化工原理(第四版)王志魁_第二章_流体输送机械
化工原理-流体输送机械(第二章)
第2章 流体输送机械
2.1 离心泵 2.1.1 离心泵的工作原理和主要部件 2.1.2 离心泵的基本方程式
14
一、液体通过叶轮的流动
离心泵的基本方程式从理论上表达了泵的 压头与其结构、尺寸、转速及流量等因素之间 的关系，它是用于计算离心泵理论压头的基本 公式。
离心泵的理论压头是指在理想情况下离心 泵可能达到的最大压头。
HT
u22 g
u2 cot 2
gπD2b2
QT
20
二、离心泵基本方程的推导
H T
u22 u12 2g
12 22
2g
c22 c12 2g
H T
u2 c2
cos 2
g
HT
u22 g
u2 cot 2
gπD2b2
QT
离心泵基本方程式
21
三、离心泵基本方程式的讨论
1. 叶轮的转速和直径
HT
u22 g
17
二、离心泵基本方程的推导
采用由离心力作功导出离心泵基本方程式。
根据伯努利方程，单位重量的理想液体通过 离心泵叶片入口截面1-1′到叶片出口截面2-2′ 所获得的机械能为
H T
Hp
HcLeabharlann p2 p1gc22 c12 2g
静压 头的 增量
动压 头的 增量
18
二、离心泵基本方程的推导
Hp
u22 u12 12 22
6
一、离心泵的工作原理
1-叶轮 3-泵轴 5-吸入管 7-滤网 9-排除管
2-泵壳 4-吸入口 6-底阀 8-排出口 10-调节阀
排出 口 叶 轮
泵 壳
泵 轴 吸入口
图2-1 离心泵装置简图
《化工原理》第二章 液体输送机械
第二节 离心泵
图2-8离心泵的特性曲线
第二节 离心泵
①qv -H 曲线 表示泵的扬程和流量的关系。曲线表明 离心泵的扬程随流量的增大而下降。
②qv -p轴 曲线 表示泵的轴功率和流量的关系。曲线 表明离心泵的轴功率随流量的增大而上升，当流量为零时 轴功率最小，所以离心泵启动时，为了减小启动功率应使 流量为零即将出口阀门关闭，以保护电机。待电机运转到 额定转速后，再逐渐打开出口阀门。
图2-1离心泵装置
示意图 1-叶轮；2-泵壳； 3-泵轴；4-吸入口； 5-吸入管；6-底阀； 7-滤网；8-排出口； 9-排出管； 10-调节阀
第二节 离心泵
泵在启动前,首先向泵内灌满被输送的液体，这种操 作称为灌泵。同时关闭排出管路上的流量调节阀，待电动 机启动后，再打开出口阀。离心泵启动后高速旋转的叶轮 带动叶片间的液体作高速旋转，在离心力作用下，液体便 从叶轮中心被抛向叶轮的周边，并获得了机械能，同时也 增大了流速，一般可达15～25m/s,其动能也提高了。当液 体离开叶片进入泵壳内，由于泵壳的流道逐渐加宽，液体 的流速逐渐降低而压强逐渐增大，最终以较高的压强沿泵 壳的切向从泵的排出口进入排出管排出，输送到所需场所， 完成泵的排液过程。
二、液体输送机械的分类
由于被输送液体的性质,如黏性、腐蚀性、混悬液的颗粒等都有 较大差别，温度、压力、流量也有较大的不同，因此，需要用到各种 类型的泵。根据施加给液体机械能的手段和工作原理的不同，大致可 分为四大类，如表2-1所示。
第一节 概 述
表2-1液体输送机械的分类
其中离心泵具有结构简单、流量大而且均匀、操作方 便等优点，在化工生产中的使用最为广泛。本章重点讲述 离心泵、往复泵，对其它类型的泵作一般介绍。
化工原理第二章 流体输送机械
3、适应被输送流体的特性
二、 流体输送机械的分类
输送液体——泵
1、流体根据输送介质不同
输送气体——风机或压缩机
动力式
2、根据工作原理不同 容积式
流体作用式
离心泵的外观
第一节 离心泵
一、 离心泵的工作原理和基本结构
1、离心泵的主要构造： （1）叶轮 ——叶片（+盖板）
1）叶轮
a)叶轮的作用 将电动机的机械能传给液体,使液体的动能有所提高。
一般都采用后弯叶片。2=25-30o
（4）理论流量
当离心泵确定，其β2、b2、D2一定，
当转速一定时，理论压头和流量呈直 线关系，
H A BqT
采用后弯叶片。2<90o，B>0，因此，H随q增大而减小。
3、实际压头
离心泵的实际压头与理论压头有较大的差异，原因在于流 体在通过泵的过程中存在着压头损失，它主要包括： 1）叶片间的环流 2）流体的阻力损失 3）冲击损失
H e K Bqv2 ——管路特性方程
对于气体输送系统，由于 常数 ，列伯努利方程以单位
体积为基准
HT
gZ
P
u 2 2
gH f
由于气体密度较小，位风压 gZ 一项一般可以忽略。
2、管路系统对输送机械的其他性能要求
1、结构简单，重量轻，投资费用低
2、运行可靠，操作效率高，日常操作费用低
理论压头、实际压头及各种压头损失与流量的关系为 H
q-H
实际压 头
实际压头和流量关系： H A BqT2
二、离心泵的主要性能参数和特性曲线
1、离心泵的主要性能参数
流量 q，泵单位时间实际输出的液体量，m3/s或m3/h。 压头 H，泵对单位重量流体提供的有效能量（扬程），m。 轴功率和效率p，电机输入离心泵的功率，单位W 或kW。 允许汽蚀余量 △h，泵抗气蚀性能参数，m 。
