CN104567448B - 一种利用努森泵的多级引射真空系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用努森泵的多级引射真空系统，由真空室、真空测量规、预抽阀、主抽阀、干燥器、努森泵列阵、调节阀、稳压罐、一级引射器、二级引射器、三级引射器以及冷凝器组组成；本发明兼顾了多级蒸汽引射真空系统和努森泵的各自特点，整个装置可由太阳能和工业余(废)热驱动，具有很好的节能环保性能；且系统结构比较简单、无任何运动部件、无需使用润滑油、使用寿命较长、运行稳定可靠。以及在蒸汽进气口设置调节阀和稳压罐来调节和稳定进气口的蒸汽压力和流量，在引射器间设置冷凝器组，有利于稳定系统运行性能并有效减少冷凝水消耗量。

Description

一种利用努森泵的多级引射真空系统

技术领域

本发明涉及用于石化、化工冶金、轻工等工艺过程的低真空系统，特别涉及一种利用努森泵的多级引射真空系统。

背景技术

随着我国近年来工业化进程的加速，能源需求量越来越大，导致化石能源资源急剧减少，能源利用引起的环境问题也日益突出，如何利用可再生能源以及提高能源利用率成为亟待解决的难题。在多种工业生产过程中，如真空浸渍、过滤、干燥、脱气、冶炼等等工艺过程都要用到低真空系统。油封机械泵、油增压泵、油扩散泵等机械式真空泵虽然可达真空度较高、抽速大，但是能耗高、腔内需润滑、结构比较复杂、加工制造成本较高、噪音较大。水环真空泵和罗茨真空泵虽然结构尺寸较小、不需要腔内润滑，但是单独使用时可达真空度很低，很难广泛地满足真空工艺的压力要求。

现有的蒸汽引射真空系统大多采用单纯的多级引射真空泵串联的形式，还有少量的采用水环泵—蒸汽引射真空泵系统。其结构比较简单、使用年限较长、可以在较差的工艺环境下稳定运行。但是单纯的多级引射形式需要消耗大量的高压蒸汽，而且所需真空度越高串联级数越多，级间的冷凝设备和冷凝水越多，能源利用效率也越低。此外，若利用工业余热废热作为动力蒸汽，由于动力蒸汽温度压力的波动可能会造成整个真空系统运行时不稳定，达不到工艺要求。

努森泵是一种基于微/纳尺度热流逸效应的气体抽真空装置。1910年Knudsen首次提出了基于此效应的努森泵，此后Vargo和Muntz首次制造出了真正意义上的努森泵，其主要结构是由一组并联的微通道以及连接微通道的连接管组成，在微通道的两侧分别为冷腔和热腔。当满足发生微/纳尺度热流逸效应的条件时，气体分子将从温度较低的冷腔运动到温度较高的热腔，使得冷腔气体分子数量减少而压力降低，形成真空。努森泵可以由太阳能、地热、工业余热等较低品位的热能驱动，没有运动部件，噪声低，不需要润滑，多级努森泵最高压缩比可达109左右，其最低真空度可达1mTorr。目前努森泵用于真空系统仍处于开始尝试阶段，还没有真正地在工业中广泛使用。单独使用的多级努森泵真空度不高，流量较小，很难满足广泛的工艺要求。

喷射器和努森泵共用的特点是都可以利用低品位余(废)热和可再生能源(如太阳能)，在现有的喷射真空技术以及实现节能环保的基础上，研究如何结合努森泵在抽真空方面的优势具有很好的应用价值。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用努森泵的多级引射真空系统，从而克服现有的蒸汽引射真空系统能源利用率较低的缺点。

为实现上述目的，本发明提供了一种利用努森泵的多级引射真空系统，包括：真空室、真空测量规、预抽阀、主抽阀、干燥器、努森泵列阵、调节阀、稳压罐、一级引射器、二级引射器、三级引射器以及冷凝器组；所述真空室上方设置真空测量规，所述真空室的出气口分为两路，一路与所述预抽阀的一端连接，另一路依次将所述主抽阀、所述干燥器、所述努森泵列阵的进气口进行连接，所述努森泵列阵的出气口和所述预抽阀的另一端接入所述一级引射器的引射室，所述调节阀、所述稳压罐以及所述一级引射器的动力喷嘴依次连接，所述调节阀的一端作为蒸汽进气口，所述一级引射器、所述二级引射器以及所述三级引射器的动力喷嘴进行并联，所述一级引射器的出口连接所述冷凝器组的第一冷凝入口，所述冷凝器组的第一冷凝出口连接所述二级引射器的引射室，所述二级引射器的出口连接所述冷凝器组的第二冷凝入口，所述冷凝器组的第二冷凝出口连接所述三级引射器的引射室，在所述冷凝器组的一侧设有冷凝水入口，另一侧设有冷凝水出口。

