化工原理2(多學(xué)時(shí)課堂教學(xué))

1、第二章第二章 流體輸送機(jī)械流體輸送機(jī)械 一、流體輸送機(jī)械：為流體提供外加能量的機(jī)械（機(jī)器和設(shè)備）。 二、分類 泵， 液體輸送 按流體種類分 風(fēng)機(jī)或壓縮機(jī)或真空泵， 氣體輸送 離心式 往復(fù)式 按原理分 旋轉(zhuǎn)式 流體動(dòng)力作用式 第一節(jié) 液體輸送機(jī)械液體輸送機(jī)械 一、離心泵1結(jié)構(gòu)：見圖2-1。2原理：甩出、真空、吸入。 葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片之間的液體隨葉輪一起旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下，液體沿葉片間的通道從葉輪中心被甩到葉輪外圍，具有很高的能量，從而液體可流到所需場(chǎng)所。 當(dāng)液體被甩出后，在葉輪中心就會(huì)形成一定的真空，外界壓力與該真空的壓差就使液體經(jīng)底閥，吸入管道流入葉輪中心。這樣，只要葉輪不停地旋轉(zhuǎn)，液體就

2、源源不斷地被吸入和排出。 3氣縛：葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)不能輸送液體的現(xiàn)象。 若離心泵啟動(dòng)前未充滿液體，則葉片間必充滿氣體。由于氣體密度很小，所產(chǎn)生的離心力也很小。所以在葉輪中心形成的真空不足以將液體吸入泵內(nèi)，這時(shí)葉輪雖然旋轉(zhuǎn)，但不能輸送液體。 4主要部件(1) 葉輪：見圖2-2和圖2-3。 敞式 （開式） 按葉片的形式分 半蔽式 （半閉式） 蔽式 （閉式） 單吸 按吸入方式分 雙吸(2) 泵殼：見圖2-4。 泵殼一般制成蝸牛殼形，以便動(dòng)能有效地轉(zhuǎn)化為靜壓能，為了進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)化率，有時(shí)在葉轉(zhuǎn)與泵殼之間裝有一個(gè)導(dǎo)輪。(3) 軸封（裝置）：旋轉(zhuǎn)的泵軸與固定的泵體之間的密封。a. 填料密封 填料一般采用浸油或涂

3、石墨的石棉繩。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但功率消耗大，且有一定程度的泄漏。 b. 機(jī)械（端面）密封 動(dòng)環(huán)硬度大，常用硬質(zhì)合金、陶瓷等，而靜環(huán)硬度較小，常用石墨制品、聚四氟乙烯等 5. 基本方程 假定：(1) 葉輪為具有無窮多個(gè)葉片、每個(gè)葉片無限薄的理想葉輪，即液體質(zhì)點(diǎn)嚴(yán)格沿葉片表面而流動(dòng)，在同一圓周上所有液體質(zhì)點(diǎn)的所有物理量都各自相等。(2) 流過葉輪的液體為理想液體，即液體流過葉輪時(shí)無能量損失。在1、2兩點(diǎn)間列某一時(shí)刻流線柏努利方程：所以 zxyg2rr由流線柏努利方程的最初形式： 對(duì)理想流體，有 對(duì)勻速離心力場(chǎng)和重力場(chǎng)中的穩(wěn)定流動(dòng)或某一時(shí)刻，有 對(duì)不可壓縮流體沿流線進(jìn)行不定積分，得 站在葉輪上，在1、2兩

4、點(diǎn)間列同一時(shí)刻流線柏努利方程，則 所以 理論壓頭(2-4)(P87) 由余弦定理得 基本方程(2-5)(P87) 在離心泵的設(shè)計(jì)中，一般使1=90，則cos1=0 所以 將 代入上式，得 又將 代入上式，得 6基本方程的討論 (1) 理論壓頭與葉輪直徑及轉(zhuǎn)速成正比。 (2) 葉片的幾何形狀對(duì)理論壓頭的影響： a. 后彎葉片，290，ctg20，b. 徑向葉片，2=90，ctg2=0，C. 前彎葉片，290，ctg20， 由上可見，2值越大，HT值越高，似乎前彎葉片較好。但由于2大于90以后，隨2的增加，動(dòng)壓頭增加，靜壓頭反而減小，從而能量損失大，效率低。因此，實(shí)際上離心泵的葉片總是后彎的。 (

