化工原理 第二章 流體輸送機械

1、第二章 流體輸送機械,2．1 概 述 2．2速度式流體輸送機械2．3容積式流體輸送機械 2．4真空泵 2．5流體輸送機械的特點,2．1 概 述,流體輸送機械的分類,2．2速度式流體輸送機械,2．2．1離心式流體輸送機械的基本方程2．2．2離心泵與通風機的結(jié)構(gòu)、工作原理與分類2．2．3離心泵與離心通風機的性能 2．2．4離心泵與通風機的特性曲線 2．2．5離心泵與通風機的工作點和流量調(diào)節(jié) 2．2．6離心泵與通風機的安裝

2、和選用 2．2．7離心鼓風機與離心壓縮機 2．2．8軸流泵和軸流通風機 2．2．9旋渦泵,2．2．1離心式流體輸送機械的基本方程,離心式流體輸送機械的基本方程的推導基于三個假設：,葉片的數(shù)目無限多，葉片無限薄，流動的每條流線都具有與葉片相同的形狀。,（2）流動是軸對稱的相對定常流動，即在同一半徑的圓柱面上，各運動參數(shù)均相同，而且不隨時間變化。,（3）流經(jīng)葉輪的是理想流體，粘度為零，因此無流動阻力損失產(chǎn)生。,2．2．1離心式流體輸送

3、機械的基本方程,離心泵和離心式風機的基本方程式,,其中單位重量流體通過無限多葉片的旋轉(zhuǎn)葉輪所獲得的能量，稱為理論壓頭H?。,w是流體具有的與葉片相切的相對速度；u是隨葉輪一起轉(zhuǎn)動的圓周速度，兩者的合成速度為絕對速度c。,一般離心泵，為提高H?，使?1=90?，即cos?1=0。,此時,,,離心泵的流量可表示為,式中，r2為葉輪出口半徑，b2表示葉輪出口處葉輪的寬度，其它參數(shù)見圖2-1所示。,2．2．2離心泵與通風機的結(jié)構(gòu)、工作原理與分類

4、,1.離心泵的結(jié)構(gòu)、工作原理與分類 (1)離心泵結(jié)構(gòu) 離心泵部件可分為旋轉(zhuǎn)部件和靜止部件。旋轉(zhuǎn)部件包括葉輪和轉(zhuǎn)軸等；靜止部件包括吸入室、蝸殼等，如圖所示。,2．2．2離心泵與通風機的結(jié)構(gòu)、工作原理與分類,(2)離心泵工作原理,①原動機——軸——葉輪，旋轉(zhuǎn),離心力?,葉片間液體,中心?外圍,——液體被做功,動能?,高速離開葉輪,2．2．2離心泵與通風機的結(jié)構(gòu)、工作原理與分類,②泵殼：,液體的匯集與能量的轉(zhuǎn)換,（動?靜）,③吸

5、上原理與氣縛現(xiàn)象,葉輪中心低壓的形成,?p??,泵內(nèi)有氣， 則??,泵入口壓力?,液體不能吸上,——氣縛,故離心泵在啟動前必須灌泵,—液體高速離開,④軸封的作用,⑤平衡孔的作用,——消除軸向推力,⑥導輪的作用,——減少能量損失,2．2．2離心泵與通風機的結(jié)構(gòu)、工作原理與分類,(3)離心泵分類,①按液體吸入方式分為單吸式泵（液體從葉輪的一面進入）和雙吸式泵（液體從葉輪的兩面進入）；,②按葉輪級數(shù)分為單級泵（泵軸上只裝有一個葉輪）和多級泵（

6、泵軸上裝有串聯(lián)的兩個以上的葉輪）,③按其用途來分類，常用的類型有：水泵、耐腐蝕泵、油泵和雜質(zhì)泵等。,2．2．2離心泵與通風機的結(jié)構(gòu)、工作原理與分類,1.離心通風機的結(jié)構(gòu)、工作原理與分類,(1)基本結(jié)構(gòu)：,離心式通風機的主要部件包括葉輪和機殼 兩部分。,為適應大風量，通常葉片數(shù)較多且葉輪直徑較大；根據(jù)葉輪上葉片尺寸和形狀的不同，可分為多翼式和渦輪式風機。,與離心泵相似,機殼內(nèi)逐漸擴大的通道及出口截面有矩形和圓形兩種，低中壓風機多用矩形。,

