第二章第二章流体输送机械第三节第三节 气体输送设备气体输送设备一、概述一、概述二、离心式通风机二、离心式通风机三、鼓风机和压缩机三、鼓风机和压缩机四、真空泵四、真空泵2024/9/16一一 、概述、概述1、气体输送机械在工业生产中的应用、气体输送机械在工业生产中的应用 气体输送气体输送：为了克服管路的阻力，需要提高气体的压力。 纯粹为了输送的目的而对气体加压，压力一般都不高。但气体输送往往输送量很大输送量很大，需要的动力往动力往往相当大往相当大。2024/9/16产生高压气体产生高压气体：化学工业中一些化学反应化学反应过程需要在高压下高压下进行，如合成氨反应，乙烯的本体聚合；一些分离过程分离过程也需要在高压下进行，如气体的液化与分离。这些高压进行的过程对相关气体的输送机械出口压力提出了相当高的要求。生产真空生产真空：相当多的单元操作是在低于常压低于常压的情况下进行，这时就需要真空泵真空泵从设备中抽出气体以产生真空。2024/9/162、气体输送机械的一般特点、气体输送机械的一般特点动力消耗大动力消耗大：对一定的质量流量，由于气体的密度小，其体积流量很大。因此气体输送管中的流速流速比液体要大得多比液体要大得多，前者的经济流速（1525m/s）约为后者（13m/s）的10倍。这样，以各自的经济流速输送同样的质量流量，经相同的管长后气体的阻力损阻力损失约为液体的失约为液体的10倍倍。因而气体输送机械的动力消耗往往很大。2024/9/16气体输送机械体积一般都很庞大机械体积一般都很庞大，对出口压力高的机械更是如此。由于气体的可压缩性可压缩性，故在输送机械内部气体压力变化的同时，体积和温度也将随之发生变化体积和温度也将随之发生变化。这些变化对气体输送机械的结构、形状有很大影响。因此，气体输送机械需要根据出口压力来加以分类气体输送机械需要根据出口压力来加以分类。 2024/9/163、气体输送机械的分类、气体输送机械的分类 气体输送机械按出口压力出口压力（终压）和压缩比压缩比不同分为如下几类： 通风机通风机：终压（表压，下同）不大于15kPa（约1500mmH2O）,压缩比1至1.15；鼓风机鼓风机：终压15300kPa，压缩比小于4；压缩机压缩机：终压在300kPa以上，压缩比大于4；真空泵真空泵：在设备内造成负压，终压为大气压，压缩比由真空度决定。 2024/9/16二二 、离心式通风机、离心式通风机1、离心式通风机的结构特点、离心式通风机的结构特点 离心式通风机工作原理与离心泵相同工作原理与离心泵相同，结构也大同小异。但由于输送对象的不同，相对于离心泵而言，存在以下特点：为适应输送风量大的要求，通风机的叶轮直径叶轮直径一般是比较大比较大的。叶轮上叶片的数目比较多数目比较多。2024/9/16叶片有平直的、前弯的、后弯的叶片有平直的、前弯的、后弯的。通风机的主要要求是通风量大，在不追求高效率时，用前弯叶片有利于提高压头，减小叶轮直径。（离心泵的叶片离心泵的叶片通常为后弯通常为后弯）机壳内逐渐扩大的通道及出口截面常不为圆形而通道及出口截面常不为圆形而为矩形为矩形。2024/9/16离离心心通通风风机机的的蜗蜗装装壳壳体体气体出口气体出口气体入口气体入口蜗装外壳蜗装外壳2024/9/16离离心心通通风风机机实实物物图图2024/9/16多多翼翼式式叶叶轮轮2024/9/16多多翼翼式式离离心心通通风风机机实实物物图图2024/9/16涡轮式叶轮涡轮式叶轮2024/9/16涡涡轮轮式式离离心心通通风风机机实实物物图图2024/9/16离离心心通通风风机机实实物物图图2024/9/162、离心式通风机的性能参数和特性曲线、离心式通风机的性能参数和特性曲线（1）流量流量（风量风量 ) 【定义定义】按入口状态计的单位时间内流过风机进口单位时间内流过风机进口的气体体积的气体体积。以qv表示，单位为m3/s，m3/min或m3/h 。