第二章流 体 输 送 设 备 §1 概述 气体的输送和压缩

1、第二章 流 体 输 送 设 备1 概述气体的输送和压缩，主要用鼓风机和压缩机。液体的输送，主要用离心泵、漩涡泵、往复泵。固体的输送，特别是粉粒状固体，可采用流态化的方法，使气-固两相形成液体状物流，然后输送，即气力输送。流体输送在化工中用处十分广泛，有化工厂的地方，就有流体输送。流体输送机械主要分为三大类：（1）离心式。靠离心力作用于流体，达到输送物料的目的。有离心泵、多级离心泵、离心鼓风机、离心通风机、离心压缩机等。（2）正位移式。靠机械推动流体，达到输送流体的目的。有往复泵、齿轮泵、螺杆泵、罗茨风机、水环式真空泵、往复真空泵、气动隔膜泵、往复压缩机等。（3）离心正位移式。既有离心力作用，又

2、有机械推动作用的流体输送机械。有漩涡泵、轴流泵、轴流风机。象喷射泵属于流体作用输送机械。本章主要研究连续输送机械的原理、结构及设计选型。2 离心泵及其计算一、离心泵构造及原理若将某池子热水送至高的凉水塔，倘若外界不提供机械能，水能自动由低处向高处流吗？显然是不能的，如图2-1所示，我们在池面与凉水塔液面列柏努利方程得：图2-1 流体输送示意图(表压)，若泵未有开动，则：代入上式得： 为虚数此计算说明，泵不开动，热水就不可能流向凉水架，就需要外界提供机械能量。能对流体提供机械能量的机器，称为流体输送机械。离心泵是重要的输送液体的机械之一。如图2-2 所示，离心泵主要由叶轮和泵壳所组成。图2-2

3、离心泵构造示意图叶轮 其作用为将原动机的能量直接传给液体，以提高液体的静压能与动能（主要为静压能）。泵壳 具有汇集液体和能量转化双重功能。轴封装置 其作用是防止泵壳内高压液体沿轴漏出或外界空气吸入泵的低压区。常用的轴封装置有填料密封和机械密封两种。先将液体注满泵壳，叶轮高速旋转，将液体甩向叶轮外缘，产生高的动压头，由于泵壳液体通道设计成截面逐渐扩大的形状，高速流体逐渐减速，由动压头转变为静压头，即流体出泵壳时，表现为具有高压的液体。在液体被甩向叶轮外缘的同时，叶轮中心液体减少，出现负压（或真空），则常压液体不断补充至叶轮中心处。于是，离心泵叶轮源源不断输送着流体。可以用如下示意图表示此机械何以

4、得名离心泵，是因为叶轮旋转过程中，产生离心力，液体在离心力作用下产生高速度。气缚现象若离心泵在启动前，未灌满液体，壳内存在空气，使密度减小，产生的离心力就小，此时在吸入口所形成的真空度不足以将液体吸入泵内。所以尽管启动了离心泵，但不能输送液体。表明离心泵无自吸能力。因此，离心泵在启动前必须灌泵。二、泵参数与特性曲线工作原理清楚之后，自然要问，该泵的送液能力（流量 ）如何？增压程度（扬程 ）多大？旋转机械的功率（泵功率）为多少？效率（泵效率）多少？等等问题。泵的流量、扬程、功率、效率，统称为离心泵的性能参数。这些参数之间的关系，都是由实验来测定的，如图2-3 所示。离心泵上的铭牌 1流量Q（送液

5、能力）：指单位时间内泵能输送的液体量L/s，m3/h2扬程He（泵的压头）：指单位重量液体流径泵后所获得的流量。米液柱图2-3 泵性能实验装置示意图我们对真空表与压力表之间的液体列柏努利方程得： 液柱 （为真空度，即负表压） （压力表读数，表压），（管路径很短，可以忽略） （）式中, 真空表与压力表垂直位差，； 压力表读数（表压），； 真空表读数，； 吸入管和压出管中液体流速，；式（）即为对应于一定流量,泵提供扬程的计算公式。电动机提供的机械功率，可由电流表 安和电压表 伏的读数得到，也可由功率表直接读得。 （）3功率和效率泵的有效功率计算式，推导如下：例如，离心泵对流体实际提供的能量为，也就

6、是说，对每公斤液体，泵要提供焦耳的能量。在时间里，泵输送的体积流量为，则输送的液体质量为：在时间里，泵要提供的能量为： 而功率是单位时间里提供的能量，所以 （）泵效率定义为，泵的有效功率与电机提供的功率之比，即： （）1 容积损失由泵的泄漏所造成的。1离开叶轮的高压液体，在吸入口与泵壳间的间隙回流到吸入口；2液体由轴套处，流出外界。因此泵所排出的液体量小于泵的吸入量。2 水力损失液体在泵内摩擦阻力和局部阻力所引起的。3 机械损失泵运转时，与轴承、轴封等机械部件的机械摩擦。泵的总效率反映了上述三种损失之总和三、离心泵特性曲线在图2-3中用阀门调节管路流量至某一值；读取真空计、压力计读数，再读功率

