羅茨真空泵抽氣系統(tǒng)

1、全羅茨真空泵無油抽氣系統(tǒng)的應(yīng)用研究 馬德寶真空設(shè)備集團(tuán)有限公司 教授級高工：張寶夫 摘要：羅茨真空泵是一種應(yīng)用極為廣泛的無油真空抽氣設(shè)備。全羅茨真空泵可以組成大型無油真空抽氣系統(tǒng)，滿足近年來各行業(yè)對無油真空抽氣系統(tǒng)越來越大的需要，但在應(yīng)用過程中存在噪聲高、配套功率大，尤其是被抽介質(zhì)產(chǎn)生氮氧化物、結(jié)焦物等場合時(shí)容易發(fā)生卡死等缺陷。根據(jù)羅茨真空泵的特性，對全部由羅茨真空泵組成的抽氣系統(tǒng)的組成及性能作一介紹，運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)和控制技術(shù)，分析了產(chǎn)生這些缺陷的原因，采取了相應(yīng)的改進(jìn)措施。對抽氣系統(tǒng)如何實(shí)行智能化控制做了敘述。 關(guān)鍵詞：羅茨泵；羅茨泵組合系統(tǒng)；噪聲；PLC；變頻 一、背景和應(yīng)用環(huán)境 羅茨真

2、空泵（這以后稱為羅茨泵）及其組成的機(jī)組具有轉(zhuǎn)速高、體積小、可在需要干式的環(huán)境運(yùn)行，組成較大抽氣速率的泵組合機(jī)組等優(yōu)點(diǎn)外，組成抽氣系統(tǒng)的氣冷羅茨泵還可以在配帶合適的電機(jī)及熱交換器后可在任意的壓力下起動，任意壓差下運(yùn)行，因此在負(fù)載較大；抽氣時(shí)間要求短；粗真空至高真空均需要大抽速的多種場合如航空航天、電力、鋼鐵處理、醫(yī)藥化工等廣泛地得到了應(yīng)用，但組成全羅茨泵機(jī)組的巨大配套功率、巨大的噪聲等問題又使許多應(yīng)用單位望而生畏。節(jié)能降耗、改善工作環(huán)境業(yè)已成為生產(chǎn)企業(yè)降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量、爭取廣大用戶的重要手段。本文將根據(jù)羅茨泵的特性，介紹多種羅茨泵的組合的性能，就如何更加合理地把大型全羅茨泵抽氣系統(tǒng)應(yīng)用

3、于各行各業(yè)作一介紹，提出了應(yīng)用中的一些關(guān)鍵技術(shù)問題及其解決方法，促進(jìn)應(yīng)用行業(yè)的清潔生產(chǎn)，對抽氣系統(tǒng)如何實(shí)行智能化控制做了敘述。 二、羅茨泵工作原理特性 組成無油真空抽氣系統(tǒng)的羅茨泵，主要可分為前級需要真空泵串聯(lián)使用的ZJ型或ZJP型普通羅茨泵和可以直排大氣（或耐高壓差）的ZJQ型氣冷式羅茨泵兩大類。 2.1 ZJ或ZJP型普通羅茨泵 普通羅茨泵已發(fā)展很長時(shí)間，是一種旋轉(zhuǎn)式容積真空泵，其工作原理和羅茨鼓風(fēng)機(jī)相似，利用兩個(gè)8字形轉(zhuǎn)子由傳動比為1的一對齒輪帶動，在泵殼中作彼此反向的同步旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，轉(zhuǎn)子間、轉(zhuǎn)子與泵體間存在間隙、彼此無接觸，如圖一所示。 圖一、羅茨泵工作原理 Fig.1 Principl

4、e of Roots pump 2.2 ZJQ型氣冷羅茨泵 國內(nèi)上世紀(jì)90年代開始發(fā)展起來的ZJQ型氣冷羅茨泵，到現(xiàn)在技術(shù)和運(yùn)行已日臻完善，具有配帶合適的電機(jī)及熱交換器后可在任意的壓力下起動，任意壓差下運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)。其工作原理如圖二所示。 該系列泵可以單獨(dú)使用，也可以與其他泵組成機(jī)組使用，可達(dá)到各種極限壓力并在各個(gè)入口壓力下安全長期工作2。mini ipad移動硬盤拍立得百度書包 1. 抽氣口； 2. 返冷氣口；3. 泵排氣口； 4. 冷媒出口；5.冷媒入口； 6. 轉(zhuǎn)子1； 7. 轉(zhuǎn)子2； 8. 泵體； 9. 熱交換器 圖二、氣冷羅茨泵工作原理 Fig.2 Principle of Gas-c

