化工原理第二章流体输送机械

第二章流体输送机械流体输送机械第一页，编辑于星期六：十八点十分。概述一、流体对输送机械的作用

第二章流体输送机械管路特性方程1122特定管路，一定操作条件下第二页，编辑于星期六：十八点十分。压头损失—取决于管内布局及管内流速的大小在管路中，通常用流量反应生产任务对于一定的管路系统，

均为常数，将流体看作是在阻力平方区运动，即忽略随Re的变化第三页，编辑于星期六：十八点十分。因此，对于一定管路的液体输送——管路特性方程对于气体输送系统，由于，列伯努利方程以单位体积为基准由于气体密度较小，位风压一项一般可以忽略。第四页，编辑于星期六：十八点十分。2、管路系统对输送机械的其他性能要求1、结构简单，重量轻，投资费用低2、运行可靠，操作效率高，日常操作费用低3、适应被输送流体的特性二、流体输送机械的分类

1、流体根据输送介质不同输送液体——泵输送气体——风机或压缩机2、根据工作原理不同动力式容积式流体作用式第五页，编辑于星期六：十八点十分。第一节离心泵离心泵的外观第六页，编辑于星期六：十八点十分。一、离心泵的工作原理和基本结构（1）叶轮——叶片（+盖板）1、离心泵的主要构造：第七页，编辑于星期六：十八点十分。a)叶轮的作用

将电动机的机械能传给液体,使液体的动能有所提高。

根据结构闭式叶轮开式叶轮

半闭式叶轮

叶片的内侧带有前后盖板，适于输送干净流体，效率较高。没有前后盖板，适合输送含有固体颗粒的液体悬浮物。只有后盖板，可用于输送浆料或含固体悬浮物的液体，效率较低。1）叶轮b)叶轮的分类第八页，编辑于星期六：十八点十分。按吸液方式

单吸式叶轮双吸式叶轮液体只能从叶轮一侧被吸入，结构简单。相当于两个没有盖板的单吸式叶轮背靠背并在了一起，可以从两侧吸入液体，具有较大的吸液能力，而且可以较好的消除轴向推力。

第九页，编辑于星期六：十八点十分。2）泵壳

泵体的外壳，包围叶轮液体入口——中心出口——切线泵壳的作用

汇集液体，作导出液体的通道；使液体的能量发生转换，一部分动能转变为静压能。（3）泵轴：垂直叶轮面，

叶轮中心。第十页，编辑于星期六：十八点十分。离心泵装置简图第十一页，编辑于星期六：十八点十分。离心泵的工作原理

原动机——轴——叶轮，旋转离心力

叶片间液体中心

外围——液体被做功动能高速离开叶轮第十二页，编辑于星期六：十八点十分。离心泵启动时，如果泵壳内存在空气，由于空气的密度远小于液体的密度，叶轮旋转所产生的离心力很小，叶轮中心处产生的低压不足以造成吸上液体所需要的真空度，这样，离心泵就无法工作，这种现象称作“气缚”。为了使启动前泵内充满液体，这一操作称为灌泵。

气缚第十三页，编辑于星期六：十八点十分。（1）平衡孔的作用——消除轴向推力2、离心泵的其他构造：第十四页，编辑于星期六：十八点十分。（2）导轮的作用——减少能量损失第十五页，编辑于星期六：十八点十分。A轴封的作用

为了防止高压液体从泵壳内沿轴的四周而漏出，或者外界空气漏入泵壳内。轴封装置

填料密封：

机械密封：

主要由填料函壳、软填料和填料压盖组成，普通离心泵采用这种密封。

主要由装在泵轴上随之转动的动环和固定于泵壳上的静环组成，两个环形端面由弹簧的弹力互相贴紧而作相对运动，起到密封作用。

（3）轴封装置B

轴封的分类第十六页，编辑于星期六：十八点十分。（补）、离心泵的基本方程假设如下理想情况：1）泵叶轮的叶片数目为无限多个，也就是说叶片的厚度为无限薄，液体质点沿叶片弯曲表面流动，不发生任何环流现象。2）输送的是理想液体，流动中无流动阻力。在高速旋转的叶轮当中，液体质点的运动包括：液体随叶轮旋转；经叶轮流道向外流动。

