化工原理课件-2流体输送机械

1、1第二章 流体输送机械 通过本章学习，掌握化工中常用流体输送机械的基本结构、工作原理和操作特性，能够根据生产工艺要求和流体特性，合理地选择和正确操作流体输送机械，并使之在高效下安全可靠运行。学习目的与要求2第二章 流体输送机械2.1 概述2.1.1 流体输送机械的作用3一、管路系统对流体输送机械的能量要求管路特性方程管路对流体输送机械的能量要求由伯努利方程计算。对于液体，采用以单位重量（1N）流体为基准的伯努利方程式22efpuHZHgg （2-1） J/N or m22eflluHdg（2-3） 4pKZg 248ellBdd g令22efpuHZHgg 方程变为2eeHKBq一、管路系统对

2、流体输送机械的能量要求管路特性方程管路特性方程5对于通风机的气体输送系统，在风机进出口截面间采用以单位体积（1m3）为基准的伯努利方程式， 22TfuHg ZpgH J/m3或Pa （2-6） 位风压(一般可忽略)静风压动风压一、管路系统对流体输送机械的能量要求管路特性方程6流体输送机械除满足工艺上对流量和压头（对气体为风压与风量）两项主要技术指标要求外，还应满足如下要求：结构简单，重量轻，投资费用低。运行可靠，操作效率高，日常操作费用低。能适应被输送流体的特性，如黏度、可燃性、毒性、腐蚀性、爆炸性、含固体杂质等。二管路系统对输送机械的其它性能要求7第二章 流体输送机械2.1 概述2.1.1

3、流体输送机械的作用2.1.2 流体输送机械的分类 8流体输送机械的分类 通风机鼓风机压缩机真空泵按输送流体的状态分类输送液体输送气体泵9流体输送机械的分类 按工作原理分类动力式（叶轮式）容积式（正位移式）流体作用式10第二章 流体输送机械2.2 离心泵2.2.1 离心泵的工作原理和基本结构11 离心泵是工业生产中应用最为广泛的液体输送机械。其突出特点是结构简单、体积小、流量均匀、调节控制方便、故障少、寿命长、适用范围广（包括流量、压头和介质性质）、购置费和操作费用均较低。一离心泵的工作原理12一离心泵的工作原理图2-1 离心泵装置简图 泵壳叶轮吸入口排出口泵轴离心泵的工作原理离心泵的工作原理0

4、7 13二离心泵的基本结构1离心泵的叶轮闭式半闭式开式 图2-2离心泵的叶轮14单吸式双吸式 图2-3 离心泵的吸液方式吸液方式 二离心泵的基本结构平衡孔152离心泵的泵壳和导轮图2-4 泵壳和导轮 二离心泵的基本结构导轮163. 离心泵的轴封装置 泵轴与泵壳之间的密封称为轴封，其作用是防止泵内高压液体从间隙漏出，或避免外界空气进入泵内。常用的轴封装置有填料密封和机械密封两大类。后者适用于要求密封较高的场合，如酸、碱、易燃、易爆及有毒液体的输送。 二离心泵的基本结构17第二章 流体输送机械2.2 离心泵2.2.1 离心泵的工作原理和基本结构2.2.2 离心泵的基本方程式18一液体质点在叶轮中的

5、流动1、简化假设(1) 叶轮为具有无限薄、无限多叶片的理想叶轮，流体质点将完全沿着叶片表面而流动，流体无旋涡、无冲击损失；(2) 被输送的是理想液体，液体在叶轮内流动不存在流动阻力；(3) 泵内为定态流动过程。19 2、速度三角形图2-5 液体在离心泵中流动的速度三角形一液体质点在叶轮中的流动20二离心泵基本方程的表达式222222211221222TuuccHggg表明离心泵的静压头由液体作旋转运动的圆周速度和径向的相对速度转换而获得。离心泵基本方程式21简化为：222222TTuu ctgHgg D bqTTHABq二离心泵基本方程的表达式离心泵基本方程式22三离心泵理论压头影响因素分析（

