模块一 动量传递过程与操作
项目一 流体输送过程与操作
知识目标
了解流体的性质，管路的组成及管径的选择，流体输送机械的结构、原理及应用。
理解稳定流动的基本概念;流动阻力产生的原因。
掌握连续性方程式、柏努利程式和流体流动阻力的计算。
能力目标
掌握流体压力、流量的测量;管路阻力的测定。
能正确选择流体输送机械和管路的直径。
能拆装化工管路;掌握流体输送机械的操作和简单故障的分析、排除。
化工生产过程是由原料到产品的过程，需要经过一系列的物理、化学过程，而化工生产过程中所处理的物料，大多为流体(包括液体和气体)。为了满足工艺条件的要求，保证生产的连续进行，常常需要把流体从一个设备输送至另一个设备或者从上一道工序送至下一道工序。实现这一过程需要借助流体输送机械、管路及各类化工仪表。流体输送机械是给流体增加机械能以完成输送任务的机械，相当于人的心脏，管路在化工生产中就相当于人体的血管，而各类化工仪表主要用于控制单元操作或反应器操作需要的工艺条件。所以完成流体输送任务，生产上主要解决以下问题:
(1)化工管路的组成与管径的选择;
(2)压力及液位测量;
(3)流量的测量与控制;
(4)流体输送机械的选型与安装;
(5)流体输送机械的操作与维护。
而要解决这些问题，认识系统输送对象---流体的性质及获取、输送任务的表达是基础。
任务一 认识流体
流体是具有流动性的物质，包括液体和气体。化工生产中所输送的物料大多为流体，掌握流体的性质及流体在静止或运动状态遵循的规律、流体流动的类型及特征、流体流动过程阻力以及流体流量的测量与控制等知识是实现流体输送任务的基础。
一、流体的物性参数及获取
(一)密度和相对密度
1．密度单位体积流体所具有的质量，称为流体的密度，用符号ρ表示，其表达式为:
式中:ρ---流体的密度，kg/m3;
m---流体的质量，kg;
V---流体的体积，m3。
2．相对密度物料的密度与4℃纯水密度之比，即:
(1)纯流体的密度。一般液体的密度基本上不随压力变化而变化(极高压力除外)，但随温度变化而变化，常用纯液体密度可由有关书、刊或手册查取，查取时注意其温度条件。气体密度随温度和压力变化较大，当没有气体密度数据时，如果压力不太高、温度不太低，气体密度可近似按理想气体状态方程式计算，即:
式中:p---气体的压力，kPa;
T---气体的温度，K;
M---气体的摩尔质量，kg/mol;
Ｒ---摩尔气体常数，其值为8．314J/(mol·K)。
一般在手册中查得的气体密度都是在一定温度与压力下的数值，若条件不同，需进行换算。
(2)混合流体的密度。化工生产中遇到的流体，大多为几种组分组成的混合流体，可以通过纯组分的密度进行计算。
①液体混合物密度。对于液体混合物，其组成通常用质量分数表示。现以1kg混合液体为基准，并假设各组分在混合前后体积不变，则1kg混合液体的体积等于各组分单独存在时体积之和，即:
式中:w1，w2，…，wn---液体混合物中各组分的质量分数;
ρ1，ρ2，…，ρn---各纯组分的密度，kg/m3;
ρm---液体混合物的平均密度，kg/m3。
②气体混合物密度。对于气体混合物，其组成通常用体积分数表示。现以1m3混合气体为基准，并假设各组分在混合前后体积不变，则1m3混合气体的质量等于各组分的质量之和，即:
式中:φ1，φ2，…，φn---气体混合物中各组分的体积分数;
ρm---气体混合物的平均密度，kg/m3。
气体混合物的平均密度ρm也可用理想气体状态方程式计算，但式中的摩尔质量应用混合气体的平均摩尔质量Mm代替，即:
式中:M1，M2，…，Mn---各纯组分摩尔质量，kg/mol;
y1，y2，…，yn---气体混合物中各组分的摩尔分数。
对于理想气体，其摩尔分数y与体积分数φ相同。
(二)压强
垂直作用于流体单位面积的压力，称为流体的静压强，简称压强。
1．压强的单位在SI单位制中，压强的单位是Pa或N/m2。工程上也可以间接地以液体柱高度表示，如用米水柱或毫米汞柱等，它们之间的换算关系为:
2．压强的表示法压力的大小常以两种不同的基准表示:一种是绝对真空;另一种是大气压力。基准不同，表示方法也不同。以绝对真空为基准测得的压强称为绝对压强(绝压)。以大气压强为基准测得的压强称为表压强(表压)或真空度。
如若系统压强高于大气压，则超出的部分称为表压强，即:
所用的测压仪表称为压力表。
如若系统压强低于大气压，则低于大气压的部分称为真空度，即:
所用的测压仪表称为真空表。
显然，真空度为表压的负值，并且设备内流体的真空度越高，它的绝对压力就越低。绝对压强、表压与真空度之间的关系可用图1-1表示。
一般为了避免混淆，当压强以表压或真空度表示时，应用括号注明，如未注明，则视为绝对压强;如2000Pa(表压)、10mmHg(真空度)等，同时还应指明当地大气压强。
图1-1绝压、表压、真空度之间的关系
【例1-1】已知甲地区环境大气压强为85．3kPa乙地区的环境大气压强为101．33kPa，在甲地区的某真空蒸馏塔操作时，塔顶真空表读数为20kPa。若改在乙地区操作，真空表的读数为多少才能维持塔内绝对压强与甲地区操作时相同?
解:甲地区操作时塔顶绝对压强为:
根据题意，乙地区操作时塔内绝对压强即为65．3KPa，则该地区操作时塔顶真空度为:
3．压强的测量在化工生产和实验中，经常遇到流体静压强的测量问题。最常见的流体静压强测量方法有两种:
(1)液柱式测压法。液柱式测压法是将被测压强转变为液柱高度差。
(2)弹性式测压法。弹性式测压法是将被测压强转变为弹性元件形变的位移。
液柱式测压法将在本模块任务三重点介绍，这里仅简单介绍弹簧管压强计。弹簧管压强计主要由弹簧管、齿轮传动机构、示数装置(指针和分度盘)以及外壳等几个部分组成，其结构如图1-2所示。其测压原理为弹簧管受压变形伸长，变形大小与所受压强成正比，变形的弹簧管带动拨杆、齿轮，使指针偏转。
图1-2弹簧压强计及其传动部分
1-指针2-弹簧管3-接头4-拉杆5-扇形齿轮6-壳体
7-基座8-齿轮9-铰链10-游丝
二、流体输送任务的表达
(一)流量
单位时间内流过管道任一截面的流体数量称为流量。如果以体积为衡量基准，称为体积流量，符号为Vs，单位为m3/s。以质量为衡量基准称为质量流量，符号为ws，单位为kg/s。体积流量与质量流量的关系为:
(二)流速
与流量相对应，流速也有两种表示方法。
1．平均流速(流速)单位时间内流体在流动方向上流过的距离称为流速。实验发现，流体在管道任意截面沿径向各点的速度并不一致，管道中心处速度最大，越接近管壁处流速越小，管壁处流速为零。工程中，为计算方便，常采用平均流速表征流体在该截面的速度。定义平均流速为单位面积上的体积流量，常用u表示，单位为m/s。
2．质量流速单位面积上的质量流量。常用G表示，单位为kg/(m2·s)。
任务二 化工管路的组成与管径的选择
一、管路的分类
化工生产过程中的管路通常以是否分出支管来分类，见表1-1。
表1-1管路的分类
对于重要管路系统，如全厂或大型车间的动力管线(包括蒸汽、煤气、上水及其他循环管道等)，一般均应按并联管路铺设，以有利于提高能量的综合利用，减少因局部故障所造成的影响。
图1-3简单管路
图1-4复杂管路
二、管路的基本构成
管路是由管子、管件和阀门等按一定的排列方式构成，也包括一些附属于管路的管架、管卡、管撑等辅件。由于生产中输送的流体是各种各样的，输送条件与输送量也各不相同，因此，管路也必然是各不相同的。工程上为了避免混乱，方便制造与使用，实现了管路的标准化。书后附录摘录了部分管材的规格。
管子是管路的主体，由于生产系统中的物料和所处工艺条件各不相同，所以用于连接设备和输送物料的管子除需满足强度和通过能力的要求外，还必须耐温、耐压、耐腐蚀以及导热等性能的要求。根据所输送物料的性质(如腐蚀性、易燃性、易爆性等)和操作条件(如温度、压力
###等)来选择合适的管材，是化工生产中经常遇到的问题之一。
(一)化工管材
管材通常按制造管子所使用的材料来进行分类，可分为金属管、非金属管和复合管，其中以金属管占绝大部分。复合管指的是金属与非金属两种材料组成的管子，最常见的化工管材见表1-2。
表1-2常见的化工管材
(二)管件
管件是用来连接管子以达到延长管路、改变管路方向或直径、分支、合流或封闭管路的附件的总称。最基本的管件如图1-5所示，其用途有如下几种。
图1-5常用管件
①改变流向的管件:90°弯头、45°弯头、180°回弯头等。
②堵截管路的管件:管帽、丝堵(堵头)、盲板等。
③连接支管的管件:三通、四通，有时三通也用来改变流向，多余的一个通道接头用管帽或盲板封上，在需要时打开再连接一条分支管。
④改变管径的管件:异径管、内外螺纹接头(补芯)等。
⑤延长管路的管件:管箍(束节)、螺纹短节、活接头、法兰等。法兰多用于焊接连接管路，而活接头多用于螺纹连接管路。在闭合管路上必须设置活接头或法兰，尤其是在需要经常维修或更换的设备、阀门附近必须设置，因为它们可以就地拆开，就地连接。
(三)阀门
阀门是用来启闭和调节流量及控制安全的部件。通过阀门可以调节流量、系统压力及流动方向，从而确保工艺条件的实现与安全生产。化工生产中阀门种类繁多，常用的有以下几种，见表1-3。
表1-3常见阀门
续表
图1-6常见阀门
活动建议进行现场教学，让学生到实训基地或工厂去观察化工管路、管件及阀门等实物，除了教材介绍的之外，如阀门还有隔膜阀、蝶阀、疏水阀及减压阀等，了解其构造与作用。
三、管子的选用
管道的内径计算式为:
式中:d---管道的内径，m;
u---适宜流速，m/s。
流量一般为生产任务所决定，所以关键在于选择合适的流速。若流速选择过大，管径虽然可以减小，但流体流过管道的阻力增大，动力消耗高，操作费用随之增加。反之，流速选择过小，操作费用可以相应减小，但管径增大，管路的设备费用随之增加。所以需根据具体情况通过经济权衡来确定适宜的流速。某些流体在管路中的常用流速范围列于表1-4中。
表1-4某些流体在管道中的常用流速范围
应用上式算出管径后，还需根据管子规格选用标准管径。选用标准管径后，再核算流体在管内的实际流速。
【例1-2】某厂精馏塔进料量为36000kg/h，该料液的性质与水相近，其密度为960kg/m3，试选择进料管的管径。
因料液的性质与水相近，参考表1-4，选取u=1．8m/s。
根据本书附录十的管子规格表，选用φ89mm×3．5mm的无缝钢管，其内径为
流体在管内的实际流速为1．97m/s，仍在适宜流速范围内，因此所选管子可用。
四、管路的布置与安装原则
