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小型泵系统是如何工作的?

来源:荣格国际泵阀技术商情 发布时间:2019-05-10 421
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本文旨在帮助大家熟悉常见的泵送情况。当需要从自流井或湖泊为雕塑喷泉、池塘提供水循环,或为小型住宅供水,应该如何确定泵的尺寸、管道尺寸和流量需求。如果流量需求不太高,这些系统所需的泵大多可在当地五金店买到。由于流体的特性比较复杂,所以我们还将考察液体与固体所具有的不同特性。

本文将分析泵系统如何工作以及如何进行相关计算。非软件使用指南。

理解流体系统

流体的运动比较难理解,因为它不是我们日常经验的一部分,至少在某种程度上不是很容易感受到。在现代社会,水龙头一拧,就可以用上水,但情况并非从来如此。可以说现代给排水管理基础设施保证了伟大文明的发展。

自公元前312年起,罗马人就成为大 规模供水项目的早期创新者。他们认识 到,淡水是建设一个人口众多的大城市的先决条件。当时的人们已经掌握了拱的建 造技术,并利用建筑结构技术来支撑可以跨越山谷的渡槽。渡槽需要在很小的斜坡上长距离向下倾斜,因此必须保持直线, 不允许有任何弯曲。

这是法国嘉德桥一段美丽的渡槽。

图片来自网站https://en.wikipedia.org/ wiki/Roman_aqueduct;“Roman Gaul 中嘉德桥上的多拱结构(现代法国南部)”。 上层包围着一条渡槽,它在罗马时期将水输送到尼姆斯;下层于十八世纪四十年代进行了扩建,以承载一条宽阔的跨河道路。”

建筑材料是一种混凝土,更确切地 说是水泥添加一些硬骨料,如陶器碎片。 这种水泥非常坚固,且用途广泛。

顶层是明渠的位置,以小于1%的坡 度非常缓地向下倾斜;这条水渠承载了在重力作用下长距离输送的水。事实上,上述渡槽的总高差为10 m,总长度超过16.4 km。水渠上设有盖板以防止蒸发,并得到定期维护,这是因为经年累月后,表面可能发生磨损,从而逐渐阻碍水流。

拱需要跨越山谷,并确保水渠能维持恒定的坡度。

罗马人兴建的排污管道给人留下了深刻的印象,这些排污管道主要用于城市低洼地区的排水。私人住宅中的居民不愿意把他们的厕所连接到主下水道,因为其中未设置陷阱或障碍物以阻止小动物爬上排水管。而且,所用的管道是由粘土制成的,随着时间的推移,很容易发生泄漏, 产生难闻的气味。

我们每天都需要移动一些物品,并不会为此费神思量再三。我们知道物体的大概重量。我们可以使用秤来称量物体的重量,或者,重量也许就写在它的包装 上,一目了然。如果我们必须把它提升到一定高度,我们知道这需要消耗能量,并且对其含义有直观的概念:这是做功!要提升的高度越高,所需做的功就越多;物体越重做的功也越多。我们可以用秤直接 称量重量,也可以用卷尺直接测量距离。 但功或能是力与距离的计算结果或组合。 顺便说一下,功和能的含义是一样的,传统上功被用来表示执行某项任务所需力的量。能则是以一种更普遍的方式使用的。 例如,用泵给自行车轮胎充气就是给轮胎加压所需的功或能的大小。轮胎加压后, 你可以用它作为能源来驱动其它东西,比如吹气球或驱动风钻,然后它就可被称为能源。

功的定义是力×距离(F x d)。在英制中,力的单位是磅,缩写为 lbf;在公制中,力的单位是牛顿。距离的测量单位为英寸或英尺,分别缩写为 in 和 ft;其公制单位为毫米(m m)或米(m)。

文中主要采用英制单位。如果想知道将一个50 lbf 重的物体垂直提升 6 ft 需要多少功,我们只需将它们相乘,即得到 6 ft × 50 lbf = 300 ft-lbf的功。

在公制中,功的单位是瓦小时,或 watt-h。如果你曾经去过科学博物馆,有时会看到一辆自行车被连接到一台发电机上,蹬踩自行车产生电力以供一只60瓦的灯泡使用,但是,要想让这只灯泡持续发光并非易事。

通过施力可移动物体,但是,如何移动液体呢?你能对水这样的液体施力吗?不,水会从你的手指缝中流出来,但是你可以施加压力。

在液体的世界里,压力即为力。什么是压力?我们有一个直观的体验,当我们潜入水池底部时,会感觉到耳膜上的压力;而当我们乘飞机上升到一定高度时, 机舱内的气压下降,我们也会感觉到同样的压力。

压力是什么样子的?假设我们有一根管子,里面装满了水,还有一层薄薄的膜,如保鲜膜,用来封住管子的底端。不难想象包裹物会因为水的重量而膨胀。这个重量分布在膜的表面,这就是我们所说的压力。

容器底部的压力与液柱高度之间的 关系奇妙而简单:

p(psi) = h(ft) / 2.31

我们能想象一个最简单的流体系统,即一根管子与一只装满水的水箱相连。我们可以通过高度与压力公式来确定压力:p(psi) = h(ft) / 2.31。如果高度为10 ft,则压力为 4.3 psi。

管道入口的压力即对液体的驱动力;这个压力是由管道连接处上方水的高度产生的。水位越高,产生的压力越大, 水从管道中排出的速度越快。在这个系统中没有泵,也不需要泵,所有的功都是通过让液体处于某一高度来完成的,这一高度被称为压头。在泵系统中经常使用这个术语。

我们一开始就说过,用力无法移动流体,但用压力可以。在这一系统中我们看到,处在一定高度的水体可以产生压力。产生压力的功来自于对液体的高度提升。这相当于用一个处于高位的水库为一台比其水位低得多的涡轮机供水。

水体产生的功或能被称为势能,在泵系统领域中被称为静压头。我们经常用压头这一术语来描述泵系统,而很少用压力。其原因为压头作为功或能的一种形式,可以加减,而压力则不能。

“压头”代表能的一种形式,其精确术语是比能。由于压头是能的一种形式,它可以与系统中的另一个压头相加减。例如:

在一个典型的泵系统中,有一个吸入罐和一个排出罐。吸入静压头是供给到泵的压头值。排放静压头是泵排放所需的压头值。泵必须为这两者提供差值。因此,泵压头等于排出压头减去吸入压头, 这就是总静压头。泵压头的计算就是这样简单。

当然,在现实世界中我们还需要对付摩擦,所以唯一未考虑的就是摩擦头。 摩擦头取决于流体速度、管道尺寸和长度。计算出摩擦头后,我们将其添加到总静态压头中,得到泵的总压头。

接下来的两张图将展示我们如何确定各种系统的静压头。每个系统周围都有一个边界,这有助于定位不同级别的水箱或管道。

虚线表示系统的边界,它提醒我们在计算中要考虑的范围。基本原理是需要将从系统入口到出口的所有流体颗粒计算在内。例如,在示例 1 中,我们从吸入罐的液位开始,沿着管道进入泵,直到排出罐,再到排出罐中的液位。

示例 2 的情况更为典型。我们从吸入罐的液位开始,沿着管道进入泵,再进入排出罐,并到达管道末端,最后到达排出罐的液位。

 

 

作者:Jacques Chaurette

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