第三节 可压缩流体输送机械与设备

食品工厂中往往需要利用风机、压缩机输送、压缩诸如空气、制冷剂蒸气等工作介质，也常利用真空泵抽吸空气形成负压环境。这些设备可归类为可压缩流体输送设备。

气体为可压缩流体，因此对其输送与压缩两者不可分割。这类输送设备对气（汽）体有不同程度的压缩作用。压缩流体输送设备的输出端气体压强与输入端气体压强之比通常称为压缩比。可压缩流体输送设备通常按其可实现的流体终压和压缩比进行划分（见表2-3）。

一、通风机与鼓风机

（一）通风机

通风机分离心式和轴流式两种。离心式通风机多用于气体输送；轴流式通风机由于产生的风压较小，一般用于通风换气。

1.离心式通风机

离心式通风机的结构与工作原理与离心泵类似，主要由（由很多叶片构成的）叶轮、机壳和机座组成。

离心式通风机可按能产生的风压分为低压（＜980Pa）、中压（980～2940Pa）和高压（2940～35700Pa）三种。

典型的离心通风机外形如图2-60所示，可见，离心式通风机的机壳呈蜗壳状，机壳断面有方形和圆形两种。一般低压和中压多为方形[图2-60（1）和（2）]，高压多为圆形[图2-60（3）]。这类风机的切向出风口一般可以在较大范围绕叶轮轴线转动安装，从而可以适应不同的安装角度要求。

2.轴流式通风机

轴流式通风机如图2-61所示，机壳多呈筒状，叶轮轴与机筒轴线重合，叶轮的叶片为扭曲状。叶轮往往由直联电动驱动，有的也通过皮带轮由装在机壳外的电机驱动。工作时空气沿轴向在叶片间流动。

轴流式通风机产生的风压不高，通常在255Pa以下，但有高达980Pa的。效率一般较高，范围在60%～65%。这种通风机作为换气风机时，直接装在墙壁或天花板的机筒上。某些生产线（如热烫冷却）也用轴流风机对产品吹风冷却。

（二）鼓风机

鼓风机产生的风压范围在1.47～300kPa，在食品加工中的应用例子有气力输送、气流干燥和流化床干燥等。鼓风机的形式通常有离心式和旋转式两种。

1.离心式鼓风机

离心式鼓风机的外形和工作原理如图2-62所示，其叶轮通常为多级式，由若干单级叶轮串联而成，气体每通过一级叶轮后风压有所增加，因此，叶轮级数越多，产生的总风压越大。

2.罗茨鼓风机

罗茨鼓风机又称旋转式鼓风机，其外形、结构和原理如图2-63所示，主要工作部件与罗茨泵类似，也是一对相互啮合转动的转子，转子的叶片数一般为两片或三片。

罗茨鼓风机的性能特点是风量不随阻力大小而改变，因此俗称“硬风”。这种风机特别适用于风量要求稳定的工艺过程。这类鼓风机的主要缺点是在压强较高时，泄漏量大，磨损较严重，噪声大。由于罗茨鼓风机噪声较大，一般要在进出口处安装消声器。相对于离心鼓风机，这类鼓风机输气量不大，压强范围在10～200kPa。

二、压缩机

压缩机用于压缩各类气体。食品工厂不乏需要压缩空气或其他气体的场合。例如，气动控制系统、罐头反压杀菌、气流式喷雾干燥、蒸气压缩制冷、热泵蒸发等许多工艺都要使用压缩机。压缩机的形式种类繁多，但至今为止，食品工业中最常见的仍然属往复式压缩机。因此，以下主要介绍往复式压缩机。

往复式压缩机又名活塞式压缩机，有多种类型。常用往复式压缩机的分类见表2-4。

（一）往复式压缩机的结构原理

往复式压缩机也称活塞式压缩机，主要结构由气缸、活塞、进气和排气阀等构成。单缸单作用往复式压缩机的工作原理如图2-64所示，低压气体由气缸内往复运动的活塞通过吸气阀吸入，经过压缩后的高压气体由排气阀排至贮气罐，或直接与高压管路相连接。