工业上的管路布置既要考虑工艺要求，又要考虑经济要求，还有操作方便与安全，在可能的情况下还要尽可能美观。因此，布置管路时应遵守以下原则。
(1)在工艺条件允许的前提下，应使管路尽可能短，管件和阀门应尽可能少，以减少投资，使流体阻力减到最低。
(2)应合理安排管路，使管路与墙壁、柱子或其他管路之间应有适当的距离，以便于安装、操作、巡查与检修。如管路最突出的部分距墙壁或柱边的净空不小于100mm;距管架支柱也不应小于100mm，两管路的最突出部分间距净空，中压约保持40～60mm，高压约保持70～90mm;并排管路上安装手轮操作阀门时，手轮间距约100mm。
(3)管路排列时，通常使热的在上，冷的在下;无腐蚀的在上，有腐蚀的在下;输气的在上，输液的在下;不经常检修的在上，经常检修的在下;高压的在上，低压的在下;保温的在上，不保温的在下;金属的在上，非金属的在下;在水平方向上，通常使常温管路、大管路、振动大的管路及不经常检修的管路靠近墙或柱子。
(4)管子、管件与阀门应尽量采用标准件，以便于安装与维修。
(5)对于温度变化较大的管路须采取热补偿措施，有凝液的管路要安排凝液排出装置，有气体积聚的管路要设置气体排放装置。
(6)管路通过人行道时高度不得低于2m，通过公路时不得小于4．5m，通过铁轨时不得小于6m，通过工厂主要交通干线一般为5m。
(7)一般情况下，管路采用明线安装，但上下水管及废水管采用埋地铺设，埋地安装深度应当在当地冰冻线以下。
在布置管路时，应参阅有关资料，依据上述原则制订方案，确保管路的布置科学、经济、合理、安全。
技能训练一管路拆装训练
一、训练目标
熟悉可拆式组装管路的安装过程，并掌握其安装技术。
二、训练准备
(1)管路的布置由设备的布置而确定，要正确地布置和安装管路，必须明确生产工艺的特点和操作条件的要求，遵循管路布置和安装的原则，绘制出配管图。
(2)管子的连接方式主要有四种:螺纹连接、法兰连接、承插式连接及焊接等。
(3)管路的组装方式大致可分为两类:一类是可拆式，即用法兰、丝扣、填料等方法连接;另一类是不可拆式，主要是采用焊接方法连接。此处重点介绍可拆式。
可拆式组装要点:先将管路按现场位置分成若干段组装。然后从管路一端向另一端固定接口逐次组合;也可以从管路两端接口向中间逐次组合。在组合过程中，必须经常检查管路中心线的偏差，尽量避免因偏离过大而造成最后合拢的接口处错口太大的毛病。
管路的安装工作包括:管路安装、法兰和螺纹接合、阀门安装和试压。
①管路安装。管路的安装应保证横平竖直，水平管其偏差不大于15mm/10m，但其全长不能大于50mm，垂直管偏差不能大于10mm。
②法兰与螺纹接合。法兰安装要做到对得正、不反口、不错口、不张口。紧固法兰时要做到:未加垫片前，将法兰密封面清理干净，其表面不得有沟纹;垫片的位置要放正，不能加入双层垫片;在紧螺栓时要按对称位置的秩序拧紧，紧好之后螺栓两头应露出2～4扣;管道安装时，每对法兰的平行度、同心度应符合要求。
螺纹接合时管路端部应加工外螺纹，利用螺纹与管箍、管件和活管接头配合固定。其密封则主要依靠锥管螺纹的咬合和在螺纹之间加敷的密封材料来实现。常用的密封材料是白漆加麻丝或四氟膜，缠绕在螺纹表面，然后将螺纹配合拧紧。
③阀门安装。阀门安装时应把阀门清理干净，关闭好再进行安装，单向阀、截止阀及调节阀安装时应注意介质流向，阀的手轮便于操作。
④水压试验。管路安装完毕后，应作强度与严密度试验，试验是否有漏气或漏液现象。管路的操作压力不同，输送的物料不同，试验的要求也不同。当管路系统是进行水压试验，试验压力(表压)为294kPa，在试验压力下维持5min，未发现渗漏现象，则水压试验为合格。
三、训练步骤
(1)对实际装置的管路尺寸进行测绘并画出安装配管图。
(2)在教师指导和配合下，学生亲自动手安装，要求掌握管子、阀门、管件等安装的基本技术。
(3)安装中要注意安全。
任务三 流体压力及液位的测量
一、流体静力学基本方程式
如图1-7所示，容器中装有密度为ρ(kg/m3)的静止流体，任取容器中一底面积为A(m2)，高为h(m)的垂直液柱，其基准面取为容器底部，对其Z轴方向进行受力分析:
重力:G=mg=ρ(z1-z2)Ag
作用于上底之压力:p1A
作用于下底之压力:p2A
图1-7静止液体内部力的平衡情况
由流体静力学基本方程可知以下几点:
(1)当液面上方压力p0一定时，静止液体内部任一处压强p与其密度ρ和该点的深度h有关。因此，在静止的、连续的同种流体内，位于同一水平面上各点的压强均相等。压强相等的面称为等压面。液面上方压强改变时，液体内部各点压强也将发生相应的变化。
(2)式(1-1)可改写为如下形式:
式中:
---单位质量流体具有的静压能，J/kg;
gz---单位质量流体具有的位能，J/kg。
即:液体静压能与位能之和为常数。
上式表明，在同一静止的流体中，处在不同位置流体的位能和静压能各不相同，但两者总和保持不变。因此，静力学基本方程也反映了静止流体内部质量守恒与转换的关系。
(3)式(1-2)可改写为:
表明压强或压强差可用液柱高度表示，但须注明液体种类。
【例1-3】如图1-8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800kg/m3和1000kg/m3。
(1)判断A与B、C与D点的压力是否相等。
(2)计算玻璃管内水柱的高度h。
解:(1)由于A和B两点在静止的连通着的同一流体的同一水平面上，所以pA=pB。
由于C和D两点虽在静止流体的同一水平面上，但不是连通着的同一流体，因此，PC≠PD。
图1-8
(2)容器底部压力:
说明水在玻璃管内的高度为1．16m。
二、流体静力学基本方程的应用---流体压差及液位测量
(一)压强与压强差的测量
U形管压差计的结构如图1-9所示，在U形管内装有某种液体作为指示液。要求指示液与被测流体互不相溶、互不反应，且其密度大于被测流体密度。
当U形管两端与被测两点连通时，由于作用于U形管两端的压力不等，则指示液在U形管两端显示出高度差Ｒ。根据流体静力学基本方程，利用Ｒ的数值便可计算出两点间的压强差。
设指示液密度为ρ0，被测流体密度为ρ，由图1-9可知，0-0'为等压面，即p0=p'0
图1-9U形管压差计
图1-10测量管道某截面上的静压强
U形压差计也可测量流体的压力，测量时将U形管一端与被测点连接，另一端与大气相通，如图1-10所示，此时测得的是流体的表压或真空度。
【例1-4】如图1-11所示，水在水平管道内流动。为测量流体在某截面处的压强，在管道某截面处连接一U形压差计，指示液为水银，读数Ｒ=100mm，m=800mm。已知当地大气压为101．3kPa，水的密度为1000kg/m3，水银的密度为13600kg/m3。试计算管道中心处流体的压强。
图1-11
(二)液位测量
在化工生产中，常需要了解容器内液体的储存量，或对设备内的液位进行控制，通常可通过测量容器内的液位实现。
1．近距离液位测量装置图1-12所示的是利用U形压差计进行近距离测量液位的装置。在容器或设备1的外部设一平衡室2，其中所装的液体与容器中相同，液面高度维持在容器中液面允许的最高位置。用一装有指示液的U形压差计3把容器与平衡室相连通，其压差计读数Ｒ即反映出容器内的液面高度。
由流体静力学基本方程，可获得液面高度与压差计读数之间的关系为:
由此可知，液面越高，h越小，压差计读数Ｒ越小;当液面达到最大高度时，h为零，压差计读数Ｒ也为零。
2．远距离液位测量装置若容器或设备的位置离操作室较远时，可采用图1-13所示的远距离液位测量装置。
图1-12近距离液位测量
1-容器2-平衡器3-U形压差计
图1-13远距离液位测量
1-调节阀2-鼓泡观察器
3-U形压差计4-吹气管5-贮槽
在管内通入压缩氮气，用阀1调节其流量，使在观察器中有少许气泡逸出，氮气在管内流速极小，可近似认为处于静止状态，由于管路充满氮气，其密度较小，可近似认为容器内吹气管底部A的压力等于U形压差计B处的压力，即PA=PB。
即h与Ｒ成正比，Ｒ越大，h也越大，U形压差计的读数即可反映出容器或设备内液位的高低。
任务四 流体流动过程遵循的规律
一、稳定流动和非稳定流动
根据流体在流动时各种参数的变化情况，可以将流体的流动分为稳定流动和不稳定流动。若流动系统中各物理量的大小仅随位置变化，不随时间变化，则称为稳定流动。若流动系统中各物理量的大小不仅随位置变化，而且随时间变化，则称为不稳定流动。
工业生产中的连续操作过程，如生产条件控制正常，则流体流动多属于稳定流动。连续操作的开车、停车过程及间歇操作过程属于不稳定流动。今后若不加说明，所讨论的流体流动均为稳定流动。
多观察有溢流装置的恒位槽系统流体的流动;若没有流体的补充，槽内的液位不断下降时流体的流动。
二、流体稳定流动过程的物料衡算---连续性方程
稳定流动系统如图1-14所示，流体充满管道，并连续不断地从截面1-1'流入，从截面2-2'流出。以管内壁、截面1-1'与2-2'为衡算范围，以单位时间为衡算基准，根据质量守恒定律，流入截面1-1'的流体质量流量与流出截面2-2'的流体质量流量相等，即:
图1-14流体流动的连续性
式中:ws---流体的质量流量，指单位时间内流经管道有效截面积的流体质量，kg/s;
u---流体在管道任一截面的平均流速，m/s;
A---管道的有效截面积，m2;
ρ---流体的密度，kg/m3。
若将上式推广到管路上任何一个截面，即:
上述方程式表示在稳定流动系统中，流体流经管道各截面的质量流量恒为常量，但各截面的流体流速则随管道截面积和流体密度的不同而变化。
若流体为不可压缩流体，即ρ=常数，则:
式中:Vs---流体的体积流量，指单位时间内流经管道有效截面积的流体体积，m3/s。
上式说明不可压缩流体不仅流经各截面的质量流量相等，而且它们的体积流量也相等。而且管道截面积A与流体流速u成反比，截面积越小，流速越大。
若不可压缩流体在圆管内流动，因
上式说明不可压缩流体在管道内的流速u与管道内径的平方d2成反比。
式(1-3)至式(1-7)称为流体在管道中作稳定流动的连续性方程。连续性方程反映了在稳定流动系统中，流量一定时管路各截面上流速的变化规律，而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。
【例1-5】如图1-14所示的串联变径管路中，已知小管规格为φ57mm×3mm，大管规格为φ89mm×3．5mm，均为无缝钢管，水在小管内的平均流速为2．5m/s，水的密度可取为1000kg/m3。试求:(1)水在大管中的流速;(2)管路中水的体积流量和质量流量。
