第二章化工原理

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1、第二章 流体输送设备（Fluid-moving Machinery）,输送设备,本章主要介绍常用输送设备的工作原理和特性，以便恰当地选择和使用这些流体输送设备。,泵用于液体输送,风机用于气体输送,就输送设备的工作原理不同,离心式,往复式,旋转式,流体动力作用式,流体输送设备的分类,第一节 液体输送设备泵（Pumps）,泵,离心泵生产中应用最为广 泛，着重介绍。往复泵旋转泵漩涡泵,. . .,离心泵的优点,（1）结构简单、操作容易， 便于调节和自控,（2）流量均匀，效率较高,（3）流量和压头的适用范 围较广,（4）适用于输送腐蚀性或含 有悬浮物的液体, 2.1.1 离心泵 （Centrifuga

2、l Pumps）,一 离心泵的工作原理及主要部件,1-叶轮；2泵壳；3泵轴；4吸入口；5吸入管；6底阀；7滤网；8排出口；9排出管；10调节阀,气缚现象直观表现：吸不上液体,产生原因:不灌液，则泵体内存有空气，由于 空气液， 所以产生的离心力很小，因而叶轮中心处所形成的低压不足以将贮槽内的液体吸入泵内，达不到输液目的。,解决方法:泵启动前,泵壳内应充满所输送的 液体,什么是离心泵的气缚现象？,二离心泵的主要部件,闭式,半闭式,开式,效率最高，适用于输送洁净的液体，不适于输送浆料或含悬浮物的液体。,效率较低，常用于输送浆料或悬浮液。,1）叶轮：作用是将原动机的机械能传给液体，使液体的静压能和动能

3、均有所提高。,叶轮按其结构形状分有三种：,叶轮按吸液方式分有二种： 单吸：液体只有一侧被吸入。 双吸：液体可同时从两侧吸入，具有较大的吸液能力。而且基本上可以消除轴向推力。,叶轮上平衡孔的作用？,由于流体输送过程中，会有少部分高压流体返回叶轮内，从而是叶轮两侧流体的压强存在较大的差异，在输送过程中，叶轮左右晃动。因此为了平衡叶轮两侧的压力在叶轮上开有平衡孔，以使两侧流体均匀混合。避免泵体振动,作用,2）泵壳（蜗壳形）：,将高速液体的部分动能转化为静压能。,汇集由叶轮抛出的液体,转能装置:,原因是泵壳形状为蜗壳形，流道截面逐渐增大，up。,3）轴封装置：泵轴与泵壳之间的密封称为轴封。作用是防止高

4、压液体从泵壳内沿轴的四周面漏出，或者外界空气以相反方向漏入泵壳内。,轴封装置,机械密封用于输送易燃，有毒液体等密封要求高的泵内,填料密封用于普通离心泵,二 离心泵的基本方程式从理论上表达了泵的压头与其结构、尺寸、转速及流量等因素之间的关系，它是用来计算离心泵理论压头的基本公式。,离心泵的理论压头 在理想情况下离心泵可能达到的最大压头。所谓理想情况是做如下假设：, 叶轮内叶片的数目为无穷多，即叶片的厚度为无限薄，从而可以认为液体质点完全沿着叶片的形状而运动，亦即液体质点的运动轨迹与叶片的外形相重合。,1、 液体通过叶轮的流动状况, 输送的是理想液体，由此在叶轮内的流动阻力可忽略。,圆周运动速度u

5、：叶轮带动液体质点作圆周运动 的速度相对运动速度:相对于旋转叶轮的速度,2 离心泵基本方程式的推导,动量矩定理：单位时间内流体对某一中心的动量矩的增量等于作用于流体的力矩的增量M，即:,单位时间内液体的动量矩(WVR)=质量流量绝对速度绝对速度对旋转中心的垂直距离,根据动量理论推导。,现分析液体从叶片进口“1”处流到出口“2”的过程中单位时间内动量矩的增量：,所以，叶片进口“1”处液体在单位时间内动量矩(WVR)1为,叶片进口“2”处液体的单位时间内动量矩(WVR)2为,下标T表示理想液体，表示叶片数目无穷多。,所以力矩增量为：,其中,又由流体力学知，单位时间内叶轮对液体所作的功等于同一时间内

