化工原理 第二章第一节第二节.ppt

第二章流体输送机械 第一节概述第二节离心泵第三节往复泵第四节其他化工用泵第五节气力输送机械 流体在流动过程中将损失部分机械能 只能由高能位向低能位处流动 但在多数情况下需将流体由低能位向高能位处输送 因而为完成输送任务必须依靠输送机械向流体补加足够的机械能 用以输送液体的机械通称为泵输送气体的机械按不同的情况称为通风机 鼓风机 压缩机 真空泵等 本章主要介绍常用输送机械的工作原理和特性 以便选择与使用 第一节概述 一 分类 二 对输送机械的要求 1 输送流体所需的能量 或 管路特性 一般情况下动能差一项可忽略 对于一定的管路 管路条件 确定 与Re有关 即与流量大小有关 但当管内流动进入阻力平方区时 系数K是一个与流量无关的常数 与管路条件及流量大小有关 管路的特性方程 在特定管路中输送液体时 管路所需的压头随所输送液体流量qV的平方而变 说明 由管路系统本身决定 与泵的特性无关 影响管路特性曲线的因素 影响 影响K 2 压头 扬程 和流量是流体输送机械的重要指标 输送机械向单位重量流体提供的能量 用He表示 称为该输送机械的压头或扬程 输送机械向流体提供的能量应与管路所需补加能量相等 He H 流体输送任务 达到规定的输送量 向单位重量流体补充足够的能量 同样输送机械向流体提供的流量也必定等于管路中流体的流量 1 流体输送机械提供的能量即压头 扬程 用于提高势能和克服管路阻力 3 讨论He qv关系 即确立泵的特性方程 为本章的主要内容 结论 2 许多流体输送机械在不同流量下其压头不同 压头与流量的关系由输送机械本身特性决定 是流体输送机械的主要技术指标 作业 P941 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 第二节离心泵 一 结构 一 叶轮向流体做功 在能量损失最小的情况下 使单位质量流体获得较高的能量 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底阀 泵壳的侧边为排出口 与排出管路相连 装有调节阀 2 半开式叶轮2 没有前盖板但有后盖板 适用于输送含固体颗粒 杂质的液体 3 闭式叶轮3 叶轮两侧分别有前后盖板 能量损失小 适用于高扬程 输送清洁的液体 按结构可以分为3类 按吸液方式不同 可以分为两类 单吸式和双吸式 单吸式与双吸式叶轮 双吸式叶轮可以产生很大的流量 同时可基本消除了轴向推力 同样单吸式叶轮为了平衡轴向推力 可以再叶轮后盖板上钻些小孔 称为平衡孔 二 泵壳 离心泵的外壳多做成蜗壳形 其内有一个逐渐扩大的蜗形通道 降低流速 提高势能 使流速缓慢降低 减小机械能损失 所以 蜗壳不仅能收集和导出液体 同时又是能量转化的装置 汇集液体 作导出液体的通道 一杯热水为使之冷却 用筷子在水中旋转 水也产生速度 跟着筷子一块转动 本质上是筷子的附着力大于水之间的内聚力 内摩擦力使水旋转 靠近筷子的水转的快而远离筷子的水转的慢 另外中心凹 四周水沿壁上升高于中间 为什么 手转动筷子 水产生动能 远离筷子处转速降低 动能减小 转化为静压能 静压能在壁面处又转化为位能使水沿壁面上升 二 离心泵的工作原理 一 工作过程 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 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 简言之包括 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 二 工作原理 第一章中只是介绍了流体在重力场中的能量守恒及转换 本节离心泵中是旋转液体 因而存在着离心力 在重力场 离心力场中 其总势能则应为位能 Z 压强能 离心力场势能 流体质点的考察方法 拉格朗日法及欧拉法 旋转流体的考察方法 1 泵出口阀门关闭 等角速旋转 无径向流动的旋转液体静止坐标参照系 流体作等角速圆周运动 泵壳施予向心力旋转坐标参照系 流体质点相对静止 受向心力及惯性离心力二力大小相等方向相反 可用静力学方程分析 1 等角速旋转运动的考察方法 无限多 无限薄叶片的旋转运动是等角速度的 2 泵出口阀门打开 流体质点作等角速旋转运动同时伴有径向流动 3 