真空泵工作原理

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水环真空泵（简称水环泵）是一种粗真空泵，它所能获得的极限真空为2000~4000Pa，串联大气喷射器可达270~670Pa。水环泵也可用作压缩机，称为水环式压缩机，是属于低压的压缩机，其压力范围为1~2×105Pa表压力。
　　水环泵最初用作自吸水泵，而后逐渐用于石油、化工、机械、矿山、轻工、医药及食品等许多工业部门。在工业生产的许多工艺过程中，如真空过滤、真空引水、真空送料、真空蒸发、真空浓缩、真空回潮和真空脱气等，水环泵得到广泛的应用。由于真空应用技术的飞跃发展，水环泵在粗真空获得方面一直被人们所重视。由于水环泵中气体压缩是等温的，故可抽除易燃、易爆的气体，此外还可抽除含尘、含水的气体，因此，水环泵应用日益增多。
　　水环式真空泵的工作液也可采用其他合适的液体，不管采用哪种工作液均统称为液环式真空泵。水环式真空泵是液环式真空泵中最常见、应用最广泛的一种泵。

　　　　  

　　如图：在泵体中装有适量的水作为工作液。当叶轮按图中顺时针方向旋转时，水被叶轮抛向四周，由于离心力的作用，水形成了一个决定于泵腔形状的近似于等厚度的封闭圆环。水环的下部分内表面恰好与叶轮轮毂相切，水环的上部内表面刚好与叶片顶端接触（实际上叶片在水环内有一定的插入深度）。此时叶轮轮毂与水环内界面之间形成一个月牙形空间，而这一空间又被叶轮叶片分成和叶片数目相等的若干个小腔。如果以叶轮的下部0°为起点，那么叶轮在旋转前180°时小腔的容积由小变大，且与端面上的吸气口相通，此时气体被吸入，当吸气终了时小腔则与吸气口隔绝；当叶轮继续旋转时，小腔由大变小，使气体被压缩；当小腔与排气口相通时，气体便被排出泵外。
　　综上所述，水环泵是靠泵腔容积的变化来实现吸气、压缩和排气的，因此它属于变容式真空泵。        水环泵和其它类型的机械真空泵相比有如下优点：
•        结构简单，制造精度要求不高，容易加工。
•        结构紧凑，泵的转数较高，一般可与电动机直联，无须减速装置。故用小的结构尺寸，可以获得大的排气量，占地面积也小。
•        压缩气体基本上是等温的，即压缩气体过程温度变化很小。
•        由于泵腔内没有金属磨擦表面，无须对泵内进行润滑，而且磨损很小。转动件和固定件之间的密封可直接由水封来完成。
•        吸气均匀，工作平稳可靠，操作简单，维修方便。
　
水环泵也有其缺点：
•        效率低，一般在30%左右，较好的可达50%。
•        真空度低，这不仅是因为受到结构上的限制，更重要的是受工作液饱和蒸气压的限制。用水作工作液，极限压强只能达到2000~4000Pa。用油作工作液，可达130Pa。
　　总之，由于水环泵中气体压缩是等温的，故可以抽除易燃、易爆的气体。由于没有排气阀及摩擦表面，故可以抽除带尘埃的气体、可凝性气体和气水混合物。有了这些突出的特点，尽管它效率低，仍然得到了广泛的应用。　
液环真空泵的汽蚀现象
　　液环真空泵在工作时，在一定温度下，当低压处的液体压力低于在该温度下的汽化压力（即饱和蒸汽压），液体开始汽化而产生气泡，并随液体进入高压区时，气泡破裂，周围液体迅速填充原气泡空穴，产生水力冲击。这种气泡的产生、发展和破裂现象就称为汽蚀。
　　在液环真空泵的工作过程中，吸入区域的绝对压力与被抽系统的绝对压力是一致的。也就是说，被抽系统的真空度越高，吸入区域的真空度也越高。
　　液环真空泵需要用液体作为工作介质。每种液体在某一温度下都有对应的饱和蒸汽压。当吸入区域的绝对压力越接近液体的饱和蒸汽压时，液体越接近沸腾状态。这时，在吸入区域的工作液表面会产生大量的汽泡，由于液体在工作腔内产生的工作液蒸汽会占据部分工作腔的空间，泵对外的吸气能力会有所下降。当吸入区域的压力达到工作液的饱和蒸汽压时，可以认为工作腔内全部充满了工作液蒸汽，此时泵对外的吸气能力接近于0，而此时泵的汽蚀现象也最为严重。
　　如果工作液是水，水温越高，泵的抽气性能下降越多。水温对水环真空泵的抽气速率的影响可参照本手册72页。
液环泵的汽蚀损坏和离心式水泵的汽蚀损坏原理是一样的，都是在汽泡产生和破裂的部位，金属表面出现点蚀现象，严重的会出现蜂窝状损坏。如果真空泵叶轮在汽蚀部位有较大的残余应力，还会引起应力释放，产生裂纹。
　　由于泵汽蚀时，气泡在高压区连续发生突然破裂，以及伴随的强烈水击，而产生噪声和振动。可以听到像爆豆似的劈劈啪啪的声音。实测结果表明，汽蚀引起的振动频率范围为600～25000Hz，压力达49MPa。
　　如果上述气泡在金属表面上破裂，金属表面将受到连续强烈的水击，出现麻点，金属晶粒松动并剥落而成蜂窝状，甚至穿孔。汽蚀破坏除机械作用外，还伴随有电解、化学腐蚀等多种复杂的作用。实际破坏情况表明，泵过流部件汽蚀破坏的部位，正是气泡消失的地方。
汽蚀现象的预防措施及消除方法

