流体输送机械.ppt

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1、第二章,流 体 输 送 机 械,(Transportation of fluids),对流体做功以完成输送任务的机械称作流体输送机械。,输送液体的机械统称为泵（离心泵、往复泵、齿轮泵、管道泵）。,输送气体的机械统称为风机（通风机、彭风机、压缩机、真空泵）。,可以看出，泵向流体提供的能量用于,2.1 概述,将流体由1位输送至2位，需外加的能量为H，列方程得：,一、输送流体所需的能量（管路特性曲线）,提高流体的势能、,一般动能提高很小可以忽略。,克服阻力，,升高流体位置、提高流体压强、,式中：,单位重量流体的势能差,（2-1）,上式整理得：,一般情况下速度头可略,（2-2）,管路阻力损失由管路和速

2、度大小而定：,（2-3）,K值由管路特性决定，进入阻力平方区后与流量无关。,此式称为管路特性曲线方程,(2-4),二、压头和流量是流体输送机械的主要技术指标,管路特性曲线方程如图中的曲线，称管路特性曲线,2,输送机械向单位重量流体提供的能量称为该机械的压头或扬程,低阻,高阻,讨论中心问题：流量与压头之间的关系,三、流体输送机械分类,动力式（叶轮式）：离心泵、轴流式等,容积式（正位移式）：往复泵、旋转式等,其它类型：喷射式等,2.2 离心泵,本章重点：,工作原理、特性曲线、流量调节、安装高度,依靠活塞或转子的挤压作用使流体升压排出,2.2.1 工作原理与结构,蜗壳作为泵的外壳，汇集 液体，它本身

3、又是一 个能量转换装置，将 部分动能转为压强能。,叶轮是离心泵对液体作功 的部件。将泵的机械 能传给液体，提高液 体的动能和压强能。,一、离心泵的主要构件,敞式（开式）：输送含有固体颗粒的悬浮液，效率低,叶轮有三种形式：,蔽式：输送清液，效率高，但不易清洗,半蔽式：输送含有固体颗粒的悬浮液，效率低,工作原理,惯性离心力向边缘运动中间形成真空吸入液体 排出液体,惯性离心力的大小与流体密度成正比。,离心泵工作时，液体在与叶轮一起作圆周运动的同时，又从叶轮中心向外缘运动。,二、液体在叶片间的运动,流体在叶片间流动时，由速度三角形知：,如不计叶片厚度，离心泵的流量为：,（2-7）,（2-8）,因流道外

4、缘较内缘宽，故w2w1,（2-5）（2-6）,（2-12）,三、离心力场中的机械能守恒,在叶轮进口、出口间列机械能恒算式：,设叶片无穷多、无穷薄；流体粘度为零（=0），无摩擦阻力损失；流动是定态的,设：,势能增加,，原因是：,（1）离心力的作用：,（2）叶片通道扩大：势能增加=动能减小,即,因此,（2-13）,当m=1kg时（单位质量），,Fc=mr2,（w12-w22)/2,离心泵是以势能和动能两种形式向流体提供能量的，其中势能部分占主要,将式（2-5）、（2-6）代入上式得：,由上式可看出，为得到较大的压头，在离心泵设计时，通常使液体不产生预旋，从径向进入叶轮，即1=90。于是，泵的理论压

5、头,（2-14）,（2-15）,四、离心泵的理论压头,由式（2-7）,（2-17）,（2-16）,得,将上两式代入式（2-15）,五、流量对理论压头的影响,如图：,可得泵的理论压头HT和泵的流量之间的关系为,（2-18）,上式表示：不同形状的叶片在叶轮尺寸和转速一定时，泵的理论压头和流量的关系。这个关系是离心泵的主要特征。,叶片形状有如图三种形式：,a）径向叶片 2=90 ctg 2=0 则qVH不变,六、叶片形状对理论压头的影响,c）叶片前弯 290 ctg 20 则qVH,b）叶片后弯 20 则qVH,压头与流量的关系,前弯叶片产生的压头最高，但主要以动能形式存在，在转化为势能时能耗较大。

