化工原理第二版第二章

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1、1第二章 流体输送机械Fluid-moving Machinery 2第一节 概述流体输送机械：对流体做功使其机械能增大的装置。fHgugpzH22输送机械的作用：流体的动能，或位能，静压能，克服沿程阻力，或兼而有之 对流体做功，使流体E,结果3流体输送机械 压压缩缩机机、真真空空泵泵通通风风机机、鼓鼓风风机机气气体体压压送送机机械械泵泵液液体体输输送送机机械械4泵按工作原理分为泵按工作原理分为:真空泵、动力作用式泵真空泵、动力作用式泵其它类型：如旋涡泵、其它类型：如旋涡泵、齿轮泵、螺杆泵等、齿轮泵、螺杆泵等往复泵往复泵容积式泵：如容积式泵：如、混流式等、混流式等离心泵离心泵叶片式泵：如叶片式

2、泵：如特点：有可旋转的叶轮特点：机械内部的工作容积不断发生变化。本章主要介绍离心泵的结构、工作原理及特性和如何根据输送任务，合理地选择输送机械的型号和规格，确定输送机械在管路中的安装、消耗的功率和有效合理地调节控制方法，以保证输送机械的高效运行。5第二节 离心泵centrifugal pump离心泵的外观6一 主要部件和工作原理（1）叶轮 叶片（+盖板）1、主要部件78闭式叶轮的内漏较弱些，闭式叶轮的内漏较弱些，敞式叶轮的最大。敞式叶轮的最大。但敞式叶轮和半闭式叶但敞式叶轮和半闭式叶轮不易发生堵塞现象轮不易发生堵塞现象9叶叶轮轮轴轴向向力力问问题题 轴向力轴向力叶轮轴向力将导致轴及叶轮的窜动和

3、叶轮与泵壳的相互研磨。104-8个叶片（前弯、后弯，径向）液体通道。前盖板、后盖板，无盖板闭式叶轮半开式开式11思考：泵壳的主要作用是什么？汇集液体，并导出液体；能量转换装置（2）泵壳：泵体的外壳，包围叶轮截面积逐渐扩大的蜗牛壳形通道 液体入口中心出口切线12（3）轴封装置 机械密封机械密封填料密封填料密封减少泵内高压液体外流，防止空气侵入泵内。填料不能压得过紧，也不能压得过松，应以压盖调节到有液体成滴状向外渗透。常用填料为浸透石墨或黄油的棉织物或石棉。1314离心泵装置简图152离心泵的工作原理 原动机轴叶轮，旋转（1）离心力叶片间液体中心外围液体被做功动能高速离开叶轮16（2）泵壳：液体的

4、汇集与能量的转换（动静）（3）吸上原理与气缚现象air binding叶轮中心低压的形成p泵内有气，则泵入口压力液体不能吸上气缚启动前灌泵液体高速离开17（4）导轮的作用减少能量损失18压头压头：泵提供给单位重量液体泵提供给单位重量液体的能量称为泵的压头，的能量称为泵的压头，用用H表示，单位表示，单位m。二离心泵的理论压头和实际压头二离心泵的理论压头和实际压头19 多多，且且叶叶片片厚厚度度不不计计。叶叶轮轮的的叶叶片片数数目目为为无无穷穷流流体体为为理理想想流流体体)2()1(理论压头理论压头：理想情况下单位重量液体所获得的能量称为理想情况下单位重量液体所获得的能量称为 理论压头，用理论压头

5、，用H 表示。表示。问问：由由（1）、（2）可可以以得得出出什什么么结结果果？由由(1)液液体体在在泵泵内内无无摩摩擦擦阻阻力力损损失失由由(2 2)流流体体与与叶叶片片的的相相对对运运动动的的运运动动轨轨迹迹 可可视视为为与与叶叶片片形形状状相相同同。201 理论压头与液体密度无关。理论压头与液体密度无关。这就是说，同一台泵无论输送何种液体，所这就是说，同一台泵无论输送何种液体，所 能提供的理论压头是相同的。能提供的理论压头是相同的。注意：泵对单位体积流体所加的能量注意：泵对单位体积流体所加的能量=gH 与密度呈正比。与密度呈正比。gctgbQrgctgbrQuuH222222222222

