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CSY-1-BOWANG 第二章第二章 流体输送机械流体输送机械 在生产实际中，由于工艺需要，流体从低处送往高处，由近处送往远处，由低压设备送至高压设备，在此过程中流体流动不仅伴随着位能、动能、压力能的变化，而且必须克服流体流动所产生的阻力，因此必须对流体不断地补充机械能，我们把能够为流体提供机械能，以达到输送流体目的的机械设备，称为流体输送机械。流体输送机械根据其作用的对象不同主要分为二大类：（1）对液体做功的输送机械泵 （2）对气体做功的输送机械风机、压缩机（通风机、鼓风机、压缩机、真空泵）由于不同的物料（腐蚀性酸碱、粘度高润滑油）不同的输送要求（高压、大流量）等对输送机械具有不同的性能要求，所以泵、风机、压缩机的种类繁多。本章主要以离心泵为研究对象。通过学习掌握离心泵的工作原理、结构、性能、计算、选用、安装与操作，并了解其他类型的流体输送机械的基本原理与性能，首先我们来探讨离心泵的工作原理、如何进行合理的选型、正确的安装与使用。2.1 离心泵（离心泵（Centrifugal pumps）2.1.1 工作原理及构造 （1）工作原理 1 叶轮，2 蜗壳形泵体（泵壳），3 泵轴，4 吸入管路，5 底阀（单向阀）和滤网，6 排出管路 叶轮（Impeller）是离心泵的主要部件之一，启动泵之前泵内充满被输送的液体，泵启动后随着叶轮转动，产生离心力使液体从叶轮中心抛向叶轮的边缘，以较大速度流入泵福州大学过程装备与控制专业使用 CSY-2-BOWANG 壳，继而进入排出管路，由于液体由叶轮中心（由于离心力作用）抛向叶轮四周，在叶轮中心产生真空（负压）。由于贮槽液面的压力（不一定为大气压如封闭容器）与泵叶轮中心处的负压存在压差，在此压差作用下，液体从贮槽经过吸入管路进入泵吸入口（叶轮中心）；如此反复，泵就不断从贮槽中吸入液体，并对其做功增加机械能。离心泵能够对液体做功，主要是依靠高速旋转的叶轮产生的离心力，故称之为离心泵。若在泵启动前，泵内没有液体，而是被气体填充，此时启动是否能够吸上液体呢？此时泵内充满气体（其密度远小于液体），叶轮转动产生的离心力小，也就是产生的真空度不够大，贮槽液面与泵吸入口间的压力差小，不足以克服流体在吸入管路中的阻力损失以及液体位能的变化而吸上液体，这种现象称为“气缚”现象。因此在离心泵启动之前，我们必须进行灌泵（结合实验情况）操作（使泵内充满被输送的液体）。知道了泵的基本工作原理，下面我们来了解一下泵的构造 （2）构造及其作用 叶轮 叶轮是离心泵的心脏，是流体获得机械能的主要部件，其转速一般可达 12003600 转/min，高速 1070020450 转/min。根据其结构可分为：哪种形式的叶轮做功效率高？闭式叶轮效率最高，半开式叶轮效率次之，开式叶轮效率最低；原因在于叶片间的流体倒流（外缘压力高，叶轮中心压力低）回叶轮中心，做了无用功；增加了前后盖板使倒流的可能性减小。蜗壳形泵壳 从叶轮中抛出的流体汇集到泵壳中，泵壳是蜗壳形的故其流道不断地扩大，高速的液体在泵壳中将大部份的动能转化为静压能，从而避免高速流体在泵体及管路内巨大的流动阻力损失。因此泵壳不仅是液体的汇集器，而且还是一个能量转换装置。轴封装置 前面已提到泵启动后在叶轮中心产生负压（吸入口在泵体一侧），故其会吸入外界的空气；液体经过叶轮的做功，获得机械能经过泵壳的汇集，能量转换成静压能较高的流体开式 半开式 闭式 福州大学过程装备与控制专业使用 CSY-3-BOWANG 进入排出管，对半开式，与闭式叶轮，叶轮四周的高压流体可能泄漏到盖板与泵体间的空隙（叶轮可旋转，泵体相对固定，叶轮轴与泵体间必有间隙），故其会向外界漏液。向外漏液影响经济性（有价值），安全性（易燃、易爆液体），泵体由外界吸入空气，使叶轮产生离心力下降，直至吸不上液体，影响正常操作。因此必须对其进行密封（轴与泵体间），密封方式有：填料密封与机械密封，填料密封适用于一般液体，而机械密封适用于有腐蚀性易燃、易爆液体。填料密封：简单易行，维修工作量大，有一定的泄漏（1 滴/s 均属正常），对燃、易爆、有毒流体不适用；机械密封：液体泄漏量小，寿命长，功率小密封性能好，加工要求高。由于叶轮一侧为吸入口（负压），压力较低，另一侧液体压力较高，因此导致叶轮轴向力不平衡，使得叶轮偏向吸入口一侧与吸入口这一侧的泵体压紧产生较大磨擦，影响泵工作效率，并产生噪音，如何解决以上问题？