第二章 流体输送机1

第二章流体输送机械第一节概述为流体提供能量的机械称为流体输送机械。

输送液体的机械通称为泵，输送气体的机械通称为风机或压缩机。

化工生产中要输送的流体种类繁多，流体的温度、压力、流量等操作条件也有较大的差别。

为了适应不同情况下输送流体的要求，需要不同结构和特性的流体输送机械。

化工厂中常用的液体输送机械，按其工作原理可分为四类：离心式、往复式、旋转式及流体动力式。

第二节离心泵一、离心泵的工作原理和主要部件（一）、离心泵的工作原理1 离心泵的工作原理叶轮安装在泵壳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口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，叶片间的液体也必须随着转动。

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，由于贮槽液面上方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。

2 气缚现象当泵壳内存有空气，因空气的密度比液体的密度小得多而产生较小的离心力。

从而，贮槽液面上方与泵吸入口处之压力差不足以将贮槽内液体压入泵内，即离心泵无自吸能力，使离心泵不能输送液体，此种现象称为“气缚现象”。

为了使泵内充满液体，通常在吸入管底部安装一带滤网的底阀，该底阀为止逆阀，滤网的作用是防止固体物质进入泵内损坏叶轮或防碍泵的正常操作。

（二）、离心泵的主要部件主要部件有叶轮、泵壳和轴封装置。

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6~12片后弯叶片。

叶轮有开式、半闭式和闭式三种，如图2－2所示。

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，一般的离心泵叶轮多为此类。

叶轮有单吸和双吸两种吸液方式。

2 泵壳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。

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。

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。

二、离心泵的主要性能参数（一）流量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。

Q (m 3/h 或m 3/s)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。

（二）扬程离心泵的扬程又称为泵的压头，是指单体重量流体经泵所获得的能量。

H(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。

泵的扬程可用实验测定，即在泵进口处装一真空表，出口处装一压力表，若不计两表截面上的动能差(即Δu 2/2g =0),不计两表截面间的能量损失(即∑f 1-2=0)，则泵的扬程可用下式计算g p p h H ρ120-+=注意以下两点：(1)式中p 2为泵出口处压力表的读数(Pa)；p 1为泵进口处真空表的读数(负表压值，Pa)。

(2)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∑-+∆+∆+∆=212f hg u g p z H ρρ式中H 为扬程，而升扬高度仅指Δz 一项。

例2-1 现测定一台离心泵的扬程。

工质为20℃清水，测得流量为60m 3/h 时，泵进口真空表读数为-0.02Mpa,出口压力表读数为0.47Mpa(表压)，已知两表间垂直距离为0.45m ，若泵的吸入管与压出管管径相同。

试计算该泵的扬程？解 由式gp p h H ρ120-+=查20℃，32/2.998m Kg o h =ρh 0=0.45mp 2=0.47Mpa=4.7×105Pa p 1=-0.02Mpa=-2×104Pa81.9998)102(107.445.045⨯⨯--⨯+=H=50.5m （三）效率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η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。

（四）轴功率泵的轴功率即泵轴所需功率，N (W 或kW)。

其值可依泵的有效功率N e 和效率η计算，即ηρηρη102QH gQH NeN ===(kW)三、离心泵特性曲线及其应用离心泵的特性曲线是将由实验测定的Q 、H 、N 、η等数据标绘而成的一组曲线。

此图由泵的制造厂家提供，供使用部门选泵和操作时参考。

不同型号泵的特性曲线不同，但均有以下三条曲线：1. H-Q 线 表示压头和流量的关系；2. N-Q 线 表示泵轴功率和流量的关系；3. η-Q 线 表示泵的效率和流量的关系；泵的特性曲线均在一定转速下测定，故特性曲线图上注出转速n 值。

离心泵特性曲线上的效率最高点称为设计点，泵在该点对应的压头和流量下工作最为经济。

离心泵铭牌上标出的性能参数即为最高效率点上的工况参数。

离心泵的性能曲线可作为选择泵的依据。

确定泵的类型后，再依流量和压头选泵。

例2-2 用清水测定一台离心泵的主要性能参数。

实验中测得流量为10m 3/h,泵出口处压力表的读数为0.17MPa （表压），入口处真空表的读数为-0.021Mpa,轴功率为1.07KW ，电动机的转速为2900r/min ，真空表测压点与压力表测压点的垂直距离为0.2m 。

