化工原理(第二版)第二章

1第二章流体输送机械Fluid-movingMachinery2第一节概述流体输送机械：对流体做功使其机械能增大的装置。fHgugpzH22输送机械的作用：流体的动能↑，或位能↑，静压能↑，克服沿程阻力，或兼而有之对流体做功，使流体E↑,结果3流体输送机械压缩机、真空泵通风机、鼓风机气体压送机械泵液体输送机械4泵按工作原理分为:真空泵、动力作用式泵其它类型：如旋涡泵、、齿轮泵、螺杆泵等往复泵容积式泵：如、混流式等离心泵叶片式泵：如特点：有可旋转的叶轮特点：机械内部的工作容积不断发生变化。本章主要介绍离心泵的结构、工作原理及特性和如何根据输送任务，合理地选择输送机械的型号和规格，确定输送机械在管路中的安装、消耗的功率和有效合理地调节控制方法，以保证输送机械的高效运行。5第二节离心泵centrifugalpump离心泵的外观6一主要部件和工作原理（1）叶轮——叶片（+盖板）1、主要部件7叶轮半闭式叶轮敞式叶轮闭式叶轮8思考：三种叶轮中那一种效率高？闭式叶轮的内漏较弱些，敞式叶轮的最大。但敞式叶轮和半闭式叶轮不易发生堵塞现象9叶轮轴向力问题轴向力叶轮轴向力将导致轴及叶轮的窜动和叶轮与泵壳的相互研磨。104-8个叶片（前弯、后弯，径向）液体通道。前盖板、后盖板，无盖板闭式叶轮半开式开式11思考：泵壳的主要作用是什么？①汇集液体，并导出液体；②能量转换装置（2）泵壳：泵体的外壳，包围叶轮截面积逐渐扩大的蜗牛壳形通道液体入口——中心出口——切线12（3）轴封装置机械密封填料密封减少泵内高压液体外流，防止空气侵入泵内。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。常用填料为浸透石墨或黄油的棉织物或石棉。1314离心泵装置简图152．离心泵的工作原理原动机——轴——叶轮，旋转（1）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16（2）泵壳：液体的汇集与能量的转换（动静）（3）吸上原理与气缚现象airbinding叶轮中心低压的形成p泵内有气，则泵入口压力液体不能吸上——气缚启动前灌泵—液体高速离开17（4）导轮的作用——减少能量损失18压头：泵提供给单位重量液体的能量称为泵的压头，用H表示，单位m。二．离心泵的理论压头和实际压头19多，且叶片厚度不计。叶轮的叶片数目为无穷流体为理想流体)2()1(理论压头：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。问：由（1）、（2）可以得出什么结果？由(1)液体在泵内无摩擦阻力损失由(2)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。201理论压头与液体密度无关。这就是说，同一台泵无论输送何种液体，所能提供的理论压头是相同的。注意：泵对单位体积流体所加的能量=gH与密度呈正比。gctgbQrgctgbrQuuH222222222222讨论：（1）理论压头与流量Q、叶轮转速、叶轮的尺寸和构造（r2、b2、2）有关；（2）叶轮直径及转速越大，则理论压头越大；21说明：（1）装置角：90度—前弯叶片90度—后弯~流动能量损失小=90度—径向叶片（2）后弯叶片，ctg0b、r、,则HQ，则H（线性规律）（3）理论压头H与流体的性质无关（4）H与H的差距—叶片间环流；阻力损失；冲击损失22w2c2w2c2w2c22u22u22u2后弯叶片径向叶片前弯叶片叶轮出口速度三角形问：为什么泵采用后弯叶片的居多？后弯叶片：理论压头随流量增大而减少；径向：无关；前弯：增大。在一定的叶轮尺寸、转速和流量下，前弯叶片产生的理论压头最大。但压头的提高包括静压头和动压头的提高。对后弯叶片静压头的提高大于动压头的提高，而对前弯叶片则相反，液体动压头的提高较大，同时液体在泵壳流动部分动压头转换为静压头时能量损失较大。为获得较高的能量利用率，离心泵总是采用后弯叶片形式232.离心泵的实际压头实际压头比理论压头要小。具体原因如下：（1）叶片间的环流运动主要取决于叶片数目、装置角2、叶轮大小、液体粘度等因素，而几乎与流量大小无关。c2c224（2）水力损失可近似视为与流速的平方呈正比阻力损失冲击损失阻力损失25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，冲击损失越大。设计流量26（3）容积损失以泄漏流量q大小来估算。可以证明，当泵的结构不变时，q值与扬程的平方根成正比。设计流量Hq-Hq27三．离心泵的主要性能参数（1）(叶轮)转速n：1000~3000rpm；2900rpm常见（2）(体积)流量Q:m3/h，~叶轮结构、尺寸和转速（3）压头（扬程）H：1N流体通过泵获得的机械能。J/N,m~Q、叶轮结构、尺寸和n有关。Hz（4）轴功率N：单位时间原动机输入泵轴的能量有效功率Ne：单位时间液体获得的能量gHQNe28H，又称扬程，泵对单位重量流体提供的有效能量，m。可测量Q，泵单位时间实际输出的液体量，m3/s或m3/h。可测量流量计真空表c压力表h0b在泵进口b、泵出口c间列机械能衡算式：Hgugpbb22fcchhgugp022gppHbcgppbc)()(真表转速流量压头n，单位r.p.s或r.p.m讨论：29轴功率和效率N，又称功率，单位W或kWNNeNgHQ电机泵电功率电N电出传传电出NNNe=mwe，无量纲NNe电电出电功率NNNegwHe30与效率有关的各种能量损失：（1）容积损失：内漏（2）水力损失：环流损失、摩擦损失、冲击损失（3）机械损失：泵轴与轴承、密封圈等机械部件之间的摩擦小型水泵：一般为5070%大型泵：可达90%以上NNe机械损失容积损失水力损失31（5）效率：=Ne/N100%——容积损失，水力损失，机械损失2．