第二章-流体输送机械分析课件.ppt
2023/3/29,1,工作介质：液体泵 气体风机或压缩机,工作原理：动力式(叶轮式)：离心式、轴流式等；容积式（正位移式）：往复式、旋转式等；流体作用式：喷射式。,分类：,第二章 流体输送机械,2023/3/29,2,一、离心泵的工作原理,叶轮,泵壳,吸入管路,排出管路,泵轴,底阀,第一节 离心泵,1-叶轮；2-泵壳，3-泵轴；4-吸入管；5-底阀；6-压出管离心泵装置简图,2023/3/29,3,由于泵内存有空气，空气的密度远小于液体的密度，叶轮旋转产生的离心力小，因而叶轮中心处所形成的低压不足以将贮槽内的液体吸入泵内，此时虽启动离心泵，也不能输送液体，这种现象称为气缚现象。表明离心泵无自吸能力,充液（灌泵）排液:出口切线方向吸液：叶轮中心,2023/3/29,4,二、离心泵的主要部件,（1）叶轮 作用：将电动机的能量传给液体，使液体静压能 及动能都有所提高给能装置,半开（闭）式,闭式,开式,按结构分为：,2023/3/29,5,闭式叶轮,开式叶轮,半闭式叶轮,叶片的内侧带有前后盖板，适于输送干净流体，效率较高。,没有前后盖板，适合输送含有固体颗粒的液体悬浮物。,只有后盖板，可用于输送浆料或含固体悬浮物的液体，效率较低。,2023/3/29,6,（2）泵壳作用：汇集叶轮甩出的液体，作导出液体的通道；使液体的能量发生转换，一部分动能转变为静压能,减少能量损失。,（3）轴封装置作用：防止高压液体沿轴漏出；防止外界气 体进入泵壳内。,2023/3/29,7,三、离心泵的基本方程式 1.离心泵基本方程式的导出由于液体在泵内流动过程的复杂性，而无法做理论计算，需做如下假设：1）泵叶轮的叶片数目为无限多个，也就是说叶片的厚度为无限薄，液体质点沿叶片弯曲表面流动，不发生任何环流现象。2）输送的是理想液体，流动中无流动阻力。在这种理想条件下的压头称为理论压头，是离心泵所能提供的最大压头。,2023/3/29,8,在高速旋转的叶轮当中，液体质点的运动包括：液体随叶轮旋转，经叶轮流道向外流动。,液体进入与离开叶轮时的速度,左图表示流体质点在叶片点1和点2处的情况。液体沿叶片表面运动的速度分别为w1、w2，其方向为液体质点所处叶片处的切线方向，大小与液体的流量、流道的形状有关。,液体与叶轮一起旋转的速度u1或u2方向与所处圆周的切线方向一致，大小为：,2023/3/29,9,两个速度的合速度就是液体质点在点1或点2处相对于静止的壳体的速度，称为绝对速度，用c1、c2来表示。单位重量理想液体，通过无数叶片的旋转，获得的能量称作理论压头，用HT,表示。单位重量液体由点1到点2获得的机械能为：,2023/3/29,10,Hc:液体经叶轮后动能的增加；Hp:液体经叶轮后静压能的 增加。静压能增加项Hp主要由于两方面的因素促成：1）液体在叶轮内接受离心力所作的外功，单位质量液体 所接受的外功可以表示为：,2）叶轮中相邻的两叶片构成自中心向外沿逐渐扩大的液体流道，液体通过时部分动能转化为静压能，这部分静压能的增加可表示为：,2023/3/29,11,单位重量流体经叶轮后的静压能增加为：,（a）,根据余弦定理，上述速度之间的关系可表示为：,2023/3/29,12,代入（a）式，并整理可得到：,(b),一般离心泵的设计中，为得到较大理论压头，在离心泵设计时，为了不产生预旋，流体从径向进入叶轮，即：使1=90，即cos1=0,上式称为离心泵的基本方程式，或离心泵理论压头的表达式。,2023/3/29,13,流量可表示为叶轮出口处的径向速度与出口截面积的乘积：,从点2处的速度三角形可以得出,代入 HT，=u2c2cos 2/g,表示离心泵的理论压头与理论流量，叶轮的转速和直径、叶轮的几何形状间的关系。,注：b1、b2叶轮进、出口的宽度；r1、r2 叶轮进、出口的半径；1、2 叶轮进、出口处叶片的倾角。,2023/3/29,14,对于某个离心泵（即其2、r2、b2固定），当转速一定时，理论压头与理论流量之间呈线形关系，可表示为：HT，=A-BqV 2.