（机械工程专业论文）石膏板发泡剂制备系统的性能分析与改进.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 发泡剂制备系统是石膏板工艺过程中一个不可缺少的组成部分，由它制得的 泡沫可以降低石膏板单重，对产品的性能有重要作用。北新建材石膏板厂发泡剂 制备系统已经运行了2 0 多年，随着生产技术的发展和市场要求的不断提高，原 来系统逐渐显现出效率低、稳定性差的缺点，已经不能适应生产速度加快和产品 种类越来越多的要求。鉴于上述情况，工厂决定对原有的发泡剂制备系统进行改 造，达到设备集成化，并配置先进的控制装置。 本文分析纸面石膏板的生产方法和国内外石膏板厂发泡剂制备系统的性能， 研究了新发泡剂制备系统的工艺流程。通过对常见液体泵的性能对比和实验，采 用单螺杆泵输送介质。另外，本文比较了多种介质流最调节方法以后，选择变频 调速装置改变泵的转速实现系统的流量控制。最后，选择胶体磨作为泡沫产生和 调节装置，并对胶体磨进口处结构进行了改进设计。 通过调试和运行，发现由单螺杆泵和胶体磨作为主要部件组成的新系统具有 以下特点：发泡质量提高，流量控制更为精确，发泡剂原液使用量有所减少；有 效地节约了人力资源，提高了工作效率；在使用新发泡荆制备系统后。产品单重 降低，干燥控制稍有改变，石膏板的各项质量指标没有明显变化，研究成果表明 改造后的新系统完全满足生产线工艺要求。 关键词：发泡剂石膏板单螺杆泵胶体磨流量控制 华中科技大学硕士学位论文 t h ef o a mp r o d u c i n gs y s t e mi st h en e c e s s a r y p a r tf o rp a p e r - s u r f a c eg y p s u mb o a r d t e c h n o l o g i c a lp r o c e s s ，t h ef o a mi tm a k e sc a nr e d u c ew e i g h to ft h eb o a r da n di t i sv e r y i m p o r t a n tt oq u a l i t y t h es y s t e mi ng y p s u mb o a r dp l a n to fb e i j m gn e wb u i l d i n g m a t e r i a l s c o m p a n yw o r k e df o rt w e n t yy e a r s b u t i t a p p e a r e dl o we f f i c i e n c y a n d u n s t a b l ew i t ht h et e c h n o l o g yd e v e l o p m e n ta n dm a r k e tr e q u i r e m e n t i nv i e wo ft h i s ， d e v e l o p i n gc h a n g e s s h o i l l db em a d et o i m p r o v ea n dd e s i g na g a i n t h ep r o j e c t i s s c h e d u l e d t e c h n o l o g i c a li n n o v a t i o ni nb n b m i n2 0 0 1 i nt h i si s s u e ，t h em a n u f a c t u r eo ft h eg y p s u mb o a r da n dt h ec u r r e n ts i t u a t i o no ft h e f o a m p r o d u c i n gs y s t e ma r ei n t r o d u c e d ，w er e c o u n t e dt h ed e s i g nm e t h o d o ft h en e w s y s t e m ，t h ef l o wc h a r to ft h es y s t e m i sd i s c u s s e d t h ec e n t r i f u g a lp u m pa n dt h es i n g l e s c f e w p u m p a r et e s to nt h ep r o d u c tl i n e a n dt h ec o l l o i dm i l li ss e l e c t e da st h ef o a m g e n e r a t o r a l lt h e c o n t r o lf o r m u l ao fs y s t e mi sb a s e do nt h e t e c h n o l o g i c a ld a t ao f t h e e q u i p m e n t s w h e nt h es y s t e mp u ti n t oo p e r a t i o nw ef o u n dt h ep u m pa n dt