7、2．2．2離心泵與通風機的結(jié)構(gòu)、工作原理與分類,(2)工作原理 與離心泵相似,(3)分類 通常根據(jù)離心通風機終壓（表壓）的大小分為低壓（<1kPa以下）、中壓1kPa~3kPa）和高壓（3kPa~15kPa）三種通風機。另外根據(jù)用途可分為一般通風機、排塵通風機、高溫通風機、防腐通風機和防爆通風機等。,2．2．3離心泵與離心通風機的性能,1.流量,->流量是單位時間內(nèi)輸送出去的流體量。通常用Q來表示體積流量，單

8、位m3/s。,->通風機流量也常稱為風量，并以進口處為準。通風機銘牌上的風量是在“標準條件”下，即壓力1.013?105Pa，溫度20?C下的氣體體積。,2．2．3離心泵與離心通風機的性能,2.壓頭（或稱揚程）H和風壓pt,離心泵的壓頭H和風機的風壓pt都是指流體通過離心泵或通風機后所獲得的有效能量。,根據(jù)伯努利方程，單位體積氣體通過通 風機所獲得的壓頭為,,式中 ——分別為通風機進口和出口速度，m

9、/s,2．2．3離心泵與離心通風機的性能,壓頭計算式中， 稱為通風機的靜壓頭， 稱為通風機的動壓頭， 稱為全壓頭，單位為m。,通風機銘牌上的風壓是用空氣測定的，其“標準條件”為壓力pa=101.3kPa，溫度20?C，此時空氣密度?0=1.2kg/m3。如果操作條件與“標準條件”不同，則操作條件下的風壓pt可用下式換算,,——選擇風機時應以 為準,2．2．3離心泵與離心通

10、風機的性能,3.效率,效率反映了泵與風機中能量的損失程度,容積效率?v：考慮流量泄漏所造成的能量損失水力效率?H：考慮流動阻力所造成的能量損失機械效率?m：考慮軸承、密封填料和輪盤的摩 擦損失。,離心泵與通風機的總效率為 :,,一般來講，在設計流量下泵與風機的效率最高。,2．2．3離心泵與離心通風機的性能,4.功率,功率分為有效功率和軸功率,有效功率Ne,軸功率N,流體經(jīng)過泵或風機后獲得的實際功率。,對于離心泵,,

11、對于風機,,原動機傳到泵軸上的功率,離心泵的軸功率,通風機的軸功率,,,有效功率和軸功率的關系,,2．2．4離心泵與通風機的特性曲線,離心泵特性曲線及通風機特性曲線缺,2．2．4離心泵與通風機的特性曲線,1.曲線討論,（1）壓頭（風壓）~流量（H~Q、 pt~Q）曲線 它是判斷離心泵或風機是否滿足管路使用要求的重要依據(jù)。 通風機流量Q自零開始增加，風壓pt先上升，后下降，風壓最大值不在Q=0時。,（2）軸功率曲線（N～Q）

12、 軸功率一般隨流量的增大而增大，當流量為零時，功率最小，因此離心泵與風機應在出口閥關閉下啟動，以防止電機過載。,（3）效率曲線（?～Q） 效率曲線有一最高點，稱為設計點。因為離心泵與風機在最高效率點工作時最經(jīng)濟，所以其所對應的流量、壓頭（風壓）、軸功率為最佳工況參數(shù)。一般選用離心泵或風機時，其工作區(qū)應處于最高效率點的92%左右。,2．2．4離心泵與通風機的特性曲線,1.流體物性對特性曲線的影響,（1）流體密度的影響 離心泵的壓

13、頭和流量與被輸送流體的密度無關。泵的效率一般也和流體的密度無關。但是泵的軸功率隨流體密度變化而變化 ，可按下式校正,對于通風機，風壓和軸功率都和密度有關，因為，所以,,,,2．2．4離心泵與通風機的特性曲線,2.流體物性對特性曲線的影響,當被輸送液體的運動粘度小于20?10-6m2/s時，泵的特性曲線變化很小，可不作修正；當輸送液體的運動粘度大于20?10-6m2/s時，泵的特性曲線變化較大，必須修正。常用的方法是在原來泵的特性曲線下，

