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化学工程与工艺 化工原理 0909517张园离心泵与往复泵 在化工生产中，流体输送过程是最常见的，甚至是不可缺少的单元操作。流体输送操作必须采用可为流体提高能量的输送机械，以便克服输送过程的机械能损失，提高位能，提高流体的压强。通常，将输送液体的机械称之为泵。一般根据其流量和压强（压头）关系可分为离心泵和正位移泵，往复泵就是一种正位移泵，而离心泵则为化工生产中应用最为广泛的。一、 离心泵（一）离心泵的结构和工作原理（1） 离心泵的设计原理离心其实是物体惯性的表现，比如雨伞上的水滴，当雨伞缓慢转动时，水滴会跟随雨伞转动，这是因为雨伞与水滴的摩擦力做为给水滴的向心力使然。但是如果雨伞转动加快，这个摩擦力不足以使水滴在做圆周运动，那么水滴将脱离雨伞向外缘运动，就象用一根绳子拉着石块做圆周运动，如果速度太快，绳子将会断开，石块将会飞出.这个就是所谓的离心。 离心泵就是根据这个原理设计的，高速旋转的叶轮叶片带动水转动，将水甩出,从而达到输送的目的。 （2） 离心泵的结构1）叶轮叶轮的作用是将原动机的机械能直接传给液体，以增加液体的静压能和动能主要增加静压能。叶轮一般有612片后弯叶片。叶轮有开式、半闭式和闭式三种，开式叶轮在叶片两侧无盖板，制造简单、清洗方便，适用于输送含有较大量悬浮物的物料，效率较低，输送的液体压力不高；半闭式叶轮在吸入口一侧无盖板，而在另一侧有盖板，适用于输送易沉淀或含有颗粒的物料，效率也较低；闭式叶轮在叶轮在叶片两侧有前后盖板，效率高，适用于输送不含杂质的清洁液体。一般的离心泵叶轮多为此类。叶轮有单吸和双吸两种吸液方式。有一个进水口的是单吸，可以从两面一起进水的为双吸。2）泵壳作用是将叶轮封闭在一定的空间，以便由叶轮的作用吸入和压出液体。泵壳多做成蜗壳形，故又称蜗壳。由于流道截面积逐渐扩大，故从叶轮四周甩出的高速液体逐渐降低流速，使部分动能有效地转换为静压能。泵壳不仅汇集由叶轮甩出的液体，同时又是一个能量转换装置。 3）轴封装置作用是防止泵壳内液体沿轴漏出或外界空气漏入泵壳内。 （3）工作原理离心泵一般由电动机带动，在启动泵前，泵体及吸入管路内充满液体。当叶轮高速旋转时，叶轮带动叶片间的液体一道旋转，由于离心力的作用，液体从叶轮中心被甩向叶轮外缘（流速可增大至1525m/s），动能也随之增加。当液体进入泵壳后，由于蜗壳形泵壳中的流道逐渐扩大，液体流速逐渐降低，一部分动能转变为静压能，于是液体以较高的压强沿排出口流出。与此同时，叶轮中心处由于液体被甩出而形成一定的真空，而液面处的压强Pa比叶轮中心处要高，因此，吸入管路的液体在压差作用下进入泵内。叶轮不停旋转，液体也连续不断的被吸入和压出。由于离心泵之所以能够输送液体，主要靠离心力的作用，故称为离心泵。（二）离心泵的特性（1）性能参数流量（Q） : 离心泵在单位时间送到管路系统的液体体积，常用单位为L/s或m3/h；压头（H） ：离心泵对单位重量的液体所能提供的有效能量，其单位为m；效率（） ：由原动机提供给泵轴的能量不能全部为液体所获得，通常用效率来反映能量损失；轴功率（N）： 指离心泵的泵轴所需的功率，单位为W或kW（2）特性曲线H-Q曲线：表示泵的压头与流量的关系N-Q曲线：表示泵的轴功率与流量的关系-Q曲线：表示泵的效率与流量的关系（3）离心泵的影响因素1. 液体物性的影响a. 流体密度的影响：由离心泵的基本方程可看出，离心泵的压头、流量均与液体的密度无关，说明 离心泵特性曲线中的HQ及hQ曲线保持不变。但离心泵所需的轴功率则随液体密度的增加而增加，即 NQ曲线要变，此时泵的轴功率可按式重新计算。