过程流体机械复习吐血整理仅供参考

过程：事物状态变化在时间上的持续和空间上的延伸。它描述的是事物发生状态变化的经历。

状态：当系统的温度、压力、体积、物态、物质的量、相、各种能量等等一定时，我们就说系统处于一个状态（state）。

系统从一个状态（始态）变成另一个状态（终态），我们就说：发生了一个过程（process）。等温过程：始态和终态的温度相等的过程。

过程工业：以流程性物料（如气体、液体、粉体等）为主要对象，以改变物料的状态和性质为主要目的工业。

现代生产过程的特点：

大型化、管道化、连续化、快速化、自动化。

过程装备：实现过程工业的硬件手段。如机械、设备、管道、工具和测量仪表以及自动控制用的电脑、调节操作机构等。

过程装备：

三大部分：1.过程设备 2.过程机械 3.过程控制

过程设备（静设备）：

压力容器、塔、反应釜、换热器、

储罐、加热炉、管道等。也称为：化工设备；压力容器

过程机械（动设备）：（Process Machinery）

压缩机、泵、分离机（二机一泵）；

电机、风机、制冷机、蒸汽轮机、废气轮机等。

也称为：化工机器；流体机械；动力设备；泵与压缩机。

占过程工业总设备投资的20 ~25%，系统运行的心脏

过程控制

测控仪表、阀、电气源、转换器、计算机,监控设备,记录设备等。

也称为：控制仪表；自动化设备

过程控制内容：压力、温度、流量、液位、浓度、密度、粘度等

流体机械：以流体为工质进行能量转换、处理与输送的机械。

流体机械分类：原动机、工作机、液力传动机。

（1）原动机：

将流体的能量转化为机械动力能的机械为原动机。

↓↓

势能（压能）动能机械能

特点：流体能→机械能；流体产生动力。

例如：水轮机、蒸汽轮机、燃气轮机、废气轮机、涡轮发动

机、蒸汽机、内燃机等。

（2）工作机：

将机械能转化为流体的能量的机械为工作机。

特点：机械能→流体能；流体吸收动力。

例如：压缩机、泵、分离机、鼓风机、通风机、制冷机等。

（3）液力传动机：

将机械能转化为流体能，然后流体能又转化为机械能。

特点：机械能→流体能→机械能；流体传递动力。

例如：

液压机械：液压马达+液压泵、液压缸等。

液力机械：液力变矩器、液力偶合器、液力制动器。

关系：

世界能源形式：

石油、煤炭、水利、核能、风能、太阳能、地热能。

这些能源利用率高低，直接由流体机械来决定。

过程流体机械按流体形态分类

（一）压缩机

将机械能转变为气体的能量，给气体增压与输送气体的机械称为压缩机。

如：往复式压缩机、离心式压缩机、轴流式压缩机、螺杆压缩机等。

（二）泵

将机械能转变为液体的能量，给液体增压与输送液体的机械称为泵。

如：离心泵、轴流泵、液压泵、容积泵等。

在特殊情况下流经泵的介质为液体和固体颗粒的混合物

三）分离机

用机械能将混合介质（液体与固体、或液体与液体）分离开来的机械称为分离机。如：过滤式离心机、沉降式离心机、压滤机等。

按流体机械结构特点分类

（一）往复式结构的流体机械

通过能量转换使流体提高压力的主要运动部件是在缸中做往复运动的活塞，而活塞的往复运动是靠旋转运动的曲轴带动连杆和活塞来实现。

输送流体流量较小，单级升压较高。

特点：作功元件往复运动

如：往复式压缩机；往复活塞泵等。

（二）旋转式结构的流体机械

通过能量转换使流体提高压力或分离的主要运动部件是转轮、叶轮或转鼓，该旋转件可直接由原动机驱动。

