立式多喷嘴水喷射真空泵设计ppt课件.ppt

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1、立式多喷嘴水喷射真空泵的设计,张 茂 润安徽理工大学化工学院,绪 论一、化工设备课程设计的目的和要求(1) 课程设计的目的 课程设计是培养学生设计能力的重要实践教学环节。在教师指导下，通过课程设计，培养学生独立地运用所学到的基本理论并结合生产实际的知识，综合地分析和解决工程实际问题的能力。当学生完成课程设计后，应达到下列目的：1) 通过课程设计，能够将化工设备课程和有关,先修课程所学的知识，在设计中综合地加以运用，使学到的知识得到巩固、加深和提高。2) 初步培养学生独立进行工程设计的工作能力，树立正确的设计思想，掌提化工设备设计的基本方法和程序，为今后从事工程设计打下良好的基础。3) 使学生能

2、够熟悉和运用设计资料，如有关国家（部颁）标准，以完成作为工程技术人员在机械设计方面所必备的基本训练。(2) 化工设备课程设计的要求,1) 树立正确的设计思想 能够结合生产实际综合地考虑先进、安全、经济、可靠和实用等方面的要求，严肃认真地进行设计。2) 具有积极主动的学习态度 在课程设计中遇到的问题，要随时查阅有关教科书或文献，通过积极思考，提出个人见解尽可能自己解决，不要太多地依靠指导老师帮助解决问题。3) 正确处理好几个关系 继承和发展的关系,强调独立思考，依靠设计资料和继承前人经验。对于初学设计的人来说，学会收集、理解、熟悉和使用各种资料，正是培养设计能力的重要方面。 因此正确处理好继承和

3、发展条件下的抄、搬、套问题，正是设计能力强的重要表现。 正确使用标准规范 化工设备设计非常强调标准规范。但是并不是限制设计的创造和发展，因此遇到与设计要 求有矛盾时，经过必要的手续可以放弃标准而,服从设计要求。但非标准件中的参数，一般仍宜按标准选用。 学会统筹兼顾、抓主要矛盾) 计算结果要服从结构设计的要求 对初学设计者，最易把设计片面理解为就是理论上的强度、刚度、稳定性等计算，认为这些计算结果不可更改，实际上，对一个合理的设计，这些计算结果只对零件尺寸提供某一个方面的依据。而部件实用尺寸一定要符合结构等方面的要求。,) 按几何等式关系计算而得的尺寸，一般不能随意圆整变动；按经验公式得来的尺寸

4、一般应圆整使用。 ) 处理好计算与绘图的关系：设计中要求算、画、选、改同时进行，但零件的尺寸以最后图样确定的为准。对尺寸作出修改后，有时并不一定要求再对零件强度等进行计算，可以据修改幅度、计算准确程度等来判断是否有必要再行计算。二、化工设备课程设计的内容和步骤,(1) 课程设计的内容 根据设计任务书的要求和设计条件单的内容，在一周的时间内，完成一种典型钢制压力容器与设备的机械设计如水喷射真空泵。 绘制设备总装图一张、重要部件图一张；书写设计说明书一份。,多喷嘴喷射真空泵,单喷嘴喷射真空泵,(2) 课程设计的一般步骤1) 准备阶段 设计前应准备好有关的设计资料、手册、图册。 认真研究设计条件单，

5、分析设计条件单中的技术特性参数、接管表中各接管的规格和用途、设备示意图，明确设计要求和设计内容。 设计前应认真复习教科书的内容、熟悉有关的设计资料和设计步骤。 结合实验室的现有实验设备（如列管式换热,换热器、填料塔、精馏塔、反应釜等），熟悉典型设备的结构，为设计做准备。2) 机械设计阶段 化工设备的机械设计是在设备的工艺设计后进行的。其内容和任务是根据设备的工艺条件(如工作压力、温度、介质腐蚀性、结构形式和尺寸、接管方位标高等 )，围绕着确定壳体壁厚这一尺寸进行的强度、刚度和稳定性的设计或校核计算；对设备内、外附件进行机械结构设计和选型。这一过程往往通过“ 边算、边,边选、边画、边改 ”的作法

