化工原理--第二章-流体输送设备课件

1、 第二章 流体输送设备 在化工生产中，流体输送过程是不可缺少的单元操作。为了满足工艺条件的要求，常需把流体从一处送到另一处；有时还需提高流体的压强或将设备造成真空，这就需采用为流体提供能量的输送设备，以便克服输送沿程的机械能损失、提高位能、提高流体的压强（或减压）。 为液体提供能量的输送设备称为泵； 为气体提供能量的输送设备称为风机及压缩机。 它们都是化工厂最常用的通用设备，因此又称 为通用机械。 本章将结合化工生产的特点，讨论流体输送机械的作用原理、基本构造与性能及有关计算，以达到能正确选择和使用的目的。 第一节 液体输送设备 液体输送设备的种类很多，按照工作原理的不同，分为离心泵、往复泵、

2、旋转泵与旋涡泵等几种。其中，以离心泵在生产上应用最为广泛。 211 离心泵 一、离心泵的工作原理和主要部件 1、离心泵的工作原理 下图21所示为一台安装在管路上的离心泵。 主要部件有叶轮1与泵壳2等。具有若干弯曲叶片的叶轮安装在泵壳内，并紧固于泵轴3上。泵壳中央的吸入口4与吸入管路5相连接，侧旁的排出口8与排出管路9相连接。 离心泵一般用电动机带动，在启动前需向壳内灌满被输送的液体。 启动电机后，泵轴带动叶轮一起旋转，充满叶片之间的液体也随着转动，在惯性离心力的作用下，液体从叶轮中心被抛向外缘的过程中便获得了能量，使叶轮外缘的液体静压强提高，同时也增大了流速，一般可达1525ms，即液体的动能

3、也有所增加。 液体离开叶轮进入泵壳后，由于泵壳中流道逐渐加宽，液体的流速逐渐降低，又将一部分动能转变为静压能，使泵出口处液体的压强进一步提高，于是液体以较高的压强，从泵的排出口进入排出管路，输送至所需的场所。 当泵内液体从叶轮中心被抛向外缘时，在中心处形成了低压区，由于贮槽液面上方的压强大于泵吸入口处的压强，在压强差的作用下，液体便经吸入管路连续地被吸入泵内，以补充被排出液体的位置。 由此可见，离心泵之所以能输送液体，主要是依靠高速旋转的叶轮。液体在离心力的作用下获得了能量以提高压强。 离心泵启动时，如果泵壳与吸入管路内没有充满液体，则泵壳内存有空气，由于空气的密度远小于液体的密度，产生的离心

4、力小，因而叶轮中心处所形成的低压不足以将贮槽内的液体吸入泵内，此时虽启动离心泵也不能输送液体，此种现象称为气缚，表示离心泵无自吸能力。 在吸入管路的进口处应装一单向底阀6和滤网7。底阀是防止启动前所灌入的液体从泵内漏失；滤网可以阻拦液体中的固体物质被吸入泵内，以免损坏叶轮的叶片或妨碍泵的正常操作。 靠近泵出口处的排出管路上装有调节阀10，以供开车、停车及调节流量时使用。 2、离心泵的主要部件 （1）叶轮 叶轮的作用是将原动机的机械能传给液体，使液体的静压能和动能均有所提高。离心泵的叶轮按结构可分为三种：闭式、半闭式和开式。如上图22所示。 图22(c)是开式叶轮，开式叶轮两侧都没有盖板，制造简

5、单，效率较低。它适用于输送含杂质的悬浮液。 半闭式叶轮如图22(b)所示，叶轮吸入口一侧没有前盖板，而另一侧有后盖板。它也适用于输送悬浮液。 闭式叶轮如图22(a)所示，叶片两侧都有盖板，这种叶轮效率较高，应用最广，但只适用于输送清洁液体。 按吸液方式的不同，叶轮还有单吸和双吸两种。 单吸式叶轮的结构简单，如下图23(a)所示，液体只能从叶轮一侧被吸入。 双吸式叶轮如图23(b)所示，液体可同时从叶轮两侧吸入。显然，双吸式叶轮具有较大的吸液能力，而且基本上可以消除轴向推力。 （2）泵壳 离心泵的泵壳，因壳内有一个截面逐渐扩大的蜗牛壳形通道，又称蜗壳，如图24中的1所示。 叶轮在壳内顺着蜗形通道

6、逐渐扩大的方向旋转，愈接近液体出口，通道截面积愈大。因此，液体从叶轮外缘以高速被抛出后，沿泵壳的蜗牛形通道而向排出口流动，流速便逐渐降低，减少了能量损失，且使部分动能有效地转变为静压能。 泵壳不仅作为一个汇集由叶轮抛出液体的部件，而且本身又是一个转能装置。 为了减少液体直接进入蜗壳时的碰撞，在叶轮与泵壳之间有时还装有一个固定不动而带有叶片的圆盘，这个圆盘称为导轮，如图24中的3所示。 由于导轮具有很多逐渐转向的流道，使高速液体流过时能均匀而缓和地将动能转变为静压能，以减小能量损失。 二、离心泵的主要性能参数 为了正确选择和使用离心泵，需要了解离心泵的性能。 离心泵的主要性能参数为流量、扬程、效

7、率和功率；这些参数标注在泵的铭牌上。 离心泵性能间的关系通常用特性曲线来表示。 1、流量 泵的流量(又称送液能力)是指单位时间内泵所输送的液体体积。用符号Q表示，单位为Ls或m3h。 离心泵的流量取决于泵的结构，尺寸（主要为叶轮的直径与叶片的宽度）和转速。 2、扬程 泵的扬程(又称泵的压头)是指泵对单位质量的液体所提供的有效能量，用符号H表示，单位为Nm / N = m（米液柱）。 离心泵的扬程大小取决于泵的结构(如叶轮的直径，叶片的弯曲情况等)、转速及流量。 对一确定的泵，在指定的转速下，压头与流量之间具有一定的关系。 泵的扬程可用实验方法测定，如下图25所示。真空表压力表孔板流量计z2h0

