真空技术对水环真空泵的几点看法.docx
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真空技术对水环真空泵的几点看法
真空技术
对水环真空泵的几点看法
开发的几点看法
众所周知，由于水环真空泵和水环压缩机具有结构简单、使用维修方便的特点，因而在各行各业得到了广泛的应用。
特别是具有等温压缩的特点，极易抽吸、压缩易燃易爆的气体。
下面就其发展及设计开发谈几点粗浅的看法。
1大型化
由于煤矿、化工、制药、造纸等行业的发展，对水环真空泵的要求越来越向大型化方面发展。
在2000年以前，我国能生产抽气量在100m3／min以上的水环真空泵仅3-4个企业，全国年产量也不过几十台。
而仅过了三年，到2003年全国能生产100m3／min以上的大泵的厂家达10多家（其中仅淄博地区就有7--8家），据不完全统计，全国的大泵的产量达几百台以上，这些产品主要应用于：
（1）煤矿行业
由于国家加强了对煤矿的安全要求，因而用水环真空泵，特别是大型水环真空泵抽除瓦斯气体已成为煤矿行业必须的安全要求，例如去年陕西某矿务局订购的多台抽气量达400m3／min的特大型水环真空泵就是用以抽除瓦斯气体，有的一个大型煤矿使用100m3／min以上的大泵就达7--8台。
随着国家对安全工作进一步加强，大型、特大型水环真空泵将在煤矿系统得到越来越广泛的应用。
此外，由于煤炭产量的飞速增加，煤矿的洗、选煤所用的真空过滤机也向大型化方面发展，在八十年代大多配抽气量为27m3／min的SZ-4型水环真空泵，这在当时也是较大的。
而近几年煤矿的过滤机都选配抽气量为80--150m3／min的大型水环真空泵，有的达到200m3／min以上，而且还有气量继续增大的趋势。
（2）化工行业
a）氯碱行业
近几年来我国启动了许多大型的基本建设和技术改造项目，这些项目的实童都需要大量的聚氯乙烯材料，特别是房地产的兴旺，更加推动了聚氯乙烯行业的发展，据氯碱行业的统计，我国去年生产了410万吨聚氯乙烯，进口了200可吨。
据该行业的预测，2005年的全国需求量将达800万吨，而到了2010年将达到1500万吨，正是因为需求量高速增加，使得我国的氯碱行业的企业加改造扩产，并且近一、二年新上了许多企业。
氯碱企业的发展，必须配套水陕空泵和水环压缩机j用以抽除和压缩乙炔和氢气的水环真空泵和水环压缩机过去最大也不过30m3／min，而现在年产10万吨烧碱和10万吨聚氯乙烯的企业，需要的水环真空泵和水环压缩机达70m3／min以上。
在这里需要特别介绍的是，正是由于这个行业的发展，推动和加快了较高I力水环压缩机的开发和生产。
长期以来，我国的水环压缩机一般是当吸入压力为1个大气压或略低于呔气压时，排除压力为O．1MPa，即压缩比为2，个别企业生产过排除压力达25MPaG的水环压缩机，而且仅1--2个规格。
为了适应聚氯乙烯的生产，91原国务院重大装备办公室在“八五”重大技术装备攻关项目--年产4吨低聚合度聚氯乙烯装置设备研制中提出了氯乙烯回收水环压缩机的研制攻关课题，这种回收氯乙烯单体的水环压缩机要求在吸入压力为常压或微负压的情况下，排出压力要达到O.55-0.6MPaG，而且排气量要达到700m3／min。
经过几年的努力，我公司于96年12月通过了由原国家机械部组织的技术鉴定，客项技术酥达到了攻关要求。
在此产品的基础上，我公司又开发了系列产品，排气量由90m3／min到2000m。
／h。
由于该设备是聚氯乙烯行业的关键设备之一，因而在近几年全国大上聚氯乙烯项目的形势下，这种水环压缩机得到了推广和应用，完全替代了进口。
b）化肥行业
化肥行业特别是磷肥的生产也是我国经济宏观调控中重点支持的产业，由于新上项目及老企业的技术改造均以上水平、上规模为主，因而大型、特大型水环真空泵在此也得到了应用，如云南某磷肥企业一次改造就新增抽气量为300m3／min的特大型水环泵3台。
此外，还有许多磷肥企业工艺要求在压力为绝压80--lOOhPa时，仍要有较大的抽气能力，因而两级水环真空泵及带大气喷射器的两级水环真空泵用在这种工况下，就具有独特的优势，许多化肥企业淘汰了振动噪声大而真空度较高的往复真空泵，用两级水环真空泵替代，并收到了较好的效果，可以说两级水环真空泵在该行业应用将会越来越广泛。
c）造纸行业
