1、化工原理000001第二章 流体输送设备本章内容简介教学基本要求学习本章的基本要求是：了解流体输送机械的作用原理、简单结构、主要性能参数。选型的依据及使用注意事项。要求能根据生产任务的要求和管路特性选择合适的输送机械，并能正确安装使用。具体的要求如下：（1） 了解流体输送设备在化工生产中的地位，应用及分类；（2） 掌握离心泵的基本结构、工作原理、主要特性参数、特性曲线及其应用、流体调节、串并联特性、泵的安装、操作注意事项及选型等；（3） 了解往复泵，漩涡泵等的工作原理、特性、流量调节方法、安装要点及适应范围等；（4） 了解压缩机、鼓风机、通风机的工作原理，特点及选用；了解离心通风机的特性参数。
2、（5） 了解真空泵的主要性能及选用。2 概述本章主要讨论如何根据生产方面的具体要求选用合适的流体输送设备。流体输送设备：对流体做功以完成输送任务的机械或设备。流体输送设备是化工厂和其它领域所最常用的机械设备。为液体提供能量的输送设备称为泵。为气体提供能量的输送设备则按不同情况分别称为机或泵，按不同情况一般分别称为通风机、鼓风机、压缩机和真空泵。生产上对流体输送的要求差别很大：输送的流体流量和压头各不相同；流体种类繁多、性质千差万别；温度、压力等操作条件也有较大的差别。为了适应生产上各种不同的要求，所以输送设备的型式是多种多样的，规格更是十分广泛。 2.1离心泵离心泵是一种最常用的液体输送设备。
3、离心泵的类型很多：用于输送不同种类的液体有清水泵、热油泵、耐腐蚀泵等。为达到不同的流量、压头范围在泵的构造上有单吸和双吸的，有单级和多级的；若按泵轴的位置则还可以分为立式和卧式的等等。2.1.1 离心泵的基本结构、工作原理与性能参数 离心泵的基本结构与工作原理(1)离心泵的基本结构（如图所示）离心泵的工作原理泵在启动时注意避免发生气缚现象。知识点：1、 离心泵的基本结构图，图中（a）为其基本结构，（b）为其外形。构成离心泵的主要部件是叶轮与蜗形泵壳等。一般具有612片弯曲叶片的叶轮安装在固定的泵壳内，并紧固于泵轴上。泵壳中央的吸入口与吸入管路相连接。2、 离心泵的工作原理离心泵多用电动机带动，
4、在启动前泵内要先灌满被输送液体。启动电机后，泵轴带动叶轮旋转，充满叶片之间的液体也随着一起转动，在离心力的作用下，液体在从叶轮中心被甩向外缘的过程中便获得了能量，以很高的速度（1525m/s）流入泵壳，然后沿着横截面积逐渐扩大的叶轮和蜗形泵壳之间的空间向出口方向汇集，随着流道的扩展，液体速度逐渐下降，压力则逐渐升高，最后经排出管流向输送管道。叶轮中的液体被甩出时，叶轮中心处便形成低压，在吸入侧液面与泵吸入口处之间的压差作用下，液体便经吸入管14源源不断地流入泵内，以补充被排出液体的位置。只要叶轮不停地旋转，液体便不断地吸入和排出。3、 气缚如果在启动前泵内未先充满液体，则因其中空气的密度远小于
5、液体的密度，产生的离心力小，所能形成的压差也小，就不足以将液体吸入泵内，这一现象即称之为气缚。思考题：离心泵为什么会发生“气缚”现象？叶轮是离心泵的心脏部件。叶轮按叶片两侧有无盖板分为：敞式、半蔽式和蔽式叶轮。如图叶轮按吸入方式分：单吸式及双吸式如图泵的附属设备：单向底阀、滤网、出口调节阀等知识点：1、两点假设： 1）叶片数目无限多，且无厚度。因此，液体被严格地控制在叶片流道内，沿着叶片的形状流动而无倒流或撞击。在流道中，同一半径上的速度相等，压强也相等。（2）液体为理想流体,因此可不考虑液体在叶轮内运动过程的能量损失。2、根据上述假设：在叶轮中液体的任意质点，将既具有一个随叶轮旋转的圆周速度
