第二章流體輸送機械 本章學習的目的本章是流體力學原理的具體應用 通過學習掌握工業上最常用的流體輸送機械的基本結構 工作原理及操作特性 以便根據生產工藝的要求 合理地選擇和正確地使用輸送機械 以實現高效 可靠 安全的運行 本章內容掌握離心泵的結構 工作原理 主要性能參數 正確地確定離心泵的安裝高度 工作點 流量調節 選型及操作要點 避免汽蝕現象發生 合理地選擇和操作離心泵 并根據生產工藝要求 經濟有效地進行調節 其它泵及氣體輸送機械作一般了解 第一節概述 一 化工生產中為什么需要流體輸送機械 化工生產中大都是連續流動的各種物料或產品 由于工藝需要常需將流體由低處送至高處 由低壓設備送至高壓設備 或者克服管道阻力由一車間送至另一車間 為了達到這些目的 必須對流體作功以提高流體能量 完成輸送任務 這就需要流體輸送機械 二 為什么要用不同結構和特性的輸送機械 這是因為化工廠中輸送的流體種類繁多 1 流體種類有氣體 有液體 有強腐蝕性的 高粘度的 含有固體懸浮物的 易揮發的易燃易爆的以及有毒的等等 2 溫度和壓強又有高低之分 3 不同生產過程所需提供的流量和壓頭又各異 三 化工流體輸送機械分類 按工作對象分 有輸送液體的泵和輸送氣體的風機或壓縮機 按工作原理分類 一般可分為四類 即離心式 正位移式和流體動力作用式三類 本章以離心式輸送機械為重點 流體輸送機械的壓頭和流量 風機的全風壓和風量 流量Q 指流體輸送機械在單位時間內送出的流體體積 也等于管路中流體的流量 這是輸送任務所規定必須達到的輸送量 壓頭 又稱揚程 H m 是指流體輸送機械向單位重量流體提供的能量 泵H與Q的關系是本章的主要內容之一 第一節液體輸送機械 離心泵 離心泵的主要部件離心泵的工作原理離離心泵的性能參數離離心泵的特性曲線影影響離心泵性能的因素和性能換算離離心泵的氣蝕現象與安裝高度離離心泵的工作點與流量調節離離心泵的類型與選擇 2 1離心泵的工作原理 液體的排出過程 高速旋轉的葉輪 液體旋轉 液體向四周甩出 高速中壓 蝸殼轉能 中速高壓 排出液液體的吸入過程 高速旋轉的葉輪 液體旋轉 液體向四周甩出 中心負壓 內外壓差 吸入液體氣縛現象灌泵的必要性 2 2離心泵的主要部件 包括葉輪和泵軸的旋轉部件由泵殼 填料函和軸承組成的靜止部件 離心泵由兩個主要部分構成 一 葉輪敞式 半閉式 閉式 平衡孔的作用 單吸式與雙吸式 二 泵殼作用 匯集和導出液體 轉能裝置對較大的離心泵 為減小葉輪甩出的高速液體與泵殼之間的碰撞而產生阻力損失 可在葉輪與泵殼間安裝一個如下圖所示的導輪 它是一個固定不動而帶有葉片的圓盤 液體由葉輪1甩出后沿導輪2的葉片間的流道逐漸發生能量轉換 使能量損失盡量減少如圖 1 葉輪 2 導輪 3 蝸殼 三 其它泵軸 導輪 軸封裝置 2 3離心泵的主要性能參數 離心泵的性能參數是用以描述一臺離心泵的一組物理量 一 流量Q 離心泵在單位時間送到管路系統的液體體積 常用單位為m3 s或m3 h 二 揚程 又稱壓頭 H 離心泵對單位重量的液體所能提供的有效能量 其單位為J N 即m 揚程需實測 z z h0 動能差項可忽略 三 功率和效率1 軸功率N和有效功率Ne2 效率 離心泵的能量損失 容積損失 由于泵的泄漏所造成的損失 容積效率 v水力損失 摩擦阻力及局部阻力造成的損失 水力效率 h機械損失 機械摩擦引起的能量損失 機械效率 M離心泵的總效率即包括上述三部分 v h M 2 4離心泵的特性曲線 離心泵的實際特性曲線關系 只能靠實驗測定 測定條件 101 3kpa 20 清水 一定轉速 在泵出廠時列于產品樣本中以供參考 H Q曲線 表示泵的壓頭與流量的關系 Q 時 H 當Q 0時 H最大 N Q曲線 表示泵的軸功率與流量的關系 Q 時 N 當Q 0時 N為最小 但是并不等于0 離心泵啟動時 要先關閉出口閥門 即Q 0 以保護電機 3 Q曲線 