北京化工大学 化工原理第三章流体输送机械
化工原理：1.7 流体输送机械
目的：给流体加入机械能1.7.1 管路特性曲线流体对输送机械的能量要求从1至2截面1.7 流体输送机械H g u g p z +++22111ρf H g u g p z ∑+++=22222ρ2242282V V f Kq q g d d l gu d l H =⎪⎭⎫ ⎝⎛+∑=⎪⎭⎫ ⎝⎛+∑=∑πζλζλ高度湍流，K 与流量无关管路特性的影响因素阻力部分：①管径d②管长l 、l e 或ζ③势能增加部分：①位差Δz②压差Δp③密度ρ： dεgp p ρ12-（对液体动能差项很小，可忽略）流体输送机械分类按作用原理分：动力式(叶轮式)：离心式，轴流式；容积式(正位移式)：往复式（打气筒），旋转式； 其它类型：喷射式，流体作用式等。
按流体可压缩性分：液体输送机械：统称为泵；气体输送机械：通风机鼓风机压缩机真空泵1.7.2 离心泵构造及原理离心泵的主要构件(录像)叶轮：迫使液体高速旋转，形成离心力场中心加入低势能、低动能液体外缘输出高势能、高动能液体蜗壳：流道逐渐扩大，将动能部分转化成势能1.7.3 离心泵的特性曲线1.7.3.1 离心泵的特性曲线（1）泵的有效压头泵内损失：容积损失:部分流体漏回入口处水力损失:μ≠0,叶片数目有限机械损失:轴承、轴封的摩擦（2）泵的有效功率P e =ρgq V H eP a 基本上随流量q V 单调上升 泵启动时关出口阀（3）泵的效率ae P P =η泵的特性曲线测定(录像)d吸=38mm,d出=25mm,测得水流量q V=5×10-4m3/s,p压=0.2MPa,p真=27kPa。
求：H e=?解：由泵进、出口列方程（4）特性曲线的影响因素①密度: ρ对H e ~q V ,η~q V 无影响;对P a ~q V 有影响②黏度: μ对H e ~q V ,η~q V ，P a ~q V 都有影响（20℃水的μ ，对高μ流体特线修正）③转速: 当n 变化<20%时，比例定律：如果则有 n n q q VV ''=2''⎪⎭⎫ ⎝⎛=n n H H e e 3''⎪⎭⎫ ⎝⎛=n n P P a a1.7.3.2 离心泵的工作点及流量调节（1）工作点工程处理方法：过程分解法（2）流量调节(a)出口阀开度优点：调节简便、灵活缺点：能耗(b)改变转速n节能，但不方便1.7.4.1 汽蚀现象(录像)叶轮入口K处压强最低，H g太大时，p K≤p V,液体汽化，形成汽泡，受压缩后溃灭。
流体输送与流体输送机械1(化工单元操作过程)
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流体输送管道系统
管材选择
管件与阀门
根据流体性质、工作压力、温度等参数， 选择合适的管材，如钢管、塑料管、铜管 等。
根据管道系统的需要，选择合适的管件和 阀门，如弯头、三通、截止阀、止回阀等 。
管道连接方式
管道支撑与固定
根据管材和管件的特点，选择合适的连接 方式，如焊接、法兰连接、承插连接等， 以确保管道系统的密封性和稳定性。
回收利用余热和排放气体
通过回收利用余热和排放气体，减少能源浪费和环境污染。
流体输送过程的自动化与智能化
自动化控制
采用自动化控制系统，实现流体输送过程的远程 监控和自动调节。
数据采集与分析
持
利用人工智能技术，对流体输送过程进行智能分 析、预测和优化，提高决策效率和准确性。
设计合理的管道支撑和固定结构，以防止 管道振动、变形和位移，确保管道系统的 安全性和稳定性。
流体输送过程中的安全与环保问题
流体泄漏与控制
采取有效措施防止流体输送过程中的泄漏， 如选用密封性能良好的阀门和管件、定期 检查管道密封性能等。
流体压力控制
合理设计流体压力控制系统，防止超压和 欠压现象对管道和设备造成损坏或影响生 产过程。