单级单缸单作用式压缩机的理论送气能力可用式（2-3）表示：

式中 q_v，t——压缩机的理论输气能力，m³/s；

D——气缸活塞的直径，m；

S——活塞的冲程，m；

n——活塞的往复频率，1/s。

实际上，由于安全原因，活塞与气缸底之间总留有一定的余隙。并且，由于气体是可压缩流体，压缩终了时留在余隙内的高压气体，会在吸气时首先膨胀至与吸气压强相等，然后才开始吸入机外气体，因此，压缩机的实际输气能力，不会像输送液体那样与容积和活塞往复频率呈线性关系。压缩机的实际输气能力可用式（2-4）表示：

式中 q_v——压缩机的实际输气能力，m³/s；

λ _a——送气系数。

送气系数实际上是压缩机气缸的有效利用系数，与压缩比（排气端高压与吸气端低压之比值）、温度等因素有关，其值总是小于1。送气系数随压缩比的增大而减小，甚至增大到某一极限时，λ_a可为0。此时，因压缩机不能吸气而无法工作。

因此，在工艺上要求高压缩比时，往往采用多级压缩，就是把两个或几个气缸串联起来，气体经过多次的压缩和冷却，压强逐级升高到所要求的最终压强。在多级压缩过程中，气体的体积逐级减小，因而气缸容积也逐级减小。图2-65为双级压缩机的示意图。

在同样压缩比下，所用级数越多，所消耗的压缩功越小。但级数增加，投资也增加。每增加一级，零部件辅助设备将成比例增加，级数过多在经济上是不合算的。因而随终压的不同，多级压缩的级数有一个合理的范围，见表2-5。

（二）压缩机选择与使用

选用压缩机时，首先根据用途，主要是由气体性质决定压缩机的种类，然后根据生产能力，确定压缩机的排气量，最后，根据工艺要求确定压缩机的排气终压。在决定压缩机排气量时，应考虑气体在贮存和输送管道中的泄漏损失，同时，为了供气安全，还应有一定的余量。在选择压缩机排气量时一般应比实际需要的用气量大20%～30%。选择压缩机的终压时，除了需要满足工艺气体压强要求以外，还应考虑输气管道压力损失。管道的压力损失可根据流体力学原理计算出。

在选取压缩机类型时，可按要求的种类、排气量、终压等条件，从压缩机厂商提供的产品目录中，选用合适的型号。产品目录中还提供了压缩机的级数、转速、活塞冲程、气缸数目、轴功率、电动机功率等性能指标，供设计人员选用时参考。

各种压缩机对气体压缩输送的主体部件（如气缸、曲轴等）高速运动摩擦作用，会产生大量热量，因而一般压缩机均需要适当的润滑和冷却措施配合。压缩机的冷却可采用风热和水冷两种方式。大型多级压缩往往采用水冷式，水冷式需要为压缩机配置专门的冷却水。小型压缩机则往往采用风冷方式，在气缸侧面装上适当的风机使气缸得到及时冷却。另外为了提高冷却效果，这种压缩机气缸外形常带散热肋片。对压缩机运动部件润滑的润滑油，难免会进入被压缩气体，因此需要将压缩气体中的油除去。最常用的除油方式是使压缩气体经过一个贮气罐，使油在其中沉降收集，与被压缩气体分开。如图2-66所示为一台自带冷却风扇的小型压缩机，它同时也带有除油用的气罐。

压缩机出来的压缩空气有些场合可以直接应用，如高压杀菌的反压冷却（参见第十二章内容）。有些场合，例如，气动控制系统，发酵罐的通气等，对压缩空气的质量有较高要求，还需要在压缩机出来的输气管路上配置净化系统。

三、真空泵

真空泵是用各种方法在某一封闭空间中改善、产生和维持真空的装置。真空泵在食品工业上的有着极为广泛的应用。许多食品单元操作，如过滤、脱气、成型、包装、冷却、蒸发、结晶、造粒、干燥、蒸馏以及冷冻升华干燥等都采用真空作业法。

