化工原理第二章第一节讲稿修改

2021/8/8第二章流体输送机械第一节

液体输送机械2-1-1

离心泵离心泵的操作原理、构造与类型离心泵的基本方程式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2-1-2

其他类型的泵流体输送机械：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2021/8/82-1-1离心泵操作原理、构造与类型一．离心泵的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。叶轮紧固于泵轴上泵轴与电机相连，

可由电机带动旋转。2021/8/8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（15-25

m/s）流入泵壳。2021/8/8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。2021/8/82021/8/8气缚2021/8/8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。2021/8/82、基本部件和构造叶轮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。叶轮的分类根据结构闭式叶轮

叶片的内侧带有前后盖板，适于输送干净流体，效率较高。开式叶轮

没有前后盖板，适合输送含有固体颗粒的液体悬浮物。半闭式叶轮只有后盖板，可用于输送浆料或含固体悬浮物的液体，效率较低。2021/8/82021/8/82021/8/8单吸式叶轮2021/8/8液体只能从叶轮一侧被吸入，结构简单。按吸液方式双吸式叶轮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。2021/8/82）泵壳A.

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。B.

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。2021/8/82021/8/8轴封装置3）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

轴封的分类填料密封：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。机械密封：主要由装在泵轴上随之转动的动环和固端面密封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。2021/8/82021/8/82021/8/82021/8/82021/8/82021/8/83、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叶轮上只有一个吸入口，适用于输送量不大的情况。双吸泵叶轮上有两个吸入口，适用于输送量很大的情况。2021/8/82021/8/82021/8/83）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）油泵杂质泵输送石油产品的泵，要求密封完善。（Y型）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。2021/8/82021/8/82021/8/8二、离心泵的基本方程式2021/8/81、离心泵基本方程式的导出假设如下理想情况：泵叶轮的叶片数目为无限多个，也就是说叶片的厚度为无限薄，液体质点沿叶片弯曲表面流动，不发生任何环流现象。输送的是理想液体，流动中无流动阻力。在高速旋转的叶轮当中，液体质点的运动包括：液体随叶轮旋转；经叶轮流道向外流动。液体与叶轮一起旋转的速度u1或u2方向与所处圆周的切线方向一致，大小为：60112pr

nu

=602021/8/82u

=

2pr2

nc2021/8/8H

¥

=

H

p

+

H2g2

-

C

2P

-

P

C=

2

1

+

2

1

rg液体沿叶片表面运动的速度ω1、ω2，方向为液体质点所处叶片的切线方向，大小与液体的流量、流道的形状等有关两个速度的合成速度就是液体质点在点1或点2处相对于静止的壳体的速度，称为绝对速度，用c1、c2来表示。单位重量理想液体，通过无数叶片的旋转，获得的能量称作理论压头，用H∞表示。单位重量液体由点1到点2获得的机械能为:HC:

液体经叶轮后动能的增加HP:

液体经叶轮后静压能的增加；静压能增加项HP主要由于两方面的因素促成：1）液体在叶轮内接受离心力所作的外功，单位质量液体所接受的外功可以表示为：2

22221

1rrrru

2

-

u

2)=

2

1

(r

2

-

r

22

1Fdr

=w

2rw

dr

=2）叶轮中相邻的两叶片构成自中心向外沿逐渐扩大的液体流道，液体通过时部分动能转化为静压能，这部分静压能的增加可表示为：22021/8/821

2w

2

-w单位重量流体经叶轮后的静压能增加为:2021/8/82g2g2w

2

-wu

2

-

u

2HP

=

2

1

+

1

2

2c

2

-

c

2u

2

-

u

2\

H¥=

2

1

+

1

2

+

2

1

w

2

-w（a）2g

2g

2g根据余弦定理，上述速度之间的关系可表示为：w

2

=

c

2

+

u

2

-

2cu

cosa1

1

1

1

1

1w

2

=

c

2

+

u

2

-

2c

u

cosa2

2

2

2

2

2代入（a）式，并整理可得到：2021/8/8H

¥

=

(u2c2

cosa

2

-

u1c1

cosa1

)

/

g(b)一般离心泵的设计中，为提高理论压头，使α1=90°，即cosα1=0\

H

¥

=

u2c2

cosa

2

/

g——离心泵的基本方程式——离心泵理论压头的表达式理论压头与理论流量QT关系流量可表示为叶轮出口处的径向速度与出口截面积的乘积QT

=

2pr2b2c2

sin

a从点2处的速度三角形可以得出c2

cosa2

=

u2

-

c2

sin

a2

ctgb2代入H=u2c2cosα2/g2

22a

ctgb(u

-

c

sin=)u

12

222g2

T

22pr

bu

Q

ctgb-)