选择输送方式
根据流体性质、输送距离、地形条件等因素，选择适当的输送方式， 如泵送、压缩空气输送、真空吸送等。
设计输送管道系统
根据工艺流程图，设计合理的输送管道系统，包括管道的走向、连接 方式、支撑结构等，以确保流体输送的稳定性和可靠性。
确定控制方式
根据工艺要求和流体特性，选择适当的控制方式，如远程控制、自动 控制、手动控制等，以满足生产过程的自动化和安全性需求。
化工原理流体输送机械
化工原理流体输送机械1. 引言化工过程中，涉及到大量的流体输送工作。
流体输送机械是一类用于输送、泵送、搅拌、混合等操作的设备。
本文将介绍化工原理中常用的流体输送机械，包括离心泵、齿轮泵、隔膜泵、搅拌器等。
2. 离心泵离心泵是一种常用的流体输送机械，它利用离心力将流体从低压区域输送到高压区域。
离心泵的工作原理是通过转子的旋转使得流体在离心力的作用下产生压力差，从而实现输送效果。
离心泵具有结构简单、造价低廉、输送流量大的优点，广泛应用于化工领域。
2.1 离心泵的结构离心泵主要由叶轮、泵壳、轴和轴承等部分组成。
叶轮是离心泵中最关键的部件，它负责将流体由低压区域吸入并输出到高压区域。
泵壳是离心泵的外壳，起到固定叶轮和导向流体的作用。
轴和轴承用于传输转子的动力，并保证转子的平稳运转。
2.2 离心泵的工作原理离心泵的工作原理是基于离心力的作用。
当叶轮旋转时，流体将沿着叶轮的轴向方向进入泵壳，然后受到叶轮的离心力的作用，沿着辐射方向产生压力差。
高压区域的流体将通过出口管道输出，形成流动。
离心泵的输出流量取决于叶轮的转速和叶片的数目，可以通过调节叶轮的转速和叶片的数目来控制流量大小。
3. 齿轮泵齿轮泵是一种常用的流体输送机械，它利用齿轮的旋转来实现流体的输送。
齿轮泵的工作原理是通过两个或多个齿轮的啮合来产生压力差，从而将流体从低压区域输送到高压区域。
齿轮泵具有结构紧凑、输送流量稳定的优点，适用于输送高粘度的流体。
3.1 齿轮泵的结构齿轮泵由齿轮、泵体和轴等部分组成。
齿轮是齿轮泵中最关键的部件，它负责将流体从低压区域吸入并输出到高压区域。
泵体是齿轮泵的外壳，起到固定齿轮和导向流体的作用。
轴用于传输齿轮的旋转动力。
3.2 齿轮泵的工作原理齿轮泵的工作原理是基于齿轮的旋转和啮合作用。
当齿轮旋转时，流体将被齿轮齿槽所包围，形成封闭的空间。
齿轮的旋转使得空间逐渐缩小，流体被压缩，并在齿轮齿槽的作用下产生压力差。
高压区域的流体将通过出口管道输出，形成流动。
化工基础流体输送及机械
工艺实施、过程设计和优化；
❖ 生物化工：研究有生物体或生物活性物质参与的过程的基
本原理和工程技术问题；
❖ 应用化学：研究精细化学品、专用化学品、功能材料及器
件等的制备原理和工艺技术；
❖ 工业催化：研究催化剂和部：wf=ζ(u2/2)
i.e. hf=ζ(u2/2g)
总： Σwf= (λ(l/d)+Σζ)(u2/2) = λ(l+Σle)/d(u2/2)
i.e. Σhf=λ(l/d)(u2/2g) = λ(l+Σle)/d(u2/2g)
简单管路
没有分支或汇合 ❖ 特点：
质量流量保持不变； 总阻力损失为各段损失之和。
稳态过程：输入物料量 = 输出物料量 ❖ 能量衡算(Energy Balance)：
输入能量 = 输出能量 + 系统累积能量 稳态过程：输入能量 = 输出能量 ❖ 过程速率 = 过程推动力/过程阻力
本课程的教学内容
❖ 单元操作
54学时
❖ 化学反应工程基础 18学时
❖ 化工热力学基础 18学时
第一章 流体流动(Fluid Flow)
❖ 质量流量(Mass Flux)：ms=m/θ (单位时间流过
管路任一截面的流体质量）
❖ 流速(Velocity)：u = Vs/A (体积流量除以管截