三、流体稳定流动过程的能量衡算---柏努利方程
在化工生产中，解决流体输送问题的基本依据是柏努利方程，因此柏努利方程及其应用极为重要。根据对稳定流动系统能量衡算，即可得到柏努利方程。
(一)流动系统的能量
流动系统中涉及的能量有多种形式，包括内能、机械能、功、热、损失能量，若系统不涉及温度变化及热量交换，内能为常数，则系统中所涉及的能量只有机械能、功、损失能量。能量根据其属性分为流体自身所具有的能量及系统与外部交换的能量。
1．流体本身具有的能量
(1)位能。位能是流体处于重力场中而具有的能量。若质量为m(kg)的流体与基准水平面的垂直距离为z(m)，则位能为mgz(J)，单位质量流体的位能则为gz(J/kg)。位能是相对值，计算须规定一个基准水平面。
(2)动能。动能是流体具有一定速度流动而具有的能量。质量为m(kg)的流体，当其流速为u(m/s)时具有的动能为
(J)，单位质量流体的动能为
(J/kg)。
(3)静压能。静压能是由于流体具有一定的压力而具有的能量。流体内部任一点都有一定的压力，如果在有液体流动的管壁上开一小孔并接上一个垂直的细玻璃管，液体就会在玻璃管内升起一定的高度，此液柱高度即表示管内流体在该截面处的静压力值。
管路系统中，某截面处流体压力为p，流体要流过该截面，则必须克服此压力做功，于是流体带着与此功相当的能量进入系统，流体的这种能量称为静压能。质量为m(kg)的流体的静压能为
(J/kg)
上述三项之和为流体所具有的机械能。1kg流体具有的机械能可表示如下:
2．系统与外界交换的能量实际生产中的流动系统，系统与外界交换的能量主要有功和损失能量。
(1)外加功。当系统中安装有流体输送机械时，它将对系统做功，即将外部的能量转化为流体的机械能。单位质量流体从输送机械中所获得的能量称为外加功，用We表示，其单位为J/kg。
外加功We是选择流体输送设备的重要数据，可用来确定输送设备的有效功率Ne，即:
(2)损失能量。由于流体具有黏性，在流动过程中要克服各种阻力，所以流动中有能量损失。单位质量流体流动时为克服阻力而损失的能量，用∑hf表示，其单位为J/kg。
(二)柏努利方程式
如图1-15所示，不可压缩流体在系统中作稳定流动，流体从截面1-1'经泵输送到截面2-2'。根据稳定流动系统的能量守恒，输入系统的能量应等于输出系统的能量。
输入系统的能量包括由截面1-1'进入系统时带入的自身能量，以及由输送机械中得到的能量。输出系统的能量包括由截面2-2'离开系统时带出的自身能量，以及流体在系统中流动时因克服阻力而损失的能量。
若以0-0'面为基准水平面，两个截面距基准水平面的垂直距离分别为z1、z2，两截面处的流速分别为u1、u2，两截面处的压力分别为p1、p2，流体在两截面处的密度为ρ，单位质量流体从泵所获得的外加功为We，从截面1-1'流到截面2-2'的全部能量损失为∑hf。则根据能量守恒定律:
式中:
---分别为流体在截面1-1'上的位能、动能、静压能，J/kg;
---分别为流体在截面2-2'上的位能、动能、静压能，J/kg。
上式称为实际流体的柏努利方程，是以单位质量流体为计算基准，式中各项单位均为J/kg。它反映了流体流动过程中各种能量的转化和守恒规律，在流体输送中具有重要意义。
通常将无黏性、无压缩性，流动时无流动阻力的流体称为理想流体。当流动系统中无外功加入时(即We=0)，则:
上式为理想流体的柏努利方程，说明理想流体稳定流动时，各截面上所具有的总机械能相等，总机械能为一常数，但每一种形式的机械能不一定相等，各种形式的机械能可以相互转换。
将单位质量流体为基准的柏努利方程中的各项除以g，则可得:
式中:
---分别称为位压头、动压头、静压头，单位重量(1N)流体所具有的机械能，m;
He---有效压头，单位重量流体在截面1-1'与截面2-2'间所获得的外加功，m;
Hf---压头损失，单位重量流体从截面1-1'流到截面2-2'的能量损失，m。
上式为以单位重量流体为计算基准的柏努利方程，式中各项均表示单位重量流体所具有的能量，单位为J/N(m)。其物理意义是:单位重量流体所具有的机械能把自身从基准水平面升举的高度。
适用于稳定、连续的不可压缩系统。在流动过程中两截面间流量不变，满足连续性方程。
【例1-6】拟用高位水槽输送水至某一地点，已知输送任务为25L/s，水管规格为φ114mm×4mm，若水槽及水管出口均为常压，流体的全部阻力损失为62J/kg，问高位水槽液面至少要比水管出口截面高多少米?
解:在高位水槽液面1-1'和水管出口截面2-2'之间列柏努利方程，得:
代入柏努利方程得:z1=h=6．8m，即高位水槽的液面至少要比水管出口截面高6．8m，才能保证完成输送任务。
从本题可以看出，通过设置高位槽，可以提高上游截面的能量，从而可以保证流体按规定的方向和流量流动。
【例1-7】用酸蛋输送293K，98%的硫酸至酸高位槽，要求的输送量是1．8m3/h，已知管子的规格为φ38mm×3mm，管子出口比酸蛋内液面高15m，全部流体阻力为10J/kg，试求开始时压缩空气的表压。
解:在酸蛋内液面1-1'与管子出口截面2-2'间应用柏努利方程，并以1-1'截面为基准水平面，则有:
又查附录三得，293K下，98%的硫酸的密度ρ=1831kg/m3。代入上式得:开始时压缩空气的压力p1=2．89×105Pa(表压)。
从本题可以看出，通过加压来提高上游截面的静压能，可以保证流体按规定的方向和流量流动。
【例1-8】如图1-16所示，有一用水吸收混合气中氨的常压逆流吸收塔，水由水池用离心泵送至塔顶经喷头喷出。泵入口管为φ108mm×4mm无缝钢管，管中流体的流量为40m3/h，出口管为φ89mm×3．5mm的无缝钢管。池内水深为2m，池底至塔顶喷头入口处的垂直距离为20m。管路的总阻力损失为40J/kg，喷头入口处的压力为120kPa(表压)。试求泵所需的有效功率为多少kW?
图1-16
解:取水池液面为截面1-1'，喷头入口处为截面2-2'，并取截面1-1'为基准水平面。在截面1-1'和截面2-2'间列柏努利方程，即:
柏努利方程的应用，要注意以下几点:
(1)选取截面。截面可以有许多，一般截面应选取已知条件最多的截面、大截面或敞口截面。
(2)确定基准面。主要是计算截面处的相对位能。一般是选位能较低的截面为基准面。此时这个截面的位能为零。
(3)压强的单位要统一。要么都用表压，要么都用绝压等。如有通大气的截面，以表压表示时，该处截面表压为零。
(4)沿流体的流动方向确定上游截面与下游截面。柏努利方程更确切的表达式为:
上游截面的三项能量+从输送机械获得的能量=下游截面的三项能量+管道中的摩擦损失能量。
活动建议柏努利方程式的应用可结合校内外实训及有关流体输送的案例进行教学，组织学生讨论柏努利方程的其他工程应用，加深对柏努利方程式的理解并熟练应用。
任务五 流体在圆形管内的流动规律
一、流体的流动类型
在化工生产中，流体输送、传热、传质过程及操作等都与流体的流动状态有密切关系，因此有必要了解流体的流动类型及在圆管内的速度分布。
流体流动时，依不同的流动条件可以出现两种截然不同的流动类型，即层流和湍流。见表1-5。
表1-5雷诺实验和两种流动类型
图1-17雷诺实验装置示意图
图1-18雷诺实验结果比较
图1-19层流时圆管内的速度分布
图1-20湍流时圆管内的速度分布
二、流体流动类型的判定
(一)雷诺数
为了确定流体的流动型态，雷诺通过改变实验介质、管材及管径、流速等实验条件，做了大量的实验，并对实验结果进行了归纳总结。流体的流动类型主要与流体的密度ρ、黏度μ、流速u和管内径d等因素有关，并可以用这些物理量组成一个数群，称为雷诺数(Ｒe)，用来判定流动类型。
雷诺数，无单位。Ｒe大小反映了流体的湍动程度，Ｒe越大，流体流动湍动性越强。计算时只要采用同一单位制下的单位，计算结果都相同。
(二)流体流动类型的判据
一般情况下，流体在管内流动时，若Ｒe＜2000时，流体的流动类型为层流;若Ｒe＞4000时，流动为湍流;而Ｒe在2000～4000范围内，为一种过渡状态。可能是层流也可能是湍流。在过渡区域，流动类型受外界条件的干扰而变化，如管道形状的变化、外来的轻微震动等都易促成湍流的发生，在一般工程计算中，Ｒe＞2000可作湍流处理。
【例1-9】在20℃条件下，油的密度为830kg/m3，黏度为3mPa·s，在圆形直管内流动，其流量为10m3/h，管子规格为φ89mm×3．5mm，试判断其流动类型。
因为Ｒe＞4000，所以该流动类型为湍流。
查一查非圆形管道的雷诺数怎样确定，流动类型如何判断?
三、湍流流体中的层流内层
当管内流体做湍流流动时，管壁处的流速也为零，靠近管壁处的流体薄层速度很低，仍然保持层流流动，这个薄层称为层流内层。层流内层的厚度随雷诺数Ｒe的增大而减薄，但不会消失。层流内层的存在，对传热与传质过程都有很大的影响。
湍流时，自层流内层向管中心推移，速度渐增，存在一个流动类型即非层流也非湍流区域，这个区域称为过渡层或缓冲层。再往管中心推移才是湍流主体。可见，流体在管内作湍流流动时，横截面上沿径向分为层流内层、过渡层和湍流主体三部分。
任务六 流体输送过程的阻力
一、流体流动阻力的类型及表示
流体在管路中流动时的阻力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，由于流体的内摩擦而产生的阻力。局部阻力是流体流经管路中的管件、阀门及截面的突然扩大和突然缩小等局部地方所引起的阻力。总阻力等于直管阻力和局部阻力的总和。
总阻力的表示方法除了以能量形式表示外，还可以用压头损失Hf(1N流体的流动阻力，m)及压力降Δpf(1m3流体流动时的流动阻力，m)表示。它们之间的关系为:
二、流体流动阻力的产生
1．黏性流体流动时，流体质点间存在相互吸引力，流通截面上各点的流速并不相等，即其内部存在相对运动，当某质点以一定的速度向前运动时，与之相邻的质点则会对其产生一个约束力阻碍其运动，将这种流体质点间的相互约束力称为内摩擦力。流体流动时为克服这种内摩擦力需消耗能量。流体流动时产生内摩擦的性质称为流体的黏性。黏性大的流体流动性差，黏性小的流体流动性好。
黏性是流体的固有属性，流体无论是静止还是流动，都具有黏性。
多观察
(1)气体和液体的流动性哪个更好?同温度下水和油的流动性哪个好?
(2)观察河水的流动，为什么河中心处水的流速比河岸处水的流速大?
