泵的计算与选用

化工设备的选择和工艺设计泵的计算和选用武汉理工大学华夏学院化学与制药工程系高小红工厂里的常见离心泵房第一节泵的计算具体地说：就是根据输送任务和工艺条件，计算泵的基本性能参数。基础知识回顾（一）离心泵的工作原理主要依靠高速旋转的叶轮对液体作功，液体在离心力的作用下获得了能量以提高静压能。1．排液过程离心泵一般由电动机驱动。它在启动前需先向泵壳内灌满被输送的液体（称为灌泵），同时关闭排出管路中的阀门，待电机启动后，再开出口阀。启动后，泵轴带动叶轮及叶片间的液体高速旋转，在离心力的作用下，液体从叶轮中心被抛向外周，并获得了机械能，同时增大了流速（15-25m/s）。进入泵壳后，由于流道逐渐扩大，使部分动能转换为静压能，获得较高的压强。一、离心泵的构造和工作原理2.吸液过程当泵内液体从叶轮中心被抛向外周时，叶轮中心形成了“低压区”。由于贮槽液面上方的压强大于泵吸入口处的压强，在该压强差的作用下，液体便经吸入管路被连续地吸入泵内，以补充被排出的液体。叶轮不停地运转，液体就会连续不断地被吸入和排出。3.气缚现象当启动离心泵时，若泵内未能灌满液体而存在大量气体，则由于空气的密度远小于液体的密度，泵内产生的离心力很小，储槽液面和泵入口处的压差很小，不能推动液体进入泵内，启动泵后不能输送液体的现象称为气缚。因此，离心泵是一种没有自吸能力的液体输送机械。若泵的吸入口位于贮槽液面的上方，在吸入管路应安装单向底阀和滤网。若泵的位置低于槽内液面，则启动时就无需灌泵。（二）离心泵的主要部件1．叶轮叶轮是离心泵的关键部件，它是由若干弯曲的叶片组成。叶轮的作用是将原动机的机械能直接传给液体，提高液体的动能和静压能。根据叶轮上叶片的几何形式，可将叶片分为后弯、径向和前弯叶片三种，由于后弯叶片可获得较多的静压能，所以被广泛采用。叶轮按其机械结构可分为闭式、半闭式和开式（即敞式）三种，如图2-1所示。叶轮可按吸液方式不同，分为单吸式和双吸式两种。单吸式叶轮结构简单，双吸式从叶轮两侧对称地吸入液体。双吸式叶轮不仅具有较大的吸液能力，而且可以基本上消除轴向推力，用于大流量场合。图2-1离心泵的叶轮开式叶轮（a图）：两侧无前后盖板，由叶片和轮毂组成；半闭式叶轮（b图）：在吸入口侧无盖板；闭式叶轮（c图）：两侧带有前后盖板。闭式叶轮宜用于输送清洁的液体，泵的效率较高，一般离心泵多采用闭式叶轮。2．泵壳泵体的外壳多制成蜗壳形，它包围叶轮，在叶轮四周展开成一个截面积逐渐扩大的蜗壳形通道。泵壳的作用有：①汇集液体，即从叶轮外周甩出的液体，再沿泵壳中通道流过，排出泵体；②转能装置，因壳内叶轮旋转方向与蜗壳流道逐渐扩大的方向一致，流速逐渐降低，减少了流动能量损失，并且可以使部分动能转变为静压能。注意：离心泵结构上采用了具有后弯叶片的叶轮，蜗壳形的泵壳及导轮，均有利于动能转换为静压能及可以减少流动的能量损失。（孔板与文丘里流量计）3．轴封装置离心泵工作时是泵轴旋转而泵壳不动，泵轴与泵壳之间的密封称为轴封。轴封的作用是防止高压液体从泵壳内沿间隙漏出，或外界空气漏入泵内低压区。轴封装置保证离心泵正常、高效运转，常用的轴封装置有填料密封和机械密封两种。制药生产中广泛采用机械密封。二、离心泵的性能离心泵的主要性能参数有流量，压头，轴功率，效率和气蚀余量等。离心泵性能参数间的关系通常用特性曲线来表示。出厂时，标牌或铭牌上标有主要性能参数（最高效率时）。1离心泵的主要性能参数⑴流量qv离心泵的流量qv是指离心泵在单位时间内排送到管路系统的液体体积，常用单位为L/S或m3/h；离心泵的流量与泵的结构，尺寸(主要为叶轮直径和宽度)及转速等有关。应予指出，离心泵总是和特定的管路相连系的，因此离心泵的实际流量还与管路特性有关。二、离心泵的性能（2）压头（扬程）H：泵给单位重量流体提供的有效机械能。其单位为[J/N]=[m]与流量、叶轮结构、尺寸和转速有关。