（一）真空泵的分类

真空泵形式众多，能达到的真空度也高低不等，因此真空泵的种类较多。真空泵通常可按真空度、结构和工作原理进行分类（见表2-6）。

（二）机械式真空泵

1.往复式真空泵

往复式真空泵结构及工作原理与往复式压缩机类似。

往复式真空泵可直接用来获得粗真空，其极限压强一般在1333Pa（即真空度660mmHg）左右。因此可满足食品真空浓缩、真空干燥等操作的真空度要求。采用这类泵的优点是它具有较大的抽气速度，如例W型系列真空泵的抽气速率范围为8～770m³/h。

往复式真空泵是一种干式真空泵，抽气中的水汽需要采用冷凝器之类装置预先除去。

2.水环式真空泵

水环式真空泵是一种旋转式泵，外形结构和工作原理如图2-67所示，它主要由偏心叶轮与泵壳构成。当叶轮旋转时，水受离心力的作用被甩到四周，从而形成一个相对于叶轮是偏心的封闭水环。来自吸气管的被吸气体，从泵壳的吸气口进入叶轮与水环之间的空间，由于叶轮的旋转，这个空间容积由小变大而产生真空。随着叶轮继续向前旋转，此空间又由大变小，气体受到压缩，最后被迫经排气孔进入排出管。

水环式真空泵须在不断通水的情况下才能正常工作，这主要是为了将产生的热量带走，同时也是为了补充部分蒸发的水分。图2-68所示为一种带有循环补水罐的水环式真空泵连接方式。

国产SZ系列水环泵的极限压强范围为7065～16260Pa（相当于真空度范围638～122mmHg），抽气速率范围为0.12～11.5m³/min。

水环式真空泵是一种湿式粗真空设备，其特点是可抽吸带水蒸气的气体。食品工业上常用于真空封罐和真空浓缩等作业上。

3.油封旋转式真空泵

这类泵都有一旋转转子，旋转部分或磨合运动部分都用油来密封，或将其置于油箱中或采用特殊的油循环，以达到油封的目的。典型油封式真空泵有旋片式和滑阀式等。

旋片式真空泵外形及工作原理如图2-69所示，它主要由泵体、转子及旋片（亦称滑片或刮板）所组成。转子直径方向上刻有槽缝，槽内装入滑片和弹簧。转子偏心地安装在泵壳内。当转子旋转时，在弹簧力和离心力的作用下，滑片沿槽缝自由滑动，并沿泵壳内表面滑动。转子、滑片和泵壳之间所形成的空间，从进气侧由小变大，到排气侧由大变小，造成与水环泵相类似的吸气和排气条件。因此，旋片泵的抽气过程依靠机械作用使泵腔内工作容积增大和缩小而实现。

滑阀式真空泵的外形、内部结构和工作原理如图2-70所示。滑阀式真空泵，也是一种油封机械容积泵。这种泵的抽气容腔要比旋片式真空泵的大，耐用性也比旋片式的好。

这两类真空泵均有单级泵（极限压强为0.133Pa）和双级泵（极限压强为0.00133Pa），双级泵是两个抽吸单元构成的真空泵。这两类泵目前多用作食品冷冻干燥真空系统的前级泵。

4.罗茨真空泵

罗茨真空泵的结构和工作原理与罗茨鼓风机相同。罗茨真空泵转子间以及与泵壳之间配合较紧密（只有约0.1mm间隙）。尽管如此，运转时，仍然有气体会从排出侧通过间隙向吸气侧泄漏，所以其压缩效率远低于油封机械泵。但是，正因为没有摩擦接触，转速才有可能很高（一般1000～3000r/min），所以泵的抽速很大。

当泵内平均压强降低时，间隙的流导值也随之降低，从而可提高泵的效率。在压强6.665Pa、压缩比约为10的条件下，泵的效率最高。因此，罗茨真空泵在真空系统中一般作为增压泵与低真空的前级泵配合使用（图2-71）。

