2第二章流体输送机械解析

第二章流体输送机械为流体提供能量的机械称为流体输送机械。在食品的生产加工中，常常需要将流体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。第一节概述泵；输送液体风机;压缩机；真空泵。输送气体常用的流体输送机械泵的分类1按工作原理分叶片式泵有高速旋转的叶轮。如离心泵、轴流泵、涡流泵。往复泵靠往复运动的活塞排挤液体。如活塞泵、柱塞泵等。旋转式泵靠旋转运动的部件推挤液体。如齿轮泵、螺杆泵等。清水泵适用于粘度与水相近的、无腐蚀性、不含杂质的流体，如离心泵。油泵适用于高粘度的流体。如齿轮泵、旋转泵等。耐腐蚀泵杂质泵：2按用途分离心泵（centrifugalpump）的特点：结构简单；流量大而且均匀；操作方便。第二节离心泵1结构2工作原理叶轮轴6~12片叶片机壳等。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。叶轮机壳底阀(防止“气缚”)滤网(阻拦固体杂质)由于离心力的作用，泵的进出口出产生压力差，从而使流体流动。一、离心泵的工作原理3工作过程启动后，叶轮旋转，并带动液体旋转。液体在离心力的作用下，沿叶片向边缘抛出，获得能量，液体以较高的静压能及流速流入机壳(沿叶片方向，u,P静)。由于涡流通道的截面逐渐增大，P动P静。液体以较高的压力排出泵体，流到所需的场地。叶片不断转动，液体不断被吸入、排出，形成连续流动。由于液体被抛出，在泵的吸扣处形成一定的真空度，泵外流体的压力较高，在压力差的作用下被吸入泵口，填补抛出液体的空间。启动前，前段机壳须灌满被输送的液体，以防止气缚。离心泵实际安装示意图敞开式半开式封闭式泵壳：蜗牛壳形通道。有利于将叶轮抛出液体的动能转变成静压能；有利于减少能耗。叶轮：二、离心泵的主要工作部件离心泵压头的大小取决于泵的结构（如叶轮直径的大小，叶片的弯曲情况等）、转速及流量。三、离心泵的主要性能参数离心泵的主要性能参数有流量、扬程、功率和效率。１流量Q，Ｌ/ｓ或m3/ｈ泵的流量（又称送液能力）是指单位时间内泵所输送的液体体积。２扬程Ｈ，米液柱泵的扬程（又称泵的压头）是指单位重量液体流经泵后所获得的能量。如右图所示，在泵的进出口处分别安装真空表和压力表，在真空表与压力表之间列柏努得方程式，即实验：泵压头的测定真空计压强表离心泵储槽式中：pM—压力表读出压力（表压），N/m2；pV—真空表读出的真空度，N/m2；u1、u2—吸入管、压出管中液体的流速，m/s；ΣHf—两截面间的压头损失，m。fguugppHhHvm202122（2-1）两截面之间管路很短，其压头损失∑Hf可忽略不计guuvMHHhH202122(2-2)简化式（2-1）若以HM及HV分别表示压力表真空表上的读数，以米液柱（表压）计。fguugppHhHvm202122（2-1）例２-１某离心泵以20℃水进行性能实验，测得体积流量为720m3/h，泵出口压力表读数为3.82kgf/cm2，吸入口真空表读数为210mmHg，压力表和真空表间垂直距离为410mm，吸入管和压出管内径分别为350mm及300mm。试求泵的压头。解：根据泵压头的计算公式，则有guuvMHHhH202122smu/83.2230.0785.03600/7202smu/28.02352.0785.03600/7201查得水在20℃时密度为ρ＝998kg/m3，则HM=3.82×10.0=38.2mH2OHV=0.210×13.6=2.86ｍH2OOmHH281.9208.283.27.4186.22.3841.022计算进出口的平均流速将已知数据代入，则泵内部损失主要有三种：容积损失水力损失机械损失3效率容积损失是由于泵的泄漏造成的。离心泵在运转过程中，有一部分获得能量的高压液体，通过叶轮与泵壳之间的间隙流回吸入口。