2第二章-流体输送设备解析

第一节液体输送机械第二节气体输送和压缩机械思考题与视频播放第二章流体输送机械2-1-1离心泵2-1-2其它类型泵

2-1-1离心泵一、离心泵的工作原理和主要部件

（一）离心泵的工作原理

叶轮旋转，液体在离心力作用下被甩向外周获得能量。离开泵进入出口管路，并形形成低压区，贮槽内液体在在外压作用下进入泵壳，往复进行。液体就连续地被吸和排出。排出口吸入口电动机离心泵装置泵壳（二）离心泵的主要部件1.叶轮（闭式）（半闭式）（开式）图叶轮装置及其三种机械结构闭式叶轮适用于输送清洁液体。开式叶轮适用于输送含有固体颗粒的液体悬浮液。2.泵壳汇集叶轮流出的液体，并将部分动能转化成静压能的部件。例：泵的结构图二、离心泵的基本方程式1、液体通过叶轮的流动2、离心泵的基本方程式在离心泵的设计中，为提高理论压头，一般使，则，故上式可简化为：（2-3）其中：3、离心泵基本方程式的讨论为明显看出影响离心泵理论压头的因素，离心泵的基本方程式可写成：D2—叶轮外径，mCr2—液体在叶轮出口处的绝对速度的径向量，m/sN—叶轮转速，r/minb2—叶轮出口宽度，m（1）叶轮的转速和直径Qt及叶片几何尺寸一定，，则（2）叶片的几何形状后弯叶片径向叶片前弯叶片(a)(b)(c)（3）理论流量当几何尺寸（D2、b2、β2）和转速n一定时，式（2-3）可表示为：式中：（2-4）H200β2900HcHp、与关系曲线式（2—4）表明：与

呈线性关系，该直线的斜率与叶片形状有关。与QT的关系曲线QT右上图只反映了理论压头,与理论流量

的关系，但实际圆周速度u2绝对速度c2都较理论叶轮小，同时存在能量损失致使泵的压头降低。泄漏损失，所以实际流量Q也低于理论流量。如右图所示。或H-QTH-QQT或Q三、离心泵的性能参数与特性曲线（一）离心泵的性能参数1、流量离心泵对单位重量（1N）的液体所能提供的有效能量，又称扬程。单位：m2、压头3、效率效率用来反映能量损失情况。离心泵的能量损失包括以下几项：离心泵单位时间内排送到管路系统的液体体积。单位：l/s或m3/h（1）容积损失（2）机械损失（3）水力损失（2-5）因泵的泄漏所造成的损失。用表示。主要与泵的结构及液体在泵进、出口处的压强差有关。粘性液体流经叶轮通道和蜗壳时产生的摩擦阻力以及在泵局部处因流速和方向改变引起的环流和冲击力而产生的局部阻力，统称为水力损失。用

表示。由泵轴与轴承之间、泵轴与填料函之间以及叶轮盖外表面与液体之间产生的摩擦而引起的能量损失。用

表示。总效率η4、轴功率泵轴所需的功率。用N表示，单位：W或kW。有效功率液体从叶轮获得的能量。用Ne表示。（2-5）（2-6）离心泵的轴功率用kW来计量，则：（2-7）轴功率]‘=-\（二）离心泵的特性曲线（1）H—Q曲线（2）N—Q曲线（3）—Q曲线，（流量极小外有可能例外）QN，Q增大，随之上升并达到一最大。此后，Q增大，下降。

