容積真空泵水蒸氣容限的測量和研究

　　本文討論了容積真空泵工作中解決水蒸氣在泵內凝結的方法，如熱泵技術(shù)、滑閥水環(huán)泵組合結構和氣鎮原理等。提出了相對于國際標準更完整、更確切的水蒸氣容限和水蒸氣抽出量的定義，論述了水蒸氣容限測量方法的研究和進(jìn)展，水蒸氣容限的測量原理、測量程序以及測量評估。

　　在許多場(chǎng)合，容積真空泵所抽的氣體中，或多或少含有水蒸氣，有的工況下水蒸氣還很多。如果不作任何處理，水蒸氣被壓縮后在排氣閥打開(kāi)前，就會(huì )在泵內凝結并與泵油混合，在吸氣腔內再次蒸發(fā)，不但會(huì )嚴重影響泵的性能，如真空度和抽速，還可能對泵產(chǎn)生腐蝕。

1、解決水蒸氣凝結的方法

　　在抽除含有水蒸氣的氣體時(shí)，為了避免水蒸氣在泵內凝結，有多種方法可以采用：一種方法是采用熱泵結構，也就是在油箱內設置油加熱器，使泵始終工作在100℃~105℃的高溫下，其特點(diǎn)是它可以工作在任何入口壓力下而不會(huì )在泵內發(fā)生凝結，使用效果非常好。它的不足之處是需要采用耐高溫的泵油，而且在加熱器周?chē)鷷?huì )產(chǎn)生局部過(guò)熱區，因此必須用油泵使泵油快速通過(guò)，否則即使是耐高溫的泵油也會(huì )局部產(chǎn)生結焦，時(shí)間長(cháng)了將嚴重影響泵的正常工作。此外高溫油長(cháng)期工作在高溫下，加速了油的氧化裂解，需要定期換油。

　　另一種方法是采用蒸氣處理系統，它通常由滑閥泵(旋片泵)與水環(huán)泵組成，水環(huán)泵使滑閥泵上方的油箱內處于真空狀態(tài)下，它的壓力低于泵溫下水的飽和蒸氣壓，使水蒸氣不會(huì )在泵內和油箱內凝結，使用效果也非常好。蒸氣處理系統有一個(gè)最大容許入口壓力，它與泵溫有關(guān)，泵溫愈高，容許入口壓力也越高；也與滑閥泵(旋片泵)與水環(huán)泵的配比有關(guān)，配比小，容許入口壓力就高。但該系統必須解決滑閥泵(旋片泵)的進(jìn)油問(wèn)題，因為它的油箱內處于真空狀態(tài)下，所以所選擇油泵的吸入真空必須高于油箱內的真空度。根據我們的經(jīng)驗，常用的內嚙合擺線(xiàn)油泵、油環(huán)泵和旋渦油泵，都滿(mǎn)足不了上述要求。只有外嚙合的齒輪油泵，它的吸入真空可達3×103 Pa，才能滿(mǎn)足需要。

　　最常用最簡(jiǎn)單的方法是采用氣鎮，將定量的非可凝性氣體通過(guò)氣鎮通道引入泵的壓縮腔內，使水蒸氣在未壓縮凝結成水以前就排出泵外，氣鎮通道可用閥門(mén)控制。氣鎮量為泵抽速的(5~10)%，雙級泵取小值，單級泵取大值。本文就氣鎮泵抽除水蒸氣能力的測量方法進(jìn)行討論和研究。

2、水蒸氣容限的定義

　　氣鎮的定義是：將適量的非可凝性氣體(鎮氣)引入到壓縮腔內，使泵內避免或減少在壓縮腔中產(chǎn)生冷凝液的一種方法。測量氣鎮泵抽除水蒸氣能力的方法有二種，一是測量水蒸氣容限，二是測量水蒸氣抽出量，最方便的是測量水蒸氣容限，而水蒸氣抽出量則可以通過(guò)測量所得的水蒸氣容限來(lái)計算。

　　在DIN 28426-1：1983 《旋轉真空泵驗收規則》中，水蒸氣容限被稱(chēng)作水蒸氣允許壓力，它的定義為：氣鎮真空泵在正常環(huán)境條件(20℃和1013 mbar)下連續運轉能抽排水蒸氣的最高入口壓力。而在ISO 21360-2：2012《真空泵性能測量標準方法第2 部分：容積真空泵》中，水蒸氣容限的定義為：在真空泵內未冷凝，可由真空泵傳輸的水蒸氣壓力的最大值。

