【正文】 第三章 物料輸送過(guò)程與設(shè)備在生物加工工業(yè)中，存在著大量固體和流體物料的輸送問(wèn)題，為了提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，需要采用各種各樣的輸送設(shè)備來(lái)完成物料的輸送任務(wù)。在生物加工工廠的生產(chǎn)線中，輸送設(shè)備按生產(chǎn)工藝的要求將物料從一個(gè)工作單元傳送到另一個(gè)工作單元，有時(shí)在傳送過(guò)程中對(duì)物料進(jìn)行工藝操作。按所輸送的物料可分為固體物料的輸送和流體物料的輸送。輸送固體物料采用各種類型的輸送機(jī)和氣力輸送裝置；輸送流體物料則采用各種形式的泵和空氣壓縮機(jī)。第一節(jié) 液體輸送設(shè)備在生產(chǎn)過(guò)程中，由于工藝上的要求，常需要把液體從一個(gè)設(shè)備通過(guò)管道輸送到另一個(gè)設(shè)備中去，這就需要裝置液體輸送機(jī)械。被輸送的液體，性質(zhì)各異，有的粘稠，有的稀薄，有的有揮發(fā)性，有的對(duì)金屬有腐蝕性。而且在輸送過(guò)程中，根據(jù)工藝條件要求，各種液體的壓頭與流量又都各不相同，因此生產(chǎn)上就需要采用各種不同結(jié)構(gòu)、不同材質(zhì)的液體輸送機(jī)械。液體輸送機(jī)械中，主要是各種類型的泵。根據(jù)其作用原理，大致可分為離心泵、往復(fù)泵、旋轉(zhuǎn)泵等類型。一、離 心 泵（一）離心泵裝置及其結(jié)構(gòu)離心泵是應(yīng)用最廣泛的一種液體輸送機(jī)械。圖31為離心泵裝置簡(jiǎn)圖。它由泵、吸入系統(tǒng)和排出系統(tǒng)三部分組成。吸入系統(tǒng)有吸入貯槽、吸入管、底閥、濾網(wǎng)。排出系統(tǒng)有排出貯槽、排出管、逆止閥、調(diào)節(jié)閥等。吸入系統(tǒng)中的底閥為逆止閥，其作用是防止泵內(nèi)的液體由吸入管倒流入吸入貯槽。濾網(wǎng)的作用是防止吸入貯槽內(nèi)雜物進(jìn)入吸入管和泵內(nèi)，以免造成堵塞。排出系統(tǒng)的逆止閥是用來(lái)防止泵停轉(zhuǎn)時(shí)排出貯槽和排出管內(nèi)的液體倒灌入泵內(nèi)，以免造成事故。調(diào)節(jié)閥是用來(lái)調(diào)節(jié)泵的流量。（二）工作原理離心泵在開動(dòng)之前要先灌滿所輸送的液體。開動(dòng)后，葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力。在離心力的作用下，液體從葉輪中心被拋向葉輪外周，壓力增高；并以很高的速度流入泵殼，在殼內(nèi)減速，使大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能，然后從排出口進(jìn)入排出管路。與此同時(shí)，由于葉輪內(nèi)液體被拋出，葉輪中心形成真空。泵的吸入管路一端與葉輪中心處相通，另一端則浸沒(méi)在輸送的液體內(nèi)，在液面壓力（或大氣壓）和泵內(nèi)壓力（負(fù)壓）的壓差作用下，液體便經(jīng)吸入管路進(jìn)入泵內(nèi)，填補(bǔ)了被排出液體的位置。這樣，葉輪在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，一面不斷吸入液體，一面又不斷給吸入的液體以一定能量并送入排出管。（三）離心泵的主要性能參數(shù)表示離心泵工作性能的參數(shù)叫泵的性能參數(shù)，包括：流量、壓頭(揚(yáng)程)、效率、轉(zhuǎn)速、功率、氣蝕余量（吸上真空度）等。主要性能參數(shù)有壓頭、流量、效率等。1．壓頭H單位質(zhì)量液體流過(guò)泵后能量的增值稱為壓頭，一般以符號(hào)H表示，單位為m。如圖32所示，H的計(jì)算可根據(jù)b、c兩截面間的柏努利方程： （31）由于兩截面間的管長(zhǎng)很短，其阻力損失通?？梢院雎?，兩截面間的動(dòng)壓頭之差也可以忽略，于是上式可簡(jiǎn)化為： （32）2．流量流量又稱排量或揚(yáng)水量，是指泵在單位時(shí)間內(nèi)由泵的排液口排出的液體量，通常以體積流量來(lái)表示，單位習(xí)慣上用m3/h表示。理論流量是指單位時(shí)間內(nèi)流入離心泵作功部件里的液體體積容量。