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1、流体输送机械,第二章,第二章 流体输送机械,为流体提供能量的机械称为流体输送机械。,在食品的生产加工中，常常需要将流体从低处输送到高处；从低压送至高压；沿管道送至较远的地方。为达到此目的，必须对流体加入外功，以克服流体阻力及补充输送流体时所不足的能量。,第一节 概 述,常用的流体输送机械,泵的分类,1 按工作原理分,叶片式泵 有高速旋转的叶轮。如离心泵、轴流泵、涡流泵。往 复 泵 靠往复运动的活塞排挤液体。如活塞泵、柱塞泵等。旋转式泵 靠旋转运动的部件推挤液体。如齿轮泵、螺杆泵等。,清水泵适用于粘度与水相近的、无腐蚀性、不含杂质的流体，如离心泵。油泵 适用于高粘度的流体。如齿轮泵、旋转泵等。耐
2、腐蚀泵杂质泵：,2 按用途分,离心泵（centrifugal pump）的特点：结构简单；流量大而且均匀；操作方便。,第二节 离心泵,1 结构,2 工作原理,叶轮 轴 612片叶片机壳等。,蜗牛形通道；叶轮偏心放；可减少能耗，有利于动能转化为静压能。,叶轮,机壳,底阀(防止“气缚”),滤网(阻拦固体杂质),由于离心力的作用，泵的进出口出产生压力差，从而使流体流动。,一、离心泵的工作原理,3 工作过程,启动后，叶轮旋转，并带动液体旋转。,液体在离心力的作用下，沿叶片向边缘抛出，获得能量，液体以较高的静压能及流速流入机壳(沿叶片方向，u,P静)。由于涡流通道的截面逐渐增大，P动 P静。液体以较高的
3、压力排出泵体，流到所需的场地。,叶片不断转动，液体不断被吸入、排出，形成连续流动。,由于液体被抛出，在泵的吸扣处形成一定的真空度，泵外流体的压力较高，在压力差的作用下被吸入泵口，填补抛出液体的空间。,启动前，前段机壳须灌满被输送的液体，以防止气缚。,离心泵实际安装示意图,泵壳：蜗牛壳形通道。有利于将叶轮抛出液体的动能转变成静压能；有利于减少能耗。,叶轮：,二、离心泵的主要工作部件,离心泵压头的大小取决于泵的结构（如叶轮直径的大小，叶片的弯曲情况等）、转速及流量。,三、离心泵的主要性能参数 离心泵的主要性能参数有流量、扬程、功率和效率。流量 Q，/或m3/泵的流量（又称送液能力）是指单位时间内泵
4、所输送的液体体积。扬程，米液柱 泵的扬程（又称泵的压头）是指单位重量液体流经泵后所获得的能量。,如右图所示，在泵的进出口处分别安装真空表和压力表，在真空表与压力表之间列柏努得方程式，即,实验：泵压头的测定,两截面之间管路很短，其压头损失Hf可忽略不计,(2-2),简化式（2-1）,若以HM及HV分别表示压力表真空表上的读数，以米液柱（表压）计。,（2-1）,例-某离心泵以20水进行性能实验，测得体积流量为720m3/h，泵出口压力表读数为3.82kgf/cm2，吸入口真空表读数为210mmHg，压力表和真空表间垂直距离为410mm，吸入管和压出管内径分别为350mm及300mm。试求泵的压头。
5、,解：根据泵压头的计算公式，则有,查得水在20时密度为998 kg/m3，则 HM=3.8210.0=38.2 mH2O HV=0.21013.6=2.86 H2O,计算进出口的平均流速,将已知数据代入，则,泵内部损失主要有三种：,容积损失水力损失机械损失,3 效率,容积损失是由于泵的泄漏造成的。离心泵在运转过程中，有一部分获得能量的高压液体，通过叶轮与泵壳之间的间隙流回吸入口。,从泵排出的实际流量要比理论排出流量为低，其比值称为容积效率1。,容积损失,原因：水力损失是由于流体流过叶轮、泵壳时，由于流速大小和方向要改变，且发生冲击，而产生的能量损失。,泵的实际压头要比泵理论上所能提供的压头为低
