化工基础修改稿

化工基础 化工过程 化工原理 化工原理主要研究一些化学工艺过程可能涉及的一些物理过程 无明显化学反应 如氨气的吸收 反应工程存在化学反应 如氨气的合成 单元操作过程 反应过程 反应工程 工艺设计 流体输送冷凝蒸发热交换结晶吸收萃取吸附干燥蒸馏 传热 传质 三传 化工原理 动量传递 三传 研究中的问题 速率 怎样加快速率 影响速率快慢的阻力因素 动力 阻力 传递过程进行的方向和能达到的限度 物系的平衡关系决定 经济核算 能量衡算 物料衡算 一 衡算的基本概念 以整个系统为衡算对象 输入 输出 内部积累 对于稳态系统 输入 输出 一 衡算的基本概念 以某种元素或某种物质为衡算对象 输入速率 输出速率 转化速率 积累速率 质量衡算的一般方程 转化速率或反应速率 单位时间因化学反应而转化的质量 组分为生成物时为正值 质量增加 单位时间 此时的反应一般来说 相对比较简单 反应工程主要研究反应器内的传递过程和化学反应的相互关系和影响 目的在于控制生产规模下的化学反应过程 实现反应器的最佳设计 化工基础的特点及学习方法 化工是一门工程技术学科 面临着真实 复杂的化工生产过程 要完全如实逼真的描述几乎不可能 学习方法 简化 借助于经验归纳 注意条件的限制 注意 工程单位与国际单位之间的换算 常用压力计量单位及其标识符号 兆帕 MPa 千帕 kPa 帕 Pa 毫米汞柱 mmHg 毫米水 mmH2O 千克力 厘米2 kgf cm2 物理大气压 atm 巴 bar 毫巴 mbar 第一章流体流动 流体的基本性质流体流动的基本规律管内流体流动现象实际流体流动时的阻力流体流量的测量 流体的基本性质 压力密度与比体积流量与流速粘度流体静力学基本方程式 压力的表达方式 绝对压以绝对零压为起点而计量的压力 即流体的真实压力表压以大气压力为基准而计量的压力 当被测压力高于大气压时 所测压力称为表压表压 绝对压力 大气压力真空度以大气压力为基准而计量的压力 当被测压力低于大气压时 工程上称为负压 所测压力称为真空度真空度 大气压力 绝对压力 流体的密度与比体积 可压缩流体与不可压缩流体 实际流体都是可压缩的 液体的体积随压力及温度变化很小 一般把它当作不可压缩流体 流量的表示方法 单位时间内流体流经管道任一截面的流体量 称为流体的流量 两种常用表示方法 体积流量以符号qv表示 单位为m3 s 1质量流量以符号qm表示 其单位为kg s 1两种计量方法的换算关系 流速的表示方法 流速的表示通常有两种方法 点速度运动途径中某一点位置的即时速度平均速度指流道整个截面上的平均流速 用u表示 点速度 平均速度 通常 流体在管内流动时 管道中心流速最大 越靠近管壁 流速越小 在紧靠管壁处 流速为零 造成这种现象的原因 流体具有粘性 一些生活中常见现象 流动性 油 水 粘性 油 水 气体 液体 气体 水 实验证明流体粘性的存在 流体在圆管内流动的速度分布 管中心处 愈近壁处 管壁处 速度沿管截面变化 管内流动流体 速度沿管截面变化 由于流体本身粘性及其与管壁间存在摩擦力 使流体在管道截面上形成流速分布 流体在圆管内的流动 可以看成分割成无数极薄的圆筒层 其中一层套着一层 各层以不同的速度向前流动 即流体层之间存在速度差异 发生相对运动 速度较快的流体层对与其相邻速度较慢的一层有牵引的作用力 速度较慢的流体层对其上层则有着一个阻力 二力大小相等方向相反 这种存在于运动流体内部相邻两流体层之间的相互作用力即为流体的内摩擦力 因粘性产生 流体流动内摩擦力流动阻力消耗机械能热能能量损失 内摩擦力是一种剪力 它的大小体现了流体粘性的大小 内摩擦力越大 粘性越大 内摩擦力越小 粘性越小 牛顿粘性定律 