化工原理2(多学时课堂教学)

1、第二章第二章 流体输送机械流体输送机械 一、流体输送机械：为流体提供外加能量的机械（机器和设备）。 二、分类 泵， 液体输送 按流体种类分 风机或压缩机或真空泵， 气体输送 离心式 往复式 按原理分 旋转式 流体动力作用式 第一节 液体输送机械液体输送机械 一、离心泵1结构：见图2-1。2原理：甩出、真空、吸入。 叶轮旋转时，叶片之间的液体随叶轮一起旋转，在离心力的作用下，液体沿叶片间的通道从叶轮中心被甩到叶轮外围，具有很高的能量，从而液体可流到所需场所。 当液体被甩出后，在叶轮中心就会形成一定的真空，外界压力与该真空的压差就使液体经底阀，吸入管道流入叶轮中心。这样，只要叶轮不停地旋转，液体就

2、源源不断地被吸入和排出。 3气缚：叶轮旋转时不能输送液体的现象。 若离心泵启动前未充满液体，则叶片间必充满气体。由于气体密度很小，所产生的离心力也很小。所以在叶轮中心形成的真空不足以将液体吸入泵内，这时叶轮虽然旋转，但不能输送液体。 4主要部件(1) 叶轮：见图2-2和图2-3。 敞式 （开式） 按叶片的形式分 半蔽式 （半闭式） 蔽式 （闭式） 单吸 按吸入方式分 双吸(2) 泵壳：见图2-4。 泵壳一般制成蜗牛壳形，以便动能有效地转化为静压能，为了进一步提高转化率，有时在叶转与泵壳之间装有一个导轮。(3) 轴封（装置）：旋转的泵轴与固定的泵体之间的密封。a. 填料密封 填料一般采用浸油或涂

3、石墨的石棉绳。结构简单，但功率消耗大，且有一定程度的泄漏。 b. 机械（端面）密封 动环硬度大，常用硬质合金、陶瓷等，而静环硬度较小，常用石墨制品、聚四氟乙烯等 5. 基本方程 假定：(1) 叶轮为具有无穷多个叶片、每个叶片无限薄的理想叶轮，即液体质点严格沿叶片表面而流动，在同一圆周上所有液体质点的所有物理量都各自相等。(2) 流过叶轮的液体为理想液体，即液体流过叶轮时无能量损失。在1、2两点间列某一时刻流线柏努利方程：所以 zxyg2rr由流线柏努利方程的最初形式： 对理想流体，有 对匀速离心力场和重力场中的稳定流动或某一时刻，有 对不可压缩流体沿流线进行不定积分，得 站在叶轮上，在1、2两

4、点间列同一时刻流线柏努利方程，则 所以 理论压头(2-4)(P87) 由余弦定理得 基本方程(2-5)(P87) 在离心泵的设计中，一般使1=90，则cos1=0 所以 将 代入上式，得 又将 代入上式，得 6基本方程的讨论 (1) 理论压头与叶轮直径及转速成正比。 (2) 叶片的几何形状对理论压头的影响： a. 后弯叶片，290，ctg20，b. 径向叶片，2=90，ctg2=0，C. 前弯叶片，290，ctg20， 由上可见，2值越大，HT值越高，似乎前弯叶片较好。但由于2大于90以后，随2的增加，动压头增加，静压头反而减小，从而能量损失大，效率低。因此，实际上离心泵的叶片总是后弯的。 (

5、3) 理论流量对理论压头的影响 当叶轮的几何尺寸(D2、b2、2)和转速(n)一定时，理论压头与理论流量呈线性关系。 a. 290，QT，HTb. 2=90，QT，HTC. 290，QT，HT 实际上，叶轮的叶片数是有限的，液体也是非理想液体，所以实际压头和实际流量的关系曲线应在理论压头和理论流量的关系曲线的下方。 7性能参数(1) 流量：单位时间内泵所输送的液体体积，Q，m3/s、m3/h或L/s。(2) 扬程（压头）：单位重量的液体流经泵后所获得的能量，H，m液柱。 扬程（一般）由实验测定，装置如图，原理如下： QQT或HHT或在真空表和压力表之间列柏努利方程： 式中 He叶轮提供给单位重

6、量的液体的能量，m液柱。 所以 所以 式中 分别是压力表和真空表的读数，Pa。 （3）有效功率：液体流经泵后所获得的功率，Ne，W。 显然 （4）效率：有效功率与轴功率之比，即 容积损失v，高压液体泄漏到低压处，Q能量损失 机械损失m，轴与轴承，轴封的摩擦 水力损失h，液体内摩擦及液体与泵壳的碰撞，H 所以120h（5）轴功率：电机提供给泵轴的功率，N，W。由得或8 特性曲线：反应扬程、轴功率、效率和流量之间函数关系的曲线，一般用20C的清水在特定转速下由实验测定。由轴功率特性曲线知，启动泵时，应关闭出口阀门，以保护电机。 由效率特性曲线知，泵的工作点应在高效率区(92%)。9各因素对特性曲线

