化工原理(流體輸送機械)

1、第2章 流體輸送機械概述2.1 離心泵 離心泵的工作原理和主要部件 離心泵的基本方程式 離心泵的主要性能參數(shù)和特性曲線 離心泵的氣蝕現(xiàn)象和允許安裝高度 離心泵的工作點與流量調(diào)節(jié) 離心泵的類型、選擇與使用2.2 往復泵2.3 離心通風機概述流體輸送設(shè)備就是向流體作功以提高其機械能的裝置，所供能量用以克服沿程阻力、高差、壓差等1.管路系統(tǒng)對流體輸送機械的要求流體輸送是化工生產(chǎn)及日常生活中最常見、最重要的單元操作之一。從輸送的工程目的出發(fā)，管路系統(tǒng)對輸送機械的要求通常為： 應滿足工藝上對流量及能量（壓頭、風壓、或壓縮比）的要求； 結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，設(shè)備費低； 操作效率高，日常操作費用低； 能適應物料

2、特性（如黏度、腐蝕性，含固體物質(zhì)等）要求。2.輸送機械的分類（1）根據(jù)被輸送流體的種類或狀態(tài)分類通常輸送液體的機械稱為泵；輸送氣體的機械按其產(chǎn)生壓強的高低分別稱之為通風機、鼓風機、壓縮機及真空泵。（2）按工作原理可分成以下四類：離心式，往復式，旋轉(zhuǎn)式，流體動力作用式。液體輸送機械根據(jù)流量和壓頭的關(guān)系，液體輸送機械分為離心式和正位移式。2.1 離心泵 離心泵的工作原理和主要部件(1)主要部件葉輪通常由6-12片后彎葉片組成，可分為閉式、半閉式和開式三種形式。將原動機的機械能直接傳給液體，以增加其動能和靜壓能。泵殼呈蝸殼形，是匯集液體和能量轉(zhuǎn)換的場所。使部分動能轉(zhuǎn)化為靜壓能。為了減少液體直接進入泵

3、殼時因碰撞引起的能量損失，再也論和泵殼之間有時還裝有一個固定不動而且?guī)в腥~片的導輪。軸封裝置用于泵殼與泵軸間的密封，分填料密封（小型泵）和機械密封（大型泵）兩種。（2）工作原理液體自吸入口吸入后，在高速旋轉(zhuǎn)的葉片上獲得能量，在離心力作用下飛向泵殼內(nèi)，因蝸殼型流道漸寬而將部分動能轉(zhuǎn)化成靜壓能，于是液體以較高的靜壓能從排出口排出。當液體自葉輪中心甩向四周后，葉輪中心產(chǎn)生了低壓區(qū)，此時外界作用于貯槽上方的壓強大于泵吸入口處的壓強，在此壓差作用下液體被吸入管路。所以，只要葉輪不停地旋轉(zhuǎn)，液體便連續(xù)地被吸入和排出。（3）氣縛現(xiàn)象若離心泵啟動時，泵內(nèi)有氣體存在，則葉輪中心不能形成足夠的低壓區(qū)，導致不能吸液

4、，這種現(xiàn)象稱為氣縛現(xiàn)象。為避免氣縛現(xiàn)象而常采取的措施：泵啟動前必須先灌滿待輸送液體；管路必須密閉良好。 離心泵的基本方程式離心泵的基本方程式是從理論上描述在理想情況下離心泵可能達到的最大壓頭（又稱揚程）與泵的結(jié)構(gòu)、尺寸、轉(zhuǎn)速及流量諸因素之間關(guān)系的表達式。離心泵基本方程式中心：提高液體的靜壓能 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)（1）流量Q指離心泵在單位時間內(nèi)排送到管路系統(tǒng)的液體體積，單位為m3/h. 尺寸（主要為葉輪直徑和寬度）（2）壓頭H(又稱揚程)離心泵的壓頭又稱揚程，指離心泵對單位重量液體所能提供的有效能量，單位為米液柱高。H一般由實驗測定，方法如圖。當系統(tǒng)運轉(zhuǎn)正常時