输送流体流量大，单级升压不高。

由多级组成或由几台多级的机器串联成机组。

如：各种回转式、叶轮式的压缩机和泵、分离机等。

特点：作功元件回转运动。

（三）摇摆式结构的流体机械

如：摇摆活塞式无油压缩机。 特点：作功元件摇摆运动。无油运行。

原理：一个整体的活塞连杆当机轴旋转运动时在气缸内“摇摆”。

压缩机的分类与命名 （一）按工作原理分类 动力式压缩机

随着气体连续地由入口流向出口，将其动能转换为势能来提高气体压力的一种压缩机。 特点:具有驱使气体获得流动速度的叶轮。

理论基础：反映流体静压与动能守恒关系的流体力学伯努利方程。

()2

2

2211

102dp

c c ρ+-=?

容积式压缩机

通过运动件的位移，使一定容积的气体顺序地吸入和排出封闭空间以提高静压力的压缩机。

特点： 依靠工作腔容积的变化来压缩气体。因而其具有容积可周期变化的工作腔。 理论基础： 反映气体基本状态参数p 、V 、T 关系的气体状态方程。

pV=mRT

（二）按排气压力分类（表压） 通风机：p ＜ 15kPa

鼓风机： 15kPa ＜ p ＜ 0.2MPa 压缩机：p ＞ 0.2MPa

低压压缩机：0.2MPa < p < 1.0MPa 中压压缩机：1.0MPa < p < 10MPa 高压压缩机：10MPa < p < 100MPa 超高压压缩机：p > 100MPa （三）按压缩机级数分类

级：完成压缩循环的基本单元。

单级压缩机：气体仅通过一次工作腔或叶轮压缩。 两级压缩机：气体顺次通过两次工作腔或叶轮压缩。 多级压缩机：气体顺次通过多次工作腔或叶轮压缩。 （四）按功率大小分类

小型压缩机：功率小于5kw 中型压缩机：功率5~450kw 大型压缩机：功率大于450kw

压缩机的用途：动力用压缩机、化工工艺用压缩机、制冷和气体分离用压缩机、气体输送用

?压缩机的一些术语和基本概念

性能参数：表征压缩机主要性能的诸参数，如气量、压力、温度、功率及噪声、振动等。结构参数：表征压缩机结构特点的诸参数，如活塞力、行程、转速、列数、各级缸径、外形尺寸等。

表压力和绝对压力：用压力表测得的压力称为表压力，它是容器中压力与当地大气压之差。表压力数值后一般加符号“（G）”表示。

名义压力（公称压力）：不顾及各种影响，作为分级标准或初步设计计算的压力值。

实际压力：压缩机在运行过程中的瞬时压力值。

标准吸气位置：距吸气法兰的距离为一个管直径处。

标准排气位置：距排气法兰的距离为一个管直径处。

吸气压力（吸入压力）：在标准吸气位置气体的平均绝对全压力。

排气压力（排出压力）：在标准排气位置气体的平均绝对全压力。

进气压力：压缩机首级的吸气压力称为进气压力。

输气压力：压缩机末级的排气压力称为输气压力。

名义吸气压力p1：压缩机第一级标准吸气位置处压力。

名义排气压力p2：压缩机末级标准排气位置处压力。

实际吸气压力p s：压缩机某级压缩终了时工作腔内压力。

实际排气压力p d：压缩机某级排气终了时工作腔内压力。

气缸：与活塞构成工作容积的部件。

汽缸：发动机内的圆筒形空室，里面有一个工作流体的压力或膨胀力推动的活塞。

气缸是活塞式压缩机中组成压缩容积的主要部分。气缸与活塞配合完成气体的逐级压缩，它要承受气体的压力，活塞在其中往复运动，气缸应有良好的工作表面以利于润滑并应耐磨，为了散发气体被压缩时产生的热量以及摩擦生热，气缸应有良好的冷却。

