第二章流体输送机械

第二章 流体输送机械,第一节 概述,1、定义：为流体提供能量的机械称为流体输送机械。,2、分类 1 ）按输送流体分类： 输送液体：泵； 输送气体：通风机、鼓风机、压缩机和真空泵等。 2 ）按工作原理分类： 动力式（离心式、叶轮式）：包括离心式、轴流式等； 容积式（正位移式）：包括往复式、旋转式等； 流体动力作用式（喷射式）等。,第二章 流体输送机械,第二节 离心泵,优点： 1）结构简单，操作容易，便于调节和自控； 2）流量均匀，效率较高； 3）流量和压头的适用范围较广； 4）适用于输送腐蚀性或含有悬浮物的液体。,第二章 流体输送机械,21离心泵的工作原理,1叶轮 2泵壳 3泵轴 4吸入口 5吸入管 6底阀 7滤网 8排出口 9排出管 10调节阀,第二章 流体输送机械,21离心泵的工作原理,演示2,离心泵之所以能输送液体，主要是依靠高速旋转的叶轮，液体在惯性离心力的作用下获得了能量以提高压强。,第二章 流体输送机械,气缚： 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” 。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。,第二章 流体输送机械,22 离心泵的主要部件,离心泵由两个主要部分构成：一是包括叶轮和泵轴的旋转部件；二是由泵壳、填料函和轴承组成的静止部件。但最主要的部件是叶轮和泵壳。,第二章 流体输送机械,22 离心泵的主要部件,1.叶轮,1）按其机械结构分类：闭式、半闭式和开式三种叶轮,第二章 流体输送机械,2）叶轮按其吸液方式不同可分为单吸式和双吸式两种。,第二章 流体输送机械,2.泵壳,泵壳与轴要密封好，以免液体漏出泵外，或外界空气漏进泵内,1-泵壳 2-叶轮 3-导轮,第二章 流体输送机械, 离心泵的主要性能参数,1、流量:指离心泵在单位时间内排送到管路系统的液体体 积，一般用Q表示，常用单位为m3s或m3/h。,2、泵的扬程：又称泵的压头，指单位重量液体流经泵后所获得 的能量，用符号表示，单位为米液柱。,第二章 流体输送机械,3、功率与效率,1）轴功率N和有效功率Ne,离心泵的轴功率是指泵轴所需的功率。当泵直接由电动机带动时，它即是电机传给泵轴的功率。,离心泵的有效功率是指单位时间内液体从叶轮获得的能量。,Ne=qvgH,2）效率：泵的能量损失的反应,能量损失包括：水力损失，容积损失，机械损失。,例21,第二章 流体输送机械, 离心泵的特性曲线,1、离心泵的特性曲线,4B20型离心水泵的特性曲线,离心泵的主要性能参数是流量Q、压头H、轴功率N及效率，其间的关系由实验测得。测出的一组关系曲线称为离心泵的特性曲线或工作性能曲线.,第二章 流体输送机械,2、离心泵的转数对特性曲线的影响,离心泵的特性曲线是在一定转速下测定的。当n改变的时候，qv，H，P也相应的发生变化。,对同一型号的泵、同一种液体，在效率不变的情况下，当转速由n1改变为n2时，其流量、压头及功率的近似关系为：,当转速变化小于20%时，可认为效率不变，用上式进行计算误差不大,比例定律,第二章 流体输送机械,3、叶轮直径对特性曲线的影响,4、液体粘度和密度的影响,1、粘度的影响,2、密度的影响,第二章 流体输送机械,25 离心泵的工作点与流量调节,当离心泵安装在特定的管路系统中工作时，实际的工作压头和流量不仅与离心泵本身的性能有关，还与管路的特性有关，即在输送液体的过程中，泵和管路是互相制约的。所以，在讨论泵的工作情况前，应先了解与之相联系的管路状况。,1、管路特性方程与管路特性曲线,第二章 流体输送机械,第二章 流体输送机械,2、工作点,输送液体是靠泵和管路相互配合完成的。一台离心泵安装在一定的管路系统中工作，包括阀门开度也一定时，就有一定的流量与压头。此流量与压头是离心泵特性曲线与管路特性曲线交点处的流量与压头。此点称为泵的工作点,若该点所对应效率是在最高效率区，则该工作点是适宜的。