水環(huán)式真空泵對(duì)凝汽器經(jīng)濟(jì)性的影響

1、水環(huán)式真空泵對(duì)凝汽器經(jīng)濟(jì)性的影響俞健，楊建明東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院江蘇南京 210096摘要分析了水環(huán)式其空泵的工作機(jī)理運(yùn)行特性、工作水溫度對(duì)抽氣能力的影響研究表明水環(huán)式真空泵的吸氣質(zhì)童流量與吸氣壓力成正比為此建立了更符合實(shí)際要求的水環(huán)式真空泵數(shù)學(xué)模型。分析了水環(huán)式真空泵的運(yùn)行特性及汽蝕特性，并給出了汽蝕的判 斷方法以及汽蝕余量的表達(dá)式。建立了大氣-水環(huán)式真空泵和凝汽器系統(tǒng)總的數(shù)學(xué)模型以研究分析提高凝汽器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平的途:徑。關(guān)鍵詞水環(huán)式真空泵；數(shù)學(xué)模理；吸氣容權(quán)流暑；吸氣質(zhì)童流運(yùn)；工作水溫；大氣抽氣君；凝汽器中圖分類(lèi)號(hào)TK264. 1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼文章編號(hào)A1002 - 3364(2009)10

2、 - 0029 - 041X)1編號(hào)10. 3969力.issn. 1002 一 3364. 2009. 10. 029MATHEMATICAL MODEL OF WATER - RING VACUUM PUMP AND ITSINFLUENCE UPON ECONOMIC EFFICIENCY OF THE CONDENSERYU Jian» YANG Jian 一 mingCollege of Energy ond Environment South -Chinn University.Nanjing 210096*Jiangsu ProvincePRCAbstract： 1&#

3、39;he working mechanismtperformance in operatioiuand the influence o£ working water pcraturc upon air extracting capability of the water ring vacuum pump have been analysed. Results of study show that the suction mass flow of said vacuum pump is proportional to irs suction pressure. Eor this,a

4、mathematical model of the water ring vacuum pump being more in line with the practical requirements has been established9the operation performance and cavitation behavior of the said vacuum pump being analysed,and the cavitation judging method and the expression formula of cavitation sur plus being

5、given. Establishing a whole mathematical model of the atmospheric 一 water ring vacuum pump and the condenser systemUhe more excellent ways for enhancing economic operation level of the condenser can be fully analysed.Key words： water ring vacuum pump； mathematical model； suction volume flow； suction

6、 mass flow? working water temperature；atmospheric air ejector；condenser1 水環(huán)式真空泵的數(shù)學(xué)模型水環(huán)式其空泵(簡(jiǎn)禰為水環(huán)泵)的理論吸氣容積流量為叫1.1水環(huán)式真空泵的理論吸氣容積流員V<» =2(R-r2)briaj= 2ebrzu> = 4e6心中(D熱能基礎(chǔ)硏究作者簡(jiǎn)介：俞儺（】983 -）刃東南大學(xué)能探與環(huán)境學(xué)院碩士研究生研讀方向?yàn)閯?dòng)力機(jī)械及工程. E-mail： jick-332391痕門(mén)友電二OO九力方數(shù)據(jù)熱能基礎(chǔ)研究黒門(mén)K電二OO九式中：Xh為理論吸氣容積流為泵體內(nèi)半 徑,m”：為葉輪半輕

7、,m#為葉輪軸向?qū)挾萴；s為葉 輪角速度.5-*為葉輪的回轉(zhuǎn)中心（丿與泵禿中心O 的距離»m；n為水環(huán)泵轉(zhuǎn)速tm/so出口進(jìn)口t&1-水環(huán)2吸氣口 3-排氣口 4 一梨體5-葉輪 圖1水環(huán)泵工作原理1.2水環(huán)泵的有效吸氣容積流量水壞泵工作時(shí)的有效吸氣容積流量為：Vr =廠皿（2）式中：m為修正系數(shù)，“VI。水環(huán)泵吸氣容積流嚴(yán)的影響因素：（1）葉輪插入工作水的深度將嚴(yán)亜?dòng)绊懳鼩馊莘e 流甌（2）空氣通過(guò)泵體腔室頂部a時(shí)，因?yàn)榕舝側(cè)圧 力高丁吸氣側(cè)壓力，空U會(huì)從排氣側(cè)向吸氣側(cè)泄漏；（3）空氣通過(guò)吸、排氣接口的空隙時(shí)引起的溢流損 失.（4）在一定的水環(huán)泵工作水溫和絕對(duì)壓力作用F， 引