8、 z112图 25 扬程的测定 在泵的进出口处分别安装真空表和压力表，在 真空表1与压力表2之间列柏努利方程式，即： 0p1/ gu12/2gH= h0 p2/ g u22/2ghf 或： H= h0（p2p1 ）/ g （ u22u12 ）/2g hf （21） 式中：p2压力表读出的压力 (表压)，Nm2； 或Pa； p1真空表读出的真空度，Nm2；或Pa； 其中 p2p1= p2（ p1 ） = p2p1 u1、u2吸入管、排出管中液体的流速，m/s； hf两截面间的压头损失， m。 由于两截面之间管路很短，其压头损失hf可 忽不计，即： hf=0。 若以D2及D1分别表示压力表和真空表

9、上的读数，单位以米液柱（表压）计；则式（21）可改写为： H= h0 D2D1 （ u22u12 ）/2g （22） 3、效率 在输送液体过程中，外界能量通过叶轮传给液体时，不可避免地会有能量损失，泵轴转动所做的功不能全部都为液体所获得。通常用效率来反映能量损失。 能量损失包括： 容积损失 容积损失是由于泵的泄漏造成的。有一部分获得能量的高压液体通过叶轮与泵壳之间的缝隙漏回吸入口，或从填料函处漏至泵壳外，也有时从平衡孔漏回低压区。因此，从泵排出的实际流量要比理论排出流量为低，其比值称为容积效率1。 水力损失 水力损失是由于流体流过叶轮、泵壳时，由于流速大小和方向要改变，且发生冲击而产生的能量损

10、失。泵的实际压头要比泵理论上所能提供的压头为低，其比值称为水力效率2。 机械损失 机械损失是泵在运转时，在轴承、轴封装置等机械部件接触处，由于机械摩擦而消耗部分能量，泵的轴功率大于泵的理论功率 (即理论压头与理论流量所对应的功率)。理论功率与轴功率之比称为机械效率3。 泵的总效率 (又称效率)等于上述三种效率的乘积，即： = 123 （23） 对离心泵来说，一般小型泵的效率约为0.5 0.75，大型泵可达0.90。 4、功率 （也称轴功率） 离心泵的轴功率是泵轴所需的功率。 轴功率是指当泵直接由电动机带动时，电动机传给泵轴的功率，以N表示，单位为Js 、W或kW。 有效功率是指排送到管道的液体

11、从叶轮所获得的功率，以符号Ne表示。 泵的有效功率Ne可写成： Ne = QHg (24)式中： Ne泵的有效功率，W， Q泵的流量，m3/s， H泵的压头，m； 液体的密度，kgm3； g重力加速度，ms2。 以知g = 9.81m/s2 , 1kW = 1000 W , 则式(24)可用kW单位表示，即： （24a） 由于有容积损失、水力损失与机械损失，所以泵的轴功率N要大于液体实际得到的有效功率Ne，即： N=Ne/ （25） 把式（24a）代入式（25）得轴功率N的计算式： N= QH/102 （25a） 在机电产品样本中所列出的泵的轴功率，除特别说明以外，均系指输送清水时的功率。 三

12、、离心泵的特性曲线 离心泵的主要性能参数是流量Q、压头H、轴功率N及效率，其间的关系由实验测得。测出的一组关系曲线称为离心系的特性曲线或工作性能曲线。 特性曲线是在固定的转速下测出的，只适用于该转速，故特性曲线图上都注明转速n的数值。 图26为国产4B20型离心泵在n=2900 rmin时特性曲线。图上绘有三根曲线，即HQ、NQ及Q三条曲线。 1、HQ曲线 HQ曲线表示泵的流量Q和压头H的关系。 离心泵的压头在较大流量范围内是随流量增大而减小的。不同型号的离心泵，HQ曲线的形状有所不同。 HQ曲线较平坦的，适用于压头变化不大而流量变化较大的场合； HQ曲线比较陡峭的，适用于压头变化范围大而不允

13、许流量变化太大的场合。 2、NQ曲线 NQ曲线表示泵的流量Q和轴功率N的关系。 N随Q的增大而增大。显然，当Q = 0时，泵轴消耗的功率最小。因此，启动离心泵时，为了减少启动功率，应将出口阀关闭。 3、Q曲线 Q曲线表示泵的流量Q和效率的关系。 开始随Q的增大而增大，达到最大值后，又随Q的增大而下降。该曲线最大值相当于效率最高点。根据输送条件的要求，离心泵往往不可能正好在最佳工况点下运转。因此一般只能规定一个工作范围，称为泵的高效率区，通常为最高效率的92%左右，如图26中波折号所示的范围。例：采用上附图25所示的实验装置来测定离心泵的性能。泵的吸入管内径为100mm，排出管内径为80mm，两

14、测压口间垂直距离为0.5m。泵的转速为2900 rmin，以20清水为介质测得以下数据： 流量，Ls 15 泵出口处表压，Pa 2.55105 泵入口处真空度，Pa 2.67104 功率表测得电动机所消耗的功率，kW 6.2 泵由电动机直接带动，电动机的效率为93%。试求该泵在输送条件下的压头、轴功率和效率。解： (1) 泵的压头 真空计和压强表所在处的截面分别以11和22表示，在两截面间列以单位质量液体为衡算基准的柏努利方程式，即： 其中： Z2Z1=0.5m p1=2.67104 Pa (表压) P2=2.55105 Pa (表压) d1 = 0.1m d2 = 0.08m u1 = Q

