离心泵-第二章流体输送设备transportati.docx

温州大学
课程教案

学 院 化学与材料工程学院
课程名称 化工原理
学 时 36
教 材 化工原理
授课教师 熊静
授课对象 05应用化学本

2008年2月22日

授课时间：第七周（2008-4-7）

授课类型：理论课

授课题目：流体输送设备transportation machine of fluid

本授课单元教学目标：
掌握离心泵的构造、分类和工作原理；掌握离心泵的特性曲线和主要参数。

本授课单元教学重点和难点：
重点：离心本工作原理和操作、特性曲线
难点：离心泵的工作原理、特性参数及曲线。

本授课单元教学过程设计：

流体在化工管道或设备中流动，会遇到阻力，克服阻力需要能量。流体从低处输送到高处，或经过各种设备、反应装置都需要能量。为了达到生产预期目标，必须对流体提供机械能，以克服流体阻力并补充输送所不足的能量。可以向流体作功并提高其机械能的装置称为流体输送机械。
用于输送液体的机械——泵pump
用于输送气体的机械——风机和压缩机compressor

为了能达到正确选择和使用流体输送机械的目的，本节以离心泵和压缩机为代表，分别讨论其操作原理、基本结构和性能，并计算其功率消耗。
1、 离心泵pump
（1）离心泵的构造和工作原理
离心泵主要由蜗形泵壳和工作叶轮组成。按叶轮的数目，离心泵有单级泵和多级泵之分。单级泵在泵轴上只安装一个叶轮，多级泵在同一泵轴上安装多个叶轮，液体顺序地流经一系列叶轮，所产生的压头为各个叶轮所产生的压头之和。若按液体进入叶轮的方法，离心泵又分为单吸泵和双吸泵。

叶轮中有6~12片向后弯曲的叶片。泵壳与泵轴之间有密封装置——轴封，以防止泵轴旋转时产生泄漏现象。离心泵启动之前，应在泵壳内充满待输送的液体。启动时电动机转动，使得泵轴带动叶轮旋转，液体充满叶轮间，在离心力作用下，从叶轮中心被甩到叶轮外围边沿，获得较大的动能。液体流进蜗形道后，由于截面积逐渐扩大，流体的流速逐渐下降，大部分动能变为静压能。于是液体以较高的压力从压出口进入压出管路。同时，随叶轮中心液体被甩出，叶轮中心的吸入口就处于负压，在吸入管外部压力作用下便迫使液体经底阀吸入管路进入泵内，填充液体排出后的空间。因此，只要叶轮正常旋转，液体就源源不断地吸入、排出，以满足液体输送的需要。
离心泵借助离心力的作用输送液体。离心力大小除与叶轮转速、叶轮尺寸有关，还与流体密度有关。流体密度越大，产生的离心力就越大。离心泵启动前，泵壳内未充满液体，即存有空气时由于空气密度很小，所产生的离心力也很小，叶轮中心难以形成足够的负压。虽被启动的离心泵叶轮在高速旋转，但不能输送液体，这种现象称为气缚。防止气缚发生的措施：①启动泵前须向泵壳内注满被输送的液体。②运转过程也要防止气体漏入。
（2）离心泵的主要性能参数characteristic numbers
主要的性能参数：泵的送液能力或者流量、扬程、功率、效率
①、 泵的送液能力（流量）flow rate——指单位时间内泵所输送液体的体积。用符号qv表示，常用的单位为m3/s或m3/h。泵的流量决定于泵的结构、尺寸和转速。
②扬程lift（head）——泵对单位重量的流体所做的功。又称为泵的压
头，用符号He表示，单位为m液柱。
泵的扬程是由泵本身的结构、尺寸和转速决定
的，不同型号的泵具有不同的扬程。一般离心
泵的扬程都是通过实验测定的。 如何测定？

测量泵的扬程，通常在泵的吸入口安装一个真空表，其绝对压力为P1；在泵的压出口安装一个压力表，其绝对压力为P2，两测压口之间的垂直距离为Ho，为了计算液体在吸入口和压出口的流速，在压出管路安装孔板流量计1。取泵吸入口为1-1′截面，压出口为2-2′截面。以1-1′截面为基准面列柏努利方程

