蒸汽喷射真空泵抽空管道内壁积灰对真空度的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)武钢设备维修总厂 作者:李锋

  蒸汽喷射真空泵抽空管道是抽走废气获得真空度的“肠道”,获取真空度的重要组成部分,依据真空设备获得真空度的工作原理,分析了抽空管道第2喉管与工作蒸汽喷嘴喉管面积比对真空泵操作性能的影响,并对真空泵抽空管道内壁积灰对真空度的影响进行分析研究,为真空设备的科学维护提供参考依据。

  蒸汽喷射真空泵具有结构简单可靠、运转费用低廉、操作维修方便以及对被抽介质无严格要求等优点,被广泛应用于各个工业领域。它与抽空管道组合使用能够获取较高的真空度,可以获得高洁净、高质量的品种钢材。提高这种设备效率的途径在于使喷射器的喷射系数达到最优,但抽空管道第2喉管与工作蒸汽喷嘴喉管面积比对真空泵操作性能的影响较大,因此,研究真空泵抽空管道内壁积灰对真空度的影响就非常有必要。

1、真空度形成的工作原理

  蒸汽喷射泵的结构如图1所示。蒸汽喷射真空泵结构主要是由喷嘴、混合室和扩压器3部分组成。喷嘴使用拉瓦尔喷嘴,为渐扩式。混合室是用来混合工作蒸汽与被抽气体的空间,对其结构要求是不搅乱被抽气体,又能将它导进扩压室的入口。喷嘴与混合室连通。扩压室是压缩混合气体的部分,由渐缩、平行及渐扩3个部分组成。

蒸汽喷射真空泵抽空管道内壁积灰对真空度的影响

  蒸汽喷射真空泵抽真空工作原理为:蒸汽喷射泵是1种用水蒸汽作为抽气介质来获得真空的装置。工作蒸汽在拉瓦尔喷嘴中加速形成超音速射流,而引射流体(被抽气体)则由于与工作蒸汽间的剪切作用被卷吸至混合室,而后逐渐形成单一均匀的混合流体,经过一扩散段减速压缩到一定的背压(气流在蒸汽喷嘴中做正常的降压膨胀,在喷嘴出口形成了比引射流体还低的压力,所以超音速气流流出喷口后,将受到高背压的压缩而形成口外激波系)。即工作蒸汽通过喷嘴能将自身的压力能转变为动能,以超音速射流射出喷嘴,在混合室中与被抽气体混合,混合气流在扩压室内得到减速增压排出泵体,通过抽空管道而流入下一级泵或冷凝器。

  抽真空过程具体分3个阶段。

  1)蒸汽自身能量转化:工作蒸汽通过喷嘴渐扩部分而得到膨胀,喷射到真空泵内,压力能转变成动能,减压增速形成超音速气流。

  2)蒸汽与被抽气体的能量传递:最后在扩压室喉部某处速度达到一致,形成正极波。

  3)混合气体的能量转化:动能转变成压力能,气体被压缩,进入下一级泵或冷凝器。

  蒸汽喷射器内流体流动的这些特点,使得射流与周围介质不断地进行动量、能量的交换。卷吸进入的流体取得动量而与原来的射流一起向前运动,结果射流断面不断扩大,而流速则不断降低,流量却沿程增加。

  由此可见,蒸汽喷射器采用的是2股流体间的剪切力带动引射流体向前运动,激波系和边界层之间的交互作用起着至关重要的作用,其结构参数极大地影响着喷射器的操作性能。

2、真空泵抽空管道内壁积灰的形成

  真空度是在一个完全密闭的系统下获得的,炼钢设备中,钢水在冶炼状态下需要加入多种合金,与钢水产生反应而生成多种气体及氧化物颗粒,合金中携带的灰尘一起在蒸汽喷射泵的作用下,在抽空管道中产生激波系,经过压缩波—膨胀波—压缩波这样一个波节一个波节的排出真空泵系统。在流经抽空管道过程中势必与抽空管道内壁产生碰撞,部分灰尘就会附着在内壁上,随着时间的推移就会越积越多。

