化工原理(1)

1、第 2 章 流體輸送機(jī)械,流體從低處到高處，從低壓到高壓，克服阻力，都需設(shè)備提供能量。流體輸送機(jī)械是向流體作功以提高流體機(jī)械能的裝置。通常把輸送液體的機(jī)械稱為泵，把輸送氣體的機(jī)械按各種不同的工作狀況分別稱為:通風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)和真空泵。,流體輸送機(jī)械的分類： 液體( 泵) : 水泵，油泵，泥漿泵，耐腐蝕泵，高粘度泵，高（低）溫泵。氣體： 通風(fēng)機(jī) 出口壓強(qiáng) ≤ 15 kPa 鼓風(fēng)機(jī) 出口壓強(qiáng) 15kP

2、a 至 35kPa 壓縮機(jī) 出口壓強(qiáng) > 35kPa 真空泵 入口壓強(qiáng) 低于常壓(大氣壓）葉片式：離心式(鼓風(fēng)機(jī)，水泵)，軸流式（電風(fēng)扇），容積式：活塞式及其它形式如磁力泵等。,2.1 離心泵,2.1.1 離心泵的工作原理和主要部件,液體隨葉輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的離心力，使流體在蝸殼內(nèi)獲得能量而流出。同時(shí)因葉輪中心排出液體后形成低壓區(qū)，吸入管的液體在壓差作用下被吸入葉輪內(nèi)。,1. 離心泵的工作原

3、理,離心泵主要由旋轉(zhuǎn)的葉輪和固定的泵殼構(gòu)成。葉輪安裝在泵殼內(nèi)，并緊固在泵軸上，泵軸由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。泵殼的吸入口與吸入管路相接，在吸入管路的底部裝有底閥。泵殼的排出口與排出管路相接，排出管路只裝有調(diào)節(jié)閥。,2. 離心泵的主要工作部件,敞開式和半開式葉輪由于流道不易堵塞，適用于輸送含固體顆粒的懸浮液，但效率較低。一般離心泵都采用封閉式葉輪，效率高，適于輸送清潔液體。食品工業(yè)所用的離心式衛(wèi)生泵，因考慮到衛(wèi)生和經(jīng)常清洗的要求，常采用葉片少

4、的封閉式葉輪。,1) 葉輪 葉輪是離心泵的核心部分。敞開式：葉輪的前后都沒有蓋板的；半開式：只有后蓋板而沒有前蓋板；封閉式：前后都有蓋板 。,2) 泵殼,為了減少流體直接進(jìn)入蝸殼時(shí)因碰撞引起的能量損失，有的離心泵在葉輪和泵殼之間裝有固定的導(dǎo)輪，導(dǎo)輪有許多逐漸轉(zhuǎn)向的流道，具有緩和流體直接進(jìn)入泵殼的作用，使流體因碰撞引起的能量損失減少，使由動(dòng)能向靜壓能的轉(zhuǎn)換更為有效。,離心泵的泵殼為蝸殼形，葉輪裝入泵殼后就形成一個(gè)截面逐漸擴(kuò)大的

5、蝸殼形通道，可將從葉輪拋出的高速液流的動(dòng)能逐漸轉(zhuǎn)化為靜壓能。,3) 軸封裝置,機(jī)械密封：又稱端面密封，它靠旋轉(zhuǎn)軸上兩個(gè)圓環(huán)端面的接觸壓力進(jìn)行密封，接觸壓力在一般的結(jié)構(gòu)中來自彈簧的作用力。機(jī)械密封元件主要由動(dòng)環(huán)和靜環(huán)組成，它們的接觸面就是密封面。機(jī)械密封的性能比填料密封更好。,軸封：旋轉(zhuǎn)的泵軸與固定的泵體之間的密封。作用：是防止泵內(nèi)高壓液體的泄漏及空氣從外面漏入泵內(nèi)負(fù)壓空間。填料密封：由填料套、填料環(huán)、填料和壓蓋等組成。填料多用浸漬

6、石墨的石棉繩或包有抗磨金屬的石棉填料。,2.1.3 離心泵的主要性能參數(shù)與特性曲線,1. 離心泵的性能參數(shù),1) 泵的壓頭(H) 泵的壓頭也稱泵的揚(yáng)程，是泵給予單位重量(N)液體的有效能量，其單位為m。,(J/kg),(m),泵的壓頭表現(xiàn)為：(1)將液體的位壓頭提高 Δz；(2)靜壓頭提高 (pD－pa)/ρg；(3)抵償了吸入管路的壓頭損失∑hfs和排出管路的壓頭損失∑hfD,(m),(m),

7、2) 泵的流量Q(Vs),流量(Vs) ：泵在單位時(shí)間內(nèi)排出的液體體積，單位為m3/s (m3/h),3) 泵的功率和效率有效功率（Ne） ：單位時(shí)間內(nèi)液體流經(jīng)泵后實(shí)際所得到的功,軸功率（N） ：泵軸從電動(dòng)機(jī)得到的實(shí)際功率，因容積損失，水力損失和機(jī)械損失，軸功率＞有效功率,效率（ η ） ：泵的有效功率與軸功率之比η=Ne/N= 60～90％,2. 離心泵的特性曲線,1．離心泵的特性曲線 泵在一定的轉(zhuǎn)速下，壓

