容積真空泵能效比的分析與測(cè)量

1、容積真空泵能效比的分析與測(cè)量 本文提出了真空泵的能效比概念，即消耗功率在泵運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)換成的體積流率，但在實(shí)際上，一個(gè)給定泵在規(guī)定條件下工作，能效比取泵特定工況時(shí)的體積流率與消耗功率之比。這是一種有關(guān)泵節(jié)能效益的全新的概念，文中全面分析了影響泵能效比的因素，提出了提高能效比的途徑，并提出了考核能效比的測(cè)量方法。 對(duì)真空泵而言，能效比是個(gè)新概念，初見于家電行業(yè)，其它行業(yè)很少有涉及。容積真空泵的能效比是初次提出，它能真實(shí)反映真空泵所消耗的能量與獲得的效益之間的密切關(guān)系，應(yīng)該成為容積真空泵最重要的性能指標(biāo)。 1、基本概念 能效按照物理學(xué)的觀點(diǎn)，是指在能源利用中發(fā)揮作用的與實(shí)際消耗的能源量之比。以空調(diào)

2、為例，空調(diào)的能效比，就是名義制冷量(制熱量)與運(yùn)行功率之比。通俗地說，能效比就是消耗同樣多的電所產(chǎn)生的效益有多少，能效越高的設(shè)備越省電。所以，能效比是衡量設(shè)備性能優(yōu)劣的重要參數(shù)?，F(xiàn)代意義的節(jié)能并不是減少使用能源，降低生活品質(zhì)，而應(yīng)該是提高能效，降低能源消耗能效的概念最早出現(xiàn)并流行于家電行業(yè)，我國(guó)20* 年開始推進(jìn)能效標(biāo)識(shí)政策，由于各種家電的工作原理不一樣，能效標(biāo)識(shí)上所標(biāo)內(nèi)容也有所差異。其中冰箱與空調(diào)的能效標(biāo)識(shí)較為簡(jiǎn)單，洗衣機(jī)能效標(biāo)識(shí)的內(nèi)容除了標(biāo)示洗衣機(jī)的耗電量之外，還包括用水量、洗凈比、洗滌容量，以及噪音等因素在內(nèi)，其中洗凈比指的是洗衣機(jī)的洗凈程度。此外，電磁爐、電風(fēng)扇、電飯鍋等小家電產(chǎn)品的能

3、效標(biāo)識(shí)，也大致與空調(diào)、冰箱的能效標(biāo)識(shí)相似，標(biāo)注的都是相應(yīng)的能效比數(shù)值。 以我們接觸和使用最多的空調(diào)而言，能效比通常是家用空調(diào)制冷能效比(EER)的代稱，是額定制冷量與額定功耗的比值。至于冷暖式家用空調(diào)還包含制熱能效比(COP)這個(gè)概念，它指的是額定制熱量與額定功率的比值。但是，就我國(guó)絕大多數(shù)地域的空調(diào)使用習(xí)慣而言，空調(diào)制熱只是冬季取暖的一種輔助手段，其主要功能仍然是夏季制冷，所以，我們一般所稱的空調(diào)能效比通常指的是制冷能效比EER，國(guó)家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也以此為劃定能效等級(jí)的依據(jù)。通俗地說，空調(diào)能效就是消耗同樣多的電所產(chǎn)生的冷氣/ 暖氣有多少，能效越高的空調(diào)越省電。所以，空調(diào)能效是衡量空調(diào)性能優(yōu)劣的重

4、要參數(shù)。 對(duì)于計(jì)算機(jī)顯示器來說，它的能效比是顯示器屏幕的發(fā)光亮度與實(shí)測(cè)輸入功率之比。因此對(duì)于不同的產(chǎn)品，能效比都有不同的定義。 2、真空泵的能效比 對(duì)真空泵而言，它的能效應(yīng)該是單位消耗功率在泵運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)換成的氣體量。而真空泵的氣體量是體積流率與壓力的乘積，通常大多數(shù)容積真空泵的實(shí)際工作的壓力范圍在1Pa105Pa之間，范圍變化太大，計(jì)算和表示也不夠簡(jiǎn)便。因此我們認(rèn)為，可以把真空泵的能效比定義簡(jiǎn)化為：?jiǎn)挝幌墓β试诒眠\(yùn)行過程中轉(zhuǎn)換成的體積流率。這樣雖然用體積流率取代了氣體量，但它并不影響對(duì)真空泵能效比的衡量和考核。 但在實(shí)際上，一個(gè)給定的真空泵在規(guī)定條件下工作，能效比取泵在特定工況時(shí)的體積流率