化工原理(第四版)习题解 第二章课件- 流体输送机械
第二章 流体输送机械离心泵特性【2-1】某离心泵用15℃的水进行性能实验，水的体积流量为540m 3/h ，泵出口压力表读数为350kPa ，泵入口真空表读数为30kPa 。
若压力表与真空表测压截面间的垂直距离为350mm ，吸入管与压出管内径分别为350mm 及310 mm ，试求泵的扬程。
解 水在15℃时./39957kg m ρ=，流量/V q m h =3540 压力表350M p kPa =，真空表30V p kPa =-（表压） 压力表与真空表测压点垂直距离00.35h m = 管径..12035031d m d m ==，流速 / ./(.)1221540360015603544V q u m s d ππ===⨯. ../.221212035156199031d u u m s d ⎛⎫⎛⎫==⨯= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭扬程 222102M V p p u u Ηh ρg g--=++ ()(.)(.)....⨯--⨯-=++⨯⨯332235010301019915603599579812981....m =++=0353890078393 水柱【2-2】原来用于输送水的离心泵现改为输送密度为1400kg/m 3的水溶液，其他性质可视为与水相同。
若管路状况不变，泵前后两个开口容器的液面间的高度不变，试说明：(1)泵的压头（扬程）有无变化；(2)若在泵出口装一压力表，其读数有无变化；(3)泵的轴功率有无变化。
解 (1)液体密度增大，离心泵的压头（扬程）不变。
（见教材） (2)液体密度增大，则出口压力表读数将增大。
(3)液体密度ρ增大，则轴功率V q gHP ρη=将增大。
【2-3】某台离心泵在转速为1450r/min 时，水的流量为18m 3/h ，扬程为20m(H 2O)。
试求：(1)泵的有效功率，水的密度为1000kg/m 3; (2)若将泵的转速调节到1250r/min 时，泵的流量与扬程将变为多少？解 (1)已知/,/V q m h H m kg m ρ===331820 1000水柱， 有效功率 .e V P q gH W ρ==⨯⨯⨯=181000981209813600(2) 转速 /m i n 11450n r =时流量3118V q m h =／，扬程1220m H O H =柱 转速/m i n 21250n r = 流量 ./322111250181551450V V n q q m h n ==⨯= 扬程 .2222121125020149m H O 1450n H H n ⎛⎫⎛⎫==⨯= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭柱 管路特性曲线、工作点、等效率方程【2-4】用离心泵将水由敞口低位槽送往密闭高位槽，高位槽中的气相表压为98.1kPa ，两槽液位相差4m 且维持恒定。
化工原理第二章_流体输送机械-学习要点
2.1离心泵 (Centrifugal Pump)
2.1.4 工作点 ( The Duty Point )
泵特性曲线：泵的输出压头与输送液体流量之间的 关系曲线。 管路特性曲线：在特定管路系统中，输送液体流量 与所需压头的关系。 The duty point of the pump is the point of intersection of the characteristic curve of the pump and the characteristic curve of the pipeline. 工作点：反映了离心泵安装在特定管路中的实际工作状态
2. 缺点：变频器价格昂贵，投资费用增加。
2.1离心泵 (Centrifugal Pump)
2.1.5 流量调节 ( flow rate Adjustment )
离心泵并联操作
1、若管路特性（曲线、方程）不变； 2、H=H1=H2，Q=2Q1=2Q2，泵特性曲线横向延展； 3、工作点向右上移动，Q↑，H↑； 4、泵并联后的流量，小于单泵操作时流量的2倍； 5、主要用于增加流量，也可以作为备用泵。 离心泵串联操作 1、若管路特性（曲线、方程）不变； 2、H=2H1=2H2，Q=Q1=Q2，泵曲线向上移动； 3、工作点向右上移动，Q↑，H↑； 4、泵串联联后的扬程，小于单泵操作时扬程的2倍； 5、主要用于增加扬程。
2.Байду номын сангаас离心泵 (Centrifugal Pump)
2.1.2 主要部件及工作原理 (Component and Principle) 离心泵安装、操作注意事项