两侧压点管路很短，∑hf 忽略不计，∴∑hf=0，

③功率Power
有效功率——单位时间泵对液体所作的有效功，或者液体流经泵后实际得到的功率，符号：Ne，单位：W
Ne=qvρgHe
轴功率——单位时间离心泵轴所消耗的功，它包括机械摩擦消耗的能量等，是电动机转动时直接传给泵轴的功率。符号：Na
由于泵轴所做的功不可能全部转变为液体的机械能，其中一部分消耗于泵内，如：①泵内液体泄漏造成容积损失。②液体流经叶轮、泵壳时因流速大小、方向改变，发生冲击而产生水力损失。③泵轴与轴承和轴封之间机械摩擦损失等等。故泵的轴功率＞泵的有效功率。

④效率efficicency
表示能量的损失，符号：η，

η一般为50~70%，大型泵可达90%。
选配电动机时要根据泵的轴功率进行，但要考虑传动效率ηt≈1，电动机效率ηm≈0.95和安全系数β，因此，泵所配的电动机功率＞泵的轴功率。一般安全系数β=1.1～１.2,根据轴功率选配的电机的实际功率=β•Na。
（3）离心泵的特性曲线characteristic curves of pump
离心泵在出厂时，铭牌上一般都标有转数（n）、排液量（qv）、压头或扬程（He）、功率（Na）和效率（η）等数据。这些数据是在泵的最高工作效率时的数值。但在实际应用中，当其中一个发生变化时，其他指标也会随之变化。也就是说，离心泵的主要性能参数之间是互相联系互相制约的。当流量变化时，扬程和功率也相应地随之变化。它们之间的关系可以通过实验测定。即离心泵在固定转速下，将离心泵的基本性能参数如实际送液能力、压头、功率、效率的关系用曲线表示出来，称为该泵的特性曲线。它是分析和选用泵的重要依据。

例如是国产4B20型离心水泵，转速n=1450转/分的特性曲线。

He-Qe(qv)曲线——表示泵的扬程与流量的关系。离心泵的扬程随流量增大而下降。
N-Qe(qv)曲线——表示泵的轴功率与流量的关系。N随Qe的增大而上升，Qe=0时，轴功率最小。故启动离心泵时须将出口阀门关闭以降低启动功率，保护电机。
η-Qe(qv)曲线——表示泵的效率与流量的关系。当Qe=0时，η=0；随着流量Qe的增大，泵的效率随之上升并达到一个最大值；过峰值后，流量增大但泵的效率反而下降，此峰值即为泵在该转速下的最高效率点。泵在与最高效率点相对应的流量及扬程下工作最为经济，所以，与最高效率点对应的He、Qe、 N值称为最佳工作参数。离心泵牌上标注的数值即指是该泵在最高效率点上的性能。因此，根据生产任务选用离心泵时应使选用的泵能在此点附近操作。通常将最高效率的92%左右的这段范围称为最高效率区。

3. 离心泵性能的改变和换算
1) 输送液体的物性的影响
（1）密度的影响
由离心泵的能量方程得出：离心泵的流量Q 、压头H、效率与密度无关，但轴功率N随密度的变化而改变

（2）黏度的影响
离心泵铭牌上提供的特性曲线是一定转速下用常温清水实验得到的。当输送液体黏度大于清水时，泵体内部液体的能量损失↑, ∴泵的压头、流量、效率↓，而轴功率N↑
Q’=CQ Q H’=CH H η’=Cηη
CQ 、 CH 、 Cη---粘度换算系数
2) 离心泵转速的影响
离心泵特性曲线是在固定转速下测定的，若转速改变，则泵的流量、扬程、轴功率、效率也随之改变。当转速变化不大，如

假设: ①η’=η
②当转速改变前后, 液体离开叶轮处的速度三角形相似
则有:

3) 离心泵叶轮直径的影响

离心泵的转速一定时，泵的流量、扬程与叶轮直径有关。当叶轮外径切削变化小于10%时，

本授课单元参考资料（含参考书、文献等，必要时可列出）

（注：1.每单元页面大小可自行添减；2.一个授课单元为一个教案；3. “重点”、“难点”、“教学手段与方法”部分要尽量具体；4.授课类型指：理论课、讨论课、实验或实习课、练习或习题课，下同。）

