流体输送设备

1、食品工程原理 (1)教案(第 13次课 2 学时)一 授课题目第二章 流体输送设备 第二节 离心泵 (1)二 教学目的和要求通过本节学习，使学生对常见的液体输送设备 -离心泵有个全面系统的了 解，要求学生掌握离心泵的工作原理，及其安装高度的计算方法，从而为离心泵 的选型、安装、调试及故障排除做好理论准备。三 教学重点和难点教学重点： 1、离心泵的工作原理及其主要性能参数；2、汽蚀现象与离心泵允许安装高度的计算。教学难点：离心泵允许安装高度的计算四 教学过程教学方法：讲授法、图示法、实验法教学手段：传统教学 -板书(建议本节内容最好采用多媒体，效果会更好) 、网络自学第二章 流体输送设备第二节

2、离心泵（）引入：在食品的生产中， 常需要将流体从低处输送到高处， 从低压送至高压， 沿管道送 至较远的地方， 为达到此目的， 必须对流体加入外功， 以克服流体阻力及补充输送流 体时所不足的能量。我们把向流体做功，为流体提供能量的机械称为流体输送机械， 其中专门用来输送液体的输送机械称为泵， 离心泵是其中应用最广的一大类泵。离心泵（centrifugal pump）的特点：结构简单、 流量大而均匀、 操作方便一、离心泵的工作原理1、离心泵的基本结构蜗牛形通道；叶轮偏心 放；可减少能耗， 有利于 动能转化为静压能。底阀 （防止 “气缚 ”）滤网 （阻拦固体杂质 ）叶轮：离心泵的核心部分，一般有 6

3、12 片叶片； 泵壳：蜗牛形通道，能量转换装置。2、离心泵的工作原理泵内液体在 离心力 的作用下由中心向外缘作径向运动的同时， 叶轮中心形成低压 区，而在泵的进出口处产生 压力差 ，于泵的吸入管路浸没于输送液体中， 压差的作用 下液体不断地被吸入管路， 流体流动 ，而达到输送目的。 即：离心力压力差流体流动3、离心泵的具体工作过程：1）启动前：将所需输送的液体灌满泵壳和吸入管路，防止“气缚”发生；（2）启动后：泵轴带动叶轮作高速旋转，并带动液体旋转；（3）泵内液体在离心力的作用下沿叶片由中心向边缘抛出，在此过程中泵通过叶轮 向液体提供了能量，从而使液体以较高的静压能及较高的流速（约1525m/

4、s）进入蜗形泵壳， 由于蜗形通道的截面逐渐增大， 液体的流速不断减慢， 动能逐渐转换为静 压能，从而使静压强相应提高，最终以较高的压强排出泵体，切向流入排出管路；（4）由于液体被抛出，在叶轮中心处形成低压区，而泵外流体压力较高，在压力差 的作用下，流体被吸入泵口，填补被排出液体的位置；（5）叶片不断转动，液体不断被离心泵吸入、排出，形成连续流动，完成输送任务。注：“气缚现象”：离心泵叶轮高速旋转，但是不出液体的现象。 解释：离心泵启动前，若未充满液体，则泵壳内存在空气，由于空气密度很小， 所产生的离心力（ F m 2 r v 2 r ）也很小，此时，在吸入口处所形成的真 空不足以将液体吸入泵内

5、，所以虽启动离心泵，但不能输送液体。危害：电机空转，烧坏电机。 防止措施：启动离心泵前首先灌泵。二、离心泵的主要性能参数 离心泵的主要性能参数有：流量、压头（扬程） 、功率和效率、转速1、流量 Q m3/s（m3/h、L/s、L/min ）泵的流量（又称“泵的送液能力” ）：指单位时间内泵所输送的液体体积。2、泵的压头（扬程） H m（J/N） 泵的压头（扬程）：指单位重量液体流经泵后所获得的能量。（1）在一定的管路输送系统中，泵的压头的表现形式：A、 将液体位压头提高 z；m）公式表达：化简：H Hpm pvh0g2ug2管路很短，两截面间的压头损失可忽略不计式中：孔板流量计h0 - 两表所

