第四講：蒸汽流真空泵

第四講：蒸汽流真空泵[簡(jiǎn)介]:水蒸汽噴射泵是以靠從拉瓦爾噴咀中噴出的高速水蒸汽流來攜帶氣的，故有如下特點(diǎn)：

(1)該泵無機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分，不受摩擦、潤(rùn)滑、振動(dòng)等條件限制，因此可制成抽氣能力很大的泵。工作可靠，使用壽命長(zhǎng)。只要泵的結(jié)構(gòu)材料選擇適當(dāng)，對(duì)于排除具有腐蝕性氣體、含有機(jī)械雜質(zhì)的氣體以及水蒸等場(chǎng)合極為有利。

(2)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕，占地面積小。(3)工作蒸汽壓力為4～9×105Pa，在一般的冶金、化工、醫(yī)藥等企業(yè)中都具備這樣的水蒸汽源。

一、水蒸汽噴射泵1．概述

水蒸汽噴射泵是以靠從拉瓦爾噴咀中噴出的高速水蒸汽流來攜帶氣的，故有如下特點(diǎn)：

(1)該泵無機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分，不受摩擦、潤(rùn)滑、振動(dòng)等條件限制，因此可制成抽氣能力很大的泵。工作可靠，使用壽命長(zhǎng)。只要泵的結(jié)構(gòu)材料選擇適當(dāng)，對(duì)于排除具有腐蝕性氣體、含有機(jī)械雜質(zhì)的氣體以及水蒸等場(chǎng)合極為有利。

(2)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕，占地面積小。(3)工作蒸汽壓力為4～9×105Pa，在一般的冶金、化工、醫(yī)藥等企業(yè)中都具備這樣的水蒸汽源。

因水蒸汽噴射泵具有上述特點(diǎn)，所以廣泛用于冶金、化工、醫(yī)藥、石油以及食品等工業(yè)部門。

2．工作原理

噴射泵是由工作噴咀和擴(kuò)壓器及混合室相聯(lián)而組成。工作噴咀和擴(kuò)壓器這兩個(gè)部件組成了一條斷面變化的特殊氣流管道。氣流通過噴咀可將壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能。工作蒸汽壓強(qiáng)P0和泵的出口壓強(qiáng)P4之間的壓力差，使工作蒸汽在管道中流動(dòng)。

在這個(gè)特殊的管道中，蒸汽經(jīng)過噴咀的出口到擴(kuò)壓器入口之間的這個(gè)區(qū)域(混合室)，由于蒸汽流處于高速而出現(xiàn)一個(gè)負(fù)壓區(qū)。此處的負(fù)壓要比工作蒸汽壓強(qiáng)P0和反壓強(qiáng)P4低得多。此時(shí)，被抽氣體吸進(jìn)混合室，工作蒸汽和被抽氣體相互混合并進(jìn)行能量交換，把工作蒸汽由壓力能轉(zhuǎn)變來的動(dòng)能傳給被抽氣體，混合氣流在擴(kuò)壓器擴(kuò)張段某斷面產(chǎn)生正激波(如圖1中3'斷面)，波后的混合氣流速度降為亞音速ω'3，混合氣流的壓力升為P'3。亞音速的氣流在擴(kuò)壓器的漸擴(kuò)段流動(dòng)時(shí)是降速增壓的。混合氣流在擴(kuò)壓器出口處，壓力增至P4，速度降為ω4。故噴射泵也是一臺(tái)氣體壓縮機(jī)。

3．多級(jí)噴射泵的結(jié)構(gòu)

圖2是典型五級(jí)泵的結(jié)構(gòu)示意圖。通常單級(jí)噴射器的壓縮比不超過10，工作壓強(qiáng)不低于lOkPa。因此當(dāng)需要更低的工作壓強(qiáng)時(shí)，則由兩個(gè)或兩個(gè)以上的噴射器和冷凝器串聯(lián)組成，稱為多級(jí)噴射泵。冷凝器的作用是將混合物中的可凝性蒸汽部分凝結(jié)排除，以減少下級(jí)噴射器的負(fù)荷。冷凝器的結(jié)構(gòu)形式有混合式、表面式及噴射式三種形式。冷凝器按其在噴射泵系統(tǒng)中的安裝位置，又分為前冷凝器、中間冷凝器和后冷凝器。