　　液环真空泵在汽蚀状态下长时间工作，会造成泵的噪声、振动变大，甚至对泵造成损坏，因此应尽量避免液环真空泵在汽蚀状态下工作，可通过以下方法：
1、 降低工作液的温度
在液环真空泵工作点为固定值的前提下，降低工作液的温度可以达到防止汽蚀的效果。
2、 使真空泵运行在安全区域，提高选型的准确性
这要求在选型阶段，选择液环真空泵吸入压力及工作液温度时尽量避开液环泵容易发生汽蚀的压力范围。
3、 安装汽蚀保护管路或单向阀
汽蚀过程中产生的气泡在压缩过程中破裂时，从外部引入压力较高的不凝气体能够及时补充因气泡破裂而出现的空间，这样可以大大减轻汽蚀对泵的损害及降低汽蚀引起的噪声和振动。
2BV、2BE1设有汽蚀保护接口。在泵发生汽蚀现象时，从泵排气侧的汽蚀保护接口充入不凝气体即可消除汽蚀噪声，并大大减轻汽蚀对泵的损害。
4、 配大气喷射器
如液环真空泵吸气口配有大气喷射器，则液环泵不易发生汽蚀现象。
5、 采用具有更低的饱和蒸汽压的液体作为工作液。
6、 泵的叶轮、圆盘采用防汽蚀能力较强的材质。
旋片式真空泵（简称旋片泵）是一种油封式机械真空泵。其工作压强范围为101325~1.33×10-2（Pa）属于低真空泵。它可以单独使用，也可以作为其它高真空泵或超高真空泵的前级泵。它已广泛地应用于冶金、机械、军工、电子、化工、轻工、石油及医药等生产和科研部门。
　　旋片泵可以抽除密封容器中的干燥气体，若附有气镇装置，还可以抽除一定量的可凝性气体。但它不适于抽除含氧过高的，对金属有腐蚀性的、对泵油会起化学反应以及含有颗粒尘埃的气体。
　　旋片泵是真空技术中最基本的真空获得设备之一。旋片泵多为中小型泵。旋片泵有单级和双级两种。所谓双级，就是在结构上将两个单级泵串联起来。一般多做成双级的，以获得较高的真空度。 旋片泵的抽速与入口压强的关系规定如下：在入口压强为1333Pa、1.33Pa和1.33×10-1（Pa）下，其抽速值分别不得低于泵的名义抽速的95%、50%和20%。 　        　