=

(u22021/8/8222g1ctgb2pb

g2

2Q

wgT=

(r

w

)

-¥H——离心泵基本方程式表示离心泵的理论压头与理论流量，叶轮的转速和直径、叶轮的几何形状间的关系。对于某个离心泵（即其β2、γ2、b2固定），当转速ω一定时，理论压头与理论流量之间呈线形关系，可表示为：2021/8/8H¥

=

A

-

BQT2、离心泵基本方程式的讨论1）离心泵的理论压头与叶轮的转速和直径的关系当叶片几何尺寸（b2，β2）与理论流量一定时，离心泵的理论压头随叶轮的转速或直径的增加而加大。

2）离心泵的理论压头与叶片几何形状的关系根据叶片出口端倾角β2的大小,叶片形状可分为三种:a）后弯叶片(β2<90，b)，ctgβ2>0

。泵的理论压头随流量Q的增大而减小2021/8/8大。径向叶片（β2=90。，图a），ctgβ2=0

。泵的理论压头不随流量QT而变化。前弯叶片(β2>90。，图c)，ctgβ2<0。泵的理论压头随理论流量QT的增大而增前弯叶片产生的理论压头最高，这类叶片是最佳形式的叶片吗？NO2021/8/8H¥2g2g2u

w

2

-

w静压头的增加：

2

1

+

1

2

2

-

u

22

2动压头的增加：

c2

-

c12021/8/82g前弯叶片，动能的提高大于静压能的提高。由于液体的流速过大，在动能转化为静压能的实际过程中，会有大量机械能损失，使泵的效率降低。一般都采用后弯叶片3、实际压头2021/8/8离心泵的实际压头与理论压头有较大的差异，原因在于流体在通过泵的过程中存在着压头损失，它主要包括：叶片间的环流流体的阻力损失冲击损失理论压头、实际压头及各种压头损失与流量的关系为2021/8/8三．离心泵的主要性能参数与特性曲线2021/8/81、离心泵的性能参数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。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。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2021/8/8H的计算可根据b、c两截面间的柏努利方程：2021/8/8P

P2g

2gu

2

u

2 b

+

b

+

H

=

Z

+

c

+

c

+

(hf

)bcrg

rg2gP

-

P u

2

-

u

2H

=

DZ

+

c

b

+

c

b

+

(hf

)bcrgH

=

DZ

+

(Pc

-

Pb

)

/

rg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。3）离心泵的效率2021/8/8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4）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

：

N

=

Ne

/h有效功率可表达为Ne

=

QHrg轴功率可直接利用效率计算N

=

QHrg

/h2021/8/82、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2021/8/82021/8/81）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。2021/8/8离心泵在一定转速下有一最高效率点。离心泵在与最高2021/8/8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%。四、离心泵性能的改变2021/8/81、液体性质的影响1）液体密度的影响QT

=

2pr2b2c2

sin

a离心泵的流量与液体密度无关。=

u2c2

cosa

2

/

g离心泵的压头H¥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。

N

=

QHrg

/h离心泵的轴功率与输送液体密度有关。2）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。2021/8/82、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：Q'

=

n'Q

n2H

'

=

(

n')H

n(

)N

n2021/8/8N

'

=

n'

3——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，2）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：Q'

=

D2

'Q

D2H

'

=

(

D2

')2H

D2N

'

=

(

D2

')3N

D2---------切割定律2021/8/8五、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2021/8/8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。2021/8/82021/8/8贮槽液面0-0’与入口处1-1’两截面间列柏努利方2021/8/8程u

2P

-

PHg

=

0

1

-

1

-

H

f

0-1rg

2g若贮槽上方与大气相通，则P0即为大气压强Pau

2P

-

PHg

=

a

1

-

1

-

Hf0-1rg

2g2、离心泵的允许吸上真空度HS

'

=

Pa

-

p1

/

rg——离心泵的允许吸上真空度定义式注意：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）。将u

2P

-

PHS

'=

Pa

-

p1

/

rg

代入

Hg

=

a

1

-

1

-

Hf0-1rg

2g得2gu

2Hg

=

HS

'-

1

-

H

f0-1——允许吸上高度的计算式2021/8/8HS’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。2021/8/8HS’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rPv

