氣體輸送機(jī)械

1、第四節(jié) 氣體輸送機(jī)械氣體輸送機(jī)械的結(jié)構(gòu)和原理與液體輸送機(jī)械大體相同。但是氣體具有可壓縮性和比液體小得多的密度（約為液體密度的千分之一左右），從而使氣體輸送具有某些不同于液體輸送的特點(diǎn)。對(duì)一定的質(zhì)量流量，氣體由于密度很小，其體積流量很大。因此，氣體輸送管路中的流速要比液體輸送管路的流速大得多。由前可知，液體在管路中的經(jīng)濟(jì)流速為13m/s，而氣體為1525m/s，約為液體的10倍。若輸送同樣的質(zhì)量流量，經(jīng)相同管長(zhǎng)后氣體的阻力損失約為液體阻力損失的10倍。流量大、壓頭高的液體輸送是比較困難的。對(duì)于氣體輸送，這一問(wèn)題尤其突出。離心式輸送機(jī)械，流量雖大但經(jīng)常不能提供管路所需的壓頭。各種正位移式輸送機(jī)械雖

2、可提供所需的高壓頭，但流量大時(shí)，設(shè)備十分龐大。因此在氣體管路設(shè)計(jì)或工藝條件的選擇中，應(yīng)特別注意這個(gè)問(wèn)題。氣體因具有可壓縮性，故在輸送機(jī)械內(nèi)部氣體壓強(qiáng)發(fā)生變化的同時(shí)，體積及溫度也將隨之變化。這些變化對(duì)氣體輸送機(jī)械的結(jié)構(gòu)、形狀有很大的影響。因此氣體輸送機(jī)械根據(jù)它所能產(chǎn)生的進(jìn)、出口壓強(qiáng)差和壓強(qiáng)比（稱(chēng)為壓縮比）進(jìn)行如下分類(lèi)，以便于選擇。（1）通風(fēng)機(jī)：出口壓強(qiáng)不大于1.47×104Pa（表壓），壓縮比為11.15；（2）鼓風(fēng)機(jī)：出口壓強(qiáng)為（1.4729.4）×104Pa（表壓），壓縮比小于4；（3）壓縮機(jī)：出口壓強(qiáng)為2.94×104Pa（表壓）以上，壓縮比大于4；（4）真空

3、泵：用于減壓，出口壓力為1大氣壓，其壓縮比由真空度決定。此外，氣體輸送機(jī)械按其結(jié)構(gòu)與工作原理又可分為離心式、往復(fù)式、旋轉(zhuǎn)式和流體作用式。2-4-1 離心通風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)與壓縮機(jī)離心通風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)與壓縮機(jī)的工作原理和離心泵相似，依靠葉輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使氣體獲得能量，從而提高了壓強(qiáng)。通風(fēng)機(jī)都是單級(jí)的，所產(chǎn)生的表壓低于1.47×104Pa，對(duì)氣體起輸送作用。鼓風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)都是多級(jí)的，兩者對(duì)氣體都有較顯著的壓縮作用。 一、離心通風(fēng)機(jī)離心通風(fēng)機(jī)的工作原理與離心泵完全相同。按所產(chǎn)生的風(fēng)壓不同，可分為低壓離心通風(fēng)機(jī) 出口風(fēng)壓9.807×102Pa；中壓離心通風(fēng)機(jī) 出口風(fēng)壓為（9.807

4、5;1022.942×103）Pa；高壓離心通風(fēng)機(jī) 出口風(fēng)壓為（2.942×1031.47×104）Pa。圖2-28 低壓離心通風(fēng)機(jī)1機(jī)殼；2葉輪；3吸入口；4排出口1離心通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu) 為適應(yīng)輸送量大和壓頭高的要求，通風(fēng)機(jī)葉輪直徑一般是比較大的，葉片的數(shù)目比較多且長(zhǎng)度較短。低壓通風(fēng)機(jī)的葉片常是平直的，與軸心成輻射狀安裝。中、高壓通風(fēng)機(jī)的葉片是彎曲的。它的機(jī)殼也是蝸牛形，但機(jī)殼斷面有方形和圓形兩種。一般低、中壓通風(fēng)機(jī)多是方形（見(jiàn)圖2-28），高壓多為圓形。2離心通風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)及特性曲線 離心通風(fēng)機(jī)的主要性能參數(shù)有流量（風(fēng)量）、壓頭（風(fēng)壓）、軸功率和效率。由于氣體通

