FE第二章流体输送

第二章流体输送FluidTransport第一节离心泵第二节

其他类型的泵第三节风机第四节

气体压缩第五节

真空技术(一)流体输送的工程目的低位高位，或低压高压，或远距离输送或高阻管路。(二)管路对输送机械要求流体输送机械向流体提供能量，用于提高流体的位能和克服管路的阻力损失，均以能量形式（主要是压强能）表现。

流体输送(三)可调用的工程手段最常用的：旋转运动——旋转式输送机械往复运动——往复式输送机械输送机械按工作原理分：输送液体——泵，输送气体——风机和压缩机动力式（叶轮式）：利用高速旋转的叶轮输送流体。如离心泵，旋涡泵等；容积式（正位移式）：利用往复运动的活塞或转子的周期性挤压输送流体，包括往复式，旋转式；流体动力作用式：利用一种流体高速喷射输送另一种流体，如喷射泵。第一节离心泵2-1离心泵的结构原理2.1A离心泵的工作原理2.1B离心泵的主要部件

2-2离心泵的性能

2.2A离心泵的主要性能参数2.2B离心泵的特性曲线2-3离心泵的安装高度和工作点2.3A离心泵的安装高度2.3B离心泵的工作点主要部件叶轮泵轴泵壳轴封装置轴向推力平衡装置（如平衡孔）1—叶轮2—泵壳3—泵轴4—吸入管5—底阀6—排出管旋转部件静止部件2.1B

离心泵的主要部件2-1离心泵的结构原理

离心泵（centrifugalpump）是生产中最常用的液体输送机械⒈叶轮：是离心直接对液体做功的构件，是离心泵的关键部件。通常由3-12片后弯的叶片组成，叶轮安装在泵轴上，并放在泵壳内。

作用：将原动机的机械能传递给被输送的液体，使通过离心泵的液体静压能和动能均有所提高。分类：开式叶轮半闭式叶轮闭式叶轮开式叶轮开式叶轮没有前、后盖板，仅有叶片和轮毂；结构简单，清洗方便；但是液体易发生倒流，效率较低；适合于输送浆液和含有固粒悬浮物的液体，不易堵塞。半闭式叶轮：吸液口一侧无盖板，效率也较低；适用于输送悬浮液。闭式叶轮有前后轮盖；结构较复杂，造价较高；效率较高，适于输送清洁流体；应用广泛。√2.泵壳：

作用：汇聚流体，能量转化（将部分动能转化为静压能）。蜗牛形，又称蜗壳3.导轮

导轮具有若干逐渐转向和扩大的流道，使部分动能转换为静压能，并可减少能量损失4.轴封装置轴封装置填料密封机械密封泵轴转动而泵壳不动，泵轴与泵壳接触处有间隙；防止泵内高压液体沿间隙漏出或外界空气漏入泵内，须设置轴封装置。填料密封：又称填料函，或者盘根箱填料函壳填料环软填料填料压盖双头螺栓螺母特点：简单易行，但维修工作量大，容易泄漏；不适用于易燃，易爆，有毒或者贵重液体的输送。机械密封：又称端面密封动环静环特点：结构复杂，精度要求高，价格贵，装卸和更换零件不便；但密封性能好，寿命长，功率消耗小，安全性好。弹簧5.轴向推力平衡装置平衡孔：叶轮后轮盖上开孔；平衡管：泵壳上的接管通到泵的吸入口；平衡盘：用于多级离心泵，设在最后一级叶轮的后面。5.轴向推力平衡装置2-1离心泵的结构原理

离心泵（centrifugalpump）是生产中最常用的液体输送机械2.1A

离心泵的工作原理

泵由一组弯曲叶片组成的叶轮1置于泵壳2内叶轮被紧固在泵轴3上

泵壳中央的吸入口4与吸入管路5连接

排出口8与排出管路9相连接离心泵启动后，泵轴带动叶轮一起旋转，泵壳内的液体随叶轮旋转，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流速增大。液体离开叶轮进入泵壳后，因壳内流道逐渐扩大而使液体减速，部分动能转化为静压能。于是具有较高压强的液体从泵的排出口进入排出管道，被输送到所需的场所。在液体受迫由叶轮中心流向外缘的同时，在叶轮中心形成低压，液体在吸液口和叶轮中心处的势能差的作用下源源不断吸入叶轮。2.1A