5、ooled Roots Pump 2.3 全羅茨泵抽氣系統(tǒng) 各行各業(yè)的發(fā)展，對真空抽氣系統(tǒng)的抽氣速率的要求越來越大，而且又要真空系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無油的真空抽氣狀態(tài)，如此大的抽氣速率只有進(jìn)行多臺真空泵的組合才能得以實(shí)現(xiàn)。市場上現(xiàn)有的干式真空泵如螺桿真空泵、 爪式真空泵等的抽速特性和結(jié)構(gòu)機(jī)理的限制，滿足不了很多場合的應(yīng)用環(huán)境，用氣冷羅茨泵作為前級泵后，可實(shí)現(xiàn)羅茨真空抽氣系統(tǒng)的全無油條件，滿足多種場合的應(yīng)用要求，組成抽氣系統(tǒng)的真空泵全部由羅茨泵組成的系統(tǒng)圖如圖三所示。 根據(jù)工作壓力和抽氣速率等不同的需求工況（見2.4），可以采用一級、二級、三級、四級、五級甚至六級的全羅茨泵組合，也可以根據(jù)工況要求決定溢流閥

6、I、溢流閥II、和溢流閥III的取舍及其羅茨泵II是采用氣冷羅茨泵還是普通羅茨泵，目前國內(nèi)最大的單套全部由羅茨泵組成的抽氣系統(tǒng)的最大抽氣速率可以達(dá)到40000L/s。 1. 進(jìn)氣閥門 2. 壓力傳感器 3. 入口充氣閥 4. 普通羅茨泵I 5. 溫度傳感器 6. 羅茨泵II 7. 溫度傳感器 8. 溢流閥I 9. 熱交換器I 10. 羅茨泵III 11. 溫度傳感器 12. 溢流閥II 13. 熱交換器II 14. 羅茨泵IV 15. 溫度傳感器 16. 溢流閥III 17. 熱交換器III 18. 羅茨泵V 19. 溫度傳感器 20. 熱交換器IV 21. 單向閥 22. 消聲器 圖三、全羅

7、茨泵組成的系統(tǒng)圖 Fig. 3 Sketch of the Whole Roots Pump Combination System 2.4 全羅茨泵組合抽氣系統(tǒng)的性能 圖四是六級全羅茨泵組合機(jī)組及其作其前級的五級、四級、三級、二級、一級羅茨泵或機(jī)組的抽氣速率入口壓力曲線，主泵為ZJ40000羅茨泵。此曲線還可以按不同的應(yīng)用工況進(jìn)行調(diào)整，使之獲得耗能低、效率高的全羅茨泵組合抽氣系統(tǒng)。表一是一級至六級全羅茨泵機(jī)組能達(dá)到的極限壓力和建議的最低工作安全壓力。 圖四、抽氣速率入口壓力曲線 Fig.4 Curves of pumping speed Versus inlet pressure 表一、極限壓

8、力及最低入口工作壓力 Table 1. Ultimate pressure and lowest inlet pressure 級數(shù) 極限壓力 Pa 最低工作壓力 Pa 一級 15000 25000 二級 3000 3500 三級 50 100 四級 2 5 五級 0.1 0.5 六級 0.05 0.1 三、應(yīng)用中的研究內(nèi)容及解決辦法及效果 3.1 噪聲問題 圖三所示全部采用羅茨泵組成的真空抽氣系統(tǒng)，具有工作腔內(nèi)完全干式運(yùn)行的重要特點(diǎn)，但這型抽氣系統(tǒng)目前不帶消聲器運(yùn)行時(shí)的噪聲高達(dá)150dB(A)，帶消聲器噪聲也要達(dá)到98110 dB(A)，尤其是抽氣系統(tǒng)在接近極限壓力附近工作時(shí)最后一、二級如圖

9、中的氣冷羅茨泵V、IV，由于承受的壓差較大，羅茨泵在運(yùn)行時(shí)氣流會發(fā)出巨大的氣動噪聲，嚴(yán)重地干擾工作環(huán)境，影響人們的身心健康。為此通過數(shù)值模擬和氣流動力流場分析的方法，研發(fā)了具有多維曲面的轉(zhuǎn)子3，改變泵和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，緩沖氣流的沖擊，降低噪聲中影響最大、強(qiáng)度最高的氣冷羅茨泵的氣動噪聲，其次在泵的排氣口設(shè)置集阻性和抗性于一體的排出口消聲器。 3.2 運(yùn)行中的壓縮熱平衡問題 由于羅茨泵在運(yùn)行過程中內(nèi)部沒有壓縮，因此在入口壓力高、進(jìn)排氣兩側(cè)壓差大的工況運(yùn)行時(shí)，會產(chǎn)生壓縮熱，為解決壓縮熱平衡問題，在全羅茨泵組合抽氣系統(tǒng)中， 作為前級的羅茨泵V、VI有時(shí)甚至III、II必須采用ZJQ型氣冷式直排大氣羅茨泵，

