如何提高水環(huán)式真空泵運(yùn)行機(jī)械效率的探討

羅延民

深圳市第二人民醫(yī)院，廣東 深圳 518035

深圳市第二人民醫(yī)院現(xiàn)有3臺(tái)山東淄博齊真機(jī)械有限公司生產(chǎn)的SK-12水環(huán)式真空泵，主要用于病人吸痰所用，單臺(tái)最大抽氣速率為12m3/min，使用真空度范圍為-400mmHg～-600mmHg之間，抽氣速率為11m3/min，極限壓力為-700mmHg（-0.093MPa），真空泵配備的電機(jī)功率為18.5kW。該設(shè)備在投入運(yùn)行的初步階段，整體運(yùn)行較平穩(wěn)，真空度及抽氣量均可滿足要求。但在運(yùn)行多年后，發(fā)現(xiàn)水環(huán)式真空泵工作效率出現(xiàn)逐漸降低的現(xiàn)象，一般在30%左右，較好的也僅能達(dá)到50%左右，整個(gè)裝置工作效率非常低。從實(shí)際檢修維護(hù)來(lái)看，造成水環(huán)式真空泵效率偏低的原因除了受到泵自身結(jié)構(gòu)限制外，還受到諸如工作液飽和蒸氣壓、長(zhǎng)期運(yùn)行產(chǎn)生水垢等因素的影響[1]。真空泵在出廠后，其機(jī)械結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定定，也就是說(shuō)通過(guò)改變泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)提高真空泵運(yùn)行效率的方法是不現(xiàn)實(shí)的，本文將對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)選型、統(tǒng)計(jì)計(jì)算、運(yùn)行維護(hù)等過(guò)程中的一些提高水環(huán)式真空泵運(yùn)行效率的技術(shù)措施進(jìn)行詳細(xì)分析研究，以便與其它同類型工作人員進(jìn)行學(xué)習(xí)探討。

1 水環(huán)式真空泵工作原理簡(jiǎn)介

當(dāng)水環(huán)式真空泵在停止運(yùn)行時(shí)，泵體內(nèi)會(huì)存在一定量的工作液（水環(huán)泵工作液為水）；真空泵正常運(yùn)行時(shí)，電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)軸及葉輪旋轉(zhuǎn)，工作液（水）在葉輪高速旋轉(zhuǎn)形成的離心力作用下，不斷甩向泵體的內(nèi)壁，從而沿泵體內(nèi)壁形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)的封閉水環(huán)[2]，水環(huán)與兩葉片及圓盤(pán)形成一封閉空間，被抽氣體即在封閉空間內(nèi)，葉輪的不斷旋轉(zhuǎn)，達(dá)到抽送氣體的目的。

水環(huán)式真空泵的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示:

圖1 水環(huán)式真空泵結(jié)構(gòu)圖

從圖1可知，由于真空泵葉輪是偏心地安裝在泵體內(nèi)，且水環(huán)旋轉(zhuǎn)速度與葉輪旋轉(zhuǎn)速度間存在一定的速度差，這就使得水環(huán)相對(duì)于泵葉輪葉片做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在相鄰2個(gè)葉片間的空間容積內(nèi)呈現(xiàn)周期性的往復(fù)變化，類似簡(jiǎn)單的往復(fù)式活塞工作一樣。在圖示的右半部分，隨著葉輪的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，水環(huán)與兩葉片及圓盤(pán)形成的封閉空間逐漸增大，壓力逐漸降低，吸氣口的氣體不斷地被吸入；在圖示的左半部分，隨著葉輪的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，水環(huán)與兩葉片及圓盤(pán)形成的封閉空間逐漸減小，壓力逐漸增大，壓力高于排氣口處的壓力時(shí)，氣體被不斷地排出，如此循環(huán)，吸氣口處就會(huì)形成一定的真空度，從而滿足工作要求。在實(shí)際檢修維護(hù)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，隨著真空泵運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，真空泵的運(yùn)行效率會(huì)逐步降低，主要原因大致包括：1）水環(huán)式真空泵在運(yùn)行過(guò)程中，葉輪葉片與水環(huán)間會(huì)不斷發(fā)生撞擊摩擦，從而會(huì)使水環(huán)的溫度不斷上升，溫度上升，造成水的飽和蒸汽壓降低，會(huì)引起真空泵的真空度下降；2）真空泵運(yùn)行時(shí)，工作水隨被抽氣體排放到氣水分離水箱中，一部分工作液（水）蒸汽隨氣體一并排出，這就要求在真空泵的運(yùn)行過(guò)程中，運(yùn)行人員要經(jīng)常給真空泵水箱進(jìn)行補(bǔ)給水，否則工作液不足，導(dǎo)致泵體內(nèi)形成不了封閉的水環(huán)，造成被抽氣體的反流，也會(huì)降低真空泵的工作效率；3）真空泵與病人吸痰的負(fù)壓吸引瓶，真空罐通過(guò)軟管及管道連接，在真空泵運(yùn)行中，在負(fù)壓吸引瓶吸痰以及真空罐抽真空的過(guò)程中，偶爾會(huì)有病人的痰液被吸入真空泵內(nèi)部，影響泵的高效穩(wěn)定工作；4）整個(gè)真空系統(tǒng)對(duì)密封性能要求很高，要將吸痰真空罐抽成真空，就必須時(shí)刻保持罐與泵、罐與罐、吸引甁與吸引接頭之間連接管道密封件具有良好的密封性能和較高工作強(qiáng)度[3]。

