第二章 液体输送机械

第二章流体输送机械,本章要点和要求：I掌握泵的工作原理、结构、泵的特性、安装高度及工作点的确定II了解其它类型泵及气体输送设备。流体输送机械按其工作原理分为：I动力式(叶轮式)：包括离心泵和轴流式输送机械，它们是籍以高速旋转的叶轮使流体获得能量；容积式(正位移式)：包括往复泵和旋转式输送机械，它们是利用活塞或转子的挤压使流体升压以获得能量或转子的；其它类型：指不属于上述两类的其它型式，如喷射式等。,2.1离心泵2.1.1离心泵的工作原理2.1.2离心泵的性能参数2.1.3离心泵的功率与效率2.1.4离心泵的特性曲线2.1.5离心泵的工作点与流量调节2.1.6并联与串联操作2.1.7离心泵的安装高度2.1.8离心泵的类型与选用,2.2往复泵2.2.1往复泵的构造及操作原理2.2.2往复泵的流量调节2.3其它类型化工用泵2.3.1正位移泵2.3.2非正位移泵2.4气体输送机械2.4.1离心式通风机、鼓风机和压缩机2.4.2旋转鼓风、压缩机与真空泵2.4.3往复压缩机复习,第二章目录,2.1离心泵,2.1.1离心泵的工作原理及构造1.离心泵的工作原理,2.1离心泵,2.1.1离心泵的工作原理及构造离心泵的工作原理其实其原理概括为6个字，即三个步骤：充液离心泵使用前先将流体灌满泵壳和吸入管路。若泵壳与吸入管路内没有充满液体，则泵壳内存有空气，由于空气的密度远小于液体的密度，产生的离心力小，因而叶轮中心处所产生的低压不足以将贮槽内的液体吸入泵内，此时虽启动离心泵，也不能输送液体，这种现象称为“气缚”现象，表示离心泵无自吸能力。,2.1离心泵,2.1.1离心泵的工作原理及构造离心泵的工作原理其实其原理概括为6个字，即三个步骤：(2)排液：泵轴带动叶轮旋转，在离心力作用下，液体从时轮中心被抛向外缘，在此过程中获得能量，使轮外缘液体静压头提高，同时也增大了流速，液体离开叶轮进入泵壳后，由于泵壳中流道逐渐加宽，液体的流速逐渐降低，又将一部分动压头转变为静压头，使泵出口处静压头提高，以高压排出。(3)吸液：泵内液体排出后，叶轮中心处形成真空，将泵外液体不断吸入叶轮，再排出。为防止使用完后泵壳中液体外流，在吸入管底部装有带吸滤网的底阀，底阀为单向阀，防止启动前所灌入的液体从泵内漏失，滤网可以阻拦液体中的固体物质被听课入而堵塞管道或泵壳。,2.1离心泵,2.1.1离心泵的工作原理及构造2.离心泵的主要部件(1)叶轮叶轮的作用是将电动机的机械能传给液体，使液体的静压能和动能均有所提高-给能。按其结构分三种：开式、半开式、闭式(如图),开式两侧均无盖板，采用筋板连接，优点是结构简单，清洗方便；缺点是效率低，适用于输送含杂质的悬浮液。,半开式吸入侧无盖板，另一侧有后盖板，适于输送悬浮液。,闭式叶片两侧均有盖板，优点是效率高，应用广；缺点是结构复杂不宜清洗，故适用于输送清洁液体。,2.1离心泵,2.1.1离心泵的工作原理及构造2.离心泵的主要部件(1)叶轮叶轮的作用是将电动机的机械能传给液体，使液体的静压能和动能均有所提高-给能。按吸液方式可分为两种：单吸和双吸单吸流体从叶轮一侧吸入。双吸液体从两侧吸入，吸液能力大，可以消除轴向推动力。另外，当需要压头很高时，(即需输送高压流体时)可采用多级。,2.1离心泵,2.1.1离心泵的工作原理及构造2.离心泵的主要部件(2)泵壳呈蜗壳形，通道逐渐扩大，当流体从叶轮外缘以高速被抛出后，沿泵壳的蜗牛形通道向排出口流动，流速逐渐降低，减少了能量损失，且一部分动能有效地转变为静压能。其作用：增大流道面积，降低动能，增加静压能，实现能量转换-转能；减少能量损失。(3)轴封装置泵轴与泵壳之间的密封称为轴封。作用：防止高压液体从泵壳内沿轴的四周而流出；防止外界空气漏入示壳内。常用的密封有填料密封和机械密封两种。