6、后弯叶片能量利用率高，离心泵一般采用后者，2=2530。,如图所示：,实际压头只能由实验测定，而不能用理论推导。实际压头理论压头的原因：,因叶片不是无限多，液体不能严格按理想轨迹运动，形成环流，消耗能量。它只与叶片数、流体物性有关，与流量无关。此项原因使压头线成为图中b线。,流量偏离设计点，液体进入流道产生冲击，存在能耗。实际压头线成为d线。,离心泵的实际压头,（1）叶片间的环流：,（2）阻力损失：,与速度(或流量)平方成正比，压头线成为c线,（3）冲击损失：,七、液体密度的影响,离心泵启动时要将泵内注满液体，这一操作称为“灌泵”，否则壳内有空气，因气体密度小，离心力小，在叶轮中心处形成的真空

7、度不足以将液体吸入泵内，此种现象称为气缚。,理论压头与密度无关,操作时要注意：,又叫送液能力，单位时间内泵输送的液体体积；m3/s,（理论压头）：,2.2.2 离心泵的特性曲线,一、离心泵的性能参数,有效压头（扬程）He：,单位重量流体自泵处净获得的能量；m,影响因素：,叶轮直径、叶片形状、转速、流量,流量 qV：,qV=2r2b2c2sin2,由电机输入离心泵的功率；W,有效功率与轴功率之比。,轴功率Pa：,Pa=M,有效功率Pe：,单位时间内液体从泵处获得的能量；W,效率：,qV先后,二、离心泵的特性曲线,一台特定的离心泵，根据实验测定，可得三条特性曲线：,qVHe,qVPa,故启动泵时，

8、应先关闭出口阀再启动，以减小启动功率,HeqV,Pa qV,qV,效率最高时的性能参量是该泵铭牌上所标注的,HT,（1）曲线,（2）曲线,（3）曲线,例2-1：离心泵特性曲线的测定,右图为测定离心泵特性曲线的实验装置，实验中已测出如下一组数据：泵出口处压强表读数；泵进口处真空度读数；泵的流量；泵轴的扭矩M=9.8Nm；转速n=2900r/min；吸入管直径d1=80mm，压出管直径d2=60mm;两测压点间垂直距离(z2-z1)=80mm。实验介质为20的水。试计算在此流量下泵的压头、轴功率和总效率。,解：,（1）泵的压头,在截面1与2间列机械能衡算式，即,其中：,Z2-Z1=0.08m,两测

9、压口间的管路很短，其间流动阻力可忽略不计，即Hf=0。,故泵的压头为：,（2）泵的轴功率,（3）泵的效率,离心泵启动时，必须先打开出口阀，向泵内注入液体，,注意：,以减小启动电流，防止电机过载。,避免高压流体倒流，冲击叶轮。,然后慢慢打开出口阀。,以防气缚。,关闭出口阀后再启动，,停泵时，应先关出口阀，再停电机，,离心泵在启动及关闭时的操作：,三、转速对特性曲线的影响,生产厂商提供的泵特性参数是在一定条件下测得的。当条件改变时，特性参数也会发生变化。,若转速变化不大（20%以内），则可作以下假设：,（1）转速改变前后，液体离开叶轮处的速度三角形相似,（2）不同转速下离心泵的效率相同。,离心泵的

10、比例定律：（转数变化需在20%以内）,对压头、流量和效率无影响：,压头：,流量：,功率：,（1）液体密度的影响：,Pa,对功率有影响，二者成正比。,（2）粘度的影响：,否则，对各参数有影响,He,、,qV,、,、,Pa,四、液体物性对离心泵性能的影响,20水时，不考虑影响,，,Pe,、,由泵的特性曲线和管路特性曲线共同决定。,2.2.3 离心泵的流量调节与组合操作,一、离心泵的工作点,在管路系统中工作的泵，其扬程和流量必然与管路所需要的压头和流量相等。泵特性曲线和管路特性曲线的交点，就是离心泵在管路系统中的工作点。,离心泵只能在工作点工作。,联立求解即得管路特性曲线和泵特性曲线的交点。,管路特