4B20n=2900r/min26221418H/m10HN048N,KW0306080η,%08162432Q,l/s4B20型离心泵的特性曲线例：采用如图所示的实验装置来测定离心泵的性能。泵的吸入管内径为100mm，排出管内径为80mm，两测压口间垂直距离为0.5m。泵的转速为，以200C清水为介质测得如下数据：123411‘2-2‘1—压强表2—真空泵3—离心泵4—贮槽5—流量计5流量：l/s泵出口处表压,Pa泵入口处真空度：Pa功率表测得电动机所消耗的功率：kW152.55×1052.67×1046.2电动机效率为93%。试求该泵在输送条件下的压头，轴功率和效率。解（1）泵的压头作截面1－1‘和2－2’，列柏努利方程式有：又因为其间流动阻力可忽略不计，即：故泵的压头为：电动机输入功率电动机效率=6.20.93=5.77kw（2）泵的轴功率泵的轴功率为：N=5.77kw（3）泵的效率由式2—7：得：四、离心泵的性能的改变和换算（一）液体物性的影响1、密度的影响H、Q与无关。故亦与无关。2、粘度的影响离心泵的性能按下式计算：能量损失，H和Q，，而N则：被输送的液体粘度>常温下清水的粘度若：液体的运动粘度：>20cSt（湹沲）当：（2－8）（二）离心泵转速的影响比例定律：式中：Q1、H1、N1——转速为n1时泵的性能；Q2、H2、N2——转速为n2时的性能。应用条件：液体粘度不大、不变。（三）叶轮直径的影响切割定律：应用条件：n变，泵属同一型号，只直径变化<20%，其它尺寸不变。若不仅泵的叶轮直径发生变化，而且叶轮的其它尺寸也发生相应的改变，则泵的性能与叶轮直径之间的关系：式中：Q`、H`、N`——叶轮直径为D2`进泵的性能；Q、H、N———叶轮直径为D2时泵的性能。五、离心泵的气蚀现象与允许吸上高度（一）离心泵的气蚀现象在泵工作时，当贮液池上方压强一定时，若泵吸入口附近压强越低，则吸上高度就越高。但是吸入口的低压是有限制的。因为当叶片入口附近的最低压强等于小于输送温度下液体的饱和蒸气压时，液体将在该处气化并产生气泡，它随同液体从低压区流向高压区；气泡在高压作用下迅速凝结或破裂，此时周围的液体以极高的速度冲向原气泡所占据的空间，在冲击点产生几万KPa的压强，冲击频率可高达几万次之多；由于冲击作用使泵体震动并产生噪声，且叶轮局部处在巨大冲击力的反复作用下，使材料表面疲劳，从开始点蚀到形成裂缝，使叶轮或泵壳受到破坏。这种现象称为气蚀现象。（二）离心泵允许吸上高度允许吸上高度又称允许安装高度，指泵的吸入口与吸入贮槽液面间可以允许达到的最大垂直距离。符号：Hg假设一泵在允许的安装高度下操作，于贮槽液面与泵入口处两截面间列柏努利方程，得：当贮槽上方与大气相通，则P0=大气压Pa，故：(2-9)（2-10）1、离心泵的允许吸上真空度（2-11）将（2-11）代入（2-10）得：（2-12）若被输送其它液体，且操作条件与上述实验条件不符时，可按下式对水泵性能表上的Hs`值进行换算。（2-13）2、气蚀余量即：（2—14）临界条件：叶轮入口附近最小压强等于液体的饱和蒸气压，此时泵入口处压强必须等于某确定的最小值p1。泵入口处和叶轮入口附近间列柏努利方程：（2—15）某一最小值，为防止气蚀现象的发生，在离心泵入口处液体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气压头比较上述两式得：（2—16）例：用3B33型水泵从一敞口水槽中将水送到它处，槽内液面恒定。输水量为45~55m3/h，在最大的流量下吸入管路的压头损失可忽略。试计算：（1）输送200C水时泵的安装高度。（2）输送650C水时泵的安装高度。泵安装地区的大气压为9.81×104Pa。解：由附录二十五查得3B33型水泵的部分性能列于下表：流量，Qm3/h压头，Hm转速，nr/min允许吸上真空度，Hs`m30455535.632.628.829007.05.03.0（1）输送200C水时泵的安装高度由题意得知：从该泵的性能表可看出，Hs`随流量增加而下降，因此，在确定泵的安装高度时，应以最大输送量所对应的Hs`值为依据，以便保证离心泵能正常运转，而不发生气蚀现象，故取Hs=3mH2O。根据式（2-12）计算泵的允许安装高度，即：由于输送20OC的清水，且泵安装地区的大气压为9.81*104Pa，与泵的实测Hs`的实验条件相符，故Hs`不必换算，即:为安全意见，泵的实际安装高度应该小于2m。Hs=Hs`=3H2O故Hs=3-1=2m（2）输送65OC水时泵的安装高度需按（2—13）式对Hs`进行换算，即：其中：由附录六查出65OC水的饱和蒸气压及密度：则：将式（2-12）中的Hs`换以Hs，以计算Hg，得

