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                  BOKE VACUUM

                  羅茨泵-水環(huán)泵真空機組工作原理


                    羅茨泵-水環(huán)泵真空機組工作原理

                    用于較高真空的羅茨真空泵(機械增壓泵)不能直排大氣,如直排大氣會(huì )造成羅茨真空泵吸氣口與排氣口壓差太大,從而使羅茨真空泵過(guò)載,如單純加大羅茨真空泵電機功率又會(huì )造成羅茨真空泵過(guò)熱以致羅茨真空泵轉子之間的微小間隙很快因熱膨脹而卡死。為保證羅茨真空泵能達到較高真空必須保證羅茨真空泵轉子之間的間隙。所以羅茨真空泵使用時(shí)必須設有前級泵,用前級泵將系統內壓力抽至一定范圍內時(shí)再啟動(dòng)羅茨真空泵,如此可以避免羅茨真空泵過(guò)載。前級泵可以選用水(液)環(huán)式真空泵、旋片式真空泵、滑閥式真空泵、往復式真空泵等可直排大氣的真空泵。

                    羅茨真空機組在一般情況下,選用水環(huán)泵作為前級泵比其它真空泵更為有利,這主要是由于它能夠抽除大量的可凝性蒸汽,特別是當氣鎮油封機械真空泵排除可凝性蒸汽能力不夠,或使用的溶劑能使泵油惡化而影響性能,或者是真空系統不允許油污染的時(shí)候更為明顯。

                    羅茨泵-水環(huán)泵機組廣泛地用于化工、食品升華干燥、高空模擬試驗等的抽真空系統中。這類(lèi)聯(lián)合機組,大致有如下幾種類(lèi)型。

                    (1)羅茨泵-水環(huán)泵:機組中水環(huán)泵的作用是造成羅茨泵所需的預備真空,因此要求該水環(huán)泵的最大允許排氣壓力,即是說(shuō),一方面要盡量提高水環(huán)泵的極限真空,另一方面,也要設法提高羅茨泵的最大允許排氣壓力。

                    一般情況,單級水環(huán)泵極限真空度不高,而目前我國生產(chǎn)的羅茨泵要求的預真空又較高,故實(shí)際上不用單級水環(huán)泵作為羅茨泵的前級泵,而用能提高極限真空度的雙級水環(huán)泵作為前級泵使用,采用雙級水環(huán)泵,還可以提高機組的極限真空度。

                    一臺羅茨泵的極限真空度是較低的,特別是當它與水環(huán)泵組合運行時(shí),使用范圍受到限制,整個(gè)機組的極限真空度可能更低,但若用兩臺羅茨泵串聯(lián)再與水環(huán)泵組合,就能大大提高機組的極限真空度。

                    故在這種類(lèi)型里通常見(jiàn)到的是兩臺羅茨泵串聯(lián)后再用雙級水環(huán)泵作前級泵見(jiàn)圖1組成機組。

                    (2)羅茨泵-水環(huán)泵-大氣泵機組:即使采用雙級水環(huán)泵,極限真空度的提高也只是在一定的范圍之內,這是因為受到水的飽和蒸汽壓的限制。水環(huán)泵的理論極限壓力就是水的飽和蒸汽壓。如果考慮氣體返流等因素的影響,實(shí)際上水環(huán)泵的極限壓力顯著(zhù)比該水溫上的飽和蒸汽壓力為高。為了提高前級泵的極限真空度,還可以使水環(huán)泵與大氣泵組合使用。

                    見(jiàn)圖2。這樣,串聯(lián)一級大氣泵后的極限真空度可達20~30Torr,如果水環(huán)泵與二級大氣泵組合,則極限真空可達2~10Torr。