11、性方程：,泵的特性方程：,工作点的确定方法：,（1）绘图法,在已有泵特性曲线的基础上，根据管路特性方程描点绘制管路特性曲线，两线交点即为所求。,（2）解析法：,注：两方程中qv的单位要统一,二、流量调节,流量调节的实质是调整泵的工作点。改变泵的特性曲线或改变管路的特性曲线均可达到调节流量的目的。,常见的调节方法如下：,（1）阀门调节,实质：,改变管路的特性曲线；,特点：,操作简单；,泵特性曲线不变。,增加阻力损失；,效率变低。,例 用某离心泵将地面敞口水池的水输进塔内。水的升扬高度（指水池水面至塔内进水管口间的垂直高度差）为8.0m，塔内压强为22.56kPa（表压），已知阀全开时管路总阻力可

12、以0.042qV2表示。该泵的特性曲线方程为He=13.7-0.0083qV2m（以上两处的qV的单位皆为m3/h）。试问：（1）阀全开时，最大流量是多少？（2）若要求流量为7.2m3/h，拟用关小阀门办法解决，已知该泵在qV=7.2m3/h时的效率=0.42，试问因关小阀门而消耗的轴功率为多少？水温20。,解：（1）阀全开时，依管路特性曲线,泵的特性曲线：,He=13.7-0.0083qV2,工作点：He=H,联立解得：,qVmax=8.22 m3/h,（2）阀关小，使流量为7.2m3/h,泵提供的扬程：,He=13.7-0.0083qV2=13.7-0.0083（7.2）2=13.3m,若

13、按阀全开计，管路需要的压头：,因阀关小而消耗的压头：,因阀关小而损耗的轴功率：,（2）转速调节,实质：,改变泵的特性曲线；,管路特性曲线不变。,特点：,不增加管路阻力；且可保持在高效率区工作,设备投资较大；有时不方便,三、并联泵的合成特性曲线,合成曲线的画法：,流量加倍，扬程不变,并联泵的工作点：,合成曲线与管路曲线的交点,并联泵的特点：,H单,qV单,H并,qV并,C,C,D,qv单qv并2qv单,四、串联泵的合成特性曲线,合成曲线的画法：,流量不变，扬程加倍,串联泵的工作点：,合成曲线与管路特性曲线的交点,串联泵的特点：,流量增大，扬程增大，但H单H串2H单,qV单,H单,C,C,qV串,

14、H串,D,五、组合方式的选择,管路阻力大，采用串联；,管路阻力小，采用并联。,单泵,串联,并联,D,C,C,C,增大扬程：,采用串联。,增大流量：,视管路阻力对串、并联效果的影响而定。,2.2.4离心泵的安装高度,一、汽蚀现象,叶轮入口处压强低于被输送流体饱和蒸汽压时，液体发生气化。气泡在高压区凝结或破裂，高频、高压冲击叶轮及泵体，使之出现斑疤、裂缝、蜂窝状损坏。这种现象称作汽蚀。,输送流体温度高,产生原因：,安装过高,当地大气压低,离心泵发生汽蚀时，泵体震动并伴有噪音，扬程、流量、效率均明显下降，严重时会吸不上液体。,二、临界汽蚀余量(NPSH)c与必需汽蚀余量(NPSH)r,如图，泵入口处

15、压强为p1，叶轮入口处压强为pK，在两截面间列机械能衡算式：,当p1低时pK亦低，,发生汽蚀时，pK=pv，,此时，p1=p1,min，,此时上式可写成：,饱和蒸气压,（2-30）,或,上式表明，发生汽蚀时，泵入口处的机械能比液体汽化时的势能超出值。此超出值称为离心泵的临界汽蚀余量，以(NPSH)c表示。,(NPSH)c,为使泵正常运转，泵入口处的压强p1必须高于p1,min，即实际汽蚀余量（装置汽蚀余量）：,（2-32）,临界汽蚀余量(NPSH)c与泵的结构有关，是泵的一个抗汽蚀性能参数。由厂家实验测定。,必需汽蚀余量（样本中查到的值）(NPSH)r等于(NPSH)c加上一定的安全量。,安装

