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1、化工原理,任课教师：闫志谦 Teacher: Yan ZhiQian,Principles of Chemical Engineering,第二章,流体输送输送机械,离心泵（Centrifugal Pumps）,离心泵是典型的高速旋转叶轮式液体输送机械，在泵类机械中具有很好的代表性。,离心泵的结构和工作原理,叶轮（Impeller） 泵壳（Volute）,特点：泵的流量与压头灵活可调、输液量稳定且适用介质范围很广。 自吸：泵内液体在叶轮中心入口处因加速而减压，使泵外液体在势能差的推动下被连续地吸入泵内。,离心泵的特性曲线（Characteristic curves）,离心泵主要性能参数： 流量
2、V、压头(扬程)H、轴功率 N 和效率,离心泵特性曲线： 描述压头、轴功率、效率与流量关系（HV、NV、V）的曲线。对实际流体，这些曲线尚难以理论推导，而是由实验测定。,离心泵的特性曲线反映了泵的基本性能，由制造厂附于产品样本中，是指导正确选择和操作离心泵的主要依据。以下逐一对其进行讨论。,离心泵的特性曲线（Characteristic curves）,HV 曲线,离心泵扬程 H（压头），是指泵在实际工作条件下对单位重量的流体所能提供的机械能，单位为m。,扬程 H 随流量 V 的增加而下降（流量极小时不明显），这是因为采用了能量损失较小的后弯叶片。 同一流量下，由于实际叶轮与理想叶轮的差异以及
3、机械能损失，泵实际提供的扬程小于理论扬程。,HV曲线代表的是在一定转速下流体流经离心泵所获得的能量与流量的关系，是最为重要的一条特性曲线。,NV 曲线与 V 曲线,离心泵的轴功率 N 是指电机输入到泵轴的功率。由于泵提供给流体的实际扬程小于理论扬程，故泵由电机获得的轴功并不能全部有效地转换为流体的机械能。 有效功率 Ne：流体从泵获得的实际功率，可直接由泵的流量和扬程求得, 值的大小直接反映了离心泵运转过程中的能量损失，主要包括容积损失，水力损失和机械损失三种形式。,离心泵的能量损失（Energy loses）,容积损失：一部份已获得能量的高压液体由叶轮出口处通过叶轮与泵壳间的缝隙或从平衡孔泄
4、漏（Leakage）返回到叶轮入口处的低压区造成的能量损失。 解决方法：使用半开式和蔽式叶轮。蔽式叶轮容积损失量小，但叶轮内流道易堵塞，只适宜输送清洁液体。开式叶轮不易堵塞，但容积损失大故效率低。半开式介于二者之间。,解决方法：蜗壳的形状按液体离开叶轮后的自由流动轨迹螺旋线设计，可使液体动压头转换为势压头的过程中能量损失最小。 在叶轮与泵壳间安装一固定不动的带有叶片的导轮（diffuser），也可减少此项能量损失。,离心泵的能量损失（Energy loses）,水力损失：进入离心泵的粘性液体在流动过程中的摩擦阻力、局部阻力以及液体在泵壳中由冲击而造成的能量损失。,机械损失：泵轴与轴承之间、泵轴
5、与密封填料之间等产生的机械摩擦造成的能量损失。,离心泵的特性曲线（Characteristic curves）,在一定转速下，泵的轴功率随输送流量的增加而增大，流量为零时，轴功率最小。关闭出口阀启动离心泵，启动电流最小。,随流量增大，泵的效率曲线出现一极大值即最高效率点，在与之对应的流量下工作，泵的能量损失最小。 离心泵铭牌上标出的 H、V、N 性能参数即为最高效率时的数据。一般将最高效率值的 92% 的范围称为泵的高效区，泵应尽量在该范围内操作。,特性曲线的变换,由制造厂提供的离心泵的特性曲线是在一定转速下用20的清水为工质实验测定的。若输送的液体性质与此相差较大时，泵的特性曲线将发生变化，
