第2章　流體輸送機械

2.1　復習筆記

【知識框架】

【概念匯總】

表2-1-1　本章重點概念

【重點歸納】

一、概述

1管路特性方程

管路特性方程為

其中，

從此式可以得到管路特性曲線，如圖2-1-1。

圖2-1-1　管路特性曲線

【注意】曲線1表示低阻管路系統的特性曲線；曲線2表示高阻管路的特性曲線。

管路特性方程系數K為

【注意】K由管路特性決定。當流動進入阻力平方區時，K與流量值無關，是一個常數。

2流體輸送機械的主要技術指標

流體輸送機械的主要技術指標：壓頭和流量。

3輸送機械的分類

輸送機械根據不同的需求，依據不同的原理，大致可以分為三類：

（1）動力式（葉輪式）：例如離心式、軸流式等。

（2）容積式（正位移式）：例如往復式、旋轉式等。

（3）其他：以上都不滿足的類型，例如噴射式等。

二、離心泵

1離心泵的工作原理

（1）離心泵的主要構件——葉輪和蝸殼

離心泵的主要工作部件是葉輪和泵殼（如圖2-1-2所示）。其中葉輪可直接對液體做功。

【擴展】離心泵的結構特點是在一個蝸殼形的泵殼內，安裝了一個可以快速旋轉的葉輪，在葉輪上有4～8片葉片。泵殼上有兩個接口，通向葉輪中心的是進口，與吸入管路相接；與泵殼的切線方向相同的是出口，與排出管路相連接。

圖2-1-2　離心泵裝置簡圖

（2）工作原理

離心泵工作原理如圖2-1-3所示。

離心泵工作時，葉輪高速旋轉，迫使葉片間的液體也跟著旋轉，使得液體獲得了離心力，從而獲得能量，則葉輪中心處低勢能、低動能的液體在葉輪外緣變成了高勢能、高動能的液體。液體進入蝸殼后，部分動能轉化為勢能，繼而從壓出管道排出。

