[工学]2流体输送

化工原理,教材：食品工程原理主讲：智科端单位：内蒙古工业大学化工学院电话-mail：,第二章 流体输送,第一节、离心泵及其计算1、离心泵构造及原理2、离心泵参数与特性曲线3、离心泵旋转与示例4、离心泵的安装高度及计算举例5、离心泵的工作点及调节举例第二节、流体输送设备,流体输送是食品生产常见的单元操作之一操作目的：使流体流动以满足生产要求。操作功能：提高位置；增加（或降低）压强；克服流 动阻力。为此均需对流体作功，其设备称为流体输送机械泵、风机、压缩机、真空泵。流体输送机械按工作原理分为：叶片式、容积式、流体作用式。学习目的：选用符合生产要求经济合理的设备；做到安全可靠、高效率运行。本章讨论流体输送机械的工作原理、性能及其选用。,第一节 离心泵,2-1 离心泵的结构和工作原理结构：叶轮紧固在泵轴上安装于蜗壳型的泵壳内，泵壳中央的吸入口、侧旁的排出口分别与管路相连，见图。 2.1A 工作原理叶轮旋转时，叶片间的液体在旋转的同时受离心力作用作径向运动，以高速进入泵壳，运动过程随流道的逐渐扩大，将大部分动能转为压强，形成高压进入排出管。液体排出后叶轮中心造成低压，在外界与泵内压差的推动下，液体经吸入管路进入泵内。只要叶轮旋转，液体就被不断吸入和排出。但是离心泵无自吸能力，若启动前泵壳内未充满液体，叶轮虽旋转很难形成低压，造成的压差不足于推动液体进入泵内，称为气缚现象（虽然启动离心泵但不能送液）。为防止气缚现象，启动离心泵时一定要灌满液体。,2.1B 离心泵的主要部件,包括叶轮、泵壳、轴封装置1.叶轮 它通常由612片后弯叶片所组成，本身被固定在泵轴上并随之旋转。作用是将原动机的机械能直接传给液体，以提高液体的静压能和动能。根据其结构和用途分为开式、半开式和闭式三种。,闭式叶轮：叶片两侧带有前后两块盖板，液体在两叶片间通道内流动时无倒流现象，适于输送较清洁的流体，输送效率高，一般离心泵多采用这种叶轮。半开式叶轮(半闭式叶轮)：吸入口一侧无前盖板，适于输送含小颗粒的溶液，输送效率低。开式叶轮：没有前后盖板。适于输送含大颗粒的溶液，效率低。,2.泵壳,泵壳亦称为蜗壳、泵体，构造为蜗牛壳形，其作用是将叶轮封闭在一定空间内，汇集引导液体的运动，并将液体的大部分动能转化为静压能。这是因为随叶轮旋转方向，叶轮与泵壳间的通道截面逐渐扩大至出口时达到最大，使能量损失减少的同时实现了能量的转化。为了减少由叶轮外缘抛出的液体与泵壳的碰撞而引起能量损失，有时在叶轮与泵壳间还安装一固定不动而带有叶片的导轮，以引导液体的流动方向(见图)。,3.轴封装置,在泵轴伸出泵壳处，转轴和泵壳间存有间隙，在旋转的泵轴与泵壳之间的密封，称为轴封装置。其作用是防止高压液体沿轴泄漏，或者外界空气以相反方向漏入。常用的有填料密封和机械密封。填料密封装置：由填料函壳、软填料和填料压盖构成，软填料为浸油或涂石墨的石棉绳，将其放入填料函与泵轴之间，将压盖压紧迫使它产生变形达到密封。,3.轴封装置(续),机械密封装置：由装在泵轴上随之转动的动环和固定在泵壳上的静环组成，两环形端面由弹簧力使之紧贴在一起达到密封目的。动环用硬质金属材料制成，静环一般用浸渍石墨或酚醛塑料等制成。机械密封的性能优良，使用寿命长。当部件的加工精度要求高，安装技术要求比较严格，价格较高。用于输送酸、碱、盐、油等密封要求高的场合。,2-2 离心泵的性能,2.2A 离心泵的主要性能参数反映离心泵工作特性的参数1、转速n：泵轴单位时间内转动周数，同电机转速，为固定值，用转/分表示（rpm）。