内蒙古农业大学食品科学与工程系《化工原理》课程讲稿 第二章§1 1 第二章 流体输送机械 The Machinery for Conveying Fluid 在化工生产中，常常需要将流体从低处输送到高处，或从低 压送至高压，或沿管道送至较远的地方。为达到此目的，必须对 流体加入外功，以克服流体阻力及补充输送流体时所不足的能 量。为流体提供能量的机械称为流体输送机械。 化工生产中，输送的流体种类很多。流体的温度、压力等操 作条件，流体的性质、流量以及所需要提供的能量等方面有很大 的不同。为了适应不同情况下的流体输送要求，因而需要不同结 构和特性的流体输送机械。流体输送机械根据工作原理的不同通 常分为四类，即离心式、往复式、旋转式及流体动力作用式。 Jetting Rotating Reciprocating Centrifugal 前已指出，气体与液体不同，气体具有可压缩性，因此，气 体输送机械与液体输送机械不尽相同。用于输送液体的机械称为 泵，用于输送气体的机械称为风机及压缩机。 流体输送机械是通用机械，它不仅在化工生产中，而且在国
内蒙古农业大学食品科学与工程系《化工原理》课程讲稿 第二章§1 1 第二章 流体输送机械 The Machinery for Conveying Fluid 在化工生产中，常常需要将流体从低处输送到高处，或从低 压送至高压，或沿管道送至较远的地方。为达到此目的，必须对 流体加入外功，以克服流体阻力及补充输送流体时所不足的能 量。为流体提供能量的机械称为流体输送机械。 化工生产中，输送的流体种类很多。流体的温度、压力等操 作条件，流体的性质、流量以及所需要提供的能量等方面有很大 的不同。为了适应不同情况下的流体输送要求，因而需要不同结 构和特性的流体输送机械。流体输送机械根据工作原理的不同通 常分为四类，即离心式、往复式、旋转式及流体动力作用式。 Jetting Rotating Reciprocating Centrifugal 前已指出，气体与液体不同，气体具有可压缩性，因此，气 体输送机械与液体输送机械不尽相同。用于输送液体的机械称为 泵，用于输送气体的机械称为风机及压缩机。 流体输送机械是通用机械，它不仅在化工生产中，而且在国
内蒙古农业大学食品科学与工程系《化工原理》课程讲稿 第二章§1 2 民经济许多领域中都有着广泛地应用，如压缩空气可供液体搅 拌、风力输送及供气动执行机构等各个生产环节使用。 本章将结合化工生产的特点，讨论流体输送机械的作用原理、 基本构造与性能及有关计算，以达到能正确选择和使用的目的。 至于其具体设计与详细结构，则属于专门领域，不在本课程讨论 范围之内。 第一节 离 心 泵 Centrifugal Pump 离心泵具有结构简单、流量大而且均匀、操作方便的优点。 它在化工生产中得到广泛地应用，约占化工用泵的 80～90％。 2－1 离心泵的结构原理 Principles of Construction 2.1A 离心泵的工作原理 Working Principles of Centrifugal Pump 最简单的离心泵其工作原理示意图如图 2-1 所示。在蜗壳形 泵壳(snail shell) 2 内，有一固定在泵轴 7 上的工作叶轮 1。叶轮 上有 6～12 片稍微向后弯曲的叶片 3，叶片之间形成了使液体通 过的通道。泵壳中央有一个液体吸入口与吸入管 4 连接。液体经 底阀和吸入管进入泵内。泵壳上的液体压出口与压出管 6 连接， 泵轴用电机或其它动力装置带动。启动前，先将泵壳内灌满被输 送的液体。启动，泵轴带动叶轮旋转，叶片之间的液体随叶轮一