上述技术方案中，所述努森泵列阵由M组N级努森泵并联而成；所述每组N级努森泵由N个单级努森泵依次串联而成；所述单级努森泵由吸光玻璃、导热片、冷腔、热腔、微通道、连接通道组成；所述冷腔的一侧设有进气口，另一侧通过所述微通道与所述热腔的一侧连通，所述热腔上方设有导热片和吸光玻璃，所述热腔的另一侧与所述连接通道的一端连接，所述连接通道的另一端作为出气口。

上述技术方案中，所述一级引射器、所述二级引射器以及所述三级引射器的入口设有测量元件。

上述技术方案中，还包括一控制器，所述真空测量规、所述预抽阀、所述主抽阀、所述调节阀以及所述测量元件分别与所述控制器连接。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.本发明兼顾了多级蒸汽引射真空系统和努森泵的各自特点，整个装置可由太阳能和工业余(废)热驱动，具有很好的节能环保性能；系统结构比较简单、无任何运动部件、无需使用润滑油、使用寿命较长、运行稳定可靠。

2.多级引射器和努森泵列阵相结合使真空度的调节范围较宽；并联设置的努森泵列阵很好的匹配了一级引射器的引射流量。

3.控制器通过控制主抽阀和预抽阀的开度以及进入每一级引射器喷嘴的蒸汽压力和流量，使每一级的引射器都能在最佳状态下运行。

4.在蒸汽进气口设置调节阀和稳压罐来调节和稳定进气口的蒸汽压力和流量，以及在引射器间设置冷凝器组，有利于稳定系统运行性能并有效减少冷凝水消耗量。

附图说明

图1是根据本发明的利用努森泵的多级引射真空系统结构示意图。

图2是根据本发明的努森泵列阵结构示意图。

图3是根据本发明的一组N级努森泵内部结构示意图。

主要附图标记说明：

1-真空室，2-真空测量规，3-预抽阀，4-主抽阀，5-干燥器，6-太阳能，7-努森泵列阵，8-蒸汽进气口，9-调节阀，10-稳压罐，11-级引射器，12-二级引射器，13-三级引射器，14-冷凝器组，14a-第一冷凝入口，14b-第一冷凝出口，14c-第二冷凝入口，14d-第二冷凝出口，14e-冷凝水入口，14f-冷凝水水口；

7-努森泵列阵，7·A-第一组N级努森泵，7·B-第二组N级努森泵，7·M-第M组N级努森泵，7-1-第一级努森泵，7-N-第N级努森泵，16-进气口，17-出气口，18-吸光玻璃；

18-1-第一级吸光玻璃，19-1-第一级导热片，20-1-第一级微通道，21-1-第一级冷腔，22-1-第一级热腔，23-1-第一级连接通道，18-N-第N级吸光玻璃，19-N-第N级导热片，20-N-第N级微通道，21-N-第N级冷腔，22-N-第N级热腔，23-N-第N级连接通道。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其他明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其他元件或其他组成部分。