实验证明 对于一定流体 内摩擦力与接触面积A成正比 与速度梯度成正 粘度系数 单位 速度梯度垂直于流动方向的速度变化率 dy u u du 将上式稍作变化 当时 牛顿粘性定律 剪应力 数值 流体的粘性仅在流动时才表现出来 粘度系数的单位 的单位 粘度系数的意义 粘度是度量流体粘性大小的物理量 粘性大 大 通常 液体温度气体温度同条件下 流体静力学基本方程式 内容 P P0 gh适用对象 静止 连续的流体作用 将压力转化成液柱高度液面上方压力一定 静止 连续的同一液体内 处于同一水平面上的各点其压力相同 液面上方压力P0变化时 必将引起液体内部各点压力发生同样大小的变化 压力或压差的大小可用液柱高度表示 液柱高度与液体密度大小相关 压力测量工具 流体静力学原理的应用之一 压力表测较高压力用U形管压差计U形管压力计的结构如图所示 管中盛有与测量液体不互溶 密度为1的指示剂 U形管的两个侧管分别连接到被测系统的两点 随测量的压力差的不同U形管中指示液所显示的高度差亦不相同 根据流体静力学基本原理 简化得 a b 由读数R可以知道1点和2点的压力差 欲测量管路中某点压力 将注 若要使U形管测压计更灵敏 则和 越接近越好 U形管一端接空 压差计还有倒置U形管压差计 微差压差计 液面测定 流体静力学原理应用之二 压差计的读数R指示容器中的液面高度 液面越高 读数越小 最高液位 平衡室 U形管压差计 容器 容器中的液面达到最高允许液位时 压差计的读数 为零 流体流动的基本规律 稳态流动和非稳态流动流体流动的基本规律 定态流动流体在管道中流动时 若在任一截面上流体的流速 压力 密度等有关物理量仅随位置而改变 但不随时间而改变 称为定态流动 即任何一参数只跟位置有关 只是位置参数 非定态流动只要有一项随时间而变化 则称为非定态流动 以后我们的研究均系稳态流动问题 定态 稳态 流动和非定态流动 流体流动中的物料衡算和能量衡算表征流体流动规律有连续性方程和柏努利方程 流体流动的基本规律 定态流动过程中的质量衡算 连续性方程 如图所示 对截面1 1 和2 2 之间作衡算 即推广到任意一截面 流体连续性方程 若流体为不可压缩流体 即上式 常数 则 qV u1A1 u2A2 unAn 常数推广到管道任一截面 即 流速与直径的平方成反比 对于圆形管道 流体流动中的能量衡算 柏努利方程 流体所具有的能量形式 动能 位能 静压能以及流体本身的内能 动能流体以一定的流速流动时 便有一定的动能 位能流体因受重力的作用 在不同高度处具有不同的位能 即重力势能 mgZ 静压能如图 在流体流动的管壁上开一个小孔 并垂直连接一根玻璃管 可以观察到液体在玻璃管内上升到一定高度 液柱的高度是运动着的流体在该截面处的静压力的大小 证明静压能的存在 静压能大小的表征 如果要使流体在管内通过 就需要对流体做功 以克服流体所具有的静压力 对流体所做的功 静压能 内能内能 又称热力学能 是流体内部大量分子运动所具有的内动能和分子间相互作用力而形成的内位能的总和 理想流体流动过程的能量衡算 如图 设在单位时间内有质量为m kg 密度为 的理想流体在管中做定态流动 在截面1 l 和截面2 2 间进行能量衡算 流动时没有内摩擦力的流体 即粘度 0理想流体在流动过程中 没有内能损失 能量衡算时只需考虑机械能之间的转换 管截面上的点速度 平均速度 柏努利方程 式两边同除g 即对于单位重力流体 有 式两边同除m 即对于单位质量流体 有 由柏努利方程可知 理想流体的总机械能是守恒的 但不同形式的机械能之间是可以转化的 柏努利方程的物理意义可以从题图中得到说明 若忽略A B间的阻力损失 试判断B玻璃管水面所处的刻度 A a位置B c位置C