液环真空泵及机组节能设计和选型的方法探讨

林汉光

(广东省佛山水泵厂有限公司，广东佛山528000)

1 引言

众所周知，液环真空泵由于用水或其它液体做工作液，其压缩气体过程是等温压缩过程以及可抽吸水蒸汽和易燃易爆气体这两个特点，所以广泛应用于造纸、电力、化工、煤矿和制药等行业。由于液环真空泵相对其它粗低真空泵来说，耗能高，效率低，尤其近几年来，液环真空泵正朝大型化方向发展［1］，所配套的电机功率越来越大，最大配套电机的功率达到620 kW［2］，现在有的大型液环真空泵的配套功率已经达到1 000 kW，因此降低液环真空泵尤其是大型液环真空泵的功耗，提高液环真空泵及其机组的效率显得十分重要。国内液环真空泵的结构大多数为平板式。本文就平板式液环真空泵的过流部件和选型这两方面进行探讨和分析，提出了液环真空泵及其机组提高效率的节能设计和选型的方法。

2 液环真空泵所消耗的功率分析和节能设计探讨

2.1 液环真空泵工作过程所消耗的功率分析

液环真空泵的工作过程是这样的:电机带动液环真空泵的叶轮作旋转运动，由于离心力的作用，使泵体内的工作液沿着泵腔内壁形成旋转的液环;同时叶轮是偏心地安装在泵体内，液环的内表面与叶轮轮毂之间形成一个月牙形状的空间。旋转的液环在气体吸入阶段，增加了动能，在气体排出阶段，液环的动能转为气体的压缩功，使气体压缩并被排出。

2.1.1 气体压缩过程所需的功率

压缩气体所需的功率，同一台液环真空泵在相同吸入压力和排出压力的情况下，抽气量越大，则压缩气体所需的功率就越大。因为压缩气体所需的功率是有用功，那么，对相同型号的液环真空泵，设计时尽量使液环真空泵的抽气量越大则液环真空泵的效率就越高，所以设计时，要确保叶轮与液环之间形成的月牙形状的空间越大就越好。

2.1.2 工作液形成液环并作离心式旋转运动所需的最小功率

由于工作液要沿泵腔内壁作运动和沿叶轮表面作运动，必须有相应的动能，需要消耗一定的功率，因此，设计合理的叶片形状和确保泵腔的椭圆，以减少液环的水力损失。

2.1.3 转子运动所需的功率

因为转子有一定的重量，转子运动时需要一定功率，因此在可能的情况下，把转子的重量减到最小要求。

2.1.4 气体在压缩过程的返流

由于分配板与叶轮之间存在一定的间隙，气体在压缩过程存在返流现象。也因返流现象的存在，必然降低了液环真空泵的效率。所以，必须确保分配板与叶轮之间的间隙在允许的范围内。

2.1.5 机械摩擦损失的功率，这部份损失的功率越小越好。

2.2 液环真空泵节能设计的方法

2.2.1 叶轮的节能设计及制造

2.2.1.1 叶轮是液环真空泵最重要的零件。一般而言，设计一个好的叶轮就等于设计液环真空泵的成功了80%。叶轮的作用是使工作液形成液环，液环同时与叶轮形成月牙状的气体吸入和排出空间。较好结构有焊接和铸造两种为了确保叶轮与液环之间的月牙状空间达到最大，因为焊接叶轮比铸造的叶轮的叶片厚度影响系数大［3］，因此，如果焊接质量能够保证，应该尽量使用焊接叶轮。如果需要使用铸造叶轮，则建议采用增加加强肋的方法减少壁厚，从而减少叶轮的重量和增加月牙状空间的体积。

2.2.1.2 叶片的弯曲度及方向影响了液环的流动情况，一般设计成向前弯的形状，但角度应该是多大才合适，还没形成一个共识。

2.2.1.3 叶轮长度与抽气量有关。在广东佛山水泵厂有限公司的2BE1系列中，同一个叶轮直径，有2～3个规格的长度，例如2BE1 202，2BE1203，2BE1204，但叶轮的长径比是有一个范围的。

