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。有高心泵、多级高心泵、 高心鼓风机、高心通风机、高心压缩机等。 (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。例如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 h pg 28 21=0,P1=P2=0(表压),z2=10m,u1=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。例如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 r r ∵ 0 0 z1 = ，p1 = p2 = (表压)， 10 m 0 z2 = ，u1 = ，若泵未有开动，则： = 0 e h
代入上式得:0+0+0+0=10+0+|1+ l2.为虚数 1+A 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。高心泵是重要的输送液体的机械之一。 如图2-2所示,高心泵主要由叶轮和泵壳所组成 叶轮 泵壳 图2-2离心泵构造示意图 先将液体注满泵亮,叶抢高速旋,将液体甩向叶轮外缘,产生高的动压头 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,由部分动压头转变为 静压头(,即流体出充时,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,高心泵叶轮源源不断输送着流体。 可以用如下示意图表示 常压流体体被甩出 低速流体机械旋 所造成的气压 的离心力 高速流体逐渐扩大的 泵壳通道 高压流体 此机械何以得名离心泵,是因为叶轮旋转过程中,产生高心力,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P)为多少?效率(泵效率n)多少?等等问题 泵的流量q、扬程H、功率P、效率,统称为高心泵的性能参数。这些参数之间
2 代入上式得： g u d l l e 2 0 0 0 0 10 0 1 2 2 ÷ ø ö ç è æ + + + + = + + + l ∴ d l l g u + e + - ´ = 1 l 2 10 2 2 2 u 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 ÷ ÷ ø ö ç ç è æ 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，由部分动压头转变为 静压头 ÷ ÷ ø ö ç ç è æ g p r ，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 v q ）如何？增压程度（扬程 H ） 多大？旋转机械的功率（泵功率 P ）为多少？效率（泵效率h ）多少？等等问题。 泵的流量 v q 、扬程 H 、功率 P 、效率h ，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 将实验所得数据(q、H、P、n),描绘成H~q曲线、P~q,曲线、n~q,曲线, 统称为离心泵的特性曲线。 流量计 压力表 真空表 功率表 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: P1,l1 +h p83。+h 液柱 p·g2g ∵z1=0,=2=h,P1=-p (p为真空度,即负表压) P2=PM(压力表读数,表压),h≈0(管路径很短,可以忽略 H=ho+ PM+ Py u2-Ul …(I) g 式中,h—真空表与压力表垂直位差,m; P4—压力表读数(表压),Pa;P一真空表读数,Pa; 吸入管和压出管中液体流速,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。 P=A·V 申非非 (I) 泵的有效功率(P)计算式,推导如下
3 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、P、h) v ，描绘成 v H ~ q 曲线、 v P ~ q 曲线、 v h ~ 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 r r m液柱 ∵ v z = z = h p = - p 1 2 0 1 0， ， （ v p 为真空度，即负表压） M p = p 2 （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 - + × + = + r …………（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( ) v 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。 P = A×V ………………（Ⅱ） 泵的有效功率（Pe）计算式，推导如下：
例如,高心泵对流体实际提供的能量为WJkg-,也就是说,对每公斤液体,泵 要提供W焦耳的能量。 在O时间里,泵输送的体积流量为qnm3·s-,则输送的液体质量为: q m 在θ时间里,泵要提供的能量为 B kg xWe J kg 而功率是单位时间里提供的能量,所以 p·6·WJ P=-a。=q,p W=H·g ∴P=qnp·gH 泵效率()定义为,泵的有效功率(P)与电机提供的功率(P)之比,即: 2-4离心泵特性曲线举例 在图23中用阀门调节管路流量至某一值qn1m3h-;读取真空计、压力计读数 P1、PM,再读功率表数值P;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P1,由式(Ⅳ)计算得到n1 再调节流量至q2,如上得到H2、P2、2因此重复测得8~10个数据点。在图中 可描得三条曲线H~qn、P~q,、n~q,此即为泵的特性曲线。 【例2-1】今有一台S100-80-125型离心泵,测定其性能曲线时的某一点数据如 下:qn=60m3h-;真空计读数p 0.02MPa,压力表读数为021MPa, 功率表读数为555W。已知液体密度为p=1000kgm-.真空计与压力计的垂直距离 为0.4m,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P
4 例如，离心泵对流体实际提供的能量为 1 J kg - × We ，也就是说，对每公斤液体，泵 要提供We 焦耳的能量。 在q 时间里，泵输送的体积流量为 3 1 m s - × qv ，则输送的液体质量为： m s kg m s 3 1 3 × ´ r × ´q - - qv 在q 时间里，泵要提供的能量为： 1 kg J kg - × × ´ × qv r q We J 而功率是单位时间里提供的能量，所以 v e v e e q W q W P r q r q = × × × = s J W ∵W H g e = × ∴ Pe = qv × r × gH ………………（Ⅲ） 泵效率(h)定义为，泵的有效功率( ) Pe 与电机提供的功率(P)之比，即： P Pe h = ………………（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 m h - × qv ；读取真空计、压力计读数 V1 M1 p 、p ，再读功率表数值 P1；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 Pe1，由式（Ⅳ）计算得到h1 。 再调节流量至 v 2 q ，如上得到 H2、Pe 2、h 2 。因此重复测得8 ~ 10 个数据点。在图中 可描得三条曲线 v v v H ~ q 、P ~ q 、h ~ 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 m h - = × v q ；真空计读数 = - 0 .02 MPa V p ，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 - r = × 。真空计与压力计的垂直距离 为0.4 m ，吸入管直径为100 mm ，排出管直径为80 mm ，试求此时泵的扬程 H ，功率 Pe
和效率门。 解:H=h+PM+P+2-4 g 3600×x2×(08) 3600×x(0.1) ∴H=04+(021+002×1032)-(212 1000×981 2×9.81 =0.4+23.44+0.332=24.2m P=q1h:p=60 360×242×100981=3956W P 39561% n=p=55 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(H)和已知输送液体的流量 (qn),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22】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2-4所示。输水量为80~85m3h-,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0025,试选一合适离心泵 10m 图24【例2-2】附图 解:在水池液面与喷水口截面列柏努利方程
5 和效率h 。 解： g u u g p p H h M V 2 2 1 2 2 0 - + + = + r ( ) 1 2 2 3.32 m s 0.08 4 3600 60 - = × ´ ´ = p u ； ( ) 1 2 1 2.12 m s 0.1 4 3600 60 - = × ´ ´ = p u ∴ ( ) ( ) ( ) 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 24.2 1000 9.81 3956 W 3600 60 1 Pe = qv × H × r × g = ´ ´ ´ = 71% 5550 3956 = = = P Pe h 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（ H ）和已知输送液体的流量 （ v 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 解：在水池液面与喷水口截面列柏努利方程