气缸体（缸体）：气缸中容纳活塞的零件。

气缸座（缸座）：位于内止点端封闭气缸体的座，若与缸体制成一体时，则称缸座部分。气缸头（缸头）：位于外止点端封闭气缸体并可安装气阀的端盖。

气缸盖（缸盖）：位于外止点端封闭气缸体而不可安装气阀的端盖。

气缸套（缸套）：镶在气缸内形成活塞部件相对摩擦面的圆筒形衬套。

?气阀是控制工质进、出气缸的阀。它是压缩机的一个重要部件，属于易损件。它的质量及工作的好坏直接影响压缩机的输气量、功率损耗和运转的可靠性。

气阀包括吸气阀和排气阀，活塞每上下往复运动一次，吸、排气阀各启闭一次，从而控制压缩机并使其完成吸气、膨胀、压缩、排气等四个工作过程

?目前，活塞式压缩机所应用的气阀，都是随着气缸内气体压力的变化而自行启闭的自动阀，由阀座、运动密封元件（阀片或阀芯）、弹簧、升程限制器等组成。

自动阀的阀片在两边压差的作用下开启，在弹簧作用力下关闭。阀片与阀座或升程限制器之间的粘附力、阀片与导向块之间的摩擦力等，也影响阀片的开启与关闭。

活塞是在气缸内做往复运动，构成周期性容积变化的零部件。活塞必须有良好的密封性，有足够的强度和刚度，重量轻，制造工艺好。要求活塞和活塞杆的连接和定位可靠，活塞杆表面硬度高、耐磨、光洁度高。

?按活塞与气缸间的密封分为两种：

?活塞环密封

?迷宫密封

活塞环是气环和油环的统称。气环（压缩环）是密封压缩介质的环；油环是刮除气缸壁面上多余润滑油的环。

活塞环是密封气缸镜面和活塞间间隙用的零件，另外还起到布油和导热的作用。对活塞环的基本要求是密封可靠和耐磨损。

气体从高压侧第一道环逐级漏到最后一道环时，每一道环所承受的压力差相差较大。第一道活塞环承受着主要的压力差，并随着转速的提高，压力差也增高。第二道承受的压力差就不大，以后各环逐级减少。因此环数过多是没有必要的，反而会增加气缸磨损，增大摩擦功。

活塞环的密封原理是：反复节流为主，阻塞效应为辅。

迷宫密封又称梳齿密封，属于非接触式密封。即人为的在泄漏通道内加设许多齿或槽，来增加泄漏流动中的阻力，使造成泄漏的压差急骤的损失。迷宫活塞式压缩机是利用活塞与气缸之间小间隙的流阻来实现密封的，使用迷宫密封时不仅活塞密封无需润滑，而且因为活塞与气缸这一运动副不直接接触，因此不存在摩擦损失，这样就保证了压缩机的高效率和工作表面没有磨损。