8、頭、功率、效率與流量之間的關(guān)系曲線（H-Q、N-Q和η-Q曲線），用實(shí)驗(yàn)測算、標(biāo)繪而成。,H-Q曲線：Q增大 ，H緩慢減少；可在排出管路安裝閥門調(diào)節(jié)流量。,N-Q曲線：Q=0，功率最??；離心泵啟動(dòng)時(shí)，應(yīng)關(guān)閉出口閥。,η-Q曲線：有一泵的最高效率點(diǎn)，是泵運(yùn)轉(zhuǎn)的最佳工況點(diǎn)，也是泵的設(shè)計(jì)工況點(diǎn)。泵在此點(diǎn)操作時(shí)，機(jī)械能損失最小。泵銘牌上標(biāo)明的參數(shù)是最高效率點(diǎn)時(shí)的流量Q和壓頭H。選用泵時(shí)，應(yīng)盡量使所選的泵在最佳工況點(diǎn)附近范圍內(nèi)操作。,3．液體性質(zhì)

9、對離心泵性能曲線的影響,離心泵生產(chǎn)廠家所提供的特性曲線，一般是在一定的轉(zhuǎn)速下，用常溫清水測定的。實(shí)際使用時(shí)，若轉(zhuǎn)速改變或液體性質(zhì)與清水的性質(zhì)相差較大，就應(yīng)考慮轉(zhuǎn)速或液體性質(zhì)對離心泵特性曲線的影響，并對原特性曲線進(jìn)行修正。 (1)液體密度的影響 (2)液體粘度的影響 (3)轉(zhuǎn)速的影響,不論何種泵，都靠貯液槽液面與泵進(jìn)口處的壓強(qiáng)差將液體吸入泵內(nèi)。 泵的安裝高度(即吸上高度)：泵的吸入口軸線與貯液槽液面

10、間的垂直距離（Zs, m ）。 泵的安裝高度直接影響到泵的吸液性能。,us2/2g，Hfs變化不大，pa一定，ps越小，安裝高度越大。,吸入壓差若表示為水柱高度Hs，則稱為吸上真空度，,2.1.4 離心泵的汽蝕現(xiàn)象和允許安裝高度,吸上真空度：,ps的降低是有限度的，ps降低到與被輸送液體在輸送溫度下的飽和蒸汽壓pv相等時(shí)，吸上真空度就達(dá)到最大的臨界值Hsmax，即最大吸上真空度：,汽蝕現(xiàn)象：當(dāng)吸上真空度達(dá)最大值（泵的入

11、口壓強(qiáng)等于或小于輸送溫度下的飽和蒸汽壓）時(shí)，液體就要沸騰汽化，產(chǎn)生大量汽泡，汽泡隨液流進(jìn)入葉輪的高壓區(qū)而被壓縮，迅速凝成液體，體積急劇變小，周圍液體就以極高速度沖向原汽泡所占空間，產(chǎn)生極大的沖擊頻率和壓強(qiáng)，引起震動(dòng)和噪音，材料表面由點(diǎn)蝕形成裂紋，致使葉片受到嚴(yán)重?fù)p傷。,允許吸上真空度 Hsp ：為了保證離心泵不產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象，必須使泵內(nèi)最低壓強(qiáng)處的壓強(qiáng)大于液體在該溫度下的飽和蒸汽壓。為此，目前我國生產(chǎn)的離心泵，規(guī)定在吸上真空度上，留有一定

12、的安全量： Hsp﹤Hsmax (m) 離心泵的允許吸上真空度與泵的結(jié)構(gòu)，輸送液體的物性及當(dāng)?shù)卮髿鈮河嘘P(guān)，一般出廠以20℃清水，10m(水柱)的大氣壓來測定。如果實(shí)際情況不符則要校正。允許安裝高度 Zsp ：,2.1.5 離心泵的工作點(diǎn)、流量調(diào)節(jié),1. 離心泵的工作點(diǎn) 液體輸送系統(tǒng)是由泵和管路系統(tǒng)所組成。泵的特性曲線是泵本身所固

13、有的性能關(guān)系曲線，它與管路系統(tǒng)無關(guān)。但是，當(dāng)泵與一定的管路系統(tǒng)相連接并運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，實(shí)際的工作壓頭和流量不僅與泵本身的性能有關(guān)，還與管路特性有關(guān)。泵和管路相互制約，其工作性能參數(shù)不僅要符合泵的特性曲線，還要滿足管路特性曲線。,2. 管路特性曲線 在管路條件(即系統(tǒng)進(jìn)出口壓強(qiáng)，升揚(yáng)高度，管長，管徑，管件型式、大小、個(gè)數(shù)，閥門開啟度等)一定的情況下，管路系統(tǒng)中被輸送液體的流量與流過這一流量所必需的外加能量的關(guān)系。在圖示的兩截面間列柏努利方程

14、：,(m),在同一圖上畫出泵的特性曲線和管路特性曲線，交點(diǎn)M為泵的工作點(diǎn)。使工作點(diǎn)恰好位于該泵最高效率點(diǎn)附近范圍內(nèi)，這是選泵的主要原則。,,,定值,,,與流量有關(guān),若流體在管路中的流動(dòng)進(jìn)入阻力平方區(qū)，λ為常數(shù)，可得管路特性方程(拋物線方程)：,3. 離心泵的流量調(diào)節(jié),離心泵在一定的管路中工作時(shí)，所提供的流量不一定與輸送任務(wù)的要求正好相符；在生產(chǎn)過程中也會(huì)出現(xiàn)因生產(chǎn)任務(wù)發(fā)生變化而與泵的原流量不相符的情況；因此都需要對流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。而流量