,第二章 流体输送机械,3、流量调节,如果工作点的流量大于或小于所需要的输送量，应设法进行流量调节， 实质上是改变泵在管路中工作点的位置 。工作点是管路特性曲线与泵特性曲线的交点，故改变其中之一均可达到改变工作点继而调节流量的目的。,1）改变管路特性：最简单的调节方法。,改变阀门开度(FLASH演示）,2）改变泵的特性：,改变泵的转数或切割叶轮直径,第二章 流体输送机械,4、流量调节方法的比较,当转速不变采用阀门来调节流量，这种方法简便，并为工厂广泛采用。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，这是不经济的。 当采用改变转速调节流量时，可使管路特性曲线保持不变。此时，流量随转速下降而减小，动力消耗也相应降低，因而采用改变转速调节流量节能效果是显著的。但需要变速装置或价格昂贵的变速原动机，且难以做到流量连续调节，这是其主要的缺点。 减小叶轮直径可改变泵的特性曲线，但其主要缺点是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。,第二章 流体输送机械,26 离心泵的气蚀现象与安装高度,1、气蚀现象,第二章 流体输送机械, 泵的安装位置不能太高； 应使吸入管路的阻力尽可能 小。以保证系统中压强最低 的叶轮中心的压强大于液体 输送温度下的饱和蒸汽压。,解决措施,第二章 流体输送机械,2、气蚀余量,1）有效气蚀余量,2）必需气蚀余量hr,3）允许气蚀余量h,第二章 流体输送机械,3、最大安装高度和最大允许安装高度,1）最大安装高度,2）最大允许安装高度,第二章 流体输送机械,27 离心泵的类型与选择,1、离心泵的类型,由于化工生产中被输送液体的性质、压强和流量等差异很大，为了适应各种不同的要求，离心泵的类型也是多种多样的。按泵送液体的性质可分为水泵、耐腐蚀泵、油泵和杂质泵等；按叶轮吸入方式可分为单吸泵和双吸泵；按叶轮数目又可分为单级泵和多级泵。 各种类型的离心泵按照其结构特点各自成为一个系列，并以一个或几个汉语拼音字母作为系列代号。在每一系列中，由于有各种规格，因而附以不同的字母和数字予以区别。,第二章 流体输送机械,1、离心泵的类型,1）水泵：,凡是输送清水以及物理、化学性质类似于水的清洁液体，都可以选用水泵。,1一泵体 2一叶轮 3一密封环 4一护轴套 5一后盖6一泵轴7-机架 8一联轴器部件,单级单吸式水泵,第二章 流体输送机械,多级离心泵,双吸泵,第二章 流体输送机械,2）耐腐蚀泵,耐腐蚀泵(F型) 当输送酸、碱等腐蚀性液体时应采用耐腐蚀泵，该泵主要特点是与液体接触的泵部件用耐腐蚀材料制成,各种材料制造的耐腐蚀泵在结构上基本相同。,3）油泵,输送石油产品的泵称为油泵。油品的特点是易燃、易爆，因此对油泵的一个重要要求是密封完善。当输送200以上的油晶时，还要求对轴封装置和轴承等进行良好的冷却，故这些部件常装有冷却水夹套。,第二章 流体输送机械,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：）确定输送系统的流量与压头：流量一般为生产任务所规定。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。）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。按已确定的流量和压头从泵样本产品目录选出合适的型号。需要注意的是，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。然后按所选定型号，进一步查出其详细性能数据。）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。