【说明说明】由于通风机内的气体压力变化不大压力变化不大，一般可以忽略气体的压缩性。因此，通风机的流量也是单位时间内流过通风机内任一处或管路任一处或管路的气体体积。2024/9/16【流量的换算流量的换算】 通风机铭牌或手册铭牌或手册中所列的流量是在空气空气的密度为1.2kg/m3（20、101.3 kPa）的条件下用空气作介质测定的。若实际的操作条件与上述的实验条件不同，应对操作条件下的流量进行换算，即：式中 qv0标准条件下的流量； 操作条件下气体的密度； 0标准条件下气体的密度，1.2kg/m3。2024/9/16（2）风压风压【定义定义】单位体积气体流经通风机后所获得的机械单位体积气体流经通风机后所获得的机械能能。分为三种类型：（1）全风压；（2）静风压；（3）动风压。全风压全风压【定义定义】单位体积气体流经通风机后所获得的总机总机械能械能。以 pt 表示，单位为Pa。2024/9/16【全风压的确定全风压的确定】 在通风机的进、出口截面之间列柏努利方程，忽略两截面的位差和阻力损失，其形式为：式中 ps1通风机进口静压，Pa； ps2通风机出口静压，Pa； u1通风机进口气速，m/s； u2通风机出口气速，m/s。2024/9/16上式各项分别乘以g，则： 可通过实验测定上式中的各项，进而可计算全风压pt的大小。静风压静风压（ pst ）【定义定义】气体流经通风机后的静压差静压差。以 pst 表示，单位为Pa。2024/9/16动风压动风压（pd）【定义定义】气体流经通风机后的动压差动压差。以pd表示，单位为Pa。进口动压：出口动压：动风压：2024/9/16【两点说明两点说明】 通风机的全风压由两部分组成全风压由两部分组成，一部分是进出口的静压差，习惯上称为静风压；另一部分为进出口的动压差，习惯上称为动风压。在离心泵中，泵进、出口处的动能差很小，可以忽略。但对离心通风机而言，其气体出口速度很高，动风压不仅不能忽略，且由于风机的压缩比很低，动风压在全压中所占比例较高动风压在全压中所占比例较高。 2024/9/16通风机性能表上性能表上的全风压是在标准条件下标准条件下（温度T=293K，压力p=101325Pa）用空气测定的用空气测定的。若操作条件下（温度T、压力p）气体（空气或其他气体）密度与标准条件的空气密度01.2kg/m3不同，在选选用通风机用通风机之前，应先将操作条件下所需要的全风压换算成标准条件下的全风压，其换算式为：2024/9/16（3）功率与效率功率与效率有效功率有效功率（Pe） 单位时间内通风机对气体提供的能量。Pept qv轴功率轴功率（P） 单位时间内电动机传给传动轴的能量。效率效率（） 有效功率与轴功率之比。2024/9/16（4）特性曲线特性曲线 与离心泵一样，离心通风机的特性参数也可以用特性曲线表示。特性曲线由离心通风机的生产厂家在离心通风机的生产厂家在1atm、20的条件用空气测定的条件用空气测定，主要有四条曲线：全风压流量曲线全风压流量曲线 ptqv；静风压流量曲线静风压流量曲线 pstqv；轴功率流量曲线轴功率流量曲线 Pqv；效率流量曲线效率流量曲线 qv。2024/9/16qvptpstP离心通风机特性曲线离心通风机特性曲线2024/9/163、离心式通风机的选型、离心式通风机的选型（1）根据气体种类和风压范围，确定风机的类型类型；（2）确定所求的风（流）量和全风压风（流）量和全风压。风量根据生产任务来定；全风压按柏努利方程来求，但要按标准状况校正，即：（3）根据按入口状态计的风量和校正后的全风压在产品系列表中查找合适的型号合适的型号。 2024/9/16三、鼓风机三、鼓风机 在工厂中常用的鼓风机有旋转式旋转式和离心式离心式两种类型。1、离心式鼓风机离心式鼓风机 离心式鼓风机 又称涡轮鼓风机涡轮鼓风机（turbo blower）、透平鼓风机透平鼓风机（turbine blower），其工作原理与离心工作原理与离心通风机相同，其结构与离心泵类似通风机相同，其结构与离心泵类似。