化工原理(流体输送机械)

1、第2章 流体输送机械概述2.1 离心泵2.1.1 离心泵的工作原理和主要部件2.1.2 离心泵的基本方程式2.1.3 离心泵的主要性能参数和特性曲线2.1.4 离心泵的气蚀现象和允许安装高度2.1.5 离心泵的工作点与流量调节2.1.6 离心泵的类型、选择与使用2.2 往复泵2.3 离心通风机概述流体输送设备就是向流体作功以提高其机械能的装置，所供能量用以克服沿程阻力、高差、压差等1.管路系统对流体输送机械的要求流体输送是化工生产及日常生活中最常见、最重要的单元操作之一。从输送的工程目的出发，管路系统对输送机械的要求通常为： 应满足工艺上对流量及能量（压头、风压、或压缩比）的要求； 结构简单，

2、质量轻，设备费低； 操作效率高，日常操作费用低； 能适应物料特性（如黏度、腐蚀性，含固体物质等）要求。2.输送机械的分类（1）根据被输送流体的种类或状态分类通常输送液体的机械称为泵；输送气体的机械按其产生压强的高低分别称之为通风机、鼓风机、压缩机及真空泵。（2）按工作原理可分成以下四类：离心式，往复式，旋转式，流体动力作用式。液体输送机械根据流量和压头的关系，液体输送机械分为离心式和正位移式。2.1 离心泵2.1.1 离心泵的工作原理和主要部件(1)主要部件叶轮通常由6-12片后弯叶片组成，可分为闭式、半闭式和开式三种形式。将原动机的机械能直接传给液体，以增加其动能和静压能。泵壳呈蜗壳形，是汇

3、集液体和能量转换的场所。使部分动能转化为静压能。为了减少液体直接进入泵壳时因碰撞引起的能量损失，再也论和泵壳之间有时还装有一个固定不动而且带有叶片的导轮。轴封装置用于泵壳与泵轴间的密封，分填料密封（小型泵）和机械密封（大型泵）两种。（2）工作原理液体自吸入口吸入后，在高速旋转的叶片上获得能量，在离心力作用下飞向泵壳内，因蜗壳型流道渐宽而将部分动能转化成静压能，于是液体以较高的静压能从排出口排出。当液体自叶轮中心甩向四周后，叶轮中心产生了低压区，此时外界作用于贮槽上方的压强大于泵吸入口处的压强，在此压差作用下液体被吸入管路。所以，只要叶轮不停地旋转，液体便连续地被吸入和排出。（3）气缚现象若离心

4、泵启动时，泵内有气体存在，则叶轮中心不能形成足够的低压区，导致不能吸液，这种现象称为气缚现象。为避免气缚现象而常采取的措施：泵启动前必须先灌满待输送液体；管路必须密闭良好。2.1.2 离心泵的基本方程式离心泵的基本方程式是从理论上描述在理想情况下离心泵可能达到的最大压头（又称扬程）与泵的结构、尺寸、转速及流量诸因素之间关系的表达式。离心泵基本方程式中心：提高液体的静压能2.1.3 离心泵的主要性能参数和特性曲线1.离心泵的主要性能参数（1）流量Q指离心泵在单位时间内排送到管路系统的液体体积，单位为m3/h. 尺寸（主要为叶轮直径和宽度）（2）压头H(又称扬程)离心泵的压头又称扬程，指离心泵对单

5、位重量液体所能提供的有效能量，单位为米液柱高。H一般由实验测定，方法如图。当系统运转正常时，测得吸入口和排出口的流量（算出u1和u2）,在入口真空表和出口压力表处分别取为1-1和2-2两个截面，其间列柏努力方程。整理得：（3）效率（4）轴功率N离心泵的轴功率是指泵轴所需的功率，这里设为电机传给泵轴的功率，单位为W或kW；而有效功率Ne是指液体从叶轮获得的能量，则有：2.离心泵的特性曲线为了解离心泵的性能，厂方以20的清水在特定转速下对特定泵型的关系进行测定，由实验数据描绘出的曲线附于泵的说明书中，供选泵时参考。虽然各种泵型各有其特性曲线，但大致形状基本相同。每个流量值下对应一个扬程值，且随着Q

