食品工程原理

流体输送机械第二章第二章流体输送机械为流体提供能量的机械称为流体输送机械。

在食品的生产加工中，常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。第一节概述

泵；输送液体风机;压缩机；真空泵。输送气体常用的流体输送机械泵的分类1按工作原理分叶片式泵有高速旋转的叶轮。如离心泵、轴流泵、涡流泵。往复泵靠往复运动的活塞排挤液体。如活塞泵、柱塞泵等。旋转式泵靠旋转运动的部件推挤液体。如齿轮泵、螺杆泵等。清水泵适用于粘度与水相近的、无腐蚀性、不含杂质的流体，如离心泵。油泵适用于高粘度的流体。如齿轮泵、旋转泵等。耐腐蚀泵杂质泵：2按用途分离心泵（centrifugalpump）的特点：结构简单；流量大而且均匀；操作方便。

第二节离心泵1结构叶轮轴6~12片叶片机壳等。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。叶轮机壳底阀(防止“气缚”)滤网(阻拦固体杂质)一、

离心泵的工作原理

液体随叶轮旋转，在惯性离心力的作用下自叶轮中心被甩向外周并获得了能量，使流向叶轮外周的液体的静压强提高，流速增大。液体离开叶轮进入蜗壳，因蜗壳内流道逐渐扩大而使流体速度减慢，液体的部分动能转换成静压能。于是，具有较高压强的液体从泵的排出口进入排出管路，被输送到所需的管路系统。由于液体被抛出，在泵的吸口处形成一定的真空度，泵外流体压力较高，在压力差的作用下被吸入泵口，填补抛出液体的空间。2工作原理:

离心泵的外观3工作过程启动后，叶轮旋转，并带动液体旋转。液体在离心力的作用下，沿叶片向边缘抛出，获得能量，液体以较高的静压能及流速流入机壳(沿叶片方向，u,P静)。由于涡流通道的截面逐渐增大，P动

P静。液体以较高的压力排出泵体，流到所需的场地。叶片不断转动，液体不断被吸入、排出，形成连续流动。

由于液体被抛出，在泵的吸扣处形成一定的真空度，泵外流体的压力较高，在压力差的作用下被吸入泵口，填补抛出液体的空间。启动前，前段机壳须灌满被输送的液体，以防止气缚。离心泵实际安装示意图敞开式半开式封闭式泵壳：蜗牛壳形通道。有利于将叶轮抛出液体的动能转变成静压能；有利于减少能耗。

叶轮：二、离心泵的主要工作部件主要部件（1）叶轮——叶片（+盖板）4-8个叶片（前弯、后弯，径向）液体通道。前盖板、后盖板，无盖板闭式叶轮半开式开式

液体入口——中心（2）泵壳：泵体的外壳，包围叶轮截面积逐渐扩大的蜗牛壳形通道出口——切线（3）泵轴：垂直叶轮面，叶轮中心。(4)导轮的作用:减少能量损失离心泵压头的大小取决于泵的结构（如叶轮直径的大小，叶片的弯曲情况等）、转速及流量。三、离心泵的主要性能参数

离心泵的主要性能参数有流量、扬程、功率和效率。

１流量Q，Ｌ/ｓ或m3/ｈ

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。

２扬程Ｈ，米液柱

泵的扬程（又称泵的压头）是指单位重量液体流经泵后所获得的能量。

如右图所示，在泵的进出口处分别安装真空表和压力表，在真空表与压力表之间列柏努得方程式，即实验：泵压头的测定真空计压强表离心泵储槽式中：pM—压力表读出压力（表压），N/m2；pV—真空表读出的真空度，N/m2；

u1、u2—吸入管、压出管中液体的流速，m/s；

ΣHf—两截面间的压头损失，m。（2-1）两截面之间管路很短，其压头损失∑Hf可忽略不计(2-2)简化式（2-1）若以HM及HV分别表示压力表真空表上的读数，以米液柱（表压）计。（2-1）例２-１某离心泵以20℃水进行性能实验，测得体积流量为720m3/h，泵出口压力表读数为3.82kgf/cm2，吸入口真空表读数为210mmHg，压力表和真空表间垂直距离为410mm，吸入管和压出管内径分别为350mm及300mm。试求泵的压头。解：根据泵压头的计算公式，则有查得水在20℃时密度为ρ＝998kg/m3，则