  图2为武钢某钢厂真空泵及抽空管道的结构布局,日常对抽空管道进行检查时,发现二级增压泵(B2)、三级增压泵(B3)喷射泵抽空管道内壁(即第二喉管)存在一定厚度的积灰,虽然没有达到影响蒸汽喷射泵抽气性能的程度,但是对真空泵本身的抽气效果和达到所需真空度的时间有一定的影响。

蒸汽喷射真空泵抽空管道内壁积灰对真空度的影响

3、喉管面积比的影响

  蒸汽喷射泵工作能力用喷射系数u 来表征,它表示在一定工况下,单位质量工作流体通过泵所能抽吸的引射流体(被抽气体)的量,在数值上等于引射流体的质量流量(GH)与工作流体的质量流量(GP)之比,即u=GH/GP,喷射系数u的大小表征了喷射泵性能的好坏。维持操作参数及喷嘴的几何尺寸不变,仅改变第2喉管的直径所得到的喷射系数u 与喉管面积比ψ(第二喉管与第一喉管面积比,喉管具体部位见图1)之间的关系,国家某院校经过实验,得出喉管面积比对喷射系数的影响,如图3所示。

蒸汽喷射真空泵抽空管道内壁积灰对真空度的影响

  从图3可以看出,存在最佳的喉管面积比ψ对应于的最大喷射系数u,即图中的c点,真空喷射泵的抽气性能最好,在最佳喉管面积比两侧真空泵喷射系数u均呈线性率变化,且下降的速度明显快于上升的速度。

  在蒸汽真空泵投入使用时,第2喉管面积(抽空管道)与第1喉管面积(喷嘴)的比值应该是喷射泵工作的最佳状态,即ψ≈52。如果喉管面积比的数值发生了变化,将直接影响真空泵喷射系数,进而影响废气抽气量和抽气效率,使真空系统达到所需真空度的时间延长。若第1喉管即喷射泵本体积灰甚至堵塞,就会造成喉管面积比ψ>52,直至无限大,此种情况发生的几率很小;若抽空管道内壁积灰,相当于第2喉管流通面积减小,就会造成喉管面积比ψ<52,当ψ逐渐减小至极限时,喷射系数的大小就接近于0,这相当于将喷射泵出口堵死,喷射泵等价为封闭空间的冲击射流,由于出口被封闭,流体只有流回引射流体的来路中,喷射系数相当于变为负值,喷射泵就不能正常工作,也就丧失了本身的抽气功能。这2方面都会使喷射泵喷射系数u也随着变化,真空泵的工作性能就随之减弱,真空泵系统达到钢种冶炼所需真空度的时间就会延长,严重影响钢种质量和生产节奏。

4、改进措施

  1)对于垂直式布局抽空管道的真空泵系统,清除真空泵泵壳喉管处内壁的积灰难度较大、用时较长,建议利用周期性的年修机会,在第2喉管处进行挖孔清灰;

  2)对于斜架式布局抽空管道的真空泵系统,可以对抽空管道增加1套自动冲洗装置,在一级泵泵壳处加装1套冲洗水管,同时设计自动切换阀门控制,当真空设备处于待机状态时,充分利用冷凝器的冷却水量,对真空泵抽空管道的内壁积灰进行冲洗。这样既可以达到快速清除抽空管道内壁积灰的目的,又能充分利用冷凝器在待机状态时所浪费掉的水量,达到一举两得的效果。

5、结语

  经过上述分析,抽空管道内壁积灰对蒸汽喷射泵抽真空的性能影响较大,随着积灰层的加厚,气流流通面积逐渐缩小,致使真空系统达到炼工艺所需真空度的时间延长,而不能满足冶炼工艺要求。当积灰层达到一定厚度时,真空泵就会丧失抽真空的功能。抽空管道内壁积灰若及时清除就会越积越多,而且由于激波和碰撞力的作用,积灰的硬度也会越来越大,使清灰工作的难度增大。因此,依据日常对抽空管道内壁积灰情况的检查,应该科学合理的制定真空泵抽空管道内壁积灰的清灰周期,确保真空泵的抽气性能达到较好的状态。另外,虽然第1喉管即喷射泵本体积灰甚至堵塞的故障发生几率很小,但是也不容忽视,应该制定对其进行检查确认的制度,便于掌握喷射泵的运行状况。

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