第二章 流体输送设备
§1 概述
2-1 流体输送概述
气体的输送和压缩，主要用鼓风机和压缩机。
液体的输送，主要用离心泵、漩涡泵、往复泵。
固体的输送，特别是粉粒状固体，可采用流态化的方法，使气-固两相形成液体状物流，然后输送，即气力输送。
流体输送在化工中用处十分广泛，有化工厂的地方，就有流体输送。
流体输送机械主要分为三大类：
（1）离心式。靠离心力作用于流体，达到输送物料的目的。有离心泵、多级离心泵、离心鼓风机、离心通风机、离心压缩机等。
（2）正位移式。靠机械推动流体，达到输送流体的目的。有往复泵、齿轮泵、螺杆泵、罗茨风机、水环式真空泵、往复真空泵、气动隔膜泵、往复压缩机等。
（3）离心－正位移式。既有离心力作用，又有机械推动作用的流体输送机械。有漩涡泵、轴流泵、轴流风机。象喷射泵属于流体作用输送机械。
本章主要研究连续输送机械的原理、结构及设计选型。
§2 离心泵及其计算
2-2 离心泵构造及原理
若将某池子热水送至高的凉水塔，倘若外界不提供机械能，水能自动由低处向高处流吗？显然是不能的，如图2-1所示，我们在池面与凉水塔液面列柏努利方程得：
图2-1 流体输送示意图
∵(表压)，，若泵未有开动，则：
代入上式得：
∴ 为虚数
此计算说明，泵不开动，热水就不可能流向凉水架，就需要外界提供机械能量。能对流体提供机械能量的机器，称为流体输送机械。离心泵是重要的输送液体的机械之一。
如图2-2 所示，离心泵主要由叶轮和泵壳所组成。
图2-2 离心泵构造示意图
先将液体注满泵壳，叶轮高速旋转，将液体甩向叶轮外缘，产生高的动压头，由于泵壳液体通道设计成截面逐渐扩大的形状，高速流体逐渐减速，由动压头转变为静压头，即流体出泵壳时，表现为具有高压的液体。
在液体被甩向叶轮外缘的同时，叶轮中心液体减少，出现负压（或真空），则常压液体不断补充至叶轮中心处。于是，离心泵叶轮源源不断输送着流体。
可以用如下示意图表示
此机械何以得名离心泵，是因为叶轮旋转过程中，产生离心力，液体在离心力作用下产生高速度。
2-3 泵参数与特性曲线
工作原理清楚之后，自然要问，该泵的送液能力（流量 ）如何？增压程度（扬程 ）多大？旋转机械的功率（泵功率）为多少？效率（泵效率）多少？等等问题。
泵的流量、扬程、功率、效率，统称为离心泵的性能参数。这些参数之间的关系，都是由实验来测定的，如图2-3 所示。
将实验所得数据，描绘成曲线、曲线、曲线，统称为离心泵的特性曲线。
图2-3 泵性能实验装置示意图
我们对真空表与压力表之间的液体列柏努利方程得：
液柱
∵ （为真空度，即负表压）
（压力表读数，表压），（管路径很短，可以忽略）
∴ …………（Ⅰ）
式中, ——真空表与压力表垂直位差，；
——压力表读数（表压），； ——真空表读数，；
——吸入管和压出管中液体流速，；
式（Ⅰ）即为对应于一定流量,泵提供扬程的计算公式。
电动机提供的机械功率，可由电流表 [安]和电压表 [伏]的读数得到，也可由功率表直接读得。
………………（Ⅱ）
泵的有效功率计算式，推导如下：
例如，离心泵对流体实际提供的能量为，也就是说，对每公斤液体，泵要提供焦耳的能量。
在时间里，泵输送的体积流量为，则输送的液体质量为：
在时间里，泵要提供的能量为：
而功率是单位时间里提供的能量，所以
∵
∴ ………………（Ⅲ）
泵效率定义为，泵的有效功率与电机提供的功率之比，即：
………………（Ⅳ）
2-4 离心泵特性曲线举例
在图2-3中用阀门调节管路流量至某一值；读取真空计、压力计读数，再读功率表数值；已知进、出口管径分别为。
由上式（Ⅰ）计算得到，由式（Ⅲ）计算，由式（Ⅳ）计算得到。
再调节流量至，如上得到。因此重复测得个数据点。在图中可描得三条曲线，此即为泵的特性曲线。
【例2-1】 今有一台IS100-80-125型离心泵，测定其性能曲线时的某一点数据如下：；真空计读数，压力表读数为，功率表读数为。已知液体密度为。真空计与压力计的垂直距离为，吸入管直径为，排出管直径为，试求此时泵的扬程，功率和效率。
解：
；
∴
2-5 离心泵选择与示例
选择泵主要依据是输送管道计算中，需要泵提供的压头（）和已知输送液体的流量（），然后查离心泵样本，看哪种泵的扬程和流量能满足其要求。
【例2-2】 天津地区某化工厂，需将℃的热水用泵送至高的凉水塔冷却，如图2-4所示。输水量为，输水管内径为，管道总长（包括局部阻力当量长度）为，管道摩擦系数为，试选一合适离心泵。
