气体输送机械的分类与压缩性分析

气体输送机械有许多与液体输送机械相似之处，但是气体具有压缩性，当压力变化时，其体积和温度将随之发生变化。气体压力变化程度常用压缩比表示。压缩比为气体排出与吸入压力（绝对压力）的比值。气体输送机械通常按出口压力或压缩比的大小分类如下。

（1）通风机（fan）。出口表压不大于15kPa，压缩比不大于1.15；

（2）鼓风机（blower）。出口表压为10～300kPa，压缩比为1.1～4；

（3）压缩机（compressor）。出口表压大于300kPa，压缩比大于2；

（4）真空泵（vacuum pump）。用于抽出设备内的气体，排到大气，使设备内产生真空，排出压力为大气压或略高于大气压力。

通风机与鼓风机之间、鼓风机与压缩机之间很难有统一的明确划分界限，这里给出的只是划分界限的大致范围。通风机的出口压力较低，气体的压缩性可忽略；而鼓风机和压缩机必须考虑气体的压缩性。

一、离心式通风机

常用的通风机有离心式和轴流式两种，轴流式通风机的送气量较大，但风压较低，常用于通风换气，而离心式通风机使用广泛。

离心式通风机的工作原理与基本结构如下：

离心式通风机的工作原理与离心泵相似。气体被吸入通风机后，流经旋转的叶轮过程中，在离心力的作用下，其静压和速度都有提高，当气体进入机壳内流道时，流速逐渐减慢而转变为静压，进一步提高了静压，因此气体流经通风机提高了机械能。

离心式通风机的机壳为蜗壳形，机壳内的气体流道有矩形与圆形两种。低、中压风机多用矩形，高压风机多为圆形流道。通风机一般为单级，根据叶轮上的叶片大小、形状，分为多翼式风机（multiblade fan）和涡轮式风机（turbo fan），如图3-27所示和图3-28所示。

图3-27 离心式通风机

多翼式离心风机，叶轮内、外径之比较大，叶片数目较多，约为36～64片前弯叶片。叶片的径向长度较短，其宽度较大，约为叶轮外径的1/2。这种风机尺寸较小，结构上只适用大风量、低风压及低转速。由于是低转速、低风压，其功率与噪声均较小，通常用于通风换气和空调设备上。

图3-28 单级涡轮式通风机

涡轮式离心风机叶轮上的叶片数目较少，约为12～24片较长的后弯叶片，与离心泵的叶片相似。这种风机的风压较高，有风量较小的小型风机，也有风量较大的大型风机，其性能稳定，效率较高，应用较广。

二、离心式通风机的性能参数与特性曲线

（一）性能参数

（1）流量（又称为风量）。是指单位时间内流过风机进口的气体体积，即体积流量，以qV表示，单位为m3/s、m3/min或m3/h。

通风机内的气体压力变化不大，一般可忽略气体的压缩性。所以，通风机的体积流量是指单位时间内流过通风机内任一处或管路的气体体积。

离心式通风机性能表上的风量是指空气在标定条件（20℃，101325Pa）下的数值，以qV0表示。若操作条件下的风量为qV、密度为ρ，则标定状况下的风量为

标定状况下空气密度ρ0=1.2kg/m3。

（2）风压。

①全风压。单位体积气体流经通风机后所获得的总机械能，称为通风机的全风压，以pt表示，单位为J/m3=N·m/m3=N/m2 Pa。全风压可用实验测定。

图3-29 通风机的风压

如图3-29所示，在通风机的进、出口截面之间列伯努利方程，忽略两截面间的位差（Z2-Z1）和阻力损失∑Hf，则得通风机对单位重量（1N）气体提供的总机械能（压头）为