5、過(guò)風(fēng)機(jī)的壓強(qiáng)變化較小，可視為不可壓縮，所以離心泵基本方程也可用來(lái)分析離心通風(fēng)機(jī)性能。（1）風(fēng)量 風(fēng)量是單位時(shí)間內(nèi)從風(fēng)機(jī)出口排出的氣體體積，并以風(fēng)機(jī)進(jìn)口處氣體的狀態(tài)計(jì)，以Q表示，單位為m3/h。離心通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量取決于風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、尺寸和轉(zhuǎn)速。（2）風(fēng)壓 習(xí)慣上將通風(fēng)機(jī)的壓頭表示為單位體積氣體所獲得的能量，其單位為J/m3=N/m2=Pa，與壓強(qiáng)單位相同。所以風(fēng)機(jī)的壓頭又稱(chēng)風(fēng)壓。離心通風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓取決于風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、葉輪尺寸、轉(zhuǎn)速與進(jìn)入風(fēng)機(jī)的氣體密度。目前還不能用理論方法精確計(jì)算，而是由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。一般通過(guò)測(cè)量風(fēng)機(jī)進(jìn)出口處氣體的流速與壓強(qiáng)的數(shù)據(jù)，按柏努利方程來(lái)計(jì)算風(fēng)壓。如取1m3氣體為基準(zhǔn)，在風(fēng)機(jī)進(jìn)、出口

6、的截面11及22間列柏努利方程，可得離心通風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓為： pT=gH=(Z2Z1)g+（p2p1）+式中(Z2Z1)g值比較小，可以忽略。風(fēng)機(jī)進(jìn)、出口間管段很短，故也可忽略，又當(dāng)空氣直接由大氣進(jìn)入風(fēng)機(jī)，u1也可忽略。上式可簡(jiǎn)化為 pT=（p2p1）+ （2-26）從上式看出，通風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓由兩部分組成：（p2p1）習(xí)慣上稱(chēng)靜風(fēng)壓pst；而稱(chēng)動(dòng)風(fēng)壓。在離心泵中，泵進(jìn)、出口處的動(dòng)能差很小，可以忽略，但在離心通風(fēng)機(jī)中，氣體出口速度很大，動(dòng)能差不能忽略。因此，通風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)比離心泵多了一個(gè)動(dòng)風(fēng)壓。離心通風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓為靜風(fēng)壓與動(dòng)風(fēng)壓之和，又稱(chēng)全風(fēng)壓。通風(fēng)機(jī)在出廠前，必須通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定其特性曲線（見(jiàn)圖2-29

7、），試驗(yàn)介質(zhì)是壓強(qiáng)為1.013×105Pa，溫度為20的空氣（=1.2kg/m3）。若實(shí)際操作條件與上述試驗(yàn)條件不同時(shí)，應(yīng)按下式將操作條件下的風(fēng)壓P'T換算為實(shí)驗(yàn)條件下的風(fēng)壓pT，然后以pT的數(shù)值來(lái)選擇風(fēng)機(jī)。圖2-29 離心通風(fēng)機(jī)特性曲線 PT=p'T （2-27） （3）軸功率與效率離心通風(fēng)機(jī)的軸功率為 N= （2-28）式中 N軸功率，kW； Q風(fēng)量，m3/s； pT風(fēng)壓，Pa； 效率，因按全風(fēng)壓定出，故又稱(chēng)為全壓效率。風(fēng)機(jī)的軸功率與被輸送氣體的密度有關(guān)，風(fēng)機(jī)性能表上列出的軸功率均為實(shí)驗(yàn)條件下，即空氣的密度為1.2kg/m3時(shí)的數(shù)據(jù)。若輸送的氣體密度不同，可按下式