两种坐标系考察方法的比较旋转坐标参照系分析受力情况简便静止坐标系利于考察流体总机械能 静止坐标参照系 流体沿螺旋线运动从叶轮内缘流向外缘旋转坐标参照系 流体与普通管内流动沿叶轮作直线运动 2 零流量下离心泵的能量关系 1 离心力场中的静力学方程 泵的流量为零 相对静止状态旋转坐标系 泵内流体看作静止状态 设叶轮水平放置 Z轴向上则用流体平衡的一般表达式 惯性离心力 单位质量流体 水平位置X方向分力 Y方向分力 上式积分 常数 叶轮外缘势能高于内缘势能其差值为动能差 总势能 线速度 切向速度 离心力场和重力场共同作用下的静力学方程或总势能守恒方程表明离心力场中流体总势能为一常数 或 常规势能之差 不含离心力势能 是正是负 2 零流量下泵的理论压头 静止坐标 总机械能 势能 动能 3 流量不为零时离心泵的能量关系 1 液体在叶片间的运动 切向速度 沿叶轮之间通道流动相对速度 c 与的向量和 绝对速度 2 离心泵流量 注 出口截面积 管道流速 径向 管口流速 或 3 机械能守恒 旋转坐标 为总势能包括常规势能和离心力场势能 以相对速度计动能 理想流体定态流动无限多叶片 或 由上可见 有径向流动时 即流量不为零时 势能比零流量时大 管道内流动相对速度与管径有关叶轮通道外缘半径大 相对速度小 静止坐标 离心泵理论压头 叶轮对单位重量流体提供的能量 根据前式 即按进口方向垂直 故 离心泵设计一般以径向进入叶轮 消去其中 根据余弦式代入 得 理论压头 1 流量 由图可知 4 影响理论压头的因素 二式代入上式中 所以 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 离心泵主要特性 对于某个离心泵 即其 2 u2 A2 b2 固定 当转速 u r 一定时 理论压头与理论流量之间呈线形关系 可表示为 当叶片几何尺寸 A2 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 叶轮形状 后弯叶轮 前弯叶轮 在同样的流量下 前弯叶片所产生的理论压头最高 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 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 3 液体密度对理论压头的影响 但是在同一压头下 泵进出口的压差与成正比 液体压头是以液柱压头表示 里面含 对1 1及2 2截面间用柏努利方程 所以 根据 HT与 无关 即与输送何种流体无关 气缚 运转时泵吸入管路和泵轴心处于负压状态 若其间密封不良 因漏气而使流体平均密度下降 同样造成泵无法吸上液体 这一现象称气缚 离心泵启动时为什么要先灌泵 根据尽管压头He为定值 若很小 则很小 将不能使液体吸入泵内 启动前灌泵 目的使泵内充满液体 赶走空气 为了使启动前泵内充满液体 在吸入管道底部装一底阀 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 说明 离心泵无自吸能力 启动前必须将泵体内充满液体 启动与停泵 灌液完毕后 此时应关闭出口阀后启动泵 这时所需的泵的轴功率最小 启动电流较小 以保护电机 启动后渐渐开启出口阀 停泵前 要先关闭出口阀后再停机 这样可避免排出管内的高压水柱倒冲泵壳内叶轮和叶片 以延长泵的使用寿命 三 离心泵的特性参数与特性曲线 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qV 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 离心泵性能曲线实验测定 设备参数 泵的转速 2900转 分额定扬程 20m电机效率 93 传动效率 100 水温 25 泵进口管内径 41mm泵出口管内径 35 78mm两测压口之间的垂直距离 0 35m涡轮流量计流量系数 75 78 Pressuremeasurement Drawingthecharacteristiccurvesofthepump 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 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 