8、起吸氣口腔室內(nèi)的工作水汽化。1.3工作水溫對(duì)水環(huán)泵有效吸氣容積流量的影響 當(dāng)丄作水溫不等于15 'C時(shí)，有效吸氣容積流量 為：VM. = V151（3）Pl pis式中：Q為吸氣壓力，內(nèi)；九為工作水溫s C時(shí)對(duì)應(yīng) 的飽和壓力為工作水溫15 C時(shí)對(duì)應(yīng)的飽和壓 力，為工作水溫15 C時(shí)對(duì)應(yīng)的有效吸氣容積流 量m' /min。由式（3）可知,水環(huán)泵的工作水溫由15 C升高、降 低時(shí)吸氣容積流量變?。晃鼩鈮毫w低其吸氣能力超差.1.4水環(huán)泵的數(shù)學(xué)模型用氣體狀態(tài)方程將水環(huán)泵的吸氣容積流艮轉(zhuǎn) 換成吸氣質(zhì)量流量：S Pb)VsktT式中:&為水環(huán)泵吸氣質(zhì)最流屋，kg/minj；為進(jìn)U

9、 口 水蒸久分壓力的飽和溫度，K；K為理想代體常數(shù)。由式（1）式（3）得出在不同轉(zhuǎn)速不同工作水溫 下水環(huán)泵的冇效吸氣容積流毀為：Vw = Annebri g rH（5）Pi 如由式（4）.（5）得岀水環(huán)泵的吸氣質(zhì)量流呈:G = Annebr2 PlPw X Pl Pv rH（6）K p 水環(huán)泵的壓縮功為：Pb = />iVJn（7）P式中：“2為水環(huán)泵排汽壓力，Pa。從式（7）可知半轉(zhuǎn)速升高時(shí)，水環(huán)泵的冇效吸氣 容積流帚增大，消耗的功率也變大，其效率相應(yīng)地降 低，水環(huán)泵的轉(zhuǎn)速越高，吸氣能力越強(qiáng)，凝汽器的真空 度則越高；水環(huán)泵的工作水溫升高，對(duì)應(yīng)的飽和壓力升 高水環(huán)泵的吸氣容積流就減少，則

10、凝汽器的真空度障 低，水環(huán)泵工作時(shí)，吸氣壓力高于它的極限吸氣壓力 4 kPa時(shí)，汽、氣混合物對(duì)應(yīng)的飽和溫度大于2& 9C C,而水環(huán)泵吸人的汽、“混合物設(shè)計(jì)溫度為20 I,如 果吸入的汽、氣混合物溫度越高，而T作水的溫度低于 混合物的溫度汽、氣混合物向工作水放熱，則工作水 溫度升高，使得吸氣容積流量減少，吸氣能力卜降。因 此汽、氣混介物的溫度與吸氣壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度溫 差越小水環(huán)泵的吸氣能力越差。1.5水環(huán)泵抽吸干空氣流星由道爾極定理知，水環(huán)泵工作水溫度為15 C時(shí)所抽吸氣質(zhì)就流雖中含干空氣流就為：Gr = 5 x （8）1 十 0.622 如 p干空氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：興=!-（9）1 +

11、 0. 622 如Pi從式（9）看出吸氣壓力越大，水壞泵吸氣質(zhì)量流呈及十空氣流屋越大干空氣的質(zhì)屋分?jǐn)?shù)也越大。1.6水環(huán)泵特性曲線Pi /kPaVc/m3 min 】G/kg min"1GR/kg min11619032.330.32019843.140.93021371.769.240224102.099.450228130.9128.254230143.0140.360230159.4156.770230186.8184.080227211.3208.690224235.2232.5表12BEC-50型水環(huán)泵的吸氣涼量254.8252.2不同旳號(hào)的水環(huán)泵，其吸氣容積流量曲線與水環(huán)

