化工原理第2章 流体输送(2)

液体要求供给的压头：
p u H z H f g 2 g
2
(1)
p 对特定的管路系统， z 为固定值，与管 g
路液体的流量无关，在输送高度和压力不变情
p 况下，令 z ＝H0。若贮槽与受液槽的截 g
面积比管路截面大很多，则 u 0 。 2g
2
则（1）式简化为：
P
管路特性曲线
A
泵的特性曲线
qv
离心泵的工作点
（三）、 流量的调节
离心泵的流量调节实际上就是改变离 心泵的工作点的位置，从而适应生产任务 变化的要求。 离心泵的流量调节: （ ）在排出管线上装适当 的调节阀 1 以改变管路特性曲线 2）改变离心泵的转速和 （ 叶轮外径 改变泵的工作点。
1、改变阀门的开度
改变阀门开度以调节流量，实质是用 阀门的开大或关小的方法来改变管路的特性 曲线。 （1）阀门关小， H f 加大，管路特性曲 线变陡，如图曲线Ⅱ，泵的工作点由A移至 B。流量由qv A减至qv B。 （2）阀门开大， H f 减小，管路特性 曲线变平坦，如图曲线Ⅲ，泵的工作点由A 移至C。流量由qv A增至qv C。
v
注意：对于同一管路，并联操作时泵 的流量不会增大一倍。 因为两台泵并联后，流量增大，管路 阻力亦增大。如图：C点流量2qvⅡ 不等于A 点的流量 qvⅠ。若管路特性曲线越平坦，则 并联后的流量就越接近单台泵操作时流量的 两倍。所以并联操作能够使低阻力管路系统 的流量增加较多。而高阻力管路系统的流量 增加较少。并联时，泵的台数不宜多。因为 台数越多，所增加的流量越少，即每台泵的 流量越少。
pv p1 u ) 表达式为： ha ( g 2 g 2 g
2 1
2-13
（2）必需汽蚀余量(required NPSH)hr 是表示液体从泵入口流到叶轮内 最低压力点的全部压头损失。显然，hr 越小，泵越不易发生汽蚀。因为泵入 口处的富余压头 ha ，在用于压头损 失 hr 之后，所剩余的压头就越多， 这表示液体流到叶轮内最低压力点时， pv 其压头 高出就越多，所以不会发 生汽蚀。g
解：管路的循环水量的计算。 H 管路的特性曲线方程为：
H0 kqv
2
p Z 0 管路为封闭的 循环管路， 0, g
l le 2 p 8 H Z 2 ( )qv 5 g g d l le 2 8 k 2 ( )qv 688153 5 g d
随泵得安装高度增高，有效汽蚀余 量将减小。当减小到与允许汽蚀余量相 等时，则发生汽蚀，此时得安装高度称 为最大允许安装高度，以 H g max表示。即：
H g max
p0 pv （2-15） h H f g
提高允许安装高度的方法：减小
H
f
，
吸入管径大、短； 减小弯头和不安截止阀。
（2）改变转速 优点：管路特性曲 线可保持不变，动力消耗小。 缺点：需变速装置，且价格昂贵， 难以做到流量的连续调节。叶轮转速不 得超过泵的额定功率，以免叶轮强度和 电动机负荷超过允许值。 （3）车削叶轮直径 可以改变流量。 缺点：可调节流量范围不大，且直 径减小不当还会降低泵的效率。
在输送流体量不大的管路， 一般都用阀门来调节流量； 只有当输液量很大的管路才 考虑使用调速的方法。
又叫离心泵的允许安装高度是 指离心泵吸入口与吸入贮槽液面间可 允许达到的最大垂直距离。以Hg允许 表示，单位为ｍ液柱。
H g允许
p0 pv h H f g
≤
为了保证泵得安全操作，不发生 汽蚀，泵得实际安装高度必须满足 H g ≤ H g允许 。 只要已知 H g 、Δh中的一个， 就可确定泵的安装高度。一般为了 安全起见，离心泵的实际吸上高度 或安装高度应小于允许吸上高度， 一般比允许值小0.5～1ｍ。
令， 2 (
8
g
l le d
)＝k 则（2-8）可写成：
d
4
H f kqv
2
（2-9）
2
H H0 kqv
（2-10）
上式称为管路特性方程。
式中的k为管路特性系数。
k f (l , d , , )
