化工原理 流體輸送機械

化工原理流體輸送機械2023/7/311第1頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月本章學(xué)習(xí)指導(dǎo)1本章學(xué)習(xí)的目的

本章是流體力學(xué)原理的具體應(yīng)用。通過學(xué)習(xí)掌握工業(yè)上最常用的流體輸送機械的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及操作特性，以便根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，合理地選擇和正確地使用輸送機械，以實現(xiàn)高效、可靠、安全的運行。2本章應(yīng)掌握的內(nèi)容

本章應(yīng)重點掌握離心泵的工作原理、操作特性及其選型。3本章學(xué)習(xí)中應(yīng)注意的問題

在學(xué)習(xí)過程中，加深對流體力學(xué)原理的理解，并從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，達(dá)到經(jīng)濟(jì)、高效、安全地實現(xiàn)流體輸送。2023/7/312第2頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

§3-1概述一、流體輸送機械在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用

根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)的需要將流體由一處輸送到另一處。

1、提高流體的位能；2、提高流體的壓強（靜壓能）3、克服管路上的機械能損失（阻力損失）。流體輸送機械是向流體作功以提高流體機械能的裝置。

一般情況下，流體輸送機械提供的機械能是以單位重量流體或單位體積流體為衡量基準(zhǔn)。2023/7/313第3頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月二、流體輸送機械分類1、按輸送流體的類型分

（1）用于輸送液體的機械稱為泵;

（2）用于輸送氣體的機械則按其所產(chǎn)生壓強的大小稱為通風(fēng)機、鼓風(fēng)機或壓縮機。

2023/7/314第4頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月2、按照操作原理分（1）離心式：由高速旋轉(zhuǎn)的葉輪對流體作功，將機械能傳給流體，流體在離心力作用下，獲得動能，經(jīng)轉(zhuǎn)換后提高了靜壓能，被輸送到指定地點。常見的有：離心泵、離心通風(fēng)機、離心壓縮機等；（2）往復(fù)式：又稱容積式或正位移式?？客鶑?fù)運動的活塞（柱塞）使流體吸入和排出，并將機械能以靜壓能的形式直接傳給流體。屬于這一類的設(shè)備有：往復(fù)泵、計量泵、往復(fù)式壓縮機等；

2023/7/315第5頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）旋轉(zhuǎn)式：此類設(shè)備是靠機殼內(nèi)一個或多個轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)吸入和排出流體。旋轉(zhuǎn)泵又稱轉(zhuǎn)子泵。旋轉(zhuǎn)式輸送設(shè)備的形式很多，工作原理都想同，常用的有：齒輪泵、螺桿泵,羅茨（Rootes）鼓風(fēng)機及水環(huán)真空泵等；（4）流體作用式：流體流動時會產(chǎn)生機械能的相互轉(zhuǎn)換，這樣就可以利用一種流體的作用—產(chǎn)生壓強或造成真空，而達(dá)到輸送另一種流體的目的，如：噴射泵。2023/7/316第6頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月§3-2離心泵

離心泵是化學(xué)工業(yè)與石油工業(yè)中最為常用的一種液體輸送機械。這種泵結(jié)構(gòu)簡單，操作容易，效率高，流量均勻，適用于輸送有腐蝕性、含懸浮物等性質(zhì)特殊的液體，又適用于水等一般性液體。所以離心泵的應(yīng)用范圍非常廣。swf\001\1-01.swfswf\001\1-32.sw2023/7/317第7頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

一、離心泵的構(gòu)造與工作原理1、離心泵的構(gòu)造

離心泵的構(gòu)造如下圖所示，主要由兩個主要部分構(gòu)成：一是包括葉輪和泵軸的旋轉(zhuǎn)部分；二是由泵殼、填料函和軸承組成的靜止部分。（1）葉輪：葉輪是對流體做功的部件。

①作用：是將原動機如電動機的機械能直接傳給液體，以增加液體的靜壓能和動能（靜壓能為主）。

葉輪上有4～12片后彎的葉片，葉輪安裝在泵殼內(nèi)，并緊固在泵軸上，由電動機帶動而快速旋轉(zhuǎn)

swf\001\1-33.swf2023/7/318第8頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

②類型A.葉輪按其機械結(jié)構(gòu)可分為閉式、半閉式和開式三種（開式、半開式、閉式）2023/7/319第9頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/3110第10頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月B.按吸液方式不同可將葉輪分為單吸式與雙吸式兩種（單吸、雙吸）2023/7/3111第11頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月to2023/7/3112第12頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/3113第13頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/3114第14頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

