化工原料第2章

化工原理TheprinciplesofChemicalEngineering主讲、制作：佟永纯河西学院化学系第二章流体输送机械§1概述§2离心泵§3其它类型泵§4气体输送与压缩设备§1Introduction一、用途将流体从低位（压）送到高位（压）必须用设备为流体提供能量：We=∆E+Σhf为流体提供能量的设备，称为流体输送设备，为化工通用设备————通用机械。选择合适结构和性能输送机械应考虑：☻流体种类：液、气、浆等；☻输送任务：流量、所需能量；化工原理课件☻流体性质：μ、腐蚀性、、悬浮物、易燃易爆、P、T。安全可靠、高效节能。二、分类☻流体：泵、风机及压缩机；☻原理：叶轮式、容积式、流体作用式。三、本章目的与重点重点：离心泵流体输送机械操作原理、基本构造与性能，性能计算→合理选择使用布置。§2离心泵(Centrafugalpumps)其结构简单，流量大且较均匀，操作方便，应用广泛，占化工用泵80%强。一、工作原理及结构1.工作原理：由6~12片后弯叶片组成叶轮叶轮置于蜗壳形泵壳内；中央吸入管和侧旁排出管。离心泵外形灌泵→启动→叶轮旋转使液体离心离心甩出得到静压和速度(15～25m/s)→泵壳内能量转换→高能流体。故曰：离心泵。☻气缚：空气密度小，离心力小，不足以形成吸上液体所需要负压。无自吸能力。☻止逆阀：便于泵灌满液体，单向底阀。☻滤网及出口调节阀。2.主要部件：①叶轮(Impeller)：将原动机能量给液体。离心泵工作原理结构敞式半闭式闭式高压流体→轴向力→平衡孔→倒流→η；流体洁净程度。吸液单吸式：只从叶轮一侧吸入液体。方式双吸式：两侧吸入，吸液能力大，消除轴向力。平衡孔②泵壳(Volute)：u↓→↑，Σhf↓封闭叶轮，汇集液体，导入导出通道，有效进行能量转换。☻导轮：固定、带有叶片的圆盘，减少液体进入蜗壳的碰撞。叶片弯曲方向与叶轮相反，与液体流出方向适应，使能损减小，能量转换更为有效。③轴封：防止液体外漏与空气的漏入。☻填料密封：由填料函壳、软填料和填料压盖组成。☻机械密封：由泵轴上转动的动环和泵端面密封壳上的静环组成，两环形端面由弹簧压紧。二、离心泵的主要性能参数铭牌：流量Q、扬程H、轴功率N、转速n、效率η→工作性能。不平衡型双端面机械密封1.流量（qv）：单位时间泵输送的液体体积，又称送液能力(m3/s)。与泵结构、叶轮尺寸、转速有关。2.扬程（H）：泵提供给单位重量液体的有效能量，又称泵的压头(m)。与泵结构（叶轮D、弯曲情况）、转速、流量有关。由于泵内流体流动情况复杂，尚不能作理论上的精确计算，只能用实验测定。实验装置如图，测出泵进出口压力、流量及两测压表之间高度差，在1-2两截面间B.e.：p1ρg+z1+2u12g+H=p2ρg+z2+2u22g+Hf,1−22pa−pVu1ρg2g+H=pa+pMρg+h0+2u22g+Hf,1−2H=pM+pVρg+h0+22u2−u12g+Hf,1−2☻h0=z2-z1；☻pM---压力表读数☻pV---真空表读数☻Hf≈0+p1ρg+z1+2u12g+H=p2ρg+z2+2u22g+Hf,1−2H=(z2−z1)+22p2−p1u2−u1ρg2g+Hf,1−2☻(z2-z1)：称为升扬高度或升举高度，它只是扬程的一部分。☻二者单位相同，但意义迥异。+3.效率（η）：反映了能量传递过程中的损失程度。泵轴→叶轮→流体。☻容积损失：高能流体的外漏与内漏。η1☻水力损失：流体流动造成流量损失。η2☻机械损失：机械部件间的摩擦损失。η3η1=QQT;η2=HHT;η3=NTNη=η1×η2×η3与泵的大小、类型、制造精密程度和所输送液体的性质有关。4.轴功率（N）及有效功率（Ne）：N：电机输入离心泵的功率(W)。Ne：液体从叶轮获得的功率(W)。N=Ne/ηNe=ρgQH5.转速（n）：叶轮转速(rpm)。rpm=roundperminute☻用来与电机配套。