HM=3.82×10.0=38.2mH2O

HV=0.210×13.6=2.86ｍH2O计算进出口的平均流速将已知数据代入，则

泵的有效功率Ne：单位时间内液体流经泵后实际得到的能量。

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，kg/m3；

g—重力加速度，m/s2。Ne＝QHg(2-4)已知g=9.81m/s2；1kW=1000W，则式（2-4）可用kW单位表示，即(2-4a)3功率泵的轴功率：单位时间原动机输入泵轴的能量泵内部损失主要有三种：容积损失水力损失机械损失4效率容积损失是由于泵的泄漏造成的。离心泵在运转过程中，有一部分获得能量的高压液体，通过叶轮与泵壳之间的间隙流回吸入口。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η1。容积损失原因：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η2。水力损失原因：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磨擦而消耗部分能量。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η3。机械损失泵在运转时可能发生超负荷，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。(2-5)轴功率指泵轴所获得的功率。由于有容积损失、水力损失与机械损失，故泵的轴功率要大于液体实际得到的有效功率，即

注意：5轴功率N特性曲线（characteristiccurves）：在固定的转速下，离心泵的基本性能参数（流量、压头、功率和效率）之间的关系曲线。强调：特性曲线是在固定转速下测出的，只适用于该转速，故特性曲线图上都注明转速n的数值。图上绘有三种曲线Ｈ－Q曲线Ｎ－Q曲线η－Q曲线四、离心泵的特性曲线04812162024283202040608010012010121416182022242602468010203040506070804B20n=2900r/minNHηＱ,l/sm3/s离心泵的特性曲线

变化趋势：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，Ｈ－Q曲线的形状有所不同。较平坦的曲线，适用于压头变化不大而流量变化较大的场合；较陡峭的曲线，适用于压头变化范围大而不允许流量变化太大的场合。1Ｈ－Q曲线

变化趋势：Ｎ－Q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。启动离心泵时，为了减小启动功率，应将出口阀关闭。2Ｎ－Q曲线

变化趋势：开始η随Q的增大而增大，达到最大值后，又随Q的增大而下降。

η—Q曲线最大值相当于效率最高点。泵在该点所对应的压头和流量下操作，其效率最高，故该点为离心泵的设计点。3η－Q曲线

泵在最高效率点条件下操作最为经济合理，但实际上泵往往不可能正好在该条件下运转，一般只能规定一个工作范围，称为泵的高效率区。高效率区的效率应不低于最高效率的92%左右。强调：泵在铭牌上所标明的都是最高效率点下的流量，压头和功率。离心泵产品目录和说明书上还常常注明最高效率区的流量、压头和功率的范围等。泵的高效率区

式（2-6）称为比例定律，当转速变化小于20%时，可认为效率不变，用上式进行计算误差不大。(2-6)当转速由n1改变为n2时，其流量、压头及功率的近似关系为：

4离心泵的转数对特性曲线的影响

式（2-7）称为切割定律。(2-7)

当叶轮直径变化不大，转速不变时，叶轮直径、流量、压头及功率之间的近似关系为：5叶轮直径对特性曲线的影响

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。6物理性质对特性曲线的影响

所输送的液体粘度愈大，泵体内能量损失愈多。结果泵的压头、流量都要减小，效率下降，而轴功率则要增大，所以特性曲线改变。6.1粘度的影响离心泵的压头与密度无关。（定性分析）

注：当被输送液体的密度与水不同时，不能使用该泵所提供的Ｎ－Ｑ曲线，而应按（2-4a）及（2-5）重新计算。泵的轴功率随液体密度而改变。6.2密度的影响

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。

6.3溶质的影响Hgpa1100p1<pa,p1有一定真空度，真空度越高，吸力越大,Hg越大。

当p1

小于一定值后(p1<pv,pv为环境温度下液体的饱和蒸汽压)，将发生气蚀现象。

pv100℃=760mmHg,pv40℃=55.32mmHg五、离心泵的安装高度和气蚀现象

1气蚀现象为避免发生气蚀现象，应限制p1不能太低，或Hg不能太大，即泵的安装高度不能太高。安装高度Hg的计算方法一般有两种：允许吸上真空高度法；气蚀余量法。2安装高度允许吸上真空高度Hs泵入口处压力p1所允许的最大真空度。mH2OHs与泵的结构、液体的物化特性等因素有关。一般，Hs<5~7mH2O.（2-8）式中pa—大气压，N/m2

