罗茨真空泵抽气系统

全全罗罗茨茨真真空空泵泵无无油油抽抽气气系系统统的的应应用用研研究究 马德宝真空设备集团有限公司 教授级高工 张宝夫 摘摘要要 罗茨真空泵是一种应用极为广泛的无油真空抽气设备 全罗茨真空泵可以组成大型无油 真空抽气系 统 满足近年来各行业对无油真空抽气系统越来越大的需要 但在应用过程中存在噪声 高 配套功率大 尤其是被抽介质产生氮氧化物 结焦物等场合时容易发生卡死等缺陷 根据罗茨真空泵 的特性 对全部由 罗茨真空泵组成的抽气系统的组成及性能作一介绍 运用现代设计技术和控制技术 分 析了产生这些缺陷 的原因 采取了相应的改进措施 对抽气系统如何实行智能化控制做了叙述 关关键键词词 罗罗茨茨泵泵 罗罗茨茨泵泵组组合合系系统统 噪噪声声 P PL LC C 变频 变频 一 背景和应用环境一 背景和应用环境 罗茨真空泵 这以后称为罗茨泵 及其组成的机组具有转速高 体积小 可在需要干式 的环境运行 组成较大抽气速率的泵组合机组等优点外 组成抽气系统的气冷罗茨泵还可以 在配带合适的电机及热交换器后可在任意的压力下起动 任意压差下运行 因此在 负载较 大 抽气时间要求短 粗真空至高真空均需要大抽速的多种场合如航空航天 电 力 钢 铁处理 医药化工等广泛地得到了应用 但组成全罗茨泵机组的巨大配套功率 巨大的噪声 等问题又使许多应用单位望而生畏 节能降耗 改善工作环境业已成为生产企业降低生产成 本 提 高 产 品 质 量 争取广大用户的重要手段 本文将根据罗茨泵的特性 介绍多种罗茨泵 的组合的性能 就如何更加合理地把大型全罗茨泵抽气系统应用于各行各业作一介绍 提出 了应用中的一些关键技术问题及其解决方法 促进应用行业的清洁生产 对抽气系统如何实 行智能化控制做了叙述 二二 罗罗茨茨泵泵工工作作原原理理特特性性 组成无油真空抽气系统的罗茨泵 主要可分为前级需要真空泵串联使用的 ZJ 型或 ZJP 型 普通罗茨泵和可以直排大气 或耐高压差 的 ZJQ 型气冷式罗茨泵两大类 2 1 ZJ 或或 ZJP 型型普普通通罗罗茨茨泵泵 普通罗茨泵已发展很长时间 是一种旋转式容积真空泵 其工作原理和罗茨鼓风机相似 利用两个 8 字形转子由传动比为 1 的一对齿轮带动 在泵壳中作彼此反向的同步旋转运动 转子间 转子与泵体间存在间隙 彼此无接触 如图一所示 图一 罗茨泵工作原理 Fig 1 Principle of Roots pump 2 2 ZJQ 型气冷罗茨泵型气冷罗茨泵 国内上世纪 90 年代开始发展起来的 ZJQ 型气冷罗茨泵 到现在技术和运行已日臻完善 具有配带合适的电机及热交换器后可在任意的压力下起动 任意压差下运行的优点 其工作 原理如图二所示 该系列泵可以单独使用 也可以与其他泵组成机组使用 可达到各种极限压力并在各个 入口压力下安全长期工作 2 mini ipad 移动硬盘拍立得百度书包 1 抽气口 2 返冷气口 3 泵排气口 4 冷媒出口 5 冷媒入口 6 转子 1 7 转子 2 8 泵体 9 热交换器 图二 气冷罗茨泵工作原理 Fig 2 Principle of Gas cooled Roots Pump 2 3 全罗茨泵抽气系统全罗茨泵抽气系统 各行各业的发展 对真空抽气系统的抽气速率的要求越来越大 而且又要真空系统实现 无油的真空抽气状态 如此大的抽气速率只有进行多台真空泵的组合才能得以实现 市场上 现有的干式真空泵如螺杆真空泵 爪式真空泵等的抽速特性和结构机理的限制 满足不了 很多场合的应用环境 用气冷罗茨泵作为前级泵后 可实现罗茨真空抽气系统的全无油条件 