6、讨论：（1）理理论论压压头头与与流流量量Q、叶叶轮轮转转速速、叶叶轮轮的的尺尺寸寸和和构构 造造（r2、b2、2）有有关关；（2）叶叶轮轮直直径径及及转转速速越越大大，则则理理论论压压头头越越大大；21说明：（1）装置角：90度 前弯叶片 0 b、r、,则H Q，则H（线性规律）（3）理论压头H与流体的性质无关（4）H与H的差距 叶片间环流；阻力损失；冲击损失22 w2 c2 w2 c2 w2 c2 2 u2 2 u2 2 u2 后后弯弯叶叶片片 径径向向叶叶片片 前前弯弯叶叶片片 叶叶轮轮出出口口速速度度三三角角形形问：问：为什么泵采用后弯叶片的居多？为什么泵采用后弯叶片的居多？后弯叶片：理

7、论压头随流量增大而减少；径向：无关；前弯：增大。在一定的叶轮尺寸、转速和流量下，前弯叶片产生的理论压头最大。但压头的提高包括静压头和动压头的提高。对后弯叶片静压头的提高大于动压头的提高，而对前弯叶片则相反，液体动压头的提高较大，同时液体在泵壳流动部分动压头转换为静压头时能量损失较大。为获得较高的能量利用率，离心泵总是采用后弯叶片形式232.离心泵的实际压头离心泵的实际压头实际压头比理论压头要小。具体原因如下：（1）叶片间的环流运动）叶片间的环流运动主要取决于叶片数目、装置角2、叶轮大小、液体粘度等因素，而几乎与流量大小无关。c2 c224（2）水力损失）水力损失可近似视为与流速的平方呈正比阻力

8、损失阻力损失 冲击损失冲击损失阻力损失阻力损失25冲击损失冲击损失在设计流量下，此项损失最小。流量若偏离设计量越远，冲击损失越大。设计设计流量流量26（3）容积损失）容积损失以泄漏流量q大小来估算。可以证明，当泵的结构不变时，q值与扬程的平方根成正比。设计设计流量流量Hq-Hq27三离心泵的主要性能参数（1）(叶轮)转速n：10003000rpm；2900rpm常见（2）(体积)流量Q:m3/h，叶轮结构、尺寸和转速（3）压头（扬程）H：1N流体通过泵获得的机械能。J/N,mQ、叶轮结构、尺寸和n有关。Hz（4）轴功率N：单位时间原动机输入泵轴的能量有效功率Ne：单位时间液体获得的能量gHQN

9、e28H，又称扬程，泵对单位重量流体提供的有效能量，又称扬程，泵对单位重量流体提供的有效能量，m。可测量可测量Q，泵单位时间实际输出的液体量，泵单位时间实际输出的液体量，m3/s或或m3/h。可测量可测量 流量计 真空表 c 压力表 h0 b在泵进口b、泵出口c间列机械能衡算式：Hgugpbb22 fcchhgugp 022 gppHbc gppbc)()(真真表表 转速转速流量流量压头压头n，单位，单位r.p.s或或r.p.m讨论讨论：29轴功率和效率轴功率和效率N，又称功率，单位，又称功率，单位W 或或kW NNe NgHQ 电电机机 泵泵 电功率电N电出传传传电电出出 NNNe=mwe，

10、无量纲 NNe电电电电出出电电功功率率 N NNegwHe30与效率与效率 有关的各种能量损失有关的各种能量损失：（1）容积损失：内内漏漏（2）水力损失：环环流流损损失失、摩摩擦擦损损失失、冲冲击击损损失失（3）机械损失：泵泵轴轴与与轴轴承承、密密封封圈圈等等机机械械部部件件之之间间的的摩摩擦擦小型水泵：一般为5070%大型泵：可达 90%以上NNe机 械损失容 积损失水 力损失31（5）效率：=Ne/N100%容积损失，水力损失，机械损失2离心泵的性能曲线characteristic curvesHQNQQ厂家实验测定产品说明书20C清水32hmQ/,3mH,NQN QH Q离心泵特性曲线3

