常用真空泵的工作原理教学文案.docx

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常用真空泵的工作原理教学文案

常用真空泵的工作原理

水环式真空泵的工作原理

水环式真空泵是液环式真空泵中最常见的一种。

液环式真空泵是带有多叶片的转子偏心装在泵壳内。

当它旋转时，把液体抛向泵壳并构成与泵壳同心的液环，液环同转子叶片构成了容积周期变化的旋转变容真空泵。

当工作液体为水时，称水环泵。

水环泵主要用于粗真空、抽气量大的工艺过程中。

在化工、石油、轻工、医药及食品工业中得到了普遍地应用，如真空过滤、真空送料、真空浓缩、真空脱气等。

单级水环泵的极限压力可达8～2×103Pa，双级水环泵的极限压力可达1×102Pa，排气量为0.25～500m3/h。

1.工作原理

水环泵工作轮2在泵体l中旋转时构成了水环3和工作室5。

水环与工作轮构成了月牙形空间。

右边半个月牙形的容积由小变大，构成吸气室。

左边的半个月牙形的容积由大变小，构成了紧缩过程（相当于排气室）。

被抽气体由进气管8和进气口4进入吸气室。

转子进一步转动，使气体受紧缩，经过排气口6和排气管7排出。

排出的气体和水滴由排气管道7进入水箱10，此时气体由水中别离出来，气体经管管道9排到大气中，水由水箱进入泵中，或经过管道11排到排水设备中。

水环式真空泵原理图

1、泵体2、转子3、液体环4、进气孔5、工作室6、排气孔7、排气管8、进气管9、排气管10、水11、管道12、控制阀

水环泵的紧缩比由泵的吸气口终了位置和排气口开端位置所决议。

由于吸气口终止位置决议着吸气腔吸入气体的体积；而排气口开端的位置决议着排气时紧缩了的气体的体积。

对曾经肯定了却构尺寸的水环泵，能够求出其紧缩比。

旋片式真空泵的工作原理

1、如图为旋片泵的工作原理表示图，旋片泵主要由定子、转子、旋片、定盖、弹簧等零件组成。

其构造是应用偏心肠装在定子腔内的转子（转子的外圆与定子的内外表相切两者之间的间隙十分小）和转子槽内滑动的借助弹簧张力和向心力紧贴在定子内壁的两块旋片，当转子旋转时，一直沿定子的内壁滑动。

　　两个旋片把转子、定子内腔和定盖所围成的月牙型空间分隔成A、B、C三个局部，当转子按图示方向旋转时，与吸气口相通的空间A的容积不时地增大，A空间的压强不时的降低，当A空间内的压强低于被抽容器内的压强，依据气体压强均衡的原理，被抽的气体不时地被抽进吸气腔A，此时正处于吸气过程。

B腔的空间的容积正逐步减小，压力不时地增大，此时正处于紧缩过程。

而与排气口相通的空间C的容积进一步地减小，C空间的压强进一步的升高，当气体的压强大于排气压强时，被紧缩的气体推开排气阀，被抽的气体不时地穿过油箱内的油层而排至大气中，在泵的连续运转过程中，不时地停止着吸气、紧缩、排气过程，从而到达连续抽气的目的。

　　排气阀浸在油里以避免大气流入泵中，油经过泵体上的间隙、油孔及排气阀进入泵腔，使泵腔内一切运动的外表被油掩盖，构成了吸气腔与排气腔的密封，同时油还充溢了一切有害空间，以消弭它们对极限真空的影响。

单级旋片式真空泵原理图

1.泵体2.旋片3.转子4.弹簧5.排气阀

2、双级旋片式真空泵由两个工作室组成，两室前后串联，同向等速旋转，Ⅰ室是低真空级，Ⅱ室是高真空级，被抽气体由进气口进入Ⅱ室，当进入的气体压力较高时，气体经Ⅱ室紧缩，压强急速增大，被紧缩的气体不只从高级排气阀排出，而且经过中壁通道，进入Ⅰ室，在Ⅰ室被紧缩，从低级排气阀排出；当进入Ⅱ室的气体压力较低时，虽经Ⅱ室的紧缩，也推不开高级排气阀排出，气体全部经中壁通道进入Ⅰ室，经Ⅰ室的继续紧缩，由低级排气阀排出，因而双级旋片式真空泵比单级旋片式真空泵的极限真空高。

