化工原理课件(天大版)第二章-流体输送机械.ppt
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- 化工 原理 课件 天大版 第二 流体 输送 机械
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1、第二章 流体输送机械流体输送机械流体输送机械 真真空空泵泵压压缩缩机机鼓鼓风风机机通通风风机机气气体体压压送送机机械械泵泵液液体体输输送送机机械械第一节第一节 液体输送设备液体输送设备特点:机械内部的工作容积不断发生变化。特点:机械内部的工作容积不断发生变化。按泵的工作原理分按泵的工作原理分:、回回转转式式等等往往复复式式容容积积式式:如如轴轴流流式式、喷喷射射式式等等、离离心心式式速速度度式式:如如泵泵特点:使流体获得速度特点:使流体获得速度1、离心泵、离心泵工作原理工作原理和构造和构造一、离心泵一、离心泵离心泵的工作过程离心泵的工作过程:开泵前,先在泵内灌满要输送的液体。开泵后,泵轴带动叶
2、轮一起高速旋转产生离心力。液体在此作用下,从叶轮中心被抛向叶轮外周,压力增高,并以很高的速度(5-25 m/s)流入泵壳。在蜗形泵壳中由于流道的不断扩大,液体的流速减慢,使大部分动能转化为压力能。最后液体以较高的静压强从排出口流入排出管道。泵内的液体被抛出后,叶轮的中心形成了真空,在液面压强(大气压)与泵内压力(负压)的压差作用下,液体便经吸入管路进入泵内,填补了被排除液体的位置。离心泵之所以能输送液体,主要是依靠高速旋转叶轮所产生的离心力,因此称为离心泵。气气 缚缚 离心泵启动启动时,如果泵壳内存在空气泵壳内存在空气,由于空气的密度远小于液体的密度,叶轮旋转所产生的离心力很小离心力很小,叶轮
3、中心处产生的低压不足以造成吸上液体所需要的真空度不足以造成吸上液体所需要的真空度,这样,离心泵就无法工作,这种现象称作“气缚气缚”。为了使启动前泵内充满液体,在吸入管道底部装一止止逆阀逆阀。此外,在离心泵的出口管路上也装一调节阀调节阀,用于开停车和调节流量。离心泵的主要构造离心泵的主要构造:、:、:、泵轴及轴封装置泵轴及轴封装置泵壳泵壳叶轮叶轮3211 1)叶轮)叶轮a)叶轮的作用 将电动机的机械能传给液体将电动机的机械能传给液体,使液体的动能有所提高。b)叶轮的分类 根据结构闭式叶轮开式叶轮 半闭式叶轮 叶片的内侧带有前后盖板前后盖板,适于输送干净流体,效率较高。没有前后盖板没有前后盖板,适
4、合输送含有固体颗粒的液体悬浮物。只有后盖板后盖板,可用于输送浆料或含固体悬浮物的液体,效率较低。按吸液方式 单吸式叶轮双吸式叶轮液体只能从叶轮一侧被吸入,结构简单。相当于两个没有盖板的单吸式叶轮背靠背并在了一起,可以从两可以从两侧吸入液体侧吸入液体,具有较大的吸液能力,而且可以较好的消除轴向推力。2 2)泵壳)泵壳 A.泵壳的作用 汇集液体,作导出液体的通道;汇集液体,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。使液体的能量发生转换,一部分动能转变为静压能。B.导叶轮 为了减少液体直接进入蜗壳时的碰撞,在叶轮与泵壳之间有时还装有一个固定不动的带有叶片的圆盘,称为导叶轮。导叶
5、轮。导叶轮上的叶片的弯曲方向与叶轮上叶片的弯曲方向相反相反,其弯曲角度正好与液体从叶轮流出的方向相适应,引导液体在泵壳的通道内平缓的改变方向,使能量损失减小,使动能向静压能的转换更为使能量损失减小,使动能向静压能的转换更为有效。有效。3 3)轴封装置)轴封装置A 轴封的作用 为了防止高压液体从泵壳内沿轴的四周而漏出,或者外界空气漏入泵壳内。B 轴封的分类 轴封装置 填料密封:机械密封:主要由填料函壳、软填料和填料压盖组成,普通离心泵采用这种密封。主要由装在泵轴上随之转动的动环动环和固定于泵壳上的静环静环组成,两个环形端面由弹簧的弹力互相贴紧而作相对运动,起到密封作用。端面密封2、离心泵的基本方