6、1）叶轮转速和直径 直径D2转速n222222TTuu ctgHqgg D b2260D nuTH23（2）叶片的几何形状 图2-6 叶片形状及出口速度三角形三离心泵理论压头影响因素分析24三离心泵理论压头影响因素分析222222TTuu ctgHqgg D b25 对后弯叶片，静压头的提高大于动压头的提高，其净结果是获得较高的有效压头。为获得较高的能量利用率，提高离心泵的经济指标，应采用后弯叶片。 三离心泵理论压头影响因素分析26（3）理论流量 三离心泵理论压头影响因素分析TTHABq对于后弯叶片，B0，HT随qT的增加而降低。 27图2-7 HT与qT的关系曲线 三离心泵理论压头影响因素分

7、析28（4）液体密度 离心泵的理论压头与液体密度无关。但是，在同一压头下，离心泵进出口的压力差却与液体密度成正比。三离心泵理论压头影响因素分析29四离心泵实际压头、流量关系曲线的实验测定2aHAGq（2-17） 离心泵特性方程式实际的流量压头关系由实验测定。30四离心泵实际压头、流量关系曲线的实验测定图2-8 离心泵的HTqT、Hq关系曲线 31练 习 题 目思考题作业题: 11 离心泵的主要有哪几部分组成，工作原理是什么？2. 什么是气缚？如何防止?3. 叶片形状与离心泵理论压头之间有什么关系？为什么要采用后弯叶片？4. 为提高离心泵的静压能，能采取哪些措施?32第二章 流体输送机械2.2

8、离心泵2.2.1 离心泵的工作原理和基本结构2.2.2 离心泵的基本方程式2.2.3 离心泵的性能参数与特性曲线33一离心泵的性能参数离心泵的主要性能参数：流量、压头、效率、轴功率等。泵的性能参数及相互之间的关系是选泵和进行流量调节的依据。离心泵的特性曲线：主要性能参数之间的关系曲线。是在一定转速下，用20清水在常压下实验测得的。 341流量 离心泵的流量用q表示，常用单位为L/s、m3/s。 2压头（扬程）一般用H表示，单位为J/N或m。3效率（1）容积损失 （2）水力损失 （3）机械效率 一离心泵的性能参数35（1）容积损失 即泄漏造成的损失。（2）水力损失 由于液体流经叶片、蜗壳的沿程阻

9、力，流道面积和方向变化的局部阻力，以及叶轮通道中的环流和旋涡等因素造成的能量损失。（3）机械效率 由于高速旋转的叶轮表面与液体之间摩擦，泵轴在轴承、轴封等处的机械摩擦造成的能量损失。一离心泵的性能参数36总效率由上述三部分构成，即总效率由上述三部分构成，即vhm （1）闭式叶轮的容积效率值在0.850.95。（2）额定流量下，水力效率最高，其值在0.80.9的范围。（3）机械损失可用机械效率来反映，其值在0.960.99之间。 一离心泵的性能参数374离心泵的有效功率和轴功率ePHq g由电机输入泵轴的功率称为泵的轴功率，单位为W或kW。则有 离心泵的有效功率是指液体在单位时间内从叶轮获得的能

10、量1000102ePHqP（2-19） （2-20） 一离心泵的性能参数38图2-9 离心泵的特性曲线 二离心泵的特性曲线39 每种型号的离心泵在特定转速下有其独特的特性曲线，且不受管路特性的影响。 在固定转速下，离心泵的流量和压头，效率不随被输送液体的密度而变，但泵的功率与液体密度成正比。二离心泵的特性曲线40 离心泵的轴功率P在流量为零时为最小，随流量的增大而上升，因而在启动离心泵时应关闭泵的出口阀，以减少启动电流，保护电机。待运转正常后，再打开泵出口阀并调节流量至规定值。同理，停泵时也要先关出口阀，还可防止排出管中液体倒流，保护叶轮。二离心泵的特性曲线41 离心泵的压头一般随流量加大而下

