化工原理第二章流体输送机械

1第二章流体输送机械第一节概述一.流体输送的需要工程上经常出现以下情况：1.122.221uhf可通过机械对流体作功，使流体获得机械能，以满足输送要求。fehupgzWupgz212222211122(J/kg)212222211122feHgugpzHgugpz(J/N)(m)2122ffHgHgugHe合理选择，正确使用。12Hee122二．过程分析法及其在泵流管路问题上的应用1．过程分解法当一个过程由若干个子过程综合而成，各个过程之间无交互影响或影响微弱而可忽略，则对子过程分别研究解决，然后通过一定的原则或方法加以综合，可使整个过程得到简化并解决。2．泵流管路问题的解决方案应用过程分解法，将整个问题分解为泵特性和管路特性，分别加以研究，然后通过供需平衡原则加以解决。三.管路特性方程设机械对单位重量流体作功为：H——J/N（m流体柱）,又称压头（不是压强是能量）从机械能衡算式可得：fHguugH2212212对液体guu22122项很小，可忽略。即fHgH又gudlHf2)(2，24dquV代入2242)(8VVfKqqgddlH得:2VKqgH上式称管路特性方程，反映了管路状态，输送流量与补充能3量的关系。结论：机械补充的能量，主要用于提供机械能（对液体主要是总势能）的增加和克服阻力损失。K值反映了管路流动阻力的大小,K愈大，阻力愈大。四．流体输送机械的主要技术指标流量——qV，必须达到的流体输送量；压头（扬程）——H（He），需补充给单位流体的机械能（本章以单位重量计）。另一个在选择输送机械必须考虑的指标是效率。五．流体输送机械的分类动力式（叶轮式）：如离心泵；按作用原理分容积式（正位移式）：如往复泵；其他类型按流体的压缩性分：气体输送机械（机，真空泵）液体输送机械（泵）。HqVK大K小4第二节离心泵2-2-1离心泵的工作原理一．离心泵的主要部件（如图）1．叶轮——提供能量（对流体作功，使其获得能量）2．泵壳（蜗壳）——收集液体，能量转换（限制流体的流向并通过流道的慢慢扩大，将大部分的动能转化为势能）。二．等角速度运动的考察方法假定叶轮有无限多，无限薄的叶片。1．静止坐标为参照系流体作等角速度ω圆周运动，运动的力为泵壳施于的向心力即径向压力。流体沿螺旋线由叶轮内缘流向外缘，作复杂的二维平面运动。可考察流体的总机械能。2．等角速运动的旋转坐标为参照系流体质点处于相对静止状态，向心力和惯性离心力平衡，可用静力学方程进行分析；流体在叶轮流动与管内流动无本质区别；无法考察流体的总机械能。5三．离心力场中的静力学方程旋转坐标为参考系：单位质量流体受力，重力：Z=-g惯性力：r2根据欧拉平衡方程：22ddpZdzYdyXdx积分得：cgguzgp2)2(22叶轮进、出口列机械能衡算式:gguugg222221212212四．离心泵的理论压头1．离心泵的理论流量V（qv）（图2-6）22222222sin2sin2wbcbqV2．理论压头假定：液体是理想流体，0。流动是定态的。叶轮的叶片无限多，液体流径与叶片吻合。gccgHT2212212gccgguuHT2222122222121226速度三角形：cos2222cuuc推导得：gcucuHT111222coscos为使流体获得更多的能量，离心泵设计时应使流体进入泵前无预旋，即使o901。有22222coscoswuc和2222sin2bqwV得22222ctgqgAuguHVT六．影响离心泵压头的因素1．叶片形状（图2-8）径向叶片o90H和qV无关前弯叶片o90qVH后弯叶片o90qVH工业上，为提高有效能量（效率），采用后弯叶片gc222小，能量损失小。