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第二章 流体输送机械,第一节 概述第二节 离心泵第三节 往复泵第四节 其他化工用泵第五节 气力输送机械,流体在流动过程中将损失部分机械能，只能由高能位向低能位处流动。但在多数情况下需将流体由低能位向高能位处输送，因而为完成输送任务必须依靠输送机械向流体补加足够的机械能。,用以输送液体的机械通称为泵 输送气体的机械按不同的情况称为通风机，鼓风机，压缩机，真空泵等。,本章主要介绍常用输送机械的工作原理和特性，以便选择与使用。,第一节 概述,一、离心泵作用,向流体提供能量：用于提高流体势能（低能位向高能位输送流体）和克服管路的阻力损失。,二、输送流体所需能量,1、管路特性曲线方程,H：单位重量流体需补加的能量,K由管路特性决定,管路特性方程,该式表明了管路中流体的 流量与需补加能量的关系,一般情况下，动能差一项可忽略,2、压头（扬程）与流量是输送机械的主要技术指标,压头He：指输送机械向单位重量流体提供的有效能量，J/N,输送机械向流体提供的能量He应与管路所需补加能量H相等,流体输送机械在不同流量下压头也不同，压头与流量的关系由输送机械本身特性决定，是流体输送机械的主要技术指标，讨论HeqV关系，即确立泵的特性方程是本章的主要内容。,He=H,三、流体输送机械分类,1、泵结构,第二节 离心泵,叶轮(1、2、3、4）向流体做功,泵壳 使动能势能，是能量转化装置,一、离心泵工作原理,2、旋转流体的考察方法,第一章中只是介绍了流体在重力场中的能量守恒及转换,流体质点的考察方法：拉格朗日法及欧拉法,3、离心力场中的机械能守恒,（1）液体在叶片间的运动,切向速度（流体随叶轮旋转具有的速度）,相对速度（流体沿叶轮间通道流动，相对于叶轮的速度）,C 绝对速度（与 的向量和）,（2）离心泵流量：,注：出口截面积,径向管口流速,旋转坐标系：叶轮水平放置，叶轮进出口截面列柏氏方程：,为总势能，包括常规势能和离心力场势能,以相对速度计的动能,静止坐标系：,离心泵理论压头,（1）、（2）式表明：离心泵以势能和动能两种形式向流体提供能量。对于常用的后弯叶片叶轮，而且w1w2，说明提供能量中势能所占比例更大。,离心泵设计:为使HT大，cos1=0，因此使流体从径向进入叶轮，此时1=90,消去其中w1、w2，得：,（1）流量对压头的影响,由图可知：,3、离心泵理论压头的影响因素,二式代入上式 中：所以,（2）叶轮形状对理论压头的影响,为什么采用后弯叶片？,后弯可获得较高能量利用率理论压头=势能+动能前弯C2大，动能 虽大，但流体动能经蜗壳部分转化为势能过程中，阻力损失也大。为获得较高的能量利用率，采用后弯叶片。,（3）液体密度对压头的影响,但是在同一压头下，泵进出口的压差与成正比,对11及22截面间用柏努利方程,根据：,同一台泵提供的理论压头相同，HT与 无关，,气缚：由于没有灌泵，或泵体密封不严，使得泵内存气，启动泵后发生吸不上液体的现象。这一现象称气缚，气缚现象发生后，泵无液体排出，无噪音、振动。为避免气缚应灌泵或检查泵体的密封性。,离心泵启动时为什么要先灌泵？,1、泵的有效功率和效率,机械损失：轴承机械摩擦,Pe 有效功率,Pa 轴功率，由电机输入,泵总效率,水力损失：流体冲击形成旋涡，管道沿程阻力,容积损失：出口液体因缝隙泄漏返回入口,二、离心泵特性曲线,小型水泵：一般为5070%，大型泵：可达90%以上,泵的理论压头与有效压头的关系,2、离心泵的特性曲线,前面讨论的管路特性曲线，表明的是管路中流体流量与所需补加能量的关系,管路特性方程,有效压头与流量的关系 HeqV效率与流量的关系 qV轴功率与流量的关系 Pa qV,离心泵特性曲线：,离心泵的 He、Pa 都与离心泵的 qV有关，它们之间的关系由确定离心泵压头的实验来测定，实验测出的一组关系曲线：He qV、qV、Pa qV 离心泵的特性曲线注意：特性曲线随转速而变。