王志魁 化工原理 第三版 第2章.ppt

1、第二章 流体输送机械,Principles of Chemical Engineering,第1节 基础知识 第2节 离心泵,本章内容（共2学时）,一、流体输送机械在化工生产中的应用,为流体提供动 力，以满足输送 要求； 为工艺过程创 造必要的压强条 件；,第1节 基础知识,二、流体输送机械的分类,1.流体输送机械按工作原理分类：,第1节 基础知识,离心式（叶轮式）借助于高速旋转的叶轮使流体获得能量。 往复式 单级往复泵的工作原理.avi 旋转式 齿轮泵 流体动力作用式 依靠能量转换原理以实现输送流体任务。如喷射泵,第2节 液体输送机械离心泵,离心泵的主要部件 离心泵的工作原理 离心泵的性能参

2、数 离心泵的特性曲线 影响离心泵性能的因素和性能换算 离心泵的气蚀现象与安装高度 离心泵的工作点与流量调节 离心泵的类型与选择,一、离心泵的主要部件,包括叶轮和泵轴的旋转部件 由泵壳、填料函和轴承组成的静止部件,离心泵由两个主要部分构成：,（1）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,（2）泵壳：液体的汇集与能量的转换,（动静）,通常制成蜗牛形，故又称为蜗壳。（如图中2所示）,叶轮在泵壳内沿着蜗形通道逐渐扩大的方向旋转，愈接近液体的出口，流道截面积越大。液体从叶轮外周高速流出后，通过泵壳蜗形通道时流速将逐渐降低，因此减少了流动能量损失，且使部分动能转换

3、为静压能。 所以泵壳不仅是汇集由叶轮流出的液体的部件，且是一个转能装置。,（3）轴封,作用：由于泵轴转动而泵壳固定不动，泵轴穿过泵壳处必定会有间隙。为防止高压液体沿间隙漏出或外界空气漏入泵内，必须设置轴封装置。（如图中3所示）,（4）导轮,为了减少液体直接进入泵壳时因碰撞引起的能量损失，在叶轮与泵壳之间有时装有一个固定不动且带有叶片的导轮。如课本P69图2-4.,作用：由于导轮带有若干逐渐转向和扩大的流道，使部分动能可转换为静压能，且可减少能量损失。,二、离心泵的工作原理,液体随叶轮旋转，在惯性离心力的作用下自叶轮中心被甩向外周并获得了能量，使流向叶轮外周的液体的静压强提高，流速增大。液体离开

4、叶轮进入蜗壳，因蜗壳内流道逐渐扩大而使流体速度减慢，液体的部分动能转换成静压能。于是，具有较高压强的液体从泵的排出口进入排出管路，被输送到所需的管路系统。 当叶轮中心的液体被甩出后，泵壳的吸入口就形成了一定真空，外面的大气压力迫使液体经底阀、吸入管进入泵内，填补了液体排出后的空间。因此，只要叶轮不断旋转，液体便连续地被吸入和排出。,可见，离心泵之所以能输送液体，主要是依靠高速旋转的叶轮，液体在惯性离心力的作用下获得了能量，提高了压强。,注 意,（1）离心泵在启动前需先向壳内充满被输送的液体称为灌泵。,因为离心泵启动时，若是泵内存有空气，由于空气密度很低，旋转后产生的离心力小，使叶轮中心区所形成

5、的低压不足以将贮槽内的液体吸入泵内，虽启动离心泵也不能输送液体。这种现象称为气缚。表示离心泵无自吸能力，所以在启动前必须向壳内灌满液体。,（3）滤网是用来阻拦液体中的固体颗粒被吸入而堵塞管道和泵壳。,（4）排出管路上的调节阀，供开工、停工、调节流量使用。,（2）在吸入管路底部装单向底阀是防止水的倒流及防止启动前灌入的液体从泵内流出。,三、 离心泵的性能参数,1.流量（Q）（又称送液能力） : 离心泵在单位时间送到管路系统的液体体积，常用单位为m3/s、 m3/min或m3/h； 2.压头（H）(又称扬程） ：单位重量的流体流经泵所获得的能量，其单位为m； 3.轴功率（P）： 指离心泵的泵轴所需

