浙大化工原理第三章-流体输送与流体输送机械-2012

1、第三章流体输送与流体输送机械 化工生产系统中流体输送的主要任务： 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。流体流动与输送有其共同的规律。各种流体输送机械也有共通的原理，所以有通用机械之称。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。直管阻力损失：流经等径的机械能损失。局部阻力损失：流经管件、阀件的机械能损失。 计算公式22udlhf3.1.1 直管阻力损失直管阻力损失Re641层流：Redf,2湍流：引起阻力损失的外部条件主要由实验研究采用实验方法测定一系列工业常见管道的摩擦系数值 后，反算出与之相当的粗糙度 。管道类别 ,

2、mm管道类别 , mm金属管 无缝黄铜管、铜管及铅管 0.010.05非金属管 干净玻璃管0.00150.01新的无缝钢管或镀锌铁管 0.10.2橡皮软管0.010.03新的铸铁管0.3木管道0.251.25具有轻度腐蚀的无缝钢管0.20.3陶土排水管0.456.0具有显著腐蚀的无缝钢管0.5以上很好整平的水泥管0.33旧的铸铁管0.85以上石棉水泥管0.030.8工业管道的当量粗糙度（roughness）3.1.1 直管阻力损失直管阻力损失非圆形截面管道流体流动的阻力损失可采用圆形管道的公式来计算，只需用当量直径 de 来代替圆管直径 d流体浸润周边即同一流通截面上流体与固体壁面接触的周长。

3、流体浸润周边流通截面积 4debaabbaabde224dddd4dd4d12122122eabr2r1非圆形截面管道的当量直径当量直径定义： 矩形管套管环隙3.1.1 直管阻力损失直管阻力损失注意：当量直径 de 仅用于阻力损失和雷诺数的计算式中，即2ulh2fe ed de ed duRe 式中的速度 u 要用实际的平均速度，42edVu3.1.1 直管阻力损失直管阻力损失流动方向AA局部阻力损失主要是由于流道的急剧变化使流动边界层分离，所产生的大量漩涡消耗了机械能。3.1.2 局部阻力损失局部阻力损失计算式局部阻力系数法： 22fuh22efl uhd当量长度法： 局部阻力系数（由实验测

4、定，表3.4） le 当量长度（由实验测定，图3.4） 3.1.2 局部阻力损失局部阻力损失u 取小截面上的流速取小截面上的流速!100mm 的闸阀 1/2 关 le = 22m100mm 的标准三通 le = 2.2m100mm 的闸阀全开 le = 0.75m3.1.2 局部阻力损失局部阻力损失不可压缩流体在管路中稳定流动udqV24fehgzpuhgzpu2222112122连续性方程 柏努利方程 2222uudlhfdfRe,3.2.1 管路计算基本方程管路计算基本方程fehuhu22212122PP输送单位质量流体所需加入的外功， 是决定流体输送机械的重要数据。 J/s（W）meeq

5、hNmeeqhNNfh包括所选截面间全部管路阻力损失！he若输送流体的质量流量为 qm（kg/s），则输送流体所需供给的功率为： 如果流体输送机械的效率为，则实际消耗功率为： 注意单位！3.2.1 管路计算的基本方程管路计算的基本方程流体输送机械的有效功率流体输送机械的轴功率3.1.1 管路计算的基本方程管路计算的基本方程 应用柏努利方程时的注意事项截面的选取 截面要与流体流动方向垂直（ 更严格地说应与流线垂直），截面上各点的总势能P 相等。因此截面应选在均匀管段且与管轴线垂直。 所选的截面应尽可能是已知条件最多的截面，而待求的参数应在两截面上或在两截面之间。 “1”截面在上游，“2”截面在下

6、游。基准水平面的选取 取基准面通过一个截面的中心，可使方程简化。各项单位的须一致（如J/kg 或 Pa）。 柏努利方程是对稳定流动而言，在非稳定流动情况下则是针对某一瞬时而言。 3.2.2 管路计算的类型管路计算的类型 给定：给定：l、qV，P2，P1（或he）选择：选择：u 求：求：d、he（或P1 ）设计型物性参数：、已知设备参数：l、d、操作参数：qV、u、P1、P2、he中间变量：（Re，/d）9个变量，给定7个，可求其余2个。根究计算目的不同，管路计算可分为设计型计算和操作型计算。 某些流体在管道中常用流速范围 费用u设备费总费用操作费uopt流体种类及状况常用流速范围 m/s流体种

7、类及状况常用流速范围 m/s水及一般液体13压力较高的气体1525粘度较大的液体0.51饱和水蒸气： 低压气体8158大气压以下4060易燃、易爆的低压气体（如乙炔等）EAEB，所以水将由容器 C 流出，与泵联合向容器B供水。00A2m12mBCBVCVCpBC【例3.7】 uC需试差。步骤：初设 uC，由（1）式算出c，带入（2）式 算出uC，进行比较，直到满意的计算精度。2CCACC-AC2CfulhEEd2C20437.34392.646.40.7510.032Cu2C44.7333.34.075CuC0.30.3mm0.0130d则CCC4C30.03 10003 101.0 10d

