1、学习领域石油化工流体输送单元操作,学习情境二 离心泵的操作,任务一 流体输送基础知识,知识目标：掌握离心泵的结构和工作原理；了解离心泵的主要性能参数及特性曲线；掌握离心泵的特性曲线及其操作利用；掌握离心泵安装高度的计算方法及流量调节；能力目标：根据工况，能选用合适的离心泵；能独立、正确启用离心泵；能独立、正确停用离心泵；能独立进行离心泵的切换、流量调节及组合操作；能熟练使用劳动工具和穿戴劳保用品；能进行操作评价，并书写报告。,任务一 流体输送基础知识,一、连续性方程 1稳定流动系统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
2、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。本章所讨论的流体流动为稳定流动过程,2连续性方程,稳定流动系统，流体充满管道，连续不断地从截面1流入，从截面2流出,以单位时间为衡算基准，依质量守恒定律，进入截面1的流体质量流量与流出截面2的流体质量流量相等。,qm1=qm 2(1)式中 qm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；流体的密度，kg/m3。,因为 qm=uA 故 qm=u1A1
3、 1=u2A2 2(2)若将上式推广到管路上任何一个截面，即 qm=uA=常数(3)上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=常数，则 qv=uA=常数(4)式中 qv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，则(5)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）至式（5）称
4、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。,二、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力方程，因此柏努力方程及其应用极为重要。根据对稳定流动系统能量衡算，即可得到柏努力方程。（一）流动系统的能量 1流体所具有的能量机械能(1)位能 位能是流体处于重力场中而具有的能量。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。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。单位质量流体的静压
5、能为（J/kg）,2.压力的表示方法,不同的基准流体压力的大小不同。绝对压力：以绝对真空为基准测得的压力。它是流体的真实压力。表压力或真空度：以大气压力为基准测得的压力。,表压力：当被测流体的绝对压力大于外界大气压力时，所用的测压仪表称为压力表。压力表上的读数表示被测流体的绝对压力比大气压力高出的数值。真空度：当被测流体的绝对压力小于外界大气压力时，所用的测压仪表称为真空表。真空表上的读数表示被测流体的绝对压力低于大气压力的数值。显然，真空度为表压的负值，并且设备内流体的真空度愈高，它的绝对压力就愈低。,（二）柏努利方程式,1.实际流体的柏努利方程,衡算范围：1-1面、2-2面与壁面所围成的封
6、闭区域，设流体为不可压缩流体，不变 衡算基准：1kg质量的流体，0-0面为基准面 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，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。,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能量衡算：,式中 gz1、分别为流体在截面1上的位能、动能、静压能，J/kg；gz2、分别为流体在截面2上的位能、动能、静压能，J/kg；实际流体的柏努利方程反映了流体流动过程中各种能量的转化和守恒规律，在
7、流体输送中具有重要意义。,注意：gz、是指在某截面上1kg流体本身所具有的能量，而We、hf是指流体在两截面之间所获得和所消耗的能量。柏努利方程的得出是对流体进行能量衡算,必须确定衡算范围。选截面：a.垂直；b.沿流动方向上游为1截面，下游为2截面。选基准面：水平、可任选。,2柏努利方程的讨论,(1)理想流体的柏努利方程 理想流体：无粘性、无压缩性，流动时无阻力，hf=0。当流动系统中无外功加入时（即We=0）则 说明：理想流体稳定流动时，总机械能为一常数。理想流体在流动系统的各截面上所具有的总机械能相等，而每一种形式的机械能不一定相等，但各种形式的机械能可以相互转换。,(2)可压缩流体 对于
8、可压缩流体，若流动系统两截面间的绝对压力变化较小时（常规定为%），仍可用柏式进行计算，但流体密度应以两截面间流体的平均密度m来代替。(3)以单位重量（1N）流体为计算基准的柏努利方程将以1kg流体为基准的柏式中的各项除以g，则可得 令 则,z、与Hf分别称为位压头、动压头、静压头与压头损失，而He则被称为输送设备对流体所提供的有效压头。3.柏式使用条件(1)稳定、连续、不可压缩系统。(2)两截面间流量不变，满足连续性方程。4.柏努利方程的应用(1)确定高位槽供液系统的槽面高度(2)确定输送设备的有效功率(3)确定送液气体的压力(4)流量测量,5解题要点(1)作图与确定衡算范围 根据题意画出流动
9、系统的示意图，并指明流体的流动方向，以明确流动系统的衡算范围。(2)截面的选取 截面应与流向垂直；定出上（1-1）、下游（2-2）截面；两截面间的流体必须是连续的，所求的未知量应在截面上或在两截面之间反映出来，且截面上有关物理量，除了所需求取的未知量外，都应该是已知的或能通过其它关系计算出来。求有效功率，截面选在泵的两侧。,(3)基准水平面的选取 基准水平面可以任意选取，但必须与地面平行。为了计算方便，通常取基准水平面通过所选两个截面中的任一个截面，一般选低位，如截面与基准面垂直，则取基准水平面通过截面的中心，z值是指截面中心点与基准水平面间的垂直距离。(4)单位必须统一 两截面的压力除要求单
