化工原理2(多學時課堂教學)

1、第二章第二章 流體輸送機械流體輸送機械 一、流體輸送機械：為流體提供外加能量的機械（機器和設備）。 二、分類 泵， 液體輸送 按流體種類分 風機或壓縮機或真空泵， 氣體輸送 離心式 往復式 按原理分 旋轉式 流體動力作用式 第一節(jié) 液體輸送機械液體輸送機械 一、離心泵1結構：見圖2-1。2原理：甩出、真空、吸入。 葉輪旋轉時，葉片之間的液體隨葉輪一起旋轉，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所。 當液體被甩出后，在葉輪中心就會形成一定的真空，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，液體就

2、源源不斷地被吸入和排出。 3氣縛：葉輪旋轉時不能輸送液體的現(xiàn)象。 若離心泵啟動前未充滿液體，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)，這時葉輪雖然旋轉，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，以便動能有效地轉化為靜壓能，為了進一步提高轉化率，有時在葉轉與泵殼之間裝有一個導輪。(3) 軸封（裝置）：旋轉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。結構簡單，但功率消耗大，且有一定程度的泄漏。 b. 機械（端面）密封 動環(huán)硬度大，常用硬質合金、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葉片、每個葉片無限薄的理想葉輪，即液體質點嚴格沿葉片表面而流動，在同一圓周上所有液體質點的所有物理量都各自相等。(2) 流過葉輪的液體為理想液體，即液體流過葉輪時無能量損失。在1、2兩點間列某一時刻流線柏努利方程：所以 zxyg2rr由流線柏努利方程的最初形式： 對理想流體，有 對勻速離心力場和重力場中的穩(wěn)定流動或某一時刻，有 對不可壓縮流體沿流線進行不定積分，得 站在葉輪上，在1、2兩

4、點間列同一時刻流線柏努利方程，則 所以 理論壓頭(2-4)(P87) 由余弦定理得 基本方程(2-5)(P87) 在離心泵的設計中，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速成正比。 (2) 葉片的幾何形狀對理論壓頭的影響： 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，動壓頭增加，靜壓頭反而減小，從而能量損失大，效率低。因此，實際上離心泵的葉片總是后彎的。 (

5、3) 理論流量對理論壓頭的影響 當葉輪的幾何尺寸(D2、b2、2)和轉速(n)一定時，理論壓頭與理論流量呈線性關系。 a. 290，QT，HTb. 2=90，QT，HTC. 290，QT，HT 實際上，葉輪的葉片數(shù)是有限的，液體也是非理想液體，所以實際壓頭和實際流量的關系曲線應在理論壓頭和理論流量的關系曲線的下方。 7性能參數(shù)(1) 流量：單位時間內(nèi)泵所輸送的液體體積，Q，m3/s、m3/h或L/s。(2) 揚程（壓頭）：單位重量的液體流經(jīng)泵后所獲得的能量，H，m液柱。 揚程（一般）由實驗測定，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：電機提供給泵軸的功率，N，W。由得或8 特性曲線：反應揚程、軸功率、效率和流量之間函數(shù)關系的曲線，一般用20C的清水在特定轉速下由實驗測定。由軸功率特性曲線知，啟動泵時，應關閉出口閥門，以保護電機。 由效率特性曲線知，泵的工作點應在高效率區(qū)(92%)。9各因素對特性曲線

7、的影響(1) 密度的影響 a. 由泵的基本方程可知，揚程和流量均與液體的密度無關，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，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) 轉速當液體粘度不大，且轉速變化不大時，有以下近似關系： 比例定律 (4) 葉輪直徑 當葉輪直徑變化不大時，有以下近似關系：

8、切割定律 10氣蝕現(xiàn)象：液體汽化后又凝結，且對葉輪產(chǎn)生破壞的現(xiàn)象。 當葉輪入口處壓力等于或低于液體的飽和蒸汽壓時，該處就會汽化并產(chǎn)生汽泡，這些汽泡流到高壓處又重新凝結，凝結時會產(chǎn)生很高的局部壓力，會使葉輪因疲勞而破壞成蜂窩或海綿狀，而且會產(chǎn)生很大的噪音和強烈的振動。 11允許吸上真空度(1) 定義 式中 p1泵入口處允許達到的最低絕對壓力，Pa； 用液柱高度來表示的泵入口處允許達到的最高真空度，m液柱，通常在 10mH2O(9.807104Pa)的大氣壓下，用20C的清水由實驗測定。 (2) 允許安裝高度Hg與 的關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驗條件不符時，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的清水由實驗測定。(2) Hg與h的關系（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 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：泵的特性曲線與管路特性曲線的交點。當泵在管路系統(tǒng)中工作時，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) 改變閥門的開度實質是改變管路特性曲線。能損大，但方便，多采用。(2) 改變泵的轉速

