专利名称：利用泵和管道输送含粘性液体的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种含粘性液体的输送方法和设备，特别涉及一种利用泵和管道输送含粘性液体的方法和设备。
背景技术：
粘性流动的N-S方程，国内外众多学者已做过论证，椭圆方程无法求解，不可能同时满足三大相似准则和四大定律，所以目前泵的水力设计都是忽略液体的粘滞性，按“理想流体”设计的，在高比转速，相对粗糙度极小，粘性效应不明显的情况下，取得了极大的成功。但是按“理想流体”设计、试验的泵，在输送纸浆、糖浆、石化等恩式粘度E°大于5的粘性液体的时候，泵的性能开始大幅下降，表现为泵的扬程降低，流量减少、功率下降，有的甚至无法使用。对于低比转速泵，相对粗糙度急剧增大，粘性效应十分明显，用“理想流体”无法设计，“高比转速低用”、“偏工况运行”和“大马拉小车”的情况十分普遍，泵的运行效率极低，通常只有30％左右，近几年出现的“加大流量设计法”、“无过载设计法”、“短叶片垂置”、“面积比原理”等专有技术，都是采用“理想流体”进行设计试验，并对设计方法进行改进，以适应粘性及粘性效应的要求，很难取得预期的效果，解决不了输送粘性液体运行效率低下的难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用泵和管道输送含粘性液体的方法和设备，采用粘性边界层原理，求解粘性流的畸变速度和过流通道，可以大大提高输送含粘性液体的运行效率。
为了实现上述目的，本发明提供一种利用泵和管道输送含粘性液体的方法，所述含粘性液体是常温下恩式粘度E°大于6的液体；其特征在于所述泵采用粘性流离心泵或往复式活塞泵；根据保证粘性流输送效率的原则选择输送粘性流的输送速度，其中输送含粘性液体的运动速度V2选择为大于或等于粘滞特性系数K，即V2≥K。
是根据粘性流输送方程和粘性流畸变方程来选择含粘性液体的畸变速度V1和运动速度V2，其中粘性流输送方程和粘性流畸变方程为V1-V2=KV12-Vc2=K2K=2gh]]>其中V1为粘性流考虑边界层的畸变流速；V2为粘性流不考虑边界层的运动速度；Vc为理想流体的运动速度；K为粘滞特性系数；g为重力加速度；h为粘性边界层产生的附加水力损失。
输送含粘性液体的运动速度V2选择为等于粘滞特性系数K，即V2＝K。
所述粘性边界层产生的附加水力损失与泵的设计流量和粘性边界层的厚度有关，其计算公式为h=16Q2(dc4-d14)2gπ2dc4d14d1=dc-2δ]]>其中h为粘性边界层产生的附加水力损失；Q为泵的设计流量；d1为粘性流体过流通道的畸变直径；dc为理想流体过流通道的直径；δ为粘性边界层的厚度。
本发明还提供一种用于输送含粘性液体的管道输送设备，包括泵、与泵相连接的管道以及与管道连接的储存装置、运送装置；其特征在于所述泵采用基于粘性流输送理论设计的粘性流离心泵，包括吸入口、叶轮和压水室，其中所述泵的吸入口、叶轮和压水室中的流态是分开设计的；通过所述泵和管道输送含粘性液体的运动速度选择为大于或等于粘滞特性系数。
通过所述泵和管道输送含粘性液体的运动速度选择为等于粘滞特性系数。
所述泵采用往复式活塞泵。
泵吸入口的流态满足以下粘性流运动方程组
V1-V2=KV12-Vc2=K2K=2gh]]>泵叶轮的流态满足以下粘性流运动方程组Vm1-Vm2=KmVm12-Vmc2=Km2Km=2ghm]]>其中角标m代表离心泵叶轮的轴面运动。
泵压水室的流态满足以下粘性流运动方程组V31-V32=K3V312-V3c2=K32K3=2gh3]]>其中角标3代表离心压水室的液体运动。
本发明的上述和另外的特征、优点可以通过以下结合附图的详细说明得到进一步的理解。
图1A为理想流体和含粘性流体输送率阻力损失变化对比曲线示意图；图1B为理想流体和含粘性流体输送率阻力损失变化对比曲线示意图。
具体实施例方式
本发明首先提供一种利用泵和管道输送含粘性液体的方法，其中，所述含粘性液体是常温下恩式粘度E°大于6的液体；所述泵采用粘性流离心泵或往复式活塞泵；根据保证粘性流输送效率的原则选择输送粘性流的输送速度，即在所选定的输送速度下，单位流体输送能耗尽可能的低；以下说明是如何根据上述原则选择输送速度的。