6、值增大，H值降。当流量为零时（关闭出口阀门，扬程也只能达到一个有限值。随着流量值Q增大，轴功率N平缓上升，当流量为零时，功率最小，所以离心泵开车时都将出口阀关闭，在零流量下启动，目的是为了降低启动功率，保护电机。反映了离心泵的总效率与流量之间的关系。如上图所示。效率随着流量的增大而上升，达到某一最大值后再随流量增加而下降，说明离心泵在特定转速下有最高效率点，在此点附近操作时泵内的压头损失最小，该点称为泵的设计点，对应该点下的流量、压头和功率分别称为额定流量、额定压头和额定功率，它们的数值标在离心泵的铭牌上。通常将最高效率92%的左右区域称为高效区（如图中“”号所示），在该区内操作最合理。3.离

7、心泵性能的改变和换算1）液体物性的影响（1）密度的影响流量Q,扬程H及效率与密度无关，N随密度增大而增大，即当被输送液体的密度与水不同时，原离心泵特性曲线中只有NQ线不再适用，其它曲线可照常使用。（2）黏度的影响若被输送液体的黏度大于常温下清水的黏度，则液体流经泵时能量损失增大，因此泵的压头、流量都有减少，效率下降，而轴功率增大，亦即泵的特性曲线发生改变。所以必须对原离心泵特性曲线予以修正。2）离心泵转速n的影响离心泵的特性曲线都是在一定的转速下测定的，但在实际使用时常遇到要改变转速的情况，这时泵内液体运动速度三角形将发生变化，因此泵的压头、流量、效率和轴功率也随之改变。当n变化小于±

8、;20%时，泵的效率认为不变，可用比例定律描述：3）离心泵叶轮直径D的影响当泵的转速一定时，其压头、流量与叶轮直径有关。对同一型号的泵，可换用直径较小的叶轮，而其它尺寸不变（仅出口处叶轮的宽度稍有变化），这种现象称为叶轮的“切割”。当D变化不大于10%，不变时，可用切割定律描述：所谓叶轮切割一次，是指对同一型号的泵换一个直径较小而其它几何特征不变的叶轮。离心泵特性曲线要点： 每种型号的离心泵在特定的转速下有其独有的特性曲线。 在固定转速下，离心泵的Q、H、与无关，N与有关，成正比。 当Q=0时，N最小，开泵、停泵应关闭出口阀。停泵关闭出口阀可防止设备内液体倒流、防止损坏泵的叶轮。 若输送液体黏

9、度比清水的大得多时（运动粘度>2×10-5m2/s），泵的Q,H, ,N,泵原来的特性曲线不再适用，需要进行换算。 当离心泵的转速n或叶轮直径D2发生改变时，其特性曲线要换算。（比例定律和切割定律）。 离心泵铭牌上所标的流量和压头，是泵在最高效率点所对应的性能参数（QS,HS,NS）,称为设计点。泵应在高效去(即92%max的范围内)工作。35m常压水塔河水2.1.4 离心泵的气蚀现象和允许安装高度1. 离心泵的气蚀现象气蚀是离心泵特有的一种现象。由离心泵的工作原理可知，在离心泵的叶片入口附近形成低压区。离心泵内压强最低点在泵的叶片入口处，当该处压强小于或等于输送温度下液体的饱

10、和蒸汽压时，液体将在该处汽化，并产生大量气泡，当气泡随液体由低压区流向高压区后，气泡会迅速凝结或破裂，这时周围液体向原气泡占据的位置高速冲击，使泵体震动并产生噪音，这种现象称为气蚀现象。气蚀的危害性 离心泵的性能下降，泵的流量、压头和效率均降低。若生成大量的气泡，则可能出现气缚现象，且使离心泵停止工作。 产生噪声和振动，影响离心泵的正常运行和工作环境。  泵壳和叶轮的材料遭受损坏，降低了泵的使用寿命。由上分析可知，发生气蚀的原因是叶片入口附近液体静压强低于某值所致。而造成该处压强过低的原因诸多，如泵的安装高度超过允许值，泵送液体温度过高，泵吸入管路的局部阻力过大等。为避免发