从泵排出的实际流量要比理论排出流量为低，其比值称为容积效率η1。容积损失原因：水力损失是由于流体流过叶轮、泵壳时，由于流速大小和方向要改变，且发生冲击，而产生的能量损失。泵的实际压头要比泵理论上所能提供的压头为低，其比值称为水力效率η2。水力损失原因：机械损失是泵在运转时，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。泵的轴功率大于泵的理论功率（即理论压头与理论流量所对应的功率）。理论功率与轴功率之比称为机械效率η3。机械损失泵的有效功率Ne：流体所获得的功率。式中Ne—泵的有效功率，W；Q—泵的流量，m3/s；H—泵的压头，m；—液体的密度，kg/m3；g—重力加速度，m/s2。Ne＝QHg(2-4)已知g=9.81m/s2；1kW=1000W，则式（2-4）可用kW单位表示，即)(1021000kWgQHNQHgQHe(2-4a)4功率泵在运转时可能发生超负荷，所配电动机的功率应比泵的轴功率大。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。(2-5)eNN轴功率指泵轴所获得的功率。由于有容积损失、水力损失与机械损失，故泵的轴功率要大于液体实际得到的有效功率，即注意：5轴功率N特性曲线（characteristiccurves）：在固定的转速下，离心泵的基本性能参数（流量、压头、功率和效率）之间的关系曲线。强调：特性曲线是在固定转速下测出的，只适用于该转速，故特性曲线图上都注明转速n的数值。图上绘有三种曲线Ｈ－Q曲线Ｎ－Q曲线η－Q曲线四、离心泵的特性曲线04812162024283202040608010012010121416182022242602468010203040506070804B20n=2900r/minNHηＱ,l/sm3/s离心泵的特性曲线变化趋势：离心泵的压头在较大流量范围内是随流量增大而减小的。不同型号的离心泵，Ｈ－Q曲线的形状有所不同。较平坦的曲线，适用于压头变化不大而流量变化较大的场合；较陡峭的曲线，适用于压头变化范围大而不允许流量变化太大的场合。1Ｈ－Q曲线变化趋势：Ｎ－Q曲线表示泵的流量Q和轴功率Ｎ的关系，Ｎ随Q的增大而增大。显然，当Q=0时，泵轴消耗的功率最小。启动离心泵时，为了减小启动功率，应将出口阀关闭。2Ｎ－Q曲线变化趋势：开始η随Q的增大而增大，达到最大值后，又随Q的增大而下降。η—Q曲线最大值相当于效率最高点。泵在该点所对应的压头和流量下操作，其效率最高，故该点为离心泵的设计点。3η－Q曲线泵在最高效率点条件下操作最为经济合理，但实际上泵往往不可能正好在该条件下运转，一般只能规定一个工作范围，称为泵的高效率区。高效率区的效率应不低于最高效率的92%左右。强调：泵在铭牌上所标明的都是最高效率点下的流量，压头和功率。离心泵产品目录和说明书上还常常注明最高效率区的流量、压头和功率的范围等。泵的高效率区式（2-6）称为比例定律，当转速变化小于20%时，可认为效率不变，用上式进行计算误差不大。(2-6)2121nnQQ2)(2121nnHH3)(2121nnNN当转速由n1改变为n2时，其流量、压头及功率的近似关系为：4离心泵的转数对特性曲线的影响式（2-7）称为切割定律。(2-7)2121DDQQ2)(2121DDHH3)(2121DDNN当叶轮直径变化不大，转速不变时，叶轮直径、流量、压头及功率之间的近似关系为：5叶轮直径对特性曲线的影响泵生产部门所提供的特性曲线是用清水作实验求得的。当所输送的液体性质与水相差较大时，要考虑粘度及密度对特性曲线的影响。6物理性质对特性曲线的影响所输送的液体粘度愈大，泵体内能量损失愈多。结果泵的压头、流量都要减小，效率下降，而轴功率则要增大，所以特性曲线改变。6.1粘度的影响离心泵的压头与密度无关。