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1、化工原理化工原理第二章第二章 流体输送机械流体输送机械 第一节 离心泵 一、概述 在化工生产过程中，常常需要将流体物料从一个设备输送至另一个设备；从一个位置输送到另一个位置。当流体从低能位向高能位输送时必须使用输送机械，用来对物料参加外功以克服沿程的运动阻力及提供输送过程所需的能量。为输送流体物料提供能量的机械装置称为输送机械，分为液体输送机械和气体输送机械。液体输送机械统称为泵。因被输送液体的性质,如黏性、腐蚀性、混悬液的颗粒等都有较大差异，温度、压力、流量也有较大的不同，因此，需要用到各种类型的泵。根据施加给液体机械能的手段和工作原理的不同，大致可分为四大类，如表2-1所示。第一节 离心泵
2、表2-1液体输送机械泵的分类 泵是一种通用的机械，广泛使用在国民经济各部门中。其中离心泵具有结构简单、流量大而且均匀、操作方便等优点，在化工生产中的使用最为广泛。本章重点讲述离心泵，对其它类型的泵作一般介绍。第一节 离心泵 二、离心泵构造和原理二、离心泵构造和原理 1 1.离心泵的工作原理离心泵的工作原理 图2-1是一台安装在管路中的离心泵装置示意图，主要部件为叶轮1，叶轮上有6-8片向后弯曲的叶片，叶轮紧固于泵壳2内泵轴3上，泵的吸入口4与吸入管5相连。液体经底阀6和吸入管5进入泵内。泵壳上的液体从排出口8与排出管9连接,泵轴3用电机或其它动力装置带动。图2-1离心泵装置示意图1-叶轮；2-
3、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-调节阀第一节 离心泵 泵在启动前,首先向泵内灌满被输送的液体，这种操作称为灌泵。同时关闭排出管路上的流量调节阀为什么？,待电动机启动后，再翻开出口阀。离心泵启动后高速旋转的叶轮带动叶片间的液体作高速旋转，在离心力作用下，液体便从叶轮中心被抛向叶轮的周边，并获得了机械能，同时也增大了流速，一般可达1525m/s,其动能也提高了。当液体离开叶片进入泵壳内，由于泵壳的流道逐渐加宽，液体的流速逐渐降低而压强逐渐增大，最终以较高的压强沿泵壳的切向从泵的排出口进入排出管排出，输送到所需场所，完成泵的排液过程。当泵内液
4、体从叶轮中心被抛向叶轮外缘时，在叶轮中心处形成低压区，这样就造成了吸入管贮槽液面与叶轮中心处的压强差，液体就在这个静压差作用下，沿着吸入管连续不断地进入叶轮中心，以补充被排出的液体，完成离心泵的吸液过程。只要叶轮不停地运转，液体就会连续不断地被吸入和排出。可见离心泵之所以能输送液体，主要是依靠高速旋转的叶轮所产生的离心力，因此称为离心泵。第一节 离心泵 注意：假设泵启动前未进行灌泵操作，那么泵内存有空气，由于空气密度比液体的密度小得多，泵内产生离心力很小，因而在吸入口处的真空度很小，贮槽液面和泵入口处的静压头差很小，不能推动液体进入泵内，启动泵后而不能输送液体的现象称为气缚现象。表示离心泵无自
5、吸能力。离心泵吸入管底部安装的带吸滤网的底阀为止逆阀，是为启动前灌泵所配置的。2.离心泵的主要部件 离心泵的主要部件为叶轮、泵壳和轴封装置。2.1叶轮：是离心泵的关键部件,其作用是将原动机的机械能传给液体,使通过离心泵的液体静压能和动能均有所提高。叶轮有6-8片的后弯叶片组成。按其机械结构可分为以下三种,如图2-2所示。开式叶轮仅有叶片,两侧均无盖板,如图(a)所示,适于输送含有固体颗粒的液体悬浮物；半闭式叶轮,没有前盖板而有后盖板,如图(b)所示,适于输送浆料或含固体悬浮物的液体,效率较低；闭式叶轮两侧分别有前、后盖板,流道是封闭的，如图(c)所示,适于输送高扬程、洁净液体,效率较高。第一节
