氣體的縮與輸送

1、第三章第三章 氣體的壓縮與輸送氣體的壓縮與輸送 第一節(jié) 概述表3-1氣體輸送機械按終壓和壓縮比分類 第二節(jié) 往復式壓縮機 一、往復式壓縮機的主要構(gòu)造和工作原理 1往復式壓縮機的主要構(gòu)造 往復式壓縮機的主要構(gòu)造與往復泵相似，其主要工作部件為氣缸、活塞、吸入閥和排出閥。但由于氣體的密度小、可壓縮，故往復壓縮機的吸入和排出活門必須更加靈巧、精密。通過活塞的往復運動，使氣缸的工作容積發(fā)生變化而吸氣、壓縮氣體或排出氣體。 2往復式壓縮機的工作原理 往復式壓縮機的工作原理與往復泵相似，圖3-1為單級往復式壓縮機示意圖，活塞每往復一次，氣缸內(nèi)具有膨脹、吸氣、壓縮和排氣四個過程，組成活塞的一個工作循環(huán)。如圖3

2、-2所示，四邊形abcd所包圍的面積，為活塞在一個工作循環(huán)中對氣體所做的功。第二節(jié) 往復式壓縮機 根據(jù)氣體和外界的換熱情況，壓縮過程可分為等溫(cd/)、絕熱（cd/）和多變(cd)三種情況。由圖可見，等溫壓縮消耗的功最小，因此壓縮過程中希望能較好冷卻，使其接近等溫壓縮。實際上，等溫和絕熱條件都很難做到，所以壓縮過程都是介于兩者之間的多變過程。 圖3-1單級往復壓縮機示意圖第二節(jié) 往復式壓縮機 由于氣體具有可壓縮性和氣體受壓縮后溫度升高，往復式壓縮機的結(jié)構(gòu)和裝置與往復泵相比有顯著不同。首先往復式壓縮機必須有除熱裝置，以降低氣體的終溫；其次必須控制活塞與氣缸端蓋之間的間隙即余隙容積。往復泵的余隙

3、容積對操作無影響，而往復式壓縮機的余隙容積必須嚴格控制，不能太大，否則吸氣量減少，甚至不能吸氣。因此，往復式壓縮機的余隙容積要盡可能地減小。 圖3-2往復壓縮機的工作過程第二節(jié) 往復式壓縮機 二、往復式壓縮機的生產(chǎn)能力 往復式壓縮機的生產(chǎn)能力就是它的送氣量。送氣量是指單位時間內(nèi)排出的氣體體積折算成吸入狀態(tài)下的數(shù)值。若沒有余隙容積，往復式壓縮機的理論吸氣量與往復泵的類似。 1理論生產(chǎn)能力 單缸、單動往復式壓縮機 （3-1） 單缸、雙動往復式壓縮機 （3-2）asnvqa)sn-a2(vq第二節(jié) 往復式壓縮機式中 往復式壓縮機的理論吸氣量，m3/min； 活塞截面積，m2； 活塞的沖程，m； 活塞

4、每分鐘的往復次數(shù)，1/min； a 活塞桿的截面積，m2。 2實際生產(chǎn)能力 由于往復式壓縮機氣缸里有余隙容積，余隙氣體膨脹后占據(jù)了部分氣缸容積；吸入閥有一定的阻力，致使氣缸內(nèi)壓強低于吸入管的壓強；氣缸內(nèi)的溫度又高于吸入氣體的溫度，使吸入氣缸內(nèi)的氣體立即膨脹，占去了一部分有效容積及壓縮機的各種泄漏等因素的影響，使實際吸氣量比理論吸氣量低，實際生產(chǎn)能力為vqasn第二節(jié) 往復式壓縮機 （3-3） 式中 送氣系數(shù)，由試驗測的或取自經(jīng)驗數(shù)據(jù)，一般數(shù)值為0.70.9。 三、壓縮比與多級壓縮 由于往復式壓縮機的氣缸中有余隙容積，每壓縮一次所允許的壓縮比不能太大，在壓縮機中每壓縮一次其壓縮比一般為57，而在