2 水環(huán)式真空泵工作介質(zhì)性能影響因素分析

由于水環(huán)式真空泵在很多工程領(lǐng)域作為主要的動(dòng)力部件得到廣泛的推廣應(yīng)用，為了提高水環(huán)式真空泵的綜合應(yīng)用功能效益，我國(guó)頒布了國(guó)標(biāo)GB/T13929-92，即《水環(huán)式真空泵和水環(huán)式壓縮機(jī)試驗(yàn)方法》。在規(guī)范中明確規(guī)定，水環(huán)式真空泵的性能測(cè)試曲線為真空泵在溫度為15℃的水作為工作液，相應(yīng)吸氣介質(zhì)為20℃的飽和空氣，且排氣壓力為1個(gè)大氣壓時(shí)所測(cè)得的真空泵運(yùn)行特性波動(dòng)曲線。真空泵在醫(yī)療機(jī)械領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用過(guò)程中，由于工作液介質(zhì)溫度、吸氣介質(zhì)溫度和飽和度、以及排氣壓力不可能與GB/T13929-92正好完全吻合，也就是說(shuō)在實(shí)際選型設(shè)計(jì)和更新改造過(guò)程中，需要將相應(yīng)的參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，以提高醫(yī)用吸痰真空泵系統(tǒng)的整體工作效率[4]。

2.1 吸氣介質(zhì)對(duì)水環(huán)式真空泵性能的影響

1）吸氣介質(zhì)溫度

整個(gè)真空系統(tǒng)吸入介質(zhì)的溫度越高，水環(huán)式真空泵的吸氣能力就會(huì)變得越差。

2）吸氣介質(zhì)飽和度

真空泵在運(yùn)行過(guò)程中，因?yàn)槲鼩饨橘|(zhì)中的可冷凝部分會(huì)在水環(huán)式真空泵內(nèi)發(fā)生冷凝，加上真空泵所排出的氣體是在常壓狀態(tài)下的飽和氣體，這樣如果吸氣介質(zhì)的飽和度越大，其在真空泵內(nèi)內(nèi)部的冷凝量將會(huì)越大。因此，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，應(yīng)該考慮真空系統(tǒng)的吸入介質(zhì)飽和度，一般飽和度大于50%的，在真空泵系統(tǒng)運(yùn)行方式調(diào)節(jié)時(shí)，應(yīng)按飽和氣體來(lái)計(jì)算；對(duì)于飽和度小于或等于50%的吸氣介質(zhì)而言，應(yīng)該按照干氣來(lái)計(jì)算。

2.2 工作液介質(zhì)和溫度

當(dāng)工作液的飽和蒸汽壓越大時(shí)，真空泵的極限壓力也會(huì)隨之增大，其實(shí)際吸氣量就會(huì)越小，運(yùn)行效率就會(huì)降低。反之，當(dāng)工作液的飽和蒸汽壓越小時(shí)，真空泵的極限壓力就會(huì)隨之減小，其實(shí)際吸氣量就會(huì)越大，運(yùn)行效率就會(huì)越高。因此，在實(shí)際真空系統(tǒng)檢修維護(hù)過(guò)程中，要嚴(yán)格參照國(guó)標(biāo)GB/T13929-92中，相關(guān)工作液介質(zhì)和溫度要求進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算分析，對(duì)于不合格的工作液應(yīng)該立即更換，以保障真空系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài)，有效提高其綜合運(yùn)行機(jī)械效率。

2.3 排氣壓力

從圖1中可知，真空泵在工作時(shí)，會(huì)不斷將空氣排出泵體，以在吸氣口形成工作需求的真空度，也就是說(shuō)排氣壓力也是影響水環(huán)式真空泵運(yùn)行效率的另一主要因素。排氣壓力會(huì)對(duì)真空泵吸氣量和軸運(yùn)轉(zhuǎn)功耗帶來(lái)巨大的影響。當(dāng)真空泵系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，如果其排氣壓力越大時(shí)，真空泵的吸氣量就會(huì)越小，相應(yīng)軸運(yùn)轉(zhuǎn)功耗就會(huì)越大。相反，當(dāng)系統(tǒng)排氣壓力越小時(shí)，真空泵的吸氣量就會(huì)越大，相應(yīng)軸運(yùn)轉(zhuǎn)功耗就會(huì)越小。因此，在實(shí)際運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中，應(yīng)該實(shí)時(shí)觀察真空泵系統(tǒng)的排氣壓力數(shù)據(jù)，當(dāng)出現(xiàn)異常排氣壓力數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)該立即采取相應(yīng)的措施對(duì)整個(gè)真空系統(tǒng)進(jìn)行更新改造，使得真空系統(tǒng)排氣壓力長(zhǎng)期維持在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或廠家推薦范圍值內(nèi)，保證真空泵始終處于最優(yōu)工況條件下，有效提高水環(huán)式真空泵整體運(yùn)行機(jī)械效率。