ρ—被输送液体密度，kg/m3Hgp01100如何用允许吸上真空高度确定泵的安装高度？Hg—泵的安装高度；u2/2g—进口管动能；∑Hf—进口管阻力;Hs

—允许吸上真空高度，由泵的生产厂家给出。提高Hg的方法取截面0-0，1-1，并以截面0-0为基准面，在两截面间柏努利方程，可得若贮槽为敞口，则p0为大气压pa，则有（2-9）（2-10）

泵制造厂只能给出Hs值，而不能直接给出Hg值。因为每台泵使用条件不同，吸入管路的布置情况也各异，有不同的u2/2g和∑Hf值，所以，只能由使用单位根据吸入管路具体的布置情况，由计算确定Hg。问题：泵制造厂能直接给出泵的安装高度吗？Hs’=Hs＋(Ha－10)－(Hv－0.24)(2-11)式中Hs’—操作条件下输送水时允许吸上真空高度，mH2O；

Hs—泵样本中给出的允许吸上真空高度，mH2O；Ha—泵工作处的大气压，mH2O；Hv

—泵工作温度下水的饱和蒸汽压，mH2O；0.24—实验条件下水的饱和蒸汽压，mH2O。

原因：在泵的说明书中所给出的Hs是大气压为10mH2O，水温为20℃状态下的数值。如果泵的使用条件与该状态不同时，则应把样本上所给出的Hs值，按下式换算成操作条件下的Hs’值。

泵允许吸上真空高度的换算泵安装地点的海拔越高，大气压力就越低，允许吸上真空高度就越小。输送液体的温度越高，所对应的饱和蒸汽压就越高，这时，泵的允许吸上真空高度也就越小。海拔高度↑，液体温度↑→Hg↓不同海拔高度时大气压力值可查表。

汽蚀余量Δh是指离心泵入口处，液体的静压头p1/ρg与动压头u12/2g之和超过液体在操作温度下的饱和蒸汽压头pv/ρg的某一最小指定值，即汽蚀余量(2-12)式中h—汽蚀余量，m；

pv—操作温度下液体饱和蒸汽压，N/m2。将式（2-9）与（2-12）合并可导出汽蚀余量Δh与允许安装高度Hg之间关系为上式中p0为液面上方的压力，若为敞口液面则p0=pa。(2-13)如何利用允许吸上真空高度确定泵的安装高度？

只要已知允许吸上真空高Hs与汽蚀余量中的任一个参数，均可确定泵的安装高度。

注：泵性能表上的值也是按输送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。例2-2某台离心泵从样本上查得允许吸上真空高度Hs=6m，现将该泵安装在海拔高度为500m处，若夏季平均水温为40℃。问修正后的Hs’应为多少？若吸入管路的压头损失为1mH2O，泵入口处动压头为0.2mH2O。问该泵安装在离水面5m高度处是否合适？Ｈｇ解:当水温为40℃时，Hv=0.75m。查表得Ha=9.74m。

Hs’=Hs＋(Ha－10)－(Hv－0.24)

=6＋(9.74－10)－(0.75－0.24)=5.23m泵的安装高度为:

Hｇ=Hs’－u12/2g－ΣHf=5.23－0.2－1=4.93m<5m故泵安装在离水面5m高度处不合适。

离心泵在特定管路系统中工作时，液体要求泵供给的压头Ｈ可由柏努利方程式求得，即

六、离心泵的工作点

当离心泵安装在一定的管路系统中工作时，其压头和流量不仅与离心泵本身的特性有关，而且还取决于管路的工作特性。

1管路特性曲线

上式可简化为Ｈ＝Ａ＋∑Hf

(2-14)与管路中液体流量无关，在输液高度和压力不变的情况下为一常数，以符号Ａ表示。若贮槽与受槽的截面都很大，该处流速与管路相比可忽略不计.此式中压头损失为式中Q为管路系统的流量，m3/s

(2-15)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（2-14）可简化为Ｈ＝Ａ＋BQ2(2-16)上式表明：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，此关系所描绘的Ｈ－Q曲线，称为管路特性曲线。它表示在特定的管路中，压头随流量的变化关系。注意：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。AQH管路的特性曲线泵的特性曲线离心泵的特性曲线H-Q与其所在管路的特性曲线He-Qe的交点称为泵在该管路的工作点，如图所示。H=HeQ=QeQ或QeH-QMHe-QeH或He工作点所对应的流量与压头既满足管路系统的要求，又为离心泵所能提供。