h em i l lw o r k e ds t a b l y ， t h es y s t e mh a dg o o dc h a r a c t e f i s t i co fv a l u ec o n t r 0 1 i na d d i t i o n ，t h eq u a l i t yo ft h e g y p s u mb o a r dh a sb e e ni m p r o v e d al i t t l e ，a n dt h e s y s t e mm e tt h et e c h n o l o g i c a l r e q u i r e m e n t t h ea c h i e v e m e n t so ft h es t u d yi n d i c a t e st h a ti t i sf e a s i b l et oi m p r o v et h e f o a m p r o d u c i n gs y s t e m k e yw o r d s ：f o a mg y p s u mb o a r ds i n g l e s c r e wp u m p c o l l o i dm i l ir a t eo ff l o w n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果尽我所知，除文中已经标明引用的内容外。本论文不包舍任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：商龟基租 日期：加年3 月3 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密嗣。 ( 请在以上方框内打。4 ”) 学位论文作者签名：南缱妖指导教师签名： 日期：2 四午年3 月j i 臼日期：钿午年3 月3 j 日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题来源 1 绪论 纸面石膏板是一种较为新型的建筑装饰材料，以其良好的特性而广泛应用于商用 建筑和民用住宅。随着社会的发展和人们生活水平的不断提高，市场对石膏板产品逐 渐接受，并提出了更高要求，国外已经出现了一些新的品种。 制造石膏板的过程中，发泡剂是一种非常重要的料浆组分。在石膏板成型时，将 发泡剂制备系统产生稳定的微小气泡加入料浆中，经过湿板的干燥过程，板芯出现孔 隙，在不影响使用强度的前提下起到降低产品单重的作用。 国内石膏板生产线发泡剂制备系统大部分工作是由人工完成的，由于人为操作的 误差和工业用压缩空气的稳定性差等因素，往往会出现发泡效果不稳定的情况，直接 影响石膏板干燥后的板芯质量，使产品的质量出现波动。所以更新发泡剂制备系统是 提高石膏板产品质量的需要。 离心式泵是叶片泵中应用广泛的泵，给水、排水系统中使用最多的是大流量的离 心泵，管道泵在液体输送中也经常见到。 单螺杆泵属于容积泵的范畴，最初应用于造船、石化和制药行业，国外用得比较 多。螺杆泵的发展在我国起步较晚，最初的研究始于六十年代，但随着国内技术和加 工能力的不断提高，螺杆泵已经逐渐被设计人员熟悉和采用。由于它能够输送粘度很 高的液体，气液两相流和含有固体颗粒的介质，单螺杆泵已发展成为应用广泛的介质 输送设备。单螺杆泵具有很好的自吸能力，适合于计量，能够适应石膏板的连续生产 中发泡剂原液的输送。”1 胶体磨是一种物料超细粉磨和乳化设备，它是通过一对固定磨体和高速旋转磨体 的相对运动产生强烈的剪切、摩擦、冲击等作用力，将被处理的物料有效地粉碎、分 散、乳化，可以将0 1 0 2 m m 的颗粒磨到2 pm 以下。“胶体磨较多应用在食品、 制药和军事上9 。但从目前的文献中尚未发现其在建材领域的应用。 使用变频调速装置当前工业控制技术发展的趋势和潮流，这种方式可以降低生 华中科技大学硕士学位论文 产性电耗，提高相关机械设备的控制性能和精度，同时实现有效的自动控制。新系统 中应用变频调速装置改变单螺杆泵的转速，并通过泵出口管路上的流量测量装置反馈 数值并加以控制。 发泡剂是整个石膏板生产过程中重要的组分，对于降低单重和改善产品的性能有 重要的作用。经过多年的使用，北新建材石膏板厂七十年代末的发泡剂制备系统的缺 点逐渐显露，此课题就是要解决这个问题。 1 2 国内外概况和预测 1 2 1 石膏板发泡剂制备系统简介 石膏板作为非承重部分的装饰材料，安装或施工过程中并不特别强调结构材料的 强度，同时施工人员要求减轻施工所需劳动强度，也希望防止由于自重引起的变形和 脱落，轻质石膏制品的概念已经被人们所接受，这类产品的特点就是质轻、性能好、 便于施工。嘲m 作为降低石膏板板芯材料的组成成分，发泡荆的制备和添加过程是：首先将发泡 剂原液以定比例与清水混合，然后通过发泡器形成泡沫，最后通过泵输送到混合 机，与料浆均匀混合后，共同经过挤压成型设备。发泡剂制备系统主要包括：原液混 合设备、混合液发泡装置和泡沫输送设备。 1 2 2 国内外发泡剂制鲁系统概况 石膏板在我国的生产和应用只有二十多年的时间，是一种新型建筑材料，其生产 技术还处于研究发展阶段。