化工原理之流体输送机械

第二章流体输送机械本章学习指导1本章学习的目的本章是流体力学原理的具体应用。通过学习掌握工业上最常用的流体输送机械的基本结构、工作原理及操作特性，以便根据生产工艺的要求，合理地选择和正确地使用输送机械，以实现高效、可靠、安全的运行。2本章应掌握的内容本章应重点掌握离心泵的工作原理、操作特性及其选型。3本章学习中应注意的问题在学习过程中，加深对流体力学原理的理解，并从工程应用的角度出发，达到经济、高效、安全地实现流体输送。流体输送机械的分类流体输送机械是指为流体提供机械能的机械设备分类：（1）动力式：借助于高速旋转的叶轮使流体获得能量。包括离心式、轴流式输送机械（2）容积式：利用活塞或转子的挤压使流体升压以获得能量。包括往复式、旋转式输送机械（3）流体作用式：依靠能量转换原理以实现输送流体任务。如喷射泵2.1离心泵1.离心泵的主要部件2.离心泵的工作原理3.离心泵的性能参数4.离心泵的特性曲线5.影响离心泵性能的因素和性能换算6.离心泵的气蚀现象与安装高度7.离心泵的工作点与流量调节8.离心泵的类型与选择123456离心泵的工作原理和主要部件离心泵结构简单，操作容易，流量易于调节，且能适用于多种特殊性质物料，因此在工业生产中普遍被采用。工作原理：（1）液体随叶轮旋转，在惯性离心力的作用下自叶轮中心被甩向外周并获得了能量，使流向叶轮外周的液体的静压强提高，流速增大。液体离开叶轮进入蜗壳，因蜗壳内流道逐渐扩大而使流体速度减慢，液体的部分动能转换成静压能。于是，具有较高压强的液体从泵的排出口进入排出管路，被输送到所需的管路系统。（2）由于离心力的作用，泵的进出口出产生压力差，从而使流体流动。离心泵的主要部件（1）叶轮：叶轮是离心泵的核心部件，由叶片组成，构成了数目相同的液体通道。按有无盖板分为开式、闭式和半开式。（2）泵壳：泵体的外壳，它包围叶轮，在叶轮四周开成一个截面积逐渐扩大的蜗牛壳形通道。此外，泵壳还设有与叶轮所在平面垂直的入口和切线出口。（3）泵轴：位于叶轮中心且与叶轮所在平面垂直的一根轴。它由电机带动旋转，以带动叶轮旋转。叶轮平衡孔叶轮外周安装导轮，使泵内液体能量转换效率高。导轮是位于叶轮外周的固定的带叶片的环。这此叶片的弯曲方向与叶轮叶片的弯曲方向相反，其弯曲角度正好与液体从叶轮流出的方向相适应，引导液体在泵壳通道内平稳地改变方向，使能量损耗最小，动压能转换为静压能的效率高。轴封装置：保证离心泵正常、高效运转。轴封装置的作用：离心泵在工作是泵轴旋转而壳不动，其间的环隙如果不加以密封或密封不好，则外界的空气会渗入叶轮中心的低压区，使泵的流量、效率下降。严重时流量为零——气缚。通常，可以采用机械密封或填料密封来实现轴与壳之间的密封。123456液体吸上原理：依靠叶轮高速旋转，迫使叶轮中心的液体以很高的速度被抛开，从而在叶轮中心形成低压，低位槽中的液体因此被源源不断地吸上。气缚现象：如果离心泵在启动前壳内充满的是气体，则启动后叶轮中心气体被抛时不能在该处形成足够大的真空度，这样槽内液体便不能被吸上。这一现象称为气缚。灌泵:为防止气缚现象的发生，离心泵启动前要用外来的液体将泵壳内空间灌满。这一步操作称为灌泵。为防止灌入泵壳内的液体因重力流入低位槽内，在泵吸入管路的入口处装有止逆阀（底阀）；如果泵的位置低于槽内液面，则启动时无需灌泵。离心泵的基本方程式221211221122efppzuHzuHgggg离心泵的基本方程式离心泵的理论压头：在理想情况下可能达到的最大的压头。离心泵的理论压头与如下几个假定条件相对应：①叶轮内叶片数目无限多，液体完全沿着叶片的弯曲表面流动，无任何环流现象；②液体为粘度等于零的理想流体，液体在流动中没有阻力。在这两个假定条件下，离心泵的理论压头可以表示为：其中：D2—叶轮外径；u2—叶轮旋转速度；QT—泵的体积流量；b2—叶片宽度；β2——叶片装置角。222TT222QuuHctgggDb＝－∞βπ离心泵的基本方程式的讨论：①装置角是叶片的一个重要设计参数。