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    羅茨水環(huán)真空機(jī)組的原理

    羅茨真空機(jī)組在一般情況下,選用水環(huán)泵作為前級(jí)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(dāng)氣鎮(zhèn)油封機(jī)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(tǒng)不允許油污染的時(shí)候更為明顯。
    羅茨泵-水環(huán)泵機(jī)組廣泛地用于化工、食品升華干燥、高空模擬試驗(yàn)等的抽真空系統(tǒng)中。這類聯(lián)合機(jī)組,大致有如下幾種類型。
    (1)羅茨泵-水環(huán)泵:機(jī)組中水環(huán)泵的作用是造成羅茨泵所需的預(yù)備真空,因此要求該水環(huán)泵的最大允許排氣壓力,即是說,一方面要盡量提高水環(huán)泵的極限真空,另一方面,也要設(shè)法提高羅茨泵的最大允許排氣壓力。
    一般情況,單級(jí)水環(huán)泵極限真空度不高,而目前我國(guó)生產(chǎn)的羅茨泵要求的預(yù)真空又較高,故實(shí)際上不用單級(jí)水環(huán)泵作為羅茨泵的前級(jí)泵,而用能提高極限真空度的雙級(jí)水環(huán)泵作為前級(jí)泵使用,采用雙級(jí)水環(huán)泵,還可以提高機(jī)組的極限真空度。

    羅茨泵串聯(lián)雙級(jí)水環(huán)泵機(jī)組

    一臺(tái)羅茨泵的極限真空度是較低的,特別是當(dāng)它與水環(huán)泵組合運(yùn)行時(shí),使用范圍受到限制,整個(gè)機(jī)組的極限真空度可能更低,但若用兩臺(tái)羅茨泵串聯(lián)再與水環(huán)泵組合,就能大大提高機(jī)組的極限真空度。
    故在這種類型里通常見到的是兩臺(tái)羅茨泵串聯(lián)后再用雙級(jí)水環(huán)泵作前級(jí)泵 (圖1)組成機(jī)組。
    (2)羅茨泵-水環(huán)泵-大氣泵機(jī)組:即使采用雙級(jí)水環(huán)泵,極限真空度的提高也只是在一定的范圍之內(nèi),這是因?yàn)槭艿剿娘柡驼羝麎旱南拗。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)泵的極限壓力顯著比該水溫上的飽和蒸汽壓力為高。為了提高前級(jí)泵的極限真空度,還可以使水環(huán)泵與大氣泵組合使用。

    羅茨水環(huán)大氣噴射泵機(jī)組

    見圖2。這樣,串聯(lián)一級(jí)大氣泵后的極限真空度可達(dá)20~30Torr,如果水環(huán)泵與二級(jí)大氣泵組合,則極限真空可達(dá)2~10Torr。
    (3)羅茨泵-水環(huán)泵并聯(lián)機(jī)械真空泵:此機(jī)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(tǒng),例如在真空干燥方面。
    要求處理大量水蒸汽的真空系統(tǒng)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(jī)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(tǒng)中,需要極限真空較高的機(jī)械真空泵作為前級(jí)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(zhǎng)時(shí)間的真空干燥系統(tǒng)中,用水環(huán)泵作為羅茨泵前級(jí)泵很不經(jīng)濟(jì)。
    在上述情況下,可將氣鎮(zhèn)機(jī)械真空泵與水環(huán)泵并聯(lián),作為羅茨泵的前級(jí)泵。真空干燥時(shí),先用水環(huán)泵進(jìn)行預(yù)抽,直至水蒸汽大量減少時(shí),再開動(dòng)氣鎮(zhèn)機(jī)械真空泵,切斷水環(huán)泵。如需要較長(zhǎng)時(shí)間才能完成干燥的場(chǎng)合,所需冷卻水和功率都較少,如圖3所示。