目前国内生产线的发泡剂制备系统比较简单，以中国新型 建材工业设计研究院( 杭州) 设计国内领先的、年产2 0 0 0 万平米北新建材石膏板生 产线来说，”1 其发泡剂制各系统也是仿照七十年代末引进的外国设备设计的：发泡剂 原液与清水混合，采用简单的人工混合方式，精确性较差。国内有关部门调查论证的 产量更高的石膏板生产线中将要采用的发泡剂制冬系统也没有对泡沫大d 、的调整提出 控制方案。 然而国外的石膏板制造商，如澳大利甄的c r s 、德国的k n a u f 等公司，都使用 2 华中科技大学硕士学位论文 特有的发泡荆制各系统并且都申请了专利保护，这说明石膏板生产厂家对发泡剂的 应用是非常重视的。通过对国外不同时期建成的石膏板生产线的研究发现，随着生产 速度和产量的增加，发泡剂制备系统也越来越先进。 1 2 3 改进国内发泡剂制备系统展望 随着社会的发展和人们对居住条件要求的不断提高，石膏板的生产也出现了一些 新的趋势。国外对石膏板产品已经进行了细分：即不同场合、不同用途、不同施工条 件下所用产品分别使用不同要求的板材，如打破常规尺寸限制，适于电梯运载的 9 0 0 m m x l 8 0 0 m 的石膏板。同时生产厂家必须能够根据不同产品的单位重量、强度、 防水性等要求，实现原材料的不同配比。生产不同种类的石膏板，除了所用的护面纸 和板芯添加材料不同以外( 如耐火石膏板需要添加玻璃纤维) ，发泡剂是很重要的调 节因素。 为了适应市场形势，可以预见国内的石膏板生产厂家将逐渐更新自己的发泡剂制 备系统，使系统设备集成化、控制自动化，并选择使用低温下流动性良好的低凝发泡 剡原液。此课题研究的新系统应该解决目前存在的泡沫质量不稳定、不能调节泡沫大 小等问题。 1 3 课题的主要工作 1 3 1 改进发泡剂制备系统的定位 国外石膏板生产技术发展迅速，工艺流程和生产设备不断创新，动态发泡装置就 是新型的发泡荆制备和供给系统，它是石膏板行业2 0 世纪9 0 年代世界上最先进的发 泡技术。 北新建材石膏板厂是国内最好的石膏板制造商，产品质量始终是国内一流的。经 过多年的实践，通过对原有进1 ：3 设备和技术的消化、吸收和改进，我们已经有能力设 计更新自己的发泡剂制备系统。 根据当前生产线的实际情况，本课题必须达到以下要求： 1 ) 新系统能够适用目前的各种原材料，能够和原有系统管路进行切换。应用新系 华中科技大学硕士学位论文 统生产的产品关键技术指标( 如石膏板的横向、纵向强度) 现有数值，这是系统改进 的前提； 2 ) 新系统必须取消人工添加各种原材料的环节，消除人工操作误差，以适应石膏 板生产线自动化程度较高、生产速度越来越快的特点，同时能够节约人力资源； 3 ) 改变原系统q ，泡沫大小不能调节的缺陷，同时提高泡沫稳定性，为生产不同单 重要求的石膏板产品打下基础，提高产品质量； 4 ) 采用自动控制方式，使各种介质流量的控制更为精确，消耗量有所降低，简化 员工操作程序： 总之。新型的发泡剂系统稳定、高效，能适应大规模的连续生产，同时有效地降 低石膏板每平方米的重量。 1 3 2 课题的主要工作 为了新的发泡剂制备系统能够达到设计要求，使之完全适应现有的石膏板生产 线，所以在系统改进的课题中，必须完成的主要工作包括： 1 ) 计容器和管路，实现改进系统中各种介质的独立存放和封闭输送，以取消原来 的人工操作环节； 2 ) 发泡剂原液消耗篓较少的特点，选择流量调节性能较好的输送泵； 3 ) 为发泡剂原液输送泵选择先进的流量控制方式，并设计自动控制回路； 4 ) 为了精确控制流量，确定性能优异的流量计量设备； 5 ) 开发出新型的泡沫发生装置，并且实现泡沫的大小可以调节； 6 ) 完成新发泡剂制备系统的在线试运转。 1 4 本章小结 本章介绍了纸面石膏板发泡剂系统的国内外现状，指出目前发泡剂制备系统的缺 点并提出改进研究的方向。 华中科技大学硕士学位论文 2 石膏板发泡剂制备系统的工艺流程 2 1 石膏板的生产过程 2 1 1 石膏板的组成成分 石膏板的生产过程是：石膏料浆和各种辅料 混合后，填充到上、下护面纸之间，经过挤压成型、切断、干燥、镊边等主要工 艺过程而生产出来的。石膏料浆中主要成分是熟石膏粉和清水，辅料包括纸浆液、淀 粉、促凝剂、发泡剂、防水剂等，所有组分要经过混合机搅拌均匀。 2 1 2 石膏板的特点 石膏板是一种新型建筑和装饰材料，它的主要特点是具有防水性、吸音性、保温 性、不燃性等。在人们越来越重视环保的今天，部分石膏板厂已经开始采用1 0 0 天 然石膏原料，生产出无污染的产品。 2 1 3 石膏扳发展迅速的原因： 在美国，石膏板的人均使用量达到2 0 m 2 ，而在我国石膏板的生产和使用还处于 发展阶段，人均使用量不足l m 2 ，蕴藏着巨大的市场前景。 石膏板在国外发展迅速，主要是由于这种材料本身的特性决定的，它适应现代 建筑特点，主要是9 1 ： 1 ) 它适应技术全面、专业性不强的新建筑物的需要； 2 ) 便于多层组合使用：实用、容易安装、工作效率高 3 ) 石膏板可作复合板材的衬砌基材。 