内蒙古农业大学食品科学与工程系《化工原理》课程讲稿 第二章§1 2 民经济许多领域中都有着广泛地应用，如压缩空气可供液体搅 拌、风力输送及供气动执行机构等各个生产环节使用。 本章将结合化工生产的特点，讨论流体输送机械的作用原理、 基本构造与性能及有关计算，以达到能正确选择和使用的目的。 至于其具体设计与详细结构，则属于专门领域，不在本课程讨论 范围之内。 第一节 离 心 泵 Centrifugal Pump 离心泵具有结构简单、流量大而且均匀、操作方便的优点。 它在化工生产中得到广泛地应用，约占化工用泵的 80～90％。 2－1 离心泵的结构原理 Principles of Construction 2.1A 离心泵的工作原理 Working Principles of Centrifugal Pump 最简单的离心泵其工作原理示意图如图 2-1 所示。在蜗壳形 泵壳(snail shell) 2 内，有一固定在泵轴 7 上的工作叶轮 1。叶轮 上有 6～12 片稍微向后弯曲的叶片 3，叶片之间形成了使液体通 过的通道。泵壳中央有一个液体吸入口与吸入管 4 连接。液体经 底阀和吸入管进入泵内。泵壳上的液体压出口与压出管 6 连接， 泵轴用电机或其它动力装置带动。启动前，先将泵壳内灌满被输 送的液体。启动，泵轴带动叶轮旋转，叶片之间的液体随叶轮一
内蒙古农业大学食品科学与工程系《化工原理》课程讲稿 第二章§1 3 起旋转，在离心力的作用下，液体沿着叶片间的通道从叶轮中心 进口处被甩到叶轮外围，以很高的速度流入泵壳，液体流到蜗形 通道后，由于截面逐渐扩大，大部分动能转变为静压能。于是液 体以较高的压力，从压出口进入压出管，输送到所需的场所。 当叶轮中心的液体被甩出后，泵壳的吸入口就形成了一定的 真空，外面的大气压力迫使液体经底阀吸入管进入泵内，填补了 液体排出后的空间。这样，只要叶轮旋转不停，液体就源源不断 地被吸入与排出。 离心泵若在启动前未充满液体（perfusion），则泵壳内存在空 气。由于空气密度很小，所产生的离心力也很小。此时，在吸入 口处所形成的真空不足以将液体吸入泵内。虽启动离心泵，但不 能输送液体。此现象称为“气缚”（air binding ）。为便于使泵内 充满液体，在吸入管底部安装带吸滤网的底阀，底阀为止逆阀， 滤网是为了防止固体物质进入泵内，损坏叶轮的叶片或妨碍泵的 正常操作。 如果不灌泵 ⇒“气缚”⇒ 泵吸不上液体 ⇒ 不能正常工作 2.1B 离心泵的主要部件 Main Components of Centrifugal Pump 离心泵的主要部件有叶轮和泵轴
内蒙古农业大学食品科学与工程系《化工原理》课程讲稿 第二章§1 3 起旋转，在离心力的作用下，液体沿着叶片间的通道从叶轮中心 进口处被甩到叶轮外围，以很高的速度流入泵壳，液体流到蜗形 通道后，由于截面逐渐扩大，大部分动能转变为静压能。于是液 体以较高的压力，从压出口进入压出管，输送到所需的场所。 当叶轮中心的液体被甩出后，泵壳的吸入口就形成了一定的 真空，外面的大气压力迫使液体经底阀吸入管进入泵内，填补了 液体排出后的空间。这样，只要叶轮旋转不停，液体就源源不断 地被吸入与排出。 离心泵若在启动前未充满液体（perfusion），则泵壳内存在空 气。由于空气密度很小，所产生的离心力也很小。此时，在吸入 口处所形成的真空不足以将液体吸入泵内。虽启动离心泵，但不 能输送液体。此现象称为“气缚”（air binding ）。为便于使泵内 充满液体，在吸入管底部安装带吸滤网的底阀，底阀为止逆阀， 滤网是为了防止固体物质进入泵内，损坏叶轮的叶片或妨碍泵的 正常操作。 如果不灌泵 ⇒“气缚”⇒ 泵吸不上液体 ⇒ 不能正常工作 2.1B 离心泵的主要部件 Main Components of Centrifugal Pump 离心泵的主要部件有叶轮和泵轴