试计算此在实验点下的扬程和效率。

解 泵的主要性能参数包括转速n 、流量Q 、扬程H 、轴功率N 和效率η。

直接测出的参数为转速 n=2900r/min流量 Q ＝10m 3/h=0.00278m 3/s 轴功率 N ＝1.07KW 需要进行计算的有扬程H 和效率η。

用式g p p h H ρ120-+=计算扬程H ，即g p p h H ρ120-+=已知：h 0=0.5m,3/1000m Kg =ρg p ρ2=m73.181.9*100010*7.15=14.281.9*100010*1.241-=-=g p ρm 于是 m H 20)14.2(3.175.0≈--+= g HQ N e ρ==20×0.00278×1000.9.81=545W=0.545KW%10007.1545.0%100⨯=⨯=N N e η=51%四、影响离心泵性能的主要因素1 液体物理性质对特性曲线的影响生产厂所提供的特性曲线是以清水作为工作介质测定的，当输送其它液体时，要考虑液体密度和粘度的影响：(1)粘度 当输送液体的粘度大于实验条件下水的粘度时，泵体内的能量损失增大，泵的流量、压头减小，效率下降，轴功率增大。

(2)密度 离心泵的体积流量及压头与液体密度无关，功率则随密度增大而增加。

2 离心泵的转速对特性曲线的影响当液体粘度不大，泵的效率不变时，泵的流量、压头、轴功率与转速可近似用比例定律计算，即1212n n Q Q = 21212⎪⎪⎭⎫⎝⎛=n n H H 31212⎪⎪⎭⎫⎝⎛=n n N N式中：Q 1、H 1、N 1离心泵转速为n 1时的流量、扬程和功率；Q 2、H 2、N 2离心泵转速为n 2时的流量、扬程和功率。

上面的一组公式称为比例定律。

当转速变化小于20%时，可认为效率不变，用上式进行计算误差不大。

若在转速为n 1的特性曲线上多选几个点，利用比例定律算出转速为n 2时相应的数据，并将结果标绘在坐标纸上，就可以得到转速为n 2时的特性曲线。

3 叶轮直径对特性曲线的影响当泵的转速一定时，其扬程、流量与叶轮直径有关，下面为切割定律：31212212121212⎪⎪⎭⎫⎝⎛=⎪⎪⎭⎫⎝⎛==D D N N D D H H D D Q Q式中：Q 1、H 1、N 1离心泵叶轮直径为D 1时的流量、扬程和功率；Q 2、H 2、N 2离心泵叶轮直径为D 2时的流量、扬程和功率。

五、离心泵的安装高度泵的吸上高度（安装高度）是指泵入口中心与吸入贮槽液面间的垂直距离。

⑴泵的吸上高度的限度在泵的入口中心与吸入贮槽液面间列柏努利方程：ff H gug p p Z H g u Z g p g p---=+++=22211211ρρρm gpZ 33.10=<ρ （P 为标准大气压）即泵的吸上高度有一限度。

大气压随海拔高度的增高而降低： 表2-1 不同海拔高度的大气压⑵汽蚀现象当贮槽液面上的压强一定时，吸上高度越高，则泵入口压强越小，至输送温度下液体的饱和蒸汽压时，在泵进口处，液体就会沸腾，大量汽化，产生的大量汽泡随液体进入高压区时，又被周围的液体压粹，而重新凝结为液体。

在汽泡凝结时，气泡处形成真空，周围的液体以极大的速度冲向汽泡中心。

这种极大的冲击力可使叶轮和泵壳表面的金属脱落，形成斑点、小裂缝，称为汽蚀。

汽蚀发生时，泵体因受冲击而发生振动，并发出噪音；因产生大量汽泡，使流量、扬程下降，严重时不能工作。

⑶允许汽蚀余量为了防止汽蚀的发生，泵在运转时，必须使泵入口压强大于液体的饱和蒸汽压，即02211>∆=-+h gp g u g p vρρ 能保证不发生汽蚀的h ∆最小值，称为允许汽蚀余量，由泵的生产厂家用水测定，标于铭牌上。

⑷泵的安装高度的计算：g u g p h g p v 2211-+∆=ρρ 1--∆--=f v H h gp g pZ ρρ 从安全角度考虑，泵的实际安装高度值应小于计算值。

又当计算之H g 为负值时，说明泵的吸入口位置应在贮槽液面之下。

例2-3 用油泵从密闭容器里送出30℃的丁烷。

容器内丁烷液面上的绝对压力为Pa 51045.3⨯。

液面降到最低时，在泵入口中心线以下2.8m 。