7、的影响(1) 密度的影响 a. 由泵的基本方程可知，扬程和流量均与液体的密度无关，所以HQ曲线不变。 b. 由， 可知轴功率与密度成正比，否则轴功率不能与有效功率同步， 所以效率也与密度无关，Q曲线不变。 C. 由 知，NQ曲线有变。 HNmin2900rpn (2) 粘度 粘度增大，能量损失增大，因此泵的压头、流量都要减小，效率下降，而轴功率增大。 即 ，H，Q，N 特性曲线的改变可按下式进行换算： 式中 CQ，CH，C换算系数，可由图2-13及图2-14查得。(3) 转速当液体粘度不大，且转速变化不大时，有以下近似关系： 比例定律 (4) 叶轮直径 当叶轮直径变化不大时，有以下近似关系：

8、切割定律 10气蚀现象：液体汽化后又凝结，且对叶轮产生破坏的现象。 当叶轮入口处压力等于或低于液体的饱和蒸汽压时，该处就会汽化并产生汽泡，这些汽泡流到高压处又重新凝结，凝结时会产生很高的局部压力，会使叶轮因疲劳而破坏成蜂窝或海绵状，而且会产生很大的噪音和强烈的振动。 11允许吸上真空度(1) 定义 式中 p1泵入口处允许达到的最低绝对压力，Pa； 用液柱高度来表示的泵入口处允许达到的最高真空度，m液柱，通常在 10mH2O(9.807104Pa)的大气压下，用20C的清水由实验测定。 (2) 允许安装高度Hg与 的关系在贮槽液面与泵入口处之间列柏努利方程， 则 所以 若 则（3） 若输送其它液

9、体，且操作条件与上述的实验条件不符时，可按下式换算：000pgH1112汽蚀余量(1) 定义式中 h泵入口处静压头和动压头之和超过饱和蒸汽压头的允许最小值，也用20C的清水由实验测定。(2) Hg与h的关系（3）校正：通常不校正而把它作为安全系数。 13. 管路特性曲线及泵的工作点 在1、2两截面间列柏努利方程，得 又2121令则 管路特性曲线 工作点：泵的特性曲线与管路特性曲线的交点。当泵在管路系统中工作时，流经管路的流量就是流经泵的流量；管路所需要的外加能量就是液体流经泵后所获得的能量。 14流量调节(1) 改变阀门的开度实质是改变管路特性曲线。能损大，但方便，多采用。(2) 改变泵的转速

10、实质是改变泵的特性曲线。能损小，但昂贵，少采用。(3) 改变叶轮的直径实质也是改变泵的特性曲线。不方便，相当于换一台泵，极少采用。 15并联 当一台泵的流量不够时，可以用两台泵并联操作，以增大流量。 两台相同的泵并联时，其联合特性曲线为单台特性曲线在流量上的两倍。但并联后的流量并非单台泵流量的两倍，因为流量增大，管路阻力增加。 16串联 当一台泵的扬程不够时，可以用两台泵串联操作，以提高扬程。 两台相同的泵串联时，其联合特性曲线为单台特性曲线在扬程上的两倍。 但串联后的扬程并非单台泵扬程的两倍，因为扬程提高，管路阻力也增加。 1类型(1) 分类 单级，B型 单吸 水泵 双级，D型，扬程高 双吸

11、，Sh型，流量大 耐腐蚀泵，F型，耐腐蚀 油泵， Y型，密封性好 污水泵，PW型 杂质泵，P型， 砂泵， PS型 防堵、耐磨 泥浆泵，PN型 低温泵，隔热性好(2) 型号举例 3 B 33 A 叶轮外径比基本型号小一级 扬程为33mH2O 单级单吸水泵 入口直径为3in(英寸) (3) 系列特性曲线 将同一类型的各种型号泵的较高效率范围内的HQ曲线绘在一个总图上（如图2-27，P111），以方便选用。 18选择(1) 确定输送系统的流量和扬程 生产任务流量 管路系统扬程(2) 选择泵的类型和型号 液体性质 操作条件 流量 扬程(3) 核算泵的特性曲线 若液体的密度和粘度与水相差很大，则应核算泵