1. 泵前、泵后安装压力表，观察泵启动、工作是否正常； 2. 离心泵安装高度应适当，防止发生气蚀现象（液体在叶轮中心处吸 入离心泵，若此处压力pk太低，低于液体饱和蒸气压，液体发生气
化工原理(第四版)习题解第二章流体输送机械
第二章 流体输送机械离心泵特性【2-1】某离心泵用15℃的水进行性能实验，水的体积流量为540m 3/h ，泵出口压力表读数为350kPa ，泵入口真空表读数为30kPa 。
假设压力表与真空表测压截面间的垂直距离为350mm ，吸入管与压出管内径别离为350mm 及310 mm ，试求泵的扬程。
解 水在15℃时./39957kg m ρ=，流量/V q m h =3540 压力表350M p kPa =，真空表30V p kPa =-（表压） 压力表与真空表测压点垂直距离00.35h m = 管径..12035031d m d m ==，流速 / ./(.)1221540360015603544V qu m s d ππ===⨯. ../.221212035156199031d u u m s d ⎛⎫⎛⎫==⨯= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭扬程 222102M V p p u u Ηh ρg g--=++ ()(.)(.)....⨯--⨯-=++⨯⨯332235010301019915603599579812981....m =++=0353890078393 水柱【2-2】原先用于输送水的离心泵现改成输送密度为1400kg/m 3的水溶液，其他性质可视为与水相同。
假设管路状况不变，泵前后两个开口容器的液面间的高度不变，试说明：(1)泵的压头（扬程）有无转变；(2)假设在泵出口装一压力表，其读数有无转变；(3)泵的轴功率有无转变。
解 (1)液体密度增大，离心泵的压头（扬程）不变。
（见教材） (2)液体密度增大，那么出口压力表读数将增大。
(3)液体密度ρ增大，那么轴功率V q gHP ρη=将增大。
【2-3】某台离心泵在转速为1450r/min 时，水的流量为18m 3/h ，扬程为20m(H 2O)。
试求：(1)泵的有效功率，水的密度为1000kg/m 3; (2)假设将泵的转速调剂到1250r/min 时，泵的流量与扬程将变成多少？解 (1)已知/,/V q m h H m kg m ρ===331820 1000水柱， 有效功率 .e V P q gH W ρ==⨯⨯⨯=181000981209813600(2) 转速 /min 11450n r =时流量3118V q m h =／，扬程1220m H O H =柱转速/min 21250n r =流量 ./322111250181551450V V n q q m h n ==⨯= 扬程 .2222121125020149m H O 1450n H H n ⎛⎫⎛⎫==⨯= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭柱 管路特性曲线、工作点、等效率方程【2-4】用离心泵将水由敞口低位槽送往密闭高位槽，高位槽中的气相表压为，两槽液位相差4m 且维持恒定。
化工原理(第四版)习题解 第二章 流体输送机械
第二章 流体输送机械离心泵特性【2-1】某离心泵用15℃的水进行性能实验，水的体积流量为540m 3/h ，泵出口压力表读数为350kPa ，泵入口真空表读数为30kPa 。
若压力表与真空表测压截面间的垂直距离为350mm ，吸入管与压出管内径分别为350mm 及310 mm ，试求泵的扬程。
解 水在15℃时./39957kg m ρ=，流量/V q m h =3540 压力表350M p kPa =，真空表30V p kPa =-（表压） 压力表与真空表测压点垂直距离00.35h m = 管径..12035031d m d m ==，流速 / ./(.)1221540360015603544V qu m s d ππ===⨯扬程 222102M V p p u u Ηh ρg g--=++ 【2-2】原来用于输送水的离心泵现改为输送密度为1400kg/m 3的水溶液，其他性质可视为与水相同。
若管路状况不变，泵前后两个开口容器的液面间的高度不变，试说明：(1)泵的压头（扬程）有无变化；(2)若在泵出口装一压力表，其读数有无变化；(3)泵的轴功率有无变化。
解 (1)液体密度增大，离心泵的压头（扬程）不变。
（见教材） (2)液体密度增大，则出口压力表读数将增大。
(3)液体密度ρ增大，则轴功率V q gHP ρη=将增大。
【2-3】某台离心泵在转速为1450r/min 时，水的流量为18m 3/h ，扬程为20m(H 2O)。