6、来实现，没有一次成功完成整个设计的做法。 选材 当设计条件单中没有提供使用的材料牌号时，通常先按压力因素进行选材。当操作温度高于200或低于40时，温度就是选材的决定因素；在腐蚀强烈或对物料的污染有特定要求的，腐蚀因素是选材的主要依据。当设计条 件单中提供了使用的材料牌号时，按要求使用，不需要另行选材。, 强度、刚度、稳定性设计或校核计算 根据结构形式、受力条件和材料的力学性能、耐腐性能等进行强度、刚度和稳定性计算，最后确定出合理的结构尺寸。 选用零部件 设备的附件结构，一般由工艺设计确定，附件的结构形式在满足工艺要求的条件下，由受力条件、制造、安装等因素决定。如法兰、支座、人孔、视镜、液面计

7、等附件。三、绘制设备装配图,(1) 选择主视图 根据设备设计条件单中的图示特点，采用全剖视的表达方法，用以表达设备上各零部件之间的装配关系。(2) 确定其它视图 主视图确定后，选择俯视图，以表达设备上各接管周向方位及支座的数量、外形及周向方位，补充了主视图对这些部分表达的不足。 (3) 选择辅助图及各种表达方法 根据设备的结构特点，采用局部放大图等表,基本视图的不足，可用若干个局部放大图，分别表达设备与工艺接管、筒体与封头等连接情况和焊缝结构。(4) 提出技术要求 对设备制造、装配、检验和试车等工序提出合理的要求，以文字的形式标注在总装图上。四、绘制零部件图 对于标准零部件，有专门厂家生产的，

8、可以不绘制零部件图；对于具有独立结构的零部件需要绘图，以便加工制造。,五、设计计算说明书 设计计算说明书是图纸设计的理论依据，是设计计算的整理和总结，是审核设计的技术文件之一。其内容一般有以下部分：(1)设计任务书； (2)教师评语；(3)前言； (4)目录； (5)设计条件单； (6)设计方案的分析和拟定； (7)设计计算及各部分结构尺寸的确定； (8)鸣谢；(9)参考文献； (10)设备装配图； (11)设备部件图； 设计计算说明书要求计算结果正确，论述清,清楚、文字精练，插图简明，体式符合学校的有关规定，装订成册 。 立式多喷嘴水喷射真空泵的设计内容如下：(1) 水室的强度、刚度计算和结

9、构设计；(2) 平板封头的强度计算和结构设计； (3) 喷板的稳定性计算和结构设计；(4) 真空室的稳定性计算和结构设计；(5) 喷嘴的结构设计；(6) 喉管、尾管的结构设计；(7) 水室的水压试验、真空室的气压试验；,(8)支座的选型及校核;(9)进液管、进气管开孔补强的设计计算；(10)主要焊缝的结构与尺寸设计；(11)绘制总装配图及水室部件图等。,一、水喷射真空泵的结构二、主要元件的作用水 室：贮存具有一定压力的引射流体水；喷 板：安放喷嘴，并将水室和真空室隔开；,图1 水喷射真空泵的结构示意图,水室,喷 嘴,真空室,喉 管,尾 管,喷 板,进水管,进气管,喷 嘴：将引射流体的静压能转化

10、为动能，使流 体能够高速喷出；真空室：高真空形成装置；喉 管： 聚焦引射流体；尾 管： 排除引射流体和被引射流体三、工作原理 水室中具有一定压力的引射流体水通过喷嘴后，其大部分静压能被转化为动能，以一定的初速度高速喷出进入真空室，水束周围的气体将通过摩擦、挟带、撞击被水流带出进入喉管，最后,进入尾管被带出，真空室的气体被带出后，则形成真空。四、引射流体喷射过程的模型,紧密区,破碎区,疏散区,图2 水射流模型图,喷 嘴,五、水喷射真空泵的参数,d2,L2,L4,dO,流量比：其中： 被抽气体流量； 工作液体流量。一般取 面积比：其中： 喉管直径； 喷嘴出口直径；一般取： 喉嘴距：喉管长度：喉管进

