化工原理第二章流体输送机械课件.ppt

第二章 流体输送机械,2.1 液体输送机械2.2 其他类型的泵 2.3 气体输送机械,2.1 流体输送机械-离心泵,2.1.1 离心泵的工作原理,2.2.2 离心泵的主要部件,2.2.3 离心泵的特性曲线,2.2.4 离心泵的工作点和流量调节,2.2.5 离心泵的安装高度,2.2.6 离心泵的型号与选用,2.1.1 离心泵的工作原理,1.离心泵的结构,离心泵部件可分为旋转部件和静止部件。旋转部件包括叶轮和转轴等；静止部件包括吸入室、蜗壳等。,2.离心泵工作原理,原动机轴叶轮，旋转,离心力,叶片间液体,中心外围,液体被做功,动能,高速离开叶轮,2.1.2 离心泵的主要性能参数,1.流量 Q 或 qV,流量是单位时间内输送出去的流体量, 单位m3/s。,2.压头（或称扬程）H,离心泵的压头H是指流体通过离心泵后所获得的有效能量,单位m。,3.效率,效率反映了泵与风机中能量的损失程度。,容积效率v：考虑流量泄漏所造成的能量损失水力效率H：考虑流动阻力所造成的能量损失机械效率m：考虑轴承、密封填料和轮盘的摩擦损失。,离心泵总效率为 :,一般来讲，在设计流量下泵的效率最高。,2.1.2 离心泵的主要性能参数,4.功率,功率分为有效功率Neor 和轴功率Nor ，单位J/s或W。,有效功率Pe,流体经过泵后获得的实际功率。,PeqVHg,轴功率P,原动机传到泵轴上的功率。,PqVHg/,有效功率和轴功率的关系,2.1.2 离心泵的主要性能参数,2.1.3 离心泵的特性曲线,由于离心泵的种类很多，前述各种泵内损失难以估计，使得离心泵的实际特性曲线关系 、 、 只能靠实验测定，在泵出厂时列于产品样本中以供参考。 实验测出的特性曲线如图所示，图中有三条曲线，在图左上角应标明泵的型号（如4B20）及转速 ，说明该图特性曲线是指该型号泵在指定转速下的特性曲线，若泵的型号或转速不同，则特性曲线将不同。借助离心泵的特性曲线可以较完整地了解一台离心泵的性能，供合理选用和指导操作。,2.1.3 离心泵的特性曲线,由图可见： 一般离心泵扬程 随流量 的增大而下降（ 很小时可能例外）。当 =0时，由图可知 也只能达到一定数值，这是离心泵的一个重要特性； 轴功率 随流量增大而增加，当 时， 最小。这要求离心泵在启动时，应关闭泵的出口阀门，以减小启动功率，保护电动机免因超载而受损； 曲线有极值点（最大值），在此点下操作效率最高,能量损失最小。与此点对应的流量称为额定流量。泵的铭牌上即标注额定值，泵在管路上操作时，应在此点附近操作，一般不应低于92% 。,2.1.3 离心泵的特性曲线,1.液体密度 对特性曲线的影响,理论 与 无关，实际 与 也无关， 但 有关理论 与 无关，实际 也 与 无关。,P362泵性能表上列出轴功率指输送 清水时的 ，所选泵用于输送 比水大的液体应先核算 ，若 表中的电机功率，应更换功率大的电机，否则电机会烧坏。,2.1.3 离心泵的特性曲线-改变与校正,例：离心泵原来输送水时的流量为qV，现改用输送密度为水的1.2倍的水溶液，其它物理性质可视为与水相同，管路状况不变，流量_，扬程_，效率_ ，轴功率_ 。,2.液体粘度 对特性曲线的影响,（ 的幅度超过 的幅 度， ）。泵厂家提供的特性曲线是用清水测定的，若实际 输送液体 比清水 大得较多。特性曲线将有所变化，应校 后再用，P92-94介绍了校正方法。,2.1.3 离心泵的特性曲线-改变与校正,3.转速n对特性曲线的影响,泵的特性曲线是在一定转速下测得，实际使用时会遇 到n改变的情况，若n变化 20%，可认为液体离开叶轮时 的速度三角形相似， 不变,泵的效率不变(等效率)，则：,上式称为离心泵的比例定律, n变化20%, 相等时成立。