流体输送机械介绍

流体输送机械介绍原作者：出处：【关键词】流体输送机械【论文摘要】化工生产中大都是连续流动的各种物料或产品。由于工艺需要常需将流体由低处送至高处；由低压设备送至高压设备；或者克服管道阻力由一车间（某地）水平地送至另一车间（另一地）。为了达到这些目的，必须对流体作功以提高流体能量，完成输送任务。这就需要流体输送机械。流体输送机械概述 一、化工生产中为什么要流体输送机械？ 化工生产中大都是连续流动的各种物料或产品。由于工艺需要常需将流体由低处送至高处；由低压设备送至高压设备；或者克服管道阻力由一车间（某地）水平地送至另一车间（另一地）。为了达到这些目的，必须对流体作功以提高流体能量，完成输送任务。这就需要流体输送机械。 二、为什么要用不同结构和特性的输送机械？ 这是因为化工厂中输送的流体种类繁多： 1、流体种类有强腐蚀性的、高粘度的、含有固体悬浮物的、易 挥发的、易燃易爆的以及有毒的等等； 2、温度和压强又有高低之分； 3、不同生产过程所需提供的流量和压头又各异。 所以需要有各种结构和特性的输送机械。 三、化工流体输送机械分类 一般可分为四类：即离心式、往复式、旋转式和流体动力作用式。这四种类型机械均有国产产品，且大多数已成为系列化产品。 四、本章讨论的主要内容 为了能选用一台既符合生产要求，又经济合理的输送机械，不仅要熟知被输送流体的性质、工作条件、输送要求，同时还必须了解各种类型输送机械的工作原理、结构和特性。这样才能正确地选型和合理地使用。这就是本章讨论的主要内容。 2-1-1 离心泵的工作原理 离心泵的种类很多，但工作原理相同，构造大同小异。其主要工作部件是旋转叶轮和固定的泵壳（如图（此图最好能实现动态）所示）。叶轮是离心泵直接对液体作功的部件，其上通常有6到12片后弯叶片（即叶片弯曲方向与旋转方向相反）。离心泵工作时，叶轮由电机驱动作高速旋转运动，迫使叶片间的液体也随之作旋转运动。同时因离心力的作用，使液体由叶轮中心向外缘作径向运动。液体在流经叶轮的运动过程中获得能量，并以高速离开叶轮外缘进入蜗形泵壳。在泵壳内，由于流道的逐渐扩大而减速，又将部分动能转化为静压能，达到较高的压强，最后沿切向流入压出管道。 在液体受迫由叶轮中心流向外缘的同时，在叶轮中心处形成真空。泵的吸入管路一端与叶轮中心处相通，另一端则浸没在输送的液体内，在液面压力（常为大气压）与泵内压力（负压）的压差作用下，液体经吸入管路进入泵内，只要叶轮的转动不停，离心泵便不断地吸入和排出液体。由此可见离心泵主要是依靠高速旋转的叶轮所产生的离心力来输送液体，故名离心泵。 离心泵若在启动前未充满液体，则泵内存在空气，由于空气密 度很小，所产生的离心力也很小。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，这种现象就称为“气缚”。所以离心泵启动前必须向壳体内灌满液体，在吸入管底部安装带滤网的底阀。底阀为止逆阀，防止启动前灌入的液体从泵内漏失。滤网防止固体物质进入泵内。靠近泵出口处的压出管道上装有调节阀，供调节流量时使用。 2-1-2 离心泵的理论压头 一、离心泵的理论压头 从离心泵工作原理知，液体从离心泵叶轮获得能量而提高了压强。单位质量液体从旋转的叶轮获得多少能量以及影响获得能量的因素，可以从理论上来分析。由于液体在叶轮内的运动比较复杂，故作如下假设： （1）叶轮内叶片的数目无限多，叶片的厚度为无限薄，液体完全沿着叶片的弯曲表面而流动，无任何倒流现象； （2）液体为粘度等于零的理想流体，没有流动阻力。如图所示，叶轮带动液体一起作旋转运动时，液体具有一个随叶轮旋转的圆周速度u，其运动方向为所处圆周的切线方向；同时，液体又具有沿叶片间通道流的相对速度w，其运动方向为所在处叶片的切线方向；液体在叶片之间任一点的绝对速度c为该点的圆周速度u与相对速度w的向量和。