【正文】 1 / 58第一章 流體輸送技術(shù)知識(shí)目標(biāo)： ●了解化工管路的組成及管路布置原則；了解流體輸送機(jī)械的結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用；●理解穩(wěn)定流動(dòng)的基本概念；流動(dòng)阻力產(chǎn)生的原因；●掌握連續(xù)性方程式、柏努力程式和流體流動(dòng)阻力的計(jì)算；能力目標(biāo)：●能正確選擇流體輸送機(jī)械和管子的直徑；●能拆裝化工管路；會(huì)流體輸送機(jī)械的操作和簡(jiǎn)單故障的分析、排除。化工生產(chǎn)中所處理的物料，大多為流體（包括液體和氣體） 。為了滿足工藝條件的要求，保證生產(chǎn)的連續(xù)進(jìn)行，需要把流體從一個(gè)設(shè)備輸送至另一個(gè)設(shè)備。實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程要借助管路和輸送機(jī)械。流體輸送機(jī)械是給流體增加機(jī)械能以完成輸送任務(wù)的機(jī)械。管路在化工生產(chǎn)中就相當(dāng)于人體的血管，流體輸送機(jī)械相當(dāng)于人的心臟，作用非常重要。因此，了解管路的構(gòu)成，確定輸送管路的直徑，了解輸送機(jī)械的工作原理，選擇合理的輸送機(jī)械，學(xué)會(huì)合理布置和安裝管路，正確使用輸送機(jī)械非常重要。第一節(jié) 流體輸送管路一、管路的分類化工生產(chǎn)過(guò)程中的管路通常以是否分出支管來(lái)分類，見表 11。表 11 管路的分類類 型 結(jié) 構(gòu)單一管路 單一管路是指直徑不變、無(wú)分支的管路，如圖 11(a)所示 簡(jiǎn)單管路串聯(lián)管路 雖無(wú)分支但管徑多變的管路，如圖 11(b)所示分支管路 流體由總管分流到幾個(gè)分支，各分支出口不同，如圖 12(a)所示復(fù)雜管路并聯(lián)管路 并聯(lián)管路中，分支最終又匯合到總管，如圖 12(b)所示對(duì)于重要管路系統(tǒng)，如全廠或大型車間的動(dòng)力管線（包括蒸汽、煤氣、上水及其他循環(huán)管道等） ，一般均應(yīng)按并聯(lián)管路鋪設(shè)，以有利于提高能量的綜合利用、減少因局部故障所造成的影響。2 / 58圖 11 簡(jiǎn)單管路 圖 12 復(fù)雜管路二、管路的基本構(gòu)成管路是由管子、管件和閥門等按一定的排列方式構(gòu)成，也包括一些附屬于管路的管架、管卡、管撐等輔件。由于生產(chǎn)中輸送的流體是各種各樣的，輸送條件與輸送量也各不相同，因此，管路也必然是各不相同的。工程上為了避免混亂，方便制造與使用，實(shí)現(xiàn)了管路的標(biāo)準(zhǔn)化。書后附錄摘錄了部分管材的規(guī)格。管子是管路的主體，由于生產(chǎn)系統(tǒng)中的物料和所處工藝條件各不相同，所以用于連接設(shè)備和輸送物料的管子除需滿足強(qiáng)度和通過(guò)能力的要求外，還必須耐溫、耐壓、耐腐蝕以及導(dǎo)熱等性能的要求。根據(jù)所輸送物料的性質(zhì)(如腐蝕性、易燃性、易爆性等) 和操作條件(如溫度、壓力等) 來(lái)選擇合適的管材，是化工生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的問(wèn)題之一。（一）化工管材管材通常按制造管子所使用的材料來(lái)進(jìn)行分類?？煞譃榻饘俟?、非金屬管和復(fù)合管，其中以金屬管占絕大部分。復(fù)合管指的是金屬與非金屬兩種材料組成的管子，最常見的化工管材見表 12。表 12 常見的化工管材種類及名稱 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 用途有縫鋼管有縫鋼管是用低碳鋼焊接而成的鋼管，又稱為焊接管。易于加工制造、價(jià)格低。主要有水管和煤氣管，分鍍鋅管和黑鐵管（不鍍鋅管）兩種。目前主要用于輸送水、蒸汽、煤氣、腐蝕性低的液體和壓縮空氣等。因?yàn)橛泻缚p而不適宜在 （表壓）以上的壓力條件下使用。金屬管鋼管無(wú)縫鋼管無(wú)縫鋼管是用棒料鋼材經(jīng)穿孔熱軋或冷拔制成的，它沒(méi)有接縫。