2、流量qv：单位时间排出液体体积，m3/s。与离心泵结构、大小、转速、管路情况有关。3、扬程（压头）H：泵对1N液体提供的有效能量，H=w/g，单位m（J/N）。H与离心泵结构、大小、转速、流量、管路情况有关。注意：与升扬高度不同。4、轴功率P：泵轴转动时需要的功率，kw。与离心泵结构、大小、转速、流量有关。泵轴单位时间提供给液体的能量称为有效功率：Pe=wqm=Hgqv5、效率：有效功率与轴功率之比，=Pe/P，称为总效率。与离心泵结构、大小、转速、流量、制造精度有关，反映泵工作时能量损失（包括容积、机械、水力损失）的大小。,2.2B 离心泵的特性曲线在一定转速下，泵的H、P、随qv变化的关系曲线称为泵的特性曲线，反映离心泵的性能变化的规律，作为选用泵的依据。1、Hqv曲线：通常离心泵的H随qv增大而下降；2、Pqv曲线：通常离心泵的P随qv增大而增大；但qv=0时P0为最小，因而启动泵时应关闭出口阀门。3、qv曲线：通常离心泵的随qv增大而先增大，达到最大值时又随qv增大而下降。说明泵工作时存在一最高效率点，称为设计点，在选用泵时应使其在max点92%附近工作，即高效区。,2-3 离心泵的类型与选用,2.4A 离心泵的类型 实际生产过程中，输送的液体是多种多样的，工艺流程中所需提供的压头和流量也是千差万别的，为了适应实际需要，离心泵的种类很多。分类方式：,1.水泵,用于输送工业用水，锅炉给水，地下水及物理、化学性质与水相近的清洁液体。压头不太高，流量不太大时，采用单级单吸悬臂式离心泵，系列代号IS。泵壳和泵盖采用铸铁制成。扬程：898m，流量：4.5360m3/h；压头较高，流量不太大时采用多级泵，系列代号D。叶轮一般29个，多达12个。扬程：14351m，流量：10.8850m3/h；压头不太高，流量较大时采用双吸泵，系列代号Sh。扬程：9140m，流量：12012500m3/h。,型号说明：IS100-80-125IS单级单吸离心水泵100泵的吸入管内径，mm80泵的排出管内径，mm125泵的叶轮直径，mm,6 Sh 96吸入口直径，inSh双吸式离心水泵9比转数ns，转数被10除后的整数,2.耐腐蚀泵,用于输送酸、碱、盐等腐蚀性液体，系列代号F。特点：采用不同耐腐蚀材料制造或衬里，密封性能好。扬程范围：15105m，流量范围：2400m3/h。型号说明：80FS-2480吸入口直径，mmF耐腐蚀泵系列代号S材料代号(聚三氟乙烯)24扬程，m,40FM1-2640泵吸入口直径，mmF耐腐蚀泵系列代号M材料代号(铬镍钼钛合金钢)1轴封形式代号(单端面密封)26扬程，m,3.油泵,用于输送具有易燃易爆的石油化工产品 ，系列代号：单级为Y，双级为YS。特点：密封完善，轴承、轴封加冷却水夹套(油温200)扬程范围：60603m，流量：6.25500m3/h型号说明：250YSIII-1502250吸入口直径，mmYS双吸离心式油泵III材料代号(合金钢)150单级扬程，m2级数，即叶轮个数,4.杂质泵,用于输送悬浮液及稠厚的浆液等，系列代号为P，根据其具体用途又分为污水泵PW、砂泵PS、泥浆泵PN等。对其基本要求是不易堵塞、耐磨和拆修方便。 特点：叶轮采用开式或半闭式，流道宽，叶片少，用耐磨材料制造等，在某些使用场合采用可移动式而不固定。,2.3B 离心泵的选择,根据输送液体性质以及操作条件来选定泵类型。液体性质：密度、粘度、腐蚀性等操作条件：压强影响压头 温度影响泵的允许吸上高度计算管路系统所需He、Qe(根据管路条件，利用柏努利方程求He),根据He、Qe查泵样本表或产品目录中性能曲线或性能表，确定规格。