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水力学:挑选泵管道

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泵通常被归类为正排量或动能泵。表13.1列出了每种类型的几种。正排量泵在泵轴的每个旋转周期或主动泵元件的运动周期中提供特定的体积流体。它们通常在中等流量时产生非常高的压力。动能泵通过从称为叶轮的旋转元件向流体转移动能来操作,当流体进入和通过泵时,一部分能量会被转换为泵出口处的压力能。最常用的动能泵类型是离心泵。喷射或喷出型泵是离心动能泵的一种特殊版本,将在后面描述。可以从互联网资源l获得更广泛的分类结构,其中许多变体涉及泵的方向(水平、垂直、串联),泵的驱动类型(紧密耦合、单独耦合、磁力驱动)或某些特征(如轴承支撑和支架)的机械设计。
正排量泵理想情况下可以在泵转子或驱动轴的每个旋转周期中以固定的流体量输出。由于壳体和转子、活塞、叶片或其他活动元件之间的轻微滑移引起的压力变化,泵的容量仅受到中等程度的影响。大多数正排量泵可以处理广泛的粘度范围并在高压力下输出液体。

由于离心泵不是正排量类型,因此其容量和必须由泵产生的压力之间存在很强的依赖关系。这使得它们的性能等级有些更加复杂。典型的评级曲线图将泵的总头ha与容量或排放量Q相对应,如图13.20所示。
之前已经提到,为特定系统选择合适泵所需的基本数据是所需的体积流量,即容量,以及泵将操作的系统的总头hm。由于泵制造商能够使用不同的叶轮直径和速度,因此他们可以使用几种基本泵尺寸来覆盖容量和头的广泛要求。许多工业应用离心泵的制造商使用一个指定系统,为泵的大小提供有用的数据。例如,一个泵可能带有2 X 3 - 10的标识符,其中每个数字都描述了泵的一个重要特征。2 X 3 - 10离心泵是一种具有2英寸排出口、3英寸吸入口和一个可以容纳直径为10英寸或更小的叶轮的壳体的泵。
图13.23显示了样本2 X 3 - 10离心泵的性能如何随着叶轮尺寸的变化而变化。显示的是在同一壳体中,不同尺寸(从6英寸到10英寸)的叶轮的容量-头曲线。操作速度为3500 rpm,对应于普通双极交流电机的额定转速。用户通常会通过修剪叶轮直径来修改现有泵,以更接近地匹配泵的输出以满足特定系统的需求。
图13.24显示了同样是2 X 3 - 10离心泵,但在1750 rpm(四极电机的典型运行速度)下运行时的性能。如果我们比较每个叶轮尺寸的最大总头数,我们将说明亲和力定律;即,将速度加倍会将总头能力提高到4倍(速度比的平方)。如果将曲线外推到最大容量点的总头为零的位置,我们可以看到当速度加倍时,容量也会加倍。
图13.25与图13.23相同,只是增加了显示驱动泵在3500 rpm时所需的功率的曲线。在图表中为特定总头和容量找到一点后,可以从功率曲线组中读取所需的功率。
图13.26与图13.23相同,只是增加了恒效率曲线。注意,该泵的最大效率位于图表的右上角。当然,在操作给定泵时将其设置在其最佳效率点(BEP)附近是理想的。该图表中的数据表明,您应该非常重视知道泵安装的系统在何处运行。当它低于或高于BEP运行时,效率会急剧下降,可能会出现其他性能问题,影响pwnp或其轴承的寿命。
净正吸头需求(NPSHR)是在应用泵时需要考虑的一个重要因素,将在第13.9节中讨论。NPSHR与泵入口的压力有关。对于这个讨论来说,只需要说一个较低的NPSHR是可取的。同样地,在图表中为特定总头和容量找到一点后,从给定的曲线组中读取NPSHR。
图13.28将所有这些数据整合到一个图表中,以便用户可以同时查看所有重要的参数。图表一开始看起来很复杂,但分别考虑每个单独的部分应该有助于您正确解释它。