三、离心泵的基本方程假设泵和流体均为理想状况：①叶片无限多个，叶片厚度无限薄，间隙很小。流体质点运动轨迹与叶片外形曲线重合。②理想液体，μ=0，流动中无流动阻力。1.流体质点在叶轮内的运动情况①随叶轮作圆周运动2πRnu==ωR60u——圆周速度。化工原理课件②从叶轮流道中向外流动相对于叶轮的运动——相对速度。圆周运动复杂运动：绝对速度c。相对运动c=u+wβ——流动角。w2=c2+u2−2cucosαcr=csinα;cu=ccosαccosα=u−crctgβ2.基本方程的推导：HT的计算式在入口截面1与出口截面2间列B.e.：HT22p2p1c2c1g2g=Hp+HcHT∞——理论压头；Hc——动压头增量；Hp——静压头增量；☻位能项？=+ω22Hp主要由两部分构成：①离心力作功R2FdrR2R∫R1g∫R1gdr=2g(R2R1)=22u2u12g②能量转换：相邻叶片间构成向外渐扩流12道，液体部分动能转化为静压能：2g2222u2u1122g2g∴HT=u2u11+2g2g22+c2c12g=22+Hp=22222=HT∞=u2−u1ω1−ω2c2−c12g2g2g222ω1=c1+u1−2c1u1cosα1222ω2=c2+u2−2c2u2cosα2HT∞=u2c2cosα2−u1c1cosα1g设计中，为提高理论压头，使α1=90°：HT∞u2c2cosα2g——离心泵基本方程式++2222223.基本方程的讨论：明确影响因素理论流量：QT=cr2πD2b2c2cosα2=u2−cr2ctgβ2∴HT∞=2u2u2ctgβ2ggπD2b2QT①叶轮转速n与直径：u2=2πR2nπD2n6060β2、b2、QT一定，则：n、D↑→HT∞↑②叶片的几何形状：据叶片流动角β2的大小,叶片形状可分为后弯、径向和前弯三种。HT∞=2u2u2ctgβ2ggπD2b2QT☻后弯：β290,☻径向：β2=90o,☻前弯：β290o,2ctgβ20:HT∞u2/g2ctgβ2=0:HT∞=u2/g2ctgβ20:HT∞u2/g前弯叶片是最佳形式的叶片？NO！前弯叶片动压头占较大份额，能量转化过程中损失大。一般采用后弯叶片。③理论流量：叶片几何尺寸及转速一定，则：HT=u2gu2ctg2gD2b2QT=ABQT可见，HT~QT为直线关系。2HT∞=u2g−u2ctgβ2gπD2b2QT=A−BQT☻前弯：β290o,B0:HT∞随QT增大；☻径向：β2=90,B=0:HT∞与QT无关；☻后弯：β290o,B0:HT∞随QT减小。——离心泵的理论特性曲线。④实际压头：HHT∞2化工原理课件实际叶片有限且有一定厚度，且μ≠0，必然造成压头损失，它主要包括：☻轴向涡流：☻摩擦损失：☻冲击损失：☻泄漏损失：H～Q曲线在HT∞～QT曲线下方。四、离心泵的特性曲线离心泵的H、η、N都与qv有关，其关系由实验测定，测出的一组关系曲线称为离心泵的特性曲线或工作曲线。H=pM+pVρg+h0+22u2−u12gNe=ρgqvHη=Ne/N1.特性曲线：注明泵型号及相应转速H～qv曲线：N～qv曲线：η～qv曲线：☻qv=0时Nmin。启动泵，应关闭出口阀。☻流量增大η先升至最大值后再下降。ηmax对应的qv、H、N值称为最佳工况(额定)参数。η≥0.92ηmax区域为高效率区。例2-1实测离心泵性能。吸入管径100mm，排出管径80mm，测压口距离0.5m，转速2900rpm，介质20℃水。测得：Q=15L/s，压力表读数2.55×105Pa，真空压力表读数2.67×104Pa功率表读数6.2kW，联轴传动，电机效率93%。求H、N和η。