3 真空泵工作液液位或流量對(duì)其效率的影響

在實(shí)際使用過(guò)程中，如果真空泵的工作液液位過(guò)低或者流量太小時(shí)，真空泵內(nèi)部將不能形成封閉的液環(huán)，工作時(shí)將達(dá)不到正常運(yùn)行所需的真空度，從而大大降低了真空泵的運(yùn)行效率；如果真空泵工作液流量太大，則會(huì)造成真空泵運(yùn)行功率損耗增加，導(dǎo)致大約80%以上的能量全部消耗在液環(huán)與泵體內(nèi)壁的摩擦過(guò)程中，使得系統(tǒng)能耗增加，降低了真空泵的運(yùn)行效率。水環(huán)式真空泵是容積泵中的一種，正常運(yùn)行時(shí)，其吸入的氣體是可以壓縮的，而當(dāng)真空泵在內(nèi)部充滿工作液的情況下啟動(dòng)時(shí)，由于液體不能像空氣那樣被壓縮，這樣就可能造成真空泵在啟動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)損壞葉輪葉片的情況，從而影響真空泵的使用壽命[5]。因此，在真空泵運(yùn)行過(guò)程中，必須嚴(yán)格巡查工作液的液位和流量值，防止出現(xiàn)工作液狀態(tài)劇烈變化，有效提高水環(huán)式真空泵運(yùn)行機(jī)械效率。

4 水垢對(duì)真空泵機(jī)械效率的影響

由于工作液（水）中通常含有鈣、鎂等碳酸鹽物質(zhì)，當(dāng)泵在正常運(yùn)行過(guò)程中，工作液在受熱溫升作用下，水中相應(yīng)的碳酸鹽物質(zhì)的溶解度就會(huì)降低，在泵長(zhǎng)期運(yùn)行后，該類物質(zhì)就會(huì)逐步結(jié)晶析出，附著在圓盤(pán)、葉輪、泵體等部件上。水環(huán)式真空泵在長(zhǎng)期運(yùn)行后，泵體內(nèi)部結(jié)垢就會(huì)變得十分嚴(yán)重，常常導(dǎo)致圓盤(pán)與葉輪之間間隙減小，水環(huán)式真空泵運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)異聲、啟動(dòng)電流過(guò)大、吸氣量明顯降低、真空度下降等現(xiàn)象，造成真空泵效率降低。此時(shí)可以扳動(dòng)轉(zhuǎn)子采用10%的草酸對(duì)真空泵進(jìn)行全面除垢，然后采用清水進(jìn)行沖洗。如果發(fā)現(xiàn)泵體內(nèi)水垢較厚時(shí)，就有必要采取對(duì)泵進(jìn)行解體，局部詳細(xì)清除手段，徹底清除水垢，增大真空泵內(nèi)部容積量，提高其運(yùn)行效率。

5 結(jié)論

對(duì)于水環(huán)真空泵而言，影響其實(shí)際運(yùn)行效率的因素很多。因此，在日常運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中，要從吸入介質(zhì)的溫度和飽和度、工作液的種類和溫度、排氣壓力、工作液（水）液位和流量以及工作水的水質(zhì)等多個(gè)方面建立完善的真空泵設(shè)計(jì)、改造選型、以及運(yùn)行維護(hù)等制度措施，保證真空系統(tǒng)始終工作在最優(yōu)工況條件，在為醫(yī)院節(jié)省大量的檢修維護(hù)經(jīng)費(fèi)的同時(shí)，有效提高真空系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的機(jī)械效率。

[1]強(qiáng)成銀.水環(huán)式真空泵的維護(hù)[J].中國(guó)設(shè)備工程，2008(8)：46.

[2]賈宗謨，穆界天，范宗霖.漩渦泵液環(huán)泵射流泵[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993.

[3]祁曾青.水環(huán)真空泵葉輪最佳圓周速度[J].水泵技術(shù)，2001(3)：10-13.

[4]張淑芹.水環(huán)式真空泵和水環(huán)式壓縮機(jī)試驗(yàn)方法[M].北京：國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局，1992.

[5]吳泰忠.液環(huán)真空泵的汽蝕防護(hù)[J].化工設(shè)備與管道，2006，43(2)：45-47.