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羅茨水環(huán)真空機(jī)組的原理
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羅茨真空機(jī)組在一般情況下,，選用水環(huán)泵作為前級(jí)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(dāng)氣鎮(zhèn)油封機(jī)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(tǒng)不允許油污染的時(shí)候更為明顯,。
羅茨泵－水環(huán)泵機(jī)組廣泛地用于化工,、食品升華干燥,、高空模擬試驗(yàn)等的抽真空系統(tǒng)中,。這類聯(lián)合機(jī)組,，大致有如下幾種類型。
（1）羅茨泵－水環(huán)泵：機(jī)組中水環(huán)泵的作用是造成羅茨泵所需的預(yù)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(shè)法提高羅茨泵的最大允許排氣壓力。
一般情況,，單級(jí)水環(huán)泵極限真空度不高,，而目前我國(guó)生產(chǎn)的羅茨泵要求的預(yù)真空又較高，故實(shí)際上不用單級(jí)水環(huán)泵作為羅茨泵的前級(jí)泵,，而用能提高極限真空度的雙級(jí)水環(huán)泵作為前級(jí)泵使用,，采用雙級(jí)水環(huán)泵，還可以提高機(jī)組的極限真空度,。 |
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一臺(tái)羅茨泵的極限真空度是較低的,，特別是當(dāng)它與水環(huán)泵組合運(yùn)行時(shí)，使用范圍受到限制,，整個(gè)機(jī)組的極限真空度可能更低,，但若用兩臺(tái)羅茨泵串聯(lián)再與水環(huán)泵組合，就能大大提高機(jī)組的極限真空度,。
故在這種類型里通常見到的是兩臺(tái)羅茨泵串聯(lián)后再用雙級(jí)水環(huán)泵作前級(jí)泵 （圖1）組成機(jī)組,。
（2）羅茨泵－水環(huán)泵－大氣泵機(jī)組：即使采用雙級(jí)水環(huán)泵，極限真空度的提高也只是在一定的范圍之內(nèi),，這是因?yàn)槭艿剿娘柡驼羝麎旱南拗�,。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)泵的極限壓力顯著比該水溫上的飽和蒸汽壓力為高,。為了提高前級(jí)泵的極限真空度，還可以使水環(huán)泵與大氣泵組合使用,。 |
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見圖2,。這樣，串聯(lián)一級(jí)大氣泵后的極限真空度可達(dá)20~30Torr,如果水環(huán)泵與二級(jí)大氣泵組合,，則極限真空可達(dá)2~10Torr。
（3）羅茨泵－水環(huán)泵并聯(lián)機(jī)械真空泵：此機(jī)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(tǒng),，例如在真空干燥方面,。
要求處理大量水蒸汽的真空系統(tǒng)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(jī)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(tǒng)中,，需要極限真空較高的機(jī)械真空泵作為前級(jí)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(zhǎng)時(shí)間的真空干燥系統(tǒng)中，用水環(huán)泵作為羅茨泵前級(jí)泵很不經(jīng)濟(jì),。
在上述情況下,，可將氣鎮(zhèn)機(jī)械真空泵與水環(huán)泵并聯(lián)，作為羅茨泵的前級(jí)泵,。真空干燥時(shí),，先用水環(huán)泵進(jìn)行預(yù)抽，直至水蒸汽大量減少時(shí),，再開動(dòng)氣鎮(zhèn)機(jī)械真空泵,，切斷水環(huán)泵。如需要較長(zhǎng)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。 |
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| 羅茨泵－水環(huán)泵機(jī)組的運(yùn)行 |
（1）機(jī)組前裝冷凝器
為了盡量使機(jī)組的體積小些,，可設(shè)法使待抽的蒸汽在進(jìn)入泵機(jī)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(yīng)地泵也可以選得小一些,。
采用哪種方式較經(jīng)濟(jì),？應(yīng)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(tái)冷卻裝置,，另一種是在機(jī)組的高壓級(jí)中裝一臺(tái)冷凝器,，以便能用普通的水冷卻。
其系統(tǒng)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(tái)水環(huán)泵作前級(jí)組成的機(jī)組,，該機(jī)組的總功率90kW,。
2）為了使蒸汽在到達(dá)真空泵之前冷凝，就要在位于A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(xù)工作,，應(yīng)取冷凝裝置的冷凝溫度為-25℃，且并聯(lián)安裝2臺(tái)冷凝器,。根據(jù)非冷凝氣體的組成部分計(jì)算得,，真空泵的抽氣量就可以降低到1000~2000m3/h，總機(jī)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(shè)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(dāng)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?dú)怏w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,。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(jī)組裝置,。
（2）機(jī)組的操作順序：
1）機(jī)組中無(wú)旁通閥時(shí),，應(yīng)先開動(dòng)水環(huán)泵,，被抽系統(tǒng)中的氣體由羅茨泵（氣體推動(dòng)羅茨泵轉(zhuǎn)子自行轉(zhuǎn)動(dòng)，如同流量計(jì)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(dá)到羅茨泵的起初規(guī)定值時(shí)（即允許排氣壓力），始啟動(dòng)羅茨泵,，機(jī)組正式運(yùn)轉(zhuǎn)，開始工作,。
