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羅茨水環(huán)真空機組的原理

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。

羅茨泵串聯(lián)雙級水環(huán)泵機組

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 (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。

羅茨水環(huán)大氣噴射泵機組

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,如圖3所示。

羅茨泵與水環(huán)泵、機械泵組成的機組

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。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。
羅茨泵水環(huán)泵與冷凝器連接圖

(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。

機組中羅茨泵的旁通閥
圖6是用同一臺羅茨泵配不同的前級泵時(shí)的性能比較。
羅茨泵配用不同前級泵時(shí)的性能曲線(xiàn)
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

羅茨水環(huán)真空機組抽真空示意圖
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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