压头

式中各项的单位为J/N=N·m/N=m（气柱）。

令上式各项乘以ρg，得

全风压

将式（3-18）改写为

全风压

或全风压

式中 pt——全风压，Pa；

ps1——通风机进口静压，Pa；

ps2——通风机出口静压，Pa；

由式（3-20）可知，通风机的全风压pt 为出口截面的全压（ps2+pd2）与进口截面的全压（ps1+pd1）之差值。

②全风压、静风压与动风压的关系。将式（3-20）改写为

全风压

通风机的动风压pd 为出口截面的动压pd2，即pd=pd2。

通风机的静风压

pst=（ps2-ps1）-pd1

pst=全风压pt-动风压pd

③全风压与气体密度的关系。由式（3-18）可知，全风压pt 与压头H 的关系为

p t=ρg H

当H 为一定时，全风压pt 与气体密度ρ 成正比。气体密度分别为ρ 与ρ′时的全风压pt 与pt′的关系为

通风机性能表上的全风压pt0 是在标定条件下用空气测定的。若操作条件下（温度T，压力p）气体（空气或其他气体）密度ρ与标定条件（温度T′=293K，压力p′=101325Pa）的空气密度ρ0=1.2kg/m3 不同，在选用通风机之前，应先把操作条件下所需要的全风压pt 换算成标定条件下的全风压pt0，其换算式为

式中 pt0 为101.325kPa、20℃下的全风压；pt 为操作条件下的全风压；ρ 为操作条件下气体密度，kg/m3。

从式（3-23）可知，操作条件下气体密度ρ大，则标准条件下的全风压pt0 小。

（3）功率与效率。

有效功率

Pe=pt qV

式中 Pe——有效功率，w；

pt——全风压，Pa；

qV——风量，m3/s。

轴功率

式中 P——轴功率，w；

η——全风压效率。

（二）特性曲线

离心式通风机在一定转速下的特性曲线如图3-30所示，图中有风量qV 与全风压pt、静风压pst、轴功率P、效率η等四条关系曲线。通风机的特性曲线是在标定条件P（20℃，101325Pa）下用空气测定的。计算功率P 时，可用操作条件下的风量qV 与风压pt，也可用标定条件下的风量qV0 与风压pt0，计算结果一样。

图3-30 离心通风机特性曲线

三、鼓风机和压缩机

（一）气体压缩所需外功

气体的压缩过程有等温压缩和绝热压缩。若理想气体由状态p1、T1 压缩后变为状态p2、T2，等温过程有T2=T1，而绝热过程有

式中 κ为绝热指数。若气体压缩过程为介于等温和绝热过程之间的多变过程，则用多变指数m 代替绝热指数κ。

气体压缩过程如图3-31所示。

A→B：单位质量的气体在一定压力p1 下被吸入，其比体积为υ1，气体对输送机械做功p1υ1（ABB′O）。

C→D：在一定排出压力p2 下，输送机械排出气体所需外功p2υ2。

故输送机械对单位质量气体所做的压缩功为

等温压缩过程：pυ=p1υ1=p2υ2=C（常数），代入式（3-25），得等温压缩1kg气体所需外功Wiso/（kJ·kg-1）为

式中 p1，p2——分别为吸入和排出气体的压力（绝压），kPa；

υ1——吸入气体的比体积，m3/kg。

图3-31 气体压缩过程

由式（2-2）与式（2-8）求得

代入式（3-26），得

式中 M——气体的摩尔质量，kg/kmol；

R——摩尔气体常数，R=8.314kJ/（kmol·K）

绝热压缩过程：pυκ =C （常数），代入式（3-25），得绝热压缩1kg 气体所需外功Wad/（kJ·kg-1）为

将式（3-27）代入式（3-29），得(www.xing528.com)

将式（3-24）代入式（3-30），得

（二）离心式鼓风机和压缩机

离心式鼓风机又称涡轮鼓风机，（turbo blower），离心式压缩机又称涡轮压缩机（turbo compressor）。两者的工作原理相同，构造也基本相同，主要由蜗形壳与叶轮组成，但压缩机的压缩比较大。

1.离心式鼓风机

单级叶轮的鼓风机进、出口的最大压力差约为20kPa。要想有更大的压力差，需用多级叶轮，图3-32所示为二级叶轮离心鼓风机。由于压缩比不太大，各级叶轮直径大致相等，气体压缩时所产生的热量不多，无冷却装置。