Hg为负值，表示泵应安装在水面以下，至少比贮槽水面低0.35m。Hs`=3mH2O六、离心泵的工作点与调节（一）管路特性曲线与泵的工作点11`22`当离心泵安装在特定的管路系统中工作时，实际的工作压头、流量不仅与离心泵本身的性能有关，还与管路的特性有关。

在右图所示的输送系统中，流体流过管路系统时所需的压头可求得：（2-17）在特定的管路的系统中，于一定的条件下进行操作时，上式的与均为定值，即：若贮槽与受液槽的截面都很大，该处流速与管路的相比可以忽略不计，则：（2-17）式可简化为：（2-18）若输送管路的直径均一，则管路系统的压头损失可表示为：（2-19）（2-20）所对应的曲线称为管路特性曲线。离心泵的特性曲线H-Q与其所在管路的特性曲线He-Qe绘于附图：MH=HeQ或QeQ=QeH或HeH-QHe-Qe对特定的管路，上式中的d、l、、、时变化不大，于是可令：均为定值，湍流则式（2—19）可简化为：所以，式（2—18）可简化为：（2-20）（二）离心泵的流量调节1．改变阀门的开度QM1QMQM2Q或QeHe或HMM2M121H-Q改变阀门开度时流量变化示意图２．改变泵的转速QM1QMQM2Q或ＱeM2MM1n1nn2He-QeH-QHe或H改变泵的转速时的流量变化示意图（三）离心泵的并联和串联并联：设将两台型号相同的离心泵并联操作（两泵的流量和压头各自相同）。He-Qe0QQＱ并ＨＩＨ并ＨII离心泵的并联特点：在同一压头下，两台并联泵的流量对于单台泵的两倍。但流量增大，流动阻力增加，两台泵并联后的总流量必低于单台泵流量的两倍。串联：将两台型号相同的离心泵串联操作（每台泵的压头和流量也是各自相同）。在同一流量下，两台串联泵的压头为单台泵的两倍。特点：串联泵的工作特点也由管路特性曲线与泵的合成特性曲线的交点来决定。两台泵串联的总压头必低于单台泵压头的两倍。0QQHHIHe-QeH串Q串离心泵的串联II七、离心泵的类型与选择（一）离心泵的类型（１）水泵（Ｂ型、Ｄ型、Ｓｈ型）（２）耐腐蚀泵（Ｆ型）灰口铸铁——材料代号为H，用于输送浓硫酸。高硅铸铁——材料代号为G，用于输送压强不高的硫酸或以硫酸为主的混酸。铬镍合金钢——材料代号为B，用于输送常温下低浓度的硝酸、氧化性酸液、碱液和其他弱腐蚀性液体。铬镍钼钛合金钢——材料代号为M，用于输送硝酸及常温下的高浓度硝酸。聚三氟氯乙烯塑料——材料代号为S，适用输送900C以下的硫酸、硝酸、盐酸和碱液。（3）油泵（Y型）（4）杂质泵（P型）在泵的产品目录或样本中，泵的型号是由字母和数字组成而成，以代表泵的类型、规格等，现举例说明如下：8B29A；其中8——泵吸入口直径，in（英寸），即8×25=200mmB——单级单吸悬臂式离心水泵；29——泵的扬程，m；A——该型号泵的叶轮直径比基本型号8B29小一级，即基本型号的叶轮的第一次切割。100Y-120×2：100——泵的吸入口直径，mm；Y——单吸离心油泵；120——泵的单吸扬程，m；2——叶轮级数。40FM1-26：1——轴封型式代号（1代表单端面密封）；26——泵的扬程，m。40——泵的吸入口直径，mm；F——悬臂式耐腐蚀离心泵；M——与液体接触部件的材料代号（M表示铬镍钼钛合金钢）；（二）离心泵的选择（1）确定输送系统的流量与压头（2）选择泵的类型与型号（3）核算泵的轴功率2-1-2其他类型泵一、往复泵往复泵是一种容积式泵，有单动泵，双动泵和三联泵。它依靠活塞的往复运动并依次开启细入阀和排出阀，从而吸入和排出液体。其装置示意图如右：234511—泵缸；2—活塞；3—活塞杆；4—吸入阀；5—排出阀双泵式示意图Q(b)双动泵Q(a)单动泵Q(c)三联泵往复泵的工作原理和操作调节等都与离心泵的不同，它具有以下特点：（1）往复泵的流量往复泵的理论流量可按下式计算：双动泵单动泵（2）往复泵的压头与泵的几何尺寸无关。排液能力与活塞位移有关，但与管路情况无关，而压头则受管路的承受能力所限制，这种性质称为正位移特性，具有这种特性的泵统称为正位移泵。（3）往复泵的吸上真空度亦随泵安装地区的大气压强、输送液体的性质和温度而变。（4）往复泵不能简单的采用排出管路上的阀门来调节流量，一般采用回路调节装置。