上世纪末和本世纪初，我国的国债投入造纸行业占有较大的比例，全国各地的造纸厂争先恐后地改造上水平、上规模，这大大地拉动了大型水环真空泵的开发生产，东北某造纸厂一次改造抽气量为400IIl3／min的特大型水环真空泵（目前我国生产的最大规格的水环真空泵）6台，总配动力为400kW。
可以说近几年来的抽气量在100m3／min以上的大型水环真空泵的50％是用在造纸行业，而且这种发展趋势有增无减。
d）制药行业
真空浓缩脱水、干燥、蒸馏是制药企业的主要工艺过程，制药企业的技术改造也同样是上水平、上规模，这在一些大型制药企业更为明显。
过去，大多用10m3／min以下的小泵，而现在，在这些企业的项目招标中，抽气量在20m3／min以上的中、大型泵已占多数。
此外，制药行业的许多厂过去使用抽气量为6--12m3／min的两级水环真空泵较多，而现在都配20-30m3／min的两级水环真空泵，有的还达到60m3／min，如四川某合资制药厂去年一次招标买抽气量为60m3／min的泵达到10台。
除以上行业外，轻工行业的食品、啤酒企业以及冶金、发电、石化、建材等行业的真空系统均向大型方面发展，如山东某铝厂长期使用多台抽气量为85m3／min的水环真空泵，而去年的技改项目设备招标要求的水环真空泵抽气量要达到140m3／min。
2成套性
应当说，在2000年以前国内的水环真空泵的生产厂家几乎全是以销售单泵为主，极少有用户订成套设备，而近两年来，化工、制药行业的技改项目设备招标中成套设备占的比例越来越大，一般是要求配分离器、冷却器（换热器）、补液泵、阀门、仪表、管件以及控制装置，形成闭式循环，并且要求与企业的OCS系统相连，对液位、压力、力量等进行在线控制。
对这种机电一体化成套设备的要求在许多行业越来越普遍。
3较高真空下要求较大的抽气量
许多化工、制药行业的真空蒸馏、浓缩、脱水、干燥以及发电厂的抽除尾气都要求在吸入压力为3--8kPa之间有较大的抽气量，单级水环真空泵在这一区间抽气能力已相当弱，而两级水环真空泵和带一级大气喷射器的两级水环真空泵的特点是在该区间有较大的吸气量，在2000年以前对于两级泵的需求大多是15m3／min以下，而现在达40-50m3／min。
此外，还应当指出，单级水环真空泵带一级大气喷射器时，如果设计合理，在吸入压力为4--5kPa时仍有较大的抽气量，这大大扩大了单级水环真空泵的使用范围，如我国某飞机研究所就使用该类泵多台。
综上所述，可以看出，水环真空泵及水环压缩机作为基本的粗低真空获得设备在各行业得到了广泛的应用，也可以说国民经济各行业的迅速发展推动了水环真空泵和水环压缩机的开发生产。
因此为使其更好地适应各行业的发展，现就该泵的研制开发提出以下几点粗浅的看法。
（1）用可行性设计和高性能的密封件，提高整机的平均无故障运行期（MTBF）
水环真空泵及水环压缩机的工作可靠性，即平均无故障运行期，应当说与其它的粗低真空获得设备相比还是较高的，平均无故障运行期可达10000小时以上。
但随着各行业技术进步工作的加强和对整个真空系统的可靠性要求的提高，因而对其可靠性要求也相应更高了。
特别是在化工和煤矿抽瓦斯气体的这样对安全要求严格的工况下，泵要长期持续运转，国际先进水平可达几万小时以上。
所以水环真空泵和水环压缩机的设计工作的开发情况和制造条件的限制以及密封件（特别是机械密封件）的质量现状，要真正提高整机的可靠性尚需进一步对以上几方面的工作进一步加强。
（2）采用优化设计方法，努力提高泵的效率，降低能耗
水环真空泵和水环压缩机是耗能高，效率低的产品，这是公认的事实，小泵一般为30-35％，大泵达40％或略高，这样低的效率与国家对机电产品的要求及我国目前能源紧张的现状是极不相适应的。
因此应尽快采用优化设计方法，对影响泵的效率最关键的叶轮的各几何参数及吸排气孔的起始位置、面积等建立数学模型，进行优化设计，选择各参数的最佳组合方案，并采用汽液两相流的有关理论及计算公式进行设计，尽量减少水环的涡流损失，达到提高效率的目的。
所以说尽快设计开发成功高效节能的水环真空泵及压缩机以淘汰耗能高、效率低的落后产品是摆在水环真空泵的设计开发、生产企业面前的一项重要工作。
（3）提高带大气喷射器时的工况点的气量。
国外无论单级水环真空泵还是两级水环真空泵配大气喷射器以提高在较低吸入压力下的抽气量的情况还是较多的。
