通风机、鼓风机、压缩机和真空泵原理
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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。
(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) p2V2 Biblioteka Baidu2
P1
4
5 V2 V1
(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
qV qV
轴功率:P P
1.2
注意:按 HT 和 qV ′,从样本中选择风机
③ 计算风机效率,使其在高效区工作。
2.6.2 鼓风机
类型:离心式、罗茨式 (1)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
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: (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)。
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。
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 1 z1 g p1 1u1 We 2 z2 g p2 2u p f 2 2
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: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: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。
说明:
后级出口气体绝压 p2 压缩比 前级出口气体绝压 p1
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 1kg 扬程,m
气体
1m3
风压,N/m2
② 气体压缩时,产生热效应,需设冷却装置。
2.6.1 离心式通风机
型式: 离心式——多用于气体输送;
◆ 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 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。
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
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
1 6
吸气:
p1 (0 V1 ) p1V1
0
V
无余隙压缩循环
整个循环活塞对气体所作的功:
Ws pdV p2V2 p1V1
V1
V2
Ws Vdp
p1
p2
等温压缩循环:
P2
3
2
p1V1 piVi k const
P1
4
1
5
6 V
1
Ws
p2
p1
k dp p
P2
3
2
2'
p2 T2 T1 p 1
r 1 r
P1
4 5 V2 V1
1 6 V
0
无余隙压缩循环
多变压缩循环:
k 1 k k p2 1 Ws p1V1 p 1 k 1
k——多变指数,1~ r
0
V
2
V
无余隙压缩循环
p2 p2 Ws k ln p1V1 ln p1 p1
绝热压缩循环:
p1V1r p2V2r pV r
r 1 r r p2 1 Ws p1V1 p 1 r 1
r ——绝热指数
出口温度:
纳西泵
吸入口
1
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 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。
(b)滑片真空泵
1-吸入口; 2-排除口
③ 喷射泵 原理:利用流体流动时,静压能与动压能相互转换的原理来吸送 流体的它可用于吸送气体,也可吸送液体 。 工作流体: 蒸气(蒸气喷射泵)、水(水喷射泵)或其它流体。
P
1 p 2 k 1 0 1 p 1
P2
3
2
讨论:
◇ 压缩比一定时,ε↑,λ0↓
P1
4
1
p2 ◇ 余隙系数一定, ↑ λ0 ↓ p1 p2 λ0 =0, 压缩极限 p1
0 V3 V4 V2 V1
V
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。
③ 有余隙压缩循环
余隙体积:V3
V3 余隙系数: V V 1 3
P
大、中型压缩机的低压气缸ε< 8%
P2
3
2
高压气缸ε≈12%
新鲜气体:V1-V4
P1 4 1
V1 V4 容积系数: 0 V1 V3
0
无余隙时:
0 1
0
V3
V4
V2
V1
V
有余隙压缩循环
多变压缩过程:
(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
pi , n pi ,( n 1)
n
p2 p1
最小轴功:
Ws ,min
k 1 nk p2 nk p1V1 1 p k 1 1
④ 主要性能参数 (a)排气量(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
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
(2)真空泵的主要性能参数 ① 极限真空度或残余压力:真空泵所能达到的最高真空度; 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;
② 工作原理 同齿轮泵
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85º C。
2.6.3 压缩机
类型:离心式、往复式 (1) 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,高转数 (一般在5000rpm以上)。
风机特性曲线由厂家提供,列于风机样本中。 标定条件:
1atm、 0 C的空气( 1.2kg / m3 ) 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 ,
1.2 风压:H T H T
实际排气量: qV ,min d qV ,min
d 排气系数,其值约为( .8 ~ 0.9)0 0
(b) 轴功率 若以多变过程为例,压缩机的理论轴功率为:
PT p1qV min p2 k [( ) k 1 p1
k 1 k
1 1] 60 1000
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: (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;
出口温度:
p2 T2 T1 p 1
k 1 k
影响压缩所需轴功Ws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: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。
2 1
3
4
1-工作蒸气;2-扩大管;3-压出口 4-混合室;5-气体吸入口
5
单级蒸气喷射泵
优点:构造简单,制造容易,可用各种耐腐材料制成,不需传动 设备。
缺点:产生的压头小,效率低而外,其所输送的流体还与工作流
体混合,口而使其应用范围受到限制。 用途:一般多用作抽真空,而不作输送用。蒸气喷射泵也常用于 小型锅炉的注水操作。
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
① 结构:
主要部件:叶轮、蜗壳;
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
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
J /m
3
2 2 HT ( p2 p1 ) (u2 u1 ) H p H k 2
静风压
动风压
③ 效率
Pe P
Pe
H T qV (kW ) ④ 轴功率 P 1000
P
⑤ 离心通风机特性曲线
说明:HT 与 流体密度ρ 有关 H T We Hg H T
(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:
P
P
PT
⑤ 多级压缩
一般地,压缩比> 8时,应采用多级压缩.
