化工原理第二章流體輸送改

心泵 心泵的操作原理、構(gòu)造與類型 （ 1）操作原理 由若干個(gè)彎曲的葉片組成的 葉輪 置于具有蝸殼通道的 泵殼 之內(nèi)。 葉輪 緊固于 泵軸 上 泵軸與 電機(jī) 相連， 可由電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。 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，裝有調(diào)節(jié)閥。 離心泵的工作過(guò)程 ： 開(kāi)泵前，先在泵內(nèi) 灌滿要輸送的液體 。 開(kāi)泵后，泵軸帶動(dòng)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（ 15m/s） 流入泵殼 。 蝸形泵殼中由于流道的不斷擴(kuò)大 ， 液體的 流速減慢 ， 使 大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能 。 最后液體 以較高的靜壓強(qiáng)從排出口流入排出管道 。 泵內(nèi)的液體被拋出后 ， 葉輪的中心形成了真空 ， 在液面壓強(qiáng) （ 大氣壓 ） 與泵內(nèi)壓力 （ 負(fù)壓 ） 的壓差作用下 ， 液體便經(jīng)吸入管路進(jìn)入泵內(nèi) ， 填補(bǔ)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 。 心泵 啟動(dòng) 時(shí)，如果 泵殼內(nèi)存在空氣 ，由于空氣的密度遠(yuǎn)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(wú)法工作，這種現(xiàn)象稱作 “ 氣縛 ” 。 為了使啟動(dòng)前泵內(nèi)充滿液體 ， 在吸入管道底部裝一止逆閥 。 此外 ， 在離心泵的出口管路上也裝一調(diào)節(jié)閥 ， 用于開(kāi)停車(chē)和調(diào)節(jié)流量 。 氣縛現(xiàn)象 輪的作用 將電動(dòng)機(jī)的機(jī)械能傳給液體 ,使液體的動(dòng)能有所提高。 葉輪的分類 根據(jù)結(jié)構(gòu) 閉式葉輪 開(kāi)式葉輪 半閉式葉輪 葉片的內(nèi)側(cè)帶有 前后蓋板 ， 適于輸送干凈流體 ， 效率較高 。 沒(méi)有前后蓋板 ，適合輸送含有固體顆粒的液體懸浮物。 只有 后蓋板 ，可用于輸送漿料或含固體懸浮物的液體，效率較低。 （ 2）基本部件和構(gòu)造 吸式葉輪 雙吸式葉輪 液體只能從葉輪一側(cè)被吸入，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 相當(dāng)于兩個(gè)沒(méi)有蓋板的單吸式葉輪背靠背并在了一起， 可以從兩側(cè)吸入液體 ，具有較大的吸液能力，而且可以較好的消除軸向推力。 按吸液方式 相當(dāng)于兩個(gè)沒(méi)有蓋板的單吸式葉輪背靠背并在了一起， 可以從兩側(cè)吸入液體 ，具有較大的吸液能力，而且可以較好的消除軸向推力。）泵殼 泵殼的作用 匯集液體，作導(dǎo)出液體的通道； 能量轉(zhuǎn)換裝置，使液體的能量發(fā)生轉(zhuǎn)換，一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能。 導(dǎo)葉輪 為了減少液體直接進(jìn)入蝸殼時(shí)的碰撞，在葉輪與泵殼之間有時(shí)還裝有一個(gè) 固定不動(dòng)的帶有葉片的圓盤(pán) ，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(dòng)能向靜壓能的轉(zhuǎn)換更為有效。 封裝置 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)。 軸封的分類 軸封裝置 填料密封 ： 機(jī)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密封。 