11、3说明：HQ曲线，Q，H。Q很小时可能例外NQ曲线：Q，N 。大流量大电机关闭出口阀启动泵，启动电流最小Q曲线：小Q，；大Q，。max泵的铭牌与max对应的性能参数选型时 max 设计点 Q高效区343离心泵特性的影响因素（1）流体的性质：密度的影响 对 HQ 曲线、Q 曲线无影响，但 gHQN ，故，NQ 曲线上移。当比20清水的大时，H，N，实验表明，当20厘斯时，对特性曲线的影响很小，可忽略不计。1厘斯=10-6m2/s，20清水的粘度=1厘斯粘度的影响液体粘度大于20厘斯时,泵的特性参数需按下式进行校正.35qv=Cq qv H=CH H =CCq、CH、C分别为流量、压头、和效率的校

12、正系数，通过图查取例2-1:附图为某型号离心泵输送清水的特性曲线,最高效率点对应的流量为2.84m3min-1,压头为30.5m.试求用此离心泵输送密度为900kg/m3,过去粘度为17510-6 m2/s的油品的特性曲线，并绘于同一坐标图上。36 n 20%以内(3)叶轮直径切割定律1212DDQQ21212DDHH31212DDNND-5%以内1212nnQQ21212nnHH31212nnNN（2）转速比例定律37若叶轮切割，又如何？HnnHQnnQ 2222QnnBAHnn 22QBnnAH H n 0 Qn 思考：若泵在原转速若泵在原转速n下的特性曲线方程为下的特性曲线方程为则新转速

13、则新转速n 下泵的特性曲线方程表达式如何？下泵的特性曲线方程表达式如何？2BQAH 38四、离心泵的工作点和流量调节问题：工作时，Q,H,N,=?1.管路特性曲线39 泵-供方管路-需方匹配：泵提供的流量=管路所需的流量泵提供的压头 H=管路所需的压头 heH泵的特性曲线 Q1管路特性曲线-管路所需压头he 与流量关系曲线 工工作作点点40H泵的特性曲线 Q1管路特性曲线-管路所需压头he 与流量关系曲线fhgugpzhe 22 252282Qgdlelgudlelhf QfA 完全湍流时，2BQAhe 管路特性方程A 工工作作点点41H泵的特性曲线 Q 工工作作点点2流量调节两种方法 改变泵

14、的特性曲线改变泵的特性曲线改变管路特性曲线改变管路特性曲线调节阀门阀阀门门开开大大阀阀门门关关小小eh he改变 n、切割叶径节节 流流 损损 失失42说明工作点 泵的特性&管路的特性工作点确定：联解两特性方程作图，两曲线交点泵装于管路工作点（H,Q)Q=泵供流量=管得流量H=泵供压头=流体得压头工作点（Q,H,N,）泵的实际工作状态43五、离心泵的安装高度安装高度:问题：液面到泵入口处的垂直距离(Hg)安装高度有无限制？440-01-1，B.E.fgHgugpHgp22110Hg，则p1当p1pv，叶轮中心汽化汽泡 被抛向外围凝结局部真空压力升高周围液体高速冲向汽泡中心 撞击叶片(水锤)伴随

15、现象泵体振动并发出噪音H,Q ,严重时不送液；时间长久，水锤冲击和化学腐蚀，损坏叶片45安装高度 ，汽蚀问题：如何确定Hg的上限 允许安装高度（1）三个基本概念：2汽蚀余量与允许安装高度(有效)汽蚀余量ha:泵入口处：动压头+静压头-饱和蒸汽压(液柱)gpgugphva221146ha的物理意义：ha，p1 汽蚀必须汽蚀余量hr:发生汽蚀时的(有效)汽蚀余量汽蚀时，1处：动压头+静压头=min2112gugpgpgugphvrmin2112用实验测定允许汽蚀余量h比最小汽蚀余量大0.3米 3.0rhh47正常运转的泵3.0rahhh（2）由h计算允许安装高度Hgmaxmax0021102110

