算,由哈根,-,泊,谡叶,公式：,二层流时的直管阻力损失,层流时的,摩擦系数,：,一、沿程直管阻力损失的计算,1,、量纲分析法,主要依靠实验,建立经验关系式。实验应在,量纲分析法,指导下进行。,1通过实验找到所有影响因素：,量纲分析法,：,可大大减少变量个数,只是一种数学分析方法，不能代替实验。,粗糙度,请点击看下表,物理量总数,n,7,三湍流时的直管阻力损失,返回,上,页,一、沿程直管阻力损失的计算,2找出各物理量所涉及的根本量纲,根本量纲个数 m3,3根据 定理：该物理现象可用 n- m734 个独立的特征准数之间的关系式来表示,d,=,l,=,= m =L ,u,=m,s,-1,= L,-1,= kg,m,-3,= M,L,-3,= Pa,s= M,L,-1,-1,p,f,= Pa= (kg,m,s,-2,),m,-2, =M L,-1,-2,三湍流时的直管阻力损失,4根据量纲一致性原那么确定上述待定指数,方程两边的各项必须具有相同的量纲,将各物理量的量纲代入，得：,以,b,、,e,、,f,表示,a,、,c,、,d,，联立解得,以相应的幂函数的形式表示为,三者函数关系的实验结果标绘在双对数坐标图上，称为莫狄Moody摩擦系数图,代入，指数相同的各物理量合并，得,欧拉（,Eu,）准数,量纲为,1,雷诺（,Re,）准数,根据实验得知，pf 与l 成正比，那么b1,与 对照，得,水力光滑管,思考：,由图可见，,Re,，,，这与,阻力损失随,Re,增大而增大是否矛,盾？,如何使用莫狄图？,使用时注意经验式的适用范围,柏拉修斯Blasius式：,顾毓珍等公式：,2100Re105 ,3000Re3106,普兰特式Prandtl：, 2300ReA,1,，阻力系数,o,=1,管入口：,A,1,A,2,，阻力系数,i,=0.5,二、局部阻力损失的计算,2-2面取在出口外侧时，wf中应包括出口阻力损失其大小为 ，但2-2面,的动能为零。,总阻力损失,管出口,弯管,阀门,管入口,机械能衡算方程：,2-2,面取在出口内侧时，,w,f,中应不包括出口阻力损失，但出口截面处的动能,2,2,u,2,特别注意：管出口截面的选取位置不同，总阻力损失大小略有不同，但机械能衡算方程结果相同。见以下图：,思考：如以下图所示的管路系统，其总阻力损失应计入哪几项？试分别列出来。,2,2,u,2,将5的鲜牛奶以5000 kg/h的流量从贮奶罐输送至杀菌器进行杀菌。这条管路系统所用的管子为外径38 mm，内径35 mm的不锈钢管，管子长度12 m，中间有一只摇板式单向阀，三只90弯头，试计算管路进口至出口的摩擦阻力。鲜奶5时的粘度为3 cP，密度为1040 kg/m3,解：,【,例,】,总阻力损失的计算,查表1-3 0.2 mm，那么 /d0.2/350.00571,查图,1-12,1,=0.035,1用阻力系数法计算,管子入口 i0.5,1只摇板式单向阀 12.0,3只90弯头 3 230.752.25,管子出口 o1,因此总阻力损失为：,返回,目录,2按当量长度法计算,管子入口 i0.5,1只摇板式单向阀 le1/d100,3只90弯头 3 (le2/d)335105,管子出口 o1,因此总阻力损失为：,第五节管路计算,已有公式：,第五节管路计算,一、简单管路,-没有分支和集合,特点：,1,、稳定流动，通过各管段的质量流量不变，对不,可压缩均质流体，则体积流量不变，即,2,、整个管路的总摩擦损失为各管段及各局部摩擦损失之和，即,第五节管路计算,一、简单管路,-,指给定输送任务，如流量,V,s,，要求设计出经济、合理的管路，主要指确定优化的管径,d,对给定的流量Vs，假设选定的u 越小，那么d越大，导致设备费用也越大；反之，u越大，那么d 越小，设备费用越小，但流体流动过程中的阻力损失却随u 增大而变大，于是，输送流体所需的有效功率就越大，这意味着操作费用的增加。,使上述总费用为最小的平均流速称为优化流速uopt或经济流速。