气体输送机械

气体输送的特点

（ 1 ） 气体密度小 （约为液体密度的 1/1000 左右），对一定的质量流量， 体积流量很大 ， 气体输送管路中的流速要比液体输送管路的流速大得多。 液体在管道中的经济流速为 1 ～ 3 m/s ：而气体为 15 ～ 25 m/s ，约为液体的 10 倍。若利用各自经济流速输送同样的质量流量，经相同管长后气体的阻力损失约为液体阻力损失的 10 倍。

（ 2 ）气体因具有可压缩性，故在输送机械内部气体压强发生变化的同时， 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。对润滑油的工作有影响，严重时会损坏机械；另外单机压缩比不能太大，否则要增大冷却装置。

气体输送机械的分类

（ 1 ）根据它所能产生的 进、出口压强差 （如进口压强为大气压，则压差即为表压计的出口压强）或 压强比（称为压缩比 ）

a 、通风机：出口压强（表压）不大于 ￡ 15 kPa ，压缩比为 1 ～ 1.15 ；

b 、鼓风机：出口压强（表压）为 15 ～ 300 kPa ，压缩比 ≤ 4 ；

c 、压缩机：出口压强（表压）为 300 kPa 以上，压缩比 >4 ；

d 、真空泵：用于减压，出口压强（表压）为 0.1MPa （大气压），主要使容器或设备内造成真空（将其中气体抽出），其压缩比由真空度决定。

（ 2 ）根据工作原理：

a 、离心式：如通风机；

b 、正位移式：如Y型往复压缩机；

c 、真空泵。

（ 3 ）根据应用：

• 输送气体：流量大，压头小（如通风机、鼓风机）；

b 、产生高压气体：如合成氨、甲醇反应（如压缩机，分离心式和往复式）；

c 、产生真空：吸入负压，常压排出（如真空泵）

5.2 离心式通风机

图2-22离心通风机

1 、工作原理

离心式通风机在工业生产中常用于输送气体，其工作原理与离心泵完全相同，即依靠叶轮的旋转运动产生离心力以提高气体的压力。

2 、构造

与离心泵也大同小异，但蜗壳形机壳内逐渐扩大的气体通道及出口的截面有方形（矩形）和圆形两种。一般中、低压通风机多是方形，高压为圆形。与离心泵相比，离心式通风机的叶轮直径比较大（为适应输送量大和压头高的要求），叶轮上叶片数目比较多而且长度较短，叶片有平直（低压风机）、后弯或前弯叶片（中、高压风机）。通风机的叶片形状并不一定是后弯的，为产生较高压头也有径向或前弯叶片。前弯叶片可使结构紧凑，但效率低，功率曲线陡升，易造成原动机过载。因此，所有高效风机则都是后弯叶片。

3 、离心式通风机的主要性能参数与特性曲线：

离心式通风机的主要性能参数和离心泵相似，主要包括流量（风量）、全压（风压）、功率和效率。

（ 1 ）风量：单位时间通过进风口的气体体积流量。注意气体的体积按进口状况计。

（ 2 ） 全压（又称风压） p_T ：单位体积气体所获得的机械能。 其因次为 [M L_-1 T _-2 ] ， SI 单位为 N/m² ，与压强相同。此参数相当于离心泵的扬程。根据所产生的全压大小，离心式通风机又可分为低压（ p_T ≤ 1 k Pa ）、中压（ p_T = 1~3 k Pa ）、高压（ p_T = 3~15 k Pa ）离心式通风机。

通风机的风压与气体密度成正比。以单位体积（ 1m³ ）气体为计算基准，对通风机进、出口截面（分别以下标 1 、 2 表示）作机械能衡算，可得通风机的全压：（ 2-26）

因式中 （Z₂ - Z₁）ρg 可以忽略，当空气直接由大气进入通风机时， u₁ 也可以忽略，则上式简化为：

（ 2-27）

通风机的压头由两部分组成：压差（ p₂ - p₁ ）为风机提供的静压头，习惯上称为 静风压 p_s ；而 ρu₂² / 2 称为 动风压 p_K 。对离心泵而言，扬程主要来自于泵出口和泵入口之间的压强差，其他项所占分量都很小，泵进、出口处的动能差很小，可以忽略。但对通风机，静压能这一项并不是很大，而气体出口速度很大，故出口气体的动能却不能忽略。因此，与离心泵相比，通风机的性能参数多了一个动风压 p_K 。

通风机的风压与气体密度成正比（而离心泵的扬程不随流体的密度变化）。而通风机性能表上所列风压，一般是在试验介质为压强为 0.1 M Pa 、温度为 20 ° C 的空气（ ρ' = 1.205 kg/m³ ）测定的。因此，在选用通风机，如所输送气体的密度与试验介质相差较大，应先将实际所需全压 p_T 换算成试验状况下的全压 p_T ' ，然后根据产品样本中的数据确定风机的型号。由全压公式可知，全压换算可按下式进行：