当其值小于90度时称为后弯叶片；等于90度时称为径向叶片；大于90度时称为前弯叶片。叶片后弯时液体流动能量损失小，所以一般都采用后弯叶片。离心泵的基本方程式的讨论：②当采用后弯片时，可知理论压头随叶轮直径、转速及叶轮周边宽度的增加而增加，随流量的增加呈线性规律下降。③理论压头与流体的性质无关。222TT222QuuHctgggDb＝－∞βπ理论流量与理论压头的关系实际操作中，由于以下三方面的原因，使得单位重量液体实际获得的能量，即实际压头，与离心泵的理论压头有一定的差距：（A）叶片间环流；（B）阻力损失；（C）冲击损失。考虑以上三方面之后，压头与流量之间的线性关系也将发生变化。理论压头与液体密度的关系理论压头与液体密度没有关系离心泵出口压强与密度成正比2.1.3离心泵的主要性能参数与特性曲线离心泵的性能参数1.流量（Q）:离心泵在单位时间送到管路系统的液体体积，常用单位为L/s或m3/h；2.压头（H）：离心泵对单位重量的液体所能提供的有效能量，其单位为m；3.效率（）：由原动机提供给泵轴的能量不能全部为液体所获得，通常用效率来反映能量损失；4.轴功率（N）：指离心泵的泵轴所需的功率，单位为W或kW离心泵的能量损失反映离心泵能量损失，包括：容积损失：由于崩的泄漏所造成的损失。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漏返回到叶轮入口处的低压区造成的能量损失。水力损失：进入离心泵的粘性液体产生的摩擦阻力以及在泵的局部处因流速与方向改变引起的环流和冲击而产生的局部阻力。机械损失：由泵轴与轴承之间、泵轴与填料函之间以及叶轮盖板外表面与液体之间产生的机械摩擦引起的能量损失。功率：（A）有效功率：离心泵单位时间内对流体做的功；（B）轴功率：单位时间内由电机输入离心泵的能量。gHQNe离心泵的特性曲线特性曲线：在固定的转速下，离心泵的基本性能参数（流量、压头、功率和效率）之间的关系曲线。强调：特性曲线是在固定转速下测出的，只适用于该转速，故特性曲线图上都注明转速n的数值。02040608010012014004812162024283236010203040506070809004812n=2900r/minIS00-80-160B离心泵H[m]Q/m3/h[%]N[kW]离心泵的特性曲线一般由离心泵的生产厂家提供，标绘于泵产品说明书中，其测定条件一般是20℃清水，转速也固定。讨论①从H～Q特性曲线中可以看出，随着流量的增加，泵的压头是下降的，即流量越大，泵向单位重量流体提供的机械能越小。但是，这一规律对流量很小的情况可能不适用。②轴功率随着流量的增加而上升，所以大流量输送一定对应着大的配套电机。另外，这一规律还提示我们，离心泵应在关闭出口阀的情况下启动，这样可以使电机的启动电流最小。③泵的效率先随着流量的增加而上升，达到一最大值后便下降，根据生产任务选泵时，应使泵在最高效率点附近工作，其范围内的效率一般不低于最高效率点的92%。④离心泵的铭牌上标有一组性能参数，它们都是与最高效率点对应的性能参数。例题2-2影响离心泵性能的因素和性能换算泵的生产部门所提供的离心泵特性曲线是在一定转速和常压下，以常温的清水为工质做实验测定的。若所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，应当重新进行换算。a.流体密度的影响：由离心泵的基本方程可看出，离心泵的压头、流量均与液体的密度无关，说明离心泵特性曲线中的H—Q及—Q曲线保持不变。但离心泵所需的轴功率则随液体密度的增加而增加，即N—Q曲线要变。b.黏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，H—Q、N—Q、—Q曲线都将随之而变。当液体运动粘度γ2010-8m2/s时，离心泵的性能则需按下式进行换算，即Qˊ=CQQHˊ=CHHηˊ=Cηη例题2-3C.