氣體輸送機(jī)械

氣體輸送的特點(diǎn)

（ 1 ） 氣體密度小 （約為液體密度的 1/1000 左右），對(duì)一定的質(zhì)量流量， 體積流量很大 ， 氣體輸送管路中的流速要比液體輸送管路的流速大得多。 液體在管道中的經(jīng)濟(jì)流速為 1 ～ 3 m/s ：而氣體為 15 ～ 25 m/s ，約為液體的 10 倍。若利用各自經(jīng)濟(jì)流速輸送同樣的質(zhì)量流量，經(jīng)相同管長(zhǎng)后氣體的阻力損失約為液體阻力損失的 10 倍。

（ 2 ）氣體因具有可壓縮性，故在輸送機(jī)械內(nèi)部氣體壓強(qiáng)發(fā)生變化的同時(shí)， 體積和溫度也將隨之發(fā)生變化， 這些變化對(duì)氣體輸送機(jī)械的結(jié)構(gòu)、形狀有很大影響。對(duì)潤(rùn)滑油的工作有影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞機(jī)械；另外單機(jī)壓縮比不能太大，否則要增大冷卻裝置。

氣體輸送機(jī)械的分類

（ 1 ）根據(jù)它所能產(chǎn)生的 進(jìn)、出口壓強(qiáng)差 （如進(jìn)口壓強(qiáng)為大氣壓，則壓差即為表壓計(jì)的出口壓強(qiáng)）或 壓強(qiáng)比（稱為壓縮比 ）

a 、通風(fēng)機(jī)：出口壓強(qiáng)（表壓）不大于 ￡ 15 kPa ，壓縮比為 1 ～ 1.15 ；

b 、鼓風(fēng)機(jī)：出口壓強(qiáng)（表壓）為 15 ～ 300 kPa ，壓縮比 ≤ 4 ；

c 、壓縮機(jī)：出口壓強(qiáng)（表壓）為 300 kPa 以上，壓縮比 >4 ；

d 、真空泵：用于減壓，出口壓強(qiáng)（表壓）為 0.1MPa （大氣壓），主要使容器或設(shè)備內(nèi)造成真空（將其中氣體抽出），其壓縮比由真空度決定。

（ 2 ）根據(jù)工作原理：

a 、離心式：如通風(fēng)機(jī)；

b 、正位移式：如Y型往復(fù)壓縮機(jī)；

c 、真空泵。

（ 3 ）根據(jù)應(yīng)用：

• 輸送氣體：流量大，壓頭小（如通風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)）；

b 、產(chǎn)生高壓氣體：如合成氨、甲醇反應(yīng)（如壓縮機(jī)，分離心式和往復(fù)式）；

c 、產(chǎn)生真空：吸入負(fù)壓，常壓排出（如真空泵）

5.2 離心式通風(fēng)機(jī)

圖2-22離心通風(fēng)機(jī)

1 、工作原理

離心式通風(fēng)機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中常用于輸送氣體，其工作原理與離心泵完全相同，即依靠葉輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生離心力以提高氣體的壓力。

2 、構(gòu)造

與離心泵也大同小異，但蝸殼形機(jī)殼內(nèi)逐漸擴(kuò)大的氣體通道及出口的截面有方形（矩形）和圓形兩種。一般中、低壓通風(fēng)機(jī)多是方形，高壓為圓形。與離心泵相比，離心式通風(fēng)機(jī)的葉輪直徑比較大（為適應(yīng)輸送量大和壓頭高的要求），葉輪上葉片數(shù)目比較多而且長(zhǎng)度較短，葉片有平直（低壓風(fēng)機(jī)）、后彎或前彎葉片（中、高壓風(fēng)機(jī)）。通風(fēng)機(jī)的葉片形狀并不一定是后彎的，為產(chǎn)生較高壓頭也有徑向或前彎葉片。前彎葉片可使結(jié)構(gòu)緊湊，但效率低，功率曲線陡升，易造成原動(dòng)機(jī)過載。因此，所有高效風(fēng)機(jī)則都是后彎葉片。

3 、離心式通風(fēng)機(jī)的主要性能參數(shù)與特性曲線：

離心式通風(fēng)機(jī)的主要性能參數(shù)和離心泵相似，主要包括流量（風(fēng)量）、全壓（風(fēng)壓）、功率和效率。

（ 1 ）風(fēng)量：?jiǎn)挝粫r(shí)間通過進(jìn)風(fēng)口的氣體體積流量。注意氣體的體積按進(jìn)口狀況計(jì)。

（ 2 ） 全壓（又稱風(fēng)壓） p_T ：?jiǎn)挝惑w積氣體所獲得的機(jī)械能。 其因次為 [M L_-1 T _-2 ] ， SI 單位為 N/m² ，與壓強(qiáng)相同。此參數(shù)相當(dāng)于離心泵的揚(yáng)程。根據(jù)所產(chǎn)生的全壓大小，離心式通風(fēng)機(jī)又可分為低壓（ p_T ≤ 1 k Pa ）、中壓（ p_T = 1~3 k Pa ）、高壓（ p_T = 3~15 k Pa ）離心式通風(fēng)機(jī)。

