第2章 流体输送机械
2.1 复习笔记
一、概述
离心泵：用以输送液体的机械。
用以输送气体的机械按不同的情况分别称为通风机、鼓风机、压缩机和真空泵等。
1．管路特性方程
式中系数K为
K由管路特性决定。当管内流动已进入阻力平方区，系数K是一个与管内流量无关的常数。
表明管路中流体的流量与所需补加能量的关系。管路特性方程如图2-1所示。图2-1中曲线称为管路特性曲线。
图2-1 管路特性曲线
低阻管路系统的特性曲线较为平坦（曲线1），高阻管路的特性曲线较为陡峭（曲线2）。
2．扬程定义
压头或扬程是指输送机械向单位重量流体提供的能量。
3．输送机械的分类
（1）动力式（叶轮式）：包括离心式、轴流式等；
（2）容积式（正位移式）：包括往复式、旋转式等；
（3）其他类型：指不属于上述两类的其他型式，如喷射式等。
二、离心泵
1．离心泵的工作原理
（1）离心泵的主要构件——叶轮和蜗壳
离心泵的主要工作部件是旋转叶轮和固定的泵壳（如图2-2所示）。叶轮是离心泵直接对液体做功的部件。
（2）工作原理
离心泵在工作时，叶轮由电机驱动作高速旋转运动（1000～3000r/min），迫使叶片间的液体作近于等角速度的旋转运动，同时因离心力的作用，在叶轮中心处吸入低势能、低动能的液体，液体在流经叶轮的运动过程中获得能量，在叶轮外缘可获得高势能、高动能的液体。液体进入蜗壳后，又将部分动能转化为势能，最后沿切向流入压出管道。在液体受迫由叶轮中心流向外缘的同时，在叶轮中心形成低压。液体在吸液口和叶轮中心处的势能差的作用下源源不断地吸入叶轮。
图2-2 离心泵装置简图
1－叶轮；2－泵壳；3－泵轴；4－吸入管；5－底阔；6－压出管
（3）离心力场中的机械能守恒
叶轮进、出口截面列出机械能守恒式如下。
（4）离心泵的理论压头
泵的理论压头HT和泵的流量之间的关系为
上式表示不同形状的叶片在叶轮尺寸和转速一定时，泵的理论压头和流量的关系。
（5）叶片形状对理论压头的影响
①叶片形状分类
根据叶片出口端倾角β2的大小，叶片形状可分为三种：径向叶片（β2＝90°）；后弯叶片（β2＜90°）和前弯叶片（β2＞90°）。叶片形状不同，离心泵的理论压头HT与流量qV的关系也不同（见图2-3）。
图2-3 离心泵的HT-qV关系
②不同类型叶片流量与理论压头的关系
对径向叶片，ctgβ2＝0，泵的理论压头HT与流量qV无关；对于前弯叶片，ctgβ2＜0，泵的理论压头HT随流量qV增加而增大；对于后弯叶片，ctgβ2＞0，泵的理论压头HT随流量qV增加而减小。
③叶片类型的选择
在所有三种形式的叶片中，前弯叶片产生的理论压头最高。但是，理论压头包括势能的提高和动能的提高两部分。相同流量下，前弯叶片的动能c22/2g较大，而后弯叶片的动能c22/2g较小。液体动能虽可经蜗壳部分地转化为势能，但在此转化过程中导致较多的能量损失。因此，为获得较高的能量利用率，离心泵总是采用后弯叶片。
（6）液体密度的影响
理论压头与液体密度无关。因此，同一台泵不论输送何种液体，所能提供的理论压头是相同的。
灌泵是指离心泵启动时须先使泵内充满液体。如果泵的位置处于吸入液面之下，液体可借位差自动进入泵内，则毋须人工灌泵。
（7）气缚现象
泵在运转时吸入管路和泵的轴心处常处于负压状态，若管路及轴封密封不良，则因漏入空气而使泵内流体的平均密度下降。若平均密度下降严重，泵将无法吸上液体。此称为“气缚”现象。
2．离心泵的特性曲线
（1）泵的有效功率及轴功率
泵的有效功率可由下式表示。
式中He——泵的有效压头，即单位重量流体自泵处净获得的能量，m；
qV——泵的实际流量，m3/s；
ρ——液体密度，kg/m3；