,2、离心泵的选择,第二章 流体输送机械,第三节 其他类型化工用泵,28 往复泵,1泵缸2一活塞3一活塞杆4吸入阀5一排出阀,往复泵是通过活柱的往复运动直接将外功以压强能的形式向液体提供能量的，以达到输送液体的目的,工作原理1（FLASH),1、工作原理,工作原理2(FLASH),第二章 流体输送机械,2、往复泵的类型与流量,（1）单动泵,（2）双动泵,（3）三联泵,1）往复泵的类型,第二章 流体输送机械,2）往复泵的流量,（1）往复泵的流量曲线,（2）往复泵的流量计算公式,单动泵,双动泵,往复泵的理论流量是由活塞所扫过的体积所决定，而与管路特性无关。而往复泵提供的理论压头则只决定于管路情况（只要泵的机械强度和原动机功率足够，总能克服管路上的压强而将液体推挤出去）。这种特性称为 正位移特性 ，具有这种特性的泵称为正位移泵。,第二章 流体输送机械,3、往复泵的扬程与流量调节,1）往复泵的扬程,2）流量调节,（1）旁路调节,（2）改变往复频率,（3）改变行程,第二章 流体输送机械,29 计量泵,随着化学工业的发展，输送定量液体的精确度要求愈来愈高，有时还需要精确的配料比。为了完成这类液体的输送任务，常采用计量泵或比例泵。计量泵是往复式泵的一种。除了装有一套可以准确地调节流量的机构外，其基本构造与往复泵相同。,如图所示的是计量泵的一种形式，它是通过偏心轮把电机的旋转运动变成柱塞的往复运动。由于偏心轮的偏心距离可以调整，使柱塞的冲程随之改变。若单位时间内柱塞的往复次数不变时，则泵的流量与柱塞的冲程成正比，所以可通过调节冲程而达到比较严格控制和调节流量的目的。,第二章 流体输送机械,210 旋转泵,旋转泵是靠泵内一个或一个以上的转子的旋转来吸人与排出液体的，又称转子泵。旋转泵的形式很多，但它们的操作原理都是相似的。化工厂中较为常用的有：齿轮泵和螺杆泵。,1、齿轮泵,工作原理(FLASH),齿轮泵的压头高而流量小，适用于输送粘稠液体以至膏状物，但不能输送含有固体粒子的悬浮液。,第二章 流体输送机械,2、螺杆泵,螺杆泵主要由泵壳和一根或两根以上的螺杆构成。如图所示的双螺杆泵实际上与齿轮泵十分相似，它利用两根相互啮合的螺杆来排送液体。当所需的压强较高时，可采用较长的螺杆,螺杆泵的效率较齿轮泵高。运转时无噪音、无振动、流量均匀。可在高压下输送粘稠液体。,第二章 流体输送机械,211 漩涡泵,l一叶轮2一叶片3泵壳4-引液道5一间壁,第二章 流体输送机械,旋涡泵是一种特殊类型的离心泵，如图所示，叶轮1上有叶片2，在泵壳3内旋转，壳内有引液道4，吸人口和排出口间有间壁5，间壁与叶轮间的缝隙很小，使吸人腔和排出腔得以分隔开。泵内液体随叶轮 旋转的同时，又在引液道与叶片间反复运动，因而被叶片拍击多次，获得较多的能量。 旋涡泵适用于要求输液量小、压头高而粘度不大的液体。因液体在叶片与引液道之间的反复迂回是靠离心力的作用，故旋涡泵在启动前泵内也要灌满液体。,第二章 流体输送机械,旋涡泵的最高效率一般比离心泵的低，特性曲线也与离心泵的不同，如图所示。当流量减小时，压头升高很快，轴功率也增大，所以此类泵应避免在太小的流量或出口阀全关的情况下长期运转，以保证泵和电机的安全。流量调节方法也与正位移泵的相同。旋涡泵的NQ曲线是向下倾斜的，当流量为零时，轴功率最大，所以在启动泵时，出口阀和旁路阀必须全开。,第二章 流体输送机械,第四节 气体输送机械,212 概述,1、气体输送的特点： 1）气体密度小（约为液体密度的 1/1000 左右），对一定的质量流量，体积流量很大，气体输送管路中的流速要比液体输送管路的流速大得多。液体在管道中的经济流速为1 3 m/s，而气体为 1525 m/s，约为液体的10倍。若利用各自最经济流速输送同样的质量流量，经相同管长后气体的阻力损失约为液体阻力损失的10倍。 2）气体因具有可压缩性，故在输送机械内部气体压强发生变化的同时，体积和温度也将随之发生变化，这些变化对气体输送机械的结构、形状有很大影响。对润滑油的工作有影响，严重时会损坏机械；另外单机压缩比不能太大，否则要增大冷却装置。,第二章 流体输送机械,气体输送机械与液体输送机械大体相同，但气体具有压缩性，气体压力变化程度，常用压缩比来表示。