LAB课程01.docx
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LAB课程课程01第一章流体输送设备在化工生产过程中，流体输送是主要的单元操作之一，它遵循流体流动的基本原理。
流体输送机械是一种向流体作功以提高流体机械能的装置。
通常，将输送液体的机械称为泵，将压送气体的机械按不同的工况分别称为通风机、鼓风机、压缩机和真空泵。
第一节基本原理对一定的管路系统，由流体输送机械所提供的能量可由伯努利方程式求得：
（1-1）上式是以单位质量（1Kg）流体为衡算基准得到的，但在流体输送的计算中，实际上多采用其它衡算基准。
1、输送液体若输送的是液体（对泵来讲），则采用以单位重量（1N）的流体为衡算基准。
m（1-1a）当用泵输送液体时，一般动能项可以忽略。
液体输送机械提供的能量，主要用于提高液体的位能、静压能及克服管路沿程的阻力（能量损失）。
当我们讨论的仅仅是泵本身时，由于高度变化和管路长度都很小，位能和管路损失也可忽略，主要关心的就是泵对静压能的提高，即进、出口压力的提高。
2、输送气体若输送的是气体（对通风机来讲），则采用以单位体积（1m3）的流体为衡算基准。
将柏努利方程式中各项乘以气体密度，可得：
令，则有：
（1-1b）上式中各项的单位为Pa，即具有压强的单位。
因此通常将p称为静风压，称为动风压，称为风压损失，而HT称为全风压，代表离心通风机对单位体积（1m3）气体提供的能量，J/m3。
在气体输送中，一般位风压可以忽略，可见气体输送机械所提供的能量，主要用于提高气体的速度、压强及克服管路沿程的阻力（能量损失）。
第二节流体输送设备的分类分类的方法很多，按照作用原理来分可分为以下几类：
1、动力式（速度式）：
借助于高速旋转的叶轮使流体获得能量。
包括离心式、轴流式输送机械。
2、容积式（正位移式）：
利用活塞或转子的挤压使流体升压以获得能量。
包括往复式、旋转式输送机械。
3、其他（流体作用式）：
依靠能量转换原理以实现输送流体任务。
对气体和液体输送机械，同一类型的基本结构、工作原理、主要操作性能等大致相似，常用设备分类见下表：
工作原理液体输送机械气体输送机械速度式离心式离心泵、旋涡泵离心风机、离心压缩机轴流式轴流泵轴流式通风机容积式往复式往复泵、隔膜泵、计量泵往复式压缩机回转式齿轮泵、螺杆泵罗茨风机、液环压缩机流体作用式喷射式喷射泵喷射式真空泵在化工生产和设计中，对流体输送机械基本要求如下：
1、能适应被输送流体的特性，例如它们的粘性、腐蚀性、毒性、易燃易爆性及是否含有固体杂质等。
2、能满足生产工艺上对能量（压头）和流量的要求。
3、结构简单，操作可靠和高效，投资和操作费用低。
在化工生产中，选择适宜的流体输送机械类型和型号是十分重要的。
以下各节将分别对常用的几种设备进行介绍。
第三节离心泵一、离心泵的工作原理一个简单的离心泵的安装见下图，叶轮安装在泵壳2内，并紧固在泵轴3上，泵轴由电机直接带动。
泵壳中央有一液体吸入4与吸入管5连接。
液体经底阀6和吸入管进入泵内。
泵壳上的液体排出口8与排出管9连接。
在泵启动前，泵壳内灌满被输送的液体；启动后，叶轮由轴带动高速转动，叶片间的液体也必然随着转动。
在离心力的作用下，液体从叶轮中心被抛向外缘并获得能量，以高速离开叶轮外缘进入蜗形泵壳。
