第二章 流體輸送機(jī)械(譚)

《化工原理》電子教案/目錄1目錄第二章流體輸送機(jī)械第一節(jié)離心泵一、離心泵的構(gòu)造和工作原理二、離心泵主要構(gòu)件的結(jié)構(gòu)及功能三、離心泵的主要性能參數(shù)四、離心泵的特性曲線五、離心泵的工作點(diǎn)與流量調(diào)節(jié)習(xí)題課六、離心泵的安裝高度七、離心泵的類型、選用、安裝與操作《化工原理》電子教案/目錄2目錄第二節(jié)其它類型泵一、其它葉片式泵二、容積式泵三、各類泵在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用第三節(jié)通風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)和真空泵一、離心通風(fēng)機(jī)二、往復(fù)壓縮機(jī)3/67第二章流體輸送機(jī)械流體輸送機(jī)械4/67第二章流體輸送機(jī)械按泵的工作原理分:特點(diǎn)：依靠旋轉(zhuǎn)的葉片向液體傳送機(jī)械能

特點(diǎn)：機(jī)械內(nèi)部的工作容積不斷發(fā)生變化。特點(diǎn)：工作原理無(wú)法歸到上述兩者的泵5/67第一節(jié)離心泵一、離心泵的構(gòu)造和工作原理1、離心泵的構(gòu)造：

思考：為什么葉片彎曲？泵殼呈蝸殼狀？請(qǐng)點(diǎn)擊觀看動(dòng)畫答案見后面的內(nèi)容6/67一、離心泵的構(gòu)造和工作原理2、離心泵的工作原理請(qǐng)點(diǎn)擊觀看動(dòng)畫請(qǐng)點(diǎn)擊觀看動(dòng)畫思考：流體在泵內(nèi)都獲得了哪幾種能量？其中哪種能量占主導(dǎo)地位？思考：泵啟動(dòng)前為什么要灌滿液體氣縛現(xiàn)象答案：動(dòng)能和靜壓能，其中靜壓能占主導(dǎo)7/67二．離心泵主要構(gòu)件的結(jié)構(gòu)及功能1．葉輪閉式葉輪的內(nèi)漏最小，故效率最高，敞式葉輪的內(nèi)漏最大。但敞式葉輪和半閉式葉輪不易發(fā)生堵塞現(xiàn)象請(qǐng)點(diǎn)擊觀看動(dòng)畫思考：三種葉輪中哪一種效率高？葉輪是離心泵的心臟部件，有2至6片彎曲的葉片。

8/67二．離心泵主要構(gòu)件的結(jié)構(gòu)及功能思考：泵殼的主要作用是什么？2．泵殼①匯集液體，并導(dǎo)出液體；②能量轉(zhuǎn)換裝置（動(dòng)能變靜壓能）呈蝸牛殼狀

思考：為什么導(dǎo)輪的彎曲方向與葉片彎曲方向相反？3．導(dǎo)輪請(qǐng)點(diǎn)擊觀看動(dòng)畫答案見后面的內(nèi)容固定不動(dòng)

9/67二．離心泵主要構(gòu)件的結(jié)構(gòu)及功能4.軸封裝置填料如浸油或滲涂石墨的石棉帶、碳纖維、氟纖維和膨脹石墨等，請(qǐng)點(diǎn)擊觀看動(dòng)畫----減少泵內(nèi)高壓液體外流，或防止空氣侵入泵內(nèi)。由兩個(gè)光滑而密切貼合的金屬環(huán)形面構(gòu)成，動(dòng)環(huán)隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)，靜環(huán)裝在泵殼上固定不動(dòng)，二者在泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)保持緊貼狀態(tài)以防止?jié)B漏。填料不能壓得過(guò)緊，也不能壓得過(guò)松，應(yīng)以壓蓋調(diào)節(jié)到有液體成滴狀向外滲透。請(qǐng)點(diǎn)擊觀看動(dòng)畫對(duì)于輸送酸、堿的離心泵，密封要求比較嚴(yán)，多用機(jī)械密封。10/67三．離心泵的主要性能參數(shù)離心泵的主要性能參數(shù)銘牌11/67三．離心泵的主要性能參數(shù)轉(zhuǎn)速H，又稱揚(yáng)程，泵對(duì)單位重量流體提供的有效能量，m?？捎萌鐖D裝置測(cè)量。Q，泵單位時(shí)間實(shí)際輸出的液體量，m3/s或m3/h?？蓽y(cè)量。n，單位r.p.s或r.p.m在泵進(jìn)口b、泵出口c間列機(jī)械能衡算式：流量壓頭12/67三．離心泵的主要性能參數(shù)理論壓頭----理想情況下單位重量液體所獲得的能量稱為理論壓頭，用H表示。泵的壓頭H與影響因素的關(guān)系式只能由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，但理想情況下的關(guān)系式則可理論推導(dǎo)得到。