图3-32 二级离心鼓风机

2.离心式压缩机

离心压缩机的压缩比较大，采用多级叶轮，其绝热压缩所产生的热量很大，气体排出温度可达100℃以上，因此需要冷却装置进行降温，使其接近等温压缩。冷却方法有两种：①在机壳外侧安装冷水夹套；②使多级叶轮分成几段，每段有2～3级叶轮，段与段之间设有中间冷却器，从第1段引出热气体，经中间冷却器降温后，再进入第2段叶轮，以此类推。气体体积逐级缩小很多，所以叶轮直径和宽度也逐级缩小。

离心式鼓风机和压缩机的特点为气体流量大而均匀；效率高；运转平稳可靠；结构紧凑，尺寸小；气体不与润滑系统接触，不会被油污染。它们广泛应用于化工、石油化工生产中，例如大型合成氨装置中使用的高压离心压缩机，其出口压力高达30MPa。

（三）旋转式鼓风机

化工生产中，罗茨鼓风机（Roots blower）是最常用的一种旋转式鼓风机，其工作原理与齿轮泵相似。如图3-33所示，在机壳内有两个转子，两个转子之间、转子与机壳之间的间隙很小，保证转子能自由旋转，而同时不会有过多的气体从排出口的高压区向吸入口的低压区泄漏。两个转子旋转方向相反，气体从一侧吸入，从另一侧排出。

图3-33 罗茨鼓风机

罗茨鼓风机的气体流量与转速成正比。在一定转速下，出口压力增大时，气体通过转子与机壳的间隙泄漏增多，流量略有减少，但通常看作流量基本不变。气体出口压力一般在80kPa以下，流量约为10m3/s以下。一般用旁路阀调节流量，操作温度不能超过85℃，以免转子受热膨胀而卡住，风机出口应安装安全阀和气体稳压罐。

（四）往复式压缩机

往复式压缩机（reciprocating compressor）的基本构造和工作原理，与往复泵类似。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。下面重点说明气缸余除、压缩比与排气量和多级压缩的关系。

1.气缸余隙和压缩比对排气量的影响

往复式压缩机的排气量是指单位时间内排出的气体体积。在排气阶段，排气终了时，活塞和气缸盖之间必须留有一定空隙，称为余隙。余隙体积（clearance volume）中残留高压气体。在吸气阶段，活塞刚开始反向移动时，由于缸内气压大于吸入阀外面的气压，低压气体进不来，先是余隙体积中残留的高压气体膨胀，当膨胀到缸内气压低于吸入阀外的气压时，吸入阀自动打开，开始吸气。因为有余隙，循环一次的吸气量小于活塞扫过的体积。余隙体积和压缩比越大，吸气量就越小，排气量也必然减少。因此，余隙体积和压缩比都不能太大，应有限制。余隙体积与活塞扫过体积之比称为余隙比（或称余隙系数）以ε表示。一般ε在0.03～0.10范围内。

2.压缩比与多级压缩

每压缩一次所允许的压缩比不能太大，若为了得到高压气体，压缩比太大时应改为多级压缩，每级压缩比可减小。

图3-34 二级压缩所需外功

多级压缩的各级之间设有中间冷却器，可降低气体温度，以减小压缩功。用图3-34所示的理想压缩循环来比较单级压缩与二级压缩所需外功的大小。由图可知气体由压力p1压缩到压力p2，单级等温压缩（B—C）所需外功，要比绝热压缩（B—C′）少C′BC 大小面积的功。实际上，单级压缩过程在活塞完成一个行程这样短的时间内不可能通过气缸壁传出大量的热量，所以达不到等温压缩所需的少量外功。若采用二级压缩，使第一级排出的压力为吸入的气体经中间冷却器冷却到原来的温度T1（实际上是等压过程，其途径为B′—B′），再进入第二级，最终压缩到p2，所减小的压缩功面积等于C′B′B″C″。当级数增加到三级或更多时，必将进一步降低所需的压缩功。降低压缩功的最大极限是以面积C′BC 大小表示的压缩功。级数太多，所减少的动力费用将被增加的设备投资费用所抵消。在实际生产中，压缩级数决定于最终压力和压缩机的排气量（即生产能力）。级数与压力之间关系的大致范围见表3-2；排气量与各级压缩比的关系列于表3-3中。对于小型压缩机，其动力费用显得不那么重要，压缩比可以适当高一些。