5、3) 理論流量對(duì)理論壓頭的影響 當(dāng)葉輪的幾何尺寸(D2、b2、2)和轉(zhuǎn)速(n)一定時(shí)，理論壓頭與理論流量呈線性關(guān)系。 a. 290，QT，HTb. 2=90，QT，HTC. 290，QT，HT 實(shí)際上，葉輪的葉片數(shù)是有限的，液體也是非理想液體，所以實(shí)際壓頭和實(shí)際流量的關(guān)系曲線應(yīng)在理論壓頭和理論流量的關(guān)系曲線的下方。 7性能參數(shù)(1) 流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)泵所輸送的液體體積，Q，m3/s、m3/h或L/s。(2) 揚(yáng)程（壓頭）：?jiǎn)挝恢亓康囊后w流經(jīng)泵后所獲得的能量，H，m液柱。 揚(yáng)程（一般）由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，裝置如圖，原理如下： QQT或HHT或在真空表和壓力表之間列柏努利方程： 式中 He葉輪提供給單位重

6、量的液體的能量，m液柱。 所以 所以 式中 分別是壓力表和真空表的讀數(shù)，Pa。 （3）有效功率：液體流經(jīng)泵后所獲得的功率，Ne，W。 顯然 （4）效率：有效功率與軸功率之比，即 容積損失v，高壓液體泄漏到低壓處，Q能量損失 機(jī)械損失m，軸與軸承，軸封的摩擦 水力損失h，液體內(nèi)摩擦及液體與泵殼的碰撞，H 所以120h（5）軸功率：電機(jī)提供給泵軸的功率，N，W。由得或8 特性曲線：反應(yīng)揚(yáng)程、軸功率、效率和流量之間函數(shù)關(guān)系的曲線，一般用20C的清水在特定轉(zhuǎn)速下由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。由軸功率特性曲線知，啟動(dòng)泵時(shí)，應(yīng)關(guān)閉出口閥門，以保護(hù)電機(jī)。 由效率特性曲線知，泵的工作點(diǎn)應(yīng)在高效率區(qū)(92%)。9各因素對(duì)特性曲線

7、的影響(1) 密度的影響 a. 由泵的基本方程可知，揚(yáng)程和流量均與液體的密度無關(guān)，所以HQ曲線不變。 b. 由， 可知軸功率與密度成正比，否則軸功率不能與有效功率同步， 所以效率也與密度無關(guān)，Q曲線不變。 C. 由 知，NQ曲線有變。 HNmin2900rpn (2) 粘度 粘度增大，能量損失增大，因此泵的壓頭、流量都要減小，效率下降，而軸功率增大。 即 ，H，Q，N 特性曲線的改變可按下式進(jìn)行換算： 式中 CQ，CH，C換算系數(shù)，可由圖2-13及圖2-14查得。(3) 轉(zhuǎn)速當(dāng)液體粘度不大，且轉(zhuǎn)速變化不大時(shí)，有以下近似關(guān)系： 比例定律 (4) 葉輪直徑 當(dāng)葉輪直徑變化不大時(shí)，有以下近似關(guān)系：

8、切割定律 10氣蝕現(xiàn)象：液體汽化后又凝結(jié)，且對(duì)葉輪產(chǎn)生破壞的現(xiàn)象。 當(dāng)葉輪入口處壓力等于或低于液體的飽和蒸汽壓時(shí)，該處就會(huì)汽化并產(chǎn)生汽泡，這些汽泡流到高壓處又重新凝結(jié)，凝結(jié)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很高的局部壓力，會(huì)使葉輪因疲勞而破壞成蜂窩或海綿狀，而且會(huì)產(chǎn)生很大的噪音和強(qiáng)烈的振動(dòng)。 11允許吸上真空度(1) 定義 式中 p1泵入口處允許達(dá)到的最低絕對(duì)壓力，Pa； 用液柱高度來表示的泵入口處允許達(dá)到的最高真空度，m液柱，通常在 10mH2O(9.807104Pa)的大氣壓下，用20C的清水由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。 (2) 允許安裝高度Hg與 的關(guān)系在貯槽液面與泵入口處之間列柏努利方程， 則 所以 若 則（3） 若輸送其它液

9、體，且操作條件與上述的實(shí)驗(yàn)條件不符時(shí)，可按下式換算：000pgH1112汽蝕余量(1) 定義式中 h泵入口處靜壓頭和動(dòng)壓頭之和超過飽和蒸汽壓頭的允許最小值，也用20C的清水由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。(2) Hg與h的關(guān)系（3）校正：通常不校正而把它作為安全系數(shù)。 13. 管路特性曲線及泵的工作點(diǎn) 在1、2兩截面間列柏努利方程，得 又2121令則 管路特性曲線 工作點(diǎn)：泵的特性曲線與管路特性曲線的交點(diǎn)。當(dāng)泵在管路系統(tǒng)中工作時(shí)，流經(jīng)管路的流量就是流經(jīng)泵的流量；管路所需要的外加能量就是液體流經(jīng)泵后所獲得的能量。 14流量調(diào)節(jié)(1) 改變閥門的開度實(shí)質(zhì)是改變管路特性曲線。能損大，但方便，多采用。(2) 改變泵的轉(zhuǎn)速