转速的影响—比例定律转速变化特性曲线变化，在转速变化小于±20%范围内可做如下的假设：1.液体离开叶轮处的速度三角形相似2.不同转速下离心泵的效率相同1122QnQn＝21122()HnHn＝31122()NnNn＝d.叶轮直径的影响—切割定律在叶轮直径变化小于±20%，当泵的叶轮直径和其他尺寸均发生变化可作如下的假设1.液体离开叶轮时的出口速度三角形相似2.叶轮出口截面积基本不变3.离心泵的效率相同1122QDQD＝11222()HDHD＝11223()NDND＝2.1.4离心泵的气蚀现象和允许安装高度离心泵的安装高度：离心泵的安装高度是指要被输送的液体所在贮槽的液面到离心泵入口处的垂直距离，如图。由此产生了这样一个问题，在安装离心泵时，安装高度是否可以无限制的高，还是受到某种条件的制约。Hg11KK000p气蚀现象：叶轮中心处的压力下降到被输送流体在操作温度下的饱和蒸汽压时，则在泵内会产生：①被输送流体在叶轮中心处发生汽化，产生大量汽泡；②汽泡在由叶中心向周边运动时，由于压力增加而急剧凝结，产生局部真空，周围液体以很高的流速冲向真空区域；③当汽泡的冷凝发生在叶片表面附近时，众多液滴尤如细小的高频水锤撞击叶片；离心泵在气蚀状态下工作的危害：①泵体振动并发出噪音；②压头、流量在幅度下降，严重时不能输送液体；③时间长久，在水锤冲击和液体中微量溶解氧对金属化学腐蚀的双重作用下，叶片表面出现斑痕和裂缝，甚至呈海绵状逐渐脱落。汽蚀余量NPSH：泵入口处的动压头与静压头之和与以液柱高度表示的被输送液体在操作温度下的饱和蒸汽压之差。为了避免发生气蚀现象，在离心泵的入口处液体的静压头p1/ρg与动压头u12/2g之和必须大于操作温度下的液体饱和蒸汽压头pv/ρg某一数值，此数值即为离心泵的气蚀余量（NPSH)，即2v112ppuNPSHggg＝＋－ρρ离心泵的临界气蚀余量（NPSH)c：在泵入口1-1ˊ和叶轮入口k-kˊ两截面间列柏努利方程式，可得变形得出：通常将所测到得临界气蚀余量加上一定得安全量，成为必需气蚀余量记为（NPSH)r221,minv1,122kfkppuuHgggg－＋＝＋＋ρρ221,minv1,1()22kcfkppuuNPSHHggg－－＝＋＝＋ρ离心泵的允许吸上真空度若以输送液体的液柱高度来计算离心泵入口处的最高真空度，则此真空度称为离心泵的允许吸上真空度，以Hsˊ来表示，即Hsˊ值的大小与泵的结构、流量、被输送液体的性质及当地大气压等因素有关。通常由泵的制造工厂在98.1kPa下，用20℃为介质进行测定。若输送其他液体，或操作条件与上述的实验条件不同时，应按下式进行换算，即2-22.'1aSppHg－＝ρ假设离心泵在可允许的安装高度下操作，于储槽液面0-0ˊ与泵入口处1-1ˊ两截面间列柏努利方程式，可得避免发生汽蚀离心泵的允许安装高度Hg2011,012gfppuHHgg－－＝－－ρ0vgf,01ppHNPSHrHg－－＝－（）－ρ2'1gsf,01uHHH2g－＝－－讨论(1)汽蚀是由于安装高度太高引起的，事实上汽蚀现象的产生可以有以下三方面的原因：①离心泵的安装高度太高；②被输送流体的温度太高，液体蒸汽压过高；③吸入管路的阻力或压头损失太高。允许安装高度这一物理量正是综合了以上三个因素对汽蚀的贡献。推论：一个原先操作正常的泵也可能由于操作条件的变化而产生汽蚀，如被输送物料的温度升高，或吸入管线部分堵塞。（2）有时，计算出的允许安装高度为负值，这说明该泵应该安装在液体贮槽液面以下。（3）允许安装高度的大小与泵的流量有关。由其计算公式可以看出，流量越大，计算出的越小。因此用可能使用的最大流量来计算是最保险的。（4）安装泵时，为保险计，实际安装高度比允许安装高度还要小0.5至1米。（如考虑到操作中被输送流体的温度可能会升高；或由贮槽液面降低而引起的实际安装高度的升高）。（5）历史上曾经有过允许吸上真空度和允许气蚀余量并存的时期，二者都可用以计算允许安装高度，前者曾广泛用于清水泵的计算；而后者常用于油泵中。2.1.5离心泵的工作点与流量调