884化工原理电子版本课件双语chapter

1Chapter3FluidTransferandFluidMovingmachines2FluidmovingmachinesFluidmovingmachines:givemechanicalenergytofluidPumps:totransferliquidsCompressorsandblowers:totransfergasesVacuumpumps：compressorworkingatpressurelowerthanatmosphere3按其工作原理，泵与压缩机又可分为：Heretheworkingprinciple,structureandcharactersofcentrifugalpumpsarediscussedindetail.

Forothertypesofmachines,generaldiscussionsaregivenbriefly.⑴centrifugalandaxis-flow(impeller)usinghigh-speedcirculatingimpellertogiveenergytofluid⑵positivedisplacement(reciprocatingor)

usingpistonorrotortopushfluidperiodically⑶fluiddriven

usingahighvelocityfluidinjectionforsuctioningandtransferanotherfluidPumps,fans,blowersandcompressorsMoreinformationcanbefoundinspecialhandbooks.4CentrifugalPumpsmostwidelyusedinindustryStructureandworkingprinciple

Importantparts:Impeller&VoluteCharacter:stableqv&Peasilyadjustedselfsuction：theliquidpressureatpumpcenter

isreducedbecauseofthecentrifugalacceleration.Therefore,moreliquidflowsintothepumpbythepressuredifference.5Theoreticalflowrateofcentrifugalpumps考察叶轮对液体作功，就是考察液体流经旋转叶轮的过程中机械能的增加。在离心泵叶轮进口点1与出口点2处，速度三角形的大小和形状直接与泵的流量、压头和功率相关。速度三角形底边（u）的大小由叶轮的转速

及液体所在位置的半径r决定，即在叶轮中任意点处液体的绝对速度等于该点处牵连速度与相对速度的矢量和

液体在叶轮中的运动由随叶轮旋转的切向速度u（牵连速度）和沿叶片表面相对于叶轮的相对速度w（其方向为流体质点所在叶片处的切线方向）两部分组成。6Theoreticalflowrateofcentrifugalpumps速度三角形的高（液体相对于叶轮的径向流速）cr代表泵输液量的大小。离心泵的理论流量：假定流体与叶轮的相对运动轨迹与叶片的形状完全一致（即叶片数无限多,理想叶轮），从理论上可确定液流在叶轮进、出口处的速度三角形，根据余弦定理：这里，D1、D2为叶轮进、出口直径，b1、b2

为叶轮进、出口处流道宽度，1、2

为叶片厚度

占据空间使流道面积减小系数7Theoreticalheadofcentrifugalpumps假设液体为理想流体，沿任何一个叶片对叶轮进出口截面列柏努利方程，可得单位重量流体从旋转的叶轮获得的机械能，即离心泵的理论压头或扬程

由此可见，叶轮提供给流体的能量既增加其动能，也增加其静压能。水平安装的离心泵，以轴线所在平面为基准面，叶轮上任意点处液体的重力位能将周期性地经历正、负变化，就时间平均，重力作用相互抵消，则08Theoreticalheadofcentrifugalpumps离心力场作用下的理想流体在以叶轮中心线为轴线，且随叶轮一起匀速旋转的柱坐标系中的运动规律服从欧拉方程。在旋转坐标系中液体的速度为w，液体所受的体积力g主要是半径方向的离心力（重力的作用已忽略不计）

上述条件下，液体质点在理想叶轮上的运动是轴对称的，迹线顺着叶片的走向。类似于重力场中理想流体柏努利方程的推导方法，用速度矢量点乘（柱坐标系）欧拉方程的每一项，并利用柱坐标系中的轴对称条件，得

式中wr为w的径向分量，即速度三角形的高

cr。9Theoreticalheadofcentrifugalpumps液体在叶轮上沿叶片运动dt

时间内获得动能的增量为：

从叶轮的入口到出口积分上式而得以叶轮进、出口速度三角形参数表达的离心泵理论压头公式

或将上式简化为

10AffectingfactorsofTheoreticalhead由离心泵H

的计算公式可知,凡影响速度三角形的因素都会影响H。除叶轮的转速等外，叶片几何参数和泵的流量也是重要的影响因素。当入口速度三角形的夹角1等于90o，即液体从半径方向进入叶轮（无预旋进液）时，理论压头H

最大。根据出口处速度三角形，有

可将相对速度w2

表达为理论流量V

的函数

上式代表了径向进液的离心泵理论压头与理论流量及出口处叶片几何参数的关系11AffectingfactorsofTheoreticalhead根据叶片的离角或流动角2，可将叶片分为三类：上述2

与H

的关系是对叶轮向液体传递的总能量的影响。

径向叶片：2=90o，ctg2=0，H

与qV

无关；

后弯叶片：2<90o，ctg2>0，H

随qV

增加而减少；

前弯叶片：2>90o，ctg2

<0，H

随qV

增加而增加。

12AffectingfactorsofTheoreticalhead总压头H

=动压头Hdyn+势压头Hpot离心泵的目的是提高势压头以克服输送阻力，因此设置蜗壳使流体的动压头转换成势压头。但转换过程必然有机械能损耗，故应尽量提高叶轮直接提供给液体的势压头Hpot在总压头H