5、，測得吸入口和排出口的流量（算出u1和u2）,在入口真空表和出口壓力表處分別取為1-1和2-2兩個截面，其間列柏努力方程。整理得：（3）效率（4）軸功率N離心泵的軸功率是指泵軸所需的功率，這里設(shè)為電機傳給泵軸的功率，單位為W或kW；而有效功率Ne是指液體從葉輪獲得的能量，則有：2.離心泵的特性曲線為了解離心泵的性能，廠方以20的清水在特定轉(zhuǎn)速下對特定泵型的關(guān)系進行測定，由實驗數(shù)據(jù)描繪出的曲線附于泵的說明書中，供選泵時參考。雖然各種泵型各有其特性曲線，但大致形狀基本相同。每個流量值下對應一個揚程值，且隨著Q值增大，H值降。當流量為零時（關(guān)閉出口閥門，揚程也只能達到一個有限值。隨著流量值Q增大，軸

6、功率N平緩上升，當流量為零時，功率最小，所以離心泵開車時都將出口閥關(guān)閉，在零流量下啟動，目的是為了降低啟動功率，保護電機。反映了離心泵的總效率與流量之間的關(guān)系。如上圖所示。效率隨著流量的增大而上升，達到某一最大值后再隨流量增加而下降，說明離心泵在特定轉(zhuǎn)速下有最高效率點，在此點附近操作時泵內(nèi)的壓頭損失最小，該點稱為泵的設(shè)計點，對應該點下的流量、壓頭和功率分別稱為額定流量、額定壓頭和額定功率，它們的數(shù)值標在離心泵的銘牌上。通常將最高效率92%的左右區(qū)域稱為高效區(qū)（如圖中“”號所示），在該區(qū)內(nèi)操作最合理。3.離心泵性能的改變和換算1）液體物性的影響（1）密度的影響流量Q,揚程H及效率與密度無關(guān)，N隨

7、密度增大而增大，即當被輸送液體的密度與水不同時，原離心泵特性曲線中只有NQ線不再適用，其它曲線可照常使用。（2）黏度的影響若被輸送液體的黏度大于常溫下清水的黏度，則液體流經(jīng)泵時能量損失增大，因此泵的壓頭、流量都有減少，效率下降，而軸功率增大，亦即泵的特性曲線發(fā)生改變。所以必須對原離心泵特性曲線予以修正。2）離心泵轉(zhuǎn)速n的影響離心泵的特性曲線都是在一定的轉(zhuǎn)速下測定的，但在實際使用時常遇到要改變轉(zhuǎn)速的情況，這時泵內(nèi)液體運動速度三角形將發(fā)生變化，因此泵的壓頭、流量、效率和軸功率也隨之改變。當n變化小于±20%時，泵的效率認為不變，可用比例定律描述：3）離心泵葉輪直徑D的影響當泵的轉(zhuǎn)速一定時

8、，其壓頭、流量與葉輪直徑有關(guān)。對同一型號的泵，可換用直徑較小的葉輪，而其它尺寸不變（僅出口處葉輪的寬度稍有變化），這種現(xiàn)象稱為葉輪的“切割”。當D變化不大于10%，不變時，可用切割定律描述：所謂葉輪切割一次，是指對同一型號的泵換一個直徑較小而其它幾何特征不變的葉輪。離心泵特性曲線要點： 每種型號的離心泵在特定的轉(zhuǎn)速下有其獨有的特性曲線。 在固定轉(zhuǎn)速下，離心泵的Q、H、與無關(guān)，N與有關(guān)，成正比。 當Q=0時，N最小，開泵、停泵應關(guān)閉出口閥。停泵關(guān)閉出口閥可防止設(shè)備內(nèi)液體倒流、防止損壞泵的葉輪。 若輸送液體黏度比清水的大得多時（運動粘度>2×10-5m2/s），泵的Q,H, ,N,

