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化工原理2
2概述
本章主要讨论如何根据生产方面的具体要求选用合适的流体输送设备。
流体输送设备:
对流体做功以完成输送任务的机械或设备。
流体输送设备是化工厂和其它领域最常用的机械设备。
为液体提供能量的输送设备称为泵。
为气体提供能量的输送设备则按不同情况分别称为机或泵,按不同情况一般分别称为通风机、鼓风机、压缩机和真空泵。
生产上对流体输送的要求差别很大:
输送的流体流量和压头各不相同;
流体种类繁多、性质千差万别;
温度、压力等操作条件也有较大的差别。
为了适应生产上各种不同的要求,所以输送设备的型式是多种多样的,规格更是十分广泛。
2.1离心泵
离心泵是一种最常用的液体输送设备。
离心泵的类型很多:
用于输送不同种类的液体有清水泵、热油泵、耐腐蚀泵等。
为达到不同的流量、压头范围在泵的构造上有单吸和双吸的,有单级和多级的;若按泵轴的位置则还可以分为立式和卧式的等等。
2.1.1离心泵的基本结构、工作原理与性能参数
2.1.1.1离心泵的基本结构与工作原理
(1)
离心泵的基本结构(如图所示)
离心泵的工作原理
泵在启动时注意避免发生"气缚"现象。
2.1.1.1离心泵的基本结构与工作原理
(2)
叶轮是离心泵的心脏部件。
叶轮按叶片两侧有无盖板分为:
敞式、半蔽式和蔽式叶轮。
如图2.1.2所示。
叶轮按吸入方式分:
单吸式及双吸式如图2.1.3所示。
泵的附属设备:
单向底阀、滤网、出口调节阀等。
2.2离心泵的基本方程
.2.1液体在叶轮中的运动及其简化假设
液体在叶轮中的运动情况是相当复杂的。
为便于分析作以下两点假设:
(1)叶片数目无限多,且无厚度。
(2)液体为理想流体。
根据上述假设,在叶轮中液体的任意质点,有一圆周速度u和相对速度ω,如图。
液体质点相对于泵壳的运动速度为绝对速度,用c表示,则有:
由上式三个速度构成速度三角形。
在速度三角形中,β称为叶片安装角。
根据余弦定理:
绝对速度c又可分解为两个分量,即
径向分量cr=csinα
圆周分量cu=ccosα
由图2.2.1可以看出
cu=ccosα=u–crctgβ
2.2.2离心泵基本方程的推导
如图2.2.5,以静止的物体为参考系,从截面1运动到截面2对叶轮进出口流动截面机械能衡算式,则有:
(2.2.8a)
式中
为静压头的增量,它包括以下两部分:
(1)离心力产生的压头Hc
(2.2.9)
(2)流道扩大所引起的压头增高Hp
(2.2.11)
化简后得
(2.2.14)
如果我们选用适当的β,或采取适当的入口导流措施使得
,可得离心泵的基本方程:
2.2.3离心泵基本方程的讨论
(1)离心泵理论流量对理论压头的影响
为了找出理论压头H∞与理论流量QT之间的关系,应先求出QT。
(2.2.17)
将式(2.2.17)代入式cu=ccosα=u-crctgβ(2.2.7)求cu2,然后代入离心泵的基本方程得H∞随QT而变的直线方程:
(2.2.20)
H∞随QT而线性变化,其斜率主要决定于叶片安装角β2,它反映了叶片弯曲方向对泵理论压头的影响。
(2)泵理论压头与叶片弯曲方向的关系
图2.2.3表示了具有不同弯曲方向的三种叶片及其所对应的速度三角形。
从式(2.2.20)可以看出:
若β2<90°,称为后弯叶片;H∞随QT的增加而减小。
若β2=90°,称为径向叶片,H∞与QT无关。
若β2>90°,称为前弯叶片,H∞随QT的增加而加大。