5、生產(chǎn)中，會遇到將某些氣體的壓力從常壓提高到幾兆帕，甚至幾十兆帕以上的情況。此時，如果采用單級壓縮不僅不經(jīng)濟，有時甚至不能實現(xiàn)，因此須采用多級壓縮。 vvqq實第二節(jié) 往復式壓縮機 圖3-3三級壓縮流程示意圖1、4、7-氣缸； 3、6、9-油水分離器；2、5-中間冷卻器； 8-出口氣體冷卻器第二節(jié) 往復式壓縮機 多級壓縮就是把兩個或兩個以上的氣缸串聯(lián)起來，氣體在一個氣缸被壓縮后，又送入另一個氣缸再壓縮，經(jīng)過幾次壓縮才達到要求的最終壓力。壓縮一次稱為一級，連續(xù)壓縮的次數(shù)就是級數(shù)。圖3-3為三級壓縮的工藝流程圖。是將氣體的壓縮過程分在若干級中進行，每一級壓縮后，需經(jīng)中間冷卻器冷卻降溫和氣液分離器分離

6、出液體，然后再進行壓縮。氣體經(jīng)過多次壓縮后，可減小每級的壓縮比，當總壓縮比為p2/p1時，壓縮級數(shù)為n，則每一級的壓縮比r為（p2/p1）1/n；降低排氣溫度；減小功耗；提高氣缸的容積利用率。但多級壓縮結(jié)構(gòu)復雜，輔助設(shè)備多，消耗于管路系統(tǒng)的能量比例增大，所以級數(shù)不宜過多。 第二節(jié) 往復式壓縮機 四、往復式壓縮機的運轉(zhuǎn)和維護 1往復式壓縮機操作、運轉(zhuǎn)的注意事項 往復壓縮機和往復泵一樣，吸氣與壓氣是間歇的，流量不均勻。但壓縮機很少采用多動型式，而通常是在出口處連結(jié)一個貯氣罐(又稱緩沖罐)，這樣不僅可以使排氣管中氣體的流速穩(wěn)定，也能使氣體中夾帶的水沫和油沫得到沉降與氣體分離，罐底的油和水可定期的排放

7、。 壓縮機氣體入口前一般要安裝過濾器，以免吸入灰塵、鐵銷等，而造成對活塞、氣缸的磨損。當過濾器不干凈時，會使吸入的阻力增加，排出管路的溫度升高。 第二節(jié) 往復式壓縮機 往復式壓縮機在運行中，氣缸中的氣體溫度較高，氣缸和活塞又處在直接摩擦移動狀態(tài)，因此，必須保證有很好的冷卻和潤滑。不允許關(guān)閉出口閥門，以免壓力過高而造成事故。冷卻水的終溫一般不超過313k，否則應(yīng)清除氣缸水套和中間冷卻器里的水垢。在冬季停車時,一定要把冷卻水放盡，以防管道等因結(jié)冰而堵塞。 往復式壓縮機氣缸內(nèi)的余隙是必要的，但應(yīng)盡可能小，否則余隙中高壓氣體的膨脹，使吸氣量減少，動力消耗增加。由于氣缸中的余隙很小而液體是不可壓縮的，一

8、定要防止液體進到氣缸之內(nèi)，否則，即使是很少的液體進入，也可能造成很高的壓強而使設(shè)備損壞。 第二節(jié) 往復式壓縮機 應(yīng)經(jīng)常檢查壓縮機的各部分的工作是否正常，如發(fā)現(xiàn)有不正常的噪音和碰擊聲時，應(yīng)立即停車檢查。 2往復式壓縮機排氣量的調(diào)節(jié) 壓縮機排氣量調(diào)節(jié)的常用方式有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和管路調(diào)節(jié)兩類。其中管路調(diào)節(jié)可采取節(jié)流進氣調(diào)節(jié)，即在壓縮機進氣管路上安裝節(jié)流閥以得到連續(xù)的排氣量；還可以 采用旁路調(diào)節(jié)，即由旁路和閥門將排氣管與進氣管相連接的調(diào)節(jié)流量方式。第三節(jié) 離心式 一、離心式通風機 離心式通風機是一種廣泛應(yīng)用的低壓氣體的輸送設(shè)備。風機對單位體積氣體所做的有效功稱為風壓，以表示，單位為pa。根據(jù)風壓的不同，將離