内蒙古农业大学食品科学与工程系《化工原理》课程讲稿 第二章§1 4 1、叶轮 Wheel 从离心泵的工作原理可知，叶轮是离心泵的最重要部件。按 结构可分为以下三种： （1）．敞式叶轮 Unshrouded(or Open-type) wheel 如图 2-2（a）所示，敞式叶轮两侧都没有盖板，制造简单， 清洗方便。但由于叶轮和壳体不能很好地密合，部分液体会流回 吸液侧，因而效率较低。它适用于输送含杂质的悬浮液。 （2）．半蔽式叶轮 Half-Shrouded wheel 半蔽式叶轮如图 2-2（b）所示，叶轮吸入口一侧没有前盖板， 而另一侧有后盖板，它也适用于输送悬浮液。 （3）．蔽式叶轮 Shrouded wheel 蔽式叶轮如图 2-2（c）所示，叶片两侧都有盖板，这种叶轮 效率较高，应用最广，但只适用于输送清洁液体。 蔽式或半蔽式叶轮的后盖板与泵壳之间的缝隙内，液体的压 力较入口侧为高，这使叶轮遭受到向入口端推移的轴向推力。轴 向推力能引起泵的振动，轴承发热，甚至损坏机件。为了减弱轴 向推力，可在后盖板上钻几个小孔，称为平衡孔（见图 2-3（a））， 让一部分高压液体漏到低压区以降低叶轮两侧的压力差。这种方
内蒙古农业大学食品科学与工程系《化工原理》课程讲稿 第二章§1 4 1、叶轮 Wheel 从离心泵的工作原理可知，叶轮是离心泵的最重要部件。按 结构可分为以下三种： （1）．敞式叶轮 Unshrouded(or Open-type) wheel 如图 2-2（a）所示，敞式叶轮两侧都没有盖板，制造简单， 清洗方便。但由于叶轮和壳体不能很好地密合，部分液体会流回 吸液侧，因而效率较低。它适用于输送含杂质的悬浮液。 （2）．半蔽式叶轮 Half-Shrouded wheel 半蔽式叶轮如图 2-2（b）所示，叶轮吸入口一侧没有前盖板， 而另一侧有后盖板，它也适用于输送悬浮液。 （3）．蔽式叶轮 Shrouded wheel 蔽式叶轮如图 2-2（c）所示，叶片两侧都有盖板，这种叶轮 效率较高，应用最广，但只适用于输送清洁液体。 蔽式或半蔽式叶轮的后盖板与泵壳之间的缝隙内，液体的压 力较入口侧为高，这使叶轮遭受到向入口端推移的轴向推力。轴 向推力能引起泵的振动，轴承发热，甚至损坏机件。为了减弱轴 向推力，可在后盖板上钻几个小孔，称为平衡孔（见图 2-3（a））， 让一部分高压液体漏到低压区以降低叶轮两侧的压力差。这种方
内蒙古农业大学食品科学与工程系《化工原理》课程讲稿 第二章§1 5 法虽然简便，但由于液体通过平衡孔短路回流，增加了内泄漏量， 因而降低了泵的效率。 按吸液方式的不同，离心泵可分为单吸（single suction） 和双吸（double suction）两种，如图 2-3 所示，单吸式构造简 单，液体从叶轮一侧被吸入；双吸式比较复杂，液体从叶轮两侧 吸入。显然，双吸式具有较大的吸液能力，而且基本上可以消除 轴向推力。 2．泵壳 Shell of Pump 离心泵的外壳多做成蜗壳形，其内有一个截面逐渐扩大的蜗 形通道如图２-１所示。 叶轮在泵壳内顺着蜗形通道逐渐扩大的方向旋转。由于通道 逐渐扩大，以高速度从叶轮四周抛出的液体可逐渐降低流速。减 少能量损失，从而使部分动能有效地转化为静压能。 有的离心泵为了减少液体进入蜗壳时的碰撞，在叶轮与泵壳 之间安装一固定的导轮，如图２-４所示。导轮具有很多逐渐转 向的孔道，使高速液体流过时能均匀而缓慢地将动能转化为静压 能，使能量损失降到最小程度。 3. 轴封装置（shaft seal assembly） 泵壳与轴要密封好，以免液体漏出泵外，或外界空气漏进
内蒙古农业大学食品科学与工程系《化工原理》课程讲稿 第二章§1 5 法虽然简便，但由于液体通过平衡孔短路回流，增加了内泄漏量， 因而降低了泵的效率。 按吸液方式的不同，离心泵可分为单吸（single suction） 和双吸（double suction）两种，如图 2-3 所示，单吸式构造简 单，液体从叶轮一侧被吸入；双吸式比较复杂，液体从叶轮两侧 吸入。显然，双吸式具有较大的吸液能力，而且基本上可以消除 轴向推力。 2．泵壳 Shell of Pump 离心泵的外壳多做成蜗壳形，其内有一个截面逐渐扩大的蜗 形通道如图２-１所示。 叶轮在泵壳内顺着蜗形通道逐渐扩大的方向旋转。由于通道 逐渐扩大，以高速度从叶轮四周抛出的液体可逐渐降低流速。减 少能量损失，从而使部分动能有效地转化为静压能。 有的离心泵为了减少液体进入蜗壳时的碰撞，在叶轮与泵壳 之间安装一固定的导轮，如图２-４所示。导轮具有很多逐渐转 向的孔道，使高速液体流过时能均匀而缓慢地将动能转化为静压 能，使能量损失降到最小程度。 3. 轴封装置（shaft seal assembly） 泵壳与轴要密封好，以免液体漏出泵外，或外界空气漏进