离心泵基本方程式的讨论1）离心泵的理论压头与叶轮的转速和直径的关系 当叶片几何尺寸（b2，2）与理论流量一定时，离心泵的理论压头随叶轮的转速或直径的增加而加大。2）离心泵的理论压头与叶片几何形状的关系 根据叶片出口端倾角2的大小,叶片形状可分为三种:,2023/3/29,15,1）后弯叶片(20。泵的理论压头随流量qV的增大而减小；,2023/3/29,16,2）径向叶片（2=90。，图a），ctg 2=0。泵的理论压头不随流量qV而变化。3）前弯叶片(290。，图c)，ctg 20。泵的理论压头随理论流量qV的增大而增大。,前弯叶片产生的理论压头最高，这类叶片是最佳形式的叶片吗？NO,2023/3/29,17,所以一般都采用后弯叶片P72。,前弯叶片，动能的提高大于静压能的提高。由于液体的流速过大，在动能转化为静压能的实际过程中，会有大量机械能损失，使泵的效率降低。,后弯叶片，静压能的提高大于动能的提高。,2023/3/29,18,3.实际压头离心泵的实际压头与理论压头有较大的差异，原因在于流体在通过泵的过程中存在着压头损失，它主要包括：1）叶片间的环流 2）流体的阻力损失 3）冲击损失 理论压头、实际压头及各种压头损失与流量的关系为：,2023/3/29,19,2023/3/29,20,四、离心泵的主要性能参数,流量 qV单位时间内泵所输送液体的体积，m3/s或 m3/h。压头或扬程 H 单位重量的液体经泵后所获得的能量，J/N或m液柱。,效率,容积损失；水力损失；机械损失,一般，小型泵，效率为6085%，大型泵效率可 达90%。,2023/3/29,21,离心泵中的损失一般有三种：水力损失、容积损失、机械损失。水力损失亦称流动损失，是理论扬程与实际扬程的差值。它包括三个方面：（1）由于实际叶轮叶片数目不是无限多，液体不是严格按叶片的轨道流动，有环流出现，而产生涡流损失；（2）阻力损失；（3）冲击损失。容积损失是指叶轮出口处高压液体因机械泄漏返回叶轮入口所造成的能量损失。机械损失是由于轴承、密封材料以及叶轮两侧的摩擦造成的损失。,2023/3/29,22,轴功率（由电机输入离心泵的功率）Pa轴功率Pa，有效功率Pe,2023/3/29,23,五、离心泵的特性曲线,HqV、PqV、qV：厂家实验测定,一定转速、常压、20清水,（一）离心泵的特性曲线,2023/3/29,24,离心泵特性曲线,n一定,2023/3/29,25,HqV曲线：较大范围内，qV,H,PqV曲线：qV,P,qV=0时，P,Pmin,离心泵启动时，应关闭出口阀门，以减小启动功率。离心泵关闭时，一定要先关闭泵的出口阀，再停电机。否则，压出管中的高压液体可能反冲入泵内，造成叶轮高速反转，使叶轮被损坏。,2023/3/29,26,qV曲线：,离心泵在一定转速下有一最高效率点 离心泵的设计点离心泵铭牌上标注的性能参数均为最高效率点下之值。,离心泵的高效工作区：,2023/3/29,27,（二）离心泵性能的改变与换算,（2）粘度的影响,（1）离心泵的流量,与液体密度无关,离心泵的压头,与液体的密度无关,泵的效率不随输送液体的密度而变。,离心泵的轴功率随输送液体密度增大而增大。,离心泵的压头,与液体的密度无关,泵的特性曲线发生改变，选泵时应根据原特性曲线进行修正。当液体的运动粘度小于20cst（厘沲）时，如汽油、柴油、煤油等粘度的影响可不进行修正。1st=100cst=10-4m2s-1,2023/3/29,28,（3）离心泵转速对其特性的影响 P75,当液体的粘度不大，转速变化小于20%时，认为效率不变，有：,比例定律,注：同一型号泵、同一种液体、效率不变时成立,2023/3/29,29,（4）叶轮直径的影响,1）属于同一系列而尺寸不同的泵，叶轮几何形状完全相似，b2/D2保持不变，若泵的效率不变时，2）某一尺寸的叶轮外周经过切削而使D2变小，b2/D2变大若切削使直径D2减小的幅度在20%以内，效率可视为不变，并且切削前、后叶轮出口的截面积也可认为大致相等,此时有：,-切割定律,2023/3/29,30,（一）管路特性曲线,六、离心泵的工作点与流量调节,在截面1-1与2-2 间列柏努利方程，有：,特定的管路系统：,一定,操作条件一定：,其中：,2023/3/29,31,而,认为流体流动进入阻力平方区，变化较小。