　　我們認為這二種定義都不夠完整，DIN28426-1：1983 中沒(méi)有規定“運轉時(shí)泵內不發(fā)生冷凝”，如試驗中泵內發(fā)生了冷凝，測量就完全失去了意義。在ISO 21360-2：2012 中缺少了“標準環(huán)境條件下”的規定，大氣壓對泵的排氣壓力會(huì )產(chǎn)生影響，而如環(huán)境溫度過(guò)低，將使水蒸氣容限過(guò)低，甚至會(huì )導致兩曲線(xiàn)(修正的排氣溫度~ 入口壓力曲線(xiàn)與排氣飽和溫度~ 入口壓力曲線(xiàn))不相交，從而無(wú)法確定水蒸氣容限；環(huán)境溫度過(guò)高，會(huì )使水蒸氣容限偏高，脫離實(shí)際運行條件。

　　我們認為完整而確切的水蒸氣容限定義應為：標準環(huán)境條件(293 K，101325 Pa)下，連續運轉時(shí)泵內不發(fā)生冷凝，所能抽除的水蒸氣的最高入口壓力。同樣，水蒸氣抽出量我們也給出了新的定義：標準環(huán)境條件(293 K，101325 Pa)下，連續運轉時(shí)泵內不發(fā)生冷凝，單位時(shí)間內所能抽除的最大水蒸氣的質(zhì)量。

3、水蒸氣容限測量方法的研究進(jìn)展

　　水蒸氣容限是容積真空泵一個(gè)非常重要的性能指標，而如何測量泵抽除水蒸氣的能力是一個(gè)非常關(guān)鍵的問(wèn)題。PNEUROP 早在1967 年版的“真空泵驗收規則第1 部分變容真空泵”中就有水蒸氣容限的測量方法，1979 年再版時(shí)糾正了漏排字句。

　　1976 年德國DIN 標準真空技術(shù)專(zhuān)業(yè)標準委員會(huì )對其中的“水蒸氣抽出量”公式作了修改，將它作為德國標準(DIN 28426-1：1976)出版，1983年又進(jìn)行了修訂。

　　ISO 21360-2：2012 對DIN 28426-1：1983 中的“水蒸氣允許壓力的測量”方法作了重大修改，將原來(lái)以排氣溫度~ 入口壓力曲線(xiàn)與B/S 曲線(xiàn)簇的交點(diǎn)來(lái)確定“水蒸氣允許壓力”，改變?yōu)橐耘艢鉁囟葉 入口壓力曲線(xiàn)與排氣飽和溫度~ 入口壓力曲線(xiàn)的交點(diǎn)來(lái)確定，名稱(chēng)也改稱(chēng)為“水蒸氣容限”。

　　我們行業(yè)在此問(wèn)題上一直沒(méi)有引起足夠重視，僅在《JB/T 6533—2005 旋片真空泵》的附錄中附有“最大允許水蒸氣入口壓力和水蒸氣允許量的測量”方法，并沒(méi)有將它作為一個(gè)泵的主要性能指標來(lái)考核。國外大多數容積真空泵的性能數據中都有“水蒸氣容限”或者“水蒸氣抽出量”，而我們行業(yè)的容積真空泵中則幾乎沒(méi)有此類(lèi)數據，即使有也只是引用國外數據，沒(méi)有進(jìn)行過(guò)測試和考核。

　　我們在接觸制藥行業(yè)和電力電容器行業(yè)時(shí)，已經(jīng)遇到滑閥泵抽水蒸氣的問(wèn)題，因此早在1966年就對容積真空泵抽除水蒸氣的能力進(jìn)行過(guò)試探性研究，由于沒(méi)有這方面的資料作參考，也沒(méi)有任何經(jīng)驗可借鑒，因此試驗進(jìn)行得非常艱難，但也發(fā)現了一些值得探索和研究的問(wèn)題。1988 年~1990 年我們按照DIN 28426-1：1983 對2H-30和H-150 二種滑閥泵進(jìn)行了水蒸氣容限測量的研究，在多種環(huán)境條件下進(jìn)行了反復試驗，從中得出了一些經(jīng)驗，又發(fā)現一些在執行中必須注意的問(wèn)題�，F在ISO 21360-2：2012 對水蒸氣容限的測量方法作了重大修改，我們在研讀標準文本時(shí)，發(fā)現標準文本還存在一些需要商確的地方，有必要在貫徹執行標準的同時(shí)，更進(jìn)一步深入的研究和探討，同時(shí)制訂出我國的容積真空泵“水蒸氣容限測量”標準。