　　如图为旋片泵的工作原理示意图。旋片泵主要由泵体、转子、旋片、端盖、弹簧等组成。在旋片泵的腔内偏心地安装一个转子，转子外圆与泵腔内表面相切（二者有很小的间隙），转子槽内装有带弹簧的二个旋片。旋转时，靠离心力和弹簧的张力使旋片顶端与泵腔的内壁保持接触，转子旋转带动旋片沿泵腔内壁滑动。
　　两个旋片把转子、泵腔和两个端盖所围成的月牙形空间分隔成A、B、C三部分，如图所示。当转子按箭头方向旋转时，与吸气口相通的空间A 的容积是逐渐增大的，正处于吸气过程。而与排气口相通的空间C的容积是逐渐缩小的，正处于排气过程。居中的空间B的容积也是逐渐减小的，正处于压缩过程。由于空间A的容积是逐渐增大（即膨胀），气体压强降低，泵的入口处外部气体压强大于空间A内的压强，因此将气体吸入。当空间A与吸气口隔绝时，即转至空间B的位置，气体开始被压缩，容积逐渐缩小，最后与排气口相通。当被压缩气体超过排气压强时，排气阀被压缩气体推开，气体穿过油箱内的油层排至大气中。由泵的连续运转，达到连续抽气的目的。如果排出的气体通过气道而转入另一级（低真空级），由低真空级抽走，再经低真空级压缩后排至大气中，即组成了双级泵。这时总的压缩比由两级来负担，因而提高了极限真空度。          


罗茨真空泵的工作原理
　

　　罗茨泵的结构如图所示。在泵腔内，有二个"8"字形的转子相互垂直地安装在一对平行轴上，由传动比为1的一对齿轮带动作彼此反向的同步旋转运动。在转子之间，转子与泵壳内壁之间，保持有一定的间隙，可以实现高转速运行。由于罗茨泵是一种无内压缩的真空泵，通常压缩比很低，故高、中真空泵需要前级泵。罗茨泵的极限真空除取决于泵本身结构和制造精度外，还取决于前级泵的极限真空。为了提高泵的极限真空度，可将罗茨泵串联使用。
　　罗茨泵的工作原理与罗茨鼓风机相似。由于转子的不断旋转，被抽气体从吸气口吸入到转子与泵壳之间的空间v0内，再经排气口排出。由于吸气后v0空间是全封闭状态，所以，在泵腔内气体没有压缩和膨胀。但当转子顶部转过排气口边缘，v0空间与排气侧相通时，由于排气侧气体压强较高，则有一部分气体返冲到空间v0中去，使气体压强突然增高。当转子继续转动时，气体排出泵外。
　　罗茨真空泵工作原理动画演示网址：　　　　　　　　　　　　　　　　http://www.zbbz.com/zj-yl.htm         　

　　
　　右(下)图为罗茨泵转子由0°转到180°的抽气过程。在0°位置时（图a），左转子从泵入口封入v0体积的气体。当转到45°位置时（图b），该腔与排气口相通。由于排气侧压强较高，引起一部分气体返冲过来。当转到90°位置时（图c），左转子封入的气体，连同返冲的气体一起排向泵外。这时，右转子也从泵入口封入v0体积的气体。当转子继续转到135°时（图d），右转子封入的气体与排气口相通，重复上述过程。180°（图e）位置和0°位置（图a）是一样的。转子主轴旋转一周共排出四个v0体积的气体。          


         