                    (3)羅茨泵-水環(huán)泵并聯(lián)機械真空泵:此機組主要用于需要處理大量水蒸汽,且極限真空度要求較高的抽真空系統,例如在真空干燥方面。

                    要求處理大量水蒸汽的真空系統中,使用水環(huán)泵是較合適的,但由于其極限真空度不高,致使整個(gè)機組的極限真空度較低。雖然在要求真空度較高的抽真空系統中,需要極限真空較高的機械真空泵作為前級泵使用。但由于水環(huán)泵的耗電量大,效率很低,噪聲高,在需要長(cháng)時(shí)間的真空干燥系統中,用水環(huán)泵作為羅茨泵前級泵很不經(jīng)濟。

                    在上述情況下,可將氣鎮機械真空泵與水環(huán)泵并聯(lián),作為羅茨泵的前級泵。真空干燥時(shí),先用水環(huán)泵進(jìn)行預抽,直至水蒸汽大量減少時(shí),再開(kāi)動(dòng)氣鎮機械真空泵,切斷水環(huán)泵。如需要較長(cháng)時(shí)間才能完成干燥的場(chǎng)合,所需冷卻水和功率都較少。

                    羅茨泵-水環(huán)泵機組的運行

                    (1)機組前裝冷凝器

                    為了盡量使機組的體積小些,可設法使待抽的蒸汽在進(jìn)入泵機組之前冷凝,這樣剩下來(lái)的就是非可凝性氣體和微量殘余蒸汽。氣體降溫后在相同壓力下體積也減小。所以冷凝后所需抽氣量減小,相應地泵也可以選得小一些。

                    采用哪種方式較經(jīng)濟?應視其具體情況而定,舉例說(shuō)明如下:

                    冷凝蒸汽有兩種方式:一種是安裝一臺冷卻裝置,另一種是在機組的高壓級中裝一臺冷凝器,以便能用普通的水冷卻。

                    其系統需要每小時(shí)抽除50kg的水蒸汽量,在吸入壓力為1Torr時(shí)的容積流量為50000m3/h。

                    1)要抽吸上述的水蒸汽量,需要三個(gè)羅茨泵串聯(lián),并用一臺水環(huán)泵作前級組成的機組,該機組的總功率90kW。

                    2)為了使蒸汽在到達真空泵之前冷凝,就要在位于A(yíng)處裝一個(gè)冷凝器和一個(gè)功率為30000kcal/h的冷卻裝置,如圖4所示。在1Torr的吸入壓力下,水蒸汽的冷凝溫度均為-19℃,為了能保證連續工作,應取冷凝裝置的冷凝溫度為-25℃,且并聯(lián)安裝2臺冷凝器。根據非冷凝氣體的組成部分計算得,真空泵的抽氣量就可以降低到1000~2000m3/h,總機組(包括冷凝器的消耗功率)的功率同樣是90kW。

                    3)先用羅茨泵抽出水蒸汽,并在45Torr壓力下進(jìn)行冷凝,該壓力下有的冷凝溫度約為36℃,于是可使冷凝器的冷凝溫度保持在30~35℃之間,可用普通冷卻水冷卻。冷凝器設在B處。這時(shí)總功率的消耗為75kW左右。

                    通過(guò)上述三組方式的比較可知,第三種方案最好,可減少15kW的動(dòng)力消耗。

                    綜上所述,水蒸汽冷卻后只剩下非可凝性氣體。在壓力很低時(shí),水蒸汽的比容相當大,這些可凝性蒸汽冷凝后,泵所需要的抽氣量顯然就大為降低了。另外,不論蒸汽是否冷凝,在同樣壓力下只要氣體溫度降低,其容積流量就會(huì )減少。例如化工流程中200~300℃溫度的氣體并不少見(jiàn)。若從300℃冷卻到50℃之后,干燥空氣的容積減少45%左右,這樣就可以選擇較小容量的抽氣真空泵機組裝置。

                    (2)機組的操作順序:

                    1)機組中無(wú)旁通閥時(shí),應先開(kāi)動(dòng)水環(huán)泵,被抽系統中的氣體由羅茨泵(氣體推動(dòng)羅茨泵轉子自行轉動(dòng),如同流量計一般)進(jìn)入水環(huán)泵后再排至大氣,待水環(huán)泵的吸入壓力(如串聯(lián)有大氣泵,則為大氣泵的吸入壓力)達到羅茨泵的起初規定值時(shí)(即允許排氣壓力),始啟動(dòng)羅茨泵,機組正式運轉,開(kāi)始工作。