4、水蒸氣容限的測量原理

　　水蒸氣容限如用水蒸氣直接測量會(huì )很復雜。1966 年我們在對70L/s 滑閥泵做抽純水蒸氣試驗時(shí)，由于條件限制，在沒(méi)有試驗方法(標準)的情況下初次做這種試驗，因此試驗的方案和設想都沒(méi)有考慮周全，對氣鎮的認識也不夠充分，泵內確曾發(fā)生了輕微的冷凝，但沒(méi)有引起足夠的重視，所以從現在的觀(guān)點(diǎn)來(lái)分析，當時(shí)得到的試驗數據是有一定偏差的。

　　后來(lái)我們曾對150 L/s 的滑閥泵做了抽純水蒸氣試驗，也發(fā)現了一些問(wèn)題，一是蒸氣發(fā)生器的問(wèn)題，對大中型泵而言，蒸發(fā)面積要很大，加熱功率也要很大，才能充分滿(mǎn)足蒸氣量的需要；二是蒸發(fā)量(水蒸氣抽出量)只能從蒸發(fā)器的水位變化來(lái)計算，不易準確測量；三是可能會(huì )在泵內引起很難察覺(jué)而不為人們所注意的凝結，從而影響水蒸氣抽除量和水蒸氣容限的測量。

　　從上述試驗可以看出，用水蒸氣直接測量會(huì )使測量過(guò)程異常復雜，諸多因素都影響著(zhù)測量的進(jìn)程，泵內發(fā)生輕微的水蒸氣凝結又往往不易察覺(jué)，等到發(fā)現泵油中有水時(shí)，泵內水蒸氣的凝結已經(jīng)很?chē)乐亓�，因此國際上現行的水蒸氣容限的測量(標準)都用空氣來(lái)取代水蒸氣，再通過(guò)換算來(lái)修正。

　　氣鎮泵抽除水蒸氣須要消耗相對較高的功率，并也引起了泵溫的升高，這將導致產(chǎn)生較高的飽和蒸氣壓，從而可以維持一個(gè)較高的水蒸氣容限。這個(gè)引入泵中的相當的空氣流量所引起的溫升，與入口壓力有關(guān)，可以被用來(lái)測定水蒸氣飽和溫度。由于在泵內的壓縮過(guò)程中并沒(méi)有與環(huán)境之間直接發(fā)生熱交換，因此可以認為是絕熱壓縮。三原子的水蒸氣(k=1.3333)與二原子的空氣分子(k=1.4)有著(zhù)不同的絕熱指數，從壓縮能量公式就可以看出他們有著(zhù)不同的壓縮功，所以必須對因使用空氣來(lái)取代水蒸氣而引起的溫升進(jìn)行修正，也就是對排氣溫度進(jìn)行修正。泵排氣溫度的測量也取決于入口壓力。

5、測量裝置

1. 測試罩；2. 流量計(測量氣鎮流量B)；3. 試驗泵；4. 進(jìn)氣閥；5. 濕度計(測量相對濕度%)；6. 真空計(測量入口壓力p1)；7. 溫度計(測量排氣溫度T2)；8. 壓力表(測量排氣壓力)；9.氣壓表(測量大氣壓力)

圖1 水蒸氣容限的測量裝置

8、測量評估

　　將修正后的排氣溫度~ 入口壓力(T2cr~ p1)曲線(xiàn)與排氣飽和溫度~ 入口壓力(T2s~ p1)曲線(xiàn)，畫(huà)在一個(gè)縱坐標(直線(xiàn)坐標)為溫度、橫坐標(對數坐標) 為壓力的圖表里，T2cr~ p1 曲線(xiàn)與T2s~ p1線(xiàn)交點(diǎn)的橫坐標值就是水蒸氣容限。

9、結束語(yǔ)

　　ISO/FDIS 21360-2：2012 中有幾處需要更正，其一，pa= φH2 O100pS ( T1)公式是錯誤的。在DIN28426-1：1983 有關(guān)水蒸氣分壓的描述中，指出空氣在20℃ 和58%的相對濕度時(shí)，它的水蒸氣分壓pa=13.33 mbar。按上述數據推算，上述公式是不正確的，應該更正為pa=φH2 O pS(T1)，按我們的習慣寫(xiě)法應為pa=φpS ( φ 以%表示)。其二，在表1排氣溫度修正系數Wcr 中，p0/p1 應修改為αp0/p1，因為從能量公式(2)中可以看出，在計算排氣溫度修正系數Wcr 時(shí)， 它是不一致的。其三，ISO21360-2：2012 中，排氣壓力p2 與大氣壓力之間壓差“應是±1 kPa”，是錯誤的，壓差直接反映了排氣管阻力的大小，所以應修改為“應小于1 kPa”。對于水蒸氣容限的測量工作我們只是早一步做了一些工作，作了一些探索，有了一些體會(huì )，在此提出與關(guān)心這項工作的同行們一起研究和探討。