15、/（d12 /4）= 4Q / d12 = 415103 / 0.12 = 1.91 m/s u2 = 415103 / 0.082 = 2.98 m/s 两测压口间的管路很短，共间流动阻力可忽略不计，即Hf,12=0。 故泵的压头为： (2) 泵的轴功率 功率表测得的功率为电动机的输入功率。由于泵为电动机直接带动，传功效率可视为100%，所以电动机的输出功率等于泵的轴功率。 因电动机本身消耗部分功率，其效率为93%，于是电动机输出功率为： 电机输入功率电动机效率 = 6.20.93=5.77 kW 泵的轴功率为： N=5.77 kW (3) 泵的效率按式（25a）知：例：如图所示，从水池将水

16、输送到高位槽。已知管子直径d均为573.5mm，磨擦系数 为0.03；吸入管长=10m，压出管长=50m，(以上管长均包括局部阻力的当量长度)，离心泵特性曲线为H = 257.2105V2，式中：H-m，V-m3/s。 试求：流入高位槽的水量为多少m3/h ？ 解：流入高位槽的水量可在11和22截面间列柏努利方程算出：其中H=257.2105V2： 8m11 2 2式中： Z1=0m， Z2=8m， u1=u2， = 0.03， p1=p2， d =0.05m， l+le =10+50=60m， u = V/A， A=0.7850.052=1.962510-3m2 Hf = hf /g = （

17、l+le）/d（u2/2g） = 0.0360/0.05（V/1.962510-3）2/（29.81）= 4.764105V2将有关数据代入柏努利方程得： 257.2105V2 = 8 + 4.764105 V2 11.964105 V2 =17解得： V = 3.7710-3m3/s = 3.7710-33600 =13.57m3/h 四、离心泵的转速对特性曲线的影响 离心泵的特性曲线是在一定转速下测定的。 当转速由n1改变为n2时，其流量、压头及轴功率的近似关系为： （26）式(26)称为比例定律。 当转速变化小于20%时，可认为泵的效率不变，使用式（25a）来进行计算时误差不大。 五、叶

18、轮直径对特性曲线的影响 当叶轮直径D变化不大，转速不变时，叶轮直径、流量、压头及轴功率之间的近似关系为： （27）式（27）称为切割定律。 六、液体物理性质的影响 泵生产部门所提供的特性曲线是用清水作实验求得的。当所输送的液体性质与水相差较大时，要考虑粘度及密度对特性曲线的影响。 1、粘度的影响 所输送的液体粘度愈大，泵体内能量损失愈多。造成泵的扬程、流量都要减小，效率下降，而轴功率则要增大，亦即泵的特性曲线发生改变。 2、密度的影响 离心泵的压头、流量与液体的密度无关，则泵的效率也不随液体的密度而改变，所以HQ与Q曲线保持不变。但泵的轴功率N随液体密度而改变，则N。因此，当被输送液体的密度与

19、水不同时，不能使用该泵原提供的NQ曲线，而应按(24a)及(25)重新计算N。 3、溶质的影响 如果输送的液体是水溶液，浓度的改变必然影响液体的粘度和密度。浓度越高，与清水差别越大。浓度对离心泵特性曲线的影响，同样反映在粘度和密度上。如果输送液体中含有悬浮物等固体物质，则泵特性曲线除受浓度的影响外，还受到固体物质的种类、以及粒度分布的影响。 七、离心泵的汽蚀现象和安装高度 离心泵在管路中安装高度是否恰当，将直接影响离心泵性能，操作状况和使用寿命，为此，在管路计算中应正确地确定离心泵的安装高度。 （1）离心泵的汽蚀现象 离心泵叶轮入口处是压力最低的地方，如果这个地方液体的压力等于或低于输送温度下

20、液体的饱和蒸汽压力时，就会有蒸汽从液体中大量逸出，形成许多蒸汽和气体混合物的小气泡。它随同液体从低压区流向高压区；这些气泡在高压作用下迅速凝结或破裂。如果在金属表面附近破裂而凝结，则液体质点就象无数小弹头一样，连续打击在金属表面上。在压力很大且频率很高的连续打击下，金属表面逐渐因疲劳而破坏，这种现象叫做汽蚀现象。 为了保证离心泵的正常操作，应避免产生汽蚀，这就要求叶片入口附近的最低压强必须维持在某一值以上，通常是取输送温度下液体的饱和蒸汽压作为最低压强。由于在实际操作中，不易确定泵内最低压强的位置，往往以实测泵入口处的压强，加一安全裕量后来作为泵入口处允许的最低压强。以保证泵入口处的压力大于输

21、送温度下液体的饱和蒸汽压。 （2）离心泵的抗气蚀性能 根据泵的抗气蚀性能，合理地确定泵的安装高度是避免气蚀现象的有效措施。 a、离心泵的气蚀余量h 为了避免发生气蚀现象，在离心泵的入口处液体的静压头p1/ g与动压头u12/2g之和必须大于操作温度下的液体饱和蒸汽压头pv/ g某一数值，此数值即为离心泵的汽蚀余量。 汽蚀余量的定义式为： h = p1/ g pv/ g u12/2g （28）式中： h离心泵的汽蚀余量，m； pv 操作温度下的液体饱和蒸汽压，Pa。 b、离心泵的允许吸上真空度Hs 为避免气蚀现象，泵入口处压强p1应为允许的最低绝对压强。但习惯上常把p1表示为真空度，若大气压为p

22、a，则泵入口处的最高真空度为（pap1）,单位为Pa。若真空度以输送的液柱高度来计量，则此真空度称为离心泵的允许吸上真空度，用符号Hs表示，其数学表达式为： Hs =（pap1）/ g （29）式中：Hs允许吸上真空高度，m液柱； pa大气压，Pa； 被输送液体的密度，kg/m3。 p1泵入口处允许达到的最高真空度，Pa。 C、允许安装高度Hg（又称允许吸上高度） 允许安装高度是指泵的吸入口与吸入贮槽液面间可允许达到的最大垂直距离，m。 要确定允许吸上真空度Hs与允许安装高度Hg之间关系，可设离心泵吸液装置如图27所示。 （210）式中Hf为液体流经吸入管路时所损失的压头，m。 由于贮槽是敞口

