自冷屏蔽泵与水冷屏蔽泵高温工况下综合性能的对比分析

宋忠娟（福建新五环工程设计院有限公司上海分公司,上海 201101）

自冷屏蔽泵与水冷屏蔽泵高温工况下综合性能的对比分析

宋忠娟
（福建新五环工程设计院有限公司上海分公司,上海 201101）

摘 要：社会公众环保意识的增强促使泵向绝对无泄漏的要求发展，屏蔽泵由于具有无泄漏、结构紧凑、噪声低、占地少等优点迅速在高温化工领域得到广泛应用。屏蔽泵根据原理可以分为水冷屏蔽泵和自冷屏蔽泵。目前，水冷屏蔽泵较为成熟，而自冷屏蔽泵处于市场推广阶段，综合评估方法和指标缺乏。基于自冷屏蔽泵和水冷屏蔽泵的原理及其特点，从冷却结构、能源消耗和安全可靠性等三个维度构建综合性能评价体系，对自冷屏蔽泵和水冷屏蔽泵进行对比分析。研究表明，自冷屏蔽泵具有结构简单、能耗低和安全可靠性能优异等特征，综合性能远超水冷屏蔽泵。

关键词：屏蔽泵；高温；水冷；自冷；对比分析

随着社会大众环保意识的增强和我国新环保法的出台，社会各界对工业产品的安全、环保要求越来越高，迫使泵在特定场合的使用达到绝对无泄漏的要求。社会的需求直接促进了屏蔽泵技术的迅速发展。屏蔽泵具有无泄漏、结构紧凑、噪声低、占地少等优点，具有良好的环保性能和干净的工作环境，全面满足社会大众对于环保的要求，正日益广泛应用于化工行业高温工况等有特殊要求的领域，市场发展前景广阔。

根据工作原理的不同，可以将输送高温型液体的屏蔽泵分为两种：水冷屏蔽泵和自冷屏蔽泵。目前水冷高温型屏蔽泵已经得到了广泛的应用，而自冷屏蔽泵仍处于市场推广阶段，其工作原理不清晰，性能评价指标有待开发。为解决上述问题，本文首先基于水冷屏蔽泵的原理提出自冷屏蔽泵的工作原理，其次从冷却结构、能源消耗和安全性等三个维度构建综合性能的评价体系，最后根据构建的评价体系对自冷屏蔽泵和水冷屏蔽泵进行对比分析。

1　水冷屏蔽泵与自冷屏蔽泵原理

根据屏蔽泵的冷却方式，目前输送高温型液体的屏蔽泵主要分为水冷屏蔽泵和自冷屏蔽泵。目前，传统水冷高温型屏蔽泵已经得到了广泛的应用，而自冷屏蔽泵仍处于研制和应用推广阶段。自冷屏蔽泵由于没有冷却损耗，热量无流失，更加安全节能等优点也开始广泛应用起来。

1.1 水冷屏蔽泵结构特点

水冷屏蔽泵是将泵和驱动电机都被封闭在一个被泵送介质充满压力的容器内，此压力容器只有静密封，屏蔽电泵的转子和定子各含有一个屏蔽套，电机绕组完全封闭，输送的介质可以进入电机内部，但介质被屏蔽套隔开，不会进入定、转子以及铁心。泵体与叶轮构成高温腔，电机的转子腔与热交换器等构成低温腔，两腔的液体相同但温度不同，两腔内的液体流动是独立的，低温腔靠副叶轮进行循环，如图1所示为德国海密梯克公司生产的CNK型水冷屏蔽泵产品。

本研究认为水冷循环屏蔽泵主要具有以下两个特点：

（1）采用独立的高低温腔体设计，高温腔输送需传送的介质，低温腔输送冷却液体。

（2）需有水冷屏蔽套以隔离电机的转子。

1.2 自冷屏蔽泵原理及特点

无水冷高温屏蔽泵因不采用水冷方式，高温液体直接进入空腔，故不需要水冷屏蔽套。自冷屏蔽泵的结构相对水冷屏蔽泵的结构也更为简单，占地面积小，如图2所示为德国海密梯克公司生产的CN型无水冷屏蔽泵产品,其定子绕组要采用超耐热材料。

相比水冷型屏蔽泵而言，本研究认为自冷循环屏蔽泵主要具有以下两个特点：

（1）不需有水冷屏蔽套以隔离电机的转子，占地面积小，结构和维护更加简单；

（2）由于无水冷系统，电机的定子绕组的耐热性要求更高。

2　水冷屏蔽泵与自冷屏蔽泵高温工况下的对比分析

在研究水冷屏蔽泵和自冷屏蔽泵的基本原理和分析两者特点的基础上，本研究将从水冷高温型屏蔽泵和自冷高温屏蔽泵的结构组成、能源消耗和应用选型三个方面进行对比和分析。

2.1 结构组成对比

水冷高温型屏蔽泵和自冷高温型屏蔽泵的结构组成主要有以下两个方面的不同：

2.1.1 组成结构

水冷高温型屏蔽泵具有单独的冷却供水系统，因而需具有水泵、水流管路、水流阀门、水流计量等供水设备，水冷高温型屏蔽泵的结构较为复杂，屏蔽性要求更高。而自冷高温型屏蔽泵相比水冷屏蔽泵取消了单独的冷却供水系统，结构更为简单。

