CN110578688B - 一种具有内部制冷系统的水环泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有内部制冷系统的水环泵，包括叶轮轴、叶片、泵体，所述泵体两端设置有密封端盖，叶轮轴通过轴承偏心安装在泵体端盖上，叶片设置安装在叶轮轴上，泵体上设置有抽气口与排气口，叶片内设置有冷凝腔、节流孔和蒸发腔，冷凝腔设置在靠近叶轮轴一端，蒸发腔设置在叶片内远离叶轮轴一端，冷凝腔与蒸发腔通过节流孔相连通，叶轮轴内固定设置有压缩机，压缩机将叶轮轴分为高压蒸汽腔与低压蒸汽腔，低压蒸汽腔设置有低压蒸汽流道与蒸发腔相连通，高压蒸汽腔设置有高压蒸汽流道与冷凝腔相连通，所述低压蒸汽流道与蒸发腔间设置有制冷工质流道。本发明解决了现有水环泵工作水温提高严重，限制抽吸能力的问题。

Description

一种具有内部制冷系统的水环泵

技术领域

本发明涉及水环真空泵领域，具体涉及一种具有内部制冷系统的水环泵。

背景技术

水环真空泵简称水环泵是一种利用腔室变容积来实现吸气、压缩和排气过程，属于一种变容式真空泵。当叶轮顺时针旋转时，工作水被叶轮抛向四周，由于离心力的作用，水在壳体内侧形成一个等厚度的封闭圆环，此时，叶轮与水环之间形成一个月牙形空间,而这一空间又被叶轮分成叶片数目相等的若干个“小腔”。如果以叶轮的上部0°为起点,那么叶轮在旋转前180°时“小腔”的容积由小变大，腔室形成真空通过抽气口吸入气体；当叶轮继续旋转时，吸有气体的“小腔”的容积由大变小，腔室内气体不断被压缩升压，升压后的气体沿着排气口被排出泵外。

受限于水环泵的工作原理，水环泵一个最大的缺点是极限真空度低。这主要是因为水环泵的工作介质是水，受水的饱和蒸气压的限制，常温下30℃水对应的饱和压力为4.2kPa，导致水环泵所能获得的极限真空一般为2-4kPa，使其在更高真空度要求的场合不得不采取其它的抽真空装置，如通过串联大气喷射器使工作压力达到0.5kPa。

另一方面，工作水在泵内高速旋转，温度不断升高将直接影响水环泵工作压力、降低抽吸能力，最终影响到化工过程的热效率。为保证工作水温度一直在限制值以下，水环真空泵还需配置一套循环水冷却系统，尽管采用外循环冷却的方式一定程度上缓解了工作水温升带来的真空度问题，但事实情况是，在夏季时，外循环冷却水温度达到35℃以上，此时冷却效果极差；加上泵旋转的耗功以及抽吸不凝气带入的高温水蒸汽，导致水环泵内工作水甚至达至50℃以上，致使水环泵抽吸能力严重下降，当工作水温50℃时，水环泵的极限真空度为12.4kPa。

从水环泵的实际工作过程可以看出，尽管水环泵以其结构简单、抽吸能力强、成本低等优势广泛应用于化工、矿山、造纸、冶金等行业。但由于水环泵极限真空低，工作性能很大程度上依赖工作水温度。为提高水环泵的抽吸能力，不得不采取增设外置循环冷却水系统，辅助真空抽吸系统，甚至采取制冷机组提供冷却水的方式。这些不仅增加了真空系统的投资成本，且外置的循环冷却水系统占地面积大、布置困难，夏季工况下仍难以满足设计真空度等问题已然成为水环泵领域不得不解决的巨大挑战。

发明内容

本发明的目的在于提出一种具有内部制冷系统的水环泵，能够有效解决常见水环泵工作水温度较高，极限真空度低，水环泵抽吸能力较低的问题。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种具有内部制冷系统的水环泵，包括叶轮轴、叶片、泵体，所述泵体两端设置有密封端盖，叶轮轴通过轴承偏心安装在泵体端盖上，且叶轮轴一端伸出密封端盖与电机输出轴动力连接，所述叶片设置安装在叶轮轴上，叶片至少设置二个，泵体上设置有抽气口与排气口，所述叶片内设置有小型制冷系统。

进一步的，所述小型制冷系统包括设置在叶片内部的冷凝腔、节流孔和蒸发腔，所述冷凝腔设置在靠近叶轮轴一端，蒸发腔设置在叶片内远离叶轮轴一端，冷凝腔与蒸发腔通过节流孔相连通。

进一步的，叶轮轴内固定设置有压缩机，所述压缩机将叶轮轴分为高压蒸汽腔与低压蒸汽腔，所述低压蒸汽腔设置有低压蒸汽流道与蒸发腔相连通，所述高压蒸汽腔设置有高压蒸汽流道与冷凝腔相连通，所述低压蒸汽流道与蒸发腔间设置有制冷工质流道。

