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      羅茨水環真空機組的原理

      羅茨真空機組在一般情況下,選用水環泵作為前級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,特別是當氣鎮油封機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,或者是真空系統不允許油污染的時候更為明顯。
      羅茨泵-水環泵機組廣泛地用于化工、食品升華干燥、高空模擬試驗等的抽真空系統中。這類聯合機組,大致有如下幾種類型。
      (1)羅茨泵-水環泵:機組中水環泵的作用是造成羅茨泵所需的預備真空,因此要求該水環泵的最大允許排氣壓力,即是說,一方面要盡量提高水環泵的極限真空,另一方面,也要設法提高羅茨泵的最大允許排氣壓力。
      一般情況,單級水環泵極限真空度不高,而目前我國生產的羅茨泵要求的預真空又較高,故實際上不用單級水環泵作為羅茨泵的前級泵,而用能提高極限真空度的雙級水環泵作為前級泵使用,采用雙級水環泵,還可以提高機組的極限真空度。

      羅茨泵串聯雙級水環泵機組

      一臺羅茨泵的極限真空度是較低的,特別是當它與水環泵組合運行時,使用范圍受到限制,整個機組的極限真空度可能更低,但若用兩臺羅茨泵串聯再與水環泵組合,就能大大提高機組的極限真空度。
      故在這種類型里通常見到的是兩臺羅茨泵串聯后再用雙級水環泵作前級泵 (圖1)組成機組。
      (2)羅茨泵-水環泵-大氣泵機組:即使采用雙級水環泵,極限真空度的提高也只是在一定的范圍之內,這是因為受到水的飽和蒸汽壓的限制。水環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,實際上水環泵的極限壓力顯著比該水溫上的飽和蒸汽壓力為高。為了提高前級泵的極限真空度,還可以使水環泵與大氣泵組合使用。

      羅茨水環大氣噴射泵機組

      見圖2。這樣,串聯一級大氣泵后的極限真空度可達20~30Torr,如果水環泵與二級大氣泵組合,則極限真空可達2~10Torr。
      (3)羅茨泵-水環泵并聯機械真空泵:此機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,例如在真空干燥方面。
      要求處理大量水蒸汽的真空系統中,使用水環泵是較合適的,但由于其極限真空度不高,致使整個機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中,需要極限真空較高的機械真空泵作為前級泵使用。但由于水環泵的耗電量大,效率很低,噪聲高,在需要長時間的真空干燥系統中,用水環泵作為羅茨泵前級泵很不經濟。
      在上述情況下,可將氣鎮機械真空泵與水環泵并聯,作為羅茨泵的前級泵。真空干燥時,先用水環泵進行預抽,直至水蒸汽大量減少時,再開動氣鎮機械真空泵,切斷水環泵。如需要較長時間才能完成干燥的場合,所需冷卻水和功率都較少,如圖3所示。

      羅茨泵與水環泵、機械泵組成的機組

      羅茨泵-水環泵機組的運行
      (1)機組前裝冷凝器
      為了盡量使機組的體積小些,可設法使待抽的蒸汽在進入泵機組之前冷凝,這樣剩下來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,相應地泵也可以選得小一些。
      采用哪種方式較經濟?應視其具體情況而定,舉例說明如下:
      冷凝蒸汽有兩種方式:一種是安裝一臺冷卻裝置,另一種是在機組的高壓級中裝一臺冷凝器,以便能用普通的水冷卻。
      其系統需要每小時抽除50kg的水蒸汽量,在吸入壓力為1Torr時的容積流量為50000m3/h。
      1)要抽吸上述的水蒸汽量,需要三個羅茨泵串聯,并用一臺水環泵作前級組成的機組,該機組的總功率90kW。
      2)為了使蒸汽在到達真空泵之前冷凝,就要在位于A處裝一個冷凝器和一個功率為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℃,為了能保證連續工作,應取冷凝裝置的冷凝溫度為-25℃,且并聯安裝2臺冷凝器。根據非冷凝氣體的組成部分計算得,真空泵的抽氣量就可以降低到1000~2000m3/h,總機組(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。冷凝器設在B處。這時總功率的消耗為75kW左右。
      通過上述三組方式的比較可知,第三種方案最好,可減少15kW的動力消耗。
      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,水蒸汽的比容相當大,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,在同樣壓力下只要氣體溫度降低,其容積流量就會減少。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組裝置。
      (2)機組的操作順序:
      1)機組中無旁通閥時,應先開動水環泵,被抽系統中的氣體由羅茨泵(氣體推動羅茨泵轉子自行轉動,如同流量計一般)進入水環泵后再排至大氣,待水環泵的吸入壓力(如串聯有大氣泵,則為大氣泵的吸入壓力)達到羅茨泵的起初規定值時(即允許排氣壓力),始啟動羅茨泵,機組正式運轉,開始工作。
      2)機組中有旁通閥時,如圖5所示,先啟動水環泵,接著開動羅茨泵,此時,羅茨泵進排氣壓差較大,旁通閥自動開啟,被抽容器中的氣體一部分經過旁通閥進入水環泵,另一部分在羅茨泵的作用下通過該泵也進入水環泵,顯然抽氣速率增加,這樣很快達到羅茨泵的預真空,進排氣壓差較小,閥門自動關閉(或人工關閉),機組正式工作。這種方法能大大縮短預抽時間,但設備較復雜。
      羅茨泵水環泵與冷凝器連接圖