试求：(1)泵的有效功率，水的密度为1000kg/m 3; (2)若将泵的转速调节到1250r/min 时，泵的流量与扬程将变为多少？解 (1)已知/,/V q m h H m kg m ρ===331820 1000水柱， 有效功率 .e V P q gH W ρ==⨯⨯⨯=181000981209813600(2) 转速 /m i n11450n r =时流量3118V q m h =／，扬程1220m H O H =柱 转速 /m i n 21250n r = 流量 ./322111250181551450V V n q q m h n ==⨯=扬程 .2222121125020149m H O 1450n H H n ⎛⎫⎛⎫==⨯= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭柱 管路特性曲线、工作点、等效率方程【2-4】用离心泵将水由敞口低位槽送往密闭高位槽，高位槽中的气相表压为98.1kPa ，两槽液位相差4m 且维持恒定。
化工原理第二章 流体输送机械 (1).
第二章 流体输送机械
2.1.3 离心泵的特性曲线-改变与校正
3.转速n对特性曲线的影响
泵的特性曲线是在一定转速下测得，实际使用时会遇 到n改变的情况，若n变化 <20%，可认为液体离开叶轮时
2 不变,泵的效率不变(等效率)，则： 的速度三角形相似，
qv c2 u2 n qv n2 qv n1
p u 2 H f g 2g
第二章 流体输送机械
管路特性曲线方程的推导
2 qv 2 l l u H f 4 d 2g 2g d
当pKpv,叶轮中心液体汽化汽泡被抛向外围
压力升高>pv 汽泡破裂，蒸汽凝结
局部真空 周围液体高速冲向汽泡中心 撞击叶片(水锤) 叶片冲击与腐蚀
——汽蚀现象
第二章 流体输送机械
2.1.5 离心泵的安装高度
伴随现象： ①泵体振动并发出噪音；
②H , Q , 严重时不送液； ③水锤冲击和化学腐蚀，损坏叶片
表示的是管路流动所需要的最小外加压头；
4.高阻管路曲线陡(B大)；低阻管路曲线平缓(B小)。
第二章 流体输送机械
例 ：在内径为160mm、长度为280m的管路系统中，用离 心泵输送甲苯。已知该管路局部阻力的当量长度为 85m； 摩擦系数可取为0.03。若 为20m甲苯柱，试求管 路特性方程。 解： 因 Ｈ＝K＋BQ2 =12000 所以 Ｈ＝20+12000Q2 根据上式可绘管路特性曲线。
第二章 流体输送机械
2.1.5 离心泵的安装高度
1.汽蚀现象
液面较低的液体，能被吸入泵的进口，是由于叶轮将液体 从其中甩向外围，而在叶轮中心进口处形成负压（真空）。泵 内压强最低处是叶轮中心进口 K K 处，在 0 0 面与 K K 面之间到机械能衡算式并以 0 0 面为基准水平面，得： p0 pK uK 2 Hg H f (0 K ) g g 2g
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（1）理想压缩循环
压缩过程（1 2） 3）
绝热 等温
恒压排气过程（2
恒压吸气过程（4 1） 理想压缩循环功：
W Vdp S1234
p1
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p2
• 等温压缩
p1V1 p2V2 pV Const . p2 p2 W p1V1 ln p2V2 ln p1 p1
有效汽蚀余量ha 必需汽蚀余量hr
2 p1 u1 泵入口处压头 g 2 g
pV p1 u ha g
叶轮压力最低处压头
h hr 0.3
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pV 饱和蒸汽压头 g
pk g
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判别汽蚀条件： ha > hr , pk > pv时， 不汽蚀 ha ＝ hr , pk ＝ pv时，开始发生汽蚀 ha < hr , pk < pv时， 严重汽蚀
H
管路特性2
H2 H1 管路特性1
泵特性
qV qV理 qV
流量只与泵特性有关，
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而压头只与管路特性有关
——正位移特性
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③ 功率与效率 qV H g P ——往复泵的总效率，一般为0.65~0.85。 适用压头高、流量小的液体，但不能输送腐 蚀性大及有固体的悬浮液。
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qV 理 ASn
实际流量 qV V qV 理
V——泵的容积效率，在0.9~0.97之间。
——流量由泵特性决定，而与管路特性无关。
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流量调节方法： 1. 改变活塞的往复次数或冲程；
2. 旁路调节。