双极旋片式真空泵原理图

罗茨真空泵的工作原理

罗茨真空泵（简称罗茨泵）是一种旋转式变容真空泵。

它是由罗茨鼓风机演化而来的。

依据罗茨真空泵工作范围的不同，又分为直排大气的低真空罗茨泵；中真空罗茨泵（又称机械增压泵）和高真空多级罗茨泵。

普通来说，罗茨泵具有以下特性：

在较宽的压强范围内有较大的抽速；

起动快，能立刻工作；

对被抽气体中含有的灰尘和水蒸气不敏感；

转子不用光滑，泵腔内无油；

振动小，转子动均衡条件较好，没有排气阀；

驱动功率小，机械摩擦损失小；

构造紧凑，占空中积小；

运转维护费用低。

因而，罗茨泵在冶金、石油化工、造纸、食品、电子工业部门得到普遍的应用。

罗茨真空泵的工作原理图

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，坚持有一定的间隙，可以完成高转速运转。

由于罗茨泵是一种无内紧缩的真空泵，通常紧缩比很低，故高、中真空泵需求前级泵。

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。

为了进步泵的极限真空度，可将罗茨泵串联运用。

罗茨泵的工作原理与罗茨鼓风机相似。

由于转子的不时旋转，被抽气体从进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空间是全封锁状态，所以，在泵腔内气体没有紧缩和收缩。