注意应使流量和压头比实际需要多1015余裕量；考虑到生产的变动，按最大量选取；应使泵在高效区内工作，选好后列出该泵的性能参数H、Q、N、n、Hs等。 校核轴功率。当输送液体的密度大于水的密度时重新计算轴功率,例题2-6,用离心泵从敞口贮槽向密闭高位容器输送稀酸溶液，两液面位差为20m，容器液面上压力表的读数为49.1kPa。泵的吸入管和排出管均为内径为50mm的不锈钢管，管路总长度为86m(包括所有局部阻力当量长度)，液体在管内的摩擦系数为0.023。要求酸液的流量12m3/h，其密度为1350kg/m3。试选择适宜型号的离心泵。解：稀酸具腐蚀性，故选F型离心泵。选型号。流量已知，压头计算如下：,在敞口贮槽液面与密闭容器液面之间列柏努利方程：,据Qe=12m3/h及He=29.52m，查有关资料选取50F-40A型耐腐蚀离心泵。有关性能参数为：Q=13.1m3/h H=32.5m N=2.54kW =46%n=2960r/min Hs=6m因酸液密度大于水密度，故需校核泵轴功率：虽然实际输送所需轴功率较大，但所配电机功率为4kW，故尚可维持正常操作。,2.3C 离心泵的安装、使用和维护,泵的实际安装高度应小于计算安装高度，以免出现气蚀现象和吸不上液体，并按要求固定在基座上；启动前须向泵内灌满被输送液体，以防止气缚现象的发生，并检查泵轴转动是否灵活；启动时应关闭出口阀门，启动后先打开进口阀，待运行平稳后，缓缓开启出口阀。防止轴功率突然增大，损坏电机；停泵时先关闭出口阀，再关闭进口阀然后停车运转过程定时检查密封泄漏，电机发热，润滑注油等问题。,2-4 离心泵的安装高度和工作点,2.4A 离心泵的安装高度1、气蚀现象：离心泵工作时，叶轮入口处压强最低，当此压强等于或低于输送温度下液体的饱和蒸汽压时，液体部分汽化产生汽泡；汽泡破裂产生局部真空，造成周围液体冲击，使金属表面腐蚀疲劳而破坏的现象，称为气蚀现象。危害：气蚀现象发生时，泵体震动发出噪音；金属材料损坏加快，寿命缩短；流量、压头等下降。严重时甚至出现断液不能正常工作。防止措施保证叶轮入口处压强大于输送温度下液体的饱和蒸汽压，具体要求离心泵的安装高度有一限制。2、离心泵的安装高度离心泵的安装高度Hg指泵入口至贮槽液面间的垂直距离，采用两种指标对Hg加以限制。,（1）允许吸上真空高度Hs（Hs指在不发生气蚀时，泵入口处压强p1可达到的最大真空度，以压头形式表示）在贮槽液面00与泵入口11间列方程式，p0=paHs与泵的类型、结构、操作条件等有关，随流量增加而减小，由实验测定。一般给出10mH2O，20清水时的数值Hs。条件不同时需换算： 注意：Hs随流量增加而增大,其值由实验测定，确定Hg时按最大流量计算。,（2）气蚀余量h（NPSH）离心泵入口处静压头与动压头之和必须大于液体在输送温度下的饱和蒸汽压头的最小允许值。h随流量增加而增大，其值由实验测定，确定Hg时按最大流量计算。注意：离心泵发生气蚀现象主要是由于Hg过低而造成，应尽量提高（措施：减少进口管长度和管件，短而直，采用大直径管；必要时装在液面以下）。由此，离心泵的主要性能参数又多了 h和Hs。,2.4B 离心泵的工作点 1、管路特性曲线（在储槽液面与供液槽液面间列Beinoulli方程式） 称为管路特性方程式，表示管路输送qV液体量时与需提供的压头H之间的关系，与管路布置及操作条件有关，与泵无关。2、泵的工作点 当泵安装在管路中时， 只有泵所提供的qV、H，与管路中要求 的 qV和需H相一致才能工作，因而同时 满足管路特性和泵特性的点称为工作点。