蒸汽流真空泵

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第四讲：蒸汽流真空泵 姚民生 (东北大学) 一、水蒸汽喷射泵 1．概述     水蒸汽喷射泵是以靠从拉瓦尔喷咀中喷出的高速水蒸汽流来携带气的，故有如下特点： (1)该泵无机械运动部分，不受摩擦、润滑、振动等条件限制，因此可制成抽气能力很大的泵。工作可靠，使用寿命长。只要泵的结构材料选择适当，对于排除具有腐蚀性气体、含有机械杂质的气体以及水蒸等场合极为有利。 (2)结构简单、重量轻，占地面积小。(3)工作蒸汽压力为4～9×105Pa，在一般的冶金、化工、医药等企业中都具备这样的水蒸汽源。     因水蒸汽喷射泵具有上述特点，所以广泛用于冶金、化工、医药、石油以及食品等工业部门。 2．工作原理     喷射泵是由工作喷咀和扩压器及混合室相联而组成。工作喷咀和扩压器这两个部件组成了一条断面变化的特殊气流管道。气流通过喷咀可将压力能转变为动能。工作蒸汽压强P0和泵的出口压强P4之间的压力差，使工作蒸汽在管道中流动。     在这个特殊的管道中，蒸汽经过喷咀的出口到扩压器入口之间的这个区域(混合室)，由于蒸汽流处于高速而出现一个负压区。此处的负压要比工作蒸汽压强P0和反压强P4低得多。此时，被抽气体吸进混合室，工作蒸汽和被抽气体相互混合并进行能量交换，把工作蒸汽由压力能转变来的动能传给被抽气体，混合气流在扩压器扩张段某断面产生正激波(如图1中3'断面)，波后的混合气流速度降为亚音速ω'3，混合气流的压力升为P'3。亚音速的气流在扩压器的渐扩段流动时是降速增压的。混合气流在扩压器出口处，压力增至P4，速度降为ω4。故喷射泵也是一台气体压缩机。 3．多级喷射泵的结构     图2是典型五级泵的结构示意图。通常单级喷射器的压缩比不超过10，工作压强不低于lOkPa。因此当需要更低的工作压强时，则由两个或两个以上的喷射器和冷凝器串联组成，称为多级喷射泵。冷凝器的作用是将混合物中的可凝性蒸汽部分凝结排除，以减少下级喷射器的负荷。冷凝器的结构形式有混合式、表面式及喷射式三种形式。冷凝器按其在喷射泵系统中的安装位置，又分为前冷凝器、中间冷凝器和后冷凝器。     前冷凝器安装在第一级喷射器入口前，主要为了减少第一级泵的负荷。只有当被抽混合物中含有大量的可凝性蒸汽，并且其蒸汽分压强大于冷却水温所对应的饱和蒸汽压时方可使用。中间冷凝器安装在多级泵中间，具体位置应视进入冷凝器的混合物中的蒸汽分压强及冷却水温而定，其作用是减少下级泵的负荷。后冷凝器安装在末级喷射器之后，主要是为了消除末级喷射器的废气、噪声，有时用来回收未级喷射器的余热。 4．简易计算法 (1)喷咀喉部直径D0的计算         (1) 式中G0——工作蒸汽耗量(kg／h)，G0=Gh/μ。Gh为被抽气体量(kg／h)，μ为引射系数，可查表[1]得到。 P0——工作蒸汽压力(Pa) (2)扩压器喉径D3的计算         (2) 式中GK——通过扩压器喉部的空气流量(kg／h) GZ——通过扩压器喉部的蒸气流量(kg／h) P4——扩压器出口压力(Pa) (3)冷凝器直径D的计算         (3) 式中G∑h——进入冷凝器的混合物流量(kg／h) v∑h——进入冷凝器的混合物比容(m3／kg)，可近似地用P4查得的饱和水蒸汽比容代替。 二、油扩散泵 1．概述     油扩散泵的工作原理与水蒸汽喷射泵相似，都是靠高速蒸汽射流来携带气体以达到抽气的目的，故有如水蒸汽喷射泵相似的特点。不同点是扩散泵工作在高真空区域，其工作压强范围为10-2～10-6pa。广泛用于电子、化工、冶金、机械、石油及原子能等工业部门中。 2．油扩散泵的工作原理与结构     图3是扩散泵的结构示意图。当油蒸汽从伞形喷咀(如I级喷咀)以超音速喷出后，其速度逐渐增大，压力及密度逐渐降低，射流上边的被抽气体A因密度差要向蒸汽射流中扩散并被射流携带到水冷的泵壁处B，在B处，工作蒸汽大部分被冷凝成油滴沿泵壁流回到油锅中循环使用，而被抽气体在B处堆积、压缩，最后被下级射流携带走，以达到逐级压缩，最后被前级泵抽走。