,为一常数,亦为一常数,2023/3/29,32,则,管路特性方程,管路特性曲线反映了被输送液体对输送机械的能量要求。,2023/3/29,33,（二）工作点,工作点：管路特性曲线与泵特性曲线交点。,（三）流量调节,改变管路特性：调出口阀门；,改变泵特性：调转速。,2023/3/29,34,(1)改变出口阀门开度,适用：调节幅度不大，而经常需要改变的场合。,关小出口阀 le,qV,H,管路特性曲线变陡,工作点左上移,特点：方便、快捷，流量连续变化；阀门阻力消耗能量增大，不经济。,2023/3/29,35,(2)改变泵的转速,适用：调节幅度大，时间又长的季节性调节。,n泵HqV曲线上移,工作点右上移，,H，qV,优点：流量随转速下降而减小，动力消耗也相应降低；缺点：需要变速装置或价格昂贵的变速电动机，难以做到流量连续调节，化工生产中很少采用。,泵转速一定时，叶轮直径 H，qv,2023/3/29,36,（3）离心泵的组合操作P76,并联操作,由于管路阻力损失增大，所以qV并 2qV单,H并 H单,2023/3/29,37,串联操作,qV串 qV单,H串 2H单,2023/3/29,38,组合方式的选择,低阻时，并联优于串联；高阻时，串联优于并联。,2023/3/29,39,七、离心泵的汽蚀现象与安装高度,（一）汽蚀现象,当叶轮进口处的压强PK等于或小于输送温度下液体的饱和蒸气压PV 时，液体汽化，产生汽泡，含气泡的液体进入叶轮后，由于静压强的升高，气泡被压缩而急剧凝结，产生了局部真空，周围液体以高速涌原汽泡处。,2023/3/29,40,产生非常大的冲击力，造成对叶轮和泵壳的冲击，使其振动并发出噪声。尤其当气泡的凝聚发生在叶片表面附近时，液体如同许多细小的高频冲击锤撞击叶片，时间一长，叶轮将被冲蚀成海绵状，这种现象称为气蚀现象。,2023/3/29,41,气蚀产生的后果：1）气蚀发生时产生噪音和震动，叶轮局部在巨大冲击的反复作用下，表面出现斑痕及裂纹，甚至呈海棉状逐渐脱落；2）液体流量明显下降，同时压头、效率也大幅度降低，严重时会输不出液体。为了避免气蚀现象，使离心泵正常运行，叶轮入口处的绝对压强必须高于工作温度下液体的饱和蒸气压。,2023/3/29,42,（二）实际汽蚀余量与临界汽蚀余量,实际汽蚀余量,临界汽蚀余量(NPSH)c,(NPSH),当流量一定而且已进入阻力平方区（在通常情况下此条件可基本满足）时，临界汽蚀余量只与泵的结构有关。,2023/3/29,43,（三）离心泵的安装高度,在0-0和1-1间列柏努利方程：,最大安装高度,为确保离心泵工作正常，将所测的(NPSH)c加上一定的安全量作为必需气蚀余量NPSH)r,并列入泵产品样本。标准还规定实际汽蚀余量NPSH要比(NPSH)r大0.5m以上。,2023/3/29,44,最大允许安装高度Hg的计算式：,式中(NPSH)r是泵产品样本提供的必需汽蚀余量。注意：(NPSH)r与流量有关，流量，(NPSH)r，因此在计算泵的最大允许安装高度Hg时，必须以使用过程中可能达到的最大流量进行计算。,2023/3/29,45,八、离心泵的选用、安装与操作1.离心泵的选择 1）确定输送系统的流量和压头一般情况下液体的输送量是生产任务所规定的，如果流量在一定范围内波动，选泵时按最大流量考虑，然后，根据输送系统管路的安排，用柏努利方程计算出在最大流量下管路所需压头。2）选择泵的类型与型号 首先根据被输送液体的性质和操作条件确定泵的类型，按已确定的流量和压头从泵样本或产品目录中选出适合的型号。,2023/3/29,46,若是没有一个型号的H、Q与所要求的刚好相符，则在邻近型号中选用H和Q都稍大的一个；若有几个型号的H和Q都能满足要求，那么除了考虑那一个型号的H和Q外，还应考虑效率在此条件下是否比较大。3）核算轴功率若输送液体的密度大于水的密度时，按,来计算泵的轴功率。,2023/3/29,47,2.