11、降（在极小流量时有例外）。此规律和离心泵理论压头的表达式相一致。 在额定流量下泵的效率为最高。该最高效率点称为泵的设计点，对应的各项参数称为最佳工况参数。离心泵铭牌上标出的性能参数即是最高效率点对应的数值。离心泵应尽可能在高效区操作（最高效率的92%范围内）。 二离心泵的特性曲线42二离心泵的特性曲线设计点最佳工况参数高效区43三影响离心泵性能的因素及性能换算1液体物性的影响（1）液体的密度 流量、压头、泵的效率不随密度而改变泵的功率与液体密度成正比44qqc q HHc Hc 三影响离心泵性能的因素及性能换算（2）液体的黏度 当被输送液体的黏度大于常温水的黏度时，泵的流量、压头、效率随黏度增

12、加而下降，但轴功率增加。当液体运动黏度大于20cSt时 45464723111111222222nHnnnHnnqPqP2离心泵转速的影响其适用条件是离心泵的转速变化不大于20%。 三影响离心泵性能的因素及性能换算离心泵的比例定律483离心泵叶轮外径的影响23222222DDDHDHDDqPqP其适用条件是固定转速下，叶轮直径的车销不大于5%D2。三影响离心泵性能的因素及性能换算离心泵的切割定律49第二章 流体输送机械2.2 离心泵2.2.1 离心泵的工作原理和基本结构2.2.2 离心泵的基本方程式2.2.3 离心泵的性能参数与特性曲线2.2.4 离心泵在管路中的运行50一离心泵的安装高度离心

13、泵的安装高度是指泵的入口距贮槽液面的垂直距离 图2-12离心泵吸液示意图 安装高度512011,0 12gfppuHHgg若贮槽液面上方与大气相通，则p0即为大气压pa 211,0 12agfppuHHgg泵的允许安装高度（2-24） 泵入口处可允许的最低压力（2-24a） 一离心泵的安装高度521离心泵的安装高度的限制汽蚀现象 泵吸入口附近压力等于或低于pv。 泵扬程较正常值下降3为标志。 一离心泵的安装高度出现汽蚀的标志产生原因动画0853（1）泵体产生震动与噪音；（2）泵性能（q、H、）下降；（3）泵壳及叶轮冲蚀（点蚀到裂缝）。 应注意区别气缚现象与汽蚀现象。汽蚀的危害一离心泵的安装高度

14、542离心泵的抗汽蚀性能用NPSH表示，单位为m，其定义式 2112vppuNPSHggg（2-25） 泵入口液体静压头泵入口液体动压头操作温度下液体的饱和蒸汽压头一离心泵的安装高度汽蚀余量55（1）临界汽蚀余量（NPSH）c21,min1()2vcppuNPSHgg（2-26） 当流体流量一定而且进入阻力平方区时，（NPSH）c值仅与泵的结构和尺寸有关，由泵的制造厂实验测定。一离心泵的安装高度56（2）必需汽蚀余量(NPSH)r为了确保离心泵的正 常 操 作 ， 将 所 测 得 的(NPSH)c值加上一定的安全量作为必需汽蚀余量(NPSH)r，列于泵产品样本或绘于泵的特性曲线上。其值随流量增

15、加而加大。(NPSH)r越小，泵的抗气蚀性能越好。一离心泵的安装高度57图2-13（NPSH）rq关系曲线 一离心泵的安装高度必需汽蚀余量58（3）允许汽蚀余量NPSHNPSH(NPSH)0.5c (2-27) 一离心泵的安装高度591asppHg （2-28） 离心泵的允许吸上真空度值愈大，表示该泵在一定条件下操作时其抗汽蚀性能愈好。允许吸上真空度与泵的结构、被输送液体的性质及液面上方压力有关，其值随q增加而降低。一离心泵的安装高度允许吸上真空度 60Hs值由泵生产厂家于常压下（98.1kPa）用20清水实验测得。当操作条件与该条件不一致或输送其它液体时，对Hs要进行校正。一离心泵的安装高度

16、613离心泵的允许安装高度,0 1avgfppHNPSHHg（2-29） 21,0 12gsfuHHHg（2-30） 离心泵的实际安装高度应比允许安装高度减小0.51m。离心泵的实际安装高度应以夏天当地最高温度和所需要最大用水量为设计依据。一离心泵的安装高度62二离心泵的工作点2eeHKBq2aHAGq（管路特性方程） （2-5） （泵的特性方程） （2-17） 联立泵的特性方程式和管路特性方程式所解得的流量和压头即为泵的工作点。在特定曲线图上，泵的工作点对应泵的特性曲线和管路特性曲线的交点 63图2-14 管路特性曲线与泵的工作点 工作点二离心泵的工作点64练 习 题 目思考题作业题: 3、

