过程流体机械课后答案

1/4《化工过程流体机械》思考题参考解答参考教材《过程流体机械》2010.92容积式压缩机☆思考题2.1往复压缩机的理论循环与实际循环的差异是什么？过程理论循环（假设条件）实际循环（工作过程）理论参数工作腔内无(剩)余(间)隙有余隙（阀窝、盖端、环端3部分）V0、α、λV工作过程进气、压缩、排气三个过程进气、压缩、排气、膨胀四个过程进排气过程无压力损失，压力稳定有压力损失，压力脉动λp进气过程与外界无热交换与外界（气缸壁）有热交换λT工作过程无气体泄漏损失有气体泄漏损失λl工作过程压缩过程指数恒定压缩和膨胀过程指数变化m、n工作介质理想气体（状态方程（2-6）式）实际气体（状态方程（2-7）式）Z☆思考题2.2写出容积系数λV的表达式，并解释各字母的意义。容积系数λV（最重要系数）λV＝1－α（n1－1）＝1－110nsdSppVV（2-12）式中：α——相对余隙容积，α＝V0（余隙容积）/Vs（行程容积）；α＝0.07～0.12（低压），0.09～0.14（中压），0.11～0.16（高压），＞0.2(超高压)。ε——名义压力比（进排气管口可测点参数），ε＝pd/ps＝p2/p1，一般单级ε＝3～4；n——膨胀过程指数，一般n≤m（压缩过程指数）。☆思考题2.3比较飞溅润滑与压力润滑的优缺点。飞溅润滑（曲轴或油环甩油飞溅至缸壁和润滑表面），结构简单，耗油量不稳定，供油量难控制，用于小型单作用压缩机；压力润滑（注油器注油润滑气缸，油泵强制输送润滑运动部件），结构复杂（增加油泵、动力、冷却、过滤、控制和显示报警等整套供油系统油站），可控制气缸注油量和注油点以及运动部件压力润滑油压力和润滑油量，适用大中型固定式动力或工艺压缩机，注意润滑油压和润滑油量的设定和设计计算。☆思考题2.4多级压缩的好处是什么？多级压缩优点：①.节省功耗（有冷却压缩机的多级压缩过程接近等温过程）；②.降低排气温度（单级压力比小）；③.增加容积流量（排气量，吸气量）（单级压力比ε降低，一级容积系数λV提高）；④.降低活塞力（单级活塞面积减少，活塞表面压力降低）。缺点：需要冷却设备（否则无法省功）、结构复杂（增加气缸和传动部件以及级间连接管道等）。☆思考题2.5分析活塞环的密封原理。活塞环原理：阻塞和节流作用，密封面为活塞环外环面和侧端面（内环面受压预紧）；关键技术：材料（耐磨、强度）、环数量（密封要求）、形状（尺寸、切口）、加工质量等。3离心压缩机☆思考题3.1何谓离心压缩机的级？它由哪些部分组成？各部件有何作用？级典型结构（图3-2）：叶轮、扩压器、弯道、回流器，首级（增加吸气管）、中间级、末级（无弯道、回流器，增加蜗壳）；叶轮：唯一做功元件。闭式、半开式、双吸式（双面进气）；后弯（后向）型、径向型、前弯（前向）型；扩压器：能量转换元件（动能→压能，气流减速增压），无叶（片）型、叶片（有叶）型。☆思考题3.2离心压缩机与活塞压缩机相比，它有何特点？离心压缩机特点（与往复式压缩机对比）压缩机流量输出压力转速结构体积重量易损件运转单级压比级数热效率价格制造要求适用主要问题离心式大稳定高紧凑较小少可靠低多较低高高大流量中低压不适用小流量往复式中小脉动低复杂大多故障多高少高低较低中高压中小流量故障维修压力脉动优缺点离心式优、往复式差离心式差、往复式优选用条件☆思考题3.3何谓连续方程？试写出叶轮出口的连续方程表达式，并说明式中b2/D2和φ2r的数值应在何范围之内？连续方程：质量守恒（流经任意截面流量）qm＝ρiqVi＝ρinqVin＝ρ2qV2＝ρ2c2rf2＝const（3-1）式中：qm为质量流量，kg/s；qV为容积流量，m3/s；ρ为气流密度；f为截面面积；c为法向流速；qm＝ρ2qV2＝ρ22222DDbτ2φ2ru2＝ρ222Dbφ2r322260un（3-2）式中：D2为叶轮外径；b2为叶轮出口轴向宽度；b2/D2为叶轮出口相对宽度（0.025～0.065）；φ2r为流量系数（径向叶轮0.24～0.40，后弯叶轮0.18～0.32，β2A≤30º强后弯叶轮0.10～0.20）；τ2为叶轮出口通流系数。