化工原理 第二章 氣體輸送機(jī)械

1、2024/3/30,,,,第二章流體輸送機(jī)械,第三節(jié) 氣體輸送設(shè)備一、概述二、離心式通風(fēng)機(jī)三、鼓風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)四、真空泵,2024/3/30,一 、概述,1、氣體輸送機(jī)械在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用,①氣體輸送：為了克服管路的阻力，需要提高氣體的壓力。 純粹為了輸送的目的而對氣體加壓，壓力一般都不高。但氣體輸送往往輸送量很大，需要的動力往往相當(dāng)大。,2024/3/30,②產(chǎn)生高壓氣體：化學(xué)工業(yè)中一些化學(xué)反應(yīng)過程需要在高壓下進(jìn)行，如合成氨

2、反應(yīng)，乙烯的本體聚合；一些分離過程也需要在高壓下進(jìn)行，如氣體的液化與分離。這些高壓進(jìn)行的過程對相關(guān)氣體的輸送機(jī)械出口壓力提出了相當(dāng)高的要求。,③生產(chǎn)真空：相當(dāng)多的單元操作是在低于常壓的情況下進(jìn)行，這時(shí)就需要真空泵從設(shè)備中抽出氣體以產(chǎn)生真空。,2024/3/30,2、氣體輸送機(jī)械的一般特點(diǎn),①動力消耗大：對一定的質(zhì)量流量，由于氣體的密度小，其體積流量很大。因此氣體輸送管中的流速比液體要大得多，前者的經(jīng)濟(jì)流速（15~25m/s）約為后者（1

3、~3m/s）的10倍。這樣，以各自的經(jīng)濟(jì)流速輸送同樣的質(zhì)量流量，經(jīng)相同的管長后氣體的阻力損失約為液體的10倍。因而氣體輸送機(jī)械的動力消耗往往很大。,2024/3/30,②氣體輸送機(jī)械體積一般都很龐大，對出口壓力高的機(jī)械更是如此。,③由于氣體的可壓縮性，故在輸送機(jī)械內(nèi)部氣體壓力變化的同時(shí)，體積和溫度也將隨之發(fā)生變化。這些變化對氣體輸送機(jī)械的結(jié)構(gòu)、形狀有很大影響。因此，氣體輸送機(jī)械需要根據(jù)出口壓力來加以分類。,2024/3/30,3、氣體輸

4、送機(jī)械的分類,氣體輸送機(jī)械按出口壓力（終壓）和壓縮比不同分為如下幾類：,①通風(fēng)機(jī)：終壓（表壓，下同）不大于15kPa（約1500mmH2O）,壓縮比1至1.15；②鼓風(fēng)機(jī)：終壓15~300kPa，壓縮比小于4；③壓縮機(jī)：終壓在300kPa以上，壓縮比大于4；④真空泵：在設(shè)備內(nèi)造成負(fù)壓，終壓為大氣壓，壓縮比由真空度決定。,2024/3/30,二 、離心式通風(fēng)機(jī),1、離心式通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),離心式通風(fēng)機(jī)工作原理與離心泵相同，結(jié)構(gòu)也大

5、同小異。但由于輸送對象的不同，相對于離心泵而言，存在以下特點(diǎn)：,①為適應(yīng)輸送風(fēng)量大的要求，通風(fēng)機(jī)的葉輪直徑一般是比較大的。②葉輪上葉片的數(shù)目比較多。,2024/3/30,③葉片有平直的、前彎的、后彎的。通風(fēng)機(jī)的主要要求是通風(fēng)量大，在不追求高效率時(shí)，用前彎葉片有利于提高壓頭，減小葉輪直徑。（離心泵的葉片通常為后彎）,④機(jī)殼內(nèi)逐漸擴(kuò)大的通道及出口截面常不為圓形而為矩形。,2024/3/30,離心通風(fēng)機(jī)的蝸裝殼體,氣體出口,氣體入口,蝸裝外