平衡孔：使高压液体向吸入口处部分泄漏，以平衡轴向不平衡力，但使泵效率下降，部分解决平衡问题；双吸式：在泵体两侧各有一个吸入口故叶轮两侧压力差极小，完全解决平衡问题。以上三个构造是离心泵的基本构造，为使泵更有效地工作，还需其它的辅助部件：导轮：液体经叶轮做功后直接进入泵体，与泵体产生较大冲击，并产生噪音。为减少冲击损失，设置导轮，导轮是位于叶轮外周的固定的带叶片的环。这此叶片的弯曲方向与叶轮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，引导液体在泵壳通道内平稳地改变方向，使能量损耗最小，动压能转换为静压能的效率高。底阀（单向阀）：当泵体安装位置高于贮槽液面时，常装有底阀，它是一个单向阀，可防止灌泵后，泵内液体倒流到贮槽中。若泵安装于液面之下，底阀是否有必要？启动前是否也要灌泵？滤网：防止液体中杂质进入泵体。2.1.2 离心泵的理论压头与实际压头 通过第一章的学习，对某一管路系统，为保证系统正常运行，必须不断消耗机械能，因此对某一管路系统，在一定流量下，系统消耗一定的机械能以保证输送流体的输送（eh），根据它可选择某一型号的泵，使泵所能提供的机械能能满足管路系统的要求，即泵的压头或扬程H。H=eh 其中：H为泵对单位重量流体提供的机械能。eh为管路系统输送单位重量流体所需的机械能。2.1.2.1 理论压头 首先从理论上推导泵压头与流量、泵结构、叶轮转速的关系式，由于实际情况的复杂性：流体流动存在阻力损失，叶轮中心与圆周的液体存在压差，产生倒流现象，为理论推导方便，不妨作如下假设：福州大学过程装备与控制专业使用 CSY-4-BOWANG （1）叶轮内叶片数目无穷多，叶片没有厚度；（2）液体为理想流体。假设（1）说明叶片间间隙无穷小，无任何撞击损失，液体完全沿叶片弯曲方向流动，不会发生倒流现象；假设（2）说明液体的流动不产生阻力；根据以上假设，我们可从叶轮的进出口间列柏努利方程从理论上推导理论压头H与叶轮构造、尺寸、转速及流量的关系式：2222sin2cbrQ=QgbrctguguH2222222=式中：2u 圆周（叶轮）切线方向分速度；Q 体积流量；2r 叶轮半径；2b 叶轮周边宽度；2 叶片装置角。所以理论压头与叶轮结构2b、2r、2有关，与流量Q有关，转速2u有关。实际上理想流体不存在，且叶轮叶片数目有限，因此实际上叶片对液体作功存在阻力损失和液体倒流现象，这些都使泵的效率下降，故理论压头H是泵所能提供最大压头的极限。讨论：c2 w2 u2 前弯 后弯 r2 2 c1 w1 u1 福州大学过程装备与控制专业使用 CSY-5-BOWANG 当ctg，Q，H 当=902时，叶片平直不弯曲，称为径向叶片；02=ctg，Q与H无关 当902时，叶片弯曲方向与叶轮转动方向一致，称为前弯叶片；02ctg，Q，H 应该采用哪种形式的叶片？叶轮旋转一周液体的位能变化为零，因此泵所产生的理论压头由两部分组成即：gccgwwguuH222212222212122+=+=动压头静压头 其中第一项为叶轮离心力做功增加的静压能，第二项为流体沿叶片向前运动动能转化为静压能（叶片间的流道逐渐扩大），第三项为流体经过叶轮做功后动压头的增加量；很明显，对于后弯叶片与前弯叶片相比，动压头在总压头中所占的比重较小，所以后弯叶片在能量转化的过程中损失较小，效率较高；所以即使后弯叶片随流量的增大理论压头减小，离心泵也多采用后弯叶片而不采用前弯叶片。2.1.2.2 实际压头 推导理论压头时，我们提出了两点假设，但实际上：（1）叶片间环流 叶片数目有限，叶片间的液体并非严格按叶片弯曲方向流动，而存在倒流、涡流、环流，这种由于环流引起的机械能损失只与叶片数目、液体粘度有关，而与流量基本无关。（2）阻力损失 流体从泵入口到出口有流动阻力损失，与流速的平方成正比。（3）冲击损失 流体离开叶轮进入泵壳与泵体冲击造成机械能损失；叶轮的装置角2是根据一定设计条件使其造成的冲击损失最小（效率最高，设计点）确定的，实际使用泵的过程中，操作条件偏离设计条件时，均使冲击损失增大。这三点是实际压头低于理论压头的主要原因，对于后弯叶片的理论压头与流量是成线性关系的，考虑以上三点因素后，实际压头与流量的关系如下图所示，为一开口向下的抛物线：福州大学过程装备与控制专业使用 CSY-6-BOWANG 实际压头的意义：泵提供的压头必须满足流体输送的需要，而流体输送伴随着位压头的变化z（升扬高度，不同于扬程），静压头的变化gp，动压头的变化gu22和阻力损失fh（管路阻力损失，不含有泵的流动阻力损失，泵的阻力损失计入泵的效率）+=fehguzgphH22 2.1.3 离心泵的主要性能参数 对某一管路系统，如何根据工艺要求选择泵？