在蜗壳中，液体由于流道的逐渐扩大而减速，又将部分动能转变为静压能，最后以较高的压力流入排出管道，送至需要场所。
液体由叶轮中心流向外缘时，在叶轮中心形成了一定的真空，由于泵的入口（贮槽液面）的压力大于泵入口处的压力，液体便被连续压入叶轮中。
可见，只要叶轮不断地转动，液体便会不断地被吸入和排出。
（当一个叶轮不能满足流体足够的能量时，可用多级叶轮串联，获取较高能量）二、离心泵的基本结构主要部件有叶轮、泵壳和轴封装置，一台典型的离心泵的结构示意见下图：
1-泵体；2-泵盖；3-叶轮；4-轴；5-密封环；6-叶轮螺母；7-止动垫圈；8-轴盖；9-填料压盖；10-填料环；11-填料；12-悬架轴承部件1、叶轮叶轮的作用是将原动机的机械能直接传给液体，以增加液体的静压能和动能（主要增加静压能）。
叶轮一般有612片后弯叶片。
如下图所示，叶轮有闭式（a）、半闭式（b）和开式（c）三种。
开式叶轮在叶片两侧无盖板，制造简单、清洗方便，适用于输送含有较大量悬浮物的物料，效率较低，输送的液体压力不高；半闭式叶轮在吸入口一侧无盖板，而在另一侧有盖板，适用于输送易沉淀或含有颗粒的物料，效率也较低；闭式叶轮在叶轮在叶片两侧有前后盖板，效率高，适用于输送不含杂质的清洁液体，我厂一般用于输送油品的离心泵叶轮多为此类。
叶轮有单吸和双吸两种吸液方式，对于大流量的情况，为了平衡轴向力，经常使用双吸的方式。
2、泵壳泵壳的作用是将叶轮封闭在一定的空间，以便由叶轮的作用吸入和压出液体。
泵壳多做成蜗壳形，故又称蜗壳。
由于流道截面积逐渐扩大，故从叶轮四周甩出的高速液体逐渐降低流速，使部分动能有效地转换为静压能，泵壳不仅汇集由叶轮甩出的液体，同时又是一个能量转换装置。
为了更好地进行能量转换，有些泵壳内还设有导向轮。
3、轴封装置作用是防止泵壳内液体沿轴漏出或外界空气漏入泵壳内，常用轴封装置有填料密封和机械密封两种。
填料一般用浸油或涂有石墨的石棉绳（见下图）。
机械密封主要的是靠装在轴上的动环与固定在泵壳上的静环之间端面作相对运动而达到密封的目的（见下图）。
（1）螺钉
（2）传动座（3）弹簧（4）推环（5）动环密封圈（6）动环（7）静环（8）静环密封圈（9）防转销三、离心泵的性能1、离心泵的特性参数1.1、流量（Q）：
离心泵的流量即为离心泵的送液能力，是指单位时间内泵所输送的液体体积。
常用单位为L/s或m3/h。
泵的流量取决于泵的结构尺寸（主要为叶轮的直径与叶片的宽度）和转速等。
操作时，泵实际所能输送的液体量还与管路阻力及所需压力有关。
1.2、压头（H）：
离心泵对单位重量的液体所能提供的有效能量，其单位为m；泵的扬程大小取决于泵的结构（如叶轮直径的大小，叶片的弯曲情况等、转速。
目前对泵的压头尚不能从理论上作出精确的计算，一般用实验方法测定。
泵的扬程可从实验测定，即在泵进、出口处各装一压力表，若不计两表截面上的动能差（即u2/2g=0），不计两表截面间的能量损失（即f1-2=0），则泵的扬程可用下式计算注意区分离心泵的扬程（压头）和升扬高度两个不同的概念。
扬程是指单位重量流体经泵后获得的能量。
在一管路系统中两截面间（包括泵）列出柏努利方程式并整理可得：
式中H为扬程，而升扬高度仅指z一项。
1.3、效率（）：