17、4、51 描述离心泵性能的参数有哪些？特性曲线中每条线是如何变化的？2. 汽蚀现象是什么，与气缚有什么差别？如何防止?3. 描述离心泵抗汽蚀性能的参数有哪些？它们的定义以及与安装高度的关系。65第二章 流体输送机械2.2 离心泵2.2.1 离心泵的工作原理和基本结构2.2.2 离心泵的基本方程式2.2.3 离心泵的性能参数与特性曲线2.2.4 离心泵在管路中的运行66三离心泵的流量调节1改变管路特性曲线改变泵出口阀开度672改变泵的特性改变泵的转速n(比例定律)或叶轮外缘尺寸D2(切割定律)均可改变泵的特性，如例2-4所示。三离心泵的流量调节23111111222222nHnnnHnnqPqP

18、23222222DDDHDHDDqPqP683离心泵的并联和串联操作（1）离心泵的并联 三离心泵的流量调节在同一压头下，并联泵的流量为单台泵的两倍。 并联泵的工作点69 并联后的总流量必低于单台泵流量的两倍，而并联压头略高于单台泵的压头。并联泵的总效率与单台的效率相同。三离心泵的流量调节70（2）离心泵的串联 三离心泵的流量调节在同一流量下，串联泵的压头为单台泵压头的两倍 串联泵的工作点71 两台泵串联操作的总压头必低于单台泵压头的两倍，流量大于单台泵的。串联泵的效率为q串下单台泵的效率。 三离心泵的流量调节72（3）离心泵组合方式的选择三离心泵的流量调节单台泵工作点2台泵串联工作点2台泵并联

19、工作点73（3）离心泵组合方式的选择三离心泵的流量调节单台泵工作点2台泵并联工作点2台泵串联工作点74如果单台泵所能提供的最大压头小于管路两端的 值，则只能采用泵的串联操作。对于管路特性曲线较平坦的低阻型管路，采用并联组合方式可获得较串联组合为高的流量和压头；反之，对于管路特性曲线较陡的高阻型管路，则宜采用串联组合方式。 ()pZg三离心泵的流量调节75第二章 流体输送机械2.2 离心泵2.2.1 离心泵的工作原理和基本结构2.2.2 离心泵的基本方程式2.2.3 离心泵的性能参数与特性曲线2.2.4 离心泵在管路中的运行2.2.5 离心泵的类型与选择76一离心泵的类型清水泵、油泵、耐腐蚀泵、

20、杂质泵高温泵、高温高压泵、低温泵、液下泵、磁力泵 叶轮数目单级泵多级泵吸液方式单吸泵双吸泵泵送液体性质和使用条件77IS 型（单级单吸） 水泵 Sh 型（双吸泵） 输送清水及理化性质类似于水的液体 D 型（多级泵） 油泵（Y 型）输送石油产品，良好密封性能 离心泵 耐腐蚀泵（F 型）输送酸、碱等腐蚀性液体，耐腐材料制造 杂质泵（P 型）输送悬浮液及稠厚的浆液，开式或半闭式叶轮 屏蔽泵（无密封泵）输送易燃、易爆、剧毒及放射性液体 磁力泵（C 型）高效节能，输送易燃、易爆、腐蚀性液体 一离心泵的类型781清水泵（IS型、D型、Sh型） IS型清水泵单级单吸悬臂式离心水泵 D型清水泵多级离心泵。用于

21、要求的压头较高而流量不太大时。Sh型离心泵双吸离心泵。用于泵送液体的流量较大而所需扬程并不高时。一离心泵的类型792油泵（Y型） 输送石油产品的泵称为油泵。因为油品易燃易爆，因而要求油泵有良好的密封性能。当输送高温油品（200以上）时，需采用具有冷却措施的高温泵。 油泵有单吸与双吸、单级与多级之分。国产油泵系列代号为Y、双吸式为YS。全系列扬程范围为60603m，流量范围为6.25500m3/h。一离心泵的类型803防腐蚀泵（F型） 4杂质泵（P型）5屏蔽泵6磁力泵（C型）C型磁力泵全系列扬程范围为1.2100m，流量范围为0.1 100m3/h。 F泵全系列扬程范围为15105m，流量范围为

