水环真空泵发热量的测定

崔觉剑　赵建明（杭州原正化学工程技术装备有限公司)



水环真空泵发热量的测定

崔觉剑*赵建明
（杭州原正化学工程技术装备有限公司)

摘要以2BV6110型水环真空泵为研究对象，探讨了以水环真空泵作压缩机时，不同进出口压力条件下水环真空泵的发热量。研究结果表明，不同的进出口压力对水环真空泵的发热量有不同的影响。当泵进口压力为常压、出口压力为10 kPa和30 kPa时，泵的发热量都为泵总功率的23.27%；当泵进口压力为-7 kPa、出口压力为30 kPa时，泵的发热量为泵总功率的34.73%。

关键词水环真空泵压缩机压力发热量换热器气体流量

*崔觉剑，男，1981年生，硕士，工程师。杭州市，310014。

0　前言

水环真空泵，因其具有结构简单、使用维修方便、无摩擦面、气体等温压缩以及适合抽吸输送、压缩易燃易爆气体等特点，而得到广泛的应用[1]。水环真空泵工作时，工作介质接受来自叶轮的机械能，并将其转换为自身的动能，然后液体动能再转换为液体的压力能，并对气体进行压缩做功，从而将液体能量转换为气体的能量[2]。气体在压缩过程中会产生压缩热，因此工作介质的温度会慢慢升高而汽化，真空泵因抽吸自身工作介质汽化产生的气体，挤占了真空泵抽气量，造成真空泵运行效率下降，甚至无法满足工艺要求[3- 4]。同时，工作介质汽化会造成水环真空泵叶轮气蚀，长时间运行后造成设备损坏。

考虑到上述问题，水环真空泵在实际使用时，需要对工作介质进行冷却，以降低工作介质的饱和蒸气压，提高水环真空泵的工作效率。一般的水环真空泵工作介质采用水，水环真空泵排出的水进入大的循环水池或直接排走。这种供水及排水方式连续方便，使用简单，在实际应用中被较多地采用。由于水环真空泵的发热量通过排走的水而直接移走了，因此不用单独设计换热系统，也不需要计算水环真空泵工作时的发热量。

目前，水环真空泵已越来越多地应用于输送有机溶剂和有毒的物质。随着环保意识的增强、清洁生产的推行和降低成本等要求的提高，工作液直排的方式被逐渐淘汰与禁止，水环真空泵必须采用闭路循环系统。这样，泵工作时的发热量就需要设置单独的换热器来移走。换热器设计时需要采用真空泵工作时的发热量数据。目前，真空泵工作时的发热量数据鲜有报道，换热器的设计大都依靠经验进行，存在较大的误差。

针对以上问题，本文对某公司的水环真空泵装置在正式投入运行前进行了不同工况下的发热量测定，并对水环真空泵的可传热量进行了核算。这对正式投产运行时设备的正常使用具有重要的意义。

1　实验

1.1水环真空泵原理

水环真空泵结构如图1所示。当叶轮旋转时，工作介质被叶轮抛向四周，由于离心力的作用，工作介质形成了一个决定于泵腔形状的近似于等厚度的封闭圆环。液环的上部分内表面恰好与叶轮轮毂相切，液环的下部内表面刚好与叶片顶端接触（实际上叶片在液环内有一定的插入深度）。此时叶轮轮毂与液环之间形成一个月牙形空间，而这一空间又被叶轮分成与叶片数目相等的若干个小腔。如果以叶轮的上部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。随着叶轮稳定转动，吸排气过程连续不断地进行，因此可以连续不断地抽吸或压缩气体。1.2实验水环真空泵参数和实验装置

图1　水环真空泵结构

实验水环真空泵由淄博真空泵厂有限公司制造，型号为2BV6110，最大抽气量为165 m3/h，功率5.5 kW，电机转速960 r/min，极限真空度为-0.098 MPa。

实验装置如图2所示，主要由进气缓冲罐、水环真空泵、带冷却功能的气液分离罐、工作液控温系统、工作液液位控制系统、水环泵出口气相压力表、气体流量计及相关的管道和阀门构成，所有仪表数据可在DCS系统中自动记录并保存。根据工艺要求，工作介质选用低于循环水温度的低沸点物料，因此换热介质采用冷冻盐水。采用冷冻盐水可以增大传热温差，减少换热面积的布置，且真空泵电机功率相对来说不大，因此真空系统没有单独设置换热器，而是在气液分离罐中设置内盘管，将换热器与气液分离罐组合在一起，既简化了流程，也减少了设备占地面积。

图2　实验装置

1.3发热量测定方法

实验中采用水作为工作介质、空气作为工艺气体。气液分离罐中的盘管不通冷冻盐水，气液分离罐中的压力通过手动控制，即通过气液分离罐与气体流量计之间的手动阀门实现控制。实验时，往气液分离罐内加入一定液位的水作为工作介质，打开相关管路的阀门，启动水环真空泵，同时记录时间、气体流量、气液分离罐中的液位、气液分离罐中的温度、气液分离罐中的压力。发热量Q发由下式计算：

式中Q发——水环真空泵发热量，kW；

cp——水在工作温度下的比热容，kJ/(kg·K)；

m水——气液分离罐中水的质量，kg；

ΔT——气液分离罐中水的温升，K；

Δt——实验测试时间，s。

2　结果讨论

2.1进口常压、出口压力10 kPa时发热量

不同的出口压力表示了水环真空泵压缩负荷的变化。首先考察了流量计后面法兰脱开、空气进口为常压时的发热量，即压缩后的气体不进入后续工艺装置，直接排空。此时，压缩机的负荷为最小负荷。实验测定结果见表1。