面所得的平均速度）
❖ 质量流速(Mass Velocity) ：G=ms/A (质量流量
与管截面的比值）
❖ 稳定流动（Steady Flow）— p、ρ、z等物理 量不随时间θ变化
截面流量计：转子流量计
❖ 差压流量计：等截面、变压差 节流口面积不变，流体流经节流口所产生的△p随V 而变，通过测定△p间接测定流量V 。
化工原理流体输送机械习题
化工原理流体输送机械习题1. 一个水泵的输出功率为10 kW，流量为0.5 m3/s。
若泵的效率为0.8，请计算泵的扬程。
2. 一台离心压缩机的进口直径为0.5 m，出口直径为0.3 m，转速为3000 rpm。
若空气的密度为1.2 kg/m3，进口压力为1 bar，出口压力为2 bar，请计算压缩机的流量。
3. 一根长度为10 m，内径为0.2 m的水平管道中有水流动。
若管道内的摩擦系数为0.02，水的密度为1000 kg/m3，流量为0.1 m3/s，请计算管道中的压力损失。
4. 一台离心泵的特性曲线如下表所示，请根据曲线确定泵的最大扬程和最大流量。
| 流量 (m3/s) | 扬程 (m) ||------------|---------|| 0.1 | 60 || 0.2 | 50 || 0.3 | 40 || 0.4 | 30 || 0.5 | 20 || 0.6 | 10 |5. 一台柱塞泵每分钟工作100次，每次排量为0.1 L。
若柱塞直径为5 cm，请计算泵的输出流量。
6. 一段水平管道的长度为100 m，直径为0.5 m，摩擦系数为0.03，流量为0.1 m3/s。
若管道一端的压力为2 bar，请计算管道另一端的压力。
7. 一台离心风机的进口直径为0.4 m，出口直径为0.6 m，转速为1500 rpm。
若空气的密度为1.2 kg/m3，进口压力为0.5 bar，出口压力为0.2 bar，请计算风机的流量。
8. 一台容积泵的缸径为15 cm，行程为20 cm，每分钟工作100次。
若泵的排量效率为0.9，请计算泵的输出流量。
9. 一段水平管道的长度为50 m，直径为0.4 m，摩擦系数为0.02，流量为0.15 m3/s。
若管道一端的压力为2 bar，请计算管道另一端的压力损失。
10. 一台离心泵每分钟工作1200次，每次排量为0.05 L。
若泵的效率为0.7，请计算泵的输出功率。
化工基础第3章流体流动过程及流体输送设备
τ=F／A=μ(Δu/Δy)
当流体在管内流动时，径向速度的变化并不是 直线关系，而是曲线关系，则有： τ =μ(du/dy) du/dy——速度梯度，即在与流动方向相垂直的y方 向上流体速度的变化率 μ——比例系数，亦称为粘性系数，简称粘度。 凡符合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牛顿型流体。 液体的粘度随着温度的升高而减小，气体的粘 度随着温度的升高而增加。 压力变化时，液体的粘度基本上不变，气体的 粘度随压力的增加而增加得很少。
意义：剪应力的大小与速度梯度成正比。 描述了任意两层流体间剪应力大小的关系。 物理意义:
du dy
— 动力粘度，简称粘度
平板间的流体剪应力与速度梯度
[μ]=[τ/(du/dy)]=(N· m-2)/(m· s-1· m-1)=N· s· m-2=Pa· s
1 P=100cP（厘泊）=10-1Pa· s 流体的粘度还用粘度 μ与密度ρ的比值来表示，称为 运动粘度，以v表示之： v =μ/ρ
压力有两种表达方式。一是以绝对零压为起点 而计量的压力；另一是以大气压力为基准而计量的 压力，当被测容器的压力高于大气压时，所测压力
称为表压，当测容器的压力低于大气压时，所测压
力称为真空度。
两种表达压力间的换