6、，其比值称为水力效率2。,水力损失,原因：机械损失是泵在运转时，在轴承、轴封装置等机械部件接触处由于机械磨擦而消耗部分能量。,泵的轴功率大于泵的理论功率（即理论压头与理论流量所对应的功率）。理论功率与轴功率之比称为机械效率3。,机械损失,泵的有效功率Ne：流体所获得的功率。,已知g=9.81m/s2；1kW=1000W，则式（2-4）可用kW单位表示，即,(2-4a),4 功率,泵在运转时可能发生超负荷，所配电动机的功率应比泵的轴功率大。在机电产品样本中所列出的泵的轴功率，除非特殊说明以外，均系指输送清水时的数值。,(2-5),轴功率指泵轴所获得的功率。由于有容积损失、水力损失与机械损失，故泵
7、的轴功率要大于液体实际得到的有效功率，即,注意：,5 轴功率N,特性曲线（characteristic curves）：在固定的转速下，离心泵的基本性能参数（流量、压头、功率和效率）之间的关系曲线。,强调：特性曲线是在固定转速下测出的，只适用于该转速，故特性曲线图上都注明转速n的数值。,四、离心泵的特性曲线,变化趋势：离心泵的压头在较大流量范围内是随流量增大而减小的。不同型号的离心泵，Q曲线的形状有所不同。,较平坦的曲线，适用于压头变化不大而流量变化较大的场合；较陡峭的曲线，适用于压头变化范围大而不允许流量变化太大的场合。,1 Q曲线,变化趋势：Q曲线表示泵的流量Q和轴功率的关系，随Q的增大而
8、增大。显然，当Q=0时，泵轴消耗的功率最小。启动离心泵时，为了减小启动功率，应将出口阀关闭。,2 Q曲线,变化趋势：开始随Q的增大而增大，达到最大值后，又随Q的增大而下降。,Q曲线最大值相当于效率最高点。泵在该点所对应的压头和流量下操作，其效率最高，故该点为离心泵的设计点。,3 Q曲线,泵在最高效率点条件下操作最为经济合理，但实际上泵往往不可能正好在该条件下运转，一般只能规定一个工作范围，称为泵的高效率区。高效率区的效率应不低于最高效率的92%左右。,强调：泵在铭牌上所标明的都是最高效率点下的流量，压头和功率。离心泵产品目录和说明书上还常常注明最高效率区的流量、压头和功率的范围等。,泵的高效率
9、区,式（2-6）称为比例定律，当转速变化小于20%时，可认为效率不变，用上式进行计算误差不大。,(2-6),当转速由n1 改变为n2 时，其流量、压头及功率的近似关系为：,4 离心泵的转数对特性曲线的影响,式（2-7）称为切割定律。,(2-7),当叶轮直径变化不大，转速不变时，叶轮直径、流量、压头及功率之间的近似关系为：,5 叶轮直径对特性曲线的影响,泵生产部门所提供的特性曲线是用清水作实验求得的。当所输送的液体性质与水相差较大时，要考虑粘度及密度对特性曲线的影响。,6 物理性质对特性曲线的影响,所输送的液体粘度愈大，泵体内能量损失愈多。结果泵的压头、流量都要减小，效率下降，而轴功率则要增大，
10、所以特性曲线改变。,6.1 粘度的影响,离心泵的压头与密度无关。（定性分析）,注：当被输送液体的密度与水不同时，不能使用该泵所提供的曲线，而应按（2-4a）及（2-5）重新计算。,泵的轴功率随液体密度而改变。,6.2 密度的影响,如果输送的液体是水溶液，浓度的改变必然影响液体的粘度和密度。浓度越高，与清水差别越大。浓度对离心泵特性曲线的影响，同样反映在粘度和密度上。,6.3 溶质的影响,p1pa,p1 有一定真空度，真空度越高，吸力越大,Hg 越大。当p1 小于一定值后(p1pv,pv 为环境温度下液体的饱和蒸汽压)，将发生气蚀现象。,pv100=760mmHg,pv 40=55.32mmHg