其扬程、流量为多少？又需消耗多大的功率等等问题的解决都必须了解离心泵的各种性能；离心泵的性能参数是用以描述一台离心泵性能的一组物理量，包括：流量、扬程（压头）、功率、转速、效率。（1）流量Q：以体积流量来表示的泵的输液能力，与叶轮结构、尺寸和转速有关；/hm3或/sm3；（2）压头（扬程，Head）H：泵向单位重量流体所提供的机械能，与流量、叶轮结构、尺寸和转速有关，扬程并不代表升举高度；m；（3）有效功率eN：离心泵单位时间内对流体做的功gHQNe=；W；轴功率N：单位时间内由电机输入离心泵的能量；W；Q H 环流损失 阻力损失 冲击损失 设计点 福州大学过程装备与控制专业使用 CSY-7-BOWANG （4）效率：电机传给泵的机械能不可能 100%地传给液体，泵由于其自身的容积损失、水力损失和机械损失使得其效率低于 100%。容积损失：叶轮盖板与泵体间隙有高压液体泄露至泵的入口，造成机械能损失；水力损失：理论压头与实际压头的差异；机械损失：轴承、密封圈等机械部件摩擦及液体与机械部件（主要指叶轮）摩擦造成的损失；因此离心泵都有一个效率的问题，它反映了泵对外加能量的利用程度：NNe/=（5）叶轮转速n：10003000rpm（转/min）；2900rpm最常见，转/s。泵在出厂前，必须确定其各项性能参数，并标于泵的铭牌上；这些参数是在最高效率条件下用 20C的水测定的。2.1.4 离心泵的特性曲线（Characteristic curves）对一台特定的离心泵，在转速固定的情况下，其压头、轴功率和效率都与其流量有一一对应的关系，但从铭牌上得到的特性参数是该泵最高效率下的参数值，而在其他条件下这些特性参数值又如何呢？厂家利用 20C的水测定一定型号的泵在一定转速下，扬程、效率、功率与流量间的关系，并以曲线图的形式表现出来，这些曲线称为离心泵的性能曲线。注意：不同型号的泵、不同转速，离心泵的特性曲线也不相同；因此对于特性曲线图应标明泵的型号和转速。离心泵的特性曲线一般由离心泵的生产厂家提供，标绘于泵产品说明书中，其测定条件是 20清水，转速固定。典型的离心泵性能曲线如图所示。01234567890246810121416182022H/mQ/m3/h0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0 0.050.100.150.200.250.300.35高效 区IHG32-20 2900rpm 福州大学过程装备与控制专业使用 CSY-8-BOWANG 对特性曲线图应掌握好“四点、三线、一区”HQ线表明扬程与流量的关系，QH；当Q=0 时，H为最大；NQ线表明轴功率与流量关系，QN所以大流量输送一定对应着大的配套电机；当Q=0 时，N为最小，所以泵在启动时应关闭出口阀门，流量为零，功率达到最小避免由于负载过大而烧毁电机；Q线表明效率与流量关系，当Q=0 时，=0；Q先达到最大值max后，设计时该点为设计点，离心泵的铭牌上标有一组性能参数，它们也是与最高效率点对应的性能参数；而操作时以 92%max为适宜的工作范围，否则效率太低，不利于节能，92%max所构成的区域称为高效区。2.1.5 离心泵特性曲线的影响因素 离心泵铭牌上的特性参数及特性曲线均是厂家在一定的转速下，用 20C的水作为流体测定的，而在实际应用中泵所输送的流体可能不是水，泵的转速也可能与设计时的转速不同，那么此时泵的流量、扬程、轴功率又如何变化？换句话说离心泵的特性参数、特性曲线有哪些影响因素，如何影响？（1）流体密度的影响 离心泵的体积流量Q只与泵的结构、叶轮结构尺寸、转速有关，而与流体的性质无关（质量流量与密度成正比）；根据理论压头的计算式扬程与密度亦无关；而轴功率/gHQN=与密度成正比（离心力及其所做的功与密度成正比），但效率又与密度无关。所以：0Q，0H，N （2）流体粘度的影响 粘度对特性参数的影响较为复杂，一般来说粘度增加，泵的流量、压头、效率都下降，但轴功率上升（粘度增大流动阻力大大增加导致效率大幅度下降，从而轴功率上升）。所以，当被输送流体的粘度有较大变化时，泵的特性曲线也要发生变化。