6、 离心泵 a b c 图2-2 离心泵的叶轮 a开式 b半闭式 c闭式第一节 离心泵 一般离心泵大多采用闭式叶轮。开式和半闭式叶轮不仅效率较低，而且在运行时,局部高压液体漏入叶轮后侧,使叶轮后盖板所受压力高于吸入口侧,对叶轮产生轴向推力。轴向推力会使叶轮与泵壳接触而产生摩擦,严重时会引起泵的震动。为了减小轴向推力,可在后盖板上钻一些小孔,称为平衡孔如图2-3(a)中1,使局部高压液体漏至低压区,以减小叶轮两侧的压力差。平衡孔可以有效地减小轴向推力,但同时也降低了泵的效率。另外：叶轮按其吸液方式的不同可分为单吸式和双吸式两种，如图2-3所示。单吸式叶轮构造简单，液体从叶轮一侧被吸入；双吸式叶轮可
7、同时从叶轮两侧对称地吸入液体。显然，双吸式叶轮具有较大的吸液能力，并较好地消除轴向推力。故常用于大流量的场合。第一节 离心泵 2.2泵壳：是一个截面逐渐扩大的状似蜗牛壳形的通道，常称蜗壳，如图2-4所示。叶轮在壳内顺着蜗形通道逐渐扩大的方向旋转,愈接近液体出口,通道截面积愈大。因此,液体从叶轮外缘以高速被抛出后,沿泵壳的蜗牛形通道而向排出口流动,流速便逐渐降低,减少了能量损失,且使大局部动能有效地转变为静压能。可见：泵壳不仅作为一个聚集和导出液体的通道，同时其本身又是一个转能装置。在较大的泵中,在叶轮与泵壳之间还装有固定不动的导轮,如图2-5中的2所示,其目的是为了减少液体直接进入蜗壳时的冲击
8、。由于导轮具有很多逐渐转向的通道,使高速液体流过时均匀而缓和地将动能转变为静压能,从而减少了能量损失。图图2-2-4 4 流体泵内流动情况流体泵内流动情况第一节 离心泵 2.3轴封装置：泵轴与泵壳之间的密封成为轴封。其作用是防止高压液体从泵壳内沿轴的四周漏出,或者外界空气以相反方向漏入泵壳内的低压区。常用的轴封装置有填料密封和机械密封两种，如以下图所示。普通离心泵所采用的轴封装置是填料函，即将泵轴穿过泵壳的环隙作为密封圈，于其中填入软填料例如浸油或涂石墨的石棉绳,以将泵壳内、外隔开，而泵轴仍能自由转动。对于输送酸、碱以及易燃、易爆、有毒的液体,密封的要求就比较高,既不允许漏入空气,又力求不让液
9、体渗出。近年来在制药生产中离心泵的轴封装置广泛采用机械密封。如图2-7所示，它是有一个装在转轴上的动环和另一个固定在泵壳上的静环所构成，两环的端面借弹簧力互相贴紧而做相对运动，起到密封作用。第一节 离心泵 第一节 离心泵第一节 离心泵 三、离心泵的性能参数与特性曲线 1.性能参数 表征离心泵的主要性能参数有流量、扬程、轴功率和效率，这些参数标注在离心泵的铭牌上，是评价离心泵的性能和正确选用离心泵的主要依据。1.1流量：指单位时间内泵所输送到管路系统中的液体体积，也称送液能力，用符号qv 表示，其单位为m/h或m/s，其大小主要取决于泵的结构、尺寸和转速等。1.2压头：指泵对单位重量1N的流体所
10、提供的有效能量，亦称扬程。用符号H表示，其单位为m液柱。离心泵压头取决于泵的结构、转速和流量，也与液体的密度有关。1.3功率：分为轴功率和有效功率。轴功率是指泵轴所需的功率，它直接由电动机提供，用符号P轴表示；有效功率是指单位时间内液体从泵中获得的有效能量，用符号Pe表示。二者单位均为W或kW。其中泵的有效功率为：2-1第一节 离心泵 1.4效率：是指有效功率与泵轴功率之比。它说明液体输送过程中泵轴转动所作的功不能全部为液体所获得，不可防止地会有能量损失，这种损失包括容积损失、水力损失和机械损失，以上三种损失的大小即用离心泵的总效率表示,本质上是三种损失效率的总和。2-2 联立2-1及2-2有
11、：2-3 假设离心泵轴功率的单位用kW表示，那么式2-3变为 (2-4)注意：泵标牌上注明的P轴是以20的清水为试验体，其密度为1000kg/m计算的。如泵输送液体的密度较大，应看原配电机是否适用。假设需要自配电机，为防止电机超负载，常按实际工作的最大流量计算轴功率作为选电机的依据。离心泵效率与泵的尺寸、类型、构造、加工精度、液体流量和所输送液体性质有关，一般小型泵效率为50%-70%，大型泵可到达90%左右。第一节 离心泵 离心泵工作时各功率与效率间有如下关系：2.特性曲线 离心泵的有效压头、轴功率、效率与流量之间的关系曲线称为离心泵的特性曲线,常由实验测定，如图2-8所示为国产IS100-