23、的，则p0为大气压pa，上式可写成： （210a） 将式（29）代入上式，则得： Hg = Hsu12/2gHf （211） 以贮槽液面为基准面，列出贮槽液面00与泵入口处11截面间的柏努利方程式： 式（211）可用于计算泵的允许安装高度Hg。 由（211）式可知，为了提高泵的允许安装高度Hg，应尽量减小u12/2g和Hf值： 为了减小u12/2g，在同一流量下，应选用直径稍大的吸入管路； 为了减小Hf，除了选用直径稍大的吸入管以外，吸入管应尽可能地短，并且尽量减少弯头和不安装截止阀等。 在泵出产的说明书中所给出的允许吸上真空度Hs是指大气压力为10 mH2O，水温为20状态下的数值。 如果泵

24、的使用条件与该状态不同时，则应把说明书上所给出的Hs值，换算成操作条件下的Hs值，其换算公式为： Hs= Hs +（Ha10）( pv /(9.81103) 0.24)1000/ (212)式中：Hs操作条件下输送水时的允许吸上真 空度，mH2O； Hs泵样本中给出的允许吸上真空度， mH2O； Ha泵工作处的大气压，mH2O； pv操作温度下水的饱和蒸汽压，Pa； 0.24实验温度（20）水的饱和蒸汽 压，mH2O; 10实验条件下的大气压，mH2O; 1000实验温度下水的密度，kg/m3； 操作温度下水的密度，kg/m3。 将式(210)与式(28)合并，可导出汽蚀余量h与允许安装高度H

25、g之间关系： Hg = (p0pv )/ghHf （213）式中：p0为液面上方的压力，若为敞口，液面上的 p0 = pa=1.0133105 Pa。 应当注意，泵性能表上的汽蚀余量h值也是按输送20水而规定的。当输送其它液体时，需进行校正。具体校正方法可参阅有关文献。 只要知道允许吸上真空度Hs与汽蚀余量h这两个参数中的任何一个，由式（211）或式（213）就可确定泵的允许安装高度Hg。 为了安全起见，离心泵的实际安装高度应比允许安装高度低0.51m。例：用3B33型泵从敞口槽中将水送到它处，槽内水位恒定，输送量为4555m3h，在最大流量下吸入管路的压头损失为1m，液体在吸入管路中的动压头

26、可忽略。泵安装地区的大气压为9.81104 pa。试计算：（1）输送20水时，泵的安装高度； （2）若改为输送65的水，求泵的安装高度。 3B33型泵的部分性能数据列于下附表。 解： (1) 输送20水时泵的允许安装高度Hg 根据式（211）计算泵的允许安装高度Hg，即： Hg = Hsu12/2gHf 由题意知： Hf = 1m， u12/2g 0 又从该泵性能数据附表知，允许吸上真空高度Hs随流量增加而下降。因此，在确定泵的安装高度时，应以最大输送量所对应的Hs值为依据，以便保证离心泵能正常运转，而不发生气蚀现象，故取Hs=3 mH20。 输送的是20水，泵安装地区的大气压强为9.81l0

27、4 Pa，与泵出厂时的实验条件基本相符，（10 mH2O = 9.807104 pa，水温20），故允许吸上真空度Hs不用换算，即Hs=3m。 将有关数据代入式（211）计算得： Hg = 31 = 2 m 为安全起见，泵的实际安装高度应小于2m。 (2) 输送65的水时，泵的允许安装高度Hg输送65的水时，不能直接采用泵性能附表中的Hs值来计算允许安装高度，需要按式(212)对H s进行换算，求出操作条件下的Hs值，再代入式（211）计算，即： Hs= Hs +（Ha10）( pv /(9.81103) 0.24)1000/上式中： Hs=3 mH2O Ha = 9.81l04 Pa 10

28、mH2O 由教材附录查出65水的饱和蒸汽压pv = 2.554104 pa及密度= 980.5kgm3, 将数据代入上式计算： Hs= 3+（1010）（2.544104/ （9.81103）0.24） 1000 / 980.5 = 0.65 mH2O 根据式（211）计算泵的允许安装高度Hg： Hg = 0.651= 0.35 m Hg为负值，表示泵应安装在水面以下，至少比储槽水面低0.35 m；使液体利用位差自动灌入泵体内。例：如图，用离心泵将密度为900kg/m3、粘度为2.3cP、温度为400C的某有机液体混合物从敞口储槽送至精馏塔内进行分离。测得泵的实际安装高度为2 m，泵入口处真空

29、度为350mmHg，出口压力表读数为2atm，孔板流量计的U型管中水银柱高度为200mm，孔板孔径为30mm，孔流系数C0为0.63。泵入口管中心线至出口压力表之间的垂直距离为0.5m，其间的能量损失可以忽略不计。精馏塔进口管中心线与储槽液面之间的距离为10m且恒定不变。全程管径均为584，局部阻力折算为当量长度，总管道实际长度加当量长度共为20m，其中进口管路一段的实际长度加当量长度为7m。离心泵的气蚀余量为0.5m，泵工作当地的大气压为1. 0133105Pa，管道为光滑管，其摩擦系数=0.3164/Re0.25，离心泵的效率为78%。已知水银的密度为13600kg/m3； 400C时溶液