,2.1离心泵,2.1.3离心泵的主要性能参数流量Q离心泵的流量(又称输送能力)是指单位时间内泵所输送的液体体积。单位有：m3/s、m3/min、m3/h。扬程H(压头)是指单位重量(1N)液体流经泵所获得的能量，单位为J/N=m。对一定的泵和一定液体，在一定转速下，泵的扬程H与Q有关。其关系可用实验方法测定，装置如图所示。,2.1离心泵,2.1.3离心泵的主要性能参数3.功率与效率轴功率N与有效功率Ne功率是指单位时间内所做的功。轴功率N是指泵轴所需的功率。有效功率是指单位时间内流体从泵中叶轮获得的有效能量。,(2)效率泵的效率等于有效功率与轴功率之比。,值反映出泵工作时机械能损失的相对大小，一般约为0.507,大型泵可达0.9。,2.1.3离心泵的主要性能参数3.功率与效率泵内引起功率损失的原因有：水力损失由于在泵壳中流体流速大小、方向发生变化带来的能量损失；另外，输送流量与设计流量不一致时，液体在泵体内产生冲击而损失能量。容积损失泵内有部分高压液体泄漏到低压区，使泵排出的实际流量小于流经叶轮的流量，即理论流量；机械损失泵轴和轴承之间以及轴封处的摩擦等机械部件接触处，由于机械摩擦而造成的能量损失。通常离心泵启动或运转时可能超过正常负荷，所配电机的功率应大于轴功率，电动机的功率在泵的样本有说明。另外，这也是为什么启动离心泵时要关闭泵的出口阀的原因。,2.1离心泵,2.1.4离心泵的特性曲线1.特性曲线离心泵的压头H、功率N、效率与流量Q之间的关系曲线称为离心泵特性曲线(Characteristiccures)，由H-Q，N-QQ三条曲线组成，由于特性曲线随转速变化，故在特性曲线图一定要标出转速。,2.1离心泵,2.特性曲线的测定实验装置如图,2.1.4离心泵的特性曲线3.离心泵性能的改变密度的影响离心泵的流量不随变化；H不随变化因为变化，离心力变化，故由离心力产生的静压力将变化，但P/g以压头表示时与无关；N随变化；不随变化；,2.1离心泵,(2)粘度的影响一般越大，泵体内能量损失越大。因而高粘度流体，H，Q，而N。有换算关系修正系数可查参考书，一般CH，CQ1,2.1.4离心泵的特性曲线3.离心泵性能的改变(3)转速的影响对同一型号泵，同一种液体，在效率不变的条件下，有如下关系,2.1离心泵,(4)叶轮直径的影响当切削叶轮，D变化不大，转速n不变时，有,2.1.5离心泵的工作点与流量调节1.管路特性曲线如图所示输送系统，若贮槽与高位槽液面维持恒定，且输送管路的直径不变，则在1-1,2-2面间有：,2.1离心泵,2.1.5离心泵的工作点与流量调节1.管路特性曲线对于给定的管路系统，l,d一定，阀门开度一定，即le一定，且认为流体流动处于阻力平方区，变化很小,2.1离心泵,低阻,中阻,高阻,将此方程关系标绘在H-Q坐标图上，即得图所示的H-Q曲线，称为管路特性曲线或管路阻力曲线。式中B为管路特性系数它与管路长度，管径、摩擦系数及局部阻力系数等有关。,2.1.5离心泵的工作点与流量调节2.工作点安装在管路上泵其输液量即为管路的流量，在该流量下，泵提供的扬程必等于管路所要求的压头，因此离心泵的实际工作情况是由泵特性与管路特性共同决定的。如图，线交点A所代表的流量，就是液体输送管路所需的压头与泵对液体所提供的压头正好相等时的流量，A点称管路上离心泵的工作点，也是其在管路中真实的工作状况。,2.1离心泵,A,Q,H,2.1.5离心泵的工作点与流量调节3.离心泵流量的调节(1)改变阀门开度阀门关小：Le管路特性曲线陡工作点A1QA1QA这种调节方法，如阀门关小，不仅增加了管路的阻力，且使泵在低效率点下工作，其经济上很不合理，但用阀门调节流量的方法操作简便、灵活，故一般在流量小时应用很广。,2.1离心泵,A,Q,H,c,b,a,A2,A1,2.1.5离心泵的工作点与流量调节3.离心泵流量的调节(2)改变泵的转速实质是改变泵的特性曲线。