15、的調(diào)節(jié)實(shí)際上是改變工作點(diǎn)的問題。由于工作點(diǎn)是泵特性曲線和管路特性曲線的交點(diǎn)，故只要改變二曲線之一，就可達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的。一般有以下三種方法：,1) 改變閥門的開度（改變管道特性）2) 改變泵的轉(zhuǎn)速（改變泵的特性）3) 改變?nèi)~輪直徑（改變泵的特性）,2.1.6 離心泵的類型、選擇與使用,1. 離心泵的類型 離心泵的種類很多，總體上分為清水泵、耐腐蝕泵、油泵等。每一類型中又有許多系列，如按吸入方式可分為單吸式泵和雙

16、吸式泵；按葉輪數(shù)目可分為單級泵和多級泵。,1) 清水泵 清水泵應(yīng)用最廣，輸送液體是水或物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)類似于水的清潔液體。常用的清水泵有IS型、S型和D型或DG型多級泵。 IS型系列泵為單級單吸離心泵：該類離心泵適于輸送介質(zhì)溫度不超過80℃。葉輪采用閉式葉輪，進(jìn)口直徑為50～200mm，流量6.3 ～ 400m3/h，揚(yáng)程5～125m。,型號意義：以IS-50-32-125為例，IS為國際標(biāo)準(zhǔn)單級單吸清水離心泵：

17、50為吸入口直徑(mm)；32為泵出口直徑(mm)；125為泵葉輪外徑(mm)。,S型系列泵為雙吸泵：該類離心泵適宜于流量大但揚(yáng)程不太高的場合。進(jìn)口直徑為100～500mm，流量為72～2020 m3/h，揚(yáng)程為12～125m。 型號意義：以150S78A為例，150為泵入口直徑(mm)；S為單級雙吸離心泵；78為設(shè)計(jì)點(diǎn)揚(yáng)程(m)；A為泵葉輪外徑經(jīng)第一次切削。,2) 食品流程泵 食品流程泵廣泛用于飲料、釀酒、

18、淀粉、醬品、糧油加工等工業(yè)部門。常用的SHB型泵為單級單吸懸臂式離心泵：葉輪采用半開式，適用于輸送懸浮液或含懸浮顆粒的液體。全系列流量范圍為80～600 m3/h，揚(yáng)程16～25m。輸送介質(zhì)溫度為-20～105℃。 型號意義：如：SHB125-100-250-(102)SI，SHB表示食品流程泵；125表示泵入口直徑(mm)；100表示泵出口直徑(mm)；250表示葉輪直徑(mm)；102表示材質(zhì)代號；SI表示密封型式。

19、,2. 離心泵的選擇,為了便于選用，泵的生產(chǎn)廠家將同一類型各型號泵的高效率范圍的一段H-Q曲線繪在一個(gè)總圖上，制成系列特性曲線圖供用戶選泵時(shí)參考。,離心泵的選型原則和方法： ①根據(jù)被輸送液體的性質(zhì)和生產(chǎn)工藝要求確定泵的類型。 ②根據(jù)要求的流量、揚(yáng)程范圍在產(chǎn)品樣本中選擇合適的型號。 所選擇泵的流量、揚(yáng)程一般比實(shí)際需要值稍大，并應(yīng)在泵的高效率范圍內(nèi)工作。,IS型水泵系列特性曲線圖,[例題1-12],擬選用一

20、離心泵滿足下述輸水任務(wù)：要求輸水量為25m3/h，鋼管輸送管路總長為30m，采用Dg70mm有縫鋼管，管路上有底閥、閘閥、搖板式止逆閥各一個(gè)，90°彎頭3個(gè)，用水處離水源液面的垂直高度為25m。試選出合用的離心泵型號。,[解] （1）局部阻力系數(shù)ζ： 底閥8.5，閘閥(半開)4.5，止逆閥2，彎頭1.1，出口1，進(jìn)口0.5 ζ=8.5+4.5+2+3×1.1+1+0.5=19.

21、8,查得：λ=0.027,ε/d=0.0002/0.07=0.00286,（2）計(jì)算Re和查λ：,（4）計(jì)算所需泵的壓頭：,（5）選泵的型號：,IS 65-50-160,（3）計(jì)算摩擦損失：,3. 離心泵的安裝和使用,,離心泵的安裝和使用應(yīng)參考廠家提供的產(chǎn)品說明書，其注意事項(xiàng)為： ①泵的安裝高度必須低于允許值； ②吸入管路須有底閥，離心泵啟動(dòng)前必須使泵內(nèi)灌滿所 輸送液體； ③離心泵應(yīng)在出口閥門關(guān)閉時(shí)啟動(dòng)

22、，使啟動(dòng)功率最小； ④停機(jī)前應(yīng)先關(guān)閉出口閥門，或在出口管上裝單向閥，以免管路內(nèi)的液體倒流入泵內(nèi)，使葉輪受沖擊而損壞； ⑤運(yùn)行中應(yīng)定時(shí)檢查、保養(yǎng)并注意潤滑。,2.2 其他類型泵,按泵的工作原理分類：葉片式泵（離心力作用）：離心泵、軸流泵、漩渦泵容積式泵（容積改變擠壓作用）：活塞泵、轉(zhuǎn)子泵按泵的用途分為：清水泵、泥漿泵、油泵、耐腐蝕泵按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為：懸臂式水泵、齒輪油泵、螺桿泵等。2.2.1 葉片式泵

