化工原理 第二章 气体输送机械

2022/4/25第二章流体输送机械第三节气体输送设备一、概述二、离心式通风机三、鼓风机和压缩机四、真空泵2022/4/25一、概述1、气体输送机械在工业生产中的应用①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，需要的动力往往相当大。2022/4/25②产生高压气体：化学工业中一些化学反应过程需要在高压下进行，如合成氨反应，乙烯的本体聚合；一些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。③生产真空：相当多的单元操作是在低于常压的情况下进行，这时就需要真空泵从设备中抽出气体以产生真空。2022/4/252、气体输送机械的一般特点①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比液体要大得多，前者的经济流速（15~25m/s）约为后者（1~3m/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失约为液体的10倍。因而气体输送机械的动力消耗往往很大。2022/4/25②气体输送机械体积一般都很庞大，对出口压力高的机械更是如此。③由于气体的可压缩性，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。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。2022/4/253、气体输送机械的分类气体输送机械按出口压力（终压）和压缩比不同分为如下几类：①通风机：终压（表压，下同）不大于15kPa（约1500mmH2O）,压缩比1至1.15；②鼓风机：终压15~300kPa，压缩比小于4；③压缩机：终压在300kPa以上，压缩比大于4；④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。2022/4/25二、离心式通风机1、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，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：①为适应输送风量大的要求，通风机的叶轮直径一般是比较大的。②叶轮上叶片的数目比较多。2022/4/25③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。（离心泵的叶片通常为后弯）④机壳内逐渐扩大的通道及出口截面常不为圆形而为矩形。2022/4/25离心通风机的蜗装壳体气体出口气体入口蜗装外壳2022/4/25离心通风机实物图2022/4/25多翼式叶轮2022/4/25多翼式离心通风机实物图2022/4/25涡轮式叶轮2022/4/25涡轮式离心通风机实物图2022/4/25离心通风机实物图2022/4/252、离心式通风机的性能参数和特性曲线（1）流量（风量)【定义】按入口状态计的单位时间内流过风机进口的气体体积。以qv表示，单位为m3/s，m3/min或m3/h。【说明】由于通风机内的气体压力变化不大，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的气体体积。2022/4/25【流量的换算】通风机铭牌或手册中所列的流量是在空气的密度为1.2kg/m3（20℃、101.3kPa）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：00vvqq式中qv0—标准条件下的流量；ρ—操作条件下气体的密度；ρ0—标准条件下气体的密度，1.2kg/m3。2022/4/25（2）风压【定义】单位体积气体流经通风机后所获得的机械能。分为三种类型：（1）全风压；（2）静风压；（3）动风压。①全风压【定义】单位体积气体流经通风机后所获得的总机械能。以pt表示，单位为Pa。2022/4/25【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：guugppHss2212212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。2022/4/25上式各项分别乘以ρg，则：)22()(212212uuppgHpsst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。②静风压（pst）【定义】气体流经通风机后的静压差。以pst表示，单位为Pa。12sstsppp2022/4/252211upd③动风压（pd）2222upd【定义】气体流经通风机后的动压差。以pd表示，单位为Pa。222122uupd进口动压：出口动压：动风压：2022/4/25【两点说明】①通风机的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。②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。dsttppp2022/4/25③通风机性能表上的全风压是在标准条件下（温度TӨ=293K，压力pӨ=101325Pa）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ρ与标准条件的空气密度ρ0＝1.2kg/m3不同，在选用通风机之前，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：2.10ttpp2022/4/25（3）功率与效率①有效功率（Pe）单位时间内通风机对气体提供的能量。Pe＝ptqv②轴功率（P）单位时间内电动机传给传动轴的能量。③效率（η）有效功率与轴功率之比。PPe2022/4/25（4）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1atm、20℃的条件用空气测定，主要有四条曲线：①全风压－流量曲线pt～qv；②静风压－流量曲线pst～qv；③轴功率－流量曲线P～qv；④效率－流量曲线η～qv。