6、的功率，单位为W或kW。（把泵真正用于输送液体的那部分能量称为有效功率（Pe） 4.效率（） ：由原动机提供给泵轴的能量不能全部为液体所获得，通常用效率来反映能量损失；即 5.转速和汽蚀余量,四、离心泵的特性曲线,1. 特性曲线的内容,通常，离心泵的特性曲线由制造厂附于泵的样本或说明书中，是指导正确选择和操作离心泵的主要依据。,H-Qv曲线：表示泵的压头与流量的关系 P-Qv曲线：表示泵的轴功率与流量的关系 -Qv曲线：表示泵的效率与流量的关系,2. 影响离心泵性能的因素和性能换算,泵的生产部门所提供的离心泵特性曲线是在一定转速和常压下，以常温的清水为工质做实验测定的。若所输送的液体性质与此相

7、差较大时，泵的特性曲线将发生变化，应当重新进行换算。,（1）液体物性的影响,b. 黏度的影响,液体粘度的改变将直接改变其在离心泵内的能量损失，因此，叶轮内黏度增加，流速降低，Q降低； H降低； P增加。,离心泵的压头、流量均与液体的密度无关(由离心泵的基本方程可看出),即离心泵特性曲线中的HQv曲线保持不变。但离心泵所需的轴功率则随液体密度的增加而增加，即 PQv曲线要变，此时泵的轴功率可按式（2-3）重新计算。,a. 密度的影响,（2）离心泵转速的影响比例定律（等效率定律）,（3）离心泵叶轮直径的影响,转速变化特性曲线变化： 在转速变化小于20%范围内（效率近似不变）；对于同一型号泵；同一液

8、体。,例：用清水测定某离心泵的特性曲线，实验装置如附图所示。当调节出口阀使管路流量为25m3/h时，泵出口处压力表读数为0.28MPa（表压），泵入口处真空表读数为0.025MPa，测得泵的轴功率为3.35kW，电机转速为2900转/分，真空表与压力表测压截面的垂直距离为0.5m。试求泵的扬程和效率。（忽略阻力损失，忽略由于管径变化而引起的动能变化）,解： 以真空表和压力表两测点为1，2截面，对单位重量流体列柏努力方程,把数据代入，得,在工作流量下泵的有效功率为,泵效率为,1.离心泵的汽蚀现象 2.离心泵的抗汽蚀性能 离心泵的汽蚀余量 3.离心泵的允许安装（吸上）高度,五、离心泵的汽蚀现象与安

9、装高度,当泵叶片入口附近的最低压强等于或小于输送温度下液体饱和蒸汽压时，部分液体将在该处汽化并产生的汽泡，被液流带入叶轮内压力较高处凝结或破裂。由于凝结点处产生瞬间真空，造成周围液体高速冲击该点，产生剧烈的水击。另外气泡中还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，将导致叶片的过早损坏。这种现象称为泵的汽蚀。,1、汽蚀现象,汽蚀现象是离心泵特有的一种现象。,在图所示的管路中，在液面0-0与泵进口附近截面1-1之间无外加机械能，液体藉势能差流动。因此，提高泵的安装位置，叶轮进口处的压强可能降至被输送液体的饱和蒸汽压，引起液体部分汽化。,噪声大、泵体振动，流量、压头、效率都

10、明显下降。严重时，泵不能正常工作；,表现：,防止措施：把离心泵安装在恰当的高度位置上，确保泵内压强最低点处的静压超过工作温度下被输送液体的饱和蒸汽压。,2、离心泵的抗汽蚀性能,离心泵的抗汽蚀性能（即吸上性能）用汽蚀余量。,* 临界汽蚀余量（NPSH）C（hc）,由前述知，泵内发生汽蚀的临界条件是叶轮入口附近（截面k-k）的最低压强等于液体的饱和蒸汽压pv，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，得：,由汽蚀余量的定义知：,临界汽蚀余量由泵制造厂通过实验测定得到。,* 必需汽蚀余量（NPSH）r（hr）,为确保离

11、心泵的正常操作，通常将所测得的临界汽蚀余量加上一定的安全量，称为必需汽蚀余量。,注：在一些离心泵的性能曲线中，绘出了（NPSH）r与Q的变化关系曲线； 泵性能表绘出的（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，但校正系数一般小于1，故通常将其作为外加的安全因素不再校正。,* 离心泵的允许汽蚀余量h,为了保证泵的安全操作，不发生汽蚀，在必需汽蚀余量hr上加一安全裕量0.3m，作为允许汽蚀余量h， 即h= hr+0.3,在离心泵样品本性能表中绘出的是允许汽蚀余量h。,几个汽蚀余量之间的关系可用下图表示：,3、离心泵的最大允许安装高度,根据泵的允许汽蚀余量可