9、泵原來的特性曲線不再適用，需要進行換算。 當離心泵的轉(zhuǎn)速n或葉輪直徑D2發(fā)生改變時，其特性曲線要換算。（比例定律和切割定律）。 離心泵銘牌上所標的流量和壓頭，是泵在最高效率點所對應的性能參數(shù)（QS,HS,NS）,稱為設(shè)計點。泵應在高效去(即92%max的范圍內(nèi))工作。35m常壓水塔河水 離心泵的氣蝕現(xiàn)象和允許安裝高度1. 離心泵的氣蝕現(xiàn)象氣蝕是離心泵特有的一種現(xiàn)象。由離心泵的工作原理可知，在離心泵的葉片入口附近形成低壓區(qū)。離心泵內(nèi)壓強最低點在泵的葉片入口處，當該處壓強小于或等于輸送溫度下液體的飽和蒸汽壓時，液體將在該處汽化，并產(chǎn)生大量氣泡，當氣泡隨液體由低壓區(qū)流向高壓區(qū)后，氣泡會迅速凝結(jié)或破裂

10、，這時周圍液體向原氣泡占據(jù)的位置高速沖擊，使泵體震動并產(chǎn)生噪音，這種現(xiàn)象稱為氣蝕現(xiàn)象。氣蝕的危害性 離心泵的性能下降，泵的流量、壓頭和效率均降低。若生成大量的氣泡，則可能出現(xiàn)氣縛現(xiàn)象，且使離心泵停止工作。 產(chǎn)生噪聲和振動，影響離心泵的正常運行和工作環(huán)境。  泵殼和葉輪的材料遭受損壞，降低了泵的使用壽命。由上分析可知，發(fā)生氣蝕的原因是葉片入口附近液體靜壓強低于某值所致。而造成該處壓強過低的原因諸多，如泵的安裝高度超過允許值，泵送液體溫度過高，泵吸入管路的局部阻力過大等。為避免發(fā)生氣蝕，就應設(shè)法使葉片入口附近的壓強高于輸送溫度下的液體飽和蒸汽壓。通常，根據(jù)泵的抗氣蝕性能，合理地

11、確定泵的安裝高度，是防止發(fā)生氣蝕現(xiàn)象的有效措施。離心泵的抗氣蝕性能1）離心泵的氣蝕余量泵內(nèi)發(fā)生氣蝕的臨界條件是葉輪入口附近（假設(shè)截面為k-k）的最低壓強等于液體的飽和蒸汽壓p，此時泵入口處（截面1-1）的壓強必等于某確定的最小值p1，min。若在泵入口1-1和葉輪入口附近k-k兩截面間列柏努力方程式，可得：為確保離心泵的正常操作，通常將所測得的臨界氣蝕余量加上一定的安全量，稱為必需氣蝕余量，記為（NPSH）r。在離心泵的樣本性能表中給出的是必需氣蝕余量（NPSH）r。在一些離心泵的性能曲線圖中，也繪出（NPSH）r與Q的變化關(guān)系曲線，如上圖。應予指出，泵性能表給出的（NPSH）r值是按輸送20

12、的清水測定得到的。當輸送其它液體時應乘以校正系數(shù)予以修正。但因一般校正系數(shù)小于1，故通常將它作為外加的安全因素，不再校正。2）離心泵的允許吸上真空度為避免氣蝕現(xiàn)象，泵入口處壓強p1應為允許的最低絕對壓強，習慣上常將p1表示為真空度，即說明：由于泵說明書中提供的Hs是在大氣壓為10mH2O下，以20清水為介質(zhì)測出的，所以當輸送其它流體或操作條件改變時，應對其進行校正：因Hs隨流量增大而減小，因此在確定離心泵安裝高度時應使用最大流量下的Hs值來計算。3.離心泵的允許安裝高度離心泵的允許安裝高度（又稱允許吸上高度）是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。假設(shè)離心泵在可允許

13、的安裝高度下操作，于貯槽液面0-0與泵入口處1-1兩截面間列柏努力方程式，可得若貯槽上方與大氣相通，則p0為大氣壓強pa,則若已知離心泵的必需氣蝕余量，則若已知離心泵的允許吸上真空度，則通常為安全起見，離心泵的實際安裝高度硬幣允許安裝高度低0.51.0m。注意：當液體的輸送溫度較高或沸點較低時，由于液體的飽和蒸汽壓較高，就要特別注意泵的安裝高度。若泵的允許安裝高度較低，可采用下列措施： 盡量減小吸入管路的壓頭損失，可采用較大的吸入管徑，縮短吸入管的長度，減少拐彎，省去不必要的管件和閥門等。把泵安裝在貯罐液面以下，使液體利用位差自動吸入泵體內(nèi)，稱之為“倒灌”。 離心泵的工作點與流量調(diào)節(jié)1.管路特