如图1-21所示，有上下两块平行放置且面积很大而相距很近的平板，板间充满某种液体。若将下板固定，而对上板施加一个恒定的外力F，上板就以恒定速度u沿x方向运动。此时，两板间的液体就会分成无数平行的薄层而运动，黏附在上板底面的一薄层液体也以速度u随上板运动，其下各层液体的速度依次降低，黏附在下板表面的液层速度为零，流体相邻层间的内摩擦力即为F。实验证明，F与上下两板间沿y方向的速度变化率Δu/Δy成正比，与接触面积A成正比。流体在圆管内流动时，u与y的关系是曲线关系，上述变化率应写成du/dy，称为速度梯度，即:
图1-21平板间液体速度变化
若单位流层面积上的内摩擦力称为剪应力τ，则:
上式称为牛顿黏性定律，即流体层间的剪应力与速度梯度成正比。式中比例系数μ，称为动力黏度或绝对黏度，简称黏度。
查一查涂料及泥浆的流动是否服从牛顿黏性定律?试了解此类流体的规律。
2．黏度黏度是表征流体黏性大小的物理量，是流体的重要物理性质之一，流体的黏性越大，μ值越大。其值由实验测定。
流体的黏度随流体的种类及状态而变化，液体的黏度随温度升高而减小，气体的黏度随温度升高而增大。压力变化时，液体的黏度基本不变，气体的黏度随压力增加而增加得很少，一般工程计算中可以忽略。某些常用流体的黏度，可以从有关手册和本书附录三中查得。
黏度的法定计量单位是Pa·s;但在工程手册中黏度的单位常用物理单位制，泊(P)或厘泊(cP)表示。它们之间的关系是:
流体的黏性还可用黏度μ与密度ρ的比值来表示，称为运动黏度，以ν表示:
运动黏度的法定计量单位为m2/s;在物理单位制中，运动黏度的单位为cm2/s，称为斯(St)。
三、流体流动阻力的计算
(一)直管阻力
1．范宁公式直管阻力，也叫沿程阻力。直管阻力通常由范宁公式计算，其表达式为:
式中:hf---直管阻力，J/kg;
λ---摩擦系数，也称摩擦因数，无量纲;
l---直管的长度，m;
d---直管的内径，m;
u---体在管内的流速，m/s。
范宁公式中的摩擦因数是确定直管阻力损失的重要参数。λ的值与反映流体湍动程度的Ｒe及管内壁粗糙程度ε的大小有关。
2．管壁粗糙程度工业生产上所使用的管道，按其材料的性质和加工情况，大致可分为光滑管与粗糙管。通常把玻璃管、铜管和塑料管等列为光滑管，把钢管和铸铁管等列为粗糙管。实际上，即使是同一种材质的管子，由于使用时间的长短与腐蚀结垢的程度不同，管壁的粗糙度也会发生很大的变化。
(1)绝对粗糙度。绝对粗糙度是指管壁突出部分的平均高度，以ε表示，如图1-22所示。表1-6中列出了某些工业管道的绝对粗糙度数值。
图1-22管壁粗糙程度对流体流动的影响
表1-6某些工业管道的绝对粗糙度
(2)相对粗糙度。相对粗糙度是指绝对粗糙度与管道内径的比值，即ε/d。管壁粗糙度对摩擦系数λ的影响程度与管径的大小有关，所以在流动阻力的计算中，要考虑相对粗糙度的大小。
3．摩擦系数
(1)层流时摩擦系数。流体作层流流动时，管壁上凹凸不平的地方都被有规则的流体层所覆盖，λ与ε/d无关，摩擦系数λ只是雷诺数的函数。
上式为哈根-伯稷叶方程，是流体在圆直管内作层流流动时的阻力计算式。
(2)湍流时摩擦系数。由于湍流时流体质点运动情况比较复杂，目前还不能完全用理论分析方法求算湍流时摩擦系数λ的公式，而是通过实验测定，获得经验计算式。各种经验公式，均有一定的适用范围，可参阅有关资料。
为了计算方便，通常将摩擦系数λ对Ｒe与ε/d的关系曲线描绘在双对数坐标图上，如图1-23所示，该图称为莫狄(Moody)图。这样就可以方便地根据Ｒe与ε/d值从图中查得各种情况下的λ值。
图1-23λ与Ｒe、ε/d的关系
根据雷诺数的不同，可在图中分出四个不同的区域:
①层流区。当Ｒe＜2000时，λ与Ｒe为一直线关系，与相对粗糙度无关。
②过渡区。当2000＜Ｒe＜4000时，管内流动类型随外界条件影响而变化，λ也随之波动。工程上一般按湍流处理，λ可从相应的湍流时的曲线延伸查取。
③湍流区。当Ｒe＞4000且在图中虚线以下区域时，λ=f(Ｒe，ε/d)。对于一定的ε/d，λ随Ｒe数值的增大而减小。
④完全湍流区。即图中虚线以上的区域，λ与Ｒe的数值无关，只取决于ε/d。λ-Ｒe曲线几乎成水平线，当管子的ε/d一定时，λ为定值。在这个区域内，阻力损失与u2成正比，故又称为阻力平方区。由图可见，ε/d值越大，达到阻力平方区的Ｒe值越低。
【例1-10】20℃的水，以1m/s速度在钢管中流动，钢管规格为φ60mm×3．5mm，试求水通过100m长的直管时，阻力损失为多少?
(二)局部阻力
局部阻力是流体流经管路中的管件、阀门及截面的突然扩大和突然缩小等局部地方所产生的阻力。
流体在管路的进口、出口、弯头、阀门、突然扩大、突然缩小或流量计等局部流过时，必然发生流体的流速和流动方向的突然变化，流动受到干扰、冲击，产生旋涡并加剧湍动，使流动阻力显著增加，如图1-24所示。局部阻力一般有两种计算方法，即阻力系数法和当量长度法。
图1-24不同情况下的流动干扰
1．当量长度法当量长度法是将流体通过局部障碍时的局部阻力计算转化为直管阻力损失的计算方法。所谓当量长度是与某局部障碍具有相同能量损失的同直径直管长度，用le表示，单位为m，可按下式计算:
式中:u---管内流体的平均流速，m/s。
le---当量长度，m，
当局部流通截面发生变化时，u应该采用较小截面处的流体流速。le数值由实验测定，在湍流情况下，某些管件与阀门的当量长度也可以从图1-25查得。
图1-25管件与阀件的当量长度共线图
2．阻力系数法 将局部阻力表示为动能的一个倍数，则:
式中:ζ---局部阻力系数，无单位，其值由实验测定。
常见的局部阻力系数见表1-7。
表1-7常见局部障碍的阻力系数
(三)总阻力
管路系统的总阻力等于通过所有直管的阻力和所有局部阻力之和。
1．当量长度法当用当量长度法计算局部阻力时，其总阻力∑hf计算式为:
式中:∑le---管路全部管件与阀门等的当量长度之和，m。
2．阻力系数法当用阻力系数法计算局部阻力时，其总阻力计算式为:
式中:∑ζ---管路全部的局部阻力系数之和。
应当注意，当管路由若干直径不同的管段组成时，管路的总能量损失应分段计算，然后再求和。
【例1-11】20℃的水以16m3/h的流量流过某一管路，管子规格为φ57mm×3．5mm。管路上装有90°的标准弯头两个、闸阀(1/2开)一个，直管段长度为30m。试计算流体流经该管路的总阻力损失。
解:由附录三查得20℃下水的密度为998．2kg/m3，黏度为1．005mPa·s。
管子内径为d=57-2×3．5=50mm=0．05m。
水在管内的流速为
查表取管壁的绝对粗糙度ε=0．2mm，则ε/d=0．2/50=0．004，由Ｒe值及ε/d值查图得λ=0．0285。
(1)用阻力系数法计算。
查表1-7得:90°标准弯头，ζ=0．75;闸阀(1/2开度)，ζ=4．5。
所以
(2)用当量长度法计算。
从有关手册查得:90°标准弯头，l/d=30;闸阀(1/2开度)，l/d=200。
从以上计算可以看出，用两种局部阻力计算方法的计算结果差别不大，在工程计算中是允许的。
活动建议分析产生流动阻力的原因，明确计算流动阻力的必要性，取一实际输水管路，进行阻力计算。
任务七 流体流量的测量与控制
流体的流量是化工生产过程的重要参数之一。为保证操作连续、稳定进行，常常需要测量流量，并进行调节和控制。进行科学实验时，往往也需要准确测出流体的流量。流量可以直接用流量计测定，也可以用流速计测出流速，再乘以流体流经的截面积换算成流量。下面介绍几种根据流体动力学原理来工作的流速计和流量计。
一、测速管(皮托管)
(一)结构与测量原理
测速管又称皮托管，是用来测量管路中流体的点速度。如图1-26所示，系由两根弯成直角的同心套管所组成。内管壁无孔，外管壁上近端点处沿管壁的圆周开有若干个测压小孔，两管之间环隙的端点是封闭的，为了减小涡流引起的测量误差，管端通常制成半球形。测量流速时，测量管的管口正对着流体的流动方向，U形管压差计的两端分别与测速管的内套与套管环隙相连。
图1-26测速管
流体以速度u流向测速管前端时，因内管已充满被测流体，故流体到达管口A处即被挡住，速度降为零，于是动能转变为静压能，因此内管所测的是流体在A处的局部动能和静压能之和，称为冲压能，即:
由于外管B处壁面上的测压小孔与流体流动方向平行，所以外管仅测得流体的静压能，即:
U形压差计实际反映的是内管冲压能和外管静压能之差，即:
则该处的局部速度为:
将U形压差计公式代入(1-41)，可得:
由以上分析可知，测速管测定的是流体在管截面某点处的速度，即点速度，因此，利用测速管可以测得管截面上流体的速度分布。若要获得流量，可对速度分布曲线进行积分。也可用测速管测出管中心最大流速umax，再利用平均流速与最大流速的关系，求出流量，此法较常用。
(二)测速管的安装
安装测速管时的注意事项如下:
(1)必须保证测量点位于均匀流段，一般要求测量点上、下游的直管长度最好大于50倍管内径，至少也应大于8～12倍。