7、表数值；已知进、出口管径分别为。由上式（）计算得到，由式（）计算，由式（）计算得到。再调节流量至，如上得到。因此重复测得个数据点。将实验所得数据，描绘成曲线、曲线、曲线，统称为离心泵的特性曲线。离心泵特性曲线是在一定转速下，用20水测定，由H-Q、P-Q、-Q三条曲线组成。P/kWP（1）H-Q曲线：离心泵的压头在较大流量范围内随流量的增大而减小。不同型号的离心泵，H-Q曲线的形状有所不同。（2）P-Q曲线：离心泵的轴功率随流量的增大而增大，当流量Q0时，泵轴消耗的功率最小。因此离心泵启动时应关闭出口阀门，使启动功率最小，以保护电机。（3）-Q曲线：开始泵的效率随流量的增大而增大，达到一最大值

8、后，又随流量的增加而下降。这说明离心泵在一定转速下有一最高效率点，该点称为离心泵的设计点。一般离心泵出厂时铭牌上标注的性能参数均为最高效率点下之值。高效率区通常为最高效率的92左右的区域。【例2-1】 今有一台IS100-80-125型离心泵，测定其性能曲线时的某一点数据如下：；真空计读数，压力表读数为，功率表读数为。已知液体密度为。真空计与压力计的垂直距离为，吸入管直径为，排出管直径为，试求此时泵的扬程，功率和效率。解：； 1. 讨论： 1）为什么在启动离心泵时，要关闭出口阀门？ 2）泵的铭牌上所标明的，是在最高效率下的流量，扬程和功率。 3）高效率区在最高效率的93%内。2叶轮转数及尺寸对

9、特性曲线的影响比例定律：， 切割定律： 3物理性质对特性曲线的影响1）m：m，hf ，He，Q，N，h 2）r：He、Q无影响，N四、离心泵选择与示例（一） 类型离心泵的类型：水泵，耐腐蚀泵，油泵和低温用泵等。选型依据：输送液体的性质和操作特点。1、 水泵（又称清水泵）用于工业生产（输送物理、化学性质类似水的液体）、城市给排水和农业排灌。IS型单级单吸式离心泵如：IS5032250型离心泵 IS国际标准单级单吸式离心泵； 50吸入口径，mm 32排出口径，mm 250叶轮名义尺寸，mmS型单级双吸离心泵流量较大，扬程不高；D、DG型多级离心泵扬程较高；ISR型单级单吸式离心泵节能型。2、 耐腐

10、蚀泵输送酸、碱等腐蚀性液体。特点：接触部件，采用各种耐腐蚀材料制造IH型化工离心泵单级单吸式耐腐蚀离心泵，为节能产品；CZ形流程泵为合金材料制造，适用于酸、碱、石油产品。3、 油泵输送石油产品及其他易燃易暴液体。特点：密封要求高，适用的温度范围较广。SJA型单级单吸悬臂式离心流程泵（二） 选择基本原则以能满足液体输送的工艺要求为前提。基本步骤1根据已知管路系统条件计算出实际He和Q；2根据输送液体的性质和操作条件，确定泵的类型；比较、选用合适型号； 3由输送液体的性质（如粘度、密度），核算泵的流量、扬程轴功率。选择泵主要依据是输送管道计算中，需要泵提供的压头（）和已知输送液体的流量（），然后查

11、离心泵样本，看哪种泵的扬程和流量能满足其要求。【例2-2】 天津地区某化工厂，需将的热水用泵送至高的凉水塔冷却，如图2-4所示。输水量为，输水管内径为，管道总长（包括局部阻力当量长度）为，管道摩擦系数为，试选一合适离心泵。 图2-4 【例2-2】附图 解：在水池液面与喷水口截面列柏努利方程 代入上式得 查王志魁主编的化工原理，书本附录21，可选TS100-80-125型离心泵601001202420五、离心泵的气蚀现象和安装高度为什么要提出安装高度问题呢？倘若吸水池液面通大气，即使泵壳内的绝压（）为零，即真空度为1个大气压，其安装高度亦会小于或等于，如图2-5所示。若大于米，则池中液体就不会源

12、源不断压入泵壳内。另外，若泵壳的绝压（）小于被输送液的饱和蒸汽压（），则液体将发生剧烈汽化，气泡剧烈冲向叶轮，使叶轮表面剥离、破损，发生“气蚀”现象，即气泡对叶轮的腐蚀现象。为了避免“气蚀”。所以必须满足。所以安装高度必须小于。当吸入口的压强接近水的饱和蒸汽压时，就会吸不上水汽蚀现象当泵的安装位置不合适时，液体的静压能在吸入管内流动克服位差、动能、阻力后，在吸入口处压强降至该温度下液体的饱和蒸汽压Pv时，液体会汽化，并逸出所溶解的气体。这些汽泡进入泵体的高压区后，遽然凝结，产生局部真空，使周围的 液体以高速涌向汽泡中心，造成冲击和振动。大量气泡破坏了液体的连续性，阻塞流道，增大阻力，使流量、扬

