01.风机与压缩机PDF文档(第一章 概
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压缩机组培训教材第一节压缩机概述一、压缩机定义和分类压缩机是一种根据气体的压力取决于单位时间内气体分子撞击单位面积的次数和强烈程度的原理,把其它形式的能量转化成压力能并提高气体压力和输送气体的机器。
在国民经济各部门得到广泛的应用,特别是在石油、化工、动力和冶金等各个行业中占有重要地位。
在化工生产中,工艺气体经压缩机压缩提压后,可满足各种工况的需要,使工艺过程得以实现。
压缩机种类很多,按工作原理分为:容积式压缩机和透平式压缩机。
1.容积式压缩机种类、特点:用增加单位容积内气体分子数,从而缩小分子间距来提高气体压力。
典型代表活塞式压缩机,具有压力范围广、效率高、排气量基本不随压力变化的特点。
另外还有滑片式、罗茨式、螺杆式压缩机。
2.透平式压缩机种类、特点:利用旋转叶片对气流的作功、通过气流的不断加速、减速因惯性彼此挤压而缩短分子间距来提压。
具有体积小、重量轻、结构紧凑、流量大、维修工作量小、气体不受润滑油污染、适于汽轮机或燃气轮机驱动有利于能源的综合利用等特点,在石化行业得到广泛应用,并实现单机配制,适用于低、中压,大流量的场合。
按气体运动方向分类:1.离心式:被压缩气体在压缩机内大致沿垂直于压缩机轴的径向流动。
2.轴流式:气体在压缩机内大致沿平行于轴线方向流动;3.轴流离心组合式:在轴流式的高压段配以离心式段。
按排气压力Pd分类:通风机,Pd<0.0142MP(g);鼓风机,0.0142 MP(g)≤Pd≤0.245MP(g),压缩机,Pd>0.245MP(g)。
按用途分类:制冷压缩机、高炉压缩机、空气压缩机、天然气压缩机、合成气压缩机、二氧化碳压缩机等。
二、汽轮机的定义和分类:汽轮机,又叫蒸汽透平,用蒸汽来做功的旋转式原动机。
来自锅炉或其它汽源的蒸汽通过调速阀进入汽轮机,一次高速流过一系列环形配置的喷嘴(静叶栅)和动叶栅而膨胀做功,推动汽轮机转子旋转(将蒸汽的内能转换成机械能),汽轮机带动发电机、压缩机或泵等负荷机旋转。
流体机械原理离心压缩机和通风机气动理论基础主讲李景银西安交通大学能动学院流体机械及工程系联系方式:电话153********,029-********(O)Email:jyli@流体机械原理(fluid machinery)离心式压缩机和风机气动原理(Centrifugal compressor and fan)0 绪论0.1 透平压缩机与风机的功能与分类透平机械,也称叶片机械或叶轮机械,其最主要的工作元件是叶片。
透平机械的基本原理是:工作轮叶片旋转时与工质相互施加作用力,或叶片将能量加给工质,或工质将能量传给叶片。
两大类叶轮机械:被动机械通过叶片将能量加给工质的机械,如(透平)压缩机、鼓风机、通风机、风扇及水泵; (被动叶片机械:a. 缩机和风机:用来给气体增压与输送气体的机械。
泵:用来给液体增压与输送液体的机械。
)原动机械工质能量加给叶片的叶轮机械类型,如汽轮机、燃气轮机、水轮机及风力机等。
(有高温流体:汽轮机、燃气透平,不可压缩流体:风力机;水轮机:水力发电)(透平)压缩机是透平机械中的一种,属于被动机械,它是用来提高气体压力,并输送气体的机械,工业界常称为风机。
风机的分类方法:●如果(透平)压缩机按其中工质流动方向,可以分为四种(见P1):轴流压缩机、离心压缩机、斜流压缩机、混合压缩机。
●如果(透平)压缩机按工质压力提高的程度来分,可以分为四种(见P2):风扇(压升<100Pa)、通风机(压升<15KPa)、鼓风机(压升<15-250KPa)、压缩机(>250KPa或压比>3.5,一般带有中间冷却器)。