    羅茨泵與水環(huán)泵、機(jī)械泵組成的機(jī)組

    羅茨泵-水環(huán)泵機(jī)組的運(yùn)行
    (1)機(jī)組前裝冷凝器
    為了盡量使機(jī)組的體積小些,可設(shè)法使待抽的蒸汽在進(jìn)入泵機(jī)組之前冷凝,這樣剩下來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(yīng)地泵也可以選得小一些。
    采用哪種方式較經(jīng)濟(jì)?應(yīng)視其具體情況而定,舉例說明如下:
    冷凝蒸汽有兩種方式:一種是安裝一臺(tái)冷卻裝置,另一種是在機(jī)組的高壓級(jí)中裝一臺(tái)冷凝器,以便能用普通的水冷卻。
    其系統(tǒng)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(tái)水環(huán)泵作前級(jí)組成的機(jī)組,該機(jī)組的總功率90kW。
    2)為了使蒸汽在到達(dá)真空泵之前冷凝,就要在位于A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。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(xù)工作,應(yīng)取冷凝裝置的冷凝溫度為-25℃,且并聯(lián)安裝2臺(tái)冷凝器。根據(jù)非冷凝氣體的組成部分計(jì)算得,真空泵的抽氣量就可以降低到1000~2000m3/h,總機(jī)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(shè)在B處。這時(shí)總功率的消耗為75kW左右。
    通過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(dāng)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?dú)怏w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。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(jī)組裝置。
    (2)機(jī)組的操作順序:
    1)機(jī)組中無旁通閥時(shí),應(yīng)先開動(dòng)水環(huán)泵,被抽系統(tǒng)中的氣體由羅茨泵(氣體推動(dòng)羅茨泵轉(zhuǎn)子自行轉(zhuǎn)動(dòng),如同流量計(jì)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(dá)到羅茨泵的起初規(guī)定值時(shí)(即允許排氣壓力),始啟動(dòng)羅茨泵,機(jī)組正式運(yùn)轉(zhuǎn),開始工作。
    2)機(jī)組中有旁通閥時(shí),如圖5所示,先啟動(dòng)水環(huán)泵,接著開動(dòng)羅茨泵,此時(shí),羅茨泵進(jìn)排氣壓差較大,旁通閥自動(dòng)開啟,被抽容器中的氣體一部分經(jīng)過旁通閥進(jìn)入水環(huán)泵,另一部分在羅茨泵的作用下通過該泵也進(jìn)入水環(huán)泵,顯然抽氣速率增加,這樣很快達(dá)到羅茨泵的預(yù)真空,進(jìn)排氣壓差較小,閥門自動(dòng)關(guān)閉(或人工關(guān)閉),機(jī)組正式工作。這種方法能大大縮短預(yù)抽時(shí)間,但設(shè)備較復(fù)雜。
    羅茨泵水環(huán)泵與冷凝器連接圖

    (3)機(jī)組-羅茨泵-前級(jí)泵性能關(guān)系
       機(jī)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(jí)泵的不同而有所不同。
       1)由于羅茨泵的轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子之間、轉(zhuǎn)子與殼體之間存在著間隙,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(tái)羅茨泵,使用不同的前級(jí)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(shè)計(jì)的抽氣速率;
          P1-進(jìn)口壓力;
          P2-出口壓力;
          K-固有常數(shù),由該泵轉(zhuǎn)子的形狀、間隙量、轉(zhuǎn)子圓周速度和出口壓力來確定。
       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(jí)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(cè)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(shù)中,Q1受排氣壓力即前級(jí)泵的極限壓力的影響很大,在用水環(huán)泵作前級(jí)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。