6、u，又具有一个相对于叶片的运动速度，即相对速度，其方向分别为质点所处点的圆周及叶片的切线方向，如图，用c表示，其大小为该点速度及相对速度的矢量和：由上式三个速度所组成的矢量图，称为速度三角形，如图，表示绝对速度与圆周速度两矢量之间的夹角，表示相对速度与圆周速度反方向延线的夹角，称为叶片安装角。3、叶轮：叶轮是离心泵的心脏部件，离心泵之所以能输送液体，主要是靠高速旋转的叶轮对液体作功，即叶轮的作用是将原动机的机械能传递给液体。4、泵的附属设备：若离心泵的吸入口位于吸液贮槽液面的上方，在吸入管路的进口处应装一单向底阀和滤网。底阀是防止启动前所灌入的液体从泵内漏失，滤网可以阻拦液体中固体物质被吸入而
7、堵塞管道和泵壳。靠近泵出口处的排出管路上装有调节阀，以供开泵、停泵及调节流量时使用。 离心泵的泵轴水平地支承在托架内的轴承上，泵轴的一端悬出，端部装有叶轮。为了减少离开叶轮的部分高压液体漏入低压区内，通常在泵体和叶轮上分别装有密封环为填料密封机构，其作用为减少泵内高压液体的外泄及外界空气的渗入。蔽式或半蔽式叶轮的后盖板上一般开有平衡孔以平衡轴向推力。在叶轮和泵壳之间有时还装有固定不动的导轮。泵壳上方设有放气螺钉，目的是排出泵壳内的空气，排气后应当旋紧。泵壳下方设有放液孔，以便停泵后打开放空壳内液体，防止壳内储液冻结，以免泵壳破裂。思考题：离心泵的底阀有什么作用？2.2离心泵的基本方程2.2.1
8、 液体在叶轮中的运动及其简化假设液体在叶轮中的运动情况是相当复杂的。为便于分析作以下两点假设：（1）叶片数目无限多，且无厚度。（2）液体为理想流体。根据上述假设，在叶轮中液体的任意质点，有一圆周速度u和相对速度，如图。液体质点相对于泵壳的运动速度为绝对速度，用c表示，则有：由上式三个速度构成速度三角形。在速度三角形中，称为叶片安装角。根据余弦定理：绝对速度c又可分解为两个分量，即径向分量 cr=csin 圆周分量 cu=ccos 由图cu=ccos= u crctg2.2.2 离心泵基本方程的推导如图2.2.5，以静止的物体为参考系，从截面1运动到截面2对叶轮进出口流动截面列机械能衡算式，则有
9、：(式中 为静压头的增量，它包括以下两部分：（1）离心力产生的压头Hc(（2）流道扩大所引起的压头增高Hp(化简后得( 如果我们选用适当的，或采取适当的入口导流措施使得 ，可得离心泵的基本方程：(知识点：1、 列机械能衡算式：现以静止的物体为参考系，设流体沿叶轮中心的轴向（垂直于纸面）进入叶轮中央后，随即转向，以绝对速度从流动截面1运动到流动截面2对叶轮进出口流动截面列机械能衡算式，则有：(即 (上式没有考虑1、2两点高度的不同，这是因为叶轮每转一周，1、2两点的高低互换两次，按时均值计算可视为零，H为叶片无限多时泵的理论压头。2、 离心力产生的压头Hc：1）离心力产生的压头Hc液体在叶片间受
10、到离心力的作用，接受外功而提高了压强。现于半径为R处取质量为dm的液体微元，如图dFc R2dm式中 Fc-液体所受的离心力，N；m-液体的质量，kg；R-旋转半径，m；-旋转角速度，rads；设叶轮半径为R处的流道轴向宽度为b，则dm = 2RbdRdFc = dmR2= 2RbdRR2此离心力产生的压头变化为;代入dFc整理得：经积分可得因此离心力所产生的压头为:(3、流道扩大所引起的压头增高Hp（2）流道扩大所引起的压头增高Hp相邻两叶片所构成的流道截面积自内向外逐渐扩大，液体流过时的相对速度逐渐变小，从而由动压头转化为静压头Hp(将（(由图(将式（，化简后得(4、离心泵的基本方程：根据