华中科技大学硕士学位论文 j i i r , , = = t = = = _ _ _ ，目目z = ；口口t - _ 目目= 日目_ ；_ _ = = = _ _ _ 目_ _ _ _ b _ - _ _ - e _ 自t = e 口目目_ _ j ；= g = j = _ _ _ 目_ _ - _ - _ _ - | t t 自_ 2 2 发泡剂的成分和作用 用于生产轻质建材的发泡剂种类很多。简单的发泡剂是通过直接向料浆中引入空 气，属于物理发泡剂，有的是通过把发泡剂加入到料浆时出现化学反应而产生气体， 属于化学发泡剂。旧 生产石膏板所应用的发泡剂属于化学发泡剂，是阴离子型、非离子型或二者复合 的表面活性剂，以脂肪醇硫酸钠为主的复合物 1 0 。它的状态是透明液体，有较好的 分散、乳化能力，石膏板生产工艺要求发泡剂略呈碱性，与肥皂原料相似，其 p h = 7 9 ，有效成分t 3 4 。由发泡剂原液产生的泡沫高度 一1 8 0 , m ，5 分钟泡沫稳定 性9 5 ，泡沫均匀、稳定，直径 1 0 咖。 发泡剂是石膏料浆中一种重要的组分。它经过混合机与料浆混合，在石膏板成型 过程中，使料浆中存在稳定的、一定数量的微小气泡。由于气泡主要由水分构成，湿 板在干燥过程中被蒸发捧，从而板材芯部出现的细小孔隙，在不影响使用强度的前提 下降低了石膏板单重，这样石膏板湿板的单位重量降低，干燥过程中节省了热源消 耗，对提高现有干燥机的能力非常重要。另外降低石膏板单重后，提高了板材的力学 性能，起到了隔音效果，同时给工程运输和施工带来方便。 2 3 原有发泡剂制备系统 目前国内的多数石膏板生产线广泛应用的发泡剂制备、供给系统比较简单，其工 艺流程图如图2 1 所示： 图2 1 发泡剂制备系统示意图 华中科技大学硕士学位论文 暑= _ 口i 自= 目自_ t t _ - q t = j e 目置_ - | 置；口= = = _ t = = = = 目= _ t e = = 昌l i = = j = t t j - _ _ 自；皇_ 篁目口口_ _ 吐_ i _ ；_ - 一 该系统中的主要设备包括螺杆泵和发泡器，它们的作用是： 螺杆泵：从制各罐中抽取并输送发泡剂原液与水搅拌后的混合液体，使之通过发 泡器，并将其输送到混合机； 发泡器：在螺杆泵的压力作用下，混合液体与压缩空气共同通过发泡器，利用发 泡器内部的单元之间的间隙产生泡沫。 通过多年生产，我们发现这个系统存在的主要缺点是： 1 ) 在制备发泡剂混合液时，水和发泡剂原液的加入是由人工完成的。 由于员工的个体差异存在较大的操作误差，每次制冬时的加入发泡剂原液的量不 可能精确，结果必然会出现发泡质量不稳定的情况。同时，制备后的液体敞开式存 在，泡沫不稳定，容易破裂，并可能产生直径大于l r a m 的泡沫。如果这些泡沫用于生 产，必然会影响产品的强度。 2 、泡器内部间隙固定不变，不能调整泡沫大小。 发泡器是一个密闭的壳体，内部是直径3 m m 以下的玻璃珠子填充而成的。这样在 密闭壳体内部各个单元之间的间隙是固定的，产生泡沫的大小不能调整。 3 ) 输送泵的出口管路上缺少发泡剂的流量计量装置，泡沫容重通过压缩空气的流 量来控制，其精度很低。 正是由于存在上述缺陷，原有的发泡剂制备系统已经影响了特秘规格石膏板产品 的开发和生产。 2 4 系统工艺流程的改进 为了解决原来发泡剂制各系统存在的缺点，以适应石膏板生产技术发展的需要 我们提出了此课题。此次改造提出的新系统工艺流程如图2 2 所示： 7 华中科技大学硕士学位论文 - = = = = = = = 2 e = _ t = = j 目日e e ；= = = = ；t l ；= = 4 e 目目l = = j j l = = j 自自_ - _ 口i - _ - 目；l _ l 图2 2 改造系统的工艺流程示意图 新的发泡剂制各系统具有如下特点： 1 ) 各种介质独立存放，由自控系统发出信号后，进行供给，取消了人工配制环 节，这样，消除了人工操作误差； 2 ) 采用胶体磨作为发泡装置，胶体磨的内部工作间隙可以调节； 3 ) 在输送泵的出口增加了精确的流量控制方式( 采用流量计计量) 。 基于上述三个特点。新的系统可以避免原有老系统所存在的缺陷。 图2 2 表明，新的发泡剂制备系统主要由以下几个单元组成： 1 ) 泡剂储存孝输送单元： 发泡剂原液在密闭容器中储存，由泵经过单向阀输送到混料室中，出口管路设有 流量测量装置； 2 ) 自来水储存和输送单元： 8 华中科技大学硕士学位论文 自来水经过缓冲容器，由泵经过单向阀输送到混料室中，出口管路设有流量测量 装置； 3 ) 硅油储存和输送单元： 作为防水剂的硅油，在密闭容器中储存，由泵( 出口管路设有流量测量装置) 经 过单向阀输送到自来永泵的进口管路，和自来水一起输送到混料室中； 4 ) 压缩空气单元： 工业压缩空气经调压阀进入混料室中； 5 ) 混料室和胶体磨单元： 各种生产原料分别进入封闭的混料室后，共同进入胶体磨的转子和定子间隙之 间； 值得注意的是，由于压缩空气的添加可能会导致发泡剂原液、硅油和自来水回 流，所以在各设备的出口管路上安装了单向阀。 新系统中重点包含两种设备：一是用来输送各种液体介质的泵；另一个是作为泡 沫发生装置的胶体磨。为了保证改造后制备系统的实用性和先进性，对作为介质输送 设备的泵的性能进行对比选择以及对胶体磨的改进使用是本课题下一步的工作重点。 