通風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓與氣體密度成正比。以單位體積（ 1m³ ）氣體為計(jì)算基準(zhǔn)，對(duì)通風(fēng)機(jī)進(jìn)、出口截面（分別以下標(biāo) 1 、 2 表示）作機(jī)械能衡算，可得通風(fēng)機(jī)的全壓：（ 2-26）

因式中 （Z₂ - Z₁）ρg 可以忽略，當(dāng)空氣直接由大氣進(jìn)入通風(fēng)機(jī)時(shí)， u₁ 也可以忽略，則上式簡(jiǎn)化為：

（ 2-27）

通風(fēng)機(jī)的壓頭由兩部分組成：壓差（ p₂ - p₁ ）為風(fēng)機(jī)提供的靜壓頭，習(xí)慣上稱為 靜風(fēng)壓 p_s ；而 ρu₂² / 2 稱為 動(dòng)風(fēng)壓 p_K 。對(duì)離心泵而言，揚(yáng)程主要來自于泵出口和泵入口之間的壓強(qiáng)差，其他項(xiàng)所占分量都很小，泵進(jìn)、出口處的動(dòng)能差很小，可以忽略。但對(duì)通風(fēng)機(jī)，靜壓能這一項(xiàng)并不是很大，而氣體出口速度很大，故出口氣體的動(dòng)能卻不能忽略。因此，與離心泵相比，通風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)多了一個(gè)動(dòng)風(fēng)壓 p_K 。

通風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓與氣體密度成正比（而離心泵的揚(yáng)程不隨流體的密度變化）。而通風(fēng)機(jī)性能表上所列風(fēng)壓，一般是在試驗(yàn)介質(zhì)為壓強(qiáng)為 0.1 M Pa 、溫度為 20 ° C 的空氣（ ρ' = 1.205 kg/m³ ）測(cè)定的。因此，在選用通風(fēng)機(jī)，如所輸送氣體的密度與試驗(yàn)介質(zhì)相差較大，應(yīng)先將實(shí)際所需全壓 p_T 換算成試驗(yàn)狀況下的全壓 p_T ' ，然后根據(jù)產(chǎn)品樣本中的數(shù)據(jù)確定風(fēng)機(jī)的型號(hào)。由全壓公式可知，全壓換算可按下式進(jìn)行：

（ 2-28）

（ 3 ）離心式通風(fēng)機(jī)的軸功率為：

（ 2-29）

圖2-23離心通風(fēng)機(jī)的特性曲線

η 為全壓效率（因按全風(fēng)壓定出）。 P_T 與 q_v 應(yīng)為同一狀態(tài)下的數(shù)值。離心式通風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)流量下的 η 約 70~90 % 。

（ 4 ）離心通風(fēng)機(jī)的特性曲線：

四條： p_T ~ q_V 、 p_s ~ q_V 、 P_a ~ q_V 和 η ~ q_V 。

5.3 往復(fù)式壓縮機(jī)

1 、結(jié)構(gòu)與工作原理

與往復(fù)泵相似。但因?yàn)闅怏w的密度小、可壓縮。故壓縮機(jī)的吸入和排除活門必須更加靈巧精密；為移除壓縮放出的熱量以降低氣體的溫度，必須附冷卻裝置。

圖2-24往復(fù)泵壓縮機(jī)的工作過程

2 、工作過程

右圖為單作用往復(fù)式壓縮機(jī)的工作過程。

當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)至氣缸的最左端（圖中 A 點(diǎn)），壓出行程結(jié)束。但因?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)上的原因，雖則活塞已達(dá)行程的最左端，氣缸左側(cè)還有一些容積，稱為 余隙容積 。 由于余隙的存在，吸入行程開始階段為余隙內(nèi)壓強(qiáng)為 p₂ 的高壓氣體膨脹過程，直至氣壓降至吸入氣壓 p₁ （圖中 B 點(diǎn)）吸入活門才開啟，壓強(qiáng)為 p₁ 的氣體被吸入缸內(nèi)。在整個(gè)吸氣過程中，壓強(qiáng) p₁ 基本保持不變，直至活塞移至最右端（圖中 C 點(diǎn)），吸入行程結(jié)束。當(dāng)壓縮行程開始，吸入活門關(guān)閉，缸內(nèi)氣體被壓縮。當(dāng)缸內(nèi)氣體的壓強(qiáng)增大至稍高于 p₂ （圖中 D 點(diǎn)），排出活門開啟，氣體從缸體排出，直至活塞移至最左端，排出過程結(jié)束。

