水環(huán)真空泵發(fā)熱量的測定

崔覺劍　趙建明（杭州原正化學(xué)工程技術(shù)裝備有限公司)

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水環(huán)真空泵發(fā)熱量的測定

崔覺劍*趙建明
（杭州原正化學(xué)工程技術(shù)裝備有限公司)

摘要以2BV6110型水環(huán)真空泵為研究對象，探討了以水環(huán)真空泵作壓縮機(jī)時(shí)，不同進(jìn)出口壓力條件下水環(huán)真空泵的發(fā)熱量。研究結(jié)果表明，不同的進(jìn)出口壓力對水環(huán)真空泵的發(fā)熱量有不同的影響。當(dāng)泵進(jìn)口壓力為常壓、出口壓力為10 kPa和30 kPa時(shí)，泵的發(fā)熱量都為泵總功率的23.27%；當(dāng)泵進(jìn)口壓力為-7 kPa、出口壓力為30 kPa時(shí)，泵的發(fā)熱量為泵總功率的34.73%。

關(guān)鍵詞水環(huán)真空泵壓縮機(jī)壓力發(fā)熱量換熱器氣體流量

*崔覺劍，男，1981年生，碩士，工程師。杭州市，310014。

0　前言

水環(huán)真空泵，因其具有結(jié)構(gòu)簡單、使用維修方便、無摩擦面、氣體等溫壓縮以及適合抽吸輸送、壓縮易燃易爆氣體等特點(diǎn)，而得到廣泛的應(yīng)用[1]。水環(huán)真空泵工作時(shí)，工作介質(zhì)接受來自葉輪的機(jī)械能，并將其轉(zhuǎn)換為自身的動(dòng)能，然后液體動(dòng)能再轉(zhuǎn)換為液體的壓力能，并對氣體進(jìn)行壓縮做功，從而將液體能量轉(zhuǎn)換為氣體的能量[2]。氣體在壓縮過程中會(huì)產(chǎn)生壓縮熱，因此工作介質(zhì)的溫度會(huì)慢慢升高而汽化，真空泵因抽吸自身工作介質(zhì)汽化產(chǎn)生的氣體，擠占了真空泵抽氣量，造成真空泵運(yùn)行效率下降，甚至無法滿足工藝要求[3- 4]。同時(shí)，工作介質(zhì)汽化會(huì)造成水環(huán)真空泵葉輪氣蝕，長時(shí)間運(yùn)行后造成設(shè)備損壞。

考慮到上述問題，水環(huán)真空泵在實(shí)際使用時(shí)，需要對工作介質(zhì)進(jìn)行冷卻，以降低工作介質(zhì)的飽和蒸氣壓，提高水環(huán)真空泵的工作效率。一般的水環(huán)真空泵工作介質(zhì)采用水，水環(huán)真空泵排出的水進(jìn)入大的循環(huán)水池或直接排走。這種供水及排水方式連續(xù)方便，使用簡單，在實(shí)際應(yīng)用中被較多地采用。由于水環(huán)真空泵的發(fā)熱量通過排走的水而直接移走了，因此不用單獨(dú)設(shè)計(jì)換熱系統(tǒng)，也不需要計(jì)算水環(huán)真空泵工作時(shí)的發(fā)熱量。

目前，水環(huán)真空泵已越來越多地應(yīng)用于輸送有機(jī)溶劑和有毒的物質(zhì)。隨著環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)、清潔生產(chǎn)的推行和降低成本等要求的提高，工作液直排的方式被逐漸淘汰與禁止，水環(huán)真空泵必須采用閉路循環(huán)系統(tǒng)。這樣，泵工作時(shí)的發(fā)熱量就需要設(shè)置單獨(dú)的換熱器來移走。換熱器設(shè)計(jì)時(shí)需要采用真空泵工作時(shí)的發(fā)熱量數(shù)據(jù)。目前，真空泵工作時(shí)的發(fā)熱量數(shù)據(jù)鮮有報(bào)道，換熱器的設(shè)計(jì)大都依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，存在較大的誤差。

