流体输送机械-离心泵

,第2章流体输送机械,在化工生产过程中，流体输送是主要的单元操作之一它遵循流体流动的基本原理。,第1节概述,流体输送在化工生产中的应用,流体输送的主要任务是满足对工艺流体的流量和压强的要求。流体输送系统包括：流体输送管路、流体输送机械、流动参数测控装置。,流体输送计算以描述流体流动基本规律的传递理论为基础。,流体输送机械的分类,动力式（又称叶轮式、非正位移式）：它是利用高速旋转的叶轮使流体获得能量，主要包括离心式、轴流式和旋涡式输送机械。容积式（又称正位移式）：它是利用活塞或转子的挤压作用使流体升压排出。包括往复式、旋转式输送机械。其他类型：例如流体作用式等，对气体和液体输送机械，同一类型的基本结构、工作原理、主要操作性能等大致相似。,流体输送机械是一种向流体作功以提高流体机械能的装置，分类如下：,在化工生产和设计中，对流体输送机械基本要求如下：能适应被输送流体的特性，例如它们的粘性、腐蚀性、毒性、易燃易爆性及是否含有固体杂质等能满足生产工艺上对能量（压头）和流量的要求结构简单，操作可靠和高效，投资和操作费用低在化工生产中，选择适宜的流体输送机械类型和型号是十分重要的,对流体输送机械的基本要求,第2节离心泵,离心泵的主要部件,叶轮,闭式叶轮,半闭式叶轮,敞开式叶轮,轴封装置：离心泵工作时是泵轴旋转而泵壳不动，泵轴与泵壳之间的密封。作用：防止高压液体从泵壳内沿间隙漏出，或外界空气漏入泵内。,泵壳：泵体的外壳多制成蜗壳形，它包围叶轮，在叶轮四周展开成一个截面积逐渐扩大的蜗壳形通道，通道内流体速度下降，静压能增高。作用：汇集液体转能装置,离心泵的工作原理,1.排液过程2.吸液过程,气缚现象气缚现象：当启动离心泵时，若泵内未能灌满液体而存在大量气体，则由于空气的密度远小于液体的密度，叶轮旋转产生的惯性离心力很小，因而叶轮中心处不能形成吸入液体所需的真空度，这种虽启动离心泵，但不能输送液体的现象。离心泵是一种没有自吸能力的液体输送机械。若泵的吸入口位于贮槽液面的上方，在吸入管路应安装单向底阀和滤网。单向底阀可防止启动前灌入的液体从泵内漏出，滤网可阻挡液体中的固体杂质被吸入而堵塞泵壳和管路。若泵的位置低于槽内液面，则启动时就无需灌泵。,离心泵的主要性能参数,离心泵的性能参数是用以描述一台离心泵的一组物理量，包括：流量Q、压头(扬程)H、轴功率N和效率,流量Q：离心泵在单位时间内排送到管路系统的液体体积。又称泵的送液能力。单位为：L/sm3/hQ=f（泵的结构、尺寸、转速n）名牌：设计流量，额定流量。,扬程H（压头）：离心泵对单位重量(1N)液体所提供的有效能量。单位为m。扬程不是升扬高度，升扬高度只是扬程的一部分。H=f（泵的结构、尺寸、转速、Q）,轴功率N：电机输入到泵轴的功率，由于泵提供给流体的实际扬程小于理论扬程，故泵由电机获得的轴功并不能全部有效地转换为流体的机械能。,有效功率Ne：流体从泵获得的实际功率，可直接由泵的流量和扬程求得,离心泵的特性曲线,HQ曲线NQ曲线Q曲线,一般都通过实验来测定。,（1）从HQ特性曲线中可以看出，随着流量的增加，泵的压头是下降的，即流量越大，泵向单位重量流体提供的机械能越小。（2）轴功率随着流量的增加而上升，流量为零时轴功率最小，离心泵应在关闭出口阀的情况下启动，这样可以使电机的启动电流最小，以保护电机。（3）泵的效率先随着流量的增加而上升，达到一最大值后便下降。但流量为零时，效率也为零。根据生产任务选泵时，应使泵在最高效率点附近工作，称泵的高效区，在高效区内泵的效率一般不低于最高效率点的92%。