專利名稱：利用泵和管道輸送含粘性液體的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種含粘性液體的輸送方法和設(shè)備，特別涉及一種利用泵和管道輸送含粘性液體的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
粘性流動(dòng)的N-S方程，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者已做過(guò)論證，橢圓方程無(wú)法求解，不可能同時(shí)滿足三大相似準(zhǔn)則和四大定律，所以目前泵的水力設(shè)計(jì)都是忽略液體的粘滯性，按“理想流體”設(shè)計(jì)的，在高比轉(zhuǎn)速，相對(duì)粗糙度極小，粘性效應(yīng)不明顯的情況下，取得了極大的成功。但是按“理想流體”設(shè)計(jì)、試驗(yàn)的泵，在輸送紙漿、糖漿、石化等恩式粘度E°大于5的粘性液體的時(shí)候，泵的性能開(kāi)始大幅下降，表現(xiàn)為泵的揚(yáng)程降低，流量減少、功率下降，有的甚至無(wú)法使用。對(duì)于低比轉(zhuǎn)速泵，相對(duì)粗糙度急劇增大，粘性效應(yīng)十分明顯，用“理想流體”無(wú)法設(shè)計(jì)，“高比轉(zhuǎn)速低用”、“偏工況運(yùn)行”和“大馬拉小車”的情況十分普遍，泵的運(yùn)行效率極低，通常只有30％左右，近幾年出現(xiàn)的“加大流量設(shè)計(jì)法”、“無(wú)過(guò)載設(shè)計(jì)法”、“短葉片垂置”、“面積比原理”等專有技術(shù)，都是采用“理想流體”進(jìn)行設(shè)計(jì)試驗(yàn)，并對(duì)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行改進(jìn)，以適應(yīng)粘性及粘性效應(yīng)的要求，很難取得預(yù)期的效果，解決不了輸送粘性液體運(yùn)行效率低下的難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種利用泵和管道輸送含粘性液體的方法和設(shè)備，采用粘性邊界層原理，求解粘性流的畸變速度和過(guò)流通道，可以大大提高輸送含粘性液體的運(yùn)行效率。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種利用泵和管道輸送含粘性液體的方法，所述含粘性液體是常溫下恩式粘度E°大于6的液體；其特征在于所述泵采用粘性流離心泵或往復(fù)式活塞泵；根據(jù)保證粘性流輸送效率的原則選擇輸送粘性流的輸送速度，其中輸送含粘性液體的運(yùn)動(dòng)速度V2選擇為大于或等于粘滯特性系數(shù)K，即V2≥K。
是根據(jù)粘性流輸送方程和粘性流畸變方程來(lái)選擇含粘性液體的畸變速度V1和運(yùn)動(dòng)速度V2，其中粘性流輸送方程和粘性流畸變方程為V1-V2=KV12-Vc2=K2K=2gh]]>其中V1為粘性流考慮邊界層的畸變流速；V2為粘性流不考慮邊界層的運(yùn)動(dòng)速度；Vc為理想流體的運(yùn)動(dòng)速度；K為粘滯特性系數(shù)；g為重力加速度；h為粘性邊界層產(chǎn)生的附加水力損失。
輸送含粘性液體的運(yùn)動(dòng)速度V2選擇為等于粘滯特性系數(shù)K，即V2＝K。
所述粘性邊界層產(chǎn)生的附加水力損失與泵的設(shè)計(jì)流量和粘性邊界層的厚度有關(guān)，其計(jì)算公式為h=16Q2(dc4-d14)2gπ2dc4d14d1=dc-2δ]]>其中h為粘性邊界層產(chǎn)生的附加水力損失；Q為泵的設(shè)計(jì)流量；d1為粘性流體過(guò)流通道的畸變直徑；dc為理想流體過(guò)流通道的直徑；δ為粘性邊界層的厚度。
本發(fā)明還提供一種用于輸送含粘性液體的管道輸送設(shè)備，包括泵、與泵相連接的管道以及與管道連接的儲(chǔ)存裝置、運(yùn)送裝置；其特征在于所述泵采用基于粘性流輸送理論設(shè)計(jì)的粘性流離心泵，包括吸入口、葉輪和壓水室，其中所述泵的吸入口、葉輪和壓水室中的流態(tài)是分開(kāi)設(shè)計(jì)的；通過(guò)所述泵和管道輸送含粘性液體的運(yùn)動(dòng)速度選擇為大于或等于粘滯特性系數(shù)。
