第二章：流体输送机械.doc

第二章：流体输送机械一、本章学习目的 通过本章的学习，了解各种流体输送机械的操作原理、基本构造与性能；掌握离心泵的主要性能参数；了解离心泵的特性曲线；能合理地选择离心泵的类型，决定其规格，计算功率消耗，正确地安装其在管路系统中的位置，并进行操作管理。二、本章思考题2-1 离心泵在启动前，为什么泵壳内要灌满液体？启动后，液体在泵内是怎样提高压力的？泵入口的压力处于什么状态？2-2 离心泵的特性曲线有几条？其曲线形状是什么样子？离心泵启动时，为什么要关闭出口阀门？2-3 在测定离心泵的扬程与流量的关系时，当离心泵出口管路上的阀门开度增大后，泵出口压力及进口处的液体压力将如何变化？2-4 离心泵操作系统的管路特性方程是怎样推导的？它表示什么与什么之间的关系？2-5 离心泵的工作点是怎样确定的？流量的调节有哪几种常用的方法？2-6 何谓离心泵的气蚀现象？如何防止发生气蚀？2-7 影响离心泵最大允许安装高度的因素有哪些？2-8 什么是液体输送机械的扬程（或压头）？离心泵的扬程与流量的关系是怎样测定的？液体的流量、泵的转速、液体的黏度对扬程有何影响？2-9 管路特性方程中的与的大小，受哪些因素的影响？三、本章例题例2-1 某油田通过30015mm的水平钢管将原油输送至炼油厂。管路总长为1.6105m，输油量要求为250103kg/h，现已知油在输送温度下的粘度为0.187Pas，密度为890kg/m3。该油管的局部阻力可忽略，现决定采用一种双吸五级油泵，此泵在适宜工作范围内的性能列于本例附表1中。 附表1Q/（m3/h）200240280320H/m500490470425注：表中数据已作粘度校正。试求在整个输油管路上共需几个泵站？实际输送量为若干kg/h。解：油的体积流量Q=280.9m3/h管内流速u=1.363m/sRe=17512000为滞流因原油在直管内作滞流流动，故：管路压头损失Hf= =2050m由附表1单台泵的特性数据查出：当Q=280.9m3/h时，H=467.5m初估泵系数 n=4.385故应采用5个泵站。根据串联原理，用同规格5台泵串联的压头为单台泵的5倍，计算出数据列于本题附表2中。 附表2Q/（m3/h）200240280320H/m2500245023502125H/m5台泵串联合成特性曲线He=7.302QeM2002401400160018002000220024002-1 附图280320Q/（m3/h）将以上数据标绘在本题附图中，得泵的串联合成特性曲线。因输送管路为水平直管，故管路特性曲线方程为： He=Hf=7.302Qe2将此管路特性曲线方程标绘在本题附图中，得泵的串联合成特性曲线。管路特性曲线与泵合成特性曲线的交点，即为工作点，其对应的流量、压头分别为： QM=305m3/h HM=2230m故实际输油量为 Wh=305890=271103kg/h例2-2 某水泵性能参数列于本题附表1中。现有两个管路系统，他们的管路特性方程分别为： He=15+0.077Qe2及 He=15+0.88 Qe2为提高管路系统的供水量，每条管路系统均用两台相同的泵进行组合操作，试比较各个管路系统泵的最佳组合方式及最大流量为若干。附表1Q/（L/s）01357911H/m33.834.734.631.727.421.815 解：先按题给已知数据画出单台泵的特性曲线M1M2，按压头不变流量加倍的原则，画出二台泵并联时的合成特性曲线AC，又按流量不变压头加倍的原则，画出二台泵串联时的合成特性曲线DB。对于第一种管路系统，按He=15+0.077Qe2计算出不同Qe下对应He，计算结果列于本题附表2中，然后在本题附图中画出管路特性曲线ABM1。附表2Q/（L/s）1357911He/m15.07715.6916.9318.7721.2424.32由图可读出泵并联时的工作点A QA=13.1L/s泵串联时的工作点B QB=11.6 L/s单台泵工作点M1 QM=9.2 L/s由此可见，对于第一种管路系统，即管路特性曲线较平坦的低阻管路，用两台泵并联组合，可获得高的流量，最大流量为13.1 L/s。