11、,五、离心泵的安装高度和气蚀现象1 气蚀现象,为避免发生气蚀现象，应限制p1不能太低，或Hg不能太大，即泵的安装高度不能太高。,安装高度Hg的计算方法一般有两种：允许吸上真空高度法；气蚀余量法。,2 安装高度,允许吸上真空高度Hs,泵入口处压力p1所允许的最大真空度。mH2O,Hs与泵的结构、液体的物化特性等因素有关。一般，Hs 57 mH2O.,如何用允许吸上真空高度确定泵的安装高度？,Hg 泵的安装高度；u2/2g 进口管动能；Hf 进口管阻力;Hs 允许吸上真空高度，由泵的生产厂家给出。,提高Hg的方法,取截面0-0，1-1，并以截面0-0为基准面，在两截面间柏努利方程，可得,若贮槽为敞
12、口，则p0为大气压pa，则有,（2-9）,（2-10）,泵制造厂只能给出Hs值，而不能直接给出Hg值。因为每台泵使用条件不同，吸入管路的布置情况也各异，有不同的u2/2g 和Hf 值，所以，只能由使用单位根据吸入管路具体的布置情况，由计算确定Hg。,问题：泵制造厂能直接给出泵的安装高度吗？,原因：在泵的说明书中所给出的Hs是大气压为10mH2O，水温为20状态下的数值。如果泵的使用条件与该状态不同时，则应把样本上所给出的Hs值，按下式换算成操作条件下的Hs值。,泵允许吸上真空高度的换算,泵安装地点的海拔越高，大气压力就越低，允许吸上真空高度就越小。输送液体的温度越高，所对应的饱和蒸汽压就越高，
13、这时，泵的允许吸上真空高度也就越小。,海拔高度，液体温度Hg,不同海拔高度时大气压力值可查表。,汽蚀余量h是指离心泵入口处，液体的静压头p1/g 与动压头 u12/2g之和超过液体在操作温度下的饱和蒸汽压头pv/g的某一最小指定值，即,汽蚀余量,将式（2-9）与（2-12）合并可导出汽蚀余量 h与允许安装高度Hg之间关系为,上式中p0为液面上方的压力，若为敞口液面则p0=pa。,(2-13),如何利用允许吸上真空高度确定泵的安装高度？,只要已知允许吸上真空高Hs与汽蚀余量中的任一个参数，均可确定泵的安装高度。,注：泵性能表上的值也是按输送20水而规定的。当输送其它液体时，需进行校正。具体校正方
14、法可参阅有关文献。,例2-2 某台离心泵从样本上查得允许吸上真空高度Hs=6m，现将该泵安装在海拔高度为500m处，若夏季平均水温为40。问修正后的Hs应为多少？若吸入管路的压头损失为1mH2O，泵入口处动压头为0.2mH2O。问该泵安装在离水面5m高度处是否合适？,解:当水温为40时，Hv=0.75m。查表得Ha=9.74m。Hs=Hs(Ha10)(Hv0.24)=6(9.7410)(0.750.24)=5.23m,泵的安装高度为:H=Hs u12/2g Hf=5.230.21=4.93m5m,故泵安装在离水面5m高度处不合适。,离心泵在特定管路系统中工作时，液体要求泵供给的压头可由柏努利方
15、程式求得，即,六、离心泵的工作点 当离心泵安装在一定的管路系统中工作时，其压头和流量不仅与离心泵本身的特性有关，而且还取决于管路的工作特性。1 管路特性曲线,此式中压头损失为,对于特定的管路系统，l、le、d 均为定值，湍流时摩擦系数的变化也很小，令,则式（2-14）可简化为,上式表明：在特定管路中输送液体时，所需压头随液体流量Q的平方而变化，此关系所描绘的Q曲线，称为管路特性曲线。它表示在特定的管路中，压头随流量的变化关系。,注意：管路特性曲线的形状与管路布置及操作条件有关，而与泵的性能无关。,离心泵的特性曲线H-Q与其所在管路的特性曲线He-Qe的交点称为泵在该管路的工作点，如图所示。,工