b. 黏度的影响：液体粘度的改变将直接改变其在离心泵内的能量损失，因此，HQ、NQ、hQ曲线都将随之而变。当液体运动粘度 2010-8 m2/s 时，离心泵的性能则需按下式进行换算，即Q = CQQ；H = CHH； = C 。2. 转速的影响比例定律：转速变化特性曲线变化， 在转速变化小于20%范围内时 3. 叶轮直径的影响切割定律：减小叶轮直径特性参数随之而变，对叶轮圆周进行少量车削，在叶轮直径变化小于20%时， 当泵的叶轮直径和其他尺寸均发生变化时， （三）实际应用（1）合理确定泵的安装高度离心泵在管路中安装高度是否恰当，将直接影响离心泵的性能、操作状况和使用寿命，因次在管路计算中应正确的确定泵的安装高度。为了使离心泵能够正常运转，应避免产生气蚀现象，这就要求叶片入口附近的最低压强必须在某一值以上。根据泵的抗气蚀性能，合理的确定泵的安装高度，是避免气蚀现象的有效措施。通常为安全起见，离心泵的实际安装高度应比允许安装高度低0.51m。（2）离心泵的工作点当水泵安装在一定管路系统中时，泵的特性曲线与管路与曲线的交点即为泵的工作点。工作点所示的流量与压头既是泵提供的流量和压头，又是管路所需要的流量和压头。离心泵只有在工作点工作，管中流量才能稳定。泵的工作点以在泵的效率最高区域内为宜。（3）离心泵的流量调节 对一台泵而言，特性曲线不会变，而管路特性曲线可变。当化工泵的工作点所提供的流量不能满足新条件下所需要的流量时，即应设法改变泵工作点的位置，即需要进行流量调节。流量调节的方法有：a在离心泵出口管路上装一调节阀，改变阀门开度，即改变管路特性曲线He=A+BQe2中之B值，阀门开大，工作点远离纵轴；阀门关小，工作点靠近纵轴。这种调节方法的优点是，操作简便、灵活。其缺点是，阀门关小时，管路中阻力增大，能量损失增大，从而使泵不能在最高效率区域内工作，是不经济的。用改变阀门开度的方法来调节流量多用在流量调节幅度不大、而经常需要调节的场合。b改变泵的转速，即改变泵的特性曲线。c车削叶轮外径也改变泵的特性曲线。采用以上两种方法均可改变泵的我曲线。用这些方法调节流量在一定范围内可保证泵在高效率区内工作，能量利用较经济，但不方便，流量调节范围也不大，故应用不广泛。（4）并联与串联实际生产中，当单台离心泵不能满足输送任务要求的时候，可采用离心泵的并联和串联操作。若将两台型号相同的泵并联操作，且各自的吸入管路相同，则两泵的流量和压头必各自相同，也就是说具有相同的管路特性曲线和单台泵的特性曲线。在同一压头下，两台并联泵的流量等于单台泵的两倍。若将两台型号相同的泵串联操作，则每台泵的压头和流量也是各自相同的，因此在同一流量下，两台串联泵的压头为单台泵的两倍。（5）离心泵的类型与选择1）离心泵的类型清水泵：用于输送物理、化学性质类似于水的清洁液体。最简单的清水泵为单级单吸式，系列代号为“IS”，结构简图如图，若需要的扬程较高，则可选D系列多级离心泵。若需要流量很大，则可选用双吸式离心泵，其系列代号为“Sh” 。防腐蚀泵：当输送酸、碱等腐蚀性液体时应采用耐腐蚀泵。耐腐蚀泵所有与液体介质接触的部件都采用耐腐蚀材料制作。离心耐腐蚀泵有多种系列，其中常用的系列代号为F。油泵：用于输送石油产品，油泵系列代号为Y。因油类液体具有易燃、易爆的特点，因此对此类泵密封性能要求较高。输送200以上的热油时，还需设冷却装置。杂质泵：用于输送悬浮液及稠厚的浆液等，其系列代号为P，又可分为污水泵、砂泵、泥浆泵等。这类泵的主要结构特点是叶轮上叶片数目少，叶片间流道宽，有的型号泵壳内还衬有耐磨材料。2）离心泵的选择a确定输送系统的流量与压头 液体的输送量一般为生产任务所规定，如果流量在一定范围内波动，选泵时应按最大流量考虑。