b位置 使用柏努利方程的注意事项 1 柏努利方程的适用条件 3 式中的压力P1 P2必须一致 2 选取截面时要注意 流体在两截面间必须连续稳态流动 且选取的两截面必须与流动方向垂直 不可压缩流体稳态 连续的流动 同为表压或同为绝对压 形式要一致 不能混用 实际流体的能量衡算 1 能耗 4 如果流体输送过程中有能量输入 输入能量为He 则能量衡算式变为 3 如果截面很大 u 0 实际流体的能量衡算式 2 管内流速的取法 柏努利方程的应用 1 求流量 u 2 安装高度 z 3 调节阀流通能力 4 输送流体机械功率 W 例题 用泵将贮槽中的稀碱液送到蒸发器中进行浓缩 泵的进口管为 89mm 3 5mm的钢管 碱液在进口管的流速为1 5m s 泵的出口管为 76mm 3mm的钢管 贮槽中碱液的液面距蒸发器入口处的垂直距离为7m 碱液经管路系统的机械能损失为40J kg 蒸发器内碱液蒸发压力 表压 保持在20kPa 碱液的密度为1100kg m3 试计算所需的外加机械能 管内流体流动现象 流体的流动类型流体在圆管中的速度分布 流体流动类型 P115 雷诺实验目的 1 观察流体流动时内部质点运动情况2 考察各种因素对流动状态的影响 雷诺实验装置如图 水箱2内有溢流装置 以维持实验过程中液面的恒定 在水箱的底部安装一段入口呈喇叭状等径的水平玻璃管4 管出口处装有调节阀门5调节出水流量 水箱正上方装有带阀门的盛有红色墨水的玻璃瓶1 红墨水由导管经过安置在水平玻璃管中心位置的细针头3流入管内 质点沿轴线方向运动无径向运动 层流 u低 u增大 质点作波动 过渡区 u再大 湍流 质点作无规则脉动 两种流动类型 层流 滞流 质点始终与管轴平行的方向作直线运动 质点之间无混合湍流质点的速度沿各个方向 大小也在不断变化 且质点间相互碰撞混合 运动比较剧烈 影响流体流动类型的因素 包括 d 管径 u 流速 密度 粘度 将这些因素综合起来 可用一个准数Re来描述 惯性力 粘性力 Re 无因次 有一定物理意义 雷诺数Re 流动类型判断的依据 Re 2000层流 滞流 2000 Re 4000过渡区Re 4000湍流 流体在圆管中的速度分布 1 层流 滞流 滞流时流速沿管径呈抛物线分布 管中心处流速最大 管截面各点速度的平均值为管中心处最大速度的0 5倍 2 湍流湍流时 流体质点强烈湍动有利于交换能量 使得管截面靠中心部分速度分布比较均匀流速分布曲线前沿平坦 而近壁部分的质点受壁面阻滞 流速分布较为陡峭 湍流的平均速度约为最大速度的0 8倍 注 流体作湍流流动时 存在 主体 湍流过渡区近壁处 层流底层 存在速度梯度 存在速度梯度 流动边界层boundarylayer Laminarsuber layer 流动边界层 将流体受壁面影响而存在速度梯度的区域称为流体流动的边界层 边界层的界限延伸至距壁面无穷远处 工程上规定u 0 99u主体 在边界层内 由于速度梯度较明显 即使流体的粘性很小 粘滞力的作用也不容忽略 在边界层以外 速度梯度小到可以忽略 无需考虑流体的粘滞力 当流体流入圆管时 只在进口附近一段距离内 入口段 有边界层内外之分 经此段距离后 边界层扩大到管中心 如图 在会合时 若边界层内流动是滞流 则以后管路中的流动为滞流 若在会合点之前边界层内流动已发展为湍流 则以后管路中的流动为湍流 边界层与固体壁面相脱离 边界层分离 流动中产生大量旋涡 第三节边界层理论 三 边界层分离 绕过钝体的稳态流动 钝体尾部上的边界层 边界层与固体壁面相脱离内部充满旋涡 导致流体能量大量损失 是粘性流动流动时产生能量损失的重要原因之一 第三节边界层理论 当流体流过表面曲率较大的曲面时 三 边界层分离 一 现象 