主要由裝在泵軸上隨之轉(zhuǎn)動(dòng)的 動(dòng)環(huán) 和固定于泵殼上的 靜環(huán) 組成，兩個(gè)環(huán)形端面由彈簧的彈力互相貼緊而作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，起到密封作用。 端面密封 強(qiáng)不息 知行合一 （ 3)離心泵的分類 按照軸上葉輪數(shù)目的多少 單級(jí)泵 多級(jí)泵 軸上只有 一個(gè)葉輪 的離心泵，適用于出口壓力不太大的情況； 軸上 不止一個(gè)葉輪 的離心泵 ，可以達(dá)到較高的壓頭。離心泵的 級(jí)數(shù)就是指軸上的葉輪數(shù) ，我國(guó)生產(chǎn)的多級(jí)離心泵一般為 2 按葉輪上吸入口的數(shù)目 單吸泵 雙吸泵 葉輪上只有 一個(gè)吸入口 ，適用于輸送量不大的情況。 葉輪上有 兩個(gè)吸入口 ，適用于輸送量很大的情況。 強(qiáng)不息 知行合一 按離心泵的不同用途 水泵 輸送 清水和物性與水相近、無(wú)腐蝕性且雜質(zhì)很少的液體 的泵 , （ 耐腐蝕泵 接觸液體的部件（葉輪、泵體）用 耐腐蝕材料 制成。要求：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零件容易更換、維修方便、密封可靠、用于耐腐蝕泵的材料有：鑄鐵、高硅鐵、各種合金鋼、塑料、玻璃等。（ 油泵 輸送 石油產(chǎn)品 的泵 ，要求密封完善。（ Y 型 ） 雜質(zhì)泵 輸送 含有固體顆粒的懸浮液、稠厚的漿液 等的泵 ，又細(xì)分為污水泵、砂泵、泥漿泵等 。要求不易堵塞、易拆卸、耐磨、在構(gòu)造上是葉輪流道寬、葉片數(shù)目少。 強(qiáng)不息 知行合一 (1)離心泵基本方程式的導(dǎo)出 假設(shè)如下理想情況 ： 1） 泵葉輪的 葉片數(shù)目為無(wú)限多個(gè) ， 也就是說(shuō)葉片的厚度為無(wú)限薄 ， 液體質(zhì)點(diǎn)沿葉片彎曲表面流動(dòng) ， 不發(fā)生任何環(huán)流現(xiàn)象 。 2） 輸送的是 理想液體 ， 流動(dòng)中 無(wú)流動(dòng)阻力 。 離心泵在上述理想情況下所能產(chǎn)生的壓頭 ， 稱為理想壓頭 ， 此即為離心泵所能達(dá)到的最大壓頭 。 高速旋轉(zhuǎn)的葉輪當(dāng)中，液體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)包括： 液體隨葉輪旋轉(zhuǎn) ； 經(jīng)葉輪流道向外流動(dòng)。 液體與葉輪一起旋轉(zhuǎn)的速度 小為： 602 11602 22體沿葉片表面運(yùn)動(dòng)的速度 1、 2， 方向?yàn)橐后w質(zhì)點(diǎn)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) 單位重量液體由點(diǎn) 1到點(diǎn) 2獲得的機(jī)械能為 : 單位重量理想液體 ， 通過(guò)無(wú)數(shù)葉片的旋轉(zhuǎn) ， 獲得的能量稱作 理論壓頭 ， 用 H表示 。 兩個(gè)速度的 合成速度 就是液體質(zhì)點(diǎn)在點(diǎn) 1或點(diǎn) 2處 相對(duì)于靜止的殼體的速度 ，稱為 絕對(duì)速度 ， 用 C: 液體經(jīng)葉輪后 動(dòng)能的增加 ； 液體經(jīng)葉輪后 靜壓能的增加； 靜壓能增加項(xiàng) 1） 液體在葉輪內(nèi)接受離心力所作的外功 ， 單位質(zhì)量液體所接受的外功可以表示為： 2)(221222122222121d r 2） 葉輪中相鄰的兩葉片構(gòu)成自中心向外沿逐漸擴(kuò)大的液體流道，液體通過(guò)時(shí)部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靜壓能， 這部分靜壓能的增加可表示為： 22221 位重量流體經(jīng)葉輪后的靜壓能增加為 : 222212122 222212222212122（ a） 根據(jù)余弦定理，上述速度之間的關(guān)系可表示為： 111212121 c o 222222222 c