算关系为 表压=绝对压力-大气压力 真空度＝大气压力-绝对压力
用图3—1来表示其关系
流体压力的重要特性: ① 流体压力处处与它的作用面垂直,并且总是 指向流体的作用面 ② 流体中任一点压力的大小与所选定的作用面 在空间的方位无关
单位为m2· s-1
1st—100 cst(厘沲)=10-4m2· s-1
在工业上常常遇到各种流体的混合物。 对于低压气体混合物的粘度，可采用下式进行计
化工基础课第三章 流体流动及流体输送设备
【例X3-6】
p1 pa z1 0 u1 0
p真
抽真空
p2 pa p真
u2
z2 1.5m
pa
1.5m 1 1
2
2
B
4V 3 3600 1.18m s 2 2 d 0.785 0.03
A
2 hf 5.5u2 5.5u2
2 u2 2 p真 z2 g 5.5u2 2
提示： PV=nRT
ZYNC 化学系
② 混合流体密度的计算：
1/ m 1 / 1 1 / 1 n / n
1, 2 n 各纯组分流体的密度，kg·-3 m
1,2 n
各组分流体的质量分数
③ 混合气体密度的计算
m 11 22 nn
y
y
y
经实验证明，此时： 引入比例系数μ，有：
u F A y
u F A y
ZYNC 化学系
⑵ 粘度
: 单位：Pa· s，泊P：g· cm
ν /
-1· -1 s
⑶ 运动粘度：
单位：m2· -1，沲st：g· -1· -1 s cm s
⑷ 内摩擦应力或剪应力 ：单位面积上的内摩擦力。 F 即： A
化工基础 第三章 流体流动及流体输送设备
Chapter 3 Flow Transfer
一．研究流体规律的意义
1、化工生产产品工艺中所涉及的物料大都是流体 2、 化工生产所涉及的过程：
大部分在流动条件下进行。设备之间、工序之间均采用管道联 接，都和流体的流动与输送有关。 流体的输送为“三传一反”中的“动量传递”过程 三传：动量、热量、质量传递 一反：化学反应器
化工原理(少学时)课件和辅导教程、考试重点例题复习题及课后答案1.7流体输送机械解析
16
说明： ①H~ qv曲线， qv ，H。 qv很小时可能例外 ②P~ qv曲线： qv ，P 。 大流量大电机
关闭出口阀启动泵，启动电流最小
③~ qv曲线 ：小qv ， ；大qv ， 。 max
泵的铭牌~与max对应的性能参数
选型时 max
2020/10/31
பைடு நூலகம்
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26
说明
①工作点 泵的特性 & 管路的特性 工作点确定： 联解两特性方程 作图，两曲线交点
②泵装于管路 泵供流量=管得流量 泵供压头=流体得压头
③工作点：泵的实际工作状态
2020/10/31
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27
例 -23 在 一 管 路 系 统 中 , 用 一 台 离 心 泵 将 密 度 为 1000kg/m3的清水从敞口地面水池输送到高位密封贮槽 ( 表 压 为 1kgf/cm2), 两 端 液 面 的 位 差 Δz=10m, 管 路 总 长 L=50m( 包 括 所 有 局 部 阻 力 的 当 量 长 度 ), 管 内 径 均 为 40mm,摩擦系数λ=0.02。试求：
(变大,变小,不变,不确定)
2020/10/31
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20
（2）转速——比例定律 —— n 20%以内
qv2 n2 q v1 n1
H2 H1
n2 n1
2
P2 P1
n2 n1
3
2020/10/31
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21