，Q，H，N （3）转速的影响 转速变化不大时，2变化很小，其他结构参数不变，222wruc，而角速度与转速成正比，根据离心泵流量与扬程的计算式：2222sin2cbrQ=，QgbrctguguH2222222=可知流量与转速成正比，扬程与转速的平方成正比；即比例定律：1212nnQQ=；21212=nnHH；31212=nnNN （%20n，基本不变）福州大学过程装备与控制专业使用 CSY-9-BOWANG （4）叶轮直径的影响 对一定的叶轮沿周边切削（叶轮腐蚀损坏），当切削量不大时，叶轮周边出口截面积222br基本不变，222wruc与叶轮直径成正比；同理有切割定律：1212DDQQ=；21212=DDHH；31212=DDNN （%20eh泵提供的机械能大于管路所需的机械能（供求）时，管路的流量上升，管路所需的压头eh增加，而泵提供的压头H减小；当H=eh时，流量稳定；当Heh泵提供的机械能小于管路所需的机械能（供 n2 n3 02468101214161820051015202530354045H/mQ/m3/hle1 le 2 le 3 le1 le2 le3 福州大学过程装备与控制专业使用 CSY-12-BOWANG 方移动，流量减小泵所提供的压头上升从而达到流量调节的目的；相反开大出口阀开度，局部阻力减小，管路特性曲线变平坦，流量上升。这种流量调节方法方便快捷，实际上这种流量调节方法是人为增加管路阻力来改变流量需要额外的动力消耗，不经济，并且容易使泵的工作点偏离高效区；但是由于其方便性，在实际生产中是一种广泛采用的流量调节方法。2.1.7 离心泵的安装高度 以上解决了离心泵在管路中如何工作、如何操作等问题，但在安装离心泵时，离心泵的安装位置特别是安装高度（是指要被输送的液体所在贮槽的液面到离心泵入口处的垂直距离）是否可以任意没有任何约束呢？比如在高度为 20m的小山上需从山脚的小河里用泵（该泵的扬程有 40m，足够克服位能、静压能、动能的变化及管路的阻力损失）抽水上山，那么泵应当安装在哪？山脚？山顶？K e s pS zS 福州大学过程装备与控制专业使用 CSY-13-BOWANG 2.1.7.1 汽蚀（Cavitation）现象 离心泵能够吸入液体并对液体做功实现流体的输送目的，其主要原因是离心泵中高速旋转的叶轮产生离心力使得叶轮中心形成负压；那如何把液体吸入泵中呢？我们在 S、K截面列柏努利方程：+=KfSKSKShguzgpgp22 所以只有贮槽液面压力Sp与叶轮中心压力Kp之差能够克服吸入管路（进口管路）位能、动能的变化以及吸入管路的阻力损失，液体才能被吸入泵体，否则液体则无法吸入泵中。那么如果把泵的安装高度增加，那么Sz及阻力损失均增大，由柏努利方程可知Kp必然减小；这就产生了新的问题，什么问题呢？首先看看水的饱和蒸汽压与温度的关系：温度C 30 50 90 100 蒸汽压kPa 4.25 12.86 70.1 101.3 温度越高则饱和蒸汽压vp越大，同样当外界压力越低的时候，水的沸点就越低；因此当离心泵的安装高度增加，造成叶轮中心压力下降当其压力正好等于（甚至低于）输送流体在操作温度下的饱和蒸汽压时，什么现象发生了？沸腾汽化产生大量汽泡。被输送流体在叶轮中心处发生汽化，产生大量汽泡；汽泡在由叶轮中心向叶轮外周流动时，由于压力增加而急剧缩小直至破裂凝结，汽泡所占有的空间则由周围的液体以很高的流速来填充；在叶片表面附近，众多液滴尤如细小的高频水锤不断撞击叶轮和叶片；泵体振动并发出噪音，严重时不能输送液体，这种现象称为汽蚀现象；若长期出现这种现象，在水锤冲击和液体中微量溶解氧对金属化学腐蚀的双重作用下，叶片表面出现斑痕和裂缝，甚至呈海绵状逐渐脱落，对泵体产生严重的腐蚀。汽蚀现象不仅使泵体叶轮受到液体的冲击产生噪音，并且对泵体和叶轮造成腐蚀，严重时还吸不上液体，因此在操作中应避免出现汽蚀现象。由以上分析可知，泵的安装高度越高则叶轮中心的压力越低，则越容易出现汽蚀现象。安装高度太高是引起汽蚀现象的原因之一，除此以外还有哪些情况会导致汽蚀现象的发生？发生汽蚀现象的实质是泵中心压力小等于饱和蒸汽压Kpvp，若泵进口管路阻力较大、液面压力较低使得Kp较小；或流体的温度较高使得vp较大；均可能发生汽蚀现象，为避免汽蚀现象的发生，可以SpfhSz使得Kpvp，其中流体的性质和液面压力等参数为工艺条件所确定，所以要保证在操作过程中避免发生汽蚀现象，关键在于确定适宜的安装高度以避免汽蚀现象。