,2.1.3 离心泵的特性曲线-改变与校正,4.叶轮直径 对特性曲线的影响,泵的特性曲线是针对某一型号的泵（ 一定），一个过大的泵，若将其叶轮略加切削而使直径变小，可以减低 和 而节省 。若 变化 ，可认为 不变， 不变，则,上式称为离心泵的切割定律， 变化 ， 相等时成立。,得:,2.1.3 离心泵的特性曲线-改变与校正,1.管路特性曲线方程-描述管路中流量 与所需补加能量 的关系式,2.1.4 离心泵的工作点和流量调节,列以单位重量流体为衡算基准的机械能衡算式（实际流体伯努利方程式）,管路特性曲线方程的推导,管路特性曲线方程,令：,HKBqV2,管路特性曲线方程的推导,管路特性曲线的特点,表示管路流量Q与所需外加压头H间的曲线关系，B值与Q的单位有关；,1.物理意义：,2.阻力平方区，与Q无关，此时管路特性系数B为常数；管路特性曲线为一过(0,h0)点的二次曲线；,3.对于曲线在纵轴上截距h0 ：,表示的是管路流动所需要的最小外加压头；,4.高阻管路曲线陡(B大)；低阻管路曲线平缓(B小)。,例 ：在内径为160mm、长度为280m的管路系统中，用离心泵输送甲苯。已知该管路局部阻力的当量长度为85m；摩擦系数可取为0.03。若 为20m甲苯柱，试求管路特性方程。,解： KBQ2因 =12000所以 20+12000Q2根据上式可绘管路特性曲线。,2.离心泵的工作点,管路特性曲线方程,泵特性曲线方程,泵的工作点即为两条曲线的交点。,Hf(qV)= KBqV2,2.1.4 离心泵的工作点和流量调节,说明：,工作点,泵的特性与管路的特性,工作点确定,联解两特性方程,作图，得两曲线交点,泵装于管路时：,工作点 （H,Q),Q=泵供流量=管路流量,H=泵供压头=流体的压头,工作点（Q,H,N, ）,泵的实际工作状态，若该点在泵的高效区，则该工作点是适宜的。,2.1.4 离心泵的工作点和流量调节,3.离心泵的流量调节,离心泵的工况调节有三种途径：,1）改变离心泵或通风机的特性曲线； 改变转速，切削叶轮直径以及采用泵的串联或并联。,2）改变管路的特性曲线； 管路特性曲线的改变：一般通过调节管路阀门的开度实现。,3）同时改变离心泵和管路的特性曲线。,2.1.4 离心泵的工作点和流量调节,4）并联操作,图2-16 泵的并联操作,当一台泵的流量不够时，可以用两台泵并联操作，以增大流量。一台泵的特性曲线如图曲线所示。两台相同的泵并联操作时，其联合特性曲线的作法是在每一个压头条件下，使一台泵操作时的特性曲线上的流量增大一倍而得出特性曲线如图中曲线。,5）串联操作,图2-17 泵的串联操作,当生产上需要利用原有泵提高泵的压头时，可以考虑将泵串联使用 。两台相同型号的泵串联工作时，每台泵的压头和流量也是相同的。因此，在同样的流量下，串联泵的压头为单台泵的两倍。将单台泵的特性曲线的纵坐标加倍，横坐标保持不变，可求得两台泵串联后的联合特性曲线 。,2.1.4 离心泵的工作点和流量调节,2.1.5 离心泵的安装高度,1.汽蚀现象,液面较低的液体，能被吸入泵的进口，是由于叶轮将液体从其中甩向外围，而在叶轮中心进口处形成负压（真空）。泵内压强最低处是叶轮中心进口 处，在 面与 面之间到机械能衡算式并以 面为基准水平面，得：,面。