化工原理第二章.ppt

1,第二章：流体输送机械,2.1 离心泵,2,30m,P49pa真空度,19. 内截面为1000mm1200mm的矩形烟囱高为30m。 平均摩尔质量为30kg/kmol，平均温度为400的烟道气自下而上流动，烟囱下端维持在49pa的真空度。在烟囱高度范围内大气的密度可以视为定值，大气温度为20，地面处的大气压强为101.33103pa。流体流经烟囱的摩擦系数为0.05，试求烟道气的流量为若干，kg/h？,解：已知：z10m，z230m，p149pa真空度， p2？u？ 选择烟囱下端为截面1-1，顶端为2-2。截面1-1为基准水平面。 根据题意，查表的20，压强为101.33103pa空气的密度为1.205kg/m3。,1-1,2-2,作业中的问题,3,所以，可以使用柏努利方程。对1-1和2-2截面建立柏努利方程,4,5,主要问题： 1、顶部压强计算错误。 2、没有考虑伯努利方程应用条件 2、温度理解错误。,管路系统中总能量损失公式,6,第二章：流体输送机械,液体输送设备 气体输送设备,7,第一节 液体输送设备,一离心泵工作原理和主要部件 二离心泵的基本方程式 三离心泵的主要性能参数与特性曲线 四离心泵性能参数的改变及换算 五离心泵的气蚀现象与允许吸上的高度 六泵的工作点与流量调节 七离心泵的组合操作串、并联 八其它类型的泵,8,在化工生产中，常常需要将流体从低位输送到高处；从低压设备输送到高压设备；沿管道输送到较远的地方。 要克服位能、静压能之差及摩擦阻力引起的能量损失 为此，必须借助一定的输送设备，对流体作功，以补充足够的能量，这种为输送流体而提供能量的机械-流体输送机械 流体输送机械的目的:给流体加入机械能以实现非自动过程,输送液体的机械通称为泵； 例如：离心泵、往复泵、旋转泵和漩涡泵。 输送气体的机械按不同的工况分别称为: 通风机、鼓风机、压缩机和真空泵。,绪论,9,本章的目的： 结合化工生产的特点，讨论各种流体输送机械的操作原理、基本构造与性能，合理地选择其类型、决定规格、计算功率消耗、正确安排在管路系统中的位置等。,按工作原理： 动力式（叶轮式）：离心式，轴流式； 容积式（正位移式）：往复式，旋转式； 其它类型：喷射式 等。,10,液体输送设备的种类很多,按照工作原理的不同,分为离心泵、往复泵、旋转泵与旋涡泵等几种。其中,以离心泵在生产上应用最为广泛。,2-1-1 离心泵,离心泵的优点： 结构简单，操作容易，便于调节和自控 流量均匀，效率较高 流量和压头的适用范围较广 适用于输送腐蚀性或含有 悬浮物的液体。,11,12,一离心泵的操作原理、构造与类型 1、构造,由若干个弯曲的叶片组成的叶轮置于具有蜗壳通道的泵壳之内。,叶轮紧固于泵轴上，泵轴与电机相连， 可由电机带动旋转。,13,吸入口位于泵壳中央与吸入管路相连，并在吸入管底部装一止逆阀。 泵壳的侧边为排出口，与排出管路相连，装有调节阀。,2、基本部件和构造,1离心泵的构造：,14,1）叶轮 a)叶轮的作用 将电动机的机械能传给液体,使液体的动能和静压能都有所提高。 b)叶轮的分类,叶片的内侧带有前后盖板，适于输送干净流体，效率较高。,没有前后盖板，适合输送含有固体颗粒的液体悬浮物。,只有后盖板，可用于输送浆料或含固体悬浮物的液体，效率较低。,15,16,液体只能从叶轮一侧被吸入，结构简单。,相当于两个没有盖板的单吸式叶轮背靠背并在了一起，可以从两侧吸入液体，具有较大的吸液能力，而且可以较好的消除轴向推力。,17,2）泵壳 泵壳的作用 汇集液体，作导出液体的通道； 使液体的能量发生转换，一部分动能转变为静压能。