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。

　　罗茨泵转子由0°转到180°的抽气过程。

在0°位置时，下转子从泵入口封入v0体积的气体。

当转到45°位置时，该腔与排气口相通。

由于排气侧压强较高，惹起一部分气体返冲过来。

当转到90°位置时，下转子封入的气体，连同返冲的气体一同排向泵外。

这时，上转子也从泵入口封入v0体积的气体。

当转子继续转到135°时，上转子封入的气体与排气口相通，重复上述过程。

180°位置和0°位置是一样的。

转子主轴旋转一周共排出四个v0体积的气体。

往复式真空泵的原理与特点

往复式真空泵（又称活塞式真空泵）属于低真空取得设备，用以从内部压力等于或低于一个大气压的容器中抽除气体，被抽气体的温度普通不超越35oC。

往复泵的极限压力，单级为4×102～103Pa，双级可达1Pa。

它的排气量较大，抽速范围15～5500L/S。

往复泵多用于真空浸渍、钢水真空处置、真空蒸馏、真空结晶、真空过滤等方面抽除气体。

往复式真空泵关于抽除腐蚀性或含有颗粒状灰尘的气体是不适用的。

被抽气体中假如含有灰尘，在泵的进口1处必需加装过滤器。

1、原理：

往复泵的工作原理，如图2所示。

泵的主要部件是气缸1及在其中做往复直线运动的活寨2。

活寨的驱动是用曲柄连杆机构3来完成的。

除上述主要部件外还有排气阀4和吸气阀5。

往复式真空泵原理图

1、气罐2、活塞3、曲柄连杆机构4、排气阀5、吸气阀

泵运转时，在电动机的驱动下，经过曲柄连杆机构的作用，使气缸内的活塞做往复运动。

当汪室在等舸内从存端向右端话动时。

由于气缸的左腔体积不时增大，气缸内气体的密度减少，而构成抽气过程，此时容器中的气体经过吸气阀5进入泵体左腔。

当活塞到达最右位置时，气缸内就完整充溢了气体。

接着活塞从右端向左端运动，此时吸气阀5关闭。

气缸内的气体随着活塞从右向左运动而逐步被紧缩，当气缸内气体的压强到达或稍大于一个大气压时，排气阀4被翻开，将气体排到大气中，完成一个工作循环。

当活塞再自左向右运动时，又吸进一局部气体，反复前一循环，如此重复下去，直到被抽容内的气体压力到达请求时为止。

在实践应用中，为了进步抽气效率，泵多半采用双作用气缸，即活塞能在两个方向（往复）上同时停止紧缩和抽气，这主要是依托配气阀门来完成的。

我公司生产的w型往复泵即是单级的双作用泵。

特点：

往复泵有干式和湿式之分。

干式泵只能抽气体，湿式泵可抽气体和液体的混合物。

二者在构造方面没有什么准绳性的不同，只是湿式泵内的死空间和配气机构的尺寸比干式泵大一些，因而湿式泵的极限压力要比干式泵的高。

往复泵有卧式和立式两种型式（国产为W和WL型）。

立式泵从构造和性能上较为先进，它是卧式泵的更新换代产品。

如国产的WL系列立式泵与老式W型卧式泵相比，有如下优点：

（1）功率耗费均匀减少1/3，节能显着。

例如，原W5功率为22KW，而WL-200为15KW；原W4为11KW，而WL-100为7.5KW。

（2）占空中积均匀减少2/3。

如原W5型占地为3.8m2，而WL一200为1.2m2。

（3）振动降低。

WL系列泵消弭了横波劣性振动，噪声均匀降低5dB以上。

（4）运用寿命长。

立式泵由于构造合理，受力平均，使得各运动部位磨损减轻。

罗茨水环真空机组的原理

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着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。

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

主要设备的功用简介如下：

（1）真空阀　　关闭真空阀，机组停止运行，可保持干燥系统一定的真空度。

（2）自动气动安全阀　　为防止机组突然停车时水环泵系统中的水向罗茨泵及真空干燥系统中倒灌。

（3）压差阀　　机组开始运行时，先启动水环泵，在压差阀两端逐渐产生压差，达到一定值时，阀自动开启，使系统中大部分气体经此阀流进水环泵。

当大气逐渐通过大气泵流进水环泵，压差阀两端压力又逐渐减小，以致关阀，于是大气泵随即开始正常工作，压差阀的作用是为了缩短大气泵正常工作前的预抽时间。

（4）水位计　　起止逆阀的作用，防止水环泵的水倒流。

操作顺序如下：

先开动水环泵，系统中气体径由罗茨泵（此时推动罗茨泵转子转动）进入水环泵而由汽水分离器排向大气。

当抽到绝对压力为50Torr时启动罗茨泵2，当绝对压力到20Torr时再启动罗茨泵1，最后系统压力可达到0.088Torr，一般情况下可维持在1Torr以下。

滑阀式真空泵的原理

滑阀式真空泵的抽气原理与旋片泵相似，但两者结构不同。

滑阀式真空泵是利用滑阀机构来改变吸气腔容积的，故称滑阀泵。

滑阀泵亦分单级泵和双级泵两种，有立式和卧式两种结构形式。

单级泵的极限压力为0.4～1.3Pa；双级泵的极限压力为6×10-2—10-1Pa。

一般抽速超过150L/S的大泵都采用单级形式。

这种泵可单独使用，也可作其它泵的前级泵用。

1．工作原理

滑阀泵的结构主要由泵体及在其内部作偏心转动的滑阀、半圆形的滑阀导轨、排气阀、轴等组成（见图1）。

图1：

滑阀式真空泵结构原理图

泵体中装有滑阀环（4），滑阀环内装有偏心轮（3），偏心轮固定在轴

（2）上，轴与泵体中心线相重合。

在滑阀环上装有长方形的滑阀杆（5），它能在半圆形滑阀导轨（7）中上下滑动及左右摆动，因此泵腔被滑阀环和滑阀杆分隔成A、B两室。

泵在运转过程中，由于A、B两室容积周期性地改变，使被抽气体不断进入逐渐增大容积的吸气腔；同时，在排气腔随着其容积的缩小而使气体受压缩，并通过排气阀排出泵外。

双级型的滑阀泵，实际上是由两个单级泵串联起来的。

它的高、低真空室在同一泵体上，有的是直接铸成一个整体，有的是压入中隔板把泵腔分成高、低两室。

图1：

滑阀式真空泵的结构图

1-泵体2-泵轴3-偏心轮4-滑阀环5-滑阀杆6-排气阀7-滑阀导轨8-进气管