流体流过表面曲率较大的曲面时 边界层外流体的速度和压强均沿流动方向发生变化 边界层内的流动会受到很大影响 流道断面变化 流速变化 压强变化 u增大 压强减小 u减小 压强增加 第三节边界层理论 三 边界层分离 二 过程 分离点 逆压区 流体惯性力与压强差克服流体的粘性力 顺压区 流体惯性力克服粘性力和逆压强 流体质点的速度逐渐减小 D点近壁面处流体质点速度为零 D点之后 第三节边界层理论 三 边界层分离 层流 滞流 底层 湍流流动还有一个特征 无论流体主体的湍动程度如何剧烈 在靠近管壁处总有一层作滞流流动的流体薄层 称之为滞流底层或层流底层 其厚度随雷诺数的增大而减小 但永远不会消失 滞流内层的存在对传热过程和传质过程有很大的影响 工业生产中的流体流动大多数是以湍流形态进行的 流体流量的测量工具 孔板流量计文丘里流量计转子流量计 结构关键 在管道中安装一片中央带有圆孔的孔板原理由于惯性的作用流体流经小孔后 继续收缩至最小 然后再逐渐扩大到整个管子 u1 u0 u2流体在截面2处速度最大 压强最低 但由于要克服流过孔板前 后突然缩小和突然扩大的阻力 E1 E2 孔板流量计正是利用孔板前后能量的变化 用柏努利方程推导出来的 优点结构简单 制造方便 应用广泛缺陷能量损耗大为了减小阻力损失 将其外形进行更精心的改装 设计的更具流线形 即为文丘里流量计 结构带刻度线 垂直安装的自下而上截面积逐渐增大的锥形玻璃管 上下浮动且能旋转自如的转子转子 可由金属制成 也可由其他材料制成要求 密度比流体密度大原理当流体自下而上流过锥形管时 分析转子受力 根据物体受力平衡 转子承受的压力差 转子净重力 转子重力 流体对转子的浮力 由上式可知 当转子静止在任何位置时 P总为定值 与流量无关 转子停留在某固定位置时 流经该环形截面的流量和压强差的关系与流体通过孔板流量计小孔的情况类似 可仿照孔板流量计公式写出转子流量计流量公式 若用于其他流体的测量 还需对原有刻度进行重新标定 转子流量计的刻度需要校正 一般用20 清水进行标定 流体流动的阻力 流体在管内流动的总阻力损失流体在直管中的流动阻力 P119 局部阻力 流体在管路中流动阻力与流速有关 不同的流动状态 不同的管路 其阻力系数是不同的 应分别讨论 式中 是阻力系数 流体在直管中的阻力公式推导层流的摩擦阻力湍流的摩擦阻力 经验公式 查图表 湍流时阻力损失定性分析 受管道粗糙度影响很大 光滑管和粗糙管描述粗糙度的参数 层流时 粗糙度的影响 湍流时 粗糙度的影响 不大 1 层流底层厚度 2 层流底层厚度 光滑管流动 完全湍流 完全粗糙管 量纲分析法 公式推导 无法用理论分析法得到湍流时摩擦阻力系数的公式 量纲分析法的基础 量纲一致性量纲分析法的基本定理 定理设该现象所涉及的物理量数为n个 这些物理量的基本量纲数为m个 则该物理现象可用N n m 个独立的量纲为一的量之间的关系式表示 流体在内径为d的管中以流速u作定态流动 如图选取衡算面 直管阻力的计算通式 范宁公式 局部阻力的计算 阻力系数法模仿总阻力损失的计算公式 将局部阻力引起的能量损失 表示为动压头的一个倍数 当量长度法将局部阻力损失折算成相当长度的直管的阻力损失 此相当的管长度称为当量长度le 进口 出口 常用管件和阀门局部阻力系数表 用于湍流 阻力损失计算例题 常温水由一敞口贮罐用泵送入塔内 水的流量为20m3 h 塔内压力为196KPa 表压 泵的吸入管长度为5m 108mm 4mm 泵出口到塔进口之间的管长为20m 管径 57mm 3 5mm 塔进口前的截止阀半开 试求此管路系统输送水需要的外加机械能 取 d 0 001 第二章流体输送机械 流体输送机械的作用常用流体输送机械 