10、實(shí)質(zhì)是改變泵的特性曲線。能損小，但昂貴，少采用。(3) 改變?nèi)~輪的直徑實(shí)質(zhì)也是改變泵的特性曲線。不方便，相當(dāng)于換一臺(tái)泵，極少采用。 15并聯(lián) 當(dāng)一臺(tái)泵的流量不夠時(shí)，可以用兩臺(tái)泵并聯(lián)操作，以增大流量。 兩臺(tái)相同的泵并聯(lián)時(shí)，其聯(lián)合特性曲線為單臺(tái)特性曲線在流量上的兩倍。但并聯(lián)后的流量并非單臺(tái)泵流量的兩倍，因?yàn)榱髁吭龃?，管路阻力增加?16串聯(lián) 當(dāng)一臺(tái)泵的揚(yáng)程不夠時(shí)，可以用兩臺(tái)泵串聯(lián)操作，以提高揚(yáng)程。 兩臺(tái)相同的泵串聯(lián)時(shí)，其聯(lián)合特性曲線為單臺(tái)特性曲線在揚(yáng)程上的兩倍。 但串聯(lián)后的揚(yáng)程并非單臺(tái)泵揚(yáng)程的兩倍，因?yàn)閾P(yáng)程提高，管路阻力也增加。 1類型(1) 分類 單級(jí)，B型 單吸 水泵 雙級(jí)，D型，揚(yáng)程高 雙吸

11、，Sh型，流量大 耐腐蝕泵，F(xiàn)型，耐腐蝕 油泵， Y型，密封性好 污水泵，PW型 雜質(zhì)泵，P型， 砂泵， PS型 防堵、耐磨 泥漿泵，PN型 低溫泵，隔熱性好(2) 型號(hào)舉例 3 B 33 A 葉輪外徑比基本型號(hào)小一級(jí) 揚(yáng)程為33mH2O 單級(jí)單吸水泵 入口直徑為3in(英寸) (3) 系列特性曲線 將同一類型的各種型號(hào)泵的較高效率范圍內(nèi)的HQ曲線繪在一個(gè)總圖上（如圖2-27，P111），以方便選用。 18選擇(1) 確定輸送系統(tǒng)的流量和揚(yáng)程 生產(chǎn)任務(wù)流量 管路系統(tǒng)揚(yáng)程(2) 選擇泵的類型和型號(hào) 液體性質(zhì) 操作條件 流量 揚(yáng)程(3) 核算泵的特性曲線 若液體的密度和粘度與水相差很大，則應(yīng)核算泵

12、的特性曲線： 然后根據(jù)核算后的泵的特性曲線確定泵的型號(hào)。 二. 其它類型泵1往復(fù)泵（1） 結(jié)構(gòu)（2） 原理 類型型號(hào)當(dāng)活塞向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，工作室的容積增大，形成負(fù)壓，將液體經(jīng)吸入閥吸入工作室；當(dāng)活塞向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，工作室的容積縮小，形成高壓，將液體經(jīng)排出閥排出工作室。 (3) 分類 單動(dòng) 雙動(dòng) 三聯(lián) (4) 特點(diǎn) a. 容積式泵：往復(fù)一次，就排出一定體積的液體，而與壓頭無關(guān)。 單動(dòng)泵： 理論流量： 雙單泵： 由于泄漏，實(shí)際流量低于理論流量。 b. 壓頭無限：只要泵的機(jī)械強(qiáng)度和原動(dòng)機(jī)功率允許。是正位移泵之一。 c. 有自吸能力 d. 用旁路調(diào)節(jié)流量 2計(jì)量泵：裝有可調(diào)偏心輪的往復(fù)泵，通過調(diào)節(jié)偏心輪來調(diào)節(jié)

13、沖程，從而嚴(yán)格地調(diào)節(jié)流量。3旋轉(zhuǎn)泵：正位移泵之一。 (1) 齒輪泵：互相嚙合的兩齒撥開形成低壓，兩齒合攏形成高壓，將液體排出。 (2) 螺桿泵：原理上與齒輪泵相似，它利用互相嚙合的兩螺桿來排送液體。4. 旋渦泵：一種特殊的離心泵，啟動(dòng)前要灌滿液體，啟動(dòng)時(shí)要全開出口閥，并用回路調(diào)節(jié)流量。 第二節(jié) 氣體輸送和壓縮機(jī)械氣體輸送和壓縮機(jī)械 一、用途1輸送氣體2產(chǎn)生高壓氣體3產(chǎn)生真空 二、分類 通風(fēng)機(jī) 終壓14.7kPa (表) 鼓風(fēng)機(jī) 終壓=14.7294kPa(表)，壓縮比4按出口的氣體的壓強(qiáng)分 壓縮機(jī) 終壓294kPa (表)，壓縮比4 真空泵 終壓=Pa (大氣壓)，初壓為負(fù)壓 三、離心通風(fēng)機(jī)1