16、22gfvfvafvvfgHHgphgpHgphgpHgpgpgugpgpHgugpgpH48（3）允许汽蚀余量的校正 h20度清水，条件不同时要校正，校正曲线说明书3 3允许吸上真空度允许吸上真空度H HH Hs s，maxmax=（Pa-P1Pa-P1）/g gHs=HHs=Hs s，maxmax-0.3-0.3Hg=HHg=Hs s-u-u1 12 2/2g-H/2g-Hf,o-1f,o-1HsHs是泵生产厂家用是泵生产厂家用2020水作为实验介质，在贮槽液面压强为大气水作为实验介质，在贮槽液面压强为大气压下测定的结果。若使用条件与此不符的时，应作如下的校正：压下测定的结果。若使用条件与

17、此不符的时，应作如下的校正：Hs=Hs+Hs=Hs+（Ha 10.33Ha 10.33）-Pv/(9.81-Pv/(9.811000)-0.241000/1000)-0.241000/493讨论（1）汽蚀现象产生的原因：安装高度太高；被输送流体的温度太高，液体蒸汽压过高；吸入管路阻力或压头损失太高。（2）计算出的Hgmax0,低于贮槽液面安装 50（3）Hgmax大小Q。Q，则Hgmax，保险。（4）安装泵时为保险，Hg比Hgmax还要小0.5至1米。(5)历史上允许吸上真空度允许汽蚀余量 Hgmax用可能的最大Q计算Hgmax51例2-2：用某一离心泵将密闭容器中8080的热盐水送入的热盐水

18、送入高位槽，在输送要求下离心泵的允许吸上真空度为高位槽，在输送要求下离心泵的允许吸上真空度为4.6m,4.6m,密闭容器中液面上方的绝对压强为密闭容器中液面上方的绝对压强为80KPa,80KPa,溶液溶液的蒸汽压近似取同温度下水的饱和蒸汽压的蒸汽压近似取同温度下水的饱和蒸汽压,设盐水的设盐水的密度与水的密度相近密度与水的密度相近,吸入管路的压头损失为吸入管路的压头损失为0.5m,0.5m,试确定泵的安装高度试确定泵的安装高度.解解:Hs=Hs+Hs=Hs+（Hs 10.33Hs 10.33）-Pv/(9.81-Pv/(9.81*1000)-1000)-0.241000/0.241000/=-2

19、.17m=-2.17mHg=HHg=Hs s-u-u1 12 2/2g-H/2g-Hf,o-1f,o-1=-2.17-0.5=-2.67m=-2.17-0.5=-2.67m为安全起见为安全起见,再降低再降低0.50.5米米,实际安装高度为实际安装高度为-3.17m.-3.17m.52六 离心泵的类型、选用、安装与操作1 离心泵的类型：按输送液体的性质不同（1）清水泵：输送清水或相近、无腐蚀性、杂质较少的液体。结构简单，造价低。IS（2）耐腐蚀泵：输送腐蚀性的液体，用耐腐蚀材料制成，要求密封可靠。F（3）油泵：输送石油产品的泵，要求有良好的密封性。Y53（4）杂质泵：输送含固体颗粒的液体、稠厚的

20、浆液，叶轮流道宽，叶片数少。P单吸泵；双吸泵54单级泵；多级泵串联组合；并联组合55类类型型 不下百种 冷凝水泵冷凝水泵锅炉给水泵锅炉给水泵杂质泵杂质泵耐腐蚀泵耐腐蚀泵油泵油泵清水泵清水泵按用途分按用途分选用原则：定类型-根据流体性质及操作条件 定规格-根据流量、压头大小 双吸泵双吸泵单吸泵单吸泵按吸入方式分按吸入方式分 多级泵多级泵单级泵单级泵按叶轮级数分按叶轮级数分八、离心泵的类型、选用八、离心泵的类型、选用 立式立式卧式卧式按转轴的位置分按转轴的位置分 、回回转转式式等等往往复复式式容容积积式式：如如轴轴流流式式、喷喷射射式式等等、离离心心式式速速度度式式：如如56对泵产品样本常见型号简

21、介如下:型号为40IS54A40泵吸入口直径mmIS单级单吸悬臂式离心泵54扬程式 A表示基本型号的叶轮经第一次切削40FM1-2640泵吸入口直径mm F悬臂式耐腐蚀离心泵M与液体接触部件的材料代号26泵的扬程 1轴封式代号(1代表单端面密封)50Y-60250泵吸入口直径mm Y单吸离心泵60泵的单级扬程m 2叶轮的级数572 离心泵的选用（1）根据液体的性质确定类型（2）确定管路流量和所需外加压头。Q生产任务，H 管路的特性方程。（3）根据所需Q和H确定泵的型号 查性能表或曲线，要求泵的H和Q与管路所需相适应。若需Q有变，以最大Q为准，H应以最大Q值查找。若泵的H和Q与管路所需不符，在邻