30、的饱和蒸汽压为80 mmHg。试求： （1）该溶液在管路中的体积流量为多少m3/h？ （2）精馏塔内接管口处的表压强为多少Mpa？ （3）离心泵的轴功率为多少kW？ （4）其允许最大安装高度为多少m？离心泵在此管路工作时，是否会发生气蚀现象？ 解：（1）因为采用孔板流量计来测量体积流量，故按下式计算有机液体混合物的体积流量V：已知： d=0.03m； C0=0.63； h=0.2m； =13600kg/m3； =900kg/m3；将有关数据代入式中计算得： V = 0.7850.0320.6329.81 0.2(13600900）/9001/2 = 3.3110-3 m3/s = 3.3110

31、-33600 = 11.92 m3/h （2）在离心泵出口压力表与精馏塔进口管中心线之间列柏努利方程，各项以Pa为单位：并以压力表为基准水平面，求出精馏塔内接管口处的表压强P2： 其中：由于没有外加功，W=0； 又由于管路直径不变，有：u1=u2； Z1=0； Z2=102.5=7.5m； =900kg/m3P1=2atm（表压）= 21.0133105= 202660Pa；hf 按下式计算： 由于能量损失hf中牵涉到管道内流速u和，故先要求出u和及（l+le）： 已知： V=Au 而 V=3.3110-3 m3/s； A =0.785d2 ； d=5824=0.05m 则： u=3.3110

32、-3 /0.7850.052=1.687m/s 已知： =0.3164/Re0.25 Re = du/而 =2.3cP=2.310-3 Pas则：=0.3164/（du/）0.25 =0.3164/（0.051.687900/2.310-3）0.25 =0.02347 已知： l+le=2070.5=12.5m将有关数据代入能量损失hf计算式得： hf=0.0234712.5/0.051.6872/2=8.35 J/kg hf = 9008.35 =7515 Pa将有关数据代入柏努利方程得： 0+0+202660+0 = 7.59009.81+0+P2+7515 202660 = 66217.

33、5+P2+7515 则有： P2= 128927.5 Pa = 0.129Mpa （3）按下式求离心泵的轴功率N： 已知： Q=3.3110-3 m3/s； =900kg/m3； =78%； 关键是求出扬程H： 在离心泵进口真空表与出口压力表之间列柏努利方程：并以真空表为基准水平面(即Z1=0)，来求出H：（其中能量损失Hf可以忽略）已知：管路直径不变，u1=u2； h0=0.5m； Hf=0； =900kg/m3； PM= 2atm（表压）= 21.0133105 = 202660Pa； Pv=350mmHg（表压）= 350133.32= 46662 Pa； 所以：H = 0.5+（202

34、660+46662/9009.81 +0+0=28.74m将有关数据代入离心泵的轴功率计算式得：N=3.3110328.74900/1020.78=1.076kW （4）最大的允许安装高度Hg按下式计算： Hg = (p0pv )/ghHf已知： 敞口储槽，当地的大气压为1. 0133105Pa，即： p0 =101330 Pa； 400C时溶液的饱和蒸汽压为80 mmHg，即: pv= 80 mmHg = 80133.32=10665.6 Pa ；离心泵的气蚀余量h =0.5m； =900kg/m3； 而Hf为液体流经吸入管路时所损失的压头； hf 按下式计算： =0.02347； d =0

35、.05m； u = 1.687 m/s； l+le= 7m；将有关数据代入上式计算得： hf=0.023477/0.051.6872/2=4.68 J/kg Hf =hf / g = 4.68/9.81 = 0.477 m再将有关数据代入允许安装高度Hg计算式得： Hg = (10133010665.6 )/9009.81 0.50.477=9.3 m 由于计算出的允许最大安装高度为9.3 m，而实际安装高度为2 m，即9.3 m 2 m，在允许安装高度9.3 m之内，所以不会发生气蚀现象。 例：现欲用一离心泵将低位槽中的水送至12米高处的高位槽，流量要求12m 3/h，吸入管路总长20m(包

36、括局部阻力的当量长度)，压出管路总长40m(包括局部阻力的当量长度)，管径均为40mm，=0.025。试求： (1)管路所需压头为多少? (2)若在12m3/h流量下，泵的压头H=27m，允许吸上真空度 Hs=7m，问该流量下泵的有效功率Ne为多少? 泵的允许安装高度Hg为多少? 12m解：(1) 在两液面间列柏努利方程，并以低位槽液面为基准得：其中：Z1=0， Z2=12m， d =0.04m， u1=u2， p1=p2， l+le= 20+40=60m， A=0.785d2， = 0.025， u = Q/A ， Q=12m3/h=12/3600=3.33310-3m3/s， A=0.78

37、50.042=1.25610-3m2 u= 3.33310-3 /1.25610-3 = 2.654 m/s Hf = hf /g = （l+le）/d（u2/2g） = 0.02560/0.04（2.6542/29.81） = 13.463m将有关数据代入柏努利方程得： H = 12 + 13.463 = 25.46m (2) 泵的有效功率Ne按下式计算： Ne = QHg其中： Q =12m3/h=12/3600=3.33310-3m3/s， H =25.46m， =1000kg/m3，将有关数据代入上式得： Ne =3.33310-325.4610009.81=832.46 W 泵的允许

38、安装高度Hg按下式计算： Hg = Hsu12/2gHf 其中： Hs = 7m， u = 2.654 m/s， Hf = hf /g = （l+le）/d（u2/2g） = 0.02520/0.04（2.6542/29.81） = 4.488 m将有关数据代入上式得： Hg =72.6542 /29.814.488 = 2.152 m 八、离心泵的工作点与流量调节 1、管路特性曲线 当离心泵安装在特定的管路系统中工作时，液体要求泵供给的压头H可由柏努利方程式求得，即： 在特定的管路系统中，一定的条件下时，上式中z和p / g均为常数，用符号A表示。 若贮槽与受槽的截面都很大，该处流速与管路相