各种型号的离心泵都有本身独自的特性曲线，但形状基本相似，具有共同的特点,离心泵在一定转速下有一最高效率点。离心泵在与最高效率点相对应的流量及压头下工作最为经济。与最高效率点所对应的qV、He、Pa值称为最佳工况参数。离心泵的铭牌上标明的就是指该泵在运行时最高效率点的状态参数。,思考：1、离心泵启动和关闭时出口阀门应关闭还是打开，why？离心泵启动时，应关闭出口阀，使启动电流最小，以保护电机。停泵前关闭泵的出口阀门是为了防止高压液体倒流，对泵造成损害。,2、离心泵启动时，出口阀门应关闭，此时qV0时，Pa=0？离心泵的轴功率随流量的增加而上升，流量为零时轴功率最小。,3、离心泵特性曲线的影响因素,1）液体性质的影响 密度,HeqV曲线不因输送液体的密度而发生变化，泵的效率不随输送液体的密度而变。,离心泵的轴功率与输送液体密度有关。,粘度 当输送液体粘度大于常温（20）清水的粘度时，阻力损失，HeqV下降急剧。最高效率点处：qV、He、均，Pa。此时泵的特性曲线发生改变，选泵时应根据原特性曲线进行修正。实验表明，当输送液体粘度常温（20）清水的黏度时，对特性曲线的影响很小，可忽略不计。,（2）转速的影响 按比例换算,转速改变，离心泵的特性曲线不同。,换算条件：设转速改变前后流体离开叶轮的速度三角形相似，泵效率相等,流量之比,扬程之比：,轴功率之比：,流量之比,据此可从某一转速下的特性曲线 换算出另一转速下的特性曲线。,三、离心泵的流量调节和组合操作,离心泵的实际工作状况（流量、压头）是由泵特性和管路特性共同决定的。,（1）离心泵的工作点（即操作点）,两曲线的交点,He=H,1、离心泵的流量调节,（2）离心泵流量调节,改变管路特性曲线,调节阀门开度,改变泵的特性曲线,a、改变转速,若把泵的转速n 降低到 n：则HeqV 线下移，工作点由 A1 移至 A1，流量由 qV1 降为到qV1；则He、Pa均减小。,优点：流量随转速下降而减小，动力消耗也相应降低；缺点：需要变速装置或价格昂贵的变速电动机，难以做到流量连续调节，适用于大功率泵。,（1）并联泵,单台泵不能满足输送任务要求可采用多台泵的并联和串联，增大流量或者压头。,两泵型号相同，吸入管路相同,在同一压头下，两台并联泵的 流量等于单台泵的两倍,2、泵的组合操作,将单台泵特性曲线A的横坐标加倍，纵坐标保持不变便可得到两台并联泵的合成特性曲线B。,A线 泵特性曲线C线 管路特性曲线B线 组合操作曲线,并联泵的合成特性曲线,按同一压头下两台并联泵流量是单泵两倍的原则取点。,由图可见：合成曲线B与管路曲线C交于新工作点2,（2）串联泵,在同一流量下，两台串联泵的压头为单台泵的两倍,串联泵的合成特性曲线,按同一流量下两台串联泵的压头是单泵两倍的原则取点的坐标,（3）组合方式选择,低阻输送管道，并联优于串联,高阻输送管道，串联优于并联,例题1.教材p95.习题 第 2-7 题,某台离心泵特性曲线可用方程 He=20-2qV2表示，式中He 为泵的扬程，m；qv为流量：m3/min。现该泵用于两敞口容器间送液，已知单泵流量为1m3/min，欲使流量增加 50%，试问应该将相同的两台泵并联还是串联使用？两容器的液面位差为10m。