8、進(jìn)行換算； （2-29）式中 P'氣體密度為'時(shí)的軸功率，kW； P氣體密度為1.2kg/m3時(shí)的軸功率，kW?！纠?5】 已知空氣的最大輸送量為14500kg/h。在最大風(fēng)量下輸送系統(tǒng)所需的風(fēng)壓為1600Pa（以風(fēng)機(jī)進(jìn)口狀態(tài)計(jì)）。風(fēng)機(jī)的入口與溫度為40，真空度為196Pa的設(shè)備連接，試選合適的離心通風(fēng)機(jī)。當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)為93.3×103Pa。解：將系統(tǒng)所需的風(fēng)壓p'T換算為實(shí)驗(yàn)條件下的風(fēng)壓pT，即 操作條件下'的計(jì)算：（40，p=（93300196）Pa）從附錄中查得1.0133×105Pa，40時(shí)的=1.128 kg/m3 所以 風(fēng)量按風(fēng)機(jī)

9、進(jìn)口狀態(tài)計(jì) 根據(jù)風(fēng)量Q=13940m3/h和風(fēng)壓pT=1846Pa從附錄中查得47211NO.6C型離心通風(fēng)機(jī)可滿足要求。該機(jī)性能如下：風(fēng)壓 1941.8Pa=198mmH2O風(fēng)量 14100 m3/h效率 91%軸功率 10kW 二、離心鼓風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)圖2-30 五級(jí)離心鼓風(fēng)機(jī)示意圖離心鼓風(fēng)機(jī)又稱(chēng)透平鼓風(fēng)機(jī)，工作原理與離心通風(fēng)機(jī)相同，結(jié)構(gòu)類(lèi)似多級(jí)離心泵。圖2-30所示為一臺(tái)五級(jí)離心鼓風(fēng)機(jī)的示意圖。氣體由吸氣口進(jìn)入后，經(jīng)過(guò)第一級(jí)的葉輪和導(dǎo)輪，然后轉(zhuǎn)入第二級(jí)葉輪入口。再依次通過(guò)以后所有的葉輪和導(dǎo)輪，最后由排出口排出。離心鼓風(fēng)機(jī)送氣量大，但所產(chǎn)生風(fēng)壓仍不高，出口表壓強(qiáng)一般不超過(guò)2.94×

10、104Pa。由于氣體的壓縮比不高，故無(wú)需冷卻裝置，各級(jí)葉輪的直徑也大體上相等。離心壓縮機(jī)常稱(chēng)為透平壓縮機(jī)，主要結(jié)構(gòu)、工作原理都與離心鼓風(fēng)機(jī)相似。只是離心壓縮機(jī)的葉輪級(jí)數(shù)更多，可在10級(jí)以上，轉(zhuǎn)速較高，故能產(chǎn)生更高的壓強(qiáng)。由于氣體的壓縮比較高，體積變化就比較大，溫度升高也較顯著。因此離心壓縮機(jī)常分成幾段，每段包括若干級(jí)。葉輪直徑與寬度逐段縮小，段與段之間設(shè)置中間冷卻器，以免氣體溫度過(guò)高。離心壓縮機(jī)流量大，供氣均勻，體積小，機(jī)體內(nèi)易損部件少，可連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，且安全可靠維修方便，機(jī)體內(nèi)無(wú)潤(rùn)滑油污染氣體，所以近年來(lái)除要求壓強(qiáng)很高以外，離心壓縮機(jī)的應(yīng)用日趨廣泛。離心鼓風(fēng)機(jī)與離心壓縮機(jī)的規(guī)格、用途詳見(jiàn)產(chǎn)品目錄

