化工原理 流体输送机械.ppt

2020 1 25 1 流体输送机械 第三章 2020 1 25 2 本章学习指导 1本章学习的目的本章是流体力学原理的具体应用 通过学习掌握工业上最常用的流体输送机械的基本结构 工作原理及操作特性 以便根据生产工艺的要求 合理地选择和正确地使用输送机械 以实现高效 可靠 安全的运行 2本章应掌握的内容本章应重点掌握离心泵的工作原理 操作特性及其选型 3本章学习中应注意的问题在学习过程中 加深对流体力学原理的理解 并从工程应用的角度出发 达到经济 高效 安全地实现流体输送 2020 1 25 3 3 1概述 一 流体输送机械在化工生产中的应用根据生产任务的需要将流体由一处输送到另一处 1 提高流体的位能 2 提高流体的压强 静压能 3 克服管路上的机械能损失 阻力损失 流体输送机械是向流体作功以提高流体机械能的装置 一般情况下 流体输送机械提供的机械能是以单位重量流体或单位体积流体为衡量基准 2020 1 25 4 二 流体输送机械分类1 按输送流体的类型分 1 用于输送液体的机械称为泵 2 用于输送气体的机械则按其所产生压强的大小称为通风机 鼓风机或压缩机 2020 1 25 5 2 按照操作原理分 1 离心式 由高速旋转的叶轮对流体作功 将机械能传给流体 流体在离心力作用下 获得动能 经转换后提高了静压能 被输送到指定地点 常见的有 离心泵 离心通风机 离心压缩机等 2 往复式 又称容积式或正位移式 靠往复运动的活塞 柱塞 使流体吸入和排出 并将机械能以静压能的形式直接传给流体 属于这一类的设备有 往复泵 计量泵 往复式压缩机等 2020 1 25 6 3 旋转式 此类设备是靠机壳内一个或多个转子的旋转来实现吸入和排出流体 旋转泵又称转子泵 旋转式输送设备的形式很多 工作原理都想同 常用的有 齿轮泵 螺杆泵 罗茨 Rootes 鼓风机及水环真空泵等 4 流体作用式 流体流动时会产生机械能的相互转换 这样就可以利用一种流体的作用 产生压强或造成真空 而达到输送另一种流体的目的 如 喷射泵 2020 1 25 7 3 2离心泵 离心泵是化学工业与石油工业中最为常用的一种液体输送机械 这种泵结构简单 操作容易 效率高 流量均匀 适用于输送有腐蚀性 含悬浮物等性质特殊的液体 又适用于水等一般性液体 所以离心泵的应用范围非常广 swf 001 1 01 swfswf 001 1 32 sw 2020 1 25 8 一 离心泵的构造与工作原理1 离心泵的构造离心泵的构造如下图所示 主要由两个主要部分构成 一是包括叶轮和泵轴的旋转部分 二是由泵壳 填料函和轴承组成的静止部分 1 叶轮 叶轮是对流体做功的部件 作用 是将原动机如电动机的机械能直接传给液体 以增加液体的静压能和动能 静压能为主 叶轮上有4 12片后弯的叶片 叶轮安装在泵壳内 并紧固在泵轴上 由电动机带动而快速旋转swf 001 1 33 swf 2020 1 25 9 2020 1 25 10 2020 1 25 11 2020 1 25 12 to 2020 1 25 13 2020 1 25 14 2020 1 25 15 2 泵壳和导轮 泵壳 是离心泵的外壳 在泵壳内有一个截面积逐渐扩大的蜗牛形通道 故又称蜗壳 叶轮在泵壳内沿着蜗形通道逐渐扩大的方向旋转 越接近液体出口 流道截面积越大 液体从叶轮外周高速流出后 流过泵壳蜗形通道时 流速将逐渐降低 因此减少了流动的能量损失 而且使部分动能转换为静压能 作用 泵壳不仅是汇集由叶轮流出的液体的部件 而且又是一个能量转换装置 即汇集液体 转换能量 泵壳有两个接口 一个在泵壳的中央 口径较大 并正对叶轮中心 此为吸入口 与吸入导管相连 另一个在泵壳的旁侧 口径较小 此为压出口 与压出导管相连 2020 1 25 16 导轮 在叶轮和泵壳之间有时还装有一个固定不动且也带有叶片的导轮 因为导轮具有若干逐渐转向和扩大的流道 使部分动能可转化为静压能 可减少能量损失 其作用 引导流体逐渐改变流向 减少离开叶轮的液体直接进入泵壳时因冲击而引起的能量损失 2020 1 25 17 3 轴封装置由于泵轴转动而泵壳固定不动 泵轴穿过泵壳处肯定会有间隙 所以为了防止泵内高压液体沿间隙漏出或外界空气漏入泵内 必须设置轴封装置 轴封作用 为避免泵内高压液体沿间隙漏出 