3）泵内为定态流动过程。1）离心泵基本方程式的导出第十七页，编辑于星期六：十八点十分。2）离心泵基本方程式的讨论(1)叶轮转速和直径的影响

对于某个离心泵，当流量q和叶片几何尺寸（即其β2、b2固定）一定时，理论压头随叶轮直径2r2（D2）和转速ω（n）的增大而增大，因此，加大叶轮直径和提高转速可以提高泵的压头。（2）理论压头H

与液体密度无关。这就是说，同一台泵无论输送何种密度的液体，对单位重量流体所能提供的能量是相同的。第十八页，编辑于星期六：十八点十分。（3）叶片的几何形状

后弯叶片，静压能的提高大于动能的提高。由于液体的流速过大，在动能转化为静压能的实际过程中，会有大量机械能损失，使泵的效率降低。一般都采用后弯叶片。

2=25-30o

前弯叶片，动能的提高大于静压能的提高。第十九页，编辑于星期六：十八点十分。（4）理论流量当离心泵确定，其β2、b2、D2一定，当转速一定时，理论压头和流量呈直线关系，采用后弯叶片。

2<90o，B>0，因此，H随q增大而减小。第二十页，编辑于星期六：十八点十分。

3、实际压头

离心泵的实际压头与理论压头有较大的差异，原因在于流体在通过泵的过程中存在着压头损失，它主要包括：1）叶片间的环流

2）流体的阻力损失

3）冲击损失

第二十一页，编辑于星期六：十八点十分。q-HH实际压头理论压头、实际压头及各种压头损失与流量的关系为实际压头和流量关系：第二十二页，编辑于星期六：十八点十分。二、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H，泵对单位重量流体提供的有效能量（扬程），m。q，泵单位时间实际输出的液体量，m3/s或m3/h。p，电机输入离心泵的功率，单位W或kW。△h，泵抗气蚀性能参数，m。第二十三页，编辑于星期六：十八点十分。离心泵的压头的测量离心泵的压头取决于：泵的结构（叶轮的直径、叶片的弯曲情况等）

转速n

流量q，确定转速一定时，泵的压头与流量之间的关系靠实验测定离心泵的流量采用流量计测量，其大小与泵的结构，尺寸，转速有关。第二十四页，编辑于星期六：十八点十分。在泵进口b、泵出口c间列机械能衡算式：第二十五页，编辑于星期六：十八点十分。离心泵的有效功率和轴功率有效功率pe----单位时间内流体从泵的叶轮获得的能量。轴功率p----电机输入泵轴的功率。PePP电出P电出=电功率×

电机Pe=qm×We第二十六页，编辑于星期六：十八点十分。效率：，无量纲离心泵的效率PePP电出P电出=电功率×

电机Pe=qm×We第二十七页，编辑于星期六：十八点十分。ppe机械损失容积损失水力损失小型水泵：

一般为5070%，大型泵：可达90%以上（2）水力损失（3）机械损失泵轴与轴承、密封圈等机械部件之间的摩擦与效率

有关的各种能量损失：（1）容积损失：

泵的效率取决于泵的类型结构，尺寸，加工精度，流体的流量和性质等第二十八页，编辑于星期六：十八点十分。2）离心泵特性曲线离心泵的H、η、p都与离心泵的q

有关，它们之间的关系由确定离心泵压头的实验来测定，通常是在固定转速下，用20oC清水在常压下由实验测定的一组关系曲线：

H～q、η～q、p～q

——离心泵的特性曲线

注意：特性曲线随转速而变。各种型号的离心泵都有本身独自的特性曲线，但形状基本相似，具有共同的特点第二十九页，编辑于星期六：十八点十分。离心泵特性曲线由图可见：

Q

，H

，p，有最大值。第三十页，编辑于星期六：十八点十分。1）H～Q曲线：表示泵的压头与流量的关系，离心泵的压头普遍是随流量的增大而下降（流量很小时可能有例外）2）p～Q曲线：表示泵的轴功率与流量的关系，离心泵的轴功率随流量的增加而上升，流量为零时轴功率最小。

离心泵启动时，应关闭出口阀，使启动电流最小，以保护电机。3）η～Q曲线：表示泵的效率与流量的关系，随着流量的增大，泵的效率将上升并达到一个最大值，以后流量再增大，效率便下降。第三十一页，编辑于星期六：十八点十分。离心泵在一定转速下有一最高效率点。离心泵在与最高效率点相对应的流量及压头下工作最为经济。