对于第二种管路系统，按He=15+0.88 Qe2计算出不同Qe下对应的He，计算结果列于本题附表3，然后在本题附图中画出管路特性曲线DCM2。附表3Q/（L/s）13579He/m15.8822.9237.058.1286.28He=15+0.077Qe2He=15+0.88Qe2串单台泵M2CM1ABD706050403020101023456789101112132-2附图由图读出泵并联时的工作点C的流量QC=4.7 L/s。泵串联时的工作点D的流量QD=6.8 L/s单台泵操作时其工作点M2的流量QM2=4.45 L/s。由此可见，对于管路特性曲线较陡的高阻管路，用二台泵串联可获得较大的流量，最大流量为68 L/s。例2-3 在图示管路中装有一台离心泵，离心泵的特性曲线方程为（式中的单位用m3/s表示，的单位用m表示），管路两端的位差，压差。用此管路输送清水时，供水量为1010-3m3/s，且管内流动已进入阻力平方区。若用此管路输送密度为1200kg/m3的碱液，阀门开度及管路两端条件皆维持不变，试求碱液的流量和离心泵的有效功率为多少？210m211PaPa 解：联立管路两端之间的机械能衡算式与泵特性方程可得据题意，当供水量为1010-3m3/s时，泵的压头为 故因流动进入阻力平方区，且阀门开度不变，用此管路输送碱液K值不变，此时的管路特性方程可由两端面之间的机械能衡算式求得： 而泵特性方程与流体密度无关，由泵和管路特性方程联立 得 离心泵的有效功率为 当此管路输送水时， ， 从本例计算结果可以看出，用同样的管路和离心泵输送密度较大的液体，流量不会降低（如管路两端压强相同，压头、流量与流体密度无关）。但离心泵的功率与密度成正比，需注意防止电机过载。例2-4 某工艺过程需要使用温度为294K、压强为101.33kPa、流量为1700m3/h的空气。现用一台离心通风机，从温度为366.3K、压强为98.9kPa的静止空间吸入空气，由风机排出的空气温度不变，压强为102.6kPa，气体速度为46m/s，风机的效率为60%，试计算风机的轴功率。解：风机前后压强变化与吸入压强之比为： =空气虽为可压缩气体，但由上式计算结果知，可将空气当作不可压缩流体处理。用平均压强计算空气的平均密度： kPa kg/m3要求输送空气的摩尔流量为： kmol/h以上流量换算成吸入状态下的体积流量为： m3/h风机操作条件下的风压 =4715Pa风机的轴功率 kW例2-5 气体密度对风机流量的影响p/kPa 12A01232-5附图用离心泵通风机将空气送至表压为490.5Pa的锅炉燃烧室，通风机的特性曲线如图所示。已知在夏季（气温为20，大气压为101.3kPa）管路中的气体流量为2.4kg/s，且流动已进入阻力平方区。试求在冬季气温降为-20，大气压不变，此管路中的气体流量为多少？ 解： 由给定条件可知，在夏季气体状态与特性曲线试验条件相同，空气密度。通风机在夏季的体积流量 由通风机特性曲线查得，此时风机产生的风压力为。通风机的工作点（）必落在下列管路特性曲线上，故 由此式可求得系数 在冬季，空气密度为因管内流动已进入阻力平方区，K值不变，故在冬季管路所需要的风压与流量的关系为将上式左端换算成试验条件下的风压，则 上式即相应于冬季工作条件的管路特性曲线。此管路特性曲线与泵特性曲线交点A即泵在冬季的工作点。由点A可知，在冬季管路的体积流量为2.03m3/s，质量流量为2.031.4=2.84kg/s。与夏季相比，质量流量增加了从此例可以看出，当气体的压缩性可以忽略时，气体输送管路计算与液体输送管路相同，也是联立求物料衡算式、机械能衡算式、阻力系数计算式和泵特性曲线方程式。所不同的是通风机的特性曲线是以单位体积气体为基准表示的，与气体密度有关。因此，当被输送气体不是在常温常压下的空气时，管路特性曲线应事先加以换算。 从此例还可以看出，同样的管路输送气体，气体的温度降低，密度增大，质量流量可能显著增加。