6、应加以修正。,液体密度的影响,离心泵的理论流量和理论压头与液体密度无关，说明 HV 曲线不随液体密度而变，由此 V 曲线也不随液体密度而变。离心泵所需的轴功率则随液体密度的增加而增加，即 NV 曲线要变。 注意：叶轮进、出口的压差 p 正比于液体密度。,气缚现象（airbound）,泵启动前空气未排尽或运转中有空气漏入，使泵内流体平均密度下降，导致叶轮进、出口压差减小。或者当与泵相连的出口管路系统势压头一定时，会使泵入口处的真空度减小、吸入流量下降。严重时泵将无法吸上液体。 解决方法：离心泵工作时、尤其是启动时一定要保证液体连续的条件。可采用设置底阀、启动前灌泵（pump priming）、使
7、泵的安装位置低于吸入液面等措施。,气缚现象（airbound）,特性曲线的变换,液体粘度的影响,液体粘度的改变将直接改变其在离心泵内的能量损失，因此，HV、NV、V 曲线都将随之而变。液体运动粘度（动量扩散系数） 2010-6 m2/s 时影响不大，超过此值则应进行换算。有关手册上给出了不同条件下通过实验得到的换算系数。,特性曲线的变换,叶轮转速的影响,由此可知工况改变前后液体从叶轮流出的方向不变，这意味着离心泵内影响流体能量损失的主要因素不变，因此离心泵的效率不变。,改变叶轮转速来调节离心泵的流量是一种节能的操作方式。叶轮转速的改变将使泵内流体流动状态发生改变，其特性曲线随之而变。 若流量与
8、转速改变满足下列比例关系,离心泵的比例定律,扬程之比,轴功率之比,用于换算转速变化在 20% 范围内离心泵的特性曲线，其准确程度是工程上可接受的。 注意：由已知特性曲线上的一点（V,H），通过比例定律式仅可求得与之对应的一个点（V,H），要得新的特性曲线，需对诸多点进行换算。 其他调节离心泵流量的方法：改变叶轮几何参数。例如对叶轮圆周进行少量车削、对叶片出口角进行锉削、封闭对称叶片间的流道等。这些措施都会使泵的特性曲线发生改变，可以从速度三角形分析、换算之。,【例3-10】,用清水测定某离心泵的特性曲线。管路流量为25m3/h时，泵出口处压力表读数为0.28MPa(表压)，泵入口处真空表读数为
9、0.025MPa，测得泵的轴功率为3.35kW，电机转速为2900转/分，真空表与压力表测压截面的垂直距离为0.5m。试确定与泵特性曲线相关的其它性能参数,以真空表和压力表两测点为1，2截面列柏努力方程，有,解：泵特性曲线性能参数有： 转速n、流量V、压头H、轴功率N和效率。,流量和轴功率已由实验直接测出，需计算压头和效率。,【例3-10】,若略去 Hf1-2 及动压头变化，则该流量下泵的压头,对应的泵的效率为,对应的泵的有效功率为,调节流量，并重复以上的测量和计算，则可得到不同流量下的特性参数，绘制特性曲线。,离心泵的汽蚀现象与泵的安装高度,由离心泵的工作原理可知，从整个吸入管路到泵的吸入口
10、直至叶轮内缘，液体的压强是不断降低的。研究表明，叶轮内缘处的叶片背侧是泵内压强最低点。,离心泵的汽蚀现象与泵的安装高度,汽蚀现象,当泵内某点的压强低至液体饱和蒸汽压时部分液体将汽化，产生的汽泡被液流带入叶轮内压力较高处再凝聚。由于凝聚点处产生瞬间真空，造成周围液体高速冲击该点，产生剧烈的水击。瞬间压力可高达数十个MPa，众多的水击点上水击频率可高达数十kHz，且水击能量瞬时转化为热量，水击点局部瞬时温度可达230以上。,症状：噪声大、泵体振动，流量、压头、效率都明显下降。 后果：高频冲击加之高温腐蚀同时作用使叶片表面产生一个个凹穴，严重时成海绵状而迅速破坏。 防止措施：把离心泵安装在恰当的高度
11、位置上，确保泵内压强最低点处的静压超过工作温度下被输送液体的饱和蒸汽压 pv。,离心泵的汽蚀现象与泵的安装高度,离心泵的汽蚀现象与泵的安装高度,由于泵内压强最低点处的真实压强难于测量，工程上以泵入口处压强 p1 来表征。对 1-1 和 K-K 截面列柏努方程,在一定流量下，当 pk = pv 时 ，汽蚀发生，令此时的 p1 为 p1,min，且定义,最小汽蚀余量,反映离心泵汽蚀性能的重要参数，主要与泵的内部结构和输送的流量有关。 hmin 可通过实验测定汽蚀发生时泵入口处的压强 p1,min 来确定。泵的样本中给出的允许汽蚀余量 h 是在制造厂实验确定的 hmin 的基础上按标准规定加上一定裕
