姜燮昌
真空获得设备是一个量大面广的产品。产量很大,单台产值并不高,但它确实是一个直接影响到真空成套设备性能质量的必不可少的基础产品。
近年来,随着我国真空技术应用领域的不断扩大,各种真空获得设备的发展非常迅速。目前我国生产的各种真空获得产品其型号、规格、性能参数基本上能满足我国真空应用发展的需要,特别是老产品都在不断改进,性能质量亦有明显提高。
然而，当今我们所使用的真空泵其原理和结构几乎与30年前一样,并没有什么根本的变化。但是,随着一些特殊用户的需求以及一些新的应用领域的出现,可能使我们真空获得设备的发展正在进入一个新的时代。对于工业应用而言,他们这些要求大致可归纳如下:降低泵的振动和噪声,提高长期运行的可靠性,处理大量可凝性和挥发性气体,降低油的消耗和运行成本,消除排出的油蒸汽对环境的污染,耐腐蚀以及无油真空系统等,上述这些要求迫使真空获得设备制造厂家不断改进它们产品特性以及研究开发新的真空获得设备。
一、降低泵的振动与噪声
自从滑阀式真空泵问世以来,它的运动部件的惯性力和惯性力矩所产生的振动一直引起人们注意,五十多年来,人们对此做了大量工作,但至今尚未彻底解决。
美国Kinney公司首创的“三缸结构”滑阀泵与目前国内单缸外置双平衡式结构的滑阀泵完全不同,它可以实现滑阀组件的自身平衡而无需外加配重,其结构见图1所示。
结构特点
（1）三缸内平衡,使泵具有在运转时基本无振动的特点。
图1.三缸结构的外形图
图2是Kinney滑阀泵内置三缸平衡力的示意图,中间为长滑阀组件,两侧各为等长的短滑阀组件,短滑阀组件的长度为长滑阀组件的1/2,它们之间的位置相差180°。如长滑阀所产生的惯性力为F,则短滑阀所产生的惯性力为F/2,因此惯性力和惯性力矩大小相等而方向相反,即
F=F/2+F/2
F×L/2=F×L/2
F为长滑阀组件的惯性力
F=eG/g×(n/30)2
式中:e—偏心轮的偏心距,m
G偏心轮的重量,N
g重力加速度,m/s2
n泵的转速,r/min
图2.内置三缸惯性力和惯性力矩平衡图
用该平衡方法使得泵在运转时滑阀组件所产生的惯性力和惯性力矩可以完全抵消,是当今滑阀泵平衡效果最好的一种方法。
（2）泵的噪声低
由于该泵运转平衡性好,再加上泵内有一系列降低噪声措施,使泵的噪声远远低于国家标准规定的同规格产品的噪声指标,其实测噪声值为70dB(A)。
（3）安装简便
这种三缸内平衡的设计理念,可使滑阀泵的安装无需地脚螺栓,无需特殊的地基,可以安放在任何能支撑其重量的地面或台架上,因而大大方便了用户的使用。
（4）强制供油,确保润滑
该泵配有高压油泵,对泵腔内进行强制供油润滑,使泵在13000Pa下可以长期连续工作,这种高于国家标准规定指标10倍的高压下运行特性,对于大容器的预抽和频繁从大气抽至真空只有重量意义,使泵使用范围更为广泛,运行更加可靠。
（5）抽除水蒸汽的能力强
该泵除了装有气镇阀外,还有一个大的油箱,对污染是有较高的承受能力。大的储油箱可以收集相当容量的冷凝液,然后可以从泵中排出。
性能测试结果
我们对上海凯尼生产的三缸结构滑阀泵按照美国滑阀泵标准的试验程序进行了测试,结果如下:
极限压力试验
5分钟 1.8Pa(全压强) 0.6Pa(分压强)
15分钟1.6Pa(全压强) 0.5Pa(分压强)
5%气镇量试验
15分钟65Pa
入口敞开大气 15分钟试验
入口压力53200Pa 15分钟试验
入口压力26600Pa 1小时耐久性试验
最终极限压力恢复试验
2分钟1.33Pa(全压强)0.5Pa(分压强)
二、处理大量水蒸汽和挥发性氣体
1.水蒸汽处理裝置
在电工产品行业如变压器、互感器、电容器等真空干燥的工艺过程中,要求真空系统在某一特定压力范围能抽除大量的水蒸汽和溶剂,而且在干燥终止时,必须要达到较低的极限压力。例如一台中型变压器,其中绝缘材料的含水量高达400～500kg,整个干燥周期为70小时,要求真空系统在45mbar的入口压力下,在48小时内抽除90～95%的含水量,即每小时抽水蒸气的能力要在15公斤左右,而且在干燥结束后仍然恢复到原有的极限压力10-2mbar。
美国Kinney公司开发了一种三缸滑阀泵与液环泵串连的蒸汽处理真空系统,这种装置对于在湿式工艺中能保持低的入口压力或处理大量蒸汽是十分有利的。
裝置特点
●能处理大量可凝性气体或挥发性气体。
●被抽蒸汽不会在泵中被冷凝,减少了对金属表面的腐蚀。
●避免了油的污染,换油次数大大减少,运行成本显著降低。
●消除了由于油被污染所造成的性能降低现象。
●在湿式工艺中能维持低的工作压力。
②结构原理(图3)
图3.蒸汽处理装置结构原理图
●在真空状态下,当水或蒸汽的温度高于沸点时,它们是以气体状态进入泵腔。
●滑阀泵本身是一个加热源,液环泵是给滑阀泵的分离器提供一个低压,所以排出 到分离器的水或其他蒸汽亦是处在真空状态,而且温度高到足以使它们保持在气体状态,任何微小的液滴都会在分离器内被蒸发。
