化工原理2-1教材课件

2023/7/20第二章

流体输送机械

第一节

离心泵

离心泵的操作原理、构造与类型离心泵的主要性能参数与特性曲线

离心泵性能的改变

离心泵的气蚀现象与允许吸上高度离心泵的工作点与流量调节2023/7/20流体输送机械：向流体作功以提高流体机械能的装置。输送液体的机械通称为泵；

例如：离心泵、往复泵、旋转泵和漩涡泵。输送气体的机械按不同的工况分别称为:

通风机、鼓风机、压缩机和真空泵。

本章的目的：结合化工生产的特点，讨论各种流体输送机械的操作原理、基本构造与性能，合理地选择其类型、决定规格、计算功率消耗、正确安排在管路系统中的位置等2023/7/202-1离心泵(centrifugalpump)一．离心泵的操作原理、构造与类型1、操作原理

由若干个弯曲的叶片组成的叶轮置于具有蜗壳通道的泵壳之内。2023/7/20吸入口位于泵壳中央与吸入管路相连，并在吸入管底部装一止逆阀。泵壳的侧边为排出口，与排出管路相连，装有调节阀。离心泵的工作过程：开泵前，先在泵内灌满要输送的液体。

开泵后，泵轴带动叶轮一起高速旋转产生离心力。液体在此作用下，从叶轮中心被抛向叶轮外周，压力增高，并以

很高的速度（15-25m/s）流入泵壳。

2023/7/20在蜗形泵壳中由于流道的不断扩大，液体的流速减慢，使

大部分动能转化为压力能。最后液体以较高的静压强从排出口流入排出管道。泵内的液体被抛出后，叶轮的中心形成了真空，在液面压强（大气压）与泵内压力（负压）的压差作用下，液体便经吸入管路进入泵内，填补了被排除液体的位置。

离心泵之所以能输送液体，主要是依靠高速旋转叶轮所产生的离心力，因此称为离心泵。

2023/7/202023/7/202023/7/20气缚离心泵启动时，如果泵壳内存在空气，由于空气的密度远小于液体的密度，叶轮旋转所产生的离心力很小，叶轮中心处产生的低压不足以造成吸上液体所需要的真空度，这样，离心泵就无法工作，这种现象称作“气缚”。为了使启动前泵内充满液体，在吸入管道底部装一止逆阀。此外，在离心泵的出口管路上也装一调节阀，用于开停车和调节流量。2023/7/202023/7/202、基本部件和构造1）叶轮a)叶轮的作用

将电动机的机械能传给液体,使液体的动能有所提高。

b)叶轮的分类

根据结构闭式叶轮开式叶轮

半闭式叶轮

叶片的内侧带有前后盖板，适于输送干净流体，效率较高。没有前后盖板，适合输送含有固体颗粒的液体悬浮物。只有后盖板，可用于输送浆料或含固体悬浮物的液体，效率较低。2023/7/202023/7/20按吸液方式

单吸式叶轮

双吸式叶轮液体只能从叶轮一侧被吸入，结构简单。相当于两个没有盖板的单吸式叶轮背靠背并在了一起，可以从两侧吸入液体，具有较大的吸液能力，而且可以较好的消除轴向推力。

2023/7/202023/7/202）泵壳

泵壳的作用

汇集液体，作导出液体的通道；使液体的能量发生转换，一部分动能转变为静压能。

导叶轮

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的带有叶片的圆盘，称为导叶轮。导叶轮上的叶片的弯曲方向与叶轮上叶片的弯曲方向相反，其弯曲角度正好与液体从叶轮流出的方向相适应，引导液体在泵壳的通道内平缓的改变方向，使能量损失减小，使动能向静压能的转换更为有效。

2023/7/202023/7/203）轴封装置A轴封的作用

为了防止高压液体从泵壳内沿轴的四周而漏出，或者外界空气漏入泵壳内。B

轴封的分类

轴封装置

填料密封：

机械密封：

主要由填料函壳、软填料和填料压盖组成，普通离心泵采用这种密封。

主要由装在泵轴上随之转动的动环和固定于泵壳上的静环组成，两个环形端面由弹簧的弹力互相贴紧而作相对运动，起到密封作用。

端面密封2023/7/202023/7/202023/7/202023/7/202023/7/203、离心泵的分类1）按照轴上叶轮数目的多少

单级泵

多级泵

轴上只有一个叶轮的离心泵，适用于出口压力不太大的情况；轴上不止一个叶轮的离心泵

，可以达到较高的压头。离心泵的级数就是指轴上的叶轮数，我国生产的多级离心泵一般为2-9级。

2）按叶轮上吸入口的数目单吸泵

双吸泵

叶轮上只有一个吸入口，适用于输送量不大的情况。叶轮上有两个吸入口，适用于输送量很大的情况。2023/7/202023/7/202023/7/203）按离心泵的不同用途

水泵

输送清水和物性与水相近、无腐蚀性且杂质很少的液体的泵,（B型）

耐腐蚀泵

接触液体的部件（叶轮、泵体）用耐腐蚀材料制成。要求：结构简单、零件容易更换、维修方便、密封可靠、用于耐腐蚀泵的材料有：铸铁、高硅铁、各种合金钢、塑料、玻璃等。（F型）油泵