16、作点所对应的流量与压头既满足管路系统的要求，又为离心泵所能提供。,2 工作点（duty point）,工作点所对应的流量Q与压头既是管路系统所要求，又是离心泵所能提供的;若工作点所对应效率是在最高效率区，则该工作点是适宜的。,泵的工作点表示,改变离心泵的转速或改变叶轮外径，以改变泵的特性曲线。,调节流量实质上就是改变离心泵的特性曲线或管路特性曲线，从而改变泵的工作点。,离心泵的流量调节，通常从两方面考虑：,两者均可以改变泵的工作点，以调节流量。,在排出管线上装适当的调节阀，以改变管路特性曲线；,七、流量调节,当阀门关小时，管路局部阻力加大，管路特性曲线变陡，泵的工作点由M移到M1。流量由QM减
17、小到QM1。,改变阀门开度以调节流量，实质是用开大或关小阀门的方法来改变管路特性曲线。,当阀门开大时，管路局部阻力减小，管路特性曲线变得平坦一些，工作点移到M2，流量加大到QM2。,1 改变阀门的开度,要把泵的转数提高到n1，泵的特性曲线就上移到nM1位置，工作点由M移到M1，流量和压头都相应加大;,改变离心泵的转数以调节流量，实质上是维持管路特性曲线不变，而改变泵的特性曲线。,若把泵的转数降到n2，泵的特性曲线就移到nM2位置，工作点移到M2，流量和压头都相应地减小。,2 改变泵的转数,车削叶轮的外径是离心泵调节流量的一种独特方法。在车床上将泵叶轮的外径车小，这时叶轮直径、流量、压头和功率之
18、间关系，可按式（2-7）进行计算。,3 车削叶轮的外径,采用什么方法来调节流量，关系到能耗问题。,改变阀门开度调节流量 方法简便，应用广泛。但关小阀门会使阻力加大，因而需要多消耗一部分能量以克服附加的阻力，该法不经济的。,改变转速调节流量 可保持管路特性曲线不变，流量随转速下降而减小，动力消耗也相应降低，因节能效果显著，但需要变速装置，难以做到流量连续调节。,4 几种流量调节方法的比较,改变叶轮直径 可改变泵的特性曲线，但可调节流量范围不大，且直径减小不当还会降低泵的效率。,在输送流体量不大的管路中，一般都用阀门来调节流量，只有在输液量很大的管路才考虑使用调速的方法。,在实际工作中，当单台离心
19、泵不能满足输送任务的要求或者为适应生产大幅度变化而动用备用泵时，都会遇到泵的并联与串联使用问题。这里仅讨论二台性能相同泵的并联与串联的操作情况。,八、并联与串联操作,联合特性曲线的作法：在每一个压头条件下，使一台泵操作时的特性曲线上的流量增大一倍而得出。,当一台泵的流量不够时，可以用两台泵并联操作，以增大流量。,1 并联操作,曲线表示一台泵的特性曲线曲线表示两台相同的泵并联 操作时的联合特性曲线,注意：对于同一管路，其并联操作时泵的流量不会增大一倍，如图所示。因为两台泵并联后，流量增大，管路阻力亦增大。,Q并 2Q,当生产上需要利用原有泵提高泵的压头时，可以考虑将泵串联使用。,两台相同型号的泵
20、串联工作时，每台泵的压头和流量也是相同的。在同样的流量下，串联泵的压头为单台泵的两倍。,联合特性曲线的作法：将单台泵的特性曲线的纵坐标加倍，横坐标保持不变，可求得两台泵串联后的联合特性曲线，,H串 2H,2 串联操作,（1）确定输送系统的流量与压头 流量一般为生产任务所规定。根据输送系统管路的安排，用柏努利方程式计算管路所需的压头。,选择离心泵的基本原则，是以能满足液体输送的工艺要求为前提的。,选择步骤为：,九、离心泵的选择,（2）选择泵的类型与型号 根据输送液体性质和操作条件确定泵的类型；按确定的流量和压头从泵样本产品目录选出合适的型号；如果没有适合的型号，则应选定泵的压头和流量都稍大的型号
21、；如果同时有几个型号适合，则应列表比较选定；按所选定型号，进一步查出其详细性能数据。,（3）校核泵的特性参数 如果输送液体的粘度和密度与水相差很大，则应核算泵 的流量与压头及轴功率。,例2-4 如附图所示，今有一输送河水的任务，要求将某处河水以80m3/h的流量，输送到一高位槽中，已知高位槽水面高出河面10m，管路系统的总压头损失为7mH2O。试选择一适当的离心泵.并估算由于阀门调节而多消耗的轴功率。,解 根据已知条件，选用清水泵。以河面1-1截面为基准面，并取1-1与2-2截面列柏努利方程式，则,由于所选泵压头较高，操作时靠关小阀门调节，因此多消耗功率为：,根据流量Q(80m3/h)和H(1