9、心式通風機分為三類： 低壓離心式通風機 出口風壓低于1103pa(表壓)； 中壓離心式通風機 出口風壓低于11033103pa(表壓)； 高壓離心式通風機 出口風壓低于310315103pa(表壓)。 第三節(jié) 離心式 1離心式通風機的構(gòu)造和工作 原理 離心式通風機的構(gòu)造和工作原理與離心泵大致相同。圖3-4所示為低壓通風機的示意圖，主要有機殼、葉輪、集流器等組成。機殼成蝸形，斷面有方形和圓形兩種，低中壓風機多用矩形，高壓風機多為圓形流道。葉輪與離心泵的葉輪相比較，直徑較大，葉片數(shù)目也比較多。中、高壓通風機的葉片則是后彎的，所以高壓通風機的外形與結(jié)構(gòu)與單級離心泵更相似。圖3-4低壓離心通風機1-機

10、殼；2-葉輪；3-吸入口；4-排出口第三節(jié) 離心式 2離心通風機的性能參數(shù)與特性曲線 (1)離心通風機的性能參數(shù) 風量 是單位時間內(nèi)從風機出口排出的氣體體積，并以風機進口處的氣體狀態(tài)計，用表示，單位為m3/h。通風機銘牌上的風量是用壓力為101.3kpa、溫度為20、密度為1.2kg/m3的空氣標定。 風壓 是指單位體積的氣體通過風機時所獲得的能量，用表示，單位為pa。風壓的大小取決于風機的結(jié)構(gòu)、葉輪直徑和轉(zhuǎn)速，并正比于氣體的密度。風壓一般由試驗測定。設(shè)風機進口為截面1-1，風機出口為截面2-2，根據(jù)柏努利方程，單位體積氣體通過通風機所獲得的能量為第三節(jié) 離心式 （3-4） 式中 、 分別為通

11、風機進口和出口速度，單位為m/s。假定氣體的密度為常數(shù)，當通風機直接從大氣吸入空氣，則 =0。式（3-1）可化簡成 （3-5） 稱為全壓頭，單位為m。通風機的全風壓 和全壓頭 的關(guān)系可表示為 （3-6）guugppht2)(2122121u2u1ugugppht22212thtpthksttppuppghp2)(2212第三節(jié) 離心式 式中 稱為靜風壓 ， 稱為動風壓 。通風機性能表上所列出的風壓為全風壓。 通風機銘牌上的風壓 是用空氣測定的，如果操作條件與標定條件不同，則操作條件下的風壓 可用下式換算 （3-7） 軸功率和效率 離心通風機的軸功率用下式計算 （3-8） 12pp sp22u2

12、/kp0tptp2.10ttpp1000vtqp軸第三節(jié) 離心式 式中 離心通風機的軸功率，kw； 離心通風機的風量，m3/s； 離心通風機的全風壓，pa； 全壓效率。 效率反映了風機中能量的損失程度。一般來講，在設(shè)計風量下風機的效率最高。通風機的效率一般在70%90%。 軸pvqtp第三節(jié) 離心式 (2)離心通風機的特性曲線 一般離心通風機在出廠前需用空氣在壓力101.3kpa，溫度20,密度為1.2kg/m3實驗條件下測定特性曲線和性能參數(shù)，即離心通風機名牌上的風量、全風壓、軸功率和效率等。如圖3-5是離心通風機的特性曲線示意圖。圖中顯示了在一定轉(zhuǎn)速下，風量 、全風壓 、 軸功率 和效率