用于制造無(wú)縫鋼管的材料主要有普通碳鋼、優(yōu)質(zhì)碳鋼、低合金鋼、不銹鋼和耐熱鉻鋼等。無(wú)縫鋼管的特點(diǎn)是質(zhì)地均勻、強(qiáng)度高、管壁薄，少數(shù)特殊用途的無(wú)縫鋼管的壁厚也可以很厚。無(wú)縫鋼管能用于在各種壓力和溫度下輸送流體，廣泛用于輸送高壓、有毒、易燃易爆和強(qiáng)腐蝕性流體等。3 / 58鑄鐵管有普通鑄鐵管和硅鑄鐵管。鑄鐵管價(jià)廉而耐腐蝕，但強(qiáng)度低，氣密性也差，不能用于輸送有壓力的蒸汽、爆炸性及有毒性氣體等。一般作為埋在地下的給水總管、煤氣管及污水管等，也可以用來(lái)輸送堿液及濃硫酸等。銅管與黃銅管由紫銅或黃銅制成。導(dǎo)熱性好，延展性好，易于彎曲成型。 適用于制造換熱器的管子；用于油壓系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)來(lái)輸送有壓液體；銅管還適用于低溫管路，黃銅管在海水管路中也廣泛使用。鉛管鉛管因抗腐蝕性好，能抗硫酸及 10﹪以下的鹽酸，其最高工作溫度是 413K。由于鉛管機(jī)械強(qiáng)度差、性軟而笨重、導(dǎo)熱能力小，目前正被合金管及塑料管所取代。主要用于硫酸及稀鹽酸的輸送，但不適用于濃鹽酸、硝酸和乙酸的輸送。有色金屬管鋁管鋁管也有較好的耐酸性，其耐酸性主要由其純度決定，但耐堿性差。鋁管廣泛用于輸送濃硫酸、濃硝酸、甲酸和醋酸等。小直徑鋁管可以代替銅管來(lái)輸送有壓流體。當(dāng)溫度超過(guò) 433K 時(shí)，不宜在較高的壓力下使用。非金屬管非金屬管是用各種非金屬材料制作而成的管子的總稱，主要有陶瓷管、水泥管、玻璃管、塑料管和橡膠管等。塑料管的用途越來(lái)越廣，很多原來(lái)用金屬管的場(chǎng)合逐漸被塑料管所代替。（二）管件管件是用來(lái)連接管子以達(dá)到延長(zhǎng)管路、改變管路方向或直徑、分支、合流或封閉管路的附件的總稱。最基本的管件如圖 13 所示，其用途有如下幾種。180186。 回彎管 三通 四通 異徑管 90186。 彎頭 法蘭 卡箍活接頭 管帽 45186。 彎頭圖 13 常用管件①用以改變流向：90186。 彎頭、45186。 彎頭、180186。 回彎頭等；②用以堵截管路：管帽、絲堵(堵頭) 、盲板等；4 / 58③用以連接支管：三通、四通，有時(shí)三通也用來(lái)改變流向，多余的一個(gè)通道接頭用管帽或盲板封上，在需要時(shí)打開再連接一條分支管；④用以改變管徑：異徑管、內(nèi)外螺紋接頭(補(bǔ)芯) 等；⑤用以延長(zhǎng)管路：管箍(束節(jié) )、螺紋短節(jié)、活接頭、法蘭等。法蘭多用于焊接連接管路，而活接頭多用于螺紋連接管路。在閉合管路上必須設(shè)置活接頭或法蘭，尤其是在需要經(jīng)常維修或更換的設(shè)備、閥門附近必須設(shè)置，因?yàn)樗鼈兛梢跃偷夭痖_，就地連接。（三）閥門閥門是用來(lái)啟閉和調(diào)節(jié)流量及控制安全的部件。通過(guò)閥門可以調(diào)節(jié)流量、系統(tǒng)壓力、及流動(dòng)方向，從而確保工藝條件的實(shí)現(xiàn)與安全生產(chǎn)?；どa(chǎn)中閥門種類繁多，常用的有以下幾種，見表 13。表 13 常見閥門名稱 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 用途閘閥主要部件為一閘板，通過(guò)閘板的升降以啟閉管路。這種閥門全開時(shí)流體阻力小，全閉時(shí)較嚴(yán)密，如圖14。多用于大直徑管路上作啟閉閥，在小直徑管路中也有用作調(diào)節(jié)閥的。不宜用于含有固體顆?；蛭锪弦子诔练e的流體，以免引起密封面的磨損和影響閘板的閉合。截止閥主要部件為閥盤與閥座，流體自下而上通過(guò)閥座，其構(gòu)造比較復(fù)雜，流體阻力較大，但密閉性與調(diào)節(jié)性能較好，如圖 15。不宜用于粘度大且含有易沉淀顆粒的介質(zhì)。止回閥止回閥是一種根據(jù)閥前、后的壓力差自動(dòng)啟閉的閥門，其作用是使介質(zhì)只作一定方向的流動(dòng)，它分為升降式和旋啟式兩種。升降式止回閥密封性較好，但流動(dòng)阻力大，旋啟式止回閥用搖板來(lái)啟閉。