2.流体输送机械

第二章流体输送机械2.1概述2.2离心泵操作性能方程2.3离心泵的工作点和流量调节2.4离心泵安装高度限制2.5离心泵的类型与选型2.1概述如何选用流体输送机械？fshugzpWugzp22222221112.1.1问题的提出：机械功是如何被加入到体系中的？是什么样的输送机械？其原理、结构是怎么样的？(3)简单了解往复泵、漩涡泵等的工作原理、特性、流量调节方法、安装要点及适应范围等；学习本章的基本要求：具体要求如下：了解流体输送机械的作用原理、简单结构、主要性能参数、选型的依据及使用注意事项。要求能根据生产任务的要求和管路特性选择合适的输送机械，并能正确安装使用。(1)了解流体输送设备在化工生产中的地位，应用及分类；(2)掌握离心泵的基本结构、工作原理、主要特性参数、特性曲线及其应用、流体调节、串并联特性、泵的安装、操作注意事项及选型等；流体输送设备：对流体做功以完成输送任务的机械或设备。流体输送设备是化工厂和其它领域所最常用的机械设备。生产上对流体输送的要求：输送的流体流量和压头各不相同；流体种类繁多、性质千差万别；温度、压力等操作条件也有较大的差别。流体输送机械分类：为液体提供能量的输送设备称为泵。离心泵往复泵其它类型泵为气体提供能量的输送设备则按不同情况分别称为机或泵。离心通风机、鼓风机与压缩机旋转鼓风机与压缩机往复压缩机真空泵2.1.2离心泵(CentrifugalPumps)简介1.离心泵的结构主要部件：1)叶轮：作用是将原动机的机械能传给液体，使液体的静压能和动能均有所提高。蔽式：前后有盖板，叶轮后盖板上开有若干个平衡小孔，以平衡一部分轴向推力。半蔽式：只有后盖板，后盖板上开有若干个平衡小孔。敞式(开式)：前后无盖板。蔽式效率最高，适用于输送洁净的液体，不适于输送浆料或含悬浮物的液体。半蔽式和敞式效率较低，常用于输送浆料或悬浮液。2)泵壳(蜗壳)：作用是汇集内叶轮抛出的液体，同时将高速液体的部分动能转化为静压能。原因是壳形状为蜗壳形，流道截面逐渐增大，u↓，p↑。4)轴封装置：泵轴与泵壳之间的密封称为轴封。作用是防止高压液体从泵壳内沿轴的四周漏出，或者外界空气以相反方向漏入泵壳内。3)泵轴：叶轮紧固于泵轴上。2.离心泵的工作原理启动前，须灌泵，以防产生气缚；启动电机后，泵轴带动叶轮一起旋转；在离心惯性力的作用下，中心吸入，边缘压出；流体进入泵壳后，动能下降，静压能升高，进入管路。3.离心泵的操作启动：启动前灌泵完毕后，此时关闭出口阀启动，这时所需的泵的轴功率最小，启动电流较小，以保护电机。启动后渐渐开启出口阀。停泵：要先关闭出口阀后再停机，这样可避免排出管内的水柱倒冲泵壳内叶轮、叶片，以延长泵的使用寿命。2.2离心泵操作性能方程2.2.1离心泵的主要性能参数1.流量V：液体在泵出口截面的流量；2.扬程He(压头)：离心泵对单位重量液体所提供的有效能量(出口截面总机械能与进口截面总机械能的差)，J/N=m；扬程与升扬高度(Δz)的区别：feHgugpzH223.有效功率Ne：单位时间内液体从泵处获得的机械能，W(J/s)，Ne=(gV)He；4.轴功率Na：电机(外界)输入泵的功率；5.效率η：有效功率与轴功率之比。η=Ne/Na能量损失包括：(1)容积损失：漏液(2)水力损失：阻力(3)机械损失：摩擦2.2.2离心泵的性能曲线(特征方程)1.理论曲线(基本方程式)d.入口角α1=90°。1)假设如下的理想情况：a.定态过程；b.μ=0(输送的是理想液体)，Hf=0(流动中无流动阻力)；c.离心泵叶轮的叶片数目无穷多个，叶片的厚度为无限薄。(液体质点是沿叶片弯曲表面流动，不发生任何环流现象。)