,M,3、离心泵的操作调节 当选好的泵在管路中运行与任务不符或生产条件改变时，需要进行调节，实质是改变工作点。（只要改变2条曲线或其中之一即可实现调节） （1）改变泵的出口阀门 实质是改变了管路的特性曲线，简便易行，缺点额外消耗能量，普遍采用。（2）改变泵的转速 实质是改变了泵的特性曲线，经济无额外能量损失，但改变困难，不常采用。（3）泵的组合操作 生产中单台泵不能满足要求时可采用数台泵组合操作：一般单台泵达不到qV要求时采用并联组合操作；单台泵达不到H要求时采用串联组合操作；有时需要根据实际情况作出特性曲线进行判断。,例题：采用2台同型号泵向高位槽供水，泵的特性方程式 H=251106qV2，管路特性方程式 H=10+1105qV2（qVm3/s，H-m），计算并联、串联时的工作点状况。解：（1）单台工作时 H=251106qV2 =10+1105qV2 qV=0.00369m3/s，H=11.36m （2）并联工作时 H=251106（0.5qV)2 =10+1105qV2 qV=0.00655m3/s，H=14.29m（3）串联工作时 H=2（251106qV2） =10+1105qV2 qV=0.00436m3/s，H=11.90m,第二节 流体输送设备,2-5 往复泵往复泵是一种典型的容积式输送机械。2.5A 主要部件泵缸、活塞、活塞杆、吸入阀和排出阀(均为单向阀)。活塞杆与传动机械相连，带动活塞在泵缸内作往复运动。活塞与阀门间的空间称为工作室。,2.5B 工作原理单动泵：活塞一侧装有吸入阀和排出阀,活塞自左向右移动时，排出阀关闭，吸入阀打开，液体进入泵缸，直至活塞移至最右端。 活塞由右向左移动，吸入阀关闭而排出阀开启，将液体以高压排出。活塞移至左端，则排液完毕，完成了一个工作循环，周而复始实现了送液目的。因此往复泵是依靠其工作容积改变对液体进行做功。在一次工作循环中，吸液和排液各交替进行一次，其液体的输送是不连续的。活塞往复非等速，故流量有起伏。 ,双动泵,活塞两侧的泵缸内均装有吸入阀和排出阀的往复泵。活塞自左向右移动时，工作室左侧吸入液体，右侧排除液体。活塞自右向左移动时，工作室右侧吸入液体，左侧排除液体。即活塞无论向那一方向移动，都能同时进行吸液和排液，流量连续，但仍有起伏。,为此采用三台双动泵并联工作，其送液量较均匀。每个泵连接曲柄角度相差120O。,2.5C 往复泵特点,由于往复泵的工作原理和操作调节等与离心泵不同，它具有如下特点：(1)往复泵的流量只与泵缸的尺寸和冲程、活塞的往复次数有关，而与泵的压头、管路等无关。理论上单动泵的流量：qvtASn双动泵的流量：qvt(2A-a)S n式中： qvt 往复泵理论流量，m3/s；A 活塞截面积，m2；a 活塞杆截面积，m2；S 活塞的冲程(在泵缸内移动的距离)，m；n 活塞往复频率，1/s。,实际上，由于泄漏，吸入和排出阀启闭不及时等原因，实际流量小于理论流量。 实际流量：qv=Vqvt V容积效率(2)往复泵的压头与泵的几何尺寸、流量无关，而由泵缸的机械强度和原动机的功率所决定。只要泵缸强度许可，理论上压头可达无限大，其特性曲线为qv常数。(3)由于往复泵的低压是靠工作室容积扩张造成的，因此启动时无需灌液，即往复泵具有自吸能力。往复泵的吸上真空度亦随外界大气压、液体输送条件而异，故其安装高度有一定限制。,(4)流量调节不能用排出管路上的阀门，而应采用旁路调节或改变活塞的冲程和往复次数实现。