化工原理（第二章 流体输送机械）

化工原理（第二章 流体输送机械）知识大纲：离心泵的工作原理、离心泵的主要部件、离心泵的主要性能参数、离心泵的工作点与流量调节等等

化工原理

• 第二章 流体输送机械
  • 第一节 离心泵
    • 一、离心泵的工作原理
      • 液体在高速旋转的叶轮内产生惯性离心力获得能量
      • 气缚：离心泵启动时，如果泵壳内存在空气，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，叶轮中心处产生的低压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”
        • 与时俱进是品质
        • 吸收一切优秀文化成果
    • 二、离心泵的主要部件
      • 1）叶轮
        • a）作用
          • 将电动机的机械能传给液体,使液体的动能有所提高
        • b）分类
          • 根据结构
            • 闭式叶轮
              • 叶片的内侧带有前后盖板，适于输送干净流体，效率较高
            • 开式叶轮
              • 没有前后盖板，适合输送含有固体颗粒的液体悬浮物
            • 半开式叶轮
              • 只有后盖板，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
              • 液体只能从叶轮一侧被吸入，结构简单
            • 双吸式叶轮
              • 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）泵壳
        • a)作用
          • 汇集液体，作导出液体的通道
          • 能使液体的能量发生转换，一部分动能转变为静压
        • b）倒叶轮
          • 作用
            • 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，称为导叶轮效
          • 安装要求
            • 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，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有
      • 3）轴封装置
        • 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
    • 三、离心泵的主要性能参数
      • （一）流量
        • 指离心泵在单位时间里输送的液体体积，单位为m³/h。又称为泵的送液能力
      • （二）扬程
        • 定义
          • 泵对单位重量的液体所提供的有效能量，以H表示，单位为J/N=m。又称为泵的压头
        • 影响因素
          • 泵的结构（叶轮的直径、叶片的弯曲情况等）
          • 转速 n
          • 流量 qv
        • 计算
          • 其中，h为两截面的垂直距离，PM为压力表读数，PV为真空表读数的负值
            • 忽略压头损失及动压头的差值，则H=h+(PM-PV)/ρg
      • (三）轴功率及有效功率
        • 轴孔率
          • 电机输入离心泵的功率,用P表示，单位为J/S,W或kW
        • 有效功率
          • 排送到管道的液体从叶轮获得的功率，用Pe表示
          • 计算公式
            • Pe=qvρgH
        • 效率
          • 定义
            • 离心泵工作时，泵内存在各种功率损失，致使从电动机输入的轴功率P不能全部转变为液体的有效功率Pe。两者之差即为泵内的损失功率，其大小用效率η来衡量
          • 计算公式
            • η=Pe/P=qvρgH/P
          • 泵内功率损失的原因
            • 水力损失：泵内流体流动摩擦损失，使叶轮给出的能量不能全部被液体获得，仅获得有效扬程
            • 容积损失：泵内有部分高压液体泄漏到低压区，使排出的液体流量小于流经叶轮的流量而造成功率损失，又称为流量损失
            • 机械损失：泵轴与轴承之间的摩擦以及泵轴密封处的摩擦等造成的功率损失，称为机械损失
    • 四、离心泵的特性曲线
      • （一）离心泵的特性曲线
        • 概念
          • 离心泵的H、η 、 P都与离心泵的qv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
        • 特性曲线
          • （1）H-qv曲线
            • H随qv的增大而减小