内蒙古农业大学食品科学与工程系《化工原理》课程讲稿 第二章§1 6 泵内。 ２－2 离心泵的主要性能参数 Main Characteristic Coefficients of Pump 2.2A 离心泵的主要性能参数 为了正确选择和使用离心泵，需要了解离心泵的性能。离心 泵的主要性能参数为流量、扬程、功率和效率。 1．流量 Flow rate 泵的流量（又称送液能力）是指单位时间内泵所输送的液体 体积。用符号 Q 表示，单位为Ｌ/ｓ或 m3/ｈ。 2．扬程 Overall Head 泵的扬程（又称泵的压头）是指单位重量液体流经泵后所获 得的能量，用符号Ｈ表示，单位为米液柱。离心泵压头的大小， 取决于泵的结构（如叶轮直径的大小，叶片的弯曲情况等）、转 速及流量。 泵的压头可用实验方法测定，如图２-５所示。在泵的进出口 处分别安装真空表和压力表，在真空表与压力表之间列柏努得方 程式，即
内蒙古农业大学食品科学与工程系《化工原理》课程讲稿 第二章§1 6 泵内。 ２－2 离心泵的主要性能参数 Main Characteristic Coefficients of Pump 2.2A 离心泵的主要性能参数 为了正确选择和使用离心泵，需要了解离心泵的性能。离心 泵的主要性能参数为流量、扬程、功率和效率。 1．流量 Flow rate 泵的流量（又称送液能力）是指单位时间内泵所输送的液体 体积。用符号 Q 表示，单位为Ｌ/ｓ或 m3/ｈ。 2．扬程 Overall Head 泵的扬程（又称泵的压头）是指单位重量液体流经泵后所获 得的能量，用符号Ｈ表示，单位为米液柱。离心泵压头的大小， 取决于泵的结构（如叶轮直径的大小，叶片的弯曲情况等）、转 速及流量。 泵的压头可用实验方法测定，如图２-５所示。在泵的进出口 处分别安装真空表和压力表，在真空表与压力表之间列柏努得方 程式，即
内蒙古农业大学食品科学与工程系《化工原理》课程讲稿 第二章§1 g u u H h H M Hv 2 2 1 2 2 0 − = + + + (2-2) 7 + + = + + + ∑ − + f V M H g u g p H h g u g p 2 2 2 2 0 2 1 ρ ρ 0 或 + ∑ − + + = + f M V H g u u g p p H h 2 2 1 2 2 0 ρ (2-1) 式中 pM —压力表读出压力（表压），N/m2； pV—真空表读出的真空度，N/m2； u1、u2—吸入管、压出管中液体的流速，m/s； ΣHf—两截面间的压头损失，m。 由于两截面之间管路很短，其压头损失∑Hf可忽略不计。若 以 HM 及 HV分别表示压力有和真空表上的读数，以米液柱（表 压）计。则式（2-1）可改写为: + + + = + + + ∑ f v M H g u g p H h g u g p 2 2 0 2 2 0 2 1 ρ ρ 移项整理得： + ∑ − = + M + v + HF g u u H h H H 2 2 1 2 2 0 ∑ ≈ 0 H f 得：