如图1所示，根据本发明具体实施方式的一种利用努森泵的多级引射真空系统，包括：真空室1、真空测量规2、预抽阀3、主抽阀4、干燥器5、努森泵列阵7、调节阀9、稳压罐10、一级引射器11、二级引射器12、三级引射器13、冷凝器组14以及控制器；真空室1上方设置真空测量规2，真空测量规2用于测量真空室1的压力值，真空室1的出气口分为两路，一路与预抽阀3的一端连接，另一路连接主抽阀4的一端，主抽阀4的另一端连接干燥器5的一端，干燥器5的另一端与努森泵列阵7的进气口连接，努森泵列阵7的出气口和预抽阀3的另一端一起接入一级引射器11的引射室，当真空室1的压力高于努森泵列阵7的工作压力范围时，开启预抽阀3，关闭主抽阀4；当真空室1压力达到努森泵列阵7的工作压力范围时，关闭预抽阀3，开启主抽阀4；调节阀9的一端作为蒸汽进气口8，调节阀9、稳压罐10以及一级引射器11的动力喷嘴依次连接，分别通过调节阀9和稳压罐10来调节和稳定蒸汽进气口8的蒸汽压力和流量，一级引射器11、二级引射器12以及三级引射器13的动力喷嘴进行并联，高压高温的余热蒸汽从蒸汽进气口8接入系统，经过调节阀9和稳压罐10的调节后，以稳定的压力分别连接一级引射器11、二级引射器12、三级引射器13的动力喷嘴；一级引射器11的出口连接冷凝器组14的第一冷凝入口14a，冷凝器组14的第一冷凝出口14b连接二级引射器12的引射室，二级引射器12的出口连接冷凝器组14的第二冷凝入口14c，冷凝器组14的第二冷凝出口14d连接三级引射器13的引射室，在冷凝器组14的一侧设有冷凝水入口14e，另一侧设有冷凝水出口14f，冷凝水从冷凝水入口14e进入依次冷凝一级引射器11、二级引射器12后的混合气体，然后从冷凝水出口14f流出，三级引射器13的出口直接连接大气，在一级引射器11、二级引射器12、三级引射器13的入口设有测量元件，该测量元件用于测量压力和流量，真空测量规2、预抽阀3、主抽阀4、调节阀9以及测量元件分别与控制器连接，分别由控制器控制上述元件的阀门开度和引射器入口的参数。

如图2所示，努森泵列阵7由M组N级努森泵(7·A，7·B···7·M)并联而成；每组N级努森泵由N个单级努森泵(7-1···7-N)依次串联而成；如图3所示，单级努森泵由吸光玻璃18、导热片19-1、冷腔21-1、热腔22-1、微通道20-1、连接通道23-1组成；冷腔21-1的一侧设有进气口16，另一侧通过微通道20-1与热腔22-1的一侧连通，热腔22-1上方设有导热片19-1和吸光玻璃18-1，热腔22-1的另一侧与连接通道23-1的一端连接，连接通道23-1的另一端作为出气口17，由N个单级努森泵的进气口和出气口分别依次连接形成一组N级努森泵。对于一组N级努森泵而言，其中，第一个努森泵为第一级努森泵7-1，以此类推，第N个努森泵为第N级努森泵7-N，正常运行时，从干燥器出来的气体从进气口16进入到第一级努森泵的第一级冷腔21-1，第一级吸光玻璃18-1吸收太阳能6，通过第一级导热片19-1将热量传导给第一级热腔22-1，使第一级微通道20-1的两端形成温度差，由于微/纳尺度热流逸效应，第一级冷腔21-1的气体分子通过第一级微通道20-1在第一级热腔22-1聚集，第一级冷腔21-1因为气体分子减少而形成一定真空，第一级热腔22-1气体通过第一级连接通道23-1并逐渐冷却，然后进入第二级努森泵的第二级冷腔···依此重复，直到进入第N级努森泵的第N级冷腔21-N，第N级吸光玻璃18-N吸收太阳能6，通过第N级导热片19-N将热量传导给第N级热腔22-N，使第N级微通道20-N的两端形成温度差，第N级冷腔21-N的气体分子通过第N级微通道20-N在第N级热腔22-N聚集，第N级冷腔21-N因为气体分子减少而形成一定真空，第N级热腔22-N的气体通过第N级连接通道23-N从出气口排出。