Pe——泵的有效功率，即单位时间内液体从泵处获得的机械能，W。
由电机输入离心泵的功率称为泵的轴功率。以Pa表示。有效功率与轴功率之比值定义为泵的（总）效率η，即
（2）离心泵的主要能量损失：
①容积损失是指叶轮出1:3处高压液体因机械泄漏返回叶轮入口所造成的能量损失；
②水力损失是由于实际流体在泵内有限叶片作用下各种摩擦阻力损失，包括液体与叶片
和壳体的冲击而形成旋涡，由此造成的机械能损失；
③机械损失则包括旋转叶轮盘面与液体间的摩擦以及轴承机械摩擦所造成的能量损失。
图2-4 离心泵的特性曲线
（3）离心泵的特性曲线
离心泵的特性曲线与离心泵的有效压头He（扬程）、效率η、轴功率Pa均与输液量qV有关，其间关系可用泵的特性曲线表示，分为H-Q，η-Q，N-Q三种。图2-4为离心泵的特性曲线。
（4）液体黏度对特性曲线的影响
泵制造厂所提供的特性曲线是用常温清水进行测定的，若用于输送黏度较大的实际工作介质，特性曲线将有所变化。
（5）转速对特性曲线的影响
离心泵的比例定律：
流量之比
扬程之比
轴功率之比
3．离心泵的流量调节和组合操作
离心泵的实际工作情况（流量、压头）是由泵特性和管路特性共同决定的。
离心泵的工作点若管路内的流动处于阻力平方区，安装在管路中的离心泵其工作点（扬程和流量）必同时满足：
管路特性方程 H＝f（qV）
泵的特性方程 He＝Ф（qV）
联立求解即得管路特性曲线和泵特性曲线的交点，见图2-5。此交点为泵的工作点。
图2-5 离心泵的工作点
如果工作点的流量大于或小于所需要的输送量，应设法改变工作点的位置，即进行流量调节。
（1）改变管路特性曲线：在离心泵出口处的管路上安装调节阀。改变阀门的开度即改变管路阻力系数可改变管路特性曲线的位置，使调节后管路特性曲线与泵特性曲线的交点移至适当位置，满足流量调节的要求。
（2）改变离心泵特性曲线：如改变转速等。用这种方法调节流量不额外增加管路阻力，而且在一定范围内可保持泵在高效率区工作，能量利用较为经济。这对大功率泵是重要的。
当需较大幅度增加流量或压头时可将几台泵加以组合。离心泵的组合方式原则上有两种：并联和串联。
①并联泵的合成特性曲线
设有两台型号相同的离心泵并联工作（图2-7），而且各自的吸入管路相同，则两泵的流量和压头必相同。因此，在同样的压头下，并联泵的流量为单台泵的两倍。
图2-6 改变泵特性曲线的调节
图2-7 离心泵的并联操作
由图2-7可见，由于管路阻力损失的增加，两台泵并联的总输送量qV并必小于原单泵输送量qV的两倍。
②串联泵的合成特性曲线
两台相同型号的泵串联工作时，每台泵的压头和流量也是相同的。因此，在同样的流量下，串联泵的压头为单台泵的两倍。
同理，串联泵的总流量和总压头也是由工作点a所决定。由于串联后的总输液量qV串即是组合中的单泵输液量qV，故总效率也为qV串时的单泵效率。
图2-8 离心泵的串联操作
③组合方式的选择
对于低阻输送管路，并联组合输送的流量大于串联组合；而在高阻输送管路中，则串联组合的流量大于并联组合。对于压头也有类似的情况。因此，对于低阻输送管路，并联优于串联组合；对于高阻输送管路，则采用串联组合更为适合。
4．离心泵的安装高度
（1）汽蚀现象
图2-9 离心泵的安装高度
泵的安装位置高至离液面0-0一定距离，首先在该处发生汽化现象。含气泡的液体进入叶轮后，因压强升高，气泡立即凝聚。气泡的消失产生局部真空，周围液体以高速涌向气泡中心，造成冲击和振动。另外气泡中还可能带有些氧气等对金属材料发生化学腐蚀作用。泵在这种状态下长期运转，将导致叶片的过早损坏。这种现象称为泵的汽蚀。为避免汽蚀现象，泵的安装位置不能太高，以保证叶轮中各处压强高于液体的饱和蒸气压。