2工作点（dutypoint）工作点所对应的流量Q与压头Ｈ既是管路系统所要求，又是离心泵所能提供的;若工作点所对应效率是在最高效率区，则该工作点是适宜的。泵的工作点表示改变离心泵的转速或改变叶轮外径，以改变泵的特性曲线。

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，通常从两方面考虑：两者均可以改变泵的工作点，以调节流量。在排出管线上装适当的调节阀，以改变管路特性曲线；七、流量调节当阀门关小时，管路局部阻力加大，管路特性曲线变陡，泵的工作点由M移到M1。流量由QM减小到QM1。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。M1MM2QM1QMQM2Q或QeH或HeH-Q12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，工作点移到M2，流量加大到QM2。1改变阀门的开度要把泵的转数提高到n1，泵的特性曲线就上移到nM1位置，工作点由M移到M1，流量和压头都相应加大;改变离心泵的转数以调节流量，实质上是维持管路特性曲线不变，而改变泵的特性曲线。M1MM2Q或QeH或HeH-QHe-Qen1nn2若把泵的转数降到n2，泵的特性曲线就移到nM2位置，工作点移到M2，流量和压头都相应地减小。2改变泵的转数

车削叶轮的外径是离心泵调节流量的一种独特方法。在车床上将泵叶轮的外径车小，这时叶轮直径、流量、压头和功率之间关系，可按式（2-7）进行计算。3车削叶轮的外径采用什么方法来调节流量，关系到能耗问题。改变阀门开度调节流量方法简便，应用广泛。但关小阀门会使阻力加大，因而需要多消耗一部分能量以克服附加的阻力，该法不经济的。改变转速调节流量可保持管路特性曲线不变，流量随转速下降而减小，动力消耗也相应降低，因节能效果显著，但需要变速装置，难以做到流量连续调节。4几种流量调节方法的比较改变叶轮直径可改变泵的特性曲线，但可调节流量范围不大，且直径减小不当还会降低泵的效率。

在输送流体量不大的管路中，一般都用阀门来调节流量，只有在输液量很大的管路才考虑使用调速的方法。

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变化而动用备用泵时，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泵的并联与串联的操作情况。八、并联与串联操作

联合特性曲线的作法：在每一个压头条件下，使一台泵操作时的特性曲线上的流量增大一倍而得出。

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。1并联操作He-Qe0HHH并ⅠⅡQQQ并曲线Ｉ表示一台泵的特性曲线曲线Ⅱ表示两台相同的泵并联操作时的联合特性曲线注意：对于同一管路，其并联操作时泵的流量不会增大一倍，如图所示。因为两台泵并联后，流量增大，管路阻力亦增大。Q并<2Q

当生产上需要利用原有泵提高泵的压头时，可以考虑将泵串联使用。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。在同样的流量下，串联泵的压头为单台泵的两倍。0HHH串QQQ串ⅠⅡ联合特性曲线的作法：将单台泵的特性曲线Ｉ的纵坐标加倍，横坐标保持不变，可求得两台泵串联后的联合特性曲线Ⅱ，H串<2H2串联操作（1）确定输送系统的流量与压头

流量一般为生产任务所规定。根据输送系统管路的安排，用柏努利方程式计算管路所需的压头。

选择离心泵的基本原则，是以能满足液体输送的工艺要求为前提的。选择步骤为：九、离心泵的选择（2）选择泵的类型与型号根据输送液体性质和操作条件确定泵的类型；按确定的流量和压头从泵样本产品目录选出合适的型号；如果没有适合的型号，则应选定泵的压头和流量都稍大的型号；如果同时有几个型号适合，则应列表比较选定；按所选定型号，进一步查出其详细性能数据。（3）校核泵的特性参数如果输送液体的粘度和密度与水相差很大，则应核算泵的流量与压头及轴功率。十离心泵的安装与操作安装①安装高度应小于允许安装高度