13、程、效率明显下降，严重时泵不能正常工作，给泵体以破坏。那么实际安装高度Hg应如何计算呢？ 图2-5 安装高度示意图在图2-5中的贮槽液面0-0与泵入口处1-1截面，列柏努利方程得， （1） 气蚀余量法（）气蚀余量，是指泵入口处动压头与静压头之和，超过液体在操作温度下水的饱和蒸汽压具有的静压头之差，即 改写式（a）并将式（b）代入得： （）式中, 由泵样本查得的气蚀余量值，； 泵工作处的大气压强，；操作温度下被输液的饱和蒸汽压，；（2） 允许吸上真空高度法（）目前出版的新的泵样本中，已没有列出数值。但90年代以前出版的教材和泵样本中，是列有值的。为了便于新老样本的衔接，此处简要介绍此法。定义 将

14、代入式得： 考虑到泵工作地点的大气压强不一定是一个大气压，泵所需送液体也不一定是20 oC的水，将压力与温度校正项加进去，代入式（c）得：（）此即允许吸上真空高度法计算泵安装高度的公式。式中为允许吸上真空高度。结论：为了提高安装高度，应尽量减少u12/2g、SHf，0-1值，故对吸入管的要求是直径尽可能大、长度尽可能短、减少管件和阀门。六、安装高度计算举例【例2-3】 在【例2-2】的输水系统中，泵的吸入管内径为吸入管压头损失为 水柱，选用IS100-80-125型泵，该离心泵的性能参数如下：流量扬程 气蚀余量 601001202420试计算：（1）泵的安装高度。已知oC水的饱和蒸汽压为，天津

15、地区平均大气压为。（3） 若该设计图用于兰州地区某化工厂，该泵能否正常运行？已知兰州地区平均大气压为。解: (2) 兰州地区的安装高度为： 在兰州地区安装高度应更低，才能正常运行。所以该设计图用于兰州地区，则应该根据兰州地区大气压数据进行修改。七、离心泵的工作点离心泵工作时，不仅处决于泵的特性曲线线，而且处决于工作管路的特性。当离心泵在给定管路工作时，液体要求泵提供的压头，可由柏努利方程求得， 由于位压头和静压头与流量无关，可令其为常数，即 。又因为，所以，所以式为： 其中 单位为 式为管路特性曲线。离心泵的稳定工作点应是泵特性曲线（曲线）与管路特性曲线式的交点，如图2-6所示。 图2-6 离

16、心泵工作点示意图八、离心泵流量调节流量调节实质上是改变离心泵特性曲线或管路特性曲线，从而改变泵的工作点P1 改变阀门的开度实质上是改变管路阻力，改变B值。QHe阀门开度，阻力，B，管路曲线变平坦，P点下移，He，Q； 阀门开度，阻力，B，管路曲线变陡峭，P点上移，He，Q；。调节阀门简单方便，应用广泛，但要消耗一部分能量。2 改变泵的转数QHe n，泵特性曲线下移，P点下移，Q，He； n，泵特性曲线下移，P点上移，Q，He。 改变泵特性曲线，保持管路曲线不变，不会产生能耗，优于调节流量。3改变叶轮数目 4切割叶轮外径【例2-4】 在【例2-2】中，若已安装了IS100-80-125型泵，试求

17、此时泵的稳定工作点。再求此时泵的有效功率。解：管路特性曲线为 将上式计算若干数据，如下表所示708090100取IS100-80-125泵的特性曲线，601001202420将泵性能曲线与管路特性曲线绘在图2-7中，得到交点为： 此即泵的稳定工作点。此时泵的有效功率为： 图2-7 【例2-4】附图要调节泵的工作点，一般采用调节管路特性曲线的办法。将式展开得，式中的一般由工艺要求所决定，不可随意变动。主要是通过调节阀门开度，改变管道的局部阻力当量长度（）。若要使流量变小。则关小阀门，使增加。如图2-8所示，管路特性曲线斜率增大，由EC线变至EB线。若要使流量增大，则开大阀门，使减少。 图2-8

18、流量调节示意图【例2-5】 在【例2-4】中，稳定工作点的流量大于所需的流量，若要使流量保持（即）。问管路的阻力当量长度应调至若干？并写出新的管路特性曲线方程。解：若流量要保持，从泵性能曲线上查得此时扬程为，如图2-7所示。即新的工作点为 。这个工作点必在管路特性曲线上，代入管路特性曲线方程式得： 即新的管路特性曲线方程为： 离心泵的组合操作（1）并联操作两泵并联后，流量与压头均有所提高，但由于受管路特性曲线制约，管路阻力增大，两台泵并联的总输送量小于原单泵输送量的两倍。（2）串联操作两泵串联后，压头与流量也会提高，但两台泵串联的总压头仍小于原单泵压头的两倍。（3）组合方式的选择 如果单台泵所提供