通過(guò)所述泵和管道輸送含粘性液體的運(yùn)動(dòng)速度選擇為等于粘滯特性系數(shù)。
所述泵采用往復(fù)式活塞泵。
泵吸入口的流態(tài)滿足以下粘性流運(yùn)動(dòng)方程組
V1-V2=KV12-Vc2=K2K=2gh]]>泵葉輪的流態(tài)滿足以下粘性流運(yùn)動(dòng)方程組Vm1-Vm2=KmVm12-Vmc2=Km2Km=2ghm]]>其中角標(biāo)m代表離心泵葉輪的軸面運(yùn)動(dòng)。
泵壓水室的流態(tài)滿足以下粘性流運(yùn)動(dòng)方程組V31-V32=K3V312-V3c2=K32K3=2gh3]]>其中角標(biāo)3代表離心壓水室的液體運(yùn)動(dòng)。
本發(fā)明的上述和另外的特征、優(yōu)點(diǎn)可以通過(guò)以下結(jié)合附圖的詳細(xì)說(shuō)明得到進(jìn)一步的理解。


圖1A為理想流體和含粘性流體輸送率阻力損失變化對(duì)比曲線示意圖；圖1B為理想流體和含粘性流體輸送率阻力損失變化對(duì)比曲線示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明首先提供一種利用泵和管道輸送含粘性液體的方法，其中，所述含粘性液體是常溫下恩式粘度E°大于6的液體；所述泵采用粘性流離心泵或往復(fù)式活塞泵；根據(jù)保證粘性流輸送效率的原則選擇輸送粘性流的輸送速度，即在所選定的輸送速度下，單位流體輸送能耗盡可能的低；以下說(shuō)明是如何根據(jù)上述原則選擇輸送速度的。
把粘性液體有邊界層和沒(méi)有邊界層進(jìn)行對(duì)比，這是一個(gè)突然放大的物理模型，用動(dòng)量方程和能量方程可以求出其阻力損失，從而得到粘性流的輸送方程，其計(jì)算公式如下V1-V2=KK=2gh]]>
其中V1為粘性流考慮邊界層的畸變流速；V2為粘性流不考慮邊界層的運(yùn)動(dòng)速度；K為粘滯特性系數(shù)；g為重力加速度；h為粘性邊界層產(chǎn)生的附加水力損失。
根據(jù)文吐里流量計(jì)的工作原理，把粘性流邊界層的物理模型和理想流體相比，忽略粘滯力就可以得到粘性流的畸變方程，其是把理想流體作為參考量，計(jì)算公式如下V12-Vc2=K2K=2gh]]>其中Vc為理想流體的運(yùn)動(dòng)速度。
將上述兩個(gè)方程組合并，就得到粘性流運(yùn)動(dòng)方程組V1-V2=KV12-Vc2=K2K=2gh]]>此時(shí)，兩個(gè)方程，兩個(gè)未知數(shù)，是可解的，關(guān)鍵是確定粘性邊界層產(chǎn)生的附加水力損失h，其與泵的設(shè)計(jì)流量和粘性邊界層的厚度有關(guān)，其計(jì)算公式為h=16Q2(dc4-d14)2gπ2dc4d14d1=dc-2δ]]>其中h為粘性邊界層產(chǎn)生的附加水力損失；Q為泵的設(shè)計(jì)流量；d1為粘性流體過(guò)流通道的畸變直徑；dc為理想流體過(guò)流通道的直徑；δ為粘性邊界層的厚度。
如圖1A和圖1B所示，為理想流體和含粘性流體輸送率阻力損失變化對(duì)比曲線示意圖。從圖1A的對(duì)比曲線可以看出，對(duì)于輸送含粘性液體，輸送速度越高，越接近于理想流體，而從圖1B中可以看出，理想流體的阻力損失和Vc2成正比，隨著Vc的增加，阻力損失急劇增加，因此，對(duì)于理想流體來(lái)說(shuō)，一般都選取低流速、允許流速或經(jīng)濟(jì)流速；而輸送含粘性液體時(shí)，隨著畸變速度V1的增加，單位粘性流體的阻力損失開(kāi)始時(shí)反而減小，只有在比較高的流速下，阻力損失才開(kāi)始緩慢上升，而且遠(yuǎn)低于理想流體產(chǎn)生的阻力損失。
本發(fā)明中，采用的是粘性流離心泵或往復(fù)式活塞泵，其是根據(jù)保證粘性流輸送效率的原則選擇輸送粘性流的輸送速度，其中輸送含粘性液體的運(yùn)動(dòng)速度V2選擇為大于或等于粘滯特性系數(shù)K，即V2≥K，此時(shí)粘性流考慮邊界層的畸變流速V1為大于或等于兩倍的粘滯特性系數(shù)K，即V1≥2K，在這個(gè)速度范圍內(nèi)，即使流速較高，仍比低速輸送經(jīng)濟(jì)。而圖1B中粘性流的相交點(diǎn)的數(shù)值為V1＝2K，V2＝K，這是總能耗的極小值點(diǎn)，也就是，輸送速度優(yōu)選V1＝2K，V2＝K，即輸送含粘性液體的運(yùn)動(dòng)速度V2選擇為等于粘滯特性系數(shù)K。這種方法幾乎和理想流體的設(shè)計(jì)方法完全不同，使得輸送含粘性流體的效率更高，損失更小。