39、比可忽略不计，则u2 / 2g 0，上式可简化为： H=A+Hf （214）此式中压头损失Hf为： （215）式中： Q为管路系统的流量，m3s。 对于特定的管路系统，l、le、d均为定值，湍流时摩擦系数的变化也很小，令：则式（214）可简化为： H = A + BQ2 （216） 由式(216)可知，在特定管路中输送液体时，所需压头H随液体流量Q的平方而变化。 将式（216）的关系描绘在坐标图上，即得图28所示HQ曲线（截距为A），称为管路特性曲线。 管路特性曲线它表示在特定的管路中，压头H随流量Q的变化关系。 管路特性曲线的形状与管路布置及操作条件有关，而与泵的性能无关。 2、工作点 输送

40、液体是靠泵和管路相互配合完成的。 一台离心泵安装在一定的管路系统中工作，阀门开度一定时，就有一定的流量与压头。此流量与压头是离心泵特性曲线与管路特性曲线交点P处的流量与压头，此点称为泵的工作点，如图28中P点所示。 显然，该P点所表示的流量Q与压头H，既是管路系统所要求，又是离心泵所能提供的。若该点所对应效率是在最高效率区，则该工作点是适宜的。 3、离心泵的流量调节 泵在实际操作过程中，经常需要调节流量。 从泵的工作点可知，调节流量实质上就是改变离心泵的特性曲线或管路特性曲线，从而改变泵的工作点。 离心泵的流量调节，从两方面来考虑，其一是在排出管线上装适当的调节阀，以改变管路特性曲线；其二是改

41、变离心泵的转速或改变叶轮外径，以改变泵的特性曲线。 （1）改变阀门的开度 改变阀门开度以调节流量，实质是用开大或关小阀门的方法来改变管路特性曲线，泵的特性曲线不变。 当阀门关小时，管路局部阻力加大，管路特性曲线变陡，如下图29中曲线所示，泵的工作点由A移到B；流量由QA减小到QB；扬程由HA升高到HB。 当阀门开大时，管路局部阻力减小，管路特性曲线变得平坦一些，如图29中曲线所示，工作点由A移到移到C；流量由QA加大到QC；扬程由HA降低到HC。 （2）改变泵的转速 改变离心泵的转速来调节流量，实质上是维持管路特性曲线不变，而改变泵的特性曲线，如图210所示。泵原来的转数为nA，工作点为A点；

42、要把泵的转数提高到nB，泵的特性曲线就上移到nB位置，工作点由A移到B，流量和压头都相应加大。 若把泵的转数降低到nC，泵的特性曲线就移到nC位置，工作点由A移到C，流量和压头都相应地减小。 改变泵的转速需要变速装置，其价格昂贵，且难以做到流量连续调节，故生产中很少采用。 减小叶轮直径也可以改变泵的特性曲线，从而使泵的流量变小，但可调节的范围不大，且直径减小不当还会降低泵的效率，故实际上很少采用。 在输送流体量不大的管路中，一般采用阀门来 调节流量；只有在输液量很大的管路中才考虑使用调速的方法。例：在内径为150 mm、长度为280 m的管路系统中，用离心泵输送甲苯。已知该管路中的局部阻力折算

43、成当量长度为85m；摩擦系数可取为0.03。离心泵特性曲线如附图所示。（图中管路特性曲线是通过下面解题后计算画出）若A (A =z+p/g)为20m甲苯柱，试求离心泵的工作点。解：根据式（216）： H = A + BQ2因：所以： H = 20 + 12000Q2根据上式可绘出如本例附图所示的管路特性曲线。 由图中查得离心泵工作点（即离心泵特性曲线与管路特性曲线的交点）的流量为74 m3h，压头为25.5 m甲苯柱。 九、离心泵的并联与串联操作 在实际工作中，当单台离心泵不能满足输送任务的要求或者为适应生产大幅度增加而动用备用泵时，都会遇到泵的并联与串联使用问题。 这里仅讨论二台性能相同的泵

44、的并联与串联的操作情况。 1、并联操作 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。 一台泵的特性曲线如下图211中曲线 I 所示。 两台相同的泵并联操作时，其联合特性曲线的作法是在每同一个压头H条件下，使一台泵操作时的特性曲线上的流量Q增大一倍，从而得出联合特性曲线，如图211中曲线所示。 但需要注意，对于同一管路，其并联操作时，泵的流量不会增大一倍，见图211。 因为两台泵并联后，流量增大，管路阻力亦增大。原来单台泵的工作点为A，并联后移至C点，显然C点的流量（2QII）不是A点流量(QI)的两倍，除非管路系统没有能量损失。 2、串联操作 当生产上需要提高泵的压头时，可以考虑将

45、泵串联使用。 两台相同型号的泵串联工作时，每台泵的压头和流量也是相同的。因此，在同样的流量下，串联泵的压头为单台泵的两倍。 其联合特性曲线的作法是将单台泵的特性曲线的纵坐标加倍，横坐标保持不变，便可求得两台泵串联后的联合特性曲线，见图212。 由图中可知，单个泵的工作点为A，串联后移至C点。显然C点的压头（HII）并不是A点的压头(HI)的两倍。 十、离心泵的类型与选择 1、离心泵的类型 离心泵的种类很多，常用的类型有：水泵、耐腐蚀泵、油泵和低温用泵等。 我国制造的离心泵，均用汉语拼音字母作为泵的系列代号。而在每一个系列内，又有各种不同的规格，因此又以不同的字母和数字加以区别。 （1）水泵（B