（定性分析）注：当被输送液体的密度与水不同时，不能使用该泵所提供的Ｎ－Ｑ曲线，而应按（2-4a）及（2-5）重新计算。泵的轴功率随液体密度而改变。6.2密度的影响如果输送的液体是水溶液，浓度的改变必然影响液体的粘度和密度。浓度越高，与清水差别越大。浓度对离心泵特性曲线的影响，同样反映在粘度和密度上。6.3溶质的影响Hgpa1100p1pa,p1有一定真空度，真空度越高，吸力越大,Hg越大。当p1小于一定值后(p1pv,pv为环境温度下液体的饱和蒸汽压)，将发生气蚀现象。pv100℃=760mmHg,pv40℃=55.32mmHg五、离心泵的安装高度和气蚀现象1气蚀现象为避免发生气蚀现象，应限制p1不能太低，或Hg不能太大，即泵的安装高度不能太高。安装高度Hg的计算方法一般有两种：允许吸上真空高度法；气蚀余量法。2安装高度允许吸上真空高度Hs泵入口处压力p1所允许的最大真空度。mH2OOmHHgpsa233.10Hs与泵的结构、液体的物化特性等因素有关。一般，Hs5~7mH2O.gppsaH1（2-8）式中pa—大气压，N/m2ρ—被输送液体密度，kg/m3Hgp01100如何用允许吸上真空高度确定泵的安装高度？Hg—泵的安装高度；u2/2g—进口管动能；∑Hf—进口管阻力;Hs—允许吸上真空高度，由泵的生产厂家给出。提高Hg的方法取截面0-0，1-1，并以截面0-0为基准面，在两截面间柏努利方程，可得fgusgHHH221若贮槽为敞口，则p0为大气压pa，则有fgugHgppH21021（2-9）（2-10）泵制造厂只能给出Hs值，而不能直接给出Hg值。因为每台泵使用条件不同，吸入管路的布置情况也各异，有不同的u2/2g和∑Hf值，所以，只能由使用单位根据吸入管路具体的布置情况，由计算确定Hg。问题：泵制造厂能直接给出泵的安装高度吗？Hs’=Hs＋(Ha－10)－(Hv－0.24)(2-11)式中Hs’—操作条件下输送水时允许吸上真空高度，mH2O；Hs—泵样本中给出的允许吸上真空高度，mH2O；Ha—泵工作处的大气压，mH2O；Hv—泵工作温度下水的饱和蒸汽压，mH2O；0.24—实验条件下水的饱和蒸汽压，mH2O。原因：在泵的说明书中所给出的Hs是大气压为10mH2O，水温为20℃状态下的数值。如果泵的使用条件与该状态不同时，则应把样本上所给出的Hs值，按下式换算成操作条件下的Hs’值。泵允许吸上真空高度的换算泵安装地点的海拔越高，大气压力就越低，允许吸上真空高度就越小。输送液体的温度越高，所对应的饱和蒸汽压就越高，这时，泵的允许吸上真空高度也就越小。海拔高度↑，液体温度↑→Hg↓不同海拔高度时大气压力值可查表。汽蚀余量Δh是指离心泵入口处，液体的静压头p1/ρg与动压头u12/2g之和超过液体在操作温度下的饱和蒸汽压头pv/ρg的某一最小指定值，即汽蚀余量(2-12)gpgugpvh2211式中h—汽蚀余量，m；pv—操作温度下液体饱和蒸汽压，N/m2。将式（2-9）与（2-12）合并可导出汽蚀余量Δh与允许安装高度Hg之间关系为上式中p0为液面上方的压力，若为敞口液面则p0=pa。(2-13)fgpgpgHhHv0如何利用允许吸上真空高度确定泵的安装高度？只要已知允许吸上真空高Hs与汽蚀余量中的任一个参数，均可确定泵的安装高度。注：泵性能表上的值也是按输送20℃水而规定的。当输送其它液体时，需进行校正。具体校正方法可参阅有关文献。例2-2某台离心泵从样本上查得允许吸上真空高度Hs=6m，现将该泵安装在海拔高度为500m处，若夏季平均水温为40℃。问修正后的Hs’应为多少？若吸入管路的压头损失为1mH2O，泵入口处动压头为0.2mH2O。问该泵安装在离水面5m高度处是否合适？Ｈｇ解:当水温为40℃时，Hv=0.75m。查表得Ha=9.74m。Hs’=Hs＋(Ha－10)－(Hv－0.24)=6＋(9.74－10)－(0.75－0.24)=5.23m泵的安装高度为:Hｇ