从国外技术先进的企业的技术资料上可以看出，单级水环真空泵带一级大气喷射器时，在吸入压力为5kPa点，抽气速率可达该泵不带大气喷射时吸入压力为400hPa点的抽气速率（用户常用的单级水环真空泵的共况点）的65--70％，两级水环真空泵带一级大气喷射器时，在吸入压力为1.5kPa点抽气速率可达该泵不带大气喷射器时吸入压力为8kPa点的抽气速率（两级水环真空泵常用的工况点）的70--75％，这样便大大扩大了水环真空泵的应用范围，即满足了化工、制药、轻工、仪器、冶金、发电等行业要求在吸入压力为1.5--5kPa点大抽气速率的工艺条件。
但目前国内一是水环真空泵带大气喷射器的应用不够广泛；二是在1.5--5kPa点的抽气速率较小，与国外先进厂家技术水平有一定差距。
为进一步推广应用，应当研究改进大气喷射器的设计与水环真空泵的最佳配比，由于气流在大气喷射器的喷嘴（拉伐尔喷管）与扩压器的渐缩段流动是超音速气流，并且大气与被抽气体两股气流的混合过程中的动量交换较为复杂，无法完全依靠理论计算的方法进行设计，必须进行多
次试验，但从扩大水环真空泵的应用及提高其效率的角度出发应当加强试验研究，努力提高其抽气效率。
罗茨泵－水环泵真空机组工作原理
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（图1）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。
见图2。
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。
（3）机组－罗茨泵－前级泵性能关系
机组的性能与罗茨泵的性能密切相关，而罗茨泵的性能又随前级泵的不同而有所不同。
1）由于罗茨泵的转子与转子之间、转子与壳体之间存在着间隙，因此有返流存在，而这种返流受进口压力和出口压力的影响，即使是同一台罗茨泵，使用不同的前级泵时，其抽气速率也会有所不同。
罗茨泵的抽气速率可由下式确定：
δ＝δ0（P2/P1/K）
式中：
δ0－设计的抽气速率；
P1－进口压力；
P2－出口压力；
K－固有常数，由该泵转子的形状、间隙量、转子圆周速度和出口压力来确定。
由上式可知，抽气量受到出口压力与进口压力之比的影响，亦即若增加前级泵的抽气速率，那么罗茨泵的抽气速率也会增大。
（2）极限压力由泵的抽气速率，各间隙的返流量，泵体泄漏量及高真空侧的放气量所决定。
即：
P0＝（Q1+Q2+Q3）/δ 式中：
P0－极限压力；
δ－抽气速率；
Q1－返流量；
Q2－泄漏量；
Q3－放气量。
在这些参数中，Q1受排气压力即前级泵的极限压力的影响很大，在用水环泵作前级泵时，罗茨泵的极限压力随水环的饱和蒸汽压的不同而不同。
图6是用同一台罗茨泵配不同的前级泵时的性能比较。
从图可见，前级泵的极限真空度愈高时，机组的极限真空度也随之增高；两级罗茨泵串联使用，则能提高机组的极限真空度（实质上就是前一个罗茨泵为后一个罗茨泵的前级泵），且性能曲线平缓扩大，也即使用的范围扩大（由曲线1与2，曲线3与5的比较而得）。
机组1、2的曲线大致相同。
同样，机组3、4、5的曲线也有相同之处。
然而1、2机组曲线和3、4、5机组曲线却是完全不同的两组曲线。
这说明对于同一罗茨泵而言，选用不同的前级泵时，其机组的性能曲线有本质的差异。
由此可见，前级泵对机组性能有相当大的影响。
（4）水环泵的选择
所谓水环泵就是用水作为液环的液环泵，用水作液环有很多优点，如价廉、易得、不会污染环境等。
但也有一个很大缺点，由于水的饱和蒸汽压高，使得水环泵的吸入压力也高。
这时如改用饱和蒸汽压低的液体作为液环，则可提高泵的极限真空度。
如果某机组中罗茨泵最大允许的排气压力为10Torr，则用水作液环时还须加大气泵才能作为该罗茨泵的前级泵，若改用矿物油作液环则不加大气泵即可作为前级泵，这样可以简化装置。
（5）机组性能与罗茨泵允许排出压力
机组的性能在很大程度上取决于罗茨泵的允许排出压力。
这种允许值越低，水环泵作为前级泵的可能性就越小。
如果罗茨泵这种允许值为1~10Torr，而不论单、多级的水环泵极限压力大大高于这个数值，因此就不可能单独与这种罗茨泵组合使用，而需要加二级大气泵。
如果罗茨泵排出压力允许值在100Torr以上，则前级的水环泵也可以作为罗茨泵的前级泵的前级泵，这就大大地扩充了前级泵的应用范围。
（6）应用实例
某化纤产品的生产过程为：
低分子－高分子－制成带状－切片－干燥（运用罗茨泵－水环泵机组进行真空干燥）－抽丝－牵伸、加热－纺织－成品。