,解：管路 H=泵 He,因为 Z=10，qV=1，联立上两式得 K=8,单泵可提供压头,管路所需压头,并联：同一压头，流量加倍,串联，同一流量，压头加倍,解法2：作图法列表、作曲线，找交点坐标,作业：P94：1、3、4,并联或串联，管路方程不变,四、离心泵的安装高度,1、汽蚀现象,当P1=P1,min时，Pk=PV（液体的饱和蒸汽压），部分液体会发生汽化，发生汽蚀。,叶片进口处K-K是泵中压强最低处，是最易汽化之处。若发生汽化时（汽蚀），含气泡的液体过K点进入叶轮后，因叶轮对流体施加压能后压强升高，使气泡凝聚、破碎后产生局部真空，周围液体高速补充，对叶片造成冲击和振动；此外，气泡中挟带的氧气对金属产生化学腐蚀，其结果导致叶片过早损坏，这种现象为泵的汽蚀。,汽蚀产生的后果：,叶片表面产生蜂窝状腐蚀；泵体震动，并发出噪音；流量、压头、效率都明显下降；严重时甚至吸不上液体。,汽蚀现象发生时，流量qV、扬程（压头）He 和效率都明显下降，严重时甚至吸不上液体。因此汽蚀现象是有害的，必须加以避免。那么，如何避免汽蚀现象的产生呢？,从前面的分析可知，为避免汽蚀现象的发生：泵的安装位置不能太高，以保证叶轮中各处压强高于被输送液体的饱和蒸汽压PV；可采取P0；hf(0-1)；流体降温，使流体的饱和蒸汽压PV。,汽蚀 泵的安装高度太高，使得部分液体汽化引起；可以输液但损坏泵，严重时无法工作。,气缚由于没有灌泵或泵体密封不良，使泵内存气造成；不能输液,汽蚀与气缚比较：,我国的离心泵规格中采用下述两种指标必需汽蚀余量（有的教材给出允许汽蚀余量）和最大允许安装高度来表示泵的吸上性能，下面简述这两种指标的意义，并说明如何利用它们来确定泵的安装高度不至于发生汽蚀现象。,2、临界汽蚀余量NPSHC与必需汽蚀余量NPSH r,11截面与KK截面：,流量一定，流动进入阻力平方区时（通常均可满足），NPSHC只与泵的结构尺寸有关，由泵厂实验测定给出。,为确保泵正常工作须使P1P1min，保证PK PV 不发生汽蚀，因此引入实际汽蚀余量NPSH和必需汽蚀余量NPSHr,NPSHr与流量有关，流量越大，NPSHr也越大。按使用过程中可能的最大流量计算。,NPSH NPSH r+0.5米,3、最大安装高度Hg,max与最大允许安装高度Hg,当泵的安装位置达到某一极限高度时，刚好发生汽蚀现象，这一极限高度称为泵的最大安装高度。,00及KK截面间列机械能衡算式,已知 求算 泵厂提供,Hg越大越有利于使用,压差要大p0，pV；流体降温则PV,Hg,阻力损失要小Hf 0-1，一般d吸d出，以减小进口管直租hf，泵进口管路尽量少用管件阀门以减小进口管路局阻hf。,例题2.教材p96.习题第2-10题.(习题2-9附图改为习题2-10附图）,故不能正常，应将泵下移 1.6 m或塔上升 1.6 m,作业：P96页：10,五、离心泵的类型与选用,离心泵的类型,清水泵 IS（单级单吸）D（多级）Sh（双吸）,耐腐蚀泵 F,油泵 Y YS（双吸）,液下泵 FY（工作原理）,屏蔽泵 电机叶轮联为整体，无泄漏泵，也叫无密封泵,离心泵的选用（选效率最高的）,第三节往复泵,一、往复泵的基本结构与作用原理,通过活塞的往复运动直接以压强能的形式向液体提供能量。,泵缸，活塞，活门。曲柄连杆机构带动,二、往复泵的流量调节,单动泵1，2：,双动泵1，2：,参考P83图2-26,往复泵的流量计算：,流量调节,往复泵理论流量仅由活塞扫过的体积决定，与管路情况无关，而提供的压头只取决于管路情况,正位移特性,注：往复泵压头与流量无关，离心泵压头与流量有关，二者存在不同之处。