流体输配管网知识点(龚光彩版)

流体输配管网知识点

第1部分流体输配管网基础知识

基本要求：

掌握流体输配管网的基本功能与组成；

了解流体输配管网的分类方法，重点熟悉按照管内流动状态、动力、流体与外界环境关系、流动路径的确定性的分类；

了解典型流体输配管网类型、构成和特点。比如：绘制一个自己熟悉的流体输配管网，说明该管网中各组件的名称和作用。

流体输配管网概念

将流体输送并分配到各相关设备或空间，或者从各接收点将流体收集起来输送到指定点的管道系统称为流体输配管网。

流体输配管网基本功能

是将从“源”取得的流体，通过管道输送，按照流量要求，分配给末端装置；或者按流量要求从各末端装置收集流体，通过管道输送到“汇”。

流体输配管网基本组成

（1）末端装置

其作用是按要求从管道获取一定量的流体或将一定量的流体送入管道。如：排风管网的排风罩、送风管网的送风口、燃气管网的用气设备、卫生器具、配水龙头等。

（2）源和汇

源是指为管道中输送流体的来源；汇是指接受从管道汇集的流

体。比如，室外空气是送风管网的源，却是排风管网的汇；市政给水管是建筑给水管网的源，市政排水管是建筑排水管网的汇；上一级燃气管网是下一级燃气管网的源；热水锅炉既是供热管网的源，也是供热管网的汇。

（3）管道

管道是源或汇与末端装置之间输送和分配流体的必备通道。（4）动力

实际流体的流动总是存在阻力，因此必须提供动力，才能实现流体输配管网的基本功能。

流体输配管网的流动存在不同来源，主要可分为三种来源。一是来源于“源”，如锅炉；储气罐的压力；上级管网的压力。例如多数建筑给水管网中水的流动动力来自于市政给水管内的压力；

建筑燃气管网中的燃气流动动力来自于小区燃气管道内的压力；

供热管网中的热水或蒸汽的流动动力来自于供热锅炉的压力。二是来源于重力，如自然循环热水采暖；建筑排水管网中污水的流动是靠流体的自身重力实现的。三是来源于机械动力（风机、水泵），如通风管网中空气的流动动力由风机来提供，建筑给水管网中水的流动可以由水泵来提供。

要实现合理、定量、安全输送和分配流体，流体输配管网除了具有基本组成部分外，还需要其他一些装置，主要包括：1）调控设备，如阀门，2）特殊管网辅助装置，如蒸汽管网中的疏水器，液体管网中排气装置等；3）安全及计量装置，如安全阀，压力

