第二章流体输送设备

《食品工程原理(1)》教案（第13次课2学时）一授课题目第二章流体输送设备第二节离心泵(1)二教学目的和要求通过本节学习，使学生对常见的液体输送设备---离心泵有个全面系统的了解，要求学生掌握离心泵的工作原理，及其安装高度的计算方法，从而为离心泵的选型、安装、调试及故障排除做好理论准备。三教学重点和难点教学重点：1、离心泵的工作原理及其主要性能参数；2、汽蚀现象与离心泵允许安装高度的计算。教学难点：离心泵允许安装高度的计算四教学过程教学方法：讲授法、图示法、实验法教学手段：传统教学---板书（建议本节内容最好采用多媒体，效果会更好）、网络自学第二章流体输送设备第二节离心泵（１）引入：在食品的生产中，常需要将流体从低处输送到高处，从低压送至高压，沿管道送至较远的地方，为达到此目的，必须对流体加入外功，以克服流体阻力及补充输送流体时所不足的能量。我们把向流体做功，为流体提供能量的机械称为流体输送机械，其中专门用来输送液体的输送机械称为泵，离心泵是其中应用最广的一大类泵。离心泵（centrifugalpump）的特点：结构简单、流量大而均匀、操作方便一、离心泵的工作原理1、离心泵的基本结构叶轮：离心泵的核心部分，一般有6~12片叶片；泵壳：蜗牛形通道，能量转换装置。2、离心泵的工作原理泵内液体在离心力的作用下由中心向外缘作径向运动的同时，叶轮中心形成低压区，而在泵的进出口处产生压力差，于泵的吸入管路浸没于输送液体中，压差的作用下液体不断地被吸入管路，流体流动，而达到输送目的。即：离心力→压力差→流体流动3、离心泵的具体工作过程：（1）启动前：将所需输送的液体灌满泵壳和吸入管路，防止“气缚”发生；（2）启动后：泵轴带动叶轮作高速旋转，并带动液体旋转；叶轮泵壳底阀(防止“气缚”)滤网(阻拦固体杂质)蜗牛形通道；叶轮偏心放；可减少能耗，有利于动能转化为静压能。（3）泵内液体在离心力的作用下沿叶片由中心向边缘抛出，在此过程中泵通过叶轮向液体提供了能量，从而使液体以较高的静压能及较高的流速（约15~25m/s）进入蜗形泵壳，由于蜗形通道的截面逐渐增大，液体的流速不断减慢，动能逐渐转换为静压能，从而使静压强相应提高，最终以较高的压强排出泵体，切向流入排出管路；（4）由于液体被抛出，在叶轮中心处形成低压区，而泵外流体压力较高，在压力差的作用下，流体被吸入泵口，填补被排出液体的位置；（5）叶片不断转动，液体不断被离心泵吸入、排出，形成连续流动，完成输送任务。注：“气缚现象”：离心泵叶轮高速旋转，但是不出液体的现象。解释：离心泵启动前，若未充满液体，则泵壳内存在空气，由于空气密度很小，所产生的离心力（22Fmrvr）也很小，此时，在吸入口处所形成的真空不足以将液体吸入泵内，所以虽启动离心泵，但不能输送液体。危害：电机空转，烧坏电机。防止措施：启动离心泵前首先灌泵。二、离心泵的主要性能参数离心泵的主要性能参数有：流量、压头（扬程）、功率和效率、转速1、流量Qm3/s（m3/h、L/s、L/min）泵的流量（又称“泵的送液能力”）：指单位时间内泵所输送的液体体积。2、泵的压头（扬程）Hm(J/N)泵的压头（扬程）：指单位重量液体流经泵后所获得的能量。(1)在一定的管路输送系统中，泵的压头的表现形式：A、将液体位压头提高z；B、将液体静压头提高gPpD0；C、抵偿了液体在管路中流动的压头损失fh(fSh、fDh)；D、将液体动压头提高gu22（可略）。公式表达：fDfSDhhgppzH0（m）注：a、升举高度z=吸上高度SZ+排出高度DZb、从上式可看出，泵的扬程≠泵的升举高度,升举高度只是泵扬程的一部分。