本授课单元参考资料：《化工原理》上册，夏清，陈常贵主编

姚玉英编, 《化工原理学习指南----问题与习题解析》姚玉英等编

授课时间：第八周（2008-414）

授课类型：理论课

授课题目：离心泵的气蚀现象和安装高度

本授课单元教学目标：
掌握离心泵的气蚀现象和抗气蚀性能。
掌握离心泵的安装高度影响因素。
了解离心泵的型号。

本授课单元教学重点和难点：
重点：离心泵的气蚀和安装高度
难点：离心泵的气蚀和安装高度

本授课单元教学过程设计：

(4)离心泵的安装高度和气蚀现象
泵的最大吸入高度也就是泵的安装高度。

它是液面A-A′到泵进口B-B′之间的高度。在这两个截面之间列出伯努力方程：

u0≈0，P0=Pa，Hg：泵吸入口与贮池液面间的距离

由此可见：最大吸入高度H吸入与以下影响因素有关
l 压强PA：当贮液池为敞口时，PA为当地大气压，大气压随海拔高度和气温而变化。海拔越高，大气压越低，H吸入越小。
l 压强PB：泵吸入口的压强。PB越小，H吸入越大。当PB低于当时温度下的液体的饱和蒸气压时，泵入口处的液体就会沸腾气化形成气泡，体积突然膨胀。当大量气泡随液体流到叶轮压力较高的区域后，气泡被压缩、破裂而突然凝结，在凝结的一瞬间，形成局部真空，周围的液体就以极大的速度冲向原来气泡所在的空间，在冲击点上产生几百大气压的局部压强，使叶轮和泵壳遭到损坏，这种现象为“气蚀”。气蚀发生时，泵强烈震动，发出明显的噪音，泵的流量、扬程、效率明显降低，无法正常操作。∴为了避免气蚀发生，必须选择适当的安装高度。即PB必须大于被输送液体的饱和蒸气压。刚发生气蚀时的（PA-PB）称为允许吸入压差，
（PA-PB）/ρg称为允许吸上真空高度，用符号Hs表示。

在泵样本或说明书中给出的Hs，是在压力为98.1Kpa，水温为20℃状态下的数值，因此在不同条件下使用泵时应将Hs换算成操作条件下的Hs′值。
Hs′=Hs+（Ha-10）-（Hv-0.24）
式中Hs′——操作条件下输送水时的允许吸上真空高度[m]
Hs——泵样本中给出的允许吸上真空高度[m]
Ha——泵工作处的大气压[以液柱高度表示m]
Hv——操作温度下水的饱和蒸汽压[以液柱高度表示m]
0.24——20℃水的饱和蒸汽压[以水柱高度表示，m水柱]
l 被输送液体的温度：温度越高，液体的饱和蒸气压越大，则要求PB越大才不发生气蚀现象。∴此时H吸入越小。
l 吸入管路的动压头uB2/2g：u越小，H吸入越大。∴通常吸入管径大于压出管径，以减小吸入管路的动压头，从而增大安装高度。
l 吸入管路的压头损失∑h吸入：∑h吸入越小，H吸入越大。∴泵的吸入管一般都是直径大，弯头少，以减少阻力损失∑h吸入。

*：泵的压出高度H压出：是泵的压出中心B-B′与泵的压出口
C-C′之间的高度。
泵的升扬高度H总=H吸入+H压出，值得注意的是：泵的扬程He≠H总
∵H总是泵的吸入液面到压出液面之间的距离，而He还包括了能量之间的转换和过程中的压头损失∑hf。

而其中△Z才是H总。

离心泵的抗气蚀性能
1）气蚀余量 NPSH
泵的安装高度Hg是随温度、当地大气压、被输送液体性质而变化的，使用时不太方便。对于输送某些较低沸点液体的油泵，可引入一个表示气蚀性能的参数----气蚀余量NPSH或△h
NPSH----为防止气蚀现象，离心泵入口处，液体的静压头P1/ρg与动压头u12/2g之和必需大于液体在操作温度下的饱和蒸气压头pv/ρg的某一最小指定值
定义：气蚀余量NPSH = P1/ρg + u12/2g- Pv/ρg
Pv ----操作温度下液体的饱和蒸气压