常用的流体输送机械 泵的分类 1按工作原理分 叶片式泵有高速旋转的叶轮 如离心泵 轴流泵 涡流泵 往复泵靠往复运动的活塞排挤液体 如活塞泵 柱塞泵等 旋转式泵靠旋转运动的部件推挤液体 如齿轮泵 螺杆泵等 清水泵适用于粘度与水相近的 无腐蚀性 不含杂质的流体 如离心泵 油泵适用于高粘度的流体 如齿轮泵 旋转泵等 耐腐蚀泵杂质泵 2按用途分 离心泵 centrifugalpump 的特点 结构简单 流量大而且均匀 操作方便 第二节离心泵 为流体提供能量的机械称为流体输送机械 在生产加工中 常常需要将流体从低处输送到高处 从低压送至高压 沿管道送至较远的地方 流体输送机械的作用 为达到此目的 必须对流体加入外功 以克服流体阻力及补充输送流体时所不足的能量 离心泵 一 结构 1 叶轮 6 12片后弯叶片 增能 impeller 2 泵壳 蜗壳形 内有逐渐扩大的通道 pumpbody 转能 吸入管 底阀 工作原理1 当电动机带动叶轮旋转时 充满在泵体内的液体在离心力作用下 从叶轮中心抛向叶轮外缘 由于流速增大 动能增加 2 液体从叶轮流进泵壳 液体的流道逐渐扩大 流速逐渐降低 其中部分动能转化为静压能 使液体静压能提高 最终以较高的静压强流入压出管道 3 泵内液体由于离心力作用 从叶片中心向外缘抛出时 中心 即叶轮进水口的周围 形成低压区 P入 P液 在吸入端液面 贮槽液面 和泵吸入口之间的压差作用下 液体就经吸入管进入泵内 4 只要叶轮不停地转动 液体就能连续不断地从叶轮中心吸入 并能以一定的压强连续不断地排出 实现输送的目的 注意 1 离心泵在启动前应灌泵 使泵体内和吸入管路内充满被输送的液体 原因 离心泵能输送液体 主要靠离心力的作用 流体的密度越大 产生的离心力也越大 若启动前 泵内存在空气 因空气的密度远小于液体的密度 产生的离心力很小 叶轮中心所形成的低压不足以形成吸上液体所需要的真空度 此时泵虽启动 但不能输送液体 这种现象称为气缚 表明泵无自吸能力 2 若离心泵的吸入口位于贮槽液面上方时 在吸入管路的进口处应安装带滤网的底阀 3工作过程 启动后 叶轮旋转 并带动液体旋转 液体在离心力的作用下 沿叶片向边缘抛出 液体以较高的静压能及流速流入机壳 沿叶片方向 u P静 由于涡流通道的截面逐渐增大 P动 P静 液体以较高的压力排出泵体 流到所需的场地 叶片不断转动 液体不断被吸入 排出 形成连续流动 由于液体被抛出 在泵的吸口处形成一定的真空度 泵外流体的压力较高 在压力差的作用下被吸入泵口 填补抛出液体的空间 启动前 前段机壳须灌满被输送的液体 以防止气缚 离心泵实际安装示意图 泵壳 蜗牛壳形通道 有利于将叶轮抛出液体的动能转变成静压能 有利于减少能耗 叶轮 二 离心泵的主要工作部件 离心泵压头的大小取决于泵的结构 如叶轮直径的大小 叶片的弯曲情况等 转速及流量 三 离心泵的主要性能参数离心泵的主要性能参数有流量 扬程 功率和效率 扬程 J N或m液柱泵的扬程 又称泵的压头 是指单位重量液体流经泵后所获得的能量 流量Q 或m3 泵的流量 又称送液能力 是指单位时间内泵所输送的液体体积 一定转速下 扬程与流量之间有关系 可通过实验测定 如右图所示 在泵的进出口处分别安装真空表和压力表 在真空表与压力表之间列柏努得方程式 即 实验 泵压头的测定 式中 pM 压力表读出压力 表压 N m2 pV 真空表读出的真空度 N m2 u1 u2 吸入管 压出管中液体的流速 m s Hf 两截面间的压头损失 m 2 1 两截面之间管路很短 其压头损失 Hf可忽略不计 2 2 简化式 2 1 若以HM及HV分别表示压力表真空表上的读数 以米液柱 表压 计 2 1 