表示泵的效率與流量的關系 Q 時 先是 后又 所以 Q線有一極值點 在此點處 泵的效率最高 即壓頭損失最少 額定值 額定流量 額定功率 額定揚程 額定效率等 離心泵銘牌上標注的就是離心泵的額定參數 最佳工況參數 設計點 實際操作時 一般要求效率不低于額定效率的92 二 轉速對特性曲線的影響 轉速變化特性曲線變化 在轉速變化小于 20 范圍內 比例定律 三 葉輪直徑對特性曲線的影響在葉輪外徑的減小變化不超過5 時 切割定律 影響離心泵性能的因素和性能換算 離心泵特性曲線測定條件 101 3kpa 20 清水 一定轉速 若所輸送的液體性質與此相差較大時 泵的特性曲線將發生變化 應當重新進行換算 1 粘度的影響 增大 Q H 都下降 但N上升 一般在液體運動粘度 20 10 相當于水粘度的20倍左右 時 需要對特性曲線進行換算 2 密度的影響 H和Q均與液體的密度無關 N和Ne隨密度的增加而增加 例 用清水測定某離心泵的特性曲線 實驗裝置如附圖所示 當調 節出口閥使管路流量為 25 m 3 h 時 泵出口處壓力表讀數為 0 28 MPa 表壓 泵入口處真空表讀數為 0 025 MPa 測得泵的軸功率為 3 35 kW 電機轉速為 2900 轉 分 真空表與壓力表測壓截面的垂直 距離為 0 5 m 試由該組實驗測定數據確定出與泵的特性曲線相關的 其它性能參數 解 與泵的特性曲線相關的性能參 數有泵的轉速 n 流量 Q 壓頭 H 軸 功率 N 和效率 h 其中流量和軸功率 已由實驗直接測出 壓頭和效率則需 進行計算 以真空表和壓力表兩測點為 1 2 截 面 對單位重量流體列柏努利方程 把數據代入 得 在工作流量下泵的有效功率為 泵軸功率為 2 5離心泵的工作點與流量調節 一 管路特性曲線 表示在特定管路系統中 于固定操作條件下 流體流經該管路時所需的壓頭與流量的關系 u2 2g可略去 管路特性方程 拋物線 1 高阻管路2 低阻管路 泵的特性曲線H Q線與所在管路特性曲線He Qe線的交點 M點 工作點由泵的特性和管路的特性共同決定 二 工作點 工作點對應的Q和H既是泵能夠提供的 也是管路所需要的 工作點反映了一臺泵的實際工作狀態 三 流量調節 即改變泵的工作點 可通過改變泵的特性和管路特性實現 1 改變閥門開度 以增加阻力損失為代價 并且還有可能使離心泵轉入低效率區工作 所以經濟上不合算 但這種調節方法非常方便 所以常用于經常性 小范圍調節流量的場合 節能 方便 但造價高 因為常需要采用微機控制 這對大型泵的節能尤為重要 2 改變泵的轉數 3 切割葉輪外徑 節能 但不方便 常用于周期性 較大范圍的流量調整 例 將20 的清水從貯水池送至水塔 已知塔內水面高于貯水池水面13m 水塔及貯水池水面恒定不變 且均與大氣相通 輸水管為 140 4 5mm的鋼管 總長為200m 包括局部阻力的當量 長度 現擬選用4B20型水泵 當轉速為2900r min時 其特性曲線見附圖 試分別求泵在運轉時的流量 軸功率及效率 摩擦系數 可按0 02計算 1 管路特性曲線方程在貯水池水面與水塔水面間列柏努利方程式中 Z 13m p 0由于離心泵特性曲線中Q的單位為L s 故輸送流量Qe的單位也為L s 輸送管內流速為 本題的管路特性方程為 He 13 由上表數據可在4B20型水泵的特性曲線圖上標繪出管路特性曲線He Qe 3 流量 軸功率及效率附圖中泵的特性曲線與管路特性曲線的交點就是泵的工作點 從圖中點M讀得 泵的流量Q 27L s 97 2m3 h泵的軸功率N 6 6kW泵的效率 77 2 標繪管路特性曲線根據管路特性方程 可計算不同流量所需的壓頭值 現將計算結果列表如下 一 汽蝕現象 2 6離心泵的汽蝕現象與安裝高度 當Hg增加到使時 有 葉輪中心處發生汽化 產生大量汽泡 汽泡在由葉中心向周邊運動時 由于壓力增加而急劇凝結 產生局部真空 周圍液體以很高的流速沖向真空區域 