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1 第二章流体输送机械Fluid movingMachinery 2 本章主要介绍化工中常用的流体输送机械的基本结构 工作原理和特性 以便能够依据流体流动的有关原理正确地选择和使用流体输送机械 具体地说 就是根据输送任务 正确地选择输送机械的类型和规格 决定输送机械在管路中的位置 计算所消耗的功率等 使输送机械能在高效率下可靠地运行 3 如果说管路是设备与设备之间 车间与车间之间 工厂与工厂之间联系的通道的话 则流体输送机械是这种联系的动力所在 2 0概述 流体从低处 高处 低压处 高压处 所在地 较远处 需要对流体做功 增加流体的机械能 流体输送机械就是向流体作功以提高流体机械能的装置 4 供料点 需料点 B E 输送机械的作用 流体的动能 或位能 静压能 克服沿程阻力 或兼而有之 对流体做功 使流体E 结果 he是流体输送机械对单位重量流体所做的功 g 5 流体输送机械分类 介质 液体 泵气体 风机 鼓风机 压缩机 工作原理 动力式 叶轮式 包括离心式 轴流式输送机械 它们是藉高速旋转的叶轮使流体获得能量的 容积式 正位移式 包括往复式 旋转式输送机械 它们是利用活塞或转子的挤压使流体升压以获得能量的 其他类型 如喷射式等 2 1离心泵 centrifugalpump 6 必须掌握的内容 1 离心泵的工作原理 主要结构 基本方程式 主要性能参数 特性参数 气蚀现象 允许安装高度 工作点 流量调节以及类型 选择与使用 7 以离心泵在化工生产中应用最为广泛 这是因为离心泵具有以下优点 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 8 一 离心泵的操作原理 构造与类型1 操作原理 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 2 1 1离心泵的工作原理和主要部件 9 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 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 压力增高 并以很高的速度 15 25m s 流入泵壳 10 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压力能 最后液体以较高的静压强从排出口流入排出管道 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 11 a 排出阶段叶轮旋转 产生离心力 使液体获得能量 流体流入涡壳 动能 静压能 流向输出管路 b 吸入阶段液体自叶轮中心甩向外缘 叶轮中心形成低压区 贮槽液面与泵入口形成压差 液体吸入泵内 离心泵结构示意图 12 气缚现象 AirBound 如果离心泵在启动前壳内充满的是气体 则启动后叶轮中心气体被抛时不能在该处形成足够大的真空度 这样槽内液体便不能被吸上 这一现象称为气缚 为防止气缚现象的发生 离心泵启动前要用外来的液体将泵壳内空间灌满 这一步操作称为灌泵 为防止灌入泵壳内的液体因重力流入低位槽内 在泵吸入管路的入口处装有止逆阀 底阀 如果泵的位置低于槽内液面 则启动时无需灌泵 说明 离心泵无自吸能力 启动前必须将泵体内充满液体 13 蜗壳 外壳 叶轮 附属装置 底阀 滤网 调节阀 平衡孔 平衡管 排气孔 轴封 离心泵的基本结构 1 离心泵的结构主要结构 14 2 离心泵的主要部件 1 叶轮 叶轮是离心泵的核心部件 为什么 因为液体从叶轮获得了能量 即叶轮的作用是将原动机的机械能传给了液体 使离心泵的液体静压能和动能均有所提高 15 按其机械结构可分为闭式 半闭式和开式三种 16 闭式和半闭式叶轮在运转时 离开叶轮的一部分高压液体可漏入叶轮与泵壳之间的空腔中 因叶轮前侧液体吸入口处压强低 故液体作用于叶轮前 后侧的压力不等 便产生了指向叶轮吸入口侧的轴向推力 该力推动叶轮向吸入口侧移动 引起叶轮和泵壳接触处的摩损 严重时造成泵的振动 破坏泵的正常操作 措施 