化工原理課程課件PPT之第二章流體輸送機械.ppt

1、2020/12/13,1,第二章 流體輸送機械,流體輸送機械,輸送液體的機械通稱為泵。 輸送氣體的機械按不同的工況分別稱為通風(fēng)機、鼓風(fēng)機、壓縮機和真空泵,向流體作功以提高流體機械能的裝置,2020/12/13,2,1. 動力式（葉輪式,葉輪高速旋轉(zhuǎn)使流體獲能,離心式、軸流式,2. 容積式（正位移式,活塞/轉(zhuǎn)子擠壓使流體獲能,往復(fù)式、旋轉(zhuǎn)式,3. 其它,如噴射泵,輸送機械 工作原理,2020/12/13,3,本章的目的：結(jié)合化工生產(chǎn)的特點，討論各種流體輸送機械的操作原理、基本構(gòu)造與性能，合理地選擇其類型，決定規(guī)格，計算功率消耗，正確安排在管路系統(tǒng)中的位置等,2020/12/13,4,液體輸送機械

2、泵,按泵的工作原理分,特點：使流體獲得速度,特點：機械內(nèi)部的工作容積不斷發(fā)生變化,2020/12/13,5,2020/12/13,6,2.1 離心泵,一離心泵的構(gòu)造和工作原理,1. 離心泵的構(gòu)造,2020/12/13,7,吸入口位于泵殼中央與吸入管路相連，并在吸入管底部裝一止逆閥。 泵殼的側(cè)邊為排出口，與排出管路相連，其上裝有調(diào)節(jié)閥,葉輪緊固于泵軸上，泵軸與電機相連，可由電機帶動旋轉(zhuǎn),由若干個彎曲的葉片組成的葉輪置于具有蝸殼通道的泵殼之內(nèi),2020/12/13,8,2020/12/13,9,2020/12/13,10,2、離心泵的操作原理,2020/12/13,11,開泵前，先在泵內(nèi)灌滿要輸送

3、的液體。 開動后，泵軸帶動葉輪一起高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力。液體在此作用下，從葉輪中心被拋向葉輪外周，壓力增高，并以很高的速度（ 15 25 m/s）流入泵殼。 泵內(nèi)的液體被拋出后，葉輪的中心形成了真空，由于泵的吸入管路一端浸沒于輸送液體內(nèi)，另一端與葉輪中心處相通 。在液體壓強（大氣壓）與泵內(nèi)壓力（負壓）的壓差作用下，液體便經(jīng)吸入管路進入泵內(nèi)，填補了被排除液體的位置。 離心泵之所以能輸送液體，主要是依靠高速旋轉(zhuǎn)葉輪所產(chǎn)生的離心力。因此稱為離心泵,2020/12/13,12,思考： 流體在泵內(nèi)都獲得了哪幾種能量？ 其中哪種能量占主導(dǎo)地位,思考： 泵啟動前為什么要灌滿液體,離心泵啟動時，如果泵殼內(nèi)存在空

4、氣，由于空氣的密度遠小于液體的密度，葉輪旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力很小，葉輪中心處產(chǎn)生的低壓不足以造成吸上液體所需要的真空度，這樣，離心泵就無法工作，這種現(xiàn)象稱作“氣縛,2020/12/13,13,二離心泵主要構(gòu)件的結(jié)構(gòu)及功能,1葉輪,思考：三種葉輪中那一種效率高,閉式葉輪的內(nèi)漏較弱些，敞式葉輪的最大。 但敞式葉輪和半閉式葉輪不易發(fā)生堵塞現(xiàn)象,葉輪的作用 將電動機的機械能傳給液體,使液體的靜壓能和動能都有所提高,2020/12/13,14,葉輪軸向力將導(dǎo)致軸及葉輪的竄動和葉輪與泵殼的相互研磨,葉輪軸向力問題,吸液方式,2020/12/13,15,2泵殼,思考：泵殼的主要作用是什么,匯集液體，并導(dǎo)出液體

