福州大学化工原理教案流体输送机械

2.流体输送机械2.1概述（1）管路特性曲线方程——描述管路中流量与所需补加能量的关系式列以单位重量流体为衡算基准的机械能衡算式（实际流体柏努利方程式）（m）管路特性曲线方程，注意：题指南p177，式（11-9）等于上式②若指定解题时，所求H仍为（m）。K=？③阀门关小，，管路特性曲线变陡，在同样流量下所需补加能量。（1）流体输送机械的压头和流量（风机的全风压和风量）泵的流量指泵的单位时间内送出的液体体积，也等于管路中的流量，这是输送任务所规定必须达到的输送量。泵的压头（又称扬程）（解题指南用H表示，m）是指泵向单位重量流体提供的能量。泵与的关系是本章的主要内容。（2）流体输送机械的分类①动力式（叶轮式）：包括离心式、轴流式；②容积式（正位移式）：包括往复式，旋转式；③其他类型：如喷射式等。2.2离心泵2.2.1离心泵的工作原理（1）离心泵的主要构件——叶轮和蜗壳（2）离心泵的理论压头假设：①叶片的数目无限多，叶片的厚度无限薄，从而可以认为液体完全沿着叶片的弯曲表面流动，无任何环流现象；②液体是理想流体，无摩擦阻力损失。在叶轮的进、出口截面到机械能衡算式，从而导出离心泵理论压头为（2-15）（3）流量对理论压头的影响（2-18）（4）叶片形状对理论压头的影响当泵转速n、叶轮直径、叶轮出口处叶片宽度、流量一定时，随叶片形状而变。①径向叶片，=，=0，=与无关。②后弯叶片，③前弯叶片，由此可见，前弯叶片产生的最大，似乎前弯叶片最有利，实际情况是否果真如此呢？我们分析如下：=位头（）+静压头（）+动压头（）而的前弯叶片流体出口的绝对速度很大，此时增加的压头主要是动压头，静压头反而比后弯叶片小。动压头虽然可以通过蜗壳部分地转化为静压头，但由于大，液体在泵壳内产生的冲击剧烈得多，转换时的能量损失大为增加，效率低。故为获得较多的能量利用率，离心泵总是采用后弯叶片（）。（5）液体密度对理论压头的影响从式（2-15）或（2-18）均可看出与无关，也就是说被输送液体变，在其他条件不变时不变。可以这样解释：气缚现象（前一节已解释）2.2.2离心泵的特性曲线（1）泵的有效功率和效率液体从泵中实际得到的功率称为有效功率电动机给予泵轴的功率称为轴功率。泵在运转过程中由于存在种种原因导致机械能损失，使得，之比称为泵的效率轴功率解题指南及大多数教材轴功率用N、有效功率用表示，解题指南P174或式（11-2）及下方一段内容，考虑各种损失后实际压头与实际流量的关系见图1。关系影响因素众多，只能靠实验测定。（2）离心泵的特性曲线由于离心泵的种类很多，前述各种泵内损失难以估计，使得离心泵的实际特性曲线关系、、只能靠实验测定，在泵出厂时列于产品样本中以供参考。实验测出的特性曲线如图所示，图中有三条曲线，在图左上角应标明泵的型号（如4B20）及转速，说明该图特性曲线是指该型号泵在指定转速下的特性曲线，若泵的型号或转速不同，则特性曲线将不同。借助离心泵的特性曲线可以较完整地了解一台离心泵的性能，供合理选用和指导操作。由图可见：①一般离心泵扬程随流量的增大而下降（很小时可能例外）。当=0时，由图可知也只能达到一定数值，这是离心泵的一个重要特性；②轴功率随流量增大而增加，当时，最小。这要求离心泵在启动时，应关闭泵的出口阀门，以减小启动功率，保护电动机免因超载而受损；③曲线有极值点（最大值），在此点下操作效率最高，能量损失最小。与此点对应的流量称为额定流量。泵的铭牌上即标注额定值，泵在管路上操作时，应在此点附近操作，一般不应低于92%。（3）液体密度对特性曲线的影响理论与无关，实际与也无关，但有关理论与无关，实际也与无关。