离心泵的性能曲线characteristiccurvesH~QN~Q~Q厂家实验测定产品说明书20C清水32hmQ/,3mH,NQN~QH~Q~离心泵特性曲线33说明：①H~Q曲线，Q，H。Q很小时可能例外②N~Q曲线：Q，N。大流量大电机关闭出口阀启动泵，启动电流最小③~Q曲线：小Q，；大Q，。max泵的铭牌~与max对应的性能参数选型时max设计点Q高效区343．离心泵特性的影响因素（1）流体的性质：密度的影响对H~Q曲线、~Q曲线无影响，但gHQN，故，N~Q曲线上移。当比20℃清水的大时，H，N，实验表明，当20厘斯时，对特性曲线的影响很小，可忽略不计。1厘斯=10-6m2/s，20℃清水的粘度=1厘斯粘度的影响液体粘度大于20厘斯时,泵的特性参数需按下式进行校正.35qv’=CqqvH’=CHHη’=CηηCq、CH、Cη分别为流量、压头、和效率的校正系数，通过图查取例2-1:附图为某型号离心泵输送清水的特性曲线,最高效率点对应的流量为2.84m3min-1,压头为30.5m.试求用此离心泵输送密度为900kg/m3,过去粘度为175×10-6m2/s的油品的特性曲线，并绘于同一坐标图上。36——n20%以内(3)叶轮直径——切割定律1212DDQQ21212DDHH31212DDNN——D-5%以内1212nnQQ21212nnHH31212nnNN（2）转速——比例定律37若叶轮切割，又如何？HnnHQnnQ2222QnnBAHnn22QBnnAHHn0Qn思考：若泵在原转速n下的特性曲线方程为则新转速n下泵的特性曲线方程表达式如何？2BQAH38四、离心泵的工作点和流量调节问题：工作时，Q,H,N,=?1.管路特性曲线39泵------供方管路------需方匹配：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heH泵的特性曲线Q1．管路特性曲线-------管路所需压头he与流量关系曲线工作点40H泵的特性曲线Q1．管路特性曲线-------管路所需压头he与流量关系曲线fhgugpzhe22252282QgdlelgudlelhfQfA完全湍流时，2BQAhe管路特性方程A工作点41H泵的特性曲线Q工作点2．流量调节两种方法改变泵的特性曲线改变管路特性曲线——调节阀门阀门开大阀门关小ehhe——改变n、切割叶径节流损失42说明①工作点泵的特性&管路的特性工作点确定：联解两特性方程作图，两曲线交点②泵装于管路工作点~（H,Q)Q=泵供流量=管得流量H=泵供压头=流体得压头③工作点~（Q,H,N,）~泵的实际工作状态43五、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？440-0~1-1，B.E.fgHgugpHgp22110Hg，则p1当p1pv，叶轮中心汽化汽泡被抛向外围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45安装高度，汽蚀问题：如何确定Hg的上限——允许安装高度（1）三个基本概念：2．汽蚀余量与允许安装高度①(有效)汽蚀余量ha:泵入口处：动压头+静压头-饱和蒸汽压(液柱)gpgugphva221146ha的物理意义：ha，p1汽蚀②必须汽蚀余量hr:——发生汽蚀时的(有效)汽蚀余量汽蚀时，1处：动压头+静压头=min2112gugpgpgugphvrmin2112——用实验测定③允许汽蚀余量h比最小汽蚀余量大0.3米3.0rhh47正常运转的泵3.0rahhh（2）由h计算允许安装高度Hgmaxmax002110211022gfvfvafvvfgHHgphgpHgphgpHgpgpgugpgpHgugpgpH48（3）允许汽蚀余量的校正h~20度清水，条件不同时要校正，校正曲线说明书3．允许吸上真空度HHs，max=（Pa-P1）/ρgHs=Hs，max-0.3Hg=Hs-u12/2g-Hf,o-1Hs是泵生产厂家用20℃水作为实验介质，在贮槽液面压强为大气压下测定的结果。若使用条件与此不符的时，应作如下的校正：Hs’={Hs+（Ha–10.33）-[Pv/(9.81×1000)-0.24]}1000/ρ493．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Hgmax0,低于贮槽液面安装50（3）Hgmax大小~Q。Q，则Hgmax，保险。（4）安装泵时为保险，Hg比Hgmax还要小0.5至1米。(5)历史上允许吸上真空度允许汽蚀余量Hgmax用可能的最大Q计算Hgmax51例2-2：用某一离心泵将密闭容器中80℃的热盐水送入高位槽，在输送要求下离心泵的允许吸上真空度为4.6m,密闭容器中液面上方的绝对压强为80KPa,溶液的蒸汽压近似取同温度下水的饱和蒸汽压,设盐水的密度与水的密度相近,吸入管路的压头损失为0.5m,试确定泵的安装高度.解:Hs’={Hs+（Hs–10.33）-[Pv/(9.81*1000)-0.24]}1000/ρ=-2.17mHg=Hs-u12/2g-Hf,o-1=-2.17-0.5=-2.67m为安全起见,再降低0.5米,实际安装高度为-3.17m