5、與消耗功率之比，單位為L(zhǎng)/(skW)?？梢钥闯觯苄П韧瑫r(shí)考核了泵的消耗功率和體積流率，以及二者之間的關(guān)系，成了考核真空泵節(jié)能效益的重要數(shù)據(jù)和項(xiàng)目，應(yīng)該成為現(xiàn)代真空泵最重要的特性指標(biāo)。 3、能效比考核時(shí)的特定工況 各種真空泵的構(gòu)造、工作原理不盡相同，所以它們的工作特性也各不相同，能效比衡量和考核時(shí)各種泵的特定工況也不一樣。在什么狀態(tài)下來衡量和考核能效比是需要研究和探討的問題，由于能效比涉及到消耗功率和體積流率這二個(gè)性能指標(biāo)，我們就可以在這二項(xiàng)性能曲線上尋找它的峰值范圍或者最大值所在的壓力區(qū)域，來作為衡量和考核能效比的特定工況。 滑閥泵、旋片泵、旋渦泵和往復(fù)泵的工作特性中， 它的消耗功率入口壓力

6、曲線中在(3.23.6)104Pa 之間消耗功率有最大值，則能效比可取泵在消耗功率最大時(shí)的入口壓力下的體積流率與消耗功率之比，因此它們的特定工況是：消耗功率最大時(shí)的入口壓力下。 爪式泵單級(jí)性能不好，通常都采用四級(jí)串聯(lián)方式。它的體積流率入口壓力曲線中在102Pa103Pa 之間有一駝峰，則它的能效比可取泵的入口壓力在102Pa103Pa 范圍內(nèi)的體積流率與消耗功率之比的平均值。因此它的特定工況是：入口壓力在102Pa103Pa 范圍內(nèi)。 羅茨泵、氣冷式羅茨泵和濕式羅茨泵有一個(gè)共同的特性指標(biāo)最大容許壓差，則能效比可取泵在最大容許壓差時(shí)的入口壓力(1103Pa)下的體積流率與消耗功率之比，因此它們的

7、特定工況是：最大容許壓差時(shí)的入口壓力下。注意，此入口壓力即為按GB/T25753.120* 測(cè)量羅茨泵最大容許壓差時(shí)的入口壓力(1103Pa)下。 螺桿泵的發(fā)展中，同時(shí)存在等螺矩螺桿泵和變螺矩螺桿泵，但變螺矩螺桿泵已成首選。由于是變螺矩，它就存在一個(gè)最大容許壓差(或稱最大容許入口壓力)，則它的能效比可取泵在最大容許壓差時(shí)，它的入口壓力下的體積流率與消耗功率之比。因此它的特定工況是：最大容許壓差時(shí)的入口壓力下。 水環(huán)泵的性能按JB/T 7255-20* 要求，它的氣量考核點(diǎn)為為4104Pa，但它的性能受水溫的影響非常大，因此它的特定工況可以規(guī)定為：入口壓力為4104Pa，水溫為15。但具體執(zhí)行起

8、來有一定困難，流量可以通過公式開展水溫的換算，但水溫變化時(shí)的功率變化目前還無法通過公式來換算，如果不采取一定的手段，就只能靠自然環(huán)境了，這就限制了能效比的測(cè)量和考核。我們?cè)鵀榇伺渲昧酥评湓O(shè)備和大型恒溫水箱，試驗(yàn)效果很好，能滿足要求。但使用率太低，因此水環(huán)泵能效比方何測(cè)量和考核，是一個(gè)值得商洽和研究的課題。 擴(kuò)散泵、擴(kuò)散噴射泵和分子泵不是容積泵，情況相對(duì)而言要復(fù)雜一些，但也應(yīng)可考核能效比，在此也一并提出一些參考意見，以供探討。擴(kuò)散泵標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，基本參數(shù)中的體積流率是入口壓力在310-3 Pa710-2 Pa 范圍內(nèi)測(cè)得的平均值， 則能效比可取泵的入口壓力在3 10-3 Pa710-2 Pa 范圍內(nèi)

9、的體積流率與消耗功率之比的平均值。 擴(kuò)散噴射泵標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，基本參數(shù)中的體積流率是入口壓力在1.3Pa 時(shí)測(cè)得的值，則能效比可取泵的入口壓力在1.3Pa 時(shí)的體積流率與消耗功率之比。 對(duì)分子泵而言，被抽氣體的分子量對(duì)泵的性能影響很大，因此選擇什么樣的試驗(yàn)氣體很重要。按GB/T 7774 規(guī)定，試驗(yàn)氣體應(yīng)為干燥空氣。在分子流的狀態(tài)下，分子泵的體積流率幾乎不變，當(dāng)氣體狀態(tài)不滿足分子流條件時(shí)(約210-1 Pa)，大部分的分子不能與輪葉直接碰撞，泵的體積流率將迅速下降。根據(jù)上述情況，分子泵衡量和考核能效比的特定工況應(yīng)選擇在分子流的狀態(tài)下，入口壓力大致可在10-1 Pa10-2 Pa 之間。 4、能效比的