离心泵的工作原理防止离心泵的“气缚”现象离心泵工作原理动画http://www.yzj.cc/contents.asp?tid=39/programs/view/lMINlUOxe44/离心泵结构动画2-2离心泵的性能2.2A

离心泵的主要性能参数1.流量qv泵在单位时间内排出的液体体积,m3/s2.转速

n泵轴单位时间转动周数，r/s,r/min3.扬程（压头）

H泵给予单位重量（1N）液体的能量，m(即J/N)－液体流经泵的压头损失，m4.功率轴功率P指由原动机传给泵轴的功率，单位W有效功率Pe单位时间流体经泵得到的能量w=Hgqm=qvρ5.效率ηη=Pe/PP=Pe/η这些性能参数间是相互影响的Pe=qvHρg(W)2.2B

离心泵的特性曲线

性能参数间的关系绘成曲线称为离心泵的特性曲线（Characteristiccurves）

离心泵的特性曲线一般指在转速n一定时三条曲线：H~qvP~qvη~qvη~qv曲线有最高点泵在与最高效率相对应的流量及压头下工作最为经济，与最佳效率点对应的qv、H、P称为最佳工况参数。习题1（p.81）求离心泵的压头H吸入管d1=350mm,吸入口pvm=29.3kPa,排出管d2=310mm，排出口pg=350kPa，两表间垂直距离350mm,流量540m3/h解Δp=pg+pvm=350+29.3=379.3kPa=39.1m2特性曲线的影响因素(1)液体密度的影响离心泵的理论流量qv和理论压头HT∞与液体密度无关，离心泵的效率η也与密度无关，离心泵的轴功率P则随液体密度的增加而增加。(2)液体粘度的影响液体粘度的改变将直接改变其在离心泵内的能量损失，因此，H—Q、N—Q、—Q曲线都将随之而变。液体运动粘度<2010-6

m2/s时影响不大，超过此值则应进行换算。Qs：额定流量，离心泵输送清水时最高效率下对应的流量0.4~40m3/minQ，H，η——分别为离心泵输送清水时的流量、压头和效率；

Q’，H’，η’——分别为离心泵输送其他粘性液体时的流量、压头和效率；CQ，CH，Cη——分别为离心泵的流量、压头和效率的换算系数0.04~0.4m3/min(3)叶轮转速的影响当叶轮转速的改变不大时（<20%）：η’=η比例定律在同一转速下，如叶轮直径的切割幅度不大时（叶轮直径的变化≤10%），泵的效率不变，则泵的流量、扬程和轴功率与叶轮直径的近似关系为:(4)叶轮直径的影响切割定律

由离心泵的工作原理可知，从整个吸入管路到泵的吸入口，液体的压强是不断降低的，在离心泵的叶片入口附近形成低压区。泵的吸液作用是靠0-0和1-1截面的势能差来实现的当0-0截面压强一定时，若泵吸入口1-1截面的压强越低，则吸上高度越高2-3离心泵的安装高度和工作点2.3A

离心泵的安装高度离心泵的“汽蚀”现象

当泵内某点的压强低至液体饱和蒸汽压时部分液体将汽化，产生的汽泡被液流带入叶轮内压力较高处再凝聚。由于凝聚点处产生瞬间真空，造成周围液体高速冲击该点，产生剧烈的水击。瞬间压力可高达数十个MPa，众多的水击点上水击频率可高达数十kHz，且水击能量瞬时转化为热量，水击点局部瞬时温度可达230℃以上。2.3A

离心泵的安装高度离心泵的“汽蚀”现象

症状：噪声大、泵体振动，流量、压头、效率都明显下降。后果：高频冲击加之高温腐蚀同时作用使叶片表面产生一个个凹穴，严重时成海绵状而迅速破坏。防止措施：把离心泵安装在恰当的高度位置上，确保泵内压强最低点处的静压超过工作温度下被输送液体的饱和蒸汽压（p1>pv)。