例2-6 根据输送任务确定管径与相应的离心泵A13m2-6附图欲将池水以的流量送至高位槽，高位槽水面比水池液面高13米，管长为50米，管路内有90弯头2个，全开闸门阀一个，入口底阀一个（），试在常用流速范围内选择两个流速，分别计算管径并选用适当的泵。解：本例属设计型问题。在设计型问题中泵尚未确定，泵的特性曲线方程未知，故只有以下三式可用：物料衡算式 能量衡算式 直管阻力系数计算式 在以上三式中，含有、和共12个变量，其中已知、和（随管材的选择而定），但问题仍没有确定的解。设计者选择不同的流速，计算管径和所需压头，然后根据流量和压头选用相应的泵，并从中选出最优的方案。根据水在管内的常用流速（13m/s）范围，选择以下两种流速进行计算：（1）选择，则 根据产品规格，采用热轧钢管，=82mm，管壁粗糙度取=0.2mm，管内流速为 、 查得。管路所需压头为 根据，可选用IS80-65-125型水泵。（2）选择，则 采用热轧钢管，则 ， 根据，可选用IS80-65-160型水泵。两种管径所需压头之比为28.1/17.9=1.57，显然，采用较大管径可减小能耗。但究竟选择哪一个方案，还应按使用年限计算管路和离心泵的折旧费，综合考虑操作费和折旧费后，以总费用较小者为佳。例2-7 输送管路对外加功的需求 在图示管路中装有离心泵，吸入管直径，长，阻力系数，压出管直径，长，阻力系数，在压出管E处装有阀门，其局部阻力系数，管路两端水面高度差H=10m，泵进口22高于水面2m，管内GH流量为。试求：FEDCB（1）每千克流体需从离心泵获得多少机械能？2m（2）泵进、出口断面的压强和各为多少？11A（3）如果是高位槽中的水沿同样管路向下流出，2-7 附图管内流量不变，问是否需要安装离心泵？解：（1）泵吸入管内的流速为 泵压出管内的流速为 在断面1-1和2-2之间列机械能衡算式，并移项整理得：克服阻力损失所需能量仍然是由势能直接提供的。 从以上计算结果可以看出，流体所获得的外加功主要用于克服管路阻力和增加流体的势能。对于通常管路，动能增加项很小，可以忽略不计。（2）以断面1-1为基准，在断面1-1和C-C之间列机械能衡算式可得 在断面D-D和2-2之间列机械能衡算式可得 在断面C-C和D-D之间机械能衡算式得 此结果表明，输送机械能对流体做功的最终结果主要是增加了流体的压强能。 （3）在断面2-2和1-1之间列机械能衡算式，可求出沿同一管路（无泵）输送同样流量所需要的势能差为 管路两端流体的实际势能差为 因，所以单靠势能差不足以克服管路在规定流量下的阻力，所差部分需要输送机械提供。四、本章习题选择题、填空题2-1 用离心泵从水池抽水到水塔中，设水池和塔液面维持恒定，若离心泵在正常操作范围内工作，开大出口阀将导致（ ）。 （A） 送水量增加，泵的压头下降； （B）送水量增加，泵的压头增大； （C） 送水量增加，泵的轴功率不变； （D）送水量增加，泵的轴功率下降。2-2 某离心泵在运行半年后，发现有气缚现象，应（ ）。 （A）降低泵的安装高度； （B）停泵，向泵内灌液； （C）检查出口管路阻力是否过大； （D）检查进口管路是否泄漏。2-3 从低位槽向高位槽输水，单台泵可在高效区工作。若输送管路较长，且输送管路布置不变，再并联一台相同泵，则（ ）。 （A）两泵均在高效区工作； （B）仅新装泵在高效区工作； （C）仅原装泵在高效区工作； （D）两泵均不在原高效区工作。2-4 开大离心泵的出口阀，离心泵的出口压力表读数将（ ）。 （A）增大； （B）减小； （C）先增大后减小； （D）先减小后增大。2-5 若离心泵启动后却抽不上水来，可能的原因是：（ ）。 （A）开泵时出口阀未关闭； （B）离心泵发生了气缚现象； （C）未灌好泵； （D） 进口阀未开2-6 输送系统的管路特性方程可表示为H=A+BQ2，则（ ）。（A）A只包括单位质量流体需增加的位能；（B）A包括单位质量流体需增加的位能和静压能；（C）BQ2代表管路系统的局部阻力损失；（D）BQ2代表单位质量流体需增加的动能。2-7 在测量离心泵特性曲线实验中，管路特性曲线可写为H=A+BQ2，当管路循环且出口端插入循环水槽液面下，则A值（ ）。