满足多种场合的应用要求 组成抽气系统的真空泵全部由罗茨泵组成的系统图如图三所示 根据工作压力和抽气速率等不同的需求工况 见 2 4 可以采用一级 二级 三级 四 级 五级甚至六级的全罗茨泵组合 也可以根据工况要求决定溢流阀 I 溢 流 阀 II 和 溢 流 阀 III 的取舍及其罗茨泵 II 是采用气冷罗茨泵还是普通罗茨泵 目前国内最大的单套全部由罗茨 泵组成的抽气系统的最大抽气速率可以达到 40000L s 1 进气阀门 2 压力传感器 3 入口充气阀 4 普通罗茨泵 I 5 温度传感器 6 罗茨泵 II 7 温度传感器 8 溢流阀 I 9 热交换器 I 10 罗茨泵 III 11 温度传感器 12 溢流阀 II 13 热交换器 II 14 罗茨泵 IV 15 温度传感器 16 溢流阀 III 17 热交换器 III 18 罗茨泵 V 19 温度传感器 20 热交换器 IV 21 单向阀 22 消声器 图三 全罗茨泵组成的系统图 Fig 3 Sketch of the Whole Roots Pump Combination System 2 42 4 全全罗罗茨茨泵泵组组合合抽抽气气系系统统的的性性能能 图四是六级全罗茨泵组合机组及其作其前级的五级 四级 三级 二级 一级罗茨泵或 机组的抽气速率 入口压力曲线 主泵为 ZJ40000 罗茨泵 此曲线还可以按不同的应用工况 进行调整 使之获得耗能低 效率高的全罗茨泵组合抽气系统 表一是一级至六级全罗茨泵 机组能达到的极限压力和建议的最低工作安全压力 图四 抽气速率 入口压力曲线 Fig 4 Curves of pumping speed Versus inlet pressure 表表一一 极极限限压压力力及及最最低低入入口口工工作作压压力力 Table 1 Ultimate pressure and lowest inlet pressure 级数级数 极限压力极限压力 PaPa 最低工作压力最低工作压力 PaPa 一级一级 1500015000 2500025000 二级二级 30003000 35003500 三级三级 5050 100100 四级四级 2 2 5 5 五级五级 0 10 1 0 50 5 六级六级 0 050 05 0 10 1 三三 应应用用中中的的研研究究内内容容及及解解决决办办法法及及效效果果 3 1 噪声问题噪声问题 图三所示全部采用罗茨泵组成的真空抽气系统 具有工作腔内完全干式运行的重 要特 点 但这型抽气系统目前不带消声器运行时的噪声高达 150dB A 带消声器噪声也要达到 98 110 dB A 尤其是抽气系统在接近极限压力附近工作时最后一 二级如图中的气冷罗茨 泵 V IV 由于承受的压差较大 罗茨泵在运行时气流会发出巨大的气动噪声 严重地干扰 工作环境 影响人们的身心健 康 为此通 过数值 模拟和 气流动 力流场 分析的 方法 研发了 具 有多维 曲面的 转子 3 改变 泵和转 子的结 构 缓 冲气流 的冲击 降低噪 声中影 响最大 强度 最高的 气冷罗 茨泵的 气动噪 声 其 次在泵 的排气 口设置 集阻性 和抗性 于一体 的排出 口消声 器 3 2 运运行行中中 的的压压缩缩 热热平平衡衡 问问题题 由于罗 茨泵在 运行过 程中内 部没有 压缩 因此在 入口压 力高 进排气 两侧压 差大的 工况 运行时 会产生 压缩热 为解决 压缩热 平衡问 题 在 全罗茨 泵组合 抽气系 统中 作为前 级的罗 茨泵 V VI 有时甚 至 III II 必须采 