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化工原理

第二章流体输送设备

本章内容简介

教学基本要求

    学习本章的基本要求是：

    了解流体输送机械的作用原理、简单结构、主要性能参数。

选型的依据及使用注意事项。

要求能根据生产任务的要求和管路特性选择合适的输送机械，并能正确安装使用。

具体的要求如下：

（1）了解流体输送设备在化工生产中的地位，应用及分类；

（2）掌握离心泵的基本结构、工作原理、主要特性参数、特性曲线及其应用、流体调节、串并联特性、泵的安装、操作注意事项及选型等；

    （3）了解往复泵，漩涡泵等的工作原理、特性、流量调节方法、安装要点及适应范围等；

    （4）了解压缩机、鼓风机、通风机的工作原理，特点及选用；了解离心通风机的特性参数。

    （5）了解真空泵的主要性能及选用。

2概述

 本章主要讨论如何根据生产方面的具体要求选用合适的流体输送设备。

    流体输送设备：

对流体做功以完成输送任务的机械或设备。

流体输送设备是化工厂和其它领域所最常用的机械设备。

    为液体提供能量的输送设备称为泵。

    为气体提供能量的输送设备则按不同情况分别称为机或泵，按不同情况一般分别称为通风机、鼓风机、压缩机和真空泵。

    生产上对流体输送的要求差别很大：

    输送的流体流量和压头各不相同；

    流体种类繁多、性质千差万别；

    温度、压力等操作条件也有较大的差别。

    为了适应生产上各种不同的要求，所以输送设备的型式是多种多样的，规格更是十分广泛。

2.1离心泵

离心泵是一种最常用的液体输送设备。

    离心泵的类型很多：

    用于输送不同种类的液体有清水泵、热油泵、耐腐蚀泵等。

    为达到不同的流量、压头范围在泵的构造上有单吸和双吸的，有单级和多级的；若按泵轴的位置则还可以分为立式和卧式的等等。

2.1.1离心泵的基本结构、工作原理与性能参数

2.1.1.1离心泵的基本结构与工作原理

（1）

    离心泵的基本结构（如图所示）

    离心泵的工作原理

    泵在启动时注意避免发生"气缚"现象。

知识点：

1、离心泵的基本结构

图2.2.1所示的为一台安装于管路中的卧式单吸单级离心泵，图中（a）为其基本结构，（b）为其外形。

构成离心泵的主要部件是叶轮与蜗形泵壳等。

一般具有6～12片弯曲叶片的叶轮安装在固定的泵壳内，并紧固于泵轴上。

泵壳中央的吸入口与吸入管路相连接。

2、离心泵的工作原理

离心泵多用电动机带动，在启动前泵内要先灌满被输送液体。

启动电机后，泵轴带动叶轮旋转，充满叶片之间的液体也随着一起转动，在离心力的作用下，液体在从叶轮中心被甩向外缘的过程中便获得了能量，以很高的速度（15～25m/s）流入泵壳，然后沿着横截面积逐渐扩大的叶轮和蜗形泵壳之间的空间向出口方向汇集，随着流道的扩展，液体速度逐渐下降，压力则逐渐升高，最后经排出管流向输送管道。