压缩比为气体排出与吸入压力（绝对压力）的比值。,各种化工生产过程对气体压缩比的要求很不一致，气体输送机械可按其终压（出口压力）或压缩比大小分为四类：,1）通风机：出口表压不大于15kPa，压缩比为11.15；2）鼓风机：出口表压为15300kPa，压缩比为1.14；3）压缩机：出口表压大于300kPa，压缩比大于4；4）真空泵：使设备产生真空，出口表压为0.1MP，其压缩比由真 空度决定。,2、气体输送机械的分类,第二章 流体输送机械,213 通风机,轴流式,离心式,：送气量大，风压较低，常用于通风换气,：应用广泛，重点,1、离心式通风机的工作原理和基本结构,如图所示：离心式通风机和离心泵一样，在蜗壳形泵体内装一高速旋转的叶轮。借叶轮旋转所产生的离心力，使气体压头增大而排出。,第二章 流体输送机械,离心式通风机依所产生的风压大小分为： 低压离心通风机 风压100mmH2O（表压） 中压离心通风机 风压为100300mmH2O（表压） 高压离心通风机 风压为3001500mmH2O（表压）,离心式通风机的叶片数较离心泵多，而且不限于后弯叶片，也有前弯叶片。在中、低压离心通风机中，多采用前弯叶片，其原因是由于要求压力不高。前弯叶片有利于提高风速，从而减小通风机的截面积，因而设备尺寸可较后弯时为小。但是，使用前弯叶片时，风机的效率较低，这是因为动能加大，能量损失加大，而且叶轮出口速度变化比较剧烈的缘故。,第二章 流体输送机械,2、离心式通风机性能参数与特性曲线,1）性能参数,（1）流量（风量）qv,a)单位时间内流过通风机进口的气体体积，即体积流量。,b)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。,d)通风机内的气体压力变化不大，一般可以忽略气体的压缩性。所以，通风机的体积流量是指单位时间内流过通风机内任一处或管路的气体体积。,c)单位时间内流体流经管道任一截面的体积，称为体积流量,第二章 流体输送机械,(2) 风压,全风压是单位体积的气体流过风机时所获得的总机械能，称为通风机的全风压，以Pt表示，单位为J/m3=N/m2。由于Pt的单位与压强的单位相同，故用此称。相当于离心泵的扬程。,离心通风机的全风压为静风压与动风压之和，通风机性能表上所列的风压是指全风压。,静风压,动风压,第二章 流体输送机械,（3）轴功率与效率,2）特性曲线,通风机的特性曲线是在标准条件（20，101325Pa）下用空气测定的。计算功率P时，可用操作条件下的风量qv与风压pt，也可用标准条件下的风量qv0与风压pt0，计算结果一样。,第二章 流体输送机械,3、离心式通风机的选择,离心通风机的选用与离心泵相仿。根据所需的气体流量和风压，对照离心通风机的特性曲线或性能表选择合用的通风机。应当指出，由于风机的风压与被输送气体的密度有密切关系，而产品样本中列举的风压是在压力为101325Pa，温度为20的数值。选用时应按下式将操作状态所需的风压pt换算成上述规定状况下的风压pt0，然后按pt0的数值来选用。风压换算式为：,在选用通风机时，应首先根据所输送的气体情况（如清洁空气、易燃、易爆或腐蚀气体、含尘气体等）与风压范围，确定风机类型。然后根据所要求的风量和换算成规定状况下的风压，从产品样本中的性能表查得适宜的型号。,第二章 流体输送机械,214 鼓风机,化工生产中常用的鼓风机有离心鼓风机和旋转鼓风机两种,1、离心鼓风机,离心鼓风机又称涡轮鼓风机或透平鼓风机，其基本结构和操作原理与离心通风机相仿，只是由于通风机内只有一个叶轮，仅能产生低于14.7kPa（表压）的风压，而离心鼓风机一般是由几个叶轮串联组成的多级离心鼓风机。 离心鼓风机的出口压力一般不超过294.3kPa（表压）。因其压缩比不高，气体压缩过程产生的热量不多，所以不需要冷却装置，各级叶轮的大小也大体相等。 离心鼓风机选择方法与离心通风机相同。