离心泵的安装和使用 1）泵的安装高度 为了保证不发生气蚀现象或泵吸不上液体，泵的实际安装高度必须低于理论上计算的最大安装高度，同时，应尽量降低吸入管路的阻力。2）启动前先“灌泵”这主要是为了防止“气缚”现象的发生，在泵启动前，向泵内灌注液体直至泵壳顶部排气嘴处在打开状态下有液体冒出时为止。3）离心泵应在出口阀门关闭时启动，为了不致启动时电流过大而烧坏电机，泵启动时要将出口阀完全关闭，等电机运转正常后，再逐渐打开出口阀，并调节到所需的流量。,2023/3/29,48,4）关泵的步骤 关泵时，一定要先关闭泵的出口阀，再停电机。否则，压出管中的高压液体可能反冲入泵内，造成叶轮高速反转，使叶轮被损坏。5）运转时应定时检查泵的响声、振动、滴露等情况，观察泵出口压力表的读数，以及轴承是否过热等。,2023/3/29,49,八、离心泵的类型,（一）离心泵的类型（1）清水泵（IS型、D 型、Sh型）,（2）耐腐蚀泵（F型）,（3）油泵（Y型）,2023/3/29,50,第二节 其他类型化工用泵,一、往复泵,（一）构造与工作原理主要部件：泵缸、活塞 和单向活门。,2023/3/29,51,第二节 其他类型泵 一、往复泵,1.往复泵的结构及工作原理,往复泵是一种容积式泵，它依靠作往复运动的活塞依次开启吸入阀和排出阀从而吸入和排出液体。,2023/3/29,52,泵的主要部件有泵缸、活塞、活塞杆、吸入单向阀和排出单向阀。活塞经传动和机械在外力作用下在泵缸内作往复运动。活塞与单向阀之间的空隙称为工作室。工作原理：当活塞自左向右移动时，工作室的容积增大，形成低压，贮池内的液体经吸入阀被吸入泵缸内，排出阀受排出管内液体压力作用而关闭。当活塞移到右端时，工作室的容积最大。当活塞由右向左移动时，泵缸内液体受挤压，压强增大，使吸入阀关闭而推开排出阀将液体排出，活塞移到左端时，排液完毕，完成了一个工作循环，此后开始另一个循环。,2023/3/29,53,2023/3/29,54,活塞从左端点到右端点的距离叫行程或冲程。活塞在往复一次中，只吸入和排出液体各一次的泵，称为单动泵。由于单动泵的吸入阀和排出阀均装在活塞的一侧，吸液时不能排液，因此排液不是连续的。为了改善单动泵流量的不均匀性，多采用双动泵或三联泵，往复泵的工作原理与离心泵不同，具有以下特点：1）往复泵的流量只与泵本身的几何形状和活塞的往复次数有关，而与泵的压头无关。无论在什么压头下工作，只要往复一次，泵就排出一定的液体。,2023/3/29,55,2023/3/29,56,2023/3/29,57,其理论流量qT，V：对单级泵qT，V=ASn，A：活塞的截面积，S：活塞的冲程，n：活塞每分钟的往复次数，对双动泵 qT，V=(2A-a)Sn，a:活塞杆的截面积，其它同上。2）往复泵的压头与泵的几何尺寸无关，只要泵的机械强度及原动机的功率允许，输送系统要求多高的压头，往复泵就能提供多大的压头。,实际流量,V泵的容积效率，在0.90.97之间。,流量由泵特性决定，而与管路特性无关。,2023/3/29,58,3）往复泵的吸上真空度也随泵安装地区的大气压强、输送液体的性质和温度而变，所以往复泵的吸上高度也有一定的限制。但往复泵的低压是靠工作室的扩张来造成的，所以在开动之前，泵内无须充满液体，往复泵有自吸作用。4）往复泵不能简单地用排出管路阀门来调节流量，一般采用回路调节。往复泵适用于小流量、高压强的场合，输送高粘度液体时的效果也比离心泵好，但不能输送腐浊性液体和固体粒子的悬浮液。,2023/3/29,59,流量调节方法：1.改变活塞的往复次数或冲程；2.旁路调节P83。,因往复泵的流量一定，通过阀门调节旁路流量，使部分压出流体返回吸入管路，便可达到调节主管流量的目的。,2023/3/29,60,压头（扬程）,在电机功率范围内，离心泵的压头由管路特性决定。实际上往复泵流量随压头升高而略有减小，这是容积损失增大造成的。,H2,H1,H,qV,qV2,2023/3/29,61,功率与效率,往复泵的总效率，一般为0.650.85。,适用压头高、流量小的液体，但不能输送腐蚀性大及有固体的悬浮液。,往复泵的理论流量是由活塞扫过的体积决定，而与管路特性无关。