12、量后的值。,离心泵的汽蚀现象与泵的安装高度,泵入口允许的最小压强 p1,允 应满足,将 p1,允 /g 代入 0-0 和 1-1 截面之间所列的柏努利方程，可得为避免发生汽蚀离心泵的允许安装高度 Hg,允 为,对一定型号规格的离心泵查得允许汽蚀余量 h 后，根据具体管路情况计算出允许安装高度Hg,允，实际安装高度 Hg 应小于Hg,允。 减少吸入管路的阻力，可提高泵的安装高度。故离心泵的入口管径都大于出口管径。 液体温度越高，饱和蒸汽压 pv 就越高，允许安装高度Hg,允则越低。在输送较高温度的液体时尤其要注意安装高度。,【例3-11】,用转速为1850转/分的50WG型离心杂质泵将温度为20
13、，密度为1080kg/m3的钻井废水从敞口沉砂池送往一处理池中，泵流量为22.0m3/h。由泵样本查得在该流量下泵的汽蚀余量为5.3m。受安装位置所限，泵入口较沉砂池液面高出了2.5m。,试求：(1) 泵吸入管路允许的最大阻力损失为多少？(2) 若泵吸入管长为20m (包括局部阻力当量长度)，摩擦系数取0.03，泵入口管直径至少应为多大？,解：(1)在泵安装高度和管路流量一定的条件下，为避免汽蚀发生，泵吸入管路允许的最大损失为：,【例3-11】,查得 20 水的饱和蒸汽压 Pv=2.34 kPa，故吸入管路允许的最大阻力损失为,（2） 由,当 Hf 0-1=1.93 m 时，对应的管径为允许的
14、最小管径,离心泵的调节与组合,离心泵的工作点,当安装在一定管路系统中的离心泵工作时，泵输出的流量即为管路的流量，泵提供的扬程即为管路所要求的压头。,离心泵的工作点：泵的扬程曲线 (HV 线) 与管路特性曲线 (HLV 线) 的交点 (a 点)。,根据工作点的位置，可以判断泵的工作状态是否在高效区域内。泵的操作调节对应着工作点的移动，多台泵的组合安装则需要确定组合泵系的 HV 关系曲线。,离心泵的调节与组合,离心泵的调节,工厂操作中经常要遇到对离心泵及其管路系统进行调节以满足工艺上对流体的流量和压头的要求，实际上这对应着改变泵的工作点位置。,改变管路特性曲线： 改变管路流动阻力（如阀门开度），管
15、路特性曲线将发生相应的变化。关小阀门，管路阻力增加，管路特性曲线由 1 移至 1，工作点由 a 上移至 a，流量由 V 减少为V。 该调节方法的主要优点是操作简单，但管路上阻力损失大且可能使泵的工作点位于低效率区，因此多在调节幅度不大但需经常调节的场合下使用。,离心泵的调节与组合,离心泵的调节,改变泵 HV 特性曲线： 将叶轮转速由 n 调节 n 到或 n ，根据离心泵的比例定律式，泵的 H-V 曲线会有相应的改变。,视转速增加或减少、泵的 H-V 特性曲线上移或下移，工作点相应移动到a 或 a，流量与压头发生相应改变而并不额外增加管路阻力损失，离心泵仍在高效区工作。 该调节方法能量利用率更高
16、，随着电机变频调速技术的推广，在大功率流体输送系统中应用越来越多。,离心泵的调节与组合,离心泵的并联和串联,有大幅度调节要求时，可以采取多泵组合安装的方式。将组合安装的离心泵视为一个泵组，根据并联或串联工作的规律，可以作出泵组的特性曲线（或称合成特性曲线），据此确定泵组的工作点。,并联操作：泵在同一压头下工作，泵组的流量为该压头下各泵对应的流量之和。,与单台泵在同一管路中的工作点1相比，并联管组不仅流量增加，压头也随之有所增加，因为管路阻力损失增加。,同一管路系统中并联泵组 的输液量并不能达到两台泵单独工作时的输液量之和。,离心泵的调节与组合,离心泵的并联和串联,串联操作：泵送流量相同，泵组的扬程为该流量下各泵的扬程之和。,与同一管路中单台泵工作点1相比，串联泵组不仅提高了扬程，同时还增加了输送量。正因为如此，在同一管路系统中串联泵组的扬程不能达到两台泵单独工作时的扬程之和。,离心泵的类型与选用,离心泵类型,1 - 泵体；2 - 泵盖； 3 - 叶轮；4 - 轴； 5 - 密封环； 6 - 叶轮螺母； 7 - 止动垫圈； 8 - 轴盖； 9 - 填料压盖； 10 - 填料环； 11 - 填料； 12 - 悬架轴承部件,