输送石油产品的泵，要求密封完善。（Y型）杂质泵

输送含有固体颗粒的悬浮液、稠厚的浆液等的泵，又细分为污水泵、砂泵、泥浆泵等。要求不易堵塞、易拆卸、耐磨、在构造上是叶轮流道宽、叶片数目少。2023/7/202023/7/20二．离心泵的主要性能参数与特性曲线

1、离心泵的性能参数

1）离心泵的流量

指离心泵在单位时间里排到管路系统的液体体积，一般用Q表示，单位为m3/h。又称为泵的送液能力。2）离心泵的压头泵对单位重量的液体所提供的有效能量，以H表示，单位为m。又称为泵的扬程。2023/7/20离心泵的压头取决于：

泵的结构（叶轮的直径、叶片的弯曲情况等）

转速n

流量Q，如何确定转速一定时，泵的压头与流量之间的关系呢？实验测定2023/7/20H的计算可根据b、c两截面间的柏努利方程：离心泵的压头又称扬程。必须注意，扬程并不等于升举高度△Z，升举高度只是扬程的一部分。

2023/7/203）离心泵的效率

离心泵输送液体时，通过电机的叶轮将电机的能量传给液体。在这个过程中，不可避免的会有能量损失，也就是说泵轴转动所做的功不能全部都为液体所获得，通常用效率η来反映能量损失。这些能量损失包括：容积损失水力损失机械损失泵的效率反应了这三项能量损失的总和，又称为总效率。与泵的大小、类型、制造精密程度和所输送液体的性质有关

2023/7/204）轴功率及有效功率轴功率：

电机输入离心泵的功率,用N表示，单位为J/S,W或kW有效功率：排送到管道的液体从叶轮获得的功率，用Ne表示

轴功率和有效功率之间的关系为：有效功率可表达为

轴功率可直接利用效率计算2023/7/202、离心泵的特性曲线

离心泵的H、η、N都与离心泵的Q有关，它们之间的关系由确定离心泵压头的实验来测定，实验测出的一组关系曲线：

H～Q、η～Q、N～Q

——离心泵的特性曲线

注意：特性曲线随转速而变。各种型号的离心泵都有本身独自的特性曲线，但形状基本相似，具有共同的特点2023/7/202023/7/201）H～Q曲线：表示泵的压头与流量的关系，离心泵的压头普遍是随流量的增大而下降（流量很小时可能有例外）2）N～Q曲线：表示泵的轴功率与流量的关系，离心泵的轴功率随流量的增加而上升，流量为零时轴功率最小。

离心泵启动时，应关闭出口阀，使启动电流最小，以保护电机。3）η～Q曲线：表示泵的效率与流量的关系，随着流量的增大，泵的效率将上升并达到一个最大值，以后流量再增大，效率便下降。2023/7/20离心泵在一定转速下有一最高效率点。离心泵在与最高效率点相对应的流量及压头下工作最为经济。

与最高效率点所对应的Q、H、N值称为最佳工况参数。离心泵的铭牌上标明的就是指该泵在运行时最高效率点的状态参数。

注意：在选用离心泵时，应使离心泵在该点附近工作。一般要求操作时的效率应不低于最高效率的92%。2023/7/20三、离心泵性能的改变

1、液体性质的影响

1）液体密度的影响

离心泵的流量

与液体密度无关。

离心泵的压头

与液体的密度无关

H～Q曲线不因输送的液体的密度不同而变。泵的效率η不随输送液体的密度而变。

离心泵的轴功率与输送液体密度有关。2023/7/202）粘度的影响

当输送的液体粘度大于常温清水的粘度时，泵的压头减小泵的流量减小泵的效率下降泵的轴功率增大

泵的特性曲线发生改变，选泵时应根据原特性曲线进行修正当液体的运动粘度小于20cst（厘池）时，如汽油、柴油、煤油等粘度的影响可不进行修正。2023/7/202、转速对离心泵特性的影响

当液体的粘度不大且泵的效率不变时，泵的流量、压头、轴功率与转速的近似关系可表示为：——比例定律

3、叶轮直径的影响1）属于同一系列而尺寸不同的泵，叶轮几何形状完全相似，b2/D2保持不变，当泵的效率不变时，

2023/7/202）某一尺寸的叶轮外周经过切削而使D2变小，b2/D2变大

若切削使直径D2减小的幅度在20%以内，效率可视为不变，并且切削前、后叶轮出口的截面积也可认为大致相等,此时有：

---------切割定律

2023/7/20四、离心泵的气蚀现象与允许吸上高度

1、气蚀现象

气蚀产生的条件叶片入口附近K处的压强PK等于或小于输送温度下液体的饱和蒸气压

2023/7/20气蚀产生的后果：

气蚀发生时产生噪音和震动，叶轮局部在巨大冲击的反复作用下，表面出现斑痕及裂纹，甚至呈海棉状逐渐脱落液体流量明显下降，同时压头、效率也大幅度降低，严重时会输不出液体。2、离心泵的允许吸上高度