进一步的，所述压缩机通过导线与外接电源相连，压缩机上设置控制主板，所述控制主板通过信号传输线连接有控制器，所述控制器设置在水环泵壳体上。

进一步的，叶片叶尖设置有温度传感器，所述温度传感器通过导线连接在控制主板上。

进一步的，所述节流孔设置为减缩渐扩形。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果之一：

1、本发明在叶轮内设置一套小型制冷系统，将水环泵工作过程中的工作水温转移用来加热抽吸气体，并直接排出系统，维持工作水温一直在较优的工作范围，解决了现有水环泵工作水温提高严重，限制抽吸能力的问题。

2、本发明完全摆脱了水环泵工作水严重依赖外置循环冷却系统的复杂结构，整体结构紧凑，占地面积小，适用于对真空要求高，工作环境恶劣的场合。

附图说明

图1为本发明的左视图。

图2为本发明中叶轮和叶轮轴的正视图。

图3为本发明中叶片的内部结构图。

图中：2-叶轮轴、3-叶片、4-泵体、5-抽气口、6-排气口、7-工作水、8-抽吸气体、21-压缩机、22-低压蒸汽流道、23-高压蒸汽流道、31-冷凝腔、32-节流孔、33-蒸发腔、34-制冷工质流道、36-放热段、37-绝热段、38-吸热段。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

一种具有内部制冷系统的水环泵，包括叶轮轴2、叶片3、泵体4，所述泵体4两端设置有密封端盖，叶轮轴2通过轴承偏心安装在泵体4端盖上，且叶轮轴2一端伸出密封端盖与电机输出轴动力连接，所述叶片3设置安装在叶轮轴2上，叶片3至少设置二个，泵体4上设置有抽气口5与排气口6，所述叶片3内设置有小型制冷系统，水环泵泵体4根据常见的水环泵进行设计，叶片3固定设置在叶轮轴2上，所述的叶片3根据水环泵的尺寸进行设置，叶片3在水环泵工作过程中，叶片3顶端应浸入工作水至少1厘米以上，叶片3设置为中空结构，所述叶片3内部与叶轮轴2相连通，在叶轮轴2内设置压缩机和冷凝器，在叶片3内设置蒸发器，所述的压缩机、冷凝器与蒸发器通过管道连接组成小型制冷系统，通过降低叶片3内部的温度，降低水环泵内工作水的温度，从而有效提高水环泵的抽吸能力。

实施例2

在实施例1的基础上，所述小型制冷系统包括设置在叶片3内部的冷凝腔31、节流孔32和蒸发腔33，所述冷凝腔31设置在靠近叶轮轴2一端，蒸发腔33设置在叶片内远离叶轮轴2一端，冷凝腔31与蒸发腔33通过节流孔32相连通，所述蒸发腔33与冷凝腔31的腔体大小根据叶片尺寸进行设计，其腔体壁厚设置尽量较薄，以便于热量的传递不收影响，小型制冷系统内部的工作介质采用R22、R134等制冷介质，蒸发腔内工质的蒸发设计温度为5-30℃，考虑换热温差5℃，水环泵的工作水温控制在35℃以下，同时冷凝腔内工质凝结的设计温度为40-70℃，所述冷凝腔与蒸发腔的尺寸根据叶片尺寸进行设置，设置的蒸发腔能够通过降低叶片的温度，从而降低工作水温度。

实施例3

在实施例1-2的基础上，叶轮轴2内固定设置有压缩机21，所述压缩机21将叶轮轴2分为高压蒸汽腔与低压蒸汽腔，所述低压蒸汽腔设置有低压蒸汽流道22与蒸发腔33相连通，所述高压蒸汽腔设置有高压蒸汽流道23与冷凝腔31相连通，所述低压蒸汽流道22与蒸发腔33间设置有制冷工质流道34，叶轮轴2与叶片3一体成型设计，各个叶片蒸发腔33中吸热产生的蒸汽汇集至叶轮轴2内部的低压蒸汽流道中，低压蒸汽在压缩机21的作用下变成高温高压的蒸汽，最终经过高压蒸汽流道返回至各个叶片的冷凝腔31中放热变成高压液态工质，高压液态工质经过节流孔32在蒸发腔33内急速闪蒸成温度为5℃的低压气态工质，并通过蒸发腔33外壁吸收工作水7的热量，在进行工作时，叶片3上吸热段38吸收热量，使工作水7温度降低，从而提高水环泵的抽吸能力。

实施例4

在实施例1-3的基础上，所述压缩机21通过导线与外接电源相连，压缩机21上设置控制主板，所述控制主板通过信号传输线连接有控制器，所述控制器设置在水环泵壳体上，设置的控制器能够手动进行压缩机21的启动与关闭。