两截面之间动压头差很小 通常可忽略不计 例 某离心泵以20 水进行性能实验 测得体积流量为720m3 h 泵出口压力表读数为3 82kgf cm2 吸入口真空表读数为210mmHg 压力表和真空表间垂直距离为410mm 吸入管和压出管内径分别为350mm及300mm 水在20 时密度为 998kg m3 试求泵的压头 解 根据泵压头的计算公式 则有 查得水在20 时密度为 998kg m3 则HM 3 82 10 0 38 2mH2OHV 0 210 13 6 2 86 H2O 计算进出口的平均流速 将已知数据代入 则 3 功率和效率1 轴功率Na指电动机输入离心泵泵轴的功率 W 2 有效功率Ne单位时间内液体流经泵实际所获得的能量 W 即单位 W 泵内部损失主要有三种 容积损失水力损失机械损失 效率 所以泵轴所作的功并不可能全部为液体所获得 以效率 反映泵工作时能量损失大小的参数 100 容积损失是由于泵的泄漏造成的 离心泵在运转过程中 有一部分获得能量的高压液体 通过叶轮与泵壳之间的间隙流回吸入口 从泵排出的实际流量要比理论排出流量为低 其比值称为容积效率 1 容积损失 原因 水力损失是由于流体流过叶轮 泵壳时 由于流速大小和方向要改变 且发生冲击 而产生的能量损失 泵的实际压头要比泵理论上所能提供的压头为低 其比值称为水力效率 2 水力损失 原因 机械损失是泵在运转时 在轴承 轴封装置等机械部件接触处由于机械磨擦而消耗部分能量 泵的轴功率大于泵的理论功率 即理论压头与理论流量所对应的功率 理论功率与轴功率之比称为机械效率 3 机械损失 特性曲线 characteristiccurves 在固定的转速下 离心泵的基本性能参数 流量 压头 功率和效率 之间的关系曲线 强调 特性曲线是在固定转速下测出的 只适用于该转速 故特性曲线图上都注明转速n的数值 四 离心泵的特性曲线 变化趋势 离心泵的压头在较大流量范围内是随流量增大而减小的 不同型号的离心泵 Q曲线的形状有所不同 较平坦的曲线 适用于压头变化不大而流量变化较大的场合 1 Q曲线 重要特性 较陡峭的曲线 适用于压头变化范围大而不允许流量变化太大的场合 变化趋势 Q曲线表示泵的流量Q和轴功率 的关系 随Q的增大而增大 2 Q曲线 Q 0 泵轴消耗的功率最小 但不为0 启动泵 关闭泵时的操作 启动离心泵时 为了减小启动功率 应将出口阀关闭 变化趋势 开始 随Q的增大而增大 达到最大值后 又随Q的增大而下降 Q曲线最大值相当于效率最高点 泵在该点所对应的压头和流量下操作 其效率最高 故该点为离心泵的设计点 3 Q曲线 最高效率点 设计点 高效区 泵在最高效率点条件下操作最为经济合理 但实际上泵往往不可能正好在该条件下运转 一般只能规定一个工作范围 称为泵的高效率区 高效率区的效率应不低于最高效率的92 左右 强调 泵在铭牌上所标明的都是最高效率点下的流量 压头和功率 离心泵产品目录和说明书上还常常注明最高效率区的流量 压头和功率的范围等 泵的高效率区 根据生产任务选用离心泵时 应尽量使所选的泵在最佳工况附近范围内 一般为最高效率的92 左右以上的区域 操作 离心泵的特性曲线随转速而变 因而特性曲线上一定要标出转速离心泵的特性曲线是在固定转速下 由输送清水实验所测定的 若输送液体与水的物理性质差别较大时 泵的特性曲线必须进行校正 泵生产部门所提供的特性曲线是用清水作实验求得的 当所输送的液体性质与水相差较大时 要考虑粘度及密度对特性曲线的影响 4物理性质对特性曲线的影响 所输送的液体粘度愈大 泵体内能量损失愈多 结果 4 1粘度的影响 压头 减小 流量 减小 效率 下降 轴功率 增大 所以特性曲线改变 离心泵的压头与密度无关 