化工原理第二章第一节

1、2021-6-27 第二章第二章 流体输送机械流体输送机械 掌握化工中常用的流体输送机械，特别是离 心泵的基本结构、工作原理和特性，能够根据输 送任务，正确地选择输送机械的类型和规格，决 定输送机械在管路中的位置，计算所消耗的功率 等，使输送机械能在高效率下可靠地运行。 学习目的 与要求 2021-6-27 第第 二二 章章 流体输送机械流体输送机械 第第 一一 节节 液体输送机械液体输送机械 2-1-1 离心泵离心泵 离心泵的操作原理、构造与类型离心泵的操作原理、构造与类型 离心泵的基本方程式离心泵的基本方程式 离心泵的主要性能参数与特性曲离心泵的主要性能参数与特性曲 线线 离心泵性能的改变

2、离心泵性能的改变 离心泵的气蚀现象与允许吸上高离心泵的气蚀现象与允许吸上高 度度 离心泵的工作点与流量调节离心泵的工作点与流量调节 2-1-2 其他类型的泵其他类型的泵 2021-6-27 流体输送机械流体输送机械 液体输送机械液体输送机械 泵泵 气体输送机械气体输送机械 离心泵离心泵 正位移泵正位移泵 往复泵往复泵 旋转泵旋转泵 通风机通风机 鼓风机鼓风机 压缩机压缩机 真空泵真空泵 2021-6-27 2-1-1离心泵离心泵 离心泵在化工生产中应用最为广泛，这是离心泵在化工生产中应用最为广泛，这是 因为离心泵具有以下优点因为离心泵具有以下优点: : 结构简单，操作容易，便于调节和自控结构简

3、单，操作容易，便于调节和自控; ; 流量均匀，效率较高流量均匀，效率较高; ; 流量和压头的适用范围较广流量和压头的适用范围较广; ; 适用于输送腐蚀性或含有悬浮物的液体。适用于输送腐蚀性或含有悬浮物的液体。 2021-6-27 灌泵灌泵叶轮旋转叶轮旋转 离心力离心力 液体压力、动能增大液体压力、动能增大泵壳泵壳 动能转变为静压能动能转变为静压能较高静压强进入排出管路较高静压强进入排出管路 叶轮中心真空叶轮中心真空 吸入管两端压差吸入管两端压差 液体被吸入液体被吸入 离心泵输送液体离心泵输送液体叶轮旋转产生的离心力叶轮旋转产生的离心力 泵内有空气泵内有空气 真空度小真空度小气缚（不上量）气缚（

4、不上量）泵不能吸液泵不能吸液 2021-6-27 泵 壳 叶 轮 吸入口 排出 口 泵 轴 图2-1 离心泵装置简图 1-叶轮 2-泵壳 3-泵轴 4-吸入口 5-吸入管 6-底阀 7-滤网 8-排出口 9-排除管 10-调节阀 2021-6-27 2021-6-27 2021-6-27 作用作用 将电动机的机械能传给液体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使液体的静压能和动能都有所提高 分类分类 按结构按结构 开式开式 闭式闭式 半闭式半闭式 按吸液方式按吸液方式 单吸式单吸式 双吸式双吸式 2021-6-27 2021-6-27 2021-6-27 2021-6-27

5、2021-6-27 作用作用 a. 汇集液体，作导出液体的通道。汇集液体，作导出液体的通道。 b. 使液体的能量发生转换，一部使液体的能量发生转换，一部 分动能转变为静压能。分动能转变为静压能。 导叶轮导叶轮 引导液体在泵壳的通道内平缓的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。动能向静压能的转换更为有效。 2021-6-27 作用作用 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。界空气漏入泵壳内。 分类分类 轴封装置轴封装置 填料密封填料密封 机械