与最高效率点所对应的q、H、p值称为最佳工况参数。离心泵的铭牌上标明的就是指该泵在运行时最高效率点的状态参数。

注意：在选用离心泵时，应使离心泵在该点附近工作。一般要求操作时的效率应不低于最高效率的92%。第三十二页，编辑于星期六：十八点十分。例2-1离心泵特性曲线的测定附图为测定离心泵特性曲线的实验装置，实验中已测出如下一组数据：泵进口处真空表读数

p1=2.67×104Pa(真空度)，泵出口处压强表读数

p2=2.55×105Pa(表压)，泵的流量

q=12.5×10-3m3/s，功率表测得电动机所消耗功率为

6.2kW，吸入管直径

d1=80mm，压出管直径

d2=60mm，两测压点间垂直距离

Z2－Z1=0.5m，泵由电动机直接带动，传动效率可视为

1，电动机的效率为

0.93，实验介质为

20℃的清水，试计算在此流量下泵的压头

H、轴功率

N和效率

η。

第三十三页，编辑于星期六：十八点十分。解：（1）泵的压头在真空表及压强表所在截面1－1’与2－2’间列柏努利方程：第三十四页，编辑于星期六：十八点十分。（2）泵的轴功率功率表测得功率为电动机的输入功率，电动机本身消耗一部分功率，其效率为0.93，于是电动机的输出功率（等于泵的轴功率）为：p=6.2×0.93=5.77kW（3）泵的效率在实验中，如果改变出口阀门的开度，测出不同流量下的有关数据，计算出相应的H、N和η值，并将这些数据绘于坐标纸上，即得该泵在固定转速下的特性曲线。第三十五页，编辑于星期六：十八点十分。三、影响离心泵性能的因素及性能换算1）液体性质的影响

密度离心泵的流量

与液体密度无关。

H～q曲线不因输送的液体的密度不同而变。泵的效率η不随输送液体的密度而变。

离心泵的轴功率与输送液体密度有关。故r­，p~q曲线上移。

离心泵的压头

与液体的密度无关

第三十六页，编辑于星期六：十八点十分。

当输送的液体粘度大于常温（20℃）清水的粘度时，泵的压头减小，H

；泵的流量减小；泵的效率下降，

；泵的轴功率增大，p

。泵的特性曲线发生改变，选泵时应根据原特性曲线进行修正

实验表明，当液体的运动粘度小于20cst时，

对特性曲线的影响很小，如汽油、柴油、煤油等粘度的影响可忽略不计，可不进行修正。粘度第三十七页，编辑于星期六：十八点十分。转速

当液体的粘度不大且转速n变化不大时（小于20%），利用出口速度三角形相似的近似假定，若

不变，可推知：转速增大第三十八页，编辑于星期六：十八点十分。叶轮直径当叶轮直径因切割而变小时，若变化程度小于20%，

不变，则第三十九页，编辑于星期六：十八点十分。第四十页，编辑于星期六：十八点十分。四、离心泵的工作点与流量调节1）离心泵的工作点离心泵的特性曲线与管路的特性曲线的交点M，就是离心泵在管路中的工作点，实际输送的流量和提供的压头。

H泵的特性曲线

QM

泵------供方管路------需方——管路——泵第四十一页，编辑于星期六：十八点十分。2）离心泵的流量调节——调节阀门——改变n、切割叶轮改变管路特性曲线缺点：流量阻力加大，要多消耗动力，不经济。

优点：调节迅速方便，流量可连续变化；第四十二页，编辑于星期六：十八点十分。改变泵的转速——改变泵的特性曲线优点：流量随转速下降而减小，动力消耗也相应降低；缺点：需要变速装置或价格昂贵的变速电动机，难以做到流量连续调节，化工生产中很少采用。第四十三页，编辑于星期六：十八点十分。串联组合泵的特性曲线

两台相同型号的离心泵串联组合，在同样的流量下，其提供的压头是单台泵的两倍。3）离心泵的并联和串联事实上，由于泵自身的阻力，两台泵串联的总压头低于单台泵压头的2倍，流量大于单台泵。第四十四页，编辑于星期六：十八点十分。两台相同型号的离心泵并联，若其各自有相同的吸入管路，则在相同的压头下，并联泵的流量为单泵的两倍。