迷宫密封优点：

?1、迷宫密封所提供的压缩气体是绝对干燥的，压缩过程是无油润滑。

?2、允许输送介质中夹带微小固体粉末，如聚合产品或者催化剂粉末。

?3、对一般密封不能胜任的高温、高压、高速和大尺寸密封部位特别有效。

?4、不需要采用其他密封材料，密封零件可以在制造压缩机本体时一并设计制造。

?5、由于排气侧不需要油分离器或滤油器，不仅减少了设备，而且减少了气体的压力损失（能量损失）。

?6、没有活塞环与气缸壁的摩擦及摩擦热，故功耗少，设计简单，使用可靠，寿命长。

缺点：

加工精度高，难于装配，间隙过小，常因压缩机运转不良而发生磨损，磨损后使压缩机性能发生大大下降。

填料函组件是阻止气缸内压缩介质沿活塞杆表面泄露的密封装置。

曲轴（主轴）：将旋转运动通过连杆使十字头或活塞做往复直线运动的拐形轴。

曲轴主要包括主轴颈、曲柄和曲拐销等部分。

为了平衡曲轴惯性力或惯性力矩，在曲柄下端设平衡铁，平衡铁与曲柄连接多采用抗拉螺栓连接。为了润滑主轴颈和曲柄销，直至十字头销，曲轴上开设有油孔。

连杆：连接曲轴和十字头或活塞的零件。

十字头（滑块）：通过十字头销，使连杆小头与活塞杆铰接，并沿十字头滑道面做往复直线运动的零部件。具有导向作用。连杆力、活塞力、侧向力在此交汇。

润滑系统是压缩机中对各运动摩擦副输送润滑剂的装置

根据活塞压缩机结构的特点，润滑大致分为两种情况。

（一）飞溅润滑

（二）压力润滑

润滑作用

◆减小摩擦功率，降低压缩机功率消耗；

◆减少滑动部位的磨损，延长零件寿命；

◆润滑剂有冷却作用，可防止滑动部位因摩擦热使零件工作温度过高导致卡死或烧

伤，保证滑动部位必要的运转间隙；

◆用油作润滑剂时，还有防止零件生锈的作用。

分离器

?压缩机分离器的作用是从压缩机入口介质中去除冷凝物，防止液体进入气缸中产生液击现象。

?如果分离不足冷凝物会通过气体带入气缸，产生液击现象，气体中的液体会损坏活塞、气缸和气阀。

常用的分离器的结构型式分为：

?过滤式分离器

通过过滤元件将液滴留在滤芯上，然后流到筒的下部。

?离心式分离器

通过离心力将重的液滴流到筒的下部，达到气液分离的目的。

列：在同一气缸轴线上的单个气缸或串联气缸，结构上组成一列。

对动式往复压缩机

相对列的活塞作完全反向运动的卧式压缩机。

对置式往复压缩机

同一列的气缸分置于曲轴两侧的卧式压缩机，其活塞作同步运动

4L-28/0.3-5往复式压缩机

例：空气压缩机进口气体温度为38℃，进口气体压力为0.910×105N/m2，质量流量为

50868kg/h ，试求其进口容积流量是多少？换算到标准状态的容积流量又是多少？空气的气体常数R=287.4J/（kg·K ） 解：由公式

p Q w R T = 得：

Q a =50868×287.4×（273+38）/（0.910 × 105）=49963m 3/h

用下标“N”表示标准状态，由于两个状态下质量流量相同，得：

a a N N

a N

p Q p Q T T =

0.9102734996339387

1.0133311

a N N a N a p T Q Q p T =?=??=

气体热力状态变化过程比较复杂，但基本上可归纳为三种典型过程，即等温、等熵及多变过程。

等熵过程就是可逆的绝热过程，在该过程中气体与外界没有热量交换，也没有内部的摩擦损失，只有功量的交换以及体系内能的变化。

等熵过程就是可逆的绝热过程，在该过程中气体与外界没有热量交换，也没有内部的摩擦损失，只有功量的交换以及体系内能的变化。 级是完成压缩循环的基本单元。

级的理论循环 理论循环指示图 假设条件： 1. 无余隙容积

压缩后排尽气体 2. 无进排气阻力损失、 压力波动、热交换， 吸排气压力定值 3. 无漏气损失 4. 压缩理想气体

5.压缩为等温或绝热过程 多变过程指数不变

在这一全部过程中，吸气过程和排气过程中只有气缸内的气量发生变化，而气体状态没有变化，是一般气体流动过程，所以不属于热力过程，而只有压缩过程中气体状态发生了变化，属于热力过程。

实际工作原理：

1. 有余隙容积

2.进排气过程及气阀有阻力损失

3.存在热交换

4.存在泄漏损失

实际气体

余隙容积存在的原因：

1. 活塞周期运动时，由于摩擦或压缩气体时产生热量，使活塞受热膨胀，产生径向和轴向的伸长，为了避免活塞与气缸端面发生碰撞及活塞与缸壁卡死，故用余隙容积来消除；

2.对压缩含有水滴的气体，压缩时水滴可能集结。对于这种情况，余隙容积可防止由于水不可压缩性而产生的水击现象；

3.制造精度及零部件组装，与要求总是有偏差。运动部件在运动过程中可能出现松动，使结合面间隙增大，部件总尺寸增长；

4.气阀的布置原因致使阀窝必然存在。

活塞式压缩机的实际循环与理论循环的差异是什么？

例：已知单级空压机的吸气压力为0.1MPa，吸气温度20℃，排气压力为0.7MPa（表）。试求吸入每1m3空气的理论工作循环耗功及排气温度。按等温、绝热（k=1.4）、多变（m=1.25）过程分别计算，并比较其结果。