②尽量减少吸入管路阻力，短、直、粗、管件少；调节阀应装于出口管路。操作

①启动前应灌泵，并排气。

②应在出口阀关闭的情况下启动泵③停泵前先关闭出口阀，以免损坏叶轮

④经常检查轴封情况

例2-4如附图所示，今有一输送河水的任务，要求将某处河水以80m3/h的流量，输送到一高位槽中，已知高位槽水面高出河面10m，管路系统的总压头损失为7mH2O。试选择一适当的离心泵.并估算由于阀门调节而多消耗的轴功率。11‘22‘10m解根据已知条件，选用清水泵。以河面1-1截面为基准面，并取1-1与2-2截面列柏努利方程式，则由于所选泵压头较高，操作时靠关小阀门调节，因此多消耗功率为：

根据流量Q(80m3/h)和H(17m)可选4B20型号的泵。由附录查得该泵性能为：流量90m3/h；压头20mH2O；轴功率6.36kW；效率78%。例题：用泵把20℃的苯从地下贮罐送到高位槽，流量为300l/min。高位槽液面比贮罐液面高10m。泵吸入管用

89×4mm的无缝钢管，直管长为15m，管上装有一个底阀(可初略地按旋启式止回阀全开时计算)、一个标准弯头；泵排出管用

57×3.5mm的无缝钢管，直管长度为50m，管路上装有一个全开的截止阀和三个标准弯头。贮罐和高位槽上方均为大气压。设贮罐液面维持恒定。试选择合适的泵。11‘22‘10m7m7m式中，z1=0,z2=10m,p1=p2,u10,u2

0

∴W=9.81×10+∑hf解：

依题意，绘出流程示意图。取截面和基准面，如图所示。在两截面间列柏努利方程，则有进口段：d=89-2×4=81mm,l=15m查图，得=0.029进口段的局部阻力：底阀：le=6.3m弯头：le=2.73m进口阻力系数：=0.5d=57-2×3.5=50mm,l=50m查图，得=0.0313出口段：出口段的局部阻力：全开闸阀：le=0.33m全开截止阀：le=17m标准弯头(3)：le=1.6×3=4.8m出口阻力系数：=1.0总阻力：轴功率：选泵Q泵=1.1×300×60/1000=19.8m3/hH泵=1.1×(w/g)=1.1×(252.4/9.81)=28.33m从离心泵的产品目录中选择泵：2B31，其参数为：流量：20m3/h；扬程：30.8m;转速：2900r/min;功率：2.6kW;效率：64%；允许吸上真空高度：7.2m校正安装高度允许：Hs’=Hs+(Ha-10)-(Hv-0.24)=7.2+(10-10)-(0.24-0.24)=7.2m安装高度：所以，所选泵不可用。

往复泵（reciprocatingpump）是利用活塞的往复运动，将能量传递给液体，以完成液体输送任务。第三节往复泵往复泵1．结构和工作原理主要部件：泵缸；活塞；活塞杆；吸入阀、排出阀

说明：①活塞往复运动，直接以静压能形式向液体供能

②单动泵，供液不连续；双动泵，连续。③为耐高压，活塞和连杆用柱塞代替。

工作原理2．往复泵的流量和压头（1）理论平均流量单动双动A:活塞或柱塞截面积a:活塞杆的截面积S:活塞或柱塞冲程n:活塞或柱塞往复移动频率（2）实际平均流量=容积效率理论平均流量~与压头无关（3）瞬时流量的不均匀性

单动泵，吸、排液不连续曲柄连杆，活塞运动速度~时间正弦规律（4）流量的精确性

Q仅~活塞面积、冲程、往复频率

（5）往复泵的压头

挤压供液，H任意高。~材料强度，密封，电机负载最终取决于管路特性往复泵输送流体的流量只与活塞的位移有关，而与管路情况无关；往复泵的压头只与管路情况有关。往复泵的特点：上述特性称为正位移特性，具有这种特性的泵称为正位移泵。3．往复泵的操作要点和流量调节

（1）适用场合与流体(Q不太大，H较高，非腐蚀和悬浮物)（2）安装高度有一定的限制（3）有自吸作用，启动前无需要灌泵

（4）一般不设出口阀，有也必须打开启动

（5）往复泵的流量调节方法：

①用旁路阀调节流量

②改变曲柄转速第四节气体输送机械一、概述

1．气体输送机械在工业生产中的应用

①气体输送

压力不高，但量大，动力消耗大②产生高压气体：

终到设备压力高③生产真空：

上游设备负压操作2．气体输送机械的一般特点①动力消耗大

②设备