（A）大于零； （B）小于零； （C）等于零； （D）不确定。2-8 由离心泵和某一管路组成的输送系统，其工作点（ ）。 （A）由泵铭牌上的流量和扬程所决定； （B）由泵的特性曲线所决定； （C）即泵的最大效率所对应的点； （D）是泵的特性曲线与管路特性曲线的交点。2-9 在测定离心泵特性曲线的实验中，启动泵后，出水管不出水，泵进口处真空表指示真空度很高，某同学正确地找到原因并排除了故障。你认为可能的原因是（ ）。 （A）水温太高； （B）真空表损坏； （C）吸入管堵塞； （D）排出管堵塞。2-10 测定离心泵特性曲线实验管路中，压强最低的是（ ） （A）吸入口处； （B）泵壳靠近吸入口一侧；（C）叶轮入口处； （D）泵壳出口端。2-11离心泵与往复泵的启动与流量调节不同之处是离心泵（ ），往复泵（ ）。2-12 用离心泵将水池中水送至常压水塔，若在离心泵正常操作范围内，将出口阀开大，则流量变大，扬程变小，管路总阻力损失变小，轴功率变大 （变大、变小、不变、不确定）。2-13 如图示操作中的离心泵输液管路，已知容器上方真空表读数为，现在增大，其他管路条件不变，则管路总阻力损失变大（变大、变小、不变、不确定）。2-14 图示管路用泵将江中水送上敞口容器。若在送水过程中江面水位上升，流量 （变大、变小）。现欲维持原流量不变，则出口阀应如何调节？变大，关小出口阀，试比较调节前后泵的扬程变大（变大、变小、不变）。题 13附图题14附图B10mA题15附图10m2-15 如图所示管路，用两台泵分别抽入A、B两种液体至混合槽。已知两台泵完全相同，且几何安装位置、管路直径、长度、局部管件均相同。今用出口阀A、B调节至流量，（1）当混合槽内液面上方压强表读数p=0时，阀门A开度 = 阀门B开度；（2）当0时，阀门A开度阀门B开度（、=、）。2-16 离心泵输送管路，单操作时流量为，扬程为。现另有一台型号相同的泵，在管路状态不变的条件下，将泵串联时输送流量为，扬程为，将泵并联时输送流量为，扬程为。则（B）A=，=2；=2，=；B，；，；C=2，=；，；D视管路状态而定。判断题2-17 关闭离心泵的出口阀后，离心泵的有效功率均为零。（ ）2-18 逐渐开大出口阀的开度，则离心泵的流量增大，效率下降。（ ）2-19 管路中两台相同泵并联操作后，与单台泵相比，工作点处流量是原来单台泵的两倍。（ ）题 22附图2-20往复泵的流量调节不可以采用出口阀调节。（ ）2-21 往复泵在使用前必须灌泵。（ ）问答题2-22 如图所示的2B31型离心泵装置中，你认为有哪些错误？并说明原因。2-23 离心泵发生气缚与气蚀现象的原因是什么？有何危害？应如何消除？D10mABFEC10m题24 附图计算题2-24 用一台泵同时向两个容器供水，管路布置情况如图所示。已知：密闭容器上方表压，敞口容器上方压强为；主管AB长度（包括所有局部阻力的当量长度），管径；支管BC长度（包括除阀门外所有局部阻力的当量长度），管径，装有闸门阀一个，要求最大流量。支管BD长度（包括除阀门外所有局部阻力的当量长度），管径，装有闸门阀一个，要求最大流量。假定管内流动处于阻力平方区，管路阻力系数。试选用一台合适的离心泵。答：IS80-65-1252-25 用离心泵将河水送至某处，管路两端的总势能差为15m。当叶轮转速为2900r/min时，离心泵特性方程式为H=45-1.3106q2V（式中qV以m3/s表示），管内流量为0.003m3/s。现需要的水量减少20%，试求：（1）关小出口阀门，泵的理论功率为多少？（2）降低叶轮转速，泵的理论功率为多少？转速应调至多少？答：（1）883W；（2）629W，2528rpm2-26 用某离心泵从真空操作的蒸发器内抽出完成液，完成液处于沸腾状态，已知泵吸入管直径为50mm，吸入管总长为10m（包括局部阻力的当量长度），管内流量为5.510-3m3/s，直管阻力系数为0.02，试求泵的允许安装高度。离心泵NPSHf=2.5m。答：5.5910-3m3/s2-27 某离心泵的吸入管和压出管直径分别为70mm和50mm，在泵的