●排到液环泵的水或其它蒸汽,由于液环泵内的温度比较低,它们被冷凝后成为密封液的一部分。
③工艺参数及控制
●工作油温:为了防止蒸汽在泵内被冷凝,这种泵的油温必须足够的高,一般设定在60～75℃范围,而高于80℃的油温会使泵油被氧化,这个所要求的油温可以通过自动调节进入到滑阀泵的冷却水量来控制。
●调节滑阀泵分离器中的压力:假如在处理水蒸汽时,滑阀泵工作在65℃,则安装在滑阀泵排气管道上的真空溢流阀要设定在15000～20000Pa,即低于水在65℃下的饱和蒸汽压。
●油泵压力:油泵在真空状态下要能够正常运行,油压必须保持在0.2MPa～0.4MPa,连续供油。
④抽除水蒸汽的实验
我们对上海凯尼生产的KT300&SZ-2组成的水蒸汽处理装置进行了测试。从表1.所示的测得结果表明：该装置的抽水蒸汽能力高达18公斤/时。
表1.KT300&SZ-2系统抽除水蒸汽实验
测 试 项 目
测试时间
储水箱水温度
水蒸气压力
排气 压力
油箱温度
泵体温度
泵电流
抽除水蒸汽量
气镇量
油压
h:m
℃
Pa
Pa
℃
℃
I
Kg
%
MPa
2:30
28.5
2599.74
35329.8
61
72
17
-
5%
0.20
2:35
28.1
2533.08
35996.4
64
72
17
-
5%
0.20
2:45
28.5
2599.74
34663.2
68
74.6
17
-
5%
0.20
2:55
28.1
2533.08
34663.2
74
75
17
-
5%
0.20
3:05
28.2
2533.08
34663.2
74
75
17
-
5%
0.20
3:08
28.1
2533.08
29997
72
75.2
17
-
5%
0.20
3:15
28.0
2533.08
29330.4
72
75.2
17
-
5%
0.18
3:25
28.1
2533.08
29330.4
70
75.4
17
-
5%
0.18
3:30
28.3
2666.4
29330.4
70
75.8
17
17.9982
5%
0.18
2.罗茨水环真空机组：
在许多化工、制药等行业的真空蒸馏、浓缩、脱水、干燥的工艺过程，不但要求真空系统能抽除一定量的水蒸汽和可凝性气体，还要求真空系统能维持在某一压强下运行。这种罗茨水环真空机组在化工、制药等行业应用十分普遍。图4表示JZJS-600*150*75型罗茨泵水环泵真空机组示意图。表2列出了各种罗茨水环真空机组达到的极限压力。
表2.各种罗茨水环真空机组的极限压力
机组类别
极限压力
二级罗茨水环真空机组
≤300Pa
三级罗茨水环真空机组
≤40Pa
四级罗茨水环真空机组
≤5×10-1Pa
这种罗茨水环真空机组在化工行业亦可用于抽除腐蚀性气体和溶剂。当抽除腐蚀性气体时，罗茨泵的泵体和转子以及水环泵的泵体和叶轮都必须由316L不锈钢制成，或采用化学表面处理技术在接触工艺气体部位涂上一层美多斯（NEDOX）。这种涂层的特点是耐磨性好、不粘、不剥落，经过热处理后表面硬度可达Hv750~1000，涂层厚度为10~15μm。当这种罗茨水环真空机组需要抽除溶剂时，水环泵的工作液必须与被抽溶剂相兼容，并采用工作液闭式循环系统。
图4.JZJS-600*150*75型罗茨水环真空机组示意图
注：KLRC-200水环泵S=6M3/min
在设计或选用这类罗茨水环真空机组时，应考虑下列几点：
·确定真空机组主泵的抽速S
83.14：气体常数
TG：气体入口温度[K]
PA：工作压力 [mbar]
Q：被抽除的水蒸汽/可凝性气体的气体量 [kg/h]
M：水蒸汽/可凝性气体分子量 [kg/kmol]
·水环泵实际抽速的换算
因为样本上给出的额定抽速是指水环泵采用15℃水作为工作液的值。工作液温度的变化将会严重影响泵的实际抽速。如果泵的工作液温度不在15℃时，则泵的实际抽速按下述公式换算：
式中：S —在P1压力时泵的实际抽速；
S15—泵采用15℃水作为工作液，在P1压力时抽速；
P1—入口压力，托；
PC—水在实际温度时的饱和蒸汽压；
13.3—水在15℃温度时的饱和蒸汽压。
·罗茨泵与罗茨泵抽速的配比
由于罗茨泵的抽氣效率η=K0/K0+Kth K0为零流量压缩比，一般在30-50之间。Kth为罗茨泵与罗茨泵的抽速比。为了使罗茨泵的抽氣效率η>0.9，建议其抽速比在2-4。
·罗茨泵与水环泵的配比
由于这种罗茨水环真空机组在正常工作压力下，其罗茨泵出口压力与进口压力之差，对于小泵不得超过8000Pa，对于大泵不得超过5000Pa，如果超过这亇最大允许压差，会造成罗茨泵的过载和发热，甚至会产生嚴重的热膨胀而引起转子被卡死。因此罗茨泵与水环泵的抽速比，建议在1.5-2之间。
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