思考：由（1）、（2）可以得出什么結(jié)果？13/67理論壓頭H液體在高速旋轉(zhuǎn)的葉輪中的運(yùn)動(dòng)分為2種:周向運(yùn)動(dòng)：沿葉片表面的運(yùn)動(dòng)：處處與葉片相切，速度wu2u1w1w2思考：u1、u2孰大？w1

、w2孰大？14/67理論壓頭H在1與2之間列伯努利方程式，得：理論壓頭H產(chǎn)生的原因：原因一：離心力作功1kg液體受到的離心力為：15/67理論壓頭H理論壓頭H原因二：液體由1流到2時(shí)，由于流動(dòng)通道逐漸擴(kuò)大，

w逐漸變小，這部分能量將轉(zhuǎn)化為靜壓能。原因一：離心力作功16/67理論壓頭Hu2u1w1w2根據(jù)余弦定理可知：17/67理論壓頭H12u22u1w1w2理論壓頭H離心泵設(shè)計(jì)中，一般都使設(shè)計(jì)流量下的1=90則cos1=0。于是

r2b2c2uc2c2rc2uc2r18/67理論壓頭H12u22u1w1w2理論壓頭Hr2b2c2uc2c2rc2uc2r思考：與H有關(guān)的因素有哪些？分別是怎樣的關(guān)系？討論：（1）H與流量Q、葉輪轉(zhuǎn)速、葉輪的尺寸和構(gòu)造（r2、b2、2）有關(guān)；（2）葉輪直徑越大、轉(zhuǎn)速越大，則H越大；19/67葉片后彎，2<90，cot2>0，即H隨流量增大而減?。蝗~片徑向，2=90，cot2=0，即H不隨流量而變化；葉片前彎，2>90，cot2<0，即H隨流量增大而增大。2=902>9020/67理論壓頭H似乎泵設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)取前彎葉片，因其H

為最高。但實(shí)際上泵的設(shè)計(jì)都采用后彎葉片。Why？c2w2u2后彎葉片c2w2u2徑向葉片c2w2u2前彎葉片c2小，泵內(nèi)流動(dòng)阻力損失小回憶：思考：為什么葉片彎曲？泵殼呈蝸殼狀？思考：為什么導(dǎo)輪的彎曲方向與葉片彎曲方向相反？21/67理論壓頭H（4）理論壓頭H與液體密度無(wú)關(guān)。這就是說(shuō)，同一臺(tái)泵無(wú)論輸送何種密度的液體，對(duì)單位重量流體所能提供的能量是相同的。22/67實(shí)際壓頭H實(shí)際壓頭比理論壓頭要小。具體原因如下：此損失只與葉片數(shù)、液體黏度等有關(guān)，與流量幾乎無(wú)關(guān)。（1）葉片間的環(huán)流運(yùn)動(dòng)請(qǐng)點(diǎn)擊觀看動(dòng)畫考慮這一因素后，圖中理論壓頭線a變?yōu)橹本€b。

b23/67實(shí)際壓頭H（2）阻力損失考慮到這項(xiàng)損失后，壓頭線變?yōu)榍€c

。

此損失可近似視為與流速的平方呈正比。bc24/67實(shí)際壓頭H（3）沖擊損失在設(shè)計(jì)流量下，此項(xiàng)損失最小。流量若偏離設(shè)計(jì)量越遠(yuǎn)，則沖擊損失越大。設(shè)計(jì)流量bcd考慮到這項(xiàng)損失后，壓頭線應(yīng)為曲線d。