实施例5

在实施例1-4的基础上，叶片3叶尖设置有温度传感器，所述温度传感器通过导线连接在控制主板上，选用的温度传感器采用旋转表面专用温度传感器，设置的温度传感器能够实时检测工作水的温度，当工作水温度超过35℃时，压缩机21启动，叶轮轴2与叶片3内部组成的制冷系统开始工作，降低工作水的温度，提高水环泵的抽吸能力。

实施例6

在实施例1-5的基础上，所述节流孔32设置为减缩渐扩形，能够有效减少制冷工质的流动阻力。

本发明的工作过程如下：水环泵启动后，叶片3高速运转，工作水7在离心力作用下在壳体4内侧形成一个等厚度的封闭圆环，并且叶轮与水环之间形成一个月牙形空间，牙形空间内的腔室在经过膨胀→压缩过程时，抽吸气体8从抽气口5被吸入泵体内部，压缩成高压状态后沿着排气口6排出；当工作水温度超过35℃时，位于叶轮轴2内部的压缩机21启动，小型制冷系统开始投入工作，其工作工程为：制冷系统中的工质R22在叶轮轴2内部的压缩机21下升温升压至60℃的气态R22，气态的R22经过高压蒸汽流道23进入冷凝腔31中，60℃的R22通过冷凝腔31外壁与抽吸气体8进行热交换，60℃的R22冷凝成高压的液态R22，升温后的抽吸气体8沿着排气口6流出系统，将工作水7的热量排出，而不需要外加的循环冷却水系统，冷凝腔31和蒸发腔33之间设置有节流孔32，冷凝腔中高压液态R22在经过节流孔32后在蒸发腔33内急速闪蒸成温度为5℃的低压气态R22，并通过蒸发腔外壁向工作水7大量吸热，工作水7温度降低，而闪蒸产生的低压气态R22将沿着制冷工质流道34进入轴2内部的低压蒸汽流道22中，在压缩机21作用下再次被升温升压，完成一个循环。

在本说明书中所谈到的实施例，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。

尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变形和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (3)

1.一种具有内部制冷系统的水环泵，其特征在于：包括叶轮轴(2)、叶片(3)、泵体(4)，所述泵体(4)两端设置有密封端盖，叶轮轴(2)通过轴承偏心安装在泵体(4)的密封端盖上，且叶轮轴(2)一端伸出密封端盖与电机输出轴动力连接，所述叶片(3) 固定设置安装在叶轮轴(2)上，叶片(3)至少设置二个，所述的叶片（3）根据水环泵的尺寸进行设置，叶片（3）在水环泵工作过程中，叶片（3）顶端应浸入工作水至少1厘米；叶片（3）设置为中空结构，所述叶片（3）内部与叶轮轴（2）相连通；泵体(4)上设置有抽气口(5)与排气口(6)，所述叶轮轴(2)与叶片(3)内设置有小型制冷系统，小型制冷系统通过降低叶片（3）内部的温度，降低水环泵内工作水的温度；所述小型制冷系统包括设置在叶片(3)内部的冷凝腔(31)、节流孔(32)和蒸发腔(33)，所述冷凝腔(31)设置在靠近叶轮轴(2)一端，蒸发腔(33)设置在叶片内远离叶轮轴(2)一端，冷凝腔(31)与蒸发腔(33)通过节流孔(32)相连通；叶轮轴(2)内固定设置有压缩机(21)，所述压缩机(21)将叶轮轴(2)分为高压蒸汽腔与低压蒸汽腔，所述低压蒸汽腔设置有低压蒸汽流道(22)与蒸发腔(33)相连通，所述高压蒸汽腔设置有高压蒸汽流道(23)与冷凝腔(31)相连通，所述低压蒸汽流道(22)与蒸发腔(33)间设置有制冷工质流道(34)；

叶轮轴（2）与叶片（3）一体成型设计，各个叶片蒸发腔（33）中吸热产生的蒸汽汇集至叶轮轴（2）内部的低压蒸汽流道中，低压蒸汽在压缩机（21）的作用下变成高温高压的蒸汽，最终经过高压蒸汽流道返回至各个叶片的冷凝腔（31）中放热变成高压液态工质，高压液态工质经过节流孔（32）在蒸发腔（33）内急速闪蒸成温度为5℃的低压气态工质，并通过蒸发腔（33）外壁吸收工作水（7）的热量使工作水（7）温度降低。

2.根据权利要求1所述的一种具有内部制冷系统的水环泵，其特征在于：所述压缩机(21)通过导线与外接电源相连，压缩机(21)上设置控制主板，所述控制主板通过信号传输线连接有控制器，所述控制器设置在水环泵壳体上，设置的控制器手动进行压缩机（21）的启动与关闭。

3.根据权利要求2所述的一种具有内部制冷系统的水环泵，其特征在于：叶片(3)叶尖设置有温度传感器，所述温度传感器通过导线连接在控制主板上，当工作水温度超过35℃时，压缩机（21）启动，叶轮轴（2）与叶片（3）内部组成的制冷系统开始工作。

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