罗茨泵的工作原理立体演示


罗茨水环真空机组工作原理

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罗茨泵－水环泵真空机组工作原理

　　用于较高真空的罗茨真空泵(机械增压泵)不能直排大气，如直排大气会造成罗茨真空泵吸气口与排气口压差太大，从而使罗茨真空泵过载，如单纯加大罗茨真空泵电机功率又会造成罗茨真空泵过热以致罗茨真空泵转子之间的微小间隙很快因热膨胀而卡死。为保证罗茨真空泵能达到较高真空必须保证罗茨真空泵转子之间的间隙。所以罗茨真空泵使用时必须设有前级泵，用前级泵将系统内压力抽至一定范围内时再启动罗茨真空泵，如此可以避免罗茨真空泵过载。前级泵可以选用水(液)环式真空泵、旋片式真空泵、滑阀式真空泵、往复式真空泵等可直排大气的真空泵。
　　罗茨真空机组在一般情况下，选用水环泵作为前级泵比其它真空泵更为有利，这主要是由于它能够抽除大量的可凝性蒸汽，特别是当气镇油封机械真空泵排除可凝性蒸汽能力不够，或使用的溶剂能使泵油恶化而影响性能，或者是真空系统不允许油污染的时候更为明显。
　　罗茨泵－水环泵机组广泛地用于化工、食品升华干燥、高空模拟试验等的抽真空系统中。这类联合机组，大致有如下几种类型。
　　（1）罗茨泵－水环泵：机组中水环泵的作用是造成罗茨泵所需的预备真空，因此要求该水环泵的最大允许排气压力，即是说，一方面要尽量提高水环泵的极限真空，另一方面，也要设法提高罗茨泵的最大允许排气压力。
　　一般情况，单级水环泵极限真空度不高，而目前我国生产的罗茨泵要求的预真空又较高，故实际上不用单级水环泵作为罗茨泵的前级泵，而用能提高极限真空度的双级水环泵作为前级泵使用，采用双级水环泵，还可以提高机组的极限真空度。
　　一台罗茨泵的极限真空度是较低的，特别是当它与水环泵组合运行时，使用范围受到限制，整个机组的极限真空度可能更低，但若用两台罗茨泵串联再与水环泵组合，就能大大提高机组的极限真空度。
　　故在这种类型里通常见到的是两台罗茨泵串联后再用双级水环泵作前级泵（图1）组成机组。
　　（2）罗茨泵－水环泵－大气泵机组：即使采用双级水环泵，极限真空度的提高也只是在一定的范围之内，这是因为受到水的饱和蒸汽压的限制。水环泵的理论极限压力就是水的饱和蒸汽压。如果考虑气体返流等因素的影响，实际上水环泵的极限压力显著比该水温上的饱和蒸汽压力为高。为了提高前级泵的极限真空度，还可以使水环泵与大气泵组合使用。
  
见图2。这样，串联一级大气泵后的极限真空度可达20~30Torr,如果水环泵与二级大气泵组合，则极限真空可达2~10Torr。
　　（3）罗茨泵－水环泵并联机械真空泵：此机组主要用于需要处理大量水蒸汽，且极限真空度要求较高的抽真空系统，例如在真空干燥方面。
　　要求处理大量水蒸汽的真空系统中，使用水环泵是较合适的，但由于其极限真空度不高，致使整个机组的极限真空度较低。虽然在要求真空度较高的抽真空系统中，需要极限真空较高的机械真空泵作为前级泵使用。但由于水环泵的耗电量大，效率很低，噪声高，在需要长时间的真空干燥系统中，用水环泵作为罗茨泵前级泵很不经济。
　　在上述情况下，可将气镇机械真空泵与水环泵并联，作为罗茨泵的前级泵。真空干燥时，先用水环泵进行预抽，直至水蒸汽大量减少时，再开动气镇机械真空泵，切断水环泵。如需要较长时间才能完成干燥的场合，所需冷却水和功率都较少，如图3所示。

