化工原理课件(天大版)第二章-流体输送机械

第二章流体输送机械流体输送机械第一节液体输送设备特点：机械内部的工作容积不断发生变化。按泵的工作原理分:特点：使流体获得速度1、离心泵工作原理和构造一、离心泵离心泵的工作过程：

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（5-25m/s）流入泵壳。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。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。离心泵的主要构造：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。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。

2）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。

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

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2、离心泵的基本方程1）离心泵基本方程式的导出

假设如下理想情况：1）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。2）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：

液体沿叶片表面运动的速度w1、w2，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。单位重量液体由点1到点2获得的机械能为: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。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；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：

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，单位重量液体所接受的外功可以表示为：

单位重量流体经叶轮后的静压能增加为:（a）根据余弦定理，上述速度之间的关系可表示为：

代入（a）式，并整理可得到：(b)一般离心泵的设计中，为提高理论压头，使α1=90°，即cosα1=0——离心泵的基本方程式——离心泵理论压头的表达式

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从点2处的速度三角形可以得出代入

H=u2c2cosα2/g

——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。2）离心泵基本方程式的讨论

（1）理论压头与流量Q、叶轮转速

、叶轮的尺寸和构造r2、b2、2）有关；（2）叶轮直径及转速越大，则理论压头越大；（4)在叶轮转速、直径一定时，流量Q与理论

压头H

的关系受装置角b2的影响如下：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：（3）理论压头H

与液体密度无关。这就是说，同一台泵无论输送何种密度的液体，对单位重量流体所能提供的能量是相同的。叶片后弯，

2<90

，ctg

2>0，

即H

随流量增大而减小；叶片径向，

2=90

，ctg

2=0，

即H

不随流量而变化；叶片前弯，

2>90

，ctg

2<0，

即H

随流量增大而增大。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？NO！静压头的增加：动压头的增加：

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

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：1）叶片间的环流

2）流体的阻力损失

3）冲击损失

主要取决于叶片数目、装置角

2、叶轮大小等因素，而几乎与流量大小无关。（1）叶片间的环流运动具体原因如下：（2）水力损失-----可近似视为与流速的平方呈正比----在设计流量下，此项损失最小。流量若偏离设计量越远，冲击损失越大。以泄漏流量q的大小来估算。（3）容积损失可以证明，当泵的结构不变时，q值与扬程的平方根成正比。q-HH实际压头设计流量理论压头、实际压头及各种压头损失与流量的关系为3、离心泵的主要性能参数和特性曲线1）离心泵的主要性能参数H，泵对单位重量流体提供的有效能量（扬程），m。Q，泵单位时间实际输出的液体量，m3/s或m3/h。n，单位r.p.s或r.p.mN，电机输入离心泵的功率，单位W或kW。△h，泵抗气蚀性能参数，m。离心泵的压头的测量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，

确定转速一定时，泵的压头与流量之间的关系靠实验测定在泵进口b、泵出口c间列机械能衡算式：效率：，无量纲NNe机械损失容积损失水力损失小型水泵：

一般为5070%大型泵：可达90%以上（2）水力损失（3）机械损失泵轴与轴承、密封圈等机械部件之间的摩擦与效率

有关的各种能量损失：（1）容积损失：

2）离心泵特性曲线离心泵的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1）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。设计点与最高效率相比，效率下降5％～8％由图可见：

Q

，H

，N，有最大值。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%。4、离心泵性能的改变1）液体性质的影响