或防止外界空气从相反方向进入泵内 类型 1 填料密封装置 2 机械密封装置P86 87 2020 1 25 18 2020 1 25 19 离心泵的主要部件 保证过程如何实现 2020 1 25 20 2 离心泵的工作原理1 离心泵启动前要做两项准备工作 1 要 灌泵 即先要向泵壳及吸入管内灌满被输送的液体 俗称 灌泵 以防止 气缚现象 的发生 2 要先将出口阀门关上 启动电机后再将出口阀门打开 这样是为了使泵在最小功率下启动 以确保电机安全 2020 1 25 21 2 离心泵的工作原理to 离心泵启动后 叶轮由电动机带动高速旋转 充满在叶片间的液体 在叶片的推动下也跟着旋转 并产生离心力 在离心力的作用下 液体从叶轮中心被抛向外缘的过程中 获得能量 并以高速离开叶轮外缘 进入蜗形泵壳 由于两叶片间的流道截面积和泵壳内的蜗形流道截面积都是逐渐扩大的 因而流速逐渐降低 从而将部分动能转变为静压能 使泵出口处液体的压强大大提高 由泵的压出口压入排出管道 送至需要的场所 2020 1 25 22 液体在从叶轮被甩向外缘时 使叶轮中心形成低压或负压 其值低于被吸入的液体液面的压强 即当时当地的外压 亦即达到一定的真空度 在这个压强差的作用下 液体便被连续不断地吸入叶轮中 而且只要叶轮不断地转动 液体便会不断的吸入和排出 这样泵就会连续不断的输送液体 2020 1 25 23 3 离心泵的气缚现象离心泵输送液体 是依靠离心力的作用 而离心力的大小除了与叶轮的转速 叶轮的直径有关外 还与流体的密度有关 因此 流体的密度越大 产生的离心力就越大 离心力 2020 1 25 24 如果在启动前离心泵泵壳内和吸入管内没有灌满被输送的液体 则其中充满了空气 由于空气的密度远比液体的密度小 产生的离心力就小的多 那么贮槽液面上方与泵吸入口处的压差不够大 不足以将槽液内的液体吸入泵内 这说明泵吸入口处的压强不够低 或其真空度不够高 这样离心泵虽在转动 却不能输送液体 即空转 这种现象称为离心泵的 气缚现象 这说明 离心泵没有自吸能力 为了防止气缚现象的发生 启动前必须先灌泵 运转中也要防止气体漏入 2020 1 25 25 二 离心泵的主要性能参数离心泵的主要性能参数是指扬程 流量 轴功率及效率 1 扬程 又称泵的压头 是指单位重量流体经泵后所获得的能量 或泵对单位重量流体所提供的有效功 用H表示 相当于柏氏方程中的He 单位为m 离心泵的扬程取决于泵的结构 如叶轮的直径 叶片的弯曲情况等 转速和流量 一般由实验测定 2020 1 25 26 2 流量 泵的流量又称泵的送液能力 是指泵在单位时间内排出的液体体积 用Q表示 单位为 m3 s 或m3 h 泵的流量也是通过实验测定 3 功率与效率 泵的功率有轴功率和有效功率 1 轴功率 是指电动机或其他原动机直接传给泵轴的功率 以N表示 单位为 J s 或者w kw 2 有效功率 是指液体实际得到的功率 用Ne表示 单位同轴功率 2020 1 25 27 液体实际得到的功率小于轴功率 这是因为泵在输送液体的过程中 不可避免地会有能量损失 故泵轴转动所做的功不能全部都为液体所获得 这就存在一个泵的效率问题 泵的效率是反应总能量损失的一个参数 所以又称泵的总效率 用 表示 2020 1 25 28 Ne N或N Ne Ne ws we ws Q we Hg Ne Q Hg 用该公式时要注意单位一致 各量统一用SI单位 最后得到的轴功率的单位就是kw 2020 1 25 29 三 离心泵的特性曲线离心泵的主要性能参数H N及 对Q的一系列数据在直角坐标上标绘成一组曲线 称为离心泵的特性曲线 又称工作性能曲线 此曲线由泵的生产厂家提供 它反映了泵的各性能参数之间的相互关系 是分析和选用泵的重要数据 各种离心泵的特性曲线不同 但具有如下共同点 2020 1 25 30 2020 1 25 31 4B20型清水泵 4 泵吸入口的内径为4英寸 4 25 100mm B 单级单吸悬臂式离心式水泵 20 泵的扬程为20m 2020 1 25 32 1 扬程曲线 H Q线 离心泵的扬程曲线 反映泵的扬程与流量之间的关系 从上图可以看出 离心泵的扬程H随流量Q的增加而逐渐减小 当Q 0时 扬程H达到最大 即H Hmax 亦即泵空转时扬程最大 2 功率曲线 N Q线 离心泵的功率曲线 表示泵的轴功率N与流量Q之间的关系 