(2)测速管管口截面必须垂直于流体流动方向，任何偏离都将导致负偏差。
(3)测速管的外径do不应超过管内径d的，即do=d/50。
测速管适用于测量大直径管路中清洁气体的流速，若流体中含有固体杂质时，易将测压孔堵塞，故不宜采用。此外，测速管的压差读数较小，常常需要放大或配微压计。
二、孔板流量计
(一)结构与测量原理
孔板流量计属差压式流量计，是利用流体流经节流元件产生的压力差来实现流量测量。孔板流量计的节流元件为孔板，即中央开有圆孔的金属板，将孔板垂直安装在管路中，以一定取压方式测取孔板前后两端的压差，并与压差计相连，即构成孔板流量计，如图1-27所示。
图1-27中，流体在管路截面1-1'截面处(A1)流速为u1，当流体流过孔板的开孔(A0)由于截面积减小，流速增大，孔处的流速以u0表示。从开孔处流出后，由于惯性作用，截面继续收缩到达2-2'截面处(A2)，其截面收缩到最小，而流速达到最大u2，流体截面的最小处称为缩脉。再继续往前流动，截面积逐渐扩大，当流到3-3'截面处，流体又恢复到原有截面积，而流速也恢复到原来的流速。
图1-27孔板流量计
在流速变化的同时，流体的压力也随之发生变化。在1-1'截面处流体的压力为p1，流束收缩后，压力下降，到缩脉2-2'截面处降至最低(p2)，而后又随流束的恢复而恢复。但在孔板出口处由于流通截面突然缩小与扩大而形成涡流，消耗一部分能量，所以流体在3-3'截面处的压力p3不能恢复到原来压力p1，即p3＜p1。
流体在缩脉处流速最高，即动能最大，而相应压力就最低，因此，当流体以一定流量流经小孔时，在孔板前后就产生一定的压力差Δp=p1-p2，流量越大，Δp也就越大，并存在对应关系，因此，通过测量孔板前后的压差即可测量流量。
(二)流量方程
孔板流量计的流量与压差的关系式可由连续性方程和柏努利方程推导。
如图1-27所示，在1-1'截面和2-2'截面间列柏努利方程，若暂不计能量损失，有:
由于上式未考虑能量损失，实际上流体流经孔板的能量损失不能忽略不计;另外，缩脉位置不定，A2未知，但孔口面积A0已知，为便于使用，可用孔口流速u0替代缩脉处速度u2;同时两测压孔的位置也不一定在1-1'和2-2'截面上，因此，引入一校正系数C来校正上述各因素的影响，则上式变为:
根据连续性方程，对于不可压缩流体有:
代入上式整理得:
将U形压差计公式代入(1-42)，得:
根据可计算流体的体积流量:
及质量流量:
式中，C0为流量系数或孔流系数，其值由实验测定。C0主要取决于流体在管内流动的雷诺数Ｒe、孔面积与管截面积比A0/A1，同时孔板的取压方式、加工精度、管壁粗糙度等因素也对其有一定的影响。对于取压方式、结构尺寸、加工状况均已规定的标准孔板，流量系数C0可以表示为:
对于按标准规格及精度制作的孔板，用角接取压法安装在光滑管路中的标准孔板流量计，实验测得的C0与Ｒe、A0/A1的关系曲线如图1-28所示。从图中可以看出，对于A0/A1相同的标准孔板，C0只是Ｒe的函数，并随Ｒe的增大而减小。当增大到一定界限值之后，C0不再随Ｒe变化，成为一个仅取决于A0/A1的常数，选用或设计孔板流量计时，应尽量使常用流量在此范围内，使C0值处于0．6～0．7之间，这样，既方便于取得比较准确的读数，又不致于使压头损失过大。
图1-28标准孔板流量系数
用上式计算流量时，必须先确定流量系数C0的数值。但C0是与Ｒe有关的，管道中流体的流速u1尚不知道，就无法算出Ｒe，此时可采用试差法。即先假设Ｒe超过极限允许值Ｒec，根据已知的A0/A1从图中查得C0，然后算出u0及u1。若
超过了极限允许值Ｒec，则表示原来的假设是正确的，否则须重新假定C0值，重复上述计算，直至计算值与假设值相否为止。
(三)孔板流量计的安装与优缺点
孔板流量计安装时，上、下游要有一段内径不变的直管作为稳定段，以保证流体通过孔板时速度的正常分布。若孔板前不远处装有弯头等管件和阀件，读数的精确性和重现性都会受到影响。通常要求上游直管长度至少为管径的10倍，下游直管长度为管径的5倍。若A0/A较小，则这个距离可以缩短一些。
孔板流量计制造简单，制造与安装方便，它的主要缺点是:流体经过孔板时能量损失大;而且孔口边缘容易腐蚀和磨损，影响测量的准确度。虽然如此，目前实验室中仍广泛使用其测量液体、气体和蒸汽的流量。
三、文丘里流量计
孔板流量计的主要缺点是能量损失大，其主要原因是孔板前后截面的突然缩小与突然扩大。为了减小能量损失，可采用文丘里流量计或文氏流量计，即用一段渐缩、渐扩管代替孔板，如图1-29所示，当流体经过文丘里管时，由于均匀收缩和逐渐扩大，流速变化平缓，涡流较小，故能量损失比孔板大大减小。
图1-29文丘里流量计
文丘里流量计的测量原理与孔板流量计相同，也属差压式流量计。其流量方程也与孔板流量计相似，即:
式中:CV---文丘里流量计的流量系数(约为0．98～0．99);
A0---喉管处截面积，m2。
由于文丘里流量计的能量损失较小，其流量系数较孔板大，因此相同压差计读数Ｒ时流量比孔板大。文丘里流量计的缺点是加工较难、精度要求高，因而造价高，安装时需占一定管长位置。
四、转子流量计
(一)结构与测量原理
转子流量计的结构如图1-30所示，是由一段上粗下细的锥形玻璃管(锥角约为4°)和一个能上下移动、比流体重的转子(或称浮子)所构成的。流体自玻璃管底部流入，经过转子和管壁间的环隙，再从顶部流出。
管中无流体通过时，转子沉于管底部。当被测流体以一定的流量流经转子与管壁之间的环隙时，由于流道截面减小，流速增大，压力必随之降低，于是在转子上、下端面形成一个压差，转子借此压差被“浮起”。随转子的上浮，环隙面积逐渐增大，流速减小，转子两端的压差也随之降低。当转子上浮至某一定高度时，转子两端面压差造成的升力恰好等于转子的重力，转子不再上升，并悬浮在该高度。
当流量增加时，环隙流速随之增大，转子两端压差也随之增大，而转子的重力并未变化，转子在原有位置的受力平衡被破坏，转子将上升，直至另一高度重新达到平衡。反之，若流量减小，转子将下降，在某一较低位置达到平衡。由此可见，转子的平衡位置(即悬浮高度)随流量变化而变化。转子流量计玻璃管外表面上刻有流量值，根据转子平衡时其上端平面所处的位置，即可读取相应的流量。
图1-30转子流量计
1-锥形玻璃管2-转子3-刻度
(二)流量方程
转子流量计的流量方程可根据转子受力平衡导出。
在图1-31所示1-1'和0-0'截面间列柏努利方程:
图1-31转子平衡示意图
假定忽略位压头的变化(z1≈z0)，又忽略磨擦阻力损失(∑hf=0)，所以:
设流体体积流量为Vs(m3/s)，则:
令AＲ=A0，AＲ称为转子的环隙面积，又令
称为转子流量系数，CＲ由
实验测定。对于一定的转子，在一定流量范围内，A0/A1为常数，所以CＲ为常数，代入上式得:
对于一定的流量，转子会停止在一定位置，即作用于转子的合力为零。如图1-31所示。转子平衡时，p1Af+Vfρg=p0Af+Vfρfg
转子在任何位置，压力差都服从式(1-47)，将式(1-47)代入式(1-46)得:
式中:Vf---转子的体积，m3;
ρf---转子的密度，kg/m3;
Af---转子的大端面积截面面积，m2;
ρ---流体密度，kg/m3。
由式(1-48)可以看出，对于一定的转子(Vf，Af，ρf)和流体(ρ)，流体的体积流量(Vs)正比于环隙面积AＲ，AＲ越大，即转子上升越高，流量也越大。而当流量改变时，力平衡关系式并未改变，也即转子上、下端面的压差为常数，所以，转子流量计的特点为恒压差、恒环隙流速且变流通面积，属截面式流量计。
生产厂家在转子流量计出厂前，一般用20℃的水标定转子流量计的刻度。若使用单位测定流量的流体是水，则刻度值即为流量实际值;若使用单位测定流量的流体不是水，是油或是其他流体(密度为ρa)，则Va为:
转子流量计必须垂直安装在管路上，为便于检修，常设置如图1-32所示的支路。
转子流量计的优点为读数方便，流动阻力小，测量范围宽，对不同流体适应性广。缺点为玻璃管不能承受高温和高压，在安装和使用过程中容易破碎。
图1-32转子流量计安装示意
任务八 离心泵的结构、原理及性能
一般来说流体输送机械可分为液体输送机械(通称为泵)和气体输送机械(如风机、压缩机、真空泵等)。按照工作原理不同又可分为离心式、往复式、旋转式和流体作用式。其中以离心式最为常见。
一、离心泵的结构
离心泵具有结构简单，性能稳定，检修方便，操作容易和适应性强等特点，在化工生产中应用十分广泛。
图1-33所示为安装于管路中的一台卧式单级单吸离心泵。图1-33(a)为其基本结构，图1-33(b)为其在管路中的示意图。
图1-33单级单吸离心泵的结构
1-泵体2-叶轮3-密封环4-轴套5-泵盖6-泵轴7-托架
8-联轴器9-轴承10-轴封装置11-吸入口12-蜗形泵壳13-叶片
14-吸入管15-底阀16-滤网17-调节阀18-排出管
(一)叶轮