汽蝕現象離心泵在汽蝕狀態下工作 泵體振動并發出噪音 壓頭 流量在幅度下降 嚴重時不能輸送液體 時間長久 在水錘沖擊和液體中微量溶解氧對金屬化學腐蝕的雙重作用下 葉片表面出現斑痕和裂縫 甚至呈海綿狀逐漸脫落 當汽泡的冷凝發生在葉片表面附近時 眾多液滴尤如細小的高頻水錘撞擊葉片 怎樣保證操作時就不會發生汽蝕 泵的實際安裝高度低于允許安裝高度 1 有效汽蝕余量 NPSH a為防止氣蝕現象的發生 在離心泵的入口處液體的靜壓頭和動壓頭之和必須大于操作溫度下的液體飽和蒸汽壓頭某一數值 此數值即定義為離心泵的有效汽蝕余量 二 汽蝕余量 的物理意義 越小 表明葉輪入口處的壓力越低 離心泵的操作狀態越接近汽蝕 2 必需汽蝕余 NPSH r 實際上就是離心泵從泵入口處流到葉輪壓力最低處的的全部壓頭損失 時 不發生汽蝕 時 開始發生汽蝕 時 發生嚴重汽蝕 3 允許汽蝕余量 0 5 三 離心泵的允許安裝高度 時 開始發生汽蝕 為保證離心泵不發生汽蝕現象 需使 討論 汽蝕現象的產生可以有以下三方面的原因 離心泵的安裝高度太高 被輸送流體的溫度太高 液體蒸氣壓過高 吸入管路的阻力或壓頭損失太高 正是綜合了以上三個因素對汽蝕的貢獻 一個原先操作正常的泵也可能由于操作條件的變化而產生汽蝕最大允許安裝高度為負值 這說明該泵應該安裝在液體貯槽液面以下 Hg的大小與Q有關 Q越大 計算出的Hg越小 因此用可能使用的最大Q來計算Hg最保險實際安裝高度比最大允許安裝高度還要小0 5至1米應注意盡量減小吸入管路的壓頭損失 或將離心泵安裝在貯槽液面以下 使液體利用位差自動流入泵體內 例 選用某臺離心泵 從樣本上查得其允許汽蝕余量 h m 現將該泵安裝在離水面 m高處 已知吸入管的壓頭損失為1mH2O 當地環境大氣壓為100kPa 夏季平均水溫為40 問該泵安裝高度是否合適 解 當水溫為40 時pv 7377PaHgmax 6 51m 4m故泵安裝高度合適 1 清水泵用于輸送物理 化學性質類似于水的清潔液體 最簡單的清水泵為單級單吸式 系列代號為 IS 結構簡圖如圖 若需要的揚程較高 則可選D系列多級離心泵 2 7離心泵的類型與選用 一 離心泵的類型 清水泵型號IS80 65 160 1 泵體 2 泵蓋 3 葉輪 4 軸 5 密封環 6 葉輪螺母 7 止動墊圈 8 軸蓋 9 填料壓蓋 10 填料環 11 填料 12 懸架軸承部件 2 耐腐蝕泵當輸送酸 堿等腐蝕性液體時應采用耐腐蝕泵 耐腐蝕泵所有與液體介質接觸的部件都采用耐腐蝕材料制作 離心耐腐蝕泵有多種系列 其中常用的系列代號為F F后面再加一個材料號 如FH FG FM FS等 F系列泵對密封要求高 常采用機械密封 3 油泵 輸送石油產品 要求有良好的密封性和冷卻系統 Y型 二 離心泵的選用步驟 根據被輸送液體的性質確定泵的類型 確定輸送系統的流量和所需壓頭 根據所需流量和壓頭確定泵的型號 列出所選泵的性能參數 幾點注意 A 查性能表或特性曲線 要求流量和壓頭與管路所需相適應B 若生產中流量有變動 以最大流量為準來查找 H也應以最大流量對應值查找C 若H和Q與所需要不符 則應在鄰近型號中找H和Q都稍大一點的 D 若幾個型號都滿足 應選一個在操作條件下效率最好的E 為保險 所選泵可以稍大 但若太大 工作點離最高效率點太遠 則能量利用程度低F 若被輸送液體的性質與標準流體相差較大 則應對所選泵的特性曲線和參數進行校正 看是否能滿足要求 核算泵的軸功率 若輸送液體的密度大于水的密度時 則要核算泵的軸功率 重新配置電動機 三 離心泵的安裝與操作 1 安裝 1 安裝高度不能太高 應小于允許安裝高度 2 盡量設法減小吸入管路的阻力 以減少發生汽蝕的可能性 2 操作 1 啟動前應灌泵 關閉出口閥 2 停泵前先關閉出口閥 以免損壞葉輪 4 泵運轉中應定時檢查 維修等 例 試選一臺能滿足Qe 90m3 h He