1.8　其他流体输送机械

1.8.1　往复泵

作用原理　图1-64所示为曲柄连杆机构带动的往复泵，它主要由泵缸、活柱（或活塞）和活门组成。活柱在外力推动下作往复运动，由此改变泵缸内的容积和压强，交替地打开和关闭吸入、压出活门，达到输送液体的目的。由此可见，往复泵是通过活柱的往复运动直接以压强能的形式向液体提供能量的。

往复泵可按作用方式分为单动往复泵（如图1-64所示）和双动往复泵（如图1-65所示）。

往复泵的流量特性　往复泵的流量原则上应等于单位时间内活塞在泵缸中扫过的体积。它与往复频率、活塞面积和行程及泵缸数有关。活塞的往复运动若由等速旋转的曲柄机构变换而得，则其速度变化服从正弦曲线规律。在一个周期内，泵的流量也必经历同样的变化，如图1-66所示。

流量的不均匀是往复泵的严重缺点， 它不仅使往复泵不能用于某些对流量均匀性要求较高的场合，而且使整个管路内的液体处于变速运动状态。增加了能量损失，且易产生冲击，造成水锤现象，并会降低泵的吸入能力。

提高管路流量均匀性的常用方法有两个：①采用多缸往复泵。只要各缸曲柄的正弦曲线交叉一定角度，就可使流量较为均匀。②装置空气室。空气室（见图1-64）是利用气体的压缩和膨胀来贮存或放出部分液体，以减小管路中流量的不均匀性。

往复泵的理论流量是由活塞扫过的体积决定，与管路特性无关。而往复泵提供的压头则只决定于管路情况，见图1-67。这种特性称为正位移特性，具有这种特性的泵称为正位移泵。实际上，往复泵的流量随压头升高而略微减小，这是由于容积损失增大造成的。

往复泵的流量调节　因往复泵属正位移泵，其流量与管路特性无关，不能用出口阀门来调节流量。装出口调节阀不能改变流量，且还会造成危险，一旦出口阀关闭，泵缸内压强将急剧上升，导致机件破损或电机烧毁。

往复泵的流量调节方法是：

（1）旁路调节　旁路调节如图1-68所示。因往复泵的流量一定，通过阀门调节旁路流量，使一部分压出流体返回吸入管路，便可达到调节主管流量的目的。

显然，这种调节方法很不经济，只适用于变化幅度较小的经常性调节。

（2）改变曲柄转速和活塞行程　因电动机是通过减速装置、曲柄连杆与往复泵相连接的， 所以改变减速装置的传动比可以更方便地改变曲柄转速，达到流量调节的目的。因此，改变转速的调节方法是最常用的经济方法。

1.8.2　其他液体用泵

轴流泵　轴流泵的简单构造如图1-69所示。转轴带动轴头转动，轴头上装有叶片2。液体顺箭头方向进入泵壳，经过叶片，然后又经过固定于泵壳的导叶3流入压出管路。

轴流泵提供的压头一般较小，但输液量却很大，特别适用于大流量、低压头的流体输送。轴流泵的特性曲线如图1-70所示。由图可见轴流泵有下列特点，H～q_V特性曲线很陡，流量越小，所需功率越大；高效操作区很小。

轴流泵一般不设置出口阀，调节流量是通过改变泵的特性曲线来实现的。常用方法有：①改变叶轮转速；②改变叶片安装角度。轴流泵的叶片可以做成可调形式。

轴流泵的叶轮一般都浸没在液体中，若叶轮高出液面，启动前也必须灌泵。

旋涡泵　旋涡泵的构造如图1-71所示，其主要部分是叶轮及叶轮与泵体组成的流道。流道用隔舌将吸入口和压出口分开。叶轮旋转时，边缘区形成高压强，因而构成一个与叶轮周围垂直的径向环流。在径向环流的作用下，液体从吸入至排出的过程中可多次自叶轮获得能量。旋涡泵的效率相当低，一般为20%～50%。旋涡泵的H_e～q_V特性曲线呈陡降形（见图1-72）。

旋涡泵的特点：①压头和功率曲线下降较快，启动时应打开出口阀。改变流量时，旁路调节比出口阀调节经济。②在叶轮直径和转速相同的条件下，旋涡泵的压头比离心泵高出2～4倍，适用于高压头、小流量的场合。③输送液体不能含有固体颗粒。

