流体输送机械

第二章流体输送机械本章学习的目的本章是流体力学原理的具体应用。通过学习掌握工业上最常用的流体输送机械的基本结构、工作原理及操作特性，以便根据生产工艺的要求，合理地选择和正确地使用输送机械，以实现高效、可靠、安全的运行。本章内容掌握离心泵的结构、工作原理、主要性能参数；正确地确定离心泵的安装高度，工作点、流量调节、选型及操作要点；避免汽蚀现象发生；合理地选择和操作离心泵，并根据生产工艺要求，经济有效地进行调节。其它泵及气体输送机械作一般了解。第一节概述一、化工生产中为什么需要流体输送机械？化工生产中大都是连续流动的各种物料或产品。由于工艺需要常需将流体由低处送至高处;由低压设备送至高压设备;或者克服管道阻力由一车间送至另一车间。为了达到这些目的，必须对流体作功以提高流体能量，完成输送任务。这就需要流体输送机械。二、为什么要用不同结构和特性的输送机械？这是因为化工厂中输送的流体种类繁多：1.流体种类有气体,有液体,有强腐蚀性的、高粘度的、含有固体悬浮物的、易挥发的易燃易爆的以及有毒的等等；2.温度和压强又有高低之分；3.不同生产过程所需提供的流量和压头又各异。三、化工流体输送机械分类按工作对象分，有输送液体的泵和输送气体的风机或压缩机。按工作原理分类，一般可分为四类：即离心式、正位移式和流体动力作用式三类。本章以离心式输送机械为重点。流体输送机械的压头和流量(风机的全风压和风量)流量Q()指流体输送机械在单位时间内送出的流体体积，也等于管路中流体的流量，这是输送任务所规定必须达到的输送量。压头（又称扬程）H（m）是指流体输送机械向单位重量流体提供的能量。泵H与Q的关系是本章的主要内容之一。hmsm/,/33或第一节液体输送机械——离心泵离心泵的主要部件离心泵的工作原理离离心泵的性能参数离离心泵的特性曲线影影响离心泵性能的因素和性能换算离离心泵的气蚀现象与安装高度离离心泵的工作点与流量调节离离心泵的类型与选择2-1离心泵的工作原理123456液体的排出过程：高速旋转的叶轮→液体旋转→液体向四周甩出（高速中压）→蜗壳转能（中速高压）→排出液液体的吸入过程：高速旋转的叶轮→液体旋转→液体向四周甩出→中心负压→内外压差→吸入液体气缚现象灌泵的必要性2-2离心泵的主要部件包括叶轮和泵轴的旋转部件由泵壳、填料函和轴承组成的静止部件离心泵由两个主要部分构成：一、叶轮敞式、半闭式、闭式（平衡孔的作用）单吸式与双吸式二、泵壳作用：①汇集和导出液体②转能装置对较大的离心泵，为减小叶轮甩出的高速液体与泵壳之间的碰撞而产生阻力损失，可在叶轮与泵壳间安装一个如下图所示的导轮，它是一个固定不动而带有叶片的圆盘，液体由叶轮1甩出后沿导轮2的叶片间的流道逐渐发生能量转换，使能量损失尽量减少如图：1—叶轮；2—导轮；3—蜗壳三、其它泵轴、导轮、轴封装置2-3离心泵的主要性能参数离心泵的性能参数是用以描述一台离心泵的一组物理量：一、流量Q:离心泵在单位时间送到管路系统的液体体积，常用单位为m3/s或m3/h；二、扬程（又称压头）H：离心泵对单位重量的液体所能提供的有效能量，其单位为J/N，即m，扬程需实测；f21221212e2)(HguugppzzHgpphH120z２－z１=h0，动能差项可忽略三、功率和效率1.轴功率N和有效功率Ne2．效率ηgHQNe00100/NNe离心泵的能量损失：容积损失：由于泵的泄漏所造成的损失。容积效率ηv水力损失：摩擦阻力及局部阻力造成的损失。水力效率ηh机械损失：机械摩擦引起的能量损失。机械效率ηM离心泵的总效率即包括上述三部分：η=ηvηhηM2-4离心泵的特性曲线02040608010012014004812162024283236010203040506070809004812n=2900r/minIS00-80-160B离心泵H[m]Q/m3/h[%]N[kW]离心泵的实际特性曲线关系、、只能靠实验测定。