叶轮的作用是将原动机的机械能直接传给液体，以增加液体的静压能和动能(主要增加静压能)。叶轮一般有6～12片后弯叶片。叶轮有开式、半闭式和闭式三种，如图1-34所示。
图1-34离心泵的叶轮
开式叶轮在叶片两侧无盖板，制造简单、清洗方便，适用于输送含有较大量悬浮物的物料，效率较低，输送的液体压力不高;半闭式叶轮在吸入口一侧无盖板，而在另一侧有盖板，适用于输送易沉淀或含有颗粒的物料，效率也较低;闭式叶轮在叶片两侧有前后盖板，效率高，适用于输送不含杂质的清洁液体。一般的离心泵叶轮多为此类。
后盖板上的平衡孔以消除轴向推力。离开叶轮周边的液体压力已经较高，有一部分会渗到叶轮后盖板后侧，而叶轮前侧液体入口处为低压，因而产生了将叶轮推向泵入口一侧的轴向推力。这容易引起叶轮与泵壳接触处的磨损，严重时还会产生振动。平衡孔使一部分高压液体泄漏到低压区，减小叶轮前后的压力差。但由此也会引起泵效率的降低。
叶轮有单吸和双吸两种吸液方式，如图1-35所示。
图1-35离心泵的吸液方式
(二)泵壳
作用是将叶轮封闭在一定的空间，以便由叶轮的作用吸入和压出液体。泵壳多做成蜗壳形，故又称蜗壳。由于流道截面积逐渐扩大，故从叶轮四周甩出的高速液体流速逐渐降低，使部分动能有效地转换为静压能。泵壳不仅汇集由叶轮甩出的液体，同时又是一个能量转换装置。
为使泵内液体能量转换效率增高，叶轮外周安装导轮。导轮是位于叶轮外周固定的带叶片的环。这些叶片的弯曲方向与叶轮叶片的弯曲方向相反，其弯曲角度正好与液体从叶轮流出的方向相适应，引导液体在泵壳通道内平稳地改变方向，将使能量损耗减至最小，提高动能转换为静压能的效率。
(三)轴封装置
作用是防止泵壳内液体沿轴漏出或外界空气进入泵壳内。
常用轴封装置有填料密封和机械密封两种。填料一般用浸油或涂有石墨的石棉绳。机械密封主要的是靠装在轴上的动环与固定在泵壳上的静环之间端面做相对运动而达到密封的目的。
二、离心泵的工作原理
离心泵的叶轮安装在泵壳内，并紧固在泵轴上，泵轴由电动机直接带动。液体经底阀和吸入管进入泵内。由排出管排出。
在泵启动前，泵壳内灌满被输送的液体;启动后，叶轮由轴带动高速转动，叶片间的液体也随着转动。在离心力的作用下，液体从叶轮中心被抛向外缘并获得能量，以高速离开叶轮外缘进入蜗形泵壳。在蜗壳中，液体由于流道的逐渐扩大而减速，又将部分动能转变为静压能，最后以较高的压力流入排出管道，送至需要场所。液体由叶轮中心流向外缘时，在叶轮中心形成了一定的真空，由于贮槽液面上方的压力大于泵入口处的压力，液体便被连续压入叶轮中。可见，只要叶轮不断地转动，液体便会不断地被吸入和排出。
知识窗
气缚现象
如果离心泵在启动前壳内充满的是气体，则启动后叶轮中心气体被抛时不能在该处形成足够大的真空度，这样槽内液体便不能被吸入。这一现象称为气缚。
为防止气缚现象的发生，离心泵启动前要用液体将泵壳内空间灌满。这一步操作称为灌泵。为防止灌入泵壳内的液体因重力流入低位槽内，在泵吸入管路的入口处装有止逆阀(底阀);如果泵的位置低于槽内液面，则启动前无须灌泵，只要将出口阀打开，液体便自动流入泵内。
三、离心泵的主要性能参数和特性曲线
(一)离心泵的主要性能参数
离心泵的性能参数是用以描述离心泵性能的物理量，见表1-8。
表1-8离心泵的主要性能参数
续表
【例1-12】采用图1-36的实验装置来测定离心泵的性能。泵的吸入管与排出管具有相同的直径，两侧压口间垂直距离为0．5m。泵的转速为2900r/min。以20℃清水为介质测得以下数据:流量为54m3/h，泵出口处表压为255kPa，入口处真空表读数为26．7kPa，功率表测得所消耗功率为6．2kW，泵有电动机直接带动，电动机的效率为93%，试求该泵在输送条件下的扬程、轴功率、效率。
图1-36
1-压力表2-真空表
3-流量计4-泵5-贮槽
解:
(1)泵的扬程:在真空表和压力表所处位置的截面分别以1-1'和2-2'表示，列柏努利方程式，即:
因两侧口的管路很短，其间流动阻力可忽略不计，即∑Hf1-2=0，所以
(2)泵的轴功率:功率表测得的功率为电动机的消耗功率，由于泵由电动机直接带动，传动效率可视为100%，所以电动机的输出功率等于泵的轴功率。因电动机本身消耗部分功率，其效率为93%，于是电动机输出功率为:
电动机消耗功率×电动机效率=6．2×0．93=5．77kW
泵的轴功率为Ne=5．77kW
(3)泵的效率:
(二)离心泵的特性曲线
理论及实验均表明，离心泵的扬程、功率及效率等主要性能均与流量有关。为了便于使用者更好地了解和利用离心泵的性能，常把它们与流量之间的关系用图表示出来，就是离心泵的特性曲线。
离心泵的特性曲线一般由离心泵的生产厂家提供，标绘于泵的产品说明书中，其测定条件一般是20℃清水，转速也固定。典型的离心泵性能曲线如图1-37所示。
1．H-Q曲线表示泵的扬程与流量的关系。离心泵的扬程随流量的增大而下降(在流量极小时有例外)。
2．N-Q曲线表示泵的轴功率与流量的关系。离心泵的轴功率随流量的增大而上升，流量为零时轴功率最小。故离心泵启动时，应关闭泵的出口阀门，使电机的启动电流减少，以保护电机。
3．η-Q曲线表示泵的效率与流量的关系。当Q=0时η=0;随着流量的增大，效率随之而上升达到一个最大值;而后随流量再增大时效率便下降。说明离心泵在一定转速下有一最高效率点，称为设计点。泵在与最高效率相对应的流量及扬程下工作最为经济，所以与最高效率点对应的Q、H、N值成为最佳工况参数。离心泵的铭牌上标出的性能参数就是指该泵在最高效率点运行时的工况参数。根据输送条件的要求，离心泵往往不可能正好在最佳工况下运转，因此一般只能规定一个工作范围，称为泵的高效率区，通常为最高效率的92%左右。选用离心泵时，应尽可能使泵在此范围内工作。
图1-37离心泵性能曲线示意图
活动建议通过实际操作，组织学生讨论离心泵特性的影响因素。
任务九 离心泵安装高度的确定
一、离心泵的气蚀现象
(一)离心泵的气蚀现象
离心泵的吸液是靠吸入液面与吸入口间的压差完成的。吸入管路越高，吸上高度越大，则吸入口处的压力越小。当吸入口处压力小于操作条件下被输送液体的饱和蒸气压时，液体将会气化产生气泡，含有气泡的液体进入泵体后，在旋转叶轮的作用下，进入高压区，气泡在高压的作用下，又会凝结为液体，由于原气泡位置的空出造成局部真空，使周围液体在高压的作用下迅速填补原气泡所占空间。这种高速冲击频率很高，可以达到每秒几千次，冲击压强可以达到数百个大气压甚至更高，这种高强度高频率的冲击，轻则能造成叶轮的疲劳，重则可以将叶轮与泵壳破坏，甚至能把叶轮打成蜂窝状。这种由于被输送液体在泵体内汽化再凝结对叶轮产生剥蚀的现象叫作离心泵的气蚀现象。
(二)气蚀的危害
气蚀现象发生时，会产生噪声和引起振动，流量、扬程及效率均迅速下降，严重时不能吸液。工程上规定，当泵的扬程下降3%时，可认为发生了气蚀现象。
二、离心泵的允许安装高度
工程上从根本上避免气蚀现象的方法是限制泵的安装高度。避免离心泵气蚀现象发生的最大安装高度，称为离心泵的允许安装高度，也称允许吸上高度。是指泵的吸入口1-1'与吸入贮槽液面0-0'间可允许达到的最大垂直距离，以符号Hg表示，如图1-38所示。假定泵在可允许的最高位置上操作，以液面为基准面，列贮槽液面0-0'与泵的吸入口1-1'两截面间的柏努利方程式，可得
式中:Hg---允许安装高度，m;
p0---吸入液面压力，Pa;
p1---吸入口允许的最低压力，Pa;
u1---吸入口处的流速，m/s;
ρ---被输送液体的密度，kg/m3;
∑hf，(0-1)---流体流经吸入管的阻力，m。
图1-38离心泵的允许安装高度
想一想影响离心泵的安装高度的因素有哪些?
三、离心泵安装高度的计算
工业生产中，计算离心泵的允许安装高度常用允许气蚀余量法。离心泵的抗气蚀性能参数也用允许气蚀余量来表示。允许气蚀余量是指离心泵在保证不发生气蚀的前提下，泵吸入口处动压头与静压头之和比被输送液体的饱和蒸气压头高出的最小值，用Δh表示，即:
将上式(1-52)代入柏努利方程得:
式中:Δh---允许气蚀余量(由泵的性能表查得)，m;
pv---操作温度下液体的饱和蒸气压，Pa。
Δh随流量增大而增大，因此，在确定允许安装高度时应取最大流量下的Δh。
当允许安装高度为负值时，离心泵的吸入口低于贮槽液面。
为安全起见，泵的实际安装高度通常比允许安装高度低0．5～1m。
【例1-13】型号为IS65-40-200的离心泵，转速为2900r/min，流量为25m3/h，扬程为50m，Δh允为2．0m，此泵用来将敞口水池中50℃的水送出。已知吸入管路的总阻力损失为2m水柱，当地大气压强为100kPa，求泵的安装高度。
因此，泵的安装高度不应高于4．95m。
【例1-14】用油泵从贮槽向反应器输送44℃的异丁烷，贮槽中异丁烷液面恒定，其上方绝对压力为652kPa。泵位于贮槽液面以下1．5m处，吸入管路全部压头损失为1．6m。44℃时异丁烷的密度为530kg/m3，饱和蒸气压为638kPa。所选用泵的允许汽蚀余量为3．5m，问此泵能否正常操作?
