水环-罗茨泵真空机组工作原理详解(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)真空技术网整理 作者:剑气书生

  用于较高真空的罗茨真空泵(机械增压泵)不能直排大气,如直排大气会造成罗茨真空泵吸气口与排气口压差太大,从而使罗茨真空泵过载,如单纯加大罗茨真空泵电机功率又会造成罗茨真空泵过热以致罗茨真空泵转子之间的微小间隙很快因热膨胀而卡死。为保证罗茨真空泵能达到较高真空必须保证罗茨真空泵转子之间的间隙。所以罗茨真空泵使用时必须设有前级泵,用前级泵将系统内压力抽至一定范围内时再启动罗茨真空泵,如此可以避免罗茨真空泵过载。前级泵可以选用水(液)环式真空泵、旋片式真空泵、滑阀式真空泵、往复式真空泵等可直排大气的真空泵。

  罗茨真空机组在一般情况下,选用水环泵作为前级泵比其它真空泵更为有利,这主要是由于它能够抽除大量的可凝性蒸汽,特别是当气镇油封机械真空泵排除可凝性蒸汽能力不够,或使用的溶剂能使泵油恶化而影响性能,或者是真空系统不允许油污染的时候更为明显。

  罗茨泵-水环泵机组广泛地用于化工、食品升华干燥、高空模拟试验等的抽真空系统中。这类联合机组,大致有如下几种类型。

  (1)罗茨泵-水环泵:机组中水环泵的作用是造成罗茨泵所需的预备真空,因此要求该水环泵的最大允许排气压力,即是说,一方面要尽量提高水环泵的极限真空,另一方面,也要设法提高罗茨泵的最大允许排气压力。一般情况,单级水环泵极限真空度不高,而目前我国生产的罗茨泵要求的预真空又较高,故实际上不用单级水环泵作为罗茨泵的前级泵,而用能提高极限真空度的双级水环泵作为前级泵使用,采用双级水环泵,还可以提高机组的极限真空度。一台罗茨泵的极限真空度是较低的,特别是当它与水环泵组合运行时,使用范围受到限制,整个机组的极限真空度可能更低,但若用两台罗茨泵串联再与水环泵组合,就能大大提高机组的极限真空度。故在这种类型里通常见到的是两台罗茨泵串联后再用双级水环泵作前级泵组成机组。

  (2)罗茨泵-水环泵-大气泵机组:即使采用双级水环泵,极限真空度的提高也只是在一定的范围之内,这是因为受到水的饱和蒸汽压的限制。水环泵的理论极限压力就是水的饱和蒸汽压。如果考虑气体返流等因素的影响,实际上水环泵的极限压力显著比该水温上的饱和蒸汽压力为高。为了提高前级泵的极限真空度,还可以使水环泵与大气泵组合使用。这样,串联一级大气泵后的极限真空度可达20~30Torr,如果水环泵与二级大气泵组合,则极限真空可达2~10Torr。

  (3)罗茨泵-水环泵并联机械真空泵:此机组主要用于需要处理大量水蒸汽,且极限真空度要求较高的抽真空系统,例如在真空干燥方面。要求处理大量水蒸汽的真空系统中,使用水环泵是较合适的,但由于其极限真空度不高,致使整个机组的极限真空度较低。虽然在要求真空度较高的抽真空系统中,需要极限真空较高的机械真空泵作为前级泵使用。但由于水环泵的耗电量大,效率很低,噪声高,在需要长时间的真空干燥系统中,用水环泵作为罗茨泵前级泵很不经济。

  在上述情况下,可将气镇机械真空泵与水环泵并联,作为罗茨泵的前级泵。真空干燥时,先用水环泵进行预抽,直至水蒸汽大量减少时,再开动气镇机械真空泵,切断水环泵。如需要较长时间才能完成干燥的场合,所需冷却水和功率都较少,如图3所示。

罗茨泵-水环泵机组

罗茨泵-水环泵机组的运行

(1)机组前装冷凝器

  为了尽量使机组的体积小些,可设法使待抽的蒸汽在进入泵机组之前冷凝,这样剩下来的就是非可凝性气体和微量残余蒸汽。气体降温后在相同压力下体积也减小。所以冷凝后所需抽气量减小,相应地泵也可以选得小一些。

  采用哪种方式较经济?应视其具体情况而定,举例说明如下:

  冷凝蒸汽有两种方式:一种是安装一台冷却装置,另一种是在机组的高压级中装一台冷凝器,以便能用普通的水冷却。

  其系统需要每小时抽除50kg的水蒸汽量,在吸入压力为1Torr时的容积流量为50000m3/h。

  1)要抽吸上述的水蒸汽量,需要三个罗茨泵串联,并用一台水环泵作前级组成的机组,该机组的总功率90kW。

  2)为了使蒸汽在到达真空泵之前冷凝,就要在位于A处装一个冷凝器和一个功率为30000kcal/h的冷却装置,如图4所示。在1Torr的吸入压力下,水蒸汽的冷凝温度均为-19℃,为了能保证连续工作,应取冷凝装置的冷凝温度为-25℃,且并联安装2台冷凝器。根据非冷凝气体的组成部分计算得,真空泵的抽气量就可以降低到1000~2000m3/h,总机组(包括冷凝器的消耗功率)的功率同样是90kW。

  3)先用罗茨泵抽出水蒸汽,并在45Torr压力下进行冷凝,该压力下有的冷凝温度约为36℃,于是可使冷凝器的冷凝温度保持在30~35℃之间,可用普通冷却水冷却。冷凝器设在B处。这时总功率的消耗为75kW左右。

  通过上述三组方式的比较可知,第三种方案最好,可减少15kW的动力消耗。

  综上所述,水蒸汽冷却后只剩下非可凝性气体。在压力很低时,水蒸汽的比容相当大,这些可凝性蒸汽冷凝后,泵所需要的抽气量显然就大为降低了。另外,不论蒸汽是否冷凝,在同样压力下只要气体温度降低,其容积流量就会减少。例如化工流程中200~300℃温度的气体并不少见。若从300℃冷却到50℃之后,干燥空气的容积减少45%左右,这样就可以选择较小容量的抽气真空泵机组装置。

(2)机组的操作顺序:

  1)机组中无旁通阀时,应先开动水环泵,被抽系统中的气体由罗茨泵(气体推动罗茨泵转子自行转动,如同流量计一般)进入水环泵后再排至大气,待水环泵的吸入压力(如串联有大气泵,则为大气泵的吸入压力)达到罗茨泵的起初规定值时(即允许排气压力),始启动罗茨泵,机组正式运转,开始工作。

  2)机组中有旁通阀时,如图5所示,先启动水环泵,接着开动罗茨泵,此时,罗茨泵进排气压差较大,旁通阀自动开启,被抽容器中的气体一部分经过旁通阀进入水环泵,另一部分在罗茨泵的作用下通过该泵也进入水环泵,显然抽气速率增加,这样很快达到罗茨泵的预真空,进排气压差较小,阀门自动关闭(或人工关闭),机组正式工作。这种方法能大大缩短预抽时间,但设备较复杂。

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