化工原理课程课件PPT之第二章流体输送机械.ppt

1、2020/12/13,1,第二章 流体输送机械,流体输送机械,输送液体的机械通称为泵。 输送气体的机械按不同的工况分别称为通风机、鼓风机、压缩机和真空泵,向流体作功以提高流体机械能的装置,2020/12/13,2,1. 动力式（叶轮式,叶轮高速旋转使流体获能,离心式、轴流式,2. 容积式（正位移式,活塞/转子挤压使流体获能,往复式、旋转式,3. 其它,如喷射泵,输送机械 工作原理,2020/12/13,3,本章的目的：结合化工生产的特点，讨论各种流体输送机械的操作原理、基本构造与性能，合理地选择其类型，决定规格，计算功率消耗，正确安排在管路系统中的位置等,2020/12/13,4,液体输送机械

2、泵,按泵的工作原理分,特点：使流体获得速度,特点：机械内部的工作容积不断发生变化,2020/12/13,5,2020/12/13,6,2.1 离心泵,一离心泵的构造和工作原理,1. 离心泵的构造,2020/12/13,7,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，其上装有调节阀,叶轮紧固于泵轴上，泵轴与电机相连，可由电机带动旋转,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,2020/12/13,8,2020/12/13,9,2020/12/13,10,2、离心泵的操作原理,2020/12/13,11,开泵前，先在泵内灌满要输送

3、的液体。 开动后，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（ 15 25 m/s）流入泵壳。 泵内的液体被抛出后，叶轮的中心形成了真空，由于泵的吸入管路一端浸没于输送液体内，另一端与叶轮中心处相通 。在液体压强（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,2020/12/13,12,思考： 流体在泵内都获得了哪几种能量？ 其中哪种能量占主导地位,思考： 泵启动前为什么要灌满液体,离心泵启动时，如果泵壳内存在空

4、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,2020/12/13,13,二离心泵主要构件的结构及功能,1叶轮,思考：三种叶轮中那一种效率高,闭式叶轮的内漏较弱些，敞式叶轮的最大。 但敞式叶轮和半闭式叶轮不易发生堵塞现象,叶轮的作用 将电动机的机械能传给液体,使液体的静压能和动能都有所提高,2020/12/13,14,叶轮轴向力将导致轴及叶轮的窜动和叶轮与泵壳的相互研磨,叶轮轴向力问题,吸液方式,2020/12/13,15,2泵壳,思考：泵壳的主要作用是什么,汇集液体，并导出液体

5、； 能量转换装置,2020/12/13,16,导轮,思考： 为什么导轮的弯曲方向与叶片弯曲方向相反,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,2020/12/13,17,3 轴封装置 a)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。 b)轴封的分类,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

6、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力互相贴紧而作相对运动，起到密封作用,端面密封,2020/12/13,18,2020/12/13,19,2020/12/13,20,压头： 泵提供给单位重量液体的能量称为泵的压头，用H表示，单位m,三离心泵的基本方程,2020/12/13,21,理论压头：理想情况下单位重量液体所获得的能量称为 理论压头，用HT表示,2020/12/13,22,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,1.

7、 理论压头表达式的推导,2020/12/13,23,在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,由中心沿叶轮向外侧运动,液体与叶轮一起旋转的速度u1或u2方向与所处圆周的切线方向一致，大小为,2020/12/13,24,液体沿叶片表面运动的速度w1、w2，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。 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c1、c2来表示。 单位重量理想液体通过无数多叶片的旋转叶轮获得的能量称作理论压头，用HT表示。 根据柏努利方程，单位重量液体由点1到点2获得的机械能为,2020/12/13

8、,25,Hc:液体经叶轮后动压头的增加 Hp:液体经叶轮后静压头的增加； 静压头增加项Hp主要由于两方面的因素促成： 1）液体在叶轮内接受离心力所作的外功，单位重量液体所接受的外功可以表示为,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，这部分静压头的增加可表示为,2020/12/13,26,单位重量流体经叶轮后的静压能增加为,a,根据余弦定理，上述速度之间的关系可表示为,2020/12/13,27,代入（a）式，并整理可得到,b,一般离心泵的设计中，为提高理论压头，使1=90，即cos1=0，所以,离心泵的基本方程式 离心泵理论压头的表达式,20