测定条件：101.3kpa，20℃清水，一定转速。在泵出厂时列于产品样本中以供参考。1.H-Q曲线：表示泵的压头与流量的关系。Q↗时，H↘，当Q=0时，H最大。2.N-Q曲线：表示泵的轴功率与流量的关系。Q↗时，N↗,当Q=0时,N为最小(但是并不等于0)。离心泵启动时，要先关闭出口阀门（即Q=0）以保护电机.QHQNQ3.η－Q曲线：表示泵的效率与流量的关系。Q↗时，η先是↗，后又↘，所以η－Q线有一极值点，在此点处，泵的效率最高（即压头损失最少）。额定值（额定流量，额定功率，额定扬程，额定效率等）。离心泵铭牌上标注的就是离心泵的额定参数，最佳工况参数，设计点。实际操作时，一般要求效率不低于额定效率的92％。二、转速对特性曲线的影响2121nnQQ转速变化特性曲线变化，在转速变化小于±20%范围内22121)(nnHH32121)(nnNN（比例定律）三、叶轮直径对特性曲线的影响在叶轮外径的减小变化不超过5％时：1212DDQQ21212DDHH31212DDNN（切割定律）影响离心泵性能的因素和性能换算离心泵特性曲线测定条件：101.3kpa，20℃清水，一定转速。若所输送的液体性质与此相差较大时，泵的特性曲线将发生变化，应当重新进行换算。1.粘度的影响：增大，Q、H、η都下降，但N上升。一般在液体运动粘度ν＞20×10６（相当于水粘度的20倍左右）时,需要对特性曲线进行换算.2.密度的影响：H和Q均与液体的密度无关，N和Ne随密度的增加而增加：gHQNeNNe/例：用清水测定某离心泵的特性曲线，实验装置如附图所示。当调节出口阀使管路流量为25m3/h时，泵出口处压力表读数为0.28MPa（表压），泵入口处真空表读数为0.025MPa，测得泵的轴功率为3.35kW，电机转速为2900转/分，真空表与压力表测压截面的垂直距离为0.5m。试由该组实验测定数据确定出与泵的特性曲线相关的其它性能参数。解：与泵的特性曲线相关的性能参数有泵的转速n、流量Q、压头H、轴功率N和效率。其中流量和轴功率已由实验直接测出，压头和效率则需进行计算。以真空表和压力表两测点为1，2截面，对单位重量流体列柏努利方程扬程的测定22212121122fppuuHHzzgg6212120.280.025100.531.6mHO10009.81ppHzzg%2.6435.315.2NNe把数据代入，得在工作流量下泵的有效功率为泵轴功率为kW15.2W2150360081.91000256.31HQgNe2-5离心泵的工作点与流量调节一、管路特性曲线表示在特定管路系统中，于固定操作条件下，流体流经该管路时所需的压头与流量的关系22112212f22pupuzHzHgggg22212121f()()2ppuuHzzHggg22fpuHggΔu2/2g可略去，2452282QddllggudllHeef2528QdllggpzHe20kQHH管路特性方程(抛物线)1——高阻管路2——低阻管路泵的特性曲线H-Q线与所在管路特性曲线He~Qe线的交点（M点)。①工作点由泵的特性和管路的特性共同决定二、工作点②工作点对应的Q和H既是泵能够提供的，也是管路所需要的；③工作点反映了一台泵的实际工作状态。EDCHQ三、流量调节即改变泵的工作点。可通过改变泵的特性和管路特性实现1.改变阀门开度以增加阻力损失为代价，并且还有可能使离心泵转入低效率区工作，所以经济上不合算。但这种调节方法非常方便，所以常用于经常性，小范围调节流量的场合。节能、方便，但造价高（因为常需要采用微机控制）。这对大型泵的节能尤为重要。2．改变泵的转数EDC231HQ3．