安裝時(shí)應(yīng)注意介質(zhì)的流向與安裝方向。如圖 16。止回閥一般適用于清潔介質(zhì)，球閥閥芯呈球狀，中間為一與管內(nèi)徑相近的連通孔，結(jié)構(gòu)比閘閥和截止閥簡(jiǎn)單，啟閉迅速，操作方便，體積小，重量輕，零部件少，流體阻力也小。如圖 17。適用于低溫高壓及粘度大的介質(zhì)，但不宜用于調(diào)節(jié)流量。旋塞閥其主要部分為一可轉(zhuǎn)動(dòng)的圓錐形旋塞，中間有孔，當(dāng)旋塞旋轉(zhuǎn)至 90186。 時(shí)，流動(dòng)通道即全部封閉。需要較大的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，如圖 18。溫度變化大時(shí)容易卡死，不能用于高壓。安全閥是為了管道設(shè)備的安全保險(xiǎn)而設(shè)置的截?cái)嘌b置，它能根據(jù)工作壓力而自動(dòng)啟閉，從而將管道設(shè)備的壓力控制在某一數(shù)值以下，從而保證其安全。如圖 19。主要用在蒸汽鍋爐及高壓設(shè)備上。5 / 58 圖 14 閘閥 15 截止閥 圖 16 止回閥 圖 17 球閥 圖 18 旋塞閥 圖 19 全啟式安全閥活動(dòng)建議進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)，讓學(xué)生到實(shí)訓(xùn) 基地或工廠去觀察化工管路、管件及閥門等實(shí)物，除了教材介紹的之外，如閥門還有隔膜 閥、蝶 閥、疏水閥及減壓閥等，了解其構(gòu)造與作用。第二節(jié) 流體流動(dòng)的基礎(chǔ)知識(shí)一、連續(xù)性方程1．穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)流體在管路系統(tǒng)中流動(dòng)時(shí)各種參數(shù)的變化情況，可以將流體的流動(dòng)分為穩(wěn)定流動(dòng)和不穩(wěn)定流動(dòng)。若流動(dòng)系統(tǒng)中各物理量的大小僅隨位置變化、不隨時(shí)間變化，則稱為穩(wěn)定流動(dòng)。若流動(dòng)系統(tǒng)中各物理量的大小不僅隨位置變化、而且隨時(shí)間變化，則稱為不穩(wěn)定流動(dòng)。工業(yè)生產(chǎn)中的連續(xù)操作過(guò)程，如生產(chǎn)條件控制正常，則流體流動(dòng)多屬于穩(wěn)定流動(dòng)。連續(xù)操作的開車、停車過(guò)程及間歇操作過(guò)程屬于不穩(wěn)定流動(dòng)。本章所討論的流體流動(dòng)為穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程。多觀察有溢流裝置的恒位槽系統(tǒng)流體的流動(dòng)；若沒(méi)有流體的補(bǔ)充，槽內(nèi)的液位不斷下降 時(shí)流體的流動(dòng)。2．連續(xù)性方程圖 110 流體流動(dòng)的連續(xù)性6 / 58穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)如圖 110 所示，流體充滿管道，并連續(xù)不斷地從截面 1 流入，從截面 239。1流出。以管內(nèi)壁、截面 1 與 2 為衡算范圍，以單位時(shí)間為衡算基準(zhǔn)，依質(zhì)量守恒定律，39。239。139。2進(jìn)入截面 1 的流體質(zhì)量流量與流出截面 2 的流體質(zhì)量流量相等。39。139。即 qm1 = qm 2 （11）因?yàn)? qm = uA ?式中 qm——流體的質(zhì)量流量，指單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道有效截面積的流體質(zhì)量，kg/s ；u——流體在管道任一截面的平均流速，m/s；A——管道的有效截面積，m 2；——流體的密度，kg/m 3。?故qm = u1A1 1= u2A2 2 （12）?若將上式推廣到管路上任何一個(gè)截面，即qm = uA = 常數(shù) （13）上述方程式表示在穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)中，流體流經(jīng)管道各截面的質(zhì)量流量恒為常量，但各截面的流體流速則隨管道截面積和流體密度的不同而變化。