14、性與離心泵的工作點1）管路特性方程式和特性曲線對于某特定管路，若貯槽與受液槽的液面均保持恒定，液體通過管路系統(tǒng)時所需壓頭（即要求泵提供的壓頭），可由上圖所示的截面1-1與2-2間列柏努力方程求得，即2）離心泵的工作點離心泵在管路系統(tǒng)運行時，泵所能提供的流量及壓頭與管路所需要的應一致。此時安裝在管路中的離心泵的工作點必須同時滿足泵的特性方程和管路特性方程，即2.離心泵的流量調(diào)節(jié)1）改變閥門開度（改變管路特性曲線）改變離心泵出口管路上閥門的開度，即可改變管路特性曲線。當閥門關(guān)小時，管路的局部阻力加大，管路特性曲線變陡時，工作點由M點移至M1點，流量由QM降至QM1.當閥門開大時，管路的局部阻力減小

15、，管路特性曲線變平坦，工作點由M點移至M2點，流量由QM加大至QM2.采用閥門來調(diào)節(jié)流量：優(yōu)點：快速簡便，流量可連續(xù)變化，適合化工連續(xù)生產(chǎn)的特點，因此應用十分廣泛。缺點：閥門關(guān)小時，流動阻力加大，需要額外多消耗一部分能量 且在調(diào)節(jié)幅度較大時離心泵往往在低效區(qū)工作，經(jīng)濟性差。2）改變泵的特性曲線改變泵的特性，在冬季和夏季送水量相差較大時，用比例定律或切割定律改變泵的性能參數(shù)或特性曲線，此法甚為經(jīng)濟。改變泵的轉(zhuǎn)速，實質(zhì)上是改變泵的特性曲線。如圖，泵原來的轉(zhuǎn)速為n，工作點為M,若將泵的轉(zhuǎn)速提高到n1，泵的特性曲線H-Q向上移，工作點由M變至M1,流量由QM加大到QM1；泵原來的轉(zhuǎn)速為n，工作點為M,

16、若將泵的轉(zhuǎn)速降至n2，泵的特性曲線H-Q向下移，工作點由M變至M2,流量由QM減小至QM2；這種調(diào)節(jié)方法能保持管路特性曲線不變。優(yōu)點：流量隨轉(zhuǎn)速下降而減少，動力消耗也相應降低，能量消耗比較合理；缺點：改變泵的轉(zhuǎn)速需要變速裝置或價格昂貴的變速原動機，且難以做到流量連續(xù)調(diào)節(jié)。3）減小葉輪直徑減小葉輪直徑，實質(zhì)上是改變泵的特性曲線，從而使泵的流量變小，主要是季節(jié)性調(diào)節(jié)。4）離心泵的串聯(lián)和并聯(lián)在實際生產(chǎn)中，當單臺離心泵不能滿足輸送任務要求時，可采用離心泵的并聯(lián)或串聯(lián)操作。（1） 離心泵的并聯(lián)操作設(shè)將兩臺型號相同的離心泵并聯(lián)操作，各自的吸入管路相同，則兩泵的流量和壓頭必相同，且具有相同的管路特性曲線。在

17、同一壓頭下，兩臺并聯(lián)泵的流量等于單臺泵的兩倍。于是依據(jù)單臺泵的特性曲線上的一系列坐標點，保持其縱坐標（H）不變，使橫坐標（Q）加倍，由此得到一系列對應的坐標點，即可繪得兩臺泵并聯(lián)操作的合成特性曲線。如圖所示。并聯(lián)泵的操作流量和壓頭可由合成特性曲線與管路特性曲線的交點來決定。由于流量增大使管路流動阻力增加，因此兩臺泵并聯(lián)后的總流量必低于原單臺泵流量的兩倍。（2）離心泵的串聯(lián)操作設(shè)將兩臺型號相同的離心泵串聯(lián)操作，則每臺泵的流量和壓頭也是相同的，因此在同一流量下，兩臺串聯(lián)泵的壓頭等于單臺泵的兩倍。于是依據(jù)單臺泵的特性曲線上的一系列坐標點，保持其橫坐標（Q）不變，使縱坐標（H）加倍，由此得到一系列對應