5、； 能量轉(zhuǎn)換裝置,2020/12/13,16,導(dǎo)輪,思考： 為什么導(dǎo)輪的彎曲方向與葉片彎曲方向相反,為了減少液體直接進入蝸殼時的碰撞，在葉輪與泵殼之間有時還裝有一個固定不動的帶有葉片的圓盤，稱為導(dǎo)葉輪。導(dǎo)葉輪上的葉片的彎曲方向與葉輪上葉片的彎曲方向相反，其彎曲角度正好與液體從葉輪流出的方向相適應(yīng)，引導(dǎo)液體在泵殼的通道內(nèi)平緩的改變方向，使能量損失減小，使動能向靜壓能的轉(zhuǎn)換更為有效,2020/12/13,17,3 軸封裝置 a)軸封的作用 為了防止高壓液體從泵殼內(nèi)沿軸的四周而漏出，或者外界空氣漏入泵殼內(nèi)。 b)軸封的分類,填料密封,機械密封,主要由填料函殼、軟填料和填料壓蓋組成。普通離心泵采用這種

6、密封,主要由裝在泵軸上隨之轉(zhuǎn)動的動環(huán)和固定于泵殼上的靜環(huán)組成，兩個環(huán)形端面由彈簧力互相貼緊而作相對運動，起到密封作用,端面密封,2020/12/13,18,2020/12/13,19,2020/12/13,20,壓頭： 泵提供給單位重量液體的能量稱為泵的壓頭，用H表示，單位m,三離心泵的基本方程,2020/12/13,21,理論壓頭：理想情況下單位重量液體所獲得的能量稱為 理論壓頭，用HT表示,2020/12/13,22,假設(shè)如下理想情況： 1）泵葉輪的葉片數(shù)目為無限多個，也就是說葉片的厚度為無限薄，液體質(zhì)點沿葉片彎曲表面流動，不發(fā)生任何環(huán)流現(xiàn)象。 2）輸送的是理想液體，流動中無流動阻力,1.

7、 理論壓頭表達式的推導(dǎo),2020/12/13,23,在高速旋轉(zhuǎn)的葉輪當中，液體質(zhì)點的運動包括,液體隨葉輪旋轉(zhuǎn),由中心沿葉輪向外側(cè)運動,液體與葉輪一起旋轉(zhuǎn)的速度u1或u2方向與所處圓周的切線方向一致，大小為,2020/12/13,24,液體沿葉片表面運動的速度w1、w2，方向為液體質(zhì)點所處葉片的切線方向，大小與液體的流量、流道的形狀等有關(guān)。 兩個速度的合成速度就是液體質(zhì)點在點1或點2處相對于靜止的殼體的速度，稱為絕對速度，用c1、c2來表示。 單位重量理想液體通過無數(shù)多葉片的旋轉(zhuǎn)葉輪獲得的能量稱作理論壓頭，用HT表示。 根據(jù)柏努利方程，單位重量液體由點1到點2獲得的機械能為,2020/12/13

8、,25,Hc:液體經(jīng)葉輪后動壓頭的增加 Hp:液體經(jīng)葉輪后靜壓頭的增加； 靜壓頭增加項Hp主要由于兩方面的因素促成： 1）液體在葉輪內(nèi)接受離心力所作的外功，單位重量液體所接受的外功可以表示為,2）葉輪中相鄰的兩葉片構(gòu)成自中心向外沿逐漸擴大的液體流道，液體通過時，部分動能轉(zhuǎn)化為靜壓能，這部分靜壓頭的增加可表示為,2020/12/13,26,單位重量流體經(jīng)葉輪后的靜壓能增加為,a,根據(jù)余弦定理，上述速度之間的關(guān)系可表示為,2020/12/13,27,代入（a）式，并整理可得到,b,一般離心泵的設(shè)計中，為提高理論壓頭，使1=90，即cos1=0，所以,離心泵的基本方程式 離心泵理論壓頭的表達式,20

