化工原理 流體輸送機(jī)械

1、化工原理 流體輸送機(jī)械2022/9/41第1頁，共48頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二本章學(xué)習(xí)指導(dǎo)1 本章學(xué)習(xí)的目的 本章是流體力學(xué)原理的具體應(yīng)用。通過學(xué)習(xí)掌握工業(yè)上最常用的流體輸送機(jī)械的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及操作特性，以便根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，合理地選擇和正確地使用輸送機(jī)械，以實(shí)現(xiàn)高效、可靠、安全的運(yùn)行。2 本章應(yīng)掌握的內(nèi)容 本章應(yīng)重點(diǎn)掌握離心泵的工作原理、操作特性及其選型。3 本章學(xué)習(xí)中應(yīng)注意的問題 在學(xué)習(xí)過程中，加深對(duì)流體力學(xué)原理的理解，并從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，達(dá)到經(jīng)濟(jì)、高效、安全地實(shí)現(xiàn)流體輸送。2022/9/42第2頁，共48頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二 3

2、-1 概述一、流體輸送機(jī)械在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用 根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)的需要將流體由一處輸送到另一處。 1、提高流體的位能； 2、提高流體的壓強(qiáng)（靜壓能） 3、克服管路上的機(jī)械能損失（阻力損失）。 流體輸送機(jī)械是向流體作功以提高流體機(jī)械能的裝置。 一般情況下，流體輸送機(jī)械提供的機(jī)械能是以單位重量流體或單位體積流體為衡量基準(zhǔn)。2022/9/43第3頁，共48頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二二、流體輸送機(jī)械分類 1、按輸送流體的類型分 （1）用于輸送液體的機(jī)械稱為泵; （2）用于輸送氣體的機(jī)械則按其所產(chǎn)生壓強(qiáng)的大小稱為通風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)或壓縮機(jī)。 2022/9/44第4頁，共48頁，2022年，5月

3、20日，0點(diǎn)29分，星期二 2、按照操作原理分 （1）離心式：由高速旋轉(zhuǎn)的葉輪對(duì)流體作功，將機(jī)械能傳給流體，流體在離心力作用下，獲得動(dòng)能，經(jīng)轉(zhuǎn)換后提高了靜壓能，被輸送到指定地點(diǎn)。常見的有：離心泵、離心通風(fēng)機(jī)、離心壓縮機(jī)等； （2）往復(fù)式：又稱容積式或正位移式。靠往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞（柱塞）使流體吸入和排出，并將機(jī)械能以靜壓能的形式直接傳給流體。屬于這一類的設(shè)備有：往復(fù)泵、計(jì)量泵、往復(fù)式壓縮機(jī)等； 2022/9/45第5頁，共48頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二 （3）旋轉(zhuǎn)式：此類設(shè)備是靠機(jī)殼內(nèi)一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)吸入和排出流體。旋轉(zhuǎn)泵又稱轉(zhuǎn)子泵。旋轉(zhuǎn)式輸送設(shè)備的形式很多，工作原理

4、都想同，常用的有：齒輪泵、螺桿泵,羅茨（Rootes）鼓風(fēng)機(jī)及水環(huán)真空泵等； （4）流體作用式：流體流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換，這樣就可以利用一種流體的作用產(chǎn)生壓強(qiáng)或造成真空，而達(dá)到輸送另一種流體的目的，如：噴射泵。2022/9/46第6頁，共48頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二3-2 離心泵 離心泵是化學(xué)工業(yè)與石油工業(yè)中最為常用的一種液體輸送機(jī)械。這種泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作容易，效率高，流量均勻，適用于輸送有腐蝕性、含懸浮物等性質(zhì)特殊的液體，又適用于水等一般性液體。所以離心泵的應(yīng)用范圍非常廣。swf0011-01.swfswf0011-32.sw2022/9/47第7頁，共48頁，