容积流量：

容积流量（排气量）（Q V）：经压缩机某级压缩并排出的气体，在标准排气位置的气量，换算到进气温度、进气压力及其组分（例如湿度）时的气体容积值。m3/min, m3/s

压缩机铭牌标识：额定排气量，是指特定进口状态（例如进气压力0.1MPa，温度20℃）的容积流量。

实际容积流量（输气量，实际排气量）（Q V0）：压缩机末级的排气量。

注：

△压力变化范围较大时应考虑气体的可压缩性。

△被压缩气体含有水蒸气时，气体压力↑→水蒸气分压↑；

若冷却，且水蒸气分压＞冷却后气体温度所对应的饱和蒸汽压

→水蒸气从气体中凝结析出。

（计算容积流量时应加上析出的液体和气体，减去加入的气体）

△工艺气中间洗涤和净化除掉的部分也要换算到压缩机进口的压力和温度状态计入；

供气量

压缩机实际排气量是表征压缩机尺寸大小的一个量，它不反映压缩机所排气体的物质数量，不是用户最终真正得到的气体量。

供气量（标准输气量、标准容积流量或标准排气量）：将压缩机压缩并排出的气体在标准排气位置的实际容积流量换算到标准工况（760mmHg，0℃）的干气容积值。Nm3/min

级间如果有冷凝水析出，则被分离掉的冷凝水不计入供气量；

级间如果进行抽气洗涤净化，则被洗涤掉的组分不计入供气量；

级间如果被压缩介质被抽走并用于工艺流程，则这部分气体也应换算成干气体计入供气量；若中途加入其他气体并由机组出口排出，则这部分气体计入供气量。

压缩机工作时，缸内气体的压力、温度是不断变化的，而标准吸气位置的压力和温度是基本稳定的，故压缩机的吸气量是折算到标准吸气位置状态（也称名义吸气状态）的气体容积。

容积系数λV影响因素：α（相对余隙容积）、ε（名义压力比）、m膨胀过程指数

气缸余隙容积的存在使得容积系数λV < 1。

影响排气量的因素

排气量主要影响因素为排气系数λ和转速n等

（1）容积系数λV是排气系数中的最主要影响系数，气缸余隙影响较大，结构设计应尽量减

少余隙，可以利用余隙条件排气量；

（2）容积系数λV是排气系数中的最主要影响系数，气缸余隙影响较大，结构设计应尽量减少余隙，可以利用余隙条件排气量；

（3）密封良好减少泄漏，保证排气量；

（4）适当增加转速，可增加排气量，但损失和功耗明显增大。

若压缩机吸入气体中含有水蒸气（或其它易凝组分，如烃类），这些气体经过压缩后，其中

水蒸气或其它易凝组分的分压随气体压力的提高而相应增大，经过级间冷却后，易凝组分的分压大于该温度下的饱和蒸汽压时，就会有凝液析出，并通过分离器排出。这样后面的气缸实际吸入的气量就减少，这种影响可用凝析系数来表示。

凝析条件

相对湿度φ=水蒸气分压p t / 同温度饱和蒸气压p b

绝对湿度：单位体积湿空气中含水蒸气质量。即湿空气中水蒸气在该温度、该水汽分压下的密度。

例：已知3L-10/8两级空气压缩机一级吸气温度40℃，吸气压力为0.1MPa，吸气相对湿度为0.8，一级排气压力（即二级吸气压力）0.3MPa，一级排气温度140 ℃，经中间冷却器冷却到50 ℃，再进二级缸压缩。试判断何时有凝液析出？并计算凝析系数。