表1　进口常压、出口压力10 kPa时发热量

以表1的数据作图并线性拟合得到图3。由图3可见，气液分离器内的温度上升与时间成线性关系，线性相关度达到0.994。实际生产中，水环真空泵的出口压力大于10 kPa，且认为温度与时间成正比关系。本次实验只测定了15 min内的温度变化。

图3　进口常压、出口压力10 kPa时数据拟合图

结合表1和式（1），可计算出进口压力为常压、出口压力为10 kPa时的发热量Q发：

Q发占泵总功率的23.27%。上式中取气液分离 罐中水的质量为344 kg，这是根据气液分离罐直径800 mm、封头线以上水位52.7 cm计算得到的。

2.2进口常压、出口压力30 kPa时发热量

把流量计安装在与后续工艺装置相连接的法兰上，给后续工艺装置中的设备加上水，空气进口依然保持常压。模拟实际生产中水环真空泵后面的压力负荷。实验测定结果见表2。

表2　进口常压、出口压力30 kPa时发热量

以表2的数据作图并线性拟合得到图4。由图4可见，气液分离器内的温度上升与时间成线性关系，线性相关度达到0.991。实际生产中，水环真空泵的进口压力有微负压，并且认为温度与时间成正比关系。本次实验只测定了15 min内的温度变化。

图4　进口常压、出口压力30 kPa时数据拟合图

结合表2和式（1），可计算出进口压力为常压、出口压力为30 kPa时的发热量Q发：

Q发占泵总功率的23.27%。此出口压力下的发热量与出口压力为10 kPa时一样，说明当进口压力相同时，出口压力的小幅波动对水环真空泵的发热量变化影响较小。

2.3进口压力-7 kPa、出口压力30 kPa时发热量在实际生产中，气相在进入泵之前会经过一个

鼓泡设备。在鼓泡设备中加入水，水封的存在使泵

进口处形成-7 kPa的微负压，因此本实验是在微负压条件下进行的。此时压缩机的负荷为实际生产中的负荷。发热量数据可直接用来校核换热面积设计的正确性，因此测定时间较长。实验测定结果见表3。

表3　进口压力-7 kPa、出口压力30 kPa时发热量

以表3的数据作图并线性拟合得到图5。由图5可见，气液分离器内的温度上升与时间成线性关系，线性相关度达到0.997。这可能是本实验测定数据较多，减少了实验中存在的误差，因此线性相关系数更加接近于1，实验数据更加可信。

图5　进口压力-7 kPa、出口压力30 kPa时数据拟合图

结合表3和式（1），可计算出进口压力为-7 kPa、出口压力为30 kPa时的发热量Q发：

Q发占泵总功率的34.73%，此工况下发热量明显大于前两种工况，说明水环真空泵发热量对于泵进口处的压力敏感度更高，而对于泵出口处的压力敏感度低。

2.4气液分离罐可传热量校核

根据实验数据对气液分离罐内的盘管换热面积进行校核，以便在正式投料生产前及时发现问题，对设备可能存在的问题及时进行整改，以免影响后面的正式生产。

实际气液分离罐的盘管设置、操作条件及可传热量如表4所示。由表4数据经计算可知，实际可传热量为2.58 kW，大于水环真空泵工作时的发热量1.91 kW，因此盘管的设置能够满足以后生产的要求。

表4　气液分离罐操作参数

3　结论

本文以2BV6110型水环真空泵为研究对象，对实际生产中的水环真空泵在不同的操作条件下的发热量进行了实验测定。当进口压力为常压、出口压力分别为10 kPa和30 kPa时，水环真空泵的发热量相同；当出口压力为30 kPa、进口压力为-7 kPa时，水环真空泵的发热量明显上升。这说明，对于进口压力变化和出口压力变化这两种情况，水环真空泵的发热量敏感程度前者明显大于后者。

根据实际工况下所测定的水环真空泵发热量，对气液分离罐内的可传热量进行了校核。计算表明，实际设置的盘管换热面积满足生产要求。三种工况下测定的发热量数据对类似的工业应用有一定的参考价值。

参考文献

[1]徐法俭，雷春栋，刘宝新，等.水环真空泵能效评价方法研究[J] .真空科学与技术学报，2011，31（4）：449-452.

[2]马岩昕，程文来，孙永峰，等.水环真空泵工作液冷却器冷却水系统的改造[J] .黑龙江电力，2012，34 (4)：309-311.

[3]张建军.水环真空泵冷却水改造后节能效果[J] .内蒙古科技与经济，2011，236（10）：118，120.

[4]赵劲松，顾崇廉，荆晶.水环真空泵最大工作水温的确定方法[J] .热力发电, 2010，39（1）：21-24.

化工机泵

Measurement of Heat Productivity of Water-ring Vacuum Pump

Cui Juejian Zhao Jianming

Abstract：The heat productivity of the 2BV6110 water-ring vacuum pump under different inlet and outlet pressures are discussed.The results show that the heat productivity of the water-ring vacuum pump varies with different inlet and outlet pressures.The heat productivity accounts for 23.27% of the total power of the pump when the inlet pressure is atmosphere and the outlet pressure is 10 kPa or 30 kPa.Otherwise, the heat productivity accounts for 34.73% of the total power when the inlet pressure is -7 kPa and the outlet pressure is 30 kPa.

Key words：Water-ring vacuum pump; Compressor; Pressure; Heat productivity; Heat exchanger; Gas flow

(收稿日期：2015-04-17)

中图分类号TQ 051.21

DOI：10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.02.010