在叶轮后盖板上钻若干个小孔 可减少叶轮两侧的压力差 从而减轻了轴向推力的不利影响 但同时也降低了泵的效率 这些小孔称为平衡孔 怎么办 17 按吸液方式 单吸式 双吸式 单吸式 结构简单 液体从叶轮一侧被吸入 双吸式 同时从叶轮两侧对称地吸入液体 吸液能力大 基本上消除轴向推力 单吸式与双吸式叶轮 18 2 泵壳 泵体的外壳 包围叶轮 截面积逐渐扩大的蜗牛壳形通道 出口 切线 液体入口 中心 1 泵壳2 叶轮3 导轮 19 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 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 20 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 端面密封 21 22 23 24 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 2 1 2离心泵的基本方程式 25 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 液体与叶轮一起旋转的速度u1或u2方向与所处圆周的切线方向一致 大小为 26 液体质点的运动圆周运动 液体随叶轮一起旋转 圆周速度为u 切向运动 相对于叶轮的运动 相对速度w 合成运动 流体相对于壳体的运动 绝对速度c 几何参数叶片安装角 相对速度w与圆周速度u反向延长线间的夹角 夹角 绝对速度c和圆周速度u间的夹角 27 液体沿叶片表面运动的速度 1 2 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 单位重量液体由点1到点2获得的机械能为 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 两个速度的合成速度就是液体质点在点1或点2处相对于静止的壳体的速度 称为绝对速度 用c1 c2来表示 28 HC 液体经叶轮后动能的增加HP 液体经叶轮后静压能的增加 静压能增加项HP主要由于两方面的因素促成 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 29 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 30 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cos 1 0 离心泵的基本方程式 离心泵理论压头的表达式 31 r2 b2 c2u c2 c2r c2u c2r 装置角 32 r2 b2 c2u c2 c2r c2u c2r 离心泵基本方程式 33 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 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 34 b 后弯叶片 20理论压头随流量Q的增大而减小 c 前弯叶片 2 90 ctg 2 0理论压头随流量QT的增大而增大 a 径向叶片 2 90 ctg 2 0理论压头不随流量QT而变化 35 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 36 静压头的增加 动压头的增加 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 37 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2 流体的阻力损失3 冲击损失理论压头 实际压头及各种压头损失与流量的关系为 38 39 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 40 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n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 