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② 压头（ 扬程） 在电机功率范围内，由管路特性决定。
离心泵铭牌上标注的性能参数均为最高效率点下之值。
离心泵的高效工作区： 92% max
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（二）离心泵性能的改变与换算
（1） 密度的影响
qV不变， H不变， 基本不变， P随 变化。
（2） 粘度的影响
H ， qV
,
，而 P
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（3） 离心泵转速的影响 当液体的粘度不大，转速变化小于20%时，认
二、离心泵的主要部件 （1） 叶轮
作用 ：将原动机的能量传给液体，使液体静压能
及动能都有所提高——给能装置
按结构分为：
开式
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半开（闭）式
闭式
4
（2） 泵壳 作用：汇集叶轮甩出的液体；
实现动能到静压能的转换——转能装置；
减少能量损失。 （3） 轴封装置 作用：防止高压液体沿轴漏出； 防止外界气体进入泵壳内。
第二章
分类：
流体输送机械
工作介质：液体——泵 气体——风机或压缩机 工作原理： 动力式(叶轮式)：离心式、轴流式等； 容积式（正位移式）：往复式、旋转式等； 流体作用式：喷射式。
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第一节
一、 离心泵的工作原理
叶轮
离心泵
泵壳
泵轴 底阀 吸入管路
1-叶轮；2-泵壳，3-泵轴； 4-吸入管；5-底阀；6-压出管 离心泵装置简图
为效率不变，有：
qV 2 n2 qV 1 n1
H2 n2 2 ( ) H1 n1
P2 n2 3 ( ) P1 n1
——比例定律
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13
五、离心泵的工作点与流量调节
（一）管路特性曲线
在截面1-1´与2-2 ´间列柏 努利方程，有：
p u2 H z H f g 2g
u2 0 其中： 2g
特定的管路系统： z 、 l le、d、 一定
操作条件一定：
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p一 定
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令
p H 0 z g
为一常数
2
l l e u 2 l le 1 qV 而 Hf d 2g d 2g d 2 4 8 l l e 2 2 qV 5 g d
H并 > H单
20
② 串联操作
H
B
H串 H单
A
qV单 qV串
qV
H串 < 2H单
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qV串 > qV单
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③ 组合方式的选择 如果单台泵所提供的最
大压头小于管路两端的
H
高阻
p ( z ) ，则只能 g
采用串联操作；
2 2
’
低阻
1 1
’
低阻时，并联优于串联；
高阻时，串联优于并联。
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pt~qV
pS~qV
~qV
P~qV
qV
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(三) 离心通风机的选用
1. 计算输送系统所需的全风压，再换算成标定状 态下的全风压； 1.2 0 pt 0 pt pt
2. 根据气体的性质及风压范围，确定风机的类型；
3. 根据qV、pt0 选风机的型号。
qV > qV需
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第二节
一、 往复泵
其他类型化工用泵
（一） 构造与工作原理
主要部件：泵缸、活塞
和单向活门。
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工作原理： ——活塞对流体直接做功，提供静压能 单动往复泵——流量不均匀
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双动往复泵：
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（二）往复泵的性能参数
① 流量
单动泵：理论流量
④ 轴功率P
轴功率P，有效功率Pe
Pe 100% P
而 Pe qV H g
W
kW
qV H 9.81 qV H 或 Pe 1000 102