不同弯曲方向的三种叶片分析可知,在离心泵和大型风机中,为获得较高的效率,多是采用后弯叶片。
2.2.3离心泵的效率和实际压头
2.2.3.1离心泵的效率
现在将控制体扩展到泵壳的内表面和轴承、轴封等处,而且叶轮的叶片为有限多,输送的是实际液体。
泵的实际压头与实际流量均小于理论压头和理论流量。
离心泵的实际压头与实际流量,简称为离心泵的压头和流量。
泵内损失包括以下几部分:
(1)水力损失
实际流体流经泵内将损失部分机械能,这部分损失称为水力损失。
其中包括环流损失、摩擦损失以及冲击损失。
(a)环流损失主要和叶片的几何形状,叶片数目等有关.而几乎与流量的大小无关。
(b)摩擦损失与流量平方成正比。
(c)冲击损失在设计状态下为零,在非设计状态下与流量的平方成比例。
(2)容积损失
叶轮出口处压力高而进口处压力低,在此压差作用下,一部分高压液体将通过旋转叶轮与泵体之间的缝隙而泄漏至吸入口。
为了提高容积效率,如前所述:
通常在叶片两侧装设前后盖板(盘面),即将叶轮制成蔽式。
但当输送浆料或含有固体悬浮物的液体时,仍宜采用敞式或半蔽式叶轮。
蔽式或半蔽式叶轮在工作时,为压力平衡,在叶轮后盖板上钻几个平衡孔。
(3)机械损失
包括联轴器、轴承、轴封装置以及液体与高速转动的叶轮前后盘面之间的摩擦损失等。
并用机械效率ηm反映该项损失的大小。
综合以上各种因素的影响可得离心泵的总效率η
(2.2.21)
2.2.3.2离心泵的实际压头
由上述的讨论可知,离心泵的各种损失将导致实际压头低于理论压头。
当叶片为无限多时,其理论压头H∞为最大,如图2.2.9中H∞~QT直线所示。
若叶片为有限多时,压头将下降。
如图。
实际压头与实际流量关系如H∞~Q所示
环流损失hc
冲击损失hs
摩擦损失hf
容积损失hQ
目前,因泵内流动的各种损失尚不能用计算的方法来确定,所以,各种性能曲线只能通过实验的方法获得。
2.2.4.1离心泵的特性曲线
压头与流量的关系是离心泵的主要特性,对离心泵的正确选用和操作具有重要意义。
通常将H∞~Q、η~Q和P~Q三条曲线称为离心泵的特性曲线。
特性曲线或工作性能曲线由泵制造厂实测,并列于泵样本中。
如图。
各种型号的离心泵各有以下的共同点:
(l)H∞~Q曲线表示泵的压头H在较大流量范围内是随流量增大而减小。
(2)P~Q曲线表示泵的轴功率P,一般随流量增大而增大。
(3)η~Q曲线表示泵的效率,有一最高点,称为设计点。
流量过大或过小,效率都将降低。
最高效率点对应的Q、H及P值称为最佳工况参数。
一般高效区为不低于最高效率的92%的范围。
2.2.4.2离心泵特性曲线的实验测定
实验可在如图2.2.10所示的装置中进行。
在截面l与2间列机械能衡算式
实验中要测定的数据通常为:
泵进口处压强p1,出口处压强p2,流量Q和轴功率P。
实验步骤如下:
测定开始时,先将出口阀关闭。
然后逐渐开启阀门,改变其流量,测得一系列的流量Q,及其相应的压头H和轴功率P。
将H~Q、P~Q及η~Q曲线绘制在同一张坐标纸上,即为一定型式离心泵在一定转数下的特性曲线。
例2.21采用图2.2.10所示的装置,获得泵的特性曲线。
2.2.4.3液体物性对离心泵特性曲线的影响
制造厂所提供的离心泵特性曲线总是在一定转数和常压下,以常温(一般为20℃)清水为工质通过实验测得的。
在化工生产中,所输送的液体的物性常常与其实验条件下的水有较大的差异。
为此应进行适当的换算。