主要由蜗形外蜗形外壳壳与叶轮叶轮组成。（1）离心式鼓风机的构造）离心式鼓风机的构造2024/9/16离离心心式式鼓鼓风风机机实实物物图图2024/9/16（2）离心式鼓风机的工作原理）离心式鼓风机的工作原理 气体进入叶轮中心后，作圆周运动。首先得到动动能能，其中一部分在蜗装壳体内转换成静压能静压能。2024/9/16（3）离心式鼓风机的特点）离心式鼓风机的特点 离心式鼓风机的蜗壳形通道亦为圆形圆形；但外壳直外壳直径与厚度之比较大径与厚度之比较大；叶轮上叶片数目较多叶片数目较多；转速较高转速较高；叶轮外周都装有导轮导轮。由于单级离心鼓风机不可能产生很高的风压（一般不超过50kPa），故压头较高的离心鼓风机都是多多级级的。其风压可达0.3MPa。 2024/9/16离离心心鼓鼓风风机机实实物物图图2024/9/16离心鼓风机内部结构离心鼓风机内部结构2024/9/162、罗茨鼓风机、罗茨鼓风机（旋转式鼓风机旋转式鼓风机） 罗茨鼓风机的工作原理与齿轮泵类似。 （1）罗茨鼓风机的构造）罗茨鼓风机的构造机壳机壳；转子转子（渐开摆线形）2024/9/16罗罗茨茨鼓鼓风风机机的的内内部部结结构构机壳机壳转子转子2024/9/16（ 2 ）罗罗茨茨鼓鼓风风机机的的工工作作原原理理气体入口气体入口气体出口气体出口高压区高压区低压区低压区2024/9/16罗罗茨茨鼓鼓风风机机实实物物图图2024/9/16【三叶罗茨鼓风机三叶罗茨鼓风机 】【结构结构】三叶型罗茨鼓风机其工作原理与结构和传统二叶型相仿，主要由机壳和转子组成，只是转子的结构有所不同，为三叶结构。【特点特点】三叶型罗茨鼓风机比传统的二叶型罗茨鼓风机节能1023%，当工作压力在规定范围内变动时，其流量变化小。工作压力选择范围宽，气体脉动变化小、噪声低、结构简单，维修方便，振动小，使用寿命长。 2024/9/16三叶罗茨鼓风机结构示意图三叶罗茨鼓风机结构示意图2024/9/16三叶罗茨鼓风机转子三叶罗茨鼓风机转子2024/9/16（2）罗茨鼓风机的特点）罗茨鼓风机的特点 属于正位移型的罗茨风机风量与转速成正比，与风量与转速成正比，与出口压强无关出口压强无关。该风机的风量范围可自2500m3/min，出口表压可达80kPa，在40kPa左右效率最高。该风机出口应装稳压罐稳压罐，并设安全阀安全阀。流量调节采用旁路旁路，出口阀不可完全关闭。操作时，气体温度不能超过85，否则转子会因受热臌胀而卡住。2024/9/16稳压罐稳压罐2024/9/16稳压罐稳压罐2024/9/16四、压缩机四、压缩机 在工厂中常用的压缩机有往复式和离心式两种类型。1、离心式压缩机离心式压缩机 离心式压缩机 又称涡轮压缩机、透平鼓风机，其构造与离心压缩机相似，由转子和定子组成。（1）离心式压缩机的构造）离心式压缩机的构造【转子转子】主轴、多（单）级叶轮、轴套及平衡元件；【定子定子】气缸和隔板。2024/9/16单单级级离离心心压压缩缩机机内内部部结结构构2024/9/16单单级级离离心心压压缩缩机机叶叶轮轮2024/9/16单单级级离离心心压压缩缩机机实实物物图图2024/9/16（2）离心式压缩机的工作原理）离心式压缩机的工作原理气体沿轴向进入各级叶轮中心处，被旋转的叶轮做功，受离心力的作用，以很高的速度离开叶轮，进入扩压器扩压器。气体在扩压器内降速、增压降速、增压。经扩压器减速、增压后气体进入弯道弯道，使流向反转180度后进入回流器回流器，经过回流器后又进入下一级叶轮。显然，弯道和回流器是沟通前一级叶轮和后一级叶轮的通道。如此，气体在多个叶轮中被增压数次，能以很高的压力能离开。 