隔膜泵　隔膜泵实际上就是往复泵，借弹性薄膜将活柱与被输送的液体隔开，这样当输送腐蚀性液体或悬浮液时，可使活柱和缸体免受损伤。隔膜用耐腐蚀橡皮或弹性金属薄片制成。图1-73中隔膜左侧所有和液体接触的部分均由耐腐蚀材料制成或涂有耐腐蚀物质；隔膜右侧充满油或水。当活柱作往复运动时，迫使隔膜交替地向两边弯曲，将液体吸入和排出。

计量泵　在化工生产中，有时要求精确地输送流量恒定的液体或将几种液体按比例输送。计量泵能够很好地满足这些要求。计量泵的基本构造与往复泵相同，但设有一套可以准确而方便地调节活塞行程的机构。多缸计量泵每个活塞的行程可单独调节，能实现多种液体按比例输送或混合。

齿轮泵　齿轮泵是正位移泵的另一种类型，其结构如图1-74所示。其中图1-74（a）为一般的齿轮泵，泵壳中有一对相互啮合的齿轮，将泵内空间分成互不相通的吸入腔和排出腔。齿轮旋转时，封闭在齿穴和泵壳间的液体被强行压出。齿轮脱离啮合时形成真空并吸入液体，排出腔则产生管路需要的压强。此种齿轮泵有自吸能力，但流量有些波动，且有噪音和振动。为消除后一缺点，多年来已逐步使用内啮合式的齿轮泵［见图1-74（b）］。它较一般齿轮泵工作平稳， 但制造稍复杂。

齿轮泵的流量较小，但可产生较高的压头。工业中大多用来输送黏稠液体甚至膏糊状物料，但不宜输送含有粗颗粒的悬浮液。

螺杆泵　螺杆泵是泵类产品中出现较晚的、较新的一种。螺杆泵按螺杆的数目，可分为单螺杆泵、双螺杆泵、三螺杆泵和五螺杆泵。单螺杆泵的结构如图1-75所示，此泵的工作原理是靠螺杆在具有内螺纹泵壳中偏心转动，将液体沿轴向推进，至排出口排出，多螺杆泵则依靠螺杆间相互啮合的容积变化来输送液体。螺杆泵的效率较齿轮泵高，运转时无噪声、无振动、流量均匀，特别适用于高黏度液体的输送。

各类泵的比较和选择　离心泵由于其适用性广、价格低廉成为应用最广的泵，它易于达到大流量，较难产生高压头。往复泵则易于获得高压头而难以获得大流量。旋转泵（齿轮泵、螺杆泵等）也是靠挤压作用产生压头的，但输液腔一般很小，故只适用于流量小而压头较高的场合，对高黏度料液尤其适宜。各类化工用泵的详细比较见表1-4。

1.8.3　气体输送机械

气体输送机械的结构和原理与液体输送机械大体相同。但是气体具有可压缩性和比液体小得多的密度（约为液体密度的1/1000），从而使气体输送往往要求大的体积流量。

气体在输送机械内部发生压强变化的同时，体积和温度也将随之发生变化。这些变化对气体输送机械的结构、形状有很大影响。因此，气体输送机械除按其结构和作用原理进行分类外，还根据它所能产生的进、出口压强差（如进口压强为大气压，则压差即为表压计的出口压强）或压强比（称为压缩比）进行分类，以便于选择。

①通风机：出口压强不大于15kPa （表压），压缩比为1～1.15；

②鼓风机：出口压强为15kPa～0.3MPa（表压），压缩比小于4；

③压缩机：出口压强为0.3MPa（表压）以上，压缩比大于4；

④真空泵：用于减压，出口压力为0.1MPa（绝压），其压缩比由真空度决定。

工业上常用的通风机有轴流式和离心式两类。

轴流式通风机　轴流式通风机的结构与轴流泵类似，如图1-76所示。轴流式通风机排送量大，但所产生的风压甚小，一般只用于通风换气，而不用于管道输送气体。生产中，在空冷器和冷却水塔的通风方面，轴流式通风机的应用很广。

离心式通风机　离心式通风机的工作原理与离心泵完全相同，其构造与离心泵也大同小异。 图1-77所示为一离心式通风机。对于通风机，习惯上用每立方米气体获得的能量（J/m³）来表示压头，SI单位为N/m²，与压强相同。所以风机的压头称为全压（又称风压）。根据所产生的全压大小，离心式通风机又可分为低压、中压、高压离心式通风机。

通风机的叶轮直径一般是比较大的，叶片形状并不一定是后弯的，为产生较高压头也有径向或前弯叶片。离心式通风机的主要参数和离心泵相似，主要包括流量（风量）、全压（风压）、功率和效率。