定性分析 注 当被输送液体的密度与水不同时 不能使用该泵所提供的 曲线 而应按 2 4a 及 2 5 重新计算 泵的轴功率随液体密度而改变 4 2密度的影响 p1 pa p1有一定真空度 真空度越高 吸力越大 Hg越大 当p1小于一定值后 p1 pv pv为环境温度下液体的饱和蒸汽压 将发生气蚀现象 pv100 760mmHg pv40 55 32mmHg 五 离心泵的安装高度和气蚀现象1气蚀现象 为避免发生气蚀现象 应限制p1不能太低 或Hg不能太大 即泵的安装高度不能太高 安装高度Hg的计算方法一般有两种 允许吸上真空高度法 气蚀余量法 2安装高度 离心泵的安装高度 如图选取衡算面 在两截面间进行能量衡算 得 允许吸上真空高度Hs 泵入口处压力所允许的最低绝对压力p1 贮槽上方通大气 Hs与泵的结构 液体的物化特性 当地的大气压等因素有关 一般 Hs 5 7mH2O 允许吸上真空度 mH2O 泵安装地点的海拔越高 海拔高度 液体温度 Hg 大气压力就越低 允许吸上真空高度就越小 输送液体的温度越高 所对应的饱和蒸汽压就越高 泵的允许吸上真空高度也就越小 影响泵安装高度的补充因素 原因 在泵的说明书中所给出的Hs是大气压为10mH2O 水温为20 状态下的数值 如果泵的使用条件与该状态不同时 则应把样本上所给出的Hs值 按下式换算成操作条件下的Hs 值 泵允许吸上真空高度的换算 泵制造厂只能给出Hs值 而不能直接给出Hg值 因为每台泵使用条件不同 吸入管路的布置情况也各异 有不同的u2 2g和 Hf值 所以 只能由使用单位根据吸入管路具体的布置情况 由计算确定Hg 问题 泵制造厂能直接给出泵的安装高度吗 如何用允许吸上真空高度确定泵的安装高度 Hg 泵的安装高度 u2 2g 进口管动能 Hf 进口管阻力 Hs 允许吸上真空高度 由泵的生产厂家给出 提高Hg的方法 取截面0 0 1 1 并以截面0 0为基准面 在两截面间柏努利方程 可得 若贮槽为敞口 则p0为大气压pa 则有 2 9 2 10 汽蚀余量 h是指离心泵入口处 液体的静压头p1 g与动压头u12 2g之和超过液体在操作温度下的饱和蒸汽压头pv g的某一最小指定值 即 汽蚀余量 将式 2 9 与 2 12 合并可导出汽蚀余量 h与允许安装高度Hg之间关系为 上式中p0为液面上方的压力 若为敞口液面则p0 pa 2 13 如何利用气蚀余量确定泵的安装高度 只要已知允许吸上真空高Hs与汽蚀余量中的任一个参数 均可确定泵的安装高度 注 泵性能表上的值也是按输送20 水而规定的 当输送其它液体时 需进行校正 具体校正方法可参阅有关文献 例2 2某台离心泵从样本上查得允许吸上真空高度Hs 6m 现将该泵安装在海拔高度为500m处 若夏季平均水温为40 问修正后的Hs 应为多少 若吸入管路的压头损失为1mH2O 泵入口处动压头为0 2mH2O 问该泵安装在离水面5m高度处是否合适 水温为40 时 Hv 0 75m Ha 9 74m 解 当水温为40 时 Hv 0 75m 查表得Ha 9 74m Hs Hs Ha 10 Hv 0 24 6 9 74 10 0 75 0 24 5 23m 泵的安装高度为 H Hs u12 2g Hf 5 23 0 2 1 4 93m 5m 故泵安装在离水面5m高度处不合适 离心泵在特定管路系统中工作时 液体要求泵供给的压头 可由柏努利方程式求得 即 六 离心泵的工作点当离心泵安装在一定的管路系统中工作时 其压头和流量不仅与离心泵本身的特性有关 而且还取决于管路的工作特性 1管路特性曲线 此式中压头损失为 对于特定的管路系统 l le d均为定值 湍流时摩擦系数的变化也很小 令 