22、型号中找H和Q都稍大一点的。58若液体性质与清水相差大，则应对所选泵的特性曲线和参数进行校正，看是否能满足要求。若几个型号都行，应选在操作条件下最高者为保险，所选泵可以稍大；但若太大，能量利用程度低。3 离心泵的安装与操作安装安装高度应小于允许安装高度 尽量减少吸入管路阻力，短、直、粗、管件少；调节阀应装于出口管路。59操作 启动前应灌泵，并排气。应在出口阀关闭的情况下启动泵 停泵前先关闭出口阀，以免损坏叶轮 经常检查轴封情况 601、并联、并联H 并联泵 单台泵对泵来说，在相同 H 下，单单并并QQ2 请思考：若单台泵的特性曲线方程为 2BQAH单单单单 ，则并联泵组的特性曲线方程表达式如何

23、？22QBAH 并并并并请思考：在输送系统中，将单台泵用并联泵组替代，则管路中的流量是否能达到原来的两倍？为什么？四、离心泵的组合操作四、离心泵的组合操作串、并联串、并联612、串联对泵来说：在相同 Q 下，单单串串HH2 请思考：若单台泵的特性曲线方程 为2BQAH单单单单 ，则串联泵组的特性曲线方程表达式如何？2BQ2A2H串串串串 H 串联泵 单台泵 0 Q请思考：在输送系统中，将单台泵用串联泵组替代，则管路中的压头是否能达到原来的两倍？为什么？四、离心泵的组合操作四、离心泵的组合操作串、并联串、并联62第三节 其它类型泵一 往复泵1结构和工作原理主要部件：泵缸；活塞；活塞杆；吸入阀、排

24、出阀 工作原理：说明：活塞往复运动，直接以静压能形式向液体供能 单动泵，供液不连续；双动泵，连续。为耐高压，活塞和连杆用柱塞代替。利利用用容容积积的的变变化化给给流流体体加加静静压压能能工作循环：一次吸液，一次排液工作循环：一次吸液，一次排液63 单缸单动泵 642往复泵的流量和压头（1）理论平均流量单动AsnQ理双动snaAQ 2理（2）实际平均流量=容积效率理论平均流量理QQV与压头无关（3）瞬时流量的不均匀性 单动泵，吸、排液不连续65曲柄连杆，活塞运动速度时间正弦规律（4）流量的精确性 Q仅活塞面积、冲程、往复频率（5）往复泵的压头 挤压供液，H任意高。材料强度，密封，电机负载最终取决

25、于管路特性66（6）特性曲线 Q仅泵，与管路(和H）无关 H仅管路，与泵(和Q)无关正位移特性高阻高压！67 单缸单动泵 Q0 2 单缸双动泵 Q0 2 Q 0 2 多缸泵（各缸曲柄有相位差）具有自吸能力，不必灌液具有自吸能力，不必灌液 安装高度也受限制安装高度也受限制 输输液液量量不不均均匀匀、不不连连续续与离心泵比较：68 单缸单动泵 H 0 Q 流流量量与与压压头头几几乎乎无无关关 流流量量调调节节不不可可用用出出口口阀阀门门调调节节方方法法。数数改变活塞行程或往复次改变活塞行程或往复次旁路调节旁路调节流量调节方法流量调节方法 效效率率高高，通通常常为为 7 72 2 9 93 3%。与

26、离心泵比较：适用于小流量、高压头的情况适用于小流量、高压头的情况下输送高粘度的液体下输送高粘度的液体。旁路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。69二 计量泵1 外观702 工作原理往复泵的一种原动机偏心轮转动柱塞的往复运动3 流量调节调整偏心度柱塞冲程变化 流量调节。4 应用场合输送量或配比要求非常精确71三 隔膜泵1 外观2 应用场合腐蚀性的液体、固体悬浮液72四 齿轮泵1 剖开732 流量调节3 应用场合转速或旁路高压头、小流量。粘稠以至膏状物。固体悬浮液74五 螺杆泵1 外观752 工作原理旋转泵的一种螺纹在旋转时有推进作用单螺杆双螺杆三