其抽速特性曲线如图4所示。 3．扩散泵的性能计算 (1)扩散泵的抽速S的计算[1]         (4) 式中 ω——蒸汽射流的平均速度 R(L)、R(O)——分别表示泵筒与喷咀帽的直径 a——蒸汽射流与泵壁的夹角 D——气体在射流中的扩散系数 (2)扩散泵每级最大压缩比(P2／P1)max的计算         (5) 式中ω、D——意义同(4) L——蒸汽射流长度 (3)蒸汽射流流谱的计算     扩散泵各级蒸汽射流的工作压强范围为10-2～l0-6Pa，在这样宽的领域里，蒸汽流从连续流向滑流、过渡流、分子流过渡。用一种理论解决上述各种流态中的问题是很困难的。通常，在连续流领域里，可用气体动力学理论去处理，在分子流领域里，可用分子流理论去处理。然而，处理两种流态之间的问题也是很困难的。为此，在处理蒸汽流问题之前，必须弄清楚所要处理的蒸汽流是属于那种流态。 M．Wutz建议用特征碰撞数Z大于10作为应用气体动力学的判据[2]。         (6) 式中C——油蒸汽分子的平均热运动速度(cm／s) l——蒸汽流中混合物分子的平均自由程，因射流中蒸汽分子密度nd》ng(混合物中空气分子密度)，所以l可看成是蒸汽分子的平均自由程(cm) L——蒸汽射流的长度(cm) V——蒸汽射流的平均速度(cm／s)     工作蒸汽在喷咀内的流动，可用一维定常等熵流的公式去计算，而工作蒸汽在喷咀外的流动比较复杂，往往是膨胀波、微压缩波和激波共存的复杂流场。     关于膨胀波的流场，可用下边的普朗特——迈耶流公式求解。对左伸膨胀波系，其计算公式为：     （7） 对于右伸膨胀波系，其计算公式为：     （8） 上二式中θ——气流方向角 λ——速度系数 K——气体绝热指数 C1，C2——积分常数 关于激波流场中的气流参数，由下面诸公式计算。     （9） 式中λ1——激波前的速度系数 λ2x——激波后的速度系数在x轴上的分量 λ2y——激波后的速度系数在y轴上的分量 K——气体绝热指数     (10)     (11)     (12) 上三式中P1、ρ1、T1及P2、ρ2、T2分别表示波前波后的压力，密度及温度 M1——波前气流马赫数 β——激波角 K——气体绝热指数。     根据膨胀波及激波流场中的诸计算式，可绘出扩散泵中各级射流流谱(如图3中的I级喷咀流谱)。显然，喷咀系统的几何形状、级间距离及压缩比等对流谱和泵的性能有很大影响。为了确定较佳的喷咀形状、级间距离及压缩比，应绘出多种工况下的流谱，选出其中一组较佳数据为设计方案。究竟选择那种流谱为最佳方案，应考虑下述原则： (1)各级射流不重叠。 (2)应保证第一级射流充分膨胀。 (3)保证第一级射流有足够的长度，并且与泵壁的夹角应尽量小，以利于提高何氏系数。     同样，第一喷咀上的挡油帽位置也应根据第一级射流流谱来确定，即挡油帽的轴向安装位置应保证挡住第一级射流流线中垂直泵壁以上的分量。 三、油增压泵(油扩散喷射泵) 1．概述     油增压泵的工作原理与油扩散泵相似，因此具有相似的特点，并且应用领域也相似。只是油增压泵工作压强范围比油扩散泵高(10～10-2Pa)，所以油增压泵除作主泵外，还可作油扩散泵的前级泵，起增压作用。 2．油增压泵的工作原理与结构     油增压泵的结构示意图如图5所示。其工作原理与油扩散泵相似，仍然是以靠工作射流来携带气体，达到抽气目的。不同点是油增压泵的射流主要是以靠被抽气体与蒸汽射流之间的粘滞摩擦来携带气体进行抽气。为使油增压泵能在较高的压强区域内工作，必须增大蒸汽射流强度(密度)，所以油增压泵的加热功率要比同容量的油扩散泵大得多。     图6表示油增压泵抽速特性曲线。     油增压泵的性能计算公式与油扩散泵相似，不再赘述。 参 考 文 献 1. 真空获得设备．冶金出版社，1987． 2. 扩散泵蒸汽流的理论分析与计算．真空，1983，(3)