,(5)因往复泵的排液能力只与活塞位移有关，与管路无关，这种泵称为正位移泵。因此在启动泵时必须打开阀门，以防泵或管路损坏。主要用于小流量，高压强的场合，输送高粘度液体时效果比离心泵好。不能用于腐蚀性流体及有固体粒子的悬浮液的输送。,2-6 旋涡泵,旋涡泵是一种特殊类型的离心泵。旋涡泵主要由叶轮和泵体组成。叶轮是一个圆盘，四周由凹槽构成的叶片呈辐射状排列(图b)。叶轮旋转过程中泵内液体随之旋转，且在径向环隙的作用下多次进入叶片并获得能量。因而液体在旋涡泵内流动与在多级离心泵中流动相类似。泵的吸入口和排出口由与叶轮间隙极小的间壁分开。,根据旋涡泵的特性曲线图，其特点是：1压头随流量增大而大幅度下降，以旁路调节流量更为经济。2轴功率随流量的增大而减小，启动泵时应全开出口阀门。3由于在剧烈运动时进行能量交换，能量损失大，效率低，一般为20%50。旋涡泵工作时液体在叶片间的运动是由于离心力作用，在启动前泵内也要灌满液体。它适用于高压头，小流量且粘度小的液体，不适于输送含固粒的液体。,3.齿轮泵,4.螺杆泵,通风机和鼓风机,通风机因终压小(15kPa)，故常用于通风换气和送气。工业上常用的通风机为离心通风机，按其产生风压大小分为：低压离心通风机：出口风压低于1kPa(表压)中压离心通风机：出口风压在13kPa(表压)高压离心通风机：出口风压在315kPa(表压),1.离心通风机的结构和工作原理 结构：机壳为蜗牛壳形，断面有方形和圆形；叶轮直径大，叶片数目多而且短。叶片有平直，前弯和后弯等形状，前弯叶片送风量大，但往往效率低，因此高效通风机的叶片通常是后弯的。低压离心通风机：断面方形，叶片平直，与中心成辐射状中压离心通风机：断面方形，叶片弯曲高压离心通风机：断面圆形，叶片弯曲工作原理：同离心泵,2.离心通风机的性能参数,1.风量 单位时间内从风机出口排出的气体体积，并以风机进口处气体的状态计，以qv表示，单位m3/h。风量大小取决于风机的结构、叶轮尺寸(叶轮直径与叶片宽度)和转速。2.风压 单位体积的气体通过风机时所获得的有效能量，pt，Pa。风压的大小取决于风机的结构尺寸、转速和气体密度，其值目前只能通过实验测定。取1m3气体为基准，在风机进出口截面1-1与2-2间列柏努利方程，得：由于和(Z2Z1)值较小，(Z2Z1)g一项可忽略；风机进出口管段很短，hf 0 ；风机进口直通大气u10，因而上式简化为： pt(p2p1) u22/2,其中： (p2p1)称为静风压，以pst表示， u22/2称为动风压，以pd表示，二者之和称为全风压。风机性能表上所列风压，一般是在20，101.3kPa条件下用空气测得的，此时空气密度为1.2kg/m3，在选用通风机时，若输送介质的条件与上述实验条件不同时，应将实际风压pt换算为实验条件下风压pt0 (实际风压pt由柏氏方程导出)： ,pt、操作条件 pt0、1.2实验条件,3.轴功率和效率轴功率和效率的定义同离心泵，其计算式为：,3. 离心通风机的类型与选择,1)类型 离心通风机按其用途分为排尘通风(C)、防腐蚀(F)、工业炉吹风(L)、耐高温(W)、防爆炸(B)、冷却塔通风(LF)，一般通风换气(T)等。其型号分别表示全压系数，通风机比转数，进口吸入型式及设计顺序号等。分别用数字和符号表示，例如: T4721110C右90T 一般离心通风机的代号；4 全压系数乘10后再按四舍五入进位，取一位数；72 通风机比转数化整后的整数；1 风机进口吸入型式代号(0为双侧吸入，1为单侧吸入，2为二级串联吸入)；1 设计顺序号，1表示第一