6、程、离心泵的基本方程1 1)离心泵基本方程式的导出)离心泵基本方程式的导出 假设如下理想情况假设如下理想情况:1)泵叶轮的叶片数目为无限多个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)输送的是理想液体理想液体,流动中无流动阻力无流动阻力。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。w2 c2 2 2 2 u2 w1 c1 1 1 u1液体与叶轮一起旋转的速度液体与叶轮一起旋转的速度 u1 或或 u2 方向与所处圆周的切线方向一致,方向与所处圆周的切线方向一致,大小为:大小为:60211nru60222nr
7、u 液体沿叶片表面运动的速度液体沿叶片表面运动的速度w w1、w w2,方向为液体质点所处叶片的切方向为液体质点所处叶片的切线方向,大小与液体的流量、流道的形状等有关。线方向,大小与液体的流量、流道的形状等有关。两个速度的两个速度的合成速度合成速度就就是液体质点在点是液体质点在点1 1或点或点2 2处处相相对于静止的壳体的速度对于静止的壳体的速度,称,称为为绝对速度,绝对速度,用用c1、c2来表来表示。示。cpHHHgCCgPP2212212单位重量液体由点1到点2获得的机械能为: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理论压头,用H H表示。HC:液体经叶轮后动能的增加
8、HP:液体经叶轮后静压能的增加;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:guurrgdrgrdrgFrrrr2)(22122212222212122221ww 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液体在叶轮内接受离心力所作的外功,单位重量液体所接受的外功可以表示为:单位重量流体经叶轮后的静压能增加为:gwwguuHP2222212122 222212222212122gccgwwguuH(a)根据余弦定理,上述速度之间的关系可表示为:111212121cos2ucucw22
9、2222222cos2ucucw代入(a)式,并整理可得到:gcucuH/)coscos(111222(b)一般离心泵的设计中,为提高理论压头,使1=90,即cos1=0gcuH/cos222离心泵的基本方程式离心泵理论压头的表达式 流量可表示为叶轮出口处的径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向速度与出口截面积的乘积sin2222cbrQT从点从点2处的速度三角形可以得出处的速度三角形可以得出222222sincosctgcuc代入代入 H=u2c2cos2/g)sin(22222ctgcugu)2(1222222brctgQuugT22222)(1ctggbQrgT离心泵基本
10、方程式 表示离心泵的表示离心泵的理论压头与理论流量,叶轮的转速和理论压头与理论流量,叶轮的转速和直径、叶轮的几何形状直径、叶轮的几何形状间的关系。间的关系。w2 c2 2 2 2 u2 w1 c1 1 1 u1TBQAH2 2)离心泵基本方程式的讨论)离心泵基本方程式的讨论 (1)理论压头与流量Q、叶轮转速、叶轮的尺寸和 构造r2、b2、2)有关;(2)叶轮直径及转速越大,则理论压头越大;(4)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的影响如下:对于某个离心泵(即其2、2、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:(3)理论压头H与液体密度无关。
11、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。叶片后弯叶片后弯,20,即即H 随流量增大而减小;随流量增大而减小;叶片径向叶片径向,2=90,ctg 2=0,即即H 不随流量而变化不随流量而变化;叶片前弯叶片前弯,290,ctg 20,即即H 随流量增大而增大。随流量增大而增大。w2 w2 w2 2 2 2 后弯叶片后弯叶片 径向叶片径向叶片 前弯叶片前弯叶片 gctgbQrgctgbrQuuH222222222222 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!H静压头的增加:gwwguu2222212122动压头的增加:g2cc2122