2）機(jī)組中有旁通閥時(shí),，如圖5所示，先啟動(dòng)水環(huán)泵,，接著開動(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(dá)到羅茨泵的預(yù)真空，進(jìn)排氣壓差較小,，閥門自動(dòng)關(guān)閉（或人工關(guān)閉）,，機(jī)組正式工作。這種方法能大大縮短預(yù)抽時(shí)間,，但設(shè)備較復(fù)雜,。 |
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（3）機(jī)組－羅茨泵－前級(jí)泵性能關(guān)系
機(jī)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(jí)泵的不同而有所不同,。
1）由于羅茨泵的轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子之間,、轉(zhuǎn)子與殼體之間存在著間隙，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(tái)羅茨泵，使用不同的前級(jí)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(shè)計(jì)的抽氣速率；
P1－進(jìn)口壓力,；
P2－出口壓力,；
K－固有常數(shù)，由該泵轉(zhuǎn)子的形狀,、間隙量,、轉(zhuǎn)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(jí)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(cè)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(shù)中，Q1受排氣壓力即前級(jí)泵的極限壓力的影響很大,，在用水環(huán)泵作前級(jí)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。 |
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| 圖6是用同一臺(tái)羅茨泵配不同的前級(jí)泵時(shí)的性能比較,。 |
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從圖可見,，前級(jí)泵的極限真空度愈高時(shí)，機(jī)組的極限真空度也隨之增高,；兩級(jí)羅茨泵串聯(lián)使用,，則能提高機(jī)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(jí)泵），且性能曲線平緩擴(kuò)大,，也即使用的范圍擴(kuò)大（由曲線1與2,，曲線3與5的比較而得）。機(jī)組1,、2的曲線大致相同,。同樣，機(jī)組3,、4,、5的曲線也有相同之處。然而1,、2機(jī)組曲線和3,、4、5機(jī)組曲線卻是完全不同的兩組曲線,。這說(shuō)明對(duì)于同一羅茨泵而言,，選用不同的前級(jí)泵時(shí)，其機(jī)組的性能曲線有本質(zhì)的差異。由此可見,，前級(jí)泵對(duì)機(jī)組性能有相當(dāng)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(jī)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(jí)泵，若改用礦物油作液環(huán)則不加大氣泵即可作為前級(jí)泵,，這樣可以簡(jiǎn)化裝置,。
（5）機(jī)組性能與羅茨泵允許排出壓力
機(jī)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(jí)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(jí)的水環(huán)泵極限壓力大大高于這個(gè)數(shù)值,，因此就不可能單獨(dú)與這種羅茨泵組合使用，而需要加二級(jí)大氣泵,。如果羅茨泵排出壓力允許值在100Torr以上,，則前級(jí)的水環(huán)泵也可以作為羅茨泵的前級(jí)泵的前級(jí)泵，這就大大地?cái)U(kuò)充了前級(jí)泵的應(yīng)用范圍,。
（6）應(yīng)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(yùn)用羅茨泵－水環(huán)泵機(jī)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(dá)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(qiáng)度。
在干燥這一工序中所應(yīng)用的羅茨泵－水環(huán)泵機(jī)組的抽真空系統(tǒng)裝置如圖7所示,。機(jī)組中各泵的技術(shù)參數(shù)如下表,。 |
名 稱 |
抽 氣 速 率
(m3/h) |
轉(zhuǎn)子直徑
(mm) |
轉(zhuǎn) 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(jí)水環(huán)泵 |
100 |
前級(jí)葉輪為后級(jí)之半 |
1450 |
5.5 |
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主要設(shè)備的功用簡(jiǎn)介如下：
（1）真空閥 關(guān)閉真空閥,，機(jī)組停止運(yùn)行，可保持干燥系統(tǒng)一定的真空度,。
（2）自動(dòng)氣動(dòng)安全閥 為防止機(jī)組突然停車時(shí)水環(huán)泵系統(tǒng)中的水向羅茨泵及真空干燥系統(tǒng)中倒灌,。
（3）壓差閥 機(jī)組開始運(yùn)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(dá)到一定值時(shí)，閥自動(dòng)開啟,，使系統(tǒng)中大部分氣體經(jīng)此閥流進(jìn)水環(huán)泵,。當(dāng)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(yù)抽時(shí)間,。
（4）水位計(jì) 起止逆閥的作用,，防止水環(huán)泵的水倒流。
操作順序如下：先開動(dòng)水環(huán)泵,，系統(tǒng)中氣體徑由羅茨泵（此時(shí)推動(dòng)羅茨泵轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)）進(jìn)入水環(huán)泵而由汽水分離器排向大氣,。當(dāng)抽到絕對(duì)壓力為50Torr時(shí)啟動(dòng)羅茨泵2，當(dāng)絕對(duì)壓力到20Torr時(shí)再啟動(dòng)羅茨泵1,，最后系統(tǒng)壓力可達(dá)到0.088Torr,，一般情況下可維持在1Torr以下。 |
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