6、叶片进口处流到叶片出口处的力矩增量和叶轮旋转角速度的乘积,表示具有无限多叶片的离心泵对理想液体所提供的理论压头。 整理上式得：,说明：（1） 仅与u和c有关，而与流动过程无关,离心泵基本方程式,（2） 与被输送液体的种类（密度）无关，只要叶片进、出口处的速度相同，都可以得到相同的,由叶片进出口速度得：,为了更好地说明操作原理，对上式作进一步地处理，得：,所以离心泵基本方程式式可改写为：,Hp（静压头）,叶轮旋转所增加的静压头,叶片间的道截面逐渐扩大、致使液体相对速度减少所增加的静压头,Hc(动压头),离心泵基本方程式的又一表达式,3 离心泵基本方程式的讨论,理论流量可表示为在叶轮出口处的液体径

7、向速度和叶片末端圆周出口 面积之乘积，即：,1） 与n和D2的关系当 和 一定时， 随n和D2的增加而加大。,2) 与叶片几何形状的关系,其它条件不变时，,与叶片的形状（2）有关。,）后弯叶片（叶片弯曲方向与叶轮旋转方向相反）,）径向叶片,）前弯叶片,由此可见，前弯叶片所产生的,最大，,似乎前弯叶片最为有利，但实际并不如此，由式可知：,原因：对于离心泵，希望获得的是HP，而不是Hc ，虽有一部分Hc会在蜗壳中转换为静压头，但此过程中会导致较大的能量损失，因液体质点流速过大。,现在来分析Hc项:,H,20OC,90OC,Hp在 中占有较大的比例；,Hp和Hc 在 中所占比例大致相当；,Hp在 中

8、占比例较小；,从能量损失方面考虑，宜采用后弯叶片,3）理论流量的影响,若离心泵的几何尺寸和转速一定，则,可表示为：,其中,与QT呈直线关系,理论流量与理论压头呈直线关系,结论：,（电机功率增加）,（电机功率不变）,（电机功率变化不大，这是采用后弯叶片原因之二，电机容易匹配。）,理论流量与理论压头关系曲线,实际的HQ线实际情况为: 叶轮上的叶片数目是有限的612片，叶片间的流道较宽，这样叶片对液体流束的约束就减小了，使有所降低。, 液体在叶片间流道内流动时存在轴向涡流，其直接影响速度，导致泵的压头降低。, 泵内有各种泄漏现象，实际的Q小于,所以，实际的HQ线应在,线的下方，,实际的HQ曲线由实验

9、测定。, 液体具有粘性。,小结：（1）离心泵的工作原理、结构（2）气缚、气蚀现象、工作注意事项（3）离心泵基本方程式,（4）理论流量与理论压头关系,实际流量与实际压头关系,三、离心泵的性能参数与特性曲线,离心泵主要性能参数,流量,压头,轴功率,效率,气蚀余量,（一） 离心泵的性能参数 1 流量Q（V）：单位时间内泵输送的液体体积,m3/s（或m3/h，l/s等）。 Qf(泵的结构，尺寸，转速）Q的大小可通过安装在排出管上的流量计测得。,2 扬程H（压头）：泵对单位重量的液体所提供的有效能量，m液柱。 H=f(泵的结构，尺寸，转速，流量）若在泵的吸入口和排出口分别装上真空表和压力表并取1-1，2

10、-2截面作计算，则,3效率 效率泵轴通过叶轮传给液体能量过程中的能量损失。通常用效率来反映能量损失。,4 轴功率,轴功率N原动机（电动机或蒸汽透平等）传送给泵轴的功率，kW。,二、离心泵的特性曲线当泵转速n一定时，由实验可测得HQ，NQ，Q，这三条曲线称为性能曲线，由泵制造厂提供。供泵用户使用。泵厂以20清水作为工质做实验测定性能曲线。,）HQ，QH，呈抛物线H=ABQ2,）NQ，QN，当Q=0，N最小,）Q，Q先后，存在一最高效率点，此点称为设计点。与max对应的H，Q，N值称为最佳工况参数，也是铭牌所标值。,启动与停泵：灌液完毕后，此时应关闭出口阀后启动泵，这时所需的泵的轴功率最小，启动电