22、2400m3/h。 一离心泵的类型81二离心泵的选择选泵时应注意以下几点：（1）根据被输送液体的性质和操作条件，确定适宜的类型。（2）根据管路系统在最大流量下的流量qe和压头He确定泵的型号。（3）当单台泵不能满足管路要求时，要考虑泵的串联和并联。（4）若输送液体的密度大于水的密度，则要核算泵的轴功率。 82三离心泵的安装与操作（1）实际安装高度要小于允许安装高度，并尽量减小吸入管路的流动阻力。（2）启动泵前要灌泵；并关闭出口阀，使启动功率最小；停泵前也应先关闭出口阀，以保护叶轮。（3）定期检查和维修。83第二章 流体输送机械2.3 其他类型化工用泵2.3.1 往复式泵84一往复泵 往复式泵包

23、括活塞泵、栓塞泵和隔膜泵，通称往复泵，是正位移式泵的一种，应用比较广泛。85一往复泵1 往复泵的基本结构和工作原理活塞泵缸吸入阀活塞杆排出阀往复泵有自吸能力，启动前不灌泵。动画0986 为了改善单动泵流量的不均匀性，设计出了双动泵和三联泵。一往复泵87图2-26往复泵的流量曲线 882.往复泵的性能参数与特性曲线流量(排液能力) 双动泵理论流量双动泵理论流量TrqASn(2a)TrqASn单动泵理论流量单动泵理论流量（2-31） （2-32） 活塞的截面积活塞冲程活塞每分钟往复次数活塞杆的截面积一往复泵89考虑流量的损失，实际的计算式为考虑流量的损失，实际的计算式为vTqq（2-33） 功率与

24、效率 60Hq gP（2-34） 一往复泵90图2-27 往复泵的特性曲线压头和特性曲线 一往复泵91 往复泵的输液能力只取决于活塞的位移而与管路情况无关，泵的压头仅随输送系统要求而定，这种性质称为正位移特性，具有这种特性的泵称为正位移（定排量）泵。 一往复泵923.往复泵的工作点与流量调节往复泵的工作点 一往复泵图2-27 往复泵的工作点93往复泵的流量调节（1）旁路调节装置一往复泵（2）改变活塞冲程或往复频率94第二章 流体输送机械2.3 其他类型化工用泵2.3.1 往复式泵2.3.2 回转式泵齿轮泵动画1095第二章 流体输送机械2.3 其他类型化工用泵2.3.1 往复式泵2.3.2 回

25、转式泵2.3.4 常用液体输送机械性能比较（自学）96练 习 题 目思考题作业题: 8、9、101离心泵流量的调节方式有哪些？2. 离心泵如何选型？安装和操作中须注意哪些问题？3. 哪些属于正位移泵？比较离心泵和正位移泵的特性。97第二章 流体输送机械2.4 气体输送和压缩机械2.4.1 气体压送机械的分类98气体输送机械通风机鼓风机压缩机真空泵气体压送机械的分类出口表压：低于1.47104Pa1.471042.94105Pa2.94105Pa以上099气体输送机械通风机鼓风机压缩机真空泵压缩比：11.15小于4大于4气体压送机械的分类100气体输送机械通风机鼓风机压缩机真空泵设备：离心通风机

26、罗茨鼓风机,离心鼓风机往复压缩机,离心压缩机,液环压缩机水环真空泵,往复真空泵,蒸汽喷射泵气体压送机械的分类101第二章 流体输送机械2.4 气体输送和压缩机械2.4.1 气体压送机械的分类2.4.2 离心式通风机、鼓风机和压缩机102一离心通风机 风机对单位体积气体所作的有效功称为风机对单位体积气体所作的有效功称为风压风压，以以HT表示，单位为表示，单位为J/m3或或Pa。根据风压的不同，将离心通风机分为三类：根据风压的不同，将离心通风机分为三类：低压离心通风机：中压离心通风机：高压离心通风机：出口风压（表压）低于0.981103 Pa0.981103 2.94103 Pa2.94103 1