23、 葉片式泵的主要工作部件為葉輪和泵殼。按液體在葉輪上的流動(dòng)情況又分為離心泵、混流泵、軸流泵和漩渦泵。,1.軸流泵,軸流泵的葉輪是具有扭曲葉片的開式葉輪，液體在葉輪中的運(yùn)動(dòng)與在螺旋表面上的運(yùn)動(dòng)相似，即一方面沿軸前進(jìn)，同時(shí)還繞軸旋轉(zhuǎn)。 軸流泵能在低壓頭下保證大流量，適于用作給水泵、排水泵、冷卻水泵和循環(huán)水泵等。,軸流泵的特性： ①壓頭隨流量的增加而急劇降低。流量為零時(shí)，壓頭達(dá)最大值，最大

24、壓頭可達(dá)到效率最高時(shí)壓頭的1.5 ~2倍。 ②功率隨流量減少而急劇增加。流量為零時(shí)，功率可能超過最高效率時(shí)的20~40％。所以軸流泵的啟動(dòng)不應(yīng)將出口閥關(guān)閉，否則將引起電動(dòng)機(jī)的過載。 ③軸流泵的效率較高，可達(dá)90％，但最高效率點(diǎn)左右效率降低很快。因此，采用調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量是很不經(jīng)濟(jì)的，一般常用其他方法。有時(shí)，如嫌流量過大，寧可把部分液體自支路閥放走。,2.漩渦泵,漩渦泵是一種特殊形式的離心泵，它是由葉輪及與其成同心圓的泵殼所

25、組成。漩渦泵的主要特點(diǎn)是揚(yáng)程高，流量小，適于輸送粘度不大的清潔液體。,2.2.2 容積式泵,容積式泵亦稱正位移泵（運(yùn)動(dòng)部件的位移）。它是根據(jù)泵內(nèi)工作室體積的周期性變化，將液體吸入、壓出。這類泵有往復(fù)泵、齒輪泵、螺桿泵和滑板泵等。1.往復(fù)式泵 往復(fù)式泵主要由泵體、活塞和單向閥門所構(gòu)成。活塞則由曲柄連桿機(jī)構(gòu)所帶動(dòng)而作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。往復(fù)式泵可按活塞的構(gòu)造分： ①柱式活塞泵，或稱活柱泵或柱塞泵。 ②盤式活塞泵，或

26、簡稱活塞泵。 ③隔膜泵。,,,往復(fù)式泵的特點(diǎn)：利用活塞對液體直接作功，將能量以壓力能的形式傳遞給液體。,單作用泵理論流量：,雙作用泵理論流量：,2. 旋轉(zhuǎn)式泵,1) 羅茨泵2) 滑板泵3) 齒輪泵4) 螺桿泵,3. 正位移泵的特性,容積式泵是以其運(yùn)動(dòng)部件的位移形成工作容積的周期性改變，將液體吸入、壓出，不論運(yùn)動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)形式是往復(fù)式或旋轉(zhuǎn)式，這種正位移特性是共同的。,重要特性：在一定的轉(zhuǎn)速下，泵的理論流量為常數(shù)，而與壓頭沒有直

27、接的關(guān)系。泵所發(fā)出的壓頭大小取決于泵外系統(tǒng)的需要，而泵能供給的最大壓頭則取決于泵的機(jī)械強(qiáng)度和原動(dòng)機(jī)的動(dòng)力。,1) 流量特性 正位移泵的瞬時(shí)流量都有其不同程度的不均勻性。 泵的單位時(shí)間平均理論流量保持恒定。 正位移泵可以滿足所需壓頭變化很大而又要保持恒定流量的輸送系統(tǒng)的要求。,2) 流量調(diào)節(jié)的特點(diǎn) 因?yàn)榱髁康暮愣ú蛔儯绻捎贸隹陂y門來調(diào)節(jié)流量，則在閥門關(guān)小的同時(shí)，壓頭隨之升高

28、至泵的強(qiáng)度和原動(dòng)機(jī)功率所不能允許的程度，以致最后引起破壞。所以這類泵一般多采用安裝支路閥來調(diào)節(jié)流量。,4) 操作特性 正位移泵也是借助液面上方的壓強(qiáng)來吸入液體，所以其吸口高度也有一定的限制，且具有自吸作用，啟動(dòng)前不必灌液。應(yīng)該指出的是：大多數(shù)正位移泵的安裝高度計(jì)算法與離心泵相同，所不同的是單動(dòng)往復(fù)泵，因其流量不均而產(chǎn)生慣性損失，計(jì)算時(shí)要考慮這一點(diǎn)。,3) 壓頭的特性 因壓頭隨系統(tǒng)的需要而變化，泵的工作

29、安全問題極為重要。為此，生產(chǎn)廠就根據(jù)泵的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和功率大小，規(guī)定了額定的壓頭值(排出壓強(qiáng))。,2.3   氣體輸送和壓縮機(jī)械,氣體也是流體，氣體輸送與液體輸送有較多的相似及共同之處，由于氣體是可壓縮流體，壓力變化引起的氣體體積和溫度改變等是其特性，且氣體的輸送和壓縮兩者緊密關(guān)聯(lián)。氣體的輸送和壓縮機(jī)械按其終壓或壓縮比分成四類： ①通風(fēng)機(jī)：終壓﹤14.7×103Pa(表壓)，

30、 壓縮比為1～1.15。 ②鼓風(fēng)機(jī)：終壓為14.7～300×103Pa(表壓)， 壓縮比為1.15～4。 ③壓縮機(jī)：終壓﹥300×103 Pa(表壓)，壓縮比大于4。 ④真空泵：終壓為9.8&

