CN105782058A - 一种液环式真空泵回水系统及回水方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种液环式真空泵回水系统及回水方法，它包括真空泵本体(1)和外接的气水分离器(8)，其特征在于：所述的气水分离器(8)的另一端与换热器(9)相连接，在所述的换热器(9)尾部接有增压泵(10)，在所述的增压泵(10)上接有若干根管道与所述的真空泵本体(1)筒壁上的回水口(10.1)相连接，在每根所述的管道上接有流量监测装置(11)，在所述的增压泵(10)后方的管道上接有压力监测装置(12)；它克服了现有技术中的受到工作液温度和汽化压力的限制，其腔体内部容易发生汽蚀的缺点，具有有效补充工作液量，降低液环温度的优点。

Description

一种液环式真空泵回水系统及回水方法
技术领域
本发明涉及到能源、化工技术研究领域，更加具体来说是一种液环式真空泵回水系统及回水方法。
背景技术
液环真空泵主要用于粗真空的形成过程，由于其具有接近等温压缩、对粉尘不敏感、吸入气体可以夹带液体或大量水蒸气的优点，其在电力行业领域应用广泛，对冷凝器的抽真空阶段和真空维持阶段均使用真空泵及成套机组来完成。液环真空泵由低速电动机、汽水分离器、工作液冷却器、气动控制系统、高低水位调节器、泵组内部有关连接管道、阀门及电气控制设备等组成，其作用是在汽轮机组启动时建立真空及抽除真空系统不严密处漏入的空气和未凝结的蒸汽，以维持凝汽器的真空度。液环真空泵是靠偏置叶轮在泵腔内回转运动使工作室容积周期性变化以实现抽气的真空泵。
液环泵在运行时，由于工作液体温度不断上升，且在排气过程中不断有水从排气口流失，泵腔内水量减少，致使液环泵的性能降低；并且由于受到工作液温度和汽化压力的限制，其腔体内部容易发生汽蚀。汽蚀不但会对液环泵的过流部件产生破坏作用，还会使液环泵产生振动和噪声，并导致其效率下降，因此应尽量防止液环泵在汽蚀状态下工作。因此，在液环泵运行的过程中需要不断向泵腔体内补充工作液体，以维持工作液量及降低工作液体的温度。
液环真空泵\真空真空泵等设备在工作时需不断向液环内补充冷却介质，即工作液。该工作液实质是真空泵排出的汽水混合物经由汽水分离器分离并经过换热器后冷却回流的液体，该部分冷却工作液的流量、温度以及回流方法将直接影响到真空泵液环的工作温度，从而影响真空泵的工作效率以及汽蚀风险程度。
如图6所示，在现有真空泵的回水系统中，回水口往往被设计在靠近真空泵端盖一侧，冷却工作液沿该回水口经过分配板导流至真空泵叶轮4附近，通过原有的回水口13进入到筒体内部。叶轮旋转时冷却工作液通过原有回水口13首先进入叶轮相邻两叶片间的体积单元，后随离心力的作用进入液环5开始传质、换热过程。由于液环5体积要求相对固定，多余的液体经由排气孔6排出筒体。
上述类型冷却工作液回水系统设计其优势在于利用了叶轮的离心力，以及相邻叶片间的真空，从而在不增压的条件下让工作液自流入液环内部，简化了系统。然而近年来系统对真空泵性能要求的逐渐提高，部分常规设计已无法满足相关要求。例如在夏季或者常年高温地区应用真空泵时，液环温度过高将导致导致真空泵效率下降、抽气能力下降、汽蚀等一系列问题，该类问题对真空泵液环温度，冷却工作液的回水量、水温、回水方法、换热效率均提出了更高的要求，上述设计中回水方法的弊端也随之显现。常规回水方法其冷却液(低温液体)是经由原有的回水口13首先进入叶轮相邻两叶片间的体积单元，随后在离心力的作用下进入液环5内侧开始传质传热的。而在液轮15的高速转动下，冷却液由原有的回水口13运动至排气孔(排水)6的时间非常短暂，且液体之间的换热仅限于液环内侧边界层。即冷却液在液环内停留时间短，低温液体并未充分换热便由排气孔(排水)6排出筒体，液环靠近筒壁一侧的高温液体并未得到有效降温或者置换。从而导致了液环5温度难以下降，真空泵夏季工况超温、工作效率低、抽气能力下降、汽蚀等问题。
发明内容
本发明的第一目的在于克服上述背景技术中的不足之处，而提出一种液环式真空泵回水系统。