12、泵吸氣容腔和吸氣口的大小冇關(guān)：半吸氣口較小，吸氣 容腔相對(duì)較大時(shí)，隨著吸氣壓力增大，吸氣容積流量也 不斷增大；當(dāng)吸氣容腔相對(duì)較小時(shí)，隨看吸氣壓力增 大，吸氣容積流量增大到一定值時(shí)將充滿幣個(gè)容腔，再 増大吸氣壓力，吸氣容積流試將保持不變；吸氣口較 大，吸氣容腔相對(duì)較小時(shí)空氣充滿容腔即達(dá)到吸氣容 積流量保持不變的速度更快。當(dāng)吸氣壓力增大到一定 值時(shí)，由于吸氣容腔不變，而吸氣質(zhì)杲流吊繼續(xù)增加, 容腔內(nèi)的吸氣壓力勢(shì)必增加使得吸氣容積流療反而 滅小(表1),汽化產(chǎn)生汽泡.隨著T作水的流動(dòng)這些汽泡被帶判 高壓區(qū)。在高壓卜，汽泡突然破裂，蒸汽重新凝結(jié)，出 現(xiàn)空穴。這時(shí)周的工作水高速流向空穴，形成局部 高頻水

13、錘，在水環(huán)泵壓縮結(jié)束時(shí)，如果壓力仍然達(dá)不到排氣 口壓力(水壞泉沒(méi)有安裝橡皮球閥)，則泵腔外的冷卻 水將從排氣口溢流進(jìn)人泵腔內(nèi)使得腔內(nèi)的壓力突然 升高，發(fā)生汽蝕現(xiàn)彖.圖2為汽輪機(jī)凝汽器水環(huán)泵系統(tǒng)圖。水環(huán)泵冷卻 器的冷卻水與凝汽器冷卻水來(lái)口同一水源。凝汽器冷 卻水溫度為、冷卻器岀口的水壞泵工作水溫比冷卻 器冷卻水人ri溫度高(即冷卻器的前端差、工作水 在水環(huán)泵內(nèi)的溫升為$、則水環(huán)泵工作水溫為：tv2 = + &v + Mr(11)凝汽搟內(nèi)的凝結(jié)水溫度，亦即真空泵抽吸的空氣 蒸汽混合物溫度為：O =如 + & +(12)式中認(rèn)、分別為凝汽器的凝結(jié)水溫度、端差和冷 卻水在凝汽器內(nèi)的溫升

14、JC。力方數(shù)據(jù)力方數(shù)據(jù)熱能基礎(chǔ)硏究水環(huán)泵運(yùn)行時(shí)其吸氣溫度、工作水溫及吸氣容腔 保持不變，由氣體狀態(tài)方程pV=mKT可知，吸氣質(zhì) 量流R與吸氣壓力基本成止比，即：pj P =(10)根據(jù)吸氣質(zhì)量流雖勺吸氣容積流雖的關(guān)系可知.隨著吸氣壓力的增大，吸氣容積流駅開(kāi)始增大然后慢 慢減少。2水環(huán)泵的汽蝕2. I汽蝕產(chǎn)生的原因水環(huán)泵汽蝕產(chǎn)生的原因?yàn)楣ぷ魉退h(huán)泵壓 縮不足.水環(huán)泵工作時(shí)，泵內(nèi)局部區(qū)域的壓力降低到工作 水溫度相應(yīng)的飽和蒸汽壓力以下時(shí)則工作水將發(fā)生為r防止水環(huán)泵發(fā)生汽蝕運(yùn)行中通常要求水環(huán) 泵的吸氣壓力p、必須比工作水溫對(duì)應(yīng)的飽和壓力p、 至少高出0. 85 kPa畑,即內(nèi)工佻=伕+ 0. 8