液體是因為吸液口和葉輪中心處的勢能差才不斷被吸入葉輪的。

【注意】液體在葉輪中心形成的是低壓。

圖2-1-3　離心泵工作原理圖

【擴展】離心泵啟動前，要先將泵殼與吸入管路內灌滿液體。如果泵的位置處于吸入液面之下，液體可自動進入泵內，則無須灌泵。

（3）離心力場中的機械能守恒

葉輪進、出口截面列出機械能守恒式如下

（4）離心泵的理論壓頭

泵的理論壓頭為

（5）流量對理論壓頭的影響

泵的理論壓頭H_T和泵的流量之間的關系為

（6）葉片形狀對理論壓頭的影響

表2-1-2　葉片形狀分類及不同類型葉片流量與理論壓頭的關系

【注意】β₂為葉片出口端傾角。

如圖2-1-4所示，葉片形狀不同，離心泵的理論壓頭H_T與流量q_V的關系也不同。

圖2-1-4　離心泵的HT-qV關系

【葉片類型選擇】離心泵一般采用后彎葉片，提高能量利用率。

（7）液體密度的影響

理論壓頭與液體密度無關。也就是說，對于同一離心泵，無論輸送何種液體，理論壓頭均不變。

（8）氣縛現象

若管路及軸封密封不良，會導致空氣漏入，使得泵內流體平均密度下降，下降嚴重時泵會產生氣縛現象。

2離心泵的特性曲線

（1）泵的有效功率及效率

泵的有效功率

P_e＝ρgq_VH_e

其中，H_e表示泵的有效壓頭，單位m；q_V表示泵的實際流量，單位m³/s；ρ表示液體密度，單位kg/m³；P_e表示泵的有效功率，單位W。

泵的（總）效率

η＝P_e/P_a

其中，P_a表示泵的軸功率，是由電機輸入離心泵的功率，單位W。

（2）離心泵的主要能量損失

表2-1-3　離心泵的主要能量損失

（3）離心泵的特性曲線

離心泵特性曲線主要分為三種，分別是H_e-q_V、η-q_V、P_a-q_V，如圖2-1-5。

圖2-1-5　離心泵的特性曲線

（4）液體黏度對特性曲線的影響

在實際工作中，黏度會影響特性曲線，因此要根據實際情況修正。工廠提供的特性曲線是在常溫下用清水測定的。

（5）比例定律

表2-1-4　比例定律

3離心泵的流量調節和組合操作

（1）離心泵的工作點

管路特性方程：H＝f（q_V）。

泵的特性方程：H_e＝φ（q_V）。

當管路內的流動處于阻力平方區時，離心泵的工作點（揚程和流量）必同時滿足以上兩個方程。離心泵的工作點是管路特性曲線和泵特性曲線的交點，如圖2-1-6所示。

圖2-1-6　離心泵的工作點

（2）流量調節

表2-1-5　流量調節的方法及其特點

（3）離心泵的組合方式及其選擇

表2-1-6　離心泵的組合方式及其選擇

【組合目的】為了較大的增大流量或者壓頭。

圖2-1-7　離心泵的并聯操作

圖2-1-8　離心泵的串聯操作

【注意】總流量和總壓頭由兩圖中的a點決定。

4離心泵的安裝高度

（1）汽蝕現象

泵安裝的位置太高會發生汽蝕現象，因此泵的安裝位置不宜太高。

（2）汽蝕余量

表2-1-7　汽蝕余量對比表

【重要知識點】

①當p₁＝p_1，min，p_K＝p_v時，離心泵將會發生汽蝕現象；

②NPSH必須大于（NPSH）_c一定的量；

③為了保證離心泵正常工作，規定NPSH必須要比（NPSH）_r大0.5m以上；

④流量一定，且流動在阻力平方區時，（NPSH）_c只與泵的結構尺寸有關；

⑤q_V越大，（NPSH）_r越大，因此必須用可能達到的最大流量計算允許安裝高度。

5離心泵的類型與選用

（1）常用離心泵

包括：①清水泵；②耐腐蝕泵；③油泵；④液下泵；⑤屏蔽泵。

（2）離心泵的選用

離心泵的選用主要從以下兩個方面入手：

①輸送液體的性質和操作條件；

②不同管路對泵提出的流量和壓頭要求。

三、往復泵

1作用原理

原理：活柱的往復運動，導致壓強能直接轉化為液體動能。

2往復泵的類型

表2-1-8　往復泵的分類

3往復泵的流量調節

往復泵是正位移泵，流量與管路特性無關，不用出口閥門調節。若用閥門調節，一旦閥門關閉，泵內的壓強會急劇上升，會破壞機件和燒毀電機。

其調節方式見表2-1-9：

表2-1-9　往復泵的流量調節方式

圖2-1-9　往復泵旁路調節流量示意圖

四、各類化工用泵比較

各類化工用泵的詳細比較如表2-1-10所示。

表2-1-10　各類化工用泵比較

五、氣體輸送機械

1氣體輸送機械分類

按照氣體輸送機產生的進、出口壓強差或壓強比分類，見表2-1-11。

表2-1-11　氣體輸送機分類

2通風機

（1）軸流通風機

①優點：軸流通風機排送量大。

②缺點：產生的風壓甚小。

③適用范圍：一般用來通風換氣，不用來輸送氣體。

（2）離心通風機

①原理：與離心泵完全相同，其構造與離心泵也差不多。

②分類：按照所產生的全壓大小的不同，離心式通風機可分為低壓、中壓、高壓離心通風機三類。

③參數：離心式通風機的主要參數包括，流量（風量）、全壓（風壓）、功率和效率。其中風壓與氣體密度成正比。

以1m³氣體為基準，對通風機進口截面（用下標1表示）、出口截面（下標2表示）作能量衡算，可得通風機的全壓為

忽略（z₂－z₁）ρg不計，忽略u₁不計（當空氣直接由大氣進入通風機時），上式可簡化為

其中，p_S為靜風壓，p_K為動風壓，由上式可知通風機的性能參數比離心泵多了一個動風壓p_K。

④特性曲線

通風機在出廠前，必須測定其特性曲線，如圖2-1-10所示。

試驗介質：壓強為1atm、20℃的空氣（ρ′＝1.2kg/m³）。

圖2-1-10　離心式通風機的特性曲線

實際上輸送的氣體密度與試驗介質有一定差距，因此需要對實際全壓進行換算，換算公式為

其中，ρ為實際輸送氣體的密度。

3鼓風機

常用鼓風機包括：①羅茨鼓風機；②離心鼓風機。

4壓縮機

（1）往復式壓縮機

①壓縮過程分類

表2-1-12　壓縮過程的分類

不考慮余隙的影響，則多變過程出口氣溫T₂和所消耗的功率P_e分別為

其中，q_V1為吸入體積流量，k為多變指數，γ為絕熱指數；1＜k＜γ。

②往復式壓縮機分類

為適應不同需求，往復壓縮機主要分為：空氣壓縮機、氨氣壓縮機、氫氣壓縮機、石油氣壓縮機等。

③選用依據

【主要依據】

生產能力和排出壓強（或壓縮比）。生產能力用吸入常壓空氣來測定，以m³/min表示。

【選用步驟】

a．先根據輸送氣體的特殊性質，決定壓縮機的類型；

b．再根據生產能力和排出壓強，選用適用的壓縮機。

（2）離心式壓縮機（透平壓縮機）

①原理：工作原理與離心鼓風機完全相同。離心式壓縮機產生高壓強是因為級數較多，且采用高轉速。

②優缺點：與往復式壓縮機相比，離心式壓縮機的優缺點見表2-1-13。

表2-1-13　離心式壓縮機的優缺點

5真空泵

（1）真空泵的分類

真空泵主要分為五類：①往復式真空泵；②水環真空泵；③液環真空泵；④旋片真空泵；⑤噴射真空泵。

（2）真空泵的主要特性

表2-1-14　真空泵的主要特性

【注意】抽率是在吸入口的溫度和壓強（極限真空）條件下所測的體積流量。