31、#215;104Pa，造成負(fù)壓， 壓縮比由真空度定,2.3.1 通風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)的類型,通風(fēng)機(jī)有離心式和軸流式兩種。軸流式通風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的風(fēng)壓較小，一般用作通風(fēng)。離心式通風(fēng)機(jī)則較多地用于氣體的輸送。鼓風(fēng)機(jī)有離心式和旋轉(zhuǎn)式兩種，旋轉(zhuǎn)式的最為常見。1. 離心式通風(fēng)機(jī)和軸流式通風(fēng)機(jī)通風(fēng)機(jī)： 離心式 低壓(0.98

32、×103Pa ) 中壓(0.98 ～ 2.94×103Pa ) 高壓(2.940～14.7 ×103Pa ) 軸流式 ＜ 0.98×103Pa,離心式通風(fēng)機(jī)的工作

33、原理和結(jié)構(gòu)類似離心泵，主要由葉輪、機(jī)殼和機(jī)座組成。葉片形狀：后彎葉片適用于中壓及較高壓強(qiáng)。徑向葉片應(yīng)用于風(fēng)壓較低的場合。前彎式葉片，在相同輸氣壓強(qiáng)下與后彎及徑向的相比，其葉輪的直徑和轉(zhuǎn)速可以小些，但出口速度較大，損失也較大，故效率一般較低。,如果前彎葉片多而短，則所產(chǎn)生的風(fēng)壓較低，而風(fēng)量卻較大。一般離心式通風(fēng)機(jī)的葉輪多為前彎式，主要是為了減小通風(fēng)機(jī)的尺寸和盡可能降低轉(zhuǎn)速。,離心式通風(fēng)機(jī)的機(jī)殼也呈蝸殼狀，機(jī)殼斷面有方形和圓形兩種。

34、一般低壓和中壓多為方形，高壓多為圓形。,2. 離心鼓風(fēng)機(jī)和旋轉(zhuǎn)鼓風(fēng)機(jī),離心鼓風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理與離心通風(fēng)機(jī)相似，一般為多級式，即：將幾個(gè)葉輪串聯(lián)在一起，風(fēng)壓逐級增加。,特別適用于要求穩(wěn)定風(fēng)量的工藝過程。旋轉(zhuǎn)鼓風(fēng)機(jī)的主要缺點(diǎn)是在壓強(qiáng)較高時(shí)，泄漏量大，磨損較嚴(yán)重，噪音大。旋轉(zhuǎn)式鼓風(fēng)機(jī)中最常用的是羅茨鼓風(fēng)機(jī)。,旋轉(zhuǎn)式鼓風(fēng)機(jī)的主要部件是一個(gè)或一對旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子。它沒有活塞或閥門等裝置，其性能特點(diǎn)是風(fēng)量不隨阻力大小而改變，俗稱“硬風(fēng)”。,2.3.2

35、通風(fēng)機(jī)的性能和選擇,1. 通風(fēng)機(jī)的性能1) 通風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)（風(fēng)量、全風(fēng)壓、靜風(fēng)壓、軸功率、效率）(1）風(fēng)量Q：單位時(shí)間內(nèi)流過通風(fēng)機(jī)的氣體體積(吸入狀態(tài))，其單位為m3 / s（或m3 / h）。(2）風(fēng)壓HT：單位體積（1m3 ）的氣體流過通風(fēng)機(jī)所獲得的機(jī)械能，其單位為Pa ( J/m3或N/ m2)，習(xí)慣上還用mmH2O表示。,若在通風(fēng)機(jī)的進(jìn)口和出口處取兩截面，并在截面間列柏努利方程：,,≈0,,≈0,全風(fēng)壓 = 靜風(fēng)壓

36、+ 動(dòng)風(fēng)壓,風(fēng)壓隨進(jìn)入風(fēng)機(jī)的氣體密度而變。風(fēng)機(jī)樣本和性能表上的風(fēng)壓，是以20℃ 、1.013×105Pa的標(biāo)準(zhǔn)工況下空氣（密度ρ0=1.2kg/m3）測得的，如果實(shí)際被輸送氣體密度與此相差較大，應(yīng)將實(shí)際風(fēng)壓HT校正為標(biāo)準(zhǔn)工況下風(fēng)壓HT20 ，然后按HT20來選用通風(fēng)機(jī)。,(3）有效功率為：,(4）效率（設(shè)其軸功率為N）：,2) 通風(fēng)機(jī)的特性曲線,通風(fēng)機(jī)的特性曲線是在通風(fēng)機(jī)的尺寸一定、轉(zhuǎn)速一定、被送氣體密度一定時(shí)的各參數(shù)與風(fēng)量的

37、關(guān)系曲線，包括：,①全風(fēng)壓與風(fēng)量HT-Q曲線；②靜風(fēng)壓與風(fēng)量Hst-Q曲線；③軸功率與風(fēng)量N-Q曲線；④效率與風(fēng)量η-Q曲線。,,3) 通風(fēng)機(jī)的綜合特性曲線圖,同一類型各通風(fēng)機(jī)的最高效率范圍的特性曲線段,2. 離心通風(fēng)機(jī)的選擇,離心通風(fēng)機(jī)的選擇與離心泵相類似，其步驟如下： ①根據(jù)柏努利方程計(jì)算輸送系統(tǒng)所需的實(shí)際風(fēng)壓HT ，再將HT換算成標(biāo)準(zhǔn)工況下的風(fēng)壓HT20。 ②根據(jù)所需輸送的氣體性質(zhì)(如潔凈氣體、含塵