把粘性液体有边界层和没有边界层进行对比，这是一个突然放大的物理模型，用动量方程和能量方程可以求出其阻力损失，从而得到粘性流的输送方程，其计算公式如下V1-V2=KK=2gh]]>
其中V1为粘性流考虑边界层的畸变流速；V2为粘性流不考虑边界层的运动速度；K为粘滞特性系数；g为重力加速度；h为粘性边界层产生的附加水力损失。
根据文吐里流量计的工作原理，把粘性流边界层的物理模型和理想流体相比，忽略粘滞力就可以得到粘性流的畸变方程，其是把理想流体作为参考量，计算公式如下V12-Vc2=K2K=2gh]]>其中Vc为理想流体的运动速度。
将上述两个方程组合并，就得到粘性流运动方程组V1-V2=KV12-Vc2=K2K=2gh]]>此时，两个方程，两个未知数，是可解的，关键是确定粘性边界层产生的附加水力损失h，其与泵的设计流量和粘性边界层的厚度有关，其计算公式为h=16Q2(dc4-d14)2gπ2dc4d14d1=dc-2δ]]>其中h为粘性边界层产生的附加水力损失；Q为泵的设计流量；d1为粘性流体过流通道的畸变直径；dc为理想流体过流通道的直径；δ为粘性边界层的厚度。
如图1A和图1B所示，为理想流体和含粘性流体输送率阻力损失变化对比曲线示意图。从图1A的对比曲线可以看出，对于输送含粘性液体，输送速度越高，越接近于理想流体，而从图1B中可以看出，理想流体的阻力损失和Vc2成正比，随着Vc的增加，阻力损失急剧增加，因此，对于理想流体来说，一般都选取低流速、允许流速或经济流速；而输送含粘性液体时，随着畸变速度V1的增加，单位粘性流体的阻力损失开始时反而减小，只有在比较高的流速下，阻力损失才开始缓慢上升，而且远低于理想流体产生的阻力损失。
本发明中，采用的是粘性流离心泵或往复式活塞泵，其是根据保证粘性流输送效率的原则选择输送粘性流的输送速度，其中输送含粘性液体的运动速度V2选择为大于或等于粘滞特性系数K，即V2≥K，此时粘性流考虑边界层的畸变流速V1为大于或等于两倍的粘滞特性系数K，即V1≥2K，在这个速度范围内，即使流速较高，仍比低速输送经济。而图1B中粘性流的相交点的数值为V1＝2K，V2＝K，这是总能耗的极小值点，也就是，输送速度优选V1＝2K，V2＝K，即输送含粘性液体的运动速度V2选择为等于粘滞特性系数K。这种方法几乎和理想流体的设计方法完全不同，使得输送含粘性流体的效率更高，损失更小。
本发明还提供一种用于输送含粘性液体的管道输送设备，包括泵、与泵相连接的管道以及与管道连接的储存装置、运送装置；其中所述泵采用粘性流离心泵或往复式活塞泵；所述管道内输送含粘性液体的运动速度选择为大于或等于粘滞特性系数。所述管道内输送含粘性液体的运动速度最优的是选择为等于粘滞特性系数。
上述用于输送含粘性液体的离心泵，包括吸入口、叶轮和压水室；其中所述泵为基于粘性流输送理论设计的粘性流离心泵；泵的吸入口、叶轮和壳体中的流态是分开设计的；通过泵输送含粘性液体的运动速度选择为大于或等于粘滞特性系数。通过泵输送含粘性液体的运动速度最优的是选择为等于粘滞特性系数。其是参考专利ZL96102777.0的“冲压成型离心泵及其制造方法”或专利ZL97236819.1的粘性流离心泵进行制造，只是对其中吸入口、叶轮和压水室的流态进行以下设计。
泵吸入口的流态满足以下粘性流运动方程组V1-V2=KV12-Vc2=K2K=2gh]]>泵叶轮的流态满足以下粘性流运动方程组Vm1-Vm2=KmVm12-Vmc2=Km2Km=2ghm]]>其中角标m代表离心泵叶轮的轴面运动。
泵压水室的流态满足以下粘性流运动方程组
V31-V32=K3V312-V3c2=K32K3=2gh3]]>其中角标3代表离心压水室的液体运动。
实施例一6/4Z-20型粘性流离心泵，在江苏理工大学轻工用泵检测中心进行浆体对比试验，证明上述方法及其设备是行之有效的。
表1表1是6/4Z-20型粘性流离心泵与国家A级优等品的试验数据，由表中可以看出，6/4Z-20型粘性流离心泵在清水条件下，效率高5％左右，而在粘性条件下，效率不仅不下降，反而高出了16％左右。
实施例二在由国家组织的对粘性流系列离心泵的技术鉴定中，专家所做出的结论是粘性流系列离心泵与国家标准相比，在清水条件下效率高出5％左右，在粘性条件下效率高出15％左右，而在管道和泵联合运行的情况下，效率高出了20％以上。