由原动机提供给泵轴的能量不能全部为液体所获得，通常用效率来反映能量损失；泵在输送液体过程中，轴功率大于排送到管道中的液体从叶轮处获得的功率，因为容积损失、水力损失物机械损失都要消耗掉一部分功率，而离心泵的效率即反映泵对外加能量的利用程度。
泵的效率值与泵的类型、大小、结构、制造精度和输送液体的性质有关。
大型泵效率值高些，小型泵效率值低些1.4、轴功率（N）：
指离心泵的泵轴所需的功率，单位为W或kW；其值可依泵的有效功率Ne和效率计算，即2、离心泵的特性曲线离心泵的流量Q、扬程H、功率P和效率为泵的基本性能参数，它们之间存在一定的关系，将这些关系整理后用曲线表示出来，即为泵的特性曲线。
假设泵的最高效率点值为100%，用相对该值的流量比、扬程比、功率比的形式表示泵的特性曲线，如下图：
各种型号的离心泵各有其特性曲线，但是形状基本上相似，他们有以下共同的特点：
a.压头随流量的增大而下降（流量很小时例外）。
这是一个重要特性。
b.功率随流量的增大而上升，故离心泵在启动前应关闭出口阀，使其在所需功率最小的条件下启动，以减小电动机的启动电流，同时也避免出口管线的水力冲击。
c.效率先随流量的增大而上升，达到一最大值后便下降。
根据生产任务选用离心泵时，应使泵在最高效率点附近操作。
3、离心泵的汽蚀离心泵的叶轮在高速旋转时产生很大的离心力，液体在离心力的作用下，流体动力使泵入口处产生低于大气压的真空度，这种运动液体的压力降低到在该温度下的液体汽化压力时，液体就开始汽化形成气泡。
还有，当压力降低时，溶解在液体中的气体汽化释出，形成气泡。
这样在运动的液体中形成的气泡随液体一起流动。
当气泡达到静压超过饱和蒸汽压区域时，气泡中的气体又突然凝结而使气泡破灭。
当气泡破灭后，周围的液体以很高的速度向气泡中心运动，这就形成了高频的水锤作用，打击叶轮表面，并产生噪声和振动。
这种气泡的产生和破灭过程反复进行就对这一区域的叶轮表面产生破坏作用，使泵流量减少，扬程下降，效率降低等，这种现象叫汽蚀现象。
4、抽空现象。
当运转中的离心泵入口管线或过滤网被杂物堵住、被输送液体短料、断料、负压泵有气体漏进泵时，会产生泵体振动、泵壳发热、电机电流不断摆动的现象。
泵在抽空时，叶轮容易受损、机械密封容易失效。
操作中应该尽量避免抽空的发生。
5、气缚现象。
这是由于泵在启动前没有灌水或灌水不满所造成的。
这种情况下，泵壳内有空气，由于空气的密度远小于液体的密度，其所产生的离心力很小，而不足以使得叶轮中心处形成低压，液面与中心处的压强差很小，液面位于泵下面的液体不能在压强差的作用下被吸入泵内，这时泵仅有空转而不能吸液，排出口不可能有液体排出。
因此，为了防止这种操作不正常现象的发生，在离心泵启动前必需灌满所输送的液体。
对于化工行业来说由于输送的液体大多是高温接近饱和状态的液体，泵的安装多数处于液面下方，如此，灌泵步骤可以省略。
6、允许安装高度（允许吸上高度）离心泵的吸入口与贮槽液面间可允许达到的最大垂直距离，称为离心泵的允许吸上高度。
记为Hg,单位为m。
假设离心泵在允许的安装高度下操作，在贮槽液面o-o与泵入口处1-1两截面间列柏努利方程，可得到离心泵允许安装高度计算式：
m或式中，Pa大气压强，PaP1泵吸入口处允许的最低绝对压强，Pa被输送液体的密度，u1吸入口处流体速度，m/s液体流经吸入管路的压头损失离心泵的允许吸上真空度，m液柱，此外，离心泵的允许能上高度还可通过允许汽蚀余量求出，计算式为：
式中，P0吸入槽内液面上方的压强，Pa。