中所占的比例。以R

（又称为反作用度）代表该比例由叶轮进出口处速度三角形可知13AffectingfactorsofTheoreticalhead由于无预旋进液1=90o，且大部分情况下叶轮进、出口径向速度分量cr2

cr1，所以

径向叶片：2=90o，cos2=0，R=1/2；后弯叶片：2<90o，cos2>0，R>1/2

；前弯叶片：2>90o，cos2

<0，R<1/2

。故制造中多选用后弯叶片。14airboundphenomena

Solution

keepingliquidfullthepump,theusefulwaysare

*installingaone-wayvalveattheinletofsuctionpipe*pumpprimingbeforepumpstart*installingpumpbelowtheliquidlevelReason

ifthereissomegasinpump,theaveragedensityoffluiddecreasesandpressuredifferencebetweentheinletandoutletreduces.

Phenomena

vacuumdegreeandsuctionratedecrease.Noliquidispumpoutwhenmoregasexistinthepump.15CharacteristiccurvesMaincharacterparametersofacentrifugalpump：

qv,

H,

NandCharacteristiccurvesTodescribetherelationship（H—qv、N—qv、—qV）Forrealfluids,thosedataaretakenfromexperiment.Curvesareimportantreferencestoselectandoperatepumpsandaregiveninproductbookfrommanufacturer.02040608010012014004812162024283236010203040506070809004812n=2900r/minIS100-80-160B

pump

H

[m]qv/m3/hh

[%]

N

[kW]16Characteristiccurves17H—qv

curveshead

H

mechanicalenergythatpumpprovidestofluidofunitweight,theunitism(liquid).Ifqv,thenH

.

Thereasonisthevanesontheimpellerarecurvedbackward

Atasameflowrate,becauseofthesizedifferenceandenergyloses,thepracticalheadislowerthanthetheoreticalvalue.

H—qvcurvetheenergyandflowraterelationshipofthepumpunderacertainspeed.02040608010012014004812162024283236010203040506070809004812n=2900r/minIS100-80-160B

pump

H

[m]qv/m3/hh

[%]

N

[kW]18N—qv

and—qvcurvesShaftpowerN

thepowerfromthemotorNotallofthispowercanbetransformtothefluidmechanicalenergy.EffectivepowerNepracticalpowerobtainedbypumps,measuredfromflowrateandhead

givesinformationofenergylosesinthepump,including:volumetric，hydraulicandmechanical02040608010012014004812162024283236010203040506070809004812n=2900r/minIS100-80-160B

pump

H

[m]qv/m3/hh

[%]

N

[kW]19EnergylosesVolumetric

loses

causedby

thebackflow

fromhighpressureposition

tolowpressureposition

leakage

throughtheholesontheimpeller.Solution

usingcloseorsemi-openimpellers.Openimpellerstendtocauseconsiderablevolumetriclose,butcanbeusedindirtyorliquidcontainingsolidparticles.(a)close(b)semi-open(c)open(d)

double-suction20Solutiona)

designtheshapeofvolutesmoothlytoreducetheloseinenergytransformation.

b)installastaticdiffuserwithvanesinthepump.EnergylosesHydraulic

losescausedbywallfriction,localresistanceandimpactwithvoluteinthepumpduringviscoseliquidflow.Mechanicalloses

causedby

mechanicalfrictionbetweenthepumpshaftandbearingorsealing.Solutiongoodlubricationandmodernsealingstructure.21Characteristiccurves

Atacertainspeed，theshaftpowerincreaseswiththeflowrate.Thepowerisminimumwhenflowratereacheszero.Beforestartacentrifugalpump,shutoffthevalveonoutletpipetoreducethestartelectriccurrent.—qv

curveshowsamaximumefficiencyataspecialflowratewheretheoperatingpointshouldbeselected.Thedatashownin

productintroduction,

H、q、N

areobtainedatmaximumefficiency.Thehighefficiencyrangeisgenerallydefinedasabove92%

ofmaximum.02040608010012014004812162024283236010203040506070809004812n=2900r/minIS100-80-160B

pump

H

[m]qv/m3/hh

[%]

N

[kW]22TransformofcharacteristiccurvesCharacteristiccurvesgivenbymanufacturerisforcleanwaterat20℃.

Ifthepropertiesofliquidarequitedifferentfromthat,curvesneedtomodify.LiquiddensityThetheoreticalflowrateandheadarenotrelatedwith

andimpliesthatH—q

curvekeepsnochangewith

.

Thepowerneededincreaseswith,soistheN—qcurve.Notethepressuredifferencebetweentheinletandoutletoftheimpeller,pisproportionaltothe.23TransformofcharacteristiccurvesliquidviscosityThechangeofinfluentsthehydraulicenergyloseinthepump,andthecurves,H—qv、N—qv、—qv

willchange.If<2010-6m2/s,theeff