切割叶轮外径节能，但不方便，常用于周期性，较大范围的流量调整。【例】将20℃的清水从贮水池送至水塔，已知塔内水面高于贮水池水面13m。水塔及贮水池水面恒定不变，且均与大气相通。输水管为φ140×4.5mm的钢管，总长为200m（包括局部阻力的当量长度）。现拟选用4B20型水泵，当转速为2900r/min时，其特性曲线见附图，试分别求泵在运转时的流量、轴功率及效率。摩擦系数λ可按0.02计算。（1）管路特性曲线方程在贮水池水面与水塔水面间列柏努利方程式中ΔZ=13mΔp=0由于离心泵特性曲线中Q的单位为L/s，故输送流量Qe的单位也为L/s，输送管内流速为：＝本题的管路特性方程为：He=13+feHgpZHeeeQQdQu0742.0131.041000100042281.920742.0131.020002.0222eefQgudllH200857.0eQ200857.0eQQe/L·s－10481216202428He/m1313.1413.5514.2315.216.4317.9419.72由上表数据可在4B20型水泵的特性曲线图上标绘出管路特性曲线He－Qe。（3）流量、轴功率及效率附图中泵的特性曲线与管路特性曲线的交点就是泵的工作点，从图中点M读得：泵的流量Q=27L/s=97.2m3/h泵的轴功率N=6.6kW泵的效率η=77%（2）标绘管路特性曲线根据管路特性方程，可计算不同流量所需的压头值，现将计算结果列表如下：一、汽蚀现象2-6离心泵的汽蚀现象与安装高度fgHguHgpgp22101当Hg增加到使时,有:vpp1①叶轮中心处发生汽化，产生大量汽泡；②汽泡在由叶中心向周边运动时，由于压力增加而急剧凝结，产生局部真空，周围液体以很高的流速冲向真空区域；汽蚀现象离心泵在汽蚀状态下工作：①泵体振动并发出噪音；②压头、流量在幅度下降，严重时不能输送液体；③时间长久,在水锤冲击和液体中微量溶解氧对金属化学腐蚀的双重作用下,叶片表面出现斑痕和裂缝,甚至呈海绵状逐渐脱落。③当汽泡的冷凝发生在叶片表面附近时，众多液滴尤如细小的高频水锤撞击叶片怎样保证操作时就不会发生汽蚀?泵的实际安装高度低于允许安装高度.1.有效汽蚀余量（NPSH）a为防止气蚀现象的发生，在离心泵的入口处液体的静压头和动压头之和必须大于操作温度下的液体饱和蒸汽压头某一数值，此数值即定义为离心泵的有效汽蚀余量：二、汽蚀余量gpgugpNPSHv2211a）（的物理意义：越小,表明叶轮入口处的压力越低，离心泵的操作状态越接近汽蚀。a）（NPSHa）（NPSH2.必需汽蚀余(NPSH)r实际上就是离心泵从泵入口处流到叶轮压力最低处的的全部压头损失.rNPSH)(时，不发生汽蚀；＝时，开始发生汽蚀＜时，发生严重汽蚀．3．允许汽蚀余量≥a)(NPSHa)(NPSHrNPSH)(rNPSH)(a)(NPSHrNPSH)(a)(NPSH+0.5＞三、离心泵的允许安装高度＝时，开始发生汽蚀。)10(r0fvgHNPSHgpgpH）（为保证离心泵不发生汽蚀现象，需使maxggHHa)(NPSHrNPSH)(讨论:汽蚀现象的产生可以有以下三方面的原因：①离心泵的安装高度太高；②被输送流体的温度太高，液体蒸气压过高；③吸入管路的阻力或压头损失太高。正是综合了以上三个因素对汽蚀的贡献。一个原先操作正常的泵也可能由于操作条件的变化而产生汽蚀最大允许安装高度为负值，这说明该泵应该安装在液体贮槽液面以下。gHHg的大小与Q有关。Q越大，计算出的Hg越小。因此用可能使用的最大Q来计算Hg最保险实际安装高度比最大允许安装高度还要小0.5至1米应注意尽量减小吸入管路的压头损失，或将离心泵安装在贮槽液面以下，使液体利用位差自动流入泵体内。【例】选用某台离心泵，从样本上查得其允许汽蚀余