何潮洪化工原理第二章：流体输送机械模板.ppt

1、目录,第二章 流体输送机械 2.1 液体输送机械-泵 2.1.1 离心泵 一、离心泵的构造和工作原理 二、离心泵主要构件的结构及功能 三、离心泵的主要性能参数及特性曲线 四、离心泵的安装高度 五、离心泵的工作点与流量调节 习题课 六、离心泵的类型、选用 2.1.2 其它类型泵,浙江大学化工原理电子教案/目录,1,目录, 2.2 气体压送机械 一、离心通风机 二、往复压缩机 三、真空泵,浙江大学化工原理电子教案/目录,2,第二章推荐阅读材料： 1、谭天恩，窦梅，周明华. 化工原理. 上册. 第三版. 北京：化学工业出版社，2006 2McCabe W L，Smith J C, Harriott

2、P. Unit Operations of chemical Engineering. 6th ed. New York: McGraw-Hill, 2001（英文影印版：化学工程单元操作. 北京：化学工业出版社，2003） 3、时钧等. 化学工程手册. 第二版. 北京：化学工业出版社，1996,浙江大学化工原理电子教案/目录,3,第二章 流体输送机械,流体输送机械,4/73, 2.1 液体输送机械-泵,按泵的工作原理分:,特点：依靠旋转的叶片向液体传送机械能,特点：机械内部的工作容积不断发生变化。,特点：速度式、容积式以外的,5/73, 2.1.1 离心泵,一、离心泵的构造和工作原理,1、离

3、心泵的构造：,思考： 为什么泵的叶片向后弯曲？ 泵壳呈蜗壳状？,请点击观看动画,6/73,一、离心泵的构造和工作原理,2、离心泵的工作原理,请点击观看动画,请点击观看动画,思考： 流体在泵内都获得了哪几种能量？ 其中哪种能量占主导地位？,思考：泵启动前为什么要灌满液体？,气缚现象,答案：动能和静压能，其中静压能占主导,7/73,二离心泵主要构件的结构及功能,1叶轮,闭式叶轮的内漏最小，故效率最高，敞式叶轮的内漏最大。 但敞式叶轮和半闭式叶轮不易发生堵塞现象,请点击观看动画,思考：三种叶轮中哪一种效率高？,叶轮是离心泵的心脏部件，有2 至6 片弯曲的叶片。,内漏,8/73,二离心泵主要构件的结构

4、及功能,思考：泵壳的主要作用是什么？,2泵壳,汇集液体，并导出液体； 能量转换装置（动能变静压能）,呈蜗牛壳状,思考：为什么导轮的弯曲方向与叶片弯曲方向相反？,3导轮,请点击观看动画,固定不动,9/73,二离心泵主要构件的结构及功能,4. 轴封装置,填料如浸油或渗涂石墨的石棉带、碳纤维、氟纤维和膨胀石墨等，,请点击观看动画,-减少泵内高压液体外流，或防止空气侵入泵内。,由两个光滑而密切贴合的金属环形面构成，动环随轴转动，静环装在泵壳上固定不动，二者在泵运转时保持紧贴状态以防止渗漏。,填料不能压得过紧，也不能压得过松，应以压盖调节到有液体成滴状向外渗透。,请点击观看动画,对于输送酸、碱的离心泵，

5、密封要求比较严，多用机械密封。,10/73,三离心泵的主要性能参数及特性曲线,铭牌,离心泵的主要性能参数,-n，单位r.p.s或r.p.m,-Q，m3/s或m3/h，可在输出端测量,-H，又称扬程，泵对单位重量流 体提供的有效能量，m。,=he,11/73,三离心泵的主要性能参数及特性曲线,可用如图装置测量。,在泵进口b 、泵出口 c 间列机械能衡算式：,压头：,b,c,12/73,三离心泵的主要性能参数及特性曲线,H与哪些因素有关呢？关系如何？ -目前，从理论上还无法推导出来，只能靠实验测定。,但理想情况下的H表达式则可从理论上推导得到。,压头：,13/73,理论压头H与流量Q关系曲线,理论

6、压头-理想情况下单位重量液体所 获得的能量称为理论压头， 用H 表示。,理想情况,液体在泵内无摩擦阻力损失,流体与叶片的相对运动的运动轨迹可视为与叶片形状相同。,-理想情况下的HQ曲线,14/73,液体在高速旋转的叶轮中的运动分为2种:,周向运动：,沿叶片表面的运动：,速度w处处与叶片相切，,u2,u1,w1,w2,思考：u1、u2孰大？,w1 、w2孰大？,根据余弦定理可知：,代入式（A）得:,在1与2之间列伯努利方程式，得：,（A）,1,2,理论压头H与流量Q关系曲线,c2,c1,15/73,产生的原因：,原因一：离心力作功,1 kg液体受到的离心力为：,理论压头H与流量Q关系曲线,16/