38、氣體、腐蝕性氣體等)與風(fēng)壓范圍，確定風(fēng)機(jī)的類型。 ③根據(jù)以進(jìn)口(吸入)狀態(tài)計(jì)的實(shí)際風(fēng)量與標(biāo)準(zhǔn)工況下的風(fēng)壓HT20 ，從風(fēng)機(jī)樣本或產(chǎn)品目錄中的特性曲線或性能表中選擇合適的型號。,[例題1-33] 要向一流化床反應(yīng)器輸送30℃的空氣，所需風(fēng)量為16000m3／h，已知反應(yīng)器上部的表壓為100mmH20，通風(fēng)機(jī)出口至反應(yīng)器上部的流體阻力損失為50mmH2O，當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)為720mmHg（汞柱），試選擇一適宜的風(fēng)機(jī)。 解：選截面

39、如圖，兩截面間列柏努利方程：,≈0,u1=u2 ≈0,查在0℃，760mmHg時(shí)，空氣的密度為1.293kg／m3，今操作狀況為30 ℃及720mmHg，空氣的密度為:,由附錄三選離心通風(fēng)機(jī)為： 4-72-11№8D,20 ℃及760mmHg標(biāo)準(zhǔn)工況下的全風(fēng)壓：,2.3.2 壓縮機(jī),1. 熱力學(xué)第一定律用于封閉體系(1)封閉體系熱力學(xué)第一定律解析式封閉體系：

40、 與外界無物質(zhì)交換的熱力體系。 設(shè)以lkg工質(zhì)為基準(zhǔn)，體系從外界吸收熱量dq，氣體膨脹推動(dòng)活塞對外作功dw。與此同時(shí)，氣體的熱力學(xué)能的增加為de，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，應(yīng)有：,dq＝de+dw =de+pdv (J/kg),在封閉體系內(nèi)，加給氣體的一定熱量，等于氣體熱力學(xué)能的增加和對外所作膨脹功之和。氣體吸熱為正，放熱為負(fù)；熱力學(xué)能增加為正，減少為負(fù)；膨脹功為正，壓縮功為負(fù)。,dq＝de+dw =de+pd

41、v (J/kg),(2)封閉體系熱力過程的分析,1．定容過程（ υ1=υ2 ） ----氣體體積保持不變的熱力過程。功交換： dυ＝0 w=∫pdυ＝0熱交換： dq=de q=⊿e＝cv(T2－T1) 加給氣體的熱量等于氣體熱力學(xué)能的增加，pv圖上的過程線是一條垂直線。,dq=de+pdv (J/kg),2．定壓過程（ p1=p2 ）---氣體壓強(qiáng)保持不

42、變的熱力過程。功交換：w＝p∫dυ＝p(υ 2－υ1) ＝R(T2－T1)熱交換： dq=de +pdυ q＝cv(T2－T1)+R(T2－T1)＝cp(T2－T1) ＝h 2－h(huán)1 ＝dh,加給氣體的熱量等于氣體焓值的增加，在pv圖上過程線為一條水平線。,3．定溫過程（T1=T2)----溫度保持不變的熱力過程。功交換：w＝∫pdυ=RT∫(1/υ)dυ =RTln(

43、υ2/υ1) =RTln(p1 / p2)熱交換： q= ⊿ e +w= RTln(p1 / p2) 定溫過程中對封閉體系的加熱量等于膨脹功，在pv圖上的過程線為一等邊雙曲線。,4．定熵過程（絕熱過程：dq=0 ）----體系對外沒有熱交換的熱力過程。,將cv +R＝cp，cp / cv＝k代入：,熱交換：q=0,功交換：,絕熱過程中的膨脹功等于氣體熱力學(xué)能的減少，在pv圖上的過程線為一不等邊雙曲線。,5．多

44、變過程,上面四種基本熱力過程的過程線可以用一個(gè)具有普遍形式的方程來表達(dá)：,功交換：,m′：多變指數(shù)定容過程：m′＝∞定壓過程：m′＝0定溫過程：m′＝1絕熱過程：m′＝k,熱交換：,------多變比熱,2. 往復(fù)式壓縮機(jī)的原理,往復(fù)式壓縮機(jī)（活塞式壓縮機(jī)）主要由氣缸、活塞、進(jìn)氣閥、排氣閥構(gòu)成?；钊ㄟ^曲柄連桿作往復(fù)運(yùn)動(dòng)吸入壓縮氣體。,(1)壓縮機(jī)理想工作循環(huán)活塞→行程：氣缸內(nèi)形成真空，進(jìn)氣閥打開，氣體進(jìn)入氣缸。活塞←行程：

45、進(jìn)氣閥關(guān)閉，氣缸中氣體受壓縮，氣體壓縮到一定程度，排氣閥打開，氣體被排出氣缸。工作循環(huán)：活塞往復(fù)一次。,假定：①氣缸中氣體沒有任何泄漏損失；②氣體流經(jīng)氣閥時(shí)沒有流動(dòng)阻力。③進(jìn)氣和排氣過程中，氣體的壓強(qiáng)和溫度均保持不變。④余隙容積等于零。 -----理想工作循環(huán),,理想工作循環(huán)的四個(gè)過程：1．吸氣過程：當(dāng)活塞向右移動(dòng)時(shí)，進(jìn)氣閥打開，氣體在恒定的壓強(qiáng)p1下進(jìn)入氣缸，氣體比容：0→ν1； 功交換： w1=p1(ν1－

46、0)= p1ν1,2．壓縮過程：活塞向左移動(dòng)，氣閥關(guān)閉由于氣缸容積縮小，氣體被壓縮： p1→p2；比容:ν1 → ν2 ；,功交換：w2=∫pdν,4．瞬時(shí)降壓：在排氣完了活塞又要右移開始吸氣的瞬間，氣缸內(nèi)壓強(qiáng)的突變： p2 → p1 。,3．排氣過程：這時(shí)氣體壓強(qiáng)升高到p2，排氣閥打開，氣體在恒定壓強(qiáng)p2下被排出氣缸，ν2 → 0 ；,功交換：w4= 0,功交換：w3=p2(0－ν2) = －