22、7m)可选4B20型号的泵。由附录查得该泵性能为：流量90m3/h；压头20mH2O；轴功率6.36kW；效率78%。,例题：用泵把20的苯从地下贮罐送到高位槽，流量为300 l/min。高位槽液面比贮罐液面高10m。泵吸入管用 894mm的无缝钢管，直管长为15m，管上装有一个底阀(可初略地按旋启式止回阀全开时计算)、一个标准弯头；泵排出管用 573.5mm的无缝钢管，直管长度为50m，管路上装有一个全开的截止阀和三个标准弯头。贮罐和高位槽上方均为大气压。设贮罐液面维持恒定。试选择合适的泵。,式中，z1=0,z2=10m,p1=p2,u10,u2 0,W=9.8110+hf,解：依题意，绘出
23、流程示意图。取截面和基准面，如图所示。在两截面间列柏努利方程，则有,进口段：,d=89-24=81mm,l=15m,查图，得=0.029,进口段的局部阻力：底阀：le=6.3m 弯头：le=2.73m进口阻力系数：=0.5,d=57-23.5=50mm,l=50m,查图，得=0.0313,出口段：,出口段的局部阻力：全开闸阀：le=0.33m全开截止阀：le=17m标准弯头(3)：le=1.63=4.8m出口阻力系数：=1.0,总阻力：,轴功率：,选泵,Q泵=1.130060/1000=19.8 m3/hH泵=1.1(w/g)=1.1(252.4/9.81)=28.33 m,从离心泵的产品目录
24、中选择泵：2B31，其参数为：流量：20 m3/h；扬程：30.8 m;转速：2900 r/min;功率：2.6 kW;效率：64%；允许吸上真空高度：7.2m,校正安装高度,允许：Hs=Hs+(Ha-10)-(Hv-0.24)=7.2+(10-10)-(0.24-0.24)=7.2 m,安装高度：,所以，所选泵不可用。,往复泵（reciprocating pump）是利用活塞的往复运动，将能量传递给液体，以完成液体输送任务。,往复泵输送流体的流量只与活塞的位移有关，而与管路情况无关；往复泵的压头只与管路情况有关。,往复泵的特点：,上述特性称为正位移特性，具有这种特性的泵称为正位移泵。,第三节
25、 往复泵,第二章完,离心泵若在启动前未充满液体，则泵壳内存在空气。由于空气密度很小，所产生的离心力也很小。此时，在吸入口处所形成的真空不足以将液体吸入泵内。虽启动离心泵，但不能输送液体。此现象称为“气缚”。,“气缚”（air binding）,为便于使泵内充满液体，在吸入管底部安装带吸滤网的底阀，底阀为止逆阀，滤网是为了防止固体物质进入泵内，损坏叶轮的叶片或妨碍泵的正常操作。,气蚀现象,当离心泵的进口压力小于环境温度下的液体的饱和蒸汽压时，将有大量的蒸汽液体中逸出，并与气体混合形成许多小气泡。当气泡到达高压区时，蒸汽凝结，气泡破裂，液体质点快速冲向气泡中心，质点相互碰撞，产生很高的局部压力。如果气泡在金属表面破裂凝结，则会以较大的力打击金属表面，时其遭到破坏，并产生震动，这种现象称为“气蚀现象”。气蚀现象一旦发生，会造成很大的破坏作用，应尽量避免。,提高Hg的方法：,改变结构(另选一Hs大的泵)；降低进口管段流速；降低进口管阻力(选择较大的进口管径、减少进口管路程、尽量少安装管件、阀等)。,定性分析：液体在一定转速下，所受的离心力与液体的密度成正比。但液体由于离心力的作用而取得的压头，相当于由离心力除以叶轮出口截面积所形成的压力，再除以液体密度和重力加速度的乘积。这样密度对压头的影响就消除了。,
