化工原理第二章第一节讲稿gaofenzi

2020/2/14第二章流体输送机械第一节离心泵一、离心泵的工作原理与主要部件二、离心泵的主要性能参数与特性曲线三、离心泵性能的改变四、离心泵的气蚀现象与允许吸上高度五、离心泵的工作点与流量调节六、离心泵的选用、安装与操作2020/2/14流体输送机械：向流体作功以提高流体机械能的装置。•输送液体的机械通称为泵；例如：离心泵、往复泵、旋转泵和漩涡泵。•输送气体的机械按不同的工况分别称为:通风机、鼓风机、压缩机和真空泵。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2020/2/14一．离心泵的操作原理、构造与类型1、操作原理2020/2/14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。2020/2/142020/2/14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。2020/2/142020/2/142、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内侧带有前后盖板，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。2020/2/142020/2/14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。2020/2/142020/2/142）泵壳A.泵壳的作用•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。2020/2/143）轴封装置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轴封的分类轴封装置填料密封：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。端面密封2020/2/142020/2/143、离心泵的分类1）按照轴上叶轮数目的多少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。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。2020/2/142020/2/142020/2/143）按离心泵的不同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,（B型）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）油泵输送石油产品的泵，要求密封完善。（Y型）杂质泵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。2020/2/14二．离心泵的主要性能参数与特性曲线1、离心泵的性能参数1）离心泵的流量指离心泵在单位时间里排到管路系统的液体体积，一般用qv表示，单位为m3/h。又称为泵的送液能力。2）离心泵的压头泵对单位重量的液体所提供的有效能量，以H表示，单位为m。又称为泵的扬程。2020/2/14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qv，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2020/2/14H的计算可根据b、c两截面间的柏努利方程：bcfccbbhgugPZHgugP)(2222bcfbcbchguugPPZH)(222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。2020/2/143）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映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泵的泄漏造成的由于流体流过叶轮、泵壳时产生的能损失泵在运转时，在轴承、轴封装置等机械部件接触处由于机械磨擦而消耗部分能量2020/2/144）轴功率及有效功率轴功率：电机输入离心泵的功率,用P表示，单位为J/S,W或kW有效功率：排送到管道的液体从叶轮获得的功率，用Pe表示轴功率和有效功率之间的关系为：/ePP有效功率可表达为gHqPVe轴功率可直接利用效率计算/gHqPV2020/2/142、离心泵的特性曲线离心泵的H、η、P都与离心泵的qv有关，它们之间的关系由确定离心泵压头的实验来测定，实验测出的一组关系曲线：H～qv、η～qv、P～qv——离心泵的特性曲线注意：特性曲线随转速而变。各种型号的离心泵都有本身独自的特性曲线，但形状基本相似，具有共同的特点2020/2/14Pqvqv2020/2/141）H～qv曲线：表示泵的压头与流量的关系，离心泵的压头普遍是随流量的增大而下降（流量很小时可能有例外）2）P～qv曲线：表示泵的轴功率与流量的关系，离心泵的轴功率随流量的增加而上升，流量为零时轴功率最小。