例：单动往复泵活塞的直径为160mm、冲程为200mm，用以将密度为930Kg/m3的液体从敞口贮槽送至某设备中，液体输送量为25.8m3/h,设备内压强为3.14×105Pa(表压),贮槽液面比设备的液体入口管(中心截面)低19.5m。若管路的总压头损失为10.3m（包括管路进出口损失），泵的总效率和容积效率分别为0.72和0.85,试求此泵的活塞每分钟往复次数和轴功率。解：（1）往复泵活塞每分钟的往复次数往复泵的理论排液量为：依题意实际排液量为：Q=0.85QT=0.85ASn=25.8/601/min往复泵的轴功率往复泵轴功率的求法与离心泵的相同,即：上式中往复泵的压头，可由柏努利方程式求得。取贮槽液面为上游截面1-1`,输送管路出口外侧为截面2-2`,并以截面1-1`为基准水平面,则：u2=0Hf

=10.3m式中Z1=0Z2=19.5m1=0(表压)2=3.14×105Pa管路所需压头为泵所提供，所以泵的压头为：H=64.2m于是泵的轴功率为：二、计量泵计量泵又称比例泵，从操作原理来看就是往复泵。它通过偏心轮把电动机的旋转运动变成柱塞的往复运动。由于偏心轮的距离可以调整，使柱塞的冲程随之改变。计量泵适用于要求输液量十分准确而又便于调整的场合，例如向化工厂的反应器中输送液体。三、旋转泵旋转泵是靠泵内一个或一个以上的转子的旋转来吸入与排出液体的，又称转子泵。化工常用的有：（1）齿轮泵泵壳内有两个齿轮，分别称为主动轮与从动轮。二齿轮在转动时形成低压从而吸入与排出液体。齿轮泵适用于输送粘稠液体与至膏状物。但不能输送含有固体粒子的悬浮液。螺杆泵主要由泵壳和一根或两根以上的螺杆构成。它利用两根相互啮合的螺杆来排送液体。当所需的压强较高时，可采用较长的螺杆。螺杆压头高、效率低、噪声低，适用于在高压下输送粘稠性液体。

