可凝性蒸汽對油封機(jī)械泵性能的影響

2011-09-15 楊乃恒 東北大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院

  在真空干燥、真空浸漬、真空蒸餾及其它一些工藝過程中,由于需要抽除可凝性氣體,使用普通油封機(jī)械泵是很難勝任的。如圖2 所示:在對不同的被抽氣體或蒸汽的壓縮過程中,泵腔內(nèi)的壓力變化情況。假設(shè)泵的排氣壓力,即打開排氣閥的壓力為大氣壓Pa=760(×133 Pa),在圖上折線1- 2- 3 表示非凝結(jié)性氣體(如空氣在等溫壓縮時(shí)壓力的變化規(guī)律由1(×133 Pa)壓縮到760(×133 Pa)的狀況),折線1- 4- 5 為汽油和四氯化碳蒸汽的壓力變化情況;折線1- 6- 7 為酒精蒸汽的壓力變化狀況;折線1- 8- 9 則為水蒸汽在泵腔內(nèi)的壓力變化狀況。

圖2 幾種被抽物質(zhì)在壓縮過程中泵腔內(nèi)壓力的增加與壓縮比的關(guān)系

(1)可凝性蒸汽的凝結(jié)

  在泵的工作溫度(如60℃)下,當(dāng)壓縮過程使泵腔內(nèi)的壓力達(dá)到被抽蒸汽的飽和蒸汽壓力時(shí),因而可凝性蒸汽就產(chǎn)生凝結(jié),這時(shí)泵腔內(nèi)的壓力也就不再增高了(如圖2 上折線的水平部分,即4- 5;6- 7;8- 9)。泵的壓縮比增加促使凝結(jié)液的增加而泵腔內(nèi)的壓力仍然處于飽和蒸汽壓力。一般這些蒸汽在泵工作溫度下其飽和蒸汽壓力都低于大氣壓力760(×133 Pa)。因而在這種情況下,由于凝結(jié)液體和聚積在泵腔內(nèi)的泵油在壓縮排氣時(shí)對排氣閥片會產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊,才打開閥門(即把泵油和液體混合物壓縮到760(×133 Pa)時(shí)才打開排氣閥門)。因液體是非壓縮性流體,壓力突然增加表現(xiàn)出對閥片的激烈的沖擊聲。某些物質(zhì)的飽和蒸汽壓力同溫度的關(guān)系如圖3 所示。

  在對被抽蒸汽的壓縮過程中形成的凝結(jié)液沉積在泵腔內(nèi),同時(shí)又往泵里送進(jìn)泵油,兩者混在一起很快就惡化了油的性質(zhì),具有高蒸汽壓力的凝結(jié)液和泵油一起進(jìn)入抽氣的工作腔內(nèi),很快地就蒸發(fā)了,從而增加了泵所能達(dá)到的極限壓力。

幾種物質(zhì)的飽和蒸汽壓力與溫度的關(guān)系

圖中曲線:1.乙醚;2.二硫化碳;3.丙酮;4.三氯甲烷;5.甲醇;6.四氯化碳;7.汽油;8.乙醇;9.水蒸汽;

圖3 幾種物質(zhì)的飽和蒸汽壓力與溫度的關(guān)系

  實(shí)際工作中最常遇到的是要抽除水蒸汽,它是最容易凝結(jié)的一種蒸汽(如圖3)。水進(jìn)入泵油中會形成一種乳濁液,溶解并活化在泵油中的酸類物質(zhì)。水同鐵質(zhì)(鋼或鑄鐵)相互作用又形成一種氧化鐵的水合物,這種水合物又同酸類物質(zhì)發(fā)生作用形成非溶解性的堿肥皂,而它恰恰是泵油氧化過程的強(qiáng)力催化劑,這一切必定導(dǎo)致極限壓力的增高。泵油膠化并能使泵遭到破壞。同時(shí),由于潤滑條件急劇的惡化亦會引起泵溫的升高。

  我們知道,對于在實(shí)際中所用到的大多數(shù)蒸汽來說,其在室溫下的飽和壓力都是幾個(gè)毫米汞柱,或稍高一些(如圖3),這就是說,這個(gè)壓力只有在油封機(jī)械泵中才能達(dá)到。由此可見,在羅茨泵、分子泵和蒸汽流泵中,蒸汽多半不會凝結(jié)并能順利地通過這些泵。不但如此,就是在工作開始之前,進(jìn)入這些泵的凝結(jié)液在達(dá)到低壓力時(shí)已蒸發(fā)了并且很容易地就可以被抽走。(2)在抽除氣體和蒸汽混合物時(shí),油封機(jī)械泵內(nèi)的壓縮過程。

  設(shè)Pg ———混合氣體中非凝結(jié)性氣體在泵入口處的分壓力;
  Pz———混合氣體中蒸汽在泵入口處的分壓力;
  Ps———在泵工作時(shí)和泵溫(60℃)下蒸汽的飽和壓力;
  Pa———排氣壓力(等于大氣壓力);
  Kmax———在開始排氣時(shí)混合氣體的壓縮比;

  顯然,為要排氣,必須達(dá)到如下的壓縮比:

  就開始凝結(jié)過程。

  如果Kcon>Kmax,那么就不產(chǎn)生凝結(jié),如果Kcon<Kmax,則在泵腔內(nèi)開始凝結(jié),并且蒸汽被凝結(jié)的數(shù)量將會不斷增加,直至排氣時(shí)為止。蒸汽被凝結(jié)的那一部分可按下式確定;

  式中α 為可凝性蒸汽被凝結(jié)的部分。

  例:從空氣中抽除水蒸汽,Pg=5(×133 Pa),Pz = 5(×133 Pa)(從圖3 查得在泵溫60℃時(shí),Ps = 150(×133 Pa)

  為了排氣必須達(dá)到如下壓縮比:

  排氣時(shí),沒凝結(jié)的蒸汽通過呈氣泡狀的泵油排除,凝結(jié)液則留在泵油中。這種現(xiàn)象在每一回隨之而來的壓縮過程中都將能察覺得到。在某些情況下,凝結(jié)液的積聚是如此之快,以致每隔6~8 h 就必須更換一次泵油,有時(shí)還可能更頻繁一些,而且為了恢復(fù)泵的原有特性,常常不得不一連幾次用油來清洗它。由于腐蝕作用和潤滑條件的惡化,零件的磨損增加了,這就引起了必須對泵作經(jīng)常的拆裝和檢修,才能使它在抽可凝性蒸汽時(shí),穩(wěn)定地工作。