11、口角：扩散角：,六、水喷射真空泵的应用 由于立式多喷嘴水喷射真空泵的抽气量大，形成的真空度高，故广泛应用于真空干燥、真空结晶、真空过滤、真空精馏及抽吸输送易燃、易爆、有毒、放射性介质等。优点：结构简单、加工方便、无运动部件、抽 气量大、真空度高等。缺点：尾管较长，设备的总高度较大、喷板加 工较困难等。第一章 水室的设计 水室的作用：贮存具有一定压力的水，并容,纳若干个喷嘴。其基本结构如图3所示。一、筒体的设计(1)设计参数的确定设计压力：计算压力：当 时，可以忽略 ;设计温度：焊缝系数：(单面焊，不做无损探伤),图4 水室的结构,下法兰,筒 体,仪表接管,上法兰,进液管,钢板负偏差：腐蚀裕度：

12、(2)筒体壁厚的强度计算 设筒体的壁厚为 ，由 、材料的牌号、设计温度确定材料的 ， 由公式计算出设计壁厚 ，考虑 后圆整至 。若 = ，则假设 合理；反之不合理，需要重新设计，直至满足 = 。(3)筒体壁厚的刚度校核 当 3800 ， 2/1000且不小于3,(4)筒体长度的确定 筒体的长度 H 按下式进行确定：其中： 筒体半径； 筒体壁厚； 进液管外径； 进液管直径的设计: 由 得： , 根据 得： 由 查钢管标准确定：进液管 ，外径 、壁厚 。将开孔直径与允许开孔直径比较，满足要求即可。,二、筒体法兰联接结构的设计(1) 法兰的设计及密封面的选型 根据法兰的DN、PN确定法兰的类型，由对

13、应的容器法兰标准设计出法兰的尺寸。 由操作介质、温度压力确定密封面的型式。(2) 垫片的设计及螺栓、螺母、垫圈的设计 根据密封的介质、操作温度、操作压力，由垫片选用表确定垫片的名称及材质，根据垫片标准设计尺寸。 选用六角头螺栓 、型六角螺母、平垫圈,三、工艺接管的设计及装配尺寸(1) 进液管设计及装配尺寸 进液管直径设计已介绍，进液管长度由其DN 和保温层厚度查表确定。 进液管的中心线距筒体上法兰密封面的尺寸（装配尺寸）按下式计算： 压力表接管的规格由条件设计单提供，管长度由其DN和保温层厚度查表确定。装配尺寸的设计方法与进液管相同。,(2) 法兰的设计及密封面的选型 根据法兰的DN、PN确定

14、法兰的类型，由对应的管法兰标准设计出法兰的尺寸。 由操作介质、温度压力确定密封面的型式。(3) 垫片的设计及螺栓、螺母、垫圈的设计 根据密封的介质、操作温度、操作压力，由垫片选用表确定垫片的名称及材质，根据垫片标准设计尺寸。 选用六角头螺栓 、型六角螺母、平垫圈,四、水室的部件图,第二章 平板封头的设计 平板封头与水室的上法兰采用法兰联接结构，联接尺寸与水室的上法兰相同。其作用是将引射流体密封在水室内，以防止水外溢，同时可防止空气中的杂质进入水室堵塞喷嘴。一、平板封头的强度计算 (1) 设计参数的确定 参见筒体设计参数的确定，但焊缝系数与其不同。(2) 平板封头壁厚的设计,平板封头的壁厚公式为