16、时采用的汽蚀余量实际汽蚀余量NPSH 应比样本中查到的值大于0.5m以上。,注意：,NPSH：,安装值（=(NPSH)r+0.5）,(NPSH)c：,临界值,(NPSH)r：,样本给定值（必需汽蚀余量）,当p1=p1,min，pK=pV时发生汽蚀，此时极限高度称为最大安装高度Hg,max,（2-33）,三、最大允许安装高度Hg,泵安装高度要合造，避免发生汽蚀。,最大允许安装高度Hg,（2-34）,2.2.5 离心泵的类型与选用,一、离心泵的种类,按液体性质：,清水泵（IS）、耐腐蚀泵（F）、油泵（Y）、杂质泵（P）,按吸入方式：,单吸泵、双吸泵,按叶轮数量：,单级泵、多级泵,按安装方式：,立式

17、、卧式、液下泵、管道泵,IS50-32-125,例,泵入口直径,泵出口直径,泵叶轮外径,（2）根据具体管路对泵提出的流量和压头（可比要求值稍大一点）查泵样本（或图），确定泵的具体型号。,二、离心泵的选用,（1）根据被输送流体的性质和操作条件确定泵的类型；,在样本中可同时获得Pa、(NPSH)r等数据。,当几种型号的泵同时满足要求时，要选在工作点的效率最高的泵。,2.3.1 往复泵的作用原理和类型,活塞在外力推动下作往复运动，改变泵缸内容积和压强，交替打开和关闭吸入、压出阀门，达到输送液体的目的。是以压强能的形式向液体提供能量。,电动往复泵 汽动往复泵 单动往复泵 双动往复泵,2.3 往复泵,一

18、、作用原理,二、类型,2.3.2 往复泵的流量调节,往复泵的流量与往复频率、活塞面积、行程（冲程）、泵缸数有关，流量不均匀是它的严重缺点。,提高流量均匀性的方法：,（1）采用多缸,（2）装置空气室,利用气体的压缩或膨胀来贮存或放出部分液体,这种特性称正位移特性。,往复泵的特性：,流量与泵内活塞扫过的体积有关，与管路无关；,压头只由管路特性决定。,具有这种特性的泵称正位移泵。,正位移特性,正位移泵不需灌泵，但存在气蚀现象,往复泵流量调节方法,2、改变曲柄转速和活塞行程,1、旁路调节,注意：,不能用出口阀门来调节流量,叶轮旋转时，流体从吸入至推出过程中多次进入叶轮并获得能量。效率很低，一般为20%

19、50%。,旋涡泵,注意：,启动时打开出口阀；旁路阀调节流量,2.4 其他化工用泵,2.4.1 非正位移泵,2.4.2 正位移泵,隔膜泵,计量泵（比例泵）,齿轮泵(外啮合式),齿轮泵(内啮合式),2.5 气体输送机械,（4）真空泵：用于减压，出口压强为0.1MPa，其压缩 比由真空度决定。,（3）压缩机：出口压强（表压）为0.3MPa以上，压缩 比大于4；,（2）鼓风机：出口压强（表压）为15kPa0.3MPa，压缩比小于4；,（1）通风机：出口压强（表压）不大于15kPa，压缩 比为11.15；,气体输送机械的分类（按进、出口压差或压缩比分）：,在一定的质量流量下，所需的压头大；,特点：,当流

20、量较大时，气体输送设备较液体输送设备庞大。,结构与离心泵有相似之处。,2.5.1 通风机,离心式通风机,（2）风压（全压）：,1、性能参数,（1）风量（流量）：,单位时间排出的气体体积，以进口处气体状态计。,qV：m3/h、m3/s,单位体积的气体经过风机所获得的能量，单位为（N/m2），与压强相同（所以称为风压）。,pTJ/m3=N/m2=Pa,对风机的进出口作能量衡算：,忽略风机进口、出口气体密度的变化及阻力损失：,气体密度小，位能项可忽略；u1从大气中吸入，可取u1=0，上式成为：,式中：,Ps 静风压,Pk动风压,得：,2、特性曲线,试验介质：,（2-36）,压强为0.1MPa、温度为