9、20/12/13,28,理论压头与理论流量QT关系 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,从点2处的速度三角形可以得出,离心泵基本方程式,2020/12/13,29,对于某个离心泵（即其2、r2、b2固定），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,表示离心泵的理论压头与理论流量、叶轮的转速和直径、叶轮的几何形状之间的关系,2020/12/13,30,请思考：与HT有关的因素有哪些？分别是怎样的关系,讨论： （1）理论压头与流量QT、叶轮转速、叶轮的尺寸和构造（r2、b2、2）有关,2）叶轮直径及转速越大，则理论压头越大,2、离心泵基本方程式的讨论,2020/12

10、/13,31,叶片后弯，20， 即HT随流量增大而减小,叶片径向，2=90，ctg2=0， 即HT不随流量而变化,叶片前弯，290，ctg20， 即HT随流量增大而增大,2020/12/13,32,思考：为什么工业用泵采用后弯叶片的居多,c2,w2,u2,后弯叶片,c2小，泵内流动阻力损失小,2020/12/13,33,静压头的增加,动压头的增加,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,2020/12/13,34,4）理论压头HT与液体密度无关。 这就是说，同一台泵无论输送何种密度的液

11、体，对单 位重量流体所能提供的能量是相同的,思考： 泵对单位体积流体所加的能量是否与液体密度无关,有关，gH 与密度呈正比,2020/12/13,35,3、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,也称水力损失,理论压头、实际压头及各种压头损失与流量的关系为,2020/12/13,36,2020/12/13,37,实际压头比理论压头要小。具体原因如下,主要取决于叶片数目、装置角2、叶轮大小等因素，而几乎与流量大小无关,1）叶片间的环流运动,2020/12/13,38,2）阻力损

12、失,可近似视为与流 速的平方呈正比,在设计流量下，此项损失最小。流量若偏离设计量越远， 冲击损失越大,3）冲击损失,四离心泵的主要性能参数和特性曲线,1离心泵的主要性能参数,四离心泵的主要性能参数和特性曲线,H，又称扬程，泵对单位重量流体提供的有效能量，m。 可测量,Q，泵单位时间实际输出的液体量，m3/s或m3/h。可测量,在泵进口b、泵出口c间列机械能衡算式,转速,流量,压头,n，单位r.p.s或r.p.m,四离心泵的主要性能参数和特性曲线,轴功率,N，又称功率，单位W 或kW,无量纲,Ne=Wews,We=gH,ws=Q,效 率,有效功率,Ne=HQg,以kW计,与效率有关的各种能量损失

13、,四离心泵的主要性能参数和特性曲线,小型水泵：一般为5070% 大型泵：可达90%以上,1）容积损失,2）水力损失,3）机械损失,泵轴与轴承、密封圈等机械部件之间的摩擦,包括 ：HQ曲线(平坦型、陡降型、 驼峰型) NQ曲线、 Q曲线,2. 离心泵特性曲线及其换算,用20C清水测定,四离心泵的主要性能参数和特性曲线,由图可见： Q，H ，N，有最大值,思考： 离心泵启动时均关闭出口阀门，why？ 为什么Q0时，N0,92max,四离心泵的主要性能参数和特性曲线,离心泵特性曲线的影响因素： 液体性质 密度,黏度,Why,当比20清水的大时，H，N,实验表明，当20厘斯时，对特性曲线的影响很小，可

14、忽略不计,1厘斯=10-6m2/s 20清水的粘度=1厘斯,叶轮转速,当转速变化不大时（小于20%），利用出口速度三角形相似的近似假定，可推知,四离心泵的主要性能参数和特性曲线,若不变，则,思考：若泵在原转速n下的特性曲线方程为 则新转速n下泵的特性曲线方程表达式,四离心泵的主要性能参数和特性曲线,泵在原转速n下的特性曲线方程,四离心泵的主要性能参数和特性曲线,叶轮直径,当叶轮直径因切割而变小时，若变化程度小于10%，则,若不变，则,思考：若泵在原叶轮直径下的特性曲线方程为 则叶轮切割后泵的特性曲线方程表达式,五、离心泵的工作点与流量调节,泵-供方 管路-需方,匹配,1、管路特性曲线,五、离心