8、uuReuCC0.0391.62m/suRe7 .182lg274. 11d而00A2m12mBCBVCVCpBChm12.1912. 41530AVCAVBVAqqq【例3.7】 hm12. 4432CCVCudq00A2m12mBCBVCVCpBCOCCO-AA-CffehhEEhA-CC-A44.7J kgffhhCOCO-AA-C437.3410024.1644.7406.2J kgffehhEEh(2) 泵送流量不变，要使 AC 管路流量大小与上问计算值相同但水流方向反向，所需的泵的轴功率。要达到由泵向容器 C 输水 4.12m3/h，管路系统要求泵提供的轴功率必须增加。在水池液面与

9、容器 C 的液面间列柏努利方程有 【例3.7】 00A2m12mBCBVCVCpBC在水池液面与管路 B 出口处列柏努利方程有 【例3.7】 BfAAfBeBhhEhE00此条件下水在 AB 管段的流速 B0.30.007540dsmdquABVBAB41. 204. 014. 3360012. 4154422431064. 9100 . 1100041. 204. 0ABABudRe查图035. 0ABBfAAfBeBhhEEh0000A2m12mBCBVCVCpBC【例3.7】 要完成此输送任务 AC 分支管路需泵提供的能量 heC 大于 AB 分支管路的 heB，泵的轴功率应满足 AC

10、管路的要求，所以 kgJhhEEhBfAAfBeB09.11600AB 管路则通过减小该支管上截止阀的开启度、增加管路阻力，满足流量分配要求。 22BBBA-BB202.410.0356.4172.31J kg20.042fulhdkWWqhNmeC82. 228206 . 036001000152 .406解：解：设各支管内的流动均进入了阻力平方区，因此根据各支管的 /d 值可直接查出或计算出相应的摩擦系数三角形供水管网，总管流量为1.2m3/s，各支管长度分别为l1=600m、l2=600m、l3=800m，管径分别为d1=0.65m、d2=0.6m、d3=0.5m。通过调节使 CD 支管

11、流量为 BE 支管流量的 1.5 倍。VABC11,lV22,l V33,l VV5V4ED试求：试求：管网中各管的流量。=1000kg/m3，=1.010-3Pas，=0.25mm，不计局部阻力损失。 1122330.250.000380.01586500.250.000420.01606000.250.00050.0167500ddd【例3.8】 VABC11,lV22,l V33,l VV5V4ED依据题意和连续性方程，各支管流量之间有如下关系 各支管阻力损失为 按管网的流向，并根据并联管路特点有 221111211112511222222212222522223333213332533

12、866.2928100.1728346.892fffl ul VhVddl ul VhVddl ul VhVdd312fffhhh222312346.8966.29100.17VVV45551.51.2VVVV50.48V40.72V1250.48VVV120.48VV3240.72VVV2372. 0VV【例3.8】 VABC11,lV22,l V33,l VV5V4ED在此流量分配下，校核 值。各支管的 Re 数为 可见，各支管的流动的确已进入或十分接近阻力平方区，原假设成立，上述计算结果有效。 11161312225232333633344 10000.8061.58 103.140.6

13、5 1044 10000.3266.92 103.140.6 1044 10000.3941.00 103.140.5 10d uVRedd uVRedd uVRed联立求解方程组可得 3331230.806m s0.326m s0.394m sVVV【例3.8】 HL又称为管路的扬程扬程或压头压头（单位为m)。基准：单位质量流体，J/kg式中各项单位为m流体柱，HL=he /g，Hf= hf /g。注意扬程HL与升杨高度(Z2-Z1) 是完全不同的。fehgzpuhgzpu2222112122f2222L1121Hzgpg2uHzgpg2uffLHgguHzgpguHP22223.3.4 管

14、路特性曲线管路特性曲线 基准：单位重量流体，J/N(m)一定管路系统输送流体的流量与所需补加能量的关系。对一定的管路系统，当管内流动进入阻力平方区时，K是一个与流量无关的常数。阻力损失2VLKqgHP2VfKqHgudlHf222428Vqgddl忽略u2/2g，则gddl8K42fLHgHP 管路特性方程3.3.4 管路特性曲线管路特性曲线 管路特性曲线：代表管路特性方程的曲线。管路特性方程表明：向流体提供的能量用于提高流体的势能和克服管路的阻力损失。低阻力管路特性曲线平坦（曲线1）；高阻管路K值大，曲线更陡峭(曲线2)，表明完成同样的流体输送任务需要提供更大的扬程。 2VLKqgHPqV0

15、HL12HfgP3.3.4 管路特性曲线管路特性曲线 3.31作业对作稳态流动的理想流体，单位质量流体沿迹线微小位移过程中压力梯度与重力作功引起流体动能的改变量 对实际粘性流体，在该微元流动长度内摩擦力作功应为 2ddd2upg z 摩擦力作功总是使流体机械能减少，则2dd2fl uhd22dddd22upl ug zd 在一定条件下积分上式即可得到可压缩粘性流体在直管内流动的机械能衡算方程。 3.3.4 可压缩流体的管路计算可压缩流体的管路计算 用质量流速 G 将流速 u 表达为： 式中流体比容 同时将 Re 表达为 由于摩擦系数 =(Re,/d)，对等径管而言，d、G 为常数，在等温或温度