41 H的计算可根据b c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 g g 42 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 容积损失水力损失机械损失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 43 水力损失摩擦损失 与流量平方成正比 冲击损失 与安装角 导向装置有关 在设计状态下为零 在非设计状态下与流量的平方成正比 环流损失 与叶片数目和形状等有关 几乎与流量无关 水力效率 h其值在0 8 0 9的范围 容积损失原因 高压区向低压区泄漏 减少方法 采用蔽式叶轮等 容积效率 泵内液体的泄漏 闭式叶轮的容积效率值在0 85 0 95 44 机械损失原因 摩擦损失机械效率 m其值在0 96 0 99之间 离心泵的总效率由上述三部分构成 即 v h m 离心泵的效率与泵的类型 尺寸 加工精度 液体流量和性质等因素有关 通常 小泵效率为50 70 而大型泵可达90 45 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 46 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 H Q Q N Q 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 47 48 1 H Q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 N Q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 49 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 50 离心泵性能曲线实验测定 51 测定原理 测定数据 数据 不同流量下的泵进 出口处压强 轴功率 绘制特性曲线 计算H 52 例 在实验装置上 用20 的清水于98 1kPa的条件下测定离心泵的性能参数 泵的吸入管内径为80mm 排出管内径为50mm 实验测得一组数据为 泵入口处真空度为72 0kPa 泵出口处表压强为253kPa 两测压表之间的垂直距离为0 4m 流量为19 0m3 h 电动机功率为2 3kw 泵由电动机直接带动 电动机传动效率为93 泵的转速为2900r min 试求该泵在操作条件下的压头 轴功率和效率 并列出泵的性能参数 解 1 泵的压头在泵入口的真空表和泵出口压强表两截面之间列柏努利方程式 在忽略两测压口之间流动阻力下 可得测量泵压头的一般表达式为 53 h0 泵的两测压截面之间的垂直距离 m H1 与泵入口真空度对应的静压头 m H1 p1 g p1为真空度 H2 与泵出口表压对应的静压头 m H2 p2 g u1 u2 泵的入口和出口液体的流速 m s m s m s 54 取水的密度 1000kg m3 2 泵的轴功率N 3 泵的效率 泵的有效功率为 泵的性能参数为 转速n为2900r min 流量Q为19m3 h 压头H为34 45m 轴功率N为2 139kw 效率 为83 4 kw w 三 离心泵性能的改变 55 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 H Q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 说明 流体密度变化时 应校正N Q曲线 56 2 粘度的影响当输送的液体粘度大于常温清水的粘度时 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当液体的运动粘度小于20cst 厘沲 时 如汽油 柴油 煤油等粘度的影响可不进行修正 1厘沲 10 6m2 s 57 实验曲线 58 2 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 3 