    叶轮中的液体被甩出时，叶轮中心处便形成低压，在吸入侧液面与泵吸入口处之间的压差作用下，液体便经吸入管14源源不断地流入泵内，以补充被排出液体的位置。

只要叶轮不停地旋转，液体便不断地吸入和排出。

3、气缚

如果在启动前泵内未先充满液体，则因其中空气的密度远小于液体的密度，产生的离心力小，所能形成的压差也小，就不足以将液体吸入泵内，这一现象即称之为"气缚"。

思考题：

离心泵为什么会发生“气缚”现象？

2.1.1.1离心泵的基本结构与工作原理

（2）

 叶轮是离心泵的心脏部件。

    叶轮按叶片两侧有无盖板分为：

敞式、半蔽式和蔽式叶轮。

如图2.2.2所示。

    叶轮按吸入方式分：

单吸式及双吸式如图2.2.3所示。

    泵的附属设备：

单向底阀、滤网、出口调节阀等

知识点：

1、两点假设：

1）叶片数目无限多，且无厚度。

因此，液体被严格地控制在叶片流道内，沿着叶片的形状流动而无倒流或撞击。

在流道中，同一半径上的速度相等，压强也相等。

（2）液体为理想流体,因此可不考虑液体在叶轮内运动过程的能量损失。

2、根据上述假设：

在叶轮中液体的任意质点，将既具有一个随叶轮旋转的圆周速度u，又具有一个相对于叶片的运动速度，即相对速度ω，其方向分别为质点所处点的圆周及叶片的切线方向，如图2.2.4所示。