          • （2）P-qv曲线
            • P随qv的增大而增大，当qv=0时，P最小，因此，启动离心泵时，应关闭出口阀，使电机的电流最小，以保护电机
          • （3）η-qv曲线
            • 开始时，η随qv的增大而增大，达到最大值后，随qv的增大而减小
            • 曲线上的最高效率点即为泵的设计工况点，工程上也称为额定点，与之对应的流量称为额定流量，与最高效率点所对应的qv、H、P值称为最佳工况参数，实际生产中，一般取最高效率以下的7%范围内为高效区
      • （二）离心泵的转速对特性曲线的影响（比例定律）
        • 对同一型号泵、同一种液体，在效率η不变的条件下，qv、P、H随n的变化有如下关系(当泵的转速变化小于20%，认为效率基本不变，故需验算)
          • qv2/qv1=n2/n1
          • H2/H1=（n2/n1）²
          • P2/P1=（n2/n1）³
          • 等效率方程：H=Kqv²
      • （三）液体物性的影响
        • 1.黏度
          • 当输送的液体黏度大于常温清水时
            • 泵的压头（扬程）减小
            • 流量减小
            • 轴功率增大
            • 效率降低
        • 2.密度
          • 扬程、流量、效率不变，轴功率改变
    • 五、离心泵的工作点与流量调节
      • （一）管路特性方程与管路特性曲线
        • 1）H=△Z+△P/ρg+u²/2g+∑Hf，令H0=△Z+△P/ρg，u²/2g≈0⇨H=H0+∑Hf
        • 2）将u=4qv/πd²利用摩擦损失计算公式求∑Hf=8[λ*（(l+∑le)/d⁵）+∑ξ/d⁴]*qv²/π²g
        • 3）令k=8[λ*（(l+∑le)/d⁵）+∑ξ/d⁴]/π²g⇨H=H0+kqv²，即为管路特性方程
      • （二）工作点
        • 离心泵的H-qv特性曲线与管路的特性曲线的交点，就是离心泵在管路中的工作点。
      • (三）流量调节
        • 1.改变阀门的开度——改变管路特性曲线
          • 阀门关小时：管路局部阻力加大，管路特性曲线变陡，即工作点上移，流量减小
        • 2.改变泵的转速——改变泵的特性方程
          • 泵的转速提高：工作点上移，流量增大
        • 3.离心泵的并联操作
          • 泵曲线
            • 扬程不变，流量加倍（与自身的一半相对比）
            • H并联＞H，Q并联＜2Q（与独立的单个泵相对比）
          • 低阻管路采用并联
        • 4.离心泵的串联操作
          • 泵曲线
            • 流量不变，扬程加倍（与自身的一半相对比）
            • H串联＜2H，Q串联＞Q（与独立的单个泵相对比）
          • 高阻管路采用串联
    • 六、离心泵的汽蚀现象与安装高度
      • （一）汽蚀现象
        • 原理
          • 书本P79
        • 危害
          • 性能下降、噪声和震动、损害泵壳和叶轮
      • （二）有效汽蚀余量与必需汽蚀余量
        • 1.有效汽蚀余量△ha
          • 定义:吸入管到达泵入口处所具有的压头与液体在工作温度下的饱和蒸汽压头的差值，即△ha=（P1/ρg+u1²/2g）-Pv/ρg
          • 影响因素：与吸液管路高度、管径等有关，而与泵本身无关
        • 2.必需汽蚀余量△hr
          • 定义：表示液体从泵入口流到叶轮内最低压力点K处的全部压头损失
          • 判断汽蚀的条件
            • △ha＞△hr时,PK＞PV，不会汽蚀
            • △ha=△hr时，PK=PV，开始发生汽蚀
            • △ha＜△hr时，PK＜PV，严重汽蚀
      • （三）离心泵的最大安装高度
        • Hgmax=P0/ρg-Pv/ρg-△hr-∑Hf
      • （四）允许汽蚀余量与最大安装高度
        • Hg允许=P0/ρg-Pv/ρg-△h-∑Hf，其中△h=△hr+0.3,称为允许汽蚀余量
        • 泵的安装高度必须低于最大允许安装高度
        • 不产生汽蚀的条件：有效汽蚀余量不小于允许汽蚀余量△ha≥△h＞△hr
    • 七、离心泵的类型与选用
      • （一）类型
        • 清水泵(IS D S)
        • 耐腐蚀泵(F)
        • 油泵(Y)
        • 杂质泵(P)
      • （二）选择
        • 1.确定系统的流量与压头
        • 2.选择泵的类型与型号
        • 3.核算泵的轴功率