化工原理第二章流体输送机械

本章的目的：结合化工生产的特点，讨论各种流体输送机械的操作原理、基本构造与性能，合理地选择其类型、决定规格、计算功率消耗、正确安排在管路系统中的位置等第二章流体输送机械主要内容:1、液体输送机械2、气体输送机械重点：离心泵的结构原理、安装高度计算、性能参数、特性曲线及应用、管路特性曲线、设备选型第二章流体输送机械第一节概述第二节离心泵第三节其它类型泵第四节气体输送和压缩设备第二章流体输送机械在化工生产中，常常需要将流体从低位输送到高处；从低压设备输送到高压设备；沿管道输送到较远的地方。要克服位能、静压能之差及摩擦阻力引起的能量损失为此，必须借助一定的输送设备，对流体作功，以补充足够的能量，这种为输送流体而提供能量的机械---流体输送机械流体输送机械的目的:给流体加入机械能以实现非自动过程2.1概述流体输送机械真空泵压缩机鼓风机通风机气体压送机械泵液体输送机械工作原理动力式（叶轮式）－离心式、轴流式容积式（正位移式）－往复式、旋转式其它形式→喷射式选择流体输送机械应考虑：1、流体种类：液、气、浆2、输送任务：流量、所需能量3、流体性质：μ、腐蚀性、悬浮物、易燃易爆、P、T安全可靠、高效节能2.2.1、离心泵的工作原理和主要构件2.2.1.2.工作原理2.2离心泵离心泵的外观操作原理由若干个弯曲的叶片组成的叶轮置于具有蜗壳通道的泵壳之内。叶轮紧固于泵轴上泵轴与电机相连,可由电机带动旋转。吸入口位于泵壳中央与吸入管路相连，并在吸入管底部装一止逆阀。泵壳的侧边为排出口，与排出管路相连，装有调节阀。离心泵的工作过程：开泵前，先在泵内灌满要输送的液体。开泵后，泵轴带动叶轮一起高速旋转产生离心力。液体在此作用下，从叶轮中心被抛向叶轮外周，压力增高，并以很高的速度（15-25m/s）流入泵壳。在蜗形泵壳中由于流道的不断扩大，液体的流速减慢，使大部分动能转化为压力能。最后液体以较高的静压强从排出口流入排出管道。泵内的液体被抛出后，叶轮的中心形成了真空，在液面压强（大气压）与泵内压力（负压）的压差作用下，液体便经吸入管路进入泵内，填补了被排除液体的位置。离心泵之所以能输送液体，主要是依靠高速旋转叶轮所产生的离心力，因此称为离心泵。气缚离心泵启动时，如果泵壳内存在空气，由于空气的密度远小于液体的密度，叶轮旋转所产生的离心力很小，叶轮中心处产生的低压不足以造成吸上液体所需要的真空度，这样，离心泵就无法工作，这种现象称作“气缚”。为了使启动前泵内充满液体，在吸入管道底部装一止逆阀.此外，在离心泵的出口管路上也装一调节阀，用于开停车和调节流量。2.2.1.2基本部件和构造1）叶轮a)叶轮的作用将电动机的机械能传给液体,使液体的动能有所提高。•b)叶轮的分类根据结构闭式叶轮开式叶轮半闭式叶轮叶片的两侧带有前后盖板，适于输送干净流体，效率较高。没有前后盖板，适合输送含有固体颗粒的液体悬浮物。只有后盖板，可用于输送浆料或含固体悬浮物的液体，效率较低。按吸液方式单吸式叶轮双吸式叶轮液体只能从叶轮一侧被吸入，结构简单。相当于两个没有盖板的单吸式叶轮背靠背并在了一起，可以从两侧吸入液体，具有较大的吸液能力，而且可以较好的消除轴向推力。2）泵壳A壳的作用汇集液体，作导出液体的通道；使液体的能量发生转换，一部分动能转变为静压能。B.导叶轮为了减少液体直接进入蜗壳时的碰撞，在叶轮与泵壳之间有时还装有一个固定不动的带有叶片的圆盘，称为导叶轮。导叶轮上的叶片的弯曲方向与叶轮上叶片的弯曲方向相反，其弯曲角度正好与液体从叶轮流出的方向相适应，引导液体在泵壳的通道内平缓的改变方向，使能量损失减小，使动能向静压能的转换更为有效。3）轴封装置：泵轴与泵壳之间的密封称为轴封。A轴封的作用为了防止高压液体从泵壳内沿轴的四周而漏出，或者外界空气漏入泵壳内。