11、式（，即(从速度三角形（图，叶片安装角的大小直接影响着速度三角形的形状。在离心泵的设计中，如果我们选用适当的，或采取适当的入口导流措施使得 ，则cu1=c1cos900=0,代入式（2.2.14），当其他条件不变时，则H达到最大值。即(上式常称为离心泵的基本方程。思考题：为什么流道扩大会引起的压头增高?2.2.3 离心泵基本方程的讨论(1) 离心泵理论流量对理论压头的影响为了找出理论压头H与理论流量QT之间的关系，应先求出QT。(将式（ u -crctg (，然后代入离心泵的基本方程得H随QT而变的直线方程：( H随QT而线性变化，其斜率主要决定于叶片安装角2，它反映了叶片弯曲方向对泵理论压头
12、的影响。（2）泵理论压头与叶片弯曲方向的关系图若2 90o，称为前弯叶片，H随QT的增加而加大。不同弯曲方向的三种叶片分析可知，在离心泵和大型风机中，为获得较高的效率，多是采用后弯叶片。知识点：1、 求出QT：设叶轮出口直径为D2，出口宽度为b2，径向出口速度cr2，若不计容积损失（漏损），理论流量QT为：(即 (2、H随QT而变的直线方程：将式（，然后代入式（(对于特定的离心泵，n不变时，上式中u2、2、D2、b2均为定值。故式（(式中 ， 式（若2 90o，称为前弯叶片（图；ctg20，B 90o 的叶片使流体获得较高的速度，导致动压头占理论压头中较大的比例。由于实际流体在流经蜗形泵壳，将
13、部分的动压头转化为静压头时，必将产生较多的能量损失，所以，前弯叶片将使泵的效率低于后弯叶片的泵，而且噪音也较大。看来，简单地提高绝对速度，并不一定是提高压头的有效方法。因此，在离心泵和大型风机中，为获得较高的效率，多是采用后弯叶片。对于中小型风机，为减小体积则有时采用前弯叶片思考题：为什么离心泵多是采用后弯叶片？2.2.3 离心泵的效率和实际压头 离心泵的效率现在将控制体扩展到泵壳的内表面和轴承、轴封等处，而且叶轮的叶片为有限多，输送的是实际液体。泵的实际压头与实际流量分别均小于理论压头和流量。离心泵的实际压头与实际流量，简称为离心泵的压头和流量。泵内损失包括以下几部分：（1）水力损失实际流体
14、流经泵内将损失部分机械能，这部分损失称为水力损失。其中包括环流损失、摩擦损失以及冲击损失。（a）环流损失主要和叶片的几何形状，叶片数目等有关而几乎与流量的大小无关。（b）摩擦损失与流量平方成正比。（c）冲击损失在设计状态下为零，在非设计状态下与流量的平方成比例。（2） 容积损失叶轮出口处压力高而进口处压力低，在此压差作用下，一部分高压液体将通过旋转叶轮与泵体之间的缝隙而泄漏至吸入口。 为了提高容积效率，如前所述：通常在叶片两侧装设前后盖板（盘面），即将叶轮制成蔽式。但当输送浆料或含有固体县浮物的液体时，仍宜采用敞式或半蔽式叶轮。蔽式或半蔽式叶轮在工作时，为压力平衡，在叶轮后盖板上钻几个平衡孔。