6、殼,2024/3/30,離心通風(fēng)機(jī)實(shí)物圖,2024/3/30,多翼式葉輪,2024/3/30,多翼式離心通風(fēng)機(jī)實(shí)物圖,2024/3/30,渦輪式葉輪,2024/3/30,渦輪式離心通風(fēng)機(jī)實(shí)物圖,2024/3/30,離心通風(fēng)機(jī)實(shí)物圖,2024/3/30,2、離心式通風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)和特性曲線,（1）流量（風(fēng)量 ),【定義】按入口狀態(tài)計(jì)的單位時(shí)間內(nèi)流過風(fēng)機(jī)進(jìn)口的氣體體積。以qv表示，單位為m3/s，m3/min或m3/h 。,【說明】由于通風(fēng)

7、機(jī)內(nèi)的氣體壓力變化不大，一般可以忽略氣體的壓縮性。因此，通風(fēng)機(jī)的流量也是單位時(shí)間內(nèi)流過通風(fēng)機(jī)內(nèi)任一處或管路的氣體體積。,2024/3/30,【流量的換算】,通風(fēng)機(jī)銘牌或手冊中所列的流量是在空氣的密度為1.2kg/m3（20℃、101.3 kPa）的條件下用空氣作介質(zhì)測定的。若實(shí)際的操作條件與上述的實(shí)驗(yàn)條件不同，應(yīng)對操作條件下的流量進(jìn)行換算，即：,式中 qv0—標(biāo)準(zhǔn)條件下的流量； ρ—操作條件下氣體的密度；

8、 ρ0—標(biāo)準(zhǔn)條件下氣體的密度，1.2kg/m3。,2024/3/30,（2）風(fēng)壓,【定義】單位體積氣體流經(jīng)通風(fēng)機(jī)后所獲得的機(jī)械能。分為三種類型：（1）全風(fēng)壓；（2）靜風(fēng)壓；（3）動風(fēng)壓。,①全風(fēng)壓,【定義】單位體積氣體流經(jīng)通風(fēng)機(jī)后所獲得的總機(jī)械能。以 pt 表示，單位為Pa。,2024/3/30,【全風(fēng)壓的確定】,在通風(fēng)機(jī)的進(jìn)、出口截面之間列柏努利方程，忽略兩截面的位差和阻力損失，其形式為：,式中 ps1——通風(fēng)機(jī)進(jìn)

9、口靜壓，Pa； ps2——通風(fēng)機(jī)出口靜壓，Pa； u1——通風(fēng)機(jī)進(jìn)口氣速，m/s； u2——通風(fēng)機(jī)出口氣速，m/s。,2024/3/30,上式各項(xiàng)分別乘以ρg，則：,,可通過實(shí)驗(yàn)測定上式中的各項(xiàng)，進(jìn)而可計(jì)算全風(fēng)壓pt的大小。,②靜風(fēng)壓（ pst ）,【定義】氣體流經(jīng)通風(fēng)機(jī)后的靜壓差。以 pst 表示，單位為Pa。,2024/3/30,③動風(fēng)壓（pd）,【定義】氣體流經(jīng)通風(fēng)機(jī)

10、后的動壓差。以pd表示，單位為Pa。,進(jìn)口動壓：,出口動壓：,動風(fēng)壓：,2024/3/30,【兩點(diǎn)說明】,①通風(fēng)機(jī)的全風(fēng)壓由兩部分組成，一部分是進(jìn)出口的靜壓差，習(xí)慣上稱為靜風(fēng)壓；另一部分為進(jìn)出口的動壓差，習(xí)慣上稱為動風(fēng)壓。,②在離心泵中，泵進(jìn)、出口處的動能差很小，可以忽略。但對離心通風(fēng)機(jī)而言，其氣體出口速度很高，動風(fēng)壓不僅不能忽略，且由于風(fēng)機(jī)的壓縮比很低，動風(fēng)壓在全壓中所占比例較高。,2024/3/30,③通風(fēng)機(jī)性能表上的全風(fēng)壓是在標(biāo)準(zhǔn)