      (3)機組-羅茨泵-前級泵性能關系
         機組的性能與羅茨泵的性能密切相關,而羅茨泵的性能又隨前級泵的不同而有所不同。
         1)由于羅茨泵的轉子與轉子之間、轉子與殼體之間存在著間隙,因此有返流存在,而這種返流受進口壓力和出口壓力的影響,即使是同一臺羅茨泵,使用不同的前級泵時,其抽氣速率也會有所不同。
         羅茨泵的抽氣速率可由下式確定:
         δ=δ0(P2/P1/K)
         式中:δ0-設計的抽氣速率;
            P1-進口壓力;
            P2-出口壓力;
            K-固有常數,由該泵轉子的形狀、間隙量、轉子圓周速度和出口壓力來確定。
         由上式可知,抽氣量受到出口壓力與進口壓力之比的影響,亦即若增加前級泵的抽氣速率,那么羅茨泵的抽氣速率也會增大。
         (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。
         在這些參數中,Q1受排氣壓力即前級泵的極限壓力的影響很大,在用水環泵作前級泵時,羅茨泵的極限壓力隨水環的飽和蒸汽壓的不同而不同。

      機組中羅茨泵的旁通閥
      圖6是用同一臺羅茨泵配不同的前級泵時的性能比較。
      羅茨泵配用不同前級泵時的性能曲線
      從圖可見,前級泵的極限真空度愈高時,機組的極限真空度也隨之增高;兩級羅茨泵串聯使用,則能提高機組的極限真空度(實質上就是前一個羅茨泵為后一個羅茨泵的前級泵),且性能曲線平緩擴大,也即使用的范圍擴大(由曲線1與2,曲線3與5的比較而得)。機組1、2的曲線大致相同。同樣,機組3、4、5的曲線也有相同之處。然而1、2機組曲線和3、4、5機組曲線卻是完全不同的兩組曲線。這說明對于同一羅茨泵而言,選用不同的前級泵時,其機組的性能曲線有本質的差異。由此可見,前級泵對機組性能有相當大的影響。
      (4)水環泵的選擇
      所謂水環泵就是用水作為液環的液環泵,用水作液環有很多優點,如價廉、易得、不會污染環境等。但也有一個很大缺點,由于水的飽和蒸汽壓高,使得水環泵的吸入壓力也高。這時如改用飽和蒸汽壓低的液體作為液環,則可提高泵的極限真空度。如果某機組中羅茨泵最大允許的排氣壓力為10Torr,則用水作液環時還須加大氣泵才能作為該羅茨泵的前級泵,若改用礦物油作液環則不加大氣泵即可作為前級泵,這樣可以簡化裝置。
      (5)機組性能與羅茨泵允許排出壓力
      機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,水環泵作為前級泵的可能性就越小。如果羅茨泵這種允許值為1~10Torr,而不論單、多級的水環泵極限壓力大大高于這個數值,因此就不可能單獨與這種羅茨泵組合使用,而需要加二級大氣泵。如果羅茨泵排出壓力允許值在100Torr以上,則前級的水環泵也可以作為羅茨泵的前級泵的前級泵,這就大大地擴充了前級泵的應用范圍。
      (6)應用實例
      某化纖產品的生產過程為:低分子-高分子-制成帶狀-切片-干燥(運用羅茨泵-水環泵機組進行真空干燥)-抽絲-牽伸、加熱-紡織-成品。
      其中一個重要的工序是將5×5×5(mm)大小的切片進行干燥,以便進行抽絲,抽絲過程中理想的狀況是使水份含量為零,實際上由于不能達到這一目的,故要求水份含量不大于0.02%,如果水份超過這一要求,要高溫高壓下抽絲,會使高分子分解,影響產品的強度。
      在干燥這一工序中所應用的羅茨泵-水環泵機組的抽真空系統裝置如圖7所示。機組中各泵的技術參數如下表。

      名 稱

      抽 氣 速 率
      (m3/h)

      轉子直徑
      (mm)

      轉 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

      雙級水環泵

      100

      前級葉輪為后級之半

      1450

      5.5

      羅茨水環真空機組抽真空示意圖
      主要設備的功用簡介如下:
      (1)真空閥  關閉真空閥,機組停止運行,可保持干燥系統一定的真空度。
      (2)自動氣動安全閥  為防止機組突然停車時水環泵系統中的水向羅茨泵及真空干燥系統中倒灌。
      (3)壓差閥  機組開始運行時,先啟動水環泵,在壓差閥兩端逐漸產生壓差,達到一定值時,閥自動開啟,使系統中大部分氣體經此閥流進水環泵。當大氣逐漸通過大氣泵流進水環泵,壓差閥兩端壓力又逐漸減小,以致關閥,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抽時間。
      (4)水位計  起止逆閥的作用,防止水環泵的水倒流。
      操作順序如下:先開動水環泵,系統中氣體徑由羅茨泵(此時推動羅茨泵轉子轉動)進入水環泵而由汽水分離器排向大氣。當抽到絕對壓力為50Torr時啟動羅茨泵2,當絕對壓力到20Torr時再啟動羅茨泵1,最后系統壓力可達到0.088Torr,一般情況下可維持在1Torr以下。
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