若贮槽为敞口，即P0=Papv操作温度下液体饱和蒸汽压，Pa离心泵的允许汽蚀余量，m说明：
输送液体温度较高或沸点较低时，由于pv大，Hg很小或可能为负值，可采取以下措施：
尽量减少吸入管路的压头损失（可从增大吸入管管径、减少管长、管件及不必要的阀门等方面入手）。
将泵安装在液面以下的位置。
为安全起见，实际安装高度应比计算出的Hg少0.5m为宜。
四、离心泵的分类离心泵分类的方式很多：
1、按液体吸入方式分为单吸式泵（液体从叶轮的一面进入）和双吸式泵（液体从叶轮的两面进入）；2、按叶轮级数分为单级泵（泵轴上只装有一个叶轮）和多级泵（泵轴上装有串联的两个以上的叶轮）3、按其用途来分类，常用的类型有：
水泵、耐腐蚀泵、油泵和杂质泵等。
4、按照是需要灌泵来分又可分出自吸泵。
5、按工作介质的温度可分为热油泵和冷油泵。
5、按照安装方式的不同又可以分为液下泵、管道泵、屏蔽泵等等。
五、离心泵的性能影响因素及其换算离心泵生产部门所提供的特性曲线通常是在一定转速和常温（20）条件下，以清水作为输送介质进行测定出来的。
若使用时的使用条件差别较大，所输送的液体性质和水相差较大时，则要考虑物性、转速和叶轮直径不同所带来的影响。
选用时应进行换算。
下面就离心泵的性能影响因素和换算进行说明。
1、密度的影响由离心泵的基本方程式可知，离心泵的压头、流量、与密度无关，故其效率变不随密度改变而变化，故由离心泵的轴功率计算式表明，离心泵的轴功率随液体的密度改变而变化，故原特性曲线NQ或性能表的轴功率应作相应的换算：
式中，N操作条件下，离心泵的轴功率，；操作条件下，被输送液体的；N0试验条件下，离心泵的轴功率，；020时清水的密度，kg/m3。
2、粘度的影响由于离心泵内部的流动阻力损失与被输送液体粘度有关，粘度增大，液体通过叶轮与泵壳的流动阻力变增大，因此压头、流量减小，效率降低、轴功率增大。
一般来说，当液体的运动粘度过0.2m2/s（20厘拖）时，应以下列式子进行换算：
式中，Q，H，为输水时的流量、压头与效率；Q，H，为被输送液体的流量、压头与效率；CQ，CH，C换算系数，其值皆小于。
可从有关手册中查取。
除渣油外，我厂常见介质粘度最大的是2HAB，其在20时的粘度一般只有20厘拖左右，水、煤油、轻蜡等的粘度在12厘拖，高温下各油品的粘度更小，基本可以不必考虑粘度的影响，转速n的影响当离心泵的转速改变时，其流量、压头、轴功率与转速可依下述比例定律换算：
式中，1,H1,N1分别为转速为n1时离心泵的性能；,H,N分别为转速为n2时离心泵的性能。
值得注意的是，引出上述关系式的基本假设是转速改变后其效率不变，因此只有在转速变化小于20时，比例定律才接近正确。
叶轮直径2的影响当离心泵的转速n一定时，其压头、流量与时轮的直径2有关。
其变化可依下述切割定律进行换算：
式中，,H,N分别为叶轮直径为D2时泵的性能；,H,N分别为叶轮直径为D2时泵的性能。
值得注意的是，上述关系仅适用于同一型号的离心泵，换用直径小的叶轮，但直径的变化不大时（294kPa，x4，主要为往复式结构，用于产生高压气体。
真空泵：
p2为大气压，x由真空度而定，结构为旋转式，用于将设备中气体抽出而减压。
第一节离心式通风机、鼓风机与压缩机离心通风机、鼓风机与压缩机的工作原理和离心泵相似，依靠叶轮的旋转运动，使气体获得能量从而提高了压强。