（三）射流式真空泵

射流式真空泵是一类泵体本身没有运动部件的泵，主要依靠通过喷嘴产生的高速射流来抽真空。食品行业常用的射流式真空泵有蒸汽喷射泵和水力喷射泵。

1.蒸汽喷射泵

蒸汽喷射泵的外形结构如图2-72所示，其沿泵体纵向的速度与压强曲线如图2-73所示。

蒸汽喷射泵的工作原理：具有较高压强的工作蒸汽进入泵后，其压强和流速沿喷嘴依次迅速降低和升高。在喷嘴内，蒸汽流至喉部处其速度已达到音速。由于蒸汽的可压缩性，已达音速的蒸汽流，在喷嘴截面渐扩后仍会继续渐增。直到离开喷嘴出口，蒸汽流的速度已经超过音速，出口处压强降得很低，造成真空状态，从而可将待抽气体吸入，与蒸汽在混合室内混合。混合气体又以一定速度进入扩压管，动能又转变成静压能。

蒸汽喷射泵有单级和多级之分。如果混合成的气体喷出时的压强高于大气压，则可直接排入大气环境，这种泵称为单级蒸汽喷射泵。如果混合气体出口的压强低于大气压，则需要由前级泵抽走。因此，多个喷射器联在一起就可以构成多级蒸汽喷射泵。需要的真空度越高，喷射泵的级数越多。表2-7给出了蒸汽喷射泵级数与能获得的绝对压强范围的关系。

蒸汽喷射泵可用于真空浓缩系统抽吸来自二次蒸汽的不凝性气体。尽管它是一种允许吸入湿气的真空泵，但其抽气量有限。因此为了减轻喷射泵的负荷，降低蒸汽消耗量，提高泵的效率，一般要与冷凝器配合，以使低压气体中尽量除去水分后，再进入蒸汽喷射泵。图2-74所示为一种为真空蒸发系统提供真空条件的三级蒸汽喷射泵的配置。

2.水力喷射泵

水力喷射泵外形与结构如图2-75所示，它由喷嘴、吸气室、混合室、扩散室等部分组成。其工作原理类似于蒸汽喷射泵，具有一定压头的冷水以高速（15～30m/s）射入混合室及扩散室，然后进入排水管中。水流在喷嘴出口处于低压状态，因此可不断吸入二次蒸汽，由于二次蒸汽与冷水之间存在温差，与冷水混合即凝结为冷凝水，同时夹带不凝结气体，随冷却水一起排出。这样既达到冷凝，又能起抽真空作用。

真空浓缩系统中，水力喷射泵一般与循环水泵、水箱组成如图2-76所示的系统，起二次蒸汽冷凝器和抽真空双重作用。系统能获得的真空度与水温有关（图2-77）。因此，为了应对冷却水温度随季节变化而引起系统真空度变化，需要调整水箱补给冷却水的补充量。值得一提的是，图2-71中的溢流水水温较高，通过适当冷却后可作为温度为常温的补充新水回流到水箱。

水力喷射器的主要特点是：①兼有冷凝器及抽真空作用，所以不必再配置真空装置；②结构简单，不需要经常检修；③适用于抽吸腐蚀性气体；④不能获得太高真空度；⑤真空度随水温升高而降低（图2-77）。

（四）真空泵的选择

真空泵的选择依据通常有：

（1）系统对真空度的要求 通常由生产工艺提出。

（2）系统正常工作时的真空度范围 要求泵正常工作时的真空度范围必须满足生产设备工作时所要求的工作压强。选泵时通常要求泵的极限真空度比设备要求的真空度高0.5～1个数量级。

（3）被抽气体种类、成分、杂质情况及系统工作时对油蒸气有无限制等情况 它在食品生产中往往是正确选择泵的关键问题。

（4）系统被抽气量 它是决定选择某一类型真空泵的主要依据。真空泵的抽速可由式（2-5）求取：

式中 S_p——泵的抽速，m³/s；

S——真空系统的抽速，m³/s；

C——流导即导管或孔口的通导能力，m³/s。