当泵刚发生气蚀时, 叶轮附近k-k’截面的压强为Pv, 泵入口的压强为 P1,min
如果在k-k’截面与1-1’截面之间列柏努利方程:

临界气蚀余量(NPSH)c一般由厂家测定20℃清水得到的. 随Q↑而↑

为确保离心泵正常操作, 需要在(NPSH)c上加上一个安全量, 称为必需气蚀余量(NPSH)r
如果被输送的不是20℃清水, 则需要进行校正

允许安装高度Hg与气蚀余量的关系：

离心泵的允许气蚀余量△h是由生产部门通过实验20℃的清水测定出来的，当输送其他液体时，也需要校正:△h’ = φ△h φ----校正系数

2）允许吸上真空度
设当地大气压为Pa , 刚发生气蚀时的压差=Pa-P1，----最大吸入压差
若以液柱高度表示, 则

----允许吸上真空高度

Hs’与泵的结构, 流量, 被输送液体性质, 当地大气压等有关.随 Q↑而↓. 属于泵的抗气蚀性能参数.

Hs’通常是以清水在20℃,大气压为10m水柱的条件下测定的，其值越大，表明该泵在一定操作条件下抗气蚀的性能越好。
若输送条件不一致或采用其他输送液体,则需要校正。

Hs--- 操作条件下被输送液体的允许吸上真空高度 ，mH2O
Ha---泵工作所在地的大气压，mH2O
pv---操作温度下被输送液体的饱和蒸气压，Pa
0.24—20℃条件下水的饱和蒸气压， mH2O
ρ----操作温度下液体的密度, kg/m3

∴泵的允许安装高度 Hg = H’s –u12/2 g -Hf,0-1
实际操作中, 为了安全起见, 离心泵的安装高度比允许安装高度Hg低0.5~1m

例: 用油泵从贮罐向反应器输送异丁烷，贮罐内异丁烷液面保持恒定，其上方的压强为6.65kgf/cm2，泵位于液面下1.5米，吸入管路的全部压头损失为1.6米，异丁烷在输送条件下的密度为530kg/m3 ，饱和蒸气压为6.5kgf/cm2 ，在泵的性能表上查得：输送流量下泵的允许气蚀余量为3.5米，试确定该泵能否正常工作？φ=0.9

解：Hg = P0 /ρg - Pv/ρg - △h –Hf,,0-1
由已知条件：P0 =6.65kgf/cm2= 6.65×9.81 ×104 pa
Pv = 6.5kgf/cm2= 6.5×9.81 ×104 pa
Hf ,0-1=1.6m
由于输送的是异丁烷， △h需要校正
△h’ = φ△h =0.9×3.5=3.15m
∴Hg = P0 /ρg - Pv/ρg - △h’ - Hf,,0-1
=( 6.65-6.5)×9.81 ×104 / (9.81 ×530)-3.15-1.6 = -1.92m
实际安装的高度为-1.5米,大于以上计算结果,说明泵的安装位置太高,输送过程中会发生气蚀现象。

本授课单元参考资料：《化工原理》上册，夏清，陈常贵主编

姚玉英编, 《化工原理学习指南----问题与习题解析》姚玉英等编

授课时间：第九周（2008-4-21）

授课类型：理论课

授课题目：离心泵的工作点及调节

本授课单元教学目标：
掌握离心泵工作点的含义。
掌握离心泵工作点的调节原则及调节措施，以及管路特性方程。
了解离心泵的型号。

本授课单元教学重点和难点：
重点：离心泵的工作点调节
难点：离心泵的管路特性方程

本授课单元教学过程设计：

2.1.5 离心泵的工作点和流量调节
离心泵的工作压头和流量不仅与泵本身的性能有关, 还与管路特性有关, ∴泵和管路是互相制约的.