（4）离心泵的铭牌上标有一组性能参数，它们都是与最高效率点对应的性能参数，称为最佳工况参数。,对特性曲线的讨论,液体的密度：离心泵的压头和流量均与液体的密度无关，有效功率和轴功率随密度的增加而增加，这是因为离心力及其所做的功与密度成正比，但效率又与密度无关。液体的粘度：若粘度大于常温下清水的粘度，则泵的流量、压头、效率都下降，但轴功率上升。所以，当被输送流体的粘度有较大变化时，泵的特性曲线也要发生变化。,离心泵特性的影响因素,转速:若离心泵的转速变化不大（小于20），可以假设：转速改变前后液体离开叶轮处的出口速度三角形相似；转速改变前后离心泵的效率不变。从而可导出以下关系：,（比例定律）,叶轮外径:当泵的转速一定时，压头、流量与叶轮外径有关。对于某同一型号的离心泵，若对其叶轮外径进行“切割”，而其他尺寸不变，在叶轮外径减小变化不超过5时，离心泵的性能可进行近似换算。从而可以导出以下关系：,（切割定律）,离心泵的工作点和流量调节,特定管路的特性方程：,管路特性曲线的形状由管路布置和操作条件来确定，与离心泵性能无关。,管路特性曲线,离心泵的工作点,管路特性曲线和泵的工作点,将泵的HQ曲线与管路的HeQe曲线绘在同一坐标系中，两曲线的交点称为泵的工作点M。,（1）泵的工作点由泵的特性和管路的特性共同决定，可通过联立求解泵的特性方程和管路的特性方程得到；（2）安装在管路中的泵，其输液量即为管路的流量；在该流量下泵提供的扬程也就是管路所需要的外加压头。因此，泵的工作点对应的泵压头和流量既是泵提供的，也是管路需要的；（3）工作点对应的各性能参数（）反映了一台泵的实际工作状态。,对离心泵工作点的讨论,离心泵的流量调节,改变泵出口阀的开度改变管路特性,改变阀门开度时工作点变化,改变叶轮转速改变泵的特性,改变泵转速时工作点变化,车削叶轮直径这种调节方法实施起来不方便，且调节范围也不大。叶轮直径减小不当还可能降低泵的效率，因此生产上很少采用。在生产中单台离心泵不能满足输送任务要求时，可采用离心泵并联或串联操作。,离心泵的气蚀现象,泵的吸上高度：贮槽液面与离心泵吸入口之间的垂直距离。气蚀现象：当泵内某点的压强低至液体饱和蒸汽压时部分液体将汽化，产生的汽泡被液流带入叶轮内压力较高处再凝聚。由于凝聚点处产生瞬间真空，造成周围液体高速冲击该点，产生剧烈的水击。瞬间压力可高达数十个MPa，众多的水击点上水击频率可高达数十kHz，且水击能量瞬时转化为热量，水击点局部瞬时温度可达230以上。,注意：离心泵在正常运行时，必须避免发生气蚀现象。,由于泵内压强最低点处的真实压强难于测量，工程上以泵入口处压强p1来表征。对1-1和K-K截面列柏努方程,在一定流量下，当pk=pv时，汽蚀发生，令此时的p1为p1,min，且定义,最小汽蚀余量,反映离心泵汽蚀性能的重要参数，主要与泵的内部结构和输送的流量有关。,离心泵的安装高度,泵入口允许的最小压强p1,允应满足,将p1,允/g代入0-0和1-1截面之间所列的柏努利方程，可得为避免发生汽蚀离心泵的允许安装高度Hg,允为,对一定型号规格的离心泵查得允许汽蚀余量h后，根据具体管路情况计算出允许安装高度Hg,允，实际安装高度Hg应小于Hg,允。,讨论1.汽蚀现象的产生可以有以下三方面的原因：离心泵的安装高度太高；被输送流体的温度太高，液体蒸气压过高；吸入管路的阻力或压头损失太高。允许安装高度这一物理量正是综合了以上三个因素对汽蚀的贡献。由此，我们又可以有这样一个推论：一个原先操作正常的泵也可能由于操作条件的变化而产生汽蚀，如被输送物料的温度升高或吸入管线部分堵塞。