16、改变不大的情况下气体粘度 也基本为常数，即 Re 数和 d 均为常数因此 沿管长不变。在此条件下有：GuG1dudGRe222dddd02pg zGGld3.3.4 可压缩流体的管路计算可压缩流体的管路计算 气体比容的变化一般可按完全气体 p-V-T 关系处理： 等温过程 绝热过程 多变过程 、k 气体的绝热指数和多变指数p常数p常数kp常数选取适合过程特征的表达式即可积分得到粘性气体输送管路计算基本公式。122212111ln1012kkkppGGlkpd 由于气体密度小其位能改变可以忽略不计，积分上式可得 212221dln02pppGGld多变过程： 3.3.4 可压缩流体的管路计算可压

17、缩流体的管路计算 平均压强可压缩流体在直管内流动的静压能下降，一部分用于流体膨胀动能增加，另一部分用于克服摩擦阻力损失。若流体膨胀程度不大，上式右端括号中第一项可以忽略，则与不可压缩流体水平直管中流动的柏努利方程相一致。221pppm122mppMRTdlppGppmm2ln212221平均密度代入上式并整理可得 等温过程 k = 1，从上式可得 2222221111ln022ppGGlpd022ln22122212ldGMRTppppG3.3.4 可压缩流体的管路计算可压缩流体的管路计算 【例】 解：煤气的平均密度为 煤气质量流速 忽略输送管线两端的高差，对等温流动煤气的压强 0.32MPa

18、（表压），温度298K，以 0.35Nm3/s 的流量送往 150m（包括局部阻力的当量长度）外的燃烧喷嘴。要求进喷嘴前煤气的压强不低于 0.07MPa（表压），求煤气输送管道的直径。（假设流动为等温，煤气平均分子量为 13，粘度为 1.6110-5Pas，大气压强为 0.1MPa）33120.420.17010131.548kg/m22 8.314298mppMRT220.35 22.4130.2594WGAdd21122ln2mGplpppd【例】 取管道 设选用DN40的水煤气管，管内径 整理得 5412.50 100.03923.25dd0.20.2mmdd450.259111.61

19、101.61 10GdRedd450.21.61 100.00493.93 10410.041Red4823.541mmd 代入数据 2640.2590.421500.420.1710ln1.5480.172dd若等式右端小于等式左端，则可满足要求【例】 查图查得 = 0.029，得 可见用DN50管，流动阻力损失小于允许的压降，且略有裕量。 表明若使用 DN40 管，管路允许的压降 p 不足以克服流动阻力，因此应加大管径以降低阻力。6023.553mmd 450.21.61 100.003773.04 10530.053Red5410.0290.03923.252.30 100.0530.0

20、53右边左边由图查得 = 0.031，故5410.0310.03923.258.83 100.0410.041右边左边根据水煤气管规格，重选DN50管，管内径 塑性流体 K 稠度系数n 流变指数非牛顿流体的主要类型及本构方程非牛顿流体的主要类型及本构方程 牛顿流体塑性流体假塑性流体涨塑性流体dudy假塑性流体与涨塑性流体（幂律流体） ddyuyyuyuKndddd11ddnauKy 表观粘度表观粘度n1牛顿流体；n1假塑性流体；n1 涨塑性流体。对假塑性流体，表观粘度随速度梯度值的增大而逐渐减小，即出现剪切稀化现象；对涨塑性流体，表观粘度随速度梯度的值增大而逐渐上升，即出现剪切增稠现象。 3.

21、4 非牛顿流体的流动注意到柱座标系下 du/dr 0，则得到 非牛顿流体的管内流动阻力可采用与牛顿型流体相同的公式对圆管内的层流流动22422flluufhdd2rLPn1nruKruruKrL2ddddddP111( )121nnnnnnru rRKLnR P积分上式并利用边界条件 r=R，u=0，即得到幂律流体圆管内流速分布为 rL2yuyuK1nPdddd3.4 非牛顿流体的流动幂律流体管内流动的阻力损失幂律流体管内流动的阻力损失 按管内体积平均流速的定义得 将各有关量代入范宁（Fanning）摩擦因子定义式并整理得 nnuu311maxmax22222*2112222221 31616

22、22481 3nnnsnnnnnnnnKRKR uRKLnLfuuuudnKunuRed unKnPP最大流速 umax 在管中心 r = 0 处3.4 非牛顿流体的流动通过实验关联得到幂律流体在光滑圆管内湍流流动的摩擦因子经验方程 21*0.751.214.00.4lognRefnnf 非牛顿流体的广义雷诺数非牛顿流体的广义雷诺数2*1481 3nnnnd unReKnn = 1 Re* Re（牛顿流体） 3.4 非牛顿流体的流动3.5 流速与流量的测量3.5.1 测速管（测速管（Pitot tube）原理原理2222BBAAuuPPABRRguABA022PP022AABuPP根据R可计算

23、出A点的速度沿流线从A到B列柏努利方程忽略阻力损失22AABupppB：冲压能pA：静压能u2/2：动压能利用流体冲压能与静压能之差来检测流体的点速度。BAzz 毕托管测得的是点速度!要测流量，可先测出截面的速度分布，然后积分。对园管，速度分布规律已知，因此，常用的方法是测量管中心的最大流速umax，然后根据最大流速与平均流速的关系求出平均流速，进而求出流量。结构结构：为一同心套管，内管前端开口，管口截面垂直于流动方向，用以测PB。外管前端封闭，距端头一定距离在外管壁上沿周向开有几个小孔，用以测PA 。PAPB)(max,1n21nn2uu2z3.5.1 测速管（测速管（Pitot tube）