并联组合泵的特性曲线

事实上，由于泵自身的阻力，两台泵并联的总流量低于单台泵流量的2倍，压头略大于单台泵。第四十五页，编辑于星期六：十八点十分。用一离心泵将敞口低位槽中的水送到高位水槽中，两水槽的垂直距离为16m，管路中的压头损失可以表示为，库房里有两台规格相同的离心泵，单台泵的特性方程为，试计算两台泵如何操作能获得较大的输水量（q：m3/s）。第四十六页，编辑于星期六：十八点十分。离心泵组合方式的选择

低阻输送管路----并联优于串联；高阻输送管路----串联优于并联。第四十七页，编辑于星期六：十八点十分。用离心泵将20℃的水从水池送入高压高位槽（见图）。泵的进、出口处分别装有真空表及压力表。在一定转速下测得离心泵的流量、扬程、泵出口压力p表、泵入口真空度p真以及泵的轴功率。现改变以下各条件之一而其它条件不变，问上述离心泵各参数将如何变化？

例离心泵工作点的变化与流量调节。出口阀门开度增大；液体密度改为1500kg/m3；泵叶轮直径减小5%；转速提高5%。第四十八页，编辑于星期六：十八点十分。五、离心泵的安装高度安装高度:问题：液面到泵入口处的垂直距离(Hg)安装高度有无限制？第四十九页，编辑于星期六：十八点十分。0-0~1-1，B.E.

Hg

，则p1

当p1

pv，叶轮中心汽化汽泡凝结局部真空压力升高周围液体高速冲向汽泡中心撞击叶片(水锤)伴随现象①泵体振动并发出噪音②H,Q

,严重时不送液；③时间长久，水锤冲击和化学腐蚀，损坏叶片被抛向外围第五十页，编辑于星期六：十八点十分。安装高度，汽蚀问题：如何确定Hg的上限——允许安装高度汽蚀余量2．汽蚀余量与允许安装高度

泵入口处：动压头+静压头-饱和蒸汽压(液柱)NPSH的物理意义：NPSH

，p1

汽蚀第五十一页，编辑于星期六：十八点十分。①必须汽蚀余量(NPSH)c:刚刚发生汽蚀时的汽蚀余量——由制造厂实验确定②必须汽蚀余量

hr:液体从泵入口流到叶轮内最低压力点处的全部压头损失饱和蒸汽压头叶轮内最低压力点处压头泵入口压头③允许汽蚀余量NPSH比最小汽蚀余量大0.3米

第五十二页，编辑于星期六：十八点十分。正常运转的泵（2）由NPSH计算允许安装高度Hgmax第五十三页，编辑于星期六：十八点十分。3．讨论

（1）汽蚀现象产生的原因：①安装高度太高；②被输送流体的温度太高，液体蒸汽压过高；③吸入管路阻力或压头损失太高。（2）计算出的Hgmax<0,低于贮槽液面安装（3）安装泵时为保险，Hg比Hgmax还要小0.5至1米。(4)历史上允许吸上真空度允许汽蚀余量

Hgmax第五十四页，编辑于星期六：十八点十分。1）离心泵的允许气蚀余量值是与其流量有关的，大流量下NPSH较大，因此，必须注意使用最大额定流量值进行计算。2）离心泵安装时，应注意选用较大的吸入管路，减少吸入管路的弯头、阀门等管件，以减少吸入管路的阻力。3）当液体输送温度较高或液体沸点较低时，可能出现允许安装高度为负值的情况，此时，应将离心泵安装于贮槽液面以下，使液体利用位差自流入泵内。注意：第五十五页，编辑于星期六：十八点十分。六、离心泵的类型、选择和使用1）离心泵类型按照轴上叶轮数目的多少