,导叶轮 为了减少液体直接进入蜗壳时的碰撞，在叶轮与泵壳之间有时还装有一个固定不动的带有叶片的圆盘，称为导叶轮。导叶轮上的叶片的弯曲方向与叶轮上叶片的弯曲方向相反，其弯曲角度正好与液体从叶轮流出的方向相适应，引导液体在泵壳的通道内平缓的改变方向，使能量损失减小，使动能向静压能的转换更为有效。,18,思考： 为什么导轮的弯曲方向与叶片弯曲方向相反？,19,3）轴封装置 A 轴封的作用 为了防止高压液体从泵壳内沿轴的四周而漏出，或者外界空气漏入泵壳内。 B 轴封的分类,填料密封：,机械密封：,主要由填料函壳、软填料和填料压盖组成，普通离心泵采用这种密封。,主要由装在泵轴上随之转动的动环和固定于泵壳上的静环组成，两个环形端面由弹簧的弹力互相贴紧而作相对运动，起到密封作用。,20,21,22,离心泵的工作过程： 开泵前，先在泵内灌满要输送的液体。,开泵后，泵轴带动叶轮一起高速旋转产生离心力。液体在此作用下，从叶轮中心被抛向叶轮外周，使其机械能增高，并以很高的速度（15-25 m/s）流入泵壳。,在蜗形泵壳中由于流道的不断扩大，液体的流速减慢，使大部分动能转化为静压能。最后液体以较高的静压能从排出口流入排出管道。,23,泵内的液体被抛出后，叶轮的中心形成了真空，在液面压强（大气压）与泵内压力（负压）的压差作用下，液体便经吸入管路进入泵内，填补了被排除液体的位置。,离心泵之所以能输送液体，主要是依靠高速旋转叶轮所产生的离心力，因此称为离心泵。,思考： 流体在泵内都获得了哪几种能量？ 其中哪种能量占主导地位？,24,25,离心泵启动时，如果泵壳内存在空气，由于空气的密度远小于液体的密度，叶轮旋转所产生的离心力很小，叶轮中心处产生的低压不足以造成吸上液体所需要的真空度，这样，离心泵就无法工作，这种现象称作“气缚”。,为了使启动前泵内充满液体，在吸入管道底部装一止逆阀。此外，在离心泵的出口管路上也装一调节阀，用于开停车和调节流量。,气 缚,26,二、离心泵的基本方程式,1、离心泵基本方程式的导出 假设如下理想情况： 1）泵叶轮的叶片数目为无限多个，也就是说叶片的厚度 为无限薄，液体质点沿叶片弯曲表面流动，不发生任 何环流现象。 2）输送的是理想液体，流动中无流动阻力。,在本章习惯上用压头来表示泵对单位重量流体所提供的能量 HTJ / N（m）,27,在高速旋转的叶轮当中，液体质点的运动包括：,液体随叶轮旋转 ；,经叶轮流道向外流动。,a、液体与叶轮一起旋转的速度u1、u2方向与所处圆周的切线方向一致，大小为：,b、液体沿叶片表面运动的速度w1、w2，方向为液体质点所处叶片的切线方向，大小与液体的流量、流道的形状等有关,A、流体流速分析,28,d、速度三角形 c与u的夹角 w和u的反向延长线夹角,c、两种速度的合速度c,单位重量理想液体，通过无数叶片的旋转，获得的能量称作理论压头，用H表示。,B、流体能量分析,29,单位重量液体由点1到点2获得的机械能为:,HC : 液体经叶轮后动能的增加量 HP : 液体经叶轮后静压能的增加量；,30,静压能增加项HP主要由两方面的因素促成： 1）液体在叶轮内接受离心力所作的外功，单位质量液体所接受的外功可以表示为：,2）叶轮中相邻的两叶片构成自中心向外沿逐渐扩大的液体流道，液体通过时部分动能转化为静压能，这部分静压能的增加可表示为：,31,单位重量流体经叶轮后的静压能增加为:,（a）,根据余弦定理，上述速度之间的关系可表示为：,32,代入（a）式，并整理可得到：,(b),一般离心泵的设计中，为提高理论压头，使1=90，即 cos1=0,离心泵的基本方程式 离心泵理论压头的表达式,33,C、理论压头与理论流量QT关系 流量可表示为叶轮出口处的径向速度与出口截面积的乘积,从点2处的速度三角形可以得出,34,代入 H=u2c2cos2/g,离心泵基本方程式,表示离心泵的理论压头与理论流量，叶轮的转速和直径、叶轮的几何形状间的关系。