通风机的风压与气体密度成正比。如取1m³气体为基准，对通风机进、出口截面（分别以下标1、2表示）作能量衡算，可得通风机的全压

　　（1-104）

因式中（z₂-z₁）ρg可以忽略，当空气直接由大气进入通风机时，u₁也可以忽略，则式（1-104）简化为

　　（1-105）

由式（1-105）可见，通风机的全压由两部分组成：其中压差（p₂-p₁）称为静风压p_S；而称为动风压p_K。

在离心泵中，泵进、出口的动能差很小，可忽略，但在离心式通风机中，气体出口速度很大，动能差不能忽略。因此，与离心泵相比，通风机的性能参数多了一个动风压p_K。

通风机在出厂前，须测定其特性曲线（见图1-78），实验介质是1atm、20℃的空气（ρ'=1.2kg/m³）。因此，在选用通风机时，若所输送气体的密度与实验介质相差较大，应先将实际所需全压p_T换算成实验状况下的全压p'_T，然后根据产品样本中的数据确定风机的型号。由式（1-104）可知，全压换算可按式（1-106）进行

　　（1-106）

式中，ρ为实际输送气体的密度。

罗茨鼓风机　在工厂中常用的鼓风机有旋转式和离心式两种类型。旋转式鼓风机类型很多，罗茨鼓风机是其中应用最广的一种。罗茨鼓风机的结构如图1-80所示，其工作原理与齿轮泵相似。因转子端部与机壳、转子与转子之间缝隙很小， 当转子作旋转运动时，可将机壳与转子之间的气体强行排出，两转子的旋转方向相反，可将气体从一侧吸入，从另一侧排出。

罗茨鼓风机属于正位移型，其风量与转速成正比，而与出口压强无关。罗茨鼓风机的风量为0.03～9m³/h，出口压强不超过80kPa。出口压强太高，泄漏量增加，效率降低。

罗茨鼓风机的出口应安装稳压气柜与安全阀，流量用旁路调节。罗茨鼓风机工作时，温度不能超过85℃，否则因转子受热膨胀易发生卡住现象。

离心式鼓风机　离心式鼓风机又称透平鼓风机，其工作原理与离心式通风机相同，但因单级通风机不可能产生很高风压（一般不超过50kPa），故压头较高的离心式鼓风机都是多级的。其结构和多级离心泵类似。离心式鼓风机的出口压强一般不超过0.3MPa（表压）， 因压缩比不大，不需要冷却装置，各级叶轮尺寸基本相等。

往复式压缩机　常用的压缩机主要有往复式和离心式两大类。往复式压缩机的基本结构和工作原理与往复泵相似。但因为气体的密度小、可压缩，故压缩机的吸入和排出活门必须更加灵巧精密；为移除压缩放出的热量以降低气体的温度，必须附设冷却装置。

往复式压缩机的产品有多种，除空气压缩机外，还有氨气压缩机、氢气压缩机、石油气压缩机等，以适应各种特殊需要。

往复式压缩机的选用主要依据生产能力和排出压强（或压缩比）两个指标。生产能力用m³/min表示，以吸入常压空气来测定。在实际选用时，首先根据所输送气体的特殊性质，决定压缩机的类型，然后再根据生产能力和排出压强，从产品样本中选用适用的压缩机。

离心式压缩机　离心式压缩机又称为透平压缩机，其工作原理与离心式鼓风机完全相同， 离心式压缩机之所以能产生高压强，除级数较多外，更主要的是采用高转速。例如，国产DA220-71型离心式压缩机，进口为常压，出口约为1MPa，其转速高达8500r/min，由汽轮机驱动。为获得更高的压强，叶轮的转速必须更高。

与往复式压缩机相比，离心式压缩机具有体积小、重量轻、运转平稳、操作可靠、调节容易、维修方便、流量大而均匀、压缩气可不受油污染等一系列优点。因此，近年来在工业生产中，往复式压缩机已越来越多地为离心式压缩机所代替。

离心式压缩机的缺点是：制造精度要求高，当流量偏离额定值时效率较低。

真空泵　真空泵就是在负压下吸气、一般在大气压下排气的输送机械，用来维持系统工艺要求的真空状态。对于仅几十个帕斯卡到上千帕斯卡的真空度，普通的通风机和鼓风机就行了。但当希望维持较高的真空度，如绝对压在20kPa以下至几个毫米汞柱（Torr❶），就需要专门的真空泵。对于需维持绝对压在10^-3Torr以下的超高真空，就需应用扩散、吸附等原理制造的专门设备。下面介绍几种制药工业常用的真空泵。

