CN111156171A - 一种利用温差制冷自降温水环真空泵 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用温差制冷自降温水环真空泵，包括叶轮轴、叶片、壳体、进气口和排气口，叶轮轴偏心安装在壳体内部，进气口和排气口设置在壳体上，叶片安装在叶轮轴上，叶片顶端与工作液接触，内部低压封装有液态工质的降温装置耦合在叶片内部。本发明巧妙的耦合使得水环泵结构高度集成，完全摆脱了水环泵工作水严重依赖外置循环冷却系统，实现工作液热量的快速转移，并且可一直维持工作水在较低温度，直接提高了水环泵的抽吸能力。

Description

一种利用温差制冷自降温水环真空泵
技术领域
本发明属于水环真空泵技术领域，特别涉及一种利用温差制冷自降温水环真空泵。
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，叶轮被偏心安装在壳体内部。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，叶轮与水环间容积空间的扩大、收缩实现真空抽吸和排气过程，广泛应用于煤矿(抽瓦斯)、化工、制药、矿山、造纸等行业。
但是，水环真空泵最大的缺点是真空度低，这不仅是因为受到结构上的限制，更重要的是受工作液饱和蒸气压的限制。用水作工作液，极限压强只能达到2000～4000Pa。特别是在水循环真空泵需长时间连续作业时，水环泵内部工作液由于在叶片和壳体间摩擦生热，工作液温度会越来越高，工作液会快速闪蒸挤占抽吸空间，直接影响到水环泵的抽吸性能。夏季时，工作液温度甚至高达60℃，对应水的饱和压力仅20kPa，意味着水环泵的极限压力仅为20kPa，是水环泵实际使用中的最大劣势。工程上，为减少工作液温度对水环泵长时间运行的影响，普遍的做法是增设外置循环冷却水系统，为应对夏季工况，甚至采取制冷机组提供冷却水的方式。然而，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，水环泵工作水温度维持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利用温差制冷自降温水环真空泵，能够有效解决现有水环工作水温提高后，会严重恶化水环泵抽吸能力，以及需要额外增设外置循环冷却水系统的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
一种利用温差制冷自降温水环真空泵，包括叶轮轴、叶片、壳体、进气口和排气口，叶轮轴偏心安装在壳体内部，进气口和排气口设置在壳体上，叶片安装在叶轮轴上，叶片顶端与工作液接触，内部低压封装有液态工质的降温装置耦合在所述叶片内部。
优选的，所述降温装置包括蒸发腔、冷凝腔和制冷腔，所述制冷腔和所述蒸发腔均位于所述叶片顶端的内部且所述制冷腔位于最前端，所述冷凝腔位于叶片根部内；所述蒸发腔和所述冷凝腔之间用一套先收缩再扩压的文丘里管结构连通；所述制冷腔通过引流管线与所述文丘里管结构的喉部连通；所述制冷腔和所述冷凝腔通过第一回液管连通；所述蒸发腔和所述冷凝腔通过第二回液管连通。
优选的，所述液态工质是乙醇、甲醇或水。
优选的，所述第一回液管设置为膨胀阀或毛细管结构。
优选的，所述第二回液管靠近所述冷凝腔侧设计成喇叭形进口。
优选的，所述第二回液管中设置单向阀。
优选的，所述降温装置内部设置沟槽表面。
优选的，所述叶片外壁设置小型翅片。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明通过降温装置，将水环泵工作过程中的工作水温升通过蒸发吸热带走，通过耦合一套文丘里真空制冷装置，实现叶片末端制冷腔深度取热，进一步降低工作水温度，维持工作水温一直在较优的工作范围，解决了现有水环工作水温提高严重恶化抽吸能力的问题；
(2)本发明利用水环泵旋转的离心力，实现降温装置内部液态工质的补给，耦合真空泵吸收、排气过程实现热量的转移；
(3)本发明完全摆脱了水环泵工作水严重依赖具有复杂结构的外置循环冷却系统，整体结构紧凑，占地面积小，结构简单、运行可靠，没有任何转动部件，直接利用水环泵工作过程中工作液温度与抽吸“气体”的温差驱动降温过程。
附图说明
图1为本发明一实施例中水环真空泵的纵向截面图；
图2为本发明一实施例中叶片的轴向截面图。
图中，1-叶轮；2-叶轮轴；3-叶片；4-壳体；5-进气口；6-排气口；7-工作液；31-冷凝腔；32-扩压段；33-混合段；34-收缩段；35-蒸发腔；36-引流管线；37-制冷腔；38-第一回液管；39-第二回液管；40-取热段。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，一种利用温差制冷自降温水环真空泵，包括叶轮1、壳体4、进气口5和排气口6，叶轮1偏心安装在壳体4内部，进气口5和排气口6设置在壳体4上，叶轮1包括叶轮轴2和安装在叶轮轴2上的叶片3，叶片3顶端与工作液7接触，内部低压封装有液态工质的降温装置耦合在叶片3内部。