（2）泵殼和導(dǎo)輪：①泵殼：是離心泵的外殼。在泵殼內(nèi)有一個截面積逐漸擴大的蝸牛形通道，故又稱蝸殼。葉輪在泵殼內(nèi)沿著蝸形通道逐漸擴大的方向旋轉(zhuǎn)，越接近液體出口，流道截面積越大。液體從葉輪外周高速流出后，流過泵殼蝸形通道時，流速將逐漸降低，因此減少了流動的能量損失，而且使部分動能轉(zhuǎn)換為靜壓能。作用：泵殼不僅是匯集由葉輪流出的液體的部件，而且又是一個能量轉(zhuǎn)換裝置，即匯集液體，轉(zhuǎn)換能量。泵殼有兩個接口。一個在泵殼的中央，口徑較大，并正對葉輪中心，此為吸入口，與吸入導(dǎo)管相連；另一個在泵殼的旁側(cè)，口徑較小，此為壓出口，與壓出導(dǎo)管相連。2023/7/3115第15頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

②導(dǎo)輪：在葉輪和泵殼之間有時還裝有一個固定不動且也帶有葉片的導(dǎo)輪，因為導(dǎo)輪具有若干逐漸轉(zhuǎn)向和擴大的流道，使部分動能可轉(zhuǎn)化為靜壓能，可減少能量損失。其作用——引導(dǎo)流體逐漸改變流向，減少離開葉輪的液體直接進(jìn)入泵殼時因沖擊而引起的能量損失。2023/7/3116第16頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）軸封裝置

由于泵軸轉(zhuǎn)動而泵殼固定不動，泵軸穿過泵殼處肯定會有間隙。所以為了防止泵內(nèi)高壓液體沿間隙漏出或外界空氣漏入泵內(nèi)，必須設(shè)置軸封裝置。

軸封作用—為避免泵內(nèi)高壓液體沿間隙漏出，或防止外界空氣從相反方向進(jìn)入泵內(nèi)。

類型（1）填料密封裝置（2）機械密封裝置P86-872023/7/3117第17頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/3118第18頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)構(gòu) 作用泵殼轉(zhuǎn)能裝置，匯集葉輪拋出液體的部件葉輪關(guān)鍵部件，電動機的能量通過葉輪傳遞給液體；電能--動能---靜壓能，產(chǎn)生離心力密封環(huán)減少液體從葉輪出口漏入的液量軸封裝置防止高壓液體沿軸向四周漏出軸向力的平衡裝置平衡孔和采用雙吸式葉輪來消除軸向力導(dǎo)輪引導(dǎo)流體逐漸改變流向，減少能量損失吸入管路單向閥 防停車時泵內(nèi)液體倒流回貯槽濾網(wǎng)防雜物進(jìn)入管道和泵殼離心泵的主要部件====保證過程如何實現(xiàn)2023/7/3119第19頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月2、離心泵的工作原理

1)離心泵啟動前要做兩項準(zhǔn)備工作：

（1）要“灌泵”，即先要向泵殼及吸入管內(nèi)灌滿被輸送的液體，俗稱“灌泵”。以防止“氣縛現(xiàn)象”的發(fā)生；

（2）要先將出口閥門關(guān)上，啟動電機后再將出口閥門打開。這樣是為了使泵在最小功率下啟動，以確保電機安全。2023/7/3120第20頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月2）離心泵的工作原理to

離心泵啟動后，葉輪由電動機帶動高速旋轉(zhuǎn)，充滿在葉片間的液體，在葉片的推動下也跟著旋轉(zhuǎn)，并產(chǎn)生離心力。在離心力的作用下，液體從葉輪中心被拋向外緣的過程中，獲得能量，并以高速離開葉輪外緣，進(jìn)入蝸形泵殼。由于兩葉片間的流道截面積和泵殼內(nèi)的蝸形流道截面積都是逐漸擴大的，因而流速逐漸降低，從而將部分動能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能，使泵出口處液體的壓強大大提高，由泵的壓出口壓入排出管道，送至需要的場所。2023/7/3121第21頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

液體在從葉輪被甩向外緣時，使葉輪中心形成低壓或負(fù)壓，其值低于被吸入的液體液面的壓強（即當(dāng)時當(dāng)?shù)氐耐鈮海嗉催_(dá)到一定的真空度。在這個壓強差的作用下，液體便被連續(xù)不斷地吸入葉輪中，而且只要葉輪不斷地轉(zhuǎn)動，液體便會不斷的吸入和排出。這樣泵就會連續(xù)不斷的輸送液體。2023/7/3122第22頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

3、離心泵的氣縛現(xiàn)象

離心泵輸送液體，是依靠離心力的作用，而離心力的大小除了與葉輪的轉(zhuǎn)速，葉輪的直徑有關(guān)外，還與流體的密度有關(guān)，因此，流體的密度越大，產(chǎn)生的離心力就越大。