福州大学过程装备与控制专业使用 CSY-14-BOWANG 2.1.7.2 汽蚀余量 在 S、K 间列柏努利方程：+=KfSKSKShguzgpgp22 其中k点为叶轮中心，位于泵的内部难以测定其参数，而泵的吸入口e的参数容易测得，故在 S、e 间列柏努利方程：+=efSeeSShgugpgpz22 其中gugpee22+为泵吸入口的全压头，定义汽蚀余量：gpgugphvee+=22 因为epKp，当Kp=vp刚好发生汽蚀现象时，吸入口的压力为minep，当然minepKp=vp；此时的汽蚀余量称为最小汽蚀余量：022minmin+=gpgugphvee 很明显，吸入口的全压头与操作条件下饱和蒸汽压的差值越大，越不易发生汽蚀现象；所以为了安全起见，在最小汽蚀余量基础上加 0.3m称为允许汽蚀余量：3.0min+=hh允许 所以允许的安装高度为：=+=efSvSefSeeSShhgpgphgugpgpz允许允许允许22 该方法称为允许汽蚀余量法。讨论：（1）允许h无法计算，只能由实验测定，不同型号的泵其允许汽蚀余量不同（见附录），由厂家出厂前由实验测定；测定条件为：液面压力Pa10013.15=Sp，流体为水，水温C20；（2）当进口管路无阻力，液面压力为标准大气压，0=eu，不考虑饱和蒸汽压影响福州大学过程装备与控制专业使用 CSY-15-BOWANG 时，OmH33.102=Sz是输送水时泵安装高度的极限；（3）当进口管路阻力增大时，允许安装高度降低，故应尽可能减小吸入管路的阻力；如：吸入管路尽量短，少走弯路；进口管路直径一般大于出口管路直径；进口管路上避免不必要的管件，如泵装于液面下可免装止逆阀（并且启动前不用灌泵），流量调节阀装于出口管路；（4）实际生产过程中，管路的流量有可能发生变化，那么此时吸入管路的阻力也发生变化；若流量增大则允许安装高度减小，所以为避免在实际操作中由于流量的提高或其他参数（如液体温度，液面压力等）的变化而出现汽蚀现象，允许安装高度按可能出现的最大流量计算，在此基础上减去 0.51.0m作为安全余量；实际安装高度应低于允许安装高度：()0.15.0允许SSzz （5）当实际操作条件与允许汽蚀余量测定条件不同时，应进行校正：允许允许hh=但对于大多数情况，特别是油品1（发生汽蚀），vKeppp（不发生汽蚀），不妨假设Cppve+=故：()()ttaavvaaSSHHHHgppgppHH=()()()()24.033.10=taSttaaSSHHHHHHHHH 式中aH为操作条件下的液面压力，tH为操作条件下的饱和蒸汽压，均应转化为水柱高度。再考虑操作条件下输送流体密度与测定条件下流体密度的差异：()()=100024.033.10taSSHHHH 福州大学过程装备与控制专业使用 CSY-17-BOWANG 由该式可知，液面压力越小、饱和蒸汽压越高、密度越大，则允许的安装高度越低；经校正后操作条件下的允许安装高度为：=efSeSShguHz22允许 2.1.8 离心泵的类型 离心泵类型的划分（结合附录介绍）按输送流体的性质：清水泵、耐腐蚀泵、油泵、杂质泵等；按叶轮的吸入方式：单吸泵、双吸泵；按叶论数目：单级泵、多级泵；（1）清水泵（Clean water pumps）输送清水或物性与水相近且无腐蚀、杂质少的液体。单级单吸泵：B 型，中小型水泵，结构简单操作容易；898m，45360/hm3 多级泵：D 型，扬程高，14351m，10.8850/hm3 双吸泵：SH 型，流量大，9140m，12012500/hm3 型号：2B31 2B31A 2B31B 意义：2 为泵吸入口直径，英寸；B 为泵类型；31 为基本型号（2B31 为基本型号，2B31A、2B31B 不是基本型号）在最高效率下的扬程，m；A 为叶轮直径在基本型号基础上切削一圈，B 为叶轮直径在 A 型号基础上再切削一圈。（2）耐腐蚀泵（Corrosion resistant pumps）与液体接触的部件由耐腐蚀材料（铸铁、高硅铁、合金钢、玻璃、塑料等）制成且更换容易，密封可靠，适用于输送具有腐蚀性的液体。15195m，2400/hm3 型号：50F-103 50F-103A 50F-103B 意义：50 为吸入口直径，mm；F 为泵类型；103 为基本型号在最高效率下的扬程，m。（3）油泵（Oil pumps）用于输送石油产品，由于油品易燃易爆，密封要求高。-45C400C，60603m，6.25500/hm3。型号：50Y-60 50Y-60A 50Y-602 50Y-60A2 意义：50 为吸入口直径，mm；Y 为泵类型；60 为基本型号在最高效率下的扬程，m；2 为叶轮级数。