(3)叶轮直径——切割定律
q v2 D2 q v1 D1
P2 P1
D2 D1
3
——D -5%以内
1.7 流体输送机械
2020/10/31
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ps pd
全风压
静风压 动风压
动能在总机械能中所占比例明显
四 鼓风机 压缩机
2-13 旋转鼓风机与压缩机 一 罗茨鼓风机
2-14 往复压缩机 原理同往复泵
p
P2 3
2 2’
P1 4
5
0
V2
1
6 V1 V
2-15 真空泵 极限真空 抽气速率（吸入口计）
பைடு நூலகம்
叶 片装 置 角 rad
b
叶轮厚度 m
Q 流 体 流 量 m3 s
假定
叶 片 无 限 多厚 度 无 限 小 流体无粘性 无阻力损失
无
倒
流
分析 1-2 间两叶片组成的流动管道流体流动
p1
g
c12 2g
Z1
H
p2
g
c
2 2
2g
Z2
两点交替 不计高差 H
p2
p1
c
2 2
c12
g
2g
三 转速与叶轮尺寸的影响
N N
·转速 n 的影响 n 改变不大(小于20%）η近似不变时
Q n Qn
H
n
2
H n
N
n
3
N n
·粘度的影响 粘度影响复杂 一般采用算图校正
·叶轮直径 D 的影响
D 改变不大时
同类泵 Q D QD
几何相似泵
Q
D
2
Q D
H D 2 H D
H
D
2
H D
N D 3 N D
1
H2
H1
Q
Q
Q
21
气体压送机械
离心式 离心风机
结 构往 复式 往 复压 缩机 形 式旋 转式 罗 茨风 机
分
流 体作 用式喷 射泵
类
通风机 出口压 15kPa表 压缩比1 ~ 1.15
进 出鼓风机 出口压15k Pa ~ 0.3MPa表 压缩比1.15 ~ 4 压差压缩机 出口压 0.3MPa 表 压缩比 4
实际压头 实际情况下泵对流体提供的压头
二 理论压头 H∞
考察等角速度旋转运动的理想模型
c2 sin 2
w2
2
2
c 2 c2 sin 2 cot 2
2
u2
c2 cos 2
r2
w1
r1 1 c1
u1
旋 转 角 速 度 rad s
w
液滴与叶片相对速度m s
u 圆周速度 m s
规定
r c
旋转半径 m 流体的绝对速度 m s
· 工作原理 活塞往复 提高流体静压力
· 特点 流量由泵决定 与管路无关
Q = ALnη
Α- 活塞面积 L - 活塞行程 n - 转数 η - 容积效率
扬程取决于管路 ·流量调节 旁路调节
二 计量（比例）泵 往复泵的一种
三 隔膜泵 将输送流体与工作流体隔开
四 旋转泵 齿轮泵 螺杆泵 旋涡泵等
H 2
★主要部件
·叶轮 高速旋转 对流体施加动能 ·泵壳 改变流道 将动能转换为压力(势)能
2-2 离心泵的理论压头与实际压头
一 压头的意义
SI制 we J k g
压 头泵 对 流 体 提 供 的 机 械 能
we
gZ
u2 2
p
w f
工程制 He m
He
Z
u2 2g
p
g
H f
理论压头 理想情况下理想泵泵对流体提供的压头
N
D
5
N D
2-5 离心泵的工作点与流量调节
管路特性曲线 泵特性曲线
H(h)
he
Z
p
g
f Q
he A BQ
H(h)
ⅢⅠ
Ⅰ
H2 H1
A2 A1
H1 H2
he2 Ⅱ
A1
A2
Ⅱ
Ⅳ
Z p
g
Q2 Q1
Q
(组合操作略）
Q2 Q1 Q
2-6 离心泵的安装高度
★气蚀现象
安装高度过大 导致泵叶轮处 压力低于液体 的饱和蒸气压
第三章 流体输送机械
机 械 机提械 供能 异增地减输压送 分类
主要指标
流量 压头
作 动 力叶 轮式 离 心 轴 流
用 原 理
流
容 积正 位
其 他 类 型
液 泵
移式
流体