叶轮直径的影响1 属于同一系列而尺寸不同的泵 叶轮几何形状完全相似 b2 D2保持不变 当泵的效率不变时 59 2 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 60 2 1 4离心泵的气蚀现象和允许安装高度 离心泵在管路系统中允许安装位置是否合适 将会影响泵的运行及使用寿命 1 离心泵的气蚀现象 Cavitation 被输送流体在叶轮中心处发生汽化 产生大量气泡 气泡在由叶轮中心向周边运动时 由于压力增加而急剧凝结 产生局部真空 周围液体以很高的流速冲向真空区域 当气泡的冷凝发生在叶片表面附近时 众多液滴尤如细小的高频水锤撞击叶片 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 61 2 离心泵的抗气蚀性能 离心泵的抗气蚀性能可用气蚀余量和允许吸上真空度来表示 气蚀产生的后果 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 62 NPSH的物理意义 NPSH越小 表明泵入口处的压力p1或叶轮中心处的压力pk越低 离心泵的操作状态越接近气蚀 气蚀余量NPSH 泵入口处的动压头与静压头之和与以液柱高度表示的被输送液体在操作温度下的饱和蒸汽压之差 即 1 离心泵的气蚀余量 63 临界汽蚀余量 NSPH c 泵内发生汽蚀的临界条件是叶轮入口附近 取作k k 截面 的最低压强等于液体的饱和蒸汽压pv 相应地泵入口处 取作1 1 截面 的压强必等于确定的最小值p1 min 在泵入口1 1 截面和叶轮入口k k 截面之间列柏努利方程式 并整理得到临界汽蚀余量表达式 即 64 NPSH C是由泵制造厂通过实验测得 实验方法是 在一定流量下 通过关小吸入管路的阀门 逐渐降低P1 直至泵内发生气蚀时测得相应的P1 min NPSH C随流量增加而加大 为确保离心泵的正常操作 通常将测得的临界气蚀余量加上一定的安全量 称为必需气蚀余量 NPSH r并列入泵产品样本 或绘于泵的特性曲线上 必需气蚀余量 NPSH r NPSH c 0 3m 65 66 2 离心泵的允许吸上真空度 如前所述 为避免气蚀现象 泵入口处压强P1应为允许的最低绝对压强 但习惯上常把P1表示为真空度 若当地大气压为Pa 则泵入口处的最高真空度为Pa P1 单位为Pa 若真空度以输送液体的液柱高度来计量 则此真空度称为离心泵的允许吸上真空度 以Hs 来表示 即 Hs 离心泵的允许吸上真空度 指在泵人口处可允许达到的最高真空度 m液柱 Pa 当地大气压强 Pa P1 泵吸人口处允许的最低绝对压强 Pa 被输送液体的密度 kg m3 67 泵的允许吸上真空度Hs 是泵的抗气蚀性能参数 其值与泵的结构 流量 被输送液体的性质及当地大气压等因素有关 通常由泵的制造厂实验测定 实验是在大气压为98 1kPa 10mH20 下 以20 清水为介质进行的 实验值列在一些泵样本或说明书的性能表中 一些泵的特性曲线上也绘出Hs 一Q曲线 由图可见 Hs 随Q增大而减小 这规律与 NPSH r一Q变化关系恰好相反 若输送其他液体 且操作条件与上述的实验条件不符时 可按下式对水泵性能表上的Hs 值进行换算 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 68 Hs 操作条件下输送液体时的允许吸上真空度 m液柱 Hs 实验条件下输送水时的允许吸上真空度 即在水泵性能表上查得的数值 mH20 Ha 泵安装地区的大气压强 mH20 其值随海拔高度不同而异 Pv 操作温度下液体的饱和蒸气压 Pa 10 实验条件下大气压强 mH20 0 24 下水的饱和蒸气压 实验温度下水的密度 kg m3 操作温度下液体的密度kg m3 69 离心泵的允许安装高度 离心泵的允许安装高度 又称允许吸上高度 是指泵的吸入口与吸入贮槽液面间可允许到的最大垂直距离 以Hg来表示 在图2 6中 假设离心泵在可允许的安装高度下操作 于贮槽液面0 与泵人口处 1 两截面间列柏努利方程式 可得 70 离心泵的实际安装高度应比允许安装高度减小 0 5 1 m 若储槽与大气相通 