24、安装安装：尽可能满足测速管的测量原理 测点应位于均匀流速段。通常上、下游应有 50 倍管径的直管长度，大管径的倍数可适当减少； 保证内管开口截面严格垂直于来流方向； 尽量减少测速管对流动的干扰，一般选取测速管直径应小于管径的 1/50。优点：结构简单，对被测流体的阻力小，尤其适用于低压、大管道气体流速的测量。缺点：输出的压差信号较小，一般需要放大后才能较为精确地显示其读数。3.5.1 测速管（测速管（Pitot tube）原理原理缩脉1222222211uuPP根据连续性方程，对不可压缩流体2211AuAu1221AAuu 021222121222211211RgAAAAuPPR03.5.2

25、孔板流量计孔板流量计 （Orifice Meter）在1、2截面间应用柏努利方程忽略阻力损失A2难于确定，用 u0 代替 u2；实际流体有阻力损失hf ；实测的P不会恰好是（P1-P2）,因缩脉位置将随流动状况而变。021200Rg2AA1Cu000Rg2Cu000002RgACAuqV孔流系数21200AA1CC缩脉12R03.5.2 孔板流量计孔板流量计 （Orifice Meter）通过改变流体在管道中的流通截面积而引起动能与静压能改变来检测流量。实验测得一系列条件下的 C0 值，发现当Red 增加到某个值以后，C0 值即不再随其改变而仅由孔板加工参数 d0/d1 决定。因此设计或选用孔

26、板流量计应尽量使其工作在该范围内，C0值为常数，一般在0.6-0.7之间。 m = (d0/d1)2标准孔板，孔流系数可表成001,dfCRe dd3.5.2 孔板流量计孔板流量计 （Orifice Meter）R1122d1,u1 d0,u0 d2,u2 结构和安装：在上游和下游必须分别有（1540）d 和 5d 的直管距离。标准孔板可由手册查得孔流系数。非标准孔板则由试验测定其孔流系数（或校正曲线）。孔板流量计的阻力损失：02020fRgC2uh一般在0.8左右孔板流量计的标定：优点：构造简单，制作、安装方便。应用十分广泛。缺点：被测介质阻力损失大。 3.5.2 孔板流量计孔板流量计 （O

27、rifice Meter）hf与R成正比，说明读数R是以机械能损失为代价取得的。采取渐缩后渐扩的流道，避免使流体出现边界层分离而产生旋涡，因此阻力损失较小。文丘里流量计的计算公式ABR002gRACqVVCV 随 Red 和文丘里管的结构而变，由实验标定。在湍流情况下，喉径与管径比在 0.25-0.5 的范围内，CV 的值一般为 0.98 0.99。 文丘里流量计的阻力损失为20fu10h.3.5.3 文丘里流量计（文丘里流量计（Venturi Meter）原理原理流体出口锥形硬玻璃管刻度转子流体入口11220u结构：在上大下小的垂直锥形管内放置一个可以上下浮动的转子，转子材料的密度大于被测流

28、体。10u0gVAppfff013.5.4 转子流量计转子流量计 （Rotameter）锥形管中流体在转子上下截面产生的压差（p1p2）所形成的向上推力与转子的重力相平衡。在1、0截面间应用柏努利方程有 2220002111ugzpugzp忽略阻力损失流体在转子上下两端面处产生的压差是由流体在两截面的位能差和动能差引起的。A1：锥形管截面积A0：环隙面积。 2221201001uugzzpp 2uAA1gzzpp2021010012uAA1AgzzAApp20210f10ff013.5.4 转子流量计转子流量计 （Rotameter）212021001uAAAgVAppfff1001AAuu

29、CR 为转子流量计校正系数（流量系数），包含了以上推导过程中尚未考虑到的转子形状与流动阻力等因素的影响。 gVuAAAgzzAffff212021010fffRfff2100AgV2CAgV2AA11ufffRVAgVACAuq2000u0为常数。环隙面积 A0 正比于转子所在的高度。转子的平衡位置随流量而变。 3.5.4 转子流量计转子流量计 （Rotameter）对特定的转子流量计结构， CR是Re的函数，即CR=f(Re)。转子形状不同，CR Re 的变化规律不一样，CR 为常数时的 Re 数也不同。设计或选用转子流量计时，应在 CR 为定值范围内工作。特点特点：恒流速、恒压差。3.5.