15、：其中： 计算直径，取垫片的中径； 板边结构特征系数，取0.3。 设封头的壁厚为 ，由 、材料牌号、 查钢板的许用应力表确定 。由 公式计算出 ，将假设的壁厚与计算出的壁厚进行比较，若两者相等，则假设合理；反之，重新设计，直至满足要求。,二、平板封头的结构设计 平板封头与水室的上法兰采用法兰联接，因此，联接尺寸与水室的上法兰相同。下图为、 平板封头的结构与尺寸。,第三章 喷板的设计 作用：布置和安装一定数量的喷嘴，将真空室和水室隔开。一、喷嘴孔在喷板上的布置 喷嘴孔在喷板上的布置形式有两种：同心圆、等边三角形布置。如右图所示。,同心圆分布,三角形分布,考虑到最外缘喷嘴具有一定的倾斜角度，因此，

16、在喷板上布置喷嘴时，为防止喷嘴与水室内壁出现干涉，喷板的球面部分在水平方向的投影径不大于 ，喷嘴孔则布置在此投影径内。 二、喷板的稳定性计算 (1)设计外压的确定 喷板的设计外压取其在工作过程中可能产生的最大压差，取设计外压： 其中： 水室工作压力。,(2) 稳定性计算 假设喷板的壁厚为 ， 。由喷板的当量半径 和 ，计算出 。用 = 0.125计算出系数 值，在图15-5的下方找到系数 值，由此做垂直线与150的温度线相交，交点水平对应的值系数为B 。许用外压按下式计算： 将 与 进行比较，若 ，则假设壁厚 合理，反之，则重新假设。由于喷板上开设了,一定数量的喷嘴孔，使其稳定性下降，因此，工

17、程上采用的壁厚一般在2530mm。内径壁厚 喷板的结构与尺寸如下图。,第四章 真空室的设计 真空室主要由外压圆筒、锥壳和进气管等构成，基本结构如右图所示。其作用是当引射流体水高速通过气室时，会将水流周围的气体以摩擦、撞击、挟带的方式带出，在气室内将产生负压。当进气管与工作机相连时，可进行干燥、过滤、精馏、,结晶、抽吸等操作。一、真空室的长度设计 真空室由圆筒和锥壳两部分构成，总长度取引射流体的长度，即： 。 (1) 圆筒的长度设计 进气管直径的确定： 进气管直径的大小对真空度的形成有非常重要的影响。当抽气量一定时，进气管直径越小，则气流速度越大，对引射流体束的冲击越大，易造成引射流体过早破碎，

18、气液混合物不能及时进入,尾管排出，使抽气量下降；反之，则相反。因此，在满足开孔的条件下，进气管直径取大较好。 当筒体内径 时，最大开孔直径必须 且不超过520 mm。如 的圆筒，最大开孔直径取450 mm，与之配套的接管公称直径为 ，规格为 ，设计开孔直径为 ，考虑到与最大允许开孔直径450 mm相近，取接管的公称直径为 ，规格为 ，设计的开孔直径为 ，然后由公称直径、设备外保温层厚度，确定进气管,的长度。 圆筒长度的确定：圆筒的长度为： (2) 圆锥壳的长度设计： 圆锥壳的下端与喉管采用管法兰联接，初选管法兰的DN、PN，由管法兰的内径确定锥壳的下端外径 。锥壳的长度为 ：引射流体长度 ，锥

19、壳的半锥角为：若 ，则初选管法兰的DN 满足要求，反之，则重新选择管法兰的DN，直至满足 。,二、真空室的稳定性计算(1) 设计外压的确定 对于真空容器，取设计外压： (2) 筒体壁厚的设计 试差法：假设圆筒的壁厚为 ，则 、 ，由公式 计算出临界长度 ，筒体的计算长度： 若 ，则为短圆筒；反之，为长圆筒。 短圆筒的临界压力为： 长圆筒的临界压力为：,由 计算出 ，对于圆筒 =3。将 与 进行比较，若 ，则假设 合理；反之不合理，需要重新设计 ，直至满足 为止。图算法：外压圆筒的壁厚 按教材“外压容器设计”中的图5-5及图5-75-13进行计算，原则流程如右图。,(3) 圆锥壳壁厚的设计 承受