为方便对本发明实施例的理解，下面对本发明实施例中的多级引射真空系统的工作原理进行详细阐述：

如图1所示，真空室1中的压力值由真空测量规2所测得，当所测压力值大于努森泵列阵7的最大工作压力时，控制器打开预抽阀3，关闭主抽阀4，此时真空室1中的气体接入一级引射器11的引射室。工作蒸汽从蒸汽进气口8处进入系统，经过调压阀9、稳压罐10之后，以稳定的压力和流量分别接入一级引射器11、二级引射器12、三级引射器13的动力喷嘴中，同时各个喷射器的喷嘴入口处的压力和流量由控制器进行控制，压力和流量稳定的工作蒸汽保持了整个系统的稳定性，通过流量、压力的调节能够使各级喷射器的性能达到最优。进入一级引射器11的引射室的大量气体被工作蒸汽抽吸、混合后，压力和温度升高，然后接入冷凝器组14中进行冷凝，混合气体中的可凝蒸汽部分被液化，减少了下一级引射器的气体引射量以及所需工作蒸汽量，同时上一级混合气体温度的降低增大了下一级引射器的抽吸能力，冷凝后的一级混合气体进入二级引射器12的引射室后再次被工作蒸汽抽吸、混合，压力和温度进一步升高，然后再次接入冷凝器组14中进行冷凝，冷凝器组14中的冷凝水从左到右依次冷凝一级混合气体和二级混合气体，由于二级混合气体温度高于一级混合气体，冷凝过一级混合气体的冷凝水可继续冷凝二级混合气体，减少了冷凝水的用量。二次冷凝后的混合气体进入三级引射器13中进行混合升压，最后三级混合气体排向大气。

如图2所示，当真空室1压力小于努森泵列阵7最大工作压力时，控制器关闭预抽阀3，开启主抽阀4。真空室1剩余的少量低压气体进入干燥器5，将夹杂在气体中的少量液滴去除，干燥后的低压气体进入努森泵列阵7的进气口16，压力在努森泵列阵7内得到提升，从出气口17出来的高压气体依次进入一级、二级和三级引射系统重复上述抽吸、混合过程，随着真空室气体不断被抽吸，进入努森泵列阵7和各级引射器引射室的压力和流量不断降低，通过控制器对进入各级引射器的喷嘴的蒸汽压力和流量的调节使各级引射器性能最优。混合升压后的气体排向大气，直到真空室1真空度达到工艺要求。

本发明中的利用努森泵的多级引射真空系统，兼顾了多级蒸汽引射真空系统和努森泵的各自特点，整个装置可由太阳能和工业余(废)热驱动，具有很好的节能环保性能；系统结构比较简单、无任何运动部件、无需使用润滑油、使用寿命较长、运行稳定可靠。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (4)

1.一种利用努森泵的多级引射真空系统，其特征在于，包括：真空室、真空测量规、预抽阀、主抽阀、干燥器、努森泵列阵、调节阀、稳压罐、一级引射器、二级引射器、三级引射器以及冷凝器组；所述真空室上方设置真空测量规，所述真空室的出气口分为两路，一路与所述预抽阀的一端连接，另一路依次将所述主抽阀、所述干燥器、所述努森泵列阵的进气口进行连接，所述努森泵列阵的出气口和所述预抽阀的另一端接入所述一级引射器的引射室，所述调节阀、所述稳压罐以及所述一级引射器的动力喷嘴依次连接，所述调节阀的一端作为蒸汽进气口，所述一级引射器、所述二级引射器以及所述三级引射器的动力喷嘴进行并联，所述一级引射器的出口连接所述冷凝器组的第一冷凝入口，所述冷凝器组的第一冷凝出口连接所述二级引射器的引射室，所述二级引射器的出口连接所述冷凝器组的第二冷凝入口，所述冷凝器组的第二冷凝出口连接所述三级引射器的引射室，在所述冷凝器组的一侧设有冷凝水入口，另一侧设有冷凝水出口。

2.根据权利要求1所述的多级引射真空系统，其特征在于，所述努森泵列阵由M组N级努森泵并联而成；每组N级努森泵由N个单级努森泵串联而成；所述单级努森泵由吸光玻璃、导热片、冷腔、热腔、微通道、连接通道组成；所述冷腔的一侧设有进气口，另一侧通过所述微通道与所述热腔的一侧连通，所述热腔上方设有导热片和吸光玻璃，所述热腔的另一侧与所述连接通道的一端连接，所述连接通道的另一端作为出气口。

3.根据权利要求1所述的多级引射真空系统，其特征在于，所述一级引射器、所述二级引射器以及所述三级引射器的入口设有测量元件。

4.根据权利要求3所述的多级引射真空系统，其特征在于，还包括一控制器，所述真空测量规、所述预抽阀、所述主抽阀、所述调节阀以及所述测量元件分别与所述控制器连接。