液環(huán)真空泵及機組節(jié)能設(shè)計和選型的方法探討

林漢光

(廣東省佛山水泵廠有限公司，廣東佛山528000)

1 引言

眾所周知，液環(huán)真空泵由于用水或其它液體做工作液，其壓縮氣體過程是等溫壓縮過程以及可抽吸水蒸汽和易燃易爆氣體這兩個特點，所以廣泛應(yīng)用于造紙、電力、化工、煤礦和制藥等行業(yè)。由于液環(huán)真空泵相對其它粗低真空泵來說，耗能高，效率低，尤其近幾年來，液環(huán)真空泵正朝大型化方向發(fā)展［1］，所配套的電機功率越來越大，最大配套電機的功率達到620 kW［2］，現(xiàn)在有的大型液環(huán)真空泵的配套功率已經(jīng)達到1 000 kW，因此降低液環(huán)真空泵尤其是大型液環(huán)真空泵的功耗，提高液環(huán)真空泵及其機組的效率顯得十分重要。國內(nèi)液環(huán)真空泵的結(jié)構(gòu)大多數(shù)為平板式。本文就平板式液環(huán)真空泵的過流部件和選型這兩方面進行探討和分析，提出了液環(huán)真空泵及其機組提高效率的節(jié)能設(shè)計和選型的方法。

2 液環(huán)真空泵所消耗的功率分析和節(jié)能設(shè)計探討

2.1 液環(huán)真空泵工作過程所消耗的功率分析

液環(huán)真空泵的工作過程是這樣的:電機帶動液環(huán)真空泵的葉輪作旋轉(zhuǎn)運動，由于離心力的作用，使泵體內(nèi)的工作液沿著泵腔內(nèi)壁形成旋轉(zhuǎn)的液環(huán);同時葉輪是偏心地安裝在泵體內(nèi)，液環(huán)的內(nèi)表面與葉輪輪轂之間形成一個月牙形狀的空間。旋轉(zhuǎn)的液環(huán)在氣體吸入階段，增加了動能，在氣體排出階段，液環(huán)的動能轉(zhuǎn)為氣體的壓縮功，使氣體壓縮并被排出。

2.1.1 氣體壓縮過程所需的功率

壓縮氣體所需的功率，同一臺液環(huán)真空泵在相同吸入壓力和排出壓力的情況下，抽氣量越大，則壓縮氣體所需的功率就越大。因為壓縮氣體所需的功率是有用功，那么，對相同型號的液環(huán)真空泵，設(shè)計時盡量使液環(huán)真空泵的抽氣量越大則液環(huán)真空泵的效率就越高，所以設(shè)計時，要確保葉輪與液環(huán)之間形成的月牙形狀的空間越大就越好。

2.1.2 工作液形成液環(huán)并作離心式旋轉(zhuǎn)運動所需的最小功率

由于工作液要沿泵腔內(nèi)壁作運動和沿葉輪表面作運動，必須有相應(yīng)的動能，需要消耗一定的功率，因此，設(shè)計合理的葉片形狀和確保泵腔的橢圓，以減少液環(huán)的水力損失。

2.1.3 轉(zhuǎn)子運動所需的功率

因為轉(zhuǎn)子有一定的重量，轉(zhuǎn)子運動時需要一定功率，因此在可能的情況下，把轉(zhuǎn)子的重量減到最小要求。

2.1.4 氣體在壓縮過程的返流

由于分配板與葉輪之間存在一定的間隙，氣體在壓縮過程存在返流現(xiàn)象。也因返流現(xiàn)象的存在，必然降低了液環(huán)真空泵的效率。所以，必須確保分配板與葉輪之間的間隙在允許的范圍內(nèi)。

2.1.5 機械摩擦損失的功率，這部份損失的功率越小越好。

2.2 液環(huán)真空泵節(jié)能設(shè)計的方法

2.2.1 葉輪的節(jié)能設(shè)計及制造

2.2.1.1 葉輪是液環(huán)真空泵最重要的零件。一般而言，設(shè)計一個好的葉輪就等于設(shè)計液環(huán)真空泵的成功了80%。葉輪的作用是使工作液形成液環(huán)，液環(huán)同時與葉輪形成月牙狀的氣體吸入和排出空間。較好結(jié)構(gòu)有焊接和鑄造兩種為了確保葉輪與液環(huán)之間的月牙狀空間達到最大，因為焊接葉輪比鑄造的葉輪的葉片厚度影響系數(shù)大［3］，因此，如果焊接質(zhì)量能夠保證，應(yīng)該盡量使用焊接葉輪。如果需要使用鑄造葉輪，則建議采用增加加強肋的方法減少壁厚，從而減少葉輪的重量和增加月牙狀空間的體積。

2.2.1.2 葉片的彎曲度及方向影響了液環(huán)的流動情況，一般設(shè)計成向前彎的形狀，但角度應(yīng)該是多大才合適，還沒形成一個共識。

2.2.1.3 葉輪長度與抽氣量有關(guān)。在廣東佛山水泵廠有限公司的2BE1系列中，同一個葉輪直徑，有2～3個規(guī)格的長度，例如2BE1 202，2BE1203，2BE1204，但葉輪的長徑比是有一個范圍的。

