《化工原理》课程教学资源（教案讲义）第二章 流体输送设备

第二章流体输送设备 §1概述 2-1流体输送概述 气体的输送和压缩,主要用鼓风机和压缩机 液体的输送,主要用离心泵、漩涡泵、往复泵 固体的输送,特别是粉粒状固体,可采用流态化的方法,使气-固两相形成液体状物流 然后输送,即气力输送。 流体输送在化工中用处十分广泛,有化工厂的地方,就有流体输送 流体输送机械主要分为三大类: (1)离心式。靠离心力作用于流体,达到输送物料的目的。有离心泵、多级离心泵、 离心鼓风机、离心通风机、离心压缩机等。 (2)正位移式。靠机械推动流体,达到输送流体的目的。有往复泵、齿轮泵、螺杆泵、 罗茨风机、水环式真空泵、往复真空泵、气动隔膜泵、往复压缩机等。 (3)离心一正位移式。既有离心力作用,又有机械推动作用的流体输送机械。有漩涡 泵、轴流泵、轴流风机。象喷射泵属于流体作用输送机械 本章主要研究连续输送机械的原理、结构及设计选型。 §2离心泵及其计算 2-2离心泵构造及原理 若将某池子热水送至高10m的凉水塔,倘若外界不提供机械能,水能自动由低处向高 处流吗?显然是不能的,如图2-1所示,我们在池面与凉水塔液面列柏努利方程得: 10m 图2-1流体输送示意图 P1,2 1+++h2=2+2+2+h pg 2g pg 2g ∵1=0,P1=P2=0(表压),二2=10m,1=0,若泵未有开动,则:h=0

1 第二章 流体输送设备 §1 概述 2-1 流体输送概述 气体的输送和压缩，主要用鼓风机和压缩机。 液体的输送，主要用离心泵、漩涡泵、往复泵。 固体的输送，特别是粉粒状固体，可采用流态化的方法，使气-固两相形成液体状物流， 然后输送，即气力输送。 流体输送在化工中用处十分广泛，有化工厂的地方，就有流体输送。 流体输送机械主要分为三大类： （1）离心式。靠离心力作用于流体，达到输送物料的目的。有离心泵、多级离心泵、 离心鼓风机、离心通风机、离心压缩机等。 （2）正位移式。靠机械推动流体，达到输送流体的目的。有往复泵、齿轮泵、螺杆泵、 罗茨风机、水环式真空泵、往复真空泵、气动隔膜泵、往复压缩机等。 （3）离心－正位移式。既有离心力作用，又有机械推动作用的流体输送机械。有漩涡 泵、轴流泵、轴流风机。象喷射泵属于流体作用输送机械。 本章主要研究连续输送机械的原理、结构及设计选型。 §2 离心泵及其计算 2-2 离心泵构造及原理 若将某池子热水送至高 10 m 的凉水塔，倘若外界不提供机械能，水能自动由低处向高 处流吗？显然是不能的，如图 2-1 所示，我们在池面与凉水塔液面列柏努利方程得： 图 2-1 流体输送示意图 e hf g u g p h z g u g p z + + + = + + + 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1   ∵ z1 = 0，p1 = p2 = 0 (表压)， z2 =10 m，u1 = 0 ，若泵未有开动，则： he = 0

1+l 代入上式得:0+0+0+0=10+0+1+2 10×2g l2.虚数 此计算说明,泵不开动,热水就不可能流向凉水架,就需要外界提供机械能量。能对流 体提供杋械能量的机器,称为流体输送机械。离心泵是重要的输送液体的机械之 如图2-2所示,离心泵主要由叶轮和泵壳所组成。 泵壳 叶轮 图2-2离心泵构造示意图 先将液体注满泵壳,叶轮高速旋转,将液体甩向叶轮外缘,产生高的动压义/2 于泵壳液体通道设计成截面逐渐扩大的形状,高速流体逐渐减速,由动压头转变为静压头 P.即流体出泵壳时,表现为具有高压的液体 在液体被甩向叶轮外缘的同时,叶轮中心液体减少,出现负压(或真空),则常压液体 不断补充至叶轮中心处。于是,离心泵叶轮源源不断输送着流体 可以用如下示意图表示 常压流体流体甩出后低速流体机概旋转高速流体逐新打天大的高压流体 所造成的气压 泵壳通道 此机械何以得名离心泵,是因为叶轮旋转过程中,产生离心力,液体在离心力作用下产 生高速度 2-3泵参数与特性曲线 工作原理清楚之后,自然要问,该泵的送液能力(流量Q)如何?增压程度(扬程H) 多大?旋转机械的功率(泵功率N。)为多少?效率(泵效率η)多少?等等问题 泵的流量Q、扬程H、功率N、效率η,统称为离心泵的性能参数。这些参数之间 的关系,都是由实验来测定的,如图23所示