25/67三．離心泵的主要性能參數(shù)軸功率和效率軸功率，用N表示，單位W或kW效率，無(wú)量綱有效功率Ne=mswe＝QgH，單位W或kW

三者關(guān)系（如圖）：26/67三．離心泵的主要性能參數(shù)軸功率和效率NNe機(jī)械損失容積損失水力損失小型水泵：一般為5070%

大型泵：可達(dá)90%以上（1）容積損失：

（2）水力損失（3）機(jī)械損失內(nèi)漏與效率有關(guān)的各種能量損失：環(huán)流損失、阻力損失和沖擊損失

泵軸與軸承、密封圈等機(jī)械部件之間的摩擦27/67三．離心泵的主要性能參數(shù)允許汽蝕余量將在后面介紹。28/67四．離心泵的特性曲線N~Q曲線~Q曲線測(cè)定條件：固定轉(zhuǎn)速，

20C清水上述這些主要性能參數(shù)間的關(guān)系無(wú)法理論推得，一般由廠家測(cè)定，并用曲線表示出來(lái)，稱為離心泵特性曲線。常用的共有三條線，如圖。H~Q曲線29/67四．離心泵的特性曲線設(shè)計(jì)點(diǎn)最高效率5％～8％區(qū)域?yàn)楸酶咝^(qū)由圖可見：Q，H

，N，有最大值（設(shè)計(jì)點(diǎn)）。思考：離心泵啟動(dòng)時(shí)出口閥門應(yīng)關(guān)閉還是打開，why？為什么Q＝0時(shí)，N0？30/67離心泵特性曲線的影響因素液體性質(zhì)

密度:黏度:Why？當(dāng)比20℃清水的大時(shí)，H，N，實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)<20倍清水的黏度（20℃

）時(shí)，對(duì)特性曲線的影響很小，可忽略不計(jì)。對(duì)H~Q曲線、~Q曲線無(wú)影響，但故，N~Q曲線上移。31/67離心泵特性曲線的影響因素葉輪轉(zhuǎn)速

當(dāng)轉(zhuǎn)速變化不大時(shí)（小于20%），利用出口速度三角形相似的近似假定，可推知：若不變，則比例定律32/67離心泵特性曲線的影響因素泵在原轉(zhuǎn)速n下的特性曲線方程轉(zhuǎn)速增大33/67離心泵特性曲線的影響因素葉輪直徑當(dāng)葉輪直徑因切割而變小時(shí)，若變化程度小于20%，則若不變，則思考：若泵在原葉輪直徑下的特性曲線方程為H=A+BQ2，則葉輪切割后泵的特性曲線方程表達(dá)式？34/67五、離心泵的工作點(diǎn)與流量調(diào)節(jié)泵----供方管路--需方匹配：1、管路特性曲線泵提供的流量=管路所需的流量泵提供的壓頭H=管路所需的壓頭he---管路所需壓頭he與流量關(guān)系曲線對(duì)如圖所示的管路列機(jī)械能衡算式：35/67五、離心泵的工作點(diǎn)與流量調(diào)節(jié)管路特性方程完全湍流時(shí)，與流量無(wú)關(guān)與流量有關(guān)36/67五、離心泵的工作點(diǎn)與流量調(diào)節(jié)2、流量調(diào)節(jié)

——調(diào)節(jié)閥門（改變曲線中的B）——改變n、切割葉輪閥門開大閥門關(guān)小工作點(diǎn)兩種方法缺點(diǎn)：多耗動(dòng)力，并可能使泵低效率區(qū)工作優(yōu)點(diǎn)：迅速、方便，可在某一最大流量與零之間隨意變動(dòng)。