2.2.1.4 葉輪表面光潔度會影響工作液流過葉輪表面的水力損失。同一臺泵，粗糙的葉輪打磨光滑后的水力損失肯定會減少。

2.2.2 分板的排出孔

由于分配板的吸入孔和排出孔決定了被抽的氣體壓縮比，因此可以對不同的吸入壓力，設(shè)計不同的排出孔，避免過濾壓縮引起功率的增加或者壓縮不足時的情況，以達到節(jié)能效果。

2.2.3 確保合理的間隙，減少氣體的返流

由于葉輪與分配板之間有一定的間隙才可以保證葉輪的正常運轉(zhuǎn)，如果間隙過大，會引起液環(huán)真空泵返流氣體增大，會導(dǎo)致抽氣量減少，從而降低液環(huán)真空泵的效率。

要確保葉輪與分配板的間隙，必須設(shè)計合理的軸承座和采用精度高的軸承。對于大型真空泵來說，軸承座一般是跟側(cè)蓋設(shè)計成一體的，必須在同一臺機床上進行加工，以保證軸承座和側(cè)蓋的同心度。

2.2.4 針對液環(huán)泵應(yīng)用的真空壓力范圍，設(shè)計不同吸入壓力范圍的液環(huán)真空泵

一般來說，平板式單吸單作用的液環(huán)真空泵所能達到的最高真空極限為3 300 Pa，在造紙和煤礦行業(yè)，其真空壓要求為20 000 Pa以上，有些化工過濾系統(tǒng)的真空壓力要求也在30 000 Pa以上，而且所要求抽氣量非常大，電廠冷凝器的真空壓力要求為4 600 Pa以下，根據(jù)這些應(yīng)用的情況，可以設(shè)計使用范圍在20 000 Pa～101 300 Pa壓力的液環(huán)真空泵，也可以設(shè)計使用范圍在40 000 Pa～101 300 Pa壓力的液環(huán)真空泵，也可以設(shè)計在吸入壓力為4600 Pa以下壓力特別節(jié)能的液環(huán)真空泵，并對過流部件作相應(yīng)的設(shè)計和優(yōu)化以適合在這些壓力范圍內(nèi)節(jié)能使用。國內(nèi)開發(fā)的CBF系列液環(huán)真空泵［2］，使用壓力在20 000 Pa～101 300 Pa之間，比2BE1更節(jié)能，廣泛用在造紙、煤礦和化工行業(yè)。

2.2.5 運用目前先進的流體軟件對液環(huán)真空泵進行內(nèi)部各種情況進行分析

運用FLUENT等流體軟件分析液環(huán)真空泵過流部件的氣液相的情況，進行優(yōu)化設(shè)計液環(huán)真空泵，以達到節(jié)能設(shè)計液環(huán)真空泵的目的［4］。

3 液環(huán)真空泵合理選型

液環(huán)真空泵的運行效率除了與水力模型有關(guān)以外，還與泵的葉輪線速度有著十分密切的關(guān)系。同一臺液環(huán)真空泵可以有不同的轉(zhuǎn)速，以達到不同的抽氣量，一般推薦的葉輪線速度為:13～22 m/s。同一臺泵轉(zhuǎn)速越高，效率則越低。

同一抽氣量，可以選用一臺小規(guī)格液環(huán)真空泵用高轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)，也可以選用一臺大規(guī)格低轉(zhuǎn)速的液環(huán)真空泵來實現(xiàn)。

例:抽氣量要求:180 m3/min，吸入壓力:500 hPa。

選型1:CBF410－2，472 rpm，工作點的軸功率:193 kW;

選型2:CBF500－2，372 rpm，工作點的軸功率:177 kW;

選型3:CBF510－2，298 rpm，工作點的軸功率:153 kW。

選型2的一次性投資比選型1的大，但年節(jié)電可達:16 kW×2×330=126 720度電

選型3的一次性投資比選型1的更大，但年節(jié)電可達:40 kW×24×330=316 800度電

選用線速度較低的液環(huán)真空泵，具有較高的運行效率，設(shè)備一次性投資大，但長期運行成本低和節(jié)能，并且液環(huán)真空泵的軸承等零件的壽命長，維護工作量較少，運行噪聲較低。

4 結(jié)論

提高液環(huán)真空泵的效率，設(shè)計節(jié)能的液環(huán)真空泵，應(yīng)該從了解液環(huán)的形成入手，進行液環(huán)真空泵的過流部件優(yōu)化設(shè)計和節(jié)能設(shè)計。另外，合理的選型，避免出小泵高轉(zhuǎn)速低效率更是節(jié)能的實際應(yīng)用。

［1］黃毅.對水環(huán)真空泵發(fā)展趨勢及設(shè)計開發(fā)的幾點看法［J］.真空，2004，4:27～29.

［2］達道安.真空設(shè)計手冊［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2004.

［3］楊乃恒，等.真空獲得設(shè)備［M］.北京:治金工業(yè)出版社，2001.

［4］黃思，阮志勇，鄧慶健，等.液環(huán)真空泵內(nèi)氣液兩相流動的數(shù)值分析，真空，2009，2:49～52.