針對以上問題，本文對某公司的水環(huán)真空泵裝置在正式投入運(yùn)行前進(jìn)行了不同工況下的發(fā)熱量測定，并對水環(huán)真空泵的可傳熱量進(jìn)行了核算。這對正式投產(chǎn)運(yùn)行時(shí)設(shè)備的正常使用具有重要的意義。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1水環(huán)真空泵原理

水環(huán)真空泵結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，工作介質(zhì)被葉輪拋向四周，由于離心力的作用，工作介質(zhì)形成了一個(gè)決定于泵腔形狀的近似于等厚度的封閉圓環(huán)。液環(huán)的上部分內(nèi)表面恰好與葉輪輪轂相切，液環(huán)的下部內(nèi)表面剛好與葉片頂端接觸（實(shí)際上葉片在液環(huán)內(nèi)有一定的插入深度）。此時(shí)葉輪輪轂與液環(huán)之間形成一個(gè)月牙形空間，而這一空間又被葉輪分成與葉片數(shù)目相等的若干個(gè)小腔。如果以葉輪的上部0°為起點(diǎn)，那么葉輪在旋轉(zhuǎn)前180°時(shí)小腔的容積由小變大，且與端面上的吸氣口相通，此時(shí)氣體被吸入，當(dāng)吸氣終了時(shí)小腔則與吸氣口隔絕；當(dāng)葉輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)，小腔由大變小，使氣體被壓縮；當(dāng)小腔與排氣口相通時(shí)，氣體便被排出泵外。隨著葉輪穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)，吸排氣過程連續(xù)不斷地進(jìn)行，因此可以連續(xù)不斷地抽吸或壓縮氣體。1.2實(shí)驗(yàn)水環(huán)真空泵參數(shù)和實(shí)驗(yàn)裝置

圖1　水環(huán)真空泵結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)水環(huán)真空泵由淄博真空泵廠有限公司制造，型號(hào)為2BV6110，最大抽氣量為165 m3/h，功率5.5 kW，電機(jī)轉(zhuǎn)速960 r/min，極限真空度為-0.098 MPa。

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，主要由進(jìn)氣緩沖罐、水環(huán)真空泵、帶冷卻功能的氣液分離罐、工作液控溫系統(tǒng)、工作液液位控制系統(tǒng)、水環(huán)泵出口氣相壓力表、氣體流量計(jì)及相關(guān)的管道和閥門構(gòu)成，所有儀表數(shù)據(jù)可在DCS系統(tǒng)中自動(dòng)記錄并保存。根據(jù)工藝要求，工作介質(zhì)選用低于循環(huán)水溫度的低沸點(diǎn)物料，因此換熱介質(zhì)采用冷凍鹽水。采用冷凍鹽水可以增大傳熱溫差，減少換熱面積的布置，且真空泵電機(jī)功率相對來說不大，因此真空系統(tǒng)沒有單獨(dú)設(shè)置換熱器，而是在氣液分離罐中設(shè)置內(nèi)盤管，將換熱器與氣液分離罐組合在一起，既簡化了流程，也減少了設(shè)備占地面積。

圖2　實(shí)驗(yàn)裝置

1.3發(fā)熱量測定方法

實(shí)驗(yàn)中采用水作為工作介質(zhì)、空氣作為工藝氣體。氣液分離罐中的盤管不通冷凍鹽水，氣液分離罐中的壓力通過手動(dòng)控制，即通過氣液分離罐與氣體流量計(jì)之間的手動(dòng)閥門實(shí)現(xiàn)控制。實(shí)驗(yàn)時(shí)，往氣液分離罐內(nèi)加入一定液位的水作為工作介質(zhì)，打開相關(guān)管路的閥門，啟動(dòng)水環(huán)真空泵，同時(shí)記錄時(shí)間、氣體流量、氣液分離罐中的液位、氣液分離罐中的溫度、氣液分離罐中的壓力。發(fā)熱量Q發(fā)由下式計(jì)算：