15、5 kPa, 亦即無(wú)論水環(huán)泵的吸氣容積流量如何變化，水環(huán)泵的 最小吸氣壓力只能達(dá)到pv = A十085 kPa,否則水 環(huán)泵將產(chǎn)生汽蝕。由上述分析可見(jiàn)，防止水環(huán)泵汽蝕的條件為：& + $孑譏 + 少、+(13)式中活為考慮到壓力有0. 85 kPa富裕量后的飽和溫 度富裕量.則水環(huán)泵的汽蝕余嚴(yán)為：AT= (&+"-(&、+/+)(14)痕門(mén)友電二OO九顯然ay0是防止水環(huán)泵發(fā)生汽蝕的條件.由式 (14)可見(jiàn)，影響水環(huán)泵發(fā)生汽蝕的因素，凝汽器方面主 耍有族汽器端左冷卻水在凝汽器中的溫升"水環(huán)泵方面主要冇冷卻器的前端差&、和T作水住水環(huán) 泵內(nèi)的溫

16、升42.2防止水環(huán)泵汽蝕的措施（1）使進(jìn)、出水環(huán)泵的T作水溫足夠低，能夠獲得 所需的真空。（2）保持水環(huán)泵中足夠的工作水流雖，使得工作水 溫升最小化。（3）防止工作水的冷卻器被堵塞、臟污或漏空氣。（4）通過(guò)冷卻器的冷卻水要維持水環(huán)泵的入I水 溫。（5）適當(dāng)?shù)卣{(diào)幣真空溢流閥向水壞泵提供足夠的 空氣流最但放入空氣后會(huì)提高水環(huán)泵的吸氣樂(lè)力，影 響凝汽器的真空度，如果將大氣泵與水環(huán)泵聯(lián)合使用. 向水環(huán)泵中放入空氣后就不會(huì)影響凝汽器的真空。3大氣-水環(huán)式真空泵和凝汽器所組成 系統(tǒng)的總模型何=孟（18）抽氣器排氣壓力為：Pi =（吿）乂1+丹）仇（19）抽氣器的排氣流最為：G = Go+G（20）式中：久

17、為抽氣器排氣壓力卩"內(nèi)為大氣壓力，內(nèi)； 0鄧為抽氣器噴嘴喉部戌徑,cm；D;為抽氣器擴(kuò)壓段喉 部直徑cm。由水環(huán)泵建立的數(shù)學(xué)模型可知，當(dāng)冷卻水溫心齊 髙時(shí)飽和蒸汽溫度升高，對(duì)應(yīng)的飽和壓力升髙，凝 汽器真空變差。同時(shí)升高水環(huán)泵的丁作水溫也 升高，工作水溫對(duì)應(yīng)的飽和壓力升高則水環(huán)泵的吸氣 容積流來(lái)變小。閃此，凝汽器的真空度進(jìn)步變差，此 時(shí)裾耍提高水環(huán)泵的轉(zhuǎn)速，以提高水環(huán)泵的吸氣容秩 流量，改善擬汽器真空，4結(jié)論（1）通過(guò)建立水環(huán)泵數(shù)學(xué)模型，能準(zhǔn)確地反映水壞 泵的動(dòng)態(tài)特性為水環(huán)泵在電廠中的運(yùn)用提供了理論 依據(jù)。（2）為了防止水壞泵在汽輪機(jī)負(fù)荷及冷卻水溫麼 較低時(shí)出現(xiàn)汽蝕水環(huán)泵的吸氣壓力不能

18、低于其最小 吸氣壓力同時(shí)給出了水壞泵產(chǎn)生汽蝕的預(yù)防措施'（3）通過(guò)建立大氣-水環(huán)式真空泵和凝汽器所組成 系統(tǒng)的總模型優(yōu)化電廠凝汽器的運(yùn)行特性找到適合 凝汽器運(yùn)行的最優(yōu)工況，降低了水環(huán)泵的能耗。力方數(shù)據(jù)力方數(shù)據(jù)熱能基礎(chǔ)研究汽輪機(jī)排汽流量幾,凝汽器的漏空氣流量為G， 排汽壓力為俁，排汽溫度為耳，汽阻為"，由道爾頓足 律求得抽氣器所抽混合氣體的蒸汽和空氣的分壓力分別為黒門(mén)K電二OO九,“；，。6啦豈九=九=六1 +0. 622 守 1 +0. 622 守pl = Pk p則進(jìn)入抽氣器的吸久質(zhì)最流最為：G=（1 +。,622巧心k Pv抽氣器的大氣消耗流最為G。則引射系數(shù):(15)(16)(17)參考文獻(xiàn)1J W Hakim Faragnllah Liquid Ring Vacuum Pumps nnc Compressor