由图可导出三者之间的关系： 叶轮进口处 （2-1） 叶轮出口处 （2-2） 泵的理论压头可从叶轮进出口之间列柏努利方程求得 （2-3） 即 （2-4） 式中H - 叶轮提供给液体的压头，m； HP -理想液体经理想叶轮后静压头的增量，m； HC-理想液体经理想叶轮后动静压头的增量，m； p1、p2 - 液体在进、出口处的压强，Pa； 上式没有考虑进、出口两点高度不同，因叶轮每转一周，两点高低互换两次，按时均计此高差可视为零。 液体从进口运动到出口，静压头增加的原因有二： （1）液体在叶轮内受离心力作用，接受了外功。质量为m的液体旋转时受到的离心力为： Fc = mR2 式中Fc - 液体所受的离心力，N； R - 旋转半径，m； - 旋转的角速度，rad/s。 质量m = 1kg时液体从进口到出口，因受离心力作用而接受外功为： （2）相邻两叶片所构成的通道截面积由内而外逐渐扩大，液体通过时速度逐渐变小，一部分动能转变为静压能。每千克液体静压能增加的量等于其动能减少的量，即 质量为1kg的液体通过叶轮后其静压能的增加量应为上述两项之和，即 （2-5） 将式（2-5）代入（2-4），得 （2-6） 将式（2-1）、（2-2）代入（2-6），得 (2-7) 由上式看出，当cosa2= 0时，得到的压头最大。故离心泵设计时，一般都使a1 = 90，于是上式成为 (2-8) 此式即为离心泵基本方程式。 从前图（此处图改为新课本P70）可知 c2cosa2 = u2 cr2ctg2 (2-9) 如不计叶片的厚度，离心泵的流量QT可表示为 QT = cr2D2b2 （2-10） 式中cr2 -叶轮在出口处绝对速度的径向分量，m/s b2 - 叶轮出口的宽度，m； D2 - 叶轮外径，m； 将式（2-9）及式（2-10）代入式（2-8）可得泵的理论压头与泵的理论流量之间的关系为： （2-11） 上式为离心泵基本方程式的又一表达形式，表示离心泵的理论压头与流量、叶轮的转速和直径、叶片的几何形状之间的关系。 二、离心泵理论压头的讨论 （1）叶轮的转速和直径对理论压头的影响 由式（2-11）可看出，当叶片几何尺寸（b，）与流量一定时，离心泵的理论压头随叶轮的转速或直径的增加而加大。 （2）叶片形状对理论压头的影响 根据式（2-11），当叶轮的速度、直径、叶片的宽度以及流量一定时，离心泵的理论压头随着叶片的形状而改变。叶片形状可分为三种：（如图） 后弯叶片 b2 0 H 90 ，ctg2 u22 / g 由上可见，前弯叶片产生的理论压头最高，但理论压头包括动压头及静压头两部分。对后弯叶片静压头提高大于动压头提高，而前弯叶片则相反。离心泵希望获得的是静压头，而不是动压头。虽有一部分动压头可经蜗壳部分转化为静压头，但在此转化过程中将导致较多的能量损失，因此为获得较高的能量利用率，离心泵总是采用后弯叶片。 （3）流量对理论压头的影响 从式（2-11）可看出2 90时，H随流量的增大而加大。如图所示： 2 = 90 时，H与流量QT无关； 2 90 时，H随流量QT增大而减小。 2-1-3 离心泵的功率与效率 一、泵的有效功率与效率 泵在运转过程中由于存在种种损失，使泵的实际（有效）压头和流量均较理论值为低，而输入泵的功率较理论值为高，设 H 泵的有效压头，即单位量液体在重力场中从泵获得的能 量，m； Q 泵的实际流量，m3/s； 液体密度，kg/ m3； Ne 泵的有效功率，即单位时间内液体从泵处获得的机械 能，W。 有效功率可写成 Ne = QHg 由电机输入离心泵的功率称为泵的轴功率，以N表示。有效功率与轴功率之比定义为泵的总效率，即 二、泵内损失 离心泵内的各种损失有： （1）容积损失 由于泵的泄漏所造成的损失称为容积损失。无容积损失时泵的功率与有容积损失时泵的功率之比称为泵的容积效率v。 （2）水力损失 流体流过叶轮、泵壳时，流速大小和方向的改变以及逆压强梯度的存在引起了环流和旋涡，造成了能量损失，这种损失称为水力损失。额定流量下离心泵的水力效率h一般为0.8到0.9。 （3）机械损失 高速转动的叶轮与液体间的摩擦以及轴承、轴封等处的机械摩擦造成的损失称为机械损失。机械效率M一般为0.96到0.99。 离心泵的总效率即包括上述三部分： h =vhM 2-1-4 离心泵的特性曲线 一、特性曲线 离心泵的性能参数H、Q、及N之间并非孤立的，而是相互联系相互制约的。其具体定量关系由实验测定，并将测定结果用曲线形式表示，即为特性曲线。 右图即为4B20型清水泵在转速n = 2900转/分钟条件下测得的特性曲线。 关于特性曲线 由此图可见： （1）离心泵的压头H随流量Q的增加而降低 （2）离心泵的轴功率N随着流量Q的增大而上升，流量为零时轴功率最小。所以离心泵启动时，应关闭泵的出口阀门，使启动电流减小，保护电机； （3）随着流量Q的增大，泵的效率也随之上升，并达到一最大值。以后流量再增大，效率就下降。这说明离心泵在一定转速下有一最高效率点，称为设计点。与最高效率点对应的Q、H、P值称为最佳工况参数。根据输送条件的要求，离心泵往往不可能正好在最佳工况点运转，因此一般只能规定一个工作范围，称为泵的高效率区，通常为最高效率的92%左右。 二、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，当转速由n1改变为n2时，与流量、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，用上式计算误差不大。 三、叶轮直径对特性曲线的影响 当叶轮直径变化不大，转速不变时，叶轮直径与流量、压头及功率之间的近似关系为 四、液体物理性质的影响 （1）密度的影响 由离心泵的基本方程式可知，离心泵的压头、流量均与液体的密度无关，所以效率也不随液体的密度而改变，但轴功率会随着液体密度而变化。 （2）粘度的影响 所输送的液体粘度越大，泵内能量损失越多，泵的压头、流量都要减小，效率下降，而轴功率则要增大。 2-1-5 离心泵的工作点与流量调节 一、工作点 离心泵的特性曲线是泵本身固有的特性，它与外界使用情况无关。但是，一旦泵被安排在一定的管路系统中工作时，其实际工作情况就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。所以，要选好和用好离心泵，就还要同时考虑到管路的特性。 在特定管路中输送液体时，管路所需压头He随着流量Qe的平方而变化。将此关系绘在坐标纸上即为相应管路特性曲线。 若将离心泵的特性曲线与其所在管路特性曲线绘于同一坐标纸上，如图所示，此两线交点M称为泵的工作点。选泵时，要求工作点所对应的流量和压头既能满足管路系统的要求，又正好是离心泵所提供的，即Q = Qe，H = He。 二、流量调节 （1）改变阀门的开度 改变离心泵出口管线上的阀门开关，其实质是改变管路特性曲线。如图所示，当阀门关小时，管路的局部阻力加大，管路特性曲线变陡，工作点由M移至M1，流量由QM减小到QM1。当阀门开大时，管路阻力减小，管路特性曲线变得平坦一些，工作点移至M2，流量加大到QM2。 用阀门调节流量迅速方便，且流量可以连续变化，适合化工连续生产的特点。所以应用十分广泛。缺点是阀门关小时，阻力损失加大，能量消耗增多，不很经济。 （2）改变泵的转速 改变泵的转速实质上是改变泵的特性曲线。泵原来转速为n，工作点为M，如图所示，若把泵的转速提高到n1，泵的特性曲线 HQ往上移，工作点由M移至M1，流量由QM加大到QM1。若把泵的转速降至n2，工作点移至M2，流量降至QM2。 这种调节方法需要变速装置或价格昂贵的变速原动机，且难以做到连续调节流量，故化工生产中很少采用。 