化工原理第二章流体输送改

心泵 心泵的操作原理、构造与类型 （ 1）操作原理 由若干个弯曲的叶片组成的 叶轮 置于具有蜗壳通道的 泵壳 之内。 叶轮 紧固于 泵轴 上 泵轴与 电机 相连， 可由电机带动旋转。 吸入口位于泵壳中央与吸入管路相连，并在吸入管底部装 一止逆阀。 泵壳的侧边为排出口，与排出管路相连，装有调节阀。 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（ 15m/s） 流入泵壳 。 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 。 离心泵之所以能输送液体 ， 主要是 依靠高速旋转叶轮所产生的离心力 ， 因此称为 离心泵 。 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 。 气缚现象 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。 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。 （ 2）基本部件和构造 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。 按吸液方式 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。）泵壳 泵壳的作用 汇集液体，作导出液体的通道； 能量转换装置，使液体的能量发生转换，一部分动能转变为静压能。 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。 封装置 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。 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 强不息 知行合一 （ 3)离心泵的分类 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 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。 强不息 知行合一 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 , （ 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。（ 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。 强不息 知行合一 (1)离心泵基本方程式的导出 假设如下理想情况 ： 1） 泵叶轮的 叶片数目为无限多个 ， 也就是说叶片的厚度为无限薄 ， 液体质点沿叶片弯曲表面流动 ， 不发生任何环流现象 。 2） 输送的是 理想液体 ， 流动中 无流动阻力 。 离心泵在上述理想情况下所能产生的压头 ， 称为理想压头 ， 此即为离心泵所能达到的最大压头 。 高速旋转的叶轮当中，液体质点的运动包括： 液体随叶轮旋转 ； 经叶轮流道向外流动。 液体与叶轮一起旋转的速度 小为： 602 11602 22体沿叶片表面运动的速度 1、 2， 方向为液体质点所处叶片的切线方向，大小与液体的流量、流道的形状等有关 单位重量液体由点 1到点 2获得的机械能为 : 单位重量理想液体 ， 通过无数叶片的旋转 ， 获得的能量称作 理论压头 ， 用 H表示 。 两个速度的 合成速度 就是液体质点在点 1或点 2处 相对于静止的壳体的速度 ，称为 绝对速度 ， 用 C: 液体经叶轮后 动能的增加 ； 液体经叶轮后 静压能的增加； 静压能增加项 1） 液体在叶轮内接受离心力所作的外功 ， 单位质量液体所接受的外功可以表示为： 2)(221222122222121d r 2） 叶轮中相邻的两叶片构成自中心向外沿逐渐扩大的液体流道，液体通过时部分动能转化为静压能， 这部分静压能的增加可表示为： 22221 位重量流体经叶轮后的静压能增加为 : 222212122 222212222212122（ a） 根据余弦定理，上述速度之间的关系可表示为： 111212121 c o 222222222 c o 入（ a） 式，并整理可得到： )c o sc o s( 111222 (b) 一般离心泵的设计中，为提高理论压头，使 1=90， 即 =0 c o s 222 离心泵的基本方程式 离心泵理论压头的表达式 论压头与理论流量 流量可表示为叶轮出口处的径向速度与出口截面积的乘积 s 22 从点 2处的速度三角形可以得出 222222 s i nc o s c t 代入 H=g )s 22222 c t )2(1222222t 2222 2)(1 c t H离心泵基本方程式 表示离心泵的 理论压头与理论流量，叶轮的转速和直径、叶轮的几何形状 间的关系。 于某个离心泵 （ 即其 2、 2、 ， 当转速 一定时 ， 理论压头与理论流量之间呈线形关系 ， 可表示为： (2)离心泵基本方程式的讨论 1）离心泵的理论压头与叶轮的转速和直径的关系 当叶片几何尺寸 （ 2） 与理论流量一定时，离心泵的 理论压头随叶轮的转速或直径的增加而加大。 2）离心泵的理论压头与叶片几何形状的关系 根据叶片出口端倾角 2的大小 ,叶片形状可分为三种 : a） 径向叶 片 （ 2=90， 图 a）， 。 泵的理论 压头不随流量 而变化。 b） 后弯叶片 (20 。 泵的理 论压头随流量 增大而减小 c） 前弯叶片 (290， 图 c)， 。 泵的理论压头随理论流量 增大而增大。 弯叶片产生的理论压头最高，这类叶片是最佳形式的叶片吗？ 2212122 动压头的增加： 122 前弯叶片，动能的提高大于静压能的提高。 由于液体的流速过大，在动能转化为静压能的实际过程中，会有大量机械能损失，使泵的效率降低。 一般都 采用后弯叶片。 3)实际压头 离心泵的实际压头与理论压头有 较大的差异 ， 原因在于流体在通过泵的过程中 存在着压头损失 ，它主要包括： 1） 叶片间的环流 2） 流体的 阻力损失 3） 冲击损失 理论压头 、 实际压头及各种压头损失与流量的关系如图： 离心泵的主要性能参数与特性曲线 (1)离心泵的性能参数 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 Q 表示，单位为 m3/h。 又称为泵的送液能力 。 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 。 