6、密封（端面密封）机械密封（端面密封） 2021-6-27 2021-6-27 2021-6-27 2021-6-27 单级单级“B” 、双吸双吸“Sh” 、多级多级 “D” ） 2021-6-27 二、离心泵的基本方程式二、离心泵的基本方程式 假设假设 ： 泵叶轮的叶片数目为无限多个，也就是说叶片的厚度为无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。限薄，液体质点沿叶片弯曲表面流动，不发生任何环流现象。 输送的是理想液体，流动中无流动阻力。在这种理想条件输送的是理想液体，流动中无流动阻力。在这种理想条件 下的压头称为理论压头，是离心

7、泵所能提供的最大压头。下的压头称为理论压头，是离心泵所能提供的最大压头。 液体质点的运动液体质点的运动 随叶轮的旋转运动随叶轮的旋转运动 沿叶轮向外的运动沿叶轮向外的运动 2021-6-27 u1、u2液体与叶轮一起旋转的速度，方向与所处圆周的液体与叶轮一起旋转的速度，方向与所处圆周的 切线方向一致切线方向一致 1 1 1 60 2 r nr u 2 2 2 60 2 r nr u 2021-6-27 w1、w2液体沿叶片表面运动的相对速度液体沿叶片表面运动的相对速度，方向为液体质点方向为液体质点 所处叶片的切线方向所处叶片的切线方向 c1, c2这两个速度的合成速度，称为绝对速度。这两个速度

8、的合成速度，称为绝对速度。 HT 单位重量理想液体获得的能量，理论压头。单位重量理想液体获得的能量，理论压头。 单位重量液体由点单位重量液体由点1到点到点2获得的机械能为获得的机械能为: cpT HHH g CC g PP 2 2 1 2 212 2021-6-27 静压能增加项静压能增加项HP主要由于两方面的因素促成：主要由于两方面的因素促成： 液体在叶轮内接受离心力所作的外功液体在叶轮内接受离心力所作的外功 2 1 r r Fdr drr r r 2 1 2 )( 2 2 1 2 2 2 rr 2 2 1 2 2 uu 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，叶轮中相邻的两叶

9、片构成自中心向外沿逐渐扩大的液体流道， 部分动能转化为静压能部分动能转化为静压能 2 2 2 2 1 ww 单位重量流体经叶轮后的静压能增加为：单位重量流体经叶轮后的静压能增加为： g ww g uu HP 22 2 2 2 1 2 1 2 2 2021-6-27 222 2 1 2 2 2 2 2 1 2 1 2 2 , g cc g ww g uu HT 111 2 1 2 1 2 1 cos2ucucw 根据余弦定理根据余弦定理 222 2 2 2 2 2 2 cos2ucucw gcucuHT/ )coscos( 111222, 1=900，即即cos1=0 gcuH T /cos 2

10、22 , 2021-6-27 理论流量理论流量2222, sincbDq TV 222222 sincosctgcuc )sin( 2222 2 , ctgcu g u HT TV q bDg ctgu g u , 22 22 2 2 离心泵的理论压头与理论流量、叶轮的转速和直径、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。叶轮的几何形状间的关系。 式中：式中：D2叶轮的外径，叶轮的外径，m b2叶轮出口宽度，叶轮出口宽度，m 2021-6-27 理论压头与理论流量之间呈线性关系，可表示为：理论压头与理论流量之间呈线性关系，可表示为： T VT BqAH , 离心泵

11、的理论压头与叶轮的转速和直径的关系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（当叶片几何尺寸（b2，2）与理论流量一定时，离心泵与理论流量一定时，离心泵 的的理论压头随叶轮的转速或直径的增加而加大。理论压头随叶轮的转速或直径的增加而加大。 离心泵的理论压头与叶片几何形状的关系离心泵的理论压头与叶片几何形状的关系 后弯叶片后弯叶片(20 。泵的理论压头随流量的泵的理论压头随流量的 增大而减小。增大而减小。 TVT q bDg ctgu g u H , 22 22 2 2 , 2021-6-27 径向叶片径向叶片（2=90） ，ctg2=0 。泵的泵的理论压头不随流理论压头不随流 量

