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 th pg 2g 2 ∵=1=0,p1=P2=0(表压),=2=10m,1=0,若泵未有开动,则:h2=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
代入上式得 0+0+0+0=10+0+1+2× u2=-10×28 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,产生高的动义/42 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 常压流体流体被甩出后 低速流体机械旋转高速流体逐渐扩大 所造成的气压 的离心力 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O)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 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 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: P1+ +h P +2+h m液柱 pg 2g pg 2g ∵:1=0,=2=h,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 P-一压力表读数(表压),PQa;P—真空表读数,Pa l1,l2-吸入管和压出管中液体流速,m·s-1; 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 = AV ………………（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W小·kg-,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Om3s-1,则输送的液体质量为: O m's xp kg. m'x8 s 在日时间里,泵要提供的能量为: Q?6kg×H∴J·kg 而功率是单位时间里提供的能量,所以 Ope.w Opw W=h. N, =pgH (Ⅲ) 泵效率()定义为,泵的有效功率(N)与电机提供的功率(M)之比,即 N 77= 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Qm3·h-1: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p=-002MPa,压力表读数为0.21MPa,功率表读数为 555。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 kgm s 3 −1 −3 在 时间里，泵要提供的能量为： −1 Q kgWe 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 = QgH ………………（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7。 解:H=h 3.32 2.12 3600×2x(008) 3600×2×(0.1)2 H=04+(021+002×40+3)-(212) 1000×981 2×9.81 =04+2344+0.332=24.2 N2=gmB=、00 ×242×1000×981=3956W 3600 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」 (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80~85m32h-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。 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