1.8　其他流體輸送機械

1.8.1　往復泵

作用原理　圖1-64所示為曲柄連桿機構帶動的往復泵，它主要由泵缸、活柱（或活塞）和活門組成。活柱在外力推動下作往復運動，由此改變泵缸內的容積和壓強，交替地打開和關閉吸入、壓出活門，達到輸送液體的目的。由此可見，往復泵是通過活柱的往復運動直接以壓強能的形式向液體提供能量的。

往復泵可按作用方式分為單動往復泵（如圖1-64所示）和雙動往復泵（如圖1-65所示）。

往復泵的流量特性　往復泵的流量原則上應等于單位時間內活塞在泵缸中掃過的體積。它與往復頻率、活塞面積和行程及泵缸數有關。活塞的往復運動若由等速旋轉的曲柄機構變換而得，則其速度變化服從正弦曲線規律。在一個周期內，泵的流量也必經歷同樣的變化，如圖1-66所示。

流量的不均勻是往復泵的嚴重缺點， 它不僅使往復泵不能用于某些對流量均勻性要求較高的場合，而且使整個管路內的液體處于變速運動狀態。增加了能量損失，且易產生沖擊，造成水錘現象，并會降低泵的吸入能力。

提高管路流量均勻性的常用方法有兩個：①采用多缸往復泵。只要各缸曲柄的正弦曲線交叉一定角度，就可使流量較為均勻。②裝置空氣室。空氣室（見圖1-64）是利用氣體的壓縮和膨脹來貯存或放出部分液體，以減小管路中流量的不均勻性。

往復泵的理論流量是由活塞掃過的體積決定，與管路特性無關。而往復泵提供的壓頭則只決定于管路情況，見圖1-67。這種特性稱為正位移特性，具有這種特性的泵稱為正位移泵。實際上，往復泵的流量隨壓頭升高而略微減小，這是由于容積損失增大造成的。

往復泵的流量調節　因往復泵屬正位移泵，其流量與管路特性無關，不能用出口閥門來調節流量。裝出口調節閥不能改變流量，且還會造成危險，一旦出口閥關閉，泵缸內壓強將急劇上升，導致機件破損或電機燒毀。

往復泵的流量調節方法是：

（1）旁路調節　旁路調節如圖1-68所示。因往復泵的流量一定，通過閥門調節旁路流量，使一部分壓出流體返回吸入管路，便可達到調節主管流量的目的。

顯然，這種調節方法很不經濟，只適用于變化幅度較小的經常性調節。

（2）改變曲柄轉速和活塞行程　因電動機是通過減速裝置、曲柄連桿與往復泵相連接的， 所以改變減速裝置的傳動比可以更方便地改變曲柄轉速，達到流量調節的目的。因此，改變轉速的調節方法是最常用的經濟方法。

1.8.2　其他液體用泵

軸流泵　軸流泵的簡單構造如圖1-69所示。轉軸帶動軸頭轉動，軸頭上裝有葉片2。液體順箭頭方向進入泵殼，經過葉片，然后又經過固定于泵殼的導葉3流入壓出管路。

軸流泵提供的壓頭一般較小，但輸液量卻很大，特別適用于大流量、低壓頭的流體輸送。軸流泵的特性曲線如圖1-70所示。由圖可見軸流泵有下列特點，H～q_V特性曲線很陡，流量越小，所需功率越大；高效操作區很小。

軸流泵一般不設置出口閥，調節流量是通過改變泵的特性曲線來實現的。常用方法有：①改變葉輪轉速；②改變葉片安裝角度。軸流泵的葉片可以做成可調形式。

軸流泵的葉輪一般都浸沒在液體中，若葉輪高出液面，啟動前也必須灌泵。

旋渦泵　旋渦泵的構造如圖1-71所示，其主要部分是葉輪及葉輪與泵體組成的流道。流道用隔舌將吸入口和壓出口分開。葉輪旋轉時，邊緣區形成高壓強，因而構成一個與葉輪周圍垂直的徑向環流。在徑向環流的作用下，液體從吸入至排出的過程中可多次自葉輪獲得能量。旋渦泵的效率相當低，一般為20%～50%。旋渦泵的H_e～q_V特性曲線呈陡降形（見圖1-72）。

旋渦泵的特點：①壓頭和功率曲線下降較快，啟動時應打開出口閥。改變流量時，旁路調節比出口閥調節經濟。②在葉輪直徑和轉速相同的條件下，旋渦泵的壓頭比離心泵高出2～4倍，適用于高壓頭、小流量的場合。③輸送液體不能含有固體顆粒。