13、四者的關(guān)系。顯然離心通風機的特性曲線中比離心泵的特性曲線多了一條 - 曲線。 vqtp軸pspvq圖3-5離心通風機的特性曲線第三節(jié) 離心式 二、離心式鼓風機和壓縮機 1離心式鼓風機 離心式鼓風機又稱透平鼓風機，其結(jié)構(gòu)類似于多級離心泵。離心式鼓風機一般由35個葉輪串聯(lián)而成，如圖3-6是五級離心鼓風機示意圖。各級葉輪的直徑大致相同，每級葉輪之間都有導輪，其工作原理和離心通風機相同。氣體由吸人口進入后經(jīng)過第一級的葉輪和導輪，轉(zhuǎn)入第二級葉輪人口，再依次通過其后所有的葉輪和導輪，最后由排出口排出，使其完成連續(xù)送風。單級離心鼓風機的出口表壓多在30kpa以內(nèi)，多級離心式鼓風機的出口表壓可達300kpa。

14、第三節(jié) 離心式 離心式鼓風機特點為：壓縮比不高，工作過程產(chǎn)熱不多，不需冷卻裝置；連續(xù)送風無振動和氣體脈動，不需空氣貯槽；風量大且易調(diào)節(jié)，易自動運轉(zhuǎn)，可處理含塵的空氣，機內(nèi)不需潤滑劑，故空氣中不含油；效率比其他氣體輸送設(shè)備高。圖3-6五級離心鼓風機示意圖第三節(jié) 離心式 2離心式壓縮機 離心式壓縮機又稱透平壓縮機，其主要構(gòu)造和工作原理都與離心式鼓風機相似。只是葉輪的級數(shù)更多，可以在10級以上，轉(zhuǎn)速也高于離心鼓風機的轉(zhuǎn)速，可達到35008000r/m，故能產(chǎn)生較高的壓力，其壓力范圍為0.410mpa。 離心壓縮機的氣體壓縮比高，隨氣體體積逐漸縮小，葉輪直徑和寬度逐漸減小。由于氣體體積變化大，溫度升高

15、較為顯著，為避免氣體溫度升得過高，壓縮機需分成幾段，每段包括若干級，段與段之間設(shè)冷卻器。離心壓縮機穩(wěn)定工況區(qū)的上、下限存在最小流量點和最大流量點。第三節(jié) 離心式 當離心壓縮機在最小流量點以下的流量區(qū)工作時,其流量和壓力都會劇烈地波動，出現(xiàn)氣體在壓縮機和管道內(nèi)來回振蕩,周而復始地進行氣體的倒流與排出，造成壓力的大幅度波動，引起整個機器的劇烈振動，從而無法正常工作，這種現(xiàn)象稱為 “喘振”現(xiàn)象。當離心壓縮機在最大流量點以上的流量區(qū)工作時，流動損失將增加，使氣體的壓力得不到提高，又產(chǎn)生了類似于堵塞的現(xiàn)象。為保持吸人和排出氣體壓力的穩(wěn)定，離心壓縮機必須在穩(wěn)定工況區(qū)內(nèi)工作。通常采用排氣管節(jié)流調(diào)節(jié)、吸氣管節(jié)

16、流調(diào)節(jié)等進行流量的調(diào)節(jié)和控制。第三節(jié) 離心式 離心式壓縮機與往復式壓縮機相比具有排氣量大、轉(zhuǎn)速高、結(jié)構(gòu)緊湊以及運轉(zhuǎn)平穩(wěn)可靠,可以連續(xù)運轉(zhuǎn)，維護費少，排出的氣體不受潤滑油污染等優(yōu)點。因此，近年來在化工生產(chǎn)中，往復式壓縮機已越來越多地為離心式壓縮機所代替。例如，在規(guī)模為1000t/d以上的大型合成氨廠，離心式壓縮機在25-30mpa的范圍內(nèi)使用獲得圓滿成功。 但離心式壓縮機也存在著穩(wěn)定工況區(qū)窄，總效率一般仍低于往復式壓縮機，制造精度要求高，當流量偏離額定值時效率較低等缺點。第四節(jié) 旋轉(zhuǎn)式 一、羅茨鼓風機 羅茨鼓風機屬于旋轉(zhuǎn)式鼓風機，其工作原理和旋轉(zhuǎn)泵相似，結(jié)構(gòu)如圖3-7所示。長圓形機殼內(nèi)有兩個特殊