则 71 例 用离心泵从贮罐向反应器输送液态异丁烷 贮罐内异丁烷液面恒定 其上方绝对压力为6 65kgf cm2 泵位于贮罐液面以下1 5m处 吸入管路的全部压头损失为1 6m 异丁烷在输送条件下的密度为530kg m3 饱和蒸汽压为6 5kgf cm2 在泵的性能表上查得 输送流量下泵的允许汽蚀余量为3 5m 试确定该泵能否正常操作 解 该例为操作型计算 即核算泵的安装高度是否合适 泵的安装高度为 3 5 1 6 2 27m 实际安装高度 1 5m 该泵安装不合适 可能发生汽蚀现象 72 例 用3B33型水泵从一敞口水槽中将水送到它处 槽内液面恒定 送水量为45 55m3 h 在最大流量下吸入管路压头损失为1m 液体在吸入管路的动压头可忽略 试计算 1 输送20 水时泵的安装高度 2 输送65 水时泵的安装高度 当地大气压为9 81 104kPa 解 由附录查得3B33水泵的部分性能列于下表 73 1 输送20 水时泵的安装高度根据计算泵的允许安装高度 即 3 0 1 0 2 0m Hs 随Q增大而减小 Hs 3 0m 2 输送65 水时泵的安装高度此时不能直接采用泵性能表中的Hs 值计算泵的允许安装高度 需对其Hs 进行换算 即 74 由附录查得65 时水的密度 980 5kg m3 饱和蒸汽压pv 2 554 104Pa 则 Hs 3 10 10 0 24 0 65m Hs 换以Hs 以计算泵的允许安装高度 得 Hg Hs Hf 0 1 0 65 1 0 0 35m Hg为负值 表示泵应安装在水面以下 至少比贮槽水面低0 35m 75 由上面的计算可知 介质温度升高 泵的安装高度降低 当输送温度较高或沸点较低的液体时 由于pv较高 此时求得的Hg较低 可采取如下措施避免汽蚀现象 1 尽量降低吸人管路的压头损失 即加大吸入管径 减少长度 少装不必要的管件 2 泵安装在液面下 使液体利用位差自动灌入泵体内 并称之为 倒灌 汽蚀现象产生的原因 安装高度太高 吸入管路阻力或压头损失太高 被输送流体的温度太高 液体蒸汽压过高 76 2 1 5离心泵的工作点和流量调节 一 管路特性曲线和离心泵的工作点 当离心泵安装在特定管路系统操作时 实际的工作压头和流量 不仅遵循特性曲线上二者的对应关系 而且还受管路特性所制约 1 管路特性方程式和特性曲线 当离心泵安装到特定的管路系统中操作时 若贮槽与受液槽两液面保持恒定 则泵对单位重量 1N 流体所做的净功为 77 He 输送机械对1N流体做的静功 J N或m z 下游与上游截面间的位压头差 m p g 下游与上游截面间的静压头差 m u2 2g 下游与上游截面间的动压头差 m Hf 两截面之间压头损失 m 78 在特定的管路系统中 于一定条件下操作 上式中一项 u2 2g常可忽略 z与 p g均为定值 令 对于直径均一的管路系统 压头损失可表达为 上式简化为 Qe 管路系统的输送量 m3 h 79 摩擦系数 无因次 l 管路长度 m le 局部阻力的当量长度 m d 管路直径 m 局部阻力系数 无因次 Qe 流体流量 m3 s g 重力加速度 m s2 对特定的管路 上式等号各变量中 和Qe外均为定值 80 表明管路流体的压头与流量之间的关系 称为管路特性方程式 He与Qe的关系曲线 称为管路特性曲线 此曲线的形状由管路布局和流量等条件来确定 与泵的性能无关 为管路特性方程 若 可视常量 81 影响管路特性曲线的因素 影响B 影响 v 82 2 离心泵的工作点 离心泵在管路中正常运行时 泵所提供的流量和压头应与管路系统所要求的数值一致 此时 安装于管路中的离心泵必须同时满足管路特性方程与泵的特性方程 即 管路特性方程He K Qe2泵的特性方程H f Q 联解上述两方程所得到两特性曲线的交点 即离心泵的工作点M 对所选定的泵以一定转速在此管路系统操作时 只能在此点工作 在此点 H He Q Qe 83 离心泵的工作点即管路 泵特性曲线交点 2 作图法分别在图上作出泵的特性曲线和管路特性曲线 读出交点坐标 1 公式计算 84 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向高度差 为8 0m 