壓縮機(jī)的一個(gè)工作循環(huán)是由膨脹、吸入、壓縮和排出四個(gè)階段組成 。 四邊形 ABCD 所包圍的面積，為活塞在一個(gè)工作循環(huán)中對(duì)氣體所做的功。

3 、過程分析：

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 ）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(shí)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 。如不考慮余隙的影響，則多變壓縮后的氣體溫度 T₂ 和一個(gè)工作循環(huán)所消耗的外功 W 分別為：

和 （ 2-30）

式中 k 稱為多變指數(shù)，為一實(shí)驗(yàn)常數(shù)； V_C 為吸入容積。

上式說明，影響排氣溫度 T₂ 和壓縮功 W 的主要因素是：

（ 1 ）壓縮比愈大， T₂ 和 W 也愈大；

（ 2 ）壓縮功 W 與吸入氣體量（即式中的 p₁ V_C ）成正比；

（ 3 ）多變指數(shù) k 愈大則 T ₂ 和 W 也愈大。壓縮過程的換熱情況影響 k 值，熱量及時(shí)全部移除，則為等溫過程，相當(dāng)于 k=1 ；完全沒有熱交換，則為絕熱過程， k = γ （氣體絕熱指數(shù)）；部分換熱則 1 < k < γ。值得注意的是 γ大的氣體 k 也較大?？諝?、氫氣等 γ= 1.4 ，而石油氣則 γ = 1.2 左右，因此在石油氣壓縮機(jī)用空氣試車或用氮?dú)庵脫Q石油氣時(shí)，必須注意超負(fù)荷及超溫問題。

壓縮機(jī)在工作時(shí)，余隙內(nèi)氣體無益地進(jìn)行著壓縮膨脹循環(huán)，且使吸入氣量減少。余隙的這一影響在壓縮比 p₂ /p₁ 大時(shí)更為顯著。當(dāng)壓縮比增大至某一極限值時(shí)，活塞掃過的全部容積恰好使余隙內(nèi)的氣體由 p₂ 膨脹至 p₁ ，此時(shí)壓縮機(jī)已不能吸入氣體，即流量為零。這是壓縮機(jī)的極限壓縮比。此外，壓縮比增高，氣體溫升很高，甚至可能導(dǎo)致潤(rùn)滑油變質(zhì)，機(jī)件損壞。因此，當(dāng)生產(chǎn)過程的壓縮比大于 8 時(shí)，盡管離壓縮極限尚遠(yuǎn)，也應(yīng)采用多級(jí)壓縮。

下圖為兩級(jí)壓縮機(jī)示意圖。在**級(jí)中氣體沿多變線 ab 被壓縮至中間壓強(qiáng) p ，以后進(jìn)入中間冷卻器等壓冷卻到原始溫度，體積縮小，圖中以 bc 線表示。在第二級(jí)壓縮中，從中間壓強(qiáng)開始，圖中以 cd 線表示。這樣，由一級(jí)壓縮變?yōu)閮杉?jí)壓縮后，其總的壓縮過程較接近于等溫壓縮，所節(jié)省的功為陰影面積 bcdd' 所代表。

圖2-25兩級(jí)壓縮機(jī)

在多級(jí)壓縮中，每級(jí)壓縮比減小，余隙的不良影響減弱。

往復(fù)壓縮機(jī)的產(chǎn)品有多種，除空氣壓縮機(jī)外，還有氨氣壓縮機(jī)、氫氣壓縮機(jī)、石油氣壓縮機(jī)等，以適應(yīng)各種特殊需要。

往復(fù)式壓縮機(jī)的選用主要依據(jù)生產(chǎn)能力和排出壓強(qiáng)（或壓縮比）兩個(gè)指標(biāo)。生產(chǎn)能力用 m³ /min 表示，以吸入常壓空氣來測(cè)定。在實(shí)際選用時(shí)，首先根據(jù)所輸送氣體的特殊性質(zhì)，決定壓縮機(jī)的類型，然后再根據(jù)生產(chǎn)能力和排出壓強(qiáng)，從產(chǎn)品樣本中選用適用的壓縮機(jī)。

與往復(fù)泵一樣，往復(fù)式壓縮機(jī)的排氣量也是脈動(dòng)的。為使管路內(nèi)流量穩(wěn)定，壓縮機(jī)出口應(yīng)連接氣柜。氣柜兼起沉降器作用，氣體中夾帶的油沫和水沫在氣柜中沉降，定期排放。為安全起見，氣柜要安裝壓力表和安全閥。壓縮機(jī)的吸入口需裝過濾器，以免吸入灰塵雜物，造成機(jī)件的磨損。