(2)实验：泵压头的测定如下图：在泵进、出口附近分别安装真空表和压力表，在两表间列实际流体流动能量平衡方程（即选两表所在面为截面），则有：化简：gugppvmhH202（∵管路很短，∴两截面间的压头损失可忽略不计即0fh）式中：h0----两表所在截面间高度，m(可通过实验测定而得出)；pm----压力表读数（即表压），N/m2pv----真空表读数（即真空度），N/m23、泵的功率P和效率η(1)泵的有效功率Pe：单位时间内流体流经泵后所获得的功。)(102100010001000KWQHgQHQwQwPme(2)泵的轴功率P：泵轴从电动机上得到的实际功率。（P＞Pe）(3)泵的效率η：泵的有效功率与轴功率之比。即1102PQHPPe造成η＜1的原因分析：A、机械损失：泵运转时，轴承、轴封装置等机械部件接触处由于摩擦而消耗部分能量，从而引起机械能损失，所以泵的轴功率＞泵的理论功率。B、水力损失：流体流经叶轮、泵壳时，由于流速大小及方向的改变而发生冲击，从而损失部分能量，所以泵的实际压头＜泵的理论压头。C、容积损失：由于泵的泄漏造成的损失。（泵运转过程中部分获得能量的高压真空计压强表离心泵储槽贮液槽压力表真空表空表空表离心泵心泵离心泵孔板流量计心泵离心泵吸入管路排出管路fgugphhH202液体通过叶轮与泵壳间的间隙流回吸入口而造成），所以泵排出的实际流量＜理论排出流量。注意：①泵在运转时可能发生超负荷，所以所配电动机的功率应比泵的轴功率大。②在机电产品样本中所列出的泵的轴功率，除非特殊说明以外，均系指输送清水时的数值。4、泵的转速r/min泵的转速n：指离心泵泵轴的转速。三、汽蚀现象和离心泵的安装高度1、汽蚀现象如P55图1-33，选贮液槽液面和泵吸入口处为两截面O-Oˊ、S-Sˊ，设吸入管路中流体流速为su，贮液槽液面上方压强为0p，泵吸入口处压强为sp，吸入管路压头损失为fsh，在两截面间列实际流体流动能量平衡方程，则吸入高度Zs表示为：fsssshgugppZ220………………………………………………………①从①式可以看出：（1）0pps，sp有一定真空度，真空度越高，泵吸力越大，sZ越大。（2）当sp小于一定值时vp（环境温度下液体的饱和蒸汽压）时后将发生“汽蚀现象”。（3）吸上真空高度sH：在0p、su及fsh变化都不大的情况下，可以将公式①简化为：sssHgppZ0即为吸上真空高度最大吸上真空高度max,sH：当vspp时，sH达最大值max,sH，即：gppHvs0max,…………………………………………………………………②（4）汽蚀现象当离心泵的进口压力小于环境温度下的液体的饱和蒸汽压时，液体就要沸腾汽化，产生大量气泡，气泡随液流进入叶轮的高压区而被压缩，凝成液体，体积急剧变小，周围液体以极高速度冲向气泡中心，质点相互碰撞产生很高的局部压力（几百到几千个大气压）打击叶轮表面，致使叶片受到严重损伤破坏并产生振动，这种现象称为“汽蚀现象”。汽蚀一旦发生，会使泵的性能显著下降，造成很大的破坏作用，应尽量避免。2、泵的安装高度（允许安装高度spZ）为避免发生“汽蚀现象”，应限制sp，使其不能太低，所以泵的安装高度不能太高。泵的安装高度spZ的计算方法有两种，即允许吸上真空高度法和汽蚀余量法。（1）允许吸上真空高度法（spH）为保证不发生“汽蚀现象”，泵入口处压强vspp，在吸上真空高度上留有一定的余量，所得的吸上真空高度即为允许吸上真空高度spH，即：OmHgpHHssp20max,33.10注：gppHssp0，与泵的结构、液体的物化性质等因素有关，一般OmHHsp27~5。如何用spH确定泵的允许安装高度spZ？