2)液体质点在叶轮内的运动情况分析：三种点速度：圆周速度u1、u2：叶轮带动流体质点作回旋运动的速度，方向与所处圆周的切线方向一致；相对速度w1、w2：液体沿叶片表面运动的速度，其方向为液体质点所处叶片处的切线方向，其大小也与液体流量、流道形状有关。602,6022211nrunru绝对速度c1、c2：以上两种速度的矢量合成速度。两个夹角：α：u与cβ(离角)：w与-uu、w、c形成“速度三角形”，由余弦定理：111212121222222222cos2cos2ucucwucucw且有以下关系式成立：22222222222222sinsincoscosbrVwccwuccTruVT：通过叶轮的流量b2：叶轮出口处的宽度流量为外圆周面积乘以c2的径向分量。3)离心泵基本方程式(欧拉方程)的推导：理论扬程HT：每牛顿液体自叶轮内缘流至叶轮外缘其总机械能的增量。gccgppHmmT221221,2,gccgwwguu222212222212122gcucu111222coscosgcu222cosgwuugcuu)cos(2222222222222ctgVbrguguHTTTTBVAHHT和VT为直线关系4)离心泵基本方程式的讨论22222)(ctgVbggrHTT2222222ctgVbrguguHTTa.当泵叶轮叶片的几何尺寸(b2,β2)一定，且理论流量(VT)一定时，离心泵的理论压头(HT)随叶轮转速(n或ω)或直径(r2)的增大而增大。b.β2对HT～V的影响出口角β2与叶片几何形状的关系c)前弯叶片β290°，ctgβ20。a)后弯叶片β290°，ctgβ20；b)径向叶片β2=90°，ctgβ2=0；后弯叶片β290°：对离心泵来说较为理想。2222222ctgVbrguguHTT径向叶片：内耗大；前弯叶片：电机选型困难，涡流损失大；2.实际离心泵的性能曲线④泵内有各种泄漏现象，实际的V小于VT。1)实际的H～V线实际情况为：①叶片数目有限，叶片间流道较宽，叶片对液体流束的约束减小，使HT有所降低；②液体在叶片间流道内流动时存在轴向涡流，导致泵的压头降低；③液体具有粘性；实际的H～V曲线由实验测定。2)离心泵的特性曲线转速n一定时，1atm、20℃的清水为工质，由实验测得He～V，Na～V，η～V这三条曲线称为特性曲线。He=A-BV2hmV/,3aeNmH,VNa~VHe~V~0V最高效率对应的流量、轴功率、扬程是标在泵铭牌上的性能参数。说明：①He~V曲线：V，He，V很小时可能例外。呈抛物线He=A-BV2②Na~V曲线：V，Na。大流量大电机，当V=0，Na最小关闭出口阀启动泵，启动电流最小。③η~V曲线：V，η先后，存在一最高效率点，此点称为设计点。V与ηmax对应的He，V，Na值称为最佳工况参数，也是铭牌所标值。泵的高效率区η大于等于92%ηmax，这一区域定为泵的运转范围。2.2.3离心泵性能的改变与换算密度：rTcbrV2222故ρ与VT无关；He、也与无关；Ne=ρgVHe故ρ，Na、Ne都。粘度：1.流体的性质，He、V、；Na。2.转速的影响—比例定律n的变化在20%以内时：2212)(BVnnAHe3.叶轮直径的影响—切割定律D的变化在-5%以内时：1212nnVV21212nnHHee31212nnNNaa211212DDVV21212DDHHee31212DDNNaa2.3离心泵的工作点和流量调节2.3.1管路特性曲线假设将液体从低位槽1通过离心泵送到高位槽21-1’～2-2’截面间列伯努利方程:fmemHgugpHgugp22222,211,0,021uu大截面fmmeHgppH1,2,gpgpzHm0令：2)(2udllhef52222)(8421)(dllVdVdllee252)(8VgdllghHeffgdlle52)(8K:令实际生产中，流速多在阻力平方区，λ为定值，所以K为常数。