,正位移特性,正位移是指介质的位移恒为正，与管路特性无关，不会出现倒流喘振等现象，大多数容积泵为正位移泵，旋涡泵不是。,2023/3/29,62,二、齿轮泵P86,具有正位移特性。,2023/3/29,63,三、旋涡泵,（一）结构,一种特殊的离心泵。,2023/3/29,64,（二）往复泵的特点,1.启动泵时，要打开出口阀门，改变流量时，旁路调节比安装调节阀更经济；2.能量损失大，效率低（20%40%），不适合输送高粘度液体；3.压头比离心泵高24倍，适用于高压头、小流量、低粘度清洁液体。,2023/3/29,65,分类：,第三节 气体输送机械,2023/3/29,66,（一）工作原理与结构,一、离心式通风机,2023/3/29,67,（二）性能参数与特性曲线,1.性能参数（1）风量qV单位时间从风机出口排出的气体体积，m3/h或 m3/s。注意：qV应以风机进口状态计。,2023/3/29,68,（2）全风压pt与静风压ps,全风压：单位体积的气体经风机后所获得的能量，Pa或mmH2O,以单位质量的气体为基准,以单位体积的气体为基准,2023/3/29,69,动风压,静风压,全风压,2023/3/29,70,（3）轴功率与效率,2.特性曲线,用20、101.3kPa的空气（=1.2kg/m3）测定。,风机的全风压与气体的密度成正比。,2023/3/29,71,(三)离心通风机的选用,1.计算输送系统所需的全风压，再换算成标定状态下的全风压；,3.根据qV、pt0 选风机的型号。qV qV需，pt0 pt0需,2.根据气体的性质及风压范围，确定风机的类型；,2023/3/29,72,二、鼓风机,（一）离心鼓风机,特点：外形离心泵外壳直径与厚度之比较大叶片数目较多转速较高,单级出口表压多在30kPa以内；多级可达0.3MPa,2023/3/29,73,（二）罗茨鼓风机,2023/3/29,74,流量调节旁路调节或调转速；开机时打开出口阀门；操作温度 85，以免转子受热卡住。,正位移特性,2023/3/29,75,三、压缩机,（一）离心压缩机,特点：多级（10级以上）；大叶轮；高转速（n5000rpm）,2023/3/29,76,（二）往复式压缩机,2023/3/29,77,1.工作过程,假设 理想气体；气体流经吸气、排气阀时流动阻力忽略不计；压缩机无泄漏。,2023/3/29,78,（1）理想压缩循环,理想压缩循环功：,等温,绝热,2023/3/29,79,等温压缩,绝热压缩,2023/3/29,80,（2）实际压缩循环,余隙：排气终了时，活塞与气缸之间的空隙。,2023/3/29,81,（3）余隙系数与容积系数.余隙系数,低压气缸：8%，高压气缸：可达12%。,.容积系数,2023/3/29,82,二者关系：,讨论：,2023/3/29,83,2.多级压缩,2023/3/29,84,避免排出气体温度过高；减少功耗，提高压缩机的经济性；提高气缸容积利用率；使压缩机结构更合理。,一般当 时，采用多级压缩，常用26级，每级压缩比为35。,2023/3/29,85,四、真空泵,性能：（1）真空度或极限剩余压力；（2）抽气速率：单位时间在极限剩 余压力下吸入的气体体积。,（一）往复式真空泵,2023/3/29,86,（二）水环真空泵,2023/3/29,87,（三）喷射泵,2023/3/29,88,2-1,2023/3/29,89,2023/3/29,90,2023/3/29,91,2-5,2023/3/29,92,(作泵、管路特性图，得交点坐标）,2023/3/29,93,2023/3/29,94,2023/3/29,95,2-8,2023/3/29,96,2-10,2023/3/29,97,2-11,2023/3/29,98,2023/3/29,99,2023/3/29,100,(P351 IS型单级单吸离心泵规格),2023/3/29,101,2-12,2023/3/29,102,2-13,2023/3/29,103,2-14,2023/3/29,104,2023/3/29,105,2-15,2023/3/29,106,
