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84第三章物料输送过程与设备在生物加工工业中，存在着大量固体和流体物料的输送问题，为了提高劳动生产率和减轻劳动强度，需要采用各种各样的输送设备来完成物料的输送任务。在生物加工工厂的生产线中，输送设备按生产工艺的要求将物料从一个工作单元传送到另一个工作单元，有时在传送过程中对物料进行工艺操作。按所输送的物料可分为固体物料的输送和流体物料的输送。输送固体物料采用各种类型的输送机和气力输送装置；输送流体物料则采用各种形式的泵和空气压缩机。第一节液体输送设备在生产过程中，由于工艺上的要求，常需要把液体从一个设备通过管道输送到另一个设备中去，这就需要装置液体输送机械。被输送的液体，性质各异，有的粘稠，有的稀薄，有的有挥发性，有的对金属有腐蚀性。而且在输送过程中，根据工艺条件要求，各种液体的压头与流量又都各不相同，因此生产上就需要采用各种不同结构、不同材质的液体输送机械。液体输送机械中，主要是各种类型的泵。根据其作用原理，大致可分为离心泵、往复泵、旋转泵等类型。一、离心泵（一）离心泵装置及其结构离心泵是应用最广泛的一种液体输送机械。图3-1为离心泵装置简图。它由泵、吸入系统和排出系统三部分组成。吸入系统有吸入贮槽、吸入管、底阀、滤网。排出系统有排出贮槽、排出管、逆止阀、调节阀等。吸入系统中的底阀为逆止阀，其作用是防止泵内的液体由吸入管倒流入吸入贮槽。滤网的作用是防止吸入贮槽内杂物进入吸入管和泵内，以免造成堵塞。排出系统的逆止阀是用来防止泵停转时排出贮槽和排出管内的液体倒灌入泵内，以免造成事故。调节阀是用来调节泵的流量。8597612215345图3-1离心泵装置（二）工作原理离心泵在开动之前要先灌满所输送的液体。开动后，叶轮旋转产生离心力。在离心力的作用下，液体从叶轮中心被抛向叶轮外周，压力增高；并以很高的速度流入泵壳，在壳内减速，使大部分动能转化为压力能，然后从排出口进入排出管路。与此同时，由于叶轮内液体被抛出，叶轮中心形成真空。泵的吸入管路一端与叶轮中心处相通，另一端则浸没在输送的液体内，在液面压力（或大气压）和泵内压力（负压）的压差作用下，液体便经吸入管路进入泵内，填补了被排出液体的位置。这样，叶轮在旋转过程中，一面不断吸入液体，一面又不断给吸入的液体以一定能量并送入排出管。（三）离心泵的主要性能参数表示离心泵工作性能的参数叫泵的性能参数，包括：流量、压头(扬程)、效率、转速、功率、气蚀余量（吸上真空度）等。主要性能参数有压头、流量、效率等。1．压头H单位质量液体流过泵后能量的增值称为压头，一般以符号H表示，单位为m。如图3-2所示，H的计算可根据b、c两截面间的柏努利方程：bcfccbbhgugphHgugp)(22202（3-1）由于两截面间的管长很短，其阻力损失bcfh通常可以忽略，两截面间的动压头之差也可以忽略，于是上式可简化为：gpphHbc/)(0（3-2）86真空表压力表流量计图3-2测定离心泵性能参数的装置2．流量Q流量又称排量或扬水量，是指泵在单位时间内由泵的排液口排出的液体量，通常以体积流量来表示，单位习惯上用m3/h表示。理论流量TQ是指单位时间内流入离心泵作功部件里的液体体积容量。由于泵在工作时不免有内部和外部泄漏，因此，泵的理论流量与流量之间有如下关系：qQQT，m3/h（3-3）式中q——单位时间内泵的泄漏量；它既包括所有不经过排液管而漏到泵体外部泄漏，也包括从泵作功部件出来后仍漏回泵吸液处的内部泄漏，m3/s3．轴功率、有效功率和效率根据泵的压头H和流量Q算出的功率是泵所输出的有效功率，以Ne表示：gHQNe（3-4）而实际测得的轴功率N要大于有效功率Ne，这是因为泵轴输入的功率有一部分要被消耗。泵的效率就是反映泵的轴功率的利用程度，用来表示。一般小型水泵的效率为50~70%，大型泵效率可达90%。而油泵、耐腐蚀泵的效率比水泵低，杂质泵的效率更低。