本发明一种液环式真空泵回水系统，它包括真空泵本体和外接的气水分离器，其特征在于：所述的气水分离器的另一端与换热器相连接，在所述的换热器尾部接有增压泵，在所述的增压泵上接有若干根管道与所述的真空泵本体筒壁上的回水口相连接，在每根所述的管道上接有流量监测装置，在所述的增压泵后方的管道上接有压力监测装置。
在上述技术方案中：所述的真空泵本体呈椭圆柱状，在所述的真空泵本体内的两端均设置有椭圆形的分配板；在所述的真空泵本体横向设置有进气口，真空泵出气口与所述的真空泵本体切向布置。
在上述技术方案中：在所述的分配板上设置有呈月牙型的排气口和进水孔，所述的排气口和进水孔相对设置，在所述的排气口和进水孔中间设置有叶轮。
在上述技术方案中：所述的回水口沿真空泵本体筒壁切向布置，所述的回水口为多个孔状结构或轴向带状结构；每个所述的回水口在水平面上位于同一个圆弧上，每个所述的回水口在纵面位于同一条直线上。
本发明的第二目的在于克服上述背景技术的不足之处，而提出一种液环式真空泵回水系统的回水方法。
本发明一种液环式真空泵回水系统的回水方法，其特征在于：它包括如下具体回水过程；
①、待处理的高温气水混合物通过进气口不断进入到所述的真空泵本体内，
②、预先将若干的水通入到所述的真空泵本体内，水流经真空泵本体内的分配板，穿过分配板上的进水孔，所述的水通过所述的分配板上的叶轮旋转形成液环；
③、随着步骤①中所述的待处理的高温气水混合物通过进气口进入真空泵本体内后，所述的高温气水混合物穿过分配板上的进水孔直接与步骤②中的液环上的水相接触，所述的液环上的水的温度经过叶轮旋转混合逐渐升温；
④、所述的液环上的气水混合物先通过所述的分配板上的排气口排出，再流经真空泵出气口进入所述的真空泵本体后方的气水分离器内；
⑤、所述的气水分离器将步骤④中所述的气水混合物进行气水分离，一部分的气体经过所述的气水分离器上的出气口排出，另一部分液体经过所述的气水分离器上的出液口流入到后方的换热器中；
⑥、所述的换热器的一端与外部的冷却液相连接，另一端接在增压泵上，所述的冷却液不断的通入到所述的换热器中，降低步骤⑤中流进换热器中的所述的液体的温度；
⑦、在所述的增压泵上接有若干根管道与所述的真空泵本体筒壁上的回水口相连接，在每根所述的管道上接有流量监测装置，在所述的增压泵后方的管道上接有压力监测装置；
⑧、所述的步骤⑥中的液体经多个所述的回水口直接与所述的液环的外侧面接触，直接将液环的内侧面的高温液体压入到所述的排气口中；
⑨、循环步骤⑧至步骤①的流程；
在上述技术方案中：所述的内侧面的液体温度远高于所述的外侧面的液体温度。
在上述技术方案中：所述的真空泵本体呈椭圆柱状，在所述的真空泵本体内的两端均设置有椭圆形的分配板。
在上述技术方案中：所述的回水口沿真空泵本体筒壁切向布置，所述的回水口为多个孔状结构或轴向带状结构。
在上述技术方案中：每个所述的回水口在水平面上位于同一个圆弧上，每个所述的回水口在纵面位于同一条直线上。
本发明具有如下技术优点：1、所述的回水方法在真空泵壁面设有多个回水口且所述回水口与筒壁均为切向设置以减少回水流体扰动降低阻力。2、所述的回水口可根据运行工况单独分别或同时启用以进行动态调节。3、所述的回水方法运行时可使冷却工作液从筒壁进入液环，在与液环换热的同时将液环内侧高温液体从排气口排出真空泵筒体，在换热的同时实现了冷却工作液对高温液体的置换。4、这种补水方法可以有效补充工作液量，降低液环温度；5、从吸气侧补充工作液，能很好的冲击该处低压涡流，提高工作液压力，从而大大降低汽蚀风险，保证液环真空泵的高效运行及汽轮发电机组的经济性。
附图说明
图1为本发明工作液回水方法流程图
图2为真空泵分配板示意图。
图3为真空泵叶轮示意图。
图4为本发明工作液回水方法运行原理图。
图5为常规工作液回水方法运行原理图。
图6为常规工作液回水方法流程图。
图7为本发明中的孔状结构的真空泵筒体回水口结构示意图。
图8为本发明中的轴向带状结构的真空泵筒体回水口结构示意图。