塔内压强为0 23at 表 已知阀全开时管路总阻力可以0 042V2表示 该泵的特性曲线方程为He 13 7 0 0083V2m 以上两处的 的单位皆为m3 h 试问 阀全开时 最大流量是多少 若要求流量为7 2m3 h 拟用关小阀门办法解决 已知该泵在 7 2m3 h时的效率 0 42 试问因关小阀门而消耗的功率为多少 水温20 解 阀全开时 依管路特性曲线 H 8 0 0 23x10 0 042V2 10 3 0 042V2泵的特性曲线 He 13 7 0 0083V2工作点 H He 85 解得 Vmax 8 22m3 h 阀关小 使流量为7 2m3 h泵提供的扬程He 13 7 0 0083x 7 2 2 13 3m若按阀全开计 管路所需压头H 10 3 0 042 7 2 2 10 5m因阀关小而多消耗的压头 H 13 3 10 5 2 8m 则因阀关小而损耗的轴功率 86 离心泵的工作点 离心泵的特性曲线与管路的特性曲线的交点M 就是离心泵在管路中的工作点 M点所对应的流量Q和压头H表示离心泵在该特定管路中实际输送的流量和提供的压头 泵 供方管路 需方 87 二 离心泵的流量调节 阀门关小时 管路局部阻力加大 管路特性曲线变陡 工作点由原来的M点移到M1点 流量由QM降到QM1 当阀门开大时 管路局部阻力减小 管路特性曲线变得平坦一些 工作点由M移到M2流量加大到QM2 改变管路特性曲线 优点 调节迅速方便 流量可连续变化 正是由于其方便性 在实际生产中被广泛采用 88 缺点 流动阻力加大 要多消耗动力 不经济 改变泵的转速 改变泵的特性曲线 若把泵的转速提高到n1 则H Q线上移 工作点由M移至M1 流量由QM加大到QM1 若把泵的转速降至n2 则H Q线下移 工作点移至M2 流量减小到QM2 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 化工生产中很少采用 改变泵的直径 改变泵的特性曲线 直径减小不当会使泵的效率降低 故生产很少使用 89 例用离心泵将江水送至高位槽 若管路条件不变 则下列参数随着江面的下降有何变化 设泵仍能正常工作 流量 压头 管路总阻力损失hf 泵出口处压力表读数 泵入口处真空表读数 管路特性曲线 平行上移 操作型问题分析举例 解 江面下降 泵特性曲线不变 工作点左移 方法 画图找新工作点 90 操作型问题分析举例 33 流量 压头 管路总阻力损失hf 泵出口处压力表读数 泵入口处真空表读数 91 三 离心泵的并联和串联操作 当单台泵不能满足生产任务要求时 可采用泵的并联或串联 1 离心泵的并联设将两台型号相同的泵并联于管路系统 且各自的吸入管路相同 则两台泵的各自流量和压头必定相同 显然 在同一压头下 并联泵的流量为单台泵的两倍 并联泵的工作点由并联特性曲线与管路特性曲线的交点决定 由于流量加大使管路流动阻力加大 因此 并联后的总流量必低于单台泵流量的两倍 而并联压头略高于单台泵的压头 并联泵的总效率与单台的效率相同 92 93 2 离心泵的串联两台型号相同的泵串联操作时 每台泵的流量和压头也各自相同 因此 在同一流量下 串联泵的压头为单台泵压头的两倍 同样 串联泵的工作点由合成特性曲线与管路特性曲线的交点决定 两台泵串联操作的总压头必低于单台泵压头的两倍 流量大于单台泵的 串联泵的效率为Q串下单台泵的效率 94 3 离心泵组合方式的选择 如果单台泵所能提供的最大压头小于管路两端的 值 则只能采用泵的串联操作 对于管路特性曲线较平坦的低阻型管路 采用并联组合方式可获得较串联组合为高的流量和压头 反之 对于管路特性曲线较陡的高阻型管路 则宜采用串联组合方式 95 2 1 6离心泵的选用 安装与操作 1离心泵的类型 1 清水泵 IS型 D型 Sh型 适用于输送清水或物性与水相近 无腐蚀性且杂质较少的液体 结构简单 操作容易 2 耐腐蚀泵 型 用于输送具有腐蚀性的液体 接触液体的部件用耐腐蚀的材料制成 要求密封可靠 3 油泵 型 输送石油产品的泵 要求有良好的密封性 4 杂质泵 输送含固体颗粒的液体 稠厚的浆液 叶轮流道宽 叶片数少 96 泵的型号是由字母和数字组合而成 以代表泵的类型 规格等 IS100 