不經(jīng)常改變流量時(shí)用，大中型泵的流量調(diào)節(jié)傾向于首先考慮采用這一技術(shù)37/67習(xí)題課----根據(jù)流量、壓頭選泵將流量、壓頭裕量控制在10%左右。38/67設(shè)計(jì)型問(wèn)題計(jì)算舉例【解】題中已給出最大流量為：Q=80m3h-1取he的1.05～1.1倍則為18.9~19.8m。查圖2-18得：IS100-80-125，n＝2900rmin-1另：IS125-100-250，n＝1450rmin-1泵雖同樣合用，但泵體較大，一般情況下都選前者。

【例1】要用泵將水送到15m高之處，最大流量為80m3h-1。此流量下管路的壓頭損失為3m。試在IS型泵中，選定合用的一個(gè)。作業(yè)：39/67習(xí)題課----泵已經(jīng)在運(yùn)行，但操作中某些操作條件變了，如電機(jī)轉(zhuǎn)速、液面高度等，從而引起流量、揚(yáng)程、壓力等的變化。這類問(wèn)題稱為～。40/67操作型問(wèn)題分析舉例【例2】用離心泵將江水送至高位槽。若管路條件不變，則下列參數(shù)隨著江面的下降有何變化？（設(shè)泵仍能正常工作）流量、壓頭，管路總阻力損失hf，泵出口處壓力表讀數(shù)，泵入口處真空表讀數(shù)。管路特性曲線平行上移江面下降，泵特性曲線不變

工作點(diǎn)左移方法：畫圖找新工作點(diǎn)【解】41/67操作型問(wèn)題分析舉例33不含動(dòng)能流量、壓頭，管路總阻力損失hf，泵出口處壓力表讀數(shù)，泵入口處真空表讀數(shù)。42/67練習(xí)

圖示為離心泵性能測(cè)定裝置。若水槽液面上升，則Q、H、N、hf

、p1和p2（均為讀數(shù)）如何變化？答：Q不變，H不變，N不變，hf不變

43/67如圖所示，高位槽上方的真空表讀數(shù)為p，現(xiàn)p增大，其它管路條件不變，則管路總阻力損失。（寫出分析過(guò)程）A．增大 B．減小 C．不變 D．不確定補(bǔ)充作業(yè)：44/67操作型問(wèn)題計(jì)算舉例【例】某離心泵工作轉(zhuǎn)速為n=2900r.p.m.（轉(zhuǎn)/min），其特性曲線方程為H=30－0.01V2。當(dāng)泵的出口閥全開時(shí)，管路特性曲線方程為he=10＋0.04V2，式中V的單位為m3/h，H及he的單位均為m。求：（1）閥全開時(shí)，泵的輸水量為多少？（2）要求所需供水量為上述供水量的75%時(shí)：

a．若采用出口閥調(diào)節(jié)，則多損失的壓頭為多少m水柱？

b．若采用變速調(diào)節(jié)，則泵的轉(zhuǎn)速應(yīng)為多少r.p.m.？

【解】（1）45/672015Hhe(2)多損失的壓頭為多少m水柱？a.采用調(diào)節(jié)出口閥門的方法多損失的泵特性曲線方程管路特性曲線方程46/67泵特性曲線方程管路特性曲線方程b.采用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方法，則泵的轉(zhuǎn)速應(yīng)為多少r.p.m.？

2015注意：以下解法錯(cuò)誤!!!新轉(zhuǎn)速下泵的特性曲線方程為：

因?yàn)楸壤芍贿m用于泵，而不能用于由泵和管路特性曲線共同決定的工作點(diǎn)（管路特性曲線過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)時(shí)除外）。he47/67作業(yè)：48/67六、離心泵的安裝高度ZS1、什么是安裝高度？