5、2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二 一、離心泵的構(gòu)造與工作原理 1、離心泵的構(gòu)造 離心泵的構(gòu)造如下圖所示，主要由兩個(gè)主要部分構(gòu)成：一是包括葉輪和泵軸的旋轉(zhuǎn)部分；二是由泵殼、填料函和軸承組成的靜止部分。（1）葉輪：葉輪是對(duì)流體做功的部件。 作用：是將原動(dòng)機(jī)如電動(dòng)機(jī)的機(jī)械能直接傳給液體，以增加液體的靜壓能和動(dòng)能（靜壓能為主）。 葉輪上有412片后彎的葉片，葉輪安裝在泵殼內(nèi)，并緊固在泵軸上，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)而快速旋轉(zhuǎn) swf0011-33.swf2022/9/48第8頁，共48頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二 類型A.葉輪按其機(jī)械結(jié)構(gòu)可分為閉式、半閉式和開式三種 （開式、半開式、閉

6、式）2022/9/49第9頁，共48頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二2022/9/410第10頁，共48頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二B.按吸液方式不同可將葉輪分為單吸式與雙吸式兩種 （單吸、雙吸） 2022/9/411第11頁，共48頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二to2022/9/412第12頁，共48頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二2022/9/413第13頁，共48頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二2022/9/414第14頁，共48頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二 （2）泵殼和導(dǎo)輪： 泵殼：是離心泵的

7、外殼。在泵殼內(nèi)有一個(gè)截面積逐漸擴(kuò)大的蝸牛形通道，故又稱蝸殼。葉輪在泵殼內(nèi)沿著蝸形通道逐漸擴(kuò)大的方向旋轉(zhuǎn)，越接近液體出口，流道截面積越大。液體從葉輪外周高速流出后，流過泵殼蝸形通道時(shí)，流速將逐漸降低，因此減少了流動(dòng)的能量損失，而且使部分動(dòng)能轉(zhuǎn)換為靜壓能。作用：泵殼不僅是匯集由葉輪流出的液體的部件，而且又是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換裝置，即匯集液體，轉(zhuǎn)換能量。 泵殼有兩個(gè)接口。一個(gè)在泵殼的中央，口徑較大，并正對(duì)葉輪中心 ，此為吸入口，與吸入導(dǎo)管相連；另一個(gè)在泵殼的旁側(cè)，口徑較小，此為壓出口，與壓出導(dǎo)管相連。2022/9/415第15頁，共48頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二 導(dǎo)輪：在葉輪和泵殼之間

8、有時(shí)還裝有一個(gè)固定不動(dòng)且也帶有葉片的導(dǎo)輪，因?yàn)閷?dǎo)輪具有若干逐漸轉(zhuǎn)向和擴(kuò)大的流道，使部分動(dòng)能可轉(zhuǎn)化為靜壓能，可減少能量損失。其作用引導(dǎo)流體逐漸改變流向，減少離開葉輪的液體直接進(jìn)入泵殼時(shí)因沖擊而引起的能量損失。2022/9/416第16頁，共48頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二（3）軸封裝置 由于泵軸轉(zhuǎn)動(dòng)而泵殼固定不動(dòng)，泵軸穿過泵殼處肯定會(huì)有間隙。所以為了防止泵內(nèi)高壓液體沿間隙漏出或外界空氣漏入泵內(nèi)，必須設(shè)置軸封裝置。 軸封作用 為避免泵內(nèi)高壓液體沿間隙漏出，或防止外界空氣從相反方向進(jìn)入泵內(nèi)。 類型 （1）填料密封裝置 （2）機(jī)械密封裝置 P86-872022/9/417第17頁，共

9、48頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二2022/9/418第18頁，共48頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二結(jié)構(gòu)作用泵殼轉(zhuǎn)能裝置，匯集葉輪拋出液體的部件葉輪關(guān)鍵部件，電動(dòng)機(jī)的能量通過葉輪傳遞給液體；電能-動(dòng)能-靜壓能，產(chǎn)生離心力密封環(huán)減少液體從葉輪出口漏入的液量軸封裝置防止高壓液體沿軸向四周漏出軸向力的平衡裝置平衡孔和采用雙吸式葉輪來消除軸向力導(dǎo)輪引導(dǎo)流體逐漸改變流向，減少能量損失吸入管路單向閥防停車時(shí)泵內(nèi)液體倒流回貯槽濾網(wǎng)防雜物進(jìn)入管道和泵殼離心泵的主要部件=保證過程如何實(shí)現(xiàn)2022/9/419第19頁，共48頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二2、離心泵的

