化工装置基础理论知识教材(设备)

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第四章 设备知识

流体机械的分类

1.按能量转换分类：

a.原动机。将流体的能量转变为机械能，用来输出功率。

b.工作机：将机械能转变成流体的能量。用来改变流体的状态与输送流体。本课程所指流体机械均为工作机。

2.按流体介质分类。

a.泵：用来给液体增压与输送液体的机械

b.压缩机：用来给气体增压与输送气体的机械。

c.分离机：用机械能将混合介质分离开来的机械。

3.按流体机械结构特点分类：

a.往复式结构的流体机械；（如往复式压缩机、往复式泵）

主要运动部件是在缸中作往复运动的活塞。

b.旋转式结构的流体机械。（各种回转式、各种轮式的压缩机和泵以及分离机等）。主要运动部件是转轮或转鼓。

4.流体机械的用途

流体机械在国民经济众多的物质产品生产中，如煤炭、石油化工、电力、冶金、机械、建筑、交通运输、医药、食品、城市给排水、农田灌溉、环境治理、航空航天、国防装备等都有着广泛而重要的用途。

4.1泵

1. 1泵的分类

泵的定义:泵是把机械能转化成液体的能量,用来增压输送液体得机械。

泵的分类:

(1)按工作原理和结构形式分: (三大类)

a. 叶片式泵: 包括离心泵、轴流泵、混流泵、旋涡泵

b. 容积式泵: 往复泵: 活塞泵、柱塞泵、隔膜泵

回转泵: 齿轮泵、螺杆泵、滑片

c. 其他类型的泵: 喷射泵、水锤泵、中空泵

（2）按其形成流体压力分三类:

低压泵(<2Mpa) 中压泵(2～6Mpa) 高压泵(>6Mpa)

1. 2泵的用途

泵的用途很广,如水利工程、农田灌溉、石油化工、采矿、造船、城市给排水和环境工程等。

化工生产用泵,由于其工作条件要求高压、高温、输送的介质往往有腐蚀性,所以比一般的水泵复杂一些。

在各种泵中，离心泵以其流量,扬程及性能范围大,并且结构简单,体积小，重量轻,操作平稳,维修方便等优点应用最广。 2

4.2 离心泵的典型结构与工作原理

1．离心泵的典型结构,分类及命名方式

1.1离心泵的典型结构

主要部件: 叶轮、转轴、吸入室、蜗壳、轴风箱和密封环等。

吸入室: 把液体从吸入管吸入叶轮, 使液体流入叶轮时速度分布均匀且流动损失小

叶轮: 作功元件,使液体获得压力能和动能。

蜗壳: 把从叶轮流出的液体收集起来,以便送出排气管,以减少流动损失,减速增压。

1.2离心泵的分类

（1）.按流体吸入叶轮的方式分类:

a. 单吸式泵 b.双吸式泵

（2）.按级别分类:

a. 单级泵 b.多级泵 (书上实例为热油泵,八级)

（3）.按泵体形式分类:

a. 蜗壳泵: 壳体成螺旋形状

b. 筒形泵: 外形为筒形结构,能承受高压

还有其他的分类方法:例如

（3）.按泵的扬程分:

a. 低压泵(<20MH2O) b.中压泵(20～160MH2O) c. 高压泵(>160MH2O)

1.3离心泵的命名方式

多级泵的级数泵的吸入口直径，新产品mm，老产品标英寸数用汉语拼音标出泵的基本形式新产品标扬程，老产品标（比转数/10）取整（单级扬程）泵的类型(A、B、C分别为叶轮外径经过一、二、三次切割）2.离心泵的工作原理及基本方程

⑴离心泵的工作过程：

离心泵在启动之前，泵内应灌满液体，即灌泵。启动后，原动机带动叶轮旋转，叶轮上的叶片迫使液体一起旋转而产生离心力，使液体沿叶片流到甩向叶轮出口。经叶轮送入排出管，与此同时，叶轮入口由于液体不断被甩出而形成低压，在吸液管和叶轮入口中心线处地液体之间就产生了压差，这样吸液罐中的液体便在压差的作用下，不断的进入叶轮之中，从而使泵不断地工作。 3 注意：倘若不灌泵的话，泵内的原有空气的密度远小于液体的密度，气体通过离心泵的压升很小，也即在入口的真空度很低，往往不足以吸进液罐中的液体，因而离心泵无法工作。