                    2)機組中有旁通閥時(shí),如圖5所示,先啟動(dòng)水環(huán)泵,接著(zhù)開(kāi)動(dòng)羅茨泵,此時(shí),羅茨泵進(jìn)排氣壓差較大,旁通閥自動(dòng)開(kāi)啟,被抽容器中的氣體一部分經(jīng)過(guò)旁通閥進(jìn)入水環(huán)泵,另一部分在羅茨泵的作用下通過(guò)該泵也進(jìn)入水環(huán)泵,顯然抽氣速率增加,這樣很快達到羅茨泵的預真空,進(jìn)排氣壓差較小,閥門(mén)自動(dòng)關(guān)閉(或人工關(guān)閉),機組正式工作。這種方法能大大縮短預抽時(shí)間,但設備較復雜。

                    (3)機組-羅茨泵-前級泵性能關(guān)系

                    機組的性能與羅茨泵的性能密切相關(guān),而羅茨泵的性能又隨前級泵的不同而有所不同。

                    1)由于羅茨泵的轉子與轉子之間、轉子與殼體之間存在著(zhù)間隙,因此有返流存在,而這種返流受進(jìn)口壓力和出口壓力的影響,即使是同一臺羅茨泵,使用不同的前級泵時(shí),其抽氣速率也會(huì )有所不同。

                    羅茨泵的抽氣速率可由下式確定:

                    δ=δ0(P2/P1/K)

                    式中:δ0-設計的抽氣速率;

                    P1-進(jìn)口壓力;

                    P2-出口壓力;

                    K-固有常數,由該泵轉子的形狀、間隙量、轉子圓周速度和出口壓力來(lái)確定。

                    由上式可知,抽氣量受到出口壓力與進(jìn)口壓力之比的影響,亦即若增加前級泵的抽氣速率,那么羅茨泵的抽氣速率也會(huì )增大。

                    (2)極限壓力由泵的抽氣速率,各間隙的返流量,泵體泄漏量及高真空側的放氣量所決定。即:

                    P0=(Q1+Q2+Q3)/δ   式中:P0-極限壓力;

                    δ-抽氣速率;

                    Q1-返流量;

                    Q2-泄漏量;

                    Q3-放氣量。

                    在這些參數中,Q1受排氣壓力即前級泵的極限壓力的影響很大,在用水環(huán)泵作前級泵時(shí),羅茨泵的極限壓力隨水環(huán)的飽和蒸汽壓的不同而不同。

                    圖6是用同一臺羅茨泵配不同的前級泵時(shí)的性能比較。

                    從圖可見(jiàn),前級泵的極限真空度愈高時(shí),機組的極限真空度也隨之增高;兩級羅茨泵串聯(lián)使用,則能提高機組的極限真空度(實(shí)質(zhì)上就是前一個(gè)羅茨泵為后一個(gè)羅茨泵的前級泵),且性能曲線(xiàn)平緩擴大,也即使用的范圍擴大(由曲線(xiàn)1與2,曲線(xiàn)3與5的比較而得)。機組1、2的曲線(xiàn)大致相同。同樣,機組3、4、5的曲線(xiàn)也有相同之處。然而1、2機組曲線(xiàn)和3、4、5機組曲線(xiàn)卻是完全不同的兩組曲線(xiàn)。這說(shuō)明對于同一羅茨泵而言,選用不同的前級泵時(shí),其機組的性能曲線(xiàn)有本質(zhì)的差異。由此可見(jiàn),前級泵對機組性能有相當大的影響。