离心泵启动时，应关闭出口阀，使启动电流最小，以保护电机。3）η～qv曲线：表示泵的效率与流量的关系，随着流量的增大，泵的效率将上升并达到一个最大值，以后流量再增大，效率便下降。2020/2/14离心泵在一定转速下有一最高效率点。离心泵在与最高效率点相对应的流量及压头下工作最为经济。与最高效率点所对应的qv、H、P值称为最佳工况参数。离心泵的铭牌上标明的就是指该泵在运行时最高效率点的状态参数。注意：在选用离心泵时，应使离心泵在该点附近工作。一般要求操作时的效率应不低于最高效率的92%。2020/2/14三、离心泵性能的改变1、液体性质的影响1）液体密度的影响离心泵的流量与液体密度无关。离心泵的压头与液体的密度无关H～qv曲线不因输送的液体的密度不同而变。泵的效率η不随输送液体的密度而变。/gHqPV离心泵的轴功率与输送液体密度有关。2020/2/142）粘度的影响当输送的液体粘度大于常温清水的粘度时，•泵的压头减小•泵的流量减小•泵的效率下降•泵的轴功率增大•泵的特性曲线发生改变，选泵时应根据原特性曲线进行修正当液体的运动粘度小于20cst（厘池）时，如汽油、柴油、煤油等粘度的影响可不进行修正。2020/2/142、转速对离心泵特性的影响当液体的粘度不大且泵的效率不变时，泵的流量、压头、轴功率与转速的近似关系可表示为：nnqqVV''2)'('nnHH3)'('nnPP——比例定律3、叶轮直径的影响1）属于同一系列而尺寸不同的泵，叶轮几何形状完全相似，b2/D2保持不变，当泵的效率不变时，某一尺寸的叶轮外周经过切削而使D2变小，b2/D2变大2020/2/142）若切削使直径D2减小的幅度在20%以内，效率可视为不变，并且切削前、后叶轮出口的截面积也可认为大致相等,此时有：22''DDqqVV222)'('DDHH322)'('DDPP---------切割定律2020/2/14四、离心泵的气蚀现象与允许吸上高度1、气蚀现象气蚀产生的条件叶片入口附近K处的压强PK等于或小于输送温度下液体的饱和蒸气压2020/2/14气蚀产生的后果：•气蚀发生时产生噪音和震动，叶轮局部在巨大冲击的反复作用下，表面出现斑痕及裂纹，甚至呈海棉状逐渐脱落•液体流量明显下降，同时压头、效率也大幅度降低，严重时会输不出液体。2、离心泵的允许吸上高度离心泵的允许吸上高度又称为允许安装高度，指泵的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表示。2020/2/14贮槽液面0-0’与入口处1-1’两截面间列柏努利方程1021102fHgugPPHg若贮槽上方与大气相通，则P0即为大气压强Pa102112faHgugPPHg2020/2/143、离心泵的允许吸上真空度g/pP'H1aS注意：HS’单位是压强的单位，通常以m液柱来表示。在水泵的性能表里一般把它的单位写成m（实际上应为mH2O）。——离心泵的允许吸上真空度定义式将gpPHaS/'1代入102112faHgugPPHg得10212'fSHguHHg——允许吸上高度的计算式2020/2/14HS’值越大，表示该泵在一定操作条件下抗气蚀性能好，安装高度Hg越高。HS’与泵的结构、流量、被输送液体的物理性质及当地大气压等因素有关。通常由泵的制造工厂试验测定，实验在大气压为10mH2O（9.81Pa）下,以20℃清水为介质进行的。2020/2/14•HS’随Q增大而减小•确定离心泵安装高度时应使用泵最大流量下的HS’进行计算若输送其它液体，且操作条件与上述实验条件不符时，需对HS’进行校正。100024.01081.9)10('3vaSSPHHH4、气蚀余量为防止气蚀现象发生，在离心泵入口处液柱的静压头gp1与动压头gu221之和必需大于液体在操作温度下的饱和蒸汽压头gpv的一个最小值。2020/2/14gpgugphv2211——气蚀余量定义式△h与Hg的关系当叶轮入口附近(k-k’)最小压强等于液体的饱和蒸汽压pv时，泵入口处压强(1-1’)必等于某确定的最小值p1。在1-1’和k-k’间列柏努利方程：kfkvHgugpgugp1221122kfkHguh1222020/2/14当流量一定且流体流动为阻力平方区时，气蚀余量仅与泵的结构和尺寸有关，是泵抗气蚀性能参数。将gpgugphv2211代入kfgHgugppH121102100fvgHhgpgpH——允许吸上高度的计算式离心泵的气蚀余量h值也是由生产泵的工厂通过实验测定的•△h随Q增大而增大•计算允许安装高度时应取高流量下的△h值。图2020/2/14泵性能表上所列的△h值也是按输送20℃的清水测定的，当输送其它液体时应乘以校正系数予以校正，但因一般校正系数小于1，故把它作为外加的安全系数，不再校正。5、离心泵的实际安装高度离心泵的实际安装高度应小于允许安装高度，一般比允许值小0.5～1m。mHHgg)1~5.0(实2020/2/14注意：1）离心泵的允许吸上真空度和允许气蚀余量值是与