第二章 流体输送

第二章 流体输送机械,低压 高压,低处 高处,近处 远处,流体物性不同,操作条件各异,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。 对于这些情况，都必须通过向流体提供机械能的方法来实现。向流体提供机械能的设备称为流体输送机械。,化工生产过程中的流体输送一般有以下几种情况：,概 述,常用的流体输送机械,泵的分类,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：,按用途分,本章的目的： 结合化工生产的特点，讨论各种流体输送机械的操作原理、基本构造与性能，合理地选择其类型、决定规格、计算功率消耗、正确安排在管路系统中的位置等,学习指导：,学习目的： （1）熟悉各种流体输送机械的工作原理和基本结构； （2）掌握离心泵性能参数、特性曲线、工作点的计算及学会离心泵的选用、安装、维护等； （3）了解各种流体输送机械的结构、特点及使用场合。学习内容： （1）离心泵的基本方程、性能参数的影响因素及相似泵的相似比； （2）离心泵安装高度的计算； （3）离心泵在管路系统中的工作点与流量调节；,学习难点： （1）离心泵的结构特征和工作原理； （2）离心泵的气缚与气蚀性能，离心泵的安装高度； （3）离心泵在管路系统中的工作点与流量调节； （4）离心泵的组合操作。,2.1离心泵,2.1.1离心泵的工作原理和主要部件,离心泵的外观,离心泵的结构组成,离心泵装置简图,2.1离心泵,2.1.1离心泵的工作原理和主要部件,常压流体,高速流体,高压流体,离心泵的工作过程,叶轮中部低压,液体吸入,灌泵,叶轮高速旋转,离心作用,静压能和动能,叶轮外缘,流道扩大,动能,静压能,液体排出,排液过程,吸液过程,泵壳,泵启动前为什么要灌满液体,思考：,液体未灌满,气液,离心力甩不出气体,叶轮中心的真空度不够,吸不上液体,泵无法正常工作,未灌满底阀漏液其它地方泄漏,启动与停泵：,关闭出口阀后启动泵，这时所需泵的轴功率最小，启动电流较小，以保护电机。停泵前先关闭出口阀后再停机，这样可避免水柱倒冲泵壳内的叶轮叶片，以延长泵使用寿命 。,？,离心泵的基本机构离心泵的主要部件包括供能和转能两部分。1.叶轮a)叶轮的作用 将电动机的机械能传给液体,使液体的动能有所提高。 b)叶轮的分类,闭式叶轮,开式叶轮,半闭式叶轮,叶片的内侧带有前后盖板，适于输送干净流体，效率较高。,没有前后盖板，适合输送含有固体颗粒的液体悬浮物。,只有后盖板，可用于输送浆料或含固体悬浮物的液体，效率较低。,思考：三种叶轮中哪一种效率高？,闭式叶轮的内漏较弱些，敞式叶轮的最大。但敞式叶轮和半闭式叶轮不易发生堵塞现象。,单吸式叶轮,双吸式叶轮,液体只能从叶轮一侧被吸入，结构简单。,相当于两个没有盖板的单吸式叶轮背靠背并在了一起，可以从两侧吸入液体，具有较大的吸液能力，而且可以较好的消除轴向推力。,2 泵壳,泵壳（蜗牛形，又称蜗壳）,泵壳制成蜗牛形，使部分动能转换成静压能。从而避免高速流体在泵体及管路内巨大的流动阻力损失。因此泵壳不仅是液体的汇集器，而且还是一个能量转换装置。,前已提及泵启动后，叶轮中心产生负压（吸入口在泵体一侧），故会吸入外界的空气；液体经叶轮做功，获得机械能经泵壳汇集，能量转换成静压能较高的流体进入排出管，对半开式、闭式叶轮，叶轮四周的高压流体可能泄漏到盖板与泵体间的空隙（叶轮可旋转，泵体相对固定，叶轮轴与泵体间必有间隙），故其会向外界漏液。 密封方式有：填料密封与机械密封，填料密封适用于一般液体，而机械密封适用于有腐蚀性易燃、易爆液体。 填料密封：简单易行，维修工作量大，有一定的泄漏，对燃、易爆、有毒流体不适用； 机械密封：液体泄漏量小，寿命长，功率小密封性能好，加工要求高。,3 轴封装置,导轮：液体经叶轮做功后直接进入泵体，与泵体产生较大冲击，并产生噪音。为减少冲击损失，设置导轮，导轮是位于叶轮外周的固定的带叶片的环。这此叶片的弯曲方向与叶轮叶片的弯曲方向相反，其弯曲角度正好与液体从叶轮流出的方向相适应，引导液体在泵壳通道内平稳地改变方向，使能量损耗最小，动压能转换为静压能的效率高。 