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输送气体的机械——风机和压缩机流体输送机械输送液体的机械——泵离心泵往复泵齿轮泵旋涡泵喷射泵（最常用）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。
离心泵离心泵蜗形泵壳：工作叶轮：单级泵多级泵（按叶轮的数目）——泵轴上只安装一个叶轮——同一泵轴上安装多个叶轮离心泵（按液体进入叶轮的方法）单吸泵双吸泵构造：分类：叶轮中有6~12片向后弯曲的叶片与泵轴之间有密封装置“轴封”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q v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P 1；在泵的压出口安装一个压力表，其绝对压力为P 2，两测压口之间的垂直距离为H o ，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z 1+p 1pgu 122g++He=z 2+p 2pgu 222g++h f∑两侧压点管路很短，∑h f 忽略不计，∴∑h f =0，z 1+p 1u 12He =z 2p 2 -u 22+-2g-ρg③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：N e ，单位：WN e =q v ρg H e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：N a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，Ne ηN a =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•N a 。
（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（q v ）、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(q v )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(q v )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(q v )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’=C Q Q H ’=C H H η’=C ηηCQ 、 CH 、 C η---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N =H Q 102ηρ假设: ①η’=η②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nn'-n×100%＜20%=n'nQQ'n'n=H'()2HN'Nn'n=()3授课时间：第八周（2008-4-14）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：u 0≈0，P 0=Pa ，Hg ：泵吸入口与贮池液面间的距离u 2g ++=u 2g ++ρg ρg 2g 21P 001Hf,0-1P H由此可见：最大吸入高度H 吸入与以下影响因素有关● 压强P A ：当贮液池为敞口时，P A 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。
● 压强P B ：泵吸入口的压强。
P B 越小，H 吸入越大。
当P B 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P B 必须大于被输送液体的饱和蒸气压。
刚发生气蚀时的（P A -P B ）称为允许吸入压差，（P A -P B ）/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]● 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P B 越大才不发生气蚀现象。