（4）杂质泵 输送液体中含有固体颗粒杂质，粘度大的液体如泥浆等；杂质泵不易堵塞，耐磨，叶轮流道宽（23 片）。福州大学过程装备与控制专业使用 CSY-18-BOWANG （5）液下泵（Submerged pumps）安装于贮槽内液面下，适用于输送各种腐蚀性流体，密封要求不高（泵内外均为输送的流体，无泄漏问题）。（6）屏蔽泵（Canned motor pumps）叶轮与轴相连固定，密封性能高，根本上消除了泄漏，适用于输送易燃易爆、有毒、具有放射性或贵重的液体。1695m，0.65200/hm3，-35C400C。（7）管道泵（Pipeline pumps）适用于长距离管道输送的中途加压，24150m，6.25360/hm3。（8）低温用泵（Cryogenic pumps）2.1.9 离心泵的选用、安装与运转 （1）选用 根据被输送液体的性质确定泵的类型；根据管路系统的性质和工艺要求确定流量和压头（应以生产中可能出现的最大流量计算）；根据所需流量和压头确定泵的型号（所选泵的流量与扬程应比工艺要求略高，有一定的余量；但余量又不宜太大，否则会远离高效区，效率低；对多台泵都合适的情况下选择操作条件下效率最高的）；对泵所配电机的功率进行校核确定是否更换电机。（2）安装 对关键管道用泵或容易损坏的泵应安装备用泵（并联一台工作，一台备用）；安装高度不能太高，应小于允许安装高度；设法尽量减少吸入管路的阻力，以减少发生汽蚀的可能性。主要考虑：吸入管路应短而直；吸入管路的直径可以稍大；吸入管路减少不必要的管件；调节阀应装于出口管路。（3）运转 启动前应灌泵（泵装在液面以下则为自然灌泵），并排气，防止出现气缚现象；应在出口阀关闭的情况下启动泵，使启动功率、电流最小，避免烧毁电机；停泵前先关闭出口阀，避免管道中的液体倒流，带动叶轮倒转，以免损坏叶轮和电机，尤其对没有安装底阀的情况；多台泵组合操作（以两台同型号泵的串、并联操作为例）双泵联合操作其特性又如何呢？与单泵特性有何区别？若单泵的特性曲线为：2单单BQAH=，那么将此同型号的两台泵串联使用，则在同样的流量情况下，串联操作所提供的扬程为单泵的两倍，故其特性曲线为：222串串BQAH=若将同型号的两台泵并联操作则在同样扬程下，并联操作所提供的流量是单台泵的两福州大学过程装备与控制专业使用 CSY-19-BOWANG 倍，所以并联泵的特性曲线为：42并并BQAH=；但在实际操作中，串联操作所提供的扬程并非是单泵的两倍，而是单串单HHHH2=，流量则有所提高单串单QQQQ22=；并联操作所提供的流量也并非单泵的两倍，即单并单QQQQ2=，扬程也有所提高单并单HHHH22=le 2 le 3 le1 le2 le3 福州大学过程装备与控制专业使用 CSY-24-BOWANG 液体按精确的比例输送，如化学反应器中几种物料的投放。（3）隔膜泵（Diaphragm pumps）隔膜泵也是往复泵的一种，它用弹性薄膜（耐腐蚀橡胶或弹性金属片）将泵分隔成互不相通的两部分，把被输送液体和活柱完全隔离开。这样，活柱不与输送的液体接触。活柱的上下往复运动通过同侧的介质传递到隔膜上，使隔膜作左右往复运动，从而实现被输送液体经球形活门吸入和排出。隔膜泵主要用于输送腐蚀性液体或含有固体悬浮物的液体。（4）旋转泵（转子泵，Rotary pumps）根据转子的不同分为齿轮泵和螺杆泵。齿轮泵（Gear pumps）：靠齿轮的旋转实现流体输送 齿轮泵的泵壳内有两个齿轮，一个用电动机带动旋转为主动轮，另一个被啮合着向相反方向旋转为从动轮。吸入腔内两轮的齿分开，形成低压而吸入液体；被吸入的液体被齿嵌住，随齿轮转动到达排出腔，排出腔内两齿合拢，形成高压而排出液体。齿轮泵的压头较高而流量较小，可用于输送粘稠液体以至膏状物料，（如输送密封油、润滑油等），但不能用于输送含有固体颗粒的悬浮液。螺杆泵（Screw pumps）：靠螺杆的旋转实现流体输送 螺杆泵由一个或多个螺杆组成。在单螺杆泵中，螺杆螺旋运动使液体沿轴向前进，挤压到排出口。在双螺杆泵中，一个螺杆转动时带动另一个螺杆，螺纹互相啮合，液体被拦截在啮合室内沿轴向前进，从螺杆两端被挤向中央排出。此外还有多螺杆泵，转速越高，螺杆越长，达到的扬程越高。三螺杆泵排出压力可达 10MPa 以上。螺杆泵效率高，噪音小，适用于在高压下输送粘稠性液体。隔膜泵 1 吸入活门，2 压出活门，3 活柱 4 水（或油）缸，5 隔膜 齿轮泵 福州大学过程装备与控制专业使用 CSY-25-BOWANG 2.2.2 非正位移泵 离心泵属于正位移泵还是非正位移泵？