小型泵系统工作机制

来源:荣格

发布时间:2019年5月13日下午 04:05:22

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?
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。
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图片来自网站;“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。
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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印象的深刻,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。
小型泵系统工作机制
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。
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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。
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“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。
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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。
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(图注:pump total head 泵总压头; friction head 摩擦头; total static head 总静压头;
Case 示例 ; suction tank 吸入罐; pump 泵; friction head loss 摩擦头损失; Discharge tank 排出罐; System boundary 系统边界)
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。

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