46、型、D型、Sh型） 水泵又称清水泵，凡是输送清水以及物理、化学性质类似于水的清洁液体，都可以选用水泵。 水泵应用最广泛的是单级单吸悬臂式离心水泵，系列代号为“B”，称为B型离心水泵；这类泵只有一个叶轮，液体从泵的一侧吸入。其结构如下图213所示。 B型泵压头范围898 mH2O，流量范围为4.5 图213 B型水泵结构图360m3h，输送液体的最高温度不能越过80。 下以3B33A型水泵为例，说明B型水泵符号的意义： 3B33A型泵中第一个数字3表示该泵的吸入口直径3英寸，即325=75mm；字母B表示为单吸悬臂式清水离心泵，其后的数字33表示泵的扬程为33m。最后的字母A表示该型号泵的叶轮外

47、径比基本型号小一级，即叶轮外周经过一次切削。 若所要求的压头较高而流量并不太大时，可采用多级泵，它可达到较高的压头。国产多级泵的系列代号为D，称为D型离心泵。 若输送流体的流量较大而所需的压头并不高时，则可采用双吸泵。国产双吸泵的系列代号为Sh。 ( 2) 耐腐蚀泵（F型） 输送酸、碱等腐蚀性液体时，需要用耐腐蚀泵。这种泵与腐蚀性液体接触的部件，都采用各种耐腐蚀材料制造。 我国制造的耐腐蚀泵，以“F”作为系列的代号。同时，由于材料不同，在F后加上材料的代号： 灰口铸铁，材料代号为H，用于输送浓硫酸； 高硅铸铁材料代号为G，用于输送压强不高的硫酸或以硫酸为主的混酸； 铬镍合金钢材料代号为B，用于

48、常温输送低浓度的硝酸、氧化性酸液、碱液和其他弱腐蚀性液体； 聚三氟氯乙烯塑料，材料代号为S，适用于900C以下的硫酸、硝酸、盐酸和碱液等。 小型的耐腐蚀泵还可用玻璃、陶瓷、硬橡胶等耐腐蚀性材料制造；这些不属于F型系列。 （3）油泵（Y型） 输送石油产品及其它易燃易爆液体时，可选用油泵，其系列代号为“Y”，特点是密封要求高。 Y型泵适用的温度范围较广，其温度范围为45400；流量范围为6.25500m3h，扬程范围为60603mH20。 （4）杂质泵（P型） 输送悬浮液及稠厚的桨液等常用杂质泵，系列代号为“P”。 又细分为污水泵PW、砂泵PS、泥浆泵PN等。 杂质泵的基本要求是：不易被杂质堵塞、

49、耐磨、容易拆洗。 它的特点是叶轮流道宽，叶片数目少，常采用半闭式或开式叶轮。有些泵壳内衬以耐磨的铸钢护板。 在泵的产品目录或样本中，泵的型号是由字母和数字组合而成，以代表泵的类型、规格等，现举例说明如下： 8B29A其中： 8泵吸入口直径，英寸，即825= 200mm； B单级单吸悬臂式离心水泵； 29泵的扬程，m； A该型号泵的叶轮直径比基本型号8B29 的小一级，即基本型号叶轮经过第一 次切削。 40FM126其中： 40泵吸入口直径，mm； F悬臂式耐腐蚀离心泵； M与液体接触部件材料代号(M表示铬 镍钼钛合金钢)； 1轴封型式代号(1代表单端面密封)。 26泵的扬程，m。 100Y12

50、02其中： 100泵吸入口直经，mm； Y单吸离心油泵； 120泵的单级扬程，m； 2叶轮级数。 IS123100200其中： IS 单级单吸离心水泵； 123 泵的吸入管内径，mm； 100 泵的排出管内径，mm； 200 泵的叶轮直径，mm。 2、离心泵的选择 离心泵的选择，一般可按下列的方法与步骤进行： (1) 确定输送系统的流量与压头 液体的输送量一般为生产任务所规定，如果流量在一定范围内变动，选泵时应按最大流量考虑。 根据输送系统管路的安排，用柏努利方程式计算在最大流量下管路所需的压头。 (2) 选择泵的类型与型号 根据被输送液体的性质和操作条件确定泵的类型。按已确定的流量和压头从泵

51、产品目录中选出合适的型号。 选出的泵能提供的流量和压头不见得与管路所要求的流量和压头完全相符，而且考虑到操作条件的变化和备有一定的潜力，所选定的泵的压头和流量可稍大一点的型号，但在该条件下泵的效率应比较高。 （3）核算泵的轴功率 若输送液体的密度大于水的密度时，可按式（25a）核算泵的轴功率。 （25a）例：今有一输送河水的任务，见图。要求将某处河水以90 m3h的流量，输送到一高位槽中。已知高位槽水面高出河面10 m，管路系统的总压头损失为7 mH20。试选择一适当的离心泵并估算此泵由于阀门调节而多消耗的轴功率。 解：根据已知条件，选用清水泵。 以河面11截面为基准面，并在11与22截面间列

52、柏努利方程式：（因两截面均为大气压，故p = 0；又两截面上的流速相对管道内的流速而言可以忽略，故u0） 根据已知流量Q = 90m3/h和扬程H = 17 m，可选4B20型号的泵。 由本书附录查得4B20型号的泵性能为： 流量90m3h； 扬程20 mH2O； 轴功率6.36 kW； 效率78 %。 由于用阀门调节流量而多消耗的压头为： H = 2017 = 3 m 因此用阀门调节流量而多消耗功率为：（按式（25a）计算）： N =HQ / 102 = 3(90 / 3600)1000 / 1020.78 = 0.943 kW 212 其它类型泵 一、往复泵 往复泵是一种容积式泵，它依靠作

53、往复运动的活塞依次开启吸入阀和排出阀，从而吸入并排出液体。 图214为往复泵装置简图： 主要部件有泵缸1、活塞2、活塞杆3、吸入阀4和排出阀5。活塞杆与传动机构相连接而作往复运动。吸入阀和排出阀都是单向阀。泵缸内活塞与阀门间的空间叫做工作室。 当活塞自左向右移动时，工作室的容积增大，形成低压，使能将贮池内的液体经吸入阀吸入泵缸内。吸液体时，排出阀受排出管内液体压力作用而关闭。此后，活塞便改为由右向左移动，泵缸内液体受挤压，压强增大，使吸入阀关闭而推开排出阀将液体排出。可见，往复泵是靠活塞在泵缸的左右两端点间作往复 图 214 往复泵装置简图运动而吸入和压出液体的。 活塞从左端点到右端点(或从右