表，流量计和温度计等。流体输配管网分类

（1）按照目的和用途来划分，大致可以分为四大类类别目的与用途具体实例

采暖管网（热水、蒸汽或

区域集中供暖）

空调通风管网

工业通风及环境控制管网

暖通空调管网满足环境控制目的管网系统

空调冷冻水、冷却水管网

建筑给水管网建筑排水管网

室内燃气（煤气）管网

用水用气管网满足生产工艺和生活需

要的用水用气管网系统城市燃气管网

消防给水管网泡沫灭火管网消防管网满足安全消防的管网系

统

防排烟管网制冷工艺输配管网

压缩空气输配管网

气力输送管网

其他特殊管网满足其他特殊要求除尘管网

（2）按流体介质

气体输配管网：如城市燃气管网

液体输配管网：如建筑给水管网

汽-液两相流管网：如蒸汽采暖管网

液-气两相流管网：如建筑排水管网

气-固两相流管网：如气力输送管网

等等

（3）按动力性质

重力循环管网：如自然循环热水管网、建筑排水管网

机械循环管网：如机械通风系统（泵、风机…）

（4）按管内流体和管外环境的关系

开式管网：管网内流动介质直接与大气相接触的管网，如：建筑给排水管网、通风管网、燃气管网。

特点:源或汇是开敞的环境空间；管网内流体与环境间流体的密度差级进出口高度差直接影响网内流体流动和所需动力；

闭式管网：管网内流动介质不直接与大气相通的管网，如蒸汽供暖管网、空调工程的冷热水管网。

特点:源或汇是同一个有限的封闭空间；管网内流体从源经管道输送到末端设备再汇集返回到源；

（5）按各并联管段所在环路间流程差异

同程式管网：各环路间的流程长度无显著差异，利于各并联环路均匀输配流体，管路较复杂，用于流量分配要求严格、且末段设备阻力较小的闭式支状管网。

异程式管网：各环路间的流程长度有显著差异，各并联环路的阻抗差异大，输配流体不均，调节困难，投资少。

（6）按管内流体流向的确定性分类

枝状管网：管网内任意管段内流动介质流向是唯一的。优点：管网结构比较简单，初投资比较节省，但管网某处发生故障时，

该点以后的管路将会受到影响。

环状管网：管网内某段管段内流动介质流向不确定。优点：当管网某处发生故障时，该点以后的用户可以通过另一方向供应流体，管网的可靠性高，如消防供水管网。

第2部分 管网水力计算基本原理水力计算包括设计和校核两类

（1）根据要求的流量分配，确定管网各管段管径和阻力，求得管网特性曲线，为匹配管网动力设备准备条件，进而确定动力设备的型号和动力消耗—设计计算；

（2）根据已定的动力设备，确定保证流量分配要求的管道尺寸—校核计算。 水力计算理论依据

（1）流体力学一元流动连续性方程和能量方程；

（2）串、并联管路的流动规律

?动力设备提供的压力等于管网总阻力

?各管段阻力是构成管网阻力的基本单元；

?管段阻力等于沿程阻力和局部阻力之和；

?若干管段串联后的阻力等于各管段阻力之和；

?各并联管段的阻力相等。计算管段的压力损失

y j j

p p p Rl p ?=?+?=+?

比摩阻R ：每米管长的沿程损失，可用流体力学的达西．维斯巴赫公式进行计算。

摩擦阻力系数 取决于流体的流动状态和管壁的粗糙程度 计算注意事项：

?流体流动状态

?公式使用条件和修正方法

根据速度和流量关系, 比摩阻R 的另外一种表达方式:

在给定某一水温和流动状态下，只要已知R 、G 、d 中任意两数，就可确定第三个数值。

管段的局部损失，可按下式计算：

流体通过管路各附件的局部阻力系数可查相关工程设计手册。管路阻抗概念：

根据 管段的阻抗s 表示当管段通过1kg/h 水量（单位流量）λ()

Re,f λε=2p sG ?=

时的压力损失值。

管网中各管段的压力损失和流量分配，取决于各管段的连接方法及各管段的阻抗S 值。

串联管路的总阻抗：管路的总阻抗为串联各管段阻抗之和

并联管路总阻抗：管路的总阻抗倒数的平方根为并联各管段阻抗倒数平方根之和

由由上式可见，并联管路各分支管段的流量分配与其阻抗平方根

的倒数成正比。

当并联管路各分支管段阻抗s 不变时，则管路总流量在各分支管段上的流量分配率不变。管路的总流量增加或减小多少倍，各分支管段也相应增加或减少多少倍。 均匀送风的原理和调节手段P266-269

123

ch p p p p ?=?+?+?123

ch s s s s =++123

b G G G G =+

+222

112233p s G s G s G ?==

=

第3部分泵和风机的理论基础

基本要求：

了解泵与风机的常用型式和分类；

掌握离心式泵与风机的工作原理及基本结构；

能绘出流体在叶轮内的运动速度三角形并求解，理解能量方程式的意义，掌握离心式泵与风机不同叶型的影响，掌握三个能头，即无限多叶片时的理论能头、有限叶片理论能头、实际能头三者之间的关系。