还有其它分类:按压缩机的用途,有冶金、石化等,按压缩机的气缸数和结构分:有多级、多缸等。
压缩机而言还有以气体种类分的:富气压缩机、氨气压缩机等;按工作场合分的:造气鼓风机、高炉鼓风机、制冷压缩机等0.2 不同压缩机的主要特征和压力流量范围(相应通风机特征类似):0.2.1 容积式压缩机;往复式:主要运动部件是在缸中作往复运动的活塞,如往复式压缩机。
泵、风机和压缩机技术应用文章泵、风机、压缩机以及其他电机带动的旋转设备对于工商业企业和行政机构来说必不可少,它们从石化工厂中的液体输送系统,一直到购物中心的大型空调系统。
许多设施都会定期对这种设备进行监视,因为通常可以在完整设备被烧毁之前而找到像润滑不良这样的简单问题。
这种方法属于预测性维护(PdM)。
热成像对于监视旋转设备尤其有用,因为许多将要发生的故障都伴随有过热现象。
这种预测性技术使用一台手持式热成像仪来捕获代表设备的表观温度*的二维图像。
热成像技术也可与其他预测性技术(如油分析、振动监视和超声波检测)结合使用。
检查什么?在负载下的运行过程中,对关键旋转设备(即发生故障时将危及到人员、财产或生产安全的设备)进行监视。
确保对设备的驱动装置(例如,电机和减速器等)进行扫描,并遵循福禄克仪仪器应用说明中介绍的对这些装置进行监视的指南。
另外对于泵和风机,获取设备外壳的热量曲线(可揭示出轴承或密封件问题的多个扫描),并扫描联轴器或驱动皮带和皮带轮。
对于压缩机,如果需要,使用几个热图像来获得整个设备的热量曲线。
* 表观温度因材料表面的发射率而可能与实际温度可能差别很大。
在压缩机上,冷却风扇上的皮带滑动、轴未对准以及轴承问题都将表现为异常高温点。
2 福禄克培训合作项目泵、风机和压缩机寻找什么?一般来说,要查找高温点并特别注意在相似条件下运行的相似设备之间的温度差别。
例如,如果一排相似风机中的一台风机中的某个轴承的运行温度必其他风机中轴承的温度高,表明该轴承可能要提前出现故障。
在泵上,沿密封件或垫片的温度差是一个故障“信号”。
与某个轴承临近的外壳部分上的高温点可能预示着即将发生的轴承故障,虽然根本原因可能单从一个热图像还不能完全确定。
也许存在一个润滑问题,或者驱动装置中存在未对准。
风机上过热的轴承也指示出某个问题,但单从热图像本身还不能完全确定。
问题的根本原因可能是缺少润滑、润滑不正确、驱动装置未对准或风机本身不平衡。
第二节气体输送和压缩设备--离心通风机、鼓风机与压缩机离心通风机、鼓风机与压缩机的工作原理和离心泵的相似,即依靠叶轮的旋转运动,使气体获得能量,从而提高了压强。
通风机都是单级的,所产生的表压强低于14.7×lO3Pa,对气体只起输送作用。
鼓风机和压缩机都是多级的,前者产生的表压强低于294×lO3Pa,后者高于294×103Pa,两者对气体都有较显著的压缩作用。
一、离心通风机离心通风机按所产生的风压不同,可分为以下三类:低压离心通风机出口风压低于0.9807×103Pa(表压);中压离心通风机出口风压为0.9807×103~2.942×lO3Pa(表压);高压离心通风机出口风压为2.942×103~14.7×103Pa(表压)。
(一)离心通风机的结构离心通风机的结构和单级离心泵相似。
它的机壳也是蜗牛形的,但气体流道的断面有方形和圆形两种,一般低、中压通风机多是方形的(见图2-37),高压的多为圆形。
叶片的数目比较多但长度较短。
低压通风机的叶片多是平直的,与轴心成辐射状安装。
中、高风机的叶片则是弯曲的,所以高压通风机的外形与结构与单级离心泵更为相似。