21、20的空气,样本值,3、风机的选用：,（1）依生产要求计算出全风压和风量，再换算为特定条件下的全风压（出厂样本值）。,20空气密度，1.2（kg/m3）,被输送气体密度,实际值,（2）以风机进口处状态表示风量qv；,（3）根据pT、qv查产品样本确定风机型号。,（2-37）,2.5.3 往复式压缩机,1、构造,要求：阀门灵活，附有冷却装置,2、工作原理,膨胀：,吸气：,B,C,A,B,压缩：,C,D,排气：,D,A,P不变,P不变,练习题,一、填空题,1.影响离心泵理论流量的因素有 和。,叶轮结构,叶轮转速,3.离心泵的扬程是指单位流体经过泵后 的增加值，其单位为。,重量,机械能,J/N 或

22、m,4.离心泵的性能曲线通常包括曲线、和曲线。这些曲线表示在一定下，输送某种特定的液体时泵的性能。,He-qv,Pa-qv,-qv,转速,2.离心泵的工作点是曲线与 曲线 的交点。,管路特性,泵特性,6.离心泵输送系统，若只增加升举高度，流量；只增加电机转速，流量；只增加吸入液面压力，流量；只降低泵安装高度，流量；,不变,7.离心泵在两敞口容器间输液，在同一管路中，输送=1200kg/m3的液体(该溶液的其它性质与水相同），与输送水相比，离心泵的流量，扬程,效率，轴功率，泵出口压力。,不变,不变,变大,变大,不变,5.调节离心泵流量可采用的方法，。,调出口阀,改变转速,泵的串并联,8.离心泵性

23、能曲线测定装置中，一般应在泵进口处安，泵出口处安 和。在 出口处，必须安在 之前，在出口 管路上还应安装测量 的仪表(或相应装置)。,真空表,压力表,调节阀,压力表,调节阀,流量,10.用泵为高位水槽送水，若管路出口阀开大，泵扬程,管路总压头损失,泵入口真空度,泵出口压力.,9.离心泵随电机转速下降，水流量，泵入口处绝对压力，真空表读数，出口处压力表读数_。,.离心泵的作用主要是为被输送的液体提供（）A 位能 B 静压能 C 动能 D 势能,.离心泵启动时需关闭出口阀，这是为了防止（）A 气缚发生 B 汽蚀发生 C 泵不能工作 D 启动功率过大,二、选择题,1.离心泵漏入大量空气后将发生()A

24、汽化现象，B气浮现象，C汽蚀现象，D气缚现象,D,B,D,.离心泵的轴功率()A流量qv=0时最大；B扬程He最大时最大；C流量qv=0时最小；D设计点处最小,.在测定离心泵性能曲线时，错误地将压力表安装 在调节阀之后，则压力表读数将（）A 随真空表读数的增大而减小，B随流量的增大而减小，C随泵实际的扬程的增大而增大，D随流量的增大而增大,.离心泵的调节阀开大时，则()A 吸入管路的阻力损失不变；B 泵出口的压力减小；C 泵入口处真空度减小；D 泵工作点的扬程升高,.在原管路不变的情况下由一台泵供水改为两台泵（型号相同）并联管路供水，则管路流量（）A 不变 B 为原流量的2倍 C 小于原流量的

25、2倍 D 为原流量的4倍,.泵的入口装有阀门，关小阀门（）A 流量不变，出现汽蚀 B 流量减小，出现汽蚀 C 流量减小，出现气缚 D 流量减小，不一定汽蚀,.“离心泵启动时应全关出口阀”，“离心泵关闭 时应先全关出口阀”，则()A这两种说法都不对；B这两种说法都对；C第一种说法不对；D第二种说法不对。,1、离心泵流量调节方法有哪几种？其实质是什么？与正位移泵有什么不同？,答：离心泵：阀门调节：改变管路特性曲线的斜率转速调节：改变泵的特性曲线位置泵的串并联：组合方式，组合后泵的特性曲线 不同于原泵的特性曲线 正位移泵：不允许用改变出口阀的开度来调节流量,三、简答题,2、在图2的管路中，开大阀门后