14、對每一點利用換算系數(shù)進行換算。,,,,2．2．4離心泵與通風機的特性曲線,3.葉輪尺寸與轉(zhuǎn)速對離心泵特性曲線的影響,（1）葉輪外徑的影響,——式（2-23）稱為泵的切削定律,（2）轉(zhuǎn)速的影響,——在轉(zhuǎn)速變化小于20%時，也可近似認為葉輪出口的速度三角形、泵的效率等基本不變。,2．2．5離心泵與通風機的工作點和流量調(diào)節(jié),1.管路特性曲線,管路特性曲線表示流體通過某一特定管路所需要的壓頭與流量的關系。,流體流過管路所需要的壓頭：,,式中,,

15、，,令,,則,——管路特性曲線 (方程),2．2．5離心泵與通風機的工作點和流量調(diào)節(jié),,,管路特性曲線的特點,①,表示的是管路流動所需要的最小外加壓頭；,② 阻力平方區(qū)，?與Q無關，此時管路特性系數(shù)B為常數(shù)；管路特性曲線為一過(0,h0)點的二次曲線；,④ 高阻管路曲線陡(B大)；低阻管路曲線平緩(B小)。,表示管路流量Q與所需外加壓頭he間的曲線關系，B值與Q的單位有關；,物理意義：,③ 對于曲線在縱軸上截距h0 ：,2．2．5離

16、心泵與通風機的工作點和流量調(diào)節(jié),2.離心泵與通風機的工作點,,,,——泵的特性曲線(H~Q)與管路特性曲線的交點,2．2．5離心泵與通風機的工作點和流量調(diào)節(jié),說明,①工作點,?泵的特性 與 管路的特性,工作點確定,聯(lián)解兩特性方程,作圖，得兩曲線交點,②泵裝于管路時：,工作點 ~（H,Q),Q=泵供流量=管路流量,Q=泵供壓頭=流體得壓頭,③工作點~（Q,H,N, ? ）,泵的實際工作狀態(tài)，若該點在泵的高效區(qū)，則該工作點是適宜的。,,,

17、④風機的工作點求法與泵類似。,2．2．5離心泵與通風機的工作點和流量調(diào)節(jié),3.離心泵與通風機的流量調(diào)節(jié),,,,離心泵或通風機的工況調(diào)節(jié)有三種途徑：,1）改變離心泵或通風機的特性曲線； 改變轉(zhuǎn)速，切削葉輪直徑以及采用泵的串聯(lián)或并聯(lián)。,2）改變管路的特性曲線； 管路特性曲線的改變一般通過調(diào)節(jié)管路閥門的開度實現(xiàn)。,3）同時改變離心泵（或通風機）和管路的特性曲線。,2．2．5離心泵與通風機的工作點和流量調(diào)節(jié),例2-1 用一離心泵

18、輸送酒精，當轉(zhuǎn)速n=2900r/min時泵的特性曲線方程為，已知出口閥全開時管路特性曲線方程為。兩式中Q的單位為m3/h， H、he的單位是m。問：(1)此時的輸送量為多少？(2)若生產(chǎn)需要的酒精量為上述的80%，擬采用變速調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速如何變化？,圖P109,2．2．6離心泵與通風機的安裝和選用,1.離心泵的汽蝕余量,z,見圖，液面0—0與泵吸入口截面1—1之間的垂直距離Z為離心泵的安裝高度。,Z?，則p1?,葉輪中心液體汽化?汽泡,當p

19、1?pv,,?被拋向外圍,?壓力升高>pv,?局部真空,?汽泡破裂，蒸汽凝結(jié),——汽蝕現(xiàn)象,?周圍液體高速沖向汽泡中心,? 撞擊葉片(水錘),? 葉片沖擊與腐蝕,2．2．6離心泵與通風機的安裝和選用,伴隨現(xiàn)象：,①泵體振動并發(fā)出噪音；,②H ?, Q ?, 嚴重時不送液；,③水錘沖擊和化學腐蝕，損壞葉片,安裝高度? ?汽蝕?,問題：如何確定Z的上限,——泵的允許安裝高度,當泵剛發(fā)生汽蝕時，pK等于所輸送液體的飽和蒸汽壓pv，相應