在,面与,当pKpv,叶轮中心液体汽化汽泡,被抛向外围,压力升高pv,汽泡破裂，蒸汽凝结,局部真空,周围液体高速冲向汽泡中心, 撞击叶片(水锤), 叶片冲击与腐蚀,汽蚀现象,伴随现象：,泵体振动并发出噪音；,H , Q , 严重时不送液；,水锤冲击和化学腐蚀，损坏叶片,安装高度 汽蚀,问题：如何确定 的上限,泵的允许安装高度,当泵刚发生汽蚀时，pK等于所输送液体的饱和蒸汽压pv，相应地p1也将达到某一最小值p1min，此时,2.1.5 离心泵的安装高度,上式表明：在泵刚发生汽蚀条件下，泵进口处液体的总压头 比液体的饱和蒸汽压对应的静压头 高出某一定值，常将这一差值称为泵的最小汽蚀余量 ：,为确保泵正常工作不发生汽蚀，根据有关规定，将 作为允许值，称为允许汽蚀余量 ，此值列入泵的样本，由离心泵厂向用户提供。又称为净正吸上压头，用（Net Positive Suction Head）表示。,2.1.5 离心泵的安装高度-允许汽蚀余量,讨论,（1）汽蚀现象产生的原因：,安装高度太高；,被输送流体的温度太高，液体蒸汽压过高；,吸入管路阻力或压头损失太高。,（2）计算出的Hgmax0时,需低于贮槽液面安装,（3） HgmaxQ关系： Q，则Hgmax ，安全系数,一般用工作条件的最大Q计算Hgmax,（4）安装泵时为保险， 取Hg比Hgmax小0.5至1米,（5）允许汽蚀余量的校正,h20清水，条件不同时要校正，校正曲线说明书,2.1.5 离心泵的安装高度-允许汽蚀余量,2.1.5 离心泵的安装高度-允许吸上真空度,0-0至1-1间列伯氏方程：,泵刚出现气蚀时，泵入口处压强p1 变为p1min,令：,最大允许吸上真空度,为安全计,允许吸上真空度，由实验测定实验介质：20度清水若条件不符，P103式2-28校正。,吸入管路应短（靠近液源）而直（少拐弯）；,b. 吸入管路应省去不必要的管件，调节阀应装在排出管路上；,c. 吸入管径大于排出管径。,（3）临界汽蚀余量,与必需汽蚀余量,可通过实验测定，不是改变,发生汽蚀，而是设法在泵的,不变的条件下逐次降低,（例如关小吸入管路中的阀），当泵内刚,较正常值下降3%作为发生汽蚀的标志）时测取,由上式计算,，,+安全余量，,列在泵的,好发生汽蚀（以泵,性能表上。,2.1.5 离心泵的安装高度,例：用油泵从密闭容器里送出30的丁烷。容器内丁烷液面上的绝对压力为 。液面降到最低时，在泵入口中心线以下2.8m。丁烷在30时的密度为580kg/m3，饱和蒸汽压为 。泵入口管路的压头为1.5m H2O。所选用的泵汽蚀余量为3m。试问这个泵能否正常工作？,解：,由于实际安装高度大于允许安装高度，不能保证整个输送过程中不产生汽蚀现象。为保证泵正常操作，应使泵入口线不高于最低液面2.4m，即从原来的安装位置至少降低0.4m；或提高容器内的压力。,2.1.6 离心泵的型号与选用,（1）离心泵的类型 清水泵 旧型号：B型 新型号：IS型 IS型泵是根据国际标准ISO2858规定的性能和尺寸设计的，其效率比B型泵平均提高3.67%。 IS80-65-160 80泵入口直径，mm； 65泵出口直径，mm； 160泵叶轮公称直径，mm。,如果要求的压头（扬程）较高，可采用多级离心泵，其系列代号为“D”，其结构如图所示。如要求的流量很大，可采用双吸收式离心泵，其系列代号“Sh”。 耐腐蚀泵，“F”系列，非“F”系列。 油泵，单吸“Y”系列，双吸式“YS”系列。 液下泵，“FY”系列。 屏蔽泵。 杂质泵“P”系列。,2.1.6 离心泵的型号与选用,2.1.6 离心泵的型号与选用,（2）离心泵的选用 根据被输送液体的性质确定泵的类型 确定输送系统的流量和所需压头。流量由生产任务来定，所需压头由管路的特性方程来定。 根据所需流量和压头确定泵的型号 A、查性能表或特性曲线，要求流量和压头与管路所需相适应 B、若生产中流量有变动，以最大流量为准来查找，H也应以最大流量对应值查找。 