2.若计算出的允许安装高度为负值，这说明该泵应该安装在液体贮槽液面以下。,3.允许安装高度Hg的大小与泵的流量有关。流量越大，计算出的Hg越小。因此用可能使用的最大流量来计算Hg是最保险的。4.安装泵时，实际安装高度比允许安装高度还要小0.5至1米。5.当液体的操作温度较高或其沸点较低时，应注意尽量减小吸入管路的压头损失，如可以选用较大的吸入管径，减少管件和阀门，缩短管长等；或将离心泵安装在贮槽液面以下，使液体利用位差自动流入泵体内。,清水泵用于输送物理、化学性质类似于水的清洁液体。最简单的清水泵为单级单吸式，系列代号为“IS”，结构简图如图，若需要的扬程较高，则可选D系列多级离心泵。若需要流量很大，则可选用双吸式离心泵，其系列代号为“Sh”。防腐蚀泵当输送酸、碱等腐蚀性液体时应采用耐腐蚀泵。耐腐蚀泵所有与液体介质接触的部件都采用耐腐蚀材料制作。离心耐腐蚀泵有多种系列，其中常用的系列代号为F。,离心泵的类型与选择,离心泵的类型,油泵用于输送石油产品，油泵系列代号为Y。因油类液体具有易燃、易爆的特点，因此对此类泵密封性能要求较高。输送200以上的热油时，还需设冷却装置。杂质泵用于输送悬浮液及稠厚的浆液等，其系列代号为P，又可分为污水泵、砂泵、泥浆泵等。这类泵的主要结构特点是叶轮上叶片数目少，叶片间流道宽，有的型号泵壳内还衬有耐磨材料。,离心泵的选用,流体输送机械的选用原则是先选型号，再选规格。具体选用离心泵时，首先应根据所输送液体的性质和操作条件，确定泵的类型，而后根据管路系统及输送流量Q、所需压头HL确定泵的型号。所选的泵提供流量Q和压头H的能力应比管路系统所要求的稍大。,注意：所选泵应在高效区范围工作。工程实践中，总是在可靠性前提下，综合造价、操作费用、使用寿命等多方面因素作出最佳选择。,（1）安装高度不能太高，应小于允许安装高度。（2）尽量设法减小吸入管路的阻力，以减少发生汽蚀的可能性。吸入管路减少不必要的管件和阀门，调节阀应装于出口管路。,离心泵的安装与操作,安装,（1）启动前应灌泵，并排气。（2）应在出口阀关闭的情况下启动泵，使启动功率最小，以保护电动机。（3）停泵前先关闭出口阀，以免损坏叶轮。（4）经常检查轴封的泄漏情况和发热与否；,操作,往复泵的结构和工作原理,第3节其它类型的泵,结构：由泵缸、活塞、活塞杆、吸入和排出单向阀（活门）构成，有电动和汽动两种驱动形式。原理：活塞往复运动，在泵缸中造成容积的变化并形成负压和正压，完成一次吸入和排出。,往复泵的流量和压头,往复泵的理论平均流量Q（m3/s）,单缸单动泵,单缸双动泵,式中：A活塞面积m2S活塞的冲程m（活塞在两端点间移动的距离）n活塞往复的频率1/mina活塞杆的截面积m2,往复泵的实际平均流量,实际平均流量Q,V容积效率,由于容积损失，平均流量Q在压头较高时会随压头的升高略微减小。结合管路特性曲线，可确定往复泵的工作点（1点）。,往复泵的流量与管路特性曲线无关，所提供的压头完全取决于管路情况（具有这种特性的泵称为正位移泵）。,在泵出口安装调节阀不能调节流量，压头且随阀门开启度减小而增大。若出口阀完全关闭则会使泵的压头剧增，一旦超过泵的机械强度或发动机的功率限制，设备将受到损坏。,往复泵的操作要点和流量调节,由于往复泵是靠外界和泵内的压强差来吸入液体，因而吸上高度有一定的限制。往复泵有自吸作用，启动前无需要灌泵。一般不设出口阀，即使有出口阀，也不能在其关闭时启动。,往复泵的流量调节方法：（1）用旁路阀调节流量（2）改变曲柄转速,计量泵,计量泵：又称比例泵。