20、地p1也將達到某一最小值p1min，此時,,2．2．6離心泵與通風機的安裝和選用,上式表明：在泵剛發(fā)生汽蝕條件下，泵進口處液體的總壓頭 比液體的飽和蒸汽壓對應的靜壓頭高出某一定值，常將這一差值稱為泵的最小汽蝕余量 ：,,為確保泵正常工作不發(fā)生汽蝕，根據(jù)有關規(guī)定，將 作為允許值，稱為允許汽蝕余量 ，此值列入泵的樣本，由離心泵廠向用戶提供。又稱為凈正吸上壓頭，用（Net Positive Suctio

21、n Head）表示。,,,2．2．6離心泵與通風機的安裝和選用,1.安裝高度,最大安裝高度Zmax,,為防止汽蝕，相應地將最大安裝高度減去0.3m作為安全量，稱為允許安裝高度[Z]。,,泵的實際安裝高度Z<[Z],2．2．6離心泵與通風機的安裝和選用,（5）允許汽蝕余量的校正,?h～20℃清水，條件不同時要校正，校正曲線?說明書,討論,（1）汽蝕現(xiàn)象產(chǎn)生的原因：,①安裝高度太高；,②被輸送流體的溫度太高，液體蒸汽壓過高；,③吸入管

22、路阻力或壓頭損失太高。,（2）計算出的Zmax<0時,需低于貯槽液面安裝,（3） Zmax~Q關系： Q?，則Zmax ?，安全系數(shù)?,一般用工作條件的最大Q計算Zmax,（4）安裝泵時為保險， 取Z比Zmax小0.5至1米,2．2．7離心鼓風機與離心壓縮機,結(jié)構(gòu)特點：,外形?離心泵,蝸殼形通道常為圓形,外殼直徑與厚度之比較大，葉片數(shù)目較多，葉 輪外周都裝有導輪，轉(zhuǎn)速較高。,單級出口表壓多在30kPa以內(nèi)；多級可達0.

23、3MPa,1.離心式鼓風機,離心壓縮機的結(jié)構(gòu)與離心鼓風機類似，但可以達到的壓力更高，且級數(shù)更多（10級以上），轉(zhuǎn)速更高（5000rpm以上）。由于壓縮比高，氣體溫度升高顯著，故壓縮機都分成幾段，每段包括若干級，段與段之間設有冷卻器。,2.離心壓縮機,2．2．8軸流泵和軸流通風機,軸流泵的構(gòu)造如圖所示,軸流泵提供給液體的壓頭較小，但輸送量卻很大，特別適用于大流量和低壓頭的液體輸送狀況。,軸流通風機和軸流泵的結(jié)構(gòu)相似，它產(chǎn)生的風壓很

24、低，一般只作通風換氣用，常用于化工生產(chǎn)中空冷器和涼水塔的通風。,圖P115,2．2．9旋渦泵,旋渦泵是一種特殊類型的離心泵，其主要部件為圓盤形葉輪和開有環(huán)行凹槽的泵殼。旋渦泵的效率比較低，一般為20%～50%。但與多級離心泵或往復泵相比，旋渦泵的體積較小，結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，產(chǎn)生的壓頭較相同葉輪直徑和轉(zhuǎn)速的離心泵高2～4倍。旋渦泵適合小流量、高壓頭下粘性不高、不含固體顆粒的液體輸送。,2．3容積式流體輸送機械,2．3．1往復式流體輸送機

25、械工作原理 2．3．2往復泵2．3．3往復壓縮機 2．3．4回轉(zhuǎn)式流體輸送機械,2．3．1往復式流體輸送機械工作原理,往復式流體輸送機械理想循環(huán)具有以下特征： （1）流體在進、出工作腔時通過閥門沒有阻力； （2）工作腔內(nèi)無余隙容積，腔內(nèi)的流體被全部排出； （3）工作腔作為一個孤立體與外界無熱交換；（4）氣體壓縮指數(shù)為定值； （5）氣體無泄漏。,2．3．1往復式流體輸送機械工作原理,如右圖為往復壓縮機工作過程