10、工作原理 1) 離心泵啟動(dòng)前要做兩項(xiàng)準(zhǔn)備工作： （1）要“灌泵”，即先要向泵殼及吸入管內(nèi)灌滿被輸送的液體，俗稱“灌泵”。以防止“氣縛現(xiàn)象”的發(fā)生； （2）要先將出口閥門關(guān)上，啟動(dòng)電機(jī)后再將出口閥門打開。這樣是為了使泵在最小功率下啟動(dòng)，以確保電機(jī)安全。2022/9/420第20頁，共48頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二 2）離心泵的工作原理to 離心泵啟動(dòng)后，葉輪由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)，充滿在葉片間的液體，在葉片的推動(dòng)下也跟著旋轉(zhuǎn)，并產(chǎn)生離心力。在離心力的作用下，液體從葉輪中心被拋向外緣的過程中，獲得能量，并以高速離開葉輪外緣，進(jìn)入蝸形泵殼。 由于兩葉片間的流道截面積和泵殼內(nèi)的蝸形流

11、道截面積都是逐漸擴(kuò)大的，因而流速逐漸降低，從而將部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能，使泵出口處液體的壓強(qiáng)大大提高，由泵的壓出口壓入排出管道，送至需要的場(chǎng)所。2022/9/421第21頁，共48頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二 液體在從葉輪被甩向外緣時(shí)，使葉輪中心形成低壓或負(fù)壓，其值低于被吸入的液體液面的壓強(qiáng)（即當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐耐鈮海嗉催_(dá)到一定的真空度。在這個(gè)壓強(qiáng)差的作用下，液體便被連續(xù)不斷地吸入葉輪中，而且只要葉輪不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)，液體便會(huì)不斷的吸入和排出。這樣泵就會(huì)連續(xù)不斷的輸送液體。2022/9/422第22頁，共48頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二 3、離心泵的氣縛現(xiàn)象 離心泵輸送

12、液體，是依靠離心力的作用，而離心力的大小除了與葉輪的轉(zhuǎn)速，葉輪的直徑有關(guān)外，還與流體的密度有關(guān)，因此，流體的密度越大，產(chǎn)生的離心力就越大。 離心力：2022/9/423第23頁，共48頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二 如果在啟動(dòng)前離心泵泵殼內(nèi)和吸入管內(nèi)沒有灌滿被輸送的液體，則其中充滿了空氣，由于空氣的密度遠(yuǎn)比液體的密度小，產(chǎn)生的離心力就小的多，那么貯槽液面上方與泵吸入口處的壓差不夠大，不足以將槽液內(nèi)的液體吸入泵內(nèi)，（這說明泵吸入口處的壓強(qiáng)不夠低，或其真空度不夠高）這樣離心泵雖在轉(zhuǎn)動(dòng)，卻不能輸送液體，即空轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為離心泵的“氣縛現(xiàn)象”。 這說明：離心泵沒有自吸能力。 為了防止

13、氣縛現(xiàn)象的發(fā)生，啟動(dòng)前必須先灌泵，運(yùn)轉(zhuǎn)中也要防止氣體漏入。 2022/9/424第24頁，共48頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二二、離心泵的主要性能參數(shù) 離心泵的主要性能參數(shù)是指揚(yáng)程、流量、軸功率及效率。 1、揚(yáng)程：又稱泵的壓頭，是指單位重量流體經(jīng)泵后所獲得的能量（或泵對(duì)單位重量流體所提供的有效功），用H表示（相當(dāng)于柏氏方程中的He），單位為m。 離心泵的揚(yáng)程取決于泵的結(jié)構(gòu)（如葉輪的直徑、葉片的彎曲情況等）轉(zhuǎn)速和流量。一般由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。2022/9/425第25頁，共48頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二2、流量：泵的流量又稱泵的送液能力，是指泵在單位時(shí)間內(nèi)排出的液體體

14、積，用Q表示，單位為：m3/s，或m3/h。泵的流量也是通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定。3、功率與效率： 泵的功率有軸功率和有效功率。 （1）軸功率：是指電動(dòng)機(jī)或其他原動(dòng)機(jī)直接傳給泵軸的功率，以N表示。單位為：J/s，或者w，kw。 （2）有效功率：是指液體實(shí)際得到的功率。用Ne表示。單位同軸功率。2022/9/426第26頁，共48頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二 液體實(shí)際得到的功率小于軸功率，這是因?yàn)楸迷谳斔鸵后w的過程中，不可避免地會(huì)有能量損失，故泵軸轉(zhuǎn)動(dòng)所做的功不能全部都為液體所獲得，這就存在一個(gè)泵的效率問題，泵的效率是反應(yīng)總能量損失的一個(gè)參數(shù)，所以又稱泵的總效率，用表示。 2022/9/4