离心泵的安装高度不是任意的，而是要受到“汽蚀”现象的限制。反映这一限制的因素，从泵本身的吸上性能考虑，常采用两种指标来表示，即离心泵的允许吸上真空度和气蚀余量。

求Hg

常用两法：允许吸上真空高度Hs汽蚀余量Δh1.允许吸上真空高度Hs0-0′和1-1′间伯努利方程：－液体经吸入管的压头损失，m

离心泵的Hs值由制造厂在样本或说明书中给出

为提高Hg，选用直径稍大而且尽可能短的吸入管，尽量减少弯头，不安截止阀，如环境非标准大气压,液体非温度20℃水,Hs应校正：大气压头饱和蒸汽压头2.汽蚀余量Δh

泵入口处液体的静压头与动压头之和超过其饱和蒸汽压头的某一最小指定值

泵的实际安装高度比允许安装高度低0.5~1m

例：用一台离心泵在海拔高度400m处输送40℃的水，从泵样本中查得该泵的允许吸上真空高度Hs=7.0m，若吸入管的压头损失约为1mH2O,泵入口处的动压头为0.2mH2O。试确定该离心泵的安装高度。已知海拔高度400m处的大气压力为9.85mH2O。解：泵的实际安装高度为5.14-0.5=4.64m。

例：用一台离心油泵从贮槽向反应器输送液态异丁烷，从泵样本中查得在输送流量下该泵的气蚀余量Δh＝3.5m。贮罐内液面上方的压力为6.52×l05Pa。异丁烷在输送温度下的饱和蒸气压为6.38×l05Pa，密度为530kg/m3。吸入管路的压头损失为1.2m。试问，当泵的入口处位于贮罐内液面以下1.5m时，该泵能否正常操作。解：允许安装高度为已知泵的实际安装高度为-1.5m大于计算结果。说明泵在输送异丁烷过程中会发生“汽蚀”现象，不能确保泵的正常操作。将泵的安装高度降至-2.0-0.5＝-2.5m才能确保其正常操作。2.3B离心泵的工作点1.管路特性曲线（离心泵的工作曲线）令令2.

离心泵的工作点

将离心泵的特性曲线II和管路特性曲线I绘制在同一压头-流量坐标图上

两曲线相交点M,是离心泵在该管路中的工作点（dutypoint）

若工作点所对应效率在最高效率区，则该工作点是适宜的3.流量调节

可以采用流量调节改变管路特性曲线,或者改变泵的特性曲线,改变泵的工作点M,使工作点处于高效率区。(1)改变管路特性曲线（如改变阀门开度）该调节方法的主要优点是操作简单，流量可以连续变化，但管路上阻力损失大且可能使泵的工作点位于低效率区，因此多在调节幅度不大但需经常调节的场合下使用。3.流量调节(2)改变泵H-Q特性曲线：泵的转速n2<n<n1叶轮直径D1’<D1(3)两种流量调节方式的比较改变排出管上阀门开度的方法，会使一部分能量额外消耗在阀门的局部阻力上，不太经济，但简单易行，且便于连续调节。改变泵的转速的方法比较经济，因为无额外的能量损耗。但需要变速装置或价格昂贵的变速原动机，且难以达到流量连续调节的目的。改变叶轮直径的方法也比较经济，但调节范围不大，否则会降低泵的效率。改变泵的特性曲线的方法很少用。

例某离心泵qv=280L/min,H=18m,问该泵能否将密度1060kg/m3的液体以流量15m3/h从敞口槽送到高8.5m,表压300kPa的设备中.管路φ76×3.5mm,l+le=124m,λ=0.03。解H=18m两者qv相近，但泵H远小于管路系统所需H