12、而变化。量而变化。 前弯叶片前弯叶片(290) ，ctg20 。泵的泵的理论压头随理论流理论压头随理论流 量的增大而增大。量的增大而增大。 2021-6-27 一般都采用后弯叶片一般都采用后弯叶片 。 3025 2 2021-6-27 图2-9 、 与 的关系曲线 T H P H 2 2021-6-27 流体在通过泵的过程中存在着压头损失流体在通过泵的过程中存在着压头损失 叶片间的环流叶片间的环流 阻力损失阻力损失 冲击损失冲击损失 2021-6-27 三离心泵的主要性能参数与特性曲线三离心泵的主要性能参数与特性曲线 离心泵的流量（送液能力）离心泵的流量（送液能力）Q 离心泵在单位时间里所输离

13、心泵在单位时间里所输 送的液体体积，送的液体体积，m3/h 。 与泵的与泵的结构、尺寸及转速结构、尺寸及转速等有关，还与其等有关，还与其所在管路所在管路情况有关。情况有关。 离心泵的压头离心泵的压头 （扬程）（扬程）H 泵对单位重量的液体所提供的泵对单位重量的液体所提供的 有效能量，有效能量，m。 与泵的与泵的结构、尺寸、转速和流量结构、尺寸、转速和流量等有关。等有关。 2021-6-27 a b c 2021-6-27 bcf ccbb h g u g P ZH g u g P )( 22 22 bcf bcbc h g uu g PP ZH)( 2 22 gPPZH bc / )( 离心泵

14、的压头又称扬程。必须注意，离心泵的压头又称扬程。必须注意，扬程并不等于升举扬程并不等于升举 高度高度Z Z，升举高度只是扬程的一部分升举高度只是扬程的一部分。 2021-6-27 效率效率有效功率与泵轴功率之比。有效功率与泵轴功率之比。 大小取决于三方面的损失大小取决于三方面的损失 容积损失容积损失V：由于泵的泄漏造成的。由于泵的泄漏造成的。 机械损失机械损失m :泵轴与轴承之间、泵轴与填料函之间、叶轮盖泵轴与轴承之间、泵轴与填料函之间、叶轮盖 板外表与液体之间产生摩擦引起的能量损失板外表与液体之间产生摩擦引起的能量损失 水力损失水力损失 h：实际流体在叶片间和泵壳通道内流动时损失的实际流体在

15、叶片间和泵壳通道内流动时损失的 机械能机械能 hmV 2021-6-27 轴功率轴功率N： 电机输入离心泵的功率电机输入离心泵的功率, , 单位为单位为J/s, ,W或或kW。 有效功率有效功率Ne ： 排送到管道的液体从叶轮获得的功率排送到管道的液体从叶轮获得的功率 轴功率和有效功率之间的关系为轴功率和有效功率之间的关系为 ：/ e NN 有效功率可表达为有效功率可表达为 gQHNe 轴功率可直接利用效率计算轴功率可直接利用效率计算 /gQHN 2021-6-27 2 2、离心泵的特性曲线、离心泵的特性曲线 1）HQ曲线曲线：离心泵的压头普遍是随流量的增大而下降离心泵的压头普遍是随流量的增大

16、而下降 （流量很小时可能有例外）（流量很小时可能有例外） 2）NQ曲线曲线：离心泵的轴功率随流量的增加而上升，流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。量为零时轴功率最小。 3）Q曲线曲线：随着流量的增大，泵的效率将上升并达到随着流量的增大，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。一个最大值，以后流量再增大，效率便下降。 2021-6-27 设计 点 最佳 工况 参数 高效 区 2021-6-27 四、离心泵性能的改变四、离心泵性能的改变 1 2222 sin2cbrQT 与液体密度无关。与液体密度无关。 gcuHT/cos 222, 与液体的密度无关与

17、液体的密度无关 HQ曲线不因输送的液体的密度不同而变曲线不因输送的液体的密度不同而变 。 泵的效率泵的效率不随输送液体的密度而变。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有关离心泵的轴功率与输送液体密度有关 。 /gQHN 2021-6-27 当输送的液体粘度大于常温清水的粘度时，当输送的液体粘度大于常温清水的粘度时， 泵的泵的压头减小压头减小 泵的泵的流量减小流量减小 泵的泵的效率下降效率下降 泵的泵的轴功率增大轴功率增大 泵的特性曲线发生改变，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当液体的运动粘度小于2020c