11、條件下（溫度T?=293K，壓力p?=101325Pa）用空氣測定的。若操作條件下（溫度T、壓力p）氣體（空氣或其他氣體）密度ρ與標(biāo)準(zhǔn)條件的空氣密度ρ0＝1.2kg/m3不同，在選用通風(fēng)機(jī)之前，應(yīng)先將操作條件下所需要的全風(fēng)壓換算成標(biāo)準(zhǔn)條件下的全風(fēng)壓，其換算式為：,2024/3/30,（3）功率與效率,①有效功率（Pe） 單位時(shí)間內(nèi)通風(fēng)機(jī)對氣體提供的能量。,Pe＝pt qv,②軸功率（P） 單位時(shí)間內(nèi)電動機(jī)傳給傳動軸的能量。,③效率

12、（η） 有效功率與軸功率之比。,2024/3/30,（4）特性曲線,與離心泵一樣，離心通風(fēng)機(jī)的特性參數(shù)也可以用特性曲線表示。特性曲線由離心通風(fēng)機(jī)的生產(chǎn)廠家在1atm、20℃的條件用空氣測定，主要有四條曲線：①全風(fēng)壓－流量曲線 pt～qv；②靜風(fēng)壓－流量曲線 pst～qv；③軸功率－流量曲線 P～qv；④效率－流量曲線 η～qv。,2024/3/30,,η,qv,pt,pst,P,離心通風(fēng)機(jī)特性曲線,2024/3/30,

13、3、離心式通風(fēng)機(jī)的選型,（1）根據(jù)氣體種類和風(fēng)壓范圍，確定風(fēng)機(jī)的類型；,（2）確定所求的風(fēng)（流）量和全風(fēng)壓。風(fēng)量根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)來定；全風(fēng)壓按柏努利方程來求，但要按標(biāo)準(zhǔn)狀況校正，即：,,（3）根據(jù)按入口狀態(tài)計(jì)的風(fēng)量和校正后的全風(fēng)壓在產(chǎn)品系列表中查找合適的型號。,2024/3/30,三、鼓風(fēng)機(jī),在工廠中常用的鼓風(fēng)機(jī)有旋轉(zhuǎn)式和離心式兩種類型。,1、離心式鼓風(fēng)機(jī),離心式鼓風(fēng)機(jī) 又稱渦輪鼓風(fēng)機(jī)（turbo blower）、透平鼓風(fēng)機(jī)（turbin

14、e blower），其工作原理與離心通風(fēng)機(jī)相同，其結(jié)構(gòu)與離心泵類似。主要由蝸形外殼與葉輪組成。,（1）離心式鼓風(fēng)機(jī)的構(gòu)造,2024/3/30,離心式鼓風(fēng)機(jī)實(shí)物圖,2024/3/30,（2）離心式鼓風(fēng)機(jī)的工作原理,氣體進(jìn)入葉輪中心后，作圓周運(yùn)動。首先得到動能，其中一部分在蝸裝殼體內(nèi)轉(zhuǎn)換成靜壓能。,2024/3/30,（3）離心式鼓風(fēng)機(jī)的特點(diǎn),①離心式鼓風(fēng)機(jī)的蝸殼形通道亦為圓形；但外殼直徑與厚度之比較大；②葉輪上葉片數(shù)目較多；③轉(zhuǎn)速

15、較高；④葉輪外周都裝有導(dǎo)輪。⑤由于單級離心鼓風(fēng)機(jī)不可能產(chǎn)生很高的風(fēng)壓（一般不超過50kPa），故壓頭較高的離心鼓風(fēng)機(jī)都是多級的。其風(fēng)壓可達(dá)0.3MPa。,2024/3/30,離心鼓風(fēng)機(jī)實(shí)物圖,2024/3/30,離心鼓風(fēng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu),2024/3/30,2、羅茨鼓風(fēng)機(jī)（旋轉(zhuǎn)式鼓風(fēng)機(jī)）,羅茨鼓風(fēng)機(jī)的工作原理與齒輪泵類似。,（1）羅茨鼓風(fēng)機(jī)的構(gòu)造,①機(jī)殼；②轉(zhuǎn)子（漸開擺線形）,2024/3/30,羅茨鼓風(fēng)機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu),機(jī)殼,轉(zhuǎn)子,202