这种变速调节流量的方法，没有节流引起的附加能量损失，比较经济。但需要变速装置或价格昂贵的能变速的电动机（如直流电动机、汽轮机等），且难以做到连续稳定地改变流量。故在化工中应用比较少。注：改变转速时，不得超过泵的额定转速，以免叶轮强度和电动机负荷超过允许值。,2.1离心泵,A,Q,H,n,n,a,C,2.1.5离心泵的工作点与流量调节3.离心泵流量的调节(3)切割叶轮直径由切割定律知，在允许范围内切割叶轮外径，Q与H分别随叶轮外径D近似呈一、二次幂变化，从而使泵的流量减小。但可调节的范围不大，且直径减少不当还会降低效率，故实际上很少采用这种方法。,2.1离心泵,例某输水管路系统中，离心泵在转速为n=2900r/min时的特性曲线方程为H=25-5Q2，管路特性方程为H=10+KQ2，Q单位为m3/min.试求：(1)K=2.5时工作点流量QA与扬程HA；(2)阀门关小到K=5时，工作点流量QB与扬程HB；(3)对于流量QB，因改变阀门开度，管路阻力损失增加了多少？(4)若采用改变转速，使流量从QA到QB，试求转速应调到多少？,2.1.6离心泵的并联与串联操作1.并联操作合成特性曲线（如图）并联后输送流量Q与扬程HQ和H由合成特性曲线与管路特性曲线的交点A决定，并联后总效率与每台泵的效率相同。由此可见，由于管路阻力的增加，两台泵并联的总输送量Q并小于原单泵流量的两倍，即Q并2Q。工作点所需扬程也相应地有所增加。(3)结论并联操作提高流量，但并不是成倍改变。,2.1离心泵,Q,H,A,B,a,A1,A2,2.1.6离心泵的并联与串联操作2.串联操作合成特性曲线（如图）串联后输送流量Q与扬程HQ和H由合成特性曲线与管路特性曲线的交点A决定，串联后总效率与每台泵的效率相同。由此可见，由于管路阻力的增加，两台泵串联的总输送量Q串与原单泵流量相近，但扬程H大提高但不成倍增加，即Q并Q串；对于高阻力输送管路b，管路特性曲线较陡峭，有Q并ha。三者之间关系如图：,2.1离心泵,泵入口压头,饱和蒸汽压,叶轮内最低压力点,0.3m,hr,h,ha,2.1.7离心泵的安装高度3.离心泵的最大安装高度Hg由式(2-12)和(2-13)求得：,2.1离心泵,2.1.7离心泵的安装高度4.允许吸上真空度HS是指泵入口压力可允许达到的最高真空度，其表达式为：,2.1离心泵,2.1.7离心泵的安装高度4.允许吸上真空度HS在泵的产品样本中给出HS值时，通常是指在液面压力p0=101325Pa，20的水(=1000kg/m3,Pv=2350Pa,即0.24mH2O)时的值，若在使用条件与该状态不同时，则应把样本上的HS值换算成操作条件下值。其可以用如下式换算,2.1离心泵,例某车间要要安装一台离心泵输送循环水。从样本上进查得该泵的流量为468m3/h，扬程为38.5m时，泵的允许吸上真空度HS=6m输送系统中吸入管路阻力损失和动压头之和不2m。试求：(1)若车间位于海平面，输送水温度为20时，泵的允许安装高度；(2)若车间位于海拔1000m的高原处，输送水温度为80时，泵的允许安装高度。,2.1.8离心泵的类型与选用1.离心泵的类型按输送液体的性质分：清水泵、耐腐蚀泵、油泵、杂质泵等。按泵吸入液体方式分：单吸泵和双吸。按叶轮数目分：单级泵和多级泵。(1)清水泵一般用以输送工业用水以及物理、化学性质类似于水的其它液体或城市给排水和农业排灌等。B单级单吸式（H=898m,Q=4.5360m3/h）D多级Sh双吸如3B33A型水泵，第一个数字“3”表示该泵的吸入口径为76.2mm“B”表示单吸悬臂式，“33”表示扬程；“A”表示叶轮经切削一次。(2)耐腐蚀泵F输送酸、碱、浓氨水等腐蚀性液体时，必须使用该类型泵，泵中与腐蚀性液体接触的部件都用各种耐腐蚀材料制造。如灰口铸铁、铬镍合金钢、高硅铸铁。聚四氟乙烯塑料等。