9、20/12/13,28,理論壓頭與理論流量QT關(guān)系 流量可表示為葉輪出口處的徑向速度與出口截面積的乘積,從點2處的速度三角形可以得出,離心泵基本方程式,2020/12/13,29,對于某個離心泵（即其2、r2、b2固定），當轉(zhuǎn)速一定時，理論壓頭與理論流量之間呈線形關(guān)系，可表示為,表示離心泵的理論壓頭與理論流量、葉輪的轉(zhuǎn)速和直徑、葉輪的幾何形狀之間的關(guān)系,2020/12/13,30,請思考：與HT有關(guān)的因素有哪些？分別是怎樣的關(guān)系,討論： （1）理論壓頭與流量QT、葉輪轉(zhuǎn)速、葉輪的尺寸和構(gòu)造（r2、b2、2）有關(guān),2）葉輪直徑及轉(zhuǎn)速越大，則理論壓頭越大,2、離心泵基本方程式的討論,2020/12

10、/13,31,葉片后彎，20， 即HT隨流量增大而減小,葉片徑向，2=90，ctg2=0， 即HT不隨流量而變化,葉片前彎，290，ctg20， 即HT隨流量增大而增大,2020/12/13,32,思考：為什么工業(yè)用泵采用后彎葉片的居多,c2,w2,u2,后彎葉片,c2小，泵內(nèi)流動阻力損失小,2020/12/13,33,靜壓頭的增加,動壓頭的增加,前彎葉片，動能的提高大于靜壓能的提高。 由于液體的流速過大，在動能轉(zhuǎn)化為靜壓能的實際過程中，會有大量機械能損失，使泵的效率降低。 一般都采用后彎葉片,2020/12/13,34,4）理論壓頭HT與液體密度無關(guān)。 這就是說，同一臺泵無論輸送何種密度的液

11、體，對單 位重量流體所能提供的能量是相同的,思考： 泵對單位體積流體所加的能量是否與液體密度無關(guān),有關(guān)，gH 與密度呈正比,2020/12/13,35,3、實際壓頭 離心泵的實際壓頭與理論壓頭有較大的差異，原因在于流體在通過泵的過程中存在著壓頭損失，它主要包括： 1）葉片間的環(huán)流 2）流體的阻力損失 3）沖擊損失,也稱水力損失,理論壓頭、實際壓頭及各種壓頭損失與流量的關(guān)系為,2020/12/13,36,2020/12/13,37,實際壓頭比理論壓頭要小。具體原因如下,主要取決于葉片數(shù)目、裝置角2、葉輪大小等因素，而幾乎與流量大小無關(guān),1）葉片間的環(huán)流運動,2020/12/13,38,2）阻力損

12、失,可近似視為與流 速的平方呈正比,在設(shè)計流量下，此項損失最小。流量若偏離設(shè)計量越遠， 沖擊損失越大,3）沖擊損失,四離心泵的主要性能參數(shù)和特性曲線,1離心泵的主要性能參數(shù),四離心泵的主要性能參數(shù)和特性曲線,H，又稱揚程，泵對單位重量流體提供的有效能量，m。 可測量,Q，泵單位時間實際輸出的液體量，m3/s或m3/h?？蓽y量,在泵進口b、泵出口c間列機械能衡算式,轉(zhuǎn)速,流量,壓頭,n，單位r.p.s或r.p.m,四離心泵的主要性能參數(shù)和特性曲線,軸功率,N，又稱功率，單位W 或kW,無量綱,Ne=Wews,We=gH,ws=Q,效 率,有效功率,Ne=HQg,以kW計,與效率有關(guān)的各種能量損失

13、,四離心泵的主要性能參數(shù)和特性曲線,小型水泵：一般為5070% 大型泵：可達90%以上,1）容積損失,2）水力損失,3）機械損失,泵軸與軸承、密封圈等機械部件之間的摩擦,包括 ：HQ曲線(平坦型、陡降型、 駝峰型) NQ曲線、 Q曲線,2. 離心泵特性曲線及其換算,用20C清水測定,四離心泵的主要性能參數(shù)和特性曲線,由圖可見： Q，H ，N，有最大值,思考： 離心泵啟動時均關(guān)閉出口閥門，why？ 為什么Q0時，N0,92max,四離心泵的主要性能參數(shù)和特性曲線,離心泵特性曲線的影響因素： 液體性質(zhì) 密度,黏度,Why,當比20清水的大時，H，N,實驗表明，當20厘斯時，對特性曲線的影響很小，可