表3-2 压力与级数

表3-3 排气量与各级压缩比

当总压缩比p2/p1 与级数z 均为一定，分配到各级的压缩比相同时，总压缩功最小。每级的压缩比R 可按下式计算。

往复压缩机的特点是适应性强，在气体输送机械中，其排出压力范围最广，从低压到高压都适用。但其外形尺寸大，结构复杂，易损部件多，气流脉动，常用于中、小流量与压力较高的场合。

四、真空泵

真空泵的类型很多，下面简单介绍几种常用的真空泵。

（一）往复真空泵

往复真空泵的基本结构和操作原理与往复压缩机相同，只是真空泵在低压下操作，气缸内外压差很小，所用阀门必须更加轻巧，启闭方便。另外，当所需达到的真空度较高时，如95%的真空度，则压缩比约为20。这样高的压缩比，余隙中残余气体对真空泵的抽气速率影响必然很大。为了减小余隙影响，在真空泵气缸两端之间设置一条平衡气道，在活塞排气终了时，使平衡气道短时间连通，余隙中残余气体从一侧流向另一侧，以降低残余气体的压力，减小余隙的影响。

（二）水环真空泵

如图3-35所示，水环真空泵的外壳为圆形，壳内有一偏心安装的转子，转子上有叶片。泵内装有一定量的水，当转子旋转时形成水环，故称为水环真空泵。由于转子偏心安装而使叶片之间形成许多大小不等的小室。在转子的右半部，这些密封的小室体积扩大，气体便通过右边的进气口被吸入。当旋转到左半部，小室的体积逐渐缩小，气体便由左边的排气口被压出。水环真空泵最高可达85%的真空。这种泵的结构简单、紧凑，没有阀门，经久耐用。但是，为了维持泵内液封以及冷却泵体，运转时需不断向泵内充水。所能产生的真空度受泵体内水的温度限制。当被抽吸的气体不宜与水接触时，可以换用其他液体，称为液环真空泵。

图3-35 水环真空泵

（三）啧射泵

喷射泵（jet pump）是属于流体动力作用式的流体输送机械，它是利用流体流动时动能和静压能的相互转换来吸送流体。它既可用来吸送液体，又可用来吸送气体。在化工生产中，喷射泵用于抽真空时称为喷射式真空泵。

喷射泵的工作流体一般为水蒸气或高压水。前者称为水蒸气喷射泵，后者称为水喷射泵。图3-36所示为一单级水蒸气喷射泵，水蒸气在高压下以很高的速度从喷嘴喷出，在喷射过程中，水蒸气的静压能转变为动能，产生低压将气体吸入。吸入的气体与水蒸气混合后进入扩散管，速度逐渐降低，压力随之升高，而后从压出口排出。

图3-36 水蒸气喷射泵

单级水蒸气喷射泵仅能达到90%的真空，为了达到更高的真空度，需采用多级水蒸气喷射泵。也可用高压空气及其他流体作为工作流体使用。

喷射泵的主要优点是结构简单，制造方便，可用各种耐腐蚀材料制造，没有传动装置。主要缺点是效率低，只有10%～25%。喷射泵除用于抽真空外，还常作为小型锅炉的注水器，这样既能利用锅炉本身的水蒸气来注水，又能回收水蒸气的热能。

【议一议】

1.为什么启动前一定要将离心泵灌满被输送液体？

2.离心泵在启动和停止运行时泵的出口阀应处于什么状态？ 为什么？

3.一台离心泵在正常运行一段时间后，流量开始下降，可能会有哪些原因导致？

4.若两台性能相同的离心泵串联操作，其输送流量和扬程较单台离心泵相比有什么变化？ 若两台性能相同的离心泵并联操作，其输送流量和扬程较单台离心泵相比有什么变化？