现仅就液体的粘度及密度的影响讨论如下:
(1)液体粘度对特性曲线的影响
被输送的液体粘度若远大于常温下清水的粘度,H~Q曲线将随Q之增加而更为急剧地下降,泵的特性曲线发生了改变,改变的程度难以用理论方法推算。
此时可利用算图2.2.11、图2.2.12计算最高效率点处Q、H、η的修正系数,对特性曲线上读出的值进行修正。
对特性曲线上读出的值进行修正
(2)密度对P~Q曲线的影响
由离心泵的基本方程式看出,离心泵的压头与流量之间的关系和液体的密度无关,且泵的效率亦不随液体的密度而改变,所以H~Q与η~Q曲线保持不变。
但是泵的轴功率将随液体密度而改变,可按下式校正 。
(2.2.25)
2.2.4.4叶轮直径对特性曲线的影响
由离心泵基本方程及其讨论可知:
当转速一定时,泵的压头、流量均和叶轮直径有关。
对同一型号的泵,可采用切削法改变泵的特性曲线。
这时可得:
(2.2.26)
(2.2.27)
(2.2.28)
式中H,P分别为泵的压头和功率;
式(2.2.26)至(2.2.28)称为泵的切削定律。
利用这一关系,可作出叶轮切削后泵的特性曲线。
在产品说明书中,制造厂也常同时给出一、两种叶轮切削后泵的特性曲线。
若叶轮直径变化时,叶轮及其余尺寸亦随之相应变化,则称之为相似泵,其流量、压头和功率与叶轮直径之间的关系与切削定律不同,可参考有关专著。
2.4.5叶轮转速对特性曲线的影响
对同一台离心泵,若叶轮尺寸不变,但转速变化,其特性曲线也将发生变化。
设转速改变后,叶轮出口速度三角形,泵的效率近似保持不变,由式(2.2.17)和式(2.2.16)中的cr2、u2、c2均和转速n成正比,故可得到:
(2.2.29)
(2.2.30)
(2.2.31)
式中符号的意义与前同。
上述结果适用于转速的变化不大于20%的情况。
2.2.5离心泵的汽蚀现象和安装高度
2.2.5.1离心泵的汽蚀现象
当水由宽敞的地方向狭窄的地方以高速流进时,当压力降低到该水温下的饱和蒸气压力时,水就要汽化;此外,在水中还溶解少量空气,这时空气也要与水分离以气泡形式出现。
当所出现的这种蒸气或空气的气泡被带入高压区时,它们就要凝结或溶解于水中而消失掉。
在蒸气或气泡消失的时,将产生剧烈的冲击,引起振动和噪音。
如图2.2.17所示,随着流量的增大,泵的进口压力有可能降至所输送液体的饱和蒸气压力。
压力最低处常发生于叶轮内缘叶片的背面K处
当该处压力很低,使部分液体汽化生成大量气泡。
大量气泡进入叶片会产生离心泵的汽蚀。
离心泵在产生汽蚀时将发出高频噪音(600-25000Hz),泵体振动,流量不能再增大,压头和效率都明显下降,以至无法继续工作。
为避免汽蚀,泵的安装高度必须小于某一定值,以确保叶轮内各处压力均高于液体的饱和蒸气压。
2.2.5.2离心泵的汽蚀余量
(1)
选取泵的进口截面l-1为基准面,1-1截面与叶轮内压力最低处截面K-K列机械能衡算式,有:
(2.2.32)
当泵刚发生汽蚀时,pk等于所输送液体该处的饱和蒸气压ps,将式(2.2.32)变形为:
(2.2.33)
式(2.2.33)表明:
在泵刚发生汽蚀条件下,泵进口处液体的总压头
比液体饱和蒸气压对应的静压头
高出某一定值,这一差值称为泵的汽蚀余量,并以NPSH(NetPositiveSuctionHead)表示。
在不同的国际和国家标准中,基准面的选取是不同的,请参阅有关参考书。
参考书:
化工部化工设备设计技术中心站机泵技术委员会.工业泵选用手册,北京:
化学工业出版社.1998.