14、分類 低壓離心通風(fēng)機(jī) 終壓0.9807kPa (表) 中壓離心通風(fēng)機(jī) 終壓 =0.98072.942kPa (表) 高壓離心通風(fēng)機(jī) 終壓 =2.94214.7kPa (表)2原理： 與離心泵相似3結(jié)構(gòu)： 與離心泵相似，但葉片的數(shù)目較多、較大，氣體流道的斷面有方形和原形兩種4性能參數(shù) (1) 風(fēng)量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)排出的氣體體積，并換算成吸入狀態(tài)的數(shù)值，Q，m3/h。 (2) 風(fēng)壓：?jiǎn)挝惑w積的氣體流徑風(fēng)機(jī)后，所獲得的能量，HT，J/m3=Pa，mmH2O。 風(fēng)壓也由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，裝置與測(cè)泵揚(yáng)程的裝置相似，原理如下： 在風(fēng)機(jī)進(jìn)出口之間列柏努利方程，得所以校正（3）軸功率與效率 5特性曲線： 反應(yīng)HT、HST

15、、N、與Q之間函數(shù)關(guān)系的曲線。 6選擇 (1) 確定輸送系統(tǒng)的風(fēng)量和風(fēng)壓 生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)口(吸入)態(tài)風(fēng)量Q 管路系統(tǒng)實(shí)際風(fēng)壓 實(shí)驗(yàn)風(fēng)壓HT (2) 確定風(fēng)機(jī)的類型和型號(hào) 氣體性質(zhì) 實(shí)驗(yàn)風(fēng)壓范圍 進(jìn)口(吸入)態(tài)風(fēng)量 實(shí)驗(yàn)風(fēng)壓HT QHTQHstQQN 類型型號(hào)四、離心鼓風(fēng)機(jī) 又稱透平鼓風(fēng)機(jī)，結(jié)構(gòu)和原理與多級(jí)離心泵類似，但葉輪級(jí)數(shù)多一些，轉(zhuǎn)速也較高，固能產(chǎn)生更高的壓強(qiáng)。 五、離心壓縮機(jī) 結(jié)構(gòu)和原理與離心鼓風(fēng)機(jī)的相似，只是離心壓縮機(jī)的級(jí)數(shù)更多，可十級(jí)以上，一般要分段，段間設(shè)置中間冷卻器，且葉輪逐級(jí)縮小。 六、羅茨鼓風(fēng)機(jī) 結(jié)構(gòu)如圖，原理與齒輪泵相似。 七、液環(huán)壓縮機(jī) 結(jié)構(gòu)如圖，原理為：當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，液體被

16、拋向殼體，形成一層橢圓型的液環(huán)，在橢圓型長軸兩端形成兩個(gè)月牙型空間。當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，月牙型空間的內(nèi)的小室大小的變化使氣體吸入或排出。 八、真空泵 1水環(huán)真空泵 結(jié)構(gòu)如圖，原理與液環(huán)壓縮機(jī)相似。 2噴射泵 結(jié)構(gòu)如圖，原理為動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能。 九、往復(fù)壓縮機(jī) 1結(jié)構(gòu)如圖 2原理一、往復(fù)壓縮機(jī)的工作過程：假設(shè)： 理想氣體 無氣閥阻力 無泄漏 1p2p(1) 理想壓縮循環(huán)：活塞與氣缸端蓋之間沒有空隙或沒有余隙。a. 過程： 吸氣壓縮 排氣 （如右圖所示） 等溫壓縮，4123 絕熱壓縮，412/ 3 多變壓縮，412/ 3 循環(huán)功：式中 m多變指數(shù)。(2) 實(shí)際壓縮循環(huán)：活塞與氣缸端蓋之間有空隙或有余隙。a. 過程：吸氣壓縮 余隙絕熱膨脹 排氣 （如右圖所示） 4123 1 b. 循環(huán)功c. 余隙系數(shù)：余隙體積與活塞掃過體積之比，即 d. 容積系數(shù)：吸氣體積與活塞掃過體積之比，即 1p2p4312 , 2 ,2 VpV1p2p4312pe. 0與的關(guān)系式中 m多變指數(shù)，1mk； k絕熱指數(shù)。所以 當(dāng)壓縮比高到一定程度的時(shí)候，容積系數(shù)可能變?yōu)榱恪?性能參數(shù)(1) 排氣量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)排出的氣體體積換算成吸入狀態(tài)的數(shù)值，Vmin，m3/min。a. 理想循環(huán)b. 實(shí)際循環(huán)(2) 軸功率與效率a. 有效功率（理論功率）b. 效率 流動(dòng)阻力 能量損失a 部件摩擦c. 軸功率4多級(jí)壓