C、若H和Q与所需要不符，则应在邻近型号中找H和Q都稍大一点的。,2.1.6 离心泵的型号与选用,D、若几个型号都满足，应选一个在操作条件下效率最好的 E、为保险，所选泵可以稍大；但若太大，工作点离最高效率点太远，则能量利用程度低。 F、若被输送液体的性质与标准流体相差较大，则应对所选泵的特性曲线和参数进行校正，看是否能满足要求。,2.1.6 离心泵的型号与选用,例:如图所示，今有一输送河水的任务，要求将某处河水以90m3/h的流量，输送到一高位槽中，已知高位槽水面高出河面10m，管路系统的总压头损失为7mH2O。试选择一适当的离心泵并估算由于阀门调节而多消耗的轴功率。,解 根据已知条件，选用清水泵。今以河面1-1截面为基准面，并取1-1与2-2截面列伯努利方程式，则,=10+0+0+7=17m,根据已知流量Q=90m3/h和H=17可选100-80-125型号的泵。,所选泵压头较高，操作时靠关小阀门调节，因此多消耗功率为：,2.2 其他类型的泵,2.2.1往复泵往复泵的作用原理和类型往复泵的特性曲线与工作点2.2.2非正位移泵2.2.3正位移泵,（1）作用原理 如图所示为曲柄连杆机构带动的往复泵，它主要由泵缸、活柱（或活塞）和活门组成。活柱在外力推动下作往复运动，由此改变泵缸内的容积和压强，交替地打开和关闭吸入、压出活门，达到输送液体的目的。由此可见，往复泵是通过活柱的往复运动直接以压强能的形式向液体提供能量的。,往复泵的作用原理和类型,（2）往复泵的类型 按照往复泵的动力来源可分类如下： 电动往复泵 电动往复泵由电动机驱动，是往复泵中最常见的一种。电动机通过减速箱和曲柄连杆机构与泵相连，把旋转运动变为往复运动。 汽动往复泵 汽动往复泵直接由蒸汽机驱动，泵的活塞和蒸汽机的活塞共同连在一根活塞杆上，构成一个总的机组。,往复泵的作用原理和类型,按照作用方式可将往复泵分类如下： 单动往复泵 活柱往复一次只吸液一次和排液一次。 双动往复泵 活柱两边都在工作，每个行程均在吸液和排液。,往复泵的作用原理和类型,往复泵的流量调节,由 知 仅与活塞每次扫过的体积AS及活塞往复次数n关，而与管路的特性无关。 实际 H不太高时, 随H的变化很小，H大时， 减小。 而往复泵的压头则只决定于管路特性曲线与泵的特性曲线的交点（工作点确定）。,，,（1）往复泵的特性曲线与工作点,（2）流量调节 用旁路阀调节流量。泵的送液量不变，只是让部分被压出的液体返回贮池，使主管中的流量发生变化。显然这种调节方法很不经济，只适用于流量变化幅度较小的经常性调节。 改变曲柄转速：因电动机是通过减速装置与往复泵相连的，所以改变减速装置的传动比可以很方便地改变曲柄转速，从而改变活塞自往复运动的频率，达到调节流量的目的。,往复泵的流量调节,2.2.2 非正位移泵,（1）旋涡泵 旋涡泵是一种特殊类型的离心泵。它的叶轮是一个圆盘，四周铣有凹槽，成辐射状排列。叶轮在泵壳内转动，其间有引水道。泵内液体在随叶轮旋转的同时，又在引水道与各叶片之间，因而被叶片拍击多次，获得较多能量。,旋涡泵示意图：,2.2.2 非正位移泵,液体中旋涡泵中获得的能量与液体在流动过程中进入叶轮的次数有关。当流量减小时，流道内认体的运动速度减小，液体流入叶轮的平均次数增多，泵的压头必然增大；流量增大时，则情况反。因此，其HQ曲线呈陡降形。旋涡泵的特点如下： 压头和功率随流量增加下降较快。因此启动时应打开出口阀，改变流量时，旁路调节比安装调节阀经济。 在叶轮直径和转速相同的条件下，旋涡泵的压头比离心泵高出24倍，适用于高压头、小流量的场合。 结构简单、加工容易，且可采用各种耐腐蚀的材料制造。 