11、生气蚀，就应设法使叶片入口附近的压强高于输送温度下的液体饱和蒸汽压。通常，根据泵的抗气蚀性能，合理地确定泵的安装高度，是防止发生气蚀现象的有效措施。离心泵的抗气蚀性能1）离心泵的气蚀余量泵内发生气蚀的临界条件是叶轮入口附近（假设截面为k-k）的最低压强等于液体的饱和蒸汽压p，此时泵入口处（截面1-1）的压强必等于某确定的最小值p1，min。若在泵入口1-1和叶轮入口附近k-k两截面间列柏努力方程式，可得：为确保离心泵的正常操作，通常将所测得的临界气蚀余量加上一定的安全量，称为必需气蚀余量，记为（NPSH）r。在离心泵的样本性能表中给出的是必需气蚀余量（NPSH）r。在一些离心泵的性能曲线图中，

12、也绘出（NPSH）r与Q的变化关系曲线，如上图。应予指出，泵性能表给出的（NPSH）r值是按输送20的清水测定得到的。当输送其它液体时应乘以校正系数予以修正。但因一般校正系数小于1，故通常将它作为外加的安全因素，不再校正。2）离心泵的允许吸上真空度为避免气蚀现象，泵入口处压强p1应为允许的最低绝对压强，习惯上常将p1表示为真空度，即说明：由于泵说明书中提供的Hs是在大气压为10mH2O下，以20清水为介质测出的，所以当输送其它流体或操作条件改变时，应对其进行校正：因Hs随流量增大而减小，因此在确定离心泵安装高度时应使用最大流量下的Hs值来计算。3.离心泵的允许安装高度离心泵的允许安装高度（又称

13、允许吸上高度）是指泵的吸入口与吸入贮槽液面间可允许达到的最大垂直距离，以Hg表示。假设离心泵在可允许的安装高度下操作，于贮槽液面0-0与泵入口处1-1两截面间列柏努力方程式，可得若贮槽上方与大气相通，则p0为大气压强pa,则若已知离心泵的必需气蚀余量，则若已知离心泵的允许吸上真空度，则通常为安全起见，离心泵的实际安装高度硬币允许安装高度低0.51.0m。注意：当液体的输送温度较高或沸点较低时，由于液体的饱和蒸汽压较高，就要特别注意泵的安装高度。若泵的允许安装高度较低，可采用下列措施： 尽量减小吸入管路的压头损失，可采用较大的吸入管径，缩短吸入管的长度，减少拐弯，省去不必要的管件和阀门等。把泵安

14、装在贮罐液面以下，使液体利用位差自动吸入泵体内，称之为“倒灌”。2.1.5 离心泵的工作点与流量调节1.管路特性与离心泵的工作点1）管路特性方程式和特性曲线对于某特定管路，若贮槽与受液槽的液面均保持恒定，液体通过管路系统时所需压头（即要求泵提供的压头），可由上图所示的截面1-1与2-2间列柏努力方程求得，即2）离心泵的工作点离心泵在管路系统运行时，泵所能提供的流量及压头与管路所需要的应一致。此时安装在管路中的离心泵的工作点必须同时满足泵的特性方程和管路特性方程，即2.离心泵的流量调节1）改变阀门开度（改变管路特性曲线）改变离心泵出口管路上阀门的开度，即可改变管路特性曲线。当阀门关小时，管路的局

15、部阻力加大，管路特性曲线变陡时，工作点由M点移至M1点，流量由QM降至QM1.当阀门开大时，管路的局部阻力减小，管路特性曲线变平坦，工作点由M点移至M2点，流量由QM加大至QM2.采用阀门来调节流量：优点：快速简便，流量可连续变化，适合化工连续生产的特点，因此应用十分广泛。缺点：阀门关小时，流动阻力加大，需要额外多消耗一部分能量 且在调节幅度较大时离心泵往往在低效区工作，经济性差。2）改变泵的特性曲线改变泵的特性，在冬季和夏季送水量相差较大时，用比例定律或切割定律改变泵的性能参数或特性曲线，此法甚为经济。改变泵的转速，实质上是改变泵的特性曲线。如图，泵原来的转速为n，工作点为M,若将泵的转速提