扬程不是升举高度。f2Hg2ugpZH扬程升举高度⑶离心泵的功率功率分轴功率和有效功率：离心泵的有效功率Ne（P有）是指液体从叶轮获得的能量,单位为W或kW。P有=Hqvg轴功率N（P轴）是指泵轴所需的功率，即电机传给泵轴的功率，单位为W或kW。P轴=Hqvg/轴功率大于有效功率，二者之比称为效率，用表示。注意：泵标牌上注明的轴功率是以20℃的清水为试验液体，若输送实际液体密度较大，应按实际工作的最大流量来计算轴功率。⑷效率电机传给泵的能量不可能100%地传给液体，因此离心泵都有一个效率的问题，它反映了泵对外加能量的利用程度：=(P有/P轴)×100%离心泵的效率与泵的尺寸、类型、构造、加工精度、流体流量和性质有关，一般小型离心泵效率为50%-70%，大型泵可达90%左右。2离心泵的特性曲线离心泵的主要性能参数流量qv、压头H、轴功率P轴及效率间的关系曲线称为离心泵的特性曲线或工作性能曲线，此曲线由实验测定。图2-4为4B20型离心水泵在2900r／min时的特性曲线，由H-qv，P轴-qv及-qv三条曲线所组成。特性曲线随转速而变，故特性曲线图上一定要标出实验时的转速。(1)H-qv曲线表示泵的压头与流量的关系。离心泵的压头一般是随流量的增大而下降(在流量极小时可能有例外)。(2)P轴-qv曲线表示泵的轴功率与流量的关系。离心泵的轴功率随流量的增大而上升，流量为零时轴功率最小。常用电机的启动电流是正常运转时的4-5倍以上，故泵启动时，应关闭泵的出口阀门，使启动电流减少，以保护电机。(3)—qv曲线表示泵的效率与流量的关系。当qv=0时，=0，随着流量增大，泵的效率随之而上升并达到一最大值，此后随流量再增大时效率便下降，离心泵在一定转速下有一最高效率点，通常称为设计点．3.离心泵性能的影响因素泵的生产部门所提供的离心泵特性曲线一般都是在一定转速和常压下，以常温的清水为介质做实验测得的，所输送的液体不同、泵的转速或叶轮直径发生变化时应当重新进行换算。（1）液体物性的影响①密度的影响离心泵的压头、流量均与液体的密度无关，故泵的效率亦不随液体的密度而改变，所以离心泵特性曲线中的H-qv及—qv曲线保持不变。但是泵的轴功率随液体密度而改变，与液体密度成正比，P轴-qv曲线不再适用，应乘以液体密度与水的比值；3.离心泵性能的影响因素②粘度的影响若被输送液体的粘度大于常温下清水的粘度，则泵体内部液体的能量损失增大。因此泵的压头，流量都要减小，效率下降，而轴功率增大，亦即泵的特性曲线发生改变。（2）离心泵转速的影响离心泵的特性曲线都是在一定转速下测定的，改变转速时,泵的压头、流量、效率和轴功率也随之改变。在转速变化小于20%时，泵的流量、压头、轴功率与转速的近似关系为（比例定律）:321212212121v2v1)nn(PP)nn(HHnnqq轴轴（3）离心泵叶轮直径的影响叶轮切削，直径改变不小于原直径90%时，其流量、压头和轴功率与叶轮直径之间的近似关系为（切割定律）：321212212121v2v1)dd(PP)dd(HHddqq轴轴（1）离心泵的汽蚀现象当泵叶片入口附近的最低压强等于或小于输送温度下液体饱和蒸汽压时，部分液体将在该处汽化并产生的汽泡，被液流带入叶轮内压力较高处急剧收缩、破裂，则此处产生瞬间真空，造成周围液体高速冲击该点，产生剧烈的水击。4.离心泵的汽蚀现象与安装高度现象：噪声大、泵体振动，大量气泡破坏流体的连续性，阻塞流道，泵的流量、压头、效率都急剧下降。严重时，泵不能正常工作。防止措施：把离心泵安装在恰当的高度上，确保泵内压强最低点处的静压高于工作温度下被输送液体的饱和蒸汽压。为避免汽蚀现象产生，叶片入口附近的最低压强不能低于输送温度下液体的饱和蒸气压。（泵的安装高度不能过高）泵内最低压强的位置不易确定，一般都规定泵入口处的最低压强，称为入口处允许的最低压强。中国离心泵标准中通常采用允许汽蚀余量对泵的汽蚀现象加以控制。