,特性方程=常数，与管路无关。,离心泵流量调节可通过出口阀门开度大小调节，实质是调节管路特性。而往复泵流量与管路特性无关，不可安装调节阀，否则可能造成危险（压强升高）：机件破损或电机烧毁,调节：（1）旁路调节，1：总流量不变，主管与旁路之间流量分配改变，不经济。,（2）改变曲柄转速和活塞行程（改变泵的特性曲线），常用且经济,第四节 其它化工用泵,一、非正位移泵,1、轴流泵：适于压头较小，输液量大。一般不设出口阀，通过改 变泵特性曲线调节流量。,2、漩涡泵：适于高压头，小流量，效率低,二、正位移泵,1、隔膜泵，1 输送腐蚀性液体或悬浮液，工作状态,2、计量泵 精确输送流量恒定的液体或比例输送几种液体,3、齿轮泵 高压头，流量小，用以输送粘稠液体,4、螺杆泵，1 高粘度液体，效率高于齿轮泵,隔膜泵,计量泵,齿轮泵,螺杆泵,第五节 气体输送机械,通风机 鼓风机 压缩机 真空泵,（1）体积流量大,（2）流速大、阻力损失大,一、气体输送的特点：,则相差100倍,对气体输送机械的要求：（1）高压头（阻力损失大造成）,离心式或轴流式：流量大，但是压头不够,（2）大流量（气体密度小体积大，体积流量大）,气体输送机械结构与原理：与流体输送机械基本相同,正位移式：高压头，但流量通常小，需大设备,二、气体输送机械分类：,一般以出口压强大小进行分类，或压缩比（进出口压强比）,（1）通风机：出口压强15Kpa（表压），压缩比11.15,（2）鼓风机：出口压强15Kpa0.3Mpa（表压），压缩比 4,（3）压缩机：出口压强0.3Mpa（表压），压缩比 4,（4）真空泵：用于减压，出口压力0.1Mpa（表压）压缩比由真空度决定。,1、通风机,（2）离心通风机 主要参数：流量qV（风量），全压PT（风压），功率和效率,说明：离心泵压头以单位重量流体为基准，因次为L,m,通风机压头以单位体积气体为基准，因次为ML-1T-2,Pa（压强单位因次）,因出口气速大，动风压（动能差）不能忽略，不同于离心泵进出口动能差很小，可忽略,静风压+动风压,则,换算：,注：,通风机特性曲线测定：0.1Mpa，20空气（）,2、鼓风机,（2）罗茨鼓风机 工作原理：同齿轮泵，属正位移型，风量与转速成正比，与出口压强无关。,（3）离心鼓风机（透平鼓风机）工作原理：同离心通风机 选用方法：同离心通风机,3、压缩机,（2）往复式压缩机 基本结构：类同往复泵但需附设冷却装置 移除压缩放出热量降低气体温度,工作原理：类同往复泵，膨胀吸入压缩排出 四个阶段,余隙：活塞行程最左端与汽缸之间的容积,（3）离心式压缩机（透平压缩机）作用原理：与离心鼓风机原理完全相同 高压强产生：1.级数多，10级以上 2.主要是采用高转速8500r/min,往复式压缩机的选用：依据生产能力和排出压强（或压缩比）两个指标 1 根据输送气体的特殊性决定类型 2 根据生产能力和排出压强查样本选用适合型号,4、真空泵,化工中常用的真空泵,（1）往复式真空泵 构造与原理：与往复式压缩机基本相同 使用注意点：所排送气体不应含有液体，若有少量水蒸气必须先冷凝去除,负压下吸气，一般在大气压下排气的输送机械,极限真空/残余压强：绝压表示Pa,主要特性,抽气速率：极限真空条件下吸入口体积流量L/S,（2）水环真空泵（1）（2）吸气中可允许夹带少量液体，属湿式真空泵 以水维持泵内液封,（3）液环真空泵（纳氏泵）化工中应用较广，也可作压缩机用（56at 表压）输送氯气，壳内充以硫酸；输送空气泵内充水,（4）旋片真空泵,（5）喷射真空泵，1 利用高速流体射流时压强能转换为动能所造成的真空 工作流体：蒸汽或水,