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圖1為真空泵的工作原理圖，具體工作流程會(huì)在下面內(nèi)容中詳細(xì)介紹：
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圖1 真空泵的工作原理
1.吸氣口 2.液環(huán)流 3.泵體中心 4.葉輪中心 5.泵體 6.葉輪 7.排氣口
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1、真空泵進(jìn)口調(diào)節(jié)閥的作用
真空泵一般是用來抽真空的，但是并不是所有的場(chǎng)合均要求真空度越低越好，而有的場(chǎng)合是要求控制在某一需要的真空度范圍內(nèi)，或者是真空泵的泵腔內(nèi)壓力過低，泵腔內(nèi)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的汽蝕，造成泵的振動(dòng)、噪聲過大而影響使用的時(shí)候，可以在泵的吸氣區(qū)域增加一個(gè)真空調(diào)節(jié)閥，在上述情況發(fā)生時(shí)，可以適當(dāng)打開調(diào)節(jié)閥以緩和振動(dòng)和噪聲的影響，或者是降低真空度，達(dá)到需要的真空度要求。這是為了更加合理地應(yīng)用真空泵的一種方法。
2、大氣噴射器的作用
任何液體在任何溫度下均存在一個(gè)汽化壓力，水環(huán)式真空泵的極限真空度，和真空泵液環(huán)流液體飽和蒸汽壓有關(guān)，飽和蒸汽壓高的介質(zhì)，真空泵的極限真空度越低，反之，極限真空度越高。從圖1我們可以看出，真空泵在1-5的吸氣過程中，該腔體內(nèi)形成了真空狀態(tài)，由道爾頓定律可知，液環(huán)在葉輪的攪拌下，我們認(rèn)為空腔1-5內(nèi)充滿了液環(huán)流的飽和蒸汽壓和吸入氣體的壓力的和，當(dāng)吸入氣體量為零時(shí)，真空泵的吸入壓力最低，真空度最高，這時(shí)1-5腔內(nèi)的壓力即為液環(huán)的飽和蒸汽壓。所以真空泵進(jìn)口的最低絕對(duì)壓力一定是作為液環(huán)介質(zhì)在該溫度下的飽和蒸汽壓力值。 |
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圖2 大氣噴射器作用原理 |
如果在液環(huán)介質(zhì)不變的情況下，我們可以通過在真空泵進(jìn)口處安裝大氣噴射裝置提高液環(huán)泵的真空度，如圖2，當(dāng)真空泵剛開始抽吸被抽氣體時(shí)，這時(shí)被抽氣體的真空度較低，我們打開圖2中的閥門1，關(guān)閉閥門2，當(dāng)被抽氣體的壓力變低后，降到60~30mmHg的壓力時(shí)，打開閥門2，關(guān)閉閥門1，這時(shí)因?yàn)楸怀闅怏w的系統(tǒng)壓力較低，較大的壓差使外界的大氣或者來自氣液分離器的氣體從閥門2進(jìn)入大氣噴射器，氣體會(huì)快速的通過大氣噴射器的噴嘴，在噴嘴內(nèi)氣流速度進(jìn)一步加快，噴嘴后壓力迅速降低，以至形成噴嘴后的高真空，由于噴嘴后的低壓腔和被抽氣體相通，這樣被抽氣體會(huì)進(jìn)一步被泵抽走，被抽氣體的空腔內(nèi)會(huì)形成更高的真空度，而真空泵的抽氣量會(huì)增加，真空泵內(nèi)的真空度反而會(huì)降低，這樣還會(huì)有效改善泵腔內(nèi)低壓造成的汽蝕、振動(dòng)和噪音等問題。
圖3是加大氣噴射器后被抽系統(tǒng)的真空度變化圖，由圖可以看出，增加大氣噴射器后，被抽系統(tǒng)的真空度會(huì)變得很高，但是泵的功率基本沒有變化，說明大氣噴射器作用進(jìn)提高被抽系統(tǒng)極限真空度，泵的軸功率不變。
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圖3 大氣噴射器對(duì)真空泵性能的改變 |
需要說明的是，大氣噴射器的作用不僅是提高了被抽系統(tǒng)的真空度，當(dāng)泵在非常低的壓力下工作時(shí)，泵腔內(nèi)會(huì)產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象，會(huì)使泵的振動(dòng)和噪音增加，利用大氣噴射器不僅可以使真空泵不需要在很抵的壓力下工作，而且對(duì)提高真空泵運(yùn)行的平穩(wěn)性也是非常重要的。