,一、简单管路,-,管路系统已定，要求核算出在操作条件改变 时管路系统的输送能力或某项技术指标。,操作问题举例：,习题课：,操作问题举例,解：1管内流量,1-1面和2-2面出口截面外侧间有：,【例】 如图，现将阀门开度减小，试定性分析以下各流动参数：管内流量、阀门前后压力表读数 pA、pB、摩擦损失 wf包括出口如何变化？,不变,不变,动能位能静压能,一般变化很小，可近似认为是常数,2pA ：1-1面和A-A面间有：,习题课,：操作问题举例,【例】 如图，现将阀门开度减小，试定性分析以下各流动参数：管内流量、阀门前后压力表读数 pA、pB、阻力损失 wf包括出口如何变化？,3pB ：B-B面和2-2面出口截面内侧间有：,不变,不变,4阻力损失wf包括出口,1-1面和2-2面出口截面外侧间有：,不变,习题课,：操作问题举例,结论：,简单管路中局部阻力系数,，,如阀门关小,这个规律具有普遍性。,管内流量,，,阀门上游压力,，,下游压力,。,二、复杂管路,-有分支和集合,并联管路的特点,:, 总流量等于各并联支管流量之和，对 =常数的流体，那么有：,并联各支管的阻力损失相等，即,Why?,二、复杂管路,长而细的支管通过的流量小，短而粗的支管那么流量大。,二、复杂管路, 总流量等于各并联支管流量之和，对 =常数的流体，那么有：,可在分支点或集合点处将其分为假设干个简单管路，对每一段简单管路，仍然满足机械能衡算方程，以ABC段为例，有：,分支或集合管路的特点:,二、复杂管路,【,例,】,设计型问题举例,见下页图。,40,的粗汽油，,710 kg,m,-3,，液面维持恒定，用泵抽出，流经三通后分成两路。一路送到设备一的顶部，最大流量为,10800 kg,h,-1,，另一路送到设备二的中部，最大流量为,6400 kg,h,-1,。已估计出：阀全开时,h,f,AB,=2 m,液柱，,h,f,BC,=6 m,液柱,，,h,f,BD,=5m,液柱。,求泵所需功率，设泵效率为,60%,。,解,：这是分支管路设计型问题，可沿两分支管路分别计算三通,B,处的机械能总能头值,h,B,，从中选取较大者。,【,例,】,设计型问题举例,通向,设备一,的支路：,710 kg,m,-3,，设备一最大流量为,10800 kg,h,-1,，设备二最大流量为,6400 kg,h,-1,。,h,f,AB,=2 m,液柱，,h,f,BC,=6 m,液柱，,h,f,BD,=5m,液柱。泵效率为,60%,。求泵所需功率，,通向,设备二,的支路：,所以，须取,【,例,】,设计型问题举例,710 kg,m,-3,，设备一最大流量为,10800 kg,h,-1,，设备二最大流量为,6400 kg,h,-1,。,h,f,AB,=2 m,液柱，,h,f,BC,=6 m,液柱，,h,f,BD,=5m,液柱。泵效率为,60%,。求泵所需功率，,在液面,A-A,和,B-B,间列机械能衡算式：,W,或,15.4 kW,解：1k1关小，那么Vs1 减小。,V,s2,、,V,s3,不变,V,s,变小，故假设不成立,假设,V,s,变大,V,s,变小，故假设不成立,排除法,现将支路1上的阀门k1关小，那么以下流动参数将如何变化？,(1)总管流量Vs、支管1、2、3的流量Vs1、Vs2、Vs3；,(2)压力表读数pA、pB。,假设,V,s,不变,V,s,将变小,E,tA,、,E,tB,不变,E,tA,变小、,E,tB,变大,V,s2,、,V,s3,变小,V,s1,V,s2,、,V,s3,变大,E,tA,变大、,E,tB,变小,V,s,V,s2,V,s3,【,例,】,操作型问题分析举例,【,例,】,操作型问题分析举例,2压力表读数pA、pB,现将支路1上的阀门k1关小，那么以下流动参数将如何变化？,(1)总管流量Vs、支管1、2、3的流量Vs1、Vs2、Vs3；,(2)压力表读数pA、pB。