18、的坐標點，即可繪得兩臺泵串聯(lián)操作的合成特性曲線。如圖所示。同樣，串聯(lián)泵的工作點也由泵的合成特性曲線與管路特性曲線的交點來決定。兩臺泵串聯(lián)操作的總壓頭必低于原單臺泵壓頭的兩倍。（3）離心泵組合方式的選擇生產(chǎn)中究竟采用何種組合方式比較經(jīng)濟合理，應考慮 管路要求的壓頭及管路特性曲線的形狀。注意點：性能相同的泵并聯(lián)工作時，所獲得的流量并不等于每臺泵在同一管路中單獨使用時的倍數(shù)，且并聯(lián)的臺數(shù)愈多，流量的增加率愈?。划敼苈诽匦郧€較陡時，流量增加的百分數(shù)也較小。對此種高阻管路，宜采用串聯(lián)組合操作。 離心泵的類型、選擇與使用1.離心泵的類型由于化工生產(chǎn)中被輸送液體的性質(zhì)、壓強和流量等差異很大，為了適應各種不

19、同的要求，離心泵的類型也是多種多樣的。按被輸送液體的性質(zhì)來分：1）清水泵（IS型，D型，Sh型）：用于輸送水或物理、化學性質(zhì)與水相近的清潔液體。IS型水泵為單級單吸懸臂式離心水泵的代號，應用最為廣泛。D型水泵為多級泵的代號，應用于所要求的壓頭較高流量并不大的情況。Sh型水泵為國產(chǎn)雙吸泵的代號，應用于所要求的流量較大而所需的壓頭并不高時的情況。雙吸泵的葉輪有兩個吸入口。2）耐腐蝕泵（F型）用于輸送酸堿等。該泵主要特點是與液體接觸的泵部件用耐腐蝕材料制成。3）油泵（Y型）輸送石油產(chǎn)品的泵。油品的特點是易燃、易爆，因此對油泵的一個重要要求時密封完善。當輸送200以上的油品時，還要對軸封裝置和軸承等進

20、行良好的冷卻。4）雜質(zhì)泵（P型）輸送懸浮液及稠厚的漿液。細分為：PW污水泵、PS砂泵、PN泥漿泵要求不易被雜質(zhì)堵塞、耐磨、容易拆洗。特點：葉輪流道寬、葉片數(shù)目少、泵殼內(nèi)有耐磨的鑄鋼護板。在泵的產(chǎn)品目錄或樣本中，泵的型號是由字母和數(shù)字組合而成，以代表泵的類型、規(guī)格。IS100-80-160其中 IS單級單吸離心水泵； 100泵的吸入口內(nèi)徑，mm； 80泵的排出口內(nèi)徑，mm； 160泵的葉輪直徑，mm。40FM1-26其中 40泵吸入口直徑，mm； F懸臂式耐腐蝕離心泵； M與液體接觸部件的材料代號（M表示鉻鎳鉬鈦合金鋼）； 1軸封類型代號（1代表單端面密封）； 26泵的揚程，m。100Y-120

21、×2其中 100泵吸入口直徑，mm； Y單吸離心油泵； 120泵的單級揚程，m； 2葉輪級數(shù)。2.離心泵的選擇離心泵的選擇，可按下列方法與步驟進行。（1）根據(jù)被輸送液體的物性及操作條件來選擇類型；（2）根據(jù)生產(chǎn)任務所要求的流量Qe，在根據(jù)管路配置情況計算所需壓頭He，然后以流量和壓頭兩個數(shù)據(jù)為依據(jù)，在泵的系列標準中選擇具體型號，選擇原則是：H稍大于He，Q稍大于Qe，；（3）列出泵的主要性能參數(shù)并核算軸功率。（若輸送液體的密度大于誰的密度）若幾種型號的泵都能滿足要求，則應考慮經(jīng)濟性和工作點上的效率。3.離心泵的安裝和操作離心泵的安裝和操作方法可參考離心泵的說明書，下面僅介紹一般應注意