2.2.5.2离心泵的汽蚀余量
(2)
(1)必需汽蚀余量
必需汽蚀余量是泵的特性参数,依赖于泵的结构,是由泵的制造厂通过实验测定,如图2.2.15。
(2)装置汽蚀余量
当泵安装在装置中,可根据装置的参数和流量计算汽蚀余量,称作装置汽蚀余量或有效汽蚀余量或可用汽蚀余量,计作NPSHa,NPSHa与泵的结构无关。
(2.2.37)
理论上只要NPSHa>NPSHr,泵就不发生汽蚀。
(3)汽蚀曲线
NPSHa和NPSHr都是流量的函数,一般NPSHa随流量的增加而减小;NPSHr随流量的增加而增大,则通过这两条曲线可判断泵的无汽蚀区和汽蚀区,见图2.2.27。
(4)离心泵的NPSHa安全余量
为了为确保泵正常工作不发生汽蚀,离心泵的NPSHa必需有一个安全余量S,满足:
NPSHa-NPSHr≥S(2.2.38)
对于一般的离心泵S取0.6-1.0m。
对于一些特殊用途或条件下使用的离心泵,S的按参考资料取值
(5)其他汽蚀参数
吸上真空度Hs是从泵基准面算起的泵吸入口的真空度(以米液柱计),也称吸上真空高度。
国内老式泵的样本上以吸上真空度反映泵的汽蚀性能,现该指标已淘汰:
NPSHr≈10-Hs(2.2.41)
另外,反映泵的汽蚀性能的参数汽蚀比转数和吸入比转数,可参阅相应的参考书。
参考书:
化工部化工设备设计技术中心站机泵技术委员会.工业泵选用手册,北京:
化学工业出版社
2.2.5.3泵的安装高度
泵的安装高度也称泵的吸液高度,是指泵的基准面1-1高于吸入液面0-0的高度,如图2.2.13中的Z。
在一定流量下,泵存在极限安装高度称为泵的最大安装高度,以Zmax表示。
对图2.2.13中的液面0-0和叶轮内压力最低处K-K作机械能衡算:
(2.2.39)
为防止汽蚀,最大安装高度留有裕量S作为安全量后,称为允许安装高度,以[Z]表示之。
(2.2.40)
显然,为防止由于汽蚀而影响泵的正常工作,泵的实际安装高度Z应小于允许安装高度[Z]。
例2.2.3为泵安装高度计算示例
2.2.5.4防止汽蚀产生的方法
离心泵工作时不允许产生汽蚀,因此必须设法保证式(2.2.38)的成立;否则,买方(用户)应设法提高NPSHa值,或卖方(泵厂)应设法降低NPSHr值。
2.2.6.2离心泵的流量调节
(1)
在化工生产中,离心泵的流量调节是十分必要的。
离心泵的流量调节实际上是人为地改变其中一条或两条同时都改变其形状和位置,即可改变其工作点,达到调节的目的。
下面介绍几种较为常见的调节方法。
(1)节流调节法
节流调节法是在离心泵出口管线上安装调节流量用的阀门,管路特性曲线只能表示阀门开启程度一定时(例如全开时)的L~Q关系,因此,改变阀门开度就是改变管路特性曲线的形状和位置。
从而改变工作点。
节流调节法应用十分广泛。
节流调节法优点:
调节流量迅速方便
流量可以连续变化,适合化工连续生产的需要
节流调节法缺点:
在压头方面带来较大的额外消耗
2.2.6.2离心泵的流量调节
(2)
(2)改变泵性能曲线的调节法
改变离心泵的转速是改变泵的特性曲线来调节流量的一种重要方法,其实质是改变泵的特性曲线,如图2.2.22所示。
优点:
无多余能量损失
缺点:
需增添调速装置
更换不同直径的叶轮和车削叶轮外径的方法:
在较小范围内调节扬程和流量,离心泵还常常用更换不同直径的叶轮和车削叶轮外径的办法来改变泵的特性曲线,由于叶轮直径变化量较小,如前所述,可以认为叶轮更换前后出口的速度三角形相似,其特性曲线可按式(2.2.26)至(2.2.28)换算。