我們以水作為液環(huán)泵的工作液時(shí)，當(dāng)水溫上升到30℃，在真空度8kPa(abs)附近時(shí)泵腔內(nèi)就會(huì)發(fā)生汽蝕。如果在泵的吸氣口串聯(lián)上大氣噴射器就會(huì)使泵在1.3~2 kPa(abs)內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，此時(shí)真空泵腔內(nèi)的運(yùn)行壓力為13 kPa(abs) 左右，不發(fā)生汽蝕。大氣噴射器靠大氣或者真空泵排出的氣體驅(qū)動(dòng)，而不需要任何動(dòng)力。
3、補(bǔ)充工作液系統(tǒng)對(duì)真空泵性能的影響
補(bǔ)給工作液必須是連續(xù)不斷的進(jìn)行。但是以何種方式進(jìn)行補(bǔ)給工作液，補(bǔ)給工作液的流量、壓力是如何確定的，才能提高真空泵的性能。
4、用降低工作液溫度的方法提高真空度和抽氣組
知道液體的汽化壓力和液體的溫度有很大的關(guān)系，溫度高，汽化壓力高，導(dǎo)致泵的真空度低，所以降低工作液的溫度是有利于提高泵的真空度的，對(duì)于較高溫度的工作液，我們需要通過換熱降低工作液溫度的方法來提高真空泵的真空度。如圖4。我們以水為例，水在20℃飽和蒸汽壓為0.0233bar，水在50℃飽和蒸汽壓為0.1234bar，飽和蒸汽壓提高了5倍多。
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圖4 用換熱器降低工作液溫度
1.真空泵 2.氣水分離器 3.冷卻器 |
液環(huán)的溫度對(duì)泵的氣量影響很大，真空度越高時(shí)這種影響也越明顯，水溫升高，氣量下降，定量的變化可以用下列公式進(jìn)行計(jì)算：
Qt=Q15*(P1-Pt)/(P1-P15) （1）
其中：
Qt—水溫為t℃時(shí)的氣量（m3/min）
Q15--水溫為15℃時(shí)的氣量（m3/min）
P1—水環(huán)泵吸入壓力（mmHg）
Pt—水溫為t℃時(shí)的飽和蒸汽壓（mmHg）
P15--水溫為15℃時(shí)的飽和蒸汽壓（mmHg）
由此可見，水環(huán)泵的液環(huán)溫度對(duì)真空泵的真空度、氣量均有影響，所以降低水環(huán)泵的液環(huán)溫度是非常必要的。
5、用不同的工作液來提高真空泵的性能
水和油的汽化壓力，在相同的溫度下，差別較大。我們分別用水和油作為水環(huán)泵的液環(huán)，泵的口徑分別為50、80mm，從圖5可以看出，在300mmHg的壓力以上的點(diǎn)水作為真空泵的液環(huán)和油作為真空泵的液環(huán)基本上具有相同的抽氣量，但是在低于300mmHg以下的壓力點(diǎn)，我們看到油環(huán)的吸入氣量要大于水環(huán)，并且壓力越低越明顯。并且水環(huán)的極限真空壓力是20mmHg,而油環(huán)的極限真空壓力為4mmHg左右，相差較大。
從上圖可以很明顯看出，液環(huán)的飽和蒸汽壓對(duì)提高液環(huán)泵極限真空度關(guān)系密切。
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圖5 真空泵氣量與壓力關(guān)系性能曲線
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6、從不同的位置補(bǔ)液提高真空泵的性能
看圖1，在真空泵腔內(nèi)，①~⑤為泵體內(nèi)的低壓腔區(qū)域，而⑦~11為高壓腔區(qū)域，假如補(bǔ)液口位置在低壓區(qū)，那么外界的供液可以通過泵本身的自吸方式實(shí)現(xiàn)補(bǔ)液，對(duì)補(bǔ)液壓力要求較低。如果在高壓腔補(bǔ)液，那么補(bǔ)液壓力須大于泵腔內(nèi)的壓力才能進(jìn)行泵腔內(nèi)的補(bǔ)液，否則工作液得不到及時(shí)補(bǔ)充，就會(huì)造成氣體從壓縮腔回流到吸入腔，影響真空泵的性能。經(jīng)過多次驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，利用泵自吸的方式進(jìn)行補(bǔ)液，對(duì)泵的性能有降低作用，因?yàn)楸迷谖肭惶庍M(jìn)行補(bǔ)給液或從葉輪端面進(jìn)行補(bǔ)液，工作液已經(jīng)開始工作了一段時(shí)間(從工作液壓縮氣體完成時(shí)為起點(diǎn))，也就是能量有了一定的損失，再加上這時(shí)補(bǔ)液會(huì)對(duì)液環(huán)產(chǎn)生沖擊損失，也減少了工作液對(duì)氣體的有效做功，消耗了一部分能量。如果把補(bǔ)液放在圖1的11氣室位置，補(bǔ)給液獲得了充分的能量，并在幾乎沒有能量損失的情況下參與下一輪的吸、排氣過程，所以在高壓腔 位置補(bǔ)液對(duì)提高真空泵性能是有好處的。