17、形狀的轉(zhuǎn)子（常用腰型或三角形）。轉(zhuǎn)子之間、轉(zhuǎn)子與機殼之間縫隙很小，使轉(zhuǎn)子能靈活地轉(zhuǎn)動而無過多的泄漏。兩轉(zhuǎn)子以相反等速旋轉(zhuǎn)，氣體從機殼一側(cè)吸入從另一側(cè)排出。改變轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向，吸入口和排出口互換。 圖3-7羅茨鼓風機1轉(zhuǎn)子；2-機體（氣缸）；3-同步齒輪；4-端板第四節(jié) 旋轉(zhuǎn)式 羅茨鼓風機的主要性能參數(shù)有排出口壓力、氣量、排氣溫度和軸功率等。其特點為風量與轉(zhuǎn)速成正比；轉(zhuǎn)子之間和轉(zhuǎn)子與機殼之間的間隙會造成氣體泄漏，從而使效率降低，效率一般為0.870.94，在表壓為4kpa附近效率最高；該風機的出口應(yīng)安裝穩(wěn)壓罐與安全閥,出口閥門不能關(guān)閉，一般用旁路方法調(diào)節(jié)流量；結(jié)構(gòu)簡單無閥門，不用冷卻和潤滑，可得

18、潔凈空氣，適用于低壓力場合的氣體輸送和加壓，可以多級串聯(lián)使用；使用時，溫度不能超過85，否則會使轉(zhuǎn)子受熱膨脹而發(fā)生碰、卡現(xiàn)象。 圖3-8液環(huán)壓縮機1進口；2-出口；3-吸氣口；4-排氣口第四節(jié) 旋轉(zhuǎn)式 二、液環(huán)壓縮機 液環(huán)壓縮機屬旋轉(zhuǎn)式壓縮機，也可用作真空泵，又稱納氏泵。如圖3-8所示，由橢圓形外殼和葉輪組成。殼內(nèi)裝有適量的液體，葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力使液體甩到殼體形成液環(huán)，液環(huán)起液封作用，使橢圓長軸兩端形成月牙形空室。隨著葉輪旋轉(zhuǎn)，空室從小變大，即可吸入氣體；葉輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，空室從大變小，即可排出氣體。葉輪旋轉(zhuǎn)一周空室從小變大和從大變小各二次。液環(huán)式壓縮機的壓縮比可達6-7，但出口表壓在150-

19、180kpa的范圍內(nèi)效率最高。 液環(huán)壓縮機中被壓縮的氣體與外殼之間被液環(huán)隔開，而只與葉輪接觸，故用于輸送腐蝕性氣體時，葉輪需用耐腐蝕材料，液體應(yīng)不與所輸送氣體發(fā)生作用。如壓縮空氣泵內(nèi)充水即可，壓縮氯氣泵內(nèi)充硫酸。 第五節(jié) 真空泵 真空是指壓力低于大氣壓的物理環(huán)境，根據(jù)國家標準規(guī)定，真空被化為低真空、中真空、高真空、超高真空四個區(qū)域，各區(qū)域的真空范圍如表3-2所示。 表3-2真空區(qū)域的劃分 第五節(jié) 真空泵 低真空獲得的壓力差可以提升和運輸物料、吸塵、過濾；中真空可以排除物料中吸留或溶解的氣體或所含水分，如真空除氣、真空浸漬、真空濃縮、真空干燥、真空脫水和冷凍干燥等；高真空可以用于熱絕緣，如真空保