密度离心泵的流量

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。粘度

当输送的液体粘度大于常温（20℃）清水的粘度时，泵的压头减小，H

；泵的流量减小；泵的效率下降，

；泵的轴功率增大，N

。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

实验表明，当液体的运动粘度小于20cst（厘斯）时，

对特性曲线的影响很小，如汽油、柴油、煤油等粘度的影响可忽略不计，可不进行修正。20℃清水的粘度=1厘斯1厘斯=10-6m2/s转速

当液体的粘度不大且转速变化不大时（小于20%），利用出口速度三角形相似的近似假定，可推知：若

不变，则转速增大叶轮直径当叶轮直径因切割而变小时，若变化程度小于20%，则若

不变，则5、离心泵的气蚀现象与允许吸上高度1）离心泵的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

气蚀产生的后果：叶片表面产生蜂窝状腐蚀；泵体震动，并发出噪音；流量、压头、效率都明显下降；严重时甚至吸不上液体。2）离心泵的允许吸上高度

为避免汽蚀现象，安装高度必须加以限制，即存在最大安装高度又称为允许吸上高度，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。在液面0与泵入口处1两截面间列柏努利方程P0即为大气压强Pa

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HS’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。HS’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，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。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。气蚀余量

刚好发生汽蚀时，pk＝pv，pe达到最小值pe,min。在s-s面、e-e面间列机械能衡算：最小汽蚀余量-------最小汽蚀余量一般规定，允许汽蚀余量是泵的特性参数之一，由厂家测定。实际安装高度比还要低0.5

1m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。6、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

管路特性曲线

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。

M点所对应的流量Q和压头H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。H泵的特性曲线

QM

泵------供方管路------需方2）离心泵的流量调节——调节阀门——改变n、切割叶轮阀门开大阀门关小

M工作点阀门关小时：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；

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。M1M2改变管路特性曲线优点：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。

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

M工作点优点：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。

M1转速提高M2转速降低3）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。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。

离心泵组合方式的选择

对于低阻输送管路，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，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。7、离心泵的类型、选择和使用1）离心泵类型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。

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。

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—P型。2）、离心泵的选择

A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。

B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。

C核算轴功率:若输送液体的密度大于水的密度时，按下式计算泵的轴功率。

3）离心泵的安装和使用

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。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。

二、往复泵1、往复泵的结构及工作原理

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。

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。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，只吸入和排出液体各一次的泵，称为单动泵。由于单动泵的吸入阀和排出阀均装在活塞的一侧，吸液时不能排液，因此排液不是连续的。为了改善单动泵流量的不均匀性，多采用双动泵或三联泵l

具有自吸能力，不必灌液l

安装高度也受限制，无汽蚀现象

2、与离心泵比较：l

流量与压头几乎无关

由于受泵的部件机械强度和原动机功率的限制，泵的扬程不可能无限增大。压头越大，漏损越大。l

输液量不均匀、不连续多缸泵（各缸曲柄有相位差）

l

流量调节不可用出口阀门调节方法。

•

适用于小流量、高压头的情况下输送高粘度的液体。旁路三、其它类型泵1、计量泵计量泵就是往复泵的一种。通过偏心轮把电机的旋转运动变成柱塞的往复运动。偏心轮的偏心距离可以调整，使柱塞的冲程随之改变。这样就达到控制和调节流量的目的2、旋转泵

旋转泵靠泵内一个或多个转子的旋转来吸入或排出液体，又称转子泵

1）齿轮泵泵壳内有两个齿轮。一个用电机带动旋转，另一个被啮合着向相反方向旋转，吸入腔内两轮的齿互相拨开，形成低压而吸入液体，被吸入的液体被齿嵌住，随齿轮转动而达到排出腔，排出腔内两轮的齿互相合拢，形成高压而排出液体。齿轮泵可以产生较高的压头，但流量较小，用于输送粘稠的液体，但不能输送含颗粒的悬浮液。2）螺杆泵

螺杆泵分为单螺杆泵、双螺杆泵、三螺杆泵、五螺杆泵等图（a）为单螺杆泵，螺杆在具有内罗纹的泵壳中偏心转动，将液体沿轴向推进，最终沿排出口排出。（b）为双螺杆泵，工作原理与齿轮泵十分相似，利用两根相互啮合的螺杆来输送液体。