输送液体的粘度不宜过大，否则泵的压头和效率都将大幅度下降。 输送液体不能含有固体颗粒。 (2)轴流泵 适用于大流量、低压头的流体输送。自学掌握。,2.2.2 非正位移泵,2.2.3 正位移泵,(1)隔膜泵,外观,2.2.3 正位移泵, 工作原理:,往复泵的一种, 流量调节:,调整活柱往复频率或旁路, 应用场合:,腐蚀性的液体、固体悬浮液,(2)计量泵,外观,2.2.3 正位移泵, 工作原理:,往复泵的一种, 流量调节:,调整偏心度柱塞冲程变化 流量调节。, 应用场合:,输送量或配比要求非常精确,原动机偏心轮转动柱塞的往复运动,2.2.3 正位移泵,(3)齿轮泵,外观,2.2.3 正位移泵, 工作原理:, 流量调节:, 应用场合:,旋转泵的一种,转速或旁路,高压头、小流量。粘稠以至膏状物。,2.2.3 正位移泵,(4)螺杆泵,外观,2.2.3 正位移泵, 工作原理:, 流量调节:, 应用场合:,旋转泵的一种，螺纹在旋转时有推进作用,转速或旁路,高压头、小流量。粘稠以至膏状物。固体悬浮液。,2.2.3 正位移泵,各种化工用泵的比较,流量：均匀；不均匀；尚可；随管路特性而变；恒定；范围广、易达大流量；小流量；较小流量；压头高低：不易达到高压头；压头较高；压头高。效率：稍低、愈偏离额定越小；低；高；较高；流量调节：出口阀；转速；旁路；冲程自吸操作：有；没有；启动：关闭出口阀；出口阀全开；被输送流体：各种物料（高粘度除外）；不含固体颗粒，腐蚀性也可；精确计量；可输送悬浮液；高粘度液体；腐蚀性液体；不能输送腐蚀性或含固体颗粒的液体结构与造价：结构简单；造价低谦；结构紧凑；加工要求高；结构复杂；造价高；体积大,各种化工用泵的比较,2.3 气体输送机械,分类：,通风机：终压不大于14.7103Pa （表压），压缩比为11.15；,鼓风机：终压为(14.7294)103Pa （表压），压缩比小于4；,压缩机：终压为294103Pa （表压）以上，压缩比大于4；,真空泵：使设备产生真空，出口压力为大气压，其压缩比由 真空度决定。,2.3.1 离心式通风机,离心式通风机的结构特点 离心式通风机工作原理与离心泵相同，结构也大同小异。,a、为适应输送风量大的要求，通风机的叶轮直径一般是比较大的。b、叶轮上叶片的数目比较多。c、叶片有平直的、前弯的、后弯的。通风机的主要要求是通风量大，在不追求高效率时，用前弯叶片有利于提高压头，减小叶轮直径。d、机壳内逐渐扩大的通道及出口截面常不为圆形而为矩形。,2.3.1 离心式通风机,离心式通风机的性能参数和特性曲线 a、风量：按入口状态计的单位时间内的排气体积。m3/s，m3/h b、全风压：单位体积气体通过风机时获得的能量，J/m3，Pa 在风机进、出口之间列伯努利方程： 式中， 可以忽略；当气体直接由大气进入风机时，,再忽略入口到出口的能量损失，则上式变为：,2.3.1 离心式通风机,a、从公式可以看出，通风机的全风压由两部分组成，一部分是进出口的静压差，习惯上称为静风压 ；另一部分为进出口的动压头差，习惯上称为动风压 。,说明：,b、在离心泵中，泵进出口处的动能差很小，可以忽略。但对离心通风机而，其气体出口速度很高，动风压不仅不能忽略，且由于风机的压缩比很低，动风压在全压中所占比例较高。,c、轴功率（kW)和效率 风机的性能表上所列的性能参数，一般都是在1atm、20的条件下测定的，在此条件下空气的密度 kg/m3,相应的全风压和静风压分别记为 和 。,2.3.1 离心式通风机,d、特性曲线：与离心泵一样，离心通风机的特性参数也可以用特性曲线表示。