7、73,理论压头H与流量Q关系曲线,原因二：液体由1流到2时，由于流动通道逐渐扩大， w逐渐变小，这部分能量将转化为静压能。,原因一：离心力作功,17/73,理论压头H,1,2,u2,2,u1,w1,w2,理论压头H与流量Q关系曲线,离心泵设计中，一般都使设计流量下的1=90,r2,b2,c2u,c2,c2r,c2u,c2r,装置角,18/73,理论压头H,1,2,u2,2,u1,w1,w2,理论压头H与流量Q关系曲线,r2,b2,c2u,c2,c2r,c2u,c2r,思考：与H有关的因素有哪些？分别是怎 样的关系？,讨论： （1） H与流量Q、叶轮转速、叶轮的尺寸和构造（r2、b2、2）有关；

8、,（2）叶轮直径越大、转速越大，则H越大；,19/73,叶片后弯，20， 即H随流量增大而减小；,叶片径向，2=90，cot2=0， 即H不随流量而变化；,叶片前弯，290，cot290,（3）在叶轮转速、直径一定时，流量Q与理论压头H的关系,受装置角2影响：,20/73,理论压头H与流量Q关系曲线,似乎泵设计时应取前弯叶片，因其H 为最高。但实际上泵的设计都采用后弯叶片。Why？,c2,w2,u2,后弯叶片,c2小，泵内流动阻力损失小,回忆： 思考： 为什么叶片向后弯曲？ 泵壳呈蜗壳状？ 思考： 为什么导轮的弯曲方向与叶片弯曲方向相反？,21/73,理论压头H,（4）理论压头H与液体密度无关

9、。,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。,22/73,实际压头H与流量Q关系曲线,实际压头比理论压头要小。具体原因如下：,此损失只与叶片数、液体黏度等有关，与流量几乎无关。,（1）叶片间的环流运动,请点击观看动画,考虑这一因素后，图中理论压头线a变为直线b 。,b,23/73,实际压头H与流量Q关系曲线,（2）阻力损失,考虑到这项损失后，压头线变为曲线c 。,此损失可近似视为与流速的平方呈正比。,b,c,24/73,实际压头H与流量Q关系曲线,（3）冲击损失,在设计流量下，此项损失最小。流量若偏离设计量越远，则冲击损失越大。,b,c,d,考虑到这项损

10、失后，压头线应为曲线d-这就是实际压头与流量关系曲线。,25/73,轴功率,效率,有效功率Ne=mwe ，单位W 或kW,（无量纲）,QgH,三离心泵的主要性能参数及特性曲线,用N表示，单位W 或kW,26/73,小型水泵：一般为5070% 大型泵：可达90%以上,（1）容积损失：,（2）水力损失,（3）机械损失,内漏,与效率有关的各种能量损失：,环流损失、阻力损失和冲击损失,泵轴与轴承、密封圈等机械部件之间的摩擦,三离心泵的主要性能参数及特性曲线,27/73,允许汽蚀余量将在后面介绍。,三离心泵的主要性能参数及特性曲线,28/73,测定条件：固定转速， 20C清水,-由厂家测定,三离心泵的主

11、要性能参数及特性曲线,离心泵的特性曲线,NQ曲线 Q曲线,HQ曲线,Q，H ,Q， N,有最大值（设计点）,注意：铭牌上的数值均为设计点时的数据！,29/73,思考： 离心泵启动时出口阀门应关闭还是打开，why？ 为什么Q0时，N0？,三离心泵的主要性能参数及特性曲线,30/73,液体性质 密度:,黏度:,Why？,当比20清水的大时，H，N，,实验表明，当20倍清水的黏度（ 20 ）时，对特性曲线的影响很小，可忽略不计。,对HQ曲线、Q曲线无影响，但,故，NQ曲线上移。,三离心泵的主要性能参数及特性曲线,离心泵特性曲线的影响因素：,31/73,叶轮转速,当转速变化不大时（小于20%），利用出