由公式①fsssshgugppZ220得出：fssspsphguHZ22…………………………………………………③式中：spZ----泵的允许安装高度；gus22----泵吸入管内的动能；fsh----泵吸入管路阻力损失；spH----允许吸上真空高度（由泵生产厂家给出）（2）汽蚀余量法（ph）泵入口处压强并非泵内压力最低的地方，所以当入口压强尚未低至vp时汽蚀就有可能在泵内已经开始发生，为保证绝对不发生汽蚀，必须使泵入口处单位液体具有超过汽化压力能的富余能量，即汽蚀余量h。gpgugphvss22……………………………………………………………④汽蚀余量h从数值上讲，即为泵入口处液体的静压头与动压头之和gugpss22超过液体在操作温度下的饱和蒸汽压头gpv的某一最小指定值。由公式①、②、④得出：泵的几何安装高度fssfsvshhHhhgppZmax,0泵的允许安装高度fspssphhHZmax,……………………………………⑤⑤式中ph----允许汽蚀余量，由泵样本提供说明：①泵性能表上的值是按输送20℃水而定的，如输送其它液体则需要校正，具体校正方法可查阅有关文献。②只要已知spH或ph任意一个值即可确定泵的安装高度。③为安全起见，泵的实际安装高度还应比上述两种方法计算的值的允许值小0.5~1m。④通常情况下泵样本说明书中给出的spH是绝压为OmH210（aPOmH65.980612），水温为20℃时得出的数据，若操作条件与上述不符，spH需按下式进行校正：gppHHHvvaspsp10或者，24.010vaspspHHHH式中：spH----操作条件下的允许吸上真空度，OmH2；spH----泵样本说明中给出的允许吸上真空度，OmH2；aH----泵工作点的大气压，OmH2；vp----20℃下水的饱和蒸汽压，aP；0.24----20℃下水的饱和蒸汽压，OmH2；vp----输送温度下水的饱和蒸汽压，aP；vH----输送温度下水的饱和蒸汽压，OmH2⑤泵安装地点的海拔越高，大气压力就越低，spH就越小；输送液体温度越高，其对应饱和蒸汽压就越高，这时的spH也就越小。五作业（P79课后14题）拟用一台3B57型离心泵以hm/603的流量输送常温的清水，已查得在此流量下的允许吸上真空mHsp6.5，已知吸入管内径为mm75,吸入管段的压头损失估计为m5.0,试求：(1)若泵的安装高度为m0.5,该泵能否正常工作？该地区大气压为9.81×104Pa；(2)若该泵在海拔高度m1000的地区输送40℃的清水，允许的几何安装高度为多少米？当地大气压为9.02×104Pa。分析：(1)判断泵是否能正常工作计算其允许安装高度跟实际安装高度作比较su,HhspfsfssspsphguHZ22(49.8110apP)(2)由题可知，压强为49.0210apP，温度为40℃，所以应采用修正公式进行计算，即gppHHHvvaspsp10，fssspsphguHZ22解：(1)由题中条件可知：hmQ/603，mHsp6.5，mmmd075.075，mhfs5.0，49.8110apP清水在管路中流动的速度为：)/(77.33600075.0460422smdQus泵的允许安装高度为：fssspsphguHZ22即mZsp38.45.081.9277.36.52＜m0.5所以，该水泵不能正常工作，这样安装容易发生汽蚀现象。(3)查表可知，20℃清水的饱和蒸汽压为2334.6Pa，40℃清水的饱和蒸汽压为7376Pa，密度为3/2.992mkg，根据公式对允许吸上真空高度进行修正。gppHHHvvaspsp10即mHsp35.481.92.99273766.233481.92.9921002.9106.54又由fssspsphguHZ22所以mZsp11.35.081.9277.335.42即在海拔m1000处水泵的安装高度不应该超过m11.3。六课后记通过本节课学习，让学生对有关离心泵的基本结构、工作原理及有关其安装高度的计算有了全面而深刻的了解。从课堂观察及