泵和风机性能参数：扬程、流量、转速、功率及效率的定义。掌握泵和风机功率和效率的计算方法；学会分析泵和风机内各项损失产生的原因，并寻求减少损失的措施。掌握泵和风机性能曲线。

泵与风机常用形式和分类

容积式：依靠内部工作容积变化来吸入和排出流体，它又分为往复式和回转式两种

叶片式：通过叶轮的旋转对流体做功，从而使流体获得能量，完成输送功能，它主要分为离心式和轴流式两种。

离心式泵与风机的工作原理及基本结构

工作原理：叶轮高速旋转时产生离心力使流体获得能量，压能和动能都得到提高，从而完成输送流体的功能。

实质：能量的传递和转化过程，即电动机高速旋转的机械能转化为被输送流体的动能和势能。

基本结构

叶片出口角

沿着叶片切向方向和叶轮旋转周向速度的反向夹角。

速度三角形

已知流量和叶轮的转速其中b

是叶轮宽度， 为叶片排挤系数，反映了叶片厚度对流道

u

v u

v u w

=+v v v 2T V r r q v F v rb πε

=?=?ε

过流面积遮挡的影响。 泵和风机理想欧拉方程

基本假定

（1）流动为恒定流，即流动不随时间变化。

（2）流体为不可压缩流体，即进出口流体密度不变

（3）叶片数目无限多，叶片厚度无限薄

（4）流体在叶轮中的流动过程没有任何能量损失，是理想流动。理想欧拉方程分析

（1）流体所获得的理论扬程H T ∞，仅与流体在叶片进、出口的运动速度有关，而与流动过程无关。

（2）该理论扬程H T ∞与被输送流体的种类无关。只要叶片进出口处速度三角形相同，都可以得到相同的扬程。

欧拉方程的修正

——实际叶轮欧拉方程叶片无限多，无限薄：轴向涡流对流速分布的影响

22111()T T u T T u T H u v u v g

∞∞∞∞∞=?-?22111()T T u T T u T H u v u v g

=?-?1<=∞

T T H H K

K 称为环流系数。对离心式泵与风机来说，K 值一般在

0.78~0.85之间。

当进口切向分速v u1＝v1?cos α1＝ v1?cos90 =0，因此，在设计泵或风机时，总是使进口绝对速度与圆周速度间的工作角等于90度

为简明起见，将流体运动诸量中用来表示理想条件的下角标“T”去掉 ：泵和风机损失P48-51

水力损失

容积损失

机械损失泵和风机损失性能参数P35

泵的扬程：单位重力流量的流体通过泵所获得的有效能量，单位是m

风机的全压：单位体积气体通过风机所获得能量增量，单位Pa 风机的静压：风机全压-动压

有效功率：单位时间内流体经过泵与风机后获得的能量，单位kW

221T T u T H u v g

=221T u H u v g

=

全效率：泵与风机有效功率与其轴功率之比

转速：泵或风机叶轮每分钟的转速，单位r/min 泵和风机性能曲线

1）泵与风机流量和扬程之间的关系

2）泵与风机流量和轴功率之间的关系

3）泵与风机流量和效率之间的关系叶型对泵和风机性能曲线的影响

就一定大小泵与风机来说，转速不变时

221T u H u v g =222

2

22V

T u u q H ctg g g D b βεπ=-2T V

H A Bctg q β=-?

前向型叶片易发生电机超载。后向型几乎不会发生超载现象。从流体所获得的扬程看，前向叶片最大，径向叶片稍次，后向叶片最小。

22u v u >22u v u <22u v u =从效率观点看，后向叶片最高，径向叶片居中，前向叶片最低。从结构尺寸看，在流量和转速一定时，达到相同的压力，前向叶

轮直径最小，而径向叶轮直径稍次，后向叶轮直径最大。从工艺观点看，直叶片制造最简单。大功率的泵与风机一般用后向叶片较多。如果对泵与风机的压力要求较高，而转速或圆周速度又受到一定限制时，则往往选用前向叶片。从摩擦和积垢角度看，选用径向直叶片较为有利。

