第四講：蒸汽流真空幫浦
[簡介]: 水蒸汽噴射幫浦是以靠從拉瓦爾噴咀中噴出的高速水蒸汽流來攜帶氣的，故有如下特點：
(1)該幫浦無機械運動部分，不受摩擦、潤滑、振動等條件限制，因此可製成抽氣能力很大的幫浦。工作可靠，使用壽命長。只要幫浦的結構材料選擇適當，對於排除具有腐蝕性氣體、含有機械雜質的氣體以及水蒸等場合極為有利。
(2)結構簡單、重量輕，占地面積小。(3)工作蒸汽壓力為4～9×105pa，在一般的冶金、化工、醫藥等企業中都具備這樣的水蒸汽源。
二、油擴散幫浦
1．概述
油擴散幫浦的工作原理與水蒸汽噴射幫浦相似，都是靠高速蒸汽射流來攜帶氣體以達到抽氣的目的，故有如水蒸汽噴射幫浦相似的特點。不同點是擴散幫浦工作在高真空區域，其工作壓強範圍為10-2～10-6pa。廣泛用於電子、化工、冶金、機械、石油及原子能等工業部門中。
2．油擴散幫浦的工作原理與結構
圖3是擴散幫浦的結構示意圖。當油蒸汽從傘形噴咀(如i級噴咀)以超音速噴出後，其速度逐漸增大，壓力及密度逐漸降低，射流上邊的被抽氣體a因密度差要向蒸汽射流中擴散並被射流攜帶到水冷的幫浦壁處b，在b處，工作蒸汽大部分被冷凝成油滴沿幫浦壁流回到油鍋中迴圈使用，而被抽氣體在b處堆積、壓縮，最後被下級射流攜帶走，以達到逐級壓縮，最後被前級幫浦抽走。其抽速特性曲線如圖4所示。
3．擴散幫浦的效能計算
(1)擴散幫浦的抽速s的計算[1]
(4)式中 ω——蒸汽射流的平均速度
r(l)、r(o)——分別表示幫浦筒與噴咀帽的直徑
a——蒸汽射流與幫浦壁的夾角
d——氣體在射流中的擴散係數
(2)擴散幫浦每級最大壓縮比(p2／p1)max的計算
(5)式中ω、d——意義同(4)
l——蒸汽射流長度
(3)蒸汽射流流譜的計算
擴散幫浦各級蒸汽射流的工作壓強範圍為10-2～l0-6pa，在這樣寬的領域裡，蒸汽流從連續流向滑流、過渡流、分子流過渡。用一種理論解決上述各種流態中的問題是很困難的。通常，在連續流領域裡，可用氣體動力學理論去處理，在分子流領域裡，可用分子流理論去處理。
然而，處理兩種流態之間的問題也是很困難的。為此，在處理蒸汽流問題之前，必須弄清楚所要處理的蒸汽流是屬於那種流態。
m．wutz建議用特徵碰撞數z大於10作為應用氣體動力學的判據[2]。
(6)式中c——油蒸汽分子的平均熱運動速度(cm／s)
l——蒸汽流中混合物分子的平均自由程，因射流中蒸汽分子密度nd》ng(混合物中空氣分子密度)，所以l可看成是蒸汽分子的平均自由程(cm)
l——蒸汽射流的長度(cm)
v——蒸汽射流的平均速度(cm／s)
工作蒸汽在噴咀內的流動，可用一維定常等熵流的公式去計算，而工作蒸汽在噴咀外的流動比較複雜，往往是膨脹波、微壓縮波和激波共存的複雜流場。
關於膨脹波的流場，可用下邊的普朗特——邁耶流公式求解。對左伸膨脹波系，其計算公式為：
（7）對於右伸膨脹波系，其計算公式為：
（8）上二式中θ——氣流方向角
λ——速度係數
k——氣體絕熱指數
c1，c2——積分常數
關於激波流場中的氣流引數，由下面諸公式計算。
（9）式中λ1——激波前的速度係數
λ2x——激波後的速度係數在x軸上的分量
λ2y——激波後的速度係數在y軸上的分量
k——氣體絕熱指數
(10)
(11)
(12)
上三式中p1、ρ1、t1及p2、ρ2、t2分別表示波前波後的壓力，密度及溫度
m1——波前氣流馬赫數
β——激波角
k——氣體絕熱指數。
根據膨脹波及激波流場中的諸計算式，可繪出擴散幫浦中各級射流流譜(如圖3中的i級噴咀流譜)。顯然，噴咀系統的幾何形狀、級間距離及壓縮比等對流譜和幫浦的效能有很大影響。為了確定較佳的噴咀形狀、級間距離及壓縮比，應繪出多種工況下的流譜，選出其中一組較佳資料為設計方案。
究竟選擇那種流譜為最佳方案，應考慮下述原則：
(1)各級射流不重疊。
(2)應保證第一級射流充分膨脹。
(3)保證第一級射流有足夠的長度，並且與幫浦壁的夾角應盡量小，以利於提高何氏係數。
同樣，第一噴咀上的擋油帽位置也應根據第一級射流流譜來確定，即擋油帽的軸向安裝位置應保證擋住第一級射流流線中垂直幫浦壁以上的分量。
三、油增壓幫浦(油擴散噴射幫浦)
1．概述
油增壓幫浦的工作原理與油擴散幫浦相似，因此具有相似的特點，並且應用領域也相似。只是油增壓幫浦工作壓強範圍比油擴散幫浦高(10～10-2pa)，所以油增壓幫浦除作主幫浦外，還可作油擴散幫浦的前級幫浦，起增壓作用。
2．油增壓幫浦的工作原理與結構
油增壓幫浦的結構示意圖如圖5所示。其工作原理與油擴散幫浦相似，仍然是以靠工作射流來攜帶氣體，達到抽氣目的。不同點是油增壓幫浦的射流主要是以靠被抽氣體與蒸汽射流之間的粘滯摩擦來攜帶氣體進行抽氣。
為使油增壓幫浦能在較高的壓強區域內工作，必須增大蒸汽射流強度(密度)，所以油增壓幫浦的加熱功率要比同容量的油擴散幫浦大得多。
圖6表示油增壓幫浦抽速特性曲線。
油增壓幫浦的效能計算公式與油擴散幫浦相似，不再贅述。
參考文獻
1. 真空獲得裝置．冶金出版社，1987．
2. 擴散幫浦蒸汽流的理論分析與計算．真空，1983，(3)
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