20、外压圆锥壳的壁厚可按外压圆筒壁厚的确定方法进行计算，但用锥壳的有效壁厚 来代替圆筒的有效壁厚 ，锥壳的有效壁厚为： 将圆锥壳转化为当量圆筒，其当量长度为： 其中： 圆锥壳的轴向长度； 圆锥壳的小端外径； 圆锥壳的大端外径。,假设圆锥壳的壁厚为 ，则： 分别计算出 、 ，在图15-4中的纵坐标上找到 值，自该点做水平线与对应的 线相交，由交点做垂直线与水平轴相交，找到交点的系数A值,在图15-5-15-7中的横坐标上找到A值，由此做垂直线与对应的温度线相交，交点水平对应的值系数约为B。按下式计算许用外压 ：若 ，则假设壁厚合理；反之，则不合理。,三、工艺接管的设计及装配尺寸 参见第一章第三节内容

21、。四、真空室的部件图 真空室的部件图如图。,第五章 喷嘴的设计一、喷嘴的设计 喷嘴的作用是将水的绝大部分静压能转化为动能，使水高速喷出，将气室中的气体带出而形成真空。喷嘴的出口内径一般取 ， 由于喷嘴的出口部分磨损较严重，故喷嘴设计成两段，上段在进口处设有十字挡环，以防止进入喷嘴的水流产生旋涡，下段喷嘴可以定期进行更换，喷嘴的结构及尺寸如下图。二、防旋装置的设计,具有一定压力的水进入喷嘴时易产生旋涡，使部分静压能转化为热能，导致水温升高，真空度降低；同时会加快喷嘴内壁的磨损，使喷嘴的使,用寿命下降。因此，需要在喷嘴的入口处设置防旋装置，材料选用聚四氟乙烯，结构与尺寸如图。 防旋十字挡板第六章

22、喉管、尾管的结构设计一、喉管的设计,喉管的的作用主要有两个方面，一方面聚焦引射流体，另一方面起水封作用，以防止外部的大气通过尾管进入真空室破坏真空。喉管采用耐磨铸铁整体铸造，其上端与外压圆锥壳的下端法兰相联，下端与尾管法兰相联。其结构与尺寸如图。二、尾管的设计 尾管的的作用主要是,有将引射流体和气体的混合物排出，另一方面起抽吸作用。尾管一般采用Q235-A钢管制造,上端与喉管采用突面板式管法兰相联，尾管的公称直径与管法兰相同，长度根据水室的工作压力不同分别取: 或三、法兰联接结构设计 参见第一章第三节内容。,第七章 压力试验 压力试验的目的是检验宏观强度（是否有异常变形）和致密性（有无泄漏）。

23、一、水室试验压力的确定 且不小于（ + 0.1） Q235-B、Q235-C、Q245R、Q345R制容器，试验温度不低于5 ，其它低合金钢制容器，试验温度不低于15。 二、压力试验的强度校核,液压试验时水室产生的最大应力为：将 与 进行比较，若 ，则强度足够；反之强度不够，需要重新设计罐体的壁厚。直至液压试验合格。 三、试验方法 注液时将气体排尽，试验过程保持容器表面干燥，试验时缓慢地将压力升至 ，保压一段时间（不低于30min），将压力降至80% ，,保持足够长时间，对所有焊缝和连接部位进行检查，如有渗漏，修补后重新试验，直至合格为止。四、气室的气压试验(1) 试验压力的确定 真空容器属外

24、压容器，做压力试验时,按内压进行, 试验压力取:(2) 压力试验的强度校核 气压试验时筒体产生的最大应力为：,将 与 进行比较，若 ，则强度足够；反之强度不够，需要重新设计气室的壁厚。(3) 试验方法 试验时缓慢地将压力升至0.02MPa，保压，对所有焊缝和连接部位进行出初次检查，合格后，将压力缓慢地升至0.1MPa，然后按0.02MPa的级差逐级升至0.2MPa，保压30min，将压力降至0.174MPa，保持足够长时间，对所有焊缝和连接部位进行检查，如有渗漏，修补后重新试验，,直至合格为止。第八章 支座的设计一、设备工作时总质量的估算 设备工作时的总质量由两部分构成，一、设备金属的质量 ；