12、口速度三角形相似的近似假定，可推知：,若不变，则,思考：若泵在原转速n下的特性曲线方程为H=A+BQ2， 则新转速n下泵的特性曲线方程表达式？,三离心泵的主要性能参数及特性曲线,离心泵特性曲线的影响因素：,32/73,作业：11、13,泵在原转速n下的特性曲线方程,三离心泵的主要性能参数及特性曲线,离心泵特性曲线的影响因素：,33/73,叶轮直径,当叶轮直径因切割而变小时，若变化程度小于20%，则,若不变，则,思考：若泵在原叶轮直径下的特性曲线方程为H=A+BQ2， 则叶轮切割后泵的特性曲线方程表达式？,三离心泵的主要性能参数及特性曲线,离心泵特性曲线的影响因素：,34/73,四、离心泵的安装

13、高度Z,1、什么是安装高度？,思考：安装高度为什么受限制？,在s-s面、K-K面间列机械能衡算：,当pkpv （饱和蒸汽压）时，K处发生部分汽化现象。,35/73,四、离心泵的安装高度Z,思考：安装高度是否有限制？,为避免汽蚀现象，安装高度必须加以限制，即存在最大安装高度Zmax。,汽蚀现象：,叶片背面,当pkpv 时，K处发生部分汽化现象。,泵体震动，并发出噪音； 叶片表面产生蜂窝状腐蚀 ； 流量、压头、效率都明显下降； 严重时甚至吸不上液体。,36/73,37/73,四、离心泵的安装高度Z,2、最大安装高度Zmax和允许汽蚀余量h,刚好发生汽蚀时， pkpv， pe达到最小值pe,min。

14、 在s-s面、e-e面间列机械能衡算：,最小汽蚀余量,又称最小净正吸上高度 （NPSH，Net Positive Suction Head）,pkpv,max,pe,min,38/73,四、离心泵的安装高度Z,-允许汽蚀余量,泵的特性参数之一， 由厂家测定。,hmin的实验测定： 用20清水测定。以泵的扬程较正常值下降3%作为发生汽蚀的标志，测定泵刚好发生汽蚀时的pe即可。,-最小汽蚀余量,实际的安装高度还应比允许值低0.51m。,39/73,四、离心泵的安装高度Z,求校正系数的曲线载于泵的说明书中。 校正系数常小于1，故为简便计，也可不校正。,h的校正：一般不用校正,40/73,五、离心泵的

15、工作点与流量调节,泵-供能方 管路-需能方,匹配：,1、管路特性曲线,泵提供的流量 = 管路所需的流量 泵提供的压头H = 管路所需的压头he,-管路所需压头he与流量关系曲线,对如图所示的管路列机械能衡算式：,he,41/73,五、离心泵的工作点与流量调节,管路特性方程,完全湍流时，,与流量无关,与流量有关,42/73,五、离心泵的工作点与流量调节,离心泵HQ关系曲线的测定：,阀门关小,工作点,工作点,43/73,五、离心泵的工作点与流量调节,2、流量调节,调节阀门（改变曲线中的B）,改变n、切割叶轮,阀门开大,阀门关小,工作点,两种方法,缺点：多耗动力，并可能使泵低效率区工作 优点：迅速、

16、方便，可在某一最大流量与零之间随意变动。,不经常改变流量时用，大中型泵的流量调节倾向于首先考虑采用这一技术。,离心泵的串、并联,H,he,节流损失（多损失在阀门上的）,多损失在阀门上的机械能？,44/73,五、离心泵的工作点与流量调节,并联,泵并联时，在相同H下，,并联泵组,离心泵的串、并联,思考：若单台泵的特性曲线方程为H单=A+BQ单2，则并联泵组的特性曲线方程表达式？,思考：在输送系统中，用并联泵组替代单台泵，则管路中的流量为什么达不到原来的两倍？,2Q H,45/73,五、离心泵的工作点与流量调节,离心泵的串、并联,串联,泵串联时，在相同Q下，,思考：若单台泵的特性曲线方程为H单=A+

17、BQ单2，则串联泵组的特性曲线方程表达式？,思考：在输送系统中，用串联泵组替代单台泵，则管路中的扬程为什么达不到原来的两倍？,Q H,Q 2H,思考：用并、串联泵组替代单台泵，都能使流量、扬程变大，两者有何区别？,46/73,习题课,-根据流量、压头选泵 将流量、压头裕量控制在10%左右。,47/73,设计型问题计算举例,【解】,题中已给出最大流量为： Q=80 m3/h,取he的1.051.1倍则为18.919.8m。,查附录九得：IS100-80-125，n2900 rmin-1,【例1】要用泵将水送到15 m高之处，最大流量为80 m3/h。此流量下管路的压头损失为3 m。试在IS 型泵