图9为本发明的回水方法与常规回水方法换热量对比结果示意图。
图10为液环温度对比结果与常规回水方法换热量对比结果示意图。
图中：真空泵本体1、进气口2、分配板3、叶轮4、液环5、外侧面5.1、排气口6、进水孔6.1、真空泵出气口7、气水分离器8、出气口8.1、出液口8.2、换热器9、增压泵10、回水口10.1、流量监测装置11、压力监测装置12、原有的回水口13。
具体实施方法
下面结合附图详细说明本发明的的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已，同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。
参照图1-10所示：本发明一种液环式真空泵回水系统，它包括真空泵本体1和外接的气水分离器8，其特征在于：所述的气水分离器8的另一端与换热器9相连接，在所述的换热器9尾部接有增压泵10，在所述的增压泵10上接有若干根管道与所述的真空泵本体1筒壁上的回水口10.1相连接，在每根所述的管道上接有流量监测装置11，在所述的增压泵10后方的管道上接有压力监测装置12。
所述的真空泵本体1呈椭圆柱状，在所述的真空泵本体1内的两端均设置有椭圆形的分配板3；在所述的真空泵本体1横向设置有进气口2，真空泵出气口7与所述的真空泵本体1切向布置。
在所述的分配板3上设置有呈月牙型的排气口6和进水孔6.1，所述的排气口6和进水孔6.1相对设置，在所述的排气口6和进水孔6.1中间设置有叶轮4。
所述的回水口10.1沿真空泵本体1筒壁切向布置，所述的回水口10.1为多个孔状结构或轴向带状结构；每个所述的回水口10.1在水平面上位于同一个圆弧上，每个所述的回水口10.1在纵面位于同一条直线上。
一种液环式真空泵回水系统的回水方法，它包括如下具体回水过程；
①、待处理的高温气水混合物通过进气口2不断进入到所述的真空泵本体1内，
②、预先将若干的水通入到所述的真空泵本体1内，水流经真空泵本体1内的分配板3，穿过分配板3上的进水孔6.1，所述的水通过所述的分配板3上的叶轮4旋转形成液环5；
③、随着步骤①中所述的待处理的高温气水混合物通过进气口2进入真空泵本体1内后，所述的高温气水混合物穿过分配板3上的进水孔6.1直接与步骤②中的液环5上的水相接触，所述的液环5上的水的温度经过叶轮4旋转混合逐渐升温；
④、所述的液环5上的气水混合物先通过所述的分配板3上的排气口6排出，再流经真空泵出气口7进入所述的真空泵本体1后方的气水分离器8内；
⑤、所述的气水分离器8将步骤④中所述的气水混合物进行气水分离，一部分的气体经过所述的气水分离器8上的出气口8.1排出，另一部分液体经过所述的气水分离器8上的出液口8.2流入到后方的换热器9中；
⑥、所述的换热器9的一端与外部的冷却液相连接，另一端接在增压泵10上，所述的冷却液不断的通入到所述的换热器9中，降低步骤⑤中流进换热器9中的所述的液体的温度；
⑦、在所述的增压泵10上接有若干根管道与所述的真空泵本体1筒壁上的回水口10.1相连接，在每根所述的管道上接有流量监测装置11，在所述的增压泵10后方的管道上接有压力监测装置12；
⑧、所述的步骤⑥中的液体经多个所述的回水口10.1直接与所述的液环5的外侧面5.1接触，直接将液环5的内侧面5.2的高温液体压入到所述的排气口6中；
⑨、循环步骤⑧至步骤①的流程；
所述的内侧面5.2的液体温度远高于所述的外侧面5.1的液体温度；所述的真空泵本体1呈椭圆柱状，在所述的真空泵本体1内的两端均设置有椭圆形的分配板3；所述的回水口10.1沿真空泵本体1筒壁切向布置，所述的回水口10.1为多个孔状结构或轴向带状结构；每个所述的回水口10.1在水平面上位于同一个圆弧上，每个所述的回水口10.1在纵面位于同一条直线上。
现有技术的中的液环式真空泵回水系统及回水方法如下所示：