离心泵的轴功率可直接利用效率计算：/gHQN（3-5）式中N——泵的轴功率，W；H——泵的压头，m；Q——泵的流量，m3/h；87——液体密度，kg/m3；——效率。（四）离心泵特征曲线离心泵的主要性能参数——压头H，轴功率N和效率与流量Q之间是有一定联系并有内部规律的。通常把表示泵的主要性能参数间的内部规律的曲线称为离心泵的特征曲线，由泵的生产部门提出，以便于设计、使用部门选择和操作时参考。图3-3为某一型号的离心泵的特征曲线图，它由以下曲线组成：（1）H-Q曲线，表示压头与流量的关系；（2）N-Q曲线，表示轴功率与流量的关系；（3）-Q曲线，表示效率与流量的关系。1001201401014182226304B离心泵n=2900r.p.mH,m4812图3-34B-20型离心泵的特性曲线Q，m/h3N20406080各种型号的离心泵各有其特征曲线，形状基本上相似，其共同点为：（1）压头随流量的改变而改变的规律，流量增大，压头下降，这是离心泵的一个重要特征；（2）功率随流量的增大而上升，故离心泵在启动前应关闭出口阀，使流量为零而功率最小，以减小电动机的启动电流，避免电动机因负荷大而受损；（3）效率开始随流量的增大而上升，达到一最大值后随流量的增大而下降。而泵在与最大效率对应的流量和压头下工作最为经济，所以在选择离心泵时，应使泵在最大效率点附近操作。（五）离心泵的气蚀现象离心泵能吸上液体是由于在泵的叶轮进口形成了低压，如果提高泵的安装高度，将导致泵内压力降低，当压力降至被输送液体的饱和蒸汽压时，将发生沸腾，所生成的气泡在随液体从泵入口向外周流动中，又因压力迅速加大而急剧冷凝。使液体以很大速度从周围冲向气泡中心，产生频率很高，瞬时压力很大的冲击，这种现象就称为气蚀现象。发生气蚀现象时，会发出噪音，使泵体震动，严重时可使泵根本无法工作，而且使泵的寿命大大降低。为了防止气蚀现象，就要求泵的安装高度不超过某一定值，使泵入口处e的压力Pe应高于液体的饱和蒸汽压Pv，即气蚀余量h大于泵刚好发生气蚀时的最小气蚀余量minh。η88如图3-4所示。u/2gr2Pg允许s∑hf(s-e)u22gΔh允许p/g()图3-4离心泵的安装高度22eevpuphggg（3-6）2minmin2eevpuphggg（3-7）式中eP——泵入口压力，Pa；eu——泵入口管的液体流速，m/s；vP——液体的饱和蒸汽压，Pa；——液体的密度，kg/m3。其中mingPe是刚达气蚀时泵入口处的最小压头。（六）离心泵的吸入高度sH吸入高度是指离心泵吸入口离液面所允许的最大距离。若在液面与吸入口之间列出伯努利方程式，则：feshgugPePaH22（3-8）89式中aP——大气压，Pa；eP——泵入口压力，Pa；su——泵入口管的液体流速，m/s；fh――管道压力损失，m。由于aP和eP均受一定条件限制，故吸入高度亦受到一定限制，特别是受液体温度的限制。一般离心泵的吸入高度可参考表3-1所列的经验数据。表3-1各种水温下的吸入高度温度，℃10203040506065吸入高度，m6543210（七）离心泵的选择选择离心泵时，可根据所输送液体的性质及操作条件确定所用的类型，再根据所要求的流量与压头确定泵的型号。可查阅泵产品的目录或样本，其中列有离心泵的特性曲线或性能表，按流量和压头与所要求相适应的原则，从中可确定泵的型号。若生产中流量Q有变动，则以最大流量为准，压头应以输送系统在最大流量下的压头为准。若是没有一个型号的H和Q与所要求相符，则在附近型号中选用H和Q都稍大的一个。若是有几个型号都满足要求，则除了考虑H和Q比较接近所需的数值之外，还应考虑那个型号的效率在该条件下比较大。为了保证操作条件得到满足并具有一定的潜力，所选的泵可稍大一些，但若选得过大，其在远离最高效率点工作，在设备费和操作费两方面都会造成不必要的浪费。如图3-5为各种BA型离心泵（即悬臂式离心泵）系列特征曲线图，图中的扇形表示该泵的高效率区。