80 160 IS 单级单吸离心水泵 泵的吸入口内径 泵的排出口内径 泵的叶轮直径 2离心泵的选用 1 根据被输送液体的性质确定泵的类型 2 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 97 3 根据所需流量和压头确定泵的型号 查性能表或特性曲线 要求流量和压头与管路所需相适应 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 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 若几个型号都满足 应选一个在操作条件下效率最好的 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 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 98 3离心泵的安装与操作 1 安装 安装高度不能太高 应小于允许安装高度 设法尽量减少吸入管路的阻力 以减少发生汽蚀的可能性 主要考虑 吸入管路应短而直 吸入管路的直径可以稍大 吸入管路减少不必要的管件 调节阀应装于出口管路 2 操作 启动前应灌泵 并排气 应在出口阀关闭的情况下启动泵 停泵前先关闭出口阀 以免损坏叶轮 经常检查轴封情况 其它类型泵 99 通过和离心泵对比 掌握其它液体输送设备 如 往复泵 旋转泵和漩涡泵 气体输送压缩设备 如 通风机 鼓风机 压缩机以及真空泵的原理和特性 100 一 往复泵1 往复泵的结构及工作原理 往复泵是一种容积式泵 它依靠作往复运动的活塞依次开启吸入阀和排出阀从而吸入和排出液体 101 1 结构和工作原理 结构 泵缸 活塞 阀门 冲程 活塞在两端点间移动的距离 冲程容积 活塞往复一次的容积排量 活塞与单向阀之间的空隙称为工作室 102 工作原理 当活塞自左向右移动时 工作室的容积增大 形成低压 贮池内的液体经吸入阀被吸入泵缸内 排出阀受排出管内液体压力作用而关闭 当活塞移到右端时 工作室的容积最大 103 活塞由右向左移动时 泵缸内液体受挤压 压强增大 使吸入阀关闭而推开排出阀将液体排出 活塞移到左端时 排液完毕 完成了一个工作循环 此后开始另一个循环 104 105 活塞在往复一次中 只吸入和排出液体各一次的泵 称为单动泵 由于单动泵的吸入阀和排出阀均装在活塞的一侧 吸液时不能排液 因此排液不是连续的 为了改善单动泵流量的不均匀性 多采用双动泵或三联泵往复泵的工作原理与离心泵不同 具有以下特点 1 往复泵的流量只与泵本身的几何形状和活塞的往复次数有关 而与泵的压头无关 无论在什么压头下工作 只要往复一次 泵就排出一定的液体 106 107 108 其理论流量 对单动泵 对双动泵 2 往复泵的压头与泵的几何尺寸无关 只要泵的机械强度及原动机的功率允许 输送系统要求多高的压头 往复泵就能提供多大的压头 3 往复泵的吸上真空度也随泵安装地区的大气压强 输送液体的性质和温度而变 所以往复泵的吸上高度也有一定的限制 但往复泵的低压是靠工作室的扩张来造成的 所以在开动之前 泵内无须充满液体 往复泵有自吸作用 109 2 往复泵的流量调节 改变活塞冲程 改变活塞往复次数 旁 支 路调节 不能封闭启动 3 往复泵的安装 有自吸能力 不需灌泵 有允许安装高度限制 影响安装高度的因素 液面上方压力 流体饱和蒸汽压 吸入管路情况 4 适用场合适用于 流量小 扬程高 粘度大的流体 不适用 腐蚀性介质或含有固体颗粒的流体 110 一 往复泵 工作原理 与离心泵比较 结构 泵缸 活塞 阀门 传动机构 利用容积的变化给流体加静压能 工作循环 一次吸液 一次排液 具有自吸能力 不必灌液 安装高度也受限制 但无汽蚀现象 流量与压头几乎无关 由于受泵的部件机械强度和原动机功率的限制 泵的扬程不可能无限增大 压头越大 漏损越大 111 与离心泵比较 旁路 输液量均匀性 连续性 流量调节方法 输液量不均匀 不连续 流量调节不可用出口阀门调节方法 适用于小流量 高压头的情况下输送高黏度的液体 效率高 通常为72 93 112 二 计量泵 计量泵就是往复泵的一种 