当其它条件一定时，若改变管路 中的调节阀开度，其局部阻力系数也将 变化。所以管路特性系数k和管路特性曲 线的斜率也将改变。 k值较大的管路称为高阻力管路，k 值较小的管路称为低阻力管路；
3、离心泵的最大安装高度
图2-13，在0－0和1－1间列柏 努力方程式：
1 1 p1 1
p0
0
Hg
0 1
0
0
p1 u Hg H f g g 2g
泵的允许安装高度为：
p0
2 1
2-12
p0 p1 u Hg H f g 2g
2 1
Hg越高，有效汽蚀余量 ha减小。当 ha 减小到与 hr相等时，则产生汽蚀现象。为了避 免汽蚀的发生，此时的安装高度称为最大安装 高度。
（四）、并联与串联操作
在实际生产过程中，有时数台 离心泵组合使用。离心泵的组合方 式分为串联和并联两种。以两台特 性完全相同的离心泵为例：
1、并联组合泵的特性曲线
H
H并 H单
H单
O
两台相同的泵 并联时，其联合特 性曲线的作法是在 管路特性曲线 每一个压头条件下， B 使一台泵操作时的 C 特性曲线上的流量 A 增大一倍而得出的 Ⅱ Ⅰ 特性曲线（如图线 qv Ⅱ）。 qv 单 q qv并 2qv单 单
车削叶轮外径也是离心泵流量 调节的一种独特方式。此时，离心 泵的叶轮外径与流量、压头和功率 关系可由切割定律来计算。 避免使用流量过大的离心泵造 成附加能量损失，减少电机负荷。 但是，可调节的范围不大，且 直径减少不当还会降低泵的效率， 故很少采用。
3、车削叶轮外径
4、流量调节方法的比较
（1）在转速不变的情况下，用阀门 调节流量， 优点：方法简便，为工厂广泛采用。 适用需要经常调节，且幅度不大，流量 较小的系统。 缺点：关小阀门，阻力增大，需多 消耗一部分能量以克服附加阻力损失。
入口 入口 低部分
出口
出口
造成很高的局部冲击压力，冲击叶 轮、发生噪音、引起震动。在冲击点处 形成高达几万kPa的压强，冲击频率可高 达几万次，金属表面受到压力大、频率 高的冲击而剥蚀，以及汽泡内夹带的少 量氧气等活泼气体对金属表面的电化学 腐蚀等，使叶轮呈现海面状、鱼鳞状破 坏，这种现象称为“气蚀现象”。
(二)、工作点
离心泵安装于某一特定的管路之 内，离心泵提供了液体在管路中流动 所必须的压头。如图，两曲线交点P 就是离心泵在该管路中的工作点 (duty point)。 P点表示离心泵在该特定管路中 实际输送的流量和提供的压头。
在特定管路中输送用途时，H～qv 成 正比，绘于图中得管路特性曲线，或管 路阻力曲线。 H
2、串联组合泵的特性曲线
管路特性曲线
H B
H串 2H单
H单
A
C
H单
O
Ⅰ
Ⅱ
qv 单
qv串 qv单
泵的串联使用 可以提高泵的压头。 两台泵串联使 用，每台泵的流量 和压头均相同。 在同样流量下， 串联泵的压头为单 泵的两倍。即总压 头为每台泵压头之 和。
qv
如图，两台泵串联时的H-qv 曲 线，单泵的工作点为A，串联后工作点 移至C点。C点的压头为HⅡ，较单台泵 时的H 单 增大了，并不等于A点的压头 H单的两倍。但是流量qv串较qv单增大了。 多台泵串联操作相当一台多级泵。多 级泵的结构紧凑，安装、维修方便。 因而应该选用多级泵代替多台串联。
六、 离心泵的安装高度和气蚀现象
(一)、 气蚀现象 离心泵运转时，液体在泵 内压强变化如图： （1）液体的压强随着从 泵吸入口向叶轮入口而下降； （2）叶片入口附近的压 强为最低； （3）此后，叶轮对液体 作功，压强很快又上升。
当叶片入口附近的 总压头 最低压强等于或小于输 送温度下液体的饱和蒸 汽压pv时，液体就在该 处发生汽化，同时将会 有溶解于液体的气体解 动压头 吸出来，这样产生大量 的小汽泡，并随同液体 静压头 从低压区流向高压区 （大于pv），汽泡在高 饱和蒸汽压头 压的作用下，会迅速破 绝压为0处 裂，其中的蒸汽会迅速 凝结，瞬间内周围的液 泵吸 叶轮 压强最 叶轮 泵排 体即以极高的速度冲向 原气泡所占的空间，