根据系统所需的扬程与流量就可以很方便地在图上选得合适的离心泵型号。图3-5各种BA型离心泵系列特性曲线二、往复泵90往复泵属于容积泵，其结构如图3-6所示。2345图3-6往复泵装置简图1-泵体2-活塞3-活塞杆4-吸阀5-排出阀活塞1内有活塞2，通过活塞杆3与传动机械相连接。当活塞杆3由于外力作用向右移动时，泵缸内密闭的工作室容积变大，压力降低，吸入池的液体在大气压的作用下，顶开吸入阀4进入泵缸，这时排出阀5因受排出管中液体的压力而关闭。当活塞移到最右端时，工作室的容积为最大，吸入的液体量也最大。此后活塞便开始向左移动，使泵缸内密闭工作室容积变小，压力升高，排出阀5被顶开，吸入阀4自动关闭，将缸内液体排出泵外。当活塞移到最左端时，排液完毕，完成一个工作循环。然后，活塞重复上述循环过程，液体不断被吸入和排出。由于这种泵的活塞往复一次，只吸入和排出液体各一次，所以称为单动泵，单动泵的排液是间断的，在吸液的时候是不能排液的。其流量曲线见图3-7。流量时间图3-7单动泵的流量曲线流量时间图3-9双动往复泵的流量曲线如图3-8所示是双动泵，这种泵的活塞左右两侧都装有阀室，在每个工作循环中，吸液和排液各两次，并且在整个循环中吸液和排液可同时进行，从而使液体的输送连续性。其特征曲线如图3-9所示。91图3-8双动往复泵如前所述，往复泵的流量是波动的，一般我们所说的往复泵流量是指其平均流量，其理论流量Q为：对于单动泵：snDFsnQ24，m3/min（3-9）对于双动泵：nfFFsQs，m3/min（3-10）式中Q——理论流量，m3/min；F——活塞的截面积，m2；D——活塞直径，m；s——活塞冲程，m；n——每分钟活塞往复的次数；f——活塞柱的截面积，m2。从以上两式可以看出，往复泵的流量由活塞截面积、活塞冲程及活塞往复次数所决定，而与系统所需压头无关，即流量与压头无关，这是往复泵的一大特点。要调节往复泵的流量，可采用改变往复次数n或改变冲程s或采用支路调节的方法来实现。当被输送的液体为腐蚀性液体或是含固体颗粒的悬浮液时，为了不使活塞受到损伤，可采用隔膜泵，如图3-10所示。隔膜泵采用一弹性薄膜将活动柱与被输送的液体隔开。薄膜一般用耐腐蚀的橡皮制成，隔膜一侧接触液体的部分，均为耐腐蚀材料制成。隔膜的另一侧，则充满水或油。当活塞往复运动时，隔膜交替地向两边弯曲，使腐蚀性液体在隔膜一侧轮流地被吸入和压出。92图3-10隔膜泵往复泵的效率一般都在70％以上，最高可超过90％，它适用于所需压头较高的液体输送，也适用于输送粘度较大的液体，但往复泵不适用于输送腐蚀性的液体和有固体颗粒的悬浮液。三、其他类型的泵除了上述的离心泵、往复泵外，尚有其它类型的泵，它们均各有特点，在生物加工生产的某些场合使用。（一）旋涡泵旋涡泵的结构和作用原理与离心泵相类似，它的主要部分为泵壳3和叶轮1，叶轮上有许多径向的叶片2，叶片间有凹槽，吸入口6和压出口7由隔板5隔开，如图3-11所示。当叶轮以高速旋转时，由于离心力的作用，叶片凹槽内的液体以很高的速度甩向流道4，由于流道截面较宽，液体流速减慢，一部分动能就转变成为静压能而被压入管道。旋涡泵在开动前，也应先灌满工作液体，它的流量与压头之间的关系也和离心泵相类似。但旋涡泵的调节应采取支路调节方法，而且在开动时出口阀不能关闭。935761243图3-11旋窝泵示意图旋涡泵的特点为流量小而压头高，泵体结构简单而紧凑，但效率较低，一般要低于40％。（二）齿轮泵齿轮泵是旋转泵（转子泵）的一种，也要用支路调节流量。齿轮泵的结构简图如图3-12所示。主要构件为泵壳和一对相互吻合的齿轮。其中一个为主动轮，另一个为被动轮。齿轮转动时，在进口处形成低压而吸入液体，液体在两齿轮的齿隙中随齿轮的转动而前进并在出口处形成高压而排出。齿轮泵的特点为流量较小，但压头较高。在生产上常用来输送粘稠性液体和作为板框压滤机的加料泵。图3-12齿轮泵示意