B轴封的分类填料密封机械密封主要由填料函壳、软填料和填料压盖组成，普通离心泵采用这种密封。主要由装在泵轴上随之转动的动环和固定于泵壳上的静环组成，两个环形端面由弹簧的弹力互相贴紧而作相对运动，起到密封作用。轴封装置2.2.1.3、离心泵的分类单级泵多级泵轴上只有一个叶轮的离心泵，适用于出口压力不太大的情况；轴上不止一个叶轮的离心泵，可以达到较高的压头。离心泵的级数就是指轴上的叶轮数，我国生产的多级离心泵一般为2~9级。1）按照轴上叶轮数目的多少2）按叶轮上吸入口的数目单吸泵双吸泵叶轮上只有一个吸入口，适用于输送量不大的情况。叶轮上有两个吸入口，适用于输送量很大的情况。3）按离心泵的用途水泵输送清水和物性与水相近、无腐蚀性且杂质很少的液体的泵,（IS、D、Sh）耐腐蚀泵接触液体的部件（叶轮、泵体）用耐腐蚀材料制成。要求：结构简单、零件容易更换、维修方便、密封可靠、用于耐腐蚀泵的材料有：铸铁、高硅铁、各种合金钢、塑料、玻璃等。（F型）油泵杂质泵输送石油产品的泵，要求密封完善。(Y型）输送含有固体颗粒的悬浮液、稠厚的浆液等的泵，又细分为污水泵、砂泵、泥浆泵等。要求不易堵塞、易拆卸、耐磨、在构造上是叶轮流道宽、叶片数目少。(P型)叶轮轴向力问题轴向力闭式或半闭式叶轮后盖板与泵壳之间空腔液体的压强较吸入口侧高，这使叶轮遭受指向吸入口方向的轴向推力，这使叶轮向吸入口侧位移，引起叶轮与泵壳接触处的磨损。解决办法：a.叶轮后盖板上钻一些小孔---平衡孔;b.双吸式泵。2.2.2离心泵基本方程从理论上分析离心泵中液体质点的运动状况，获得离心泵压头和流量关系。1、基本方程的导出压头：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。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HT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。w2c2222u2w1c111u1液体在高速旋转的叶轮中的运动分为2种:与叶片的相对运动：ru1.理论压头表达式的推导w,处处与叶片相切u与w的矢量和为c圆周运动在1与2之间列机械能衡算方程式，得：,THgpp12)1(22122cpHHgcc由于截面1和2每转一周，这两个截面的位置高低互换一次，均位能差为0，故未考虑位能差。w2c2222u2w1c111u1w2c2222u2w1c111u1使静压头增加gpp12的原因：原因一：离心力作功dRgFgppRR21112guugRRdRgRRR221212221222221r2Fw2c2222u2w1c111u1原因二：液体由1流到2时，由于流动通道逐渐扩大，故w逐渐变小，这部分能量将转化为静压能212gppgww22221gwwuugppgppgpp22221212221211212（2）gccgwwuuHT22212222212122,w2c2222u2w1c111u1于是：根据余弦定理可知：111212121cos2ucucw222222222cos2ucucw（3）（4）式3、4代入上式得：gucucHT111222,coscos一般地，1=90则cos1=0，于是：gucHT222,cos（5）w2c2222u2w1c111u1离心泵基本方程式离心泵基本方程式从图中的速度三角形可知22222cotcosrcuc（7）min/6022rnnDu叶轮转速，)6(222bDcQrT由（5）、（6）、（7）可得TTQbDguguH222222cot（8）min/6022rnnDu叶轮转速，离心泵基本方程式又一表达式讨论：1)当理论流量Q,T、和叶