图2-4 【例2-2】附图
解：在水池液面与喷水口截面列柏努利方程
代入上式得
查王志魁主编的《化工原理》，书本附录21，可选TS100-80-125型离心泵
60
100
120
24
20
16.5
2-6 离心泵的安装高度
为什么要提出安装高度问题呢？倘若吸水池液面通大气，即使泵壳内的绝压（）为零，即真空度为1个大气压，其安装高度亦会小于或等于，如图2-5所示。若大于米，则池中液体就不会源源不断压入泵壳内。另外，若泵壳的绝压（）小于被输送液的饱和蒸汽压（），则液体将发生剧烈汽化，气泡剧烈冲向叶轮，使叶轮表面剥离、破损，发生“气蚀”现象，即气泡对叶轮的腐蚀现象。为了避免“气蚀”。所以必须满足。所以安装高度必须小于。
那么实际安装高度Hg应如何计算呢？
图2-5 安装高度示意图
在图2-5中的贮槽液面0-0与泵入口处1-1截面，列柏努利方程得，
………………
气蚀余量法（）
气蚀余量，是指泵入口处动压头与静压头之和，超过液体在操作温度下水的饱和蒸汽压具有的静压头之差，即
…………
改写式（a）并将式（b）代入得：
………………（Ⅴ）
式中, ——由泵样本查得的气蚀余量值，； ——泵工作处的大气压强，；
——操作温度下被输液的饱和蒸汽压，；
允许吸上真空高度法（）
目前出版的新的泵样本中，已没有列出数值。但90年代以前出版的教材和泵样本中，是列有值的。为了便于新老样本的衔接，此处简要介绍此法。
定义
将代入式得：
………………
考虑到泵工作地点的大气压强不一定是一个大气压，泵所需送液体也不一定是20 oC的水，将压力与温度校正项加进去，代入式（c）得：
…………（Ⅵ）
此即允许吸上真空高度法计算泵安装高度的公式。式中为允许吸上真空高度。
2-7 安装高度计算举例
【例2-3】 在【例2-2】的输水系统中，泵的吸入管内径为吸入管压头损失为 [水柱]，选用IS100-80-125型泵，该离心泵的性能参数如下：
流量
扬程
气蚀余量
60
100
120
24
20
16.5
4.0
4.5
5.0
试计算：（1）泵的安装高度。已知oC水的饱和蒸汽压为，天津地区平均大气压为。
若该设计图用于兰州地区某化工厂，该泵能否正常运行？已知兰州地区平均大气压为。
解:
(2) 兰州地区的安装高度为：
在兰州地区安装高度应更低，才能正常运行。所以该设计图用于兰州地区，则应该根据兰州地区大气压数据进行修改。
2-8 离心泵的工作点
离心泵工作时，不仅处决于泵的特性曲线线，而且处决于工作管路的特性。
当离心泵在给定管路工作时，液体要求泵提供的压头，可由柏努利方程求得，
……………
由于位压头和静压头与流量无关，可令其为常数，即 。又因为，所以，所以式为：
………………
其中 单位为
………………
式为管路特性曲线。离心泵的稳定工作点应是泵特性曲线（曲线）与管路特性曲线式的交点，如图2-6所示。
图2-6 离心泵工作点示意图
2-9 离心泵调节举例
【例2-4】 在【例2-2】中，若已安装了IS100-80-125型泵，试求此时泵的稳定工作点。再求此时泵的有效功率。
解：管路特性曲线为
将上式计算若干数据，如下表所示
70
80
90
100
15.83
17.62
19.64
21.9
取IS100-80-125泵的特性曲线，
60
100
120
24
20
16.5
将泵性能曲线与管路特性曲线绘在图2-7中，
得到交点为：? 此即泵的稳定工作点。
此时泵的有效功率为：
图2-7 【例2-4】附图
要调节泵的工作点，一般采用调节管路特性曲线的办法。将式展开得，
式中的一般由工艺要求所决定，不可随意变动。主要是通过调节阀门开度，改变管道的局部阻力当量长度（）。若要使流量变小。则关小阀门，使增加。如图2-8所示，管路特性曲线斜率增大，由EC线变至EB线。若要使流量增大，则开大阀门，使减少。
图2-8 流量调节示意图
【例2-5】 在【例2-4】中，稳定工作点的流量大于所需的流量，若要使流量保持（即）。问管路的阻力当量长度应调至若干？并写出新的管路特性曲线方程。
解：若流量要保持，从泵性能曲线上查得此时扬程为，如图2-7所示。即新的工作点为 。这个工作点必在管路特性曲线上，代入管路特性曲线方程式得：
即新的管路特性曲线方程为：