14、忽略不計,1厘斯=10-6m2/s 20清水的粘度=1厘斯,葉輪轉(zhuǎn)速,當轉(zhuǎn)速變化不大時（小于20%），利用出口速度三角形相似的近似假定，可推知,四離心泵的主要性能參數(shù)和特性曲線,若不變，則,思考：若泵在原轉(zhuǎn)速n下的特性曲線方程為 則新轉(zhuǎn)速n下泵的特性曲線方程表達式,四離心泵的主要性能參數(shù)和特性曲線,泵在原轉(zhuǎn)速n下的特性曲線方程,四離心泵的主要性能參數(shù)和特性曲線,葉輪直徑,當葉輪直徑因切割而變小時，若變化程度小于10%，則,若不變，則,思考：若泵在原葉輪直徑下的特性曲線方程為 則葉輪切割后泵的特性曲線方程表達式,五、離心泵的工作點與流量調(diào)節(jié),泵-供方 管路-需方,匹配,1、管路特性曲線,五、離心

15、泵的工作點與流量調(diào)節(jié),1、管路特性曲線,五、離心泵的工作點與流量調(diào)節(jié),2、流量調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)閥門,改變n、切割葉輪,閥門開大,閥門關(guān)小,工作點,例見P101,1、并聯(lián),六、離心泵的組合操作串、并聯(lián),泵并聯(lián)時，在相同H下,請思考： 在輸送系統(tǒng)中，將單臺泵用并聯(lián)泵組替代，則管路中的流量是否能達到原來的兩倍？為什么,2、串聯(lián),六、離心泵的組合操作串、并聯(lián),泵串聯(lián)時，在相同Q下,請思考： 在輸送系統(tǒng)中，將單臺泵用串聯(lián)泵組替代，則管路中的壓頭是否能達到原來的兩倍？為什么,3）離心泵組合方式的選擇,對于低阻輸送管路a，并聯(lián)組合泵流量和壓頭的增大幅度大于串聯(lián)組合泵； 對于高阻輸送管路b，串聯(lián)組合泵的流量和壓頭增

16、大幅度大于并聯(lián)組合泵,低阻輸送管路-并聯(lián)優(yōu)于串聯(lián)； 高阻輸送管路-串聯(lián)優(yōu)于并聯(lián),對于 值高于單泵所能提供最大壓頭的特定管路，則必須采用串聯(lián)組合方式,選泵時，將流量、壓頭裕量控制在10%左右,習(xí)題課,今天只討論操作型,例1 用離心泵將江水送至高位槽。若管路條件不變，則下列參數(shù)隨著江面的下降有何變化？（設(shè)泵仍能正常工作） 泵的壓頭H， 管路總阻力損失Hf， 泵出口處壓力表讀數(shù)， 泵入口處真空表讀數(shù),管路特性曲線,平行上移,操作性問題分析 舉例,解,江面下降，泵特性曲線不變,工作點左移,操作性問題分析 舉例,3 3,操作性問題分析 舉例,練習(xí)1 圖示為離心泵性能測定裝置。若水槽液面上升，則Q、H、N

17、、Hf 、p1和p2（均為讀數(shù)）如何變化,答：Q不變，H不變，N不變，Hf不變,操作性問題計算 舉例,例2 某離心泵工作轉(zhuǎn)速為n=2900r.p.m.（轉(zhuǎn)/min），其特性曲線方程為 。當泵的出口閥全開時，管路特性曲線方程為 ，式中Q的單位為m3/h，H及He的單位均為m。求： （1）閥全開時，泵的輸水量為多少？ （2）要求所需供水量為上述供水量的75%時： a若采用出口閥調(diào)節(jié)，則節(jié)流損失的壓頭為多少m水柱？ b若采用變速調(diào)節(jié)，則泵的轉(zhuǎn)速應(yīng)為多少r.p.m.,解： （1,2) a. 采用調(diào)節(jié)出口閥門的方法,泵特性曲線方程,管路特性曲線方程,b. 采用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方法,Q,Q,注意：以下解法錯誤!