单级泵

多级泵

轴上只有一个叶轮的离心泵，适用于出口压力不太大的情况；轴上不止一个叶轮的离心泵

，可以达到较高的压头。离心泵的级数就是指轴上的叶轮数，我国生产的多级离心泵一般为2-9级。第五十六页，编辑于星期六：十八点十分。

按叶轮上吸入口的数目单吸泵

双吸泵

叶轮上只有一个吸入口，适用于输送量不大的情况。叶轮上有两个吸入口，适用于输送量很大的情况。第五十七页，编辑于星期六：十八点十分。按离心泵的不同用途

水泵

输送清水和物性与水相近、无腐蚀性且杂质很少的液体的泵—B型。耐腐蚀泵

接触液体的部件（叶轮、泵体）用耐腐蚀材料制成。要求：结构简单、零件容易更换、维修方便、密封可靠、用于耐腐蚀泵的材料有：铸铁、高硅铁、各种合金钢、塑料、玻璃等—F型油泵

输送石油产品的泵，要求密封完善—Y型。杂质泵

输送含有固体颗粒的悬浮液、稠厚的浆液等的泵，又细分为污水泵、砂泵、泥浆泵等。要求不易堵塞、易拆卸、耐磨、在构造上是叶轮流道宽、叶片数目少—P型。第五十八页，编辑于星期六：十八点十分。2）、离心泵的选择

A确定输送系统的流量和压头：一般情况下液体的输送量是生产任务所规定的，如果流量在一定范围内波动，选泵时按最大流量考虑，然后，根据输送系统管路的安排，用柏努利方程计算出在最大流量下管路所需压头。

B选择泵的类型与型号：首先根据被输送液体的性质和操作条件确定泵的类型，按已确定的流量和压头从泵样本或产品目录中选出适合的型号。第五十九页，编辑于星期六：十八点十分。若是没有一个型号的H、Q与所要求的刚好相符，则在邻近型号中选用H和Q都稍大的一个；若有几个型号的H和Q都能满足要求，那么除了考虑那一个型号的H和Q外，还应考虑效率η在此条件下是否比较大。

C核算轴功率:若输送液体的密度大于水的密度时，按下式计算泵的轴功率。

第六十页，编辑于星期六：十八点十分。3）离心泵的安装和使用

泵的安装高度

为了保证不发生气蚀现象或泵吸不上液体，泵的实际安装高度必须低于理论上计算的最大安装高度，同时，应尽量降低吸入管路的阻力。启动前先“灌泵”

这主要是为了防止“气傅”现象的发生，在泵启动前，向泵内灌注液体直至泵壳顶部排气嘴处在打开状态下有液体冒出时为止。第六十一页，编辑于星期六：十八点十分。离心泵应在出口阀门关闭时启动为了不致启动时电流过大而烧坏电机，泵启动时要将出口阀完全关闭，等电机运转正常后，再逐渐打开出口阀，并调节到所需的流量。关泵的步骤

关泵时，一定要先关闭泵的出口阀，再停电机。否则，压出管中的高压液体可能反冲入泵内，造成叶轮高速反转，使叶轮被损坏。

运转时应定时检查泵的响声、振动、滴露等情况，观察泵出口压力表的读数，以及轴承是否过热等。

第六十二页，编辑于星期六：十八点十分。往复泵

往复泵是一种容积式泵，它依靠作往复运动的活塞依次开启吸入阀和排出阀从而吸入和排出液体。

第二节其他类型化工用泵1、往复泵的结构及工作原理泵的主要部件有：泵缸、活塞、活塞杆、吸入单向阀和排出单向阀第六十三页，编辑于星期六：十八点十分。活塞从左端点到右端点的距离叫行程或冲程。

活塞在往复一次中，只吸入和排出液体各一次的泵，称为单动泵。由于单动泵的吸入阀和排出阀均装在活塞的一侧，吸液时不能排液，因此排液不是连续的。为了改善单动泵流量的不均匀性，多采用双动泵或三联泵第六十四页，编辑于星期六：十八点十分。l