12、 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。一般都采用后弯叶片。3 3、实际压头、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 主要取决于叶片数目、主要取决于叶片数目、装置角装置角 2、叶轮大小等、叶轮大小等因素,而几乎与流量大因素,而几乎与流量大小无关。小无关。(1)叶片间的环流运动)叶片间的环流运动具体原因如下:具体原因如下:(2)水力损失)水力损失-可近似视为与流可近似视为与流 速的平方呈正比速
13、的平方呈正比 冲击损失冲击损失阻力损失阻力损失-在设计流量下,此在设计流量下,此 项损失最小。流量项损失最小。流量 若偏离设计量越远,若偏离设计量越远,冲击损失越大。冲击损失越大。以泄漏流量以泄漏流量q的大小来估算。的大小来估算。(3)容积损失)容积损失 可以证明,当泵的结构可以证明,当泵的结构不变时,不变时,q值与扬程的平值与扬程的平方根成正比。方根成正比。q-HH实际压实际压头头设计流设计流量量理论压头、实际压头及各种压头损失与流量的关系为理论压头、实际压头及各种压头损失与流量的关系为3、离心泵的主要性能参数和特性曲线1)离心泵的主要性能参数离心泵的主要性能参数H,泵对单位重量流体提供的有
14、效能量(扬程),泵对单位重量流体提供的有效能量(扬程),m。允许汽蚀余量允许汽蚀余量轴功率和效率轴功率和效率压头压头流量流量转速转速Q,泵单位时间实际输出的液体量,泵单位时间实际输出的液体量,m3/s或或m3/h。n,单位单位r.p.s或或r.p.mN,电机输入离心泵的功率电机输入离心泵的功率,单位,单位W 或或kW。h,泵抗气蚀性能参数,泵抗气蚀性能参数,m 。离心泵的压头的测量离心泵的压头的测量离心泵的压头取决于:泵的结构(叶轮的直径、叶片的弯曲情况等)转速 n 流量 Q,确定转速一定时,泵的压头与流量之间的关系靠实验测定实验测定 流 量 计 真 空 表 c 压 力 表 h0 b在泵进口在
15、泵进口b、泵出口泵出口c间列机械能衡算式:间列机械能衡算式:Hgugpbb22 fcchhgugp 022 gppHbc gppbc)()(真真表表 NNe NgHQ 效率:效率:,无量纲 电电机机 泵泵 NNeNe=mws gwHs 电功率电N电 出 传传传电电出出 NNNNe电电电电出出电电功功率率 N环环流流损损失失、摩摩擦擦损损失失、冲冲击击损损失失NNe机械损失容积损失水力损失小型水泵:小型水泵:一般为一般为5050 70%70%大型泵:大型泵:可达可达90%90%以上以上(2)水力损失)水力损失(3)机械损失)机械损失泵轴与轴承、密封圈等机械部件之间的摩擦泵轴与轴承、密封圈等机械部
16、件之间的摩擦与效率与效率 有关的各种能量损失有关的各种能量损失:(1 1)容积损失:)容积损失:内内漏漏2)离心泵特性曲线离心泵特性曲线 离心泵的 H H、N N 都与离心泵的 Q Q 有关,它们之间的关系由确定离心泵压头的实验来测定,实验测出的一组关系曲线:H HQ Q、Q Q、N NQ Q 离心泵的特性曲线 注意:特性曲线随转速而变。各种型号的离心泵都有本身独自的特性曲线,但形状基本相似,具有共同的特点 1)HQ曲线曲线:表示泵的压头与流量的关系,离心泵的压头普遍是随流量的增大而下降(流量很小时可能有例外)2 2)N NQ Q曲线:曲线:表示泵的轴功率与流量的关系,离心泵的轴功率随流量的增
17、加而上升,流量为零时轴功率最小。离心泵启动时,应关闭出口阀,使启动电流最小,以保护电机。3 3)Q Q曲线:曲线:表示泵的效率与流量的关系,随着流量的增大,泵的效率将上升并达到一个最大值,以后流量再增大,效率便下降。设计点设计点2高高效效区区与最高效率相比,与最高效率相比,效率下降效率下降58由图可见:由图可见:Q,H ,N,有最大值。有最大值。离心泵在一定转速下有一最高效率点。离心泵在与最高效率点相对应的流量及压头下工作最为经济。与最高效率点所对应的Q、H、N值称为最佳工况参数。离心泵的铭牌上标明的就是指该泵在运行时最高效率点的状态参数。注意:在选用离心泵时,应使离心泵在该点附近工作。一般要