o 入（ a） 式，并整理可得到： )c o sc o s( 111222 (b) 一般離心泵的設(shè)計(jì)中，為提高理論壓頭，使 1=90， 即 =0 c o s 222 離心泵的基本方程式 離心泵理論壓頭的表達(dá)式 論壓頭與理論流量 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 s 22 從點(diǎn) 2處的速度三角形可以得出 222222 s i nc o s c t 代入 H=g )s 22222 c t )2(1222222t 2222 2)(1 c t H離心泵基本方程式 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 間的關(guān)系。 于某個(gè)離心泵 （ 即其 2、 2、 ， 當(dāng)轉(zhuǎn)速 一定時(shí) ， 理論壓頭與理論流量之間呈線形關(guān)系 ， 可表示為： (2)離心泵基本方程式的討論 1）離心泵的理論壓頭與葉輪的轉(zhuǎn)速和直徑的關(guān)系 當(dāng)葉片幾何尺寸 （ 2） 與理論流量一定時(shí)，離心泵的 理論壓頭隨葉輪的轉(zhuǎn)速或直徑的增加而加大。 2）離心泵的理論壓頭與葉片幾何形狀的關(guān)系 根據(jù)葉片出口端傾角 2的大小 ,葉片形狀可分為三種 : a） 徑向葉 片 （ 2=90， 圖 a）， 。 泵的理論 壓頭不隨流量 而變化。 b） 后彎葉片 (20 。 泵的理 論壓頭隨流量 增大而減小 c） 前彎葉片 (290， 圖 c)， 。 泵的理論壓頭隨理論流量 增大而增大。 彎葉片產(chǎn)生的理論壓頭最高，這類葉片是最佳形式的葉片嗎？ 2212122 動(dòng)壓頭的增加： 122 前彎葉片，動(dòng)能的提高大于靜壓能的提高。 由于液體的流速過(guò)大，在動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靜壓能的實(shí)際過(guò)程中，會(huì)有大量機(jī)械能損失，使泵的效率降低。 一般都 采用后彎葉片。 3)實(shí)際壓頭 離心泵的實(shí)際壓頭與理論壓頭有 較大的差異 ， 原因在于流體在通過(guò)泵的過(guò)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 理論壓頭 、 實(shí)際壓頭及各種壓頭損失與流量的關(guān)系如圖： 離心泵的主要性能參數(shù)與特性曲線 (1)離心泵的性能參數(shù) 離心泵的流量 指離心泵在單位時(shí)間里排到管路系統(tǒng)的液體體積，一般用 Q 表示，單位為 m3/h。 又稱為泵的送液能力 。 離心泵的壓頭 泵對(duì)單位重量的液體所提供的有效能量，以 H 表示，單位為 m。 又稱為泵的 揚(yáng)程 。 心泵的壓頭取決于： 泵的結(jié)構(gòu) （葉輪的直徑、葉片的彎曲情況等） 轉(zhuǎn)速 n 流量 Q， 如何確定轉(zhuǎn)速一定時(shí)，泵的 壓頭 與 流量 之間的關(guān)系呢？ 實(shí)驗(yàn)測(cè)定 2222 2)(1 c t 的計(jì)算可根據(jù) b、 (2222 (222 )( 離心泵的壓頭又稱揚(yáng)程。必須注意， 揚(yáng)程并不等于升舉高度 Z， 升舉高度只是揚(yáng)程的一部分 。 心泵的效率 離心泵輸送液體時(shí)，通過(guò)電機(jī)的葉輪將電機(jī)的能量傳給液體。在這個(gè)過(guò)程中，不可避免的會(huì)有能量損失，也就是說(shuō)泵軸轉(zhuǎn)動(dòng)所做的功不能全部都為液體所獲得，通常用 效率 來(lái)反映能量損失 。這些能量損失包括： 水力損失 容積損失 機(jī)械損失 泵的效率反應(yīng)了這三項(xiàng)能量損失的總和，又稱為總效率。與泵的 大小、類型、制造精密程度和所輸送液體的性質(zhì) 有關(guān) 。 