18、，因為新舊工作點 為非等效率點,泵特性曲線方程,管路特性曲線方程,新轉(zhuǎn)速下泵的特性曲線方程為,七、離心泵的安裝高度Hg,1、什么是安裝高度,泵軸與吸液槽液面間的垂直高度，稱為安裝高度，用Hg表示。可正可負,Hg,為避免汽蝕現(xiàn)象，安裝高度必須加以限制，即存在最大安裝高度Hg,max,七、離心泵的安裝高度Hg,為什么會有安裝高度問題,汽蝕現(xiàn)象,當葉片靠近泵軸部位k的靜壓強流體在輸送溫度下的飽和蒸汽壓時，此處流體發(fā)生部分汽化現(xiàn)象。產(chǎn)生氣泡在輸送過程中進而引起葉片、泵殼損壞的現(xiàn)象,葉片表面產(chǎn)生蜂窩狀腐蝕 ； 泵體震動，并發(fā)出噪音； 流量、壓頭、效率都明顯下降，氣泡多時還可能產(chǎn)生氣縛； 嚴重時甚至吸不上

19、液體,氣蝕產(chǎn)生的條件 葉片入口附近K處的壓強PK等于或小于輸送溫度下液體的飽和蒸氣壓,2、離心泵的允許吸上高度 離心泵的允許吸上高度又稱為允許安裝高度，指泵的吸入口與吸入貯槽液面間可允許達到的最大垂直距離，以Hg表示,貯槽液面0-0與入口處1-1兩截面間列柏努利方程,若貯槽上方與大氣相通，則p0即為大氣壓強pa,3、離心泵的允許吸上真空度,注意：Hs單位是壓強的單位，通常以m液柱來表示。在水泵的性能表里一般把它的單位寫成m（實際上應(yīng)為mH2O,離心泵的允許吸上真空度 定義式,將,代入,得,允許吸上高度的計算式,1處的絕壓，則pa-p1即為真空度,Hs值越大，表示該泵在一定操作條件下抗氣蝕性能好

20、，安裝高度Hg越高。 Hs與泵的結(jié)構(gòu)、流量、被輸送液體的物理性質(zhì)及當?shù)卮髿鈮旱纫蛩赜嘘P(guān)。 通常由泵的制造工廠 實驗測定，實驗在大 氣壓為 10 mH2O （ 9.81104 Pa）下, 以20清水為介質(zhì) 進行的,Hs隨Q增大而減小 確定離心泵安裝高度時應(yīng)使用泵最大流量下的Hs進行計算 若輸送其它液體，且操作條件與上述實驗條件不符時，需對Hs進行校正,4、氣蝕余量 NPSH （ Net Positive Suction Head,為防止氣蝕現(xiàn)象發(fā)生，在離心泵入口處液柱的靜壓頭,某一數(shù)值,氣蝕余量定義式,h 與Hg 的關(guān)系,當葉輪入口附近( k-k)最小壓強等于液體的飽和蒸汽壓pv 時，泵入口處

21、( 1-1)壓強必等于某確定的最小值p1。 在1-1和k-k間列柏努利方程,NPSH）c 臨界 （NPSH）r 必需,當流量一定且流體流動在阻力平方區(qū)時，氣蝕余量僅與泵的結(jié)構(gòu)和尺寸有關(guān)，是泵抗氣蝕性能參數(shù),允許吸上高度的計算式,h隨Q增大而增大 計算允許安裝高度時應(yīng)取高流量下的h值,圖,泵性能表上所列的h值也是按輸送20的清水測定的，當輸送其它液體時應(yīng)乘以校正系數(shù)予以校正，但因一般校正系數(shù)小于1，故把它作為外加的安全系數(shù)，不再校正,5、離心泵的實際安裝高度 離心泵的實際安裝高度應(yīng)小于允許安裝高度，一般比允許值小0.51m,注意： 1）離心泵的允許吸上真空度和允許氣蝕余量值是與其流量有關(guān)的，大流