47、 p2 ν2,,工作循環(huán)的功交換：w=w1+w2+w3+ w4= p1ν1+∫pdν－p2ν21）壓縮過程為定溫過程時(shí)：,3）壓縮過程為多變過程時(shí)：,2）壓縮過程為絕熱過程時(shí)：,(2)壓縮機(jī)的實(shí)際工作循環(huán),實(shí)際壓縮循環(huán)：由于存在余隙，壓縮機(jī)的吸氣量將減少。實(shí)際工作循環(huán)與理想循環(huán)的主要區(qū)別：1．吸氣過程;2．壓縮過程3．排氣過程;4．余隙氣體膨脹過程,實(shí)際工作循環(huán)的功交換(壓縮和膨脹為絕熱)：,還有如下的因素對壓縮循環(huán)產(chǎn)生影響

48、：①氣體流經(jīng)閥時(shí)總有一定的阻力；②氣缸與氣體的傳熱情況；③氣流中渦流損失；④氣體的泄漏等。,1）余隙系數(shù)ε ：余隙容積與活塞推進(jìn)一次所掃過的容積之比，一般為0.05~0.16。,2）容積系數(shù)λ0：吸入氣體體積與活塞掃過的體積之比，表示余隙氣體膨脹對吸入氣體減少的影響。,若壓縮和膨脹都是絕熱過程：,(3)往復(fù)式壓縮機(jī)的生產(chǎn)能力,----- 壓縮機(jī)單位時(shí)間內(nèi)的排氣量（m3/min） 。 因?yàn)闅怏w體積隨溫度而變化

49、，故表示壓縮機(jī)的生產(chǎn)能力都是將排出氣體體積折合成在吸入壓強(qiáng)和溫度下的體積。單動(dòng)往復(fù)式壓縮機(jī)的理論生產(chǎn)能力：,Vh：壓縮機(jī)氣缸的工作容積，m3 D：活塞直徑，m S：活塞沖程(行程)長度，m n：活塞每秒鐘往復(fù)次數(shù)，1/s,λa:送氣系數(shù)； λ0：容積系數(shù)； λp：壓強(qiáng)系數(shù) λT：溫度系數(shù)； λL：泄漏系數(shù),實(shí)際生產(chǎn)能力：,d：活塞桿直徑，mZm ：氣缸數(shù)

50、,雙動(dòng)多缸壓縮機(jī)的理論生產(chǎn)能力：,(4)往復(fù)式壓縮機(jī)的功率和效率,壓縮機(jī)的理論功率:,壓縮機(jī)的軸功率:,3. 往復(fù)式壓縮機(jī)的類型及其他型式壓縮機(jī),(1)多級往復(fù)式壓縮機(jī)1）避免排出氣體溫度過高2）減少功耗，提高經(jīng)濟(jì)性3）提高氣缸容積利用率4）壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)更合理,,(2)往復(fù)式壓縮機(jī)的分類及選擇,壓縮機(jī)分類方法很多: ①按壓縮機(jī)氣缸構(gòu)造分：單動(dòng)式，雙動(dòng)式 ②按壓縮級數(shù)分：單級、雙級和多級。 ③按壓縮氣體終壓分：低壓(1MP

51、a以下)、中壓(1～10MPa)、高壓(10MPa以上) ④按生產(chǎn)能力分：小型(10m3/min以下)、中型(10～30m3/min)、大型(30m3/min以上) ⑤按氣體種類分：空氣壓縮機(jī)、氨壓縮機(jī)、氟里昂壓縮機(jī)等。 ⑥按氣缸布置分：立式、臥式 、多缸L型、 V型、W型、S型等。,選用壓縮機(jī)時(shí)，首先根據(jù)用途，主要是由氣體性質(zhì)決定壓縮機(jī)的種類。然后根據(jù)生產(chǎn)能力，確定壓縮機(jī)的排氣量，以及根據(jù)工藝要求確定壓縮機(jī)的排氣終壓。

52、 在決定壓縮機(jī)排氣量時(shí)，應(yīng)考慮氣體在貯存和輸送管道中的泄漏損失，同時(shí)，為了供氣安全，還應(yīng)有一定的余量。所以一般在選擇壓縮機(jī)排氣量時(shí)應(yīng)比實(shí)際需要的用氣量大20％～30％。選擇壓縮機(jī)的終壓時(shí)，應(yīng)根據(jù)工藝要求的氣體壓強(qiáng)，并考慮輸氣管道壓力損失。,,(3)其他類型壓縮機(jī),1．離心式壓縮機(jī) 2．液環(huán)式壓縮機(jī),2.3.4 真空泵,真空泵是真空獲得設(shè)備，它在工業(yè)上的應(yīng)用極為廣泛。許多單元操作如過濾、脫氣、成型、包裝、冷卻、蒸發(fā)、

53、結(jié)晶、造粒、干燥、蒸餾以及冷凍升華干燥等大都采用真空作業(yè)法。 食品工業(yè)上應(yīng)用的一般真空操作所涉及的范圍為粗真空和中真空。但是隨著食品工業(yè)不斷采用新工藝和新技術(shù)，真空作業(yè)已伸入到高真空的范圍。,通常真空區(qū)域可分為五個(gè)范圍，國際上多采用的劃分是： 粗真空：絕對壓強(qiáng)為133.3～101300Pa 中真空：絕對壓強(qiáng)為0.1333～133.3Pa 高真空：絕對壓強(qiáng)為1.333×10－6～0.133