通过偏心轮把电机的旋转运动变成柱塞的往复运动 偏心轮的偏心距离可以调整 使柱塞的冲程随之改变 这样就达到控制和调节流量的目的 113 三 旋转泵旋转泵靠泵内一个或多个转子的旋转来吸入或排出液体 又称转子泵1 齿轮泵泵壳内有两个齿轮 一个用电机带动旋转 另一个被啮合着向相反方向旋转 吸入腔内两轮的齿互相拨开 形成低压而吸入液体 被吸入的液体被齿嵌住 随齿轮转动而达到排出腔 排出腔内两轮的齿互相合拢 形成高压而排出液体 114 齿轮泵可以产生较高的压头 但流量较小 用于输送粘稠的液体 但不能输送含颗粒的悬浮液 2 螺杆泵螺杆泵分为单螺杆泵 双螺杆泵 三螺杆泵 五螺杆泵等图 a 为单螺杆泵 螺杆在具有内罗纹的泵壳中偏心转动 将液体沿轴向推进 最终沿排出口排出 b 为双螺杆泵 工作原理与齿轮泵十分相似 利用两根相互啮合的螺杆来输送液体 螺杆泵的压头高 效率高 无噪音 适用于高粘度液体的输送 往复泵 旋转泵均属于正位移泵 115 3 旋涡泵旋涡泵是一种特殊类型的离心泵 它是由叶轮和泵体组成 叶轮是一个圆盘 四周由凹槽构成的叶片成辐射状排列 叶轮在泵壳内转动 其间有引水道 吸入管接头和排出管接头之间为间壁 间壁与叶轮只有很小的缝隙 用来分隔吸腔和排出腔 泵内液体在随叶轮旋转的同时 又在引水道与各叶片间作漩涡形运动 因而 被叶片拍击多次 获得较多的能量 液体在叶片与引水道之间的反复迂回是靠离心力的作用 因此 旋涡泵在开动前也要灌满液体 旋涡泵适用于要求输送量小 压头高而粘度不大的液体 116 2 3气体输送和压缩机械 气体输送和压缩机械在化工生产中应用广泛 主要用于以下三方面 输送和压缩气体的机械统称气体压缩机械 1 输送气体 2 产生高压气体 3 产生真空 117 按照终压与压缩比通风机 鼓风机 压缩机 真空泵 终压不大于14 7 103Pa 表压 终压为14 7 103 294 103Pa 压缩比小于4 终压在294 103Pa以上 压缩比大于4 将低于大气压强的气体从容器或设备内抽至大气中 按结构与工作原理离心式 往复式 旋转式和流体作用式 一 离心式通风机 鼓风机与压缩机 118 1 离心式通风机 CentrifugalVentilators 离心式通风机按所产生的风压不同 分为 低压离心通风机 中压离心通风机 高压离心通风机 出口风压低于0 9807 103Pa 表压 出口风压为 0 9807 103Pa 2 942 103Pa 出口风压为 2 942 103Pa 14 7 103Pa 1 离心式通风机的结构 119 离心通风机及叶轮1 机壳 2 叶轮 3 吸入口 4 排出口 120 离心式通风机工作原理与离心泵相同 结构也大同小异 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 叶轮上叶片的数目比较多 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 用前变叶片有利于提高压头 减小叶轮直径 机壳内逐渐扩大的通道及出口截面常不为圆形而为矩形 121 2 离心通风机的性能参数与特性曲线 1 风量 指气体通过进风口的体积流率 以Q表示 单位为m3 h或m3 s 气体的体积按进口状态计 2 风压 指单位体积的气体通过通风机时所获得的能量 单位为N m2 与压强单位相同 以Ht表示 取决于风机的结构 叶轮尺寸 转速与进入风机的气体的密度 目前 还不能用理论方法精确计算离心通风机的风压 而是由试验测定 122 在通风机的进口截面1 1 和出口截面2 2 间列柏努力方程 简化为 P2 P1 称为静风压 以HSt表示 称为动风压 离心通风机的风压为静风压和动风压之和 称为全风压 123 风压与被输送气体的密度 成正比 风机性能表上列出风压是按 标准状态 下 20 1 01 105Pa 的空气密度测定的 若实际操作条件与上述试验条件不同 应将操作条件下的风压HT 换算为试验条件下的风压HT 然后按HT的数值来选择风机 3 功率和效率离心通风机的轴功率为 124 4 特性曲线 125 3 离心通风机的选用选择离心通风机的主要步骤为 1 根据气体的种类 清洁空气 易燃气体 腐蚀性气体 含尘气体 高温气体等 与风压范围 确