泵的轴功率N随流量Q的增加而增加 当Q 0时 轴功率最小 即N Nmin 所以在泵启动以前要关闭出口阀门 使泵在最小功率下启动 以确保电机启动电流最小 使电机不超载而保证安全 2020 1 25 33 3 效率曲线 Q线 离心泵的效率曲线 表示泵的效率与流量之间的关系 当Q 0时 0 而后随着流量的增加 效率也增加 达到最大值后又减小 此峰值即为泵在一定转速下的最高效率点 泵的最高效率点就是泵的设计点 标注在泵的铭牌上的数值就是该点所对应的各性能参数 通常将最高效率的92 以上这段范围称为泵的高效区 选用离心泵时 应尽可能使泵在此区内工作 以期达到比较高的效率 2020 1 25 34 例3 1采用本题附图所示的实验装置来测定离心泵的性能 泵的吸入管内径为100mm 排出管内径为80mm 两测压口间的垂直距离为0 5m 泵的转速为2900r min 以20 的清水为介质 测得以下数据 流量 15L s 泵出口处的表压 2 55 105Pa 泵入口处的真空度 2 67 104Pa 功率表测得电动机消耗的功率 6 2kw 泵由电动机直接带动 电动机的效率为93 试求该泵在输送条件下的压头 轴功率及效率 并列出该效率下泵的性能 2020 1 25 35 swf 001 1 34 swf P93例2 2 2020 1 25 36 解 1 泵的扬程如图 取真空表与压强表所在的截面分别为1 1 截面与2 2 截面 并以1 1 截面所在的水平面为基准面 在两截面之间列柏氏方程 据题意 式中 z1 0 z2 0 5 p1 2 67 104Pa 表 p2 2 55 105Pa 表 2020 1 25 37 两测压口间的距离很短 其间流动阻力可忽略不计 即Hf 0 设两测压口间的距离为h0 即h0 z1 z2 则泵的扬程计算的通式为 2020 1 25 38 2 泵的轴功率功率表测得的功率为电动机的输入功率 由于泵由电动机直接带动 传动效率可视为100 所以电动机的输出功率等于泵的轴功率 因电动机本身要消耗一部分功率 其效率为93 那么电动机的输出功率即为 电动机的输入功率 其效率 6 2 93 5 77kw则泵的轴功率为 N 5 77kw 2020 1 25 39 泵的性能参数 n 2900r min Q 15l s 54m3 h H 29 5m N 5 77kw 75 2 3 泵的效率 2020 1 25 40 四 离心泵的安装高度离心泵的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达到的最大垂直距离 用Hg表示 如图所示 假设离心泵在可允许的安装高度下操作 于贮槽液面0 0 与泵入口处截面1 1 间列柏氏方程 2020 1 25 41 2020 1 25 42 式中 z0 0 u0 0 z1 Hg则整理一下 得 离心泵的安装高度计算式p1 泵入口处可允许的最低绝对压强 Pa p0 贮槽液面处的压强 即外界大气压 Pa Hf 液体流经吸入管路的压头损失 m 2020 1 25 43 2 离心泵的气蚀现象 由离心泵的安装高度计算式可以看出 当贮槽液面上方的压强 一般通大气 一定时 若泵吸入口附近的压强p1越低 则允许吸上高度越高 但是吸入口处的低压是有限制的 因为当叶片入口附近的最低压强等于或低于输送温度下液体的饱和蒸汽压时 液体将在该处气化并产生气泡 体积迅速膨胀 当含大量气泡的液体由泵中心的低压区进入高压区时 气泡因受高压作用又迅速的凝结或破裂 形成局部真空 周围的液体以极高的速度冲向原气泡所占据的空间 造成极大的冲击和振动 在冲击点处产生几百大气压的局部压强 冲击频率可高达几百万次之多 2020 1 25 44 由于冲击作用使泵体震动并产生噪音 且叶轮局部处在巨大冲击力的反复作用下 使材料表面疲劳 从开始点蚀到形成裂缝 使叶轮或泵体受到破坏 这种现象叫做泵的气蚀现象 气蚀现象发生时 由于产生大量气泡 占据了液体流道的部分空间 导致泵的流量 压头及效率下降 气蚀严重时 泵体震动明显 产生明显噪音 无法正常操作 因此为了使泵能正常运转 应避免产生气蚀现象 这就要求叶轮入口处的最低压强必须维持在某一值以上 通常取输送温度下液体的饱和蒸汽压作为最低压强 2020 1 25 45 3 离心泵的允许吸上真空高度在实际操作中 由于不易确定最低压强的位置