15、（3）机械损失包括联轴器、轴承、轴封装置以及液体与高速转动的叶轮前后盘面之间的摩擦损失等。并用机械效率m反映该项损失的大小。综合以上各种因素的影响可得离心泵的总效率(知识点：1、 水力损失：实际流体流经泵内将损失部分机械能，这部分损失称为水力损失，其中包括由于实际叶轮的叶片并非无限多引起的环流损失、流体流动的摩擦损失以及在叶轮内、外缘和泵壳内的冲击损失。2、 环流损失：实际流体在有限多叶片的叶轮中流动时，由于叶片之间的流道，愈往叶轮外缘愈宽，液体作相对运动的轨迹就不可能与叶片的形状严格保持一致，在叶片之间的流道上将形成环流和旋涡，造成机械能损失。这部分损失主要和叶片的几何形状，叶片数目等有关而
16、几乎与流量的大小无关。3、 磨擦损失：摩擦损失是指流体流过叶片间的通道和泵壳时，由于摩擦而引起的损失。特别是流体在蜗形泵壳内流动时，因其流道逐渐扩展而流速逐渐降低，产生逆压梯度而造成大量旋涡，消耗颇多的机械能。本项损失与流量平方成正比。4、 冲击损失：液体沿叶轮中心之轴向进入叶轮内缘，随即应变为径向进入叶轮内，但由叶片安装角1和2均按额定流量（或称设计流量）设计，若操作流量偏离设计值，则c1和u1之问的夹角亦会偏离90，使进入叶轮的液体受到叶片的撞击；同理，以比较高的绝对速度c2离开叶轮外缘的液体流向也难以保证与蜗形泵壳相切，而是冲入蜗壳内的流体中由此冲击产生涡流亦将导致较大能量损失。为了减少
17、冲击损失，可在叶轮入口处采取适当的导流措施使1 = 90，亦可同时在泵壳内安装固定导轮，如图，使离开叶轮的高速液体缓和地降低流速，逐渐地调整流向，使进入蜗壳的液体在尽可能小的冲击损失下，将动压头均匀地变为静压头。冲击损失在设计状态下为零，在非设计状态下与流量的平方成比例。因此，必须针对指定的流量全面考虑，正确设计叶轮，导流装置和蜗形泵壳，使水力损失减至最小。所有离心泵部只在额定流量（或设计流量）下的水力效率H最大，若操作流量偏离其设计流量愈大，则水力效率亦愈低。5、 容积损失：叶轮出口处压力高而进口处压力低，在此压差作用下，一部分高压液体将通过旋转叶轮与泵体之间的缝隙而泄漏至吸入口，见图，离心
18、泵的流量与其理论流量的比值称为容积效率v。6、 提高容积效率：为了提高容积效率，如前所述：通常在叶片两侧装设前后盖板（盘面），即将叶轮制成蔽式，如图，以减少液体的泄漏量。但装设盖板后叶片间的通道又易被输送液体中的固体颗粒或沉积物堵塞。因此，当输送浆料或含有固体县浮物的液体时，仍宜采用敞式或半蔽式叶轮，如图7、 平衡孔：蔽式或半蔽式叶轮在工作时，有一部分离开叶轮的高压液体漏入叶轮的后盖板与泵壳之间缝隙内，而叶轮前侧吸入口处的液体为低压，故液体作用于叶轮前后盘面的压力不等，便产生了指向叶轮吸入口方向的轴向推力，使叶轮向吸入口侧窜动，引起叶轮与泵壳接触处磨损，严重时造成泵的振动。为此，可在叶轮后盖板
19、上钻几个小孔，如图，它的作用是使后盖板与泵壳之间的空腔中的一少部分高压液体漏回到低压区，以减小叶轮两侧的压力差，从而达到平衡一部分轴向推力的作用，但同时也会降低容积效率。平衡孔是离心泵中最简单的一种使轴向推力平衡的方法。而双吸式叶轮如图，从两侧吸入液体，具有较大的吸液能力，且可在不降低效率的条件下消除轴向推力。思考题：为什么泵的实际压头与实际流量分别均小于理论压头和流量？ 离心泵的实际压头由上述的讨论可知，离心泵的各种损失将导致实际压头低于理论压头。当叶片为无限多时，其理论压头H为最大，如图若叶片为有限多时，压头将下降。如图。实际压头与实际流量关系如HQ所示环流损失hc冲击损失hs摩擦损失hf