22、量下h較大而Hs較小，因此，必須注意使用最大額定流量值進行計算。 2）離心泵安裝時，應(yīng)注意選用較大的吸入管路，減少吸入管路的彎頭、閥門等管件，以減少吸入管路的阻力。 3）當液體輸送溫度較高或液體沸點較低時，可能出現(xiàn)允許安裝高度為負值的情況，此時，應(yīng)將離心泵安裝于貯槽液面以下，使液體利用位差自流入泵內(nèi),八、離心泵的類型、選用,類型：不下百種,高效區(qū),八、離心泵的類型、選用,選用原則： 定類型-根據(jù)流體性質(zhì)及操作條件 定規(guī)格-根據(jù)流量、壓頭大小，高效,2. 2 其他類型泵,2. 2 其他類型泵,一、往復(fù)泵,工作原理,與離心泵比較,由于受泵的部件機械強度和原動機功率的限制，泵的揚程不可能無限增大。

23、壓頭越大，漏損越大,結(jié)構(gòu),泵缸、活塞、閥門、傳動機構(gòu),利用容積的變化給流體加靜壓能,工作循環(huán)：一次吸液，一次排液,取決于單位時間內(nèi)活塞在泵體中掃過的體積。往復(fù)頻率、活塞截面積、泵缸數(shù)等都會影響其流量，但流量與管路特性無關(guān)。由于脈動加壓，其流量是不均勻的。 正位移泵：流量與管路特性無關(guān)，而壓頭只決定于管路情況，這種特性稱正位移特性，具備此特性的泵稱正位移泵。容積式泵一般為正位移泵。 提高流量均勻性的方法： 采用多缸往復(fù)泵 裝置空氣室 流量調(diào)節(jié)：正位移泵不能通過出口閥調(diào)節(jié)流量（危險）。 旁路調(diào)節(jié) 改變曲柄轉(zhuǎn)速及活塞行程,理論流量及影響因素,與離心泵比較,一、往復(fù)泵,適用于小流量、高壓頭的情況下輸送

24、高粘度的液體。 但不宜輸送腐蝕性及有固體粒子懸浮液,其他泵,各類泵的適用范圍：見P114，表2-1,齒輪泵,隔膜泵、計量泵,往復(fù)式,容積式,旋渦泵,軸流式,離心式,速度式,噴射式,螺桿泵,2.3 氣體壓送機械,終壓p21.15atm，壓縮比,終壓p24atm，壓縮比,終壓p24atm，壓縮比,用于減壓，壓縮比由真空度決定,一、離心通風(fēng)機,工作原理,結(jié)構(gòu),主要性能參數(shù)及特性曲線,與離心泵相似 特點：葉片數(shù)目多、短，有徑向、前彎、后彎等， 通道多呈矩形,風(fēng)量、風(fēng)壓、軸功率、效率,與離心泵相同,風(fēng)量Q,以進口狀態(tài)計,一、離心通風(fēng)機,風(fēng)壓HT,在風(fēng)機進出口間列機械能衡算方程式,又稱全風(fēng)壓,Pa,一、離心通風(fēng)機,若使用條件與測定條件不同，需換算,用1atm、20空氣測定的風(fēng)壓,標準全風(fēng)壓HT,一、離心通風(fēng)機,全壓效率70%90,效率,功率N：（kW,通風(fēng)機性能曲線,二、往復(fù)式壓縮機,結(jié)構(gòu)、工作原理與往復(fù)泵相似。 但因氣體密度小、可壓縮的特性，決定了壓縮機的閥門更加輕巧、靈活,工作循環(huán)： 壓縮排氣膨脹吸氣,余隙,多級壓縮,二、往復(fù)式壓縮機,第二章小結(jié),設(shè)計型、操作性問題定性分析與計算,第二章小結(jié),2020/12/13,89,1. 液體輸送設(shè)備有：_,_,_,_,_,離心泵 往復(fù)泵 齒輪泵 螺桿泵 旋渦泵