26、示意圖。,壓縮機的吸入過程功 ，相應的排出過程功為 ，壓縮過程功為 ，總的指示功為三者的代數(shù)和。即,,,,,（理想氣體壓縮過程）,,式中“-”號表示機械需要外功來幫助它實現(xiàn)缸內(nèi)的循環(huán)，所以需由原動機來進行驅(qū)動 。,2．3．2往復泵,1.往復泵的結(jié)構(gòu),下圖是往復泵的示意圖,主要部件：,泵缸；活塞；活塞桿；吸入閥、排出閥,其中的吸入閥和排出閥均為單向閥。,2．3．2往復泵,2.往復泵的特點和分類,往復泵具有以下

27、特點：,(1)往復泵的流量僅與往復泵活塞的直徑、行程、轉(zhuǎn)速及液缸數(shù)有關，與管路的情況、所輸送流體的溫度、粘度無關。,(2)往復泵的壓頭取決于往復泵在其中工作的管路特性。,(3)往復泵裝置中必須安裝有安全閥或其它安全裝置。,(4)往復泵有很好的自吸能力。,(5)往復泵的效率較高,(6)往復泵的流量較小，且流量不均勻，結(jié)構(gòu)比較復雜，適用于高壓頭、小流量的場合。但不宜輸送腐蝕性液體及含有固體顆粒的懸浮液。,2．3．2往復泵,往復泵的分類：,(

28、1)按與輸送介質(zhì)接觸的工作機構(gòu)分有活塞泵、柱塞泵和隔膜泵；,(2)按往復泵的作用特點分有單作用泵、雙作用泵和差動泵；,(3)根據(jù)動力分有機動泵（包括電動機驅(qū)動的泵和內(nèi)燃機驅(qū)動的泵）、直接作用泵（包括蒸汽、氣、液壓直接驅(qū)動的泵）和手動泵等。,2．3．2往復泵,4.往復泵工況調(diào)節(jié) 往復泵的流量調(diào)節(jié)通常采用改變往復泵的轉(zhuǎn)速、改變活塞行程或旁路調(diào)節(jié)等方法來實現(xiàn)。,3.往復泵性能參數(shù) 往復泵的主要性能參數(shù)有流量、壓頭（壓力）、功

29、率、效率、活塞每分鐘的往復次數(shù)及汽蝕余量等，它們的定義與離心泵相同。,2．3．3往復壓縮機,②特性曲線,③特點與應用,——與往復泵相似,——與往復泵相似，是通過氣缸內(nèi)活塞的往復運動，使氣體完成吸入、壓縮和排出工作循環(huán)。,結(jié)構(gòu)復雜、體積重量大、流量小、供氣不均勻、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、易損壞部件多，適用于高壓力、中小流量的生產(chǎn)場合，不宜在大流量、含有懸浮顆粒的場合下使用。 常使用多級壓縮。,①結(jié)構(gòu)與工作原理,2．3．4回轉(zhuǎn)式流體輸送機械,1

30、.螺桿泵,工作原理:,旋轉(zhuǎn)泵的一種,螺紋在旋轉(zhuǎn)時有推進作用,2．3．4回轉(zhuǎn)式流體輸送機械,1.螺桿泵,特點:,螺桿泵有單螺桿泵、雙螺桿泵和三螺桿泵。,螺桿泵的特點是轉(zhuǎn)速高，流量和壓力均勻；機組結(jié)構(gòu)緊湊、傳動平穩(wěn)經(jīng)久耐用，工作安全可靠；無噪音、效率高。常用于輸送各種油類及高分子聚合物，還可作為計量泵，但加工工藝復雜，成本高，不能輸送含有固體顆粒的液體。,2．3．4回轉(zhuǎn)式流體輸送機械,2.滑片泵,圖P124,泵的轉(zhuǎn)子為圓柱形，轉(zhuǎn)子上有若干槽

31、，槽內(nèi)有滑片，滑片可在轉(zhuǎn)子的槽中作徑向滑動?；侩x心力、彈簧力或液壓力壓向機體，使滑片端部與機體緊貼而保證密封。,2．3．4回轉(zhuǎn)式流體輸送機械,3.齒輪泵,圖P124,屬旋轉(zhuǎn)泵的一種，工作部件是一對旋轉(zhuǎn)的嚙合齒輪，齒輪旋轉(zhuǎn)時，封閉在齒穴和泵殼間的液體被強行壓出；齒輪脫離嚙合時產(chǎn)生真空吸入液體。,齒輪泵的特點: 流量均勻、尺寸小而輕便，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，堅固耐用，維修保養(yǎng)方便，流量小、壓力高，適合輸送粘性較大的液體，但不宜輸送含有固體顆