6、在截面间高度，实验测定而得出 ）；m（可通过心泵排出管路压压力强表pm-压力表读数（即表压），N/m2吸入管路pv-真空表读数（即真空度）泵 泵心B、将液体静压头提高 pD gP0 ；C、 抵偿了液体在管路中流动的压头损失hf （ hfS 、 hfD ）；u2D、 将液体动压头提高 2g （可略）。H zpDp0h fSh fDg fS fD注：a、升举高度 z =吸上高度 ZS +排出高度 ZDb、从上式可看出， 泵的扬程泵的升举高度 ,升举高度只是泵扬程的一部分。（2）实验：泵压头的测定如下图：在泵进、出口附近分别安装真空表和压力表，在两表间列实际流体流动能量平衡方程（即选两表所在面为截面

7、） ，则有：H h0 gp 2ugh f3、泵的功率 P 和效率 (1)泵的有效功率 Pe：单位时间内流体流经泵后所获得的功。P w Qm w Q H Q g H Q (KW)Pe 1 00 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 2 (KW)储贮液槽真真空 表 空(2)泵的轴功率 P：泵轴从电动机上得到的实际功率。 (PPe)(3)泵的效率 ：泵的有效功率与轴功率之比。即Pe H Q 1P 102 P造成1 的原因分析：A、机械损失：泵运转时，轴承、轴封装置等机械部件接触处由于摩擦而消耗部分能 量，从而引起机械能损失，所以泵的轴功率泵的理论功率。B、水力损失：流体流经叶轮、泵壳时，由于流

8、速大小及方向的改变而发生冲击，从 而损失部分能量，所以泵的实际压头泵的理论压头。C、容积损失：由于泵的泄漏造成的损失。(泵运转过程中部分获得能量的高压液体通过叶轮与泵壳间的间隙流回吸入口而造成) ，所以泵排出的实际流量理论排 出流量。 注意：泵在运转时可能发生超负荷，所以所配电动机的功率应比泵的轴功率大。在机电产品样本中所列出的泵的轴功率， 除非特殊说明以外， 均系指输送清 水时的数值。4、泵的转速r/min泵的转速 n：指离心泵泵轴的转速。三、汽蚀现象和离心泵的安装高度1、汽蚀现象如 P55 图 1-33，选贮液槽液面和泵吸入口处为两截面 O-O、S-S，设吸入 管路中流体流速为 us ，贮

9、液槽液面上方压强为 p0 ，泵吸入口处压强为 ps，吸入 管路压头损失为 hfs ，在两截面间列实际流体流动能量平衡方程，则吸入高度 Zs表示为：Zsushfs2g化为：H s 即为吸上真空高度s,maxp 0 pvg从式可以看出：1） ps p0， ps有一定真空度，真空度越高，泵吸力越大， Zs越大。（2）当 ps小于一定值时 pv （环境温度下液体的饱和蒸汽压）时后将发生“汽蚀现象”。（3）吸上真空高度 Hs ：在 p0、us及 hfs 变化都不大的情况下，可以将公式简最大吸上真空高度 H s, m ax ：当 ps p v 时， H s 达最大值 H s,m ax ， 即：（4）汽蚀现

10、象当离心泵的进口压力小于环境温度下的液体的饱和蒸汽压时， 液体就要沸腾 汽化，产生大量气泡，气泡随液流进入叶轮的高压区而被压缩，凝成液体，体积 急剧变小，周围液体以极高速度冲向气泡中心，质点相互碰撞产生很高的局部压 力（几百到几千个大气压）打击叶轮表面，致使叶片受到严重损伤破坏并产生振 动，这种现象称为“汽蚀现象” 。汽蚀一旦发生， 会使泵的性能显著下降， 造成很大的破坏作用， 应尽量避免。2、泵的安装高度（允许安装高度 Zsp ）为避免发生“汽蚀现象” ，应限制 ps，使其不能太低，所以泵的安装高度不能太高式中： Zsp -泵的允许安装高度；2u2sg -泵吸入管内的动能；泵的安装高度 Zs

11、p的计算方法有两种， 即允许吸上真空高度法和汽蚀余量法。1）允许吸上真空高度法（ H sp）为保证不发生“汽蚀现象” ，泵入口处压强 ps pv ，在吸上真空高度上留有定的余量，所得的吸上真空高度即为允许吸上真空高度 H sp，即：Hsp Hs,maxpg010.33mH 2Op0 ps注： Hsp0 s ，与泵的结构、液体的 物化 性质等 因素有关，一般gH sp 5 7mH 2O 。如何用 H sp确定泵的允许安装高度 Zsp ？2由公式 Z sp0 psushfsg2g fs2HusH sph fs 得出： Zspsp 2ghfs 泵吸入管路阻力损失；H sp 允许吸上真空 高度（由泵生