2.2.7离心泵的组合运转工况分析
(1)
在生产中,有时需要将多台泵并联或串联在管路中运转,目的在于增加系统中的流量或压头。
组合运转的工况分析用图解法较为方便。
下面以两台特性相同的泵为例,分析离心泵组合后的工况。
2.2.7.1并联运转
并联运转:
如图2.2.23所示的方式组合安装于管路中共同用于输送液体的方式
图2.2.23(b)介绍两台型号相同的泵的泵特性曲线的获得方法。
并联运转泵的流量Q并与压头H并自然由管路特性曲线与两泵并联合成特性曲线的交点d确定。
由图2.2.23可见,两泵并联后的流量Q并与原单台泵的流量Q相比虽然有较大的增加,但只要管路存在阻力损失,就不会增加到两倍。
两泵并联运转后的总效率与每台泵的流量Q1所对应的单泵效率相同,如图2.2.23所示。
2.2.7离心泵的组合运转工况分析
(2)
2.2.7.2串联运转
串联运转:
使用一台泵向另一台泵的吸入口供液,再由后者将液体送出的过程,则称为泵的串联运转。
图2.2.24介绍两台型号相同的泵的泵特性曲线的获得方法。
串联运转的总压头和总流量也是由工作点d所决定的。
因为串联后的总流量Q串必与串联组合中的每一台单泵的流量Q相等,所以总效率就是Q串所对应的单泵效率。
由图2.2.24可见,两台相同泵串联运转后的压头虽较一台泵单独使用时增高,但并不是增高一倍,
即Hd≠2Hc。
2.2.7.3离心泵两种组合方式的比较及其选择
由以上讨论可知,泵的并联、串联运转都可以提高流量和压头。
实际工况下选用哪一种组合方式?
如果管路特性方程中的
大于单泵所提供的最大压头,则必须采用串联运转。
在许多情况下是单台泵可以输送液体,只是流量过低而不能达到指定要求,此时,要看管路特性曲线所处的位置和形状。
对于低阻输送管路a,并联组合输送的流量、提供的扬程均比串联组合的大;
对于高阻输送管路b,串联组合输送的流量、提供的扬程均比并联组合的大;
一般来说,对于低阻输送管路,应选用并联组合,而在高阻输送管路系统中,则选用串联组合更为适宜,但在实际工程应用,几乎不采用串联操作的办法。
2.2.8离心泵的类型与选用
2.2.8.1离心泵的类型
离心泵种类繁多,相应的分类方法也多种多样,可按输送液体的性质分类,也可按离心泵的结构特点分类。
各种类型的离心泵自成一个系列,并以一个或几个英语或汉语拼音字母作为系列代号,在每一系列中,由于有各种不同的规格,因而附以不同的字母和数字来区别。
将每种系列泵的最佳工作范围绘于一张坐标图上称为型谱,如图2.2.26为IH型泵的型谱,系列型谱便于用户选泵又便于计划部门向泵制造厂提出开新产品的方向。
(1)按离心泵输送介质分类:
(a)清水泵适用于输送清水以及物理、化学性质类似于水的清洁液体,是最常用的离心泵,泵体和泵盖都是用铸铁制成。
(b)耐腐蚀泵输送酸、碱等腐蚀性液体时采用耐腐蚀泵,其主要特点是和液体接触的部件用耐腐蚀材料制成。
(c)油泵输送石油产品的泵称为油泵。
油品的特点之一是易燃易爆,因此要求油泵必须有良好的密封性能。
(d)杂质泵输送悬浮液及稠厚的浆液等常用杂质泵。
(2)按离心泵结构分类:
前面已介绍了单吸和双吸泵以及单级和多级泵,按结构不同还有:
(a)屏蔽泵屏蔽泵是一种无泄漏泵,它的叶轮和电机联为一个整体并密封在同一泵壳内,不需要轴封装置,又称为无密封泵。
(b)液下泵泵体安装在液体贮槽内。
其缺点是效率不高。
2.2.8.2离心泵的选用
离心泵的选用,通常可按下列原则进行:
(1)根据被输送液体的性质和操作条件,初步确定泵的系列及生产厂;
