化工原理第三版陈敏恒课件华东理工内部第2章

由点3至2排能量方程
②管路特性曲线下移，
p
因 g ↓，图解思维
qV↑，H↓，η不定
例2 图示管路输送液体, 泵转速n=2900r/min时， 泵特性曲线为 He=40-0.1qV2 (He单位为m,qV单位为m3/h) 流量为10m3/h, 现欲采用 降低转速的办法使流量
减少30% (流动处于阻力 平方区) 。 求：转速n’应降至多少？
压缩机：出口压强>0.3MPa(表)
真空泵：生成负压，进口<0.1MPa, 出口0.1MPa
2.5.3 通风机 2.5.3.1 常用类型
轴流式通风机
离心式通风机
2.5.3.2 离心式通风机(录像) 原理与离心泵相同，不同之处：
(1)风压 pT∝ρ (2)动能在总机械能中所占比重明显
2.5.3.3 特性曲线 参数：风量qV, 风压pT,pS, 功率P, 效率η
2.2.1.2 等角速度旋转运动的流体能量关系 假定：①理想流体，定态流动
②叶片无限薄，无限多
dp w2 Xdx Ydy Zdz d( )
2
X 2x,Y 2y , Z g
u r
得
p1
g
z1
u12 2g
w12 2g
p2
g
z2
u22 2g
w22 2g
或 P2 P1 u22 u12 w12 w22
2.3.3 流量特点： （1）正位移特性:流量由泵决定,
与管路特性无关。
（2）流量: qV = A L n ηV A泵缸截面, L活塞行程, n转速, ηV容积效率。
（3）不均匀性: 加气室, 双动, 多缸。
（4）流量调节 ①旁路阀 ②改变转速和行程
2.3.4 扬程 在电机功率范围内， 由管路特性决定 2.3.5 操作 一般无气缚，能自吸 2.3.6 安装 不装出口调节阀 也有汽蚀问题
并联
(3)组合方式的选择
当 P
g
H 单 max
时，
必须串联
本次讲课习题： 第二章 1, 2, 3，4，5
离心泵
返回
气缚现象
返回
泵的测定
返回
2.2.4 离心泵的安装高度 2.2.4.1 汽蚀现象(录像)
叶轮入口K处压强最低，Hg太大时，pK≤pV, 液体汽化，形成汽泡，受压缩后溃灭。 后果：叶轮受冲击而出现剥落；
确定泵的类型； (2)根据管路所需的qV，H，确定泵的型号。
选用泵型号最方便的图—型谱图
查qV=10m3/h, He=30m, 可选50-32-160,n=2900rpm
或65-40-315,n=1450rpm
2.3 往复泵(录像) 2.3.1 主要构件：泵缸、活塞、活门 2.3.2 工作原理：直接提供压强能(动画)
u气≈10u液，动能项大；
（3）管径 d
q m
π u
4
，qm相同时，
u↑10倍,
1
ρ↓ 1000
倍,
d↑10倍
2.5.2 气体输送机械分类
按结构分：
离心式 例：离心风机
往复式
往复式压缩机
旋转式
罗茨风机
流体作用式 喷射泵
一般按进出口压强差分 ：
通风机：出口压强≤15kPa(表)
鼓风机：出口压强15kPa~0.3MPa(表)
q'V2
(等效率点)
例1 已知：充分湍流， λ=常数，现将离心水泵 由输水改为输送CCl4, ρ=1630kg/m3 求：①当p1=p2时,
qV ,H ,η ,p出 ,Pe ; ②当p1<p2时， qV ,H ,η ,p出 ,Pe 。
解：①管路特性不变,工作点 不变, qV不变, H不变, η不变。
解：管路H=12+KqV2 原工作点A:
qV=10m3/h H=(40-0.1)×102=30m
代入管路方程
K
H 12 qV2
0.18
新工作点B:
将 qV
q'V
n n'
qV’=7m3/h; , He H 'e
H’=12+0.18×72=20.82m
( n )2 n'
同时代入泵特性方程H=40-0.1qV2
H p2 p1
g
当H一定，则 , p2 , p1 当泵启动时，泵内充满 空气，造成泵吸入口的真空度太小无法吸入液 体。这种现象称为“气缚”现象。
2.2.2 离心泵的特性曲线 （1）泵的有效压头 泵内损失： 容积损失:部分流体漏回入口处
水力损失:μ≠0,叶片数目有限
机械损失:轴承、轴封的摩擦 （2）泵的有效功率
③
d
势能增加部分：①位差Δz ②压差Δp
③密度ρ=
p2 p1
g
过程分析法及其在泵流管路问题上的应用 过程分解法
当一个过程由若干个子过程综合而成，各个 过程之间无交互影响或影响微弱而可忽略，则对 子过程分别研究解决，然后通过一定的原则或方 法加以综合，可使整个过程得到简化并解决。泵 流管路问题的解决方案
泵的特性曲线测定(录像)
d吸=38mm,d出=25mm, 测得水流量 qV=5×10-4m3/s, p压=0.2MPa, p真=27kPa。
求：He=?