12、产厂家给出）2）汽蚀余量法（ hp ）泵入口处压强并非泵内压力最低的地方，所以当入口压强尚未低至 pv 时汽蚀就 有可能在泵内已经开始发生， 为保证绝对不发生汽蚀， 必须使泵入口处单位液体具有 超过汽化压力能的富余能量，即汽蚀余量 h 。2 ps us g 2gH sp 需按下式进行校正：HspH sp10 Hpvpvpvg汽蚀余量 h 从数值上讲，即为泵入口处液体的静压头与动压头之和 超过液体在操作温度下的饱和蒸汽压头 pv 的某一最小指定值。g由公式、得出：泵的几何安装高度 Zs h hfs H s,max h hfsg泵的允许安装高度 Zsp H s,max hp hfs 式中 hp -

13、允许 汽蚀余量，由泵样本提供说明：泵性能表上的值是按输送 20水而定的，如输送其它液体则需要校正，具 体校正方法可查阅有关文献。只要已知 H sp或 hp任意一个值即可确定泵的安装高度。为安全起见，泵的实际安装高度还应比上述两种方法计算的值的允许值小0.5 1m 。通常情况 下泵样本说明书 中给出的 Hsp 是 绝压 为 10mH2O(1mH 2O 9806.65Pa)，水温为 20时得出的数据，若操作条件与上述不符，或者， H sp Hsp 10 Ha Hv 0.24 式中： Hsp 操作条件下的允许吸上真空度， mH2O ；H sp - 泵样本说明中给出的允许吸上真空度， mH 2O ；h

14、2 us2gH a - 泵工作点的大气压， mH2O ；pv - 20下水的饱和蒸汽压， Pa；0.24 20下水的饱和蒸汽压， mH 2O ；pv 输送温度下水的饱和蒸汽压， Pa ；H v - 输送温度下水的饱和蒸汽压， mH2O泵安装地点的海拔越高，大气压力就越低， H sp 就越小；输送液体温度越 高，其对应饱和蒸汽压就越高，这时的 H sp也就越小。五 作业 （ P79课后 14 题）H sp , h fs us行计算，即 Hsp H sp 10 H apv pv， Z spHsp2us2ghfs3解： (1)由题中条件可知： Q 60m3 / h ，Hsp5.6m ， d 75mm

15、 0.075m，拟用一台 3B57 型离心泵以 60m3 / h的流量输送常温的清水，已查得在此流量下的允许吸上真空 H sp 5.6m ，已知吸入管内径为 75mm,吸入管段的压头损失估计为0.5m ,试求：(1)若泵的安装高度为 5.0m ,该泵能否正常工作？该地区大气压为 9.81104Pa；(2)若该泵在海拔高度 1000m 的地区输送 40的清水，允许的几何安装高度为多少 米？当地大气压为 9.02104Pa。分析：(1)判断泵是否能正常工作计算其允许安装高度 跟实际安装高度作比较2ZspHsp ushfs ( p 9.81 104Pa)2g(2)由题可知，压强为 p 9.02 10

16、4Pa ，温度为 40，所以应采用修正公式进h fs 0.5m，p9.81 104 Pa4Q60 4清水在管路中流动的速度为：usd20.0752 36003.77( m / s)泵的允许安装高度为： Z spH sp2us2ghfs3.772即 Z sp 5.6 23.797.810.5 4.38m 5.0m所以，该水泵不能正常工作，这样安装容易发生汽蚀 现象。HspHsp 10 Hapv gpv即H sp5.6 10 9.02 104992.2 9.812334.6 7376992.2 9.814.35m又由 ZspH sp所以 Zsp(3)查表可知，20清水的饱和蒸汽压为 2334.6P

17、a，40清水的饱和蒸汽压为 7376 Pa，密度为 992 .2kg /m3 ，根据公式对允许吸上真空高度进行修正2 ushhfs 2g fs3.7724.35 0.5 3.11m2 9.81即在海拔 1000m 处水泵的安装高度不应该超过 3.11m 。六 课后记通过本节课学习， 让学生对有关离心泵的基本结构、 工作原理及有关其安装高度 的计算有了全面而深刻的了解。从课堂观察及作业情况可以看出， 学生对本节内容整体掌握不错， 但还有部分学 生混淆涉及泵的安装高度的几个概念，比如：泵的几何安装高度 Zs 与泵的允许安装 高度Zsp ；吸上真空高度 H s 、允许吸上真空高度 H sp与最大吸上真空高度 H s,m ax ；汽