综上，管路特性曲线方程为：He=H0＋KV2由图可见，对低阻力管路(K较小)，曲线较平坦(线1)；高阻力管路(K较大)，曲线较陡峭(线2)。VHegpz12管路特性曲线图2.3.2工作点(workingpoint)所谓离心泵的工作点M是指离心泵在特定的管路系统中运转时所提供的扬程和流量下恰好等同于管路所需的扬程和流量。1.作图法求M点：离心泵的性能曲线与管路特性曲线的交点即为M点。2.计算法求M点：联立He=A-BV2He=H0＋KV2KBHAV02.3.3离心泵的流量调节如果工作点的流量大于或小于所需的输液量，则须进行流量调节，实际上是改变泵的工作点。1.调节管路特性曲线：如改变出口阀的开度2.调节泵的性能曲线：改变泵的转速或叶轮直径3.上述两种方法的比较1)用阀门调节流量快速方便，且流量可以连续变化，化工生产中应用最广。其缺点是阀门关小时，流动阻力增加，要额外消耗一部分功率，且使泵在低效率点工作，经济上不合理。2)第二种方法在泵给出的流量压头不满足输送压头时，可以换叶轮或改变转速来调节。不额外增加流动阻力，变化前后泵的效率几乎不变，能量利用经济。但调节不方便，且变速装置或变速电动机价格贵，一般只有在调节幅度大，时间又长的季节性调节中才使用。2.3.3离心泵的组合操作1.前提：离心泵型号相同，吸入管路相同，则两泵的流量和扬程必相同。两泵串联的合成特性曲线：原则：流量相同，扬程相加；将单泵的特性曲线纵坐标加倍，横坐标不变。2.泵的串联串联工作点：串联的合成特性曲线与管路特性曲线的交点C即为新工作点。两泵串联系统管路特性曲线不变。H串＞H单，V串＞V单，但H串＜2H单单泵在b点工作设单泵的特性曲线：H＝A-BV2两泵串联的合成特性曲线：H串＝2A-2BV23.泵的并联两泵并联的合成特性曲线：原则：扬程相同，流量相加；将单泵的特性曲线纵坐标不变，横坐标加倍。并联工作点：并联的合成特性曲线与管路特性曲线的交点C即为工作点。两泵并联的合成特性曲线:H并＝A-B(V/2)2设单泵的特性曲线：H＝A-BV2V并＞V单，H并＞H单，但V并＜2V单单泵在b点工作4.组合方式的选择1)对管路特性曲线①而言，V1并=V1串，并、串联相同。3)对管路特性曲线③而言，V3并＜V3串，采用串联。(高阻管路)2)对管路特性曲线②而言，V2并＞V2串，采用并联。(低阻管路)低并高串2.4离心泵安装高度限制2.4.1问题的提出相同的工作点(管路、泵)，泵的安装高度不同，能否都能正常工作？泵的安装以不发生汽蚀现象为依据。2.4.2离心泵的气蚀现象(Cavitation)汽蚀现象外在表现：会产生噪音和震动，叶轮局部地方在巨大冲击力的反复作用下，材料表面疲劳，从点蚀到形成严重的蜂窝状空洞，损坏叶片。泵的流量，压头和效率急剧下降，严重时甚至吸不上液体。1.气蚀的过程：a.设泵能够正常工作，则：Hg↑，pK↓，pK=pV时，产生汽泡;).(0VKKgppconstgpHgpp0—大气压；Hg—汲上高度(安装高度)；pK—叶轮中心最低压强；pV——操作温度下液体的饱和蒸汽压。b.汽泡随液体沿叶片从低压区→高压区，这时汽泡迅速凝结或破裂。3.避免途径：pK要高于输送液体温度下的饱和蒸汽压。c.汽泡凝结后产生局部真空，周围液体以极高速流向空穴(原汽泡占据空间)。并对叶轮产生冲击(相当于几百atm=几万kPa)，冲击频率高达几万次，使叶轮或泵壳受到损坏。2.产生条件：Hg变化和输入管路的阻力。实质：叶轮中心pK太小。2.4.3正常操作必须满足的条件1.以水为工质pK/(ρg)≥pV/(ρg)+ee—“安全余量”，约为0.3～0.5m。我国e＝0.3m。2.特殊液体pK/(ρg)≥pV/(ρg)+0.32.4.4最大安装高度Hg,max的计算1.通过允许汽蚀余量△h允计算在1－k截面间列B’seq：