16、4/3/30,（2）羅茨鼓風(fēng)機(jī)的工作原理,氣體入口,氣體出口,高壓區(qū),低壓區(qū),2024/3/30,羅茨鼓風(fēng)機(jī)實(shí)物圖,2024/3/30,【三葉羅茨鼓風(fēng)機(jī) 】,【結(jié)構(gòu)】三葉型羅茨鼓風(fēng)機(jī)其工作原理與結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)二葉型相仿，主要由機(jī)殼和轉(zhuǎn)子組成，只是轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)有所不同，為三葉結(jié)構(gòu)。【特點(diǎn)】三葉型羅茨鼓風(fēng)機(jī)比傳統(tǒng)的二葉型羅茨鼓風(fēng)機(jī)節(jié)能10～23%，當(dāng)工作壓力在規(guī)定范圍內(nèi)變動時(shí)，其流量變化小。工作壓力選擇范圍寬，氣體脈動變化小、噪聲低、結(jié)構(gòu)簡單，

17、維修方便，振動小，使用壽命長。,2024/3/30,三葉羅茨鼓風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖,2024/3/30,三葉羅茨鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子,2024/3/30,（2）羅茨鼓風(fēng)機(jī)的特點(diǎn),①屬于正位移型的羅茨風(fēng)機(jī)風(fēng)量與轉(zhuǎn)速成正比，與出口壓強(qiáng)無關(guān)。該風(fēng)機(jī)的風(fēng)量范圍可自2～500m3/min，出口表壓可達(dá)80kPa，在40kPa左右效率最高。②該風(fēng)機(jī)出口應(yīng)裝穩(wěn)壓罐，并設(shè)安全閥。流量調(diào)節(jié)采用旁路，出口閥不可完全關(guān)閉。操作時(shí)，氣體溫度不能超過85℃，否則轉(zhuǎn)子會因受熱臌

18、脹而卡住。,2024/3/30,穩(wěn)壓罐,2024/3/30,穩(wěn)壓罐,2024/3/30,四、壓縮機(jī),在工廠中常用的壓縮機(jī)有往復(fù)式和離心式兩種類型。,1、離心式壓縮機(jī),離心式壓縮機(jī) 又稱渦輪壓縮機(jī)、透平鼓風(fēng)機(jī)，其構(gòu)造與離心壓縮機(jī)相似，由轉(zhuǎn)子和定子組成。,（1）離心式壓縮機(jī)的構(gòu)造,【轉(zhuǎn)子】主軸、多（單）級葉輪、軸套及平衡元件；,【定子】氣缸和隔板。,2024/3/30,單級離心壓縮機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu),2024/3/30,單級離心壓縮機(jī)葉輪,2024

19、/3/30,單級離心壓縮機(jī)實(shí)物圖,2024/3/30,（2）離心式壓縮機(jī)的工作原理,①氣體沿軸向進(jìn)入各級葉輪中心處，被旋轉(zhuǎn)的葉輪做功，受離心力的作用，以很高的速度離開葉輪，進(jìn)入擴(kuò)壓器。②氣體在擴(kuò)壓器內(nèi)降速、增壓。③經(jīng)擴(kuò)壓器減速、增壓后氣體進(jìn)入彎道，使流向反轉(zhuǎn)180度后進(jìn)入回流器，經(jīng)過回流器后又進(jìn)入下一級葉輪。顯然，彎道和回流器是溝通前一級葉輪和后一級葉輪的通道。如此，氣體在多個(gè)葉輪中被增壓數(shù)次，能以很高的壓力能離開。,2024/3/

20、30,多級離心式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖,2024/3/30,氣體進(jìn)口,多級葉輪,彎道,擴(kuò)壓器,回流器,氣體出口,2024/3/30,多級離心式壓縮機(jī)的葉輪,2024/3/30,離心式壓縮機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖,2024/3/30,多級離心式壓縮機(jī)實(shí)物圖,2024/3/30,2024/3/30,（3）離心式壓縮機(jī)的特點(diǎn),與往復(fù)壓縮機(jī)相比，離心式壓縮機(jī)有如下優(yōu)點(diǎn)：,①體積和重量都很小而流量很大；②供氣均勻；運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)；③易損部件少、維護(hù)方便。 因