由此，本发明不采用领域中按“理想流体”进行设计的常规手段，而直接按粘性流体进行设计，不仅解决了实际输送粘性流体中存在的“高比转速低用”、“偏工况运行”和“大马拉小车”情况，而且大大提高了输送效率，降低了阻力损失，比传统的输送方法效率提高20％-30％，同时大量的工业运行资料表明，其平均节能10％-20％。
应当理解，以上结合实施例的说明对本发明而言只是说明性而非限制性的，在不脱离本发明的精神和范围内，可对本发明做出许多变更和修改，其都将落在由权利要求所限定的本发明的范围内。
权利要求
1.一种利用泵和管道输送含粘性液体的方法，所述含粘性液体是常温下恩式粘度E°大于6的液体；其特征在于所述泵采用粘性流离心泵或往复式活塞泵；根据保证粘性流输送效率的原则选择输送粘性流的输送速度，其中输送含粘性液体的运动速度V2选择为大于或等于粘滞特性系数K，即V2≥K。
2.如权利要求1所述的利用泵和管道输送含粘性液体的方法，其特征在于是根据粘性流输送方程和粘性流畸变方程来选择含粘性液体的畸变速度V1和运动速度V2，其中粘性流输送方程和粘性流畸变方程为V1-V2=KV12-Vc2=K2K=2gh]]>其中V1为粘性流考虑边界层的畸变流速；V2为粘性流不考虑边界层的运动速度；Vc为理想流体的运动速度；K为粘滞特性系数；g为重力加速度；h为粘性边界层产生的附加水力损失。
3.如权利要求1所述的利用泵和管道输送含粘性液体的方法，其特征在于输送含粘性液体的运动速度V2选择为等于粘滞特性系数K，即V2＝K。
4.如权利要求2所述的利用泵和管道输送含粘性液体的方法，其特征在于所述粘性边界层产生的附加水力损失与泵的设计流量和粘性边界层的厚度有关，其计算公式为h=16Q2(dc4-d14)2gπ2dc4d14d1=dc-2δ]]>其中h为粘性边界层产生的附加水力损失；Q为泵的设计流量；d1为粘性流体过流通道的畸变直径；dc为理想流体过流通道的直径；δ为粘性边界层的厚度。
5.一种用于输送含粘性液体的管道输送设备，包括泵、与泵相连接的管道以及与管道连接的储存装置、运送装置；其特征在于所述泵采用基于粘性流输送理论设计的粘性流离心泵，包括吸入口、叶轮和压水室，其中所述泵的吸入口、叶轮和压水室中的流态是分开设计的；通过所述泵和管道输送含粘性液体的运动速度选择为大于或等于粘滞特性系数。
6.如权利要求5所述的用于输送含粘性液体的管道输送设备，其特征在于通过所述泵和管道输送含粘性液体的运动速度选择为等于粘滞特性系数。
7.如权利要求5所述的用于输送含粘性液体的管道输送设备，其特征在于所述泵采用往复式活塞泵。
8.如权利要求5所述的用于输送含粘性液体的管道输送设备，其特征在于所述泵吸入口的流态满足以下粘性流运动方程组V1-V2=KV12-Vc2=K2K=2gh]]>
9.如权利要求5所述的用于输送含粘性液体的管道输送设备，其特征在于所述泵叶轮的流态满足以下粘性流运动方程组Vm1-Vm2=KmVm12-Vmc2=Km2Km=2ghm]]>其中角标m代表离心泵叶轮的轴面运动。
10.如权利要求5所述的用于输送含粘性液体的管道输送设备，其特征在于所述泵压水室的流态满足以下粘性流运动方程组V31-V32=K3V312-V3c2=K32K3=2gh3]]>其中角标3代表离心压水室的液体运动。
全文摘要
本发明提供一种利用泵和管道输送含粘性液体的方法，所述含粘性液体是常温下恩式粘度E°大于6的液体；其中所述泵采用粘性流离心泵或往复式活塞泵；根据保证粘性流输送效率的原则选择输送粘性流的输送速度，其中输送含粘性液体的运动速度选择为大于或等于粘滞特性系数，由此不仅解决了实际输送粘性流体中运行效率低以及普遍存在的“高比转速低用”、“偏工况运行”和“大马拉小车”情况，而且大大提高了输送效率，降低了输送的阻力损失，比传统的输送方法效率提高20％－30％，同时，大量的工业运行资料表明，其平均节能10％－20％。
文档编号F17D1/00GK1844730SQ200610079029
公开日2006年10月11日 申请日期2006年4月30日 优先权日2006年4月30日
发明者蔡保元, 霍春源, 刘元义 申请人:蔡保元