何潮洪化工原理第二章：流体输送机械

r2
c2r c2
c2u b2
思考：与 H 有关的因素有哪些？分别是怎 样的关系？ 讨论： （ 1 ） H 与流量 Q 、叶轮转速 、叶 轮的尺寸和构造（r2、b2、2）有关； （ 2 ）叶轮直径越大、转速越大， 则H越大；
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浙江大学《化工原理》电子教案/第二章
w2
2 2
2
c2
c2r
对于输送酸、碱的离心泵，密封要求比较严，多 用机械密封。
浙江大学《化工原理》电子教案/第二章
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三．离心泵的主要性能参数及特Fra bibliotek曲线 转 速 ----n，单位r.p.s或r.p.m 流 量 ----Q，m3/s或m3/h，可在输出端测量 ，又称扬程，泵对单位重量流 压 头 ----H 体提供的有效能量，m。 =h 离心泵的主要性能参数 e 轴 功 率 效 率 允 许 汽 蚀 余 量
一、离心泵的构造和工作原理
2、离心泵的工作原理
思考： 流体在泵内都获得了哪几种能量？ 其中哪种能量占主导地位？ 请点击观看动画
答案：动能和静压能，其中静压能占主导
思考：泵启动前为什么要灌满液体？
气缚现象
请点击观看动画
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二．离心泵主要构件的结构及功能
1．叶轮 请点击观看动画

2 2
c2u
2
c2
c2r
u2
c2u
Q u2 cot 2 2r2 b2
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w1
1
1
u1
c1
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理论压头 HQ 理论压头H 关系曲线 与流量
1 1 2 Qu2 Q 2 H u2 cot 2 r2 cot 2 g 2r2 b2 2b2 g
（4）理论压头H与液体密度无关。 这就是说，同一台泵无论输送何种密度的液体 ，对单位重量流体所能提供的能量是相同的。
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实际压头H与流量Q关系曲线
实际压头比理论压头要小。具体原因如下：
（1）叶片间的环流运动 请点击观看动画 此损失只与叶片数、液 体黏度等有关，与流量几 乎无关。 考虑这一因素后，图中 理论压头线a变为直线b 。
3、时钧等. 化学工程手册. 第二版. 北京：化学工业出版社，1996
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第二章 流体输送机械
液体输送机械 泵 流体输送机械 通风机 鼓风机 气体压送机械 压缩机 真空泵
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轴功率 效率
用N表示，单位W 或kW
Ne QgH N N
（无量纲）
电
电功率
N 电出
传
N
电机 N电出 电功率 电
N N电出 传

Ne
Ne N
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泵
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三．离心泵的主要性能参数及特性曲线
与效率有关的各种能量损失： （1）容积损失：
------目前，从理论上还无法推导出来，只能靠实验测定 。 但理想情况下的H表达式则可从理论上推导得到。
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理论压头H与流量Q关系曲线
理想情况 -------理想情况下的H～Q曲线
(1)流体为理想流体 液体在泵内无摩擦阻力损失 多，且叶片厚度不计。 ( 2)叶轮的叶片数目为无穷
目录
§ 2.2 气体压送机械
一、离心通风机 二、往复压缩机
三、真空泵
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第二章推荐阅读材料： 1、谭天恩，窦梅，周明华. 化工原理. 上册. 第三版. 北京：化学工业 出版社，2006
2．McCabe W L，Smith J C, Harriott P. Unit Operations of chemical Engineering. 6th ed. New York: McGraw-Hill, 2001（英文影印版：化 学工程单元操作. 北京：化学工业出版社，2003）
目录
第二章 流体输送机械
§ 2.1 液体输送机械-----泵
§ 2.1.1 离心泵 一、离心泵的构造和工作原理 二、离心泵主要构件的结构及功能 三、离心泵的主要性能参数及特性曲线 四、离心泵的安装高度 五、离心泵的工作点与流量调节 习题课 六、离心泵的类型、选用 § 2.1.2 其它类型泵
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原因一：离心力作功
1 kg液体受到的离心力为：Fc
r2 2 F dr c rdr r1 r1 r2
2r
c2