27、螺杆763 流量调节转速或旁路4 应用场合高压头、小流量。粘稠以至膏状物。固体悬浮液77六 旋涡泵 1 工作原理特殊类型的离心泵78叶轮开有凹槽的圆盘引水道叶轮旋转，凹槽内液体被做功。在引水道和凹槽间往反多次，被多次做功。应用场合Q，H 高压头，较小流量固体悬浮液，高粘度流体79第四节 气体输送机械 一 概述 1气体输送机械在工业生产中的应用 气体输送 压力不高，但量大，动力消耗大产生高压气体：终到设备压力高生产真空：上游设备负压操作2气体输送机械的一般特点 动力消耗大 80设备体积庞大 特殊性气体的可压缩性 3气体输送机械的分类 工作原理离心式、旋转式、往复式、喷射式等口压力（终压）和压缩比

28、 通风机：终压15kPa，压缩比1至1.15鼓风机：终压15300kPa，压缩比小于4。压缩机：终压300kPa以上，压缩比大于4。真空泵：造成负压，终压p0，压缩比由真空度决定。81二 离心式通风机821离心式通风机的结构特点 叶轮直径较大 适应大风量叶片数较多 叶片有平直、前弯、后弯不求高效率时前弯机壳内逐渐扩大的通道及出口截面常为为矩形 832性能参数和特性曲线（1）风量：按入口状态计的单位时间内的排气体积。m3/s，m3/h（2）全风压：单位体积气体通过风机时获得的能量J/m3，Pa风机进、出口之间写B.E.fthuuppzzgp2)()()(21221212gzz)(12忽略01u忽

29、略能量损失84ksttppuppp2)(2212说明 气体获能=进出口静压差(静风压)+动能差(动风压)出口速度很高，且压缩比小，动风压占比例很高（3）轴功率和效率 1000tpQN1000NpQt性能表上参数(1atm、20)30/20.1mkgpt0,pst085QNQQpTQpSQp（4）特性曲线 1atm、20用空气测定 pt0Q，pst0Q，NQ，Q863离心式通风机的选型（1）根据气体种类和风压范围，确定风机的类型（2）确定Q0和pt0生产任务QtpEB.2.100ttpp（3）根据Q0和pt0查找合适型号00QQ 87例:已知空气的最大输关量为14500kg/h,在最大风量下输送

30、系统所需的风量为16800Pa,(以风机进口状态计)风机的入口与温度为40,真空度为196Pa的设备连接,试选合适的离心通风机.当地大汽压为93.3Pa。88解：将系统所需的风压换算为实验条件下的风压PT,即 PT=PT 1.2/操作条件下的计算(40,P=(93300-196)Pa):从附录中查得1.0133105 Pa,40是时的为1.128kg/m3=1.128(93300-196)/101330=1.04 kg/m3所以PT=16001.2/1.04=1846 Pa风量按进口状态计,Q=14500/1.04=13940m3/h根据风量和风压从附录中查得4-72-11NO.6C型离心通风

31、机可满足要求.该当机性能如下:PT 为1941.8 PaQ 为14100 m3/h为91%Ps 为10KW89 往复式压缩机 90第二章小结第二章小结离心泵（重点）：结构、工作原理离心泵（重点）：结构、工作原理 影响特性曲线的因素：影响特性曲线的因素：、n n、D D2 2等，如何影响？等，如何影响？流量调节：流量调节：泵的组合操作：串、并联泵的组合操作：串、并联 安装高度：允许汽蚀余量安装高度：允许汽蚀余量 气缚、气蚀现象：气缚、气蚀现象：幻灯片4目录91往复泵：（与离心泵对比）往复泵：（与离心泵对比）工作原理工作原理 特性曲线的形状特性曲线的形状 流量调节方法流量调节方法 安装安装 通风机：（与离心泵对比）通风机：（与离心泵对比）主要性能参数：风量、风压、功率、效率主要性能参数：风量、风压、功率、效率 特性曲线的形状特性曲线的形状 第二章小结第二章小结