通风机、压缩机、鼓风机和真空泵原理

P1
4 5 V2 V1
1 6 V
0
无余隙压缩循环
多变压缩循环： 多变压缩循环：
k −1 k k p 2 − 1 Ws = p1V1 p 1 k −1
k——多变指数，1~ r
出口温度： 出口温度：
p2 T2 = T1 p 1
（e）压缩气体的种类：空气压缩机、氨气压缩机、石油气压缩机等； （f）气缸在空间的位置:立式（气缸垂直放置）； 卧式（气缸水平放置）； 角式（气缸互相配置成V型、W型、L型）。 ⑦ 选用与操作 a）选定压缩机的种类 。 依据：所处理的气体 b）选定结构形式。 依据：操作环境 c） 定出压缩机的规格。 依据：生产中所要求的排气量与排气压力
PT = p1qV min p2 k [( ) k − 1 p1
k −1 k
1 − 1] × 60 × 1000
式中: 式中 PT — 按多变压缩考虑的压缩机的轴功率，kw； qVmin — 压缩机的排气量，m3／min。 实际所需的轴功率 > 理论轴功率大 原因： 原因： (1)实际吸气量比实际排气量大，凡吸入的气体都经过压缩，多消 耗了能量； (2) 气体在气缸内脉动及通过阀门等的流动阻力，也要消耗能量； (3) 压缩机的运动部件的摩擦，还要消耗能量。 所以压缩机的轴功率为: 所以压缩机的轴功率为
k −1 k
影响压缩所需轴功W 的主要因素： 影响压缩所需轴功 s和排气温度 T2 的主要因素： （1）压缩比p1/p2愈大，Ws和T2也愈大； （2）压缩所需的轴功Ws与吸入气体量（V1一V4）成正比； （3）多变指数k愈大，则Ws和T2也愈大。 注意： 注意：对于石油气压缩机用空气试车或用氮气置换石油气时， 务须注意超负荷和超温的问题。
V1
V
有余隙压缩循环
多变压缩过程： 多变压缩过程：
P
1 p 2 k − 1 λ 0 = 1 − ε p 1
P2
3
2
讨论： 讨论： ◇ 压缩比一定时,ε↑，λ0↓ ◇ 余隙系数一定，
P1 4 1
p2 ↑ λ0 ↓ p1
0 V3 V4 V2 V1 V
=n
p2 p1
最小轴功： 最小轴功：
Ws ,min
k −1 nk p 2 nk = p1V1 − 1 p k −1 1
说明： 说明：每级压缩比相等，每级所需轴功也相等。此时，所需总功 最小。
⑥ 压缩机的分类和构造 分类方法: 分类方法 （a） 吸、排气体方式：单动、复动 （b） 压缩级数： 单级（压缩比2～8）； 两级（压缩比8～50）； 多级（压缩比100～1000）。 （c） 终压 ： 低压（10.133×105Pa）； 中压（10.133~101.33×105Pa）； 高压（101.33~1013.3×105Pa）。 （d） 生产能力：小型（10m3／min以下）； 中型（10～30m3／min）； 大型（30m3／min以上）。
′ min （ 单缸双动泵： qV， = 2 AF − A f ）snr
实际吸气量 < 理论吸气量 由于泄露，实际排气量 < 实际吸气量 实际排气量
′ 实际排气量： 实际排气量： qV , min = λd qV , min
λd − 排气系数，其值约为（0.8 ~ 0.9）λ0
(b) 轴功率 若以多变过程为例，压缩机的理论轴功率为：
2 HT = ( p2 − p1) + (u2 −u12) = Hp + Hk 2
J /m
3
ρ
静风压
动风压
③ 效率
Pe η= P
Pe
H T qV (kW ) ④ 轴功率 P = = η η ×1000
P∝ρ
⑤ 离心通风机特性曲线
说明： 说明：HT 与 流体密度ρ有关 HT = ρWe = Hρg ⇒ H T ∝ ρ
（2）真空泵的主要性能参数 ） 极限真空度或残余压力： ① 极限真空度或残余压力：真空泵所能达到的最高真空度； 抽气速率： ② 抽气速率：单位时间内真空泵在残余压力和温度条件下所能 吸入的气体体积，即真空泵的生产能力，以m3／h或l/s计量。 （3）真空泵的型式 ） 化工厂中常用的几种有：往复真空泵、旋转真空泵、喷射泵。 ① 往复真空泵 ◆ 构造和作用原理虽与往复压缩机的基本相同； ◆ 吸入和排出阀门必须更加轻巧而灵活 ； ◆ 气缸左右两端之间设有平衡气道； ◆ 属于于式真空泵 。