2
1 2 2 r2 r12 2


1
2 2 p2 p1 u2 u1 2 1
c1
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原因二：液体由1流到2时，由于流动通道逐渐扩大， w逐渐变小，这部分能量将转化为静压能。 2 2 2 p2 p1 w1 w 2 g 2g 2
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c2
c1
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理论压头 HQ 理论压头H 关系曲线 与流量
r2
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§ 2.1.1 离心泵
一、离心泵的构造和工作原理
1、离心泵的构造：请点击观看动画
1、叶轮： 2、泵壳： 3、泵轴及轴封装置：
泵轴
思考： 为什么泵的叶片向后弯曲？ 泵壳呈蜗壳状？
吸入导管
压出导管
泵壳
叶轮
底阀
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2．泵壳 呈蜗牛壳状
思考：泵壳的主要作用是什么？ ①汇集液体，并导出液体； ②能量转换装置（动能变静压能）
3．导轮
请点击观看动画
固定不动
思考：为什么导轮的弯曲方向与叶片 弯曲方向相反？
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二．离心泵主要构件的结构及功能
4. 轴封装置 请点击观看动画 ----减少泵内高压液体外流，或防止空气侵入泵内。
c2r c2
c 2 u2 cos 2 c1 u1 cos 1 H g
离心泵设计中，一般都使设计流量下的1=90
c2u b2
c 2 u2 cos 2 c 2 u u2 H g g
又 Q 2r2 b2 c 2r
u2 c 2 u cot 2 c2r
装置角 w2
理论压头H与流量Q关系曲线
2 2 2 2 p p w u w u 2c 2 u2 cos 2 2c1 u1 cos 1 2 1 2 2 1 1 H g 2g
2 p2 p1 u2 u12 原因一：离心力作功 2 1
b
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实际压头H与流量Q关系曲线
（2）阻力损失 此损失可近似视为与流 速的平方呈正比。
考虑到这项损失后， 压头线变为曲线c 。
b c
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实际压头H与流量Q关系曲线
（3）冲击损失 在设计流量下，此项损失最小。流量若偏离设计 量越远，则冲击损失越大。 考虑到这项损失后，压头线 应为曲线d----这就是实际压头 与流量关系曲线。
c2 c2
c2
u2 u2 u2
后弯叶片 径向叶片 前弯叶片
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1 Qu2 1 2 Q 2 H u2 cot 2 r2 cot 2 理论压头 H g 2r2 b2 2b2 g
填料密封 填料如浸油或渗涂石墨的石棉带、碳纤维、氟纤维和膨胀石墨等， 填料不能压得过紧，也不能压得过松，应以压盖调节到有液体成滴 状向外渗透。 请点击观看动画 机械密封
由两个光滑而密切贴合的金属环形面构成，动环随轴转动，静环 装在泵壳上固定不动，二者在泵运转时保持紧贴状态以防止渗漏。
叶轮是离心泵的心脏部件，有2 至6 片弯曲的叶片。
闭 式 叶 轮 敞 式 叶 轮 半 闭 式 叶 轮
思考：三种叶轮中哪一种效率高？ 闭式叶轮的内漏最小，故效率最高，敞式叶轮 的内漏最大。 但敞式叶轮和半闭式叶轮不易发生堵塞现象
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内漏
二．离心泵主要构件的结构及功能

w2 2 2
2
c2 u2
b c d
设计 流量 25/73
w1 1 1 c1
u1
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转 速 流 量 三．离心泵的主要性能参数及特性曲线 压 头 轴 功 率 效 率 有效功率Ne=mwe＝QgH ，单位W 或kW 允 许 汽 蚀 余 量
（A）
液体在高速旋转的叶轮中的运动分为2种: 周向运动： u r 思考：u1、u2孰大？ w2 速度w处处与叶片相切， 沿叶片表面的运动： 2 2 w1 、w2孰大？ 根据余弦定理可知：
2 2 2 w1 c1 u1 2c1 u1 cos 1
2 2 2 w2 c2 u2 2c 2 u2 cos 2
c2u
u2
w1
1
u1
c1
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1 Qu2 1 2 Q 2 H u2 cot 2 r2 cot 2 g 2r2 b2 2b2 g
（3）在叶轮转速、直径一定时，流量Q与理论压头H的关系 受装置角2影响：
叶片后弯，2<90，cot2>0， 即H随流量增大而减小； 叶片径向，2=90，cot2=0， 即H不随流量而变化； 叶片前弯，2>90，cot2<0， 即H随流量增大而增大。
铭 牌
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三．离心泵的主要性能参数及特性曲线
压头： 可用如图装置测量。
在泵进口b 、泵出口 c 间列机械能衡算式：
2 2 p b ub p c uc H h0 h f g 2 g g 2 g
转速 流量 压头 轴功率 效率 允许汽蚀余量
w2 2 w2 2 2 w2
2>90
2=90

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后弯叶片
径向叶片 前弯叶片 浙江大学《化工原理》电子教案 /第二章
理论压头H与流量Q关系曲线
似乎泵设计时应取前弯叶片，因其H 为最高。但实际 上泵的设计都采用后弯叶片。Why？ w2 w2 w2 c2小，泵内流动阻力损失小
回忆： 思考： 为什么叶片向后弯曲？ 泵壳呈蜗壳状？ 思考： 为什么导轮的弯曲方向 与叶片弯曲方向相反？
c2
u2
w1
1 1
c1
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代入式（A）得:
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u1
理论压头H与流量Q关系曲线
2 2 2 2 p p w u w u 2c 2 u2 cos 2 2c1 u1 cos 1 2 1 2 2 1 1 H g 2g
p 2 p1 g 产生的原因：
§ 2.1 液体输送机械-----泵
按泵的工作原理分:
离心式 、 轴流式、混流式等 速度式：如 特点：依靠旋转的叶片向液体传送机械能 泵 容积式：如 往复式 、回转式等 特点：机械内部的工作容积不断发生变化。 涡泵等 其他式：如喷射式、旋
特点：速度式、容积式以外的
内漏
pc pb p c ( 表 ) p b (真 ) H g g
流量计 真空表 压力表
c b
c b
h0
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三．离心泵的主要性能参数及特性曲线
压头：
H与哪些因素有关呢？关系如何？
转速 流量 压头 轴功率 效率 允许汽蚀余量
流体与叶片的相对运动的运动 轨迹可视为与叶片形状相同。 理论压头----理想情况下单位重量液体所 获得的能量称为理论压头， 用H 表示。
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理论压头H与流量Q关系曲线
在1与2之间列伯努利方程式，得：
H
2 p 2 p1 c 2 c12 g 2g