10、實質是改變泵的特性曲線。能損小，但昂貴，少采用。(3) 改變?nèi)~輪的直徑實質也是改變泵的特性曲線。不方便，相當于換一臺泵，極少采用。 15并聯(lián) 當一臺泵的流量不夠時，可以用兩臺泵并聯(lián)操作，以增大流量。 兩臺相同的泵并聯(lián)時，其聯(lián)合特性曲線為單臺特性曲線在流量上的兩倍。但并聯(lián)后的流量并非單臺泵流量的兩倍，因為流量增大，管路阻力增加。 16串聯(lián) 當一臺泵的揚程不夠時，可以用兩臺泵串聯(lián)操作，以提高揚程。 兩臺相同的泵串聯(lián)時，其聯(lián)合特性曲線為單臺特性曲線在揚程上的兩倍。 但串聯(lián)后的揚程并非單臺泵揚程的兩倍，因為揚程提高，管路阻力也增加。 1類型(1) 分類 單級，B型 單吸 水泵 雙級，D型，揚程高 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) 型號舉例 3 B 33 A 葉輪外徑比基本型號小一級 揚程為33mH2O 單級單吸水泵 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泵的較高效率范圍內(nèi)的HQ曲線繪在一個總圖上（如圖2-27，P111），以方便選用。 18選擇(1) 確定輸送系統(tǒng)的流量和揚程 生產(chǎn)任務流量 管路系統(tǒng)揚程(2) 選擇泵的類型和型號 液體性質 操作條件 流量 揚程(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。 二. 其它類型泵1往復泵（1） 結構（2） 原理 類型型號當活塞向右運動時，工作室的容積增大，形成負壓，將液體經(jīng)吸入閥吸入工作室；當活塞向左運動時，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 雙動 三聯(lián) (4) 特點 a. 容積式泵：往復一次，就排出一定體積的液體，而與壓頭無關。 單動泵： 理論流量： 雙單泵： 由于泄漏，實際流量低于理論流量。 b. 壓頭無限：只要泵的機械強度和原動機功率允許。是正位移泵之一。 c. 有自吸能力 d. 用旁路調(diào)節(jié)流量 2計量泵：裝有可調(diào)偏心輪的往復泵，通過調(diào)節(jié)偏心輪來調(diào)節(jié)

13、沖程，從而嚴格地調(diào)節(jié)流量。3旋轉泵：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，啟動前要灌滿液體，啟動時要全開出口閥，并用回路調(diào)節(jié)流量。 第二節(jié) 氣體輸送和壓縮機械氣體輸送和壓縮機械 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 通風機 終壓14.7kPa (表) 鼓風機 終壓=14.7294kPa(表)，壓縮比4按出口的氣體的壓強分 壓縮機 終壓294kPa (表)，壓縮比4 真空泵 終壓=Pa (大氣壓)，初壓為負壓 三、離心通風機1

14、分類 低壓離心通風機 終壓0.9807kPa (表) 中壓離心通風機 終壓 =0.98072.942kPa (表) 高壓離心通風機 終壓 =2.94214.7kPa (表)2原理： 與離心泵相似3結構： 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) 風量：單位時間內(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) 風壓：單位體積的氣體流徑風機后，所獲得的能量，HT，J/m3=Pa，mmH2O。 風壓也由實驗測定，裝置與測泵揚程的裝置相似，原理如下： 在風機進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HT、HST

15、、N、與Q之間函數(shù)關系的曲線。 6選擇 (1) 確定輸送系統(tǒng)的風量和風壓 生產(chǎn)任務進口(吸入)態(tài)風量Q 管路系統(tǒng)實際風壓 實驗風壓HT (2) 確定風機的類型和型號 氣體性質 實驗風壓范圍 進口(吸入)態(tài)風量 實驗風壓HT QHTQHstQQN 類型型號四、離心鼓風機 又稱透平鼓風機，結構和原理與多級離心泵類似，但葉輪級數(shù)多一些，轉速也較高，固能產(chǎn)生更高的壓強。 五、離心壓縮機 結構和原理與離心鼓風機的相似，只是離心壓縮機的級數(shù)更多，可十級以上，一般要分段，段間設置中間冷卻器，且葉輪逐級縮小。 六、羅茨鼓風機 結構如圖，原理與齒輪泵相似。 七、液環(huán)壓縮機 結構如圖，原理為：當葉輪旋轉時，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月牙型空間。當葉輪旋轉一周時，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 結構如圖，原理與液環(huán)壓縮機相似。 2噴射泵 結構如圖，原理為動能轉變?yōu)殪o壓能。 九、往復壓縮機 1結構如圖 2原理一、往復壓縮機的工作過程：假設： 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與的關系式中 m多變指數(shù)，1mk； k絕熱指數(shù)。所以 當壓縮比高到一定程度的時候，容積系數(shù)可能變?yōu)榱恪?性能參數(shù)(1) 排氣量：單位時間內(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 流動阻力 能量損失a 部件摩擦c. 軸功率4多級壓