10、與普通羅茨泵相比，氣冷式直排大氣羅茨泵可以解決壓縮熱平衡問題。羅茨泵的壓縮功率為 ）（）（前前SSSPPSSPS211112-=-=-=D=PPPSA其中A為壓縮功，單位k。 D為羅茨泵的壓差，單位為10-6Pa ， P2：羅茨泵出口壓力， P1：羅茨泵入口壓力， S：羅茨泵的抽速，單位為m3/s ， S前：前級泵的抽速，單位為m3/s 上式的壓縮功A將大部分轉(zhuǎn)化為熱量。 以ZJQ2500為例，當(dāng)壓差D=5.32´104 Pa時(shí),其發(fā)熱功率為A=5.32´104´10-6´2500 =133(kW)，如此大的發(fā)熱功率在實(shí)際運(yùn)行時(shí)是依靠配帶一只外置的熱交換

11、器把熱量帶走，經(jīng)過冷卻的氣體部分返回去冷卻轉(zhuǎn)子與泵體，熱交換器面積的大小按需要交換的發(fā)熱功率計(jì)算4。 3.3配套功率 如3.2所述，羅茨泵的消耗功率與其抽速及壓差成正比，在前級抽氣速率S前一定的情況下，其消耗功率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速具有二次方負(fù)載特性，與入口壓力的變化成正比，隨著入口壓 力的增加而成正比地增加，而隨著轉(zhuǎn)速的降低而快速的降低。為了使泵在運(yùn)行過程中不使電機(jī)過載，通過變頻的方法，在高的入口壓力范圍降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，而隨著入口壓力的降低可以不斷提高轉(zhuǎn)速提高有效抽氣速率，達(dá)到既可以降低配套功率又可以縮短抽氣時(shí)間提高運(yùn)行效率的目的。 3.4 熱交換器泄漏問題 與氣冷羅茨泵配套的熱交換器有些工況的入口氣流

12、溫度最高可達(dá)150，而出口僅僅在40左右，熱交換器冷卻管經(jīng)常因?yàn)槭軣崤蛎洶l(fā)生變形造成泄漏，為防止冷卻管變形泄漏，設(shè)計(jì)研發(fā)了一種熱交換器芯，這種熱交換器的芯可以隨溫度溫差的提高可以在殼體內(nèi)自由伸縮，列管在殼內(nèi)分布均勻，氣體在熱交換器內(nèi)能夠得到充分冷卻而不發(fā)生泄漏5。 3.5雜質(zhì)倒入泵腔卡死氣冷羅茨泵的問題 全羅茨泵組合最后一級目前有兩種方式，如圖五所示方式a和方式b，可以使整個(gè)羅茨泵抽氣機(jī)組在停泵時(shí)泵不返轉(zhuǎn)、不產(chǎn)生過壓，又可防止某些工況抽氣系統(tǒng)抽入的氮氧化物、反應(yīng)結(jié)焦物等雜質(zhì)不會倒入泵腔，保障真空抽氣系統(tǒng)的正常運(yùn)行。但方式b噪聲較高，整套機(jī)組運(yùn)行時(shí)將達(dá)到110dB(A)左右。我們在方式a的基礎(chǔ)上，作了進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)，首先在返氣管路上設(shè)置了返流過濾器，而在排氣管路上設(shè)置一只單向閥，既使雜質(zhì)不會倒入泵腔，又可以進(jìn)一步降低噪聲6。 （a） （b） 1. 溢流閥 2. 羅茨泵 3.溫度傳感器 4. 熱交換器 5. 消聲器 圖五、最前級氣冷羅茨泵的組合方式 Fig.5 The last backing pump combinations 四、羅茨泵抽氣系統(tǒng)的控制 采用PLC作為控制系統(tǒng)的一級中樞，控制系統(tǒng)各部件的開停，采集現(xiàn)場氣流溫度、真空壓力傳感器所采集的弱電信號，將結(jié)果反饋出來進(jìn)行相應(yīng)的處理。根據(jù)實(shí)時(shí)的負(fù)載情況控制變頻器的頻