2022/4/25ηqvptpstP离心通风机特性曲线2022/4/253、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；（2）确定所求的风（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：2.100ttpp（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。2022/4/25三、鼓风机在工厂中常用的鼓风机有旋转式和离心式两种类型。1、离心式鼓风机离心式鼓风机又称涡轮鼓风机（turboblower）、透平鼓风机（turbineblower），其工作原理与离心通风机相同，其结构与离心泵类似。主要由蜗形外壳与叶轮组成。（1）离心式鼓风机的构造2022/4/25离心式鼓风机实物图2022/4/25（2）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。首先得到动能，其中一部分在蜗装壳体内转换成静压能。2022/4/25（3）离心式鼓风机的特点①离心式鼓风机的蜗壳形通道亦为圆形；但外壳直径与厚度之比较大；②叶轮上叶片数目较多；③转速较高；④叶轮外周都装有导轮。⑤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级的。其风压可达0.3MPa。2022/4/25离心鼓风机实物图2022/4/25离心鼓风机内部结构2022/4/252、罗茨鼓风机（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①机壳；②转子（渐开摆线形）2022/4/25罗茨鼓风机的内部结构机壳转子2022/4/25（2）罗茨鼓风机的工作原理气体入口气体出口高压区低压区2022/4/25罗茨鼓风机实物图2022/4/25【三叶罗茨鼓风机】【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】三叶型罗茨鼓风机比传统的二叶型罗茨鼓风机节能10～23%，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。2022/4/25三叶罗茨鼓风机结构示意图2022/4/25三叶罗茨鼓风机转子2022/4/25（2）罗茨鼓风机的特点①属于正位移型的罗茨风机风量与转速成正比，与出口压强无关。该风机的风量范围可自2～500m3/min，出口表压可达80kPa，在40kPa左右效率最高。②该风机出口应装稳压罐，并设安全阀。流量调节采用旁路，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。2022/4/25稳压罐2022/4/25稳压罐2022/4/25四、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【转子】主轴、多（单）级叶轮、轴套及平衡元件；【定子】气缸和隔板。2022/4/25单级离心压缩机内部结构2022/4/25单级离心压缩机叶轮2022/4/25单级离心压缩机实物图2022/4/25（2）离心式压缩机的工作原理①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。②气体在扩压器内降速、增压。③经扩压器减速、增压后气体进入弯道，使流向反转180度后进入回流器，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。2022/4/25多级离心式压缩机结构示意图2022/4/25气体进口多级叶轮弯道扩压器回流器气体出口2022/4/25多级离心式压缩机的叶轮2022/4/25离心式压缩机整体结构图2022/4/25多级离心式压缩机实物图2022/4/252022/4/25（3）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：①体积和重量都很小而流量很大；②供气均匀；运转平稳；③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。2022/4/252、往复式压缩机（1）往复式压缩机的构造电动机飞轮、曲轴连杆活塞气缸排出口吸入口皮带2022/4/25（2）往复式压缩机的工作原理由于气缸内活塞的往复运动，使气体完成吸入、压缩和排出工作循环。2022/4/25电动机稳压罐气体入口气缸排气管气体出口管单缸往复压缩机实物图2022/4/25双缸往复压缩机2022/4/25双缸往复压缩机结构图2022/4/25三缸往复压缩机实物图2022/4/25带发动机的往复压缩机实物图汽油发动机油箱2022/4/252022/4/25（3）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。①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；2022/4/25当活塞由右向左运动时，气缸内气体体积下降而压力上升。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。②压缩阶段2022/4/25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C点表示。③排气阶段2022/4/25活塞从最左端退回，缸内压力立刻由p2降到p1，状况达到D。此时排气阀受压关闭，吸气阀受压打开，气缸又开始吸入气体，体积增大，压力不变，因此为恒压吸气阶段，直到A点为止。④吸气阶段2022/4/25（4）往复式压缩机的特点①往复式压缩机的基本构造和工作原理与往复泵相似；②因为气体的密度小、可压缩，故压缩机的吸入和排出阀门必须更加灵巧精密；③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。2022/4/25（2）