特性曲线由离心泵的生产厂家在1atm、20的条件用空气测定，主要有四条曲线,离心式通风机特性曲线,2.3.1 离心式通风机,离心式通风机的选型a、根据气体种类和风压范围，确定风机的类型b、确定所求的风量和全风压。风量根据生产任务来定；全风压按伯努利方程来求，但要按标准状况校正，即,根据按入口状态计的风量和校正后的全风压在产品系列表中查找合适的型号。,2.3.1 离心式通风机,离心式通风机型号为4-72-11-6C，转速1800 r.min-1，全风压1600Pa，由于工艺条件的要求，风机进口与温度40，真空度为196Pa的设备连接，当地大气压为93300Pa，则在此条件下实际风压为_ Pa,2.3.2 鼓风机,在工厂中常用的鼓风机有旋转式和离心式两种类型。 （1）罗茨鼓风机,罗茨鼓风机,离心式鼓风机的结构特点：离心式鼓风机的外形与离心泵相象，内部结构也有许多相同之处。离心式鼓风机的选型方法与离心式通风机相同。,（2）离心式的鼓风机,2.3.2 鼓风机,1.往复式压缩机单动压缩机结构：吸入活门S、排出活门D。其结构和工作原理与往复泵类似。,开始时刻：,2.3.3 压缩机,压缩阶段,排气阶段,吸气阶段,2压缩类型 等温压缩；绝热压缩；多变压缩。 等温压缩是指压缩阶段产生的热量随时从气体中完全取出，气体的温度保持不变。绝热压缩是另一种极端情况，即压缩产生的热量完全不取出。实际是压缩过程既不是等温的，也不是绝热的，而是介于两者之间，称为多变压缩。,2.3.3 压缩机,3压缩功： 实际过程为多变过程，每一循环多变压缩的功为（J）： 其中m称为多变指数，对于等温压缩，m=1，但压缩功另有算法。对于绝热压缩，m等于定压比热与定容比热之比。 压缩功的大小可以用图中1-2-3-4所围成的面积来表示。等温压缩功最小，绝热压缩功最大，多变压缩功介于等者之间。,2.3.3 压缩机,4多级压缩 多级压缩是指在一个气缸里压缩了一次的气体进入中间冷却器冷却之后再送入次一气缸进行压缩，经几次压缩才达到所需要的终压。 讨论： （1）采用多级压缩的原因：若所需要的压缩比很大，容积系数就很小，实际送气量就会很小；压缩终了气体温度过高，会引起气缸内润滑油碳化或油雾爆炸等问题；机械结构亦不合理：为了承受很高的终压，气缸要做的很厚，为了吸入初压很低的气体气缸体积又必须很大。,2.3.3 压缩机,（2）级数越多，总压缩功越接近于等温压缩功，即最小值。然而，级数越多，整体构造使越复杂。因此，常用的级数为2至6，每级压缩比为3至5 。 （3）理论上可以证明，在级数相同时，各级压缩比相等，则总压缩功最小。,2.3.3 压缩机,2.3.4 真空泵,1、真空泵的一般特点 真空泵就是从真空容器中抽气、一般在大气压下排气的输送机械。若将前述任何一种气体输送机械的进口与设备接通，即成为从设备抽气的真空泵。然而，专门为产生真空用的设备却有其获得之处。 （1）由于吸入气体的密度很低，要求真空泵的体积必须足够大； （2）压缩比很高，所以余隙的影响很大。,2.真空泵的主要性能参数 （1）极限剩余压力（或真空度）：这是真空泵所能达到最低压力； （2）抽气速率：单位时间内真空泵在极限剩余压力下所吸入的气体体积，亦即真空泵的生产能力。,2.3.4 真空泵,分类：1、往复式真空泵2、水环真空泵3、液环真空泵4、旋片真空泵5、喷射真空泵,2.3.4 真空泵,旋片真空泵,是旋转式真空泵的一种，其工作原理见图。当带有两个旋片7的偏心转子按箭头方向旋转时，旋片在弹簧8的压力及自身离心力的作用下，紧贴泵体9内壁滑动，吸气工作室不断扩大，被抽气体通过吸气口3经吸气管4进入吸气工作室，当旋片转至垂直位置时，吸气完毕，此时吸入的气体被隔离。,