图2-37 低压离心通风机叶片之间的气体在叶轮旋转时,受到离心力作用获得动能(动压头)从叶轮周边排出,经过蜗壳状机壳的导向,使之向通风机出口流动,从而在叶轮中心部位形成负压,使外部气流源源不断流入补充,从而使风机能排出气体。
电动机通过轴把动力传递给风机叶轮,叶轮旋转把能量传递给空气,在旋转的作用下空气产生离心力,空气延风机叶轮的叶片向周围扩散,此时,风机叶轮越大,空气所接受的能量越大,也就是风机的压头(风压)越大。
如果将大的叶轮割小,不会影响风量,只会减小风压(二)离心通风机的性能参数与特性曲线离心通风机的主要性能参数有风量,风压,轴功率和效率。
由于气体通过风机时压强变化较小,在风机内运动的气体可视为不可压缩流体,所以前述的离心泵基本方程式亦可用来分析离心通风机的性能。
风机和压缩机 Fan Blower Compressor第一章概述风机和压缩机是用于输送气体的机械,把原动机的机械能量转换成气体的能量。
§1 风机和压缩机的分类和应用一.分类1.按工作原理分类按工作原理可分三类:(1):容积式包括活塞式和回转式,后者又有罗茨式风机,滑片式和螺杆式等。
(2)叶片式又称透平式包括离心式,轴流式,混流式(斜流式)和横流式。
(3)喷射式。
图1-1活塞式图1-2 罗茨式图1-3 滑片式图1-4 螺杆式图1-5 离心式图1-6 斜流式机图1-7 轴流式机械图1-8 横流式图1-9 喷射式2.按产生的压力的高低分类根据排气压力(以绝对压力计算)的高低,输送气体的机械可分为:通风机,排气压力低于11.27×104 N/m2鼓风机,排气压力在(11.27~34.3)×104 N/m2压缩机,排气压力高于34.3×104 N/m2(大气压1kg/cm2=1.01972kg/cm2=1.01325×105Pa)二.风机的应用风机广泛地应用在国民经济的各个领域。
§2 风机的结构和参数以离心式通风机为例:图1-10 离心通风机简图以离心式通风机为例可以看出风机的主要的几个部件:进气室,进气口,叶轮,蜗壳,出气口,扩散器等几个部件组成。
其主要参数与水泵相似的有:(1)流量(体积流量式质量流量);(2)压力;指风机的压力升,即进出口压力之差,分全压△P,静压△P s,及动压△P d(3)转速n(r/m);(4)轴功率N s(kw=1.36ps);(5)效率。
§3 气体的物理性质我们着重介绍通风机常用的空气的物理性质。
一.标准大气状态温度为273K(0℃),绝对压力为101325N/ m2(760mmHg),重力加速度g=9.807m/s2时干燥空气状态称为标准大气状态,或叫大气的标准状态。
在标准大气状态下空气的密度为ρ=1.2931Kg/m3。
随着海拔高度的增加,大气的压力,温度,密度都变化,海平面的大气压力为101325 N/ m2,温度为288K(15℃),密度为1.2258 Kg/m3。
海拔高度为H时的大气状态可分为两种情况:H≤11Km时:(troposphere)P b= 101325(1-0.02257H)5.256 ,N/ m2 (H单位为km)T = 288-6.5H, Kρ=1.2258(1-0.02257H) 4.256 , Kg/m3H≥11Km时:同温层(stratosphere)P b= 101325×1.266e-0.1578H ,N/ m2 (H单位为km)T = 216.5, Kρ=1.2258×1.684e-0.1578H , Kg/m3二.风机标准进口状态我国规定的风机进口状态是指:工质为空气,压力为101325N/ m2(760mmHg),温度为293K(20℃),相对湿度Φ为50%的湿空气状态,其密度为1.2 Kg/m3。