15、泵的工作点与流量调节,1、管路特性曲线,五、离心泵的工作点与流量调节,2、流量调节,调节阀门,改变n、切割叶轮,阀门开大,阀门关小,工作点,例见P101,1、并联,六、离心泵的组合操作串、并联,泵并联时，在相同H下,请思考： 在输送系统中，将单台泵用并联泵组替代，则管路中的流量是否能达到原来的两倍？为什么,2、串联,六、离心泵的组合操作串、并联,泵串联时，在相同Q下,请思考： 在输送系统中，将单台泵用串联泵组替代，则管路中的压头是否能达到原来的两倍？为什么,3）离心泵组合方式的选择,对于低阻输送管路a，并联组合泵流量和压头的增大幅度大于串联组合泵； 对于高阻输送管路b，串联组合泵的流量和压头增

16、大幅度大于并联组合泵,低阻输送管路-并联优于串联； 高阻输送管路-串联优于并联,对于 值高于单泵所能提供最大压头的特定管路，则必须采用串联组合方式,选泵时，将流量、压头裕量控制在10%左右,习题课,今天只讨论操作型,例1 用离心泵将江水送至高位槽。若管路条件不变，则下列参数随着江面的下降有何变化？（设泵仍能正常工作） 泵的压头H， 管路总阻力损失Hf， 泵出口处压力表读数， 泵入口处真空表读数,管路特性曲线,平行上移,操作性问题分析 举例,解,江面下降，泵特性曲线不变,工作点左移,操作性问题分析 举例,3 3,操作性问题分析 举例,练习1 图示为离心泵性能测定装置。若水槽液面上升，则Q、H、N

17、、Hf 、p1和p2（均为读数）如何变化,答：Q不变，H不变，N不变，Hf不变,操作性问题计算 举例,例2 某离心泵工作转速为n=2900r.p.m.（转/min），其特性曲线方程为 。当泵的出口阀全开时，管路特性曲线方程为 ，式中Q的单位为m3/h，H及He的单位均为m。求： （1）阀全开时，泵的输水量为多少？ （2）要求所需供水量为上述供水量的75%时： a若采用出口阀调节，则节流损失的压头为多少m水柱？ b若采用变速调节，则泵的转速应为多少r.p.m.,解： （1,2) a. 采用调节出口阀门的方法,泵特性曲线方程,管路特性曲线方程,b. 采用调节转速的方法,Q,Q,注意：以下解法错误!

18、，因为新旧工作点 为非等效率点,泵特性曲线方程,管路特性曲线方程,新转速下泵的特性曲线方程为,七、离心泵的安装高度Hg,1、什么是安装高度,泵轴与吸液槽液面间的垂直高度，称为安装高度，用Hg表示。可正可负,Hg,为避免汽蚀现象，安装高度必须加以限制，即存在最大安装高度Hg,max,七、离心泵的安装高度Hg,为什么会有安装高度问题,汽蚀现象,当叶片靠近泵轴部位k的静压强流体在输送温度下的饱和蒸汽压时，此处流体发生部分汽化现象。产生气泡在输送过程中进而引起叶片、泵壳损坏的现象,叶片表面产生蜂窝状腐蚀 ； 泵体震动，并发出噪音； 流量、压头、效率都明显下降，气泡多时还可能产生气缚； 严重时甚至吸不上

19、液体,气蚀产生的条件 叶片入口附近K处的压强PK等于或小于输送温度下液体的饱和蒸气压,2、离心泵的允许吸上高度 离心泵的允许吸上高度又称为允许安装高度，指泵的吸入口与吸入贮槽液面间可允许达到的最大垂直距离，以Hg表示,贮槽液面0-0与入口处1-1两截面间列柏努利方程,若贮槽上方与大气相通，则p0即为大气压强pa,3、离心泵的允许吸上真空度,注意：Hs单位是压强的单位，通常以m液柱来表示。在水泵的性能表里一般把它的单位写成m（实际上应为mH2O,离心泵的允许吸上真空度 定义式,将,代入,得,允许吸上高度的计算式,1处的绝压，则pa-p1即为真空度,Hs值越大，表示该泵在一定操作条件下抗气蚀性能好

20、，安装高度Hg越高。 Hs与泵的结构、流量、被输送液体的物理性质及当地大气压等因素有关。 通常由泵的制造工厂 实验测定，实验在大 气压为 10 mH2O （ 9.81104 Pa）下, 以20清水为介质 进行的,Hs随Q增大而减小 确定离心泵安装高度时应使用泵最大流量下的Hs进行计算 若输送其它液体，且操作条件与上述实验条件不符时，需对Hs进行校正,4、气蚀余量 NPSH （ Net Positive Suction Head,为防止气蚀现象发生，在离心泵入口处液柱的静压头,某一数值,气蚀余量定义式,h 与Hg 的关系,当叶轮入口附近( k-k)最小压强等于液体的饱和蒸汽压pv 时，泵入口处