1. 管路特性----表示管路中流量与压头的关系
假设输液系统中,贮槽与接受槽液面保持恒定, 以此两截面间列柏努利方程:

特定管路系统中,

两截面都很大, ∴Δu≈0

假设管路的输送量为Qe(m3/h),

对于特定管路而言, l、 le、 d、ζc、ζe均一定, λ为Qe 的函数
∴Hf = f(Qe)
He = K+ f(Qe) ----管路的特性方程
如果流体属于完全湍流, 则λ只与ε/d有关, 与Re无关 ∴可以视为常数

∴ Hf =BQe2
∴He = K+ Hf = K+ BQe2

特定管路系统中，当操作条件一定时，管路所需要的压头He与泵的性能无关, 由操作条件及管路布局确定.

2. 工作点

离心泵的特性方程:
H=f(Q)
管路特性方程:
He = K+ BQe2

离心泵的工作点是指离心泵的性能曲线（H～Q曲线）与管路特性曲线的交点，即在H～Q坐标上，两曲线的交点M点
工作点的含义: 离心泵在特定的管路系统中运转时所提供的扬程和流量恰好等同于管路所需的扬程和流量
3. 流量调节
如果工作点的流量大于或小于所需的输液量，则须进行流量调节。  流量调节实际上是改变泵的工作点。

① 改变出口阀的开度----实际改变管路特性曲线
如果原来 Q ＞ 所需 Q'
关小阀门 →→管路局部阻力↑ →→管路特性曲线变陡

工作点由M→M1,流量由QM →QM1 ，管路特性曲线上移。
如果原来Q ＜ 所需Q'
开大阀门 →→管路局部阻力↓ →→管路特性曲线变得平坦
工作点由M→M2,流量由QM →QM2 ，管路特性曲线下移。
快速方便，且流量可以连续变化，化工生产中应用最广。缺点: 阀门关小时，流动阻力增加，要额外多消耗一部分功率，且使泵有可能在低效率点工作，经济上不合理 .
②  改变泵的转速或叶轮直径  
----实际改变泵的H～Q曲线

原来的转速为n, 流量为QM , 工作点为M
现在提高转速为n1, 工作点变为M1. 流量QM1 ,
改变转速意味着需要变速装置或变速原动机，流量不能连续调节，而且成本高,现实生产中不常用.
（5）离心泵的型号
l 水泵：按结构分B、D、Sh型
B型——单级（一个叶轮）单吸（叶轮一侧进水）悬臂式离心泵。
例：4B91A型离心泵
4——吸入口径4英寸（4×25=100mm）
B——单级单吸悬臂式离心泵
91——扬程为91m
A——该泵叶轮直径比基本型号4B91小一级。

D型为多级（多个叶轮）水泵，级数为2级到9级

Sh型为双吸式离心泵，输液量较大，扬程不高。
6Sh-9型：吸入口径为6英寸（150mm）的双吸式离心泵
9——比转数被10除后的整数。即泵的比转数为90。
l 耐腐蚀泵：代号F，H——泵的材料代号
l 油泵：代号为Y
l 杂质泵：代号为P