18、中，选定合用的一个。,m3h-1,48/73,习题课,-泵已经在运行，但操作中某些操作条件变了，如电机转速、液面高度等，从而引起流量、扬程、压力等的变化。这类问题称为。,49/73,操作型问题分析举例,【例2】用离心泵将江水送至高位槽。若管路条件不变，则下列参数随着江面的下降有何变化？（设泵仍能正常工作） 流量、压头， 管路总阻力损失hf， 泵出口处压力表读数， 泵入口处真空表读数。,管路特性曲线,平行上移,江面下降，泵特性曲线,工作点左移,方法：画图找新工作点,【解】,不变,50/73,操作型问题分析举例,3 3,流量、压头， 管路总阻力损失hf， 泵出口处压力表读数， 泵入口处真空表读数。

19、,51/73,操作型问题分析,练习 图示为离心泵性能测定装置。若水槽液面上升，则Q、H、N、hf 、p1和p2（均为读数）如何变化？,答：Q不变，H不变，N不变，hf不变,52/73,操作型问题分析,如图所示，高位槽上方的真空表读数为p，现p增大，其它管路条件不变，则管路总阻力损失如何变化？（写出分析过程）,补充作业：,53/73,操作型问题计算举例,【例】某离心泵工作转速为n=2900r.p.m.（转/min），其特性曲线方程为H=300.01Q2 。当泵的出口阀全开时，管路特性曲线方程为he=100.04Q2，式中Q的单位为m3/h，H及he的单位均为m。求： （1）阀全开时，泵的输水量为

20、多少？ （2）要求所需供水量为上述供水量的75%时： a若采用出口阀调节，则多损失的压头为多少m水柱？ b若采用变速调节，则泵的转速应为多少r.p.m.？,【解】 （1）,作业：12、15,54/73,20,15,(2) 采用调节出口阀门的方法，多损失的压头为多少m水柱？,泵特性曲线方程,管路特性曲线方程,55/73,泵特性曲线方程,管路特性曲线方程,b. 采用调节转速的方法，则泵的转速应为多少r.p.m.？,20,15,以下解法可否？,新转速下泵的特性曲线方程为：,因为比例定律只适用于泵，而不能用于由泵和管路特性曲线共同决定的工作点（管路特性曲线过坐标原点时除外）。,he,不行!,56/73

21、,六、离心泵的类型、选用,类型：不下百种,请点击观看动画,57/73,六、离心泵的类型、选用,高效区,1选类型-根据流体性质及操作条件 先根据所输送流体的性质，如水、油、腐蚀性流体、空气、含尘气体等性质确定泵或风机的类型，如水泵、油泵等； 根据现场安装条件决定选用卧式泵、立式泵等； 根据扬程大小选单级泵、多级泵等； 对单级泵，根据流量大小选用单吸泵、双吸泵等。,2.定规格-根据流量、压头大小，高效 根据工程上所要求的最大流量和最高压头或全压，然后加约10%的安全量确定泵或风机型号，并要保证工作点落在高效区（最大效率的510%范围）。,选用原则：,58/73, 2.1.2 其它类型泵,一、其它速

22、度式泵,二、容积式泵,*,59/73,二、容积式泵,1、往复泵,工作原理：,与离心泵比较：,结构：,泵缸、活塞、阀门、传动机构,-利用容积的变化给流体加静压能,工作循环：一次吸液，一次排液,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.,请点击观看动画,-不必灌液，具有自吸能力,-安装高度也受限制，但无汽蚀现象,-流量与压头几乎无关,加能方面？,60/73,1、往复泵,与离心泵比较：,旁路,输液量均匀性？连续性？,流量调节方法？,-输液量不均匀、不连续,-流量调节不可用出口阀门调节方法。,请点击观看动画,61/73,1、往复泵,设置吸入空气室和排出空气室,62/73,1、往复泵,适用于小流量、高压头；高黏度的液体。 效率高，通常为7293%。,63/73,二、容积式泵,2、其他容积式泵：,64/73,三、各类泵在化工生产中的应用,请点击观看动画,往复泵只宜在压头高、流量也较大的情况下使用。,离心泵使用范围最广，流量520000m3/h，扬程82800m。特别适用于化工生产的原因是它的流量均匀而易于调节，又能输送有腐蚀性、含悬浮物的液体。,三一重工援日62米泵车： 混凝土理论排量 低压/高压 170/120 m3/h 理论泵送压力 高压/低压 1224/846m