（1）旋涡泵（Vortex pumps）旋涡泵是一种特殊类型的离心泵，它的工作原理与离心泵类似，靠离心力做功。旋涡泵的叶轮为圆盘，在其圆周上有许多短而直的径向叶片成辐射状排列，液体在叶轮中心与边缘间往复流动经过叶片的多次做功，能获得较多的机械能，产生的压头较大；但是流量小、效率低。旋涡泵是靠离心力做功的，所以在启动前也需要灌泵避免发生气缚现象。但旋涡泵与离心泵的特性曲线有很大差别：螺杆泵 01234567890246810121416182022H/mQ/m3/h0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0 0.050.100.150.200.250.300.35福州大学过程装备与控制专业使用 CSY-26-BOWANG 流量减小时，旋涡泵的压头急剧升高，轴功率也增大（离心泵流量减小时，压头增大幅度较小，功率则减小）；因此旋涡泵启动时，出口阀门应开启这样不会因压头太大而破坏泵体，而且启动时功率较小避免烧毁电机；其流量调节也应采用旁路调节。在叶轮直径和转速相同的条件下，旋涡泵的压头比离心泵高出 24 倍，适用于高压头、小流量的场合；其结构简单、加工容易，可采用各种耐腐蚀的材料制造；输送液体的粘度不宜过大，否则泵的压头和效率都将大幅度下降；不能输送含有固体颗粒的液体。旋涡泵的工作原理与离心泵类似，而其启动、运转等操作特性则与正位移泵类似。（2）管道泵 管道泵安装在管道中，其吸入口与排出口在同一中心线上，适用于长距离管道输送的中途加压。各类泵的性能特点各类泵的性能特点 正位移式 非正位移式 往复式 旋转式 项目 离心泵 旋涡泵 往复泵 计量泵 隔膜泵 齿轮泵 螺杆泵 流量 压头 效率 流量调节 自吸作用 启动 流体 结构造价 流 量：均匀；不均匀；尚可；随管路特性而变；恒定；范围广、易达大流量；小流量；较小流量；压 头：不易达到高压头；压头较高；压头高；效 率：稍低、愈偏离额定越小；低；高；较高；流量调节：出口阀；转速；旁路；冲程；自吸作用：有；没有；启 动：关闭出口阀；出口阀全开；适用流体：各种物料（高粘度除外）；不含固体颗粒，腐蚀性也可；精确计量；可输送悬浮液；高粘度液体；腐蚀性液体；不能输送腐蚀性或含固体颗粒的液体；结构与造价：结构简单；造价低谦；结构紧凑；加工要求高；结构复杂；造价高；体积大。福州大学过程装备与控制专业使用 CSY-27-BOWANG 2.3 气体输送机械气体输送机械 为什么液体输送机械不能用于气体的输送呢？虽然气体输送与液体输送都是依靠输送机械做功，增加机械能达到输送的目的，但是气体与液体的特性有较大的区别：（1）气体的密度比液体的密度小得多（如空气密度 1.293kg/m3，水的密度为1000kg/m3）；在同样条件下，气体在输送机械内产生的离心力小，所以气体输送机械的叶轮转速比液体输送机械来得快，且叶片数目多以提高离心力；（2）气体的粘度小，液体粘度大（空气粘度 0.0177cp，水的粘度 1cp）（3）气体的流速比液体的流速大得多，由于气体密度小在同样质量流量下，气体的的流速高于液体的流速，一般液体的适宜流速为 13m/s，气体的适宜流速为 1525m/s；所以气体输送机械需要更大的压头以克服气体流动的阻力损失；也正因为此气体输送需要较大的流速，气体输送机械的叶轮多采用径向叶片或前弯叶片；（4）气体具有可压缩性，液体压缩性小可视为不可压缩流体；气体经输送机械做功静压提高受压缩，产生热效应，故压缩比大的气体输送机械具有中间冷却装置；（5）气体的动压头不可忽略而位压头可忽略，液体则正好相反。总之，气体输送机械与液体输送机械相比：多采用前弯叶片或径向叶片，叶轮转速高、叶片数目多、设备体积大，对高压缩比气体输送机械具有中间冷却装置。气体输送机械的分类：按工作原理分为离心式、旋转式、往复式以及喷射式等；按出口压力和压缩比不同分为如下几类：（1）通风机：出口压力3atm（表压），压缩比大于 4；（4）真空泵：出口压力约为常压（绝压），压缩比由真空度决定。2.3.1 通风机（Fans）通风机主要有轴流式和离心式，轴流式通风机排风量大、压力小，一般只用于通风换气，不用于气体的输送，如冷却塔的通风；离心通风机的工作原理则与离心泵类似；根据通风机的出口压力分为：低压通风机：出口压力（风压）1kPa（表压）中压通风机：出口压力 1kPa3kPa（表压）高压通风机：出口压力 3kPa15kPa（表压）其中低、中压通风机风压较低主要用于通风换气，高压通风机可用于气体输送。