底阀（单向阀）：当泵体安装位置高于贮槽液面时，常装有底阀，它是一个单向阀，可防止灌泵后，泵内液体倒流到贮槽中。若泵安装于液面之下，底阀是否有必要？启动前是否也要灌泵？ 滤网：防止液体中杂质进入泵体。,以上三个构造是离心泵的基本构造，为使泵更有效地工作，还需其它的辅助部件：,理想情况： 叶轮具有无限多叶片，叶片的厚度无穷小，流体与叶片的相对运动的运动轨迹可视为与叶片形状相同； 被输送的液体是理想液体（粘度等于零），液体在泵内无摩擦阻力损失。,2.1.2离心泵的基本方程,理论压头：理想情况下单位重量液体所获得的能量称为理论压头，用H表示。,基本方程式：离心泵的理论压头与泵的结构、尺寸、转速及 流量等因素之间的定量关系。,理想情况简化了过程建模用数学语言来表达,液体通过叶轮的两种运动：,圆周运动速度,相对运动速度,绝对运动速度,余弦定律:,圆周速度 随叶轮运动的速度，用u表示； 相对速度 相对于叶轮的运动速度，用 w 表示，它与叶片型线相切。 绝对速度 相对于泵壳的运动速度；是u和w的向量和。液体质点进出叶轮时的绝对运动路径即可由图中的A、C表示。,为c与u的夹角,液体通过叶轮的流动,圆周速度（线速度）,相对速度与叶片型线相切,绝对速度,角速度,在叶片进口1-1与出口2-2列能量方程（Z=0）：,液体进入与离开叶轮时的速度,H 叶轮对液体所加的压头，m；p1 、p2 液体在1、2两点处的压力，Pa；c1 、c2 液体在1、2两点处的绝对速度，m/s； 液体的密度，kg/m3；,液体从点 1 运动到点 2，静压头增加（ p2 p1）/g的原因： 质量为 1kg 的液体因受离心力作用而接受的外功：,质量为 1kg 的液体从点 1 运动到点 2 由于通道的截面增大，一部分动能转变为静压能,质量为1kg的液体通过叶轮后其静压能的增量：,根据余弦定律,在离心泵设计中，一般都使设计流量下的,离心泵的理论压头随叶轮的转速和直径的增加而加大，与密度无关。,离心泵的流量 = 叶轮出口周边的截面积液体在周边上的径向速度,根据装置角（叶片安装角）2的大小，叶片可分为三种：,理论流量：,离心泵 H - Q 图,前弯叶片产生的理论压头最高，这类叶片是最佳形式的叶片吗？NO,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,离心泵实际压头、流量关系曲线的实验测定 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下图,2.1.3 主要性能参数与特性曲线,1.流量 指离心泵在单位时间里排到管路系统的液体体积，一般用q表示，单位为m3/h。又称为泵的送液能力 。 与泵的结构、尺寸（叶轮直径、叶片形状等）、转速、输液管路阻力等有关；2.压头 泵对单位重量（1N）的液体所提供的有效能量，以H表示，单位为m。又称为泵的扬程。,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 q，,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,H的计算可根据1、2两截面间的柏努利方程：,离心泵的压头又称扬程。必须注意，扬程并不等于升举高度Z，升举高度只是扬程的一部分。,3.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：容积损失：泄漏损失； 水力损失：流程阻力、局部阻力等因素造成损失； 机械损失：摩擦损失； 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、制造精密度和所输送液体的性质有关,小型水泵：一般为60-85%大型水泵：可达90%以上,4. 轴功率N，由电机传送给泵的功率，w，可直接用效率来计算：,一般小型离心泵的效率5070%，大型离心泵效率可达90%。,5. 叶轮转速 n,10003000转/min；2900转/min最常见。 泵在出厂前必须确定其各项性能参数，即以上各参数值，并标在铭牌上；这些参数是在最高效率条件下用20 的水测定的。