泵軸與吸液方液面間的垂直高度，稱為安裝高度，用ZS表示?？烧韶?fù)。思考：安裝高度為什么受限制？

49/67六、離心泵的安裝高度ZS思考：安裝高度為什么受限制？

為避免汽蝕現(xiàn)象，安裝高度必須加以限制，即存在最大安裝高度ZS,max。汽蝕現(xiàn)象：

葉片背面

當(dāng)pk＝pv時(shí)，K處發(fā)生部分汽化現(xiàn)象。葉片表面產(chǎn)生蜂窩狀腐蝕；泵體震動(dòng)，并發(fā)出噪音；流量、壓頭、效率都明顯下降；嚴(yán)重時(shí)甚至吸不上液體。50/67六、離心泵的安裝高度ZS2、最大安裝高度ZS,max和允許汽蝕余量h允許剛好發(fā)生汽蝕時(shí)，pk＝pv，pe達(dá)到最小值pe,min。在s-s面、e-e面間列機(jī)械能衡算：最小汽蝕余量又稱最小凈正吸上高度（NPSH，NetPositiveSuctionHead）51/67六、離心泵的安裝高度ZS一般規(guī)定，允許汽蝕余量h允許是泵的特性參數(shù)之一，由廠家測(cè)定。hmin的實(shí)驗(yàn)測(cè)定：用20℃清水測(cè)定。以泵的揚(yáng)程較正常值下降3%作為發(fā)生汽蝕的標(biāo)志，測(cè)定泵剛好發(fā)生汽蝕時(shí)的pe即可。----最小汽蝕余量實(shí)際的安裝高度還應(yīng)比允許值低0.5～1m。52/67六、離心泵的安裝高度ZS當(dāng)輸送條件與測(cè)定條件不同時(shí)，則要對(duì)Δh允許值進(jìn)行校正。求校正系數(shù)的曲線載于泵的說(shuō)明書中。校正系數(shù)常小于1，故為簡(jiǎn)便計(jì)，也可不校正，而將其視為外加的安全因數(shù)。h允許的校正：53/67七、離心泵的類型、選用、安裝與操作類型：不下百種

請(qǐng)點(diǎn)擊觀看動(dòng)畫D（1）清水泵：輸送清水或相近、無(wú)腐蝕性、雜質(zhì)較少的液體。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低?！狪S（2）耐腐蝕泵：輸送腐蝕性的液體，用耐腐蝕材料制成，要求密封可靠。——F（3）油泵：輸送石油產(chǎn)品的泵，要求有良好的密封性?！猋55/67七、離心泵的類型、選用、安裝與操作高效區(qū)選用原則：定類型-----根據(jù)流體性質(zhì)及操作條件

定規(guī)格-----根據(jù)流量、壓頭大小，高效返回目錄(二)離心泵的選擇與校核3.校核功率如果輸送流體與水的性質(zhì)相差較大，需校正泵的各項(xiàng)特性參數(shù)選泵的步驟：

即離心泵的流量≥生產(chǎn)要求的流量1.根據(jù)生產(chǎn)要求的流量及外加壓頭He，確定泵的流量和揚(yáng)程H

2.根據(jù)被輸送液體的性質(zhì)確定離心泵的類型與型號(hào)

泵的揚(yáng)程

≥生產(chǎn)所需的外加壓頭例2系統(tǒng)要求的流量qv=45m3/h20℃的水，管路15m，試選擇合適的離心泵，并確定安裝高度。Z1=0Z2=10mu1≈0u2≈0p1=0(表)

p2=0(表)H=?∑Hf=?√√？√？？管路局部障礙數(shù)量le/d

帶濾水器底閥

1420900標(biāo)準(zhǔn)彎頭235×2全開截止閥

1300管口入容器1ζ=110m1122√解:(1)選水在管內(nèi)的流速u=2.5m/s估算管內(nèi)徑

選用88.5×4[mm]的有縫鋼管（水煤氣管）管內(nèi)徑

d=88.5-2×4=80.5m

水的實(shí)際流速鋼管的絕對(duì)粗糙度取=0.3

mm∴外加壓頭一般液體的流速0.5～3m/s相對(duì)粗糙度取/d=0.3/80.5=0.00373=0.028鋼管絕對(duì)粗糙度0.2～0.3泵效率

=64～75%泵軸功率N=2.87～3.93kw配電機(jī)功率N=5.5kw汽蝕余量△h=3～3.5m解:(2)根據(jù)系統(tǒng)要求的流量qv=45m3/h