性能参数：（1）风量 单位时间通过进风口的体积流量，Q，/sm3或/hm3；气体为可压缩流体，故气体的体积流量与温度、压力有关（给出风量时，应注明气体的状态）。（2）风压 在风机的进出口间列柏努利方程：福州大学过程装备与控制专业使用 CSY-28-BOWANG+=+21222221112121ftpugzppugzp 由于气体的位压头可以忽略，在风机内流体的流动阻力在风机的效率中考虑，且进口通常为常压，气体来源于气柜或大气环境其流速可约等于零；即 012=gzgz，0=fp，01=p（表压），01u 所以：22221uppt+=其中2p称为静风压，2221u为动风压，tp为全风压；全风压=静风压+动风压。（3）轴功率和全压效率 有效功率：teseQpWmgHQN=轴功率：eNN=（4）特性曲线 特性曲线由tpQ，NQ，Q线组成，比例定律、切割定律同样适用。特性曲线由风机的生产厂家用 1atm、20的空气测定；因此风机的性能参数表或特性曲线图给出的风压均是针对 1atm、20的空气的，若操作条件不同，则必须进行校正（离心泵的扬程就没有校正，为什么？）根据管路的具体情况和实际操作条件，由柏努利方程可求得全风压tp；不能直接用该离心通风机及叶轮 1 机壳，2 叶轮，3 吸入口，4 排出口 福州大学过程装备与控制专业使用 CSY-29-BOWANG 参数在风机规格表中选用风机，因为他们的状态不同；必须进行校正：2.100tttppp=然后利用0tp来选用风机。例 1 空气以 30000kg/h 通过某加热器由 20C加热至 160C，然后经过管路排放到一常压设备，空气的温度在管道中不变，流经加热器及管路的阻力（包括出口损失）为140mmH2O（20C空气计）。试计算将通风机安装于加热器前或加热器后，所需的风量、风压及有效功率，并讨论结果。解：风机不论放置在什么位置，管路的进出口0u且为常压，而位压头可以忽略；所以由柏努利方程可得：=ftpp 所以不论风机放置的位置在哪，其全风压均为：OmH14.02=tp 气体的质量流量均为 30000kg/h，加热器前后的气体密度分别为：1.2kg/m3和 0.815 kg/m3；那么在加热器前后的体积流量分别为：加热器前 /hm250002.1300003=加热器后/hm36810815.0300003=因为teQpN=，所以温度越高，气体的体积流量越大，风机消耗的功率越大，低温有利气体的输送。2.3.2 鼓风机（Blowers）鼓风机有旋转鼓风机（定容鼓风机）和离心鼓风机（涡轮鼓风机、透平鼓风机）旋转鼓风机如罗茨鼓风机，出口压力80kPa（表压），风量范围 2500m3/min；其工作原理、操作方法与旋转泵类似。风机出口应装稳压罐，并设安全阀，流量调节采用旁路调节，出口阀不可完全关闭；气体温度不能超过 85，否则转子会因受热膨胀而卡住。离心鼓风机的工作原理与离心泵类似，单级鼓风机出口压力30kPa（表压），多级鼓风机出口压力0.3MPa（表压）。福州大学过程装备与控制专业使用 CSY-30-BOWANG 2.3.3 压缩机（Compressors）离心压缩机：均为多级，各级叶轮直径递减（为什么？）；流量可达几十万 m3/h，出口压力达几十 MPa。具有体积和重量小、流量大、供气均匀、运转平稳、维护方便等特点。往复压缩机：液环压缩机：纳氏泵 2.3.4 真空泵（Vacuum pumps）真空泵就是从真空容器中抽气、一般在大气压下排气的输送机械。真空泵的主要性能参数有：（1）极限剩余压力（或真空度）：这是真空泵所能达到最低压力；（2）抽气速率：单位时间内真空泵在极限剩余压力下所吸入的气体体积，亦即真空泵的生产能力。罗茨鼓风机 液环压缩机 福州大学过程装备与控制专业使用 CSY-31-BOWANG 往复式真空泵：干式 只能抽气体，9699.9%真空 湿式 可以抽气体和液体，8085%真空 旋转真空泵：滑片真空泵，真空度可达 1Pa（绝压）。液环真空泵：同液环压缩机。喷射真空泵：利用水、水蒸汽为工作介质，通过动压头与静压头的转化，实现抽气。喷射泵的流体为水的称为水喷射泵，是水蒸汽的称为蒸汽喷射泵。单级蒸汽喷射泵仅能达到 90%的真空度，为获得更高的真空度可采用多级蒸汽喷射泵。喷射泵的工作压强范围大，抽气量大，结构简单，适应性强，但效率很低。滑片真空泵 1 吸入口，2 排出口