但是并不是補(bǔ)液的壓力越高越好，經(jīng)過驗(yàn)證壓力一般在1~1.5bar的壓力是較合理的，否則壓力太高，補(bǔ)充的液體過多，使得液體占據(jù)了抽吸氣體的空間，真空泵的抽氣量和排氣壓力都會(huì)降低，同時(shí)泵輸送的液體量增加，所以軸功率會(huì)增大，泵效率降低，同時(shí)有振動(dòng)和噪聲產(chǎn)生，并周期性地從泵的排氣口排出大量的水。
7、合理的補(bǔ)充工作液且提高真空泵性能
工作液的補(bǔ)給量在什么情況下最為合理，讓真空泵處于一種最佳的運(yùn)行狀態(tài)，可以通過計(jì)算的方式來確定補(bǔ)給液的量。
有人常常認(rèn)為，只有動(dòng)力損失部分才轉(zhuǎn)換為熱，對(duì)干輸送氣體的泵則不然，它是把軸功率全部轉(zhuǎn)化為熱。
通過計(jì)算，可以很清楚地對(duì)真空進(jìn)行補(bǔ)液，這種合理的補(bǔ)液，可以充分發(fā)揮液環(huán)的作用，把真空泵壓縮氣體產(chǎn)生的熱及時(shí)排出泵腔外，保證真空泵液環(huán)的溫度不會(huì)大幅升高，對(duì)液環(huán)泵的葉輪和泵體間的間隙進(jìn)行有效的密封，提高真空泵的容積效率，及時(shí)補(bǔ)充隨氣體排出泵腔外的工作液，潤(rùn)滑軸封等作用，同時(shí)提高真空泵的運(yùn)行可靠性、平穩(wěn)性和效率。
8、特殊的氣液分離裝置提高溶解性氣體的利用率
液環(huán)泵的突出優(yōu)點(diǎn)就是可以輸送有毒、有害、易燃和易爆的氣體，不會(huì)對(duì)環(huán)境和人造成傷害，另一突出優(yōu)點(diǎn)是液環(huán)泵的壓縮過程可以認(rèn)為是等溫壓縮的，這樣對(duì)干易燃、易爆氣體的壓縮不會(huì)發(fā)生燃燒和爆炸的危險(xiǎn).但是如果抽送的氣體溶解于液環(huán)中，那么液環(huán)泵的抽氣量會(huì)發(fā)生變化，越容易溶解在液環(huán)中的氣體，氣體體積變化越大，抽送的氣體量越少，所以針對(duì)這種情況，為了盡可能回收溶干液環(huán)中的氣體，氣液分離器可設(shè)置為如圖6所示的結(jié)構(gòu)。從圖中可以看出，從真空泵排出的氣體首先進(jìn)入一級(jí)氣水分離器，并且被排出的氣體從這個(gè)分離器中排出，飽含溶解氣體的工作液被輸送到下一級(jí)低壓氣水分離器，由于壓力的降低，溶解在液體中的氣體被釋放出來，被釋放的氣體輸送到泵的進(jìn)口，參與循環(huán)。由于工作液的循環(huán)使用，從下一級(jí)分離器分離出來的液體壓力變得很低，需要用泵增壓再對(duì)真空泵進(jìn)行補(bǔ)液。
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圖6 對(duì)溶解性氣體的特殊分離
1.真空泵 2.氣水分離器 3.低壓氣水分離器 4.泵 5.冷卻器 |
結(jié)語(yǔ)
從上述的有關(guān)真空泵的敘述中可以看出，真空泵的性能改善措施有多種，僅列舉了應(yīng)用過程中的幾種較為典型的幾種方法，關(guān)于設(shè)計(jì)方面有關(guān)改善和提高真空泵性能的方法，如關(guān)于泵體與葉輪端面的間隙對(duì)真空泵性能的影響，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)真空泵性能的改變等等，在應(yīng)用中的具體情況可以加以區(qū)別利用，這對(duì)提高真空泵的性能，提高真空泵運(yùn)行的平穩(wěn)性和可靠性會(huì)起到一個(gè)積極的作用。
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