,2.1离心泵,2.1.8离心泵的类型与选用1.离心泵的类型(3)油泵(Y，YS双吸式)输送石产品的泵称为油泵。因油品易燃易爆，要求油泵密封性要好，输送高温油品(200以上)的热油泵还应有良好的冷却措施。其轴承和轴封装置都带有冷却水夹套运转时通冷却水。(4)杂质泵(P)输送含有固体颗粒的悬浮液、稠浆等泵。又中可分为污水泵、砂泵、泥浆泵等。对其主要要求是不易堵塞、耐磨、易拆卸。,2.1离心泵,2.1.8离心泵的类型与选用1.离心泵的选用离心泵的选用步骤：(1)根据被输送系统的性质和操作条件，初步确定泵的类型；(2)确定输送系统的流量及压头；(3)选择泵的型号。根据计算出的Q与H大小选泵的型号，并列出其主要性能(4)核算泵的功率Q,H稍大时，常通过关小阀门实现，从而要消耗一定功率；或输送液体的性质与水不同时，也需核算。具体核算方法详见教材p83例2-4。,2.1离心泵,2.2.1往复泵1.往复泵的构造与工作原理(录象)主要由泵缸、活塞、和单向阀门组成。行程(stroke)指活塞在泵缸内两端间移动的距离。2.往复泵的性能参数流量Q单动泵：QT=FSN(2-16)F-活塞面积，m2；S-活塞行程，m；N-活塞往复次数，l/min；f-活塞杆面积，m2；双动泵：考虑活塞杆所占面积f时，QT=(2F-f)SN在泵的操作中，由于吸入阀和排出阀启、闭滞后的漏液，以及填料函处的漏液，实际平均流量Q小于QT，二者关系为Q=VQT式中V为容积效率，一般约为0.90.97。但随着泵的转数增加，将受汽蚀的影响而降低，有时降到0.8以下。,2.2其它类化工用泵,2.2.1往复泵2.往复泵的性能参数(2)扬程H往复泵的扬程与流量几乎无关，如图所示为往复泵在恒定转速下的特性曲线。(3)流量调节由式(2-16)可知，其的流量与泵本身的几何尺寸和泵的转速有关，而与扬程无关，只要活塞往复一次，就能排出一定体积的液体，所以改变泵出口阀门，是不能调节流量的，通常采用下列调节方法：旁路调节如图2-19，通过调节旁路阀开度，即可调节主管流量这是与离心泵的主要区别。这种调节简便，但增加功率消耗。,2.2其它类化工用泵,2.2.1往复泵2.往复泵的性能参数(3)流量调节改变电动机转速实质是调节活塞的往复频率N。改变活塞的行程如计量泵。,2.2其它类化工用泵,2.2.2计量泵操作原理与往复泵相同，是通过偏心轮把电机的旋转运动变成活塞的往复运动。用途：精确输送液体量；两种或多种液体以一定比例输送。,2.2.3隔膜泵也是往复泵的一种，是为了克服往复泵不适于输送腐蚀性液体及悬浮液而改进的。主要特点是用弹性薄膜置于泵缸中使活塞与被输送液体隔开，从而使活塞不受腐蚀。,2.2其它类化工用泵,2.2.4齿轮泵是一种正位移泵特点：能产生高扬程，流量较均匀。适于流量不、无固体颗粒的各种油类等粘性液体的输送。具有构造简单，维修方便价格低廉、运转可靠等优点。,2.2其它类化工用泵,2.2.5螺杆泵螺杆泵的效率较齿轮泵高，运转时无噪声。无振动，流量均匀，特别适用于高粘度液体的输送。,2.2.6旋涡泵它是一种特殊形式的离心泵。,特点：在启动时，不要关闭出口阀，并且流量调节应采用旁路调节。在相同的叶轮直径和转速下，旋涡泵的扬程约为离心泵的24倍，由于泵内液体的旋涡流作用，流动摩擦损失增大，所以旋涡泵的效率较低，一般为3040%。其构造简单，制造方便扬程较高，在化工生产中得到广泛应用。主要用于小流量，高扬程和低粘度液体的输送。,2.2其它类化工用泵,2.2其它类化工用泵,2.2.2轴流泵轴流泵提供的压头一般较小，但输送流量却很大，特别适用于大流量、低压头的液体输送。其管路流量调节不采用出口阀调节，面采用改变泵的特性曲线：如改变叶轮转速；改变叶片安装角度。