,第二章 流体输送机械,2、旋转鼓风机：,罗茨鼓风机的结构包括，在一长圆形机壳内，有两个铸铁或铸钢的转子，装在两个平行的轴上。由于两转子之间有很小的间隙，转子能自由转动，同时不会引起过多的泄漏。两转子转动方向相反，可使气体从机壳一侧吸入，从另一侧排出。,化工生产中，应用最广的旋转鼓风机是罗茨鼓风机,罗茨鼓风机的风量变动范围大，可自2至500m3/min。出口表压在78.5kPa以内，但表压在39.2kPa附近效率最高。罗茨鼓风机兼有往复式和离心式的一些特点。和往复式一样，罗茨鼓风机在转速一定时，风压改变，风量可基本不变，而风量与转速成正比。另一方面，和离心式一样，该风机转速高，可直接与风机连接，无阀门，重量较轻，结构简单，排气均匀。缺点是制造和安装不易，效率较低。,第二章 流体输送机械,215 压缩机,化工生产中使用的压缩机主要有往复压缩机与离心压缩机两种。由于离心压缩机的基本结构和操作原理与离心鼓风机完全相同，故下面着重介绍往复压缩机。,双缸往复压缩机的工作原理(FLASH演示）,往复压缩机的构造、工作原理与往复泵相近。主要部件有气缸、活塞、吸气阀和排气阀。依靠活塞的往复运动，循环地进行吸气、压缩及排气过程。但因为气体的密度小、可压缩。故压缩机的吸入和排除活门必须更加灵巧精密；为移除压缩放出的热量以降低气体的温度，必须附冷却装置。,1、工作原理,第二章 流体输送机械,2、工作过程,当活塞运动至气缸的最左端（图中 A 点），压出行程结束。但因为机械结构上的原因，虽则活塞已达行程的最左端，气缸左侧还有一些容积，称为 余隙容积 。 由于余隙的存在，吸入行程开始阶段为余隙内压强为 p 2 的高压气体膨胀过程，直至气压降至吸入气压 p 1 （图中 B 点）吸入活门才开启，压强为 p 1 的气体被吸入缸内。在整个吸气过程中，压强 p 1 基本保持不变，直至活塞移至最右端（图中 C 点），吸入行程结束。当压缩行程开始，吸入活门关闭，缸内气体被压缩。当缸内气体的压强增大至稍高于 p 2 （图中 D 点），排出活门开启，气体从缸体排出，直至活塞移至最左端，排出过程结束。 压缩机的一个工作循环是由膨胀、吸入、压缩和排出四个阶段组成 。 四边形 ABCD 所包围的面积，为活塞在一个工作循环中对气体所做的功。,第二章 流体输送机械,3、过程分析,根据气体和外界的换热情况，压缩过程可分为等温（ CD ）、绝热（ CD ）和多变（ CD ）种情况。由图可见，等温压缩消耗的功最小，因此压缩过程中希望能较好冷却，使其接近等温压缩。 实际上，等温和绝热条件都很难做到，所以压缩过程都是介于两者之间的 多变过程 。,压缩机在工作时，余隙内气体无益地进行着压缩膨胀循环，且使吸入气量减少。余隙的这一影响在压缩比 p 2 /p 1 大时更为显著。当压缩比增大至某一极限值时，活塞扫过的全部容积恰好使余隙内的气体由 p 2 膨胀至 p 1 ，此时压缩机已不能吸入气体，即流量为零。这是压缩机的极限压缩比。此外，压缩比增高，气体温升很高，甚至可能导致润滑油变质，机件损坏。因此，当生产过程的压缩比大于 8 时，尽管离压缩极限尚远，也应采用多级压缩。,第二章 流体输送机械,4、多级压缩,左图为两级压缩机示意图。在第一级中气体沿多变线ab 被压缩至中间压强p，以后进入中间冷却器等压冷却到原始温度，体积缩小，图中以 bc 线表示。在第二级压缩中，从中间压强开始，图中以 cd 线表示。这样，由一级压缩变为两级压缩后，其总的压缩过程较接近于等温压缩，所节省的功为阴影面积 bcdd 所代表。在多级压缩中，每级压缩比减小，余隙的不良影响减弱。,第二章 流体输送机械,5、往复式压缩机的选用,往复式压缩机的选用主要依据生产能力和排出压强（或压缩比）两个指标。生产能力用 m 3 /min 表示，以吸入常压空气来测定。在实际选用时，首先根据所输送气体的特殊性质，决定压缩机的类型，然后再根据生产能力和排出压强，从产品样本中选用适用的压缩机。 与往复泵一样，往复式压缩机的排气量也是脉动的。为