20、容积损失hQ目前，因泵内流动的各种损失尚不能用计算的方法来确定，所以，各种性能曲线只能通过实验的方法获得。思考题：哪些离心泵的损失将导致实际压头低于理论压头？ 离心泵的特性曲线压头与流量的关系是离心泵的主要特性，对离心泵的正确选用和操作具有重要意义。通常将HQ、Q和PQ三条曲线称为离心泵的特性曲线。特性曲线或工作性能曲线由泵制造厂实测，并列于泵样本中。如图。 各种型号的离心泵各有以下的共同点：（l）HQ曲线表示泵的压头H在较大流量范围内是随流量增大而减小。（2）PQ曲线表示泵的轴功率P，一般随流量增大而增大。（3）Q曲线表示泵的效率，有一最高点，称为设计点。流量过大或过小，效率都将降低。最高效
21、率点对应的Q、H及P值称为最佳工况参数。一般高效区为不低于最高效率的92的范围。知识点：1、 HQ曲线：HQ曲线表示泵的压头H在较大流量范围内是随流量增大而减小。离心泵都有这一重要特性，但有的曲线形状比较平坦，适用于流量变动范围较大的场合；而比较陡峭的，则适用于压头变动大而要求流量较小变动的场合。2、 PQ曲线：PQ曲线表示泵的轴功率P，一般随流量增大而增大，当流量为零时，轴功率最小。因此，泵在启动时应将出口阀关闭（或稍开），以防止电机过载，待启动后即行打开。思考题：各种离心泵的特性曲线有哪些共同点？ 离心泵特性曲线的实验测定实验可在如图 在截面l与2间列机械能衡算式实验中要测定的数据通常为：
22、泵进口处压强p1，出口处压强p2，流量Q和轴功率P。实验步骤如下：测定开始时，先将出口阀关闭。然后逐渐开启阀门，改变其流量，测得一系列的流量Q，及其相应的压头H和轴功率P。将HQ、PQ及Q曲线绘制在同一张坐标纸上，即为一定型式离心泵在一定转数下的特性曲线。例 2.2 1 采用图，获得泵的特性曲线。例 2.2 1 采用图，当泵的转数n=2900rpm时，以20oC的清水为介质测得如下一组数据：泵进口处真空表读数p1= 200mmHg；泵出口处压力表读数p2= 1.5at；泵的流量Q = 10L/s；泵的轴功率P= 2.98kW。已知两测压口间的距离为0.5m，吸水管直径d1=80mm，压出管直径
23、d2=80mm。试求在此流量下泵的压头H和总效率。解：（l）泵的压头式中z2-z1=0.5m1p97H = 0.5+ 17.72 + 0.26 = 18.5m（2）泵的总效率P = HQg= 18.51010-310009.81= 1.81103W= 1.81kW= Pe/P 1.81/2.98 = 61%知识点：1、 测定开始：测定开始时，先将出口阀关闭，此时流量Q=0，所得压头称为封闭压头（或封闭扬程）。同时测得轴功率P。2、 改变其流量：然后逐渐开启阀门，改变其流量，这样就可得出一系列的流量Q，及其相应的压头H和轴功率P，从而作出HQ及PQ曲线。根据P、Q及H值，即可计算，从而作出Q曲线
24、。3、 曲线绘制：将上述HQ、PQ及Q曲线绘制在同一张坐标纸上，即为一定型式离心泵在一定转数下的特性曲线。它们分别反映了泵的扬程、轴功率以及效率与流量的关系。思考题：如何测定离心泵在一定转数下的特性曲线？ 液体物性对离心泵特性曲线的影响制造厂所提供的离心泵特性曲线总是在一定转数和常压下，以常温（一般为 20C）清水为工质通过实验测得的。在化工生产中, 所输送的液体的物性常常与其实验条件下的水有较大的差异。为此应进行适当的换算。现仅就液体的粘度及密度的影响讨论如下：(1) 液体粘度对特性曲线的影响被输送的液体粘度若远大于常温下清水的粘度， HQ曲线将随Q之增加而更为急剧地下降，泵的特性曲线发生了