P392泵性能表上列出轴功率指输送清水时的，所选泵用于输送比水大的液体应先核算，若表中的电机功率，应更换功率大的电机，否则电机会烧坏。（4）液体粘度对特性曲线的影响（的幅度超过的幅度，）。泵厂家提供的特性曲线是用清水测定的，若实际输送液体比清水大得较多。特性曲线将有所变化，应校正后再用，其他书有介绍校正方法。（5）转速n对特性曲线的影响泵的特性曲线是在一定转速下测得，实际使用时会遇到n改变的情况，若n变化<20%，可认为液体离开叶轮时的速度三角形相似，不变,泵的效率不变(等效率)，则，，，，上式称为离心泵的比例定律，n变化<20%，相等时成立。（6）叶轮直径对特性曲线的影响泵的特性曲线是针对某一型号的泵（一定），一个过大的泵，若将其叶轮略加切削而使直径变小，可以减低和而节省。若变化，可认为不变，不变，则，得上式称为离心泵的切割定律，变化，相等时成立。2.2.3离心泵的流量调节和组合操作（1）离心泵的工作点管路特性曲线方程泵特性曲线方程泵的工作点即为两条曲线的交点。2.2.4离心泵的安装高度（1）汽蚀现象液面较低的液体，能被吸入泵的进口，是由于叶轮将液体从其中甩向外围，而在叶轮中心进口处形成负压（真空）。泵内压强最低处是叶轮中心进口处面。在面与面之间到机械能衡算式并以面为基准水平面，得若液面压强，吸入管路流量及管路一定（即、一定）。安装高度，当至等于操作温度下被输送液体的饱和蒸汽压时（即），液体将发生沸腾部分汽化，所生成的大量蒸汽压泡在随液体从叶轮进口向叶轮外围流动时，又因压强升高，气泡立即凝聚，气泡的消失产生局部真空，周围的液体以极大的速度冲向气泡原来所在的空间，在冲击点处产生很高的局部压强（高达几百个大气压），冲击频率高达每秒几万次之多。尤其当气泡的凝结发生在叶轮表面时众多的液体质点如细小的高频水锤撞击着叶片，另外气泡中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，将导致叶片过早损坏。这种现象称为泵的汽蚀现象。汽蚀现象发生时，泵体振动，发出噪音，泵的，严重时甚至吸不上液体。汽蚀现象是有害的，必须加以避免。从上面的分析可知，泵的安装高度不能太高，以保证叶轮中各处压强高于被输送液体的饱和蒸汽压。我国的离心泵规格中采用下述两种指标来表示泵的吸上性能，下面简述其意义，并说明如何利用该指标来确定泵的不致与发生汽蚀现象。（2）最大安装高度、最大允许安装高度与实际要安装的高度时发生汽蚀现象，此时的安装高度最大=由泵的厂家提供，故可以计算。为安全起见，通常是将减去一定量作为安装高度的上限，称为最大允许安装高度称为必需汽蚀余量，>，<。对照解题指南P182式（11-18）可知：<，=，（称为允许汽蚀余量）。为安全，实际安装高度注意：①允许汽蚀余量的校正。泵性能表上列出的值也是按输送20oC的清水测定出来的，当输送其它液体时，值应按下式校正。（11-19）式中——输送其它液体时的允许汽蚀余量，m；——校正系数，为输送温度下液体的密度与饱和蒸汽压的函数，其值小于1。值可由有关手册查得，但通常＜1，＜，则按计算的允许安装高度＞,故为简便起见，也可不校正，而把它作为外加的安全因数②与有关，，因此在确定时必须使用过程可能达到的最大流量进行计算。③，应尽可能使。措施：a．吸入管路应短（靠近液源）而直（少拐弯）；b．吸入管路应省去不必要的管件，调节阀应装在排出管路上；c．吸入管径大于排出管径。（3）临界汽蚀余量与必需汽蚀余量可通过实验测定，不是改变发生汽蚀，而是设法在泵的不变的条件下逐次降低（例如关小吸入管路中的阀），当泵内刚好发生汽蚀（以泵较正常值下降3%作为发生汽蚀的标志）时测取，由上式计算，+安全余量，列在泵的性能表上。