2-1-6 并联与串联操作 在实际工作中，当单台离心泵不能满足输送任务的要求时，有时可将泵并联或串联使用。这里仅讨论两台性能相同的泵并联及串联的操作情况。 一、并联操作 当一台泵的流量不够时，可用两台泵并联操作，以增大流量。如图所示，两台相同的泵并联操作时，在同样的压头下，并联泵的流量为单台泵的两倍，所以将单台泵的特性曲线1的横坐标加倍，纵坐标不变，便可得到两泵并联后的合成特性曲线2。但需注意，对于同一管路，并联操作时泵的流量不会增大一倍，因并联后流量增大，管路阻力也增大。 二、串联操作 当生产上需要利用原有泵提高泵的压头时，可以考虑将泵串联使用。 两台相同型号的泵串联工作时，每台泵的压头和流量也是相同的。因此，在同样的流量下，串联泵的压头为单台泵的两倍。将单台泵的特性曲线1的纵坐标加倍，横坐标保持不变，可得到两台泵串联后的合成特性曲线2（如图所示）。由图中可知，单台泵的工作点为A，串联后移至C点。显然C点的压头并不是A点的压头H1的两倍。 2-1-7 离心泵的安装高度 一、汽蚀现象 在如图所示的管路中，在液面00与泵进口附近截面11之间无外加能量，液体靠压强差流动。因此，提高泵的安装位置，叶轮进口处的压强可能降至被输送液体的饱和蒸汽压，引起液体部分汽化。 实际上，泵中压强最低处位于叶轮内缘叶片的背面，当泵的安装位置高至一定距离，首先在该处发生汽化并产生汽泡。含汽泡的液体进入叶轮后，因压强升高，汽泡立即凝聚，汽泡的消失产生局部真空，周围液体以高速涌向汽泡中心，造成冲击和振动。尤其是当汽泡的凝聚发生在叶片表面附近时，众多液体质点犹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，将会导致叶片的过早损坏，这种现象称为泵的汽蚀。 离心泵在产生汽蚀条件下运转，泵体振动并发出噪音，流量、扬程和效率都明显下降，严重时甚至吸不上液体。为了避免汽蚀现象，泵的安装位置不能太高，以保证叶轮中各处的压强高于液体的饱和蒸汽压。 二、离心泵的安装高度 一般采用两种指标对泵的安装高度加以限制，以免发生汽蚀，现将这两种指标介绍如下： （1）允许吸上真空高度 允许吸上真空高度Hs是指泵入口出压力p1可允许达到的最高真空度，其表达式为： 式中Hs离心泵的允许吸上真空高度，m 液柱； pa大气压强，Pa； 被输送液体的密度，kg/m3。 在前图所示的截面00与泵进口附近截面11间列柏努利方程： 式中Hg离心泵的允许安装高度，m； Hf0-1液体从截面00到11的压头损失，m。 由于贮槽是敞口的，p0为大气压pa，上式可写为 所以 此式可用于计算泵的安装高度。 由上式可知，为了提高泵的允许安装高度，应该尽量减小u12/2g和Hf0-1。为了减小u12/2g，在同一流量下应选用直径稍大的吸入管路；为了减小Hf0-1，应尽量减少阻力元件如弯头、截止阀等，吸入管路也尽可能地短。 注意，工厂在泵出厂时给出的Hs是在介质为清水，20，大气压为10mH2O时的值。若使用介质条件变化，要对Hs作适当修正。 （2）汽蚀余量 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之和大于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 因为 将以上两式合并，可得出汽蚀余量与允许安装高度之间的关系 式中p0液面上方的压强，若液位槽为敞口，则p0 = pa。 应当注意，泵产品样本上的h值也是按输送20水而规定的。当输送其他液体时，需进行校正。 2-1-8 离心泵的类型与选用 一、类型 离心泵的种类很多，化工生产中常用的离心泵有清水泵、耐腐蚀泵、油泵、液下泵、屏蔽泵、杂质泵、管道泵和低温用泵等。本教材对此不作详细介绍，请自行参考有关资料。