液体质点相对于泵壳的运动速度为绝对速度，用c表示，其大小为该点速度及相对速度的矢量和：

    由上式三个速度所组成的矢量图，称为速度三角形，如图2.2.4所示。

在速度三角形中，α表示绝对速度与圆周速度两矢量之间的夹角，β表示相对速度与圆周速度反方向延线的夹角，称为叶片安装角。

3、叶轮：

叶轮是离心泵的心脏部件，离心泵之所以能输送液体，主要是靠高速旋转的叶轮对液体作功，即叶轮的作用是将原动机的机械能传递给液体。

4、泵的附属设备：

若离心泵的吸入口位于吸液贮槽液面的上方，在吸入管路的进口处应装一单向底阀和滤网。

底阀是防止启动前所灌入的液体从泵内漏失，滤网可以阻拦液体中固体物质被吸入而堵塞管道和泵壳。

靠近泵出口处的排出管路上装有调节阀，以供开泵、停泵及调节流量时使用。

离心泵的泵轴水平地支承在托架内的轴承上，泵轴的一端悬出，端部装有叶轮。

为了减少离开叶轮的部分高压液体漏入低压区内，通常在泵体和叶轮上分别装有密封环为填料密封机构，其作用为减少泵内高压液体的外泄及外界空气的渗入。

蔽式或半蔽式叶轮的后盖板上一般开有平衡孔以平衡轴向推力。

在叶轮和泵壳之间有时还装有固定不动的导轮。

泵壳上方设有放气螺钉，目的是排出泵壳内的空气，排气后应当旋紧。

泵壳下方设有放液孔，以便停泵后打开放空壳内液体，防止壳内储液冻结，以免泵壳破裂。

思考题：

离心泵的底阀有什么作用？

2.2离心泵的基本方程

2.2.1液体在叶轮中的运动及其简化假设

液体在叶轮中的运动情况是相当复杂的。

    为便于分析作以下两点假设：

（1）叶片数目无限多，且无厚度。

（2）液体为理想流体。

    根据上述假设，在叶轮中液体的任意质点，有一圆周速度u和相对速度ω，如图。

液体质点相对于泵壳的运动速度为绝对速度，用c表示，则有：

    由上式三个速度构成速度三角形。

在速度三角形中，β称为叶片安装角。

    根据余弦定理：

    绝对速度c又可分解为两个分量，即

    径向分量cr=csinα

    圆周分量cu=ccosα

    由图2.2.4可以看出

    cu=ccosα=u–crctgβ

2.2.2离心泵基本方程的推导

如图2.2.5，以静止的物体为参考系，从截面1运动到截面2对叶轮进出口流动截面列机械能衡算式，则有：

（2.2.8a）

    式中

为静压头的增量，它包括以下两部分：

（1）离心力产生的压头Hc

（2.2.9）

（2）流道扩大所引起的压头增高Hp

（2.2.11）

    化简后得

（2.2.14）

    如果我们选用适当的β，或采取适当的入口导流措施使得

，可得离心泵的基本方程：

（2.2.16）

知识点：

1、列机械能衡算式：

现以静止的物体为参考系，设流体沿叶轮中心的轴向（垂直于纸面）进入叶轮中央后，随即转向，以绝对速度从流动截面1运动到流动截面2

对叶轮进出口流动截面列机械能衡算式，则有：

（2.2.8）

即

（2.2.8a）

上式没有考虑1、2两点高度的不同，这是因为叶轮每转一周，1、2两点的高低互换两次，按时均值计算可视为零，H∞为叶片无限多时泵的理论压头。

2、离心力产生的压头Hc：

1）离心力产生的压头Hc

液体在叶片间受到离心力的作用，接受外功而提高了压强。

现于半径为R处取质量为dm的液体微元，如图2.2.6所示。

在旋转时受到的离心力为

dFc＝Rω2dm

式中Fc----液体所受的离心力，N；

m----液体的质量，kg；

R----旋转半径，m；

ω---旋转角速度，rad／s；

设叶轮半径为R处的流道轴向宽度为b，则

dm=2πRbdRρ

dFc=dmRω2=2πRbdRρRω2

此离心力产生的压头变化为;

代入dFc整理得：

经积分可得

因此离心力所产生的压头为:

（2.2.9）

3、流道扩大所引起的压头增高Hp

（2）流道扩大所引起的压头增高Hp

相邻两叶片所构成的流道截面积自内向外逐渐扩大，液体流过时的相对速度逐渐变小，从而由动压头转化为静压头Hp

（2.2.10）

将（2.2.9）与（2.2.10）式代入（2.2.8a）式得

（2.2.11）

由图2.2.5可知

（2.2.12）

（2.2.13）

将式（2.2.12）与（2.2.13）代入式（2.2.11），化简后得

（2.2.14）

4、离心泵的基本方程：

根据式（2.2.6）还可将上式变换为另一种形式，即

（2.2.15）

从速度三角形（图2.2.5）中看出，叶片安装角β的大小直接影响着速度三角形的形状。

在离心泵的设计中，如果我们选用适当的β，或采取适当的入口导流措施使得

，则cu1=c1cos900=0,代入式（2..2.14），当其他条件不变时，则H∞达到最大值。

即

（2.2.16）

上式常称为离心泵的基本方程。

思考题：

为什么流道扩大会引起的压头增高?

2.2.3离心泵基本方程的讨论

（1）离心泵理论流量对理论压头的影响

    为了找出理论压头H∞与理论流量QT之间的关系，应先求出QT。

（2.2.17）

    将式（2.2.17）代入式cu=ccosα=u-crctgβ（2.2.7）求cu2，然后代入离心泵的基本方程得H∞随QT而变的直线方程：

（2.2.20）

    H∞随QT而线性变化，其斜率主要决定于叶片安装角β2，它反映了叶片弯曲方向对泵理论压头的影响。

（2）泵理论压头与叶片弯曲方向的关系

图2.2.7表示了具有不同弯曲方向的三种叶片及其所对应的速度三角形。

从式（2.2.20）可以看出：

    若β2<90o，称为后弯叶片；H∞随QT的增加而减小。

    若β2=90o，称为径向叶片，H∞与QT无关。

    若β2>90o，称为前弯叶片，H∞随QT的增加而加大。

    不同弯曲方向的三种叶片分析可知，在离心泵和大型风机中，为获得较高的效率，多是采用后弯叶片。

知识点：

1、求出QT：

设叶轮出口直径为D2，出口宽度为b2，径向出口速度cr2，若不计容积损失（漏损），理论流量QT为：

（2.2.17）

即

（2.2.18）

2、H∞随QT而变的直线方程：

将式（2.2.18）代入式（2.2.7）求cu2，然后代入式（2.2.16）整理之得

（2.2.19）

对于特定的离心泵，n不变时，上式中u2、β2、D2、b2均为定值。

故式（2.2.19）可以写成

（2.2.20）

式中

，

式（2.2.20）就是H∞随QT而变的直线方程

若β2<90o，称为后弯叶片（图2.2.7b）；ctgβ2＞90o，B＞0，H∞随QT的增加而减小，如图2.2.8中的a线所示，即。

若β2=90o，称为径向叶片（图2.2.7a）；ctgβ2=0，B=0，H∞与QT无关，如图2.2.8中的平行于横坐标的直线b所示，即。

若β2>90o，称为前弯叶片（图2.2.7c）；ctgβ2＜0，B<0，H∞随QT的增加而加大，如图2.2.8中c线所示，即

。

2、