化工原理第2章 流体输送(2)

五、离心泵的工作点与流量调节当离心泵安装在一定管路系统中工作中，其压头和流量不仅与离心泵本身的特性有关，而且还取决于管路的工作特征。（一）管路特性方程与管路曲线管路的特性曲线表示出流体通过某特定管路所需要的压头和压头流量的关系。P72(67)图2-7所示，在1-1,2-2界面间列柏努利方程：1122液体要求供给的压头：fHgugpzH22对特定的管路系统，为固定值，与管路液体的流量无关，在输送高度和压力不变情况下，令＝H0。若贮槽与受液槽的截面积比管路截面大很多，则。gpzgpz022gu(1)则（1）式简化为：其中，压头损失fHHH02522)(82)(4vdeefqdllggudllH（2-8）若为特定管路，l、le、d及ζ为定值，λ是Re的函数，即qv的函数。当Re数较大时，λ随Re的变化很小，可以看作常数。令，则（2-8）可写成：（2-9）（2-10）kddllge＝)(8422vfkqH20vkqHH上式称为管路特性方程。式中的k为管路特性系数。当其它条件一定时，若改变管路中的调节阀开度，其局部阻力系数也将变化。所以管路特性系数k和管路特性曲线的斜率也将改变。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；),,,(dlfk(二)、工作点离心泵安装于某一特定的管路之内，离心泵提供了液体在管路中流动所必须的压头。如图，两曲线交点P就是离心泵在该管路中的工作点(dutypoint)。P点表示离心泵在该特定管路中实际输送的流量和提供的压头。在特定管路中输送用途时，H～qv成正比，绘于图中得管路特性曲线，或管路阻力曲线。离心泵的工作点泵的特性曲线管路特性曲线APqvH（三）、流量的调节离心泵的流量调节实际上就是改变离心泵的工作点的位置，从而适应生产任务变化的要求。离心泵的流量调节:改变泵的工作点。叶轮外径）改变离心泵的转速和（以改变管路特性曲线的调节阀）在排出管线上装适当（211、改变阀门的开度改变阀门开度以调节流量，实质是用阀门的开大或关小的方法来改变管路的特性曲线。（1）阀门关小，加大，管路特性曲线变陡，如图曲线Ⅱ，泵的工作点由A移至B。流量由qvA减至qvB。（2）阀门开大，减小，管路特性曲线变平坦，如图曲线Ⅲ，泵的工作点由A移至C。流量由qvA增至qvC。fHfH改变阀门开度调节流量示意图ABⅡⅠCqvBqvAqvHCHAHBOHqvCⅢⅡ阀门关小，加大，管路特性曲线变陡fH2、改变泵的转速改变离心泵的转速以调节流量，实质是维持管路特性曲线，而改变泵的特性曲线，如图，(1)转速由nA提高到nB，泵的特性曲线上移，如图，泵的工作点由A移至B，流量和压头都增大。(2)转速由nA降到nC，泵的特性曲线下移，如图，泵的工作点由A移至C，流量和压头都减小。An’nkCH0HAHcOH改变叶轮转速调节流量示意图BHBqvBqvAqvqvC3、车削叶轮外径车削叶轮外径也是离心泵流量调节的一种独特方式。此时，离心泵的叶轮外径与流量、压头和功率关系可由切割定律来计算。避免使用流量过大的离心泵造成附加能量损失，减少电机负荷。但是，可调节的范围不大，且直径减少不当还会降低泵的效率，故很少采用。4、流量调节方法的比较（1）在转速不变的情况下，用阀门调节流量，优点：方法简便，为工厂广泛采用。适用需要经常调节，且幅度不大，流量较小的系统。缺点：关小阀门，阻力增大，需多消耗一部分能量以克服附加阻力损失。（2）改变转速优点：管路特性曲线可保持不变，动力消耗小。缺点：需变速装置，且价格昂贵，难以做到流量的连续调节。叶轮转速不得超过泵的额定功率，以免叶轮强度和电动机负荷超过允许值。（3）车削叶轮直径可以改变流量。缺点：可调节流量范围不大，且直径减小不当还会降低泵的效率。