隔膜泵　隔膜泵實際上就是往復泵，借彈性薄膜將活柱與被輸送的液體隔開，這樣當輸送腐蝕性液體或懸浮液時，可使活柱和缸體免受損傷。隔膜用耐腐蝕橡皮或彈性金屬薄片制成。圖1-73中隔膜左側所有和液體接觸的部分均由耐腐蝕材料制成或涂有耐腐蝕物質；隔膜右側充滿油或水。當活柱作往復運動時，迫使隔膜交替地向兩邊彎曲，將液體吸入和排出。

計量泵　在化工生產中，有時要求精確地輸送流量恒定的液體或將幾種液體按比例輸送。計量泵能夠很好地滿足這些要求。計量泵的基本構造與往復泵相同，但設有一套可以準確而方便地調節活塞行程的機構。多缸計量泵每個活塞的行程可單獨調節，能實現多種液體按比例輸送或混合。

齒輪泵　齒輪泵是正位移泵的另一種類型，其結構如圖1-74所示。其中圖1-74（a）為一般的齒輪泵，泵殼中有一對相互嚙合的齒輪，將泵內空間分成互不相通的吸入腔和排出腔。齒輪旋轉時，封閉在齒穴和泵殼間的液體被強行壓出。齒輪脫離嚙合時形成真空并吸入液體，排出腔則產生管路需要的壓強。此種齒輪泵有自吸能力，但流量有些波動，且有噪音和振動。為消除后一缺點，多年來已逐步使用內嚙合式的齒輪泵［見圖1-74（b）］。它較一般齒輪泵工作平穩， 但制造稍復雜。

齒輪泵的流量較小，但可產生較高的壓頭。工業中大多用來輸送黏稠液體甚至膏糊狀物料，但不宜輸送含有粗顆粒的懸浮液。

螺桿泵　螺桿泵是泵類產品中出現較晚的、較新的一種。螺桿泵按螺桿的數目，可分為單螺桿泵、雙螺桿泵、三螺桿泵和五螺桿泵。單螺桿泵的結構如圖1-75所示，此泵的工作原理是靠螺桿在具有內螺紋泵殼中偏心轉動，將液體沿軸向推進，至排出口排出，多螺桿泵則依靠螺桿間相互嚙合的容積變化來輸送液體。螺桿泵的效率較齒輪泵高，運轉時無噪聲、無振動、流量均勻，特別適用于高黏度液體的輸送。

各類泵的比較和選擇　離心泵由于其適用性廣、價格低廉成為應用最廣的泵，它易于達到大流量，較難產生高壓頭。往復泵則易于獲得高壓頭而難以獲得大流量。旋轉泵（齒輪泵、螺桿泵等）也是靠擠壓作用產生壓頭的，但輸液腔一般很小，故只適用于流量小而壓頭較高的場合，對高黏度料液尤其適宜。各類化工用泵的詳細比較見表1-4。

1.8.3　氣體輸送機械

氣體輸送機械的結構和原理與液體輸送機械大體相同。但是氣體具有可壓縮性和比液體小得多的密度（約為液體密度的1/1000），從而使氣體輸送往往要求大的體積流量。

氣體在輸送機械內部發生壓強變化的同時，體積和溫度也將隨之發生變化。這些變化對氣體輸送機械的結構、形狀有很大影響。因此，氣體輸送機械除按其結構和作用原理進行分類外，還根據它所能產生的進、出口壓強差（如進口壓強為大氣壓，則壓差即為表壓計的出口壓強）或壓強比（稱為壓縮比）進行分類，以便于選擇。

①通風機：出口壓強不大于15kPa （表壓），壓縮比為1～1.15；

②鼓風機：出口壓強為15kPa～0.3MPa（表壓），壓縮比小于4；

③壓縮機：出口壓強為0.3MPa（表壓）以上，壓縮比大于4；

④真空泵：用于減壓，出口壓力為0.1MPa（絕壓），其壓縮比由真空度決定。

工業上常用的通風機有軸流式和離心式兩類。

軸流式通風機　軸流式通風機的結構與軸流泵類似，如圖1-76所示。軸流式通風機排送量大，但所產生的風壓甚小，一般只用于通風換氣，而不用于管道輸送氣體。生產中，在空冷器和冷卻水塔的通風方面，軸流式通風機的應用很廣。

離心式通風機　離心式通風機的工作原理與離心泵完全相同，其構造與離心泵也大同小異。 圖1-77所示為一離心式通風機。對于通風機，習慣上用每立方米氣體獲得的能量（J/m³）來表示壓頭，SI單位為N/m²，與壓強相同。所以風機的壓頭稱為全壓（又稱風壓）。根據所產生的全壓大小，離心式通風機又可分為低壓、中壓、高壓離心式通風機。

通風機的葉輪直徑一般是比較大的，葉片形狀并不一定是后彎的，為產生較高壓頭也有徑向或前彎葉片。離心式通風機的主要參數和離心泵相似，主要包括流量（風量）、全壓（風壓）、功率和效率。