,对于某个离心泵（即其2、2、b2固定），当转速一定时，理论压头与理论流量之间呈线形关系，可表示为：,35,2、离心泵基本方程式的讨论 1）离心泵的理论压头与叶轮的转速和直径的关系 当叶片几何尺寸（b2，2）与理论流量一定时，离心泵的理论压头随叶轮的转速或直径的增加而加大。 2）离心泵的理论压头与叶片几何形状的关系 根据叶片出口端倾角2的大小,叶片形状可分为三种:,36,a）径向叶片（2=90，图a），ctg2=0 。泵的理论压头不随流量QT而变化。 b）后弯叶片(20 。泵的理论压头随流量QT的增大而减小 c）前弯叶片(290，图c)，ctg20 。泵的理论压头随理论流量QT的增大而增大。,37,前弯叶片产生的理论压头最高，这类叶片是最佳形式的叶片吗？ NO,QT,38,前弯叶片，动能的提高大于静压能的提高。 由于液体的流速过大，在动能转化为静压能的实际过程中，会有大量机械能损失，使泵的效率降低。 一般都采用后弯叶片,离心泵需要增大的是静压能，如果动能大，则传输时的能量损失大，有效能量反而小,39,（4）理论压头与液体密度无关 这就是说，同一台泵无论输送何种液体，所能提供的理论压头是相同的。 注意： 泵对单位体积流体所加的能量，泵进出口处的压强差与密度呈正比,P=gHT,40,3、实际压头 离心泵的实际压头与理论压头有较大的差异，原因在于流体在通过泵的过程中存在着压头损失，它主要包括： 1）叶片间的环流 :主要取决于叶片数目、装置角2、叶轮大小、液体粘度等因素，而几乎与流量大小无关。 2）流体的阻力损失 3）冲击损失,41,理论压头、实际压头及各种压头损失与流量的关系为,42,三离心泵的主要性能参数与特性曲线,1、离心泵的性能参数 1）离心泵的流量 指离心泵在单位时间里排到管路系统的液体体积，一般用Q表示，单位为m3/h。又称为泵的送液能力 。 2）离心泵的压头 泵对单位重量的液体所提供的有效能量，以H表示，单位为m。又称为泵的扬程。,43,离心泵的压头取决于： 泵的结构（叶轮的直径、叶片的弯曲情况等） 转速 流量 Q,如何确定转速一定时，泵的压头与流量之间 的关系呢？ 实验测定,44,H的计算可根据2、3两截面间的柏努利方程：,离心泵的压头又称扬程。必须注意，扬程并不等于升举高度Z，升举高度只是扬程的一部分。,45,3）离心泵的效率 离心泵输送液体时，通过电机的叶轮将电机的能量传给液体。在这个过程中，不可避免的会有能量损失，也就是说泵轴转动所做的功不能全部都为液体所获得，通常用效率来反映能量损失。这些能量损失包括： 容积损失:流量泄漏所造成的能量损失，一般闭式为容积效率v 0.85-0.95 水力损失:流动阻力所造成的能量损失h水力效率 机械损失:轴承、密封填料和轮盘的摩擦损失，机械效率m 泵的效率反应了这三项能量损失的总和，又称为总效率。 与泵的大小、类型、制造精密程度和所输送液体的性质有关,46,4）轴功率及有效功率 轴功率：,电机输入离心泵的功率,用N表示，单位为J/S,W或kW,有效功率：,排送到管道的液体从叶轮获得的功率，用Ne表示,轴功率和有效功率之间的关系为 ：,有效功率可表达为,轴功率可直接利用效率计算,47,2、离心泵的特性曲线,离心泵的H、 、 N都与离心泵的Q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： HQ 、Q 、 NQ 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,48,49,1）HQ曲线：表示泵的压头与流量的关系，离心泵的压头普遍是随流量的增大而下降（流量很小时可能有例外） 2）NQ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加而上升，流量为零时轴功率最小。