5-2 往复压缩机（补充）
由于气体本身的可压缩性，故当输送过程中压力的变化，必将导致其体积和温度随之改变。这些变化又将影响到气体输送机械的结构和形状，除根据其结构和作用原理外，还可按终压（出口压力）或压缩比（气体排出与吸入压力的比值）的大小划分。
① 通风机：终压≯15Kpa（表压），压缩比为1~1.15
② 鼓风机：终压15~3045Kpa（表压），压缩比﹥4
③ 压缩机：终压≯3045Kpa（表压），压缩比﹥4
④ 真空泵：用于减压，终压为101.3 Kpa（表压），压缩比由真空度决定。
往复式压缩机主要部件有气缸、活塞、单向吸气阀和排气阀。
一、 工作原理
往复压缩机在理想状态下的压缩过程如图说明。
表示的是活塞在气缸的最右端，此时气缸内气体的体积为V1，压力为P1，对应的P-V图（压缩机理论示功图）上的a点。
当活塞开始向左推进时，位于气缸左端的两个阀门都关闭，故气体的体积缩小而压力上升，直到压力升高到P2，阀门D才被打开。在此之前，气体处于压缩阶段，变化情况如P-V图上的曲线ab，压缩阶段之末，气体状况为b点。
气体压力为P2时继续将活塞向左推进，缸内气体便经D压出。缸内压力维持在P2，气体体积逐渐减小，这阶段为排出阶段。气体变化状况以水平线bc表示。及至排出之末，气体全部排出，其体积降至零，气体状况图中c点所示。活塞再转而向右移动，缸内压力下降，在P-V图以cd表示，压力降到P1，气体状况为d点，此时阀门D关闭，S打开，气体被吸入，气缸内压力维持在P1，而缸内气体体积逐渐增大，为气体吸入阶段，气体状况沿水平线da而变，直到恢复到a点，完成一个操作循环。
四边形abcd所围面积，表示压缩气体时所消耗的功，也即推动压缩机所必须的理论功，故图中面积越小，则将气体压缩到所需压力时消耗的理论功就越少。
实际上，为使压缩机的安装、操作、使用安全，避免活塞与气缸盖直接相撞，在二者之间必须留出少许空隙，即为余隙，其中的气体仍处于终压P2之下，当一个新的工作循环开始，活塞向右移动时，余隙内高压气体膨胀，压强不断降低，直到吸入压强P1，这时每一循环中所吸入的气体量比理想循环要少。
由此可见，压缩机的一个工作循环由膨胀、吸入、压缩、排出四个阶段组成的。
采用单级压缩气体不可能得到很高的终压，也即压缩比P2/P1不能很大。原因：
（一） 余隙气体的影响：每一次工作循环中，余隙空间残余气体膨胀会占据气缸一部分容积，气缸用来吸气，容积减小。对于一定的余隙量，单级压缩所能达到的终压P2有限。
（二）温度的影响：气体受压缩时，不仅体积和压强发生变化，同时温度也发生变化。往复压缩机中，气体的压缩不是等温过程，也不是绝热过程，而是一种介于两者之间的多变过程。根据热力学定律，对于多变压缩，压缩终了气体的温度为T2=
T1，T2——分别为吸入、排出气体的温度，（K）
m——多变压缩指数，由实验测定。
可以看出，压缩比P2/P1越大，压缩终了时气体的温度T2就越高，化工生产中有时需要很高的压缩比，即将气体从常压提高到几十个甚至几百个大气压，这时气体终温T2会很高，很高的温度会使气缸内润滑油变质，粘度下降，使机件磨损，还可能引起爆炸事故。因此，当压缩比较大时，不宜采用单级压缩，通常在压缩比大于8时就要采用多级压缩。
多级压缩，考虑到减少功耗，提高压缩机的经济性，将压缩机的气缸分成若干压力等级（如低压段中压段、高压段），在每段压缩后，设置中间冷却器和油水分离器，以冷却每段压缩后的高温气体并分离掉夹带的润滑油。使整个压缩过程接近于等温压缩过程，气体的压力则分步提高到所需的指标。如多段往复式压缩机，可将气体由0.1Mpa加压到32Mpa，从图上看出，若为单级压缩，所消耗的压缩循环理论功相当于图ABEFA所围成的面积。若为二级压缩，前一级的功耗相当于ABCDA所围成的面积，如果没有中间冷却，后一级压缩的功耗相当于DCEFD所围成的面积。这时二级压缩总的功耗等于单级压缩的功耗，不能省功。但多级压缩设有冷却器，第一级压缩后排出的气体经冷却后体积由Vc减少到Vc′。这样，第二级压缩的功耗就是DC′E′FD所围成的面积。二级压缩的总功耗比单级压缩的功耗少，图中斜线面积。
单级压缩吸入气体的压强较低，体积较大，故压缩机气缸的容积比较大，改为多级压缩后，气体压强一级比一级提高，而气体的体积一级比一级减少，因此多级压缩机的气缸容积可以逐渐减少，而壁厚可以逐渐增加，比单级压缩机的又厚又大的气缸要合理。
往复压缩机的型式主要由气缸在空间的位置及气缸的排列方式决定。气缸垂直放置称为立式，水平放置称为卧式，几个气缸互相配置成L型，V型或W型的称为角式。
往复式压缩机选用根据输送气体的性能，生产所需排气量和排气压强决定。

本授课单元参考资料：《化工原理》上册，夏清，陈常贵主编

姚玉英编, 《化工原理学习指南----问题与习题解析》姚玉英等编