11、。2-4-2 旋轉(zhuǎn)鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)與真空泵旋轉(zhuǎn)鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)與旋轉(zhuǎn)泵相似，機(jī)殼內(nèi)有一個(gè)或兩個(gè)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，沒(méi)有活塞和閥門(mén)等裝置。旋轉(zhuǎn)式設(shè)備的特點(diǎn)是：構(gòu)造簡(jiǎn)單、緊湊、體積小，排氣連續(xù)均勻，適用于所需壓強(qiáng)不高而流量較大的情況。圖2-31 羅茨鼓風(fēng)機(jī)圖 圖2-32 液環(huán)壓縮機(jī) 1吸入口；2排出口 一、羅茨鼓風(fēng)機(jī)羅茨鼓風(fēng)機(jī)的工作原理與齒輪泵相似。如圖2-31所示，機(jī)殼內(nèi)有兩個(gè)特殊形狀的轉(zhuǎn)子，常為腰形或三星形，兩轉(zhuǎn)子之間、轉(zhuǎn)子與機(jī)殼之間縫隙很小，使轉(zhuǎn)子能自由轉(zhuǎn)動(dòng)而無(wú)過(guò)多的泄漏。兩轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相反，可使氣體從機(jī)殼一側(cè)吸入，而從另一側(cè)排出。如改變轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向時(shí)，則吸入口與排出口互換。羅茨鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和轉(zhuǎn)速成

12、正比，而且?guī)缀醪皇艹隹趬簭?qiáng)變化的影響。羅茨鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，風(fēng)量可保持大體不變，故稱(chēng)為定容式鼓風(fēng)機(jī)。這一類(lèi)型鼓風(fēng)機(jī)的輸氣量范圍是2500m3/min，出口表壓強(qiáng)在0.08MPa以?xún)?nèi)，但在表壓強(qiáng)為0.04MPa附近效率較高。羅茨鼓風(fēng)機(jī)的出口應(yīng)安裝氣體穩(wěn)壓罐，并配置安全閥。一般采用回流支路調(diào)節(jié)流量，出口閥不能完全關(guān)閉。操作溫度不能超過(guò)85，否則引起轉(zhuǎn)子受熱膨脹，發(fā)生碰撞。二、液環(huán)壓縮機(jī)液環(huán)壓縮機(jī)亦稱(chēng)納氏泵。如圖2-32所示，由一個(gè)略似橢圓的外殼和旋轉(zhuǎn)葉輪所組成，殼中盛有適量的液體。當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片帶動(dòng)液體旋轉(zhuǎn)，由于離心力的作用，液體被拋向殼體，形成一層橢圓形的液環(huán)，在橢圓形長(zhǎng)軸兩端形成兩個(gè)月牙形

13、空間。當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，月牙形空間內(nèi)的小室逐漸變大和變小各兩次，因此氣體從兩個(gè)吸入口進(jìn)入機(jī)內(nèi)，而從兩個(gè)排出口排出。液環(huán)壓縮機(jī)中的液體將壓縮的氣體與外殼隔開(kāi)，氣體僅與葉輪接觸，因此輸送腐蝕性的氣體時(shí)，只需葉輪的材料抗腐蝕即可。殼內(nèi)的液體應(yīng)與所輸送的氣體不起作用，例如壓送氯氣時(shí)，殼內(nèi)可充硫酸。液環(huán)壓縮機(jī)所產(chǎn)生的表壓強(qiáng)可高達(dá)0.50.6MPa，但在0.150.18MPa間效率最高。 三、真空泵從設(shè)備或系統(tǒng)中抽出氣體使其中的絕對(duì)壓強(qiáng)低于大氣壓，此時(shí)所用的輸送設(shè)備稱(chēng)為真空泵。真空泵的型式很多，此處僅介紹化工廠中較常用的型式。1水環(huán)真空泵 該泵如圖2-33所示。外殼1內(nèi)裝有偏心葉輪，其上有輻射狀的葉片2。