54、3Pa 超高真空： 絕對壓強(qiáng)為1.333×10－10～1.333×10－6pa 極高真空：絕對壓強(qiáng)低于1.333×10－10pa,1) 有關(guān)真空泵和真空系統(tǒng)的基本概念,1．極限壓強(qiáng)：----極限真空，在無漏氣的條件下，泵經(jīng)過長時(shí)間抽氣以后可能達(dá)到的最低壓強(qiáng)。2．抽速：----抽氣速率，是指抽氣裝置在泵入口壓強(qiáng)下單位時(shí)間內(nèi)通過泵入口截面的氣體體積。以Sp表示，單位為m3/s或

55、 m3/h 。 Sp= dV/dt,因?yàn)槌樗倏偸桥c一定的吸入狀態(tài)有關(guān)，所以表示抽速時(shí)，應(yīng)注明泵入口所對應(yīng)的壓強(qiáng)。一般如不單獨(dú)說明，抽速都是指對應(yīng)吸入狀態(tài)下的最大抽速。,S,q′= qv = Sp =Sppp則有：p＞pp；S＜Sp,S,說明真空泵的抽速應(yīng)大于真空室所需的抽速。,3．流量：--流通量，抽速與泵入口壓強(qiáng)的乘積，以qv 表示：,qv=pp Sp （ Pa·m3/s）,真空泵通過管道

56、與真空室聯(lián)接，管道對氣體流動(dòng)產(chǎn)生阻力，亦即在管道的兩端(真空室與泵進(jìn)口間)產(chǎn)生壓降。因此真空室的抽速S與真空泵的抽速Sp是不同的。穩(wěn)定操作時(shí)，根據(jù)連續(xù)性方程，真空室的流量q′與真空泵流量qV相等，即：,4．流導(dǎo)：----單位時(shí)間內(nèi)導(dǎo)管的氣體通導(dǎo)能力，以C表示(m3/s) 。5．流阻：----流導(dǎo)的倒數(shù)，流阻表示管道對流體的阻力。表示流阻的通式為：,由于Sp＞0, S＜Sp;只有C﹥﹥Sp時(shí),才有S ≈Sp.,真空系統(tǒng)基本方程式：,S,

57、6．真空產(chǎn)生率：表示單位時(shí)間內(nèi)泵所抽吸氣體的質(zhì)量。7．起始壓強(qiáng)：表示泵正常工作的壓強(qiáng)。不同的泵有不同的起始壓強(qiáng)，有的泵在大氣壓下就能正常工作，有的則必須在一定的真空度下才可以正常工作。8．最大排氣壓強(qiáng)：又稱臨界反壓強(qiáng)。它表示泵正常工作所允許的排氣壓強(qiáng)。當(dāng)泵出口壓強(qiáng)超過此值時(shí)，泵便失去抽氣能力。,2 )真空泵的分類,1．按性能特點(diǎn)和用途分類(1)低真空泵 常見的有往復(fù)式真空泵、旋轉(zhuǎn)式真空泵、水環(huán)式真空泵、噴射式真空泵以及吸附式

58、真空泵。(2)中真空泵 常見的有羅茨真空泵、多級噴射式真空泵等。(3)高真空泵 各種擴(kuò)散泵及分子泵等屬于高真空泵。(4)超高真空泵 超高真空泵主要有離子泵、低溫泵等。,2．按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類(1)機(jī)械式容積真空泵 這種泵是靠機(jī)械動(dòng)作使泵腔工作容積周期變化來實(shí)現(xiàn)抽氣作用的。如往復(fù)式真空泵、旋轉(zhuǎn)式機(jī)械泵等都屬于此類泵。(2)射流式真空泵 這種泵沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，主要靠通過噴嘴的高速射流來抽真空。屬于這類泵的有水蒸氣噴射泵、空

59、氣噴射泵、水噴射泵以及各種擴(kuò)散泵等。(3)其他類型真空泵 這類泵多屬于獲得高真空、極高真空或高純潔真空泵的泵類，如吸附泵、分子泵、離子泵、冷凝泵等。,3．按工作原理分類 按工作原理可分為往復(fù)式、旋片式、滑閥式、機(jī)械增壓式、噴射泵、擴(kuò)散泵、分子泵、離子泵、冷凝泵等。,(二)真空泵的選擇,1．選擇真空泵的依據(jù)條件(1)系統(tǒng)對真空度的要求 通常要求泵的極限真空度比設(shè)備要求的真空度高0.5～1個(gè)數(shù)量級。(2)系統(tǒng)正常工作時(shí)的壓

60、強(qiáng)范圍 要求泵正常工作時(shí)的壓強(qiáng)范圍必須滿足設(shè)備工作時(shí)所要求的工作壓強(qiáng)。,(3)被抽氣體種類、成分、雜質(zhì)情況及系統(tǒng)工作時(shí)對油蒸汽有無限制等情況 它在食品生產(chǎn)中往往是正確選擇泵的關(guān)鍵問題。(4)系統(tǒng)被抽氣量 它是決定選擇某一類型真空泵的主要依據(jù)。泵抽速可由下式求?。?3) 真空泵的選擇,4) 真空泵的工作原理,(1) 機(jī)械真空泵1．往復(fù)式(活塞式)真空泵2．水環(huán)式真空泵,(2)油封旋轉(zhuǎn)式真空泵1．旋片式真空泵2．滑閥泵(