解：由泵进、出口列方程
（4）特性曲线的影响因素
①密度: ρ对He~qV,η~qV无影响;对Pa~qV有影响 ②黏度: μ对He~qV,η~qV，Pa~qV都有影响 ③转速: 当n变化<20%时，比例定律：
得新泵特性方程
H 'e
40( n')2 n
0.1q'V2
将B点qV’=7m3/h; H’=20.82m代入 得 n' 0.8018
n
n’=0.8018×2900=2325 r/min
易犯错误：
解：n' n q'V 2900 7 =2030r/min
qV
10
对工作点的含义毫无认识。
2.2.3.3 组合操作 (1)串联组合 同样流量下，两泵压头相加
2.4 其它化工用泵 2.4.1 非正位移泵 2.4.1.1 轴流泵
2.4.1.2 旋涡泵
2.4.2 正位移泵
隔膜泵
计量泵
2.4.2 正位移泵
齿轮泵
螺杆泵
2.5 气体输送机械 2.5.1 气体输送特点 （1）流量：ρ液≈1000ρ气，当质量流量相同
时，qV气≈1000qV液； （2）经济流速：水1~3m/s；空气15~25m/s
出厂标准：0.1MPa, 20℃空气, ρ=1.2kg/m3 以入口状态为基准：
①qV ②ρ ③pT 使用中注意换算
p'T
pT
'
例1 某离心风机铭牌给出全压 1.8×103Pa, 现用于输送ρ’=1.5kg/m3 的气体。 求：PT’=?
第2章 流体输送机械
2.1 概述
目的：给流体加入机械能
2.1.1 管路特性
流体对输送机械的能量要求
从1至2截面
z1
p1
g
u12 2g
H
z2
p2
g
u22 2g
H
f
H f
l d
u2
2
g
8
l
d 2d
4g
qV2
KqV2
高度湍流，K与流量无关 2.1.2 管路特性的影响因素 阻力部分：①管径d ②管长l、le或ζ
或 w2 A2
qV sin
2
H
u c cos u2
22
2
2
u 2
q ctg
T
g
g gA V
2
2
2.2.1.4 理论压头的影响因素 (1)叶片弯角β2和流量qV
(2)叶轮转速n u2=nπD2 如果qV∝n，那么HT∝n2
(3)液体密度不出现 Δp∝ρgHT , 气缚现象(录像) 灌泵——吸入管装单向阀， 泵启动前:灌泵排气
解：应当满足①安装高度②扬程
①
[Hg ]
p0
g
pV
g
H
f
01
[( NPSH
)r
0.5]
=10.33-0.24-1-3.5=5.59m>Hg=3m ②两槽液面之间列管路方程
H=ΔZ+ΣHf=20+1+6=27m<32.6m 该泵可以用，在使用中用阀门调去多余的能量。
2.2.5 离心泵的类型与选用 2.2.5.1 类型 (1)清水泵——单级、多级、双吸 (2)耐腐蚀泵——用耐腐蚀材料 (3)油泵——密封良好 (4)液下泵——转轴特别长 (5)屏蔽泵——无密封、无泄漏 2.2.5.2 选用 (1)根据泵的工作条件，如腐蚀性、潜水等
鼓风机 压缩机 真空泵
流体输送机械的主要技术指标 压头H——扬程，即提供给单位重量流体的能
量，单位m 风压，即提供给单位体积流体的能 量，单位Pa 流量qv——规定的输送量，单位m3/h， m3/s。 效率η——选择输送机械必须考虑的指标。 （本章的主线）
2.2 离心泵 2.2.1 离心泵的工作原理 2.2.1.1 主要构件(录像) 叶轮：迫使液体高速旋转，形成离心力场 中心加入低势能、低动能液体 外缘输出高势能、高动能液体 蜗壳：流道逐渐扩大，将动能部分转化成势能
g
2g
2g
2.2.1.3 理论压头 以静止系考察：势能
P
，动能
c2
c绝对速度
g
2g
总机械能变化
HT
P源自文库 P1
g
c22 c12 2g
u22
c22 w22 2g
u12
c12 w12 2g
u2c2 cos 2 u1 c1 cos1
g
通常，泵设计点(额定流量下)α1=90°
流量 qV A2w2 sin 2