解：①H：取两测压点为截面1、2，单位重量流体为基准，列柏努利方程：H=pM+pVρg+h0+22u2−u12g+Hf,1−2式中：z2−z1=0.5m;pM+pV=2.55×10+2.67×10Pa45u1=4×15×10−30.7854×0.1=1.91m/s;u2=2.98m/sHf,1−2≈0解得：H=29.5m②N：③η：N=6.2×0.93=5.77kWη=ρgqvHN=1000×9.81×0.015×29.55770=75.2%2.影响特性曲线的因素及性能换算：①流体物性的影响☻黏度：液体粘度大于常温清水粘度时，粘度↑→能损↑H↓，Q↓，N↑，η↓。特性曲线改变。当ν20cSt时，泵性能按下式换算：''Q=CQQ;H=CHH;'η=CηηCQ、CH、Cη换算系数。☻液体密度的影响QT=cr2πD2b2=πD2b2c2sinα2HT∞=u2c2cosα2/gH、qv均与ρ无关。可以证明η也与ρ无关。H～qv及η～qv曲线不因密度不同而变。但N=ρgqvH/η，则N随ρ改变。②叶轮转速的影响：速度三角形改变当粘度不大且泵效率不变时，H、qv、N与转速的近似关系可用比例定律表示：Q'Q=n'nH'H=();N'N=()☻转速变化小于20%，可认为η不变。☻n1特性曲线取点n2特性曲线。③叶轮直径的影响：H、Q、N均与D2有关。同型号泵、其它尺寸不变（b2略有变化），换用小型叶轮（切割），其换算关系用切割定律：Q'Q='D2D2H'H=();N'N=('D2D2n'nn'n23'D2D2)23化工原理课件五、离心泵的气蚀现象与允许吸上高度1.气蚀现象与允许吸上真空度：①气蚀现象：☻产生条件：pmin≤pv(T)气泡遇高压破碎，液体质点碰撞几万次/s，产生几万局部高压。kPa☻气蚀后果：产生噪音和震动，反复冲击叶轮局部出现斑痕及裂纹，呈海棉状脱落，Q、H、大幅降低，甚至不输送。②允许吸上真空度：Hspmin不易确定，通过泵入口压力加上一个安全裕量作为允许的最低绝对压强p1（Pa），以真空度表示（液柱高度）：（m液柱）Hs=pa−p1ρg——允许吸上真空度☻泵入口允许的最高最高真空度Hs↑，有利。☻厂家实测给出(条件：98.1kPa，20℃水)，亦可画在特性曲线上。☻Hs按最高流量取值。不符合测定条件：'HS=[Hs+(Ha−10)−(pv9.81×10−0.24)]1000ρ2.气蚀余量(NetPositiveSuctionHead)：Hs=f(pa,流体性质,T)，用Hs不方便。为防止气蚀，泵入口静压头与动压头之和必须大于相应温度下液体的饱和蒸气压头一定数值——气蚀余量。2NPSH=+−ρg2gρg临界条件，在1-k之间列B.e.（pk=pv；p1=pmin）：p1u1pv++p1,minρg22u1pvuk2gρg2g+Hf,1−k(NPSH)c=p1,minρg22u1pvuk2gρg2g+Hf,1−k——临界气蚀余量。☻抗气蚀性能：NPSH)c=f(泵结构与尺寸)☻厂家测定给出（压头下降3%为界）；☻随流量增加而增加。必需气蚀余量：(NPSH)r=(NPSH)c+安全量=+++☻将(NPSH)r列入性能表，有时画在特性曲线上。因随流量↑，应按最大流量计算。☻标准规定：实际NPSH≥(NPSH)r+0.5☻有时用∆h表示，特别是油泵。☻校正：∆h=ϕ∆h一般，校正系数小于1，实际过程可以不校正，增加安全系数。3.离心泵的允许安装（吸上）高度：泵的吸入口与吸入贮槽液面间可允许达到的最大垂直距离，以Hg表示。如图，0-1间列B.e.：p0ρg=Hg+p1u1ρg2g+Hf,0−1Hg=p0−p1u1ρg2g−Hf,0−1'用Hs或(NPSH)r进行计算。++222gu2Hg=p0−p1u1ρg2g−Hf,0−1'Hg=Hs−−Hf,0−1标定条件！或Hg=p0−pvρg−(NPSH)r−Hf,0−1☻不符合标定条件(种类、T、P)，对H校正。☻实际安装高度=Hg−(0.5~1)m；☻吸入管路短、粗，少用管件；☻高温或低沸点液体，可能Hg0。2化工原理课件例2-2离心泵输水，敞口贮槽液面恒定。Q=45～55m3/h，最大流量