往复式真空泵　往复式真空泵的构造和原理与往复式压缩机基本相同。但是，真空泵的压缩比很高（例如，对于95%的真空度，压缩比约为20），所抽吸气体的压强很小，故真空泵的余隙容积必须更小。排出和吸入阀门必须更加轻巧灵活。

往复式真空泵所排放的气体不应含有液体，如气体中含有大量蒸气，必须把可凝性气体设法（一般采用冷凝）除掉之后再进入泵内，即它属于干式真空泵。

水环式真空泵　水环式真空泵的外壳呈圆形，其中有一偏心安装的叶轮，如图1-81所示。水环式真空泵工作时，泵内注入一定量的水，当叶轮旋转时，由于离心力的作用，将水甩至壳壁形成水环。此水环具有密封作用，使叶片间的空隙形成许多大小不同的密封室。由于叶轮的旋转运动，密封室由小变大形成真空，将气体从吸入口吸入；继而密封室由大变小，气体由压出口排出。

水环式真空泵在吸气中可允许夹带少量液体，属于湿式真空泵，结构简单紧凑，最高真空度可达85%。水环式真空泵运转时，要不断地充水以维持泵内液封，同时也起冷却的作用。

水环真空泵可作为鼓风机用，所产生的风压不超过0.1MPa（表压）。

液环真空泵　液环真空泵又称纳氏泵，在制药生产中应用很广，其结构如图1-82所示。和水环式真空泵一样，工作腔也是由一些大小不同的密封室组成的。但是，水环式真空泵的工作腔只有一个，系叶轮的偏心所造成，而液环真空泵的工作腔有两个，是由于泵壳的椭圆形状所形成。

液环真空泵除用作真空泵外，也可用作压缩机，产生的压强可高达0.5～0.6MPa（表压）。

旋片真空泵　旋片真空泵是旋转式真空泵的一种，其工作原理见图1-83。

旋片真空泵的主要部分浸没于真空油中，为的是密封各部件间隙，充填有害的余隙和得到润滑。此泵属于干式真空泵。如需抽吸含有少量可凝性气体的混合气时，泵上设有专门设计的镇气阀（能在一定压强下打开的单向阀），把经控制的气流（通常是湿度不大的空气）引到泵的压缩腔内，以提高混合气的压强，使其中的可凝性气体在分压尚未达到泵腔温度下的饱和值时，即被排出泵外。

旋片真空泵可达较高的真空度（约为5×10^-3 Torr绝对压强），抽气速率比较小，适用于抽除干燥或含有少量可凝性蒸气的气体。不适宜用于抽除含尘和对润滑油起化学作用的气体。

喷射真空泵　喷射真空泵是利用高速流体射流时压强能向动能转换所造成的真空，将气体吸入泵内，并在混合室通过碰撞、混合以提高吸入气体的机械能，气体和工作流体一并排出泵外。

喷射真空泵的工作流体可以是水蒸气也可以是水，前者称为蒸汽喷射泵，后者称为水喷射泵。

单级蒸汽喷射泵（见图1-84）仅能达到90%的真空度。为获得更高的真空度可采用多级蒸汽喷射泵， 工程上最多采用五级蒸汽喷射泵，其极限真空可达1.3Pa（绝压）。

喷射真空泵的优点是工作压强范围广，抽气量大，结构简单，适应性强（可抽吸含有灰尘以及腐蚀性、易燃、易爆的气体等），其缺点是效率很低，一般只有10%～25%。因此，喷射泵多用于抽真空，很少用于输送目的。

真空泵的主要特性　真空泵的最主要特性是极限真空和抽气速率：

①极限真空（残余压强）是真空泵所能达到的稳定最低压强，习惯上以绝对压强表示， 单位为Pa或Torr；

②抽气速率（简称抽率）是单位时间内真空泵吸入口吸进的气体体积。注意，这是在吸入口的温度和压强（极限真空）条件下的体积流量，常以m³/h或L/s表示。

这两个特性是选择真空泵的依据。

真空泵所需的抽率　需用真空泵连续抽除的气体量一般较难确定，它包括单位时间内从外界漏入真空系统的空气量、与过程液体的饱和蒸气压相当的蒸气量、用冷却水直接冷却释放出的溶解空气量、工艺过程产生的不凝性气体量。