11、流较小，以保护电机。启动后渐渐开启出口阀。停泵前，要先关闭出口阀后再停机，这样可避免排出管内的水柱倒冲泵壳内叶轮，叶片，以延长泵的使用寿命。,四 离心泵性能的改变与换算(一）流体物性的影响1 密度的影响,H，Q与无关。,HQ,Q曲线保持不变。,变N也变，N，电机功率要。,所以：NQ曲线发生变化。,2 粘度的影响,H，Q，和N。,泵内液体的能量损失增大,（二） 转速的影响n变化，导致速度发生变化，H，Q和N也发生变化，但不变。,（三）、 叶轮直径的影响当n一定时，H，Q与D2有关。,即叶轮直径变化时，有：,叶轮直径和叶轮的其它尺寸发生改变时，有：,五 离心泵的气蚀现象与允许吸上高度 （安装高度）

12、,1 离心泵的汽蚀现象（Cavitation）离心泵运转时，液体在泵内压强的变化如图所示：,pKpv(t)，pv(t)被输液温度t时的饱和蒸汽压,汽蚀现象：会产生噪音和震动，叶轮局部地方在巨大冲击力的反复作用下，材料表面疲劳，从点蚀到形成严重的蜂窝状空洞，损坏叶片。,汽蚀后果：泵的流量，压头和效率急剧下降，严重时甚至吸不上液体,汽蚀解决方法：保证一定的安装高度，使pKpv(t)。,（二）离心泵的允许吸上高度（允许安装高度）Hg Hg泵的吸入口与贮槽液面间的允许到达的垂直距离，m液柱。,实际安装高度应小于等于Hg。,说明：由上式可见，在一定流量下Q一定值，则Hg就直接与Hf0-1有关，相应地：H

13、f0-1值大，Hg值就小，反之亦然。所以，对泵的吸入管路而言，宜短而粗，尽量不装阀门和少装管件，这样Hf0-1较小，以保证一定的Hg值。,定义：泵入口处可允许达到的最高真空度,Hs是离心泵的一性能参数，Hsf(被输送液体的物性，泵的结构，流量及当地大气压等) ，泵制造厂在泵出厂前要进行测定.标定时实验条件为大气压10.33mH2O，20清水，测得的Hs Q曲线列于泵样本性能曲线中。,国产离心泵标准中，采用两种指标来表示泵的抗气蚀性能（吸上性能）,1、离心泵的允许吸上真空度,若输液的物性与水不同，且操作条件与标定条件不符时，则需换算：,离心泵的安装高度计算式,*在确定Hg时，用最大流量下的HS来

14、进行计算,一般情况下,3允许汽蚀余量h NPSH(Net Positive Suction Head),定义：为防止气蚀现象的发生，在离心泵入口处液体的静压头和动压头之和必需大于液体在操作温度下的饱和蒸气压头的某一最小值。即：,一般h与泵的结构和尺寸有关，由实验测定，并同标绘于性能曲线图上。 *h随Q增大而增大，因此计算允许安装高度时应取高流量下的h值。,所以,离心泵的安装高度计算式,离心泵的安装高度计算式,说明：为安全起见，离心泵的实际吸上高度，即实际安装高度应比允许吸上高度小0.51m.,六 离心泵的工作点与流量调节,1 管路特性曲线与工作点1） 管路特性曲线,输送系统,在两液面间列柏努利方程，有：,表示在特定管路系统中，于固定操作条件下，流体流经该管路时所需的压头与流量的关系。此线的形状由管路的布局与操作条件来确定，而与泵的性能无关。,管路特性曲线,2） 工作点,离心泵的工作点：是指离心泵的性能曲线（HQ曲线）与管路特性曲线的交点，即在HQ坐标上，分别描点作出两曲线的交点M点。,H=ABQ2,HQ曲线方程,He=KCQe2,HeQe曲线方程,联立求解,工作点H 、Q,M（工作点）,HQ,HeQe,管路特性曲线,泵的特性曲线,*对所选定的离心泵，以一定转速在此特定管路系统运转时，只能在这一点工作。,小结,(1)离心泵特性曲线,（2）离心泵特性曲线的变化,流体物性的改变,