（二）螺杆泵四、旋涡泵旋涡泵是一种特殊类型的离心泵，它由泵壳和叶轮组成。旋涡泵适用于要求输液量小、压头高而粘度不大的液体。其特性曲线如图所示：N、HHNQ旋涡泵特性曲线此外，还有隔膜泵、蒸气喷射泵、水环真空泵、液下泵等。第二节气体输送和压缩设备气体输送和压缩设备在化工生产中应用广泛，主要用于：（1）输送气体（2）产生高压气体（3）产生真空气体压送机可按出口气体的压强或压缩比来分类。通风机终压不大于14.7×103Pa（表压）；鼓风机终压为14.7×103~294×103Pa（表压），压缩比小于4；压缩机终压在294×103Pa以上，压缩比大于4；真空泵用于减压，终压为大气压，压缩比由真空度确定。2-2-2旋转鼓风机与压缩机2-2-3往复压缩机2-2-4真空泵2-2-1离心通风机、鼓风机与压缩机2-2-1离心通风机、鼓风机与压缩机一、离心通风机按所产生的风压不同，可分为以下三类：低压离心通风机出口风压低于0.9807×103Pa（表压）中压离心通风机出口风压0.9807×103~2.942×103Pa(表压)高压离心通风机出口风压2.942×103~14.7×103Pa(表压)(一)离心通风机的结构(二)离心通风机的性能参数与特性曲线（1）风量单位时间内从风机出口排出的气体体积，以Q表示，单位为m3/h（2）风压单位体积的气体流过风机时所获得的能量，用HT表示，单位J/m3=Pa。风压的单位习惯上用mmH2O来表示。根据以单位体积流体为基准在风机的进口与出口的柏努利方程可得离心通风机的风压为：（2-21）上式中（p2-p1）称为静风压，以Hst表示。称为动风压。离心通风机的风压力为静风压和动风压之和，称全风压。上式可简化为：风机性能表上的风压，一般都是在200C、1.013×105Pa的条件下用空气测得的,该条件下空气的密度为1.2kg/m3。若实验操作条件与上述的实验条件不同，按下式将操作条件下的风压HT`换算为实验条件下的风压HT，然后按HT的数值来选择风机。（2-22）（3）轴功率与效率离心通风机的轴功率为：（2-23）式中：N—轴功率，kw；Q—风量，m3/s；HT—风压，Pa；—效率，因按全风压定出，故又称全效率。（三）离心通风机的选择离心通风机的选择与离心泵的相类似，其选择步骤是：（1）根据柏努利方程式，计算输送系统所需的实际风压Hr`，再按式2-40将Hr`换成实验条件下的风压HT。（2）根据所输送气体的性质与风压的范围，确定风机的类型。（3）以风机进口状态计的实际风量与实验条件下的风压HT，从风机样本或产品目录中的特性曲线或性能表中选择合适的机号。二、离心鼓风机和压缩机离心鼓风机又称透平鼓风机，工作原理与离心通风机的相同，结构类似于多级离心泵。离心压缩机又称为透平压缩机，主要结构、工作原理都与离心鼓风机的相似，只是离心压缩机的叶轮级数多，可在10级以上，转速也较高，故能产生更高风压。2-2-2旋转鼓风机、压缩机与真空泵一、罗茨鼓风机二、液环压缩机三、真空泵罗茨鼓风机的工作原理与齿轮泵的相似。机壳内有两个特殊形状的转子，两转子的旋转方向相反。

罗茨鼓风机的风量和转速成正比，而且几乎不受出口压强变化的影响。液环压缩机又称纳氏泵。由一个略似椭圆的外壳和旋转叶轮组成，壳中盛有适量的液体。（一）水环真空泵（二）喷射泵2-2-3往复压缩机一、往复压缩机的工作过程（一）理想压缩循环恒压下，由吸气过程、压缩过程、排气过程所组成的循环叫理想循环。吸气过程：W1=-p1V1压缩过程：排气过程：W3=p2V2理想压缩循环功：（2-24）DS056322a41321PP2P1V2V1V理想压缩的p-V图（1）等温压缩过程（2）绝热压缩过程绝热压缩循环功为：式中—绝对压缩指数。（2—26）等温压缩循环功为：（2-25）（二）实际压缩循环理想压缩循环是假定在排气过程之末，能把气缸内的气体完全排出，即要求活塞移动到气盖上并与阀门密切接触，但实际排气终了时，活塞与气缸盖之间必须之间必须留出很小的空隙，称这余隙。有余隙存在时的理想气体压缩循环称为实际压缩循环。实际压缩循环是由吸气、压缩、排气和膨胀四个过程所组成。在实际压缩循环中，若按绝热压缩过程来考虑，活塞对气体所做的功应为：0V3V4V2V1Vp2p1p1324实际压缩循环的p-V图（三）余隙系数和容积系数（1）余隙系数：余隙体积占活塞推进一次所扫过体积的百分率，称为余隙系数，以e表示，其表达式为：（2-28）（2）容积系数：压缩机一次循环吸入气体的体积（V1-V4）和活塞依次扫过体积（V1-V3）之比，称为容积系数，即：（2-29）二、往复压缩机的主要性能参数（一）排气量输气量：通常将压缩机在单位时间内排出的气体体积换算成吸入状态的数值，所以又称为压缩机的输气量。若没有余隙，往复压缩机的理论吸气量与往复泵的类似，式中V`min—理论吸气量，m3/min；A—活塞的截面积，m2；a—活塞杆的截面积，m2；S—活塞冲程，m；单动往复压缩机双动往复压缩机（2-31）（2-30）（二）轴功率与效率式中Vmin—压缩机的排气量，m3/min。实际所需的轴功率比理论功