前冷凝器安裝在第一級(jí)噴射器入口前，主要為了減少第一級(jí)泵的負(fù)荷。只有當(dāng)被抽混合物中含有大量的可凝性蒸汽，并且其蒸汽分壓強(qiáng)大于冷卻水溫所對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓時(shí)方可使用。中間冷凝器安裝在多級(jí)泵中間，具體位置應(yīng)視進(jìn)入冷凝器的混合物中的蒸汽分壓強(qiáng)及冷卻水溫而定，其作用是減少下級(jí)泵的負(fù)荷。后冷凝器安裝在末級(jí)噴射器之后，主要是為了消除末級(jí)噴射器的廢氣、噪聲，有時(shí)用來回收未級(jí)噴射器的余熱。

4．簡(jiǎn)易計(jì)算法

(1)噴咀喉部直徑D0的計(jì)算

(1)

式中G0——工作蒸汽耗量(kg／h)，G0=Gh/μ。Gh為被抽氣體量(kg／h)，μ為引射系數(shù)，可查表[1]得到。

P0——工作蒸汽壓力(Pa)

(2)擴(kuò)壓器喉徑D3的計(jì)算

(2)

式中GK——通過擴(kuò)壓器喉部的空氣流量(kg／h)

GZ——通過擴(kuò)壓器喉部的蒸氣流量(kg／h)

P4——擴(kuò)壓器出口壓力(Pa)

(3)冷凝器直徑D的計(jì)算

(3)

式中G∑h——進(jìn)入冷凝器的混合物流量(kg／h)

v∑h——進(jìn)入冷凝器的混合物比容(m3／kg)，可近似地用P4查得的飽和水蒸汽比容代替。二、油擴(kuò)散泵1．概述

油擴(kuò)散泵的工作原理與水蒸汽噴射泵相似，都是靠高速蒸汽射流來攜帶氣體以達(dá)到抽氣的目的，故有如水蒸汽噴射泵相似的特點(diǎn)。不同點(diǎn)是擴(kuò)散泵工作在高真空區(qū)域，其工作壓強(qiáng)范圍為10-2～10-6pa。廣泛用于電子、化工、冶金、機(jī)械、石油及原子能等工業(yè)部門中。

2．油擴(kuò)散泵的工作原理與結(jié)構(gòu)

圖3是擴(kuò)散泵的結(jié)構(gòu)示意圖。當(dāng)油蒸汽從傘形噴咀(如I級(jí)噴咀)以超音速噴出后，其速度逐漸增大，壓力及密度逐漸降低，射流上邊的被抽氣體A因密度差要向蒸汽射流中擴(kuò)散并被射流攜帶到水冷的泵壁處B，在B處，工作蒸汽大部分被冷凝成油滴沿泵壁流回到油鍋中循環(huán)使用，而被抽氣體在B處堆積、壓縮，最后被下級(jí)射流攜帶走，以達(dá)到逐級(jí)壓縮，最后被前級(jí)泵抽走。其抽速特性曲線如圖4所示。

3．?dāng)U散泵的性能計(jì)算

(1)擴(kuò)散泵的抽速S的計(jì)算[1]

(4)

式中ω——蒸汽射流的平均速度

R(L)、R(O)——分別表示泵筒與噴咀帽的直徑

a——蒸汽射流與泵壁的夾角

D——?dú)怏w在射流中的擴(kuò)散系數(shù)

(2)擴(kuò)散泵每級(jí)最大壓縮比(P2／P1)max的計(jì)算

(5)

式中ω、D——意義同(4)

L——蒸汽射流長(zhǎng)度

(3)蒸汽射流流譜的計(jì)算

擴(kuò)散泵各級(jí)蒸汽射流的工作壓強(qiáng)范圍為10-2～l0-6Pa，在這樣寬的領(lǐng)域里，蒸汽流從連續(xù)流向滑流、過渡流、分子流過渡。用一種理論解決上述各種流態(tài)中的問題是很困難的。通常，在連續(xù)流領(lǐng)域里，可用氣體動(dòng)力學(xué)理論去處理，在分子流領(lǐng)域里，可用分子流理論去處理。然而，處理兩種流態(tài)之間的問題也是很困難的。為此，在處理蒸汽流問題之前，必須弄清楚所要處理的蒸汽流是屬于那種流態(tài)。