计量泵的传动装置是通过偏心轮把电机的旋转运动变成柱塞的往复运动。偏心轮的偏心距可调，以此来改变柱塞往复的行程，从而达到调节和控制泵的流量的目的。计量泵一般用于要求输液量十分准确或几种液体要求按一定配比输送的场合。,YJH系列隔膜计量泵1、电机2、蜗轮蜗杆3、凸轮4、推杆5、膜片6、调节手轮7、排出阀8、吸入阀9、泵头,隔膜泵,隔膜泵：用弹性金属薄片或耐腐蚀性橡皮制成的隔膜将活柱与被输送液体隔开，与活柱相通的一侧则充满油或水。当活柱往复运动时，迫使隔膜交替向两侧弯曲，将液体吸入和排出。,齿轮泵,齿轮泵：旋转类正位移泵。两齿轮在泵吸入口脱离啮合，形成低压区，液体被吸入并随齿轮的转动被强行压向排出端。在排出端两齿轮又相互啮合形成高压区将液体挤压出去。齿轮泵可产生较高的扬程，但流量小。适用于输送高粘度液体或糊状物料，但不宜输送含固体颗粒的悬浮液。,螺杆泵,螺杆泵：按螺杆的数目，有单螺杆泵、双螺杆泵、三螺杆泵以及五螺杆泵。螺杆泵的工作原理与齿轮泵相似，是借助转动的螺杆与泵壳上的内螺纹、或螺杆与螺杆相互啮合将液体沿轴向推进，最终由排出口排出。螺杆泵压头高、效率高、无噪音、适用于输送高粘度液体。,旋涡泵,旋涡泵：一种特殊类型的离心泵。叶轮为一圆盘，四周由凹槽构成的叶片成辐射状排列，叶片数目可多达几十片。叶轮旋转过程中泵内液体随之旋转的同时，又在径向环隙的作用下多次进入叶片反复作旋转运动，从而获得较高能量。,第4节气体输送机械,概述,一、气体输送机械在工业生产中的应用,1.气体输送2.产生高压气体3.产生真空,气体密度远较液体小且可压缩。(1)一定质量流量下气体体积流量大，输送机械的体积较大；(2)气体输送管路的常用流速要比液体大得多(一般约10倍)。而通常流体流动阻力正比于流速的平方，因此输送相同的质量流量，气体输送要求提供的压头相应也更高；(3)由于气体的可压缩性，在输送机械内部气体压强变化时，其体积和温度随之而变。气体输送机械结构设计更为复杂，选用上必须考虑的影响因素也更多。,气体输送设备特性,气体输送机械也可以按工作原理及其结构分为离心式、旋转式、往复式以及喷射式等，通常按输送机械的压强或压缩比（气体出口与进口压强之比）来分类。,气体输送机械的分类,2,离心式通风机,低压离心通风机：出口风压小于1.0kPa（表压）中压离心通风机：出口风压1.03.0kPa（表压）高压离心通风机：出口风压3.015.0kPa（表压）,低压离心通风机,低压离心通风机叶轮,离心式通风机的结构特点,结构和工作原理：与离心泵基本相同，主要由蜗壳形机壳和叶轮组成。差异在于离心通风机为多叶片叶轮，且因输送流体体积大（密度小），叶轮直径一般较大而叶片较短。叶片有平直、前弯和后弯几种形式。平直叶片一般用于低压通风机；前弯叶片的通风机送风量大，但效率低；高效通风机的叶片通常是后弯叶片。蜗壳的气体通道截面有矩形和圆形两种，一般低、中压通风机多为矩形。,离心式通风机特性曲线,主要性能参数：风量V：气体通过体积流量（按通风机进口状态计）。风压HT（也称全风压）：单位体积气体所获得的能量(N/m2)。轴功率和效率：N、,以通风机进口、出口为1、2截面列柏努利方程空气直接由大气吸入时u10，且（z2-z1）可忽略，则：,测定通风机特性曲线的依据,离心式鼓风机,罗茨鼓风机,工作原理：与齿轮泵相似。结构：由机壳和腰形转子组成。两转子之间、转子与机壳之间间隙很小，无过多泄漏。改变两转子的旋转方向，则吸入与排出口互换。,特点：风量与转速成正比而与出