54、端点至左端点)的距离叫做行程或冲程。 活塞在往复一次中，只吸入和排出液体各一次的泵，称为单动泵。 由于单动泵的吸入阀和排出阀均装在活塞的一侧(如上图214中的左侧)，吸液时就不能排液，因此排液不连续。加之活塞由连杆和曲轴带动，活塞在左右两端点之间的往复运动不是等速度，所以排液量也就随着活塞的移动有相应的起伏，其流量曲线如图215(a)所示。 图215 往复泵的流量曲线图 （a）单动泵 （b）双动泵 （c）三联泵 为了改善单动泵流量的不均匀性，多采用双动泵或三联泵。 双动往复泵的工作原理如图216所示： 图216 双动泵示意图 在活塞两侧的泵体内都装有吸入阀和排出阀，因此无论活塞向哪边运动，总有

55、一个吸入阀和一个排出阀打开，即在活塞往复一次中，吸液和排液各两次，使吸入管路和排出管路总是有液体流过，所以送液连续，但流量曲线仍有起伏，如图215（b）所示。 三联泵实质上为三台单动泵并联构成，其流量曲线如图215（c）所示，其排液量较均匀。 与离心泵一样，往复泵也是借助泵缸内减压而吸入液体，所以吸入高度也有一定的限制。 往复泵的低压是靠泵缸内活塞移动使空间扩大而形成的。往复泵在开动之前，没有充满液体也能吸液。因此往复泵具有自吸能力。 往复泵的工作原理与离心泵不同，具有以下特点： (1) 往复泵的流量只与泵本身的几何尺寸和活塞的往复次数有关，而与泵的压头无关，即无论在什么压头下工作，只要往复一

56、次，泵就排出一定体积的液体，所以往复泵是一种典型的容积式泵。 往复泵的理论流量可按下面的二个式子计算： 对于单动泵： Q = FSn = 0.7854D2Sn (217)式中： F活塞面积，m2； D活塞直径，m； S活塞的冲程，m； n活塞往复的次数，1/min； Q理论流量，m3/min。 对于双动泵： Q =（2Ff）Sn （218）式中： f活塞杆的截面积，m2。 其它符号意义同上。 实际上，由于活塞填衬不严；吸入阀与排出阀启闭不及时，并随着压头的增高，液体漏损量加大等原因，往复泵的实际流量小于理论计算流量。 (2) 往复泵的压头与泵的几何尺寸无关，只要泵的机械强度及原动机的功率允许，

57、输送系统要求多高的压头，往复泵就能提供多大的压头。 实际上，由于活塞环、轴封、吸入和排出阀等处的泄漏，往往降低了往复泵可能达到的压头。 (3) 往复泵的吸上真空度亦随系安装地区的大气压强、输送液体的性质和温度而变，所以往复泵的吸上高度也有一定的限制。 （4）往复泵不能简单地用排出管路装阀门来调节流量，一般采用回路调节装置，如图217所示。 在往复泵出口处装有旁路，使一部分液体有可能返回进口处。这样，在旁路上装调节阀，改变调节阀的开启程度，即可调节流量。 图中安全阀是在输出端压力超过一定限度时自动开启，以保证系统安全运转。 往复泵主要适用于小流量、高压强的场合，输送高粘度液体时的效果比离心泵好。

58、但不能送腐蚀性液体和有固体粒子的悬浮液。例：现采用一台三效单动柱塞式往复泵，由敞口贮罐向塔内输送密度为1250kgm3的液体。塔内压强为1.28106Pa(表压)，贮罐液面比设备入口低10m，管路的总压头损失为2m。 已知泵的活塞直径为70mm，冲程为225mm，往复次数为200/min，泵的总效率和容积效率分别为0.9和0.95。 试求泵的实际流量Q、压头H和轴功率N。解：（1）泵的实际流量Q 计算三效单动往复泵的实际流量时，可将式（217） Q = FSn =0.7854D2Sn 改为： Q = 3vFSn = 30.7854vD2Sn 式中： v泵的容积效率，其值为0.95。 3表示三效

59、。以知： D = 70 mm = 0.07 m； n = 200 min1 S = 225 mm = 0.225 m所以： Q = 30.78540.950.0720.225200 = 0.494 m3/min （2）泵的压头 在贮罐液面11及输送管路出口外侧截面22间列柏努利方程式，并以贮罐液面为基准水平面，得： Z1+ p1/g + u12/2g + H = Z2 + p2/g + u22/2g +hf式中： Z1= 0 Z2= 10 m p1= 0 (表压) p2= 1.28106 pa (表压) u10 u2= 0 hf= 2 m = 1250 kg / m3所以 H = 10 + 1

60、.28106 / 12509.81 + 2 = 116.4 m管路所需的压头应为泵所提供，所以泵的压头为： H = 116.4 m （3）泵的轴功率 往复泵轴功率的计算与离心泵相同，按式（25a），即： N = QH / 102 = 0.494116.41250/1020.9 = 13.05 kW其中： 为泵的总效率， = 0.9 二、计量泵 计量泵又称比例泵，从操作原理来看就是往复泵。下图218所示的是计量泵的一种形式，通过偏心轮把电机的旋转运动变成柱塞的往复运动。偏心轮的偏心距离可以调整，可使得柱塞的冲程随之改变。 图218 计量泵 若单位时间内柱塞的往复次数不变时，泵的流量与柱塞的冲程成