2 代入上式得： g u d l l e 2 0 0 0 0 10 0 1 2 2       + + + + = + + +  ∴ d l l g u + e + −  = 1  2 10 2 2 u2 为虚数 此计算说明，泵不开动，热水就不可能流向凉水架，就需要外界提供机械能量。能对流 体提供机械能量的机器，称为流体输送机械。离心泵是重要的输送液体的机械之一。 如图 2-2 所示，离心泵主要由叶轮和泵壳所组成。 图 2-2 离心泵构造示意图 先将液体注满泵壳，叶轮高速旋转，将液体甩向叶轮外缘，产生高的动压头         g u 2 2 ，由 于泵壳液体通道设计成截面逐渐扩大的形状，高速流体逐渐减速，由动压头转变为静压头         g P  ，即流体出泵壳时，表现为具有高压的液体。 在液体被甩向叶轮外缘的同时，叶轮中心液体减少，出现负压（或真空），则常压液体 不断补充至叶轮中心处。于是，离心泵叶轮源源不断输送着流体。 可以用如下示意图表示 高压流体 泵壳通道 逐渐扩大的 高速流体 的离心力 机械旋转 低速流体 所造成的气压 流体被甩出后 常压流体 此机械何以得名离心泵，是因为叶轮旋转过程中，产生离心力，液体在离心力作用下产 生高速度。 2-3 泵参数与特性曲线 工作原理清楚之后，自然要问，该泵的送液能力（流量 Q ）如何？增压程度（扬程 H ） 多大？旋转机械的功率（泵功率 Ne ）为多少？效率（泵效率  ）多少？等等问题。 泵的流量 Q 、扬程 H 、功率 N 、效率  ，统称为离心泵的性能参数。这些参数之间 的关系，都是由实验来测定的，如图 2-3 所示

将实验所得数据(Q、H、N、n),描绘成H~Q曲线、N。~Q曲线、n~Q曲线, 统称为离心泵的特性曲线。 流量计 真空表 ○压力表 A 电压表 图2-3泵性能实验装置示意图 我们对真空表与压力表之间的液体列柏努利方程得 PI +H=2 P2 +h m液柱 pg 2g pg 2g ∵:1=0,二2=ho,P1=-P (Pn为真空度,即负表压) P2=P(压力表读数,表压),h≈0(管路径很短,可以忽略) H=ho pg g 式中,h—真空表与压力表垂直位差,m 压力表读数(表压),Pa;P—真空表读数,Pa; l1,l2-—吸入管和压出管中液体流速,m·s-l; 式(I)即为对应于一定流量(Q),泵提供扬程的计算公式。 电动机提供的机械功率,可由电流表A[安]和电压表V[伏]的读数得到,也可由功 率表直接读得 N=A·V …(Ⅱ)

3 将实验所得数据 (Q、H、N、) ，描绘成 H ~ Q 曲线、 Ne ~ Q 曲线、  ~ Q 曲线， 统称为离心泵的特性曲线。 图 2-3 泵性能实验装置示意图 我们对真空表与压力表之间的液体列柏努利方程得： hf g u g p H z g u g p z + +  + + = +  + 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 m 液柱 ∵ h p pv z1 = 0，z2 = 0， 1 = − （ v p 为真空度，即负表压） p2 = pM （压力表读数，表压）， hf  0 （管路径很短，可以忽略） ∴ g u u g p p H h M V 2 2 1 2 2 0 − +  + = + …………（Ⅰ） 式中, 0 h ——真空表与压力表垂直位差， m ； PM ——压力表读数（表压）， Pa ； PV ——真空表读数， Pa ； 1 2 u ,u ——吸入管和压出管中液体流速， −1 m s ； 式（Ⅰ）即为对应于一定流量 (Q) ,泵提供扬程的计算公式。 电动机提供的机械功率，可由电流表 A [安]和电压表 V [伏]的读数得到，也可由功 率表直接读得。 N = AV ………………（Ⅱ）

泵的有效功率(N)计算式,推导如下: 例如,离心泵对流体实际提供的能量为WJkg-1,也就是说,对每公斤液体,泵要 提供W焦耳的能量。 在时间里,泵输送的体积流量为Qm3s-,则输送的液体质量为 Qm3s-×pkg.m-×bs 在日时间里,泵要提供的能量为: kg×H。J 而功率是单位时间里提供的能量,所以 Ope.w Opw W=h N, =OpgH (Ⅲ) 泵效率()定义为,泵的有效功率N)与电机提供的功率(N)之比,即 N 7 …(Ⅳ) 2-4离心泵特性曲线举例 在图2-3中用阀门调节管路流量至某一值Q1m3·h-:读取真空计、压力计读数 P;、PM1,再读功率表数值M1:已知进、出口管径分别为d1、d2m 由上式(I)计算得到H1,由式(Ⅲ)计算Na,由式(Ⅳ)计算得到n1 再调节流量至Q2,如上得到H2、N2、m2°因此重复测得8~10个数据点。在图中 可描得三条曲线H~Q、N~Q、n~Q,此即为泵的特性曲线 【例2-1】今有一台IS100-80-125型离心泵,测定其性能曲线时的某一点数据如下 Q=60m3h;真空计读数p1=-002MPa,压力表读数为021MPa,功率表读数为 555W7。已知液体密度为p=1000kg·m3。真空计与压力计的垂直距离为04m,吸入