2 5 本章小结 本章介绍了发泡剂在石膏板生产中的作用，指出了原有制备系统的缺点，提出 了系统工艺流程改进方案，并绘出了系统改造工艺流程圈，对新系统中的各个单元进 行了说明。 华中科技大学硕士学位论文 2 ) 通过传递给被输送介质的机械功； 3 ) 通过动量交换； 4 ) 通过利用压缩空气与被输送的介质相混合的方式； 5 ) 通过利用介质的粘性。 但是最通常的方式还是使用各种类型的泵，来实现输送流体的目的。 3 2 2 泵的分类 以不同工作方式为基础的各种泵的结构形式，工业用泵主要分为两类，“”一类是 叶片式，由泵内的叶片在旋转时产生的离心力作用将液体吸入和压出。一类是容积 式，是由泵的活塞或转子在做往复或旋转运动产生挤压作用将液体吸入和压出。 藐量- 1 h 图3 1 泵的适用范围 图3 1 中给出了几种典型的工业泵的适用范围曲线。可以看出：往复泵适用于 高压力、小流量的清洁介质，流量随泵出口压力变化速度快：离心泵输出压力较高， 适用于粘度较低的各种介质；而转子泵则适用于中低压力、中小流量的流体，和粘度 较高的流体“。 华中科技大学硕士学位论文 3 j 工业用泵的性能比较和选型 3 3 1 泵选型的主要依据 生产过程中，流体是连续流动的，需要泵对流体作功以完成介质输送。泵选型的 依据，可根据生产工艺要求从下面五个方面考虑“”“”： 1 1 流量是选择泵的重要性能数据之一，真接关系到整个装置的生产能力，应按照 设计要求达到的能力确定泵的流量，并使之与装置设备能力平衡。一台泵的流量，取 决于它的结构和和转速。 2 1 系统所需扬程是另一个重要依据。根据经验，泵的扬程一般应以放大5 - 1 0 的 裕量后的值来选型； 3 1 液体性质包括介质名称、物理性质和化学性。 物理性质有温度t 、密度p 、粘度p 、介质中固定颗粒的直径和含量、气体的含 量等。这些数据涉及到系统的扬程，有效汽蚀余量或允许吸上真空度等的计算和合适 的泵型。化学性质主要指介质的化学腐蚀性和毒性，是考虑泵的材料和轴封型式的依 据： 1 ) 装置系统的管路布置条件指的是送液高度、送液路程、吸入侧的最低液面、排 出的最高液面等一些数据和管道规格等，以便进行系统扬程计算和汽蚀余量的校核。 2 1 操作条件的内容很多，如：液体操作温度、饱和蒸汽压吸入侧( 绝对) 压力、 排出侧容器( 绝对) 压力、海拔高度、环境温度、工作方式等。 在选择泵的类型时，很多场合下往往倾向于选用离心泵，但在以下场合应优先考 虑转子泵“”： 1 ) 被输送介质为粘性液体时。随粘度的增加，离心泵的流量、扬程下降，甚至产 生气蚀；而对转子泵而言，粘度增加，内部泄漏量下降，泵的容积效率提高，流量增 加： 2 ) 统的介质流量需要计量时。转子泵具有正排量特性，能够实现准确计量： 3 ) 统需要自吸时。转子泵本身具有自吸功能，离心泵除了特殊设计的类型以外， 一般没有自吸功能； 华中科技大学项士学位论文 4 ) 输送的介质中含有气体时。离心泵输送介质时的含气量不允许超过5 ，而转 子泵的这个数值可以达到2 0 ； 5 ) 小流量场合。在介质流量很小的情况下，即使能够选择到合适的离心泵，其工 作效率往往非常低，当流量小于6 m 3 h 时，转予泵是最佳选择； 6 ) 统工艺需要反转的泵。离心泵本身就不具备反转功能； 7 ) 要求对介质柔和的泵。当输送对剪切力敏感的介质、或者被输送溶液中含有不 能被破坏的固体物质时，应该选用低剪切力转子泵，如凸轮泵或螺杆泵； 通过对比说明，在以上工作条件要求下，转子泵是比较合理的流体输送设备。 3 3 2 常用泵的特性对比 ( 1 ) 齿轮泵； 这是一种典型的转子泵，它是依靠的一对齿轮连续不断地啮合、分离来实现流体 输送的。它结构简单，零部件少，是工业中应用最常见的泵，应用广泛。但是齿轮泵 机械震动大，相互啮合的齿轮容易磨损，导致流量下降。最主要的缺点是：齿轮泵排 出侧容积交化率不够，容易引起输出流量的脉动。 ( 2 ) 离心泵： 离心泵属于叶片泵的范畴，一般是由叶轮与构成吸入室和压出室的窝壳等过流零 部件组成，依靠带有的角度叶轮在窝壳内旋转实现介质的流动和输送“”。它的结构较 齿轮泵复杂，叶轮的尺寸、角度加工要求严格，应用也比较广泛，但是使用不当容易 产生汽蚀。 ( 3 ) 单螺杆泵m ； 单螺杆泵在大多数国家又称莫诺泵，德国称偏心转子泵，是一种内啮合的密闭 式容积泵，它依靠螺杆与衬套相互啮合所形成的密封空腔来输送液体。它能够输送 各种粘度的液体、固液混合物、含有纤维状物料的物体以及夹杂有气体的液体等， 不会改变剪切敏感介质和非共溶的二相流介质的物理性能。目前使用离心泵输送粘 性介质的情况还很普遍，这时离心泵的效率只有3 0 左右，而采用螺杆泵，效率可 以提高到6 5 左右，节能5 0 以上”。 我们将上述3 种泵的特性进行了分项对比，“”。”