在输送流体量不大的管路，一般都用阀门来调节流量；只有当输液量很大的管路才考虑使用调速的方法。（四）、并联与串联操作在实际生产过程中，有时数台离心泵组合使用。离心泵的组合方式分为串联和并联两种。以两台特性完全相同的离心泵为例：1、并联组合泵的特性曲线两台相同的泵并联时，其联合特性曲线的作法是在每一个压头条件下，使一台泵操作时的特性曲线上的流量增大一倍而得出的特性曲线（如图线Ⅱ）。BⅠⅡ管路特性曲线Aqv单H单OHC单并HH单并vvqq2单vqqv注意：对于同一管路，并联操作时泵的流量不会增大一倍。因为两台泵并联后，流量增大，管路阻力亦增大。如图：C点流量2qvⅡ不等于A点的流量qvⅠ。若管路特性曲线越平坦，则并联后的流量就越接近单台泵操作时流量的两倍。所以并联操作能够使低阻力管路系统的流量增加较多。而高阻力管路系统的流量增加较少。并联时，泵的台数不宜多。因为台数越多，所增加的流量越少，即每台泵的流量越少。2、串联组合泵的特性曲线泵的串联使用可以提高泵的压头。两台泵串联使用，每台泵的流量和压头均相同。在同样流量下，串联泵的压头为单泵的两倍。即总压头为每台泵压头之和。BⅠⅡAH单OHC单H管路特性曲线单串HH2单串vvqq单vqqv如图，两台泵串联时的H-qv曲线，单泵的工作点为A，串联后工作点移至C点。C点的压头为HⅡ，较单台泵时的H单增大了，并不等于A点的压头H单的两倍。但是流量qv串较qv单增大了。多台泵串联操作相当一台多级泵。多级泵的结构紧凑，安装、维修方便。因而应该选用多级泵代替多台串联。六、离心泵的安装高度和气蚀现象(一)、气蚀现象离心泵运转时，液体在泵内压强变化如图：（1）液体的压强随着从泵吸入口向叶轮入口而下降；（2）叶片入口附近的压强为最低；（3）此后，叶轮对液体作功，压强很快又上升。饱和蒸汽压头泵吸叶轮压强最叶轮泵排入口入口低部分出口出口绝压为0处总压头静压头动压头当叶片入口附近的最低压强等于或小于输送温度下液体的饱和蒸汽压pv时，液体就在该处发生汽化，同时将会有溶解于液体的气体解吸出来，这样产生大量的小汽泡，并随同液体从低压区流向高压区（大于pv），汽泡在高压的作用下，会迅速破裂，其中的蒸汽会迅速凝结，瞬间内周围的液体即以极高的速度冲向原气泡所占的空间，造成很高的局部冲击压力，冲击叶轮、发生噪音、引起震动。在冲击点处形成高达几万kPa的压强，冲击频率可高达几万次，金属表面受到压力大、频率高的冲击而剥蚀，以及汽泡内夹带的少量氧气等活泼气体对金属表面的电化学腐蚀等，使叶轮呈现海面状、鱼鳞状破坏，这种现象称为“气蚀现象”。气蚀现象的危害（1）产生噪音、震动；（2）气蚀处形成蜂窝状空间，损坏叶片；（3）严重时，导致泵的流量、压头效率显著下降。避免气蚀现象发生的措施：泵的安装高度不能太高，以保证泵叶轮入口处的绝对压强必须高于工作温度下液体的饱和蒸汽压。一般在离心泵的性能铭牌上都标注有允许吸上真空度或气蚀余量，用以表示离心泵的吸上性能。下面分别分析用这些参数确定离心泵的安装高度。（二）、有效汽蚀余量与必须汽蚀余量（1）有效汽蚀余量为避免汽蚀发生，液体经吸入管到达泵入口处所具有的压头，不仅能够使液体推进叶轮入口，而且应该大于液体在工作温度下的饱和蒸汽压头，其差值为有效富余压头，常称为有效汽蚀余量（availableNPSH）,单位为m(液柱)。表达式为：gugp2211gpvahgpgugphva2)2(211ah2-13（2）必需汽蚀余量(requiredNPSH)是表示液体从泵入口流到叶轮内最低压力点的全部压头损失。显然，越小，泵越不易发生汽蚀。因为泵入口处的富余压头，在用于压头损失之后，所剩余的压头就越多，这表示液体流到叶轮内最低压力点时，其压头高出就越多，所以不会发生汽蚀。rhrhrhahgpv（3）允许气蚀余量(Δh)是指离心泵入口处的静压头与动压头之和超过输送液体操作温度下的饱和蒸汽压的最小允许值(Δh)。