根据输送系统管路的安排，用柏努力方程计算在最大流量下管路所需的压头。b选择泵的类型与型号 首先应根据输送液体的性质和操作条件确定泵的类型，然后按已确定的流量Qe和压头He从泵的样本或产品目录中选出合适的型号。显然，选出的泵所提供的流量和压头不见得与管路要求的流量Qe和压头He完全相符，且考虑到操作条件的变化和备有一定的裕量，所选泵的流量和压头可稍大一点，但在该条件下对应泵的效率应比较高，即点（Qe、He）坐标位置应靠在泵的高效率范围所对应的H-Q曲线下方。型号选出后，应列出该泵的各种性能参数。c核算泵的轴功率若输送液体的密度大于水的密度时，可按公式核算泵的轴功率。 二、往复泵(一)往复泵的结构介绍及工作原理往复泵装置主要部件有泵缸1、活塞2、活塞杆3、吸入阀4和排出阀5。活塞由曲柄连杆机构带动作往复运动，在活塞周期性的往复运动的过程中泵缸内的容积和压强，周期性地变化，交替地打开和关闭吸入阀和排出阀，达到输送液体的目的。（二）往复泵的特性（1）压头：往复泵压头与泵几何尺寸无关，只要泵的机械强度和原动机的功率允许，往复泵可提供输送系统要求的任何压头。实际上，由于活塞环、轴封、阀门等处的泄露，降低了往复泵可能达到的压头。（2）流量： a.正位移特性：流量由泵决定，与管路特性无关； b.不均匀性：加气室, 双动泵, 三联泵（3）轴功率和效率：与离心泵相同，可以参考前面关于离心泵的介绍。（4）往复泵的特性曲线：往复泵的理论流量仅取决于活塞扫过的体积 （三）实际应用（1）确定往复泵的工作点：往复泵的理论流量是由活塞所扫过的体积决定的，而与管路特性无关。而往复泵提供的压头则只决定于管路情况。往复泵的工作点也是管路特性曲线和泵的特性曲线的交点，如图所示。实际上，往复泵的流量随压头升高而略微减小，这是由于容积损失造成的。工作点是往复泵特性曲线与管路特性曲线交点，流量不变，仅压头增减。（2）往复泵的流量调节：离心泵可用出口阀门来调节流量，但对往复泵此法却不能采用。因为往复泵属于正位移泵，其流量与管路特性无关，安装调节阀非但不能改变流量，而且还会造成危险，一旦出口阀门完全关闭，泵缸内的压强将急剧上升，导致机件破损或电机烧毁。往复泵的流量调节方法：1）旁路调节：因往复泵的流量一定，通过阀门调节旁路流量，使一部分压出流体返回吸入管路，便可以达到调节主管流量的目的。显然，这种调节方法很不经济，只适用于变化幅度较小的经常性调节。2）改变曲柄转速和活塞行程：因电动机是通过减速装置与往复泵相连接的，所以改变减速装置的传动比可以更方便地改变曲柄转速，达到流量调节的目的。因此，改变转速调节法是最常用的经济方法。对输送易燃、易爆液体由蒸汽推动的往复泵，可改变蒸汽进入量使活塞往复次数改变，实现流量的调节。（3） 往复泵的分类1、根据液力端特点分类：按工作机构可分为活塞泵、柱塞泵和隔膜泵；按作用特点可分为单作用泵、双作用泵和墨动泵；按缸数可分为单缸泵、双缸泵和多缸泵。2、根据动力端特点可分为曲柄连杆机构、直轴偏心轮机构等。3、根据驱动特点可分为电动往复泵、蒸汽往复泵和手动泵等。4、根据排出压力Pd大小可分为低压泵(Pd4MPa)、中压泵(4MPaPd32MPa)、高压泵(32MPaPd100MPa)和超高压泵(Pd100MPa)5、根据活塞(或柱塞)每分钟往复次数n可分为低速泵(n80rmin)、中速泵(80 rmin n250rmin)、高速泵(250 rminn550rmin)和超高速泵(n550rmin)。（4）往复泵的主要应用场合1.企业单位废水排放。 2.城市污水处理厂排放系统。 3.地铁、地下室、人防系排污泵统排水站。 4.医院、宾馆、高层建筑污水排放。 5.排污泵刻用于住宅区的污水排水站。