相似律与比转速P54-62

习题

1.在下列答案中选择：属于流体输配管网基本组成中的末端装置。

A．燃气罩 B. 锅炉 C. 管道 D. 阀门

2. 在下列答案中选择：属于闭式管网。

的风量是否满足要求和动力匹配是否合理，此种计算属于。

A．校核计算 B. 设计计算 C. 设计或校核计算 D. 设计校核计算

6．管网中流体稳定流动的条件是管网的流动动力管网流动总阻力。

A．大于 B. 小于 C. 等于 D. 小于等于

7. 不会影响水封高度的因素是：。

A．管内气压 B. 水蒸发率 C. 水中杂质含量 D. 管内表面粗糙度

8. 在气固两相流管网中，输送风速和悬浮风速的关系是：。

A．输送风速大于悬浮风速 B. 输送风速小于悬浮风速

C. 输送风速等于悬浮风速

D. 无法确定

9．下面属于欧拉方程假定条件的是：。

A．非恒定流 B. 叶片数目无限多，厚度无限薄

C. 可压缩流体

D. 有能量损失的实际流动

10．几乎不会发生电机超载现象。

A．后向型叶片 B. 前向型叶片 C. 径向型叶片 D. 每种叶片都

二、简答题（本题共8小题，每小题5分，共40分）

1.举2个实例说明用压力驱动的流体输送管网。

2. 什么是开式管网？什么是闭式管网？各举两例。

3. 为什么供暖空调冷热水管网要设排气装置？排气装置设在什么地方？为什么建筑给水管网不设排气装置？

供暖空调冷热水管网中通常会有少量气体（空气）产生，这些气体汇集后会减少管道

的过流断面，甚至产生气塞，影响管网的正常运行，加快管网的腐蚀。因此，通常需

要对气体进行集中排放，排气装置设在系统的最高处。建筑给水管网是开式管网，各

水龙头防水时，管网中的气体可一并排出，因此给水管网不需要设排气装置。

4.什么说管内流速是流体输配管网设计和运行的重要参数？在确定管内流速时，应考虑哪些因素？

管内流速的取定，对系统的经济性和技术性都有关系。合理的管内流速能够保证系统

正常、经济地运行，达到设计的流量要求。确定管内流速应考虑以下几个因素：

（1）管内流体种类不同流体的流速范围不同，取定合理的流速范围；

（2）经济性流速大，管道断面小，占用空间小，基建费用少，但相应系统阻力大，动力消耗多，运行费用高；反之亦然。从而，在选择流速时，应使初投资和运行费的

综合效果最佳。

（3）运行可靠性流速的选定与阻力、噪声都有关，选定的流速应使阻力容易平衡，达到设计的流量，并且尽量减少运行噪声。

5、确定图中管网的最不利环路。（5分）

最不利环路：通风管网：1—2—3—4—7或1—2—5—6—10；

燃气管网：a—b—e—f—j

6. 流体输配管网为什么要进行水力计算？水力计算有哪些主要步骤？不同流体的输配管网，水力计算的主要区别是什么?

流体输配管网进行水力计算的原因：根据设计要求的流量分配，通过水力计算，确定管网各管段的管径或断面尺寸，计算出各管段阻力，求得管网的特性曲线，为管网动力设备的选定作准备。同时，通过水力计算也可以提高管网运行的可靠性和经济性。水力计算的主要步骤有：（1）绘制管网轴侧图，对管段进行标定端号；（2）确定合理的管内流速；（3）根据流量和流速，确定各管段断面尺寸；（4）计算各管段阻力；

（5）对各并联环路进行阻力平衡计算和调整；（6）计算管网总阻力，求取管网特性曲线；（7）根据管网特性曲线， 要求输送流体流量及种类、性质等因素，确定管网动力设备。