工作液(水)自真空泵本体1上的真空泵出气口7流出，依次经过气水分离器8、换热器9、增压泵10后沿真空泵本体1筒壁切向回水口10.1多点进入真空泵本体1进行换热及液体置换。与此同时系统设置多处流量调节监测装置11以及压力监测装置12，以根据不同环境温度、工况进行动态调节。
参照图1、图2所示：本发明所述的回水方法与常规回水方法的区别在于更改了回水口的位置以及数量，与此同时系统增设了增压泵11以及多个流量调节装置12。致使当外界温度变化或设备所需工况发生改变时，真空泵工作液回水量可根据运行情况进行相应调节。
参照图3、图4、图5所示：本发明所述的回水方法其真空泵冷却液(水)从真空泵本体1外侧进入液环5，在与液环5换热的同时将液环5内侧面5.1(靠近泵体中心一侧)高温液体从排气口6置换出筒体。从而增强换热效率，降低液环温度，减少液环真空泵汽蚀风险。
参照图6所示：常规回水方法不具筒壁回水以及针对不同工况的调节功能，在该系统中真空泵冷却工作液通过原有的回水口13进行给水，冷却液(低温液体)是经由原有的回水口13首先进入叶轮4相邻两叶片间的体积单元，随后在离心力的作用下进入液环5内侧开始传质传热。在叶轮4的高速转动下，冷却液由原有的回水口13运动至排气孔(排水)6后排出真空泵本体1外。
该换热过程仅限于液体之间的换热仅限于液环5内侧边界层，且冷却液在液环5内停留时间短，换热不充分，低温液体并未充分换热便由排气孔(排水)6排出真空泵本体1外，液环5靠近筒壁一侧的高温液体并未得到有效降温或者置换。从而导致了液环温度难以下降，真空泵工作效率低，抽气能力下降，汽蚀等问题。
下面将使用效能-传热单元法分别计算常规回水方法以及本方案直接置换方法的换热量Q以及换热后的液环温度。
已知液环流量、回水初温以及液环初温，并给定五组不同回水流量，具体初始值如下表1所示。
表1初始计算参数
为方便计算，将回水流过的半环形换热面展开并等效转换为平板换热，水的比热cp＝4200J/(kg·℃)。
对于常规回水方法，可将其等效为平板顺流换热方法，回水与工作液之间的换热面视为热阻为零，即回水与工作液直接接触换热。由牛顿冷却定理分析可得，换热量的计算公式如下：
Q＝qm1cp(t1″-t1′)＝qm2cp(t2′-t2″)(式1)
Q＝kAΔtm(式2)
Nu＝0.023Re0.8Prb(式4)
式中，Q为换热量，qm1为回水流量，qm2为液环流量，cp为比热容，为换热过后回水的温度，为换热过后液环的温度，k为总换热系数，为换热平均温差，h为对流换热系数。对于顺流换热，效能的计算式如下：
综合已知条件及式1至式6，应用效能-传热单元法求出了不同回水流量下的换热量及出口温度，如表2所示。
表2常规回水方法计算结果
序号 回水流量(kg/s) 换热量Q(KW) 液环温度(℃)
1 6.285 449.97 37.60
2 6.174 412.47 37.81
3 5.758 337.48 38.23
4 5.259 206.24 38.91
5 4.662 112.49 39.39
对于本方案直接置换的换热方法，其每次用15℃的回水置换等量的40℃的液环，结合初始条件及式1至式6，最后计算得到不同回水流量下的换热量Q及出口温度如表3所示。
表3直接置换方法计算结果
序号 回水流量(kg/s) 换热量Q(KW) 液环温度(℃)
1 6.285 659.94 36.48
2 6.174 633.74 36.62
3 5.758 604.60 36.78
4 5.259 552.16 37.05
5 4.662 489.51 37.49
本发明的回水方法与常规回水方法换热量对比结果如图9所示，液环温度对比结果如图10所示。
计算结果表明本发明公开的一种液环真空泵工作液回水方法在相同回水流量下其换热量较常规回水方法更大，液环平均温度更低，因此其换热效率较常规回水方法有明显提升。
上述未详细说明的部分均为现有技术。

Claims (9)