,离心泵的特性曲线,离心泵的H、 、 P都与离心泵的q有关，它们之间的关系由确定离心泵压头的实验来测定，实验测出的一组关系曲线： Hq、q 、 Pq 离心泵的特性曲线 注意：特性曲线随转速而变。 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,泵性能实验装置示意图,(1)HqV线: qV, H,讨论：,(2)PqV线: qV, P,qV = 0P=Pmin,所以，离心泵启动时，关闭出口阀。,(3) Q曲线：极值点(最大值)，此点称泵的设计点。此时效率最高，损失最小，此点对应的H，Q，N称最佳工况参数。对应流量称额定流量。泵的铭牌上即标注额定值，泵在管路上操作时，应在此点附近操作，一般不应低于92max 。,离心泵的转速对特性曲线的影响,当液体的粘度不大，转速变化小于20%时，认为效率不变，有：, 比例定律,液体黏度对特性曲线的影响,黏度，qV ，H ， P ，黏度增大，叶轮内液体流速降低，使流量减小黏度增大，液体流经泵内时的流动摩擦损失增大，使扬程减小黏度增大，叶轮前、后盖板与液体之间的摩擦而引起能量损失增大，使所需的轴功率增大,叶轮外直径的影响 1）属于同一系列而尺寸不同的泵，叶轮几何形状完全相似，b2/D2保持不变，泵的效率不变；,2）某一尺寸的叶轮外周经过切削而使D2变小，b2/D2变大 若切削使直径D2减小的幅度在20%以内，效率可视为不变，并且切削前、后叶轮出口的截面积也可认为大致相等, 此时有：,-切割定律, 理论 Q=2r2b2c2sin2 与无关，实际 Q 也与无关，但ms=Q 与有关。 理论 H = u2c2cos2/g 与无关，实际 H 也与无关。 N =HQg/ 。教材附录泵性能表上列出的轴功率是指输送20清水时的N 。所选泵用于输送比水的大的液体应先核算轴功率。,密度的影响 H-Q曲线、 -Q曲线不变， N-Q曲线变化；,例2-1：用清水测定某离心泵的特性曲线，实验装置如图所示。当调节出口阀使管路流量为25m3/h时，泵出口处压力表读数为0.28MPa（表压），泵入口处真空表读数为0.025MPa，测得泵的轴功率为3.35kW，电机转速为2900转/分，真空表与压力表测压截面的垂直距离为0.5m。试由该组实验测定数据确定与泵的特性曲线相关的其它性能参数。,解：与泵的特性曲线相关的性能参数有泵的转速n、流量Q、压头H、轴功率N和效率。其中流量和轴功率已由实验直接测出，压头和效率则需进行计算。 以真空表和压力表两测点为1，2截面，对单位重量流体列柏努力方程：,把数据代入，得,在工作流量下泵的有效功率为：,泵效率为：,例2：今有一台IS100-80-125型离心泵，测定其性能曲线时的某一点数据如下： ；真空计读数 ，压力表读数为 ， 功率表读数为 。 已知液体 真空计与压力计的垂直距离为 ，吸入管直径为 ，排出管直径 为 ，试求此时泵的扬程 ，功率 和效率 。,解：,2.1.4 离心泵的安装高度与气蚀现象,如图所示，液面较低的液体能被吸入泵的进口，是由于叶轮将液体从中央甩向外周，在叶轮中心进口处形成负压（真空），从而在液面与叶轮进口之间形成一定的压差，液体籍此压差被吸入泵内。现在的问题是离心泵的安装高度zs（zs 即叶轮进口与液面间的垂直距离）是否可以取任意值？,1、汽蚀（Cavitation）现象 在液面 s 与泵内压强最低处即叶轮中心进口处K-K面之间 列机械能衡算式，得：,若液面压强 ps 一定，吸入管路流量一定（即uk一定），安装高度zs，hf(s-k)，pk，当pk至等于操作温度下被输送液体的饱和蒸汽压pv时（即pkpv），液体将发生什么现象？又会使泵产生什么现象？,局部真空，周围的液体以极大的速度冲向气泡原来所在的空间，在冲击点处产生很高的局部压强（高达几百个大气压），冲击频率高达每秒几万次之多。尤其当汽泡的凝结发生在叶轮表面时，众多的液体质点尤如细小的高频水锤撞击着叶片；另外汽泡中还可能带有氧气等对金属材料发生化学腐蚀作用。泵在这种状态下长期运转，将导致叶片过早损坏。这种现象称为泵的汽蚀现象。