（4）由允许吸上高度（真空度）求安装高度2.2.5离心泵的类型与选用（1）离心泵的类型①清水泵旧型号：B型新型号：IS型IS型泵是根据国际标准ISO2858规定的性能和尺寸设计的，其效率比B型泵平均提高3.67%。IS80-65-16080——泵入口直径，mm；65——泵出口直径，mm；160——泵叶轮名义直径，mm。如果要求的压头（扬程）较高，可采用多级离心泵，其系列代号为“D”，其结构如图所示。如要求的流量很大，可采用双吸收式离心泵，其系列代号“Sh”。腐蚀泵，“F”系列，非“F”系列；油泵，单吸“Y”系列，双吸式“YS”系列；下泵，“FY”系列；屏蔽泵；杂质泵“P”系列；（2）离心泵的选用①根据被输送液体的性质确定泵的类型②确定输送系统的流量和所需压头。流量由生产任务来定，所需压头由管路的特性方程来定。③根据所需流量和压头确定泵的型号A、查性能表或特性曲线，要求流量和压头与管路所需相适应。B、若生产中流量有变动，以最大流量为准来查找，H也应以最大流量对应值查找。C、若H和Q与所需要不符，则应在邻近型号中找H和Q都稍大一点的。D、若几个型号都满足，应选一个在操作条件下效率最好的E、为保险，所选泵可以稍大；但若太大，工作点离最高效率点太远，则能量利用程度低。F、若被输送液体的性质与标准流体相差较大，则应对所选泵的特性曲线和参数进行校正，看是否能满足要求。2.3往复泵2.3.1往复泵的作用原理和类型（1）作用原理如图所示为曲柄连杆机构带动的往复泵，它主要由泵缸、活柱（或活塞）和活门组成。活柱在外力推动下作往复运动，由此改变泵缸内的容积和压强，交替地打开和关闭吸入、压出活门，达到输送液体的目的。由此可见，往复泵是通过活柱的往复运动直接以压强能的形式向液体提供能量的。（2）往复泵的类型按照往复泵的动力来源可分类如下：①电动往复泵电动往复泵由电动机驱动，是往复泵中最常见的一种。电动机通过减速箱和曲柄连杆机构与泵相连，把旋转运动变为往复运动。②汽动往复泵汽动往复泵直接由蒸汽机驱动，泵的活塞和蒸汽机的活塞共同连在一根活塞杆上，构成一个总的机组。按照作用方式可将往复泵分类如下：①单动往复泵活柱往复一次只吸液一次和排液一次。②双动往复泵活柱两边都在工作，每个行程均在吸液和排液。2.3.2往复泵的流量调节（1）往复泵的特性曲线与工作点由知仅与活塞每次扫过的体积AS及活塞往复次数n有关，而与管路的特性无关。实际，H不太高时随H的变化很小，H大时，减小。而往复泵的压头则只决定于管路特性曲线与泵的特性曲线的交点（工作点确定）。（2）流量调节①用旁路阀调节流量。泵的送液量不变，只是让部分被压出的液体返回贮池，使主管中的流量发生变化。显然这种调节方法很不经济，只适用于流量变化幅度较小的经常性调节。②改变曲柄转速：因电动机是通过减速装置与往复泵相连的，所以改变减速装置的传动比可以很方便地改变曲柄转速，从而改变活塞自往复运动的频率，达到调节流量的目的。2.4其他化工用泵2.4.1非正位移泵2.4.1.1旋涡泵旋涡泵是一种特殊类型的离心泵。它的叶轮是一个圆盘，四周铣有凹槽，成辐射状排列。叶轮在泵壳内转动，其间有引水道。泵内液体在随叶轮旋转的同时，又在引水道与各叶片之间，因而被叶片拍击多次，获得较多能量。液体中旋涡泵中获得的能量与液体在流动过程中进入叶轮的次数有关。当流量减小时，流道内认体的运动速度减小，液体流入叶轮的平均次数增多，泵的压头必然增大；流量增大时，则情况相反。因此，其H~Q曲线呈陡降形。