通风机都是单级的，所产生的表压强低于1500mmH20，对气体起输送作用。
鼓风机和压缩机都是多级的，前者产生的表压强低于0.3MPa；后者高于0.3MPa，两者对气体都有较显著的压缩作用。
一、离心通风机1离心通风机的结构离心通风机的结构和单级离心泵相似。
它的机壳也是蜗耳形，但机壳断面有方形和圆形两种，一般低，中压通风机多是方形，高压的多为圆形。
叶片的数目比较多且长度较短。
低压通风机的叶片常是平直的，与轴心成辐射状安装。
中、高压通风机的叶片是弯曲的，所以高压通风机的外形与结构更象单级离心泵。
2离心通风机的性能参数与特性曲线离心通风机的主要性能参数有风量、风压，轴功率和效率。
由于气体通过风机的压强变化较小，在风机内运动的气体可视为不可压缩，所以离心泵基本方程式亦可用来分析离心通风机的性能。
（1）风量风量是单位时间内从风机出口排出的气体体积，并以风机进口处气体的状态计，以Q表示，单位为m3/h。
离心通风机的风量取决于风机的结构、尺寸（叶轮直径与叶片宽度）和转速。
（2）风压风压是单位体积的气体流过风机时所获得的能量；以HT表示，单位为J/m3N/m2，通常又用mmH2O来表示。
离心通风机的风压取决于风机的结构、叶轮尺寸、转速与进入风机的气体密度。
目前还不能用理论方法占精确计算离心通风机的风压，而是由实验测定。
一般通过测鼓风机进、出口处气体的流速与压强的数据，按柏努利方程式来计算。
通风机性能表风机性能表上所列出的风压，般指全风压，都是在20与760mmHg条件下用空气测定的。
3、离心通风机的结构和工作原理因终压小（15kPa），故常用于通风换气和送气。
工业上常用的通风机为离心通风机，按其产生风压大小分为：
低压离心通风机：
出口风压低于1kPa（表压）中压离心通风机：
出口风压在13kPa（表压）高压离心通风机：
出口风压在315kPa（表压）结构：
机壳为蜗牛壳形，断面有方形和圆形；叶轮直径大，叶片数目多而且短。
叶片有平直，前弯和后弯等形状，前弯叶片送风量大，但往往效率低，因此高效通风机的叶片通常是后弯的。
低压离心通风机：
断面方形，叶片平直，与中心成辐射状中压离心通风机：
断面方形，叶片弯曲高压离心通风机：
断面圆形，叶片弯曲工作原理：
同离心泵。
二、离心式压缩机1、外观和基本组成从外观上看一台压缩机，首先看到的是机壳，它又称气缸，通常是用铸铁或铸钢浇铸而成。
一台高压离心式压缩机通常有两个或两个以上气缸，按其气体压强高低分别称为低压缸、中压缸和高压缸。
压缩机本体结构可以分为两大部分：
转动部分，它由主轴9、叶轮6（图示压缩机共有8个叶轮）、平衡盘8、推力盘11以及半联轴器等零部件组成，称为转子。
固定部分，是由气缸5、隔板7（每个叶轮前后都配有隔板）、径向轴承12、推力轴承10、轴端密封等零部件组成，常称为定子。
下图所示压缩机有两个进气口和排气口，称为二段压缩。
也有压缩机气体从气缸中间排出进行冷却后再回到二段气缸内，还有一些压缩机同一个气缸可以有几个这样的段。
图原料气压缩机低压缸结构图1、一段排气；2、二段排气；3、二段吸入；4、径向轴承；5、缸体；6、叶轮；7、隔板；8、平衡盘；9、轴；10、止推轴承；11、推力盘；12、径向轴承；13、护罩；14、一段吸入2、进气室进气室的作用是把气体从进气管道或中间冷却器顺利地引导到叶轮入口。