⑵离心泵的工作原理：

输出的介质为不可压缩的液体，因而有其自身的特点：即流动过程中不考虑温度和密度的变化，是个水力过程。液体泵中流动遵守三个基本方程：

⑴欧拉方程：gCuCuHuut/)(1122或gCCgwwguuHt222212222212122

a. 斯陀道拉公式：guZctguCHAArt/)sin1(222222

b. 普夫莱德公式：)1/(pHHHttt

⑵伯努利方程：)(222SDsDSDZZgccgppH

D表示出口，S表示入口

⑶连续性方程：

各截面的质量流量相等。

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4.3 离心泵的工作特性

1．离心泵的性能参数

⑴．流量：单位时间内泵输送出去的液体量。用vq表示容积流量，用mq表示质量流量

qqqvvt

tvq表示泵的理论流量，

vq指单位时间内流入泵作功部件里的流量，

q表示泄漏量

（2）.扬程(H)：单位重量的液体从泵进口到泵的出口处能量的增量，即1N的液体通过泵所获得的有效的能量。用H表示， 单位m

理论扬程tH：做功元件对流经叶轮的单位重量液体所做的功。

hHHhydt

由扬程的定义，可知

inoutEEH

因为总的机械能 ZgcgpE22

所以 )(222SDsDSDZZgccgppH

又因为2Dc与2Sc之差不大，DZ与SZ之差也不大，所以扬程主要体现在第二项，即流体压力的提高。

⑶．转速（n）:单位时间泵的转数，r/min。

⑷．气蚀余量：NPSH单位m 是指液流自吸液罐经吸入管到达泵吸入口后，高出汽化压力vp所富余的那部分能量头。

判断汽蚀产生的条件：⑴有效汽蚀余量： aNPSH ⑵泵必需的汽蚀余量 rNPSH

若raNPSHNPSH泵不发生汽蚀

若raNPSHNPSH泵开始发生汽蚀

若raNPSHNPSH泵严重汽蚀 5

⑸．功率

泵的功率：通常指原动机传到泵轴上的轴功率N (KW,W)

泵的有效功率：是单位内从泵中输出去的液体在泵中获得的有效能量。用eN表示

1000HgqNve KW

（6）效率：泵的效率即是NNe,它表明泵中能量损失的程度。

泵中能量损失一般分三种：

①.容量损失：流量泄漏造成的能量损失。

②.水利损失（即流动损失）

③机械损失：摩擦引起的能量损失。

所以有三种效率：

①．容积效率：

tvvvqq

容积效率是衡量密封好坏的指标

②．水力效率：

thydHH

水力效率是衡量流径泵的阻力损失大小的指标。

③. 机械效率：

NHgqNNNtvmmt

它是衡量泵工作的机械损失的大小的指标。

泵的总效率： mhydvtvtvveNHgqHHqqNgqHNNtt

2．离心泵的性能及调节

2.1离心泵的运行特性

⑴泵的特性曲线： [vqH~曲线，vqN~曲线，vq~曲线，vrqNPSH~曲线]

①vqH~曲线，是选择和使用泵的主要依据，有三种形状： 6

a. 单调下降形或陡降形。随着qv的增加，H下降很快。

对于输送易于堵塞管路的液体介质，常需要这类泵。例如：造纸厂生产的纸浆的输送。

b. 平坦形，随着qv的变化，H的变化不大。

当采用阀门调节流量时，灵敏性极高，调节损失小。向锅炉内供水的泵应具有此种特性。

c. 驼降形，这种泵易发生不稳态现象，但其效率高，成本低。

②vqN~曲线，是合理选择原动机功率和操作启动泵的依据。

a. 下降型。0vq时N有最大值。所以此类泵不宜采用封闭启动,应打开出口阀启动，而且泵配备的电机功率应大些。（如下图）

b. 平坦型。（如下图）

c. 上升型。0vq时N有最小值称为封闭功率。此种泵可采用关闭出口阀封闭启动，减少泵的启动功率。（如下图）

③vq~曲线，泵的效率曲线一般都有最高点。 7

a. 高效率区窄，此类泵的流量调解范围有限。

b. 高效率区宽，此类泵有较宽的流量调解范围，适合于流量变化大的情况。

④vrqNPSH~曲线，是检查泵的工作是否发生汽蚀的依据。

通常是按最大流量下的rNPSH,考虑安全余量及吸入装置的有关参数来确定泵的安全高度。随着vq的增长，rNPSH也增加。

NPSHrq

2.2离心泵运行工况的调节

将改变泵的运行工况点的操作称为泵的调节，泵的调节有三种途径：

⑴改变泵的性能曲线调节。

a. 改变转速调节。 当调节转速，使12nn时，工况点由1变为2。这种方法多用于大型泵的流量调节。 8

b.切割叶轮的外径调节。泵的性能曲线向左下方平移。

D2′为切割后的外径，当D2′

此方法是不可逆过程，所以不适用于流量经常需要调节的场合。

c. 改变前置导叶叶片角度调节

在叶轮前安装可以调节叶片角度的前置导叶，即可改变叶轮进口前的液体，绝对速度进而改变扬程和流量。

d. 改变半开式叶轮叶片端部间隙的调节

间隙大则泵的流量减少，那么扬程也降低。

e. 泵的并联成串联调节

并联增加流量；串联增加扬程。当泵为并联或串联工作时，为了改变流量，可以采用减少 装置中运转泵的台数的方法来适应流量变化的要求。

下图为三台性能相同的泵并联时工作特性，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别表示1台2台和3台，可以看出运转的台数不同，流量不同。