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姜燮昌:适用于化学工业的真空泵

液环泵属于容积泵,如图2所示,叶轮在泵腔内是偏心安装,当叶轮旋转时会迫使工作液沿着泵腔内壁形成一个等厚的旋转液环,于是在两个相邻叶片、叶轮轮毂和液环内表面之间形成一个“气腔”,随着叶轮旋转,气腔在泵的吸气区的体积逐渐增大,其内部压力下降,从而将气体吸入泵内,相反,气腔在排气区的体积逐渐变小,其内部压力上升,从而将气体排出。

液环泵有单级和双级两种,单级液环泵工作压力范围为(1000~150)mbar,入口压力低于150mbar时抽速急剧下降,抽气效率较低。双级液环泵工作压力范围为(1000~30)mbar,在入口压力较低的情况下仍有较大抽速。

液环泵非常适合于化学工业,其内部零件不存在相互接触,无需润滑。液环泵的工作液有两个作用:一是用于密封,二是用于冷却。常用的工作液是水,亦可以用与工艺介质相适应的其他液体,如低粘度的油、乙二醇以及其他工艺溶剂如甲苯、二甲苯、甲醇、乙醇、丙醇、丁醇和乙苯等,这些密封液可以采用如图3所示的全循环系统,以避免对环境的污染。

操作简便,运动部件少,泵腔内没有润滑油,不存在油的污染问题;密封液的选择范围广;既适合于抽可凝性蒸汽,又可以抽非可凝性气体;可以抽除气流中的小液滴和微小颗粒;可以选择不同的结构材料,标准产品是全铸铁和全316不锈钢,亦可以用合金钢20和哈氏合金材料。

液环泵最大的缺点就是功耗比其他机械类的真空泵要大,如滑阀泵消耗在密封、轴承、带动运动部件的功率占总功率的30%~40%,而液环泵在上述方面消耗的功率占总功率的60%~75%。

另外,液环泵的极限压力受到密封液蒸汽压的限制,例如液环泵用水作为密封液,其极限压力就是水在工作温度下的蒸汽压,当水温在20℃时,其极限压力就是3200Pa。

同时,液环泵在低的入口压力下会产生汽蚀现象。造成汽蚀的原因是:当泵的入口压力低于密封液的蒸汽压时,密封液迅速沸腾,并产生大量气泡,在气泡上升、破裂过程中会产生很大的冲击力,并从表面剥离少量金属,如果这种汽蚀持续时间很长,就会对泵造成严重损害,见图4所示。

液环泵在低压下抽气量小、效率低而且还产生汽蚀现象,建议在液环泵的入口上增设一个大气喷射器,如图5所示,大气喷射器是喷射泵的一种类型,它利用液环泵工作时与大气压(或者是液环泵的排气压力)之间的压差将气体吸入到工作喷嘴,并获得超音速的射流,在混合室内造成真空,从而将被抽气体吸入,两股气体混合后,经过扩压管再被液环泵吸入并排到泵外。

大气喷射器液环泵机组主要在较低工作压力或密封液温度较高情况下工作。喷射器吸入的气体可以是空气,亦可以用液环泵排出的气体作为大气喷射器的驱动气体。特别是罗茨液环机组,如果在液环泵入口配上大气喷射器,如图6所示,既可以提高机组的极限真空,又可以降低罗茨泵的压缩比,在罗茨液环机组进入极限压力时,罗茨泵不会过热,液环泵亦不会产生汽蚀。

由于罗茨泵的泵腔内没有任何液体,亦不存在金属之间的相互接触,非常适合于化工领域的应用。但是普通罗茨泵的最大允许压差均在(3~5)×103Pa,不能直排大气。而气冷式罗茨泵的最大允许压差可达8.7×104Pa,可以直排大气。这种气冷式罗茨泵的结构原理如图7所示。当转子封闭进气口后,就与返冷气口相通,返入的冷气在进气和排气压差的作用下自动充满泵腔,(泵腔内的压力由P进升至P排),然后与被抽气体一起通向排气口。冷却气体由安装在排气口下方的热交换器提供。这一设计使压缩产生的热量被冷却气体所平衡,从而不会导致泵过热而卡死。

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