功率及有效功率 軸功率： 電機(jī)輸入離心泵的功率 ,用 N 表示，單位為 J/S,W或 效功率： 排送到管道的液體從葉輪獲得的功率，用 軸功率和有效功率之間的關(guān)系為 ： /有效功率可表達(dá)為： 軸功率可直接利用效率計(jì)算： /2)離心泵的特性曲線 離心泵的 H、 、 N 都與離心泵的 Q 有關(guān)，它們之間的關(guān)系由 確定離心泵壓頭的實(shí)驗(yàn) 來(lái)測(cè)定，實(shí)驗(yàn)測(cè)出的一組關(guān)系曲線： H Q 、 Q 、 N Q 離心 泵的特性曲線 注意：特性曲線隨轉(zhuǎn)速而變。 各種型號(hào)的離心泵都有本身獨(dú)自的特性曲線，但形狀基本相似，具有共同的特點(diǎn) 。 心泵的特性曲線圖 表示泵的壓頭與流量的關(guān)系 ， 離心泵的 壓頭普遍是隨流量的增大而下降 （ 流量很小時(shí)可能有例外 ） N 表示泵的軸功率與流量的關(guān)系 ， 離心泵的軸功率隨流量的增加而上升 ， 流量為零時(shí)軸功率最小 。 離心泵啟動(dòng)時(shí) ， 應(yīng)關(guān)閉出口閥 ， 使啟動(dòng)電流最小 ， 以保護(hù)電機(jī) 。 表示泵的效率與流量的關(guān)系 ， 隨著流量的增大 ， 泵的效率將上升并達(dá)到一個(gè)最大值 ， 以后流量再增大 ， 效率便下降 。 心泵在一定轉(zhuǎn)速下有一最高效率點(diǎn)。 離心泵在與最高效率點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的流量及壓頭下工作最為經(jīng)濟(jì)。 與最高效率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的 Q、 H、 離心泵的銘牌上標(biāo)明的就是指該泵在運(yùn)行時(shí)最高效率點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)。 注意： 在選用離心泵時(shí) ， 應(yīng)使離心泵在該點(diǎn)附近工作 。 一般要求操作時(shí)的效率應(yīng)不低于最高效率的 92%。 離心泵性能的改變 （ 1）液體性質(zhì)的影響 液體密度的影響 s 22 離心泵的流量 與液體密度無(wú)關(guān)。 離心泵的壓頭 c o s 222 與液體的密度無(wú)關(guān) 。 H 。 泵的效率 不隨輸送液體的密度而變。 /離心泵的軸功率與輸送液體密度成正比 。 度的影響 當(dāng)輸送的液體粘度大于常溫清水的粘度時(shí)： 泵的 壓頭減小 泵的 流量減小 泵的 效率下降 泵的 軸功率增大 泵的特性曲線發(fā)生改變，選泵時(shí)應(yīng)根據(jù)原特性曲線進(jìn)行修正當(dāng)液體的運(yùn)動(dòng)粘度小于 2 10汽油、柴油、煤油等粘度的影響可不進(jìn)行修正。 2)轉(zhuǎn)速對(duì)離心泵特性的影響 當(dāng)液體的粘度不大且泵的效率不變時(shí)，泵的流量、壓頭、軸功率與轉(zhuǎn)速的近似關(guān)系可表示為： 2)( 3)( 比例定律 2 222 )( 322 )( 屬于同一系列而尺寸不同的泵，葉輪幾何形狀完全相似， 2保持不變，某一尺寸的葉輪外周經(jīng)過(guò)切削而使 2變大 , 若切削使直徑 0%以內(nèi)，效率可視為不變，并且切削前、后葉輪出口的截面積也可認(rèn)為大致相等 , 此時(shí)有： (3)葉輪直徑的影響 離心泵的工作點(diǎn)與流量調(diào)節(jié) （ 1）管路特性曲線與泵的工作點(diǎn) 管路特性曲線 流體通過(guò)某特定管路時(shí) 所需的壓頭與液體流量 的關(guān)系曲線。 在截面 1 2間列柏努利方程式 ， 并以 1面為基準(zhǔn)水平面 ， 則液體流過(guò)管路所需的壓頭為： 22 式中 ： 022 )21()4)( 220 ll 420 1)( 令 而 e 管路的特性 方程 離心泵的工作點(diǎn) 離心泵的特性曲線與管路的特性曲線的交點(diǎn) M， 就是離心泵在管路中的 工作點(diǎn) 。 在特定管路中輸送液體時(shí)，管路所需的壓頭隨所輸送液體流量 平方而變化。 際輸送的流量和提供的壓頭 。 ） 改變出口閥開(kāi)度 改變管路特性曲線 閥門(mén)關(guān)小時(shí)： 管路局部阻力加大，管路特性曲線變陡，工作點(diǎn)由原來(lái)的 1點(diǎn)，流量由 當(dāng)閥門(mén)開(kāi)大時(shí)： 管路局部阻力減小，管路特性曲線變得平坦一些，工作點(diǎn)由 2流量加大到 優(yōu)點(diǎn) ：調(diào)節(jié)迅速方便，流量可連續(xù)變化； 缺點(diǎn) ：流量阻力加大，要多消耗動(dòng)力，不經(jīng)濟(jì)。 （ 2） 離心泵的流量調(diào)節(jié) 若把泵的轉(zhuǎn)速降至 則 H作點(diǎn)移至 量減小到 優(yōu)點(diǎn)： 流量隨轉(zhuǎn)速下降而減小，動(dòng)力消耗也相應(yīng)降低。 缺點(diǎn)： 需要變速裝置或價(jià)格昂貴的變速電動(dòng)機(jī)，難以做到流量連續(xù)調(diào)節(jié)，化工生產(chǎn)中很少采用。由于變頻技術(shù)的發(fā)展，泵的調(diào)速已經(jīng)變得普遍，因此，已不是缺點(diǎn)了。 若把泵的轉(zhuǎn)速提高到 則 H作點(diǎn)由 1 ， 流量由 大到 2）改變泵的轉(zhuǎn)速 改變泵的特性曲線 例 2確定泵是否滿足輸送要求。將濃度為 95%的硝酸自常壓罐輸送至常壓設(shè)備中去，要求輸送量為 36m3/h, 液體的揚(yáng)升高度為 7m。輸送管路由內(nèi)徑為80長(zhǎng)為 160米（包括所有局部阻力的當(dāng)量長(zhǎng)度）?，F(xiàn)采用某種型號(hào)的耐酸泵，其性能列于本題附表中。問(wèn)： 該泵是否合用？ 實(shí)際的輸送量、壓頭、效率及功率消耗各為多少？ Q(L/s) 0 3 6 9 12 15 H(m) 9 2 (%) 0 17 30 42 46 44 （ 1） 對(duì)于本題，管路所需要壓頭通過(guò)在儲(chǔ)槽液面和常壓設(shè)備液面之間列柏努利方程求得： 式中 管內(nèi)流速： 管路壓頭損失： 22221121220)(0,7,0 212121 u，壓 8 6 0 0 364 22 已知：酸液在輸送溫度下粘度為 0s；密度為 1545kg/擦系數(shù)可取為 管路所需要的壓頭： 以（ L/s）計(jì)的管路所需流量 : 103600 1000*36 由附表可以看出，該泵在流量為 12 L/流量為管路所需要的 10 L/s，它所提供的壓頭將會(huì)更高于管路所需要的 此我們說(shuō)該泵對(duì)于該輸送任務(wù)是可用的。 另一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題是該泵是否在高效區(qū)工作。由附表可以看出，該泵的最高效率為 46%；流量為 10 L/3%。因此我們說(shuō)該泵是在高效區(qū)工作的。 （ 2）實(shí)際的輸送量、功率消耗和效率取決于泵的工作點(diǎn)，而工作點(diǎn)由管路物特性和泵的特性共同決定。 由柏努利方程可得管路的特性方程為： 其中流量單位為 L/s 20 0 6 0 5 H e (L/s) 0 3 6 9 12 15 H(m) 7 此，可以作出管路的特性曲線和泵的特性曲線，如圖所示。兩曲線的交點(diǎn)為工作點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的壓頭為 量為 s；效率 功率可計(jì)算如下： 0 2 23據(jù)此可以計(jì)算出各流量下管路所需要的壓頭，如下表所示： 2 4 6 8 10 12 14 166810121416182022Q, L/m 離心泵的氣蝕現(xiàn)象與安裝高度 （ 1）氣蝕現(xiàn)象 氣蝕產(chǎn)生的條件： 葉片入口附近 。 氣蝕發(fā)生時(shí)產(chǎn)生噪音和震動(dòng)，葉輪局部在巨大沖擊的反復(fù)作用下，表面出現(xiàn)斑痕及裂紋，甚至呈海棉狀逐漸脫落。 液體流量明顯下降，同時(shí)壓頭、效率也大幅度降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)輸不出液體。 )(22 2）汽蝕余量與允許安裝高度 由泵的生產(chǎn)廠家提供的允許汽蝕余量可以計(jì)