K 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 V 泵内液体的泄漏 机械损失原因 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 小型泵效率 50 70 大型泵效率 90 左右 离心泵的实际压头 一定转速下离心泵特性曲线表现 压头与流量的关系He qV效率与流量的关系 qV功率与流量的关系Pa qV 通过实验测定 最高效率点 泵的设计工况点 额定点 与该点对应的流量称为额定流量 在该点下操作最为经济 离心泵的铭牌标明参数 注意 特性曲线随转速而变 故图中应标明转数 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 注意 一般要求离心泵操作时的效率应不低于最高效率的92 四 离心泵特性曲线的影响因素 泵的特性曲线是用常温清水进行测定的 化工生产中 所输送的液体是多种多样的 即使采用同一泵输送不同的液体 由于液体的物理性质 如密度 粘度 的不同 泵的性能就要发生变化 此外 若改变泵的转速或叶轮直径 泵的性能也会发生变化 此时 泵生产部门所提供的特性曲线 应当重新进行换算 一 液体的黏度和密度的影响 1 黏度的影响 黏度增大 原因 黏度增大 叶轮内流体流速降低 使流量减小 流体流经泵时的流动摩擦损失增大 使扬程减小 叶轮前 后盖板与液体之间的摩擦损失增大 使所需的功率增大 上述结果都使泵效率降低 当时 离心泵的特性曲线需要换算 可参考离心泵专著 2 液体密度的影响 同一种液体的密度增大 原因 泵的流量由转速和结构确定 与密度无关 由离心力产生 离心力正比于密度 流量 压头与密度无关 所以效率也与密度无关 所以压头与密度无关 3 转速的影响 按比例定律换算 转速改变 离心泵的特性曲线改变 换算条件 转速改变前后流体离开叶轮的速度三角形相似 则泵效率相等 流量之比 扬程之比 轴功率之比 流量之比 据此可从某一转速下的特性曲线换算出另一转速下的特性曲线 适用 叶轮转数变化不超过20 例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 两侧压口间垂直距离为0 5m 泵的转速为2900r min 以20 清水为介质测得以下数据 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 轴功率和效率 解 1 泵的压头真空表和压强表所在处的截面分别以1 1 和2 2 表示 在两截面间列以单位重量液体为衡算基准的柏努利方程式 即 其中 表压 表压 4qv 两表间的管路很短 其间流动阻力可忽略不计 即 故泵的压头为 2 泵的轴功率 功率表测得的功率为电动机的输入功率 由于泵为电动机直接带动 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 因电动机本身消耗部分功率 其功率为93 于是电动机输出功率为 He 3 泵的效率由式知 例2 确定输送设备的有效功率例 如图所示 用泵将河水打入洗涤塔中 喷淋下来后流入下水道 已知管道内径均为0 1m 流量为84 82m3 h 水在塔前管路中流动的总摩擦损失 为10J kg 喷头处的压强较塔内压强高0 02MPa 水从塔中流到下水道的阻力损失可忽略不计 泵的效率为65 求泵所需的功率 分析 求Pa Pa heqm 求he 柏努利方程 p2 塔内压强 截面的选取 解 取塔内水面为截面3 3 下水道截面为截面4 4 取地平面为基准水平面 在3 3 和4 4 间列柏努利方程 将已知数据代入柏努利方程式得 计算塔前管路 取河水表面为1 1 截面 喷头内侧为2 2 截面 在1 1 和2 2 截面间列柏努利方程 式中 将已知数据代入柏努利方程式 泵的功率 五 操作与调节 1 管路特性曲线 前面讨论的管路特性曲线 表明的是管路中流体流量与所需补加能量的关系 管路特性方程 2 流量调节 离心泵的实际工作状况 流量 压头 是由泵特性和管路特性共同决定的 管路特性方程 泵的特性方程 M点所对应的流量qV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 