则式 2 14 可简化为 上式表明 在特定管路中输送液体时 所需压头 随液体流量Q的平方而变化 此关系所描绘的 Q曲线 称为管路特性曲线 它表示在特定的管路中 压头随流量的变化关系 注意 管路特性曲线的形状与管路布置及操作条件有关 而与泵的性能无关 离心泵的特性曲线H Q与其所在管路的特性曲线He Qe的交点称为泵在该管路的工作点 如图所示 工作点所对应的流量与压头既满足管路系统的要求 又为离心泵所能提供 2工作点 dutypoint 工作点所对应的流量Q与压头 既是管路系统所要求 又是离心泵所能提供的 若工作点所对应效率是在最高效率区 则该工作点是适宜的 泵的工作点表示 改变离心泵的转速或改变叶轮外径 以改变泵的特性曲线 调节流量实质上就是改变离心泵的特性曲线或管路特性曲线 从而改变泵的工作点 离心泵的流量调节 通常从两方面考虑 两者均可以改变泵的工作点 以调节流量 在排出管线上装适当的调节阀 以改变管路特性曲线 七 流量调节 当阀门关小时 管路局部阻力加大 管路特性曲线变陡 泵的工作点由M移到M1 流量由QM减小到QM1 改变阀门开度以调节流量 实质是用开大或关小阀门的方法来改变管路特性曲线 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 工作点移到M2 流量加大到QM2 1改变阀门的开度 要把泵的转数提高到n1 泵的特性曲线就上移到nM1位置 工作点由M移到M1 流量和压头都相应加大 改变离心泵的转数以调节流量 实质上是维持管路特性曲线不变 而改变泵的特性曲线 若把泵的转数降到n2 泵的特性曲线就移到nM2位置 工作点移到M2 流量和压头都相应地减小 2改变泵的转数 车削叶轮的外径是离心泵调节流量的一种独特方法 在车床上将泵叶轮的外径车小 这时叶轮直径 流量 压头和功率之间关系 可按式 2 7 进行计算 3车削叶轮的外径 采用什么方法来调节流量 关系到能耗问题 改变阀门开度调节流量方法简便 应用广泛 但关小阀门会使阻力加大 因而需要多消耗一部分能量以克服附加的阻力 该法不经济的 改变转速调节流量可保持管路特性曲线不变 流量随转速下降而减小 动力消耗也相应降低 因节能效果显著 但需要变速装置 难以做到流量连续调节 4几种流量调节方法的比较 改变叶轮直径可改变泵的特性曲线 但可调节流量范围不大 且直径减小不当还会降低泵的效率 在输送流体量不大的管路中 一般都用阀门来调节流量 只有在输液量很大的管路才考虑使用调速的方法 1 确定输送系统的流量与压头流量一般为生产任务所规定 选择离心泵的基本原则 是以能满足液体输送的工艺要求为前提的 选择步骤为 离心泵的选择 根据输送系统管路的安排 用柏努利方程式计算管路所需的压头 2 选择泵的类型与型号根据输送液体性质和操作条件确定泵的类型 按确定的流量和压头从泵样本产品目录选出合适的型号 如果没有适合的型号 则应选定泵的压头和流量都稍大的型号 如果同时有几个型号适合 则应列表比较选定 按所选定型号 进一步查出其详细性能数据 3 校核泵的特性参数如果输送液体的粘度和密度与水相差很大 则应核算泵的流量与压头及轴功率 离心泵若在启动前未充满液体 则泵壳内存在空气 由于空气密度很小 所产生的离心力也很小 此时 在吸入口处所形成的真空不足以将液体吸入泵内 虽启动离心泵 但不能输送液体 此现象称为 气缚 气缚 airbinding 为便于使泵内充满液体 在吸入管底部安装带吸滤网的底阀 底阀为止逆阀 滤网是为了防止固体物质进入泵内 损坏叶轮的叶片或妨碍泵的正常操作 气蚀现象 当离心泵的进口压力小于环境温度下的液体的饱和蒸汽压时 将有大量的蒸汽液体中逸出 并与气体混合形成许多小气泡