12、80-125型离心水泵在n=2900rm-1时测得的特性曲线。其中以扬程和流量的关系最为重要。由于泵的特性曲线随泵转速而改变，故其数值通常是在额定转速和标准试验条件(大气压101.325kPa,20清水)下测得。通常在泵的产品样本中附有泵的主要性能参数和特性曲线,供选泵和操作时参考。各种型号的离心泵都有本身单独的特性曲线，但形状根本相似，具有以下共同的特点：第一节 离心泵 2.1 -曲线：表示泵的扬程压头和流量的关系。曲线说明离心泵的扬程随流量的增大而下降。2.2 -曲线：表示泵的轴功率和流量的关系。曲线说明离心泵的轴功率随流量的增大而上升，当流量为零时轴功率最小。所以离心泵启动时，为了减小启
13、动功率应使流量为零即将出口阀门关闭，以保护电机。待电机运转到额定转速后，再逐渐翻开出口阀门。2.3 -曲线：表示泵的效率和流量的关系。曲线说明离心泵的效率随流量的增大而增大，当流量增大到一定值后，效率随流量的增大而下降，曲线存在一最高效率点即为设计点。对应于该点的各性能参数 、和H称为最正确工况参数，即离心泵铭牌上标注的性能参数。根据生产任务选用离心泵时应尽可能使泵在最高效率的92左右区域工作，详见以下图。图2-8离心泵特性曲线 第一节 离心泵由图可见：由图可见：qv，H ，P轴轴，有最大值。有最大值。例题：例题：参见教材P93例2-1。设计点设计点与最高效率相比，与最高效率相比，效率下降效率
14、下降58第一节 离心泵 3.影响离心泵特性曲线的因素 生产厂家提供的离心泵特性曲线都是针对特定型号的泵，在一定的转速和常压下用常温水为工质测得的。而实际生产中所输送的液体是多种多样的，工作情况也有很大的不同，需要考虑密度、泵的转速和叶轮直径等和实验条件的不同对泵产生的影响。并根据使用情况，对厂家提供的特性曲线进行重新换算和选泵。3.1密度的影响：一台离心泵的流量、压头均与液体的密度无关，效率也不随密度而改变，当被输送液体的密度发生改变时，-曲线和 -曲线根本不变。但泵的轴功率与液体的密度成正比，此时原产品说明书上的 -曲线已不再适用,泵的轴功率需按2-3式重新计算。显然，假设实际液体密度，那么
15、P轴,P轴qv曲线上移，反之下移。第一节 离心泵 3.2黏度的影响：当输送液体的黏度大于常温水的黏度时,泵内液体的能量损失增大,导致泵的流量、压头减小、效率下降，轴功率增加,泵的特性曲线均发生变化。理论上应进行校正。但通常由于实际应用的液体粘度总是小于2010-6时,如汽油、煤油、轻柴油等，可不必校正。否那么可按下式校正：(2-5)3.3离心泵转速的影响：对同一台离心泵假设叶轮尺寸不变，仅转速变化，其特性曲线也将发生变化。在转速变化小于20%时，流量、扬程及轴功率与转速间的近似关系可用式2-6进行计算，称为离心泵的比例定律。2-6 式中 、转速为n1时泵的流量、扬程、轴功率；、转速为n2时泵的
16、流量、扬程、轴功率。第一节 离心泵 3.4离心泵叶轮直径的影响：泵的制造厂或用户为了扩大离心泵的使用范围,除配有原型号的叶轮外,常备有外直径略小的叶轮,此种作法被称为离心泵叶轮的切割。当转速不变,假设对同一型号的泵换用直径较小的叶轮,但不小于原直径的90%时,离心泵的流量、扬程及轴功率与叶轮直径之间的近似关系称为离心泵的切割定律。2-7 假设除叶轮直径变化外，叶轮的其他尺寸也发生相应变化，但只要几何条件相似，那么泵的压头、流量和轴功率与叶轮直径之间具有如下关系：2-8 式中 、叶轮直径为时泵的流量、扬程、轴功率；、叶轮直径为时泵的流量、扬程、轴功率；、原叶轮的外直径和变化后的外直径。第一节 离心泵 四.离心泵的工作点与流量调节 1.管路特性与离心泵工作点 每种型号的离心泵在一定转速下，都有其自身固有的特性曲线。但当离心泵安装在特定管路系统并进行操作时，实际的工作压头和流量不仅遵循泵特性曲线上二者的对应关系，而且还必然会受到管路特性所制约。所谓管路特性是指通过特定管路时流量与所需压头的关系。这个关系确定如下：如图2-10所示，利用一台离心泵把水池的水抽到水塔上去,水从吸水池流到上水池的过