本發(fā)明還提供一種用于輸送含粘性液體的管道輸送設(shè)備，包括泵、與泵相連接的管道以及與管道連接的儲(chǔ)存裝置、運(yùn)送裝置；其中所述泵采用粘性流離心泵或往復(fù)式活塞泵；所述管道內(nèi)輸送含粘性液體的運(yùn)動(dòng)速度選擇為大于或等于粘滯特性系數(shù)。所述管道內(nèi)輸送含粘性液體的運(yùn)動(dòng)速度最優(yōu)的是選擇為等于粘滯特性系數(shù)。
上述用于輸送含粘性液體的離心泵，包括吸入口、葉輪和壓水室；其中所述泵為基于粘性流輸送理論設(shè)計(jì)的粘性流離心泵；泵的吸入口、葉輪和殼體中的流態(tài)是分開(kāi)設(shè)計(jì)的；通過(guò)泵輸送含粘性液體的運(yùn)動(dòng)速度選擇為大于或等于粘滯特性系數(shù)。通過(guò)泵輸送含粘性液體的運(yùn)動(dòng)速度最優(yōu)的是選擇為等于粘滯特性系數(shù)。其是參考專利ZL96102777.0的“沖壓成型離心泵及其制造方法”或?qū)＠鸝L97236819.1的粘性流離心泵進(jìn)行制造，只是對(duì)其中吸入口、葉輪和壓水室的流態(tài)進(jìn)行以下設(shè)計(jì)。
泵吸入口的流態(tài)滿足以下粘性流運(yùn)動(dòng)方程組V1-V2=KV12-Vc2=K2K=2gh]]>泵葉輪的流態(tài)滿足以下粘性流運(yùn)動(dòng)方程組Vm1-Vm2=KmVm12-Vmc2=Km2Km=2ghm]]>其中角標(biāo)m代表離心泵葉輪的軸面運(yùn)動(dòng)。
泵壓水室的流態(tài)滿足以下粘性流運(yùn)動(dòng)方程組
V31-V32=K3V312-V3c2=K32K3=2gh3]]>其中角標(biāo)3代表離心壓水室的液體運(yùn)動(dòng)。
實(shí)施例一6/4Z-20型粘性流離心泵，在江蘇理工大學(xué)輕工用泵檢測(cè)中心進(jìn)行漿體對(duì)比試驗(yàn)，證明上述方法及其設(shè)備是行之有效的。

表1表1是6/4Z-20型粘性流離心泵與國(guó)家A級(jí)優(yōu)等品的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，由表中可以看出，6/4Z-20型粘性流離心泵在清水條件下，效率高5％左右，而在粘性條件下，效率不僅不下降，反而高出了16％左右。
實(shí)施例二在由國(guó)家組織的對(duì)粘性流系列離心泵的技術(shù)鑒定中，專家所做出的結(jié)論是粘性流系列離心泵與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)相比，在清水條件下效率高出5％左右，在粘性條件下效率高出15％左右，而在管道和泵聯(lián)合運(yùn)行的情況下，效率高出了20％以上。
由此，本發(fā)明不采用領(lǐng)域中按“理想流體”進(jìn)行設(shè)計(jì)的常規(guī)手段，而直接按粘性流體進(jìn)行設(shè)計(jì)，不僅解決了實(shí)際輸送粘性流體中存在的“高比轉(zhuǎn)速低用”、“偏工況運(yùn)行”和“大馬拉小車”情況，而且大大提高了輸送效率，降低了阻力損失，比傳統(tǒng)的輸送方法效率提高20％-30％，同時(shí)大量的工業(yè)運(yùn)行資料表明，其平均節(jié)能10％-20％。
應(yīng)當(dāng)理解，以上結(jié)合實(shí)施例的說(shuō)明對(duì)本發(fā)明而言只是說(shuō)明性而非限制性的，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可對(duì)本發(fā)明做出許多變更和修改，其都將落在由權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種利用泵和管道輸送含粘性液體的方法，所述含粘性液體是常溫下恩式粘度E°大于6的液體；其特征在于所述泵采用粘性流離心泵或往復(fù)式活塞泵；根據(jù)保證粘性流輸送效率的原則選擇輸送粘性流的輸送速度，其中輸送含粘性液體的運(yùn)動(dòng)速度V2選擇為大于或等于粘滯特性系數(shù)K，即V2≥K。