25、二、操作介质的的质量 ，总质量：(1)设备金属的质量 的估算 水室的主要金属质量 ：,真空室的金属质量 ：喷板及喷嘴的金属质量： 喷板的质量近似按平板封头计算；喷嘴的质量=单喷嘴质量喷嘴个数。尾管的金属质量 ： 突面板式管法兰质量钢管质量附件的金属质量： 单个螺栓的质量个数；单个螺母的质量个数；单个金属平垫圈的质量个数(2) 操作介质的质量 的估算,=设备的总容积水的密度二、支座的选型及尺寸设计 (1)支座的选型 立式多喷嘴水喷射真空泵需要设置在操作平台上，且外部无保温层，故选用A型耳式支座。支座的数量：4个，在真空室的圆筒上沿圆周方向均布。 (2) 支座尺寸的设计 根据每个支座承受的载荷 、

26、 查A型耳式支座标准确定支座的结构与尺寸。,第九章 开孔补强的设计计算一、水室开孔补强的设计计算 水室的筒体上有两个开孔，即仪表接口和进水管接口。由于进水管开孔尺寸最大，因此，只需对进水管孔进行补强计算。 (1) 开孔后被削弱的金属面积 的计算 (2) 有效补强区内起补强作用的面积计算 筒体起补强作用金属面积 的计算：,接管起补强作用金属面积 的计算：焊缝起补强作用金属面积 的计算： 焊缝高度 ， (3) 补强面积 的确定 若 ，则不需要补强；反之，则需要补强，补强的面积为：二、真空室开孔补强的设计计算 真空室的筒体上有两个开孔，即仪表接口和,进气管接口。由于进气管开孔尺寸最大，因此，只需对进

27、气管孔进行补强计算。 (1) 开孔后被削弱的金属面积 的计算 其它计算参见水室开孔补强的设计计算。第十章 主要焊缝的结构与尺寸设计 设备的主要焊缝有水室、真空室壳体的纵向焊缝；进液管、进气管与壳体的连接焊缝；仪表接管与壳体连接的焊缝；壳体与法兰的连接焊缝。,水室、真空室壳体的纵向焊缝，按焊接坡口的基本形式与尺寸（GB985-88）进行设计；液管、进气管与壳体的连接焊缝，按焊接坡口的基本形式与尺寸（HGJ17-89）进行设计；仪表接管与壳体连接的焊缝，按焊接坡口的基本形式与尺寸（HGJ17-89）进行设计；法兰的焊接按相应法兰标准中的规定。 工作压力为0.2MPa、内径Di=900mm、尾管长度

28、为10000mm的多喷嘴立式水喷射真空泵的焊缝结构及尺寸如图所示。,第十一章 装配图及主要部件图的设计一、技术特性表,二、接管表,三、技术要求,四、标题栏及明细表,参 考 文 献1汤善甫，朱思明. 化工设备机械基础（第二版）M. 上 海：华东理工大学出版社，2004.2胡湘韩. 喷射泵技术及其应用M. 北京：水利工业出 版社，1990.3吴宗泽. 机械设计实用手册（第二版）M. 北京：化学 工业出版社，2003.4余国琮.化工机械工程手册（上、中、下卷）M. 北京：化学工业出版社，2003.5曲文海. 压力容器与化工设备实用手册（上、下）M. 北京：化学工业出版社，2000.,6魏崇光，郑晓梅. 化工工程制图 M. 北京：化学工业 出版社，2004.7张洪流，张茂润主编 . 化工单元操作课程设计指导书 M . 上海：华东理工出版社，2011. 8化工设备设计全书编辑委员会 丁伯民，黄正林等.化工 容器M. 北京：化学工业出版社，2003.9化工设备设计全书编辑委员会 王非，林英. 化工设备 用钢M. 北京：化学工业出版社，2004.10刁玉玮，王立业，喻建良. 化工设备机械基础（第六 版）M. 大连：大连理工大学出版社，2004.,