21、此，除非壓力要求非常高，離心式壓縮機(jī)已有取代往復(fù)式壓縮機(jī)的趨勢。而且，離心式壓縮機(jī)已經(jīng)發(fā)展成為非常大型的設(shè)備，流量達(dá)幾十萬立方米/時(shí)，出口壓力達(dá)幾十兆帕。,2024/3/30,2、往復(fù)式壓縮機(jī),（1）往復(fù)式壓縮機(jī)的構(gòu)造,電動機(jī),飛輪、曲軸,連桿,活塞,氣缸,排出口,吸入口,皮帶,2024/3/30,（2）往復(fù)式壓縮機(jī)的工作原理,由于氣缸內(nèi)活塞的往復(fù)運(yùn)動，使氣體完成吸入、壓縮和排出工作循環(huán)。,2024/3/30,電動機(jī),穩(wěn)壓罐,氣體入口,

22、氣缸,排氣管,氣體出口管,單缸往復(fù)壓縮機(jī)實(shí)物圖,2024/3/30,雙缸往復(fù)壓縮機(jī),2024/3/30,雙缸往復(fù)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)圖,2024/3/30,三缸往復(fù)壓縮機(jī)實(shí)物圖,2024/3/30,帶發(fā)動機(jī)的往復(fù)壓縮機(jī)實(shí)物圖,汽油發(fā)動機(jī),油箱,2024/3/30,2024/3/30,（3）往復(fù)式壓縮機(jī)的工作過程,往復(fù)式壓縮機(jī)的工作過程由四個(gè)階段組成。,①開始時(shí)刻：當(dāng)活塞位于最右端時(shí)，缸內(nèi)氣體體積為V1，壓力為p1，用圖中A點(diǎn)表示；,2024/3/

23、30,當(dāng)活塞由右向左運(yùn)動時(shí)，氣缸內(nèi)氣體體積下降而壓力上升。直到壓力上升到p2，排氣閥被頂開為止。此時(shí)的缸內(nèi)氣體狀態(tài)如B點(diǎn)表示。,②壓縮階段,2024/3/30,排出閥被頂開后，活塞繼續(xù)向左運(yùn)動，缸內(nèi)氣體被排出。這一階段缸內(nèi)氣體壓力不變，體積不斷減小，直到氣體完全排出體積減至零。這一階段屬恒壓排氣階段。此時(shí)的狀態(tài)為C點(diǎn)表示。,③排氣階段,2024/3/30,活塞從最左端退回，缸內(nèi)壓力立刻由p2降到p1，狀況達(dá)到D。此時(shí)排氣閥受壓關(guān)閉，吸氣

24、閥受壓打開，氣缸又開始吸入氣體，體積增大，壓力不變，因此為恒壓吸氣階段，直到A點(diǎn)為止。,④吸氣階段,2024/3/30,（4）往復(fù)式壓縮機(jī)的特點(diǎn),①往復(fù)式壓縮機(jī)的基本構(gòu)造和工作原理與往復(fù)泵相似；②因?yàn)闅怏w的密度小、可壓縮，故壓縮機(jī)的吸入和排出閥門必須更加靈巧精密；③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。,2024/3/30,（2）往復(fù)式壓縮機(jī)的工作過程,往復(fù)式壓縮機(jī)的工作過程有四個(gè)階段組成。,①開始時(shí)刻：當(dāng)活塞位于

25、最右端時(shí)，缸內(nèi)氣體體積為V1，壓力為p1，用圖中1點(diǎn)表示；,2024/3/30,②壓縮階段：當(dāng)活塞由右向左運(yùn)動時(shí)，由于D活門所在管線有一定壓力，所以D活門是關(guān)閉的，活門S受壓也關(guān)閉。因此，在這段時(shí)間里氣缸內(nèi)氣體體積下降而壓力上升，所以是壓縮階段。直到壓力上升到p2，活門D被頂開為止。此時(shí)的缸內(nèi)氣體狀態(tài)如2點(diǎn)表示。,2024/3/30,③排氣階段：活門D被頂開后，活塞繼續(xù)向左運(yùn)動，缸內(nèi)氣體被排出。這一階段缸內(nèi)氣體壓力不變，體積不斷減小，直