汽蚀余量的定义为：为防止汽蚀现象发生，在离心泵入口处液体的静压头与动压头之和必须大于液体在操作温度下的饱和蒸气压头即：能保证不发生汽蚀的的最小值，称为允许汽蚀余量，亦为泵的性能，列于离心泵规格表中，由实验测得。gp1gu221gpvgp)2gugp(h211饱h允h（2）离心泵的最大安装高度离心泵的最大安装高度又称为允许安装高度，是指泵的吸入口与吸入贮槽液面间允许达到的最大垂直距离。如图2-6，于贮槽液面0—0，与泵入口处l—1，列柏努利方程式可得出其计算式（2-8）：Hgmax—泵的允许安装高度m为保证其安全操作不发生汽蚀，实际安装高度maxggHH)1m~5.0(maxggHH100gmaxHhgpgpH损允饱三、离心泵的操作、运转与调节1、管路特性曲线、工作点前面介绍的离心泵特性曲线，表示一定转速下泵的压头、功率、效率与流量的关系。在特定管路中运行的离心泵，其实际工作的压头和流量不仅取决于离心泵本身的特性，而且还与管路特性有关。即在泵送液体的过程中，泵和管路是互相联系和制约的。1、管路特性曲线、工作点管路特性曲线表示液体通过特定管路系统时，所需的压头与流量的关系。对图2-7所示的管路输送系统，在1-1’与2-2’间列柏努利方程得：feHguZgpH22对于一定的管路系统，上式中的均为定值，与管路中的流体流量无关。储槽和高位槽均为大截面u1=u2=0，△u2/2g≈0对特定的管路，阀门开度一定且为完全湍流时，上式中的d、L、Le等均为定值，λ变化很小，于是令：则上式可简化成：He=A+Bqv2(2-9)式（2-9）即为管路特性方程，表示管路所需压头He随液体流量的qv平方成正比；将其标绘在相应的坐标图上，称为管路特性曲线。2v522q)(g82)(dLLgudLLHeefZgpBdLLe)(g852AZgp2.泵的工作点管路特性曲线与泵特性曲线交点M称为泵在管路上的工作点：在M点处：Q=QeH=He；该点所对应的流量和压头既能满足管路系统的要求，又为离心泵所能提供。若泵在该点所对应的效率在最高效率区，为系统的理想工作点。3.离心泵的流量调节实际生产中，工作点流量大于或小于所需要的输送量，应设法改变泵的工作点的位置，即进行流量调节。1.改变管路特性2.改变泵的特性3.离心泵的流量调节①改变阀门的开度改变泵出口阀门的开度，即可改变管路特性曲线；阀门关小，特性曲线变陡，工作点由M移至M1点，流量由QM降至QM1；反之流量加大。3.离心泵的流量调节②改变泵的转速改变泵的转速，即可改变泵的特性曲线，转速提高，H-Q线向上移，Q增大，反之则Q减小。4.离心泵的运转①离心泵启动前必先灌泵。②泵启动前先将排出管道上的阀门关闭，待电机运转正常后，再逐渐打开排出管道上的阀门。③泵定期检查和保养，防液体泄露和泵轴发热。④先关闭阀门再停机，防液体倒流。四、离心泵的类型与选择1离心泵的类型(1)清水泵(B型、D型、Sh型)用于输送物理、化学性质类似于水的清洁液体。最简单的清水泵为单级单吸式，系列代号为“IS”（原B型)：IS65-40-200泵吸入口的直径，mm泵排出口的直径,mm叶轮的直径,mm四、离心泵的类型与选择(1)清水泵(B型、D型、Sh型)若需要的扬程较高，则可选D系列多级离心泵。一根轴上串联多个叶轮。如:100D45*4若需要流量很大，则可选用双吸式离心泵，其系列代号为“S”（原Sh型）。泵吸入口的直径，mm45表示设计点处单级扬程，4表示叶轮级数四、离心泵的类型与选择(２)油泵(Ｙ型)用于输送石油产品，油泵系列代号为Y。因油类液体具有易燃、易爆的特点，因此对此类泵密封性能要求较高。输送200℃以上的热油时，还需设冷却装置。(3)耐腐蚀泵(F、IH型)当输送酸、碱等腐蚀性液体时应采用耐腐蚀泵。耐腐蚀泵所有与液体介质接触的部件都采用耐腐蚀材料制作。⑷杂质泵用于输送悬浮液及稠厚的浆液等，