12、求出泵的最大允许安装高度：,泵的实际安装高度Hg必须低于或等于最大允许安装高度Hg允许,【2-2】某台离心水泵，从样本上查得其汽蚀余量h=2m（水柱）。利用此泵输送敞水槽中40清水，若泵吸入口距水面以上4m高度处，吸入管路的压头损失为1m（水柱），当地环境大气压力为0.1MPa。如图2.17所示。试求该泵的安装高度是否合适。,解：,根据离心泵的最大允许安装高度计算公式：,40 水的饱和蒸汽压pv=7.337kPa， 密度=992.2kg/m3,已知p0=100kPa,代入上式得：,实际安装高度Hg=4m，小于6.51m，故合适。,六、离心泵的工作点与流量调节,1. 管路特性方程与管路特性曲线,

13、表示在特定管路系统中，于固定操作条件下，流体流经该管路时所需的压头与流量的关系。,离心泵安装在一定的管路系统中，以一定转速工作时，其流量与扬程的关系不仅与离心泵本身的特性有关，并且与管路的工作特性有关。,在图所示的管路系统中，被输送的液体要求离心泵供给的压头H可由1-1与2-2两截面间的柏努力方程求得，即：,（2-6）,式中的压头损失为,对于特定管路系统， 为固定值，与管路中的液体流量qv无关。,对于一定的管路系统，d、l、le及均为定值。当流体为湍流时，在一定的管路系统中，可视为常数。,则上式（2-10）可写为：,（2-9）,（2-8）,代入式（2-8），得管路特性方程为：,（2-11）,

14、式（2-11）表示管路中液体流量qv与要求泵提供压头H之间的关系。此式中qv的单位是m3/s。 式中的k为管路特性系数，它与管路长度、直径、摩擦系数及局部阻力系数有关。在其它条件一定时，若改变管路中的调节阀的开度，其阻力系数必将改变。因而管路热性系数k（反应在曲线上，即斜率的大小）会随着改变。 将k值较大的管路称为高阻力管路；k值较小的管路称为低阻力管路。,说明：,将式（2-11）的关系标绘在图2-8所示的H-qv坐标图上，得管路特性曲线。,管路特性曲线,2. 离心泵的工作点,输送液体是靠泵和管路系统共同完成的。一台离心泵安装在一定的管路系统中工作，包括阀门开度也一定时，就有一定的流量和压头。

15、此流量与压头是离心泵特性曲线与管路特性曲线交点处的流量与压头。此点称为泵的工作点。（dutu point），如图2-9中P点所示。,【2-3】采用离心泵将常温清水从贮水池输送到指定位置，已知输送管出口端与贮水槽液面垂直距离为8.75m，输水管内径为114mm的光滑管 管长为60m（包括局部阻力的当量长度）。贮水池与输水管出口端均与大气相通，贮水池液面保持恒定。该离心泵特性如下：,试求该泵在运转时的流量、压头、轴功率和总效率。水的物性：=999kg/m3，=1.10910-3kg/（m.s）,分析：求泵在运转时的流量、压头、轴功率和效率，实际上就是要找出该泵在管路上的工作点。泵的工作点由泵的特性

16、曲线和管路特性曲线决定。,解（1）根据已知数据标绘出泵的H-Q和-Q曲线：,（2）管路特性方程的求取：,如图取截面1-1与2-2（输水管出口内侧），在两截面间列柏努力方程得：,根据题意知：,代入上式得：,则：,（3）标绘管路特性曲线：,根据（2）中求得的管路特性方程，可算出管路系统在不同流量下所需压头的数值，如下所示：,按表中数据在图中绘出管路特性曲线He-Qe:,M,M点即为工作点。,（4）泵运转时的流量、压头、轴功率及效率的求取：,根据M点的坐标读图得：流量Q=0.0336m3/s； 压头H=13.1m； 效率=0.599 轴功率P=Pe/ =(HQg)/ =(0.033613.19999

17、.81)/0.599 =7.2103W=7.20kW,离心泵在一定转速下有一最高效率点，该点称为设计点，设计点对应的流量、压头和轴功率称为额定流量、额定压头和额定轴功率，标注在泵的铭牌上。,3. 设计点,工作点,高效区,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。,4. 离心泵的流量调节,方法有以下几种： （1）改变阀门的开度 即改变离心泵出口管路上调节阀门开度改变管路特性曲线；,泵在实际操作过程中，经常需要流量调节。从泵的工作点可知，调节流量实质上就是改变离心泵的特性曲线或管路特性曲线，从而改变泵的工作点的问题。,改变阀门开度时流量变化,当阀门关小时，管路的局部阻力