15、27第27頁，共48頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二 =Ne/N 或 N=Ne/ Ne=ws.we , ws=Q , we=Hg , Ne= Q . Hg 用該公式時(shí)要注意單位一致，各量統(tǒng)一用SI單位 ，最后得到的軸功率的單位就是kw。2022/9/428第28頁，共48頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二 三、離心泵的特性曲線 離心泵的主要性能參數(shù)H、N及對(duì)Q的一系列數(shù)據(jù)在直角坐標(biāo)上標(biāo)繪成一組曲線，稱為離心泵的特性曲線，又稱工作性能曲線。 此曲線由泵的生產(chǎn)廠家提供，它反映了泵的各性能參數(shù)之間的相互關(guān)系，是分析和選用泵的重要數(shù)據(jù)。各種離心泵的特性曲線不同，但具有如下共同

16、點(diǎn)。2022/9/429第29頁，共48頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二2022/9/430第30頁，共48頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二4B20型清水泵： 4 泵吸入口的內(nèi)徑為4英寸；（425=100mm） B 單級(jí)單吸懸臂式離心式水泵； 20 泵的揚(yáng)程為20m。2022/9/431第31頁，共48頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二 1、揚(yáng)程曲線（H-Q線） 離心泵的揚(yáng)程曲線，反映泵的揚(yáng)程與流量之間的關(guān)系。從上圖可以看出，離心泵的揚(yáng)程H隨流量Q的增加而逐漸減小。當(dāng)Q=0時(shí)，揚(yáng)程H達(dá)到最大，即H=Hmax,亦即泵空轉(zhuǎn)時(shí)揚(yáng)程最大。 2、功率曲線（N-Q線

17、） 離心泵的功率曲線，表示泵的軸功率N與流量Q之間的關(guān)系。泵的軸功率N隨流量Q的增加而增加。當(dāng)Q=0時(shí)，軸功率最小，即NNmin。所以在泵啟動(dòng)以前要關(guān)閉出口閥門，使泵在最小功率下啟動(dòng)，以確保電機(jī)啟動(dòng)電流最小，使電機(jī)不超載而保證安全。 2022/9/432第32頁，共48頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二3、效率曲線（-Q線） 離心泵的效率曲線，表示泵的效率與流量之間的關(guān)系。當(dāng)Q=0時(shí)，0，而后隨著流量的增加，效率也增加，達(dá)到最大值后又減小。此峰值即為泵在一定轉(zhuǎn)速下的最高效率點(diǎn)。 泵的最高效率點(diǎn)就是泵的設(shè)計(jì)點(diǎn)。標(biāo)注在泵的銘牌上的數(shù)值就是該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的各性能參數(shù)。 通常將最高效率的92以

18、上這段范圍稱為泵的高效區(qū)，選用離心泵時(shí)，應(yīng)盡可能使泵在此區(qū)內(nèi)工作，以期達(dá)到比較高的效率。2022/9/433第33頁，共48頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二 例 31 采用本題附圖所示 的實(shí)驗(yàn)裝置來測(cè)定離心泵的性能，泵的吸入管內(nèi)徑為100mm，排出管內(nèi)徑為80mm，兩測(cè)壓口間的垂直距離為0.5m。泵的轉(zhuǎn)速為2900r/min，以20的清水為介質(zhì)，測(cè)得以下數(shù)據(jù)： 流量：15 L/s； 泵出口處的表壓：2.55105 Pa ；泵入口處的真空度：2.67 104 Pa ；功率表測(cè)得電動(dòng)機(jī)消耗的功率：6.2 kw 。泵由電動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)，電動(dòng)機(jī)的效率為93。 試求該泵在輸送條件下的壓頭、軸

19、功率及效率。并列出該效率下泵的性能。2022/9/434第34頁，共48頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二h01122swf0011-34.swfP93 例2-22022/9/435第35頁，共48頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二 解：（1）泵的揚(yáng)程 如圖，取真空表與壓強(qiáng)表所在的截面分別為11截面與22截面，并以11截面所在的水平面為基準(zhǔn)面。在兩截面之間列柏氏方程：據(jù)題意，式中： z1=0 ; z2=0.5 ; p1=-2.67104 Pa（表） ; p2=2.55 105 Pa（表）2022/9/436第36頁，共48頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二