離心力：2023/7/3123第23頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

如果在啟動前離心泵泵殼內(nèi)和吸入管內(nèi)沒有灌滿被輸送的液體，則其中充滿了空氣，由于空氣的密度遠(yuǎn)比液體的密度小，產(chǎn)生的離心力就小的多，那么貯槽液面上方與泵吸入口處的壓差不夠大，不足以將槽液內(nèi)的液體吸入泵內(nèi)，（這說明泵吸入口處的壓強不夠低，或其真空度不夠高）這樣離心泵雖在轉(zhuǎn)動，卻不能輸送液體，即空轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為離心泵的“氣縛現(xiàn)象”。這說明：離心泵沒有自吸能力。

為了防止氣縛現(xiàn)象的發(fā)生，啟動前必須先灌泵，運轉(zhuǎn)中也要防止氣體漏入。

2023/7/3124第24頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月二、離心泵的主要性能參數(shù)

離心泵的主要性能參數(shù)是指揚程、流量、軸功率及效率。1、揚程：又稱泵的壓頭，是指單位重量流體經(jīng)泵后所獲得的能量（或泵對單位重量流體所提供的有效功），用H表示（相當(dāng)于柏氏方程中的He），單位為m。

離心泵的揚程取決于泵的結(jié)構(gòu)（如葉輪的直徑、葉片的彎曲情況等）轉(zhuǎn)速和流量。一般由實驗測定。2023/7/3125第25頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月2、流量：泵的流量又稱泵的送液能力，是指泵在單位時間內(nèi)排出的液體體積，用Q表示，單位為：m3/s，或m3/h。泵的流量也是通過實驗測定。3、功率與效率：泵的功率有軸功率和有效功率。（1）軸功率：是指電動機或其他原動機直接傳給泵軸的功率，以N表示。單位為：J/s，或者w，kw。（2）有效功率：是指液體實際得到的功率。用Ne表示。單位同軸功率。2023/7/3126第26頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

液體實際得到的功率小于軸功率，這是因為泵在輸送液體的過程中，不可避免地會有能量損失，故泵軸轉(zhuǎn)動所做的功不能全部都為液體所獲得，這就存在一個泵的效率問題，泵的效率是反應(yīng)總能量損失的一個參數(shù)，所以又稱泵的總效率，用表示。

2023/7/3127第27頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

=Ne/N或N=Ne/∵Ne=ws.we,ws=Q,we=Hg,∴Ne=Q.Hg

用該公式時要注意單位一致，各量統(tǒng)一用SI單位，最后得到的軸功率的單位就是kw。2023/7/3128第28頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

三、離心泵的特性曲線

離心泵的主要性能參數(shù)H、N及對Q的一系列數(shù)據(jù)在直角坐標(biāo)上標(biāo)繪成一組曲線，稱為離心泵的特性曲線，又稱工作性能曲線。此曲線由泵的生產(chǎn)廠家提供，它反映了泵的各性能參數(shù)之間的相互關(guān)系，是分析和選用泵的重要數(shù)據(jù)。各種離心泵的特性曲線不同，但具有如下共同點。2023/7/3129第29頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/3130第30頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月4B20型清水泵：4—泵吸入口的內(nèi)徑為4英寸；（4×25=100mm）B—單級單吸懸臂式離心式水泵；20—泵的揚程為20m。2023/7/3131第31頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

1、揚程曲線（H-Q線）

離心泵的揚程曲線，反映泵的揚程與流量之間的關(guān)系。從上圖可以看出，離心泵的揚程H隨流量Q的增加而逐漸減小。當(dāng)Q=0時，揚程H達(dá)到最大，即H=Hmax,亦即泵空轉(zhuǎn)時揚程最大。2、功率曲線（N-Q線）離心泵的功率曲線，表示泵的軸功率N與流量Q之間的關(guān)系。泵的軸功率N隨流量Q的增加而增加。當(dāng)Q=0時，軸功率最小，即N＝Nmin。所以在泵啟動以前要關(guān)閉出口閥門，使泵在最小功率下啟動，以確保電機啟動電流最小，使電機不超載而保證安全。

2023/7/3132第32頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月3、效率曲線（-Q線）

離心泵的效率曲線，表示泵的效率與流量之間的關(guān)系。當(dāng)Q=0時，＝0，而后隨著流量的增加，效率也增加，達(dá)到最大值后又減小。此峰值即為泵在一定轉(zhuǎn)速下的最高效率點。

泵的最高效率點就是泵的設(shè)計點。標(biāo)注在泵的銘牌上的數(shù)值就是該點所對應(yīng)的各性能參數(shù)。通常將最高效率的92％以上這段范圍稱為泵的高效區(qū)，選用離心泵時，應(yīng)盡可能使泵在此區(qū)內(nèi)工作，以期達(dá)到比較高的效率。2023/7/3133第33頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