16、高到n1，泵的特性曲线H-Q向上移，工作点由M变至M1,流量由QM加大到QM1；泵原来的转速为n，工作点为M,若将泵的转速降至n2，泵的特性曲线H-Q向下移，工作点由M变至M2,流量由QM减小至QM2；这种调节方法能保持管路特性曲线不变。优点：流量随转速下降而减少，动力消耗也相应降低，能量消耗比较合理；缺点：改变泵的转速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。3）减小叶轮直径减小叶轮直径，实质上是改变泵的特性曲线，从而使泵的流量变小，主要是季节性调节。4）离心泵的串联和并联在实际生产中，当单台离心泵不能满足输送任务要求时，可采用离心泵的并联或串联操作。（1） 离心泵的并联操

17、作设将两台型号相同的离心泵并联操作，各自的吸入管路相同，则两泵的流量和压头必相同，且具有相同的管路特性曲线。在同一压头下，两台并联泵的流量等于单台泵的两倍。于是依据单台泵的特性曲线上的一系列坐标点，保持其纵坐标（H）不变，使横坐标（Q）加倍，由此得到一系列对应的坐标点，即可绘得两台泵并联操作的合成特性曲线。如图所示。并联泵的操作流量和压头可由合成特性曲线与管路特性曲线的交点来决定。由于流量增大使管路流动阻力增加，因此两台泵并联后的总流量必低于原单台泵流量的两倍。（2）离心泵的串联操作设将两台型号相同的离心泵串联操作，则每台泵的流量和压头也是相同的，因此在同一流量下，两台串联泵的压头等于单台泵的

18、两倍。于是依据单台泵的特性曲线上的一系列坐标点，保持其横坐标（Q）不变，使纵坐标（H）加倍，由此得到一系列对应的坐标点，即可绘得两台泵串联操作的合成特性曲线。如图所示。同样，串联泵的工作点也由泵的合成特性曲线与管路特性曲线的交点来决定。两台泵串联操作的总压头必低于原单台泵压头的两倍。（3）离心泵组合方式的选择生产中究竟采用何种组合方式比较经济合理，应考虑 管路要求的压头及管路特性曲线的形状。注意点：性能相同的泵并联工作时，所获得的流量并不等于每台泵在同一管路中单独使用时的倍数，且并联的台数愈多，流量的增加率愈小；当管路特性曲线较陡时，流量增加的百分数也较小。对此种高阻管路，宜采用串联组合操作。

19、2.1.6 离心泵的类型、选择与使用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。按被输送液体的性质来分：1）清水泵（IS型，D型，Sh型）：用于输送水或物理、化学性质与水相近的清洁液体。IS型水泵为单级单吸悬臂式离心水泵的代号，应用最为广泛。D型水泵为多级泵的代号，应用于所要求的压头较高流量并不大的情况。Sh型水泵为国产双吸泵的代号，应用于所要求的流量较大而所需的压头并不高时的情况。双吸泵的叶轮有两个吸入口。2）耐腐蚀泵（F型）用于输送酸碱等。该泵主要特点是与液体接触的泵部件用耐腐蚀材料制成。3）油泵（Y型）输送石油

20、产品的泵。油品的特点是易燃、易爆，因此对油泵的一个重要要求时密封完善。当输送200以上的油品时，还要对轴封装置和轴承等进行良好的冷却。4）杂质泵（P型）输送悬浮液及稠厚的浆液。细分为：PW污水泵、PS砂泵、PN泥浆泵要求不易被杂质堵塞、耐磨、容易拆洗。特点：叶轮流道宽、叶片数目少、泵壳内有耐磨的铸钢护板。在泵的产品目录或样本中，泵的型号是由字母和数字组合而成，以代表泵的类型、规格。IS100-80-160其中 IS单级单吸离心水泵； 100泵的吸入口内径，mm； 80泵的排出口内径，mm； 160泵的叶轮直径，mm。40FM1-26其中 40泵吸入口直径，mm； F悬臂式耐腐蚀离心泵； M与液