通風機的風壓與氣體密度成正比。如取1m³氣體為基準，對通風機進、出口截面（分別以下標1、2表示）作能量衡算，可得通風機的全壓

　　（1-104）

因式中（z₂-z₁）ρg可以忽略，當空氣直接由大氣進入通風機時，u₁也可以忽略，則式（1-104）簡化為

　　（1-105）

由式（1-105）可見，通風機的全壓由兩部分組成：其中壓差（p₂-p₁）稱為靜風壓p_S；而稱為動風壓p_K。

在離心泵中，泵進、出口的動能差很小，可忽略，但在離心式通風機中，氣體出口速度很大，動能差不能忽略。因此，與離心泵相比，通風機的性能參數多了一個動風壓p_K。

通風機在出廠前，須測定其特性曲線（見圖1-78），實驗介質是1atm、20℃的空氣（ρ'=1.2kg/m³）。因此，在選用通風機時，若所輸送氣體的密度與實驗介質相差較大，應先將實際所需全壓p_T換算成實驗狀況下的全壓p'_T，然后根據產品樣本中的數據確定風機的型號。由式（1-104）可知，全壓換算可按式（1-106）進行

　　（1-106）

式中，ρ為實際輸送氣體的密度。

羅茨鼓風機　在工廠中常用的鼓風機有旋轉式和離心式兩種類型。旋轉式鼓風機類型很多，羅茨鼓風機是其中應用最廣的一種。羅茨鼓風機的結構如圖1-80所示，其工作原理與齒輪泵相似。因轉子端部與機殼、轉子與轉子之間縫隙很小， 當轉子作旋轉運動時，可將機殼與轉子之間的氣體強行排出，兩轉子的旋轉方向相反，可將氣體從一側吸入，從另一側排出。

羅茨鼓風機屬于正位移型，其風量與轉速成正比，而與出口壓強無關。羅茨鼓風機的風量為0.03～9m³/h，出口壓強不超過80kPa。出口壓強太高，泄漏量增加，效率降低。

羅茨鼓風機的出口應安裝穩壓氣柜與安全閥，流量用旁路調節。羅茨鼓風機工作時，溫度不能超過85℃，否則因轉子受熱膨脹易發生卡住現象。

離心式鼓風機　離心式鼓風機又稱透平鼓風機，其工作原理與離心式通風機相同，但因單級通風機不可能產生很高風壓（一般不超過50kPa），故壓頭較高的離心式鼓風機都是多級的。其結構和多級離心泵類似。離心式鼓風機的出口壓強一般不超過0.3MPa（表壓）， 因壓縮比不大，不需要冷卻裝置，各級葉輪尺寸基本相等。

往復式壓縮機　常用的壓縮機主要有往復式和離心式兩大類。往復式壓縮機的基本結構和工作原理與往復泵相似。但因為氣體的密度小、可壓縮，故壓縮機的吸入和排出活門必須更加靈巧精密；為移除壓縮放出的熱量以降低氣體的溫度，必須附設冷卻裝置。

往復式壓縮機的產品有多種，除空氣壓縮機外，還有氨氣壓縮機、氫氣壓縮機、石油氣壓縮機等，以適應各種特殊需要。

往復式壓縮機的選用主要依據生產能力和排出壓強（或壓縮比）兩個指標。生產能力用m³/min表示，以吸入常壓空氣來測定。在實際選用時，首先根據所輸送氣體的特殊性質，決定壓縮機的類型，然后再根據生產能力和排出壓強，從產品樣本中選用適用的壓縮機。

離心式壓縮機　離心式壓縮機又稱為透平壓縮機，其工作原理與離心式鼓風機完全相同， 離心式壓縮機之所以能產生高壓強，除級數較多外，更主要的是采用高轉速。例如，國產DA220-71型離心式壓縮機，進口為常壓，出口約為1MPa，其轉速高達8500r/min，由汽輪機驅動。為獲得更高的壓強，葉輪的轉速必須更高。

與往復式壓縮機相比，離心式壓縮機具有體積小、重量輕、運轉平穩、操作可靠、調節容易、維修方便、流量大而均勻、壓縮氣可不受油污染等一系列優點。因此，近年來在工業生產中，往復式壓縮機已越來越多地為離心式壓縮機所代替。

離心式壓縮機的缺點是：制造精度要求高，當流量偏離額定值時效率較低。

真空泵　真空泵就是在負壓下吸氣、一般在大氣壓下排氣的輸送機械，用來維持系統工藝要求的真空狀態。對于僅幾十個帕斯卡到上千帕斯卡的真空度，普通的通風機和鼓風機就行了。但當希望維持較高的真空度，如絕對壓在20kPa以下至幾個毫米汞柱（Torr?），就需要專門的真空泵。對于需維持絕對壓在10^-3Torr以下的超高真空，就需應用擴散、吸附等原理制造的專門設備。下面介紹幾種制藥工業常用的真空泵。