泵轴振动强烈，甚至振断。
在研究中，曾测得汽蚀时水击的频率达 每秒25000次，局部压强30MPa。在连续压力波的作用 下，叶轮金属表面出现一个个凹坑，产生严重的点蚀。 泵的零件在这样大的周期性作用力下，将引起泵的振 动。 汽蚀的主要危害是： 1）泵的性能突然下降。泵发生汽蚀时，叶轮与液体间
的能量传递受到干扰，流道受气泡堵塞，流动损失增 大，扬程突然下降，严重时泵中流动中断，泵不能工 作； 2）泵产生严重的振动和噪音； 3）泵的过流部件的表面受到机械性质的破坏（主要 的），及化 学性质的破坏（次要的）。
最大允许安装高度[Hg]为
[H g ]
p0
g
pV
g
H
f 01
[( NPSH )r
0.5]
实际安装高度Hg<[Hg]即可。 另：①吸入管径常大于压出管径；
②吸入管不装调节阀。
再沸器循环泵
例1 图示两槽间要安装一台离心泵， 常压下输送20℃水，流量qV=45m3/h, 现有一台清水泵, 在此流量下He=32.6m， (NPSH)r=3m, 已算得Hf吸入=1m， Hf压出(阀全开)=6m 。 试问：这台泵是否可用？
应用过程分解法，将整个问题分解为泵特性 和管路特性，分别加以研究，然后通过供需平衡 的原则加以解决。
2.1.3 流体输送机械分类 按作用原理分：
动力式(叶轮式)：离心式，轴流式； 容积式(正位移式)：往复式，旋转式； 其它类型：喷射式，流体作用式等。 按流体可压缩性分： 液体输送机械：统称为泵； 气体输送机械：通风机
2.2.3 离心泵的流量调节和组合操作 2.2.3.1 工作点 工程处理方法：过程分解法
2.2.3.2 流量调节 (1)出口阀开度 优点：调节简便、灵活 缺点：能耗 (2)改变转速n 节能，但不方便
新老泵特性曲线关系
q'V qV
n' n
时，H '
H
n' n
2
q'V qV
2
∴
H'
H qV2
2.2.4.2 汽蚀余量NPSH
由1至K：pg1
u12 2g
pk
g
uk2 2g
H
f 1 K
pK=pV, 发生汽蚀, 这时p1最小,
定义临界汽蚀余量(NPSH)c
( NPSH )C
p1min
g
u12 pV
2g g
uk2 2g
H
f
1 K
由0至K：
p0
g
Hg
H f 01
H f 1K
pk
g
uk2 2g
如果 q'V n'
qV n
则有
H 'e He
n'2
n
P'a
n'3
Pa n
液体黏度对特性曲线的影响 泵厂是用20度清水标定泵的。 如液体黏度发生变化，
特性曲线也将发生变化。 从右图可见，黏度上升 扬程（压头）下降； 效率下降； 所需功率上升。 所以在选泵的时候要对
特性曲线进行修正。 具体方法可查有关手册。
Pe=ρgqVHe Pa基本上随流量qV单调上升 泵启动时关出口阀 （3）泵的效率 Pe
Pa
容积损失： 根据需要可选用不同类型的叶轮
v 0.85 ~ 0.95 水力损失：流体的粘性而产生的阻力损失（主要部分）
h 0.8 ~ 0.9 机械损失：轴与轴封，叶轮与流体间磨擦。
M 0.96 ~ 0.99
pK=pV时
H g max
p0
g
pV
g
H f 01
H f 1K
uk2 2g
H g max
p0
g
pV
g
H f 01
( NPSH )C
规定必需汽蚀余量
(NPSH)r=(NPSH)c+Δ, 进泵样本，与流量有关
实际汽蚀余量 NPSH p1 u12 pV
g 2g g
须比(NPSH)r大0.5m以上，
H单=φ(qV)， H串=2φ(qV)
例如： H单=20-2qV2 H串=40-4qV2
工作点 H’ ≠ 2H
(2)并联组合 同样压头下，两泵流量相加
H单=φ(qV)， H并
(qV
2
)
例如： H单=20-2qV2 H并=20-0.5qV2
工作点 qV’≠2qV
如图：
串联 可见串联后压头并不是原来的两倍； 同样并联后流量也不是原来的两倍； 并且串并联的数量越多，增幅越小。