18、stcst时，粘度的影响可不进行修正。时，粘度的影响可不进行修正。 2021-6-27 n n Q Q 2 ) ( n n H H 3 ) ( n n N N 比例定律比例定律 1 1）属于同一系列而尺寸不同的泵，叶轮几何形状完全相）属于同一系列而尺寸不同的泵，叶轮几何形状完全相 似，似，b2/D2保持不变，当泵的效率不变时，保持不变，当泵的效率不变时， 3 2 2 ) ( D D Q Q 2 2 2 ) ( D D H H 5 2 2 ) ( D D N N 2021-6-27 2 2）某一尺寸的叶轮外周经过切削而使）某一尺寸的叶轮外周经过切削而使D2变小，变小，b2/D2变大变大 若切削前

19、、后叶轮出口的截面积也可认为大致相等若切削前、后叶轮出口的截面积也可认为大致相等, , 此时有：此时有： 2 2 D D Q Q 2 2 2 ) ( D D H H 3 2 2 ) ( D D N N -切割定律切割定律 注意：切割定律只是在叶轮直径变化不大于注意：切割定律只是在叶轮直径变化不大于20时才适用。时才适用。 2021-6-27 五、离心泵的气蚀现象与允许吸上高度五、离心泵的气蚀现象与允许吸上高度 VK pp 汽化汽化 高压区高压区气泡破裂气泡破裂高速冲击高速冲击 气蚀气蚀 现象现象: 液体流量明显下降液体流量明显下降 压头、效率也大幅度降低压头、效率也大幅度降低 避免方法避免方法

20、 VK pp 具体措施具体措施: 安装高度低于允许的最大值安装高度低于允许的最大值 2021-6-27 2021-6-27 离心泵的允许吸上高度（允许安装高度）离心泵的允许吸上高度（允许安装高度） Hg 泵的吸入口与贮槽液面间可允许达到的最大垂泵的吸入口与贮槽液面间可允许达到的最大垂 直距离。直距离。 贮槽液面贮槽液面0-0与入口处与入口处1-1 两截面间列柏努力方程，两截面间列柏努力方程， 10 2 110 2 f H g u g pp Hg 2021-6-27 若贮槽上方与大气相通，则若贮槽上方与大气相通，则P0即为大气压强即为大气压强Pa 10 2 11 2 f a H g u g PP

21、 Hg gppH aS / )( 1 离心泵的允许吸上真空度离心泵的允许吸上真空度定义式定义式 10 2 1 2 fS H g u HHg 2021-6-27 HS值越大值越大，表示该泵在一定操作条件下抗气蚀性能好，表示该泵在一定操作条件下抗气蚀性能好，安安 装高度装高度Hg越高。越高。 HS随随Q增大而减小增大而减小 确定离心泵安装高度时应使用泵确定离心泵安装高度时应使用泵最大流量最大流量下的下的HS进行计算进行计算 若输送其它液体，且操作条件与上述实验条件不符时，需若输送其它液体，且操作条件与上述实验条件不符时，需 对对HS进行校正。进行校正。 1000 )24. 0 1081. 9 ()

22、10( 3 v aSS P HHH 2021-6-27 g p g u g p h v 2 2 11 10 0 f v g Hh g p g p H 将将 g p g u g p h v 2 2 11 代入代入 10 2 110 2 fg H g u g pp H 2021-6-27 h随随Q增大而增大增大而增大 计算允许安装高度时应取计算允许安装高度时应取最大流量最大流量下的下的h值值。 校正系数小于校正系数小于1 1，不在进行校正，不在进行校正 mHH gg ) 15 . 0( 实 注意事项注意事项: a. 使用使用最大额定流量值最大额定流量值进行计算进行计算 b. 尽量减少吸入管路的阻力