由于泵在工作時(shí)不免有內(nèi)部和外部泄漏，因此，泵的理論流量與流量之間有如下關(guān)系：，m3/h （33）式中 ——單位時(shí)間內(nèi)泵的泄漏量；它既包括所有不經(jīng)過(guò)排液管而漏到泵體外部泄漏，也包括從泵作功部件出來(lái)后仍漏回泵吸液處的內(nèi)部泄漏，m3/s3．軸功率、有效功率和效率根據(jù)泵的壓頭H和流量Q算出的功率是泵所輸出的有效功率，以Ne表示： （34）而實(shí)際測(cè)得的軸功率N要大于有效功率Ne，這是因?yàn)楸幂S輸入的功率有一部分要被消耗。泵的效率就是反映泵的軸功率的利用程度，用來(lái)表示。一般小型水泵的效率為50~70%，大型泵效率可達(dá)90%。而油泵、耐腐蝕泵的效率比水泵低，雜質(zhì)泵的效率更低。離心泵的軸功率可直接利用效率計(jì)算： （35）式中 ——泵的軸功率，；——泵的壓頭，；——泵的流量，m3/h；——液體密度，kg/m3；——效率。（四）離心泵特征曲線離心泵的主要性能參數(shù)——壓頭H，軸功率N和效率與流量Q之間是有一定聯(lián)系并有內(nèi)部規(guī)律的。通常把表示泵的主要性能參數(shù)間的內(nèi)部規(guī)律的曲線稱為離心泵的特征曲線，由泵的生產(chǎn)部門提出，以便于設(shè)計(jì)、使用部門選擇和操作時(shí)參考。圖33為某一型號(hào)的離心泵的特征曲線圖，它由以下曲線組成：（1）HQ曲線，表示壓頭與流量的關(guān)系； （2）NQ曲線，表示軸功率與流量的關(guān)系；（3）Q曲線，表示效率與流量的關(guān)系。η各種型號(hào)的離心泵各有其特征曲線，形狀基本上相似，其共同點(diǎn)為：（1）壓頭隨流量的改變而改變的規(guī)律，流量增大，壓頭下降，這是離心泵的一個(gè)重要特征；（2）功率隨流量的增大而上升，故離心泵在啟動(dòng)前應(yīng)關(guān)閉出口閥，使流量為零而功率最小，以減小電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流，避免電動(dòng)機(jī)因負(fù)荷大而受損；（3）效率開始隨流量的增大而上升，達(dá)到一最大值后隨流量的增大而下降。而泵在與最大效率對(duì)應(yīng)的流量和壓頭下工作最為經(jīng)濟(jì)，所以在選擇離心泵時(shí)，應(yīng)使泵在最大效率點(diǎn)附近操作。（五）離心泵的氣蝕現(xiàn)象離心泵能吸上液體是由于在泵的葉輪進(jìn)口形成了低壓，如果提高泵的安裝高度，將導(dǎo)致泵內(nèi)壓力降低，當(dāng)壓力降至被輸送液體的飽和蒸汽壓時(shí)，將發(fā)生沸騰，所生成的氣泡在隨液體從泵入口向外周流動(dòng)中，又因壓力迅速加大而急劇冷凝。使液體以很大速度從周圍沖向氣泡中心，產(chǎn)生頻率很高，瞬時(shí)壓力很大的沖擊，這種現(xiàn)象就稱為氣蝕現(xiàn)象。發(fā)生氣蝕現(xiàn)象時(shí)，會(huì)發(fā)出噪音，使泵體震動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)可使泵根本無(wú)法工作，而且使泵的壽命大大降低。為了防止氣蝕現(xiàn)象，就要求泵的安裝高度不超過(guò)某一定值，使泵入口處e的壓力Pe應(yīng)高于液體的飽和蒸汽壓Pv，即氣蝕余量大于泵剛好發(fā)生氣蝕時(shí)的最小氣蝕余量。如圖34所示。 （36） （37）式中 ——泵入口壓力，Pa；——泵入口管的液體流速，m/s；——液體的飽和蒸汽壓，Pa；——液體的密度，kg/m3。其中 是剛達(dá)氣蝕時(shí)泵入口處的最小壓頭。（六）離心泵的吸入高度吸入高度是指離心泵吸入口離液面所允許的最大距離。若在液面與吸入口之間列出伯努利方程式，則： （38）式中 ——大氣壓，Pa；——泵入口壓力，Pa；——泵入口管的液體流速，m/s；――管道壓力損失，m。由于和均受一定條件限制，故吸入高度亦受到一定限制，特別是受液體溫度的限制。一般離心泵的吸入高度可參考表31所列的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。表31 各種水溫下的吸入高度溫度，℃10203040506065吸入高度，m6543210（七）離心泵的選擇選擇離心泵時(shí)，可根據(jù)所輸送液體的性質(zhì)及操作條件確定所用的類型，再根據(jù)所要求的流量與壓頭確定泵的型號(hào)?？刹殚啽卯a(chǎn)品的目錄或樣本，其中列有離心泵的特性曲線或性能表，按流量和壓頭與所要求相適應(yīng)的原則，從中可確定泵的型號(hào)。