离心泵启动时，应关闭出口阀，使启动电流最小，以保护电机。 3）Q曲线：表示泵的效率与流量的关系，随着流量的增大，泵的效率将上升并达到一个最大值，以后流量再增大，效率便下降。,50,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Q、H、N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 注意：在选用离心泵时，应使离心泵在该点附近工作。一般要求操作时的效率应不低于最高效率的92%。,51,四、离心泵性能的改变,1、液体性质的影响 1）液体密度的影响,离心泵的流量,与液体密度无关。,离心泵的压头,与液体的密度无关,HQ曲线不因输送的液体的密度不同而变 。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 。,52,2）粘度的影响 当输送的液体粘度大于常温清水的粘度时，系统能量损失增大 泵的压头减小 泵的流量减小 泵的效率下降 泵的轴功率增大 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，有关手册上给出了不同条件下通过实验得到的换算系数。 当液体的运动粘度小于20cst（厘池）时，如汽油、柴油、煤油等粘度的影响可不进行修正。,53,3、转速对离心泵特性的影响 当液体的粘度不大且泵的效率不变时，泵的流量、压头、轴功率与转速的近似关系可表示为：,比例定律,4、叶轮直径的影响 某一尺寸的叶轮外周经过切削而使D2变小，b2/D2变大若切削使直径D2减小的幅度在20%以内，效率可视为不变，并且切削前、后叶轮出口的截面积也可认为大致相等, 此时有：,-切割定律,54,五、离心泵的气蚀现象与允许吸上高度,1、气蚀现象,气蚀产生的条件： 叶片入口附近K处的压强PK等于或小于输送温度下液体的饱和蒸气压。,55,气蚀产生的后果：,气蚀发生时产生噪音和震动，叶轮局部在巨大冲击的反复作用下，表面出现斑痕及裂纹，甚至呈海棉状逐渐脱落 液体流量明显下降，同时压头、效率也大幅度降低，严重时会输不出液体。,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。,56,57,2.离心泵的抗气蚀（吸上）性能,1、离心泵的允许吸上高度 离心泵的允许吸上高度又称为允许安装高度，指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。,贮槽液面0-0与入口处1-1两截面间列柏努利方程,若贮槽上方与大气相通，则P0即为大气压强Pa,1,58,2、离心泵的允许吸上真空度,注意：HS 单位是压强的单位，通常以m液柱来表示。在水泵的性能表里一般把它的单位写成m（实际上应为mH2O）。,离心泵的允许吸上真空度 定义式,允许吸上高度的计算式,59,HS值越大，表示该泵在一定操作条件下抗气蚀性能好，安装高度Hg越高。 HS与泵的结构、流量、被输送液体的物理性质及当地大气压等因素有关。 通常由泵的制造工厂试验测定， 实验在大气压为10mH2O（9.81Pa） 下,以20清水为介质进行的。,HS随Q增大而减小,60,确定离心泵安装高度时应使用泵最大流量下的HS进行计算。若输送其它液体，且操作条件