特性对比结果见表3 - 1 ： 华中科技大学硕士学位论文 表3 1常用泵的特性对比表 特性齿轮泵离心泵螺杼泵 适应介质粘度能力一般低很高 效率较好一般很好 自吸情况能不能好 旁路调节、转 流量调节容器调节、转速调节旁路调节、转速调节 速调节 限定能力而不降低效 粘性悬浊液的特性一般良好 率和性能 尺寸不当会产 加入气体或者汽蚀尺寸不当会产生问题密封处可能泄漏 生问题 误操作的允许限度较低较高低的，必须防止干转 产生波动的程度较高低的低的 端盖处容易泄填料密封泄漏大，机填料密封泄漏大，机 密封性能 漏械密封泄漏小械密封泄漏小 能量损失适中对粘性悬浊液损失大适中 综合较多选用一般情况下选用用于粘性悬浊液 3 4 改造离心管道泵的实验 3 4 1 离心式泵的流量和扬程 流量和扬程h 是离心泵两个最主要的参数，泵的特性曲线就全面地表达了流量和 扬程、轴功率、效率和吸上真空度的相互关系。 离心泵的流量q 是指单位时间泵出口截面所送出介质的有效体积流量。扬程h 是指泵 1 4 华中科技大学硕士学位论文 i , in i_-_li 传给输送液体的输出功率 ，它与p 、g 、q 的关系式为： p 一一被输送介质的密度，k g m 3 ； g 一重力加速度，9 8 m s 2 ； q 流量，秆s 。 根据流体力学的伯努利方程，泵的扬程可以变化为： h ：生兰+ 生蔓_ ( 3 - 2 ) 段g 式中： p a 、p 泵吸入口和排出口的静压力，p a ； ，a 、，一泵吸入口和排出口的液体流速，m s ； z a 、z 基准面和泵排出口的高度，m ； 根据离心泵的流量q 和扬程h ，应用泵的特性曲线可以方便地选取适合系统装置 的泵。 3 4 2 使用离心管道泵代替原来的螺杆泵 离心管道泵的优点在于：第一，进出口法兰在同一中心线上，可直接装于输送介 质的管道上：第二，采用立式结构，结构简单，维修量小；第三，根据工艺布置，介 质液面始终高于泵体，满足管道泵需要预灌的条件。 当前国外石膏板厂发泡剂制备系统较为常见的工艺结构是：各种流体独立存放，使用 离心式泵产生并输送泡沫。我们依据这一思想，对原有系统进行了第一次改造试验： 保留了液体加入和混合配置方式，采用离心管道泵代替原有的嫘杆泵，并且在管路上 加装了金属管电磁流量计。这样改变了原来对混合后的液体没有计量的缺陷，不再将 压缩空气的流量作为调节和控制的唯一依据。 由于离心式泵的特点以及压缩空气的不稳定性，两相波动的叠加导致泡沫流量不 稳定，泡沫大小还是不能调节，没有解决原有系统的根本缺陷。虽然此次试验没有取 o 垦黾| 盼 中式 华中科技大学硕士学位论文 得成功，但是给我们提供了一些经验。 3 4 3 改造离心泵的实验方粟 为了进一步改造发泡剂制各系统，在上一步实验的基础上，我们将离心管道泵的 旋转部件进行了结构上的更改，试图用它来输送发泡剂原液，同时通过旋转的搅拌销 起到预先发泡的作用。 具体过程是：将g 5 0 3 型的离心管道泵的标准配置叶轮取消，而是依照叶轮尺寸 重新加工一个“转子”，如图3 2 所示，并保持了所有的安装和配合尺寸 叠蕾 l叶片境捧赫 图3 2 改造后的“转子”示意图 更改结构后用于实验的管道泵组装示意图如图3 3 所示。 图3 3 实验用离心管道泵 按照水泵试验内容和方法，首先对安装特殊转子”的离心管道泵进行了基本运 华中科技大学硕士学位论文 转检验：包括转速、平稳性能、3 0 0 分钟泄漏量等，都能够达到使用要求。然后，在 生产线上进行了输出流量和压力实验，发现泵的效率很低。但是由于选型时管道泵的 流量和压力裕量较大，初步判断可以满足生产线的工艺要求。 3 4 4 离心泵的流量调节 离心式泵在管道系统中工作，管路特性曲线和泵的特性曲线的交点就是该泵的工 作点，根据这一特点，离心式泵的流量调节方式主要有以下几种： ( 1 ) 采用出口流量调节阀方式 一般在离心泵出口管路上安装流量调节阀，如果改变调节阀开度，就相当予管路 阻力发生变化，即改变了管路的特性曲线、水泵运行工作点以及管路上的流动损失， 实现流量调节的目的。” q ( 流量) 图3 4泵在不同管路特性下的工作曲线图 图3 4 中： q - h 曲线：泵的流量一压头曲线 i 、i 曲线：管路特性曲线； a 、b 点：泵在不同管路特性下的运行工作点； 如图3 4 所示：当调节阀开到最大时，泵的工作点为b 。当要求流量减小时调节 华中科技大学硕士学位论文 阀关小，此时损失增加，管路特性曲线由i 变成了i ，泵的工作点移到a 点。由图可 以看出，减小流量后出现附加节流损失。 很明显，这种调节方式很不经济，而且只能是适用在系统实际流量小于泵本身的 设计流量的时候。 ( 2 ) 采用管路旁通阀调节方式 在泵的旁通管路上安装调节阀，通过改变阀门的开度控制旁通管路的流量大小， 实现调节系统管路的流量。这种方法虽然简单，但泵的运行状态( 泵的工作点) 并未 改变，其实际流量未发生变化，只是部分被输送介质通过旁通管路回流到泵的输入 端，所消耗的这部分功率都是无用功率。由于调节阀跨按在泵的进出口之间，阻力损 耗较大汹1 。 由于发泡剂液体在输送过程中本身容易产生泡沫的特点，如果采用第二种调节流 量的方式，液体回流过程中可能会产生泡沫，对泵的运行和生产造成不利影响，所以 我们使用了第一种流量调节方式。 3 4 5 改造离心裹的实验 我们利用实际生产线进行了现场实验。采用改造后的管道泵组成的发泡剂制备系 统的工艺流程如图3 5 所示。 