27、4.7103 Pa动画111031离心通风机的性能参数与特性曲线 风量q 风量是指单位时间内从风机出口排出的气体体积；并以风机进口处的气体状态计，单位为m3/h。 风压HT 是单位体积气体通过风机时所获得的能量，单位为J/m3或Pa，习惯上用mmH2O表示。一离心通风机104全风压由静风压与动风压构成全风压由静风压与动风压构成 : 2212()2THppu全风压动风压静风压若实际的操作条件与20、101.33kPa的实验条件不同 1.2TTHH（2-36） （2-35） 一离心通风机105 轴功率与效率 /1000TPH q（2-37） 注意，用式（2-37）计算功率时，HT与q必须是同一状态

28、下的数值。一离心通风机106 离心通风机的特性曲线是出厂前在温度为20的常压下（101.33kPa）实验测定的。离心通风机的特性曲线与离心泵的特性曲线相比，增加了一条静风压随流量的变化曲线，如图2-36所示。一离心通风机107图2-36 离心通风机的特性曲线 一离心通风机1082离心通风机的选择 根据管路布局和工艺条件，计算输送系统所需的实际风压 ，并按式2-36换算为实验条件下的风压 。THTH一离心通风机 根据所输送气体的性质及所需的风压范围，确定风机的类型。 根据实际风量和实验条件下的风压，选择适宜的风机型号。 当1.2kg/m3时，要核算轴功率。1092.4.3 往复压缩机第二章 流体

29、输送机械2.4 气体输送和压缩机械2.4.1 气体压送机械的分类2.4.2 离心式通风机、鼓风和压缩机罗茨鼓风机 动画12110一往复压缩机的基本结构和工作原理与往复泵相比，往复压缩机的特殊性：压缩后气体的温度升高，体积变小，具有可压缩性。 为移除压缩放出的热量以降低气体的温度，还应附设冷却装置。 由于气缸中余隙的影响，往复压缩机实际的工作过程也比往复泵的更加复杂。 1111往复压缩机的理想压缩循环简化假设：(1)被压缩的气体为理想气体。(2)气体流经吸气阀的流动阻力可忽略不计。(3)压缩机无泄漏。(4)排气终了时活塞与气缸端盖之间没有空隙（又称余隙）。一往复压缩机的基本结构和工作原理112图

30、2-38 理想压缩循环的p-V图 吸气阶段压缩阶段排气阶段 一往复压缩机的基本结构和工作原理113一个理想压缩循环所需的外功为21ppWVdp（2-38） 依据不同的过程积分上式，得到等温压缩过程： 21 11=lnpW pVp（2-39） 一往复压缩机的基本结构和工作原理114绝热压缩过程多变压缩过程121 11W11kkpkpVkp121 11W11mmpmpVmp（2-41） （2-40） 等温压缩过程所需的外功最少，而绝热压缩过程消耗的外功最多。 一往复压缩机的基本结构和工作原理1152往复压缩机的实际压缩循环图2-39实际压缩循环的p-V图 一往复压缩机的基本结构和工作原理吸气阶段压

31、缩阶段排气阶段 余隙气体膨胀116在实际压缩循环中，活塞对气体所作的多变理论功为121141()11mmpmWp VVmp（2-43） 一往复压缩机的基本结构和工作原理117余隙系数 余隙体积与活塞一次扫过的体积之比的百分数称为余隙系数。 313100%VVV（2-44） 容积系数0 压缩机一个循环吸入气体的体积与活塞一次扫过体积之比称为容积系数。 14013VVVV（2-45） 一往复压缩机的基本结构和工作原理118容积系数与余隙系数之间的关系为 120111kpp （2-46） 余隙系数对压缩机性能的影响： 当压缩比一定时，余隙系数加大，容积系数变小，压缩机的吸气量就减少。 对于一定的余隙系数，气体的压缩比愈高，容积系数则愈小，即每一压缩循环的吸气量愈小，当压缩比高到某极限值时，容积系数可能变为零。 一往复压缩机的基本结构和工作原理119二往复压缩机的主要性能参数1排