② 工作原理 同齿轮泵 说明： 说明：①为正位移型，风量与转速成正比，而与出口压力无关 ； ② 流量采用旁路调节； ③ 出口阀不能完全关闭； ④ 操作温度不超过85ºC。
2.6.3 压缩机
类型： 类型：离心式、往复式 (1) 离心式压缩机 离心式压缩机（透平压缩机） 作用原理与离心鼓风机相同，为达到较高的出口压力，采用 多级数，大叶轮直径， 多级数，大叶轮直径，高转数 (一般在5000rpm以上)。
说明： 说明： ◆ 压缩比高，温升过高，故压缩机分为几段。 ◆ 段间设冷却器，各段温度大致相等 ◆ 叶轮直径逐段减小，叶轮宽度逐级略有减小 优点： 优点：与往复压缩机相比，离心压缩机具有机体体积较小，流 量大，供气均匀，运动平稳，易损部件少和维修较方便等。 缺点： 缺点：离心式压缩机的制造精度要求极高，否则，在高转速情 况下将会产生很大的噪音和振动。 注意： 注意：当离心式压缩机进气量减小到允许的最小值， 压缩机会发生喘振。因此，压缩机必须在比喘 振流量大5%~10%的范围内操作。
绝热压缩循环： 绝热压缩循环：
p1V1r = p2V2r = pV r
r −1 r r p 2 − 1 Ws = p1V1 p 1 r −1
r ——绝热指数
出口温度： 出口温度：
r −1 r
P2
3
2
2'
p2 T2 = T1 p 1
2.6.1 离心式通风机
型式： 型式： 离心式——多用于气体输送； 轴流式——一般用于通风换气。
(a) 离心式
(b) 轴流式
离心式和轴流式通风机示意图
(1) 离心式通风机结构及工作原理 结构： ① 结构： 主要部件：叶轮、蜗壳； 主要部件 叶片形式： 叶片形式 低压风机 ——叶片平直； 中、高压风机—— 叶片弯曲。 ② 工作原理 ：同离心泵
③ 有余隙压缩循环 余隙体积：V3
V3 余隙系数： 余隙系数： ε = V − V 1 3
P
大、中型压缩机的低压气缸ε< 8% 高压气缸ε≈12% 新鲜气体：V1-V4
P2
3
2
P1
4
1
V1 − V 4 容积系数： 容积系数： λ 0 = V1 − V 3
无余隙时：
λ =1 ε =0 0
0
V3
V4
V2
2.6 通风机、鼓风机、压缩机和真空泵 通风机、鼓风机、
属于气体输送设备。 (1) 分类： 分类： * 按结构分类 往复式 * 按出口压力分类 通风机：终压不大于1.471×104Pa (表压)，压缩比< 1.15； 鼓风机：终压不大于1.471~29.2×104Pa (表压) ，压缩比< 4； 压缩机：终压> 29.2×104Pa (表压) ，压缩比> 4； 真空泵：终压接近于0，压缩比由真空度决定； 从设备中抽出气体，使设备中产生负压。 离心式
p2 λ0 =0， 压缩极限 p1
有余隙压缩循环
◇ ε 一定，压缩机达到的最高压力是有限制的。
④ 主要性能参数 (a）排气量(生产能力或吸气量 ）排气量 生产能力或吸气量 生产能力或吸气量): 将压缩机在单位时间内排出 的气体体积换算成吸入状态下的数值。 无余隙时的理论吸气量：
′ min 单缸单动泵： qV， = AF snr
时只要叶轮采用耐腐蚀材料制造即可。 ◇ 泵内所注入的液体必须不与气体起化学反应。
P=
ηP
P T
⑤ 多级压缩 一般地，压缩比> 8时，应采用多级压缩. 原因： 原因： ◇ 存在压缩极限； ◇ 温度过高； ◇ 机械结构不合理。
2 5 8
4 1 3 6 7 9
1级
2级
3级
1，4，7-气缸；2，5-中间冷却器；8-出口气体冷却器；3，6，9-油水分离器
三级压缩机流程图
增加气缸——减小压缩比，减少余隙的影响； 中间冷却器——降低气体温度，降低压缩机功耗。 （a）多级压缩与单级压缩所需轴功的比较 ）
1－机壳 2－叶轮 3－吸入口 4－排除口