1.一种液环式真空泵回水系统，它包括真空泵本体(1)和外接的气水分离器(8)，其特征在于：所述的气水分离器(8)的另一端与换热器(9)相连接，在所述的换热器(9)尾部接有增压泵(10)，在所述的增压泵(10)上接有若干根管道与所述的真空泵本体(1)筒壁上的回水口(10.1)相连接，在每根所述的管道上接有流量监测装置(11)，在所述的增压泵(10)后方的管道上接有压力监测装置(12)。
2.根据权利要求1所述的一种液环式真空泵回水系统，其特征在于：所述的真空泵本体(1)呈椭圆柱状，在所述的真空泵本体(1)内的两端均设置有椭圆形的分配板(3)；在所述的真空泵本体(1)横向设置有进气口(2)，真空泵出气口(7)与所述的真空泵本体(1)切向布置。
3.根据权利要求2所述的一种液环式真空泵回水系统，其特征在于：在所述的分配板(3)上设置有呈月牙型的排气口(6)和进水孔(6.1)，所述的排气口(6)和进水孔(6.1)相对设置，在所述的排气口(6)和进水孔(6.1)中间设置有叶轮(4)。
4.根据权利要求1或2或3中所述的一种液环式真空泵回水系统，其特征在于：所述的回水口(10.1)沿真空泵本体(1)筒壁切向布置，所述的回水口(10.1)为多个孔状结构或轴向带状结构；每个所述的回水口(10.1)在水平面上位于同一个圆弧上，每个所述的回水口(10.1)在纵面位于同一条直线上。
5.根据权利要求1-4中任一权利要求所述的一种液环式真空泵回水系统的回水方法，其特征在于：它包括如下过程；
①、待处理的高温气水混合物通过进气口(2)不断进入到所述的真空泵本体(1)内，
②、预先将若干的水通入到所述的真空泵本体(1)内，水流经真空泵本体(1)内的分配板(3)，穿过分配板(3)上的进水孔(6.1)，所述的水通过所述的分配板(3)上的叶轮(4)旋转形成液环(5)；
③、随着步骤①中所述的待处理的高温气水混合物通过进气口(2)进入真空泵本体(1)内后，所述的高温气水混合物穿过分配板(3)上的进水孔(6.1)直接与步骤②中的液环(5)上的水相接触，所述的液环(5)上的水的温度经过叶轮(4)旋转混合逐渐升温；
④、所述的液环(5)上的气水混合物先通过所述的分配板(3)上的排气口(6)排出，再流经真空泵出气口(7)进入所述的真空泵本体(1)后方的气水分离器(8)内；
⑤、所述的气水分离器(8)将步骤④中所述的气水混合物进行气水分离，一部分的气体经过所述的气水分离器(8)上的出气口(8.1)排出，另一部分液体经过所述的气水分离器(8)上的出液口(8.2)流入到后方的换热器(9)中；
⑥、所述的换热器(9)的一端与外部的冷却液相连接，另一端接在增压泵(10)上，所述的冷却液不断的通入到所述的换热器(9)中，降低步骤⑤中流进换热器(9)中的所述的液体的温度；
⑦、在所述的增压泵(10)上接有若干根管道与所述的真空泵本体(1)筒壁上的回水口(10.1)相连接，在每根所述的管道上接有流量监测装置(11)，在所述的增压泵(10)后方的管道上接有压力监测装置(12)；
⑧、所述的步骤⑥中的液体经多个所述的回水口(10.1)直接与所述的液环(5)的外侧面(5.1)接触，直接将液环(5)的内侧面(5.2)的高温液体压入到所述的排气口(6)中；
⑨、循环步骤⑧至步骤①的流程。
6.根据权利要求5中所述的一种液环式真空泵回水系统的回水方法，其特征在于：所述的内侧面(5.2)的液体温度远高于所述的外侧面(5.1)的液体温度。
7.根据权利要求5中所述的一种液环式真空泵回水系统的回水方法，其特征在于：所述的真空泵本体(1)呈椭圆柱状，在所述的真空泵本体(1)内的两端均设置有椭圆形的分配板(3)。
8.根据权利要求5所述的一种液环式真空泵回水系统的回水方法，其特征在于：所述的回水口(10.1)沿真空泵本体(1)筒壁切向布置，所述的回水口(10.1)为多个孔状结构或轴向带状结构。
9.根据权利要求5所述的一种液环式真空泵回水系统的回水方法，其特征在于：每个所述的回水口(10.1)在水平面上位于同一个圆弧上，每个所述的回水口(10.1)在纵面位于同一条直线上。
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