不同流体的输配管网，水力计算的方法基本相同，其主要的区别有（1）不同管网对阻力平衡的效核。有的管网需要阻力平衡计算，有的则不需要。需要进行阻力平衡计算的管网，其不平衡率要求也不尽相同；（2）不同管网对流体流速要求不同；（3）不同管网对局部阻力的处理不尽相同，有的采用阻力系数，有的采用当量长度；（4）不同管网对单位长度比摩阻要求不尽相同。

7. 写出泵与风机的流量系数、全压系数、功率系数。写出流量、全压、功率换算公式。分析泵与风机提高转速后有哪些利弊？

流量系数：222

4V V q q D u π

=全压系数：

22u P P ρ=功率系数：23224P

D u P π

ρ

=流量换算公式：3

2

''2'V V q D n q D n

??=? ???全压换算公式：2'2'22''??? ?????? ??=n n D D p p ρρ功率换算公式：53

2

''''2D P n P D n ρρ????= ? ?????8.回答串并联管网阻力规律。

9.什么叫供热系统中的垂直失调？

10.建筑内部排水流动特点有哪些？

11.简述离心式泵与风机的工作过程。

三、分析与计算题（本题共3小题，1、3小题各15分，2小题各10分，共40分）

1. 泵与风机的理论扬程方程为：。请回答：在什么条()T u T T u T T v u v u g

H 11221?-?=件下理论扬程方程可简化为：，这有何指导意义？T u T T v u g

H 221?=2. 燃气管网水力计算不强调并联支路阻力平衡的原因是什么?

末端用气设备如燃气灶、热水器等阻力较大，而燃气输配管道阻力相对较小，因此

各并联支路阻力相差不大，平衡性较好；

一般采用下供式，最不利环路是经过最底层的环路。由于附加压头的存在，只要保

证最不利环路的供气，则上层并联支路也一定有气；

各并联支路在燃气的使用时间上并非同时使用，并且使用时也并非都在额定流量工

况下使用，其流量可以通过用户末端的旋塞，阀门等调节装置根据需要调节。签于以上原因，燃气管网无需强调并联支路的阻力平衡

3如图所示通风系统，各管段的设计流速和计算阻力如下表。

（1） 系统风机的全压和风量应为多少？

（2）各设计风量能否实现？若运行时，测得1#排风口的风量为

4000，2#、3#排风口的风量是多少？

h m 3（3）若运行中需要增加1#排风口的风量，应怎样调节？

管段

1—42—44—53—55—67—8设计流量

（）

h m 3400060001000050001500015000设计流速

（）

s m 661081012计算阻力（）a p 18012060200120250

（1）最不利环路选择为：1—4—5—6—7—8，最不利环路计算阻力

，考虑10%的富a p p p p p p 6102501206018087655441=+++=?+?+?+?=?----裕量，风机全压；系统所有风量之和为15000，考虑a p p 6706101.1≈?=h m 310%的富裕量，选用风机风量。

h m Q 3165000150001.1=?=（2）各设计风量不能实现，因为各并联环路未实现压力平衡。

当1#风口风量为4000时，可知；因为管段1—4与管段2—h m 3a p p 18041=?-4并联，所以；

a p p 18042=?-从而，对管段2—4有：；；计算可得1206000242=?-S 1802

4242=?--Q S 。

734842=-Q h m 3管段4—5中风量；从而，同理可计算得∴113484000734854=+=-Q h m 3到。

a p p 6454=?-∴a

p p 24464180541=+=?--∴a

p p 24453=?-从而，同理可计算得到。

552353=-Q m 3综上，当1#风口风量为4000时，2#为7348，3#为5523。

m 3m 3m 3(3)运行中如要增加1#风口的排风量，可以提高风机转速或在保持风机全压和流量不变的前提下，关小并联支路2—4的阀门开度，增大支路2—4的阻力；当关小支路3—5的阀门开度时，同样也可以部分增大1#排风口风量（2#排风口风量也同时增加）；同时关小2—4、3—5支路阀门开度，则1#排风口增加排风量更加明显。