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A点移到D点 流量由qVA降到qVD 阀门上阻力损失变化 节流 多消耗在阀门上能量 2 流量调节 改变管路特性曲线 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 流量加大 优点 调节迅速方便 流量可连续变化 缺点 流量阻力加大 要多消耗动力 不经济 适用 流量调节幅度不大 须经常调节的地方 b 支路法 若把泵的转速降至n 则H qV线下移 工作点移至M 流量减小到q VM 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 适用 流量变化幅度大的场合 改变泵的特性曲线 管路特性不变 若把泵的转速提高 则H qV线上移 工作点上移 流量加大 3 组合操作 1 并联 单台泵不能满足输送任务要求可采用多台泵的并联和串联 两泵型号相同 吸入管路相同 在同一压头下 两台并联泵的流量等于单台泵的两倍 并联泵的流量qV并和压头He并 由并联泵的合成特性曲线与管路特性曲线交点决定 并联泵合成特性曲线作图在同一压头纵坐标上某一点作水平线交单泵曲线 延长该线使之2倍 得到一新坐标点 重复操作得若干坐标点 连线 红 A线泵特性曲线C线管路特性曲线B线组合操作曲线 两台并联泵的合成特性曲线 按同一压头下两台并联泵流量是单泵两倍的原则取点的坐标 由图可见 合成曲线与原管路曲线交于新工作点 泵合成特性曲线改变在相同压头下 流量加倍 管路特性曲线不变 并联泵的工作点 并联泵总流量和总压头 流量增加不到原来单泵的两倍 原因 管路存在阻力损失 并联泵效率等于单泵在qV 单现时的工作效率 b点处 2 串联 在同一流量下 两台串联泵的压头为单台泵的两倍 串联泵的流量qV串和压头He串 由串联泵的合成特性曲线与管路特性曲线交点决定 两台串联泵的合成特性曲线 按同一流量下两台串联泵的压头是单泵两倍的原则取点的坐标 串联合成特性曲线作图在同一流量横坐标上某一点作垂线交单泵曲线 延长该线使之2倍 得到一新坐标点M 重复操作得若干坐标点 连线 红 由图可见 合成曲线与原管路曲线交于新工作点M 泵的合成特性曲线改变相同流量下 压头加倍 泵型号相同 首尾相连 管路合成特性曲线不变 串联泵的工作点 串联泵的总流量和总压头 压头增加不到原来单泵的两倍 串联泵效率等于单泵在qV 单现 即qV 串 时的工作效率 b点处 3 离心泵组合方式的选择 应采用串联操作原因 并联泵压头不够大 实际情况多数属于单泵可以输液 只是流量达不到指定要求 串 并联都满足时 应根据管路特性选择 截距K 大于单泵提供的最大扬程 主要应根据组合后作为一个新泵的合成特性曲线与管路特性曲线比较确定 一般化工企业高阻管路较多 低阻输送管道 采用并联优于串联 高阻输送管道 采用串联适合 上面介绍的是两台型号相同的离心泵的串 并联操作 现在提出两个问题 三台或三台以上离心泵的串或并联操作时的流量 扬程如何确定 如果两台型号不同的离心泵能否串或并联操作 和两台型号相同的串 并联操作问题是否有区别 解答 三台或三台以上泵的串 并联操作问题与两台的类似 若为三台并联 则并联泵的合成特性曲线的横坐标为单台泵的三倍 而纵坐标不变 若为三台串联 则串联泵的合成特性曲线的纵坐标为单台泵的三倍 而横坐标不变 两台型号不同的离心泵能够串或并联操作 以两台型号不同的离心泵的并联操作为例 按并联泵特点 即同一扬程下 并联泵系的流量为单泵之和 作出合成特性曲线 在H qV图上纵坐标不变 横坐标相加 由图可见 当qV 0 qVA 与 泵无同一扬程 只有当qV qVA后 两泵才有相同的扬程 图中M为并联的工作点 qVA qV 接下来提出三个问题供课后讨论 在流量qV 0 qVA段 并联系的合成曲线怎样作 泵有无液体流出 在流量qV 0 qVA段 如 泵无液体流出 那么 泵输出的液体是否会反作用于 泵的泵体 冲击叶轮使泵反转 如果上述使 泵反转有可能 不同型号泵并联使用时 安装与操作上应采取什么措施 作业 P953 4 7 8 六 泵的安装 1 汽蚀现象 若p1低于液体的饱和蒸汽压 液体部分会发生汽化 汽蚀 部分液体汽化引起 与泵的安装高度有关 可以输液 损坏泵 气缚 由于泵的密封不良漏气造成 