1楼2023-06-01 11:27回复
    前几节中对离心泵性能的几个方面的描述强调了净正吸头(NPSH)的重要性。这个概念在这里被更完整地定义了。基本问题包括:
    1. 防止一种称为汽蚀的条件,因为它对泵有极端的有害影响。
    2. 被泵送流体的蒸汽压力对汽蚀发生的影响。
    3. 影响NPSH的管道系统设计考虑因素。
    4. 必须满足所选泵的NPSHR。
    进入泵的管道系统的设计,即所谓的吸力管线,必须允许整个液体流经泵并进入排放管线。主要因素是泵吸入口处的流体压力。吸力管道系统的设计必须提供足够高的压力,以避免汽蚀的发生,其中蒸汽气泡在流动液体中形成。确保汽蚀不发生是您的责任。蒸汽气泡形成的倾向取决于流体的性质、温度和吸力压力。这些因素在本节中讨论。
    当泵进口处的吸力压力过低时,液体会在类似沸腾的方式下形成蒸汽气泡。为了帮助理解蒸汽气泡的形成,在一个烹饪设备上放置一个开放的平底锅,并观察其在温度升高时的的行为。在某个时刻,几个小的水蒸气气泡将在锅底部形成。持续加热会导致更多的气泡形成;它们升起到表面,逃离液面并扩散到周围的空气中。最后,水会达到连续和快速蒸发的沸点。
    为了说明压力对蒸汽气泡形成的影响,首先考虑您在低海拔地区进行沸腾实验的情况,此时开放平底锅中的水处于大气压约101千帕(14.7磅/平方英寸)的大气压力下。沸腾水的温度约为100°C(212°F)。然而,在高海拔地区,大气压力明显较低,沸腾温度也相应较低。例如,附录表E.3 (大气特性)显示,5000英尺(1524米)处的大气压力仅为12.2磅/平方英寸(84.3千帕)。这是科罗拉多州丹佛市(通常称为“Mile-High City”,因为水大约在94°C(201°F)处沸腾)的近似海拔高度。将这个简单的实验与泵吸入口的条件联系起来。如果泵必须从下方抽出流体或在吸力线上存在过多的能量损失,则泵进口处的压力可能低到足以在液体中形成蒸汽气泡。现在考虑液体开始通过泵时会发生什么。回顾图13.11,它展示了一种径向离心泵的设计。
    流体通过泵的吸入口进入叶轮中心的眼睛,这是压力最低的地方。然后叶轮的旋转加速了流体沿叶片向外壳方向的运动,该外壳被称为喉管。在整个过程中,流体压力不断上升。如果在吸入口处因过低的压力形成了蒸汽气泡,那么这些气泡将在流动到高压区域时破裂。爆破的气泡释放了大量的能量,这会有效地对叶轮叶片施加冲击力并引起快速的表面侵蚀。
    当发生汽蚀时,由于输送的体积流量下降,泵的性能严重退化。泵会振动和发出噪音,发出像有沙子和流体一起流动的隆隆声。如果允许这种情况继续发生,泵将在短时间内被破坏。应立即关闭泵并在恢复操作之前查明汽蚀的原因。显然,最好确保在预期的操作条件下不会产生汽蚀,这将在第13.10和13.13节中展示。
    决定汽泡在流体中形成的条件的流体性质是其蒸汽压力Pvp>,通常以kPa(绝对或psia)的单位报告。当物质的气态和液态形式在平衡状态下存在时,由于分子之间的吸引力,有被热能驱动从液体中排出的蒸汽,以及蒸汽凝结成液体的平衡。在此条件下液体的压力被称为蒸汽压力。如果液体具有相对较高的蒸汽压力并且在常温下迅速蒸发,则称为挥发性液体。以下是六个熟悉的液体列表,按挥发性递增排名:水、四氯化碳、丙酮、汽油、氨和丙烷。ASTM国际已经建立了几个标准来测量不同种类的流体的蒸汽压力。有关示例请参见参考文献1和2。
    在下面的讨论中,使用汽压头hvp而不是基本蒸汽压力Pvp•非常重要,其中hvp = Pvp/'Y = 液态中的汽压头(以米或英尺为单位)
    任何温度下的蒸汽压力必须除以该温度下液体的比重。任何液体的汽压头随着温度的升高而迅速上升。表13.2列出了水的蒸汽压力和汽压头值。图13.37显示了四个不同流体(水、四氯化碳、汽油和丙烷)的蒸汽压力头与温度的关系图,使用SI公制和美国习惯系统单位。泵送这些流体中的任何一个都需要仔细考虑NPSH。
    泵制造商测试每个泵设计,以确定避免汽蚀所需的吸力压力水平,并将结果报告为在每个泵的容量(体积流量)和总头下所需的净正吸头NPSHA。泵系统设计师有责任确保可用的净正吸头NPSHA明显高于NPSH R·。
    美国国家标准学会(ANSI)和液压学会(HI)联合制定了标准,要求NPSHA至少比NPSHR高出10%。我们可以将NPSH的余量定义为M,即:
    o NPSH Margin M = NPSHA - NPSHR (13-11)
    对于洪水控制、石油管道和发电服务等关键应用,预计具有高达100%的更高余量。一些设计师要求大型泵系统具有5.0英尺的余量。请参见ANSI/HI 9.6.1《离心和垂直泵用于NPSH余量的规范》。
    在本书中的设计问题中,我们要求至少有10%的余量。即:
    o NPSHA > l.IONPSHR (13-12)
    计算NPSHA NPSHA的值取决于被泵送流体的蒸汽压力、吸管中的能量损失、储液器的海拔高度以及储液器中施加的压力。这可以表示为:
    o NPSH Available
    NPSHA = hsp ± h5 - hf - hvp (13- 13)
    这些术语在图13.38中进行了说明,并在下面进行了定义。图13.38(a)包括一个位于泵上方的加压储液器。部分(b)显示了泵从下方开放的储液器中抽取流体的情况。
    Psp = 静态压力(绝对值),高于储液器中的流体。
    h,p = 储液器中流体上方的静态压力头(以液体为单位),表示为米或英尺;
    hsp = Psp/r
    h, = 从储液器液位到泵吸进口中心线的高程差,表示为米或英尺。
    如果泵在储液器下方,则h5为正值[首选;图13.38(a)]
    如果泵在储液器上方,则h5为负值[图13.38(b)]
    hf = 吸管中的摩擦和次要损失导致的压降,表示为米或英尺
    Pvp = 泵送温度下液体的蒸汽压力(绝对值)
    hvp = 泵送温度下液体的蒸汽压力头(以液体为单位),表示为米或英尺; hvp = Pvp/r
    请注意,方程(13-13)不包括表示系统速度头的项。我们假设源储液器的速度非常接近零,因为它相对于管道来说非常大。在推导方程时,吸管中的速度头被包括在内,但它被抵消了。


    2楼2023-06-01 11:36
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