1000S

=

H

S

'+(Ha

-10)

-

9.81·103

-

0.24对HS’进H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rgp12gu

2与动压头

1

之和必需大于液体在操作温度下的饱和蒸汽压头pv2021/8/8rg

的一个最小值。p

p2021/8/8rg

2g

rgu

2Dh=

1

+

1

-

v

——气蚀余量定义式△h

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：p

p

u2u

2 1

+

1

=

v

+

k

+

H

f

1-k2g

2grg

rguDh

=

k

+

H

f

1-k22g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p

prg

2g

rgu

2gDh

= 1

+

1

- v

代入Hp

-

pf

1-ku

2=

0 1

-

1

-

H2grgf

0-12021/8/8g-

Dh

-

HH=

p0

-

pvrg

rg——允许吸上高度的计算式离心泵的气蚀余量Dh

值也是由生产泵的工厂通过实验测定的△h随Q增大而增大计算允许安装高度时应取高流量下的△h值。图泵性能表上所列的△h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2021/8/8值小0.5～1m。Hg实

=

Hg

-(0.5

~

1)m注意：2021/8/81）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。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。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。六、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：2021/8/8Dp

Du

2He

=

Dz

+

rg

+

2g

+

H

fDpDz

+

=

Krg式中：»

02gDu

2上式简化为He

=

K

+

H

f)2

(

1

)2gQdefp

d

2+xc

+x0

)(l

+

l而

H

=

(ld2021/8/8e=

Bl

+

l41p

2

gd

4+

xc

+

x0

)(l令He

=

K

+

BQ

2——管路的特性方程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。2021/8/8M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。节2、离心泵的流量调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；2021/8/8•当阀门开大时：2021/8/8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；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。2021/8/83、1）离心泵的并联和串联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。2021/8/82）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。2021/8/83）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----串联优于并联。2021/8/8七、离心泵的选用、安装与操作2021/8/81、离心泵的选择1）确定输送系统的流量和压头：一般情况下液体的输送量是生产任务所规定的，如果流量在一定范围内波动，选泵时按最大流量考虑，然后，根据输送系统管路的安排，用柏努利方程计算出在最大流量下管路所需压头。

2）选择泵的类型与型号：首先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样本或产品目录中选出适合的型号。若是没有一个型号的H、Q与所要求的刚好相符，则在邻近型号中选用H和Q都稍大的一个；若有几个型号的H和Q都能满足要求，那么除了考虑那一个型号的H和Q外，还应考虑效率η在此条件下是否比较大。3)核算轴功率:若输送液体的密度大于水的密度时，按2021/8/8N

=

QHrg

/h来计算泵的轴功率。2、离心泵的安装和使用1）泵的安装高度为了保证不发生气蚀现象或泵吸不上液体，泵的实际安装高度必须低于理论上计算的最大安装高度，同时，应尽量降低吸入管路的阻力。启动前先“灌泵”这主要是为了防止“气傅”现象的发生，在泵启动前，向泵内灌注液体直至泵壳顶部排气嘴处在打开状态下有液体冒出时为止。离心泵应在出口阀门关闭时启动为了不致启动时电流过大而烧坏电机，泵启动时要将出口阀完全关闭，等电机运转正常后，再逐渐打开出口阀，并调节到所需的流量。2021/8/8关泵的步骤关泵时，一定要先关闭泵的出口阀，再停电机。否则，压出管中的高压液体可能反冲入泵内，造成叶轮高速反转，使叶轮被损坏。运转时应定时检查泵的响声、振动、滴露等情况，观察泵出口压力表的读数，以及轴承是否过热等。2021/8/82-1-2其他类型泵结构一、往复泵1、往复泵的及工作原理往复泵是一种容积式泵，它依靠作往复运动的活塞依次开启吸入阀和排出阀从而吸入和排出液体。2021/8/8泵的主要部件有泵缸、活塞、活塞杆、吸入单向阀和排出单向阀。活塞经传动和机械在外力作用下在泵缸内作往复运动。活塞与单向阀之间的空隙称为工作室。工作原理：当活塞自左向右移动时，工作室的容积增大，形成低压，贮池内的液体经吸入阀被吸入泵缸内，排出阀受排出管内液体压力作用而关闭。当活塞移到右端时，工作室的容积最大。活塞由右向左移动时，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，活塞移到左端时，排液完毕，完成了一个工作循环，此后开始另一个循环。2021/8/82021/8/8活塞从左端点到右端点的距离叫行程或冲程。活塞在往复一次中，