技术支持
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提高真空泵性能的几种方法
一.         提高真空泵性能的一些措施
2.1.大气喷射器的作用
图1 大气喷射器作用原理
  任何液体在任何温度下均存在一个汽化压力,液环真空泵的极限真空度,和真空泵液环流液体饱和蒸汽压有关,饱和蒸汽压高的介质,真空泵的极限真空度越低,反之,极限真空度越高。从图1我们可以看出,真空泵在1-5的吸气过程中,该腔体内形成了真空状态,由道尔顿定律可知,液环在叶轮的搅拌下,我们认为空腔1-5内充满了液环流的饱和蒸汽压和吸入气体的压力的和,当吸入气体量为零时,真空泵的吸入压力最低,真空度最高,这时1-5腔内的压力即为液环的饱和蒸汽压。所以真空泵进口的最低绝对压力一定是作为液环介质在该温度下的饱和蒸汽压力值。
  如果在液环介质不变的情况下,我们可以通过在真空泵进口处安装大气喷射装置提高液环泵的真空度,如图2,当真空泵刚开始抽吸被抽气体时,这时被抽气体的真空度较低,我们打开图2中的阀门1,关闭阀门2,当被抽气体的压力变低后,降到60~30mmHg的压力时,打开阀门2,关闭阀门1,这时因为被抽气体的系统压力较低,较大的压差使外界的大气或者来自气液分离器的气体从阀门2进入大气喷射器,气体会快速的通过大气喷射器的喷嘴,在喷嘴内气流速度进一步加快,喷嘴后压力迅速降低,以至形成喷嘴后的高真空,由于喷嘴后的低压腔和被抽气体相通,这样被抽气体会进一步被泵抽走,被抽气体的空腔内会形成更高的真空度,而真空泵的抽气量会增加,真空泵内的真空度反而会降低,这样还会有效改善泵腔内低压造成的汽蚀、振动和噪音等问题。
图3是加大气喷射器后被抽系统的真空度变化图,由图可以看出,增加大气喷射器后,被抽系统的真空度会变得很高,但是泵的功率基本没有变化,说明大气喷射器作用进提高被抽系统极限真空度,泵的轴功率不变。
 
图2 大气喷射器对真空泵性能的改变
  需要说明的是,大气喷射器的作用不仅是提高了被抽系统的真空度,当泵在非常低的压力下工作时,泵腔内会产生汽蚀现象,会使泵的振动和噪音增加,利用大气喷射器不仅可以使真空泵不需要在很抵的压力下工作,而且对提高真空泵运行的平稳性也是非常重要的。
  我们以水作为液环泵的工作液时,当水温上升到30℃,在真空度8kPa(abs)附近时泵腔内就会发生汽蚀。如果在泵的吸气口串联上大气喷射器就会使泵在1.3~2 kPa(abs)内稳定运行,此时真空泵腔内的运行压力为13 kPa(abs) 左右,不发生汽蚀。大气喷射器靠大气或者真空泵排出的气体驱动,而不需要任何动力。
2.2 补充工作液系统对真空泵性能的影响
  从图1可以看出,液环在泵腔内高速旋转,把压缩的气体输送出去,这样会有一部分的液体随着排出的气体被排出泵腔,这时就需要不断的对泵腔内进行补充液体,否则当液体量太少,液环变薄,液环的上止点12不能和叶轮轮毂相接触,下止点6不能使叶轮外圆浸没在液环中,那么在上止点12叶轮轮毂处,使得压缩腔11和吸入腔1就会连通,造成大量的气体从压缩腔回流到吸入腔,造成泵输送的气体量迅速降低,泵的容积效率降低。同样下止点6处会有大量的气体从叶轮外径回流到吸入腔,也同样造成泵输送的气体量迅速降低。
  所以补给工作液必须是连续不断的进行。
  但是以何种方式进行补给工作液,补给工作液的流量、补给的压力是如何确定的,才能提高真空泵的性能。2.3. 从不同的位置补液提高真空泵的性能
  我们仍然看图1,在真空泵腔内,1-5为泵体内的低压腔区域,而7-11为高压腔区域,假如我们的补液口位置在低压区,那么外界的供液可以通过泵本身的自吸方式实现补液,对补液压力要求较低;如果在高压腔补液,那么补液压力必须大于泵腔内的压力才能进行泵腔内的补液,否则工作液得不到及时补充,就会出现2.2处所说,造成气体从压缩腔回流到吸入腔,影响真空泵的性能。经过我们的多次验证发现,利用泵自吸的方式进行补液,对泵的性能有降低作用,因为泵在吸入腔处进行补给液或从叶轮端面进行补液,工作液已经开始工作了一段时间(从工作液压缩气体完成时为起点),也就是能量有了一定的损失,再加上这时补液会对液环产生冲击损失,这样也减少了工作液对气体的有效做功,消耗了一部分能量。如果我们把补液放在图1的11气室位置,补给液获得了充分的能量,并在几乎没有能量损失的情况下参与下一轮的吸、排气过程,所以在高压腔位置补液对提高真空泵性能是有好处的。
  但是并不是补液的压力越高越好,经过验证压力一般在1-1.5bar的压力是较合理的,否则压力太高,补充的液体过多,使得液体占据了抽吸气体的空间,真空泵的抽气量和排气压力都会降低,同时泵输送的液体量增加,所以轴功率会增大,泵效率降低,同时有振动和噪音产生,周期性从泵的排气口排出大量的水。
2.4. 合理的补充工作液量提高真空泵性能
  工作液的补给量在什么情况下最为合理,让真空泵处于一种最佳的运行状态,我们可以通过计算的方式来确定补给液的量。
有人常常认为,只有动力损失部分才转换为热,对于输送气体的泵则不然,它是把轴功率全部转化为热,所以真空的轴功率计算是:
N=NY/η                      (2)
其中:
N—真空泵的轴功率(kW)
NY--真空泵的有效功率(kW)
η--真空泵的效率
NY=3.763*P1*QS*lg(P2/P1)           (3)
其中:
P1—液环泵吸入口处的绝对压力(kg/cm2
QS--液环泵吸入压力P1下吸入的气体量(m3/min)
P2—排气压力(绝对压力)(kg/cm2
那么液环泵的吸收的热量为:
Q=(102*60*N)/J=14.33N            (4)
其中:
Q—液环吸收的热量(kcal/min)
J—热功当量,J=427(kg*m/kcal)
如果补给液的进口温度为t1,出口温度为t2,补给液的比热为Cp(kcal/kg•℃),那么每分钟补给液的流量为:
G=Q/(t2-t1)Cp                 (5)
其中:
G—每分钟补给液流量(kg/min)
t1—补给液进口温度为(℃)
t2—补给液出口温度(℃)
Cp--补给液的比热 (kcal/kg•℃)
  通过上述的计算,我们可以很清楚地对真空进行补液,这种合理的补液,可以充分发挥液环的作用,把真空泵压缩气体产生的热及时排出泵腔外,保证真空泵液环的温度不会大幅升高,对液环泵的叶轮和泵体间的间隙进行有效的密封,提高真空泵的容积效率,及时补充随气体排出泵腔外的工作液,润滑轴封等作用,同时提高真空泵的运行可靠性、平稳性和效率。
2.5.用降低工作液温度的方法提高真空度和抽气量
  我们知道液体的汽化压力和液体的温度有很大的关系,温度高,汽化压力高,导致泵的真空度低,所以降低工作液的温度是有利于提高泵的真空度的,对于较高温度的工作液,我们需要通过换热降低工作液温度的方法来提高真空泵的真空度。如图4。我们以水为例,水在20℃饱和蒸汽压为0.0233bar,水在50℃饱和蒸汽压为0.1234bar,饱和蒸汽压提高了5倍多。
 