,V,s1,E,tA,变大,p,B,变小,E,tB,变小,p,A,变大,1-1,与,A,间的机械能衡算,B,与,2-2,间的机械能衡算,【,例,】,操作型问题分析举例,第六节,流体流动原理在食品工业中的应用,(,一,),变压头流量计,一、流速与流量测量,变压头流量计,变截面流量计,测速管,孔板流量计,文丘里流量计,1、测速管：又称皮托Pitot管,p,结构：如下图。,测速原理：,请点击看动画,测出,v,max,Re,max,平均速度,u,流量,1,、测速管,测速管加工及使用本卷须知：,测速管的尺寸不可过大，一般测速管直径不应超过管道直径的1/15。,测速管安装时，必须保证安装点位于充分开展流段，一般测量点的上、下游最好各有50d 以上的直管段作为稳定段。,测速管管口截面要严格垂直于流动方向。,优点：,结构简单、阻力小、使用方便，尤其适用于测量气体管道内的流速。,缺点：,不能直接测出平均速度；,压差计读数小，常须放大才能读得准确。,(,一,),变压头流量计,测速管,孔板流量计,文丘里流量计,2,孔板流量计,结构：如下图。,测量原理：,孔板,测出孔板上、下游两个固定位置之间的压差，便可计量出流量的大小。,取压方法：,采用角接法取压口在法兰上,思考：,1,、,2,间的压力分布为何呈现,上图所示的形状？,请点击看动画,2,孔板流量计,测量原理：,暂不计摩擦损失，,1,、,0,之间有：,考虑到流体有阻力损失,2,孔板流量计,对于测压方式、加工状况等均已确定的标准孔板，孔流系数,C,0,可以表示为：,C,0,值多在,0.6,至,0.7,之间,在孔板的设计和使用中，,C,0,值通常为常数,图,1-17,孔流系数,C,0,与,Re,及,(,d,0,/,d,1,),2,的关系,2,孔板流量计,优点：构造简单，制造和安装都很方便,缺点：机械能损失称之为永久损失大，,当d0/d1=0.2时，永久损失约为测得 压差的90%，,常用的d0/d1=0.5情形下，永久损失 也有75%。,安装时应在其上、下游各有一段直管段作为稳定段，,上游长度至少应为,10d,1,，下游为,5d,1,使用时的本卷须知：,(,一,),变压头流量计,3文丘里Venturi流量计,收缩段锥角通常取,15,25,，,扩大段锥角要取得小些，一般为,5,7,测速管,孔板流量计,文丘里流量计,优点：其永久损失小，故尤其适用于低压气体的输送 式中V可 取为0.980.99。,缺点：,加工比孔板复杂，因而造价高,安装时需占去一定管长位置。,(,一,),变压头流量计,总结：,变压头流量计的特点是,恒截面，变压头,(,二,),变截面流量计,特点：,恒压头，变截面,转子流量计：,微锥形玻璃管，锥角约为,4,左右,转子或称浮子,直径略小于玻璃管的内径；,转子密度须大于被测流体的密度。,请点击看动画,结构：如下图。,测量原理：,流体入,流体出,当流体不流动时，因重力,浮力，故转子沉在底部。,当流体流入时，转子受到重力和流体施加的向上的力流体摩擦力的反作用力，包括浮力和升力，因浮力升力重力，故转子将上升。,转子流量计,测量原理：,随着转子的上浮，环隙面积逐渐增大，环隙内流速将减小，于是升力也随之减小。,当转子上浮至某一高度时，升力与净重力重力浮力相等，转子受力到达平衡，并停留在这一高度上。,转子流量计就是依据这一原理，用转子的位置来指示流量大小的。,转子流量计,对照：孔板流量计,转子可以视为收缩口面积变化的孔板，将上式代入孔板流量计的公式，并用CR 表示转子流量计的流量系数，那么,转子流量计,思考：,以下几个说法是否正确？,1,、转子流量计以转子的位置来指示流 量，是因为高度与流量成正比。,2,、转子流量计的环隙速度,u,0,为常数。,3,、转子流量计的升力不随流量而变。,转子流量计,读数常需换算：,转子流量计出厂前流量刻度是用20C水或20C、101.3 kPa的空气标定的的，如果使用时被测流体物性、与上述标定用流体不同，那么流量计刻度必须加以换算：,V,s,1,、,1,标定用,流体的流量、密度；,V,s2,、,2,实际工作流体的流量、密度,转子流量计使用、安装中本卷须知：,转子流量计必须垂直安装,应安装旁路以便于检修。