　　罗茨泵－水环泵机组的运行　　

　　（1）机组前装冷凝器
　　为了尽量使机组的体积小些，可设法使待抽的蒸汽在进入泵机组之前冷凝，这样剩下来的就是非可凝性气体和微量残余蒸汽。气体降温后在相同压力下体积也减小。所以冷凝后所需抽气量减小，相应地泵也可以选得小一些。
　　采用哪种方式较经济？应视其具体情况而定，举例说明如下：
　　冷凝蒸汽有两种方式：一种是安装一台冷却装置，另一种是在机组的高压级中装一台冷凝器，以便能用普通的水冷却。
　　其系统需要每小时抽除50kg的水蒸汽量，在吸入压力为1Torr时的容积流量为50000m3/h。
　　1)要抽吸上述的水蒸汽量，需要三个罗茨泵串联，并用一台水环泵作前级组成的机组，该机组的总功率90kW。
　　2）为了使蒸汽在到达真空泵之前冷凝，就要在位于A处装一个冷凝器和一个功率为30000kcal/h的冷却装置，如图4所示。在1Torr的吸入压力下，水蒸汽的冷凝温度均为-19℃，为了能保证连续工作，应取冷凝装置的冷凝温度为-25℃，且并联安装2台冷凝器。根据非冷凝气体的组成部分计算得，真空泵的抽气量就可以降低到1000~2000m3/h，总机组（包括冷凝器的消耗功率）的功率同样是90kW。
　　3）先用罗茨泵抽出水蒸汽，并在45Torr压力下进行冷凝，该压力下有的冷凝温度约为36℃，于是可使冷凝器的冷凝温度保持在30~35℃之间，可用普通冷却水冷却。冷凝器设在B处。这时总功率的消耗为75kW左右。
　　通过上述三组方式的比较可知，第三种方案最好，可减少15kW的动力消耗。
　　综上所述，水蒸汽冷却后只剩下非可凝性气体。在压力很低时，水蒸汽的比容相当大，这些可凝性蒸汽冷凝后，泵所需要的抽气量显然就大为降低了。另外，不论蒸汽是否冷凝，在同样压力下只要气体温度降低，其容积流量就会减少。例如化工流程中200~300℃温度的气体并不少见。若从300℃冷却到50℃之后，干燥空气的容积减少45%左右，这样就可以选择较小容量的抽气真空泵机组装置。
　　（2）机组的操作顺序：
　　1）机组中无旁通阀时，应先开动水环泵，被抽系统中的气体由罗茨泵（气体推动罗茨泵转子自行转动，如同流量计一般）进入水环泵后再排至大气，待水环泵的吸入压力（如串联有大气泵，则为大气泵的吸入压力）达到罗茨泵的起初规定值时（即允许排气压力），始启动罗茨泵，机组正式运转，开始工作。
　　2）机组中有旁通阀时，如图5所示，先启动水环泵，接着开动罗茨泵，此时，罗茨泵进排气压差较大，旁通阀自动开启，被抽容器中的气体一部分经过旁通阀进入水环泵，另一部分在罗茨泵的作用下通过该泵也进入水环泵，显然抽气速率增加，这样很快达到罗茨泵的预真空，进排气压差较小，阀门自动关闭（或人工关闭），机组正式工作。这种方法能大大缩短预抽时间，但设备较复杂。
　　（3）机组－罗茨泵－前级泵性能关系
　　机组的性能与罗茨泵的性能密切相关，而罗茨泵的性能又随前级泵的不同而有所不同。
　　1）由于罗茨泵的转子与转子之间、转子与壳体之间存在着间隙，因此有返流存在，而这种返流受进口压力和出口压力的影响，即使是同一台罗茨泵，使用不同的前级泵时，其抽气速率也会有所不同。
　　罗茨泵的抽气速率可由下式确定：
　　 δ＝δ0(P2/P1/K)
　　式中：δ0－设计的抽气速率；
　　　　　P1－进口压力；
　　　　　P2－出口压力；
　　　　　K－固有常数，由该泵转子的形状、间隙量、转子圆周速度和出口压力来确定。
　　由上式可知，抽气量受到出口压力与进口压力之比的影响，亦即若增加前级泵的抽气速率，那么罗茨泵的抽气速率也会增大。
　　（2）极限压力由泵的抽气速率，各间隙的返流量，泵体泄漏量及高真空侧的放气量所决定。即：
　　　P0＝(Q1+Q2+Q3)/δ　　　式中：P0－极限压力；
　　　　　 δ－抽气速率；
　　　　　 Q1－返流量；
　　　　　 Q2－泄漏量；
　　　　　 Q3－放气量。
　　在这些参数中，Q1受排气压力即前级泵的极限压力的影响很大，在用水环泵作前级泵时，罗茨泵的极限压力随水环的饱和蒸汽压的不同而不同。
　　图6是用同一台罗茨泵配不同的前级泵时的性能比较。