                    (4)水環(huán)泵的選擇

                    所謂水環(huán)泵就是用水作為液環(huán)的液環(huán)泵,用水作液環(huán)有很多優(yōu)點(diǎn),如價(jià)廉、易得、不會(huì )污染環(huán)境等。但也有一個(gè)很大缺點(diǎn),由于水的飽和蒸汽壓高,使得水環(huán)泵的吸入壓力也高。這時(shí)如改用飽和蒸汽壓低的液體作為液環(huán),則可提高泵的極限真空度。如果某機組中羅茨泵最大允許的排氣壓力為10Torr,則用水作液環(huán)時(shí)還須加大氣泵才能作為該羅茨泵的前級泵,若改用礦物油作液環(huán)則不加大氣泵即可作為前級泵,這樣可以簡(jiǎn)化裝置。

                    (5)機組性能與羅茨泵允許排出壓力

                    機組的性能在很大程度上取決于羅茨泵的允許排出壓力。這種允許值越低,水環(huán)泵作為前級泵的可能性就越小。如果羅茨泵這種允許值為1~10Torr,而不論單、多級的水環(huán)泵極限壓力大大高于這個(gè)數值,因此就不可能單獨與這種羅茨泵組合使用,而需要加二級大氣泵。如果羅茨泵排出壓力允許值在100Torr以上,則前級的水環(huán)泵也可以作為羅茨泵的前級泵的前級泵,這就大大地擴充了前級泵的應用范圍。

                    (6)應用實(shí)例

                    某化纖產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程為:低分子-高分子-制成帶狀-切片-干燥(運用羅茨泵-水環(huán)泵機組進(jìn)行真空干燥)-抽絲-牽伸、加熱-紡織-成品。

                    其中一個(gè)重要的工序是將5×5×5(mm)大小的切片進(jìn)行干燥,以便進(jìn)行抽絲,抽絲過(guò)程中理想的狀況是使水份含量為零,實(shí)際上由于不能達到這一目的,故要求水份含量不大于0.02%,如果水份超過(guò)這一要求,要高溫高壓下抽絲,會(huì )使高分子分解,影響產(chǎn)品的強度。

                    在干燥這一工序中所應用的羅茨泵-水環(huán)泵機組的抽真空系統裝置如圖7所示。機組中各泵的技術(shù)參數如下表。

                  名 稱(chēng) 抽 氣 速 率
                  (m3/h)
                  轉子直徑
                  (mm)
                  轉 速
                  (r/min)
                  配用功率
                  (kW)
                  羅茨泵1 400 160 1450 2.2
                  羅茨泵2 200 102 2900 1.3
                  雙級水環(huán)泵 100 前級葉輪為后級之半 1450 5.5

                   

                    主要設備的功用簡(jiǎn)介如下:

                    (1)真空閥

                    關(guān)閉真空閥,機組停止運行,可保持干燥系統一定的真空度。

                    (2)自動(dòng)氣動(dòng)安全閥

                    為防止機組突然停車(chē)時(shí)水環(huán)泵系統中的水向羅茨泵及真空干燥系統中倒灌。

                    (3)壓差閥

                    機組開(kāi)始運行時(shí),先啟動(dòng)水環(huán)泵,在壓差閥兩端逐漸產(chǎn)生壓差,達到一定值時(shí),閥自動(dòng)開(kāi)啟,使系統中大部分氣體經(jīng)此閥流進(jìn)水環(huán)泵。當大氣逐漸通過(guò)大氣泵流進(jìn)水環(huán)泵,壓差閥兩端壓力又逐漸減小,以致關(guān)閥,于是大氣泵隨即開(kāi)始正常工作,壓差閥的作用是為了縮短大氣泵正常工作前的預抽時(shí)間。

                    (4)水位計

                    起止逆閥的作用,防止水環(huán)泵的水倒流。

                    操作順序如下:先開(kāi)動(dòng)水環(huán)泵,系統中氣體徑由羅茨泵(此時(shí)推動(dòng)羅茨泵轉子轉動(dòng))進(jìn)入水環(huán)泵而由汽水分離器排向大氣。當抽到絕對壓力為50Torr時(shí)啟動(dòng)羅茨泵2,當絕對壓力到20Torr時(shí)再啟動(dòng)羅茨泵1,最后系統壓力可達到0.088Torr,一般情況下可維持在1Torr以下。

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