21、( 1-1)压强必等于某确定的最小值p1。 在1-1和k-k间列柏努利方程,NPSH）c 临界 （NPSH）r 必需,当流量一定且流体流动在阻力平方区时，气蚀余量仅与泵的结构和尺寸有关，是泵抗气蚀性能参数,允许吸上高度的计算式,h随Q增大而增大 计算允许安装高度时应取高流量下的h值,图,泵性能表上所列的h值也是按输送20的清水测定的，当输送其它液体时应乘以校正系数予以校正，但因一般校正系数小于1，故把它作为外加的安全系数，不再校正,5、离心泵的实际安装高度 离心泵的实际安装高度应小于允许安装高度，一般比允许值小0.51m,注意： 1）离心泵的允许吸上真空度和允许气蚀余量值是与其流量有关的，大流

22、量下h较大而Hs较小，因此，必须注意使用最大额定流量值进行计算。 2）离心泵安装时，应注意选用较大的吸入管路，减少吸入管路的弯头、阀门等管件，以减少吸入管路的阻力。 3）当液体输送温度较高或液体沸点较低时，可能出现允许安装高度为负值的情况，此时，应将离心泵安装于贮槽液面以下，使液体利用位差自流入泵内,八、离心泵的类型、选用,类型：不下百种,高效区,八、离心泵的类型、选用,选用原则： 定类型-根据流体性质及操作条件 定规格-根据流量、压头大小，高效,2. 2 其他类型泵,2. 2 其他类型泵,一、往复泵,工作原理,与离心泵比较,由于受泵的部件机械强度和原动机功率的限制，泵的扬程不可能无限增大。

23、压头越大，漏损越大,结构,泵缸、活塞、阀门、传动机构,利用容积的变化给流体加静压能,工作循环：一次吸液，一次排液,取决于单位时间内活塞在泵体中扫过的体积。往复频率、活塞截面积、泵缸数等都会影响其流量，但流量与管路特性无关。由于脉动加压，其流量是不均匀的。 正位移泵：流量与管路特性无关，而压头只决定于管路情况，这种特性称正位移特性，具备此特性的泵称正位移泵。容积式泵一般为正位移泵。 提高流量均匀性的方法： 采用多缸往复泵 装置空气室 流量调节：正位移泵不能通过出口阀调节流量（危险）。 旁路调节 改变曲柄转速及活塞行程,理论流量及影响因素,与离心泵比较,一、往复泵,适用于小流量、高压头的情况下输送

24、高粘度的液体。 但不宜输送腐蚀性及有固体粒子悬浮液,其他泵,各类泵的适用范围：见P114，表2-1,齿轮泵,隔膜泵、计量泵,往复式,容积式,旋涡泵,轴流式,离心式,速度式,喷射式,螺杆泵,2.3 气体压送机械,终压p21.15atm，压缩比,终压p24atm，压缩比,终压p24atm，压缩比,用于减压，压缩比由真空度决定,一、离心通风机,工作原理,结构,主要性能参数及特性曲线,与离心泵相似 特点：叶片数目多、短，有径向、前弯、后弯等， 通道多呈矩形,风量、风压、轴功率、效率,与离心泵相同,风量Q,以进口状态计,一、离心通风机,风压HT,在风机进出口间列机械能衡算方程式,又称全风压,Pa,一、离心通风机,若使用条件与测定条件不同，需换算,用1atm、20空气测定的风压,标准全风压HT,一、离心通风机,全压效率70%90,效率,功率N：（kW,通风机性能曲线,二、往复式压缩机,结构、工作原理与往复泵相似。 但因气体密度小、可压缩的特性，决定了压缩机的阀门更加轻巧、灵活,工作循环： 压缩排气膨胀吸气,余隙,多级压缩,二、往复式压缩机,第二章小结,设计型、操作性问题定性分析与计算,第二章小结,2020/12/13,89,1. 液体输送设备有：_,_,_,_,_,离心泵 往复泵 齿轮泵 螺杆泵 旋涡泵