22、的問題。 離心泵的安裝高度必須低于允許吸上高度，以免出現(xiàn)氣蝕和吸不上液體的現(xiàn)象。因此在管路布置時應盡可能減小吸入管路的流動阻力。 離心泵在啟動前必須向泵內(nèi)充滿待輸送的液體，保證泵內(nèi)和吸入管路內(nèi)無空氣積存。 離心泵應在出口閥關(guān)閉的條件下啟動，這樣啟動功率最小。停泵前也應先關(guān)閉出口閥，以免排出管路內(nèi)液體倒流，使葉輪受沖擊而被損壞。 離心泵在運轉(zhuǎn)中應定時檢查和維修，注意泵軸液體泄漏、發(fā)熱等情況，保持泵的正常操作。2.2 往復泵往復泵的工作原理和主要部件1. 主要部件泵缸，活塞，活塞桿，吸入閥，排出閥。2. 工作原理當活塞自左向右移動時，泵缸內(nèi)形成負壓，貯槽液體經(jīng)吸入閥進入泵缸內(nèi)；當活塞自右向左移動時

23、，缸內(nèi)液體受擠壓，壓強升高，液體由排出閥排出?；钊笥叶它c間的距離叫沖程（或位移）。單動泵：活塞往復一次，只吸、排液各一次的泵。雙動泵：活塞往復一次，吸、排液兩次的泵。多動泵：活塞往復一次，吸、排液多次的泵。2. 主要性能參數(shù)1）往復泵的壓頭往復泵的壓頭與泵的幾何尺寸無關(guān)，只要泵的力學強度及原動機的功率允許，輸送系統(tǒng)要求多高的壓頭，往復泵就可提供多高的壓頭。實際上，由于活塞環(huán)、軸封、吸入閥和排出閥等處的泄漏，降低了泵可能達到的壓頭。往復泵的排液能力與活塞位移有關(guān)，但與管路情況無關(guān)，壓頭則受管路承受能力的限制，這種性質(zhì)稱為正位移性，具有這種特性的泵稱為正位移泵。2）往復泵的流量（排液能力）往復泵

24、的流量（排液能力）只與泵的幾何尺寸和活塞的往復次數(shù)有關(guān)，而與泵的壓頭及管路情況無關(guān)，即無論在什么壓頭下工作，只要往復一次，泵就排出一定體積的液體。往復泵是容積式泵。3) 往復泵的特性曲線往復泵的工作點：特性曲線與管路特性曲線的交點。工作點隨管路曲線的不同只在垂直方向上變動。即Q不變，H增減。壓頭的極限取決于泵的力學強度和原動機的功率。4）往復泵的流量調(diào)節(jié)往復泵的流量調(diào)節(jié)方法有以下兩種：（1）旁路調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)方法簡單、可行，但不經(jīng)濟，一般適用于流量變化較小的經(jīng)常性調(diào)節(jié)。（2）改變活塞沖程和往復次數(shù)調(diào)節(jié)方法經(jīng)濟性好，操作不便，在經(jīng)常性調(diào)節(jié)中目前仍很少采用。注意點： 往復泵有自吸能力，開車前不用充液； 往復泵吸上真空度也隨泵安裝地區(qū)的大氣壓、輸送液體的性質(zhì)和溫度變化而變化，所以吸上高度也有所變化； 為避免泵內(nèi)壓強急劇上升而損壞泵體，啟動前必須打開出口閥門； 不能只用出口閥調(diào)節(jié)流量，應采用旁路閥配合調(diào)節(jié)。往復泵與離心泵的比較離心泵：送液量多，流量均勻，結(jié)構(gòu)簡單，操作、安裝方便，但產(chǎn)生的壓頭不太高。往復泵：適應于高壓頭、小流量、高粘度液體，不適宜輸送懸浮液及腐蝕性液體。流量不均勻，但可產(chǎn)生很高的壓頭。2.3 氣體輸送和壓縮設(shè)備輸送和壓縮氣體的機械統(tǒng)稱為氣體壓送機械，其作用與液體輸送機械頗為類似，都是對流體作功，以提高流體的壓強。氣體輸送和壓縮機械的