2024/9/16多多级级离离心心式式压压缩缩机机结结构构示示意意图图2024/9/16气体进口气体进口多级叶轮多级叶轮弯道弯道扩压器扩压器回流器回流器气体出口气体出口2024/9/16多多级级离离心心式式压压缩缩机机的的叶叶轮轮2024/9/16离离心心式式压压缩缩机机整整体体结结构构图图2024/9/16多多级级离离心心式式压压缩缩机机实实物物图图2024/9/162024/9/16（3）离心式压缩机的特点）离心式压缩机的特点 与往复压缩机相比，离心式压缩机有如下优点如下优点： 体积和重量都很小而流量很大；供气均匀；运转平稳；易损部件少、维护方便。 因此，除非压力要求非常高，离心式压缩机已有离心式压缩机已有取代往复式压缩机的趋势取代往复式压缩机的趋势。而且，离心式压缩机已经发展成为非常大型的设备，流量达几十万立方米/时，出口压力达几十兆帕。 2024/9/162、往复式压缩机往复式压缩机 （1）往复式压缩机的构造）往复式压缩机的构造电动机电动机飞轮、曲轴飞轮、曲轴连杆连杆活塞活塞气缸气缸排出口排出口吸入口吸入口皮带皮带2024/9/16（2）往复式压缩机的工作原理）往复式压缩机的工作原理 由于气缸内活塞的往复运动，使气体由于气缸内活塞的往复运动，使气体完成吸入、压缩和排出工作循环。完成吸入、压缩和排出工作循环。2024/9/16电动机电动机稳压罐稳压罐气体入口气体入口气缸气缸排气管排气管气体出口管气体出口管单单缸缸往往复复压压缩缩机机实实物物图图2024/9/16双缸往复压缩机双缸往复压缩机2024/9/16双双缸缸往往复复压压缩缩机机结结构构图图2024/9/16三三缸缸往往复复压压缩缩机机实实物物图图2024/9/16带带发发动动机机的的往往复复压压缩缩机机实实物物图图汽油发动机汽油发动机油箱油箱2024/9/162024/9/16（3）往复式压缩机的工作过程）往复式压缩机的工作过程 往复式压缩机的工作过程由四个阶段组成。开始时刻开始时刻：当活塞位于最右端时，缸内气体体积为V1，压力为p1，用图中A点表示；2024/9/16 当活塞由右向左运动时，气缸内气体体积下降体积下降而压力上升而压力上升。直到压力上升到p2，排气阀被顶开为止。此时的缸内气体状态如B点表示。压缩阶段压缩阶段2024/9/16 排出阀被顶开后，活塞继续向左运动，缸内气体被排出。这一阶段缸内气体压力压力不变，体积不断减小不变，体积不断减小，直到气体完全排出体积减至零。这一阶段属恒压排气阶段恒压排气阶段。此时的状态为C点表示。 排气阶段排气阶段2024/9/16 活塞从最左端退回，缸内压力立刻由p2降到p1，状况达到D。此时排气排气阀阀受压关闭，吸气吸气阀阀受压打开，气缸又开始吸入气体，体积增大，压力不变，因此为恒压吸恒压吸气阶段气阶段，直到A点为止。吸气阶段吸气阶段2024/9/16（4）往复式压缩机的特点）往复式压缩机的特点 往复式压缩机的基本构造和工作原理与往复泵相与往复泵相似似；因为气体的密度小、可压缩，故压缩机的吸入和吸入和排出阀门必须更加灵巧精密排出阀门必须更加灵巧精密；为移除压缩放出的热量以降低气体的温度，必须附设冷却装置附设冷却装置。2024/9/16（2）往复式压缩机的工作过程）往复式压缩机的工作过程 往复式压缩机的工作过程有四个阶段组成。开始时刻：当活塞位于最右端时，缸内气体体积为V1，压力为p1，用图中1点表示；2024/9/16压缩阶段：当活塞由右向左运动时，由于D活门所在管线有一定压力，所以D活门是关闭的，活门S受压也关闭。因此，在这段时间里气缸内气体体积下降而压力上升，所以是压缩阶段。直到压力上升到p2，活门D被顶开为止。此时的缸内气体状态如2点表示。2024/9/16排气阶段：活门D被顶开后，活塞继续向左运动，缸内气体被排出。这一阶段缸内气体压力不变，体积不断减小，直到气体完全排出体积减至零。这一阶段属恒压排气阶段。此时的状态为3点表示。 2024/9/16吸气阶段：活塞从最左端退回，缸内压力立刻由p2降到p1，状况达到4。此时D活门受压关闭，S活门受压打开，气缸又开始吸入气体，体积增大，压力不变，因此为恒压吸气阶段，直到1点为止。2024/9/16