电盛阐 图3 5 离心管道泵改造实验 这个试验系统对部件配置和部分控制单元进行了改进，主要是： 华中科技大学硕士学位论文 1 ) 自来水和发泡剂原液管路上安装电磁闽，根据管路直径和两种介质不同的流 动速度，人工标定流量，然后通过控制电磁阀的开启时间来确定自来水和发泡剂原液 的供给量，取消原来的人工操作； 2 1 将制备罐改成封闭式，这样自来水和发泡剂原液的混合液体就达到了封闭存 放： 3 1 在输送管路上增加了金属管电磁流量计； 4 、将起泡器单元的直径变小，其实质是更改产生泡沫的空间。 这种管遒泵开始运转后，系统产生的泡沫流量基本稳定，泡沫直径大小不均匀。 这些泡沫进入料浆混合机后经过混合，不能均匀地分布在料浆中，对产品的质量带来 影响。同时，流量计对于含有泡沫的流体的测薰难以达到精确。 3 4 6 改造离心泵的实验总结 对于这次改造管道泵的发泡荆制备系统实验，虽然没有能够完全达到预期目标， 但得到了一些结论，主要有以下几个方面值得总结： ( 1 ) 离心式管道泵的部件结构和内部场流性能复杂； ( 2 ) 由于改变了叶轮结构，改变了泵本身特性，压力和流量变化很大； ( 3 ) 由于“转子”搅拌销的旋转，输送过程中产生了过多的泡沫和直径较大的泡 沫： ( 4 ) 由于单元之间的间隙变小，阻力增加，较大直径的泡沫被破坏掉，随着泡沫直 径的减小，泡沫稳定性较原有系统并没有明显的提高。 ( 5 ) 系统采用出口安装调节阀的流量调节方式。不容易形成自动控制系统。 通过管道泵的实验可以得出，离心式泵在输送小流量流体的情况下，效率很低， 流量难以控制，泵出e l 压力变化明显，限于各方面的原因，我们对这次实验中离心泵 没有做迸一步的研究和改进。经过再次比较和论证，决定将泵的选择方向改为转子 泵。 3 5 单螺杆泵的工作原理与性能 选择转子泵的主要包括以下工作： 1 ) 首先根据系统所需流量、额定出1 3 压力、介质粘度、使用温度等确定泵的系列 1 9 华中科技大学硕士学位论文 和材料等级： 2 ) 根据泵送温度下的介质粘度和汽蚀余量确定泵的额定转速，对应查找已经选定 系列相关型号的额定流量q 。和最大许用工作压力凡： 所需流量q 额定流量q 0 ，且越接近越合理； 额定出口压力p 最大许用工作压力p o ，且越接近p o 越合理。 3 ) 确定泵的型号； 4 ) 计算泵的轴功率，选择原动机。 本课题主要考虑的是单螺杼泵。 3 5 1 单螺杆泵定义 螺杆泵依据泵内工作螺杆的多少来分类，单螺杆泵就是指转子只有一根螺枵。单 螺杆泵泵体主要由两部分组成“”：定子1 ( 衬套) 和转子2 ( 螺杆) ，如图3 6 所 示。转子是具有演化的外螺纹、截面为圆形的偏心螺杆，定子具有双头内螺纹，其导 程为转子螺距的两倍，二者螺纹旋向相同。这种泵适用于高粘度流体、非润滑介质、 含固体颗粒介质及腐蚀性介质的输送。汹3 点王、“! 一 转子，! 1 2 1! 图3 6 单螺杆泵截面示意图 3 5 2 单螺杆泵的工作原理。” 在图3 7 中4 5 。、9 0 。、1 3 5 。位置的下部液体完全被封闭，这种情形称为液力 华中科技大学硕士学位论文 l l _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ l - _ l i - 目自i t = _ _ ；j j l l 目目= = ；口l l i _ _ 目1 日_ _ _ _ t 目_ _ _ _ _ _ l l _ _ i _ _ _ 目l l i t 封闭，液体封闭的两端的线即为封闭线，图中的a 、b 两点为定子和转子的相应啮合 点，从轴向看，就形成密封线接触了， 运动时，密封腔在轴向沿螺旋线运动， 这样转子和定子组成了一串独立的腔室。转予 依照旋向，则向前或向后输送液体。 墨甜也乙2 乙剑工 1 麓钟匿逐溺溜罗 t 0 。v 4 5 。v - 9 0 。v 13 5 、p - 1 8 0 。 图3 7单螺杆泵的工作示意图 单螺杆泵的入口面积、出口面积和腔室中任一横截面积的总和始终是相等的，液 体在泵内没有局部压缩作用，从而保证连续、均衡、平稳地输送液体。 3 5 3 单螺杆泵的具体应用条件 为了保证能有效地泵送粘性液体，必须选择合适的转速，否则泵在工作时容易出 现脉动、发热、气穴及振动现象，以至引起泵的损坏。螺杆泵的允许圆周速度或转速 受到机械和流体力学两个方面条件的限制。机械方面，螺杆型面之间的最大允许滑动 速度为1 2 m s 。从流体力学的观点看，螺杆泵的允许转速要受到其汽蚀余量的限制， 即要受到介质的粘度和轴向流速的影响。介质粘度在1 1 0 0 0 m p a s 之间时，单螺杆 泵的转速可以在4 0 0 r m i n 嘲，这是离心式泵不能比拟的。 利用单螺杆泵输送含固体颗粒的水泥浆、地下工程施工浆及涂料时，遇到的比较 严重的问题是泵的磨损。泵的瘗损与介质的流速、浓度、颗粒粒度、流态、泵的结构 以及定子和转子的材料等因素有关系。 2 1 审命命命$ 华中科技大学硕士学位论文 3 5 4 单螺杆泵的流量 单螺杆泵的理论流量是单位时间通过定子横截面积s 的液体的体积。由单螺杆 泵的截面示意图( 图3 6 ) 可知： s = p 【r 2 + ( 2 r ) ( 4 e ) 稂2 =8er(3-3) 式中： e 一螺杆偏心距，m ； r 一一螺杆半径，m ； 设定子导程为t ，泵内液体的轴向流速为： v ：。