30、4 转子流量计转子流量计 （Rotameter）刻度换算：流量标定：20的水或者20、0.1MPa的空气。当被测流体与上述条件不符时，在同一刻度下，A0 相同（同一流量计，Vf、Af、f、CR相同）fff0RAgV2ACV标态下：fff0RAgV2ACV实测状态下：ffVV3.5.4 转子流量计转子流量计 （Rotameter）【例3-9】在603.5mm的管路中安装有一孔径为30mm的标准孔板流量计，管内输送20的液态苯。试确定：（1）流量多少时，孔流系数C0与流量无关； （2）该流量下孔板压差计所检测到的压差。 解：解：20时苯的密度 = 879 kg/m3，粘度=0.73710-3 Pa

31、s。 由图3-13查得，该孔板的孔流系数 C0 为定值的最小 Re 为1.05105，与此 Re 数对应，本题条件下苯的流量为 22000.030.320.053dAAd【例3-9】2232003.66 1087928.8kPa20.64 0.785 0.032VPC A即管内苯的流量达 3.6610-3 m3/s 后，孔流系数 C0 为一定值，由图3-13查得 C0 = 0.64。与该流量对应的孔板压差计所检测到的压差为 21002PP ACV/sm1066. 31005. 1879410737. 0053. 014. 344335322ReddudV习题l（3.28）l3.303.6 液体

32、输送机械流体输送机械 为流体提供机械能的机械设备。按流体可压缩性分： 液体输送机械（统称为泵，Pumps）； 气体输送机械。按工作原理分： 动力式（叶轮式）：离心式、轴流式； 容积式（正位移式）：往复式、旋转式； 流体动力式：喷射泵。流体输送机械的分类3.6.1 离心泵（离心泵（Centrifugal Pumps） 1. 离心泵的主要部件及工作原理 主要部件：叶轮：离心泵直接对液体做功的部件。泵壳：将动能转化成势能。泵轴及轴封装置工作原理3.6.1 离心泵（离心泵（Centrifugal Pumps） 叶轮叶轮叶轮叶轮泵壳泵壳吸入管吸入管排出管排出管底阀底阀由图可以导出三个速度之间的关系D22

33、11w1c1u1w2c2u2D12wuc叶轮中任意点处流体的绝对速度2. 离心泵的理论流量和压头222222222111212121uc2ucwuc2ucwcoscos余弦定理ru 叶轮旋转的切向速度（牵连速度）w流体相对于叶片的运动速度3.6.1 离心泵离心泵离心泵的理论流量用cr 代表液体相对于叶轮的径向流速，则离心泵的理论流量：假定流体与叶轮的相对运动轨迹与叶片的形状完全一致（即叶片数无限多的理想叶轮），角即为叶片的安置角（叶片的倾角）。D1、D2 为叶轮进、出口直径；b1、b2为叶轮进、出口处流道宽度；1、2 为叶片厚度 占据空间使流道面积减小系数。222222222222221111

34、111111111sinsinsinsinbDcbDwbDcqbDcbDwbDcqrVrV3.6.1 离心泵离心泵假定：理想流体；稳定流动；叶片无限薄、无限多。离心泵的理论压头可以证明离心力场作用下的理想流体在以叶轮中心线为轴线，且随叶轮一起匀速旋转的柱坐标系中的运动规律也服从欧拉方程。3.6.1 离心泵（离心泵（Centrifugal Pumps） gZ2wddpZdzYdyXdx2rF2惯性离心力yYxX22,代入积分得Cg2wg2uzgp22g2wg2uzgpg2wg2uzgp222222212111gwwguug222221212212PP3.6.1 离心泵（离心泵（Centrifug

35、al Pumps） gcgH22P在叶轮进、出口截面列伯努利方程，得离心泵的理论压头，即叶轮对单位重量流体提供的机械能等于流体的在进、出口截面的总机械能之差，即3.6.1 离心泵（离心泵（Centrifugal Pumps） gccgwwguugcgH22222122222121222P222111coscosc uc uHg利用余弦定律，可将上式简化为： 222222222111212121uc2ucwuc2ucwcoscos为了得到较大的压头，在设计离心泵时通常使液体不产生预旋，从径向进入叶轮，即1= 90o，此时，理论压头 H 最大。222cosc uHg22222coswucosc影响

36、离心泵理论压头的因素叶片弯角2和流量qV3.6.1 离心泵离心泵(a) 径向叶片22w2u2c2(b)后弯叶片22w2c2u2(c) 前弯叶片22w2c2u2gbDctguqguHV2222222222222sinbDqsincwVr（1）径向叶片：2 =90o，ctg2= 0，H 与 qV 无关；（2）后弯叶片：20，H随qV增加而减少；（3）前弯叶片：290o，ctg290，前弯 =90，径向 90，后弯为获得较高的能量利用率，离心泵总是采用后弯叶片gbDctguqguHV2222222总压头 H = 动压头 Hdyn + 势压头 Hpot 离心泵作为液体输送机械其目的是提高势压头以克服输

37、送阻力。蜗壳虽能使流体的动压头转换成势压头，但转换过程必然有机械能损耗，因此应尽量提高叶轮直接提供给液体的势压头在总压头中所占的比例。以 R （又称为反作用度）代表该比例 1potdyndynRHHHHHHH 22222222112121coscos222rrdynccccccHggg由叶轮进出口处速度三角形可知 无预旋进液 1= 90o，且大部分情况下cr2 cr1，所以 3.6.1 离心泵离心泵222cos2dyncHg222222cos111cos22Rcwuu 径向叶片：2 = 90o，cos2 = 0，R = 1/2；后弯叶片： 2 0， R 1/2 ；前弯叶片： 2 90o，cos