    機(jī)組中羅茨泵的旁通閥
    圖6是用同一臺(tái)羅茨泵配不同的前級(jí)泵時(shí)的性能比較。
    羅茨泵配用不同前級(jí)泵時(shí)的性能曲線
    從圖可見,前級(jí)泵的極限真空度愈高時(shí),機(jī)組的極限真空度也隨之增高;兩級(jí)羅茨泵串聯(lián)使用,則能提高機(jī)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(jí)泵),且性能曲線平緩擴(kuò)大,也即使用的范圍擴(kuò)大(由曲線1與2,曲線3與5的比較而得)。機(jī)組1、2的曲線大致相同。同樣,機(jī)組3、4、5的曲線也有相同之處。然而1、2機(jī)組曲線和3、4、5機(jī)組曲線卻是完全不同的兩組曲線。這說明對(duì)于同一羅茨泵而言,選用不同的前級(jí)泵時(shí),其機(jī)組的性能曲線有本質(zhì)的差異。由此可見,前級(jí)泵對(duì)機(jī)組性能有相當(dāng)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(jī)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(jí)泵,若改用礦物油作液環(huán)則不加大氣泵即可作為前級(jí)泵,這樣可以簡(jiǎn)化裝置。
    (5)機(jī)組性能與羅茨泵允許排出壓力
    機(jī)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(jí)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(jí)的水環(huán)泵極限壓力大大高于這個(gè)數(shù)值,因此就不可能單獨(dú)與這種羅茨泵組合使用,而需要加二級(jí)大氣泵。如果羅茨泵排出壓力允許值在100Torr以上,則前級(jí)的水環(huán)泵也可以作為羅茨泵的前級(jí)泵的前級(jí)泵,這就大大地?cái)U(kuò)充了前級(jí)泵的應(yīng)用范圍。
    (6)應(yīng)用實(shí)例
    某化纖產(chǎn)品的生產(chǎn)過程為:低分子-高分子-制成帶狀-切片-干燥(運(yùn)用羅茨泵-水環(huán)泵機(jī)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,抽絲過程中理想的狀況是使水份含量為零,實(shí)際上由于不能達(dá)到這一目的,故要求水份含量不大于0.02%,如果水份超過這一要求,要高溫高壓下抽絲,會(huì)使高分子分解,影響產(chǎn)品的強(qiáng)度。
    在干燥這一工序中所應(yīng)用的羅茨泵-水環(huán)泵機(jī)組的抽真空系統(tǒng)裝置如圖7所示。機(jī)組中各泵的技術(shù)參數(shù)如下表。

    名 稱

    抽 氣 速 率
    (m3/h)

    轉(zhuǎn)子直徑
    (mm)

    轉(zhuǎn) 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(jí)水環(huán)泵

    100

    前級(jí)葉輪為后級(jí)之半

    1450

    5.5

    羅茨水環(huán)真空機(jī)組抽真空示意圖
    主要設(shè)備的功用簡(jiǎn)介如下:
    (1)真空閥  關(guān)閉真空閥,機(jī)組停止運(yùn)行,可保持干燥系統(tǒng)一定的真空度。
    (2)自動(dòng)氣動(dòng)安全閥  為防止機(jī)組突然停車時(shí)水環(huán)泵系統(tǒng)中的水向羅茨泵及真空干燥系統(tǒng)中倒灌。
    (3)壓差閥  機(jī)組開始運(yùn)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(dá)到一定值時(shí),閥自動(dòng)開啟,使系統(tǒng)中大部分氣體經(jīng)此閥流進(jìn)水環(huán)泵。當(dāng)大氣逐漸通過大氣泵流進(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(yù)抽時(shí)間。
    (4)水位計(jì)  起止逆閥的作用,防止水環(huán)泵的水倒流。
    操作順序如下:先開動(dòng)水環(huán)泵,系統(tǒng)中氣體徑由羅茨泵(此時(shí)推動(dòng)羅茨泵轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng))進(jìn)入水環(huán)泵而由汽水分離器排向大氣。當(dāng)抽到絕對(duì)壓力為50Torr時(shí)啟動(dòng)羅茨泵2,當(dāng)絕對(duì)壓力到20Torr時(shí)再啟動(dòng)羅茨泵1,最后系統(tǒng)壓力可達(dá)到0.088Torr,一般情況下可維持在1Torr以下。
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