三.空气的其他参数(一)密度 单位体积气体的质量。
空气在标准状态下的密度为1.2931 Kg/m3,随着压力,温度,相对湿度的变化,空气的密度亦要改变。
1.干燥空气的密度在任意温度T,压力P时干空气的密度用下式表示: ρ=1.2931×(273/T)×(P/101325),Kg/m3(R=287) ,J/(Kg·K)2.湿空气的密度ρ=1.2931×(273/T)×((P-0.378ΦP s)/101325),Kg/m3式中 Φ——相对湿度;Ps——T k时饱和水蒸气的压力 (N/ m2)(二). 粘度流体具有粘性,这样在流体质点间做相对运动时,就会产生内摩擦力(阻力)。
实验证明两层流体之间的内摩擦力F(单位为N)与面积A(m2),速度梯度dc/dg(m/s ·m)成正比。
F=μA dc/dg比例系数μ称为动力粘性系数(Pa·s),而运动粘性系数ν(m/s2)为ν=μ/ρ。
粘性系数与压力和温度有关,一般压力影响很小。
液体的粘性系数决定于分子间的引力,故随温度升高而下降,空气的粘性系数决定于分子运动的动量交换,温度升高,分子运动加速,粘性增大,即μ=17.24×10-6 ×(380/380+k) ×(273+k/273) 3/2 Pa·s(三) 比热单位质量的物体温度升高一度所需的热量为比热用C表示,单位为J/Kg·K。
气体的比热与气体状态变化过程有关,在气体压力式比容保持不变的过程中,气体的比热分别称为定压比热C p ,和定容比热Cν。
C p与Cν的比值叫比热比。
对于不考虑分子之间作用力及分子本身大小的理想气体,比热比等于绝指数K,即K= C p/Cν对于空气K=1.4。
(四)气体的比重某一气体的重度与同一温度,同一压力下干燥空气的重度之比,称为比重:气体比重=气体重度γ'/干空气的重度γ=气体密度ρ'/干空气密度ρ=气体分子量/干空气的分子量 。
气体的比重是无量纲量。
三.压缩系数假设使体积为V(m3)的流体压力变化为dp(N/ m2)时发生的体积变化为dV, 其压缩系数表示为:β=-(1/v ) ·dV/dp (m2/ N )β的倒数叫做体积弹性系数。
可以用-dρ/ρ代换dV/V,上式可改写为:1/(ρβ)=dp/dρ (m2/ s2).令1/(ρβ)=α2则α是该流体内压力波(声波)的传播速度(声速):α=(dp/dρ)1/2 (m/s)理想气体做等熵变化时:α=(KRT)1/2 (m/s)式中R是气体常数(J/Kg·K)。
对于一种气体,气体在等熵变化时的音速α与T1/2 成正比。
另外在t℃的纯水和干燥空气中的声速αw和αa可用下式计算:αw=1404.4+4.8215t-0.047562d2+0.00013541t3αa=331.68×((273.16+t)/273.16) 1/2=331.5+6.61t m/s§4 气体的状态变化和能量转换在低压风机中,流体的内能可以认为是不变的,但是压缩机中,由于压力和温度的变化很大而造成气体内能的变化。
为了说明气体在风机中的工作过程,先说明一下热力学中的基本概念。
一.热力学第一定律物体靠温度和压力等保持在内部的能量成为内能,用u表示。
内能是分子的动能和由于分子相互之间的吸引力所产生的位能的总合,它与物体本身的速度和高度无关。
现考虑一个跟周围环境没有质量交换,但有热和功交换的抽象的热力学封闭系统。
对此系统中的气体加一微热量dQ, dQ一部分消耗在系统抵抗外部的压力p, 使系统的气体体积变化了dV(膨胀)时所做的功dW上面, 另一部分用于增加了内能dU,而贮存在气体内部,这样热力学第一定律的表达式为dQ= dU+ p·dV如果用单位质量气体的内能u,单位质量气体得到的热量dq,和比容变化dv表示,则上式为: dq=du+pdv二.理想气体的状态方程气体在变化过程满足下式的气体,称为理想气体或空气气体。