片尺寸（b2、2）一定时，离心泵的理论压头随叶轮的转速、直径的增加而增大；2）在叶轮转速、直径、叶片的宽度及理论流量一定时，离心泵的理论压头HT,随叶片的形状而变：叶片前弯，290，ctg20，gu22HT,w2w2w2222后弯叶片径向叶片前弯叶片叶片后弯，290，cot20，gu22HT,叶片径向，2=90，ctg2=0，gu22HT,=后弯片：cot20（290°)，QT↑，则HT↓径向片：cot2=0（2=90°)，HT与QT无关前弯片：cot20（290°)，QT↑，则HT↑后弯片：静压能比例↑前弯片：流速过大，冲击损失大由上可知，前弯叶片产生的理论压头最大，但实际上多采用后弯叶片，这是因为理论压头包括静压头和动压头两部分，对输送液体而言，希望得到的是静压头。虽在蜗壳和导轮中有部分动压头可以转换为静压头,但因流速较大,必伴随有较大的能量损失理论压头中静压头和动压头的比例随2大小而变．随2增大，HT不断增大，但2９0oHp随2加大而增大，且Hp在HT占较大比例；2＝９0oHp所占比例大致相当；2９0oHp所占比例较少大部分是Hc；2大至某一值后，Hp＝０，即HT＝Hc．所以2９0o，不仅静压头相对地较后弯叶片的低，而且因液体出口绝对速度c2较大，导致液体在泵内产生的涡流较剧烈，能量损失增大．因此为提高离心泵的经济指标，宜采用后弯叶片.３）理论流量若离心泵的几何尺寸和转速一定，则TTQbDguguH222222cot可表示为222222cotbDguBguAQAHTTBHT随QT呈性关系，该线的斜率与线叶片形状有关2９0o，B0HT随QT的增加而减少2９0o，B0HT随QT的增加而增大2＝９0o，B＝0HT与QT无关４）流体的密度离心泵基本方程式中并未出现液体密度这一性质，表明离心泵的理论压头与液体的密度无关。因此，对同一台离心泵不论输送何种液体，所能达到的理论压头是相同的。注意：离心泵的出口处的压强（或泵的进、出口处的压强差）与液体的密度有关。２、理论压头与实际压头离心泵的实际压头与理论压头有较大的差异，原因在于流体在通过泵的过程中存在着压头损失，它主要包括：1）叶片间的环流2）流体的阻力损失3）冲击损失2.2.3离心泵的主要性能参数与特性曲线2.2.3.1离心泵的主要性能参数1、流量又称送液能力,是指泵在单位时间里排到管路系统的液体体积L/s或m3/h,与转速、尺寸、结构有关2、压头（扬程）,是指泵对单位重量的流体所提供的有效能量。与泵的结构、尺寸（如叶片的弯曲情况、叶轮直径等）、转速、流量有关。由实验测定。fHgpZH离心泵的压头取决于：泵的结构（叶轮的直径、叶片的弯曲情况等）转速n流量Q，如何确定转速一定时，泵的压头与流量之间的关系呢？实验测定H的计算可根据b、c两截面间的柏努利方程：gPPZHbc/)(离心泵的压头又称扬程。必须注意，扬程并不等于升举高度△Z，升举高度只是扬程的一部分。3）离心泵的效率离心泵输送液体时，通过电机的叶轮将电机的能量传给液体。在这个过程中，不可避免的会有能量损失，也就是说泵轴转动所做的功不能全部都为液体所获得，通常用效率η来反映能量损失。这些能量损失包括：容积损失水力损失机械损失泵的效率反应了这三项能量损失的总和，又称为总效率。与泵的大小、类型、制造精密程度和所输送液体的性质有关容积损失ηV由泵的液体泄漏所造成的损失。机械损失ηm由泵轴与轴承之间、泵轴与填料函之间以及叶轮盖板外表面与液体之间产生摩擦而引起的能量损失。水力损失ηh黏性液体流经叶轮通道和蜗壳时产生的摩擦阻力以及在泵局部处因流速和方向改变引起的环流和冲击二产生的局部阻力。效率:反应能量损失mhv3、效率η由电机传给泵的能量不可能100%地传给液体，因此离心泵都有一个效率的问题，它反映了泵对外加