14、泵內(nèi)約充有一半容積的水，當(dāng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，形成水環(huán)。水環(huán)具有液封的作用，與葉片之間形成許多大小不同的密封小室。當(dāng)小室逐漸增大時(shí)，氣體從入口3吸入；當(dāng)小室逐漸減小時(shí)，氣體由出口4排出。水環(huán)真空泵可以造成的最高真空度為85kPa左右，也可作鼓風(fēng)機(jī)用，但所產(chǎn)生的表壓強(qiáng)不超過(guò)101.3kPa。當(dāng)被抽吸的氣體不宜與水接觸時(shí)，泵內(nèi)可充以其它液體，所以又稱(chēng)為液環(huán)真空泵。此類(lèi)泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，易于制造和維修，由于旋轉(zhuǎn)部分沒(méi)有機(jī)械摩擦，使用壽命長(zhǎng)，操作可靠。適用于抽吸含有液體的氣體，尤其在抽吸腐蝕性或爆炸性氣體時(shí)更為合適。但效率很低，約在30%50%，所能造成的真空度受泵中水的溫度所限制。2噴射泵 噴射泵是利用流體流動(dòng)

15、的靜壓能與動(dòng)能相互轉(zhuǎn)換的原理來(lái)吸、送流體的，既可用于吸送氣體，也可用于吸送液體。在化工生產(chǎn)中，噴射泵常用于抽真空，故又稱(chēng)為噴射式真空泵。噴射泵的工作流體可以是蒸汽，亦可以是液體。圖2-34所示為蒸汽噴射泵。工作蒸汽在高壓下以很高的流速?gòu)膰娮?噴出。在噴射過(guò)程中，蒸汽的靜壓能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，產(chǎn)生低壓，而將氣體吸入。吸入的氣體與蒸汽混合后進(jìn)入擴(kuò)散管5，速度逐漸降低，壓強(qiáng)隨之升高，而后從壓出口6排出。圖2-33 水環(huán)真空泵簡(jiǎn)圖 圖2-34 蒸汽噴射泵 1外殼；2葉片；3水環(huán)； 1工作蒸汽入口；2過(guò)濾器；3噴嘴； 4吸入口；5排出口 4吸入口；5擴(kuò)散管；6壓出口2-4-3 往復(fù)壓縮機(jī)圖2-35 往復(fù)壓縮機(jī)

16、的工作過(guò)程往復(fù)壓縮機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理與往復(fù)泵相似。但因?yàn)闅怏w的密度小，可壓縮，故壓縮機(jī)的吸入和排出活門(mén)必須更加靈巧和精密；為移除壓縮放出的熱量以降低氣體的溫度，必須附設(shè)冷卻裝置。圖2-35為單作用往復(fù)壓縮機(jī)的工作過(guò)程。當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)至氣缸的最左端（圖中A點(diǎn)）壓出行程結(jié)束。但因?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)上原因，雖活塞已達(dá)行程的最左端，氣缸左側(cè)還有一些容積，稱(chēng)為余隙容積。由于余隙的存在，吸入行程開(kāi)始階段為余隙內(nèi)壓強(qiáng)p2的高壓氣體膨脹過(guò)程，直至氣壓降至吸入氣壓P1（圖中B點(diǎn)）時(shí)，吸入活門(mén)才開(kāi)啟，壓強(qiáng)為p1的氣體被吸入缸內(nèi)。在整個(gè)吸氣過(guò)程中，壓強(qiáng)為p1基本保持不變，直至活塞移至最右端（圖中C點(diǎn)），吸入行程結(jié)束。當(dāng)壓縮