式中Q發(fā)——水環(huán)真空泵發(fā)熱量，kW；

cp——水在工作溫度下的比熱容，kJ/(kg·K)；

m水——?dú)庖悍蛛x罐中水的質(zhì)量，kg；

ΔT——?dú)庖悍蛛x罐中水的溫升，K；

Δt——實(shí)驗(yàn)測試時(shí)間，s。

2　結(jié)果討論

2.1進(jìn)口常壓、出口壓力10 kPa時(shí)發(fā)熱量

不同的出口壓力表示了水環(huán)真空泵壓縮負(fù)荷的變化。首先考察了流量計(jì)后面法蘭脫開、空氣進(jìn)口為常壓時(shí)的發(fā)熱量，即壓縮后的氣體不進(jìn)入后續(xù)工藝裝置，直接排空。此時(shí)，壓縮機(jī)的負(fù)荷為最小負(fù)荷。實(shí)驗(yàn)測定結(jié)果見表1。

表1　進(jìn)口常壓、出口壓力10 kPa時(shí)發(fā)熱量

以表1的數(shù)據(jù)作圖并線性擬合得到圖3。由圖3可見，氣液分離器內(nèi)的溫度上升與時(shí)間成線性關(guān)系，線性相關(guān)度達(dá)到0.994。實(shí)際生產(chǎn)中，水環(huán)真空泵的出口壓力大于10 kPa，且認(rèn)為溫度與時(shí)間成正比關(guān)系。本次實(shí)驗(yàn)只測定了15 min內(nèi)的溫度變化。

圖3　進(jìn)口常壓、出口壓力10 kPa時(shí)數(shù)據(jù)擬合圖

結(jié)合表1和式（1），可計(jì)算出進(jìn)口壓力為常壓、出口壓力為10 kPa時(shí)的發(fā)熱量Q發(fā)：

Q發(fā)占泵總功率的23.27%。上式中取氣液分離 罐中水的質(zhì)量為344 kg，這是根據(jù)氣液分離罐直徑800 mm、封頭線以上水位52.7 cm計(jì)算得到的。

2.2進(jìn)口常壓、出口壓力30 kPa時(shí)發(fā)熱量

把流量計(jì)安裝在與后續(xù)工藝裝置相連接的法蘭上，給后續(xù)工藝裝置中的設(shè)備加上水，空氣進(jìn)口依然保持常壓。模擬實(shí)際生產(chǎn)中水環(huán)真空泵后面的壓力負(fù)荷。實(shí)驗(yàn)測定結(jié)果見表2。

表2　進(jìn)口常壓、出口壓力30 kPa時(shí)發(fā)熱量

以表2的數(shù)據(jù)作圖并線性擬合得到圖4。由圖4可見，氣液分離器內(nèi)的溫度上升與時(shí)間成線性關(guān)系，線性相關(guān)度達(dá)到0.991。實(shí)際生產(chǎn)中，水環(huán)真空泵的進(jìn)口壓力有微負(fù)壓，并且認(rèn)為溫度與時(shí)間成正比關(guān)系。本次實(shí)驗(yàn)只測定了15 min內(nèi)的溫度變化。

圖4　進(jìn)口常壓、出口壓力30 kPa時(shí)數(shù)據(jù)擬合圖

結(jié)合表2和式（1），可計(jì)算出進(jìn)口壓力為常壓、出口壓力為30 kPa時(shí)的發(fā)熱量Q發(fā)：

Q發(fā)占泵總功率的23.27%。此出口壓力下的發(fā)熱量與出口壓力為10 kPa時(shí)一樣，說明當(dāng)進(jìn)口壓力相同時(shí)，出口壓力的小幅波動(dòng)對水環(huán)真空泵的發(fā)熱量變化影響較小。

2.3進(jìn)口壓力-7 kPa、出口壓力30 kPa時(shí)發(fā)熱量在實(shí)際生產(chǎn)中，氣相在進(jìn)入泵之前會(huì)經(jīng)過一個(gè)

鼓泡設(shè)備。在鼓泡設(shè)備中加入水，水封的存在使泵

進(jìn)口處形成-7 kPa的微負(fù)壓，因此本實(shí)驗(yàn)是在微負(fù)壓條件下進(jìn)行的。此時(shí)壓縮機(jī)的負(fù)荷為實(shí)際生產(chǎn)中的負(fù)荷。發(fā)熱量數(shù)據(jù)可直接用來校核換熱面積設(shè)計(jì)的正確性，因此測定時(shí)間較長。實(shí)驗(yàn)測定結(jié)果見表3。