,液体将发生部分汽化现象，生成的大量蒸汽泡从叶轮进口向叶轮外周流动时，又因压强升高，气泡立即凝聚，气泡的消失产生,汽蚀现象发生时，泵体振动并发生噪音，流量Q、扬程（压头）H 和效率都明显下降，严重时甚至吸不上液体（气缚）。因此汽蚀现象是有害的，必须加以避免。那么，如何避免汽蚀现象的产生呢？,发生气蚀的原因：,泵的安装高度超过允许值；泵输送液体的温度过高；泵吸入管路的局部阻力过大。,P叶片入口过低的原因:,从前面分析可知，泵的安装高度 zs 受到汽蚀现象的限制，为避免汽蚀现象发生: 泵的安装位置不能太高，以保证叶轮中各处压强高于被输送液体的饱和蒸汽压pv; 可采取ps； hf(s-k)。 我国的离心泵规格中采用下述两种指标允许汽蚀余量（有的教材给出必需汽蚀余量）和允许吸上高度来表示泵的吸上性能，下面简述这两种指标的意义，并说明如何利用它们来确定泵的安装高度不至于发生汽蚀现象。,泵吸入口的全压头,在 s 与 1 之间列柏努利方程得：,汽蚀余量,2、汽蚀余量,NPSH：气蚀余量；p1，u1：泵入口处的压强和流速；pV：操作温度下液体的饱和蒸气压。,泵内最低压力pk与入口接管e处的压力p1密切相关。,最小汽蚀余量hmin,为使泵正常运转，p1必须大于p1min。,最小汽蚀余量是表示液体从泵入口流到叶轮内最低点处的全部压头损失。该值越小，泵越不易发生气蚀。,泵入口处压头,饱和蒸汽压头,叶轮内最低压力点处压头,有效汽蚀余量,最小汽蚀余量,因为泵入口处的有效汽蚀余量在用于压头损失（最小汽蚀余量）之后，剩余的压头就越多。这表示液体流到叶轮内最低压力点时，其压头高出pv就越多，所以不会发生气蚀。,允许汽蚀余量h允许,允许安装高度zs允许：,这种求 zs允许 的方法称为允许汽蚀余量法。,注意：（1）气蚀余量越小，该泵在一定操作条件下抗气蚀性能越好；（2）气蚀余量能比较完全反映离心泵的抗气蚀性能。（3）气蚀余量随流量的增加而增大。,讨论： （1） h允许由厂家出厂前由实验测定，不同型号的泵其值不同；测定条件：液面压力为标准大气压，流体为水，水温20 ； （2）当进口管路无阻力，液面压力为标准大气压，ue=0，不考虑饱和蒸汽压影响时，zs=10.33m 是泵安装高度的极限； （3）当进口管路阻力增大时，允许安装高度降低，故应尽可能减小吸入管路的阻力；如： * 吸入管路尽量短，少走弯路； * 进口管路直径一般大于出口管路直径； * 进口管路上避免不必要的管件，如泵装于液面下可免装止逆阀（并且启动前不用灌泵），流量调节阀装于出口管路；,（4）实际生产中，管路流量有可能变化，此时吸入管路阻力也发生变化；若流量增大则允许安装高度减小，所以为避免由于流量的提高或其他参数（如液体温度，液面压力等）的变化而出现汽蚀现象，允许安装高度按可能出现的最大流量计算并且实际安装高度应低于允许安装高度：,3、允许吸上高度Hs,定义：,当pk=pv，p1=p1min时刚好发生汽蚀现象，此时的吸上高度为不会发生汽蚀现象的最大值：,为了安全,允许吸上高度为：,所以允许安装高度也可用允许吸上高度法计算：,允许吸上真空度：,讨论： （1）Hs只能由厂家出厂前实验测定，不同型号的泵允许吸上真空度不同；测定条件：液面压力1atm，流体为水，水温20，饱和蒸汽压为0.24 mH2O ； （2）当进口管路阻力增大时，允许安装高度降低，故应尽可能减小吸入管路的阻力；（3）允许安装高度按可能出现的最大流量计算并且实际安装高度应低于允许安装高度：,pa：大气压；p1：泵入口处允许的最低压强；：20OC清水的密度。,Hs 操作条件下输送液体时的允许吸上高度，m液柱；Hs 实验条件下输送水时的允许吸上高度，即在水泵性能表上查得的数值，m H2O；Ha泵安装地区的大气压强， m H2O，随海拔高度不同而异；Pv为操作温度下被输送液体的饱和蒸汽压，m H2O 10实验条件下大气压强， m H2O；0.2420下水的饱和蒸汽压， m H2O；操作温度下水的密度，Kg/m3。,（4）zs =10.33m是泵安装高度的极限；（5）对清水泵通常给出允许吸上真空度的参数，当操作条件与允许吸上高度测定条件不同时，应进行校正（不作要求）。,注意：（1）允许吸上真空度越大，该泵在一定操作条件下抗气蚀性能越好。