20、兩測(cè)壓口間的距離很短，其間流動(dòng)阻力可忽略不計(jì)，即Hf0 設(shè)兩測(cè)壓口間的距離為h0，即h0=z1-z2 ，則泵的揚(yáng)程計(jì)算的通式為：2022/9/437第37頁，共48頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二 （2） 泵的軸功率 功率表測(cè)得的功率為電動(dòng)機(jī)的輸入功率。由于泵由電動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)，傳動(dòng)效率可視為100% ,所以電動(dòng)機(jī)的輸出功率等于泵的軸功率。因電動(dòng)機(jī)本身要消耗一部分功率，其效率為93 ，那么電動(dòng)機(jī)的輸出功率即為：電動(dòng)機(jī)的輸入功率其效率6.2 93%=5.77 kw 則泵的軸功率為 ：N=5.77 kw 2022/9/438第38頁，共48頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二

21、 泵的性能參數(shù)： n=2900 r/min ； Q=15 l/s =54 m3/h ； H=29.5 m ；N=5.77 kw ； 75.2 %(3) 泵的效率2022/9/439第39頁，共48頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二 四、離心泵的安裝高度 離心泵的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(dá)到的最大垂直距離，用Hg表示。 如圖所示，假設(shè)離心泵在可允許的安裝高度下操作，于貯槽液面00與泵入口處截面11間列柏氏方程：2022/9/440第40頁，共48頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二2022/9/441第41頁，共48頁，2022年，5月

22、20日，0點(diǎn)29分，星期二 式中： z0=0 ，u0=0 ，z1=Hg 則 整理一下，得 離心泵的安裝高度計(jì)算式p1泵入口處可允許的最低絕對(duì)壓強(qiáng)，Pa ；p0貯槽液面處的壓強(qiáng)，即外界大氣壓，Pa ；Hf液體流經(jīng)吸入管路的壓頭損失，m 2022/9/442第42頁，共48頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二 2、離心泵的氣蝕現(xiàn)象 由離心泵的安裝高度計(jì)算式可以看出，當(dāng)貯槽液面上方的壓強(qiáng)（一般通大氣）一定時(shí)，若泵吸入口附近的壓強(qiáng)p1越低，則允許吸上高度越高。但是吸入口處的低壓是有限制的。 因?yàn)楫?dāng)葉片入口附近的最低壓強(qiáng)等于或低于輸送溫度下液體的飽和蒸汽壓時(shí)，液體將在該處氣化并產(chǎn)生氣泡，體積迅

23、速膨脹，當(dāng)含大量氣泡的液體由泵中心的低壓區(qū)進(jìn)入高壓區(qū)時(shí)，氣泡因受高壓作用又迅速的凝結(jié)或破裂，形成局部真空，周圍的液體以極高的速度沖向原氣泡所占據(jù)的空間，造成極大的沖擊和振動(dòng)。在沖擊點(diǎn)處產(chǎn)生幾百大氣壓的局部壓強(qiáng)，沖擊頻率可高達(dá)幾百萬次之多。2022/9/443第43頁，共48頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二 由于沖擊作用使泵體震動(dòng)并產(chǎn)生噪音，且葉輪局部處在巨大沖擊力的反復(fù)作用下，使材料表面疲勞，從開始點(diǎn)蝕到形成裂縫，使葉輪或泵體受到破壞，這種現(xiàn)象叫做泵的氣蝕現(xiàn)象。 氣蝕現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，由于產(chǎn)生大量氣泡，占據(jù)了液體流道的部分空間，導(dǎo)致泵的流量，壓頭及效率下降，氣蝕嚴(yán)重時(shí)，泵體震動(dòng)明顯，產(chǎn)生明顯噪音，無法正常操作。 因此為了使泵能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，應(yīng)避免產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象。這就要求葉輪入口處的最低壓強(qiáng)必須維持在某一值以上，通常取輸送溫度下液體的飽和蒸汽壓作為最低壓強(qiáng)。2022/9/444第44頁，共48頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二 3、離心泵的允許吸上真空高度 在實(shí)際操作中，由于不易確定最低壓強(qiáng)的位置，所以往