(2) 离心通风机的性能参数与特性曲线 ① 风量 qV ：以进气口体积流量计，m3/s、m3/h； ② 全风压 HT：单位体积的气体流过风机时所获得的能量，Pa； 风机内压力变化小，气体可视为不可压缩流体，对风机进、 出口截面作能量衡算：
1 2 1 2 ρ1z1g + p1 + ρ1u1 +W ρ = ρ2z2g + p2 + ρ2u +∑∆pf e 2 2
说明： 说明：
压 比= 缩 后 出 气 绝 级 口 体 压 p2 = 前 出 气 绝 级 口 体 压 p 1
风机主要用于：气体输送； 压缩机主要用于：压缩气体。
(3) 气、液体输送设备区别 ① 能量衡算基准不同， 液体 气体 1kg 1m3 扬程，m 风压，N/m2
② 气体压缩时，产生热效应，需设冷却装置。
2.6.4 真空泵
将气体由大气压以下的低压气体经过压缩而排向大气的设备， 实际上，也是一种压缩机。 （1）与一般压缩机的区别 ） ① 进气压力与排气压力之差最多也只是1.0133×105Pa，但随着 进气压力逐渐趋于真空，压缩比将要变得很高。 ② 随着真空度的提高，设备中的液体及其蒸气也将越来越容易 地与气体同时被抽吸进来，其结果是使可以达到的真空度下降。 ③ 因为所处理的气体的密度很小，所以气缸容积和功率对比就 要大一些。在一般的多级压缩中，是越到高压级气缸直径就越小， 但在多级真空泵中，则通常是做成同一尺寸的气缸。
三级压缩所需外功
分三级绝热压缩所需的轴功 < 一级绝热压缩所需轴功 常用的级数：2 ~ 6 级
（b） 多级压缩级间压力的确定 ） 若每级按无余隙循环可逆多变过程考虑，且各级气体入口温度 相同，经推导得：
pi ,1 p1
=
pi , 2 pi ,1
=
pi , 3 pi , 2
=L=
pi , n pi ,( wenku.baidu.com −1)
1.2 ′ 风压： T = HT H ρ′
′ qV = qV
轴功率： ′ = P P
ρ′
1.2
注意：按 HT 和 qV ′，从样本中选择风机 注意： ③ 计算风机效率，使其在高效区工作。
2.6.2 鼓风机
类型： 类型：离心式、罗茨式 （1）离心式鼓风机（透平鼓风机） ）离心式鼓风机（透平鼓风机） 主要结构和工作原理与离心通风机类似，为产生较高的风压， 采用多级。出口表压力一般不超过294×103Pa。 （2）罗茨鼓风机 ） ① 结构
风机特性曲线由厂家提供，列于风机样本中。 标定条件： 标定条件：
1atm 、 0 C 的空气 ( ρ = 1 .2 kg / m 3 ) 20
(3) 离心通风机的选用 ① 由流体性质，选择风机类型； ② 由管路所需风压、流量，确定具体型号； 例：输送400C空气，管路需要HT′ qV ′选型
′ HT → HT ,
(2) 往复式压缩机 ① 结构和工作原理 与往复泵相似 吸入和排出阀更加灵巧 ② 无余隙压缩循环
压缩：
−
∫
V2
pdV
P2 3 2
V1
排气：
p（V2 − 0） p 2V2 = 2
P1
4 5 V2 V1
1 6 V
吸气：
p1 (0 − V1 ) = − p1V1
0
无余隙压缩循环
整个循环活塞对气体所作的功：
② 旋转真空泵 （a）液环真空泵： 常用的有水环真空泵、纳西泵 水环真空泵
特点：属于湿式真空泵，最高真空度可达85％； 结构简单、紧凑、没有活门、经久耐用； 为了维护泵内液封以及冷却泵体，运转时常需要不断向 泵内充水。
纳西泵
吸入口
1
液环真空泵的特点： 液环真空泵的特点： ◇ 抽出的气体不与泵壳直接接触，因此，在抽吸腐蚀性气体
Ws = − ∫ pdV + p2V2 − p1V1
V1
V2
Ws = ∫ Vdp
p1
p2
等温压缩循环： 等温压缩循环：
P2
3
2
p1V1 = piVi = k = const
P1
4 5 V
2
1 6 V
1
Ws = ∫
p2
p1
k dp p
0
V
无余隙压缩循环
p2 p2 Ws = k ln = p1V1 ln p1 p1