20、溫容器；超高真空可以用作空間模擬研究表面特性，如摩擦和粘附等。生產(chǎn)中，有許多操作過程是在真空設(shè)備中進行的，如物料的真空過濾和真空蒸發(fā)，物料的真空干燥，物料的輸送等。設(shè)備中的真空環(huán)境是由真空泵提供的，真空泵是用來獲得和維持真空的裝置，類型很多，下面簡單介紹幾種常用的真空泵。 第五節(jié) 真空泵 一、往復式真空泵 往復式真空泵的構(gòu)造和原理與往復式壓縮機大致相同，但往復壓縮機的壓縮比很高，例如，要得到95%的真空度，其壓縮比將達20以上。往復式真空泵有干式和濕式之分。干式真空泵只抽吸氣體，可以達到99%以上的真空；濕式真空泵可以同時抽吸氣體與液體，也可以帶走較多的水蒸氣，能達到80%左右的真空。干、濕式

21、往復真空泵在構(gòu)造上略有區(qū)別，由于濕式泵中液體的速度比氣體小，所以其吸入和排出閥門均較干式略大，空隙也較大。目前藥廠常用的w型往復式真空泵即屬干式低真空機械，其抽氣速率60770m3/h，真空度1.33kpa(絕對壓力)。往復式真空泵不宜抽除腐蝕性氣體和含有懸浮顆粒的氣體。 第五節(jié) 真空泵 二、旋轉(zhuǎn)式真空泵 1旋片式真空泵 旋片式真空泵屬于旋轉(zhuǎn)式真空泵的一種，如圖3-9示，其主要部件是一個旋轉(zhuǎn)的偏心輪（轉(zhuǎn)子）和用彈簧壓緊的活板（旋片）。活板將泵殼與轉(zhuǎn)子間的空隙分為吸氣工作腔和排氣工作腔兩部分。轉(zhuǎn)子按箭頭方向高速旋轉(zhuǎn)時，活板在彈簧的壓力及自身離心力的作用下，緊貼泵體內(nèi)壁滑動，吸氣工作腔容積不斷擴大

22、，被抽氣體通過吸氣口進入吸氣工作腔。與此同時，排氣工作腔容積逐漸減小，氣體逐漸被壓縮，壓力升高，且升高到一定程度時，排氣閥打開，氣體穿過油液從泵排氣口排出。轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周，有兩次吸氣、排氣過程，使封閉于泵腔的氣體體積周期性變化而完成吸、排氣工作循環(huán)。為密封各部件的間隙及使各部件得到潤滑，旋片泵的活動部分均浸沒于真空泵油內(nèi)。 第五節(jié) 真空泵 旋片式真空泵具有使用方便，結(jié)構(gòu)簡單、工作壓力范圍寬，可在大氣壓下直接啟動等優(yōu)點。適于抽除干燥或含有少量可凝性蒸氣的氣體。由于該泵抽氣量小，通常只用于制劑室、小型制藥設(shè)備。注意在真空泵和真空系統(tǒng)之間要有氣體凈化裝置，防止腐蝕性氣體或蒸汽進入真空系統(tǒng)，同時在運轉(zhuǎn)時要及時檢查和更換真空泵油。第五節(jié) 真空泵 圖3-9旋片式真空泵1-排氣口；2-排氣閥片；3-吸氣口；4-吸器管；5-排氣管；6-轉(zhuǎn)子；7-旋片；8-彈簧；9-泵體圖3-10水環(huán)真空泵1-外殼；2-葉片；3-水環(huán)；4-吸入口；5-排出口第五節(jié) 真空泵 2水環(huán)真空泵 水環(huán)真空泵屬于旋轉(zhuǎn)式真空泵，如圖3-10所示。水環(huán)真空泵的外殼為圓形，殼內(nèi)有一偏心安裝的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子上有葉片。泵內(nèi)裝有一定量的水，當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時形成水環(huán)，故稱為水環(huán)真空泵。由于轉(zhuǎn)子偏心安裝而使葉片之間形成許多大小不等的