（3）允许气蚀余量(Δh)
是指离心泵入口处的静压头与 动压头之和超过输送液体操作温度 下的饱和蒸汽压的最小允许值(Δh)。 即，在必需汽蚀余量 hr 上加一安 全裕量0.3m，作为允许汽蚀余量。 列于离心泵规格表中。 操作中要求 ha ≥ h
判断汽蚀的条件: 是 ha > hr ha = hr ha < hr
五、 离心泵的工作点与流量调节
当离心泵安装在一定管路系统中 工作中，其压头和流量不仅与离心泵 本身的特性有关，而且还取决于管路 的工作特征。
（一）管路特性方程与管路曲线
2 2
1
1
管路的特性曲 线表示出流体通过 某特定管路所需要 的压头和压头流量 的关系。P72(67) 图 2-7所示，在1-1, 22界面间列柏努利方 程：
（二）、有效汽蚀余量与必须汽蚀余量 （1）有效汽蚀余量 ha
为避免汽蚀发生，液体经吸入管到
p1 u 达泵入口处所具有的压头， g 2 g
2 1
pv 不仅能够使液体推进叶轮入口，而且应 该大于液体在工作温度下的饱和蒸汽压头 g，
其差值为有效富余压头，常称为有效汽蚀余 量（available NPSH）,ha 单位为m(液柱)。
例题：如图，循环管路中离心泵的安装高度 为Hg=3m，离心泵的特性曲线近似表示为： H=23-1.43×105 qv2 ，式中qv以m3/S表示， 吸入管长（包括全部局部 阻力的当量长度）为10m， 压力表 排出管长（包括全部局部 真空表 阻力的当量长度）为120m， 2 管内径均为50mm，设λ= 0.02,水温20℃，试求（1） Hg 管路的循环水量为多少？ （2）泵进出口压力各为多 少？
(四)、离心泵的允许吸上高度
（1）允许气蚀余量 (Δh)是指离心泵入口处
的静压头与动压头之和超过输送液体操 作温度下的饱和蒸汽压的最小允许值 (Δh)。即，在必需汽蚀余量 hr 上加一安 全裕量0.3m，作为允许汽蚀余量。列于 离心泵规格表中。 操作中要求 ha ≥ h
（2）、离心泵允许吸上高度
H H0 H f
其中，压头损失
H
8
2
f
( (
l le d d
5
u ) 2g
2 v d4
2
g
l le
)q
（2-8）
若为特定管路，l、le 、d及ζ为定值， λ是Re的函数，即qv 的函数。当Re数较大 时，λ随Re的变化很小，可以看作常数。
气蚀现象的危害
（1）产生噪音、震动； （2）气蚀处形成蜂窝状空间，损坏叶片； （3）严重时，导致泵的流量、压头效率显 著下降。
避免气蚀现象发生的措施： 泵的安装高度不能太高，以保 证泵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汽压。 一般在离心泵的性能铭牌上都 标注有允许吸上真空度或气蚀余量， 用以表示离心泵的吸上性能。下面 分别分析用这些参数确定离心泵的 安装高度。
时,不汽蚀； 时,开始发生汽蚀； 时,严重汽蚀。
泵出口处压头
ha
Δh
hr
p1 u g 2 g
2 1
叶轮内最低压力 0.3m 点压头安全裕量
ha Δh hr 三者关系
P72 图2-14位三 者之间关系。 注 ： Δh 也 是 按 20℃ 水 规 定的，当输 送其它液体 时需校正。 具体方法查 有关文献。


H
Ⅱ
B HB HA HC A
Ⅱ阀门关小， H f 加大，管路特 性曲线变陡
Ⅰ
Ⅲ

C

O
qvB qvA qvC
qv
改变阀门开度调节流量示意图
2、改变泵的转速
改变离心泵的转速以 调节流量，实质是维持管 H 路特性曲线，而改变泵的 特性曲线，如图， B (1)转速由nA 提高到nB ， k HB A 泵的特性曲线上移，如图， HA 泵的工作点由A移至B，流 Hc 量和压头都增大。 C n H0 (2)转速由nA 降到nC ， n’ 泵的特性曲线下移，如图， O qv qvC qvA qvB 泵的工作点由A移至C，流 改变叶轮转速调节流量示意图 量和压头都减小。