(a)根据输送介质决定选用清水泵、油泵、耐腐蚀泵、屏蔽泵等;
(b)根据现场安装条件决定选用卧式泵、立式泵(含液下泵、管道泵)等;
(c)根据流量大小选用单吸泵、双吸泵等;
(d)根据扬程大小选单级泵、多级泵、高度泵等。
(2)根据具体流量和压头的要求确定泵的可用型号;
在化工生产中,输送的液体流量和压头往往是变动的。
(a)采用操作中可能出现的最大流量作为所选泵的额定流量,如缺少最大流量值时,常取正常流量的1.1-1.15倍作为额定流量;
(b)取所需扬程的1.05-1.1倍作为所选泵的额定扬程;
(c)按额定流量和扬程,利用系列型谱图,初步选择1种或几种可用的泵的型号;
(3)校核和最终选型
按泵的性能曲线校核泵的额定工作点是否在高效工作区内;泵的汽蚀余量是否符合要求;若有几种型号的泵同时可用时,则应选择综合指标高者为最终的选择。
综合指标主要为:
效率(高者为优)、汽蚀余量(小者为优)、重量(轻者为优)、价格(低者为优)。
2.3容积式泵
容积式泵也叫正位移泵,是指依靠容积变化原理来工作的泵,即借助物体周期性的位移来增加或减少工作容积,从而进行能量传递的泵。
按照容积泵的运动方式,
容积式泵分为往复式和转动式容积泵;
2.3.1往复泵
2.3.1.1往复泵的工作原理
图2.3.1表示往复泵结构简图:
当活塞在外力的作用下从左侧向右运动时,泵缸内的工作容积增大而形成低压,排出阀在压出管内液体的压力作用下关闭,吸入阀则被泵外液体的压力推开,将液体吸入泵缸内。
当活塞移到右端,工作室的容积最大,吸入行程结束。
随后,活塞便自右向左移动,泵缸内液体受到挤压,压力增大,使吸入阀关闭而排出阀打开,并将液体排出。
活塞移至左端时,排液结束,完成了一个工作循环。
2.3.1.2往复泵的输液量
往复泵靠活塞在泵缸左右两端间作往复运动而吸入和压出液体。
活塞在两端点间移动的距离称为冲程,活塞往复一次的容积排量,叫冲程容积。
单缸单作用:
具有一个泵缸的往复泵。
这种泵的流量曲线如图2.3.2所示。
泵的排液量不均匀,还会额外引起惯性阻力,增加动力消耗。
为改善流量的不均匀性,于是有单缸双作用,双缸双作用或三个单缸单作用泵并联操作的三作用泵等多种型式。
单缸双作用往复泵的工作原理与单缸单作用相似。
使流量的波动程度进一步减小的方法很多。
单作用泵和双作用泵的平均理论流量QT分别为:
(2.3.1)
(2.3.2)
往复泵系正位移泵,QT=常数(2.3.3)
实际上,往复泵的实际流量Q小于理论流量。
往复泵的特性曲线见图2.3.6。
往复泵的工作点仍是泵特性曲线和管路特性曲线的交点,见图2.3.7,其压头只取决于管路系统的实际需要而与流量无关,可见,对于往复泵只要泵的机械强度及原动机功率允许,管路系统需要多高的压头即可提供多高的压头,所以,在化工生产中,当要求压头较高而流量不大时,常采用往复泵。
2.3.1.3往复泵的流量调节
往复泵的流量调节通常有三种方法:
改变冲程调节法
单位时间内活塞往复的次数调节法
旁路调节法
一般常采用安装回流支路或称为旁路的办法进行调节,如图2.3.8所示。
这种办法比较简便,但会引起一定能量损失。
必须注意的是排出阀和支路阀不可同时关闭。
往复泵的吸上真空高度:
往复泵的吸上真空高度亦随泵安装地区的大气压强、输送液体的性质和温度而变,所以往复泵的吸上高度也有一定的限制。
往复泵有自吸作用:
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