,优点：,读取流量方便,流体阻力小，,测量精确度较高，,能用于腐蚀性流体的测量,流量计前后无须保存稳定段。,缺点：,玻璃管易碎，且不耐高温、高压。,转子流量计使用、安装中本卷须知：,返回,目录,流体输送机械,二,、,流体输送机械,按工作原理分,:,特点：,依靠旋转的叶片向液体传送机械能,特点：机械内部的工作容积不断发生变化。,二,、,流体输送机械,1,、离心泵的主要部件及工作原理,(1),离心泵的主要部件,：,二,、,流体输送机械,一离心泵,叶轮,闭式叶轮的内漏最小，故效率最高，敞式叶轮的内漏最大。,但敞式叶轮和半闭式叶轮不易发生堵塞现象,思考：,三种叶轮中哪一种效率高？,叶轮是离心泵的心脏部件，有,6,至,12,片弯曲的叶片。,(1),离心泵的主要部件,：,思考：,泵壳的主要作用是什么？, 泵壳,聚集液体，并导出液体；,能量转换装置动能变静压能,呈蜗牛壳状,轴封装置,(1),离心泵的主要部件,：,-,减少泵内高压液体外流，或防止空气侵入泵内。,对于输送酸、碱的离心泵，密封要求比较严，多用机械密封。,2离心泵的工作原理,请点击观看动画,思考：,流体在泵内都获得了哪几种能量？,其中哪种能量占主导地位？,思考：,泵启动前为什么要灌满液体,气缚现象,答案：动能和静压能，其中静压能占主导,1,、离心泵的主要部件和工作原理,离心泵的主要性能参数,铭牌,2,、离心泵的主要性能参数和特性曲线,转速,H,，又称扬程，泵对单位重量流体提供的有效能量，,m,。可用如图装置测量。,Q,，泵单位时间实际输出的液体量，,m,3,/s,或,m,3,/h,。可测量。,n,，单位或,在泵进口,b,、泵出口,c,间列机械能衡算式：,流量,压头,2,、离心泵的主要性能参数和特性曲线,轴功率和效率,轴功率， 用,N,表示，单位,W,或,kW,效率,，无量纲,有效功率,N,e,=,m,s,w,e,Q,gH,，,单位,W,或,kW,三者关系如图：,2,、离心泵的主要性能参数和特性曲线,轴功率和效率,N,Ne,机械损失,容积损失,水力损失,小型水泵：,一般为,50,70%,大型泵：,可达,90%,以上,1容积损失：,2水力损失,3机械损失,内漏,与效率,有关的各种能量损失：,环流损失、阻力损失和冲击损失,泵轴与轴承、密封圈等机械部件之间的摩擦,2,、离心泵的主要性能参数和特性曲线,NQ,曲线,Q,曲线,测定条件：,固定转速，,20,C,清水,上述这些主要性能参数间的关系无法理论推得，一般由厂家测定，并用曲线表示出来，称为离心泵特性曲线。常用的共有三条线，如图。,H,Q,曲线,2,、离心泵的主要性能参数和特性曲线,2离心泵的特性曲线,设计点,最高效率,5,8,区域为泵高效区,由图可见： Q，H ，N，有最大值设计点。,思考：,离心泵启动时出口阀门应关闭还是翻开，why？,2,、离心泵的主要性能参数和特性曲线,2离心泵的特性曲线,离心泵特性曲线的影响因素,液体性质,密度,:,黏度,:,当,比,20,清水的大时，,H,，,N,，,实验说明，当20倍清水的黏度 20 时，对特性曲线的影响很小，可忽略不计。,对,H,Q,曲线、,Q,曲线无影响，但,故,，,N,Q,曲线上移。,离心泵特性曲线的影响因素,叶轮转速,当转速变化不大时小于20%，利用出口速度三角形相似的近似假定，可推知：,假设不变，那么,比例定律,离心泵特性曲线,的影响因素,叶轮直径,当叶轮直径因切割而变小时，假设变化程度小于20%，那么,假设不变，那么,什么是安装高度？,泵轴与吸液方液面间的垂直高度，称为安装高度，用,H,g,表示。可正可负。,思考：,安装高度为什么受限制？,3,、离心泵的汽蚀现象与安装高度,图,1-23,离心泵的安装高度,思考：,安装高度为什么受限制？,为防止汽蚀现象，安装高度必须加以限制，即存在最大安装高度Hg, max。,(1),汽蚀现象：,叶片反面,当pkpv 时，K处发生局部汽化现象。