例：试确定3L-10/8空气压缩机的气缸工作容积及气缸直径。

已知：要求排气量Q V0=10m3/min，最终压力为0.8MPa（表），采用两级压缩，各级压力比ε=3，选定转速n=450r/min，活塞行程S=200mm。前两级排气系数λI =0.778，λⅡ=0.789；前两级凝析系数μφⅠ=1，μφⅡ=0.981。活塞杆直径d=35mm。

活塞平均速度

轴功率

1多级压缩的理由

（1）可以节省压缩气体的指示功（2）可以降低排气温度

（3）提高容积系数

（4）降低活塞力

最省功原则：等压力比分配原则

2-2 试核算3L-20/3.5气体压缩机的排气量，并核算电动机是否超载。该压缩机气缸直径300mm，活塞杆直径35mm，活塞行程200mm，转速480r/min，吸气压力0.098MPa，排气压力0.35MPa(表压)，气缸相对余隙容积0.05，绝热指数1.40，电机与压缩机用皮带连结，电机功率95kW。

压缩机工作时，作用力有三种：

（1）压缩气体的作用力。（气体力）

（2）运动件的惯性力。（往复惯性力和旋转惯性力）

（3）摩擦力。（往复摩擦力和旋转摩擦力）

压缩气体力为作功力，是有用力。

惯性力和摩擦力是无用力，有害力。

压缩机中的气体力、往复惯性力和往复摩擦力都是沿气缸中心线方向作用，故将它们的代数和称之为列的综合活塞力

加飞轮的目的：

解决驱动力矩与工作力矩不均衡问题，使压缩机转速均匀，减小电机电流和电压的波动幅度。

旋转惯性力的平衡方法：曲柄反方向加平衡重

?往复惯性力的平衡方法：采用双列气缸或对称布置气缸来平衡部分惯性力。

离心压缩机的典型结构

级：一个叶轮及固定部件（压缩机基本单元）

段：一对进出口之间所有级（冷却或工艺要求）

缸：一套机壳及缸内所有级

叶轮：唯一做功元件闭式、半开式、双吸式（双面进气）

扩压器：能量转换元件（动能→压能，气流减速增压）

无叶（片）型、叶片（有叶）型

基本工作原理

气体由吸气室吸入，通过叶轮对气体做功后，使气体的压力、速度、温度都得到提高，然后再进入扩压器，将气体的速度能转变为压力能。

级内的各种能量损失

A.级内流动损失

（1）摩阻损失：

（2）分离损失：边界层（c →0）分离（回流）控制通道扩张角（锥度、扩压度）

（3）冲击损失（叶轮、扩压器）：（叶轮为例，扩压器类似分析）

叶轮进气角β1≠叶片进口角β1A，冲击分离损失（相当于扩张角↑）

（4）二次流损失：垂直环流

（5）尾迹损失：叶尖绕流

B.漏气损失

C.轮阻损失

简述旋转脱离与喘振现象，说明两者之间有什么关系？说明喘振的危害，为防喘振可采取哪些措施？

压缩机流量减少，气流进入叶轮时正冲角很大，

使叶片非工作面上的气流严重分离，并由一个或几个叶道开始，逐步向其它叶道扩展，沿叶轮旋转反方向发展，这种现象为“旋转脱离”。随着旋转脱离的进一步扩大，气流受到严重阻塞，排出压力降低，当管网中气体压力高于压缩机出口压力时，管网气流会倒流，反向冲击叶轮。当气流灌满叶道后，又出现正向流动。这种周期性、低频率、大振幅的正反气流震荡现象为喘振。

喘振特点：

小流量时出现，低频率、大振幅、周期性震动，机器发出异常噪音、吼叫、爆音，声音较高。管网容积愈大，震动愈严重。

喘振影响因素：

吸入流量降低，管网反向压力大，气流进口冲角大于零。

喘振的危害：

使机器性能恶化，压力和效率显著降低，异常噪音，机器震动，轴承及密封损坏，转