Pv=RT式中V为比容,T为绝对温度,R为气体常数。
大多数气体可近似看成为理想气体。
若气体的分子量为μ,那么一摩尔(mol)气体的状态方程为:μvP=μRT由物理学可知,当压力,温度相同时,一摩尔的各种理想气体的体积μv均等于22.4 m3,故上式为:22.4P=μRTμR=22.4×101325/273=8314.7 J/(mol·K)μR称为通用气体常数,与气体性质无关。
以μR值代入状态方程:μvP=8314.7T根据比容的定义:Cν =(dq/dT)ν和C p =(dq/dT)p 及第一定律:Cν=du/dT , C p =du/dT + Pdv/dT三.气体机械中的能量转换(一)不可压流体的伯努利方程低压风机中可认为气体不可压缩。
如图所示的系统进口的压力和速度为P1,C1,距离基准面的高度为z1,密度为ρ1,而出口断面以下标“2”表示。
假定单位时间内外界对系统所作的功为l21,那么在不考虑损失的情况下,伯努利方程为:P1/ρ1 + C12/2 +gz1+ l21 = P2/ρ2+ C22/2 + gz2单位为J/Kg, P为流体的静压,ρC12/2为流体的动压,动压和静压之和为总压P*:(滞止压力)P* = P +ρC2/2 (P t)(二) 气体机械中的能量转换对于气体机械由于内能可以变化,而且有热量传递,图中q21为系统中单位质量的气体排出的热量,根据v=1/ρ,此时能量方程可以写成为:P1v1 + C12/2 + u1+ l21'= P2v2+ C22/2 + u2 + q21在气体中定义单位质量气体的功能u和功Pv之和叫做气体的焓,用h表示h = u + Pv这样能量方程可以简化为:h1*+ l21 = h12*+ q21四.封闭系统中气体的状态变化系统中的气体以一种状态(P T)过渡到另一种状态就是变化。
可以用T,P或体积的变化来描述变化过程。
对于理想气体的变化包括等容变化,等压变化,等温变化和绝热变化。
而实际气体的变化比较复杂可用多边变化来描述。
下面就封闭系统来说明上述几种变化。
1.等温变化 (isothermal change)气体在保持温度一定的条件下进行的状态变化,叫做等温变化。
在等温变化中,状态方程为:Pv=const那么dv=-v(dp/p)。
故在等温过程中单位质量气体从P1,v1到P2,v2状态,外部对系统所做的功(绝对功)为:(注:Pdv为系统的膨胀功)W is,21= Pdv=-Pv(dp/p)=P1v1·ln(P2/P1)= P1v1·ln(v1/v2)在等温变化中,气体的内能保持不变。
因此系统向外排除的热量就等于W21,故q is,21=w is,212.等容变化 (isovolumetric change)在等容变化中,系统的体积保持不变,这样外部对系统所做的功为零,即W21=0,那么系统的内能变化du为:du= CνdT故气体内能的变化为温升与定容比热的乘积,一般情况Cν是常数式是T的函数,故内能u可以看成只是T的函数。
3.等压变化 isobaric在等压变化中dP=0, 理想气体的状态方程可以写成RdT=Pdv那么 C P = du/dT + RdT/dT=Cν+RC P =(K/K-1)R, 或 Cν=(1/K-1)R .同时可得:dh=du+ Pdv+vdPdh= CνdT + Pdv=(Cν+ R ) dT= C P dT4. 绝热变化 (adrabatic)与外部没有热量交换的变化叫绝热变化。