☆思考题3.4何谓欧拉方程？试写出它的理论表达式与实用表达式，并说明该方程的物理意义。欧拉方程：（叶轮机械基本方程）理论和实用表达式Lth＝Hth＝c2uu2－c1uu1＝22122uu＋22122cc＋22221ww（3-4、5）式中：Lth为叶轮输出欧拉功；Hth为理论能量头（接受能量/单位重流体），kJ/kg；物理意义：3部分能量，（离心力做功转静压能）+（动能增量）+（w减速转静压能）。☆思考题3.5何谓能量方程？试写出级的能量方程表达式，并说明能量方程的物理意义。能量方程：（热焓方程）Hth＝cp（T2―T1）＋22122cc＝h2―h1＋22122cc＝1kkR（T2―T1）＋22122cc（3-12）式中：cp为定压比热，h为焓值，k为绝热指数，R为气体常数；物理意义：焓值+（动能增量）。☆思考题3.6何谓伯努利方程？试写出叶轮的伯努利方程表达式，并说明该式的物理意义。伯努利方程：（压能损失方程）叶轮功（叶片功）（含流动损失）Hth＝00pd＋22020cc＋Hhyd0-0′（3-14）总功（全部损失）Htot＝00pd＋22020cc＋Hloss0-0′＝00pd＋22020cc＋Hhyd＋Hl＋Hdf（3-15）物理意义：（三部分）压能、动能、损失，忽略热交换和位能。☆思考题3.7试说明级内有哪些流动损失？流量大于或小于设计流量时冲角有何变化？由此会产生什么损失？若冲角的绝对值相等，谁的损失更大？为什么？级内流动损失（1）摩阻损失Hf∝2Vq（2mc平均气速）；（2）分离损失：边界层（c→0）分离（回流），控制通道扩张角（锥度、扩压度，图3-8）；（3）冲击损失（叶轮、扩压器）：（叶轮为例，扩压器类似分析）；叶轮进气角β1≠叶片进口角β1A，冲击分离损失（相当于扩张角↑）；流量/设计流量(进气冲角)i＝β1A－β1冲击面分离区(漩涡区)损失(相同冲角)原因＜（小qV）正冲角i＞0工作面（前面）非工作面（背面）较大分离区易扩散＝（设计qV）零冲角i＝0无无无损失↓＞（大qV）负冲角i＜0非工作面（背面）工作面（前面）较小分离区较稳定（4）二次流损失：垂直环流；（5）尾迹损失：叶尖绕流；☆思考题3.8多级压缩机为何要采用分段与中间冷却？分段与中间冷却：分段（冷却、抽气）、中间冷却（耗功↓→等温过程）、工艺（排温，防腐蚀、分解、化合）。☆思考题3.10示意画出级的总能量头与有效能量头和能量损失的分配关系。（图3-14）Htot＝Hth＋Hl＋Hdf＝Hpol＋(2020cc)/2＋Hhyd＋Hl＋Hdf说明：Htot＞Hth＞Hpol＞Hhyd＞Hdf＞Hl＞(2020cc)/22/4☆思考题3.17简述旋转脱离与喘振现象，说明两者之间有什么关系？说明喘振的危害，为防喘振可采取哪些措施？喘振工况现象：流量↓→个别叶道产生漩涡（边界层分离）→“旋转脱离”（叶道漩涡区逆向转动）→流量↓↓→大部叶道堵塞（旋转脱离漩涡团）→出口压力p↓→管网气流倒流→出口压力p↑→管网正流供气→流量↓反复倒流正流→喘振工况；危害：强烈振动、噪声、性能（p、η）下降、轴承和密封损坏、转子定子碰撞→机器严重破坏；特点：旋转脱离频率↑、振幅↓、影响叶片，管网影响较小；喘振频率↓、振幅↑、机组管网影响极大；防喘振措施：出口降压（放空、旁路回流），调节（变速、预旋(导叶)、气量↑、停机），监测（qVin、p）；☆思考题3.19离心压缩机的流动相似应具备哪些条件？相似理论有何用处？