与泵的本身质量有关 不能输液 汽蚀与气缚比较 由离心泵的工作原理可知 在离心泵的叶轮中心 叶片入口处 即K K处 形成低压区 是最易汽化之处 一旦有汽化现象 含气泡的液体进入叶轮后 因压强升高 气泡凝聚 产生局部真空 周围液体的高速补充 造成冲击和振动 以及氧气对金属的化学腐蚀 其结果导致叶片过早损坏 这种现象称为泵的汽蚀 假如 pK pv t pv t 被输液温度t时的饱和蒸汽压 则液体发生汽化产生汽泡 汽泡随同液体从低压区流向高压区 在高压的作用下迅速凝聚或汽泡破裂 与此同时 汽泡周围的液体会以极高的速度冲向原汽泡所占据的空间 在冲击点处可形成高达几万kpa的压强 冲击频率可高达每秒几万次之多 若当汽泡的凝聚发生在叶片表面附近时 众多液体质点犹如细小的高频水锤撞击叶片 侵蚀叶片和叶轮 这种不正常现象称为汽蚀现象 汽蚀产生的条件 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 汽蚀发生的位置 叶轮内压力最低处 叶轮内缘 叶片背面K处 汽蚀产生的后果 汽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 2 临界汽蚀余量 NPSH C与必需汽蚀余量 NPSH r 为防止气蚀现象发生 在离心泵入口处液柱的静压头 的一个最小值 其差值为临界富余压头 称为临界汽蚀余量 NPSH C m 液柱 1 1截面与K K截面 泵内刚汽蚀时 液体饱和蒸汽压 设汽蚀发生临界条件下 泵入口处机械能与液体汽化时的势能的差值 由此可见 关于 NPSH c NetPositiveSuctionHead 泵抗汽蚀能力的参数 NPSH c 则泵抗汽蚀能力 NPSH c f 泵结构 流体种类 流量 但如果流量一定且流动进入阻力平方区 则 NPSH C只与泵的结构尺寸有关 抗汽蚀性能参数 通过实验测定 流量 则 NPSH c 泵抗汽蚀能力 所以 计算 NPSH c必须在最大流量下进行 当 泵可正常工作 即实际汽蚀余量NPSH 实际气蚀余量 必需气蚀余量 0 5米 即 NPSH NPSH r 0 5米 NPSH r NPSH C 0 3米必需气蚀余量 可以查图得到列入原产品样本 NPSH r NPSH C 米 为了保证离心泵能够正常 安全的工作 根据有关标准 3 最大安装高度与最大允许安装高度 当泵的安装位置达到某一极限高度时 刚好发生汽蚀现象 这一极限高度称为泵的最大安装高度 通常将减去一定量作为安装高度的上限称为最大允许安装高度 求算 在0 0及K K截面间列机械能衡算式 在计算泵的必须以使用过程中可能达到的最大流量进行计算 Hg越大越有利于使用 根据 即 方法 应尽可能减小泵吸入管段阻力 注意 1 离心泵的气蚀余量值是与其流量有关的 大流量下 NPSH 较大 因此必须注意使用最大额定流量值进行计算 2 离心泵安装时 应注意选用较大的吸入管路 减少吸入管路的弯头 阀门等管件 以减少吸入管路的阻力 3 当液体输送温度较高或液体沸点较低时 可能出现允许安装高度为负值的情况 此时 应将离心泵安装于贮槽液面以下 使液体利用位差自流入泵内 问题 z 能否为负值 答 可以 例如 精馏塔裙座高8 10m 1 离心泵的类型1 按照轴上叶轮数目的多少 单级泵 多级泵 轴上只有一个叶轮的离心泵 适用于出口压力不太大的情况 轴上不止一个叶轮的离心泵 可以达到较高的压头 离心泵的级数就是指轴上的叶轮数 我国生产的多级离心泵一般为2 9级 D 2 按叶轮上吸入口的数目 单吸泵 双吸泵 叶轮上只有一个吸入口 适用于输送量不大的情况 叶轮上有两个吸入口 适用于输送量很大的情况 七 离心泵的类型与选用 Sh 3 按离心泵的不同用途 清水泵 输送清水和物性与水相近 无腐蚀性且杂质很少的液体的泵 IS 单级单吸 即原B型 耐腐蚀泵 接触液体的部件 叶轮 泵体 用耐腐蚀材料制成 要求 结构简单 零件容易更换 维修方便 密封可靠 用于耐腐蚀泵的材料有 铸铁 高硅铁 各种合金钢 塑料 玻璃等 F型 油泵 输送石油产品的泵 要求密封完善 Y型 杂质泵 输送含有固体颗粒的悬浮液 稠厚的浆液等的泵 又细分为污水泵 砂泵 泥浆泵等 要求不易堵塞 易拆卸 耐磨 在构造上是叶轮流道宽 叶片数目少 p型 FY 工作原理 液下泵 无泄漏 叶轮与电机联为一整体 1