32、粒的液體。,2．3．4回轉(zhuǎn)式流體輸送機械,4.羅茨鼓風機,羅茨鼓風機的主要零部件有：轉(zhuǎn)子、同步齒輪、氣缸、端板及軸承密封件等，如圖所示。 氣缸內(nèi)一對轉(zhuǎn)子將氣缸內(nèi)的空間分為互不相連的吸入和排出室，當電機帶動主動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，從動轉(zhuǎn)子被牽制著作相反方向旋轉(zhuǎn)。通過吸入室空間體積的由小變大吸入的氣體，被轉(zhuǎn)子和氣缸所形成的空間帶到排出室，再由排出室空間體積的由大變小強行排出。,圖P125,2．4 真空泵,2．4．1真空泵的典型結(jié)構(gòu)和分類2．

33、4．2真空泵性能及選用,2．4．1真空泵的典型結(jié)構(gòu)和分類,1.水環(huán)式真空泵,水環(huán)式真空泵簡稱水環(huán)泵，如圖所示，它由圓柱形泵殼、偏心安裝的葉輪和有吸、排氣口的端蓋等組成。,水環(huán)泵的效率比較低，一般30%左右，所產(chǎn)生的最大真空度為83kPa，由于水環(huán)泵沒有閥門和摩擦面，適用于抽除含塵氣體等。,圖P126,2．4．1真空泵的典型結(jié)構(gòu)和分類,1.噴射泵,噴射真空泵簡稱噴射泵，其結(jié)構(gòu)如圖所示，由噴嘴、混合室和擴壓器組成。其原理是利用工作介質(zhì)作高速

34、流動時靜壓能和動壓能之間相互轉(zhuǎn)換所形成的真空來實現(xiàn)氣體的吸送目的。,噴射泵適合處理強腐蝕性、含有機械雜質(zhì)以及帶有水蒸氣的氣體，但其效率比較低，僅為10%~25%。,圖P126,2．4．2真空泵性能及選用,真空泵性能包括極限真空壓力、抽吸量和抽吸時間等。,極限真空壓力 利用真空泵的抽吸作用使系統(tǒng)中的氣體能達到的最低壓力，稱為極限真空壓力。,抽吸量 真空泵的抽吸量是隨真空度而變化的。一般銘牌上的抽吸量是指常壓下單位時間內(nèi)的吸氣量。真空泵

35、選用時，可根據(jù)其特性曲線來決定。,抽吸時間 一臺真空泵從一封閉容器中抽吸氣體，從開始到要求真空度所需要的時間，稱為抽吸時間。,真空泵的選用應根據(jù)極限真空壓力和抽吸時間這兩個指標，從相應的樣本中選擇真空泵的類型。,2．5流體輸送機械的特點,(1)由于速度式流體輸送機械的轉(zhuǎn)動慣量小，摩擦損失小，適合高速旋轉(zhuǎn)，所以速度式流體輸送機械轉(zhuǎn)速高、流量大、功率大。,(2)運轉(zhuǎn)平穩(wěn)可靠，排氣穩(wěn)定、均勻，一般可連續(xù)運轉(zhuǎn)1~3年而不需要停機檢修。,(3)

36、速度式流體輸送機械的零部件少，結(jié)構(gòu)緊湊。,1.速度式流體輸送機器的特點,(4)由于單級壓力比不高，故不適合在太小的流量或較高的壓力（>70MPa）下工作。,2．5流體輸送機械的特點,(1)運動機構(gòu)的尺寸確定后，工作腔的容積變化規(guī)律也就確定了，因此機械轉(zhuǎn)速改變對工作腔容積變化規(guī)律不發(fā)生直接的影響，故機械工作的穩(wěn)定性較好。,(2)流體的吸入和排出是靠工作腔容積變化，與流體性質(zhì)關系不大，故容易達到較高的壓力。,(3)容積式機械結(jié)構(gòu)復雜，