26、流量加大，管路总阻力损失如何变化？吸入管路和排出管路的阻力损失如何变化？（增大、减小、不变）,由管路特性曲线可知：开大阀门总阻减小。,吸入管流量加大，速度加大，阻力损失增大。,解：,排出管的直管阻力损失增大，但阀门的阻力损失减小，较难确定排出管路阻力损失的大小。,应从总阻力损失分析问题。,可知排出管路阻力损失减小。,由于速度增加导致直管阻力增加，同时，阀门开大后局部阻力损失减小，两者正好相互抵消。,3.如图3所示，当开大阀门后阻力损失如何变化？（增大、减、不变）,解：在液面和出口处列方程可知：高度不变，则阻力损失不变。,欲用离心泵将20C的清水从蓄水池送至某密闭设备，送水量为45m3/h.设水

27、池和容器内水面保持恒定位差14m，密闭设备中水面上方压力表读数为49kPa。输水管路规格为140 4.5mm,吸入管长20m，排出管长180m（均包括所有局部阻力当量长度在内），流动处于阻力平方区，摩擦系数可取定值0.02。,（1）试推导管路特性曲线方程；（2）选择适宜型号离心水泵；（3）计算安装高度。,四、计算题,现有一台离心水泵，其特性方程为：（qV的单位为m3/h）欲将此泵安在上面管路中，为保证45m3/h的输水量，需关小泵的出口阀门。试求：（4）关小阀门后管路的特性曲线方程；（5）关小阀门后，轴功率损失（泵的效率为70%）。,在如图所示中，以 1-1面为基准面，在1-1和2-2面间列机

28、械能衡算式得：,解：（1）求管路的特性方程：,则管路的特性曲线方程为：,back,（qV的单位为m3/h）,（2）选泵将qV=45m3/h代入管路特性曲线方程中求压头H：H=19.0+6.6110-4452=20.3m,查泵样本表（P293八 IS型离心泵性能表）,具体参数：IS80-65-160：n=2900r/min qV=50m3/h He=32m=0.73 Pa=5.97kW(NPSH)r=2.5mIS100-65-315：n=1450 r/min qV=50m3/h He=32m=0.63 Pa=6.92kW(NPSH)r=2m 以上所选的离心水泵虽都能完成任务，但比较可知：IS80

29、-65-160效率高，应选此泵。,back,IS80-65-160 和IS100-65-315 都符合要求。,（3）计算安装高度Hg：,求管中水流速u：,back,20C水的饱和蒸汽压,（4）求关小阀门后管路的特性方程：泵安装在原管路时的流量上两式联立得 qV=75.7m3/h 流量大需关小阀门，关小阀门后的管路特性曲线只有斜率发生变化。,如图：,设关小阀门后管路特性方程为,back,根据泵特性曲线求流量为45 m3/h时需要的压头：,则关阀后管路特性方程：,将qV=45 m3/h,H=24.886m代入 中得到K值：,压头损失：,原管路特性方程：,（5）轴功率损失（泵的效率为70%）。,新管路特性方程：,轴功率损失为：,小结：1、管路特性曲线方程的求法与画法2、离心泵的工作原理与结构3、叶片的三种形状及对理论压头的影响4、离心泵的性能参数5、离心泵的特性曲线及特点6、离心泵在启动及关闭时的注意事项7、离心泵特性的改变与换算8、离心泵的工作点,9、离心泵的流量调节10、离心泵的组合操作11、气缚现象与汽蚀现象12、汽蚀余量13、离心泵的安装高度14、离心泵的选用15、往复泵的特点及流量调节16、往复式压缩机的工作循环,