2.1.2 仪表配置方面

（1）对于水冷屏蔽泵，由于考虑冷却系统故障等问题，在电机冷却循环液中增加一个温度传感器，可设置高温报警，及早发现冷却系统在那个地方出现故障。另外为保护电机，也会在电机的定子绕组处增加温度传感器，设置高温报警，要检查泵电流、线圈温度、振动、流量、扬程等参数，根据情况决定是否停泵。每台泵带轴承磨损显示，配置为最先进的轴承磨损监视器，可以检测轴承径向、轴向磨损等，同时标准配置为现场显示，内置芯片可以DCS连接，4-20ma电流输出信号。

（2）对于自冷屏蔽泵，由于电机绕组采用耐高温材料，所以电机冷却循环液来自于泵入口的高温流体，该温度通常是稳定的，所以在循环液内不需要再设置一个温度传感器，而只需在电机的定子绕组处设置一个温度传感器。根据需要同时配置轴承磨损监视器用于监测轴承磨损问题。

2.1.3 材料

水冷高温型屏蔽泵具有单独的冷却供水系统，对电机定子绕组的耐热性要求较为宽松，毕竟经过换热器冷却后的流体在100℃以内，该水冷屏蔽电机的定子绕组耐温都可设计在200℃左右，材料不需要特别耐热。而自冷屏蔽泵由于取消了独立的冷却系统，采用高温流体来冷却电机，对定子绕组的耐温要求及其苛刻，现在各厂家屏蔽泵的自冷屏蔽泵定子绕组的耐温可达到500℃左右，可见自冷屏蔽泵相对水冷屏蔽泵而言，所使用材料的种类更多，对材料的耐热性要求更高，技术更为复杂。由以上对比分析，不难看出自冷高温型屏蔽泵的结构比水冷高温型屏蔽泵的结构更为简单，但对定子绕组耐温材料的要求更高。

2.2 能源消耗对比

2.2.1 水冷系统能耗损失

水冷屏蔽泵采用流动水作为冷却液体来冷却泵体和电机，输送液体的热量会经冷却水流失一部分，且冷却水泵工作需要电消耗。研究表明，同等功率的水冷屏蔽泵因拥有独立的水冷系统，其能源消耗要比没有水冷系统的自冷屏蔽泵要多出10.5%左右。

2.2.2 屏蔽电机的能耗损失

由于自冷高温屏蔽泵的电机绕组完全封闭，在输送高温液体时，定转子绕组电阻系数响应增大，从而加大了定转子铜耗，具体如图3所示。研究表明，按照功率加权法计算，水冷型屏蔽泵的效率要比自冷型屏蔽泵效率要高约7%左右。

综合以上两点，水冷高温型屏蔽泵比自冷高温型屏蔽泵的平均能源消耗要高约3.5%左右，以额定功率为2.2kW的屏蔽泵为例，以屏蔽泵平均每年连续工作8000h计算，单台水冷高温型屏蔽泵比自冷高温型屏蔽泵每年要多消耗约2.2kw×3.5%×8000h=616kW.h。总之，自冷高温型屏蔽泵相比水冷高温型屏蔽泵更为节约能源。

2.3 安全可靠性对比

在高温工况，水冷屏蔽泵和自冷屏蔽泵在安全性方面是有差异的，主要表现在：

首先，采用水冷屏蔽泵，根据常规设计，在本顶部设有一个壳管式换热器，万一高温流体通过换热器管侧渗入壳侧，热油进入水中，水会立即蒸发发生爆炸，十分危险。如果输送高温屏蔽泵的屏蔽泵采用水冷，壳管式换热器一定要做氦检，保证换热器无泄漏；

其次，采用自冷屏蔽泵，不用采用壳管式换热器，电机采用高温流体来冷却，电机定子绕组采用超耐温材料设计，在安全性能方面大大提高了；

最后，由于自冷屏蔽泵结构简单，减少故障率，提高了运行的可靠性。很多国外业主在高温工况，在满足温度和功率有可选的情况下，都会优选自冷性屏蔽泵，毕竟采用水冷屏蔽泵，换热器是一个隐患点，毕竟安全性和可靠性是所有设备选型的优先考虑要素。

3　结论

自冷屏蔽泵高温泵型由于定子绕组材料耐高温及设计等要素，其使用存在一定的局限性：只适用于高温流体于不超过500℃，电机功率不超过100kw的高温工况，但是自冷屏蔽泵因其结构简单、能耗小、噪声低、维护简单等优点逐渐成为屏蔽泵的未来发展趋势，具有广阔的应用前景。本文在水冷屏蔽泵的原理基础上提出水冷屏蔽泵的工作原理，从结构组成、能源消耗和安全性等三个维度构建了综合评价体系，对比分析了水冷屏蔽泵和自冷屏蔽泵的各自优缺点，依据评估结果得出自冷屏蔽泵优于水冷屏蔽泵的结论，本文的研究对屏蔽泵的使用者和研究者具有重要的参考价值，对自冷屏蔽泵的推广应用具有理论的借鉴意义。

参考文献：

[1]王文廷.低温屏蔽泵技术[J].低温工程,2010(02).

[2]褚佳明，张春玉.节能产品—无水冷高温屏蔽泵[J].防爆电机,2005(05).

[3]王利伟.屏蔽泵的能耗分析[J].化工时刊,2010(09).

作者简介：宋忠娟，女，江苏连云港人，工程师，主要从事：化工机械设备设计。