M．Wutz建議用特征碰撞數(shù)Z大于10作為應(yīng)用氣體動(dòng)力學(xué)的判據(jù)[2]。

(6)

式中C——油蒸汽分子的平均熱運(yùn)動(dòng)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(混合物中空氣分子密度)，所以l可看成是蒸汽分子的平均自由程(cm)

L——蒸汽射流的長(zhǎng)度(cm)

V——蒸汽射流的平均速度(cm／s)

工作蒸汽在噴咀內(nèi)的流動(dòng)，可用一維定常等熵流的公式去計(jì)算，而工作蒸汽在噴咀外的流動(dòng)比較復(fù)雜，往往是膨脹波、微壓縮波和激波共存的復(fù)雜流場(chǎng)。

關(guān)于膨脹波的流場(chǎng)，可用下邊的普朗特——邁耶流公式求解。對(duì)左伸膨脹波系，其計(jì)算公式為：

（7）

對(duì)于右伸膨脹波系，其計(jì)算公式為：

（8）

上二式中θ——?dú)饬鞣较蚪?/p>

λ——速度系數(shù)

K——?dú)怏w絕熱指數(shù)

C1，C2——積分常數(shù)

關(guān)于激波流場(chǎng)中的氣流參數(shù)，由下面諸公式計(jì)算。

（9）

式中λ1——激波前的速度系數(shù)

λ2x——激波后的速度系數(shù)在x軸上的分量

λ2y——激波后的速度系數(shù)在y軸上的分量

K——?dú)怏w絕熱指數(shù)

(10)

(11)

(12)

上三式中P1、ρ1、T1及P2、ρ2、T2分別表示波前波后的壓力，密度及溫度

M1——波前氣流馬赫數(shù)

β——激波角

K——?dú)怏w絕熱指數(shù)。

根據(jù)膨脹波及激波流場(chǎng)中的諸計(jì)算式，可繪出擴(kuò)散泵中各級(jí)射流流譜(如圖3中的I級(jí)噴咀流譜)。顯然，噴咀系統(tǒng)的幾何形狀、級(jí)間距離及壓縮比等對(duì)流譜和泵的性能有很大影響。為了確定較佳的噴咀形狀、級(jí)間距離及壓縮比，應(yīng)繪出多種工況下的流譜，選出其中一組較佳數(shù)據(jù)為設(shè)計(jì)方案。究竟選擇那種流譜為最佳方案，應(yīng)考慮下述原則：

(1)各級(jí)射流不重疊。

(2)應(yīng)保證第一級(jí)射流充分膨脹。

(3)保證第一級(jí)射流有足夠的長(zhǎng)度，并且與泵壁的夾角應(yīng)盡量小，以利于提高何氏系數(shù)。

同樣，第一噴咀上的擋油帽位置也應(yīng)根據(jù)第一級(jí)射流流譜來確定，即擋油帽的軸向安裝位置應(yīng)保證擋住第一級(jí)射流流線中垂直泵壁以上的分量。三、油增壓泵(油擴(kuò)散噴射泵)1．概述

油增壓泵的工作原理與油擴(kuò)散泵相似，因此具有相似的特點(diǎn)，并且應(yīng)用領(lǐng)域也相似。只是油增壓泵工作壓強(qiáng)范圍比油擴(kuò)散泵高(10～10-2Pa)，所以油增壓泵除作主泵外，還可作油擴(kuò)散泵的前級(jí)泵，起增壓作用。

2．油增壓泵的工作原理與結(jié)構(gòu)

油增壓泵的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。其工作原理與油擴(kuò)散泵相似，仍然是以靠工作射流來攜帶氣體，達(dá)到抽氣目的。不同點(diǎn)是油增壓泵的射流主要是以靠被抽氣體與蒸汽射流之間的粘滯摩擦來