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水(液)环式真空泵工作原理

水(液)环式真空泵工作原理

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  水环真空泵(简称水环泵)是一种粗真空泵,它所能获得的极限真空为2000~4000Pa,串联大气喷射器可达270~670Pa。水环泵也可用作压缩机,称为水环式压缩机,是属于低压的压缩机,其压力范围为1~2×105Pa表压力。
  水环泵最初用作自吸水泵,而后逐渐用于石油、化工、机械、矿山、轻工、医药及食品等许多工业部门。在工业生产的许多工艺过程中,如真空过滤、真空引水、真空送料、真空蒸发、真空浓缩、真空回潮和真空脱气等,水环泵得到广泛的应用。由于真空应用技术的飞跃发展,水环泵在粗真空获得方面一直被人们所重视。由于水环泵中气体压缩是等温的,故可抽除易燃、易爆的气体,此外还可抽除含尘、含水的气体,因此,水环泵应用日益增多。
  水环式真空泵的工作液也可采用其他合适的液体,不管采用哪种工作液均统称为液环式真空泵。水环式真空泵是液环式真空泵中最常见、应用最广泛的一种泵。

 

 

  如图:在泵体中装有适量的水作为工作液。当叶轮按图中顺时针方向旋转时,水被叶轮抛向四周,由于离心力的作用,水形成了一个决定于泵腔形状的近似于等厚度的封闭圆环。水环的下部分内表面恰好与叶轮轮毂相切,水环的上部内表面刚好与叶片顶端接触(实际上叶片在水环内有一定的插入深度)。此时叶轮轮毂与水环内界面之间形成一个月牙形空间,而这一空间又被叶轮叶片分成和叶片数目相等的若干个小腔。如果以叶轮的下部0°为起点,那么叶轮在旋转前180°时小腔的容积由小变大,且与端面上的吸气口相通,此时气体被吸入,当吸气终了时小腔则与吸气口隔绝;当叶轮继续旋转时,小腔由大变小,使气体被压缩;当小腔与排气口相通时,气体便被排出泵外。

  综上所述,水环泵是靠泵腔容积的变化来实现吸气、压缩和排气的,因此它属于变容式真空泵。

 

水环泵和其它类型的机械真空泵相比有如下优点:

.结构简单,制造精度要求不高,容易加工。

.结构紧凑,泵的转数较高,一般可与电动机直联,无须减速装置。

.故用小的结构尺寸,可以获得大的排气量,占地面积也小。

.压缩气体基本上是等温的,即压缩气体过程温度变化很小。

.由于泵腔内没有金属磨擦表面,无须对泵内进行润滑,而且磨损很小。 转动件和固定件之间的密封可直接由水封来完成。

.吸气均匀,工作平稳可靠,操作简单,维修方便。

 

 

  水环泵也有其缺点:

.效率低,一般在30%左右,较好的可达50%。

.真空度低,这不仅是因为受到结构上的限制,更重要的是受工作液饱和蒸气压的限制。用水作工作液,极限压强只能达到2000~4000Pa。用油作工作液,可达130Pa。

  总之,由于水环泵中气体压缩是等温的,故可以抽除易燃、易爆的气体。由于没有排气阀及摩擦表面,故可以抽除带尘埃的气体、可凝性气体和气水混合物。有了这些突出的特点,尽管它效率低,仍然得到了广泛的应用。


液环真空泵的汽蚀现象

  液环真空泵在工作时,在一定温度下,当低压处的液体压力低于在该温度下的汽化压力(即饱和蒸汽压),液体开始汽化而产生气泡,并随液体进入高压区时,气泡破裂,周围液体迅速填充原气泡空穴,产生水力冲击。这种气泡的产生、发展和破裂现象就称为汽蚀。
  在液环真空泵的工作过程中,吸入区域的绝对压力与被抽系统的绝对压力是一致的。也就是说,被抽系统的真空度越高,吸入区域的真空度也越高。
  液环真空泵需要用液体作为工作介质。每种液体在某一温度下都有对应的饱和蒸汽压。当吸入区域的绝对压力越接近液体的饱和蒸汽压时,液体越接近沸腾状态。这时,在吸入区域的工作液表面会产生大量的汽泡,由于液体在工作腔内产生的工作液蒸汽会占据部分工作腔的空间,泵对外的吸气能力会有所下降。当吸入区域的压力达到工作液的饱和蒸汽压时,可以认为工作腔内全部充满了工作液蒸汽,此时泵对外的吸气能力接近于0,而此时泵的汽蚀现象也最为严重。
  如果工作液是水,水温越高,泵的抽气性能下降越多。水温对水环真空泵的抽气速率的影响可参照本手册72页。
液环泵的汽蚀损坏和离心式水泵的汽蚀损坏原理是一样的,都是在汽泡产生和破裂的部位,金属表面出现点蚀现象,严重的会出现蜂窝状损坏。如果真空泵叶轮在汽蚀部位有较大的残余应力,还会引起应力释放,产生裂纹。
  由于泵汽蚀时,气泡在高压区连续发生突然破裂,以及伴随的强烈水击,而产生噪声和振动。可以听到像爆豆似的劈劈啪啪的声音。实测结果表明,汽蚀引起的振动频率范围为600~25000Hz,压力达49MPa。
  如果上述气泡在金属表面上破裂,金属表面将受到连续强烈的水击,出现麻点,金属晶粒松动并剥落而成蜂窝状,甚至穿孔。汽蚀破坏除机械作用外,还伴随有电解、化学腐蚀等多种复杂的作用。实际破坏情况表明,泵过流部件汽蚀破坏的部位,正是气泡消失的地方。


 汽蚀现象的预防措施及消除方法

 


  液环真空泵在汽蚀状态下长时间工作,会造成泵的噪声、振动变大,甚至对泵造成损坏,因此应尽量避免液环真空泵在汽蚀状态下工作,可通过以下方法:

  1、 降低工作液的温度

  在液环真空泵工作点为固定值的前提下,降低工作液的温度可以达到防止汽蚀的效果。

  2、 使真空泵运行在安全区域,提高选型的准确性

  这要求在选型阶段,选择液环真空泵吸入压力及工作液温度时尽量避开液环泵容易发生汽蚀的压力范围。

  3、 安装汽蚀保护管路或单向阀

  汽蚀过程中产生的气泡在压缩过程中破裂时,从外部引入压力较高的不凝气体能够及时补充因气泡破裂而出现的空间,这样可以大大减轻汽蚀对泵的损害及降低汽蚀引起的噪声和振动。

  2BV、2BE1设有汽蚀保护接口。在泵发生汽蚀现象时,从泵排气侧的汽蚀保护接口充入不凝气体即可消除汽蚀噪声,并大大减轻汽蚀对泵的损害。

  4、 配大气喷射器

  如液环真空泵吸气口配有大气喷射器,则液环泵不易发生汽蚀现象。

  5、 采用具有更低的饱和蒸汽压的液体作为工作液。

  6、 泵的叶轮、圆盘采用防汽蚀能力较强的材质。