例3－1采用本題附圖所示的實驗裝置來測定離心泵的性能，泵的吸入管內(nèi)徑為100mm，排出管內(nèi)徑為80mm，兩測壓口間的垂直距離為0.5m。泵的轉(zhuǎn)速為2900r/min，以20℃的清水為介質(zhì)，測得以下數(shù)據(jù)：流量：15L/s；泵出口處的表壓：2.55×105Pa；泵入口處的真空度：2.67×104Pa；功率表測得電動機消耗的功率：6.2kw。泵由電動機直接帶動，電動機的效率為93％。試求該泵在輸送條件下的壓頭、軸功率及效率。并列出該效率下泵的性能。2023/7/3134第34頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月h011’22’swf\001\1-34.swfP93例2-22023/7/3135第35頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月解：（1）泵的揚程

如圖，取真空表與壓強表所在的截面分別為1－1’截面與2－2’截面，并以1－1’截面所在的水平面為基準(zhǔn)面。在兩截面之間列柏氏方程：據(jù)題意，式中：z1=0;z2=0.5;p1=-2.67×104Pa（表）;p2=2.55×105Pa（表）2023/7/3136第36頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

兩測壓口間的距離很短，其間流動阻力可忽略不計，即Hf≈0

設(shè)兩測壓口間的距離為h0，即h0=z1-z2，則泵的揚程計算的通式為：2023/7/3137第37頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

（2）泵的軸功率

功率表測得的功率為電動機的輸入功率。由于泵由電動機直接帶動，傳動效率可視為100%,所以電動機的輸出功率等于泵的軸功率。因電動機本身要消耗一部分功率，其效率為93％，那么電動機的輸出功率即為：電動機的輸入功率×其效率＝6.2×93%=5.77kw則泵的軸功率為：N=5.77kw

2023/7/3138第38頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

泵的性能參數(shù)：n=2900r/min；Q=15l/s=54m3/h；H=29.5m；N=5.77kw；＝75.2%(3)泵的效率2023/7/3139第39頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

四、離心泵的安裝高度

離心泵的安裝高度又稱允許吸上高度，是指泵的吸入口與吸入貯槽液面間可允許達(dá)到的最大垂直距離，用Hg表示。

如圖所示，假設(shè)離心泵在可允許的安裝高度下操作，于貯槽液面0－0’與泵入口處截面1－1’間列柏氏方程：2023/7/3140第40頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/3141第41頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

式中：z0=0，u0=0，z1=Hg

則整理一下，得

離心泵的安裝高度計算式p1—泵入口處可允許的最低絕對壓強，Pa；p0—貯槽液面處的壓強，即外界大氣壓，Pa；Hf—液體流經(jīng)吸入管路的壓頭損失，m2023/7/3142第42頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

2、離心泵的氣蝕現(xiàn)象

由離心泵的安裝高度計算式可以看出，當(dāng)貯槽液面上方的壓強（一般通大氣）一定時，若泵吸入口附近的壓強p1越低，則允許吸上高度越高。但是吸入口處的低壓是有限制的。因為當(dāng)葉片入口附近的最低壓強等于或低于輸送溫度下液體的飽和蒸汽壓時，液體將在該處氣化并產(chǎn)生氣泡，體積迅速膨脹，當(dāng)含大量氣泡的液體由泵中心的低壓區(qū)進(jìn)入高壓區(qū)時，氣泡因受高壓作用又迅速的凝結(jié)或破裂，形成局部真空，周圍的液體以極高的速度沖向原氣泡所占據(jù)的空間，造成極大的沖擊和振動。在沖擊點處產(chǎn)生幾百大氣壓的局部壓強，沖擊頻率可高達(dá)幾百萬次之多。2023/7/3143第43頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

由于沖擊作用使泵體震動并產(chǎn)生噪音，且葉輪局部處在巨大沖擊力的反復(fù)作用下，使材料表面疲勞，從開始點蝕到形成裂縫，使葉輪或泵體受到破壞，這種現(xiàn)象叫做泵的氣蝕現(xiàn)象。

氣蝕現(xiàn)象發(fā)生時，由于產(chǎn)生大量氣泡，占據(jù)了液體流道的部分空間，導(dǎo)致泵的流量，壓頭及效率下降，氣蝕嚴(yán)重時，泵體震動明顯，產(chǎn)生明顯噪音，無法正常操作。因此為了使泵能正常運轉(zhuǎn)，應(yīng)避免產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象。這就要求葉輪入口處的最低壓強必須維持在某一值以上，通常取輸送溫度下液體的飽和蒸汽壓作為最低壓強。2023/7/3144第44頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

3、離心泵的允許吸上真空高度在實際操作中，由于不易確定最低