往復式真空泵　往復式真空泵的構造和原理與往復式壓縮機基本相同。但是，真空泵的壓縮比很高（例如，對于95%的真空度，壓縮比約為20），所抽吸氣體的壓強很小，故真空泵的余隙容積必須更小。排出和吸入閥門必須更加輕巧靈活。

往復式真空泵所排放的氣體不應含有液體，如氣體中含有大量蒸氣，必須把可凝性氣體設法（一般采用冷凝）除掉之后再進入泵內，即它屬于干式真空泵。

水環式真空泵　水環式真空泵的外殼呈圓形，其中有一偏心安裝的葉輪，如圖1-81所示。水環式真空泵工作時，泵內注入一定量的水，當葉輪旋轉時，由于離心力的作用，將水甩至殼壁形成水環。此水環具有密封作用，使葉片間的空隙形成許多大小不同的密封室。由于葉輪的旋轉運動，密封室由小變大形成真空，將氣體從吸入口吸入；繼而密封室由大變小，氣體由壓出口排出。

水環式真空泵在吸氣中可允許夾帶少量液體，屬于濕式真空泵，結構簡單緊湊，最高真空度可達85%。水環式真空泵運轉時，要不斷地充水以維持泵內液封，同時也起冷卻的作用。

水環真空泵可作為鼓風機用，所產生的風壓不超過0.1MPa（表壓）。

液環真空泵　液環真空泵又稱納氏泵，在制藥生產中應用很廣，其結構如圖1-82所示。和水環式真空泵一樣，工作腔也是由一些大小不同的密封室組成的。但是，水環式真空泵的工作腔只有一個，系葉輪的偏心所造成，而液環真空泵的工作腔有兩個，是由于泵殼的橢圓形狀所形成。

液環真空泵除用作真空泵外，也可用作壓縮機，產生的壓強可高達0.5～0.6MPa（表壓）。

旋片真空泵　旋片真空泵是旋轉式真空泵的一種，其工作原理見圖1-83。

旋片真空泵的主要部分浸沒于真空油中，為的是密封各部件間隙，充填有害的余隙和得到潤滑。此泵屬于干式真空泵。如需抽吸含有少量可凝性氣體的混合氣時，泵上設有專門設計的鎮氣閥（能在一定壓強下打開的單向閥），把經控制的氣流（通常是濕度不大的空氣）引到泵的壓縮腔內，以提高混合氣的壓強，使其中的可凝性氣體在分壓尚未達到泵腔溫度下的飽和值時，即被排出泵外。

旋片真空泵可達較高的真空度（約為5×10^-3 Torr絕對壓強），抽氣速率比較小，適用于抽除干燥或含有少量可凝性蒸氣的氣體。不適宜用于抽除含塵和對潤滑油起化學作用的氣體。

噴射真空泵　噴射真空泵是利用高速流體射流時壓強能向動能轉換所造成的真空，將氣體吸入泵內，并在混合室通過碰撞、混合以提高吸入氣體的機械能，氣體和工作流體一并排出泵外。

噴射真空泵的工作流體可以是水蒸氣也可以是水，前者稱為蒸汽噴射泵，后者稱為水噴射泵。

單級蒸汽噴射泵（見圖1-84）僅能達到90%的真空度。為獲得更高的真空度可采用多級蒸汽噴射泵， 工程上最多采用五級蒸汽噴射泵，其極限真空可達1.3Pa（絕壓）。

噴射真空泵的優點是工作壓強范圍廣，抽氣量大，結構簡單，適應性強（可抽吸含有灰塵以及腐蝕性、易燃、易爆的氣體等），其缺點是效率很低，一般只有10%～25%。因此，噴射泵多用于抽真空，很少用于輸送目的。

真空泵的主要特性　真空泵的最主要特性是極限真空和抽氣速率：

①極限真空（殘余壓強）是真空泵所能達到的穩定最低壓強，習慣上以絕對壓強表示， 單位為Pa或Torr；

②抽氣速率（簡稱抽率）是單位時間內真空泵吸入口吸進的氣體體積。注意，這是在吸入口的溫度和壓強（極限真空）條件下的體積流量，常以m³/h或L/s表示。

這兩個特性是選擇真空泵的依據。

真空泵所需的抽率　需用真空泵連續抽除的氣體量一般較難確定，它包括單位時間內從外界漏入真空系統的空氣量、與過程液體的飽和蒸氣壓相當的蒸氣量、用冷卻水直接冷卻釋放出的溶解空氣量、工藝過程產生的不凝性氣體量。