25、改变，改变的程度难以用理论方法推算。此时可利用算图，对特性曲线上读出的值进行修正。 (2) 密度对PQ曲线的影响由离心泵的基本方程式看出，离心泵的压头与流量之间的关系和液体的密度无关，且泵的效率亦不随液体的密度而改变，所以HQ与Q曲线保持不变。但是泵的轴功率将随液体密度而改变，可按下式校正。(知识点：1、 例子：例2.2.2 图，最高效率点的流量Qs=2.84m3min，压头为30.5m。试求当用此泵输送密度为900kgm3，运动粘度为220厘 的油品时的特性曲线，并标绘于同一张图上。解：按上述方法由图，并用式（，图 由图，最高效率点下的流量Q、扬程H均有所降低，即HQ曲线随Q的增加下降了，而
26、轴功率与此相反，随流量的增加而增大，即PQ曲线上升了，因而使泵的Q曲线尤为显著地降低了。表2.2.1 例p99图 例2、对特性曲线上读出的值进行修正：(1) 液体粘度对特性曲线的影响被输送的液体粘度若远大于常温下清水的粘度，由于液体通过叶轮与泵壳时流动阻力增大，则其HQ曲线将随Q之增加而更为急剧地下降。同一台泵在输送粘稠液体与输送水时相比较，最高效率点处的流量、压头与效率都变小，而轴功率却增大。这就是说泵的特性曲线发生了改变，其改变的程度，因影响因素复杂，难以用理论方法推算，此时可利用算图，对特性曲线上读出的值进行修正。通常，当液体的运动粘度 20（10-6m2/s）时，如汽油、煤油和轻柴油等
27、可不必修正；当运动粘度 20（10-6m2/s）时，离心泵的特性曲线须按下式进行换算Q= CQQ (H= CHH (= C (式中Q、H、-离心泵输送水时的流量、压头、效率；Q、H、-离心泵输送其它粘性液体时的流量、压头、效率；CQ、CH、C-流量、压头、效率的换算系数，其值小于1。各修正（或换算）系数可由图，此二图是分别用50200mm和2070mm的单级离心泵进行多次实验的平均值画出的。两图均适用于牛顿型流体，且只能在刻度范围内使用，不能采用外推法。用于多级离心泵时，采用每一级压头。查图方法如下： 首先根据已知的输送清水时的最高效率点所对应的流量，亦称额定量（如为双吸式，流量应除以2），在
28、图的横坐标上找到相应的值，由该点做垂线与已知泵的单级扬程斜线相交。从交点引水平线与表示所输送液体运动粘度的斜线交得一点，再由此点作垂线分别与C、CQ、CH；曲线相交，然后可以从纵坐标上查得C、CQ、CH之值，对于小流量离心泵，换算系数各自为一根线，如图，但对流量较大的离心泵，不同的流量，实验发现CH具有不同的值，如图，即分别表示流量为0.6、0.8、l.0和l.2倍额定流量时的扬程换算系数。思考题：液体物性对离心泵特性曲线有什么影响？ 叶轮直径对特性曲线的影响由离心泵基本方程及其讨论可知：当转速一定时，泵的压头、流量均和叶轮直径有关。对同一型号的泵，可采用切削法改变泵的特性曲线。这时可得：（式中H，P分别为泵的压头和功率；式（，可作出叶轮切削后泵的特性曲线。在产品说明书中，制造厂也常同时给出一、两种叶轮切削后泵的特性曲线。若叶轮直径变化时，叶轮及其余尺寸亦随之相应变化，则称之为相似泵，其流量、压头和功率与叶轮直径之间的关系与切削定律不同，可参考有关专著。 2.4.5 叶轮转速对特性曲线的影响对同一台离心泵，若叶轮尺寸不变，但转速变化，其特性曲线也将发生变化