若生產(chǎn)中流量Q有變動(dòng)，則以最大流量為準(zhǔn)，壓頭應(yīng)以輸送系統(tǒng)在最大流量下的壓頭為準(zhǔn)。若是沒(méi)有一個(gè)型號(hào)的H和Q與所要求相符，則在附近型號(hào)中選用H和Q都稍大的一個(gè)。若是有幾個(gè)型號(hào)都滿足要求，則除了考慮H和Q比較接近所需的數(shù)值之外，還應(yīng)考慮那個(gè)型號(hào)的效率在該條件下比較大。為了保證操作條件得到滿足并具有一定的潛力，所選的泵可稍大一些，但若選得過(guò)大，其在遠(yuǎn)離最高效率點(diǎn)工作，在設(shè)備費(fèi)和操作費(fèi)兩方面都會(huì)造成不必要的浪費(fèi)。如圖35為各種BA型離心泵（即懸臂式離心泵）系列特征曲線圖，圖中的扇形表示該泵的高效率區(qū)。根據(jù)系統(tǒng)所需的揚(yáng)程與流量就可以很方便地在圖上選得合適的離心泵型號(hào)。圖35 各種BA型離心泵系列特性曲線二、往復(fù)泵往復(fù)泵屬于容積泵，其結(jié)構(gòu)如圖36所示?；钊?內(nèi)有活塞2，通過(guò)活塞桿3與傳動(dòng)機(jī)械相連接。當(dāng)活塞桿3由于外力作用向右移動(dòng)時(shí)，泵缸內(nèi)密閉的工作室容積變大，壓力降低，吸入池的液體在大氣壓的作用下，頂開吸入閥4進(jìn)入泵缸，這時(shí)排出閥5因受排出管中液體的壓力而關(guān)閉。當(dāng)活塞移到最右端時(shí)，工作室的容積為最大，吸入的液體量也最大。此后活塞便開始向左移動(dòng)，使泵缸內(nèi)密閉工作室容積變小，壓力升高，排出閥5被頂開，吸入閥4自動(dòng)關(guān)閉，將缸內(nèi)液體排出泵外。當(dāng)活塞移到最左端時(shí)，排液完畢，完成一個(gè)工作循環(huán)。然后，活塞重復(fù)上述循環(huán)過(guò)程，液體不斷被吸入和排出。由于這種泵的活塞往復(fù)一次，只吸入和排出液體各一次，所以稱為單動(dòng)泵，單動(dòng)泵的排液是間斷的，在吸液的時(shí)候是不能排液的。其流量曲線見(jiàn)圖37。 如圖38所示是雙動(dòng)泵，這種泵的活塞左右兩側(cè)都裝有閥室，在每個(gè)工作循環(huán)中，吸液和排液各兩次，并且在整個(gè)循環(huán)中吸液和排液可同時(shí)進(jìn)行，從而使液體的輸送連續(xù)性。其特征曲線如圖39所示。如前所述，往復(fù)泵的流量是波動(dòng)的，一般我們所說(shuō)的往復(fù)泵流量是指其平均流量，其理論流量Q為：對(duì)于單動(dòng)泵： ，m3/min （39）對(duì)于雙動(dòng)泵： ，m3/min （310）式中 Q——理論流量，m3/min；——活塞的截面積，m2；——活塞直徑，m；——活塞沖程，m；——每分鐘活塞往復(fù)的次數(shù)；——活塞柱的截面積，m2。從以上兩式可以看出，往復(fù)泵的流量由活塞截面積、活塞沖程及活塞往復(fù)次數(shù)所決定，而與系統(tǒng)所需壓頭無(wú)關(guān)，即流量與壓頭無(wú)關(guān)，這是往復(fù)泵的一大特點(diǎn)。要調(diào)節(jié)往復(fù)泵的流量，可采用改變往復(fù)次數(shù)或改變沖程或采用支路調(diào)節(jié)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)被輸送的液體為腐蝕性液體或是含固體顆粒的懸浮液時(shí)，為了不使活塞受到損傷，可采用隔膜泵，如圖310所示。隔膜泵采用一彈性薄膜將活動(dòng)柱與被輸送的液體隔開。薄膜一般用耐腐蝕的橡皮制成，隔膜一側(cè)接觸液體的部分，均為耐腐蝕材料制成。隔膜的另一側(cè)，則充滿水或油。當(dāng)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，隔膜交替地向兩邊彎曲，使腐蝕性液體在隔膜一側(cè)輪流地被吸入和壓出。圖310 隔膜泵往復(fù)泵的效率一般都在70％以上，最高可超過(guò)90％，它適用于所需壓頭較高的液體輸送，也適用于輸送粘度較大的液體，但往復(fù)泵不適用于輸送腐蝕性的液體和有固體顆粒的懸浮液。三、其他類型的泵除了上述的離心泵、往復(fù)泵外，尚有其它類型的泵，它們均各有特點(diǎn)，在生物加工生產(chǎn)