38、2 0， R 1/2 。 故离心泵多选用后弯叶片故离心泵多选用后弯叶片! !3.6.1 离心泵离心泵叶轮转速n3.6.1 离心泵离心泵液体密度对离心泵理论压头的影响流体密度对理论压头没有影响！但注意：在同一压头下，泵的进、出口压差却与流体的密度成正比。因此，当有空气进入泵内时，由于密度减小，泵入口真空度下降，可能导致无法吸上液体，此称为“气缚”现象。u2= nD2，如果 qVn，则 Hn2解决方法：设置底阀、启动前灌泵、使泵的安装位置低于吸入液面等。gbDctguqguHV2222222(1)转速n(2)流量qV 泵单位时间实际输送的液体体积，l/s，m3/s，m3/h。(3)压头H 又称扬程

39、。泵对单位重量液体提供的有效能量，J/N，m液柱。(4)轴功率N与效率 轴功率指电机输入到泵轴的功率，有效功率与轴功率之比为离心泵的效率。3. 离心泵的主要性能参数和特性曲线3.6.1 离心泵离心泵离心泵的主要性能参数3.6.1 离心泵离心泵gHqNVeNgHqNNVe电电机NN传机NN NNe电N电(a) 蔽式(b) 半开式(c) 开式(d) 双吸式（1 1）容积损失）容积损失 已获得能量的高压液体由叶轮出口处通过叶轮与泵壳间的缝隙或从平衡孔泄漏返回到叶轮入口处的低压区造成的能量损失。（内漏） 解决方法：使用半开式和蔽式叶轮。离心泵的能量损失3.6.1 离心泵离心泵（2 2）水力损失）水力损

40、失 摩擦损失、环流损失、冲击损失。rcRcu（3 3）机械损失）机械损失 泵轴与轴承之间、泵轴与密封填料之间等产生的机械摩擦造成的能量损失。 解决方法：蜗壳的形状按液体离开叶轮后的自由流动轨迹螺旋线设计，可使液体动压头转换为势压头的过程中能量损失最小。在叶轮与泵壳间安装一固定不动的带有叶片的导轮（diffuser），也可减少此项能量损失。 3.6.1 离心泵离心泵小型水泵：一般在5070%之间大型泵： 可达90%以上 02040608010012014004812162024283236010203040506070809004812n=2900r/minIS00-80-160B 离心泵 H

41、mQ/ m3/h % N kW HN包括： H-qV曲线 N-qV曲线 -qV曲线用20 清水测定。离心泵的特性曲线反映了泵的基本性能，由制造厂附于产品样本中，是指导正确选择和操作离心泵的主要依据。 离心泵的特性曲线3.6.1 离心泵离心泵02040608010012014004812162024283236010203040506070809004812n=2900r/minIS00-80-160B 离心泵 H mQ/ m3/h % N kWqV，H这是因为采用了能量损失较小的后弯叶片。H-qV 曲线曲线3.6.1 离心泵离心泵02040608010012014004812162024283

42、236010203040506070809004812n=2900r/minIS00-80-160B 离心泵 H mQ/ m3/h % N kWN-qV 曲线与曲线与 -qV 曲线曲线3.6.1 离心泵离心泵qV，N。关闭出口阀启动离心泵，启动电流最小。 存在一极大值，在与之对应的流量下工作，泵的效率最高，能量损失最小。一般将最高效率值的 92% 的范围称为泵的高效区，泵应尽量在该范围内操作。离心泵铭牌上标出的 H、qV、N 性能参数即为最高效率时的数据。 （1 1）液体密度）液体密度 的影响的影响 对 H-qV 曲线、-qV 曲线无影响。 对N-qV 曲线有影响。特性曲线的影响因素3.6.1

43、 离心泵离心泵gHqNV ，N， N-qV曲线上移。gHp p ，泵入口真空度 ，qV 、气缚现象灌泵灌泵吸入管装底阀，泵启动前先管液体排出气体。3.6.1 离心泵离心泵（2 2）液体粘度的）液体粘度的影响影响当 比20清水的大时，H、N、。 实验表明，当20厘斯时，对特性曲线的影响很小，可忽略不计。 1厘斯=10-6m2/s，20清水的粘度=1厘斯3.6.1 离心泵离心泵nnqqVV当叶轮转速n变化HL，故该泵来可用。 在离心泵工作点处OmH.HHhmqLV23812120 因此，管路系统消耗的功率为W.gHqNVe5118781929983600208121 关小阀门多消耗的功率为 W8

44、.139.24.1981.21gqHHVL8192998360020，调节前工作点作业p.200201（3.33，）3.375. 离心泵安装高度 3.6.1 离心泵离心泵汽蚀现象 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受压溃灭，产生局部真空，周围液体高速冲击该点，瞬间压力可高达数十MPa，水击点局部瞬时温度可达230以上。众多液滴对叶片的高频冲击，加上高温下的化学腐蚀，将导致叶片损坏。泵轴与吸液方液面之间的垂直距离称为安装高度Hg，可正可负。症状：症状：噪声大、泵体振动，流量、出口压头、效率明显下降。后果：后果：叶片受冲击而出现剥落；泵轴振动强