,2.4气体输送机械,气体输送机械通常按出口压力或压缩比的大小分类如下：通风机(fan)出口表压不大于15kPa，压缩比不大于为1.15；鼓风机(blower)出口表压为10300kPa，压缩比为1.14；压缩机(compressor)出口表压大于100kPa，压缩比大于2；真空泵(vacuumpump)用于抽出设备内的气体，排到大气，使设备内产生真空，排出压力为大气压或略高于大气压力。此外，气体输送机械按其结构与工作原理又可分为离心式、往复式、旋转式和流体作用式。,2.4气体输送机械,2.4.1通风机工业上常用的通风机有离心式和轴流式两类。其中轴流式通风机的结构与轴流泵类似，如图,其排风量大，胆所产生的风压甚小，一般用于通风换气，而不用来输送气体。1.离心式通风机的工作原理与离心泵完全相同，其结构与离心泵也大同小异。机壳呈蜗壳形，但机壳出口截面有方形和圆形两种叶片数目比较多，且比较短，叶片有前弯。径向和后弯三种。,离心通风机分类，也可按风压大小来分：低压离心通风机风压100mmH2O(表压)出口为方形；中压离心通风机风压在600mmH2O(表压)出口为方形；低压离心通风机风压在3001500mmH2O(表压)出口为圆形；,2.4气体输送机械,2.4.1通风机2.性能参数与特性曲线(1)风量Q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。单位为m3/h。性能表上的风量是指空气在标准状态(20，101325Pa)下的数值以Q0表示，若操作条件下的风量为Q，密度为，则标态下为Q0=(/0)Q(2-21)(2)风压单位体积气体注经风机后获得的总机械能，称为全风压Pt。通常由实验获得。风机提供的总机械能或全风压可表示为,2.4气体输送机械,2.4.1通风机2.性能参数与特性曲线(2)风压下面进一步说全风压、静风压和动风压的关系。由式(2-21)知全风压为出口截面的全压与进口截面的全压之差值，,(3)轴功率N和效率,2.4气体输送机械,2.4.1通风机2.性能参数与特性曲线(4)特性曲线特性曲线如图所示，由风量Q与全风压pt、静风压pst、轴功率N、效率等四条曲线组成。它是在标准条件(20，101325Pa)下用空气测定的。注与离心泵相同，转速n对特性曲线有影响，对同一型号通风机也符合比例定律。,3.离心通风机的选用根据柏努力方程计算系统所需风压pt和风量Q，再换算成标态下的风压pt0根据输送气体的性质、风压范围，确定风机类型；据风压pt和风量Q查性能表选定风机型号；核算N。,PtQ,PstQ,NQ,Q,2.4.2其它气体输送机械,2.4气体输送机械,1.鼓风机,2.4.2其它气体输送机械,2.4气体输送机械,2.压缩机,2.4.2其它气体输送机械,2.4气体输送机械,2.压缩机,单螺杆压缩机,双螺杆压缩机,2.4.2其它气体输送机械,2.4气体输送机械,2.压缩机,往复式压缩机,2.4.2其它气体输送机械,2.4气体输送机械,2.压缩机,多级离心压缩机剖面,多级离心压缩机叶轮组,2.4.2其它气体输送机械,2.4气体输送机械,2.压缩机,2.4.2其它气体输送机械,2.4气体输送机械,2.离心式压缩机,2.4.2其它气体输送机械,2.4气体输送机械,3.旋转鼓风机,2.4气体输送机械,例要向一流化床设备底部输送空气，空气进风机时的温度为40所需风量为18000m3/h，已估计出：大气压：760mmHg，流化床底部压力：960mmH2O(表压)风机出口至流化床底部的压力损失(包括局部)：100mmH2O风机出口处的动压：100mmH2O，其在渐扩管中转换为静压的部分为60%。试选用适合的风机，并计算所需功率。,流体输送机械总结课,联系图,基本结构与工作原理,安装特点,分类与选型,操作与调节,影响因素,流体输送机械总结课,一、泵1.主要性能参数流量Qm3/s压头m有效功率Ne、轴功率NkW效率转速nr/min,特性曲线如右上图参数的影响因素：(1)流体变化，对