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1、第二章流体输送设备 1概述2-1流体输送概述气体的输送和压缩，主要用鼓风机和压缩机。液体的输送，主要用离心泵、漩涡泵、往复泵。固体的输送，特别是粉粒状固体，可采用流态化的方法，使气-固两相形成液体状物流,然后输送，即气力输送。流体输送在化工中用处十分广泛，有化工厂的地方，就有流体输送。流体输送机械主要分为三大类：（1）离心式。靠离心力作用于流体，达到输送物料的目的。有离心泵、多级离心泵、离心鼓风机、离心通风机、离心压缩机等。（2）正位移式。靠机械推动流体，达到输送流体的目的。有往复泵、齿轮泵、螺杆泵、 罗茨风机、水环式真空泵、往复真空泵、气动隔膜泵、往复压缩机等。（3）离心-正位移式。 既有离
2、心力作用，又有机械推动作用的流体输送机械。有漩涡 泵、轴流泵、轴流风机。象喷射泵属于流体作用输送机械。本章主要研究连续输送机械的原理、结构及设计选型。 2离心泵及其计算2-2离心泵构造及原理若将某池子热水送至高10 m的凉水塔，倘若外界不提供机械能，水能自动由低处向高处流吗？显然是不能的，如图2-1所示，我们在池面与凉水塔液面列柏努利方程得:图2-1流体输送示意图2.皿2ghf2P1U1-一 1% 二 Z2g 2g乙=0, P1 =P2 =0 （表压）,Z2 =10m, U1 =0，若泵未有开动，则：he =0代入上式得:0 0 00=10 0 d .丿 2g2-10 2g二u2u2为虚数2l
3、 le21 e d此计算说明，泵不开动，热水就不可能流向凉水架，就需要外界提供机械能量。能对流体提供机械能量的机器，称为流体输送机械。离心泵是重要的输送液体的机械之一。如图2-2所示，离心泵主要由叶轮和泵壳所组成。图2-2离心泵构造示意图泉壳 2 先将液体注满泵壳，叶轮高速旋转，将液体甩向叶轮外缘，产生高的动压头 ，由H丿于泵壳液体通道设计成截面逐渐扩大的形状，高速流体逐渐减速，由动压头转变为静压头，即流体出泵壳时，表现为具有高压的液体。 代丿，则常压液体在液体被甩向叶轮外缘的同时，叶轮中心液体减少，出现负压（或真空）不断补充至叶轮中心处。于是，离心泵叶轮源源不断输送着流体。可以用如下示意图表
4、示工工、広冷 流体被甩出后/工住、公冷 机械旋转 甘住、公冷 逐渐扩大的 甘工、公冷 常压流体-十小亠“一十 低速流体“亠、” 咼速流体咼压流体所造成的气压的离心力泵冗通道此机械何以得名离心泵，是因为叶轮旋转过程中，产生离心力，液体在离心力作用下产生高速度。2-3泵参数与特性曲线工作原理清楚之后，自然要问，该泵的送液能力（流量 Q ）如何？增压程度（扬程 H ）多大？旋转机械的功率（泵功率Ne ）为多少？效率（泵效率）多少？等等问题。泵的流量Q 、扬程H、功率N、效率 ，统称为离心泵的性能参数。这些参数之间的关系，都是由实验来测定的，如图2-3所示。将实验所得数据 Q、H、N、，描绘成H Q曲
5、线、NeQ曲线、 Q曲线,统称为离心泵的特性曲线。真空表二o压力我图2-3泵性能实验装置示意图我们对真空表与压力表之间的液体列柏努利方程得：2 2z_piuh = z2-P2U2hf m 液柱:?g2g-g2g乙=0, Z2二ho,-Pv（ Pv为真空度，即负表压）p2二PM （压力表读数，表压）,hf 0 （管路径很短，可以忽略）- H =ho2 2PmPv上g2g(i)式中，ho 真空表与压力表垂直位差，m ；Pm 压力表读数（表压），Pa ；FV 真空表读数，Pa ；u1,U2吸入管和压出管中液体流速，m；式（i）即为对应于一定流量 （Q）,泵提供扬程的计算公式。电动机提供的机械功率，可
6、由电流表A 安和电压表V 伏的读数得到，也可由功率表直接读得。(n)泵的有效功率 Ne计算式，推导如下:例如，离心泵对流体实际提供的能量为We J kg J，也就是说，对每公斤液体，泵要提供we焦耳的能量。在二时间里，泵输送的体积流量为 QsJ，则输送的液体质量为:Q m3 s：? kg m ns在r时间里，泵要提供的能量为:Q 宀 kg WeJ kg QWe而功率是单位时间里提供的能量，所以Ne 二- We(出)= Q-gH泵效率定义为，泵的有效功率 Ne与电机提供的功率 N之比，即:(W)2-4离心泵特性曲线举例在图2-3中用阀门调节管路流量至某一值Q_! m3 hJ ；读取真空计、压力计
7、读数PvPm,，再读功率表数值 弘；已知进、出口管径分别为d2 m。由上式（I）计算得到 H,，由式（川）计算 Nei，由式（W）计算得到 1。再调节流量至Q2，如上得到H2、Ne2、2。因此重复测得810个数据点。在图中可描得三条曲线 HQ、NQ、 Q，此即为泵的特性曲线。【例2-1】 今有一台IS100-80-125型离心泵，测定其性能曲线时的某一点数据如下：3_4Q =60m h ；真空计读数Pv二-0.02MPa，压力表读数为0.21 MPa，功率表读数为 5550W。已知液体密度为： = 1000 kg m 。真空计与压力计的垂直距离为 0.4 m，吸入管直径为100 mm，排出管直