45、烈，甚至振断。防止措施：防止措施：把离心泵安装在恰当的高度位置上，确保 pkpv。3.6.1 离心泵离心泵对 1-1 和 K-K 截面列柏努方程 当 pk=pv 时，发生汽蚀。令此时的 p1 = p1,min ，则 k1f2kk211Hg2ugpg2ugpk1f2kv21min, 1Hg2ugpg2ugp安装高度3.6.1 离心泵离心泵叶轮内缘处的叶片背侧（叶轮入口处，K）压强最低点。上式左边称为离心泵的最小汽蚀余量，hmin，k1f2kv21min, 1minHg2ugpg2ugphk1f2kv21min, 1Hg2ugpg2ugp3.6.1 离心泵离心泵hmin与流量、泵的结构、流体粘度有

46、关。当流量一定且流动已进入阻力平方区时，最小汽蚀余量hmin只与泵的结构尺寸有关，是泵的一个抗汽蚀性能的参数。可通过实验测定。在 0-0 和 1-1 截面之间应用柏努利方程有 10f21112000Hg2uzgpg2uzgp最大安装高度Hgmax，3.6.1 离心泵离心泵gpgugphv221min, 1min1021min, 1001max2fgHgugpgpzzHmin100maxhHgpgpHfvg为使泵正常运转，p1p1,min，即gpgugpgpgugpvmin,v222112113.6.1 离心泵离心泵minhh允许汽蚀余量 hminhhgpgugpgpgugpvv2221min,

47、 121, 1允gpgugphv221, 1允1021, 1001,2fgHgugpgpzzH允允hHgpgpHfvg100,允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。减少吸入管路的阻力，可提高泵的安装高度。故离心泵的入口管径都大于出口管径，吸入管路不装调节阀。液体温度越高，饱和蒸汽压 pv 就越高，允许安装高度Hg,允则越低。在输送较高温度的液体时尤其要注意安装高度。3.6.1 离心泵离心泵hHgpgpHfvg100,允2m沉砂池0011【例3.15】 用转速为1850转/分的50WG型离心杂质泵将温度为

48、20，密度为1080kg/m3的钻井废水从敞口沉砂池送往一处理池中，泵流量为22.0m3/h。由泵样本查得在该流量下泵的汽蚀余量为5.3m。受安装位置所限，泵入口较沉砂池液面高出了2.5m。 试求：试求：(1)泵吸入管路允许的最大阻力损失为多少？ (2)若泵吸入管长为20m (包括局部阻力当量长度)，摩擦系数取0.03，泵入口管直径至少应为多大？ 2m沉砂池0011【例3.15】 解：解：(1)在泵安装高度和管路流量一定的条件下，为避免汽蚀发生，泵吸入管路的最大损失应满足：10fv0gHhgppH，允查得 20 水的饱和蒸汽压 Pv=2.34 kPa，故吸入管路允许的最大阻力损失为 m5152

49、35819108010342100131HhgppH35gv010f.，允【例3.15】 2m沉砂池0011（2） 当 Hf 0-1=1.93 m 时，对应的管径为允许的最小管径 20 12efll uHdg24dVu12520 18efll VdgHm064051819143360022200308d5122.离心泵类型6. 离心泵的类型与选用 3.6.1 离心泵离心泵锅炉给水泵杂质泵耐腐蚀泵油泵清水泵按用途分双吸泵单吸泵按结构分多级泵单级泵流体动力式容积式速度式按原理分清水泵（IS、D、Sh 型3.6.1 离心泵离心泵广泛用于工矿企业、城市给排水和各种水利工程，也可用于输送各种不含固体颗粒

50、的、物理化学性质类似于水的介质。1-泵体；2-泵盖；3-叶轮；4-轴；5-密封环；6-叶轮螺母；7-止动垫圈；8-轴盖；9-填料压盖；10-填料环；11-填料；12-悬架轴承部件 DFW 型卧式离心泵IS、IR 型单级单吸离心泵 ISG 型管道离心泵3.6.1 离心泵离心泵若需要的扬程较高，则可选用D系列多级离心泵3.6.1 离心泵离心泵TSWA 型卧式多级泵DL 型立式多级泵3.6.1 离心泵离心泵1泵体；2泵盖；3叶轮；4泵轴；5密封环；6轴套；7轴承；8连轴器 若需要的流量很大，则可选用 Sh 双吸式离心泵3.6.1 离心泵离心泵S 型单级双吸离心泵KSY 双吸中开式离心泵 S、SA、S

51、H型单级双吸中开式离心泵 3.6.1 离心泵离心泵CQ 型磁力驱动泵IH 型化工泵耐腐蚀泵（F 型）输送腐蚀性化工流体必须选用耐腐蚀泵。耐腐蚀泵所有与流体介质接触的部件都采用耐腐蚀材料制作。不同材料耐腐蚀性能不一样，选用时应多加注意。3.6.1 离心泵离心泵3.6.1 离心泵离心泵油泵（Y 型）油泵用于输送石油及油类产品，油泵系列代号为Y，双吸式为YS。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。杂质泵（P 型）离心杂质泵有多种系列，常分为污水泵、无堵塞泵、渣浆泵、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。 DFAY 型卧式