　　从图可见，前级泵的极限真空度愈高时，机组的极限真空度也随之增高；两级罗茨泵串联使用，则能提高机组的极限真空度（实质上就是前一个罗茨泵为后一个罗茨泵的前级泵），且性能曲线平缓扩大，也即使用的范围扩大（由曲线1与2，曲线3与5的比较而得）。机组1、2的曲线大致相同。同样，机组3、4、5的曲线也有相同之处。然而1、2机组曲线和3、4、5机组曲线却是完全不同的两组曲线。这说明对于同一罗茨泵而言，选用不同的前级泵时，其机组的性能曲线有本质的差异。由此可见，前级泵对机组性能有相当大的影响。
　　（4）水环泵的选择
　　所谓水环泵就是用水作为液环的液环泵，用水作液环有很多优点，如价廉、易得、不会污染环境等。但也有一个很大缺点，由于水的饱和蒸汽压高，使得水环泵的吸入压力也高。这时如改用饱和蒸汽压低的液体作为液环，则可提高泵的极限真空度。如果某机组中罗茨泵最大允许的排气压力为10Torr，则用水作液环时还须加大气泵才能作为该罗茨泵的前级泵，若改用矿物油作液环则不加大气泵即可作为前级泵，这样可以简化装置。
　　（5）机组性能与罗茨泵允许排出压力
　　机组的性能在很大程度上取决于罗茨泵的允许排出压力。这种允许值越低，水环泵作为前级泵的可能性就越小。如果罗茨泵这种允许值为1~10Torr，而不论单、多级的水环泵极限压力大大高于这个数值，因此就不可能单独与这种罗茨泵组合使用，而需要加二级大气泵。如果罗茨泵排出压力允许值在100Torr以上，则前级的水环泵也可以作为罗茨泵的前级泵的前级泵，这就大大地扩充了前级泵的应用范围。
　　（6）应用实例
　　某化纤产品的生产过程为：低分子－高分子－制成带状－切片－干燥（运用罗茨泵－水环泵机组进行真空干燥）－抽丝－牵伸、加热－纺织－成品。
　　其中一个重要的工序是将5×5×5(mm)大小的切片进行干燥，以便进行抽丝，抽丝过程中理想的状况是使水份含量为零，实际上由于不能达到这一目的，故要求水份含量不大于0.02%，如果水份超过这一要求，要高温高压下抽丝，会使高分子分解，影响产品的强度。
　　在干燥这一工序中所应用的罗茨泵－水环泵机组的抽真空系统装置如图7所示。机组中各泵的技术参数如下表。
名 称        抽 气 速 率
(m3/h)        转子直径
(mm)         转 速
(r/min)        配用功率
(kW)
罗茨泵1        400        160        1450        2.2
罗茨泵2        200        102        2900        1.3
双级水环泵        100        前级叶轮为后级之半        1450        5.5