2．密度泵的压头与密度无关（ρ不出现在公式中）（单位J/N)必须注意:压头基本上反映了流体进、出泵的压强能差。gppH12当qV一定，H一定，但12,,pp此时液体无法连续吸入泵内而不能正常输液。这种因泵内液体密度太小而不能正常工作的现象——“气缚”现象。7故离心泵启动前，需灌泵排气。同时，应保证泵的密封良好，防止外界空气进入泵内。也可在进口管路安装单向阀。七．离心泵的压头（扬程）离心泵的实际（有效）压头HHHTe损由于H损无法计算，故eH实测方法加以解决。在工业操作范围内可表达为：nVeBqAH上式称为离心泵的特性方程式或特性曲线（已有H损，计算时可不考虑泵的阻力损失）2-2-2离心泵的功率与效率一．泵内的机械能损失1．容积损失：以获得能量的液体泄漏。（根据需要可选用不同类型的叶轮）95.0~85.0v2．水力损失：流体的粘性而产生的阻力损失。9.0~8.0h（主要部分）3．机械损失：轴与轴封，叶轮与流体间磨擦。99.0~96.0MqVvHTTHHe8二．离心泵的有效功率和效率He-----泵的有效压头，m；V（qv）-------泵的实际流量，m3/s；Ne-----泵的有效功率，W；Na-----泵的轴功率，W；------泵的效率；eVVeseeHgqqgHWWNaeMhvNN2-2-3离心泵的特性曲线通过实验可测得泵的特性曲线(图2-13)1.He~qV2.Na~qV3.~qV效率有最大值，该值时的流量qVA称为额定（设计）流量。一般AVVqq10%为高效区域。影响特性曲线的因素：一．密度（）He与无关，但应注意Ne。二．粘度（）当水（20度水的粘度）时，的影响可忽略。对高粘度流体特性曲线必须修正。VCVV'HeeCHH'C'三．转速与叶轮直径的影响9当转速n变化小于20%时，可认为速度三角形相似（质点运动轨迹近似不变），此时：nnVV''2''nnHHee3''nnNNaa'同理：当叶轮直径D变化不大时，且满足'2'222bDbD时有相似公式。DDqqVV''2''DDHHee3''DDNNaan或D增加时曲线上移。2-2-4离心泵的流量调节一．离心泵的工作点管路特性方程212VKqgH泵的特性方程neVeBqAH由连续性方程eVVqq由能量守衡原理eHH所以离心泵实际输出的流量和压头，是两个特性方程联立求解的结果，两条特性曲线的交点a称为离心泵的工作点。其对应的qV和H即为离心泵实际输出的流量和扬程（压头）。结论：带泵管路系统中，离心泵的流量和扬程是由泵和管路共同决定的。10二．离心泵的流量调节1．调节管路特性（阀门开度）例：某带泵管路原特性曲线为Hoa，工作点为1，现将泵出口阀关小，则流量qV——；扬程——；管路阻力损失——；（图2-20）结论：（1）优点：调节简单，灵活。（2）缺点：能量利用不尽合理反映在a.可能偏离高效区工作b.减小流量，能量增加（3）适用场合：需经常性调节过程2．调节泵的特性（改变泵转速，叶轮直径）例：某台离心泵，将转速n(或直径D)调小到n/(或直径D/)（满足速度三角形相似），则结果如何？（图2-21）结论：（1）优点：能量利用较为合理（2）缺点：调节困难（3）适用：有规律的周期性调节112-2-5离心泵的组合操作一.串联泵组的工作点(图2-23)321eVeVeVVqqqq，NieiecHH1nveecNBqNANHH结论：串联泵组，qV(总)qV(单)，qV增大，H减小,H(总)ΣH(单)二.并联泵组的工作点(图2-22)NieiVVqq1，当各泵工作条件相同时：NqqqqVeiVeVeV21，eieeHHH21nVeiebNqBAHH结论：并联泵组，H(总)H(单)，由于管路阻力，qV(总)NqV(单)三.