旋涡泵的特点如下：（1）压头和功率随流量增加下降较快。因此启动时应打开出口阀，改变流量时，旁路调节比安装调节阀经济。（2）在叶轮直径和转速相同的条件下，旋涡泵的压头比离心泵高出2~4倍，适用于高压头、小流量的场合。（3）结构简单、加工容易，且可采用各种耐腐蚀的材料制造。（4）输送液体的粘度不宜过大，否则泵的压头和效率都将大幅度下降。（5）输送液体不能含有固体颗粒。2.4.1.2轴流泵适用于大流量、低压头的流体输送。自学掌握。2.4.2正位移泵（1）隔膜泵（2）计量泵（3）齿轮泵（4）螺杆泵2.4.3各种化工用泵的比较各类泵的性能特点项目离心式正位移式往复式旋转式离心泵旋涡泵往复泵计量泵隔膜泵齿轮泵螺杆泵流量①④⑥①④⑦②⑤⑧②⑤⑦②⑤⑧③⑤⑦③⑤⑦压头①②③③③②②效率①②③③③④④流量调节①②③②③④④②③③③自吸作用②②①①①①①启动①②②②②②②流体①②⑦③④⑥⑤④⑤结构造价①②①③⑤⑥⑦⑤⑥⑤⑥③④③④流量：①均匀；②不均匀；③尚可；④随管路特性而变；⑤恒定；⑥范围广、易达大流量；⑦小流量；⑧较小流量； 压头高低：①不易达到高压头；②压头较高；③压头高。效率：①稍低、愈偏离额定越小；②低；③高；④较高；流量调节：①出口阀；②转速；③旁路；④冲程自吸操作：①有；②没有； 启动：①关闭出口阀；②出口阀全开；被输送流体：①各种物料（高粘度除外）；②不含固体颗粒，腐蚀性也可；③精确计量；④可输送悬浮液；⑤高粘度液体；⑥腐蚀性液体；⑦不能输送腐蚀性或含固体颗粒的液体结构与造价：①结构简单；②造价低谦；③结构紧凑；④加工要求高；⑤结构复杂；⑥造价高；⑦体积大2.5气体输送机械其结构原理与液体输送机械大体相同。但气体，故气体输送有自身的特点。气体输送的特点：①动力消耗大：对一定的质量流量，由于气体的密度小，其体积流量很大。因此气体输送管中的流速比液体要大得多，前经济流速（15~25m/s）约为后者（1~3m②气体输送机械体积一般都很庞大，对出口压力高的机械更是如此。③由于气体的可压缩性，故在输送机械内部气体压力变化的同时，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。因此，气体输送机械需要根据出口压力来加以分类。2.5.1通风机工业上常用的通风机有轴心式和离心式两类：（1）轴流式通风机轴流式通风机的结构与轴流泵类似，如图所示。轴流式通风机排送量大，所产生的风压甚小，一般只用来通风换气，而不用来输送气体。化工生产中，在空冷器和冷却水塔的通风方面，轴流式通风机的应用还是很广的。（2）离心式通风机离心通风机及叶轮1—离心通风机及叶轮1—机壳;2—叶轮;3—吸入口;4—排出口2离心式通风机工作原理与离心泵相同，结构也大同小异。a、为适应输送风量大的要求，通风机的叶轮直径一般是比较大的。b、叶轮上叶片的数目比较多。c、叶片有平直的、前弯的、后弯的。通风机的主要要求是通风量大，在不追求高效率时，用前变叶片有利于提高压头，减小叶轮直径。d、机壳内逐渐扩大的通道及出口截面常不为圆形而为矩形。②离心式通风机的性能参数和特性曲线a、风量：按入口状态计的单位时间内的排气体积。m3/s，m3/hb、全风压：单位体积气体通过风机时获得的能量，J/m3，Pa在风机进、出口之间写柏努利方程：式中，可以忽略；当气体直接由大气进入风机时，，再忽略入口到出口的能量损失，则上式变为：说明：a、从该式可以看出，通风机的全风压由两部分组成，一部分是进出口的静压差，习惯上称为静风压；另一部分为进出口的动压头差，习惯上称为动风压。b、在离心泵中，泵进出口处的动能差很小，可以忽略。