相似条件：几何（尺寸）相似、运动（进口速度△）相似、动力相似（重力、粘滞力、压力、弹性力、惯性力等相似、准数Re、Eu、M相等）、热力相似（热力过程相似，k、m、ηpol相等）；离心压缩机流动相似条件：几何相似、叶轮进口速度△相似、特征马赫数M'2u＝M2u、等熵指数k′＝k；应用：新型设计、模化试验（同机性能换算）、相似换算（不同机性能换算）、产品系列化（通用标准化）；性能换算：完全相似换算（比例参数转速n、流量qV、功率N和相等参数压比ε、效率η、系数ψ，3-54～59式）；近似相似换算（特征M′≠M，或k′≠k）。4泵☆思考题4.1离心泵有哪些性能参数？其中扬程是如何定义的？它的单位是什么？性能参数体积流量(m3/s，m3/h)质量流量(kg/s，kg/h)能量（压力）(m，J/kg)功率(kW)效率(％)转速(r/min)汽蚀余量(m)qVqm扬程Hm＝N·m/N有效Ne轴Nη，ηV，ηhyd，ηmnNPSHr扬程HH＝gppinout＋222inoutcc＋（Zout－Zin）m（4-4）说明：压能＋动能＋位能，泵内主要压能（动能和位能→0），单位N•m/N＝m（单位重量液体能量增值）。☆思考题4.2试写出表达离心泵理论扬程的欧拉方程式和实际应用的半经验公式。基本方程基本方程离心泵欧拉方程Ht＝(u2c2u－u1c1u)/g＝guu22122＋gww22221＋gcc22122m(4-11、12)欧拉方程实用半经验Stodola公式(有限叶片影响)(μ滑移系数)Ht＝μHt∞＝（1―22ucrctgβ2A―Zsinβ2A）gu22m(4-13、14)☆思考题4.3简述汽蚀现象，并说明汽蚀的危害。汽蚀Cavitation：空化、空蚀，（来源）空洞、空泡、气泡；水力机械特有的，在一定条件下因流体与气体相互转化引起的破坏现象。汽蚀发生机理：pK↓→局部pK＜pV→液体汽化→气泡逸出体积↑→叶轮做功p↑→气泡凝结溃灭体积↓↓→空穴形成，液体合围→撞击、冲击流道（高压数百at、高温300℃、高频3000Hz）→剥蚀表面、扩展裂纹、电化学腐蚀；（液体汽化、凝结、冲击、破坏）。严重后果：部件损坏（过流表面剥蚀、麻点、蜂窝、裂纹、穿孔）；性能下降（流量qV扬程H效率η↓）；噪声振动（气泡溃灭、液体撞击）；机器失效（抽空断流，气泡堵塞流道）；机器破坏（叶轮损坏、共振破坏）。易汽蚀泵：高温泵(锅炉给水泵)、轻油泵(夏季高温储运鹤管)，pV↑。☆思考题4.4何谓有效汽蚀余量？何谓泵必需的汽蚀余量？并写出它们的表达式。有效汽蚀余量NPSHa（泵装置）：液流自吸液罐（池）经吸入管路到泵入口，高出汽化压力pV所富余的能量头（4-15、4-17式等）；NPSHa＝Sp―Vp＋gcS22＝ap―Vp＋gcS22―HS＝Ap―Vp―ΔHA-S―Hgm泵必需汽蚀余量NPSHr（泵本身）：液流自泵入口到泵叶轮内压力最低pK处所消耗的能量头（静压能量头降低值）；NPSHr＝λ1gc220＋λ2gw220m（4-18）式中：λ1＝1.05～1.3（流速及流动损失），λ2＝0.2～0.4（流体绕流叶片压降）。☆思考题4.5试写出泵汽蚀基本方程式。如何根据该方程式判断泵是否发生汽蚀及严重汽蚀？汽蚀基本方程式（发生汽蚀判别式）NPSHa＝NPSHr，即Sp＋gcS22―Vp＝λ1gc220＋λ2gw220（4-19）汽蚀条件：＝泵开始发生，＜严重汽蚀。☆思考题4.6提高离心泵抗汽蚀性能应采取哪些措施？试举例说明之。根据汽蚀安全条件（4-17）、（4-18）式NPSHa＝Ap―Vp―ΔHA-S―Hg＞λ1gc220＋λ2gw220＝NPSHr抗汽蚀措施：①．三方面措施：NPSHa↑、NPSHr↓、改进叶轮材料；②．pA↑：吸液罐增压↑、叶轮入口诱导轮（叶轮前增压）；③．pV↓：降温t↓（pV＝f(t)）、吸液罐冷却（夏季轻油品输送）；④．ΔHA-S↓：改善吸入特性，阻力损失↓；流量qV↓、转速n↓、管径d↑、管长l↓、阀门弯头管件数量↓、局部阻力损失↓，阀门开度↑；⑤．Hg↓：泵安装位置ZS↓、吸液罐位置ZA↑（灌注头）；⑥．λ1、λ2↓：改进叶轮入口（图4-9，阻力损失↓，流线