组合方式的选择选择原则：1.当gA时，必须采用串联方式。2.当以增加流量为目的时，对低阻（K较小）采用并联组合，对高阻（K较大）则采用串联组合。(图2-24)122-2-6离心泵的安装高度一.离心泵的汽蚀现象(图2-25)由o~k截面列机械能衡算式guHHgppHkkffokg22110当V,l,d一定，Hg上升，pk下降，一旦vkpp时，液体将汽化，产生汽蚀现象:当含汽液体进入叶轮高压区，汽泡突然冷凝，产生液体对叶轮和泵壳的猛烈撞击，使泵受到破坏。汽蚀现象的外部原因:是泵的安装高度不当或入口管路阻力太大。由o~k截面列机械能衡算式：)1(221122KfkkHgugpgugp当vkpp时，——“汽蚀”——min1p定义（NPSH）c——临界汽蚀余量gpgugpNPSHHgugpgugPNPSHvKfkvMINC222)(211)1(2211泵实际汽蚀余量：泵样本提供必需汽蚀余量（NPSH）r(临界汽蚀余量+安全量)规定5.0)(rNPSHNPSH13二.离心泵的安装高度Hg——允许安装高度，m。由)2(2110guHHgppHkkffkog当vkpp时，maxHgHg。则cNPSHHgppHgfovo)(1max]5.0)[(11rfovofovoNPSHHgppHgNPSHHgppHg结论:1.（NPSH）c只与泵结构有关，当泵选定，则（NPSH）c为定值。2.Hg是指泵中心与水源液面的距离。3.为提高Hg，应减少10fH（dl,，减少管件）。142-2-7离心泵的选用一.离心泵类型离心泵是定型机械产品。常用的离心泵有清IS泵，耐腐蚀泵，油泵，液下泵，屏蔽泵，杂质泵，管道泵，低温泵等。如:4B91-2900-554英寸（或100）——泵的入口管直径。B——悬臂式单吸水泵（一种类型）。又Sh——双吸式(大流量)，D——多级离心泵(高压头)，Y——油泵，(YS双吸)F——耐腐蚀泵，91——扬程（压头）2900——转速55——电机功率kw又如:4B54A-2900-4054——扬程A——一次切削型。二.离心泵的选型1.根据流体性质，确定泵的类型。2.根据管路需要（qV，H），在qV相等的前提下，使HeH。(图2-30)3.当几种型号的泵均满足2时，选择最高效率泵。4.若实际安装高度有明确规定时，须核算安装高度Hg能否满足要求。5.校核电机功率。15三.泵流管路的计算公式：udqV24202VVqKHHeKqgHdfRe,对设计型计算：除了选择最佳流速,最适宜管径外,还要选择泵。对操作型问题：常常也需要试差（设λ）。第三节往复泵（正位移泵）2-3-1作用原理和类型一、主要部件：缸体，活塞，活门（图-2-31）。二、作用原理：利用活塞的往复运动，抽吸及排出液体。（以压强能的形式向液体提供能量）三、分类：1．按动力来源分类：电动往复泵，汽动往复泵。2．按作用原理分类：单动，双动。2-3-2往复泵的特点一、流量的不均匀性1．往复泵的流量16（1）单动泵：60ZFSnqTVqVT——活塞往复一次理论上排出的流量m3Z——泵缸数目F——活塞截面积S——行程N——活塞往复频率1/min（2）双动泵：60)2(SnfFZqTVf——活塞杆截面积（3）实际流量：vTVVqq在压头不是很高时，v与压头无关，所以，流量与压头无关。（与离心泵的区别）2．流量的不均匀性见图（2-33）二、补偿方法1．多缸往复泵2．泵进、出口设置空气室2-3-3往复泵的调节一、往复泵的特性曲线往复泵的流量只取决于泵本身。往复泵的压头（扬程）只取决于管路。见图（2-36）17二、