（2）汽蚀余量
离心泵的临界汽蚀余量，以符号（NPSH）c表示：
实际汽蚀余量
NPSH必须大于临界汽蚀余量（NPSH）c一定的量。
当流量一定而且流动已进入阻力平方区（在通常情况下此条件可基本得到满足）时，临界汽蚀余量（NPSH）c只与泵的结构尺寸有关。
为确保离心泵工作正常，规定实际汽蚀余量NPSH要比（NPSH）r大0.5m以上。
（3）最大安装高度
在一定流量下，泵的安装位置越高，泵的入口处压强p1越低，叶轮入口处的压强pK更低。当泵的安装位置达到某一极限高度时，则P1＝p1，min，PK＝PV，汽蚀现象遂将发生。
最大允许安装高度[Hg]：
式中（NPSH）r即是泵产品样本提供的必需汽蚀余量。
5．离心泵的类型与选用
（1）常用离心泵
①清水泵；
②耐腐蚀泵 ；
③油泵 ；
④液下泵；
⑤屏蔽泵。
（2）离心泵的选用
①根据被输送液体的性质和操作条件确定泵的类型；
②根据具体管路对泵提出的流量和压头要求确定泵的型号。
三、往复泵
1．往复泵的作用原理
往复泵是通过活柱的往复运动直接以压强能的形式向液体提供能量的。
2．往复泵的类型
（1）按照往复泵的动力来源分类
①电动往复泵：电动往复泵由电动机驱动，是往复泵中最常见的一种。电动机通过减速箱和曲柄连杆机构与泵相连。把旋转运动转变为往复运动。
②汽动往复泵：汽动往复泵直接由蒸汽机驱动，泵的活塞和蒸汽机的活塞共同连在一根活塞杆上，构成一个总的机组。
（2）按照往复泵的作用方式分类
①单动往复泵：活柱往复一次只吸液一次和排液一次。
②双动往复泵：活柱两边都在工作，每个行程均在吸液和排液。
3．往复泵的流量调节
（1）正位移特性
往复泵的理论流量是由活塞所扫过的体积所决定，而与管路特性无关。而往复泵提供的压头则只决定于管路情况。这种特性称为正位移特性，具有这种特性的泵称为正位移泵。
离心泵可用出口阀门来调节流量，但对往复泵此法却不能采用。因为往复泵属于正位移泵，其流量与管路特性无关，安装调节阀非但不能改变流量，而且还会造成危险，一旦出口阀门完全关闭，泵缸内的压强将急剧上升，导致机件破损或电机烧毁。
（2）往复泵的流量调节方法
①旁路调节：因往复泵的流量一定，通过阀门调节旁路流量，使一部分压出流体返回吸入管路，便可以达到调节主管流量的目的。
图2-10 往复泵旁路调节流量示意图
1－旁路阀；2－安全阀
这种调节方法很不经济，只适用于变化幅度较小的经常性调节。
②改变曲柄转速和活塞行程：因电动机是通过减速装置与往复泵相连接的，所以改变减速装置的传动比可以更方便地改变曲柄转速，达到流量调节的目的。因此，改变转速调节法是最常用的经济方法。
四、其他化工用泵
1．非正位移泵
（1）轴流泵：轴流泵提供的压头一般较小，但输液量却很大，特别适用于大流量、低压头的流体输送。
（2）旋涡泵：旋涡泵的主要工作部分是叶轮及叶轮与泵体组成的流道。流道用隔舌将吸入口和压出口分开。叶轮旋转时，在边缘区形成高压强，因而构成一个与叶轮周围垂直的径向环流。在径向环流的作用下，液体自吸入至排出的过程中可多次进入叶轮并获得能量。旋涡泵的效率相当低，一般为20％～50％。
2．正位移泵
（1）隔膜泵：隔膜泵实际上就是活柱往复泵，系借弹性薄膜将活柱与被输送的液体隔开，这样当输送腐蚀性液体或悬浮液时，可不使活柱和缸体受到损伤。隔膜系采用耐腐蚀橡皮或弹性金属薄片制成。
（2）计量泵：在化工生产中，有时要求精确地输送流量恒定的液体或将几种液体按比例输送。计量泵能够很好地满足这些要求。隔膜式计量泵可用来定量输送剧毒、易燃、易爆和腐蚀性液体。
（3）齿轮泵：齿轮泵是正位移泵的另一种类型，其泵壳中有一对相互啮合的齿轮，将泵内空间分成互不相通的吸入腔和排出腔。