10、位一致外，还要求表示方法一致，应为绝对压力，但由于式中所反映的是压力差，因此压力也可以同时用表压力。6解题步骤(1)作图与选截面；(2)选取基准水平面；(3)列方程，寻找已知条件，求解。,三、流体流动的型态（一）流动类型的划分 1、雷诺实验,雷诺实验装置,雷诺实验现象,层流：流体质点沿管轴方向作直线运动，分层流动，又称滞流。湍流：流体质点除沿轴线方向作主体流动外，还在各个方向有剧烈的随机运动，又称紊流。说明：过渡状态不是一种独立的流动型态，介于层流与湍流之间。可以看成是不完全的湍流，或不稳定的层流，或者是两者交替出现，随外界条件而定，受流体流动干扰的控制。,2、两种流动型态,层流与湍流在圆管内
11、的速度分布,层流时其速度分布曲线呈抛物线形。如图1-15所示。管壁处速度为零，管中心处速度最大。平均流速u0.5umax 湍流时其速度分布曲线呈不严格抛物线形。管中心附近速度分布较均匀，如图1-16所示，平均流速u0.82umax,层流速度分布,1、雷诺准数Re,（二）流体流动型态的判定,雷诺准数，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。,2、判据,Re2000 层流(滞流)Re=20004000 过渡状态Re4000 湍流应该指出，在20002000可作湍流处理。,（三）湍流流体中的层流内层,层流内层：当管内流体做
12、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准数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。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。,层流内层,（一）流体的粘度,1粘性 流体流动时产生内摩擦的性质称为流体的粘性。粘性大的流体流动性差，粘性小的流体流动性好。粘性是流体的固有属性，流体无论是静止还是流动，都具有粘性。,三、流体在管内的流动阻力,牛顿粘性定律,牛顿粘性定律，即流体层间的剪应力与速度梯度成正比。式中比例系数，称为动力粘度或绝对粘度，简称粘度
13、。服从牛顿粘性定律的流体，称为牛顿型流体，所有气体和大多数液体都属于这一类。不服从牛顿粘性定律的流体，称为非牛顿型流体。,流体相邻层间的内摩擦力即为F,若单位流层面积上的内摩擦力称为剪应力，则,2粘度,粘度是表征流体粘性大小的物理量，是流体的重要物理性质之一，流体的粘性越大，粘度值越大，其值由实验测定。影响因素：流体的粘度是流体的种类及状态（温度、压力）的函数，液体的粘度随温度升高而减小，气体的粘度随温度升高而增大。压力变化时，液体的粘度基本不变，气体的粘度随压力增加而增加得很少，一般工程计算中可以忽略。查取：某些常用流体的粘度，可以从有关手册和本书附录中查得。单位及换算：在SI制中，粘度的单
14、位是Pas，在工程上或文献中粘度的单位常用cgs制，泊（P）或厘泊（cP）表示 1Pas=10P=1000cP 在工业生产中常遇到各种流体的混合物。混合物的粘度，如缺乏实验数据时，可参阅有关资料，选用适当的经验公式进行估算。,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：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：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：直管阻力和局部阻力的总和。,（二）流动阻力,1.直管阻力计算,（1）范宁公式直管阻力通常由范宁公式计算,式中 hf直管阻力，J/kg；摩擦系数，也称摩擦因数，无单
15、位；l直管的长度，m；d直管的内径，m；u流体在管内的流速，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。的值与反映流体湍动程度的Re及管内壁粗糙程度的大小有关。,（2）管壁粗糙程度对管流的影响,工业生产上所使用的管道，大致可分为光滑管与粗糙管。绝对粗糙度：绝对粗糙度是指管壁突出部分的平均高度，以表示相对粗糙度：相对粗糙度是指绝对粗糙度与管道内径的比值，即/d。管壁粗糙度对摩擦系数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。,某些工业管道的绝对粗糙度,（3）摩擦系数的确定,层流时摩擦系数：流体作层流流动时，与/d无关，摩擦系数只是雷诺准数的函数,哈根
16、-伯稷叶方程：流体在圆直管内作层流流动时的阻力计算式,湍流时摩擦系数：,使用经验公式计算：各种经验公式，均有一定的适用范围，可参阅有关资料。查莫狄（Moody）图：可以方便地根据Re与/d值从图中查得各种情况下的值。根据雷诺准数的不同，可在图中分出四个不同的区域：a层流区 当Re4000且在图中虚线以下区域时，=f（Re，/d）。对于一定的/d，随Re数值的增大而减小。d完全湍流区 即图中虚线以上的区域，只取决于/d。当/d一定时，为定值。此区域内，阻力损失与u2成正比，故又称为阻力平方区。/d值越大，达到阻力平方区的Re值越低。,莫狄图,2.局部阻力,局部阻力一般有两种计算方法，即阻力系数法
17、和当量长度法。（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。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。,式中 u管内流体的平均流速，m/s。le当量长度，m，由实验测定，某些管件与阀门的当量长度也可以从图1-21查得。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。,（2）阻力系数法将局部阻力表示为动能的一个倍数，则,式中 局部阻力系数，无单位，其值由实验测定。,3.总阻力,1.当量长度法 当用当量长度法计算局部阻力时，其总阻力计算式为 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 管路全部的局部阻力系数之和。,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。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pf（1m3流体流动时的流动阻力，m）表示。它们之间的关系为hf=Hf gpf=hf=Hf g,