用 ZJQ 型气冷 式直排 大气罗 茨泵 与普通 罗 茨泵相 比 气 冷式直 排大气 罗茨泵 可以解 决压缩 热平衡 问题 罗茨泵 的压缩 功率为 前 前 S S S P P S S P S 2 1 1 1 1 2 P P PS A 其中 A 为压缩 功 单 位 k 为罗 茨泵的 压差 单位为 10 6 Pa P 2 罗茨 泵出口 压力 P 1 罗茨 泵入口 压力 S 罗茨 泵的抽 速 单 位为 m 3 s S 前 前级 泵的抽 速 单 位为 m 3 s 上式的 压缩功 A 将大部 分转化 为热量 以 ZJQ250 0 为例 当压差 5 32 10 4 Pa 时 其发热 功率为 A 5 32 10 4 10 6 2500 133 k W 如此 大的发 热功率 在实际 运行时 是依靠 配带一 只外置 的热交 换器把 热量带 走 经过冷 却的气 体部分 返回去 冷却转 子与泵 体 热交换 器面积 的大小 按需要 交换的 发热功 率计 算 4 3 3 配套功配套功 率率 如 3 2 所述 罗茨泵 的消耗 功率与 其抽速 及压差 成正比 在前级 抽气速 率 S 前 一定的 情 况下 其消耗 功率与 转子转 速具有 二次方 负载特 性 与入口 压力的 变化成 正比 随着入 口压 力的增 加而成 正比地 增加 而随着 转速的 降低而 快速的 降低 为了使 泵在运 行过程 中不使 电 机过载 通过变 频的方 法 在高的 入口压 力范围 降低电 机转速 而随着 入口压 力的降 低可以 不断提 高转速 提高有 效抽气 速率 达到既 可以降 低配套 功率又 可以缩 短抽气 时间提 高运行 效 率的目 的 3 4 热交换热交换 器泄漏器泄漏 问题问题 与气冷 罗茨泵 配套的 热交换 器有些 工况的 入口气 流温度 最高可 达 150 而 出口仅 仅在 40 左右 热交换 器冷却 管经常 因为受 热膨胀 发生变 形造成 泄漏 为防止 冷却管 变形泄 漏 设计研 发了一 种热交 换器芯 这种热 交换器 的芯可 以随温 度温差 的提高 可以在 壳体内 自由伸 缩 列 管在壳 内分布 均匀 气体在 热交换 器内能 够得到 充分冷 却而不 发生泄 漏 5 3 5 杂质倒杂质倒 入泵腔入泵腔 卡死气卡死气 冷罗茨冷罗茨 泵的问泵的问 题题 全罗茨 泵组合 最后一 级目前 有两种 方式 如图五 所示方 式 a 和方式 b 可以 使整个 罗茨 泵抽气 机组在 停泵时 泵不返 转 不 产生过 压 又 可防止 某些工 况抽气 系统抽 入的氮 氧化物 反应结 焦物等 杂质不 会倒入 泵腔 保障真 空抽气 系统的 正常运 行 但方式 b 噪声较 高 整套 机组运 行时将 达到 110dB A 左右 我们在 方式 a 的基础 上 作 了进一 步优化 和改进 首先 在返气 管路上 设置了 返流过 滤器 而在排 气管路 上设置 一只单 向阀 既使杂 质不会 倒入泵 腔 又可以 进一步 降低噪 声 6 a b 1 溢流阀 2 罗茨泵 3 温度传 感器 4 热交换 器 5 消声器 图五 最前级 气冷罗 茨泵的 组合方 式 Fig 5 The last backing pump combin ations 四四 罗罗 茨茨泵泵抽抽 气气系系统统 的的控控制制 采用 PLC 作为控 制系统 的一级 中枢 控制系 统各部 件的开 停 采 集现场 气流温 度 真 空 压力传 感器所 采集的 弱电信 号 将结果 反馈出 来进行 相应的 处理 根据实 时的负 载情况 控制 变频器 的频率 输出 在电机 负荷允 许的情 况