18、加大，管路特性曲线变陡，如图中曲线1.工作点由M2变到M1，流量由QM降至QM1； 当阀门开大时，管路的局部阻力减小，管路特性曲线变得平坦，如图中曲线3所示，工作点由M2移至M3，流量由QM增大到QM2。,特点：, 优点：阀门调节快速简便，流量可连续变化，适合化工连 续生产的特点。 缺点是：当阀门关小时，流动阻力加大，需额外加 消耗部分能量。在调节幅度较大时，离心泵往往在低效 区工作，经济性差。,（2）改变泵的转速 改变泵转速实质上是改变泵特性曲线。,改变泵的转速时流量变化,如图所示，泵原来的转速为n，工作点为M，若将转速提高到n1，泵的特性曲线H-Q上移，工作点由M点变至M1，流量由QM加大

19、到QM1； 若将泵的转速降至n2，H-Q曲线下移，工作点移至M2，流量减少至QM2。,特点：, 优点：由图知，流量随转速下降而减小，动力消耗减少。 从能量消耗角度看来较合理； 缺点是：改变转速需变速装置或价格昂贵的变速原动机， 难以做到流量的连续调节。 至今化工生产中较少采用。,（3）减小叶轮直径 改变泵特性曲线，流量随直径减小而变小。,缺点：可调范围不大，减小不当会降低泵的效率。生产上很少采用。,（4）离心泵的并联和串联,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和串联操作。,离心泵并联和串联，将组合安装的两台型号相同离心泵视为一个泵组，泵组的特性曲线或称合成特性曲

20、线，据此确定泵组工作点。,（1）离心泵并联操作,对一定的管路系统，使用一台离心泵流量太小，不能满足要求时，可采用两台型号相同的离心泵并联操作，即两台泵排出的液体汇合送入同一管路系统，如图2-10所示：,并联特点： 并联后扬程比单台时稍高，流量增大，但是小于原流量的2倍； 若管路特性曲线越平坦，并联后流量越接近单台泵的2倍，所以并联能够使低阻管路流量增加的更多； 并联操作时，泵的台数不宜太多，台数越多，所增加的流量越小，即每台泵的流量越小。,泵在同一压头下工作，两台并联泵的流量等于单台泵的两倍（纵坐标数值不变，横坐标数值变为原来的2倍得到并联后泵的特性曲线）。据此，并联离心泵组的H-Q特性曲线。

21、,（2）离心泵串联操作,为了能使管路系统的输液距离增大、流量增多（属于高阻力管路系统），需要提高泵的扬程。为此可采用两台型号相同的离心泵串联操作，即第一台泵排出的液体进入第二台泵，然后排入管路系统，如图2-11所示：,图2-11 泵的串联操作,泵送液量相同，两台串联泵的扬程为该流量下单台泵的扬程两倍（即横坐标数值不变，纵坐标数值加倍绘制而成）。离心泵串连工作时的合成特性曲线如下：,串联特点： 单台泵的工作点为A，串联后两台泵的工作点为B，并联后的流量比单台泵操作时增多了，扬程比单台泵操作时增大了，但达不到单台泵的2倍；,清水泵 防腐蚀泵 油泵 杂质泵等,七、离心泵的类型与选择,1、离心泵的类型

22、：,清水泵,清水泵一般用于工业生产（输送物理、化学性质与清水类似的液体）、城市给排水和农业排灌。,IS型单级单吸式离心泵（轴向吸入）系列是我国第一个按国际标准（ISO）设计、研制的，全系列共29个品种。,以IS50-32-250为例说明型号中各项意义。 IS国际标准单级单吸清水离心泵； 50泵吸入口直径，mm； 32泵排出口直径，mm； 250泵叶轮的名义尺寸，mm。,如果输送液体流量要求较大而扬程不高时，可选用S型单级双吸离心泵；如果扬程要求较高，可选用D、DG型多级离心泵；,其它型号的泵见课本（自学）,（2）选择泵的类型与型号 首先应根据输送液体的性质和操作条件确定泵的类型，然后按已确定的流量Qe和压头He从泵的样本或产品目录中选出合适的型号。