2.如權(quán)利要求1所述的利用泵和管道輸送含粘性液體的方法，其特征在于是根據(jù)粘性流輸送方程和粘性流畸變方程來(lái)選擇含粘性液體的畸變速度V1和運(yùn)動(dòng)速度V2，其中粘性流輸送方程和粘性流畸變方程為V1-V2=KV12-Vc2=K2K=2gh]]>其中V1為粘性流考慮邊界層的畸變流速；V2為粘性流不考慮邊界層的運(yùn)動(dòng)速度；Vc為理想流體的運(yùn)動(dòng)速度；K為粘滯特性系數(shù)；g為重力加速度；h為粘性邊界層產(chǎn)生的附加水力損失。
3.如權(quán)利要求1所述的利用泵和管道輸送含粘性液體的方法，其特征在于輸送含粘性液體的運(yùn)動(dòng)速度V2選擇為等于粘滯特性系數(shù)K，即V2＝K。
4.如權(quán)利要求2所述的利用泵和管道輸送含粘性液體的方法，其特征在于所述粘性邊界層產(chǎn)生的附加水力損失與泵的設(shè)計(jì)流量和粘性邊界層的厚度有關(guān)，其計(jì)算公式為h=16Q2(dc4-d14)2gπ2dc4d14d1=dc-2δ]]>其中h為粘性邊界層產(chǎn)生的附加水力損失；Q為泵的設(shè)計(jì)流量；d1為粘性流體過(guò)流通道的畸變直徑；dc為理想流體過(guò)流通道的直徑；δ為粘性邊界層的厚度。
5.一種用于輸送含粘性液體的管道輸送設(shè)備，包括泵、與泵相連接的管道以及與管道連接的儲(chǔ)存裝置、運(yùn)送裝置；其特征在于所述泵采用基于粘性流輸送理論設(shè)計(jì)的粘性流離心泵，包括吸入口、葉輪和壓水室，其中所述泵的吸入口、葉輪和壓水室中的流態(tài)是分開(kāi)設(shè)計(jì)的；通過(guò)所述泵和管道輸送含粘性液體的運(yùn)動(dòng)速度選擇為大于或等于粘滯特性系數(shù)。
6.如權(quán)利要求5所述的用于輸送含粘性液體的管道輸送設(shè)備，其特征在于通過(guò)所述泵和管道輸送含粘性液體的運(yùn)動(dòng)速度選擇為等于粘滯特性系數(shù)。
7.如權(quán)利要求5所述的用于輸送含粘性液體的管道輸送設(shè)備，其特征在于所述泵采用往復(fù)式活塞泵。
8.如權(quán)利要求5所述的用于輸送含粘性液體的管道輸送設(shè)備，其特征在于所述泵吸入口的流態(tài)滿足以下粘性流運(yùn)動(dòng)方程組V1-V2=KV12-Vc2=K2K=2gh]]>
9.如權(quán)利要求5所述的用于輸送含粘性液體的管道輸送設(shè)備，其特征在于所述泵葉輪的流態(tài)滿足以下粘性流運(yùn)動(dòng)方程組Vm1-Vm2=KmVm12-Vmc2=Km2Km=2ghm]]>其中角標(biāo)m代表離心泵葉輪的軸面運(yùn)動(dòng)。
10.如權(quán)利要求5所述的用于輸送含粘性液體的管道輸送設(shè)備，其特征在于所述泵壓水室的流態(tài)滿足以下粘性流運(yùn)動(dòng)方程組V31-V32=K3V312-V3c2=K32K3=2gh3]]>其中角標(biāo)3代表離心壓水室的液體運(yùn)動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種利用泵和管道輸送含粘性液體的方法，所述含粘性液體是常溫下恩式粘度E°大于6的液體；其中所述泵采用粘性流離心泵或往復(fù)式活塞泵；根據(jù)保證粘性流輸送效率的原則選擇輸送粘性流的輸送速度，其中輸送含粘性液體的運(yùn)動(dòng)速度選擇為大于或等于粘滯特性系數(shù)，由此不僅解決了實(shí)際輸送粘性流體中運(yùn)行效率低以及普遍存在的“高比轉(zhuǎn)速低用”、“偏工況運(yùn)行”和“大馬拉小車”情況，而且大大提高了輸送效率，降低了輸送的阻力損失，比傳統(tǒng)的輸送方法效率提高20％－30％，同時(shí)，大量的工業(yè)運(yùn)行資料表明，其平均節(jié)能10％－20％。
文檔編號(hào)F17D1/00GK1844730SQ200610079029
公開(kāi)日2006年10月11日 申請(qǐng)日期2006年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月30日
發(fā)明者蔡保元, 霍春源, 劉元義 申請(qǐng)人:蔡保元