解:泵允许的安装高度:
【例1-15】用内径为100mm的钢管将河水送至一蓄水池中，要求输送量为70m3/h。水由池底部进入，池中水面高出河面26m。管路的总长度为60m，其中吸入管路为24m(均包括所有局部阻力的当量长度)，设摩擦系数λ为0．028。今库房有以下三台离心泵，性能如下表，试从中选用一台合适的泵，并计算安装高度。设水温为20℃，大气压力为101．3kPa。
解:在河水与蓄水池面间列柏努利方程，并简化:
减去安全余量0．5m，实为3．5m。
即泵可安装在河水面上不超过3．5m的地方。
任务十 离心泵的类型与选用
一、离心泵的类型
离心泵的种类繁多，相应的分类方法也多种多样，例如，按液体的性质可分为水泵、耐腐蚀泵、油泵、杂质泵、屏蔽泵、液下泵和低温泵等。各种类型的离心泵按其结构特点各自成为一个系列，并以一个或几个汉语拼音字母作为系列代号，在每一系列中，由于有各种不同的规格，因而附以不同的字母和数字来区别。以下仅对化工厂中常用离心泵的类型作一简单说明，见表1-9。
表1-9离心泵的类型
续表
图1-39多级泵示意图
图1-40双吸泵示意图
二、离心泵的选用
离心泵的选用，通常可按下列原则进行:
1．确定离心泵的类型根据被输送液体的性质和操作条件确定离心泵的类型，如液体的温度、压力，黏度、腐蚀性、固体粒子含量以及是否易燃易爆等都是选用离心泵类型的重要依据。
2．确定输送系统的流量和扬程输送液体的流量一般为生产任务所规定，如果流量是变化的，应按最大流量考虑。根据管路条件及柏努利方程，确定最大流量下所需要的压头。
3．确定离心泵的型号根据管路要求的流量Q和扬程H来选定合适的离心泵型号。在选用时，应考虑到操作条件的变化并留有一定的余量。选用时要使所选泵的流量与扬程比任务需要的稍大一些。如果用系列特性曲线来选，要使(Q，H)点落在泵的Q-H线以下，并处在高效区。
若有几种型号的泵同时满足管路的具体要求，则应选效率较高的，同时也要考虑泵的价格。
4．校核轴功率当液体密度大于水的密度时，必须校核轴功率。
5．列出泵在设计点处的性能供使用时参考。
【例1-16】用泵将碱液自常压贮槽送到高位贮槽中，管路所需压头为23．5m，流量为13m3/h，碱液密度为1500kg/m3，试选出合适的离心泵。
解:输送碱液，应选用F型离心泵，其材料宜用耐碱的铝铸铁，即选用FJ型泵。
根据Qe=13m3/h，He=23．5m
查本书附录十一列出的F型泵性能表，50F-25符合要求，其全型号应为50FJ-25。其主要性能如下:
流量:14．4m3/h轴功率:1．8kW扬程:24．5m
允许吸上真空高度:6m效率:53．5%
因为性能表中所列轴功率系按水定出，现输送密度为1500kg/m3的碱液，则轴功率应为:
【例1-17】常压贮槽内装有某石油产品，在贮存条件下其密度为760kg/m3。现将该油品送入反应釜中，输送管路为φ57mm×2mm，由液面到设备入口的升扬高度为5m，流量为15m3/h。釜内压力为148kPa(表压)，管路的压头损失为5m(不包括出口阻力)。试选择一台合适的泵。
在水槽液面1-1'与输送管内侧2-2'面间列柏努利方程，简化有:
其性能为:Q=15m3/h，He=30．03m，查附录十一所列出的Y型离心油泵，选泵65Y-60B，其性能如下:
流量:19．8m3/h压头:38m轴功率:3．75kW
效率:55%允许的气蚀余量:2．6m
任务十一 离心泵的操作与维护
一、离心泵的流量调节
在泵的叶轮转速一定时，一台泵在具体操作条件下所提供的液体流量和扬程可用H-Q特性曲线上的一点来表示。至于这一点的具体位置，应视泵前后的管路情况而定。讨论泵的工作情况，不应脱离管路的具体情况。泵的工作特性由泵本身的特性和管路的特性共同决定。
(一)管路特性曲线
由柏努利方程导出外加压头计算式:
Q越大，则∑Hf越大，则流动系统所需要的外加压头He越大。将通过某一特定管路的流量与其所需外加压头之间的关系，称为管路的特性。
上式中的压头损失:
若忽略上、下游截面的动压头差，则
上式称为管路的特性方程，表达了管路所需要的外加压头与管路流量之间的关系。在H-Q坐标中对应的曲线称为管路特性曲线，如图1-41所示。
管路特性曲线反映了特定管路在给定操作条件下流量与压头的关系。此曲线的形状只与管路的铺设情况及操作条件有关，而与泵的特性无关。
(二)离心泵的工作点
将泵的H-Q曲线与管路的H-Q曲线绘在同一坐标系中，两曲线的交点M点称为泵的工作点，如图1-42所示。
图1-41管路特性曲线
图1-42离心泵的工作点
①泵的工作点由泵的特性和管路的特性共同决定，可通过联立求解泵的特性方程和管路的特性方程得到。
②安装在管路中的泵，其输液量即为管路的流量;在该流量下泵提供的扬程也就是管路所需要的外加压头。因此，泵的工作点对应的泵压头既是泵提供的，也是管路需要的。
③指定泵安装在特定管路中，只能有一个稳定的工作点M。
(三)离心泵的流量调节
当离心泵在特定管路上工作时，若工作点的流量与生产要求的输送量不一致时，就应设法改变离心泵工作点的位置，即进行流量调节。由于泵的工作点由泵的特性曲线和管路特性曲线共同决定，因此，只要改变两曲线之一即可达到调节流量的目的。
1．改变出口阀门的开度通常生产中主要采取改变泵出口阀门开度的方法来改变管路特性曲线。当阀门关小时，管路的局部阻力增大，管路特性曲线变陡(如图1-43中的曲线1)，工作点由M移至M1，流量由QM减小到QM1;当阀门开大时，管路的局部阻力减小，管路特性曲线变得平坦一些(如图1-43中的曲线2)，工作点由M移至M2，流量由QM增大到QM2。
用阀门调节流量迅速方便，且流量可以连续变化，因此工业生产中主要采用此方法。
2．改变泵的转速或叶轮直径通常采用改变离心泵的转速的方法来改变离心泵的特性曲线。如图1-44所示，若把泵的转速由n提高到n1，泵的特性曲线H-Q上移，工作点由M移至M1，流量由QM增大到QM1;若把泵的转速减小到n2，工作点由M移至M2，流量由QM减小到QM2，这种调节流量的方法使流量随转速下降而减小，动力消耗也相应降低，但需要变速装置或价格昂贵的变速原动机，难以实现流量连续调节，故化工生产中很少采用。
图1-43改变阀门开度时流量变化示意图
图1-44改变泵的转速时流量变化
此外，改变叶轮直径也可以改变泵的特性曲线，从而达到调节流量的目的。每种基本型号的泵都配有几个直径大小不同的叶轮，故当流量定期变动时，采用这种方法是可行的，但流量调节的范围不大，且叶轮直径减小不当还可能降低离心泵的效率，限制了这种方法的实际应用。
二、离心泵的开、停车操作
(一)开车前的准备工作
(1)要详细了解被输送物料的物理化学性质，有无腐蚀性、有无悬浮物、黏度大小、凝固点、汽化温度及饱和蒸气压等。
(2)详细了解被输送物料的工况:输送温度、压力、流量、输送高度、吸入高度、负荷变动范围等。
(3)综合上述两方面的因素，参阅离心泵的特性曲线，从而选出最适合生产实际使用的离心泵。
(4)对一些要求较高的离心泵，应在设计中考虑在进口管安装过滤器，在出口阀后安装止逆阀，同时应在操作室及现场设置两套监控装置，以应对突发事故的发生。
(5)安装完毕后要进行试运转，在试运转中各项性能指标均符合要求的泵才能投入生产。
(二)开车程序
(1)开泵前应先打开泵的入口阀及密封液阀，检查泵体内是否已充满液体。
(2)在确认泵体内已充满液体且密封液流动正常时，通知接料岗位，启动离心泵。
(3)慢慢打开泵的出门阀，通过流量及压力指示，将出口阀调节至需要流量。
(三)停车程序
(1)与接料岗位取得联系后，慢慢关闭离心泵的出口阀。
(2)按电动机按钮，停止电动机运转。
(3)关闭离心泵进口阀及密封液阀。
(四)两泵切换
在生产过程中经常遇到两台泵切换的操作，应先启动备用泵，慢慢打开其出口阀，然后缓慢关闭原运行泵的出口阀，在这过程中要保持与中央控制室的联系，维持离心泵输出流量的稳定，避免因流量波动造成系统停车。
三、离心泵的日常运行与维护
(一)运行过程中的检查
(1)检查被抽出液罐的液面，防止物料抽空。
(2)检查泵的出口压力或流量指示是否稳定。
(3)检查端面密封液的流量是否正常。
(4)检查泵体有无泄漏。
(5)检查泵体及轴承系统有无异常声及振动。
(6)检查泵轴的润滑油是否充满完好。
(二)离心泵的维护
(1)检查泵进口阀前的过滤器，看滤网是否破损，如有破损应及时更换，以免焊渣等颗粒进入泵体;定时清洗滤网。
(2)泵壳及叶轮进行解体、清洗重新组装。调整好叶轮与泵壳的间隙。叶轮有损坏及腐蚀情况的应分析原因并及时进行处理。
(3)清洗轴封、轴套系统。更换润滑油，以保持良好的润滑状态。
(4)及时更换密封的填料，并调节至合适的松紧度;采用机械密封的应及时更换动环和密封液。
(5)检查电动机。长期停车后，再开车前应将电动机进行干燥处理。
(6)检查现场及遥控的一、二次仪表的指示是否正确及灵活好用，对失灵的仪表及部件进行维修或更换。
(7)检查泵的进、出口阀的阀体是否有因磨损而发生内漏等情况，如有内漏应及时更换阀门。
四、离心泵常见事故的处理
具体措施见表1-10、表1-11。
表1-10离心泵设备故障及处理措施
表1-11离心泵操作事故及防范措施
技能训练二离心泵操作训练
一、训练目标
(1)了解离心泵结构与特性，学会离心泵的操作。
(2)测定恒定转速条件下离心泵的有效扬程H、轴功率N以及总效率η与有效流量Q之间的曲线关系。
二、训练准备
(1)了解离心泵结构与特性及基本原理。
(2)了解离心泵定恒定转速条件下的特性曲线。
(3)了解离心泵流量调节的工作原理和使用方法。
(4)流程如图1-45所示。
图1-45离心泵装置图
1-压力表2-真空表
3-流量计4-泵5-贮槽
三、训练步骤
(1)对水泵进行灌水;灌好水后关闭泵的出口阀与灌水阀门。
(2)启动离心泵，启动离心泵后把出水阀开到最大，开始进行离心泵实验。
(3)流量调节:通过泵出口阀手动调节流量。改变不同的流量，在仪表台上读出电机转速n，流量Q，水温t，真空表读数p1和出口压力表读数p2并记录;采集不同流量下的数据，一般重复8～9个点为宜。
(4)关闭以前打开的所有设备电源。
(5)利用电脑软件处理实验数据，获取离心泵性能特性曲线。
四、思考与分析
(1)启动离心泵之前为什么要引水灌泵?如果灌泵后依然启动不起来，你认为可能的原因是什么?
(2)为什么用泵的出口阀门调节流量?这种方法有什么优缺点?
(3)泵启动后，出口阀如果打不开，压力表读数是否会逐渐上升?为什么?
(4)正常工作的离心泵，在其进口管路上安装阀门是否合理?为什么?
(5)试分析，用清水泵输送密度为1200kg/m3的盐水(忽略黏度的影响)，在相同流量下你认为泵的压力是否变化?轴功率是否变化?