但对离心通风机而，其气体出口速度很高，动风压不仅不能忽略，且由于风机的压缩比很低，动风压在全压中所占比例较高。c、轴功率和效率；离心式通风机特性曲线风机的性能表上所列的性能参数，一般都是在1atm、20℃的条件下测定的，在此条件下空气的密度kg/m3,相应的全风压和静风压分别记为和离心式通风机特性曲线d、特性曲线：与离心泵一样，离心通风机的特性参数也可以用特性曲线表示。特性曲线由离心泵的生产厂家在1atm、20℃的条件用空气测定，主要有四条曲线。③离心式通风机的选型a、根据气体种类和风压范围，确定风机的类型b、确定所求的风量和全风压。风量根据生产任务来定；全风压按柏努利方程来求，但要按标准状况校正，即；根据按入口状态计的风量和校正后的全风压在产品系列表中查找合适的型号。2.5.2鼓风机在工厂中常用的鼓风机有旋转式和离心式两种类型。图1-66罗茨鼓风机（1）罗茨鼓风机图1-66罗茨鼓风机罗茨鼓风机的工作原理与齿轮泵类似。如图所示，机壳内有两个渐开摆线形的转子，两转子的旋转方向相反，可使气体从机壳一侧吸，从另一侧排出。转子与转子、转子与机壳之间的缝隙很小，使转子能自由运动而无过多泄漏。属于正位移型的罗茨风机风量与转速成正比，与出口压强无关。该风机的风量范围可自2至500m3/min，出口表压可达80kPa，在40kPa左右效率最高。该风机出口应装稳压罐，并设安全阀。流量调节采用旁路，出口阀不可完全关闭。操作时，气体温度不能超过85℃（2）离心式的鼓风机离心式鼓风机的结构特点：离心式鼓风机的外形与离心泵相象，内部结构也有许多相同之处。例如，离心式鼓风机的蜗壳形通道亦为圆形；但外壳直径与厚度之比较大；叶轮上叶片数目较多；转速较高；叶轮外周都装有导轮。单级出口表压多在30kPa以内；多级可达0.3MPa。离心式鼓风机的选型方法与离心式通风机相同。2.5.3压缩机化工厂所用的压缩机主要有往复式和离心式两大类。2.5.3.1往复式压缩机1．操作原理与理想压缩循环单动压缩机结构简图。吸入活门S、排出活门D。其结构和工作原理与往复泵类似。①开始时刻：当活塞位于最右端时，缸内气体体积为，压力为，用图中1点表示；②压缩阶段：当活塞由右向左运动时，由于D活门所在管线有一定压力，所以D活门是关闭的，活门S受压也关闭。因此，在这段时间里气缸内气体体积下降而压力上升，所以是压缩阶段。直到压力上升到，活门D被顶开为止。此时的缸内气体状态如2点表示。③排气阶段：活门D被顶开后，活塞继续向左运动，缸内气体被排出。这一阶段缸内气体压力不变，体积不断减小，直到气体完全排出体积减至零。这一阶段属恒压排气阶段。此时的状态为3点表示。④吸气阶段：活塞从最左端退回，缸内压力立刻由降到，状况达到4。此时D活门受压关闭，S活门受压打开，气缸又开始吸入气体，体积增大，压力不变，因此为恒压吸气阶段，直到1点为止。2．压缩类型等温压缩；绝热压缩；多变压缩。等温压缩是指压缩阶段产生的热量随时从气体中完全取出，气体的温度保持不变。绝热压缩是另一种极端情况，即压缩产生的热量完全不取出。实际是压缩过程既不是等温的，也不是绝热的，而是介于两者之间，称为多变压缩。3．压缩功实际过程为多变过程，每一循环多变压缩的功为（J）：其中m称为多变指数，对于等温压缩，m=1，但压缩功另有算法。对于绝热压缩，m等于定压比热与定容比热之比。压缩功的大小可以用图中1-2-3-4所围成的面积来表示。等温压缩功最小，绝热压缩功最大，多变压缩功介于等者之间4．有余隙的压缩循环上述压缩循环之所以称为理想的，除了假定过程皆属可逆之外，还假定了压缩阶段终了缸内气体一点不剩地排尽。