螺杆泵的压头高，效率高，无噪音，适用于高粘度液体的输送。

往复泵、旋转泵均属于正位移泵。

3）旋涡泵

旋涡泵是一种特殊类型的离心泵，它是由叶轮和泵体组成。叶轮是一个圆盘，四周由凹槽构成的叶片成辐射状排列。叶轮在泵壳内转动，其间有引水道，吸入管接头和排出管接头之间为间壁，间壁与叶轮只有很小的缝隙，用来分隔吸腔和排出腔。泵内液体在随叶轮旋转的同时，又在引水道与各叶片间作漩涡形运动。因而，被叶片拍击多次，获得较多的能量。液体在叶片与引水道之间的反复迂回是靠离心力的作用。因此，旋涡泵在开动前也要灌满液体。旋涡泵适用于要求输送量小，压头高而粘度不大的液体。

第二节气体输送设备终压p2<1.15atm，压缩比终压p2<4atm，压缩比终压p2>4atm，压缩比终压为大气压，压缩比近似

一、离心通风机、鼓风机与压缩机1、离心式通风机

离心式通风机按所产生的风压不同，分为：低压离心通风机：中压离心通风机：

高压离心通风机：出口风压低于0.9807×103Pa

(表压)；

出口风压为：0.9807×103Pa~2.942×103Pa出口风压为：2.942×103Pa~14.7×103Pa

工作原理：结构：与离心泵相似特点：叶片数目多、短，有径向、前弯、后弯等，通道多呈矩形

与离心泵相同主要性能参数及特性曲线：气体通过进风口的体积流率，m3/h或m3/s。风量Q：以进口状态计

风压Ht

：单位体积的气体通过通风机时所获得的能量，N/m2，取决于风机的结构，叶轮尺寸，转速与进入风机的气体的密度。

在风机进出口间列机械能衡算方程式：

简化为

（P2－P1）称为静风压，以HSt表示称为动风压。

离心通风机的风压为静风压和动风压之和，称为全风压。

风压与被输送气体的密度ρ成正比，风机性能表上列出风压是按“标准状态”下(20℃，1.01×105Pa)的空气密度测定的。若实际操作条件与上述试验条件不同，应将操作条件下的风压HT’换算为试验条件下的风压HT，然后按HT的数值来选择风机。全压效率70%~90%

效率

：

功率N：特性曲线

离心通风机的选用选择离心通风机的主要步骤为：（1）根据气体的种类（清洁空气、易燃气体、腐蚀性气体、含尘气体、高温气体等）与风压范围，确定风机的类型（2）据所要求的风量与全压，从产品样本或规格目录中的特性曲线或性能表格中查得适宜的类型与机号。2、离心鼓风机和压缩机1）离心鼓风机

离心鼓风机外形与离心泵相象。蜗壳形的通道为圆形，但其外壳直径与宽度之比较大，叶轮上数目较多，转速较高，并且有一固定的导轮。气体由吸入口进入后，经过第一级的叶轮和导轮，然后转入第二级叶轮入口，再依次逐级通过以后的叶轮和导轮，最后由排气口排出。离心通风机的送气量大，但所产生的风压仍不太高，出口表压强一般不超过294×103Pa。由于在离心鼓风机中，气体的压缩比不高，所以无需设置冷却装置，各级叶轮的直径也大致上相等。2）离心压缩机

离心压缩机又称透平压缩机。它的主要结构和工作原理与离心鼓风机相似。离心压缩机的特点是叶轮级数多，通常在10级以上，叶轮转速高，一般为5000r/min以上。这样可以产生很多的出口压强，且由于压缩比高，气体体积缩小很多，温度升高大。因此压缩机都分成几段，每段包括若干级。叶轮的直径逐级缩小。叶轮宽度也逐级略有缩小，在各段之间设有中间冷却器。

优点：流量大而均匀，体积小，运转平稳，容易调节，维护方便。二、旋转鼓风机与压缩机

旋转鼓风机、压缩机与旋转泵相似，机壳内有一个或两个旋转的转子，没有活塞和阀门等装置。特点：构造简单、紧凑、体积小、排气连续而均匀，适用于所需压强不高且流量大的情况。1、罗茨鼓风机罗茨鼓风机的工作原理与齿轮泵相似，