52、输油泵ZW 型自吸式排污3.6.1 离心泵离心泵液下泵液下泵是一种立式离心泵，整个泵体浸入在被输送的液体贮槽内，通过一根长轴，由安放在液面上的电机带动。WQ 型潜水排污泵YW 型液下式排污泵3.6.1 离心泵离心泵屏蔽泵屏蔽泵是一种无泄漏泵。其结构特点是叶轮直接固定在电机的轴上，并置于同一密封壳体内。可用于输送易燃易爆、剧毒或贵重等严禁泄漏的液体。 DFM 型屏蔽泵DFPW 型屏蔽泵3.6.1 离心泵离心泵3.6.1 离心泵离心泵离心泵的选用 确定泵的类型：根据流体的性质和操作条件 确定泵的型号：根据流量和压头 泵提供流量 qV 和压头 H 应比管路系统所要求的稍大。 安装高度：现场条件注意：

53、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。 3.6.1 离心泵离心泵【例3.15】试选择一离心泵以满足例3.9所述管路系统输水的要求。解：解：由例3.9题解可知，该管路系统要求OmH24.19hm202L3VHq查手册，选IS65-50-125，其在高校区的性能参数m32 . 22.22kW1.5468%58%OmH5 .188 .21hm301523VhNHq习题l（3.34）l3.363.6.2 往复泵往复泵 1. 往复泵的工作原理 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

54、：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。泵缸活塞、活塞杆排出口吸入口四川大学化工原理提高流量均匀性的措施（1）采用双动泵或多缸并联（2）设置空气室。(a) 单动泵的流量曲线V230(b) 双动泵的流量曲线V2304(c) 三动泵的流量曲线V2304单动往复泵流量不均匀。引起流体的惯性阻力损失，增加能量消耗，诱发管路系统的机械振动。2. 往复泵的输出流量3.6.2 往复泵往复泵 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往复泵的理论平均流量V（m3/s）60ASnV260SnAaV单缸

55、单动泵 单缸双动泵 VVVV 容积效率活门不能及时启闭和活塞环密封不严等原因造成容积损失，实际平均流量 3.6.2 往复泵往复泵 VHH0aa11管路特性曲线V常数往复泵的流量与管路特性曲线无关，压头完全取决于管路特性（在电机功率范围内）（具有这种特性的泵称为正位移泵）。3. 往复泵的流量调节3.6.2 往复泵往复泵 往复泵的特性曲线往复泵的工作点(1)旁路流程(2)改变转速和行程流量调节在泵出口安装调节阀不能调节流量，压头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。 3.6.2 往复泵往复泵 3S2 系列高压往复泵XPB

56、-90B型高压旋喷注浆泵型式：三缸单作用柱塞式柱塞直径：45mm柱塞行程：120mm工作压力：45MPa流量：46-103/min吸入管直径：2排除管直径：16-25mm电机功率：90KW电机型号：调速YCT 335-4C外形尺寸：3050X1800X1150mm3.6.2 往复泵往复泵 3.6.3 其它化工用泵其它化工用泵计量泵：又称比例泵。基本结构与往复泵相同，但设有一套可准确而方便地调节活塞行程的机构，调节和控制泵的流量的目的。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

57、8、吸入阀9、泵头JJM 系列计量泵J 系列计量泵JKM 系列计量泵（液压驱动）3.6.3 其它化工用泵其它化工用泵隔膜泵：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。21543QBY 型气动隔膜泵隔膜泵因其独特的结构，适宜输送腐蚀性液体或悬浮液3.6.3 其它化工用泵其它化工用泵齿轮泵：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。适于输送高粘度液体或糊状物料，不宜输送

58、含固体颗粒的悬浮液。 KCB 型齿轮油泵3.6.3 其它化工用泵其它化工用泵螺杆泵：按螺杆数，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。 3.6.3 其它化工用泵其它化工用泵旋涡泵：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。 1233.6.3 其它化工用泵其它化工用泵旋涡

59、泵的压头随流量增大而下降很快，只有输送小流量才可获得高压头。旋涡泵的轴功率随流量增大而下降，流量为零时，轴功率最大。为此，启动泵时应将出口阀全开。 0VH , NeNeHeHVeNVV旋涡泵的效率一般较低（20%50%）。但因其结构简单，加工容易，可采用耐腐材料制造，适用于高压头、小流量，不含固体颗料且粘度不大的液体。 3.6.3 其它化工用泵其它化工用泵3.7 气体输送机械 共性：气体和液体同为流体，输送机械工作原理相似42dqdm特性： 流量：液1000气，qm相同时，qV气1000qV液； 经济流速：水13m/s,空气1525m/s，u气10u液，气体动能项大； 管径： qm相同时，u1

60、0倍，1000倍，d10倍。 阻力损失： d10倍，u21000倍，Hf10倍。 大流量，高压头！gudlHf223.7 气体输送机械 分类按进出口压强分输送机械出口压强（表压）压缩比通风机（Fan） 15 kPa1 1.5鼓风机（Blower）15 kPa 0.3 MPa 0.3MPa 4真空泵（Vacuum pump）大气压减压抽吸常用类型：轴流式和离心式轴流式通风机排风量大而风压很小，一般仅用于通风换气，而不用于气体输送。离心式通风机应用十分广泛，按其产生风压可分为：低压离心通风机：低压离心通风机：出口风压小于1.0 kPa（表压）中压离心通风机：中压离心通风机：出口风压1.03.0 k