（2）允许吸上真空度不能完全反映离心泵的抗气蚀性能。（3）允许吸上真空度随流量的增加而减小。,由该式可知，液面压力越小、饱和蒸汽压越高、密度越大， 则允许的安装高度越低；经校正后操作条件下的允许安装高度为：,表2-1 不同海拔高度的大气压强,例：用3B33型水泵从一敞口水槽中将水送到它处，槽内水面恒定。输水量为4555m3/h。在最大流量下吸入管路的压头损失为1m，液体在吸入管路的动压头可忽略。试计算：,（1）输送20水时泵的安装高度？（2）输送65 水时泵的安装高度？已知：安装地区的大气压为9.81104Pa。,解：,查得3B33型水泵部分性能：,（1）输送20水时泵的安装高度：,从性能表看出，允许吸上真空度 Hs 随流量增加而下降，因此，应以最大输送量对应的 Hs 值确定泵的安装高度 :,由题意知，,（2）输送65 水时泵的安装高度不能直接采用泵性能表中的Hs值，需按下式对Hs进行计算，即：,。,故：,为安全起见，泵的实际安装高度应小于2m。,其中：,Ha=9.81104Pa10mH2o,65水的饱和蒸汽压：,密度：,则：,Zs为负值，表示泵应安装在水面以下，至少比贮槽水面低0.35m。,解: （1）水40，P v = 55.32 mmHg, =992.2m3/kg 500 m处 Pa = 9.74 mH2O= Ha （安装地大气压） ， Hv = 55.32 / 76010.3=0.75mH2O Hs=Hs + ( Ha - 10) - (Hv - 0.24)（1000/992.2） =6 + (9.74-10)-(0.75-0.24)1.0079 = 5.27 Zs = Hs-u21/ 2g-Hf = 5.23-0.2-1= 4.03 m5m 因此泵安装高度不合适。,例：某离心泵在样本中查得允许吸上真空度为6m，现将泵安装在海拔高度500m处，水温40度，问（1）修正后的Hs?（2）若吸入管路压头损失为1m，动压头为0.2m，该泵安装在离水面5m高处是否合适？,例：用油泵从贮罐向反应器输送异丁烷，密度530 kg/ m3，罐内液面恒定，且上方绝对压强为6.65 kgf / cm2，吸入管压头损失为1.6m，饱和蒸汽压为6.5 kgf/cm2，泵的气蚀余量为3.5m，泵位于贮罐液面以下1.5m处，试确定该泵能否正常造作。,Ps = 6.65 98100 Pa PV = 6.5 98100 Pa Hf =1.6 m h= 3.5 m Zs= -2.27 m,解：,已知泵实际安装高度为-1.5米，大于-2.27米，说明泵的安装位置太高，在输送过程中会发生气蚀现象，使泵不能正常操作。,离心泵的工作点是由离心泵特性曲线和 管路特性曲线共同确定的。,1.管路特性曲线与离心泵的工作点1）管路特性方程和特性曲线,2.1.5离心泵的工作点与流量调节,流体流动进入阻力平方区，随Re变化较小 ，可视为常数。,管路特性方程,管路特性曲线,H,qV,A,B,B 增加，曲线如何变化？低阻管路系统的特性曲线较为平坦(曲线A)，高阻管路系统的特性曲线较为陡峭(曲线B)。,2）离心泵的工作点： 泵特性曲线和管路特性曲线的交点。,将泵的HQ线和管路的heQ线画在一张图上，得到交点A，该点称为泵在管路上的工作点，此时H=he。在工作点处泵的输液量即为管路的流量Q，泵提供的压头（扬程）H 必恰等于管路所要求的压头he。当工作点是在高效区（不低于92max），则该工作点是适宜工作点，说明泵选择的较好。, 管路特性曲线he=A+BQ2为开口向上的抛物线，纵轴截距反映了管路上下游总势能差；B反映了管路阻力的大小；B，同样流量下管路的阻力越大，B较大的管路称为高阻管路，反之则称为低阻管路； 泵特性曲线中流量的单位可能是m3/s或m3/h ；求工作点时，管路特性曲线的整理应注意保持单位一致；,离心泵工作点的求法：解析法即将泵的特性曲线与管路特性曲线联立求工作点；图解法即将管路特性曲线画在泵特性曲线图上，两线的交点即为工作点。,注意：,改变管路特性曲线 在离心泵出口处的管路上安装调节阀。改变出口阀门的开度即改变管路阻力系数（K亦变）可改变管路特性曲线的位置，达到调节流量的目的。,优点：操作简便、灵活，应用范围广。对调节幅