17、行程開(kāi)始，吸入活門(mén)關(guān)閉，缸內(nèi)氣體被壓縮。當(dāng)缸內(nèi)氣體的壓強(qiáng)增大到稍高于p2（圖中D點(diǎn)），排出活門(mén)開(kāi)啟，氣體從缸體排出，直至活塞移至最左端，排出過(guò)程結(jié)束。由此可見(jiàn)，壓縮機(jī)的一個(gè)工作循環(huán)由膨脹、吸入、壓縮和排出四個(gè)階段組成的。四邊形ABCD所包圍的面積，為活塞在一個(gè)工作循環(huán)中對(duì)氣體所作之功。根據(jù)氣體和外界的換熱情況，壓縮過(guò)程可分為等溫（CD"）、絕熱（CD'）和多變（CD）三種情況。由圖可見(jiàn)，等溫壓縮消耗的功最小，因此壓縮過(guò)程中希望能較好冷卻，使其接近等溫壓縮。實(shí)際上，等溫和絕熱條件都很難做到，所以壓縮過(guò)程都是介于兩者之間的多變過(guò)程。如不考慮余隙的影響，則多變壓縮后的氣體溫度和一個(gè)

18、工作循環(huán)的壓縮功分別為； （2-30）和 （2-31）式中 k多變指數(shù)，為一實(shí)驗(yàn)常數(shù)； Vc吸入容積。式2-30和2-31說(shuō)明，影響排氣溫度T2和壓縮功W的主要因素是：（1）壓縮比p1/p2愈大，T2和W亦愈大；（2）壓縮功W與吸入氣體量（即式中的p1Vc）成正比；（3）多變指數(shù)k愈大則T2和W也愈大。壓縮過(guò)程的換熱情況影響k值，熱量及時(shí)全部移除，為等溫過(guò)程，相當(dāng)于k=1；完全沒(méi)有熱交換，則為絕熱過(guò)程，k=；部分換熱則1k。值得注意的是大的氣體k也較大?？諝狻錃獾?1.4，而石油氣則=1.2左右，因此在石油氣壓縮機(jī)用空氣試車(chē)或用氮?dú)庵脫Q石油氣時(shí)，就必須注意超負(fù)荷及超溫問(wèn)題。壓縮機(jī)在工作時(shí)，余

19、隙內(nèi)的氣體無(wú)益地進(jìn)行著壓縮膨脹循環(huán)，不僅使吸入氣體量減小，還增加動(dòng)力消耗。因此，壓縮機(jī)的余隙應(yīng)盡量減小。從圖2-36可以看出，活塞在一個(gè)行程中掃過(guò)的容積為VcVa，余隙容積為Va，兩者的比值稱(chēng)為余隙系數(shù)，即 （2-32）當(dāng)活塞從最左端向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，余隙Va中的氣體首先膨脹到Vb，然后才吸入氣體。因此，壓縮機(jī)的容積系數(shù)0為： （2-33）在多變壓縮情況下，可以導(dǎo)出 （2-34）由上式可知，壓縮機(jī)的容積系數(shù)0與余隙系數(shù)和壓縮比p2/p1有關(guān)，對(duì)一定的余隙系數(shù)，壓縮比越高，容積系數(shù)0越小；當(dāng)壓縮比大到一定程度時(shí)，容積系數(shù)為零。此時(shí)，壓縮機(jī)氣缸不再吸入新的氣體，流量為零。0=0時(shí)的壓縮比p2/p1稱(chēng)為壓縮極限，即對(duì)一定的值，壓縮機(jī)所能達(dá)到的最高壓是有限制的。從式2-34可以看出，在余隙系數(shù)相同的情況下，隨著壓縮比p2/p1的增加，容積系數(shù)0將嚴(yán)重下降。同時(shí)，壓縮比太高，動(dòng)力消耗顯著增加，氣體溫升很大，甚至可能導(dǎo)致潤(rùn)滑油變質(zhì)，機(jī)件損壞。因此，當(dāng)生產(chǎn)過(guò)程的壓縮比大于8時(shí)，盡管離壓縮極限尚遠(yuǎn)，也應(yīng)采用多級(jí)壓縮。圖2-36為兩級(jí)壓縮機(jī)示意圖。（如圖b所示）在第一級(jí)中氣體沿多變線ab被壓縮至中間壓強(qiáng)p，以