本实施例中，水环泵工作过程中叶片3顶端与工作液7接触，叶片3根部与抽吸工质接触的特点，通过在叶片3内部耦合一套温差驱动制冷系统，实现从叶片3顶端取热，在叶片3根部传递给抽吸的工质，最终压缩后排出水环泵。本发明巧妙的耦合使得水环泵高度集成，完全摆脱了水环泵工作水严重依赖具有复杂结构的外置循环冷却系统，实现工作液7热量的快速转移，并且可一直维持工作水在较低温度，直接提高了水环泵的抽吸能力。
如图2所示，降温装置包括蒸发腔35、冷凝腔31和制冷腔37，制冷腔37和蒸发腔35均位于叶片3顶端的内部且制冷腔37位于最前端，冷凝腔31位于叶片3根部内；蒸发腔35和冷凝腔31之间用一套先收缩再扩压的文丘里管结构连通；制冷腔37通过引流管线36与文丘里管结构的喉部连通；制冷腔37和冷凝腔31通过第一回液管38连通；蒸发腔35和冷凝腔31通过第二回液管39连通。
本实施例中，降温装置内部的压力为P0，对应液态工质的饱和沸点温度为T0。特别地，设计T0为水环泵工作水温设计得的最高温度。
工作过程中，由于叶片3旋转引入的离心力作用，工质聚焦在蒸发腔35和制冷腔37中。随着水环泵厂时间运行，壳体4内侧工作水环不断与叶片3和壳壁摩擦，工作水温度不断升高。当工作水温度T1高于降温装置启动温度T0时，得益于叶片3顶部的取热段40插在工作水环中，蒸发腔35内的液态工质受热蒸发，产生温度近乎等于T1，压力P1的气态工质，压力P1气态工质在经过收缩段34时流速不断增加，压力减小，在收缩-扩压过程喉部处速度最大，压力最低P2，通过引流管线36抽吸制冷腔37的蒸汽，在混合段33汇合后经过扩压段32时流速降低，压力增加到P3。喉部产生的低压真空，将在制冷腔37中产生强吸力，迫使制冷腔37内工质急速闪蒸，提升制冷腔37向外部工作水的取热能力，使得工作水温在设计范围之内。
由于叶片3根部冷凝腔31与水环泵抽吸进来的“低温气体”直接接触，流入冷凝腔31内的气态工质将热量释放给抽吸进来的“低温气体”，气态工质凝结成液态工质，一部分液态工质在离心力作用下沿着第二回液管39返回到蒸发腔35中完成一个循环；另一部分则通过第一回液管38减压后流入制冷腔37中，完成液体的再次分配。而吸热后的“低温气体”经过水环泵，最终经过排气口6排出。
整个装置依靠降温装置内部工质在蒸发腔35的吸热蒸发产生高压气态工质，驱动文丘里管产生真空，实现制冷腔37深度取热，全面降低工作水温度，提高水环泵的抽吸性能。
其中，降温装置内部封装的工质是乙醇、甲醇或水。
其中，为提高吸热段换热效率，叶片3顶端的取热段40应全部浸入工作水中。
其中，第一回液管38设置为膨胀阀或毛细管结构，起到减压节流作用，避免液态工质全部流入制冷腔37中。
其中，为增加凝结液从冷凝腔31回流至蒸发腔35中，充分利用叶片3告诉旋转离心力作用，第二回液管39靠近冷凝腔31侧可以设计成喇叭形进口；为防止回流，第二回液管39应设计单向阀。
其中，为强化蒸发和冷凝效果，降温装置内部可以是沟槽表面，叶片3外壁也可设计有小型翅片，以提高降温效果。
以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种利用温差制冷自降温水环真空泵，包括叶轮轴、叶片、壳体、进气口和排气口，叶轮轴偏心安装在壳体内部，进气口和排气口设置在壳体上，叶片安装在叶轮轴上，叶片顶端与工作液接触，其特征在于：内部低压封装有液态工质的降温装置耦合在所述叶片内部。
2.根据权利要求1所述的一种利用温差制冷自降温水环真空泵，其特征在于：所述降温装置包括蒸发腔、冷凝腔和制冷腔，所述制冷腔和所述蒸发腔均位于所述叶片顶端的内部且所述制冷腔位于最前端，所述冷凝腔位于叶片根部内；所述蒸发腔和所述冷凝腔之间用一套先收缩再扩压的文丘里管结构连通；所述制冷腔通过引流管线与所述文丘里管结构的喉部连通；所述制冷腔和所述冷凝腔通过第一回液管连通；所述蒸发腔和所述冷凝腔通过第二回液管连通。
3.根据权利要求2所述的一种利用温差制冷自降温水环真空泵，其特征在于：所述液态工质是乙醇、甲醇或水。
4.根据权利要求2所述的一种利用温差制冷自降温水环真空泵，其特征在于：所述第一回液管设置为膨胀阀或毛细管结构。
5.根据权利要求2所述的一种利用温差制冷自降温水环真空泵，其特征在于：所述第二回液管靠近所述冷凝腔侧设计成喇叭形进口。
6.根据权利要求2所述的一种利用温差制冷自降温水环真空泵，其特征在于：所述第二回液管中设置单向阀。
7.根据权利要求2所述的一种利用温差制冷自降温水环真空泵，其特征在于：所述降温装置内部设置沟槽表面。
8.根据权利要求2所述的一种利用温差制冷自降温水环真空泵，其特征在于：所述叶片外壁设置小型翅片。
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