8、径为80 mm，试求此时泵的扬程 H，功率Ne和效率 。解:2 2H 小PMPV U2 -u12gU260=3.32 ms; 比=60二 2.12 m sJ23600;(0.1).日 “4.。21.2106.彳322.1221000 9.812 9.81= 0.423.440.332 =24.2 mNe =Q1H；-g吐 24.2 1000 9.81 =3956W3600. 3956 71%N 5550He ）和已知输送液体的流量2-5离心泵选择与示例选择泵主要依据是输送管道计算中，需要泵提供的压头（Q）,然后查离心泵样本，看哪种泵的扬程和流量能满足其要求。【例2-2】天津地区某化工厂， 需将
9、60 C的热水用泵送至高10 m的凉水塔冷却，如图2-4所示。输水量为80 85 m3 h4，输水管内径为106 mm，管道总长（包括局部阻力当量长度）为图2-4【例2-2】附图解：在水池液面与喷水口截面列柏努利方程U22 2PlUiP2U2.-He =z2-_亠 hf：?g2gg2g85hf1二 2.68 m s , pi = p2 , 5=0,乙=0 兀23600 才(0.106)2l le u； “CL 100 (2.68)20.0258.63d 2g0.106 2 9.81代入上式得He =10 (2.68)8.63=19 m2x9.81查王志魁主编的化工原理，书本附录21,可选TS1
10、00-80-125型离心泵Q, m3 h60100120H， m242016.52-6离心泵的安装高度为什么要提出安装高度问题呢？倘若吸水池液面通大气，即使泵壳内的绝压（p1 ）为 零，即真空度为1个大气压，其安装高度 Hg亦会小于或等于10 m，如图2-5所示。若大于10米，则池中液体就不会源源不断压入泵壳内。另外，若泵壳的绝压（）小于被输送 液的饱和蒸汽压（Pv），则液体将发生剧烈汽化，气泡剧烈冲向叶轮，使叶轮表面剥离、破损，发生“气蚀”现象，即气泡对叶轮的腐蚀现象。 为了避免“气蚀”。所以必须满足p1 _ pv。所以安装高度Hg必须小于pgp m。那么实际安装高度 Hg应如何计算呢?图2
11、-5安装高度示意图在图2-5中的贮槽液面0-0与泵入口处1-1截面，列柏努利方程得,2 2PoUop1U1,z0- = zi- hfPg 2g2gZo = 0 , Zi = H g , Uo = 0HgU-2g-h(a)（1）气蚀余量法（Ah）气蚀余量.汕，是指泵入口处动压头与静压头之和广2、土 +巴，超过液体在操作2g內丿温度下水的饱和蒸汽压具有的静压头（Pv）之差，即Pg：hU-Pv;g(b)改写式（a）并将式（b）代入得:HgPig2g匹企 Po.g g :?g(V)式中，ch 由泵样本查得的气蚀余量值，m ；p0泵工作处的大气压强，Pa ；Pv 操作温度下被输液的饱和蒸汽压，Pa ；（
12、2）允许吸上真空高度法（Hs）目前出版的新的泵样本中，已没有列出Hs数值。但90年代以前出版的教材和泵样本中，是列有Hs值的。为了便于新老样本的衔接，此处简要介绍此法。定义HsPo - p1将Hs代入式（a）得:Hg =Hs2U12g-hf考虑到泵工作地点的大气压强不一定是一个大气压,（c）泵所需送液体也不- -定是20 C 的水，将压力与温度校正项加进去，代入式（c)得:Hg=H”加0一倍一 0._詁hf(此即允许吸上真空高度法计算泵安装高度的公式。式中Hs为允许吸上真空高度。2-7安装高度计算举例【例2-3】 在【例2-2】的输水系统中，泵的吸入管内径为150 mm吸入管压头损失为1 m水
13、柱，选用IS100-80-125型泵，该离心泵的性能参数如下：流量Q，m h扬程H, m气蚀余量 Ah，m60244.0100204.512016.55.0试计算：（1）泵的安装高度。已知 60oc水的饱和蒸汽压为19910 Pa，天津地区平均大气压为 0.101 MPa。（3）若该设计图用于兰州地区某化工厂，该泵能否正常运行？已知兰州地区平均大气压为0.085 MPa。解：（1） Hg max1013301000 9.81199191000 9.81-4.5 1 二 2.8 m（2）兰州地区的安装高度为:Hgmax850001000 9.81199191000 9.81一 4.5 -1 =1.13 m则应该根据在兰州地区安装高度应更低，才能正常运行。所以该设计图用于兰州地区, 兰州地区大气压数据进行修改。2-8离心泵的工作点离心泵工作时，不仅处决于泵的特性曲线H Q线，而且处决于工作管路的特性。当离心泵在给定管路工作时，液体要求泵提供的压头，可由柏努利方程求得,(d)hf由于位压头和静压头与流量无关，可令其为常数A，即。又因为5u2，所以2 2U22g:.0，所以式（d）为:H 二 A hf(e)hfQ2rleW2 吐 mI d 人2g 丿匸 d2)2(3600)24d 2g其中