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 Q， 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 2222 2)(1 c t 的计算可根据 b、 (2222 (222 )( 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 。 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 来反映能量损失 。这些能量损失包括： 水力损失 容积损失 机械损失 泵的效率反应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 。 功率及有效功率 轴功率： 电机输入离心泵的功率 ,用 N 表示，单位为 J/S,W或 效功率： 排送到管道的液体从叶轮获得的功率，用 轴功率和有效功率之间的关系为 ： /有效功率可表达为： 轴功率可直接利用效率计算： /2)离心泵的特性曲线 离心泵的 H、 、 N 都与离心泵的 Q 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 Q 、 Q 、 N Q 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 。 心泵的特性曲线图 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 ） N 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 。 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 。 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 Q、 H、 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%。 离心泵性能的改变 （ 1）液体性质的影响 液体密度的影响 s 22 离心泵的流量 与液体密度无关。 离心泵的压头 c o s 222 与液体的密度无关 。 H 。 泵的效率 不随输送液体的密度而变。 /离心泵的轴功率与输送液体密度成正比 。 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 2 10汽油、柴油、煤油等粘度的影响可不进行修正。 2)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： 2)( 3)( 比例定律 2 222 )( 322 )( 属于同一系列而尺寸不同的泵，叶轮几何形状完全相似， 2保持不变，某一尺寸的叶轮外周经过切削而使 2变大 , 若切削使直径 0%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： (3)叶轮直径的影响 离心泵的工作点与流量调节 （ 1）管路特性曲线与泵的工作点 管路特性曲线 流体通过某特定管路时 所需的压头与液体流量 的关系曲线。 在截面 1 2间列柏努利方程式 ， 并以 1面为基准水平面 ， 则液体流过管路所需的压头为： 22 式中 ： 022 )21()4)( 220 ll 420 1)( 令 而 e 管路的特性 方程 离心泵的工作点 离心泵的特性曲线与管路的特性曲线的交点 M， 就是离心泵在管路中的 工作点 。 在特定管路中输送液体时，管路所需的压头随所输送液体流量 平方而变化。 际输送的流量和提供的压头 。 ） 改变出口阀开度 改变管路特性曲线 阀门关小时： 管路局部阻力加大，管路特性曲线变陡，工作点由原来的 1点，流量由 当阀门开大时： 管路局部阻力减小，管路特性曲线变得平坦一些，工作点由 2流量加大到 优点 ：调节迅速方便，流量可连续变化； 缺点 ：流量阻力加大，要多消耗动力，不经济。 （ 2） 离心泵的流量调节 若把泵的转速降至 则 H作点移至 量减小到 优点： 流量随转速下降而减小，动力消耗也相应降低。 缺点： 需要变速装置或价格昂贵的变速电动机，难以做到流量连续调节，化工生产中很少采用。由于变频技术的发展，泵的调速已经变得普遍，因此，已不是缺点了。 若把泵的转速提高到 则 H作点由 1 ， 流量由 大到 2）改变泵的转速 改变泵的特性曲线 例 2确定泵是否满足输送要求。将浓度为 95%的硝酸自常压罐输送至常压设备中去，要求输送量为 36m3/h, 液体的扬升高度为 7m。输送管路由内径为80长为 160米（包括所有局部阻力的当量长度）。现采用某种型号的耐酸泵，其性能列于本题附表中。问： 该泵是否合用？ 实际的输送量、压头、效率及功率消耗各为多少？ Q(L/s) 0 3 6 9 12 15 H(m) 9 2 (%) 0 17 30 42 46 44 （ 1） 对于本题，管路所需要压头通过在储槽液面和常压设备液面之间列柏努利方程求得： 式中 管内流速： 管路压头损失： 22221121220)(0,7,0 212121 u，压 8 6 0 0 364 22 已知：酸液在输送温度下粘度为 0s；密度为 1545kg/擦系数可取为 管路所需要的压头： 以（ L/s）计的管路所需流量 : 103600 1000*36 由附表可以看出，该泵在流量为 12 L/流量为管路所需要的 10 L/s，它所提供的压头将会更高于管路所需要的 此我们说该泵对于该输送任务是可用的。 另一个值得关注的问题是该泵是否在高效区工作。由附表可以看出，该泵的最高效率为 46%；流量为 10 L/3%。因此我们说该泵是在高效区工作的。 （ 2）实际的输送量、功率消耗和效率取决于泵的工作点，而工作点由管路物特性和泵的特性共同决定。 由柏努利方程可得管路的特性方程为： 其中流量单位为 L/s 20 0 6 0 5 H e (L/s) 0 3 6 9 12 15 H(m) 7 此，可以作出管路的特性曲线和泵的特性曲线，如图所示。两曲线的交点为工作点，其对应的压头为 量为 s；效率 功率可计算如下： 0 2 23据此可以计算出各流量下管路所需要的压头，如下表所示： 2 4 6 8 10 12 14 166810121416182022Q, L/m 离心泵的气蚀现象与安装高度 （ 1）气蚀现象 气蚀产生的条件： 叶片入口附近 。 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。 )(22 2）汽蚀余量与允许安装高度 由泵的生产厂家提供的允许汽蚀余量可以计