进气室的形状应满足如下要求：
尽量减少气体流动损失；出口处气流应尽可能地均匀；在一般情况下出口的气体不会产生切向旋绕而影响叶轮的工作。
进气室的结构形式很多，图2-2是压缩机端部进口的进气室，图2-3是中间段（从中间冷却器来）的进气室。
两种进气室内都装有分流筋片，图2-2所示进气室进口为圆形截面，可以直接和进气管相连；图2-3所示为中间段进气室，为了缩小机器的轴向尺寸，因而进口在轴向方向的宽度缩小，需要通过过渡段接管和进气管连接。
图2-2端部进气室图2-3中间段进气室为了使进气均匀地充满叶轮每个叶片通道，减小流动损失，通常进气室中都装有分流筋（图2-2、图2-3）。
为了说明气体流动情形，在图2-2上示意出气体流动路线。
进气道的流通面沿流动方向逐渐缩小，使气流的压强、温度略有降低，而速度略有增加。
进口速度的大小对流动损失和进气室结构尺寸有较大影响，一般化工用离心式压缩机进气室进口（A-A截面）速度如下：
对高压、小流量压缩机，ca=515m/s；一般低、中压压缩机，ca=1545m/s；进气室出口即叶轮入口0-0截面处速度为：
c0=4080m/s；3、扩压器从叶轮出来的气体速度相当大，一般可达200300m/s，高能量头的叶轮，出口气流速度甚至可达500m/s。
这样高的速度具有很大的动能，对后弯式或强后弯式叶轮，它约占叶轮耗功的25%，对径向直叶片叶轮，它几乎占叶轮耗功的一半。
它为了充分利用这部分动能，使气体压强进一步提高，在紧接叶轮出口处设置了扩压器。
4、弯道、回流器为了把扩压器后的气体引导到下一级去进一步增压，在扩压器后设置了弯道和回流器（24），4-4截面至5-5截面为弯道，5-5截面至6-6截面为回流器。
图2-4弯道和回流器弯道一般不装叶片，气体如同在无叶扩压器中流动一样，在弯道中流动也遵循连续方程和动量矩不变的基本规律。
气体从扩压器出来后经弯道拐1800弯进入回流器。
由于气体进入回流器仍具有绕叶轮轴线的旋绕运动，为了保证下一级叶轮入口轴向进气，回流器必须装叶片，叶片数一般有1218片，为了避免在出口处叶片过密，就要减少出口处叶片数，这时隔板分里外两部分，里面叶片数通常为外部叶片数的一半。
弯道和回流器中能量损失比较大。
5、排气室排气室的作用是把从扩压器或者叶轮（无扩压器时）出来的气体汇集在一起，引到机外输气管道或冷却器中去，并把较高的气流速度降低至排气口的气流速度，使气体压强进一步提高。
排气室可以有不同形式，在离心式压缩机中最典型的是一种形似蜗牛壳的排气蜗壳。
图2-5为单排气口蜗壳示意图，它的横截面是圆，所以称圆形截面蜗壳。
横截面可以有许多形式，例如除圆形外，梯形、梨形等也很常见。
蜗壳可以布置在扩压器之后，也可以直接布置在叶轮后面（图2-6），相对于叶轮来说可以是对称的也可以是非对称的。
如图2-7蜗壳布置在叶轮的一侧，并且外径保持不变，通道面积的改变由减少内径来达到，故称为不对称内蜗壳。
当然也可以有内径不变、外径变化或者内外径同时变化的不对称形蜗壳。
排气口有单排气口，一个蜗壳包括全周，也可有多排气口，则每个蜗壳包络圆周的一部分。
图2-5单排气口蜗壳图2-6蜗壳的结构型式图2-7不对称内蜗壳（a）蜗壳前为扩压器；（b）蜗壳前为叶轮
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