,叶片外表产生蜂窝状腐蚀 ；,泵体震动，并发出噪音；,流量、压头、效率都明显下降；,严重时甚至吸不上液体。,3,、离心泵的汽蚀现象与安装高度,2离心泵的安装高度,3,、离心泵的汽蚀现象与安装高度,汽蚀余量,h,是泵的特性参数之一，由厂家测定。,防止汽蚀现象,的,措施,：,要求泵的安装高度不能超过某一定值，以确保泵内,p,K,p,v,h,min,的实验测定,：,用,20,清水测定。以泵的扬程较正常值下降,3%,作为发生汽蚀的标志，测定泵刚好发生汽蚀时的,p,e,即可,实际的安装高度还应比允许值低,0.5,1m,。,在液面,0-0,与截面,1-1,之间列柏努利方程，得：,图,1-23,离心泵的安装高度,3,、离心泵的汽蚀现象与安装高度,2离心泵的安装高度,当输送条件与测定条件不同时，那么要对h 值进行校正。求校正系数的曲线载于泵的说明书中。校正系数常小于1，故为简便计，也可不校正，而将其视为外加的平安因数。,h,的校正：,3,、离心泵的汽蚀现象与安装高度,2离心泵的安装高度,4,、离心泵的工作点与流量调节,泵,-,供方,管路,-,需方,匹配：,1离心泵的工作点,泵提供的流量,=,管路所需的流量,泵提供的压头,H,=,管路所需的压头,h,e,-,管路所需压头,h,e,与流量关系曲线,管路特性曲线,管路特性方程,与流量无关,与流量有关,对如下图的管路列机械能衡算式：,4,、离心泵的工作点与流量调节,1离心泵的工作点,调节阀门改变曲线中的B,改变,n,、切割叶轮,阀门开大,阀门关小,工作点,两种方法,缺点：多耗动力，并可能使泵低效率区工作,优点：迅速、方便，可在某一最大流量与零之间随意变动。,不经常改变流量时用，大中型泵的流量调节倾向于首先考虑采用这一技术,4,、离心泵的工作点与流量调节,2离心泵的流量调节,5,、离心泵的并联和串联操作,1并联操作,图,1-26,离心泵的并联操作,工作点,合成特性曲线,5,、离心泵的并联和串联操作,2串联操作,图,1-27,离心泵的串联操作,工作点,合成特性曲线,低阻管路,(a),选择并联,.,高阻管路,(b),选择串联,.,a,b,串,并,qv,0,H,1,1,2,2,取决于管路特性,(3),如何选择,类型,：,不下百种,6,、离心泵的类型、选用与安装操作,高效区,选用原那么：,定类型-根据流体性质及操作条件,定规格-根据流量、压头；裕量控制在10%左右。,校核泵的特性参数,返回,目录,6,、离心泵的类型、选用与安装操作,安装与运转：,泵的安装高度必须低于允许值，以免出现汽蚀现象或吸不上液体,离心泵启动前，必须于泵内灌满液体,，,防止气缚现象。,离心泵应在出口阀关闭即流量为零的条件下启动，此点对大型的泵尤其重要,。停泵前亦应先关闭调节阀。,运转过程中要定时检查轴承发热情况，注意润滑,返回,目录,6,、离心泵的类型、选用与安装操作,离心泵设计选型计算举例,【例】要用泵将河水以100 m3/h的流量，输送到一高位槽中，高位槽水面高出河面10 m，此流量下管路系统的总压头损失为7 mH2O。试选择一适当的离心泵并估算由于阀门调节而多消耗的轴功率。,【,解,】,取he的1.051.1倍那么为17.918.7m。,根据条件，选用清水泵。以河面所在水平面为基准面，在河面与高位槽水面间列柏努利方程式，那么管路所需压头为,查得：,IS100-80-125,，,n,2900 r,min,-1,泵的性能参数为：流量,Q,100 m,3,/h,；压头,H,20mH,2,O,；轴功率,N,7.00 kW,；效率,78%,。,由于所选泵压头稍高，操作时靠略为关小阀门调节，故由于用阀调节而多消耗的轴功率为,：,离心泵设计选型计算举例,第一章 小结,第一章 小结,重要概念：,连续介质、等压面、牛顿黏性定律、黏度及其影响因素、雷诺数、层流与湍流的本质区别、量纲分析法本质、边界层概念、边界层的形成和开展、边界层别离,设备及仪表：,压差计、流量计等结构及测量原理。,离心泵的设计选型计算,