任务十二 认识气体输送机械
气体输送机械在化工生产中具有广泛的应用。气体输送机械的结构和原理与液体输送机械大体相同，也有离心式、旋转式、往复式及流体作用式等类型。但气体具有可压缩性和比液体小得多的密度(约为液体密度的1/1000左右)，从而使气体输送具有某些不同于液体输送的特点，通常，按终压或压缩比(出口压力与进口压力之比)可以将气体压送机械分为四类，见表1-12。
表1-12气体压送机械的分类
一、离心式通风机
工业上常用的通风机主要有离心通风机和轴流通风机两种型式。轴流式通风机所产生的风压很小，一般只作通风换气之用。用于气体输送的，多为离心通风机。
(一)离心通风机的工作原理与结构
离心通风机的工作原理和离心泵一样，在蜗壳中有一高速旋转的叶轮，凭借叶轮旋转时所产生的离心力使气体压力增大而排出。离心通风机的结构与单级离心泵的结构大同小异。图1-46表示一离心通风机。它的机壳也是蜗壳形，壳内逐渐扩大的气体通道及其出口的截面则有方形和圆形两种，一般中、低压通风机多是方形，高压的多为圆形。通风机叶轮上叶片数目较多且长度较短，叶片有平直的，有后弯的，也有前弯的。图1-47所示为一低压通风机所用的平叶片叶轮。中、高压通风机的叶片是弯曲的，因此，高压通风机的外形与结构更像单级离心泵。根据所生产的压头大小，可将离心式通风机分为:
图1-46离心通风机
1-机壳2-叶轮3-吸入口4-排出口
图1-47低压通风机的叶轮
①低压离心通风机:出口风压低于0．9807×103Pa(表压)。
②中压离心通风机:出口风压为0．9807×103～2．942×103Pa(表压)。
③高压离心通风机:出口风压为2．942×103～14．7×103Pa(表压)。
(二)离心通风机的主要性能参数
离心通风机的主要性能参数有风量、风压、轴功率和效率，见表1-13。
表1-13离心通风机的主要性能参数
(三)离心通风机的选用
离心通风机的选用和离心泵的情况相类似，其选择步骤为:
(1)计算输送系统所需的操作条件下的风压H'T，并将H'T换算成实验条件下的风压HT。
离心通风机特性曲线，实验介质是压强为1．0133×105Pa，温度为20℃的空气，该条件下空气的密度ρ=1．2kg/m3。由于风压与密度有关，故若实际操作条件与上述实验条件不同时，应按下式将操作条件下的风压H'T换算为实验条件下的风压HT，然后根据HT的数值来选用风机。
式中:ρ'---操作条件下气体的密度，kg/m3;
HT---操作条件下气体的风压，N/m2。
(2)根据所输送气体的性质(如清洁空气，易燃、易爆或腐蚀性气体以及含尘气体等)与风压范围，确定风机类型。若输送的是清洁空气或是与空气性质相近的气体，可选用一般类型的离心通风机。
(3)根据实际风量Q(以风机进口状态计)与实验条件下的风压HT，从风机样本或产品目录中的特性曲线或性能表选择合适的机号，选择的原则与离心泵相同，不再详述。
(4)计算轴功率。风机的轴功率与被输送气体的密度有关，风机性能表上所列出的轴功率均为实验条件下，即空气的密度为1．2kg/m3时的数值，若所输送的气体密度与此不同，可按下式进行换算，即:
式中:P'---气体密度为ρ'时的轴功率，kW;
P---气体密度为1．2kg/m3时的轴功率，kW。
二、离心式压缩机
(一)离心压缩机的工作原理、主要构造和型号
离心压缩机又称透平压缩机，其结构、工作原理与离心通风机鼓风机相似，但由于单级压缩机不可能产生很高的风压，故离心压缩机都是多级的，叶轮的级数较多，通常在10级以上。叶轮转速高，一般在5000r/min以上。因此可以产生很高的出口压强。由于气体的体积变化较大，温度升高也较显著，故离心压缩机常分成几段，每段包括若干级，叶轮直径逐段减小，叶轮宽度也逐级有所减小。段与段间设有中间冷却器将气体冷却，避免气体终温过高，如图1-48所示。
图1-48离心式压缩机典型结构图
1-吸入室2-叶轮3-扩压器4-弯道5-回流器6-蜗室
7，8-轴端密封9-隔板密封10-轮改密封11-平衡盘
离心压缩机的主要优点:体积小，重量轻，运转平稳，排气量大且均匀，占地面积小，操作可靠，调节性能好，备件需要量少，维修方便，压缩绝对无油，非常适宜处理那些不宜与油接触的气体;主要缺点:当实际流量偏离设计点时效率下降，制造精度要求高，不易加工。
近年来在化工生产中，除了要求终压特别高的情况，离心压缩机的应用已日趋广泛。
国产离心压缩机的型号代号的编制方法有许多种。有一种与离心鼓风机型号的编制方法相似，例如，DA35-61型离心压缩机为单侧吸入，流量为350m3/min，有6级叶轮，第1次设计的产品。另一种型号代号编制法，以所压缩的气体名称的头一个拼音字母来命名。例如，LT185-13-1，为石油裂解气离心压缩机。流量为185m3/min，有13级叶轮，第1次设计的产品。离心压缩机作为冷冻机使用时，型号代号表示出其冷冻能力。还有其他的型号代号编制法，可参看其使用说明书。
(二)离心压缩机的性能曲线与调节
离心压缩机的性能曲线与离心泵的特性曲线相似，是由实验测得。图1-49为典型的离心压缩机性能曲线，它与离心泵的特性曲线很相像，但其最小流量Q不等于零，而等于某一定值。离心压缩机也有一个设计点，实际流量等于设计流量时，效率η最高;流量与设计流量偏离越大，则效率越低;一般流量越大，压缩比ε越小，即进气压强一定时流量越大出口压强越小。
当实际流量小于性能曲线所表明的最小流量时，离心压缩机就会出现一种不稳定工作状态，称为喘振。喘振现象开始时，由于压缩机的出口压强突然下降，不能送气，出口管内压强较高的气体就会倒流入压缩机。发生气体倒流后，使压缩机内的气量增大，至气量超过最小流量时，压缩机又按性能曲线所示的规律正常工作，重新把倒流进来的气体压送出去。压缩机恢复送气后，机内气量减少，至气量小于最小流量时，压强又突然下降，压缩机出口处压强较高的气体又重新倒流入压缩机内，重复出现上述的现象。这样，周而复始地进行气体的倒流与排出。在这个过程中，压缩机和排气管系统产生一种低频率高振幅的压强脉动，使叶轮的应力增加，噪声加重，整个机器强烈振动，无法工作。由于离心压缩机有可能发生喘振现象，它的流量操作范围受到相当严格的限制，不能小于稳定工作范围的最小流量。一般最小流量为设计流量的70%～85%。压缩机的最小流量随叶轮的转速的减小而降低，也随气体进口压强的降低而降低。
离心压缩机的调节方法有:
(1)调整出口阀的开度。此方法很简便，但使压缩比增大，消耗较多的额外功率，不经济。
(2)调整入口阀的开度。此方法很简便，实质上是保持压缩比降低出口压强，消耗额外功率较上述方法少，使最小流量降低，稳定工作范围增大。这是常用的调节方法。
(3)改变叶轮的转速。此法是最经济的方法。有调速装置或用蒸汽机为动力时应用方便。
(三)离心式压缩机的操作
1．开车前的准备工作
(1)检查电器开关、声光信号、联锁装置、轴位计、防喘装置、安全阀以及报警装置等是否灵敏、准确、可靠。
(2)检查油箱内有无积水和杂质，油位不低于油箱高度的2/3;油泵和过滤器是否正常;油路系统阀门开关是否灵活好用。
(3)检查冷却水系统是否畅通，有无渗漏现象。
(4)检查进气系统有无堵塞现象和积水存液，排气系统阀门、安全阀、止回阀是否动作灵敏可靠。
2．运行
(1)启动主机前，先开油泵使各润滑部位充分有油，检查油压、油量是否正常;检查轴位计是否处于零位和进出阀门是否打开。
图1-49离心压缩机性能
(2)启动后空车运行15min以上，未发现异常，逐渐关闭放空阀进行升压，同时打开送气阀门向外送气。
(3)经常注意气体压强、轴承温度、蒸汽压强或电流大小、气体流量、主机转速等，发现问题及时调整。
(4)经常检查压缩机运行声音和振动情况，有异常及时处理。
(5)经常查看和调节各段的排气温度和压强，防止过高或过低。
(6)严防压缩机抽空和倒转现象发生，以免损坏设备。
3．停车停车时要同时关闭进气、排气阀门。先停主机、油泵和冷却水，如果汽缸和转子温度高时，应每隔15min将转子转180°，直到温度降至30℃为止，以防转子弯曲。
4．紧急停车处理遇到下列情况时，应作紧急停车处理:
(1)断电、断油、断蒸汽时。
(2)油压迅速下降，超过规定极限而联锁装置不工作时。
(3)轴承温度超过报警值仍继续上升时。
(4)电机冒烟有火花时。
(5)轴位计指示超过指标，保安装置不工作时。
(6)压缩机发生剧烈振动或异常声响时。
复习与思考
1．何谓绝对压力、表压和真空度?进行压力计算时应注意哪些问题?
2．什么是流体的黏性?如何测量?
3．什么是稳定流动系统和不稳定流动系统?试举例说明。
4．应用柏努利方程式时，应注意哪些问题?如何选取基准面和截面?
5．已知水在水平管路中流动由A→B，如图1-50所示。问A、B两截面上:
①
哪个大?为什么?
②体积流量VSA、VSB哪个大?为什么?
③uA、uB哪个大?为什么?
6．流体的流动类型有哪几种?如何判断?什么是层流内层?层流内层的厚度与什么因素有关?
7．产生流动阻力的原因是什么?流动阻力有哪几部分构成?
8．在圆、直管内作层流流动的流体，若管径减小一半，问流速、雷诺数、压力降如何变化?
9．减少流动阻力的途径是什么?
10．为什么流体在管内要选择适宜的流速?如何选择?
11．试述管路的布置与安装原则。
12．简述离心泵的主要结构部件和工作原理。
13．什么是气蚀现象?气蚀现象有什么破坏作用?如何防止气蚀现象的发生?
图1-50
14．简述离心泵流量调节的方法和用出口阀调节流量的基本原理及优点。
15．一台离心泵在正常运行一段时间后，流量开始下降，可能会由哪些原因导致?
计算题
1．已知硫酸与水的密度分别为1830kg/m3与998kg/m3，试求含硫酸为60%(质量分数)的硫酸水溶液的密度。
2．燃烧重油所得的燃烧气，经分析得知其中含CO28．5%，O27．5%，N276%，H2O8%(体积分数)，试求此混合气体在温度为500℃、压力为101．3kPa时的密度。
3．在稳定流动系统中，水连续从粗管流入细管。粗管内径d1=10cm，细管内径d2=5cm，当流量为4×10-3m3/s时，求粗管内和细管内水的流速?
4．如图1-51所示，密闭容器中存有密度为900kg/m3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58kPa。试计算液面到下方测压口的距离。
图1-51
5．用内径是100mm的钢管从江中取水，用泵送入蓄水池。水由池底进入，池中水面高出江面30m，水在管内的流速是1．5m/s，管路的压头损失为1．72m。如果泵的轴功率为5kW，求泵的效率是多少?
6．如图1-52所示，用虹吸管从高位槽向反应器加料，高位槽与反应器均与大气相通，且高位槽中液面恒定。现要求料液以1m/s的流速在管内流动，设料液在管内流动时的能量损失为20J/kg(不包括出口)，试确定高位槽中的液面应比虹吸管的出口高出的距离。
图1-52
7．水经过内径为200mm的管子由水塔内流向各用户。水塔内的水面高于排出管端25m，且维持水塔中水位不变。设管路全部能量损失为24．5mmH2O，试求管路中水的体积流量为多少(以m3/h计)?
8．黏度8×10-3Pa·s，密度为850kg/m3的液体在内径为14mm的钢管内流动，溶液的流速为1m/s，试计算雷诺数Ｒe，并指明属于何种流动类型。
9．计算10℃水以2．7×10-3m3/s的流量流过φ57mm×3．5mm、长20m水平钢管的能量损失、压头损失及压力损失(设管壁的粗糙度为0．5mm)。
10．某离心泵以71m3/h的送液量输送密度为850kg/m3的溶液，在压出管路上压力表读数为3．2atm，吸入管路上真空表读数为220mmHg，两表之间的垂直距离为0．4m，泵的进出口管径相等。两侧压口间管路的流动阻力可忽略不计，如果泵的效率为60%，求该泵的轴功率。
11．用型号为IS65-50-125的离心泵将敞口贮槽中80℃的水送出，吸入管路的压头损失为4m，当地大气压为98kPa。试确定此泵的安装高度。
12．用内径100mm的钢管从江中取水，送入蓄水池。池中水面高出江面30m，管路的长度(包括管件的当量长度)为60m。水在管内的流速为1．5m/s。今仓库里有下列四种规格的离心泵，试从中选一台合适的泵。已知管路的摩擦系数为0．028。
13．常压贮槽内装有某石油产品，在储存条件下其密度为760kg/m3。现将该油品送入反应釜中，输送管路为φ57mm×2mm，由液面到设备入口的升扬高度为5m，流量为15m3/h。釜内压力为148kPa(表压)，管路的压头损失为5m(不包括出口阻力)。试选择一台合适的油泵。
14．某车间丁烷贮槽内储存温度为30℃的丁烷溶液，贮槽液面压强为324．24kPa(3．2atm)(绝压)，槽内最低液面高度在泵进口管中心线以下2．4m。已知30℃时丁烷的饱和蒸气压为3．1atm，相对密度为0．58，泵吸入管路的压头损失为1．6m，泵的汽蚀余量为3．2m。试问该泵的安装高度能否保证正常操作?