往复 旋转
作 用喷 射式
体 压 缩
气
性
通 风 机
鼓 风 机
压 真
缩 空
机 泵
液体输送机械
第一节 离心泵 2-1 离心泵的操作原理
静 压 头
动 压 头
静压头
离心力作功
1 m
Fc m r 2 单位质量流体
r2 r1
Fc
dr
r2 2rdr 2
r1
r22 r12 2
u22 u12 2
机械能转换流道加宽速度减少 单位质量流体 1 2
w
2 1
w
2 2
p2
p1
u22
u12
w12
w
2 2
2
2
H
u22 u12 2g
ps
造成液体汽化 g 气泡凝结 破裂 产生高压与高 频震荡 冲刷叶 轮 损坏叶片
ue2 2g
h允 许
pv g
pe g
min
0.3
Hs Zs允
ue2 2g
pe g
e
Zs
ps
s
s
hf se
★气蚀余量 h 液面至吸入口 s-e 间
Ps
g
Zs
Pe
g
ue2 2g
hf se
Z s
Ps
g
Pe
g
ue2 2g
Q H H const Q H
阻力损失很大
前
弯
能
量转
换
效
率
很
低
H
叶 片应 力很 大
实际使用采用后弯
★ 理论压头可表示为
H A BQ
式中 A B 为正常数
前弯 径向 后弯 Q
二 实际压头
实际压头必小于理 论压头
压
理论压头
头
与
环流损失
压
头
损
失 冲击损失 实际压头
摩擦损失
流量
原因
水
w12
w
2 2
2g
c
2 2
c12
2g
w12 c12 u12 2u1c1 cos 1
w22 c2 2 u22 2u2c1cos2 H
u2c2 cos 2
u1c1 cos1
g
12 H
u2c2
cos 2
g
依据 Q 2r2b2c2 sin 2
取函数形式 H f Q w 2 r2 b2
真 空泵 进 口压 0.1MPa 出 口压0.1MPa
·特点 体积流量大 动能高
第三节 通风机 鼓风机 压缩机 真空泵
2-12 离心式通风机 一 结构 · 叶轮直径大 ·叶片可前弯 径向 多后弯 · 壳体薄
Pt
pt ps
Ps
η
二 性能参数与特性曲线
以常压20℃空气测定
N
三 选用
Q
pt
gH
p u2
H s hs 水 被输液体
Zs 值为负泵应安装于液面下
2-7 离心泵的选用 安装 操作 · 选用 依据任务→确定类型→匹配压头流量→确定型号 ·安装 入口管大于出口管→入口管不装阀→注意安装高度 ·运行 灌水(避免气缚）→注意出口阀门控制
第二节 其他类型泵 2-8 往复泵 一 往复泵
· 主要构件 缸体 活塞 单向阀
最终得到
H
u2 g
c2
cos 2
u2 g
u2
c2
sin 2
cot
2
1 g
u22 u2c2 sin2 cot 2
1 g
u22
u2Q cot 2 2r2b2
r2 2
g
Qw
2b2 g
cot
2
后弯
2
2
★
2
叶 片 取 向
径向
2
2
前弯
2
2
cot 2 0 cot 2 0 cot 2 0
力
损
失冲 叶
片 击
数 碰
目 撞
有
限存
在
环
流涡
流
粘 性 摩 擦
其他 机械 容积 等损失体现在效率中
2-3 离心泵的主要性能参数
一 压头与流量
·流量(泵的输液能力) Q m3/s 或 m3/h
· 压头
He
Z
u 2 2g
p
g
Hf
· 离心泵的压头测定
理论流量 实际流量
R
输送液体所需压头 区分
泵对流体提供的压头
hf se
h
Pe
g
ue2 2g
Pv
g
hmin
Pe
g
min
ue2 2g
Pv
g
h允 hmin 0.3
Z s允
pa pv
g
h f se h允
允许吸上真空度 Hs
Z s
ps pe
g
ue2 2g
hf se
Hs
ue2 2g
hf se
Hs
ps
g
pv
g
h
ue2 2g
h H s均采用20℃清水测定 改换条件要校正