，

不能完成第二节

其他类型的泵2-5往复泵2.5A往复泵的工作原理2.5B往复泵的输液量和流量调节2-6

旋转泵

除离心泵外，其他类型的泵：往复泵和旋转泵都属正位移泵，流量只与活塞和转子的位移有关2-5

往复泵2.5A往复泵的工作原理

往复泵（reciprocatingpump）主要由泵缸1,活塞或柱塞2，吸入阀3，排出阀4等所组成

当活塞自左至右移动时，工作室容积增大，形成低压,吸入管内液体推开吸入阀进入工作室

当活塞由右至左移动时，吸入阀受压而关闭，排出阀被高压液体推开，缸内液体被压入排出管路。往复泵有多种形式压头较高的液体输送用柱塞泵柱塞泵输送腐蚀性强的液体用隔膜泵隔膜泵2－柱塞5－隔膜柱塞泵轴向式径向式隔膜泵工作原理：当隔膜泵活塞向后面移动的时候，膜片渐渐的凹进去，隔膜泵腔内的体积越变越大，压力也就随之降低，当压力低于入口管压力的时候，泵的入口阀门打开，流体流入隔膜泵腔内，直至流体充满隔膜泵腔，这时入口阀门关闭。吸入过程完成，开始压出过程。活塞向前移动，膜片慢慢鼓起的进修，隔膜泵腔内的体积越来越小，腔内压力越来越大，出口阀门被压开，流体被压出泵腔，当活塞达到外止点时，出口阀门因重力和弹簧力的作用而关闭，流体排出过程结束，隔膜泵又开始了新的吸入过程。就这样不停的吸入和排出，隔膜泵完成了输送流体的目的。/tech/detail-75159.html/js/detail-41142.html2.5B往复泵的输液量和流量调节1.

往复泵的输液量单缸单动往复泵的理论平均流量：单缸双动：三柱塞往复泵：qvt=3Asn实际平均输出液量：s—冲程，m2.往复泵的特性曲线理论上往复泵流量qv与压头H无关

象往复泵这类泵，流量只与活塞的位移有关而与管路无关；而其扬程只与管路情况有关而与流量无关：此即为正位移泵其特性曲线：qvt与H无关qv当H较大↑而稍有↓3.流量调节(1)改变s和n(2)安回流支路2-6

旋转泵

旋转泵（rotarypump）依靠泵体内转子的旋转作用而吸入和排出液体旋转泵也属于正位移泵罗茨泵滑板泵

齿轮泵螺杆泵第三节风机气体输送机械可按其终压分成四类1.通风机终压p2

≤

15kPa(表压),压缩比p2/p1=1~1.152.鼓风机终压p2:15~300kPa(表压)，p2/p1<43.压缩机p2>300kPa(表压)，p2/p1>44.真空泵使p1<p2，一般p2=pa通风机和鼓风机通称为风机2-7通风机和鼓风机2.7A通风机

食品工业中常用的通风机（fan）有轴流式和离心式两类。广泛使用离心式通风机（centrifugalfan）。按风压大小分：（1）低压离心通风机风压≤1kPa(表压)（2）中压离心通风机风压为1~3kPa(表压)（3）高压离心通风机风压为3~15kPa(表压)1.

离心式通风机的结构和工作原理结构类似离心泵，主要由叶轮、机壳和机座组成2.离心式通风机的性能参数(1)风量qv

以吸入状态计的体积流量，常用m3/h(2)风压全风压(Pa)（z2-z1）较小,ρΣhf也可忽略pt=(p2-p1)+ρu22/2

(Pa)式中，p2

-p1=pst

称静风压ρu22/2=pd

称动风压pt=pst+pd(3)功率有效功率

Pe=ptqv(W)(4)效率

ηη=Pe/P2.7B鼓风机1.离心鼓风机单级离心鼓风机pt≤30kPa需风压较高，采多级鼓风机（几个叶轮串联）2.旋转鼓风机pt≤80kPa

罗茨鼓风机结构原理与罗茨泵相似，椭圆形机壳内装有两个转子。定n时，qv与pt无关。第四节

气体压缩2-8

往复压缩机的工作原理

2.8A

理想压缩循环2.8B

有余隙压缩循环2-9

往复压缩机的性能2.9A

往复压缩机的主要性能参数2.9B

多级压缩

压缩机(compressor)是应用较广的气体输送机械之一2-8往复压缩机的工作原理2.8A理想压缩循环理想压缩循环假设：①理想气体，②无阻力损失，③无泄漏，④无余隙理想压缩循环四步构成：吸气、压缩、排气和瞬时降压pVp14123p2Ⅰ.吸气过程

(4→1)

WI=-p1V1Ⅱ.