图3 用换热降低工作液温度
液环的温度对泵的气量影响很大,真空度越高时这种影响也越明显,水温升高,气量下降,定量的变化可以用下列公式进行计算:
Qt=Q15*(P1-Pt)/(P1-P15)            (1)
其中:
Qt—水温为t℃时的气量(m3/min)
Q15--水温为15℃时的气量(m3/min)
P1—水环泵吸入压力(mmHg)
Pt—水温为t℃时的饱和蒸汽压(mmHg)
P15--水温为15℃时的饱和蒸汽压(mmHg)
由此可见,液环泵的液环温度对真空泵的真空度、气量均有影响,所以降低液环泵的液环温度是非常必要的。
2.6. 用不同的工作液来提高真空泵的性能
  水和油的汽化压力,在相同的温度下,差别较大。我们分别用水和油作为液环泵的液环,泵的口径分别为50、80mm,从图5可以看出,在300mmHg的压力以上的点水作为真空泵的液环和油作为真空泵的液环基本上具有相同的抽气量,但是在低于300mmHg以下的压力
图4
点,我们看到油环的吸入气量要大于水环,并且压力越低越明显。并且水环的极限真空压力是20mmHg,而油环的极限真空压力为4mmHg左右,相差较大。
从上图可以很明显看出,液环的饱和蒸汽压对提高液环泵极限真空度关系密切。
2.7. 特殊的气液分离装置提高溶解性气体的利用率
  液环泵的突出优点就是可以输送有毒、有害、易燃、易爆的气体,不会对环境和人造成伤害,另一突出优点是液环泵的压缩过程可以认为是等温压缩的,这样对于易燃、易爆气体的压缩不会发生燃烧和爆炸的危险。但是如果抽送的气体溶解于液环中,那么液环泵的抽气量会发生变化,越容易溶解在液环中的气体,气体体积变化越大,抽送的气体量越少,所以针对这种情况,为了尽可能回收溶于液环中的气体,气液分离器可设置为如图6所示的结构。从图中可以看出,从真空泵排出的气体首先进入一级气水分离器,并且被排出的气体从这分离器中排出,饱含溶解气体的工作液被输送到下一级低压气水分离器,由于压力的降低,溶解在液体中的气体被释放出来,被释放的气体输送到泵的进口,参与循环。由于工作液的循环使用,从下一级分离器出来的液体压力变得很低,需要用泵增压再对真空泵进行补液。
图5 对溶解性气体的特殊分离

 

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