离心泵的允许吸上高度又称为允许安装高度，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，以Hg表示。2023/7/202023/7/20贮槽液面0-0’与入口处1-1’两截面间列柏努利方程若贮槽上方与大气相通，则P0即为大气压强Pa

2023/7/202、离心泵的允许吸上真空度

注意：HS’单位是压强的单位，通常以m液柱来表示。在水泵的性能表里一般把它的单位写成m（实际上应为mH2O）。——离心泵的允许吸上真空度定义式将

代入得——允许吸上高度的计算式2023/7/20HS’值越大，表示该泵在一定操作条件下抗气蚀性能好，安装高度Hg越高。

HS’与泵的结构、流量、被输送液体的物理性质及当地大气压等因素有关。通常由泵的制造工厂试验测定，实验在大气压为10mH2O（9.81Pa）下,以20℃清水为介质进行的。2023/7/20HS’随Q增大而减小确定离心泵安装高度时应使用泵最大流量下的HS’进行计算若输送其它液体，且操作条件与上述实验条件不符时，需对HS’进行校正。3、气蚀余量

为防止气蚀现象发生，在离心泵入口处液柱的静压头

与动压头

之和必需大于液体在操作温度下的饱和蒸汽压头

的一个最小值。

2023/7/20——气蚀余量定义式NPSH与Hg

的关系当叶轮入口附近(k-k’)最小压强等于液体的饱和蒸汽压pv

时，泵入口处压强(1-1’)必等于某确定的最小值p1。在1-1’和k-k’间列柏努利方程：

2023/7/20当流量一定且流体流动为阻力平方区时，气蚀余量仅与泵的结构和尺寸有关，是泵抗气蚀性能参数。将

代入

——允许吸上高度的计算式离心泵的气蚀余量

值也是由生产泵的工厂通过实验测定的NPSH随Q增大而增大计算允许安装高度时应取高流量下的NPSH值。图2023/7/20泵性能表上所列的NPSH值也是按输送20℃的清水测定的，当输送其它液体时应乘以校正系数予以校正，但因一般校正系数小于1，故把它作为外加的安全系数，不再校正。4、离心泵的实际安装高度离心泵的实际安装高度应小于允许安装高度，一般比允许值小0.5～1m。

2023/7/20注意：1）离心泵的允许吸上真空度和允许气蚀余量值是与其流量有关的，大流量下△h较大而HS’较小，因此，必须注意使用最大额定流量值进行计算。2）离心泵安装时，应注意选用较大的吸入管路，减少吸入管路的弯头、阀门等管件，以减少吸入管路的阻力。3）当液体输送温度较高或液体沸点较低时，可能出现允许安装高度为负值的情况，此时，应将离心泵安装于贮槽液面以下，使液体利用位差自流入泵内。2023/7/20五、离心泵的工作点与流量调节

1、管路特性曲线与泵的工作点

1）管路特性曲线

管路特性曲线

流体通过某特定管路时所需的压头与液体流量的关系曲线。

在截面1-1´与2-2´

间列柏努利方程式，并以1-1´截面为基准水平面，则液体流过管路所需的压头为：2023/7/20式中：上式简化为

而令2023/7/20——管路的特性方程2）离心泵的工作点离心泵的特性曲线与管路的特性曲线的交点M，就是离心泵在管路中的工作点。

在特定管路中输送液体时，管路所需的压头随所输送液体流量Q的平方而变

2023/7/20M点所对应的流量Qe和压头He表示离心泵在该特定管路中实际输送的流量和提供的压头。2、离心泵的流量调节1）改变出口阀开度

——改变管路特性曲线

阀门关小时：管路局部阻力加大，管路特性曲线变陡，工作点由原来的M点移到M1点，流量由QM降到QM1；

2023/7/20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，工作点由M移到M2流量加大到QM2。

优点：调节迅速方便，流量可连续变化；缺点：流量阻力加大，要多消耗动力，不经济。

2）改变泵的转速——改变泵的特性曲线若把泵的转速提高到n1：则H~Q线上移，工作点由M移至M1，流量由QM

加大到QM1；2023/7/20若把泵的转速降至n2：则H~Q线下移，工作点移至M2,流量减小到QM2优点：流量随转速下降而减小，动力消耗也相应降低；缺点：需要变速装置或价格昂贵的变速电动机，难以做到流量连续调节，化工生产中很少采用。2023/7/203、离心泵的并联和串联1）串联组合泵的特性曲线

两台相同型号的离心泵串联组合，在同样的流量下，其提供的压头是单台泵的两倍。2023/7/202）并联组合泵的特性曲线

两台相同型号的离心泵并联，若其各自有相同的吸入管路，则在相同的压头下，并联泵的流量为单泵的两倍。

2023/7/203）离心泵组合方式的选择

对于低阻输送管路a，并联组合泵流量的增大幅度大于串联组合泵；对于高阻输送管路b，串联组合泵的流量增大幅度大于并联组合泵。低阻输送管路----并联优于串联；高阻输送管路--