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)：
粘性流動的N-S方程，國內(nèi)外眾多學(xué)者已做過論證，橢圓方程無法求解，不可能同時滿足三大相似準(zhǔn)則和四大定律，所以目前泵的水力設(shè)計都是忽略液體的粘滯性，按“理想流體”設(shè)計的，在高比轉(zhuǎn)速，相對粗糙度極小，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、試驗的泵，在輸送紙漿、糖漿、石化等恩式粘度E°大于5的粘性液體的時候，泵的性能開始大幅下降，表現(xiàn)為泵的揚程降低，流量減少、功率下降，有的甚至無法使用。對于低比轉(zhuǎn)速泵，相對粗糙度急劇增大，粘性效應(yīng)十分明顯，用“理想流體”無法設(shè)計，“高比轉(zhuǎn)速低用”、“偏工況運行”和“大馬拉小車”的情況十分普遍，泵的運行效率極低，通常只有30％左右，近幾年出現(xiàn)的“加大流量設(shè)計法”、“無過載設(shè)計法”、“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)計試驗，并對設(shè)計方法進(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流通道，可以大大提高輸送含粘性液體的運行效率。
為了實現(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動速度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選擇含粘性液體的畸變速度V1和運動速度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動速度；Vc為理想流體的運動速度；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動速度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)計流量和粘性邊界層的厚度有關(guān)，其計算公式為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)計流量；d1為粘性流體過流通道的畸變直徑；dc為理想流體過流通道的直徑；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存裝置、運送裝置；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)是分開設(shè)計的；通過所述泵和管道輸送含粘性液體的運動速度選擇為大于或等于粘滯特性系數(shù)。
通過所述泵和管道輸送含粘性液體的運動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)滿足以下粘性流運動方程組
V1-V2=KV12-Vc2=K2K=2gh]]>泵葉輪的流態(tài)滿足以下粘性流運動方程組Vm1-Vm2=KmVm12-Vmc2=Km2Km=2ghm]]>其中角標(biāo)m代表離心泵葉輪的軸面運動。
泵壓水室的流態(tài)滿足以下粘性流運動方程組V31-V32=K3V312-V3c2=K32K3=2gh3]]>其中角標(biāo)3代表離心壓水室的液體運動。
本發(fā)明的上述和另外的特征、優(yōu)點可以通過以下結(jié)合附圖的詳細(xì)說明得到進(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比曲線示意圖。
具體實施例方式
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有邊界層進(jìn)行對比，這是一個突然放大的物理模型，用動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動速度；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，計算公式如下V12-Vc2=K2K=2gh]]>其中Vc為理想流體的運動速度。
將上述兩個方程組合并，就得到粘性流運動方程組V1-V2=KV12-Vc2=K2K=2gh]]>此時，兩個方程，兩個未知數(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)計流量和粘性邊界層的厚度有關(guān)，其計算公式為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)計流量；d1為粘性流體過流通道的畸變直徑；dc為理想流體過流通道的直徑；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比曲線示意圖。從圖1A的對比曲線可以看出，對于輸送含粘性液體，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，對于理想流體來說，一般都選取低流速、允許流速或經(jīng)濟流速；而輸送含粘性液體時，隨著畸變速度V1的增加，單位粘性流體的阻力損失開始時反而減小，只有在比較高的流速下，阻力損失才開始緩慢上升，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動速度V2選擇為大于或等于粘滯特性系數(shù)K，即V2≥K，此時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，在這個速度范圍內(nèi)，即使流速較高，仍比低速輸送經(jīng)濟。而圖1B中粘性流的相交點的數(shù)值為V1＝2K，V2＝K，這是總能耗的極小值點，也就是，輸送速度優(yōu)選V1＝2K，V2＝K，即輸送含粘性液體的運動速度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存裝置、運送裝置；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動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動速度最優(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)是分開設(shè)計的；通過泵輸送含粘性液體的運動速度選擇為大于或等于粘滯特性系數(shù)。通過泵輸送含粘性液體的運動速度最優(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，只是對其中吸入口、葉輪和壓水室的流態(tài)進(jìn)行以下設(shè)計。
泵吸入口的流態(tài)滿足以下粘性流運動方程組V1-V2=KV12-Vc2=K2K=2gh]]>泵葉輪的流態(tài)滿足以下粘性流運動方程組Vm1-Vm2=KmVm12-Vmc2=Km2Km=2ghm]]>其中角標(biāo)m代表離心泵葉輪的軸面運動。
泵壓水室的流態(tài)滿足以下粘性流運動方程組
V31-V32=K3V312-V3c2=K32K3=2gh3]]>其中角標(biāo)3代表離心壓水室的液體運動。
實施例一6/4Z-20型粘性流離心泵，在江蘇理工大學(xué)輕工用泵檢測中心進(jìn)行漿體對比試驗，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家A級優(yōu)等品的試驗數(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。
實施例二在由國家組織的對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)計的常規(guī)手段，而直接按粘性流體進(jìn)行設(shè)計，不僅解決了實際輸送粘性流體中存在的“高比轉(zhuǎn)速低用”、“偏工況運行”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％，同時大量的工業(yè)運行資料表明，其平均節(jié)能10％-20％。
應(yīng)當(dāng)理解，以上結(jié)合實施例的說明對本發(fā)明而言只是說明性而非限制性的，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動速度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選擇含粘性液體的畸變速度V1和運動速度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動速度；Vc為理想流體的運動速度；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動速度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)計流量和粘性邊界層的厚度有關(guān)，其計算公式為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)計流量；d1為粘性流體過流通道的畸變直徑；dc為理想流體過流通道的直徑；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存裝置、運送裝置；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)是分開設(shè)計的；通過所述泵和管道輸送含粘性液體的運動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，其特征在于通過所述泵和管道輸送含粘性液體的運動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)滿足以下粘性流運動方程組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)滿足以下粘性流運動方程組Vm1-Vm2=KmVm12-Vmc2=Km2Km=2ghm]]>其中角標(biāo)m代表離心泵葉輪的軸面運動。
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)滿足以下粘性流運動方程組V31-V32=K3V312-V3c2=K32K3=2gh3]]>其中角標(biāo)3代表離心壓水室的液體運動。
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動速度選擇為大于或等于粘滯特性系數(shù)，由此不僅解決了實際輸送粘性流體中運行效率低以及普遍存在的“高比轉(zhuǎn)速低用”、“偏工況運行”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，大量的工業(yè)運行資料表明，其平均節(jié)能10％－20％。
文檔編號F17D1/00GK1844730SQ200610079029
公開日2006年10月11日 申請日期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 申請人:蔡保元