若流體為不可壓縮流體，即 =常數(shù)，則? qv= uA = 常數(shù) （14）式中 qv——流體的體積流量，指單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道有效截面積的流體體積， m3/s；上式說(shuō)明不可壓縮流體不僅流經(jīng)各截面的質(zhì)量流量相等，而且它們的體積流量也相等。而且管道截面積 A 與流體流速 u 成反比，截面積越小，流速越大。若不可壓縮流體在圓管內(nèi)流動(dòng)，因 ，則24dA?? （15）1221??????u上式說(shuō)明不可壓縮流體在管道內(nèi)的流速 u 與管道內(nèi)徑的平方 d2 成反比。式（11）至式（15）稱為流體在管道中作穩(wěn)定流動(dòng)的連續(xù)性方程。連續(xù)性方程反映了在穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)中，流量一定時(shí)管路各截面上流速的變化規(guī)律，而此規(guī)律與管路的安排以及7 / 58管路上是否裝有管件、閥門或輸送設(shè)備等無(wú)關(guān)?！纠?11】 如圖 110 所示的串聯(lián)變徑管路中，已知小管規(guī)格為 φ 573mm，大管規(guī)格為 φ 89，均為無(wú)縫鋼管，水在小管內(nèi)的平均流速為 ，水的密度可取為1000kg/m3。試求：⑴水在大管中的流速；⑵管路中水的體積流量和質(zhì)量流量。解 ⑴小管直徑 d1 = 57 －23 = 51mm，u 1 = 大管直徑 d2 = 89－2 = 82mm m/)825(.)(2121 ???uA⑵ m3/s51.)..42211dqv?qm =qv = 1000 = ?二、柏努利方程在化工生產(chǎn)中，解決流體輸送問(wèn)題的基本依據(jù)是柏努力方程，因此柏努力方程及其應(yīng)用極為重要。根據(jù)對(duì)穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)能量衡算，即可得到柏努力方程。（一）流動(dòng)系統(tǒng)的能量流動(dòng)系統(tǒng)中涉及的能量有多種形式，包括內(nèi)能、機(jī)械能、功、熱、損失能量，若系統(tǒng)不涉及溫度變化及熱量交換，內(nèi)能為常數(shù)，則系統(tǒng)中所涉及的能量只有機(jī)械能、功、損失能量。能量根據(jù)其屬性分為流體自身所具有的能量及系統(tǒng)與外部交換的能量。1．流體所具有的能量——機(jī)械能(1)位能 位能是流體處于重力場(chǎng)中而具有的能量。若質(zhì)量為 m（kg）的流體與基準(zhǔn)水平面的垂直距離為 z（m） ，則位能為 mgz（J） ，單位質(zhì)量流體的位能則為 gz（J/kg） 。位能是相對(duì)值，計(jì)算須規(guī)定一個(gè)基準(zhǔn)水平面。(2)動(dòng)能 動(dòng)能是流體具有一定速度流動(dòng)而具有的能量。 m（kg）流體，當(dāng)其流速為u（m/s）時(shí)具有的動(dòng)能為 （J） ，單位質(zhì)量流體的動(dòng)能為 (J/kg)。21u21u(3)靜壓能 靜壓能是由于流體具有一定的壓力而具有的能量。流體內(nèi)部任一點(diǎn)都有一定的壓力，如果在有液體流動(dòng)的管壁上開一小孔并接上一個(gè)垂直的細(xì)玻璃管，液體就會(huì)在玻璃管內(nèi)升起一定的高度，此液柱高度即表示管內(nèi)流體在該截面處的靜壓力值。管路系統(tǒng)中，某截面處流體壓力為 p，流體要流過(guò)該截面，則必須克服此壓力作功，于是流體帶著與此功相當(dāng)?shù)哪芰窟M(jìn)入系統(tǒng)，流體的這種能量稱為靜壓能。質(zhì)量為 m（kg）的流8 / 58體的靜壓能為 pV（J） ，單位質(zhì)量流體的靜壓能為 （J/kg）?p2．壓力的表示方法以絕對(duì)真空為基準(zhǔn)測(cè)得的壓力稱為絕對(duì)壓力。以大氣壓力為基準(zhǔn)測(cè)得的壓力稱為表壓力或真空度。如若系統(tǒng)壓力高于大氣壓，則超