二、选用 离心泵的选用原则上可分为两步： （1）根据被输送液体的性质和操作条件，确定泵的类型； （2）根据具体管路布置情况对泵提出的流量、压头要求，确定 泵的型号。 在泵样本中，各种类型的离心泵都附有系列特性曲线，以便于泵的选用。每一种型号的泵都有其最佳的工作范围，有时会有几种型号的泵同时在最佳工作范围内满足流量Q及压头H的要求，这时可分别确定各泵的工作点，比较各泵在工作点的效率。一般总是选择其中效率最高的一种，但同时也应考虑泵的价格。 在化工生产中除了离心泵之外，还会用到其它一些种类的泵，包括往复泵、计量泵、旋转泵以及旋涡泵等等。这里只对往复泵作简要介绍。 2-2-1 往复泵 往复泵装置如图所示。 往复泵是利用活塞的往复运动，将能量传递给液体，以完成液体输送任务，往复泵输送液体的流量只与活塞的位移有关，而与管路情况无关，但往复泵的压头只与管路情况有关。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。 与离心泵一样，往复泵也是借助泵体内减压而吸入液体，所以吸入高度也有一定的限制。往复泵的低压是靠泵体内活塞移动使空间扩大而形成的。往复泵在开动之前，没有充满液体也能吸液，故具有自吸能力。 2-2-2 往复泵的流量调节 离心泵可以用出口阀门来调节流量，但对往复泵此法却不能采用。因为往复泵属正位移泵，其流量只与泵的几何尺寸和泵的往复次数有关，而与管路特性无关。安装调节阀非但不能改变流量，而且还会造成危险。一旦出口阀完全关闭，泵缸内的压强将会急剧上升，导致机件破损或电机烧毁，根据往复泵的特点，其流量调节的方法是： （1）旁路调节 如图所示，在往复泵出口处装上旁路，使一部分液体返回进口处。在旁路上装调节阀，通过阀门调节旁路流量，可以达到调节主管流量的目的。这种方法简单方便，但很不经济，只适用于变化幅度较小的经常性调节。 （2）改变原动机的转速，调节活塞往复次数 改变原动机的转速和活塞的行程，可以改变泵的流量。因电动机是通过减速装置与往复泵相连接的，改变减速装置的传动比可以方便地改变转速，达到流量调节的目的。因此改变转速调节法是最常用的经济方法。 此外，对输送易燃、易爆液体的蒸汽推动往复泵，可改变蒸汽进入量使活塞往复次数改变，从而实现流量的调节。 气体输送机械的结构和原理与液体输送机械大体相同。但是气体具有可压缩性和比液体小得多的密度（约为液体密度的千分之一左右），从而使气体输送具有某些不同于液体输送的特点。 气体输送机械根据它所能产生的进、出口压强差或压强比（称为压缩比）进行如下分类： （1）通风机：出口压强不大于1.47104Pa（表压），压缩比为 11.15； （2）鼓风机：出口压强为（1.4729.4）104Pa（表压），压 缩比小于4； （3）压缩机：出口压强为29.4104Pa（表压）以上，压缩比 大于4； （4）真空泵：用于减压，出口压力为1大气压，其压缩比由真 空度决定。 此外，气体输送机械按其机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。 2-3-1 离心通风机 离心通风机的主要性能参数有流量（风量）、压头（风压）、轴功率和效率。由于气体通过风机的压强变化较小，可视为不可压缩，所以离心泵基本方程也可用来分析离心通风机的性能。 （1）风量 风量是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Q表示，单位为m3/h。 离心通风机的风量取决于风机的结构、尺寸和转速。 （2）风压 离心泵的压头是以单位质量流体所受能量为基准，压头的单位是m。对于通风机，如果也以此为基准，则压头的数值很大（1mm水柱约等于1m空气柱），使用不便。因此习惯上将通风机的压头表示为单位体积气体所获得的能量，其单位为J/ m3 = N/m2 = Pa，与压强单位相同。所以风机的