其中一个重要的工序是将5×5×5（mm）大小的切片进行干燥，以便进行抽丝，抽丝过程中理想的状况是使水份含量为零，实际上由于不能达到这一目的，故要求水份含量不大于0.02%，如果水份超过这一要求，要高温高压下抽丝，会使高分子分解，影响产品的强度。
在干燥这一工序中所应用的罗茨泵－水环泵机组的抽真空系统装置如图7所示。
机组中各泵的技术参数如下表。
名称
抽气速率
（m3/h）
转子直径
（mm）
转速
（r/min）
配用功率
（kW）
罗茨泵1
400
160
1450
2.2
罗茨泵2
200
102
2900
1.3
双级水环泵
100
前级叶轮为后级之半
1450
5.5
主要设备的功用简介如下：
（1）真空阀 关闭真空阀，机组停止运行，可保持干燥系统一定的真空度。
（2）自动气动安全阀 为防止机组突然停车时水环泵系统中的水向罗茨泵及真空干燥系统中倒灌。
（3）压差阀 机组开始运行时，先启动水环泵，在压差阀两端逐渐产生压差，达到一定值时，阀自动开启，使系统中大部分气体经此阀流进水环泵。
当大气逐渐通过大气泵流进水环泵，压差阀两端压力又逐渐减小，以致关阀，于是大气泵随即开始正常工作，压差阀的作用是为了缩短大气泵正常工作前的预抽时间。
（4）水位计 起止逆阀的作用，防止水环泵的水倒流。
操作顺序如下：
先开动水环泵，系统中气体径由罗茨泵（此时推动罗茨泵转子转动）进入水环泵而由汽水分离器排向大气。
当抽到绝对压力为50Torr时启动罗茨泵2，当绝对压力到20Torr时再启动罗茨泵1，最后系统压力可达到0.088Torr，一般情况下可维持在1Torr以下。
产品展示
W、WY系列往复式真空泵
W、WY系列往复式真空泵是获得粗真空的主要设备，使用于炼油、颜料、塑料、肥皂、食品、制糖、制药等方面的蒸发结晶、干燥过滤；建筑方面的混凝土作业；冶金工业中的真空除气及其它部门需要的低压、低温作业。
往复式真空泵主要技术规格
W-50
（W3）
W-70
（W4-1）
W-100
（W4）
W-150
（W5-1）
W-200
（W5-1）
抽气速率1/S
50
70
100
150
200
极限真空KPa
1.3
（10TOrr）
2.6
（20TOrr）
1.3
（10TOrr）
2.6
（20TOrr）
2.6
（20TOrr）
转速r/min
300
364
200
300
430
配用电机型号
Y132S-4
Y160W-6
Y160L-6
Y180L-6
Y200L2-6
功率（KW）
5.5
7.5
11
15
22
进出口管直径mm
50
80
80
125
125
进出口水管直径
1/2"
1/2"
3/4"
3/4"
3/4"
气缸直径*行程mm
250*150
250*150
350*200
350*200
350*200
外型尺寸mm
长
1402
1408
1773
1856
1856
宽
615
515
800
665
665
高
640
537
891
772
772
技术性能参数
型号
WL-50
WL-100
WL-200
抽气速率L/s（m3/h）
50（180）
100（360）
200（720）
极限真空Pa（TOrr）
2.66*103（20）
进\排气管径mm（in）
65（2*1/2）
80（3）
125（5）
进\出水管径in
1/2
1/2
3/4
活塞直径*行程mm
220*130
300*150
375*180
转速r/min
350
320
330
电动机
型号
Y132M1-6
Y160-6
Y180L-6
功率KW
4
7.5
15
噪音dB
<７５
外型尺寸:
长*宽*高mm
1050*520*1200
1360*640*1385
1430*785*1440
重量（不包括电动机）kg
420
720
940
2sk系列双级水环式真空泵
使用范围:
主要用来抽除空气和其它有一定腐蚀性,不溶于水,允许含有少量固体颗粒的气体.广泛用于食品、纺织、医药、化工等行业的真空蒸发、浓缩、浸渍、干燥等工艺过程中.
该型泵具有真空度高、结构简单、使用方便、工作可靠、维护方便的特点.
型号
名称
2SK-1.5A
2SK-3A
2SK-6A
2SK-12A
抽气速率（m3/mim）
1.5
3
6
12
极限压力（Pa）
3.3*103
3.3*103
3.3*103
3.3*103
电机功率（Kw）
4
7.5
15
22
泵转速（
升级会员 