表3　進(jìn)口壓力-7 kPa、出口壓力30 kPa時(shí)發(fā)熱量

以表3的數(shù)據(jù)作圖并線性擬合得到圖5。由圖5可見，氣液分離器內(nèi)的溫度上升與時(shí)間成線性關(guān)系，線性相關(guān)度達(dá)到0.997。這可能是本實(shí)驗(yàn)測定數(shù)據(jù)較多，減少了實(shí)驗(yàn)中存在的誤差，因此線性相關(guān)系數(shù)更加接近于1，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加可信。

圖5　進(jìn)口壓力-7 kPa、出口壓力30 kPa時(shí)數(shù)據(jù)擬合圖

結(jié)合表3和式（1），可計(jì)算出進(jìn)口壓力為-7 kPa、出口壓力為30 kPa時(shí)的發(fā)熱量Q發(fā)：

Q發(fā)占泵總功率的34.73%，此工況下發(fā)熱量明顯大于前兩種工況，說明水環(huán)真空泵發(fā)熱量對于泵進(jìn)口處的壓力敏感度更高，而對于泵出口處的壓力敏感度低。

2.4氣液分離罐可傳熱量校核

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對氣液分離罐內(nèi)的盤管換熱面積進(jìn)行校核，以便在正式投料生產(chǎn)前及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，對設(shè)備可能存在的問題及時(shí)進(jìn)行整改，以免影響后面的正式生產(chǎn)。

實(shí)際氣液分離罐的盤管設(shè)置、操作條件及可傳熱量如表4所示。由表4數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算可知，實(shí)際可傳熱量為2.58 kW，大于水環(huán)真空泵工作時(shí)的發(fā)熱量1.91 kW，因此盤管的設(shè)置能夠滿足以后生產(chǎn)的要求。

表4　氣液分離罐操作參數(shù)

3　結(jié)論

本文以2BV6110型水環(huán)真空泵為研究對象，對實(shí)際生產(chǎn)中的水環(huán)真空泵在不同的操作條件下的發(fā)熱量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測定。當(dāng)進(jìn)口壓力為常壓、出口壓力分別為10 kPa和30 kPa時(shí)，水環(huán)真空泵的發(fā)熱量相同；當(dāng)出口壓力為30 kPa、進(jìn)口壓力為-7 kPa時(shí)，水環(huán)真空泵的發(fā)熱量明顯上升。這說明，對于進(jìn)口壓力變化和出口壓力變化這兩種情況，水環(huán)真空泵的發(fā)熱量敏感程度前者明顯大于后者。

根據(jù)實(shí)際工況下所測定的水環(huán)真空泵發(fā)熱量，對氣液分離罐內(nèi)的可傳熱量進(jìn)行了校核。計(jì)算表明，實(shí)際設(shè)置的盤管換熱面積滿足生產(chǎn)要求。三種工況下測定的發(fā)熱量數(shù)據(jù)對類似的工業(yè)應(yīng)用有一定的參考價(jià)值。

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化工機(jī)泵

Measurement of Heat Productivity of Water-ring Vacuum Pump

Cui Juejian Zhao Jianming

Abstract：The heat productivity of the 2BV6110 water-ring vacuum pump under different inlet and outlet pressures are discussed.The results show that the heat productivity of the water-ring vacuum pump varies with different inlet and outlet pressures.The heat productivity accounts for 23.27% of the total power of the pump when the inlet pressure is atmosphere and the outlet pressure is 10 kPa or 30 kPa.Otherwise, the heat productivity accounts for 34.73% of the total power when the inlet pressure is -7 kPa and the outlet pressure is 30 kPa.

Key words：Water-ring vacuum pump; Compressor; Pressure; Heat productivity; Heat exchanger; Gas flow

(收稿日期：2015-04-17)

中圖分類號(hào)TQ 051.21

DOI：10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.02.010