12、的特性曲线： 然后根据核算后的泵的特性曲线确定泵的型号。 二. 其它类型泵1往复泵（1） 结构（2） 原理 类型型号当活塞向右运动时，工作室的容积增大，形成负压，将液体经吸入阀吸入工作室；当活塞向左运动时，工作室的容积缩小，形成高压，将液体经排出阀排出工作室。 (3) 分类 单动 双动 三联 (4) 特点 a. 容积式泵：往复一次，就排出一定体积的液体，而与压头无关。 单动泵： 理论流量： 双单泵： 由于泄漏，实际流量低于理论流量。 b. 压头无限：只要泵的机械强度和原动机功率允许。是正位移泵之一。 c. 有自吸能力 d. 用旁路调节流量 2计量泵：装有可调偏心轮的往复泵，通过调节偏心轮来调节

13、冲程，从而严格地调节流量。3旋转泵：正位移泵之一。 (1) 齿轮泵：互相啮合的两齿拨开形成低压，两齿合拢形成高压，将液体排出。 (2) 螺杆泵：原理上与齿轮泵相似，它利用互相啮合的两螺杆来排送液体。4. 旋涡泵：一种特殊的离心泵，启动前要灌满液体，启动时要全开出口阀，并用回路调节流量。 第二节 气体输送和压缩机械气体输送和压缩机械 一、用途1输送气体2产生高压气体3产生真空 二、分类 通风机 终压14.7kPa (表) 鼓风机 终压=14.7294kPa(表)，压缩比4按出口的气体的压强分 压缩机 终压294kPa (表)，压缩比4 真空泵 终压=Pa (大气压)，初压为负压 三、离心通风机1

14、分类 低压离心通风机 终压0.9807kPa (表) 中压离心通风机 终压 =0.98072.942kPa (表) 高压离心通风机 终压 =2.94214.7kPa (表)2原理： 与离心泵相似3结构： 与离心泵相似，但叶片的数目较多、较大，气体流道的断面有方形和原形两种4性能参数 (1) 风量：单位时间内排出的气体体积，并换算成吸入状态的数值，Q，m3/h。 (2) 风压：单位体积的气体流径风机后，所获得的能量，HT，J/m3=Pa，mmH2O。 风压也由实验测定，装置与测泵扬程的装置相似，原理如下： 在风机进出口之间列柏努利方程，得所以校正（3）轴功率与效率 5特性曲线： 反应HT、HST

15、、N、与Q之间函数关系的曲线。 6选择 (1) 确定输送系统的风量和风压 生产任务进口(吸入)态风量Q 管路系统实际风压 实验风压HT (2) 确定风机的类型和型号 气体性质 实验风压范围 进口(吸入)态风量 实验风压HT QHTQHstQQN 类型型号四、离心鼓风机 又称透平鼓风机，结构和原理与多级离心泵类似，但叶轮级数多一些，转速也较高，固能产生更高的压强。 五、离心压缩机 结构和原理与离心鼓风机的相似，只是离心压缩机的级数更多，可十级以上，一般要分段，段间设置中间冷却器，且叶轮逐级缩小。 六、罗茨鼓风机 结构如图，原理与齿轮泵相似。 七、液环压缩机 结构如图，原理为：当叶轮旋转时，液体被

16、抛向壳体，形成一层椭圆型的液环，在椭圆型长轴两端形成两个月牙型空间。当叶轮旋转一周时，月牙型空间的内的小室大小的变化使气体吸入或排出。 八、真空泵 1水环真空泵 结构如图，原理与液环压缩机相似。 2喷射泵 结构如图，原理为动能转变为静压能。 九、往复压缩机 1结构如图 2原理一、往复压缩机的工作过程：假设： 理想气体 无气阀阻力 无泄漏 1p2p(1) 理想压缩循环：活塞与气缸端盖之间没有空隙或没有余隙。a. 过程： 吸气压缩 排气 （如右图所示） 等温压缩，4123 绝热压缩，412/ 3 多变压缩，412/ 3 循环功：式中 m多变指数。(2) 实际压缩循环：活塞与气缸端盖之间有空隙或有余隙。a. 过程：吸气压缩 余隙绝热膨胀 排气 （如右图所示） 4123 1 b. 循环功c. 余隙系数：余隙体积与活塞扫过体积之比，即 d. 容积系数：吸气体积与活塞扫过体积之比，即 1p2p4312 , 2 ,2 VpV1p2p4312pe. 0与的关系式中 m多变指数，1mk； k绝热指数。所以 当压缩比高到一定程度的时候，容积系数可能变为零。3性能参数(1) 排气量：单位时间内排出的气体体积换算成吸入状态的数值，Vmin，m3/min。a. 理想循环b. 实际循环(2) 轴功率与效率a. 有效功率（理论功率）b. 效率 流动阻力 能量损失a 部件摩擦c. 轴功率4多级压