外加壓頭H=18.74m選IS80-65-125型水泵

流量qv=30～60m3/h（n=2900r/min）取泵吸入直管長(zhǎng)l=5m，20℃水pv=2.338×103

[Pa]=998.2[kg/m3]則泵吸入管壓頭損失為：泵的最大允許安裝高度為:泵的實(shí)際安裝高度Hg=Hgmax-（0.5～１）Hg=（1.14～1.64）[m]一般吸入直管長(zhǎng)l

＞

Hg.max一般吸入直管長(zhǎng)l

＞

Hg.max揚(yáng)程H=18～22.5m60/67第二節(jié)其它類型泵一、其它速度式泵61/67第二節(jié)其它類型泵二、容積式泵1、往復(fù)泵工作原理：與離心泵比較：結(jié)構(gòu)：泵缸、活塞、閥門、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

利用容積的變化給流體加靜壓能工作循環(huán)：一次吸液，一次排液

-----具有自吸能力，不必灌液

----安裝高度也受限制，啟動(dòng)前是否需要灌液？安裝高度是否有限制？流量Q與壓頭H關(guān)系？-----流量與壓頭幾乎無(wú)關(guān)

由于受泵的部件機(jī)械強(qiáng)度和原動(dòng)機(jī)功率的限制，泵的揚(yáng)程不可能無(wú)限增大。壓頭越大，漏損越大.請(qǐng)點(diǎn)擊觀看動(dòng)畫62/671、往復(fù)泵與離心泵比較：旁路輸液量均勻性？連續(xù)性？流量調(diào)節(jié)方法？----輸液量不均勻、不連續(xù)

----流量調(diào)節(jié)不可用出口閥門調(diào)節(jié)方法。

適用于小流量、高壓頭的情況下輸送高粘度的液體。效率高，通常為7293%。請(qǐng)點(diǎn)擊觀看動(dòng)畫第二節(jié)其他類型化工用泵一、往復(fù)泵（正位移泵、容積泵）(一)往復(fù)泵的工作原理(二)往復(fù)泵的類型與流量(三)往復(fù)泵的揚(yáng)程與流量調(diào)節(jié)

Q0231.往復(fù)泵的揚(yáng)程：與流量無(wú)關(guān)由泵的機(jī)械強(qiáng)度、密封性、帶動(dòng)電機(jī)功率等決定2.往復(fù)泵的流量調(diào)節(jié)（1）旁路調(diào)節(jié)（2）改變轉(zhuǎn)速（3）改變活塞行程（偏心輪）適用：流量小揚(yáng)程高效率高70~90%64/672、其他容積式泵：(二)齒輪泵適用：流量小，不含固體顆粒、無(wú)腐蝕性、粘度范圍較大的液體。特點(diǎn)：簡(jiǎn)單緊湊,制造容易,維護(hù)方便，但流量、壓力有脈動(dòng)且噪聲大(三)旋渦泵旋渦泵的特點(diǎn)如下：

1.壓頭和功率隨流量增加下降較快。因此啟動(dòng)時(shí)應(yīng)打開出口閥，采用旁路調(diào)節(jié)。

2.在葉輪直徑和轉(zhuǎn)速相同的條件下，旋渦泵的壓頭比離心泵高出2~4倍，適用于高壓頭、小流量的場(chǎng)合。3.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕巧、加工容易，且可采用各種耐腐蝕的材料制造。

4.輸送液體的粘度不宜過(guò)大，否則泵的壓頭和效率都將大幅度下降。

5.輸送液體不能含有固體顆粒。

6.效率低30~40%67/67三、各類泵在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用請(qǐng)點(diǎn)擊觀看動(dòng)畫離心泵應(yīng)用范圍最廣。特別適用于化工生產(chǎn)的原因是它的流量均勻而易于調(diào)節(jié)，又能輸送有腐蝕性、含懸浮物的液體。往復(fù)泵往復(fù)泵只宜在壓頭高、流量也較大的情況下使用。返回目錄68/67第三節(jié)通風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)和