18、求操作时的效率应不低于最高效率的92%。4、离心泵性能的改变、离心泵性能的改变1)液体性质的影响)液体性质的影响 密度密度故,NQ 曲线上移。sin2222cbrQT离心泵的流量 与液体密度无关。离心泵的压头 gcuH/cos222与液体的密度无关 HQ曲线不因输送的液体的密度不同而变曲线不因输送的液体的密度不同而变。泵的效率泵的效率不随输送液体的密度而变。不随输送液体的密度而变。/gQHN 离心泵的轴功率与输送液体密度有关离心泵的轴功率与输送液体密度有关。粘度粘度 当输送的液体粘度大于常温(20)清水的粘度时,泵的压头减小,H;泵的流量减小;泵的效率下降,;泵的轴功率增大,N。泵的特性曲线发
19、生改变,选泵时应根据原特性曲线进行修正 实验表明,实验表明,当液体的运动粘度小于20cst(厘斯)时,对特性曲线的影响很小,如汽油、柴油、煤油等粘度的影响可忽略不计,可不进行修正。20清水的粘度=1厘斯 1厘斯=10-6m2/s 转速转速 当液体的粘度不大且转速变化不大时(小于20%),利用出口速度三角形相似的近似假定,可推知:比例定律2 nnHHnnQQ3 nnNN若不变,则H n 0 Qn 转速增大转速增大22222 DDHHDDQQ322 DDNN切割定律叶轮直径叶轮直径当叶轮直径因切割而变小时,若变化程度小于当叶轮直径因切割而变小时,若变化程度小于20%,则,则若若 不变,则不变,则5
20、、离心泵的气蚀现象与允许吸上高度、离心泵的气蚀现象与允许吸上高度1 1)离心泵的)离心泵的气蚀现象气蚀现象气蚀产生的条件:叶片入口附近K处的压强PK等于或小于输送温度下液体的饱和蒸气压 气蚀产生的后果:叶片表面产生蜂窝状腐蚀;泵体震动,并发出噪音;流量、压头、效率都明显下降;严重时甚至吸不上液体。2 2)离心泵的允许吸上高度)离心泵的允许吸上高度 为避免汽蚀现象,安装高度必须加以限制,即存在最大安装高度又称为允许吸上高度,指泵的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表示。01Hg在液面在液面0与泵入口处与泵入口处1两截面间列柏努利方程两截面间列柏努利方程1021102fHgug
21、PPHgP0即为大气压强即为大气压强Pa 102112faHgugPPHg离心泵的允许吸上真空度离心泵的允许吸上真空度 g/pPH1aS注意注意:H HS S 单位是压强的单位,通常以 m m 液柱来表示。在水泵的性能表里一般把它的单位写成 m m(实际上应为mH2O)。离心泵的允许吸上真空度 定义式将 gpPHaS/1代入102112faHgugPPHg得10212fSHguHHg允许吸上高度的计算式允许吸上高度的计算式 HS值越大,表示该泵在一定操作条件下抗气蚀性能好,安装高度Hg越高。HS与泵的结构、流量、被输送液体的物理性质及当地大气压等因素有关。HS 随Q增大而减小。确定离心泵安装高
22、度时应使用泵最大流量下的HS进行计算,通常由泵的制造工厂试验测定,实验在大气压为10mH2O(9.81Pa)下,以20清水为介质进行的。若输送其它液体,且操作条件与上述实验条件不符时,需对HS进行校正。100024.01081.9)10(3vaSSPHHH气蚀余量气蚀余量 esfeesshgugpzgp 22 min,max,esfeesshgugpgpz 22 min,max,刚好发生汽蚀时,pkpv,pe达到最小值pe,min。在s-s面、e-e面间列机械能衡算:esfeeshgpgugpgpp 22min,最小汽蚀余量最小汽蚀余量gpgugphee 22min,min令令-最小汽蚀余量最
23、小汽蚀余量esfsshhgppz minmax,于于是是 3.0min hh一般规定,允许汽蚀余量一般规定,允许汽蚀余量 h 是泵的特性参数之一,由厂家测定。是泵的特性参数之一,由厂家测定。esfsshhgppz 相相应应地地,允允许许安安装装高高度度实际安装高度比实际安装高度比 还要低还要低0.51m sz注意:注意:1)离心泵的允许吸上真空度和允许气蚀余量值是与其流量有关的,大流量下h较大而HS较小,因此,必须注意使用最大额定流量值进行计算。2)离心泵安装时,应注意选用较大的吸入管路,减少吸入管路的弯头、阀门等管件,以减少吸入管路的阻力。3)当液体输送温度较高或液体沸点较低时,可能出现允许
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