23、尽量减少吸入管路的阻力, 选用较大的吸入管路，减少吸选用较大的吸入管路，减少吸 入管路的弯头、阀门等入管路的弯头、阀门等 c. 允许安装高度为允许安装高度为负值负值 , 应将离心泵安装于贮槽应将离心泵安装于贮槽液面以下液面以下 . 2021-6-27 六、六、离心泵的工作点与流量调节离心泵的工作点与流量调节 管路特性曲线：管路特性曲线： 流体通过某特定流体通过某特定 管路时所需的压管路时所需的压 头与液体流量的头与液体流量的 关系曲线。关系曲线。 2021-6-27 fe H g u g p zH 2 2 K g p z 式中：式中： 0 2 2 g u 上式简化为上式简化为 fe HKH )

24、 2 1 () 4 )( 2 2 0 g d Q d ll H c e f B gdd ll c e 42 0 1 )( 2021-6-27 2 BQKH e 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 量量Q的平方而变的平方而变 2021-6-27 改变管路特性曲线改变管路特性曲线 2021-6-27 2021-6-27 两台相同型号的两台相同型号的离心泵串联离心泵串联组合，在同样的流量下，其提组合，在同样的流量下，其提 供的供的压头是单台泵的两倍压头是单台泵的两倍 。 2021-6-27 两台相同型号的两台相同型号的离心泵并联离

25、心泵并联，若其各自有相同的吸入管，若其各自有相同的吸入管 路，则在相同的压头下，并联泵的路，则在相同的压头下，并联泵的流量为单泵的两倍流量为单泵的两倍。 2021-6-27 3 3）离心泵组合方式的选择）离心泵组合方式的选择 低阻输送管路低阻输送管路-并联优于串联；并联优于串联； 高阻输送管路高阻输送管路-串联优于并联串联优于并联。 2021-6-27 例：假设某台离心泵的特性曲线可近似用例：假设某台离心泵的特性曲线可近似用H=20-2Q2表表 示，式中示，式中H为泵的扬程（为泵的扬程（m），），Q为流量（为流量（m3/min）。）。 现将该泵用于两敞口容器之间送液，已知单泵使用时现将该泵用于

26、两敞口容器之间送液，已知单泵使用时 流量为流量为1。欲使流量增加。欲使流量增加50，试问应将两泵串联还是，试问应将两泵串联还是 并联使用？两容器的液位差为并联使用？两容器的液位差为10m。 解：设管路的特性曲线为解：设管路的特性曲线为He=A+BQ2， 根据已知条件：根据已知条件： Q0时，时，He10m； 当当Q1时（单泵），时（单泵）， H=20-21218m 故管路的特性曲线方程为故管路的特性曲线方程为 He=10+8Q2 2021-6-27 由单泵的特性曲线由单泵的特性曲线H=20-2Q2得：得： 两台相同泵串联时的特性曲线两台相同泵串联时的特性曲线 H=40-4Q2， 两台相同泵并联

27、时的特性曲线两台相同泵并联时的特性曲线 H=20-0.5Q2。 因此，将串、并联组合的特性曲线方程分别与因此，将串、并联组合的特性曲线方程分别与 管路的特性曲线联立，可得：管路的特性曲线联立，可得： 串联时：串联时：Q1.58m3/min 并联时：并联时： Q1.08m3/min 故：欲使流量增加故：欲使流量增加50，需采用两泵的串联组合。，需采用两泵的串联组合。 2021-6-27 根据所输送的流体的性质和操作条件，确定泵的类型；根据所输送的流体的性质和操作条件，确定泵的类型； 确定输送系统的流量和压头确定输送系统的流量和压头 选择泵的型号选择泵的型号 核算轴功率核算轴功率 泵的安装高度泵的安装高度 启动前先启动前先“灌泵灌泵” 离心泵应在出口阀门关闭时启动离心泵应在出口阀门关闭时启动 七、离心泵的选用、安装与操作七、离心泵的选用、安装与操作 2021-6-27 关泵的步骤关泵的步骤 先关闭泵的