压缩过程

(1→2）（1）压缩是等温过程如果可逆（2）压缩是绝热过程k-气体的绝热指数，（3）压缩是多变过程m-气体的多变指数1<m<kpVp1p2Vp14123p2III.排气过程(2→3）WIII=p2V2IV.瞬时降压（3→4）WIV=0四步构成压缩循环，总功：p14123p2VWI=-p1V12.8B有余隙压缩循环设：V=V1-V3为活塞扫过体积Ve=V1-V4为吸气体积定义ε=V3/V

为余隙因数设：为容积因数若余隙气体膨胀过程3→4是个多变过程pV3V4V1Vp14123p22-9往复压缩机的性能2.9A

往复压缩机的主要性能参数1.排气量单动理论吸气量双动多缸实际排气量式中λd

－送气因数,一般λd=0.8～0.95λv

2.

功率若膨胀和压缩都是绝热过程理论功率：轴功率：

2.9B多级压缩多级压缩的优点：1.避免排出气体温度过高

2.减少功耗双级压缩比单级压缩节省理论功3.提高气缸容积利用率p2/p1↑：λv↓习题9（p.82）空气p1=105PaP2=9×105Pa两方案：①用单级压缩机②用双级压缩机（中间冷却）若空气初温和中冷后温度皆20℃,ε=0.07,k=1.4比较两方案的理论功和容积因数。解

(1)

单级

p2/p1=9

设空气1kg,=

4.14×105J0.73

(2)双级p2/p1=3×3=9W2=W1=1.08×105JW=W1+W2=2.16×105J0.92

0.84双级比单级W↓,λv↑第五节

真空技术2-10

真空技术的物理基础2.10A真空的基本概念2.10B低压稀薄气体的流动2-11真空泵

2-11A真空泵的分类和性能

2.11B几种常用的真空泵2-10

真空技术的物理基础2.10A

真空的基本概念可按绝对压力pab划分真空区域（1）低真空

pab

：102~1kPa（2）中真空

pab

：103~0.1Pa（3）高真空

pab：0.1~10-5Pa1.

分子数密度n单位体积内气体分子数按Boltzmann常量k=R/NA=1.381×10-23J/K2.平均自由程ud用分子的相对运动速度●●uu√2u平均自由程常温的空气，T=298K，d=3.72×10-10m若p=1.01×105Pa,=6.63×10-8mp=10-4Pa,则=6.70×10-3/p!本次习题p.8143.分子撞击率－单位时间内撞击在单位壁面上的分子数分子平均速度x-向分速度dAux真空度↑：pab↓，n↓，↑，↓2.1B低压稀薄气体的流动1.流动区域的划分单位时间内气体分子间的碰撞次数单位时间内气体分子与器壁碰撞次数可以按X/Y

的大小划分气体的状态：当X/Y>100,气体为黏性态；当100>X/Y>1/3,气体为过渡态；当X/Y<1/3,气体为分子态。(1)低压气体的状态(2)低压气体流动区域的划分设：管道是直径为D的圆管诺森数1/3100分子流中间流粘性流2.真空导管中气体的流量（1）体积流量qv

qv=Au(m3/s)（2）分子流量NN=qvn(s-1)（3）通流量q'v

q'v=qvp3.流导C三种流量的关系式：q'v=qvp=qvnkT=NkT稳定流动：N=qv1n1=qv2n2N=C（n1-n2）

(s-1)或类似于欧姆定律C－导管的流导,m3/s1/C－导管的流阻q'v=C(p1-p2)对于长径比L/D≥20的圆长管，层流时，N=C（n1-n2）4.抽速泵的抽速Sp

，单位为m3/s

SpCpppS导管流导为C,容器抽速S=?q'v=S·p=Sp·pp=C(p-pp)Sp·pp=Cp-Cpp(Sp+C)Pp=Cp真空技术的基本方程

例用流导40L/s的管道连以泵抽速为120L/s的真空泵使罐中气体抽去0.6m3,需时多少?解t=V/S=600/30=20sC=40L/sSp=120L/s2-11真空泵

2.11A真空泵的分类和性能1.真空的获得方法(1)利用排气的方法获得真空(2)利用吸气剂获得真空(3)利用冷凝吸附作用获得真空2.真空泵的分类