（4）螺杆泵：螺杆泵是泵类产品中出现较晚的、较为新型的一种。螺杆泵按螺杆的数目，可分为单螺杆泵、双螺杆泵、三螺杆泵和五螺杆泵。
3．各类化工用泵的比较与选择
表2-1 各类化工用泵的比较
五、气体输送机械
1．气体输送机械分类
（1）通风机
①轴流式通风机：轴流式通风机排送量大，但所产生的风压甚小，一般只用来通风换气，而不用来输送气体。化工生产中。在空冷器和冷却水塔的通风方面，轴流式通风机的应用还是很广的。
②离心式通风机：离心式通风机的工作原理与离心泵完全相同，其构造与离心泵也大同小异。对于通风机，习惯上将压头表示成单位体积气体所获得的能量，其量纲为[ML－1T－2]，SI单位为N/m2，与压强相同。所以风机的压头称为全压（又称风压）。根据所产生的全压大小，离心式通风机又可分为低压、中压、高压离心式通风机。
离心式通风机的主要参数和离心泵相似，主要包括流量（风量）、全压（风压）、功率和效率。
（2）通风机的全压说明
通风机的风压与气体密度成正比。如取1m3气体为基准，对通风机进、出口截面（分别以下标1、2表示）作能量衡算，可得通风机的全压为
因式中（z2－z1）ρg可以忽略，当空气直接由大气进入通风机时，u1也可以忽略，则上式简化为：
从上式可以看出，与离心泵相比，通风机的性能参数多了一个动风压PK。
图2-11 离心式通风机的特性曲线
和离心泵一样，通风机在出厂前，必须通过试验测定其特性曲线（图2-11），试验介质是压强为0.1MPa、温度为20℃的空气（ρ'＝1.2kg/m3）。
2．鼓风机
（1）罗茨鼓风机：旋转式鼓风机类型很多，罗茨鼓风机是其中应用最广的一种。其工作原理与齿轮泵极为相似。
（2）离心鼓风机：离心鼓风机又称透平鼓风机，其工作原理与离心通风机相同，但由于单级通风机不可能产生很高风压（一般不超过50kPa），故压头较高的离心鼓风机都是多级的。其结构和多级离心泵类似。
离心鼓风机的选用方法与离心通风机相同。
3．压缩机
（1）往复式压缩机：往复式压缩机的基本结构和工作原理与往复泵相似。但因为气体的密度小、可压缩，故压缩机的吸入和排出活门必须更加灵巧精密；为移除压缩放出的热量以降低气体的温度，必须附设冷却装置。
①往复式压缩机分类
往复压缩机的产品有多种，除空气压缩机外，还有氨气压缩机、氢气压缩机、石油气压缩机等。以适应各种特殊需要。
②选用依据
往复式压缩机的选用主要依据生产能力和排出压强（或压缩比）两个指标。生产能力用m3/min表示，以吸入常压空气来测定。在实际选用时，首先根据所输送气体的特殊性质，决定压缩机的类型，然后再根据生产能力和排出压强，从产品样本中选用适用的压缩机。
（2）离心式压缩机:离心式压缩机又称为透平压缩机，其工作原理与离心鼓风机完全相同，离心式压缩机之所以能产生高压强，除级数较多外，更主要的是采用高转速。
与往复式压缩机相比，离心式压缩机具有体积小、重量轻、运转平稳、操作可靠、调节容易、维修方便、流量大而均匀、压缩气可不受油污染等一系列优点。
4．真空泵
原则上讲，真空泵就是在负压下吸气、一般在大气压下排气的输送机械，用来维持工艺系统要求的真空状态。
（1）真空泵的分类
①往复式真空泵；
②水环真空泵；
③液环真空泵；
④旋片真空泵；
⑤喷射真空泵喷射泵。
（2）真空泵的主要特性
真空泵的最主要特性是极限真空和抽气速率。
①极限真空（残余压强）：真空泵所能达到的稳定最低压强，习惯上以绝对压强表示，单位为Pa。
②抽气速率（简称抽率）：单位时间内真空泵吸入口吸进的气体体积。注意，这是在吸入口的温度和压强（极限真空）条件下的体积流量，常以m3/h或L/s表示。