21、体接触部件的材料代号（M表示铬镍钼钛合金钢）； 1轴封类型代号（1代表单端面密封）； 26泵的扬程，m。100Y-120×2其中 100泵吸入口直径，mm； Y单吸离心油泵； 120泵的单级扬程，m； 2叶轮级数。2.离心泵的选择离心泵的选择，可按下列方法与步骤进行。（1）根据被输送液体的物性及操作条件来选择类型；（2）根据生产任务所要求的流量Qe，在根据管路配置情况计算所需压头He，然后以流量和压头两个数据为依据，在泵的系列标准中选择具体型号，选择原则是：H稍大于He，Q稍大于Qe，；（3）列出泵的主要性能参数并核算轴功率。（若输送液体的密度大于谁的密度）若几种型号的泵都能满足要求

22、，则应考虑经济性和工作点上的效率。3.离心泵的安装和操作离心泵的安装和操作方法可参考离心泵的说明书，下面仅介绍一般应注意的问题。 离心泵的安装高度必须低于允许吸上高度，以免出现气蚀和吸不上液体的现象。因此在管路布置时应尽可能减小吸入管路的流动阻力。 离心泵在启动前必须向泵内充满待输送的液体，保证泵内和吸入管路内无空气积存。 离心泵应在出口阀关闭的条件下启动，这样启动功率最小。停泵前也应先关闭出口阀，以免排出管路内液体倒流，使叶轮受冲击而被损坏。 离心泵在运转中应定时检查和维修，注意泵轴液体泄漏、发热等情况，保持泵的正常操作。2.2 往复泵2.2.1往复泵的工作原理和主要部件1. 主要部件泵缸，

23、活塞，活塞杆，吸入阀，排出阀。2. 工作原理当活塞自左向右移动时，泵缸内形成负压，贮槽液体经吸入阀进入泵缸内；当活塞自右向左移动时，缸内液体受挤压，压强升高，液体由排出阀排出。活塞左右端点间的距离叫冲程（或位移）。单动泵：活塞往复一次，只吸、排液各一次的泵。双动泵：活塞往复一次，吸、排液两次的泵。多动泵：活塞往复一次，吸、排液多次的泵。2. 主要性能参数1）往复泵的压头往复泵的压头与泵的几何尺寸无关，只要泵的力学强度及原动机的功率允许，输送系统要求多高的压头，往复泵就可提供多高的压头。实际上，由于活塞环、轴封、吸入阀和排出阀等处的泄漏，降低了泵可能达到的压头。往复泵的排液能力与活塞位移有关，但

24、与管路情况无关，压头则受管路承受能力的限制，这种性质称为正位移性，具有这种特性的泵称为正位移泵。2）往复泵的流量（排液能力）往复泵的流量（排液能力）只与泵的几何尺寸和活塞的往复次数有关，而与泵的压头及管路情况无关，即无论在什么压头下工作，只要往复一次，泵就排出一定体积的液体。往复泵是容积式泵。3) 往复泵的特性曲线往复泵的工作点：特性曲线与管路特性曲线的交点。工作点随管路曲线的不同只在垂直方向上变动。即Q不变，H增减。压头的极限取决于泵的力学强度和原动机的功率。4）往复泵的流量调节往复泵的流量调节方法有以下两种：（1）旁路调节调节方法简单、可行，但不经济，一般适用于流量变化较小的经常性调节。（

25、2）改变活塞冲程和往复次数调节方法经济性好，操作不便，在经常性调节中目前仍很少采用。注意点： 往复泵有自吸能力，开车前不用充液； 往复泵吸上真空度也随泵安装地区的大气压、输送液体的性质和温度变化而变化，所以吸上高度也有所变化； 为避免泵内压强急剧上升而损坏泵体，启动前必须打开出口阀门； 不能只用出口阀调节流量，应采用旁路阀配合调节。往复泵与离心泵的比较离心泵：送液量多，流量均匀，结构简单，操作、安装方便，但产生的压头不太高。往复泵：适应于高压头、小流量、高粘度液体，不适宜输送悬浮液及腐蚀性液体。流量不均匀，但可产生很高的压头。2.3 气体输送和压缩设备输送和压缩气体的机械统称为气体压送机械，其作用与液体输送机械颇为类似，都是对流体作功，以提高流体的压强。气体输