内蒙古农业大学食品科学与工程系《化工原理》课程讲稿 第二章§1 g u u H h H M Hv 2 2 1 2 2 0 − = + + + (2-2) 7 + + = + + + ∑ − + f V M H g u g p H h g u g p 2 2 2 2 0 2 1 ρ ρ 0 或 + ∑ − + + = + f M V H g u u g p p H h 2 2 1 2 2 0 ρ (2-1) 式中 pM —压力表读出压力（表压），N/m2； pV—真空表读出的真空度，N/m2； u1、u2—吸入管、压出管中液体的流速，m/s； ΣHf—两截面间的压头损失，m。 由于两截面之间管路很短，其压头损失∑Hf可忽略不计。若 以 HM 及 HV分别表示压力有和真空表上的读数，以米液柱（表 压）计。则式（2-1）可改写为: + + + = + + + ∑ f v M H g u g p H h g u g p 2 2 0 2 2 0 2 1 ρ ρ 移项整理得： + ∑ − = + M + v + HF g u u H h H H 2 2 1 2 2 0 ∑ ≈ 0 H f 得：
内蒙古农业大学食品科学与工程系《化工原理》课程讲稿 第二章§1 8 例２-１ 某离心泵以 20℃水进行性能实验测得体积流量为 720m3/h，压出口压力表数为 0.41MPa，吸入口真空表读数为 0.028MPa，压力表和真空表间垂直距离为 0.41m，吸入管和压出 管内径分别为 350mm 及 300mm。试求泵的压头。 解 根据式（2-2） g u u H h H M Hv 2 2 1 2 2 0 − = + + + u 2.08m / s 0.785 0.35 720 / 3600 1 2 = × = u 2.83m / s 0.785 0.30 720 / 3600 2 2 = × = 查得水在 20℃时密度为ρ＝998.2kg/m3，则： 将已知数据代入，则 mH O H 2 6 6 2 2 45.33 2 9.81 2.83 2.08 998.2 9.81 0.41 10 ( 0.028 10 ) 0.41 = × − + × × − − × = + ∴ Required Head of the Pump is 45.33mH2O 3．效率 Efficiency 液体在泵内流动的过程中，由于泵内有各种能量损失，泵轴
内蒙古农业大学食品科学与工程系《化工原理》课程讲稿 第二章§1 8 例２-１ 某离心泵以 20℃水进行性能实验测得体积流量为 720m3/h，压出口压力表数为 0.41MPa，吸入口真空表读数为 0.028MPa，压力表和真空表间垂直距离为 0.41m，吸入管和压出 管内径分别为 350mm 及 300mm。试求泵的压头。 解 根据式（2-2） g u u H h H M Hv 2 2 1 2 2 0 − = + + + u 2.08m / s 0.785 0.35 720 / 3600 1 2 = × = u 2.83m / s 0.785 0.30 720 / 3600 2 2 = × = 查得水在 20℃时密度为ρ＝998.2kg/m3，则： 将已知数据代入，则 mH O H 2 6 6 2 2 45.33 2 9.81 2.83 2.08 998.2 9.81 0.41 10 ( 0.028 10 ) 0.41 = × − + × × − − × = + ∴ Required Head of the Pump is 45.33mH2O 3．效率 Efficiency 液体在泵内流动的过程中，由于泵内有各种能量损失，泵轴
内蒙古农业大学食品科学与工程系《化工原理》课程讲稿 第二章§1 9 从电机得到的轴功率，没有全部为液体所获得。泵的效率就是反 映这种能量损失的。泵内部损失主要有三种，即容积损失、水力 损失及机械损失，现将其产生原因分述如下： （１）．容积损失 Volumetric Loss 容积损失是由于泵的泄漏造成的。离心泵在运转过程中，有 一部分获得能量的高压液体，通过叶轮与泵壳之间的间隙流回吸 入口。因此，从泵排出的实际流量要比理论排出流量为低，其比 值称为容积效率η1。 