一t k j - - t 、) v 5 一 及 故其理论流量为： q 。h = v * s ：8 e r ”三 n ：4 e r 一t ( 3 5 ) 疗 式中： r 一螺杆角速度，弧度秒： t - - - 一螺杆导程，m ； 分析公式3 - 5 可知，在一定的转速条件下，单螺杆泵流量在理论设计上是连续 均匀无波动的，它由泵的基本结构参数r 、e 、t 及螺杆转速决定。这是此类型的泵优 于齿轮泵和其它泵的一个特点。 泵的实际流量是： q = q 。豫 ( 3 6 ) 式中玎p 为泵的容积效率，其值与螺杆村套副的间隙、相邻吸入室和排出室的 压羞、输送液体的性质( 如粘度) 、螺杆与衬套的制造精度和光洁度以及泵的工作条 件等有关，而从其外表看，聃主要受泵的进口状态和泄漏的影响a 华中科技大学硕士学位论文 3 5 5 革螺扦泵的优缺点口l 】 从以上的公式推导和叙述中可以得出螺杆泵的主要优点： a 。流量均匀一螺杆旋转时，螺纹作相对的直线的连续运动，各瞬时排出量相同， 适合于计量； b 受力情况良好，机械振动低，运转平稳、噪声小；同时允许有较多空气或其 他气体进入，用途广泛； c 具有良好的自吸性能，启动前可以不预灌： d 结构简单，使用维护方便，3 0 0 。c 以下环境可正常工作。 螺杆泵的主要缺点是制造成本高一配合公差与运转间隙小，要求加工精度高，设 备初始成本较高嘲。 3 5 6 单螺杆蒙的进口瞥路的设计 液体在一定温度下，由于某种原因使泵的迸v i 处的压力低于液体在该温度下的汽 化压力( 即饱和蒸汽压) ，液体开始汽化而产生汽泡，并随液流进入高压区时，汽泡 破裂，周围液体迅速填充原汽泡空穴，产生水力冲击。这种汽泡的产生、发展和破裂 现象就称为汽蚀。它可能使泵部件剥蚀及腐蚀破坏，也可能导致泵性能突然下降。如 果要求高效率的运转，单螺杼泵吸入管线的设计是一个关键l 羽素。 由于在新发泡荆系统中，硅油是要和清水融合，经清水泵一同输出到混合室的 为了保证硅油添加的均匀，我们在泵的进口所设计应用了三通管。 三通管是管网中常用到的一种管件，如图3 8 所示。”。它的局部阻力系数可通过 水力学中基本方程式推导而得。三通管的工作原理是使管路中的流体发生合流或者分 流合流和分流三通的几何形状、总流与支流之间的夹角、总流与支流的面积比、总流 与支流的横断面积都会影响三通管的阻力系数。此外流型，内壁粗糙也会影响三通管 的阻力。 当三通管的某一支管中的液体以某一角度巾从旁边流向合流管时，流量比 q 1 q 3 、q 2 q 3 可用速度比表示v 1 73 、v2 v3 。当两支流q 1 和q 2 在连接段发生合流 时受流速不同的影响，两支流流体会引起混淆，不同流速间的质点发生动量交换。 因为两种混淆伴随着能量的损失，大流速的流体损失自己的一部分能量，而传递给小 华中科技大学硕士学位论文 流速的流体，使小流速的流体获得能量超过它在三通处的能量损失，从而使小流速流 体的损失系数出现负值，但能量损失仍然超过低流速流体获得的能量。 n ，q l 叭、7 1 7 ，_ 一 v 3 q 3 3 图3 8 三通管示意图 在新系统自来水单螺杆泵的进口管路上，设计安装了以自来水管为主路、硅油管 作为支路、夹角巾为2 5 。的三通管，很好地解决了流量很小的防水剂的均匀添加的 问题。 3 6 单螺杆泵的流量调节 以国内最大的单螺杆泵生产企业一天津工业泵厂提供的资料显示，厂家能够提 供的最小规格的g 2 0 1 型单螺杆泵的最小流量为0 2 2 t h 。在国内年产2 0 0 0 万平方 米的石膏板生产线中，发泡剂原液的使用量在2 0 k g h 左右。 原来的发泡剂制各系统中，发泡剂原液是和自来水混合以后成2 5 的溶液后由 泵一起输送的，此时对泵流量调节范围不大。但是，对于改造后的制备系统来说，发 泡剂原液泵的流量调节范围要求很大，采用合理、稳定的单螺杆泵流量调节方式是改 造过程中的一个重要方面。 3 6 1 窖积泵的流量调节 对于容积泵，通过以下几种方式可以改变泵的工作特性，从而达到调节流量的目 的“： 2 d 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 改变泵的转速： ( 2 ) 改变活塞或柱塞行程，主要应用于电动比例泵和计量泵； ( 3 ) 顶开吸入阀，在三柱塞高压泵中使用； ( 4 ) 改变缸径或活塞直径，这是在需要长期改变泵的流量时采用的方法。 容积泵不能用排出阀节流，因为这样不仅不能减少流量，反而使泵增压，功耗增 加。也不能用进口节流，虽然流量减少，但轴功率增加，而且容易发生汽蚀。若必须 改变管线系统特性，可以通过调节旁路阀来调节管路流量。参考文献中给出了不同 流量调节方法的能耗对比，如图3 9 所示( lo 和no 分别指水泵在额定转速下的流 量和转速) 。 图3 9 不同流量调节方法的能耗对比 从图中可以得出，变速调节流量方式可以实现从很小的流量变化到额定流量的控 制，液可以将泵的转速几乎从零变化到额定转速。也就是说，流量和转速的调节范围 很大。但是其他两种调节方式则不能实现这一点。 3 6 2 改变水泵转速的最新方式一采用变频调速 1 ) 交频调速原理 根据电机学知识，交流