qV H P 102
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kW
7
四、离心泵的特性曲线 （一）离心泵的特性曲线 H~qV 、P~qV 、~qV：厂家实验测定 一定转速、常压、20℃清水
（二）工作点 工作点：管路特性曲线与泵特性曲线交点。 解析法： 管路特性方程 泵特性方程 （三） 流量调节 改变管路特性：调出口阀门；
H f (qV ) H (qV )
改变泵特性： 调转速。
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(1) 改变出口阀门开度 关小出口阀 le 管特线变陡 工作点左上移
2
排出管路
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充液（灌泵）
排液: 出口切线方向
吸液：叶轮中心
由于泵内存有空气，空气的密度远小于液体 的密度，叶轮旋转产生的离心力小，因而叶轮中 心处所形成的低压不足以将贮槽内的液体吸入泵 内，此时虽启动离心泵，也不能输送液体，这种 现象称为气缚现象。 ——表明离心泵无自吸能力
2013-1-17 3
qVM1 qVM qVM2 qV
H M1 M M2
qV ,H 阀门消耗阻力，不经济。
特点：方便、快捷，流量连续变化；
适用：调节幅度不大，而经常需要改变的场合。
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(2) 改变泵的转速 n泵H～qV曲线上移 工作点右上移， H ， qV 特点：泵在高效率下工作， 能量利用经济;
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三、压缩机
（一）离心压缩机 特点：
• 多级（10级以上）；
• 大叶轮； • 高转速（n>5000rpm）
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（二）往复式压缩机
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1.工作过程
假设 • 理想气体； • 气体流经吸气、排气阀时流动阻力忽略不计； •压缩机无泄漏。
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p2 1 2 1 2 z1 g u1 We z2 g u2 Σh f 2 2 p1
以单位体积的气体为基准
pt We ( z2 z1 ) g ( p2 p1 )
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2
2 2 (u2 u1 ) Σhf
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( z2 z1 ) g 0
p1V1k p2V2k pV k Const . p2 T2 T1 p1
k 1 k
• 绝热压缩
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三、离心泵的主要性能参数 ① 流量 qV
单位时间内泵所输送液体的体积，m3/s或 m3/h。
② 压头或扬程 H 单位重量的液体经泵后所获得的能量，J/N或m液柱。 ③ 效率 容积损失；水力损失；机械损失 一般，小型泵，效率为60~85%，大型泵效率可 达90%。
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（二）性能参数与特性曲线
1. 性能参数
（1）风量qV 单位时间从风机出口排出的气体体积， m3/h或 m3/s。 注意： qV应以风机进口状态计。
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（2）全风压pt与静风压ps 全风压：单位体积的气体经风机后所获得的能量，
Pa或mmH2O
以单位质量的气体为基准
认为流体流动进入阻力平方区，变化较小 。
令
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8 l le k 2 g d5
亦为一常数
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则
2 H H 0 kqV
——管路特性方程
管路特性曲线
工作点
H
p z g
泵特性曲线 qV
管路特性曲线反映了被输送液体对输送机械的 能量要求
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七、离心泵的类型与选用
（一） 离心泵的类型
（1） 清水泵（ IS型、D 型、Sh型 ） （2）耐腐蚀泵（F型） （3）油泵（Y型）