实际上此时活塞与气缸盖之间必须留有一定的空隙，以免活塞杆受热臌胀后使活塞与气缸相撞。这个空隙就称为余隙。余隙系数=余隙体积/活塞推进一次扫过的体积容积系数=实际吸气体积/活塞推进一次扫过的体积根据上述定义：；余隙的存在使一个工作循环的吸、排气量减小，这不仅是因为活塞推进一次扫过的体积减小了，还因为活塞开始由左向右运动时不是马上有气体吸入，而是缸内剩余气体的膨胀减压，即从3至4，待压力减至，容积增至时，才开始吸气。即在有余隙的工作循环中，在气体排出阶段和吸入阶段之间又多了一个余隙气体膨胀阶段，使得每一循环中吸入的气体量比理想循环为少。余隙系数与容积系数的关系为：。由该式可以看出，余隙系数和压缩比越大，容积系数越小，实际吸气量越小，至于会出现一种极限情况：容积系数为零，，此时余隙气体膨胀将充满整个气缸，实际吸气量为零。5．多级压缩多级压缩是指在一个气缸里压缩了一次的气体进入中间冷却器冷却之后再送入次一气缸进行压缩，经几次压缩才达到所需要的终压。讨论：（1）采用多级压缩的原因①若所需要的压缩比很大，容积系数就很小，实际送气量就会很小；②压缩终了气体温度过高，会引起气缸内润滑油碳化或油雾爆炸等问题；③机械结构亦不合理：为了承受很高的终压，气缸要做的很厚，为了吸入初压很低的气体气缸体积又必须很大。（2）级数越多，总压缩功越接近于等温压缩功，即最小值。然而，级数越多，整体构造使越复杂。因此，常用的级数为2至6，每级压缩比为3至5。（3）理论上可以证明，在级数相同时，各级压缩比相等，则总压缩功最小。6．往复式压缩机的流量调节（1）调节转速；（2）旁路调节；（3）改变气缸余隙体积：显然，余隙体积增大，余隙内残存气体膨胀后所占容积将增大，吸入气体量必然减少，供气量随之下降。反之，供气量上升。这种调节方法在大型压缩机中采用较多。2.5.3.2离心式压缩机1．结构——定子与转子转子：主轴、多级叶轮、轴套及平衡元件定子：气缸和隔板2．工作原理：气体沿轴向进入各级叶轮中心处，被旋转的叶轮做功，受离心力的作用，以很高的速度离开叶轮，进入扩压器。气体在扩压器内降速、增压。经扩压器减速、增压后气体进入弯道，使流向反转180度后进入回流器，经过回流器后又进入下一级叶轮。显然，弯道和回流器是沟通前一级叶轮和后一级叶轮的通道。如此，气体在多个叶轮中被增加数次，能以很高的压力能离开。3．特性曲线离心式压缩机的H~Q曲线与离心式通风机在形状上相似。在小流量时都呈现出压力随流量的增加而上升的情况。4．特点与往复压缩机相比，离心式压缩机有如下优点：体积和重量都很小而或流量很大；供气均匀；运转平稳；易损部件少、维护方便。因此，除非压力要求非常高，离心式压缩机已有取代往复式压缩机的趋势。而且，离心式压缩机已经发展成为非常大型的设备，流量达几十万立方米/时，出口压力达几十兆帕。2.5.4真空泵1、真空泵的一般特点真空泵就是从真空容器中抽气、一般在大气压下排气的输送机械。若将前述任何一种气体输送机械的进口与设备接通，即成为从设备抽气的真空泵。然而，专门为产生真空用的设备却有其获得之处（1）由于吸入气体的密度很低，要求真空泵的体积必须足够大；（2）压缩比很高，所以余隙的影响很大。真空泵的主要性能参数有：（1）极限剩余压力（或真空度）：这是真空泵所能达到最低压力；（2）抽气速率：单位时间内真空泵在极限剩余压力下所吸入的气体体积，亦即真空泵的生产能力。2、往复式真空泵与往复式压缩式的构造显著区别，但也有其自身的特点：（1）在低压下操作，气缸内、外压差很小，所用的活门必须更加轻巧；（2）当要求达到较好的真空度时，压缩比会很大，余隙容积必须很小，否则就不能保证较大的吸气量。（3）