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
2.6 通风机、鼓风机、压缩机和真空泵
属于气体输送设备。
(1) 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
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。
(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) p2V2 Biblioteka Baidu2
P1
4
5 V2 V1
(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
qV qV
轴功率:P P
1.2
注意:按 HT 和 qV ′,从样本中选择风机
③ 计算风机效率,使其在高效区工作。
2.6.2 鼓风机
类型:离心式、罗茨式 (1)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
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: (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)。
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。
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 1 z1 g p1 1u1 We 2 z2 g p2 2u p f 2 2
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: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: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。
说明:
后级出口气体绝压 p2 压缩比 前级出口气体绝压 p1
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 1kg 扬程,m
气体
1m3
风压,N/m2
② 气体压缩时,产生热效应,需设冷却装置。
2.6.1 离心式通风机
型式: 离心式——多用于气体输送;
◆ 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 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。
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
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
1 6
吸气:
p1 (0 V1 ) p1V1
0
V
无余隙压缩循环
整个循环活塞对气体所作的功:
Ws pdV p2V2 p1V1
V1
V2
Ws Vdp
p1
p2
等温压缩循环:
P2
3
2
p1V1 piVi k const
P1
4
1
5
6 V
1
Ws
p2
p1
k dp p
P2
3
2
2'
p2 T2 T1 p 1
r 1 r
P1
4 5 V2 V1
1 6 V
0
无余隙压缩循环
多变压缩循环:
k 1 k k p2 1 Ws p1V1 p 1 k 1
k——多变指数,1~ r
0
V
2
V
无余隙压缩循环
p2 p2 Ws k ln p1V1 ln p1 p1
绝热压缩循环:
p1V1r p2V2r pV r
r 1 r r p2 1 Ws p1V1 p 1 r 1
r ——绝热指数
出口温度:
纳西泵
吸入口
1
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 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。
(b)滑片真空泵
1-吸入口; 2-排除口
③ 喷射泵 原理:利用流体流动时,静压能与动压能相互转换的原理来吸送 流体的它可用于吸送气体,也可吸送液体 。 工作流体: 蒸气(蒸气喷射泵)、水(水喷射泵)或其它流体。
P
1 p 2 k 1 0 1 p 1
P2
3
2
讨论:
◇ 压缩比一定时,ε↑,λ0↓
P1
4
1
p2 ◇ 余隙系数一定, ↑ λ0 ↓ p1 p2 λ0 =0, 压缩极限 p1
0 V3 V4 V2 V1
V
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。
③ 有余隙压缩循环
余隙体积:V3
V3 余隙系数: V V 1 3
P
大、中型压缩机的低压气缸ε< 8%
P2
3
2
高压气缸ε≈12%
新鲜气体:V1-V4
P1 4 1
V1 V4 容积系数: 0 V1 V3
0
无余隙时:
0 1
0
V3
V4
V2
V1
V
有余隙压缩循环
多变压缩过程:
(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
pi , n pi ,( n 1)
n
p2 p1
最小轴功:
Ws ,min
k 1 nk p2 nk p1V1 1 p k 1 1
④ 主要性能参数 (a)排气量(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
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
(2)真空泵的主要性能参数 ① 极限真空度或残余压力:真空泵所能达到的最高真空度; 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;
② 工作原理 同齿轮泵
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85º C。
2.6.3 压缩机
类型:离心式、往复式 (1) 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,高转数 (一般在5000rpm以上)。
风机特性曲线由厂家提供,列于风机样本中。 标定条件:
1atm、 0 C的空气( 1.2kg / m3 ) 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 ,
1.2 风压:H T H T
实际排气量: qV ,min d qV ,min
d 排气系数,其值约为( .8 ~ 0.9)0 0
(b) 轴功率 若以多变过程为例,压缩机的理论轴功率为:
PT p1qV min p2 k [( ) k 1 p1
k 1 k
1 1] 60 1000
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: (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;
出口温度:
p2 T2 T1 p 1
k 1 k
影响压缩所需轴功Ws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: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。
2 1
3
4
1-工作蒸气;2-扩大管;3-压出口 4-混合室;5-气体吸入口
5
单级蒸气喷射泵
优点:构造简单,制造容易,可用各种耐腐材料制成,不需传动 设备。
缺点:产生的压头小,效率低而外,其所输送的流体还与工作流
体混合,口而使其应用范围受到限制。 用途:一般多用作抽真空,而不作输送用。蒸气喷射泵也常用于 小型锅炉的注水操作。
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
① 结构:
主要部件:叶轮、蜗壳;
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
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
J /m
3
2 2 HT ( p2 p1 ) (u2 u1 ) H p H k 2
静风压
动风压
③ 效率
Pe P
Pe
H T qV (kW ) ④ 轴功率 P 1000
P
⑤ 离心通风机特性曲线
说明:HT 与 流体密度ρ 有关 H T We Hg H T
(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:
P
P
PT
⑤ 多级压缩
一般地,压缩比> 8时,应采用多级压缩.
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
2.6 通风机、鼓风机、压缩机和真空泵
属于气体输送设备。
(1) 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