4 泵的有效功率 ( ) Ne 计算式，推导如下： 例如，离心泵对流体实际提供的能量为 −1 We J  kg ，也就是说，对每公斤液体，泵要 提供 We 焦耳的能量。 在  时间里，泵输送的体积流量为 3 −1 Q m s ，则输送的液体质量为： Q m s   kgm  s 3 −1 −3 在  时间里，泵要提供的能量为： −1 Q kgWe J  kg J 而功率是单位时间里提供的能量，所以 e e e Q W s Q W J N    =  = W ∵ We = H  g ∴ Ne = QgH ………………（Ⅲ） 泵效率 () 定义为，泵的有效功率 ( ) Ne 与电机提供的功率 (N) 之比，即： N Ne  = ………………（Ⅳ） 2-4 离心泵特性曲线举例 在图 2-3 中用阀门调节管路流量至某一值 3 1 1 − Q m  h ；读取真空计、压力计读数 V1 M1 p 、p ，再读功率表数值 N1 ；已知进、出口管径分别为 d1、d2 m 。 由上式（Ⅰ）计算得到 H1 ，由式（Ⅲ）计算 Ne1 ，由式（Ⅳ）计算得到 1 。 再调节流量至 Q2 ，如上得到 H2、Ne 2、2 。因此重复测得 8 ~10 个数据点。在图中 可描得三条曲线 H ~ Q、N ~ Q、 ~ Q ，此即为泵的特性曲线。 【例 2-1】 今有一台 IS100-80-125 型离心泵，测定其性能曲线时的某一点数据如下： 3 1 60 − Q = m  h ；真空计读数 pV = −0.02MPa ，压力表读数为 0.21 MPa ，功率表读数为 5550W 。已知液体密度为 3 1000 −  = kg  m 。真空计与压力计的垂直距离为 0.4 m ，吸入

管直径为100mm,排出管直径为80mm,试求此时泵的扬程H,功率N和效率n 解:H=h+ 3.32m·s 2.12m·s 3600××(08)2 3600××(0.1)2 H=04+021+002×104832)-(212) 1000×9.81 2×9.81 =04+2344+0.332=24.2m N =O,Hpg ×242×1000×981=3956W 3600 n= N_39560=71 2-5离心泵选择与示例 选择泵主要依据是输送管道计算中,需要泵提供的压头(He)和已知输送液体的流量 (Q),然后查离心泵样本,看哪种泵的扬程和流量能满足其要求 【例2-2】天津地区某化工厂,需将60℃的热水用泵送至高10m的凉水塔冷却,如图 24所示。输水量为80~85m3·h-1,输水管内径为106mm,管道总长(包括局部阻力当 量长度)为100m,管道摩擦系数为0.025,试选一合适离心泵。 10n 图2-4【例2-2】附图

5 管直径为 100 mm ，排出管直径为 80 mm ，试求此时泵的扬程 H ，功率 Ne 和效率  。 解： g u u g p p H h M V 2 2 1 2 2 0 − + + = +  ( ) 1 2 2 3.32 0.08 4 3600 60 − =    u = m s  ； ( ) 1 2 1 2.12 0.1 4 3600 60 − =    u = m s  ∴ ( ) ( ) ( ) 2 9.81 3.32 2.12 1000 9.81 0.21 0.02 10 0.4 6 2 2  − +  +  H = + = 0.4 + 23.44 + 0.332 = 24.2 m Ne Q H g 24.2 1000 9.81 3956 W 3600 60 = 1  =    = 71% 5550 3956 = = = N Ne  2-5 离心泵选择与示例 选择泵主要依据是输送管道计算中，需要泵提供的压头（ He ）和已知输送液体的流量 （ Q ），然后查离心泵样本，看哪种泵的扬程和流量能满足其要求。 【例 2-2】 天津地区某化工厂，需将 60 ℃的热水用泵送至高 10 m 的凉水塔冷却，如图 2-4 所示。输水量为 3 1 80 ~ 85 − m  h ，输水管内径为 106 mm ，管道总长（包括局部阻力当 量长度）为 100 m ，管道摩擦系数为 0.025 ，试选一合适离心泵。 图 2-4 【例 2-2】附图