具有自吸能力，不必灌液l

安装高度也受限制，无汽蚀现象

2、与离心泵比较：l

流量与压头几乎无关

由于受泵的部件机械强度和原动机功率的限制，泵的扬程不可能无限增大。压头越大，漏损越大。l

输液量不均匀、不连续多缸泵（各缸曲柄有相位差）

第六十五页，编辑于星期六：十八点十分。l

流量调节不可用出口阀门调节方法。

•

适用于小流量、高压头的情况下输送高粘度的液体。旁路第六十六页，编辑于星期六：十八点十分。

第二节气体输送设备终压p2<1.15atm，压缩比终压p2<4atm，压缩比终压p2>4atm，压缩比终压为大气压，压缩比近似

第六十七页，编辑于星期六：十八点十分。一、离心通风机、鼓风机与压缩机1、离心式通风机

离心式通风机按所产生的风压不同，分为：低压离心通风机：中压离心通风机：

高压离心通风机：出口风压低于0.9807×103Pa

(表压)；

出口风压为：0.9807×103Pa~2.942×103Pa出口风压为：2.942×103Pa~14.7×103Pa

第六十八页，编辑于星期六：十八点十分。工作原理：结构：与离心泵相似特点：叶片数目多、短，有径向、前弯、后弯等，通道多呈矩形

与离心泵相同第六十九页，编辑于星期六：十八点十分。主要性能参数及特性曲线：气体通过进风口的体积流率，m3/h或m3/s。风量Q：以进口状态计

风压Ht

：单位体积的气体通过通风机时所获得的能量，N/m2，取决于风机的结构，叶轮尺寸，转速与进入风机的气体的密度。

第七十页，编辑于星期六：十八点十分。在风机进出口间列机械能衡算方程式：

简化为

（P2－P1）称为静风压，以HSt表示称为动风压。

离心通风机的风压为静风压和动风压之和，称为全风压。

第七十一页，编辑于星期六：十八点十分。

风压与被输送气体的密度ρ成正比，风机性能表上列出风压是按“标准状态”下(20℃，1.01×105Pa)的空气密度测定的。若实际操作条件与上述试验条件不同，应将操作条件下的风压HT’换算为试验条件下的风压HT，然后按HT的数值来选择风机。第七十二页，编辑于星期六：十八点十分。全压效率70%~90%

效率

：

功率N：特性曲线

第七十三页，编辑于星期六：十八点十分。离心通风机的选用选择离心通风机的主要步骤为：（1）根据气体的种类（清洁空气、易燃气体、腐蚀性气体、含尘气体、高温气体等）与风压范围，确定风机的类型（2）据所要求的风量与全压，从产品样本或规格目录中的特性曲线或性能表格中查得适宜的类型与机号。第七十四页，编辑于星期六：十八点十分。2、离心鼓风机和压缩机1）离心鼓风机

离心鼓风机外形与离心泵相象。蜗壳形的通道为圆形，但其外壳直径与宽度之比较大，叶轮上数目较多，转速较高，并且有一固定的导轮。气体由吸入口进入后，经过第一级的叶轮和导轮，然后转入第二级叶轮入口，再依次逐级通过以后的叶轮和导轮，最后由排气口排出。离心通风机的送气量大，但所产生的风压仍不太高，出口表压强一般不超过294×103Pa。由于在离心鼓风机中，气体的压缩比不高，所以无需设置冷却装置，各级叶轮的直径也大致上相等。第七十五页，编辑于星期六：十八点十分。第七十六页，编辑于星期六：十八点十分。2）离心压缩机

离心压缩机又称透平压缩机。它的主要结构和工作原理与离心鼓风机相似。离心压缩机的特点是叶轮级数多，通常在10级以上，叶轮转速高，一般为5000r/min以上。这样可以产生很多的出口压强，且由于压缩比高，气体体积缩小很多，温度升高大。因此压缩机都分成几段，每段包括若干级。叶轮的直径逐级缩小。叶轮宽度也逐级略有缩小，在各段之间设有中间冷却器。

优点：流量大而均匀，体积小，运转平稳，容易调节，维护方便。第七十七页，编辑于星期六：十八点十分。二、旋转鼓风机与压缩机

旋转鼓风机、压缩机与旋转泵相似，机壳内有一个或两个旋转的转子，没有活塞和阀门等装置。特点：构造简单、紧凑、体积小、排气连续而均匀，适用于所需压强不高且流量大的情况。1、罗茨鼓风机罗茨鼓风机的工作原理与齿轮泵相似，机壳内有两个渐开摆线形的转子，两转子之间，转子与机壳之间缝隙很小，使转子能自由运动而无过多的泄漏，两转子的旋转方向相反，可使气体从机壳一侧吸入，从另一侧排出。若改变两转子的旋转方向，则吸入和排出口互换。第七十八页