（ 2-28）

（ 3 ）离心式通风机的轴功率为：

（ 2-29）

图2-23离心通风机的特性曲线

η 为全压效率（因按全风压定出）。 P_T 与 q_v 应为同一状态下的数值。离心式通风机在设计流量下的 η 约 70~90 % 。

（ 4 ）离心通风机的特性曲线：

四条： p_T ~ q_V 、 p_s ~ q_V 、 P_a ~ q_V 和 η ~ q_V 。

5.3 往复式压缩机

1 、结构与工作原理

与往复泵相似。但因为气体的密度小、可压缩。故压缩机的吸入和排除活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，必须附冷却装置。

图2-24往复泵压缩机的工作过程

2 、工作过程

右图为单作用往复式压缩机的工作过程。

当活塞运动至气缸的最左端（图中 A 点），压出行程结束。但因为机械结构上的原因，虽则活塞已达行程的最左端，气缸左侧还有一些容积，称为 余隙容积 。 由于余隙的存在，吸入行程开始阶段为余隙内压强为 p₂ 的高压气体膨胀过程，直至气压降至吸入气压 p₁ （图中 B 点）吸入活门才开启，压强为 p₁ 的气体被吸入缸内。在整个吸气过程中，压强 p₁ 基本保持不变，直至活塞移至最右端（图中 C 点），吸入行程结束。当压缩行程开始，吸入活门关闭，缸内气体被压缩。当缸内气体的压强增大至稍高于 p₂ （图中 D 点），排出活门开启，气体从缸体排出，直至活塞移至最左端，排出过程结束。

压缩机的一个工作循环是由膨胀、吸入、压缩和排出四个阶段组成 。 四边形 ABCD 所包围的面积，为活塞在一个工作循环中对气体所做的功。

3 、过程分析：

根据气体和外界的换热情况，压缩过程可分为等温（ CD'' ）、绝热（ CD' ）和多变（ CD ）种情况。由图可见，等温压缩消耗的功最小，因此压缩过程中希望能较好冷却，使其接近等温压缩。

实际上，等温和绝热条件都很难做到，所以压缩过程都是介于两者之间的 多变过程 。如不考虑余隙的影响，则多变压缩后的气体温度 T₂ 和一个工作循环所消耗的外功 W 分别为：

和 （ 2-30）

式中 k 称为多变指数，为一实验常数； V_C 为吸入容积。

上式说明，影响排气温度 T₂ 和压缩功 W 的主要因素是：

（ 1 ）压缩比愈大， T₂ 和 W 也愈大；

（ 2 ）压缩功 W 与吸入气体量（即式中的 p₁ V_C ）成正比；

（ 3 ）多变指数 k 愈大则 T ₂ 和 W 也愈大。压缩过程的换热情况影响 k 值，热量及时全部移除，则为等温过程，相当于 k=1 ；完全没有热交换，则为绝热过程， k = γ （气体绝热指数）；部分换热则 1 < k < γ。值得注意的是 γ大的气体 k 也较大。空气、氢气等 γ= 1.4 ，而石油气则 γ = 1.2 左右，因此在石油气压缩机用空气试车或用氮气置换石油气时，必须注意超负荷及超温问题。

压缩机在工作时，余隙内气体无益地进行着压缩膨胀循环，且使吸入气量减少。余隙的这一影响在压缩比 p₂ /p₁ 大时更为显著。当压缩比增大至某一极限值时，活塞扫过的全部容积恰好使余隙内的气体由 p₂ 膨胀至 p₁ ，此时压缩机已不能吸入气体，即流量为零。这是压缩机的极限压缩比。此外，压缩比增高，气体温升很高，甚至可能导致润滑油变质，机件损坏。因此，当生产过程的压缩比大于 8 时，尽管离压缩极限尚远，也应采用多级压缩。

下图为两级压缩机示意图。在**级中气体沿多变线 ab 被压缩至中间压强 p ，以后进入中间冷却器等压冷却到原始温度，体积缩小，图中以 bc 线表示。在第二级压缩中，从中间压强开始，图中以 cd 线表示。这样，由一级压缩变为两级压缩后，其总的压缩过程较接近于等温压缩，所节省的功为阴影面积 bcdd' 所代表。

图2-25两级压缩机

在多级压缩中，每级压缩比减小，余隙的不良影响减弱。

往复压缩机的产品有多种，除空气压缩机外，还有氨气压缩机、氢气压缩机、石油气压缩机等，以适应各种特殊需要。

往复式压缩机的选用主要依据生产能力和排出压强（或压缩比）两个指标。生产能力用 m³ /min 表示，以吸入常压空气来测定。在实际选用时，首先根据所输送气体的特殊性质，决定压缩机的类型，然后再根据生产能力和排出压强，从产品样本中选用适用的压缩机。

与往复泵一样，往复式压缩机的排气量也是脉动的。为使管路内流量稳定，压缩机出口应连接气柜。气柜兼起沉降器作用，气体中夹带的油沫和水沫在气柜中沉降，定期排放。为安全起见，气柜要安装压力表和安全阀。压缩机的吸入口需装过滤器，以免吸入灰尘杂物，造成机件的磨损。