It is caused by the leakage of the liquid through the gap between the wheel and shell. theoritical flow rate practicalflow rate η1 = （２）．水力损失 Friction Losses 水力损失是由于流体流过叶轮、泵壳时，由于流速大小和方 向要改变，且发生冲击，而产生的能量损失。所以泵的实际压头 要比泵理论上所能提供的压头为低，其比值称为水力效率η2。 It is caused by the collision and clash between the particles of the fluid
内蒙古农业大学食品科学与工程系《化工原理》课程讲稿 第二章§1 9 从电机得到的轴功率，没有全部为液体所获得。泵的效率就是反 映这种能量损失的。泵内部损失主要有三种，即容积损失、水力 损失及机械损失，现将其产生原因分述如下： （１）．容积损失 Volumetric Loss 容积损失是由于泵的泄漏造成的。离心泵在运转过程中，有 一部分获得能量的高压液体，通过叶轮与泵壳之间的间隙流回吸 入口。因此，从泵排出的实际流量要比理论排出流量为低，其比 值称为容积效率η1。 It is caused by the leakage of the liquid through the gap between the wheel and shell. theoritical flow rate practicalflow rate η1 = （２）．水力损失 Friction Losses 水力损失是由于流体流过叶轮、泵壳时，由于流速大小和方 向要改变，且发生冲击，而产生的能量损失。所以泵的实际压头 要比泵理论上所能提供的压头为低，其比值称为水力效率η2。 It is caused by the collision and clash between the particles of the fluid
内蒙古农业大学食品科学与工程系《化工原理》课程讲稿 第二章§1 10 Theoritical Head Practical Head η2 = （3）．机械损失 Mechanical Loss 机械损失是泵在运转时，在轴承、轴封装置等机械部件接触 处由于机械磨擦而消耗部分能量，故泵的轴功率大于泵的理论功 率（即理论压头与理论流量所对应的功率）。理论功率与轴功率 之比称为机械效率η3。 It is caused by the friction between the moving components. shaft power power 3 Theoritical η = 泵的总效率η（又称效率）等于上述三种效率的乘积，即 Overall Efficiency: η＝η1×η2×η3 (2-3) 对离心泵来说，效率一般约为 0.6~0.85 左右，大型泵可达 0.90。 4．功率 Power 泵的有效功率可写成 Ne＝QH ρ g (2-4)
内蒙古农业大学食品科学与工程系《化工原理》课程讲稿 第二章§1 10 Theoritical Head Practical Head η2 = （3）．机械损失 Mechanical Loss 机械损失是泵在运转时，在轴承、轴封装置等机械部件接触 处由于机械磨擦而消耗部分能量，故泵的轴功率大于泵的理论功 率（即理论压头与理论流量所对应的功率）。理论功率与轴功率 之比称为机械效率η3。 It is caused by the friction between the moving components. shaft power power 3 Theoritical η = 泵的总效率η（又称效率）等于上述三种效率的乘积，即 Overall Efficiency: η＝η1×η2×η3 (2-3) 对离心泵来说，效率一般约为 0.6~0.85 左右，大型泵可达 0.90。 4．功率 Power 泵的有效功率可写成 Ne＝QH ρ g (2-4)