2.2.1.4 叶轮表面光洁度会影响工作液流过叶轮表面的水力损失。同一台泵，粗糙的叶轮打磨光滑后的水力损失肯定会减少。

2.2.2 分板的排出孔

由于分配板的吸入孔和排出孔决定了被抽的气体压缩比，因此可以对不同的吸入压力，设计不同的排出孔，避免过滤压缩引起功率的增加或者压缩不足时的情况，以达到节能效果。

2.2.3 确保合理的间隙，减少气体的返流

由于叶轮与分配板之间有一定的间隙才可以保证叶轮的正常运转，如果间隙过大，会引起液环真空泵返流气体增大，会导致抽气量减少，从而降低液环真空泵的效率。

要确保叶轮与分配板的间隙，必须设计合理的轴承座和采用精度高的轴承。对于大型真空泵来说，轴承座一般是跟侧盖设计成一体的，必须在同一台机床上进行加工，以保证轴承座和侧盖的同心度。

2.2.4 针对液环泵应用的真空压力范围，设计不同吸入压力范围的液环真空泵

一般来说，平板式单吸单作用的液环真空泵所能达到的最高真空极限为3 300 Pa，在造纸和煤矿行业，其真空压要求为20 000 Pa以上，有些化工过滤系统的真空压力要求也在30 000 Pa以上，而且所要求抽气量非常大，电厂冷凝器的真空压力要求为4 600 Pa以下，根据这些应用的情况，可以设计使用范围在20 000 Pa～101 300 Pa压力的液环真空泵，也可以设计使用范围在40 000 Pa～101 300 Pa压力的液环真空泵，也可以设计在吸入压力为4600 Pa以下压力特别节能的液环真空泵，并对过流部件作相应的设计和优化以适合在这些压力范围内节能使用。国内开发的CBF系列液环真空泵［2］，使用压力在20 000 Pa～101 300 Pa之间，比2BE1更节能，广泛用在造纸、煤矿和化工行业。

2.2.5 运用目前先进的流体软件对液环真空泵进行内部各种情况进行分析

运用FLUENT等流体软件分析液环真空泵过流部件的气液相的情况，进行优化设计液环真空泵，以达到节能设计液环真空泵的目的［4］。

3 液环真空泵合理选型

液环真空泵的运行效率除了与水力模型有关以外，还与泵的叶轮线速度有着十分密切的关系。同一台液环真空泵可以有不同的转速，以达到不同的抽气量，一般推荐的叶轮线速度为:13～22 m/s。同一台泵转速越高，效率则越低。

同一抽气量，可以选用一台小规格液环真空泵用高转速来实现，也可以选用一台大规格低转速的液环真空泵来实现。

例:抽气量要求:180 m3/min，吸入压力:500 hPa。

选型1:CBF410－2，472 rpm，工作点的轴功率:193 kW;

选型2:CBF500－2，372 rpm，工作点的轴功率:177 kW;

选型3:CBF510－2，298 rpm，工作点的轴功率:153 kW。

选型2的一次性投资比选型1的大，但年节电可达:16 kW×2×330=126 720度电

选型3的一次性投资比选型1的更大，但年节电可达:40 kW×24×330=316 800度电

选用线速度较低的液环真空泵，具有较高的运行效率，设备一次性投资大，但长期运行成本低和节能，并且液环真空泵的轴承等零件的寿命长，维护工作量较少，运行噪声较低。

4 结论

提高液环真空泵的效率，设计节能的液环真空泵，应该从了解液环的形成入手，进行液环真空泵的过流部件优化设计和节能设计。另外，合理的选型，避免出小泵高转速低效率更是节能的实际应用。

［1］黄毅.对水环真空泵发展趋势及设计开发的几点看法［J］.真空，2004，4:27～29.

［2］达道安.真空设计手册［M］.北京:国防工业出版社，2004.

［3］杨乃恒，等.真空获得设备［M］.北京:治金工业出版社，2001.

［4］黄思，阮志勇，邓庆健，等.液环真空泵内气液两相流动的数值分析，真空，2009，2:49～52.