即，在必需汽蚀余量上加一安全裕量0.3m，作为允许汽蚀余量。列于离心泵规格表中。操作中要求≥rhahh判断汽蚀的条件:是时,不汽蚀；=时,开始发生汽蚀；时,严重汽蚀。ahahahrhrhrhP72图2-14位三者之间关系。注：Δh也是按20℃水规定的，当输送其它液体时需校正。具体方法查有关文献。Δhahrh0.3mΔhahrh三者关系叶轮内最低压力点压头安全裕量泵出口处压头gugp22113、离心泵的最大安装高度图2-13，在0－0和1－1间列柏努力方程式：Hgp0011p100011泵的允许安装高度为：fgHguHgpgp22110fgHgugppH22110Hg越高，有效汽蚀余量减小。当减小到与相等时，则产生汽蚀现象。为了避免汽蚀的发生，此时的安装高度称为最大安装高度。2-12ahahrh随泵得安装高度增高，有效汽蚀余量将减小。当减小到与允许汽蚀余量相等时，则发生汽蚀，此时得安装高度称为最大允许安装高度，以表示。即：maxgH（2-15）fvgHhgppH0max提高允许安装高度的方法：减小，fH。减小弯头和不安截止阀吸入管径大、短；（1）允许气蚀余量(Δh)是指离心泵入口处的静压头与动压头之和超过输送液体操作温度下的饱和蒸汽压的最小允许值(Δh)。即，在必需汽蚀余量上加一安全裕量0.3m，作为允许汽蚀余量。列于离心泵规格表中。操作中要求≥rhahh(四)、离心泵的允许吸上高度（2）、离心泵允许吸上高度又叫离心泵的允许安装高度是指离心泵吸入口与吸入贮槽液面间可允许达到的最大垂直距离。以Hg允许表示，单位为ｍ液柱。fvgHhgppH0允许为了保证泵得安全操作，不发生汽蚀，泵得实际安装高度必须满足≤。只要已知、Δh中的一个，就可确定泵的安装高度。一般为了安全起见，离心泵的实际吸上高度或安装高度应小于允许吸上高度，一般比允许值小0.5～1ｍ。≤gH允许gHgH吸入管长（包括全部局部阻力的当量长度）为10m，排出管长（包括全部局部阻力的当量长度）为120m，管内径均为50mm，设λ=0.02,水温20℃，试求（1）管路的循环水量为多少？（2）泵进出口压力各为多少？2真空表压力表Hg例题：如图，循环管路中离心泵的安装高度为Hg=3m，离心泵的特性曲线近似表示为：H=23-1.43×105qv2，式中qv以m3/S表示，解：管路的循环水量的计算。管路的特性曲线方程为：管路为封闭的循环管路，即：H=688153qv220vkqHH252)(8veqdllggpZH0,0gpZ688153)(8252veqdllgk泵的特性曲线为：H=23-1.43×105qv2两方程联立求解，得：qv=5.26×10-3m3/s(2)在槽面与泵入口之间列柏努力方程，以槽面为基准，fghguHgpgp22110fghguHgpp22110管径相同，流速不变：smdquv/68.242smgudllhef/46.12)(2mhguHgpfg83.4221真Pap41073.481.9100083.4真在槽面与压力表之间列柏努力方程，gfHgugphgugpZ22212000表mHguhgpgf20.14221表smgudllhef/57.172)(2Pap51039.181.9100020.14表2－9离心泵的类型与选用一、离心泵的类型离心泵的种类很多，常用的类型有：清水泵、耐腐蚀泵、油泵和杂质泵、泥浆泵等。我国原第一部机械工业部汇编的泵样本（或产品目录）中，有各主要泵厂生产的各类离心泵的性能和规格。我国制造的离心泵，均用汉语拼音字母作为泵的系列代号。而在每一系列内，又有各种不同的规格。因此又以不同的字母和数字加以区别。我国按国际标准(ISO)设计、研制的IS型单级单吸式离心泵系列共有29个品种，该系列泵输送介质：温度不超过80