10、測(cè)試 能效比的測(cè)試裝置如圖1 所示。 4.1、測(cè)量原理 圖1 能效比測(cè)試裝置 在特定工況的入口壓力下(或壓力范圍內(nèi))，泵溫穩(wěn)定后，測(cè)試泵的體積流率和消耗功率。在此壓力下(或壓力范圍內(nèi))的體積流率與消耗功率之比，即為泵的能效比。 4.2、測(cè)量程序 關(guān)閉微調(diào)閥和輔助進(jìn)氣閥，泵啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常后，開啟微調(diào)閥和輔助進(jìn)氣閥，將泵的入口壓力調(diào)整到：該型泵測(cè)量能效比所規(guī)定的“特定工況”下，并在此狀態(tài)下繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，待壓力和泵溫穩(wěn)定后，測(cè)試泵的體積流率和消耗功率。在“特定工況”的入口壓力下(或壓力范圍內(nèi))，泵的體積流率與消耗功率之比，即為泵的能效比。能效比的測(cè)量可與消耗功率的測(cè)量同時(shí)開展。能效比測(cè)量中最重要的是壓力和

11、泵溫的穩(wěn)定，測(cè)量中按“特定工況”調(diào)整好入口壓力以后，必須在此狀態(tài)下繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，一定要等待泵溫穩(wěn)定后，才能開展體積流率和消耗功率的測(cè)量。泵溫不但與壓力有關(guān)，更與消耗功率有密切關(guān)系，根據(jù)測(cè)算滑閥泵最大功率從壓力調(diào)整到泵溫穩(wěn)定，它的泵溫變化(上升)達(dá)2530，功率的下降率達(dá)8%左右。 5、提高能效比的探討 提高能效比的關(guān)鍵是降低能耗與提高抽氣效率，應(yīng)當(dāng)使單位消耗功率在泵運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)換成最多的氣體量。 5.1、降低能耗 根據(jù)測(cè)算，滑閥泵的功率損耗約在電機(jī)配套功率的2530%之間。而在根底壓力下運(yùn)轉(zhuǎn)，它的功率損耗更占了此狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)功率的6065%。功率損耗中最重要的是摩擦功的損耗，它包括了機(jī)械摩擦、液體摩

12、擦和氣體摩擦。 5.1.1、液體摩擦功耗的降低 減少液體摩擦可以降低摩擦功耗，例如從降低粘度的角度出發(fā)，可適當(dāng)選用低粘度泵油，在保證工作壓力的條件下適當(dāng)提高泵溫以降低泵油粘度，都可以降低功耗。泵油的運(yùn)動(dòng)粘度隨溫度的變化很大，如某廠V100 真空泵油的數(shù)據(jù)中，40時(shí)粘度為104.62mm2/s，100時(shí)粘度為11.63mm2/s。所以在保證工作真空度的條件下，適當(dāng)?shù)奶岣弑脺兀瑢?duì)降低消耗功率是大有益處的，通過對(duì)某泵的實(shí)驗(yàn)證明，把泵溫從50提高到70， 消耗功率可降低8%，而且更有利于可凝性蒸氣的抽除。 5.1.2、機(jī)械摩擦與撞擊功耗的降低 a、滑閥泵各相關(guān)部件的摩擦。在保證摩擦面足夠的條件下，減少

13、滑閥環(huán)與偏心輪之間的摩擦面；在導(dǎo)軌與滑閥桿之間改良為迷宮密封，既減少了摩擦面、又改善了密封條件。 b、軸承的潤(rùn)滑是非常重要的一環(huán)，少油或缺油都將導(dǎo)致不必要的磨擦損失和軸承的損壞，因此應(yīng)盡可能采用單獨(dú)供油或潤(rùn)滑脂。 c、軸承內(nèi)、外圈與相關(guān)零部件的配合過盈量要適當(dāng)，如過大將導(dǎo)致軸承內(nèi)、外圈滾道變形，產(chǎn)生過度擠壓、發(fā)熱和噪聲，使摩擦損失劇增。羅茨泵和滑閥泵軸大都屬于細(xì)長(zhǎng)軸，容易造成剛度缺陷，或者是兩軸承安裝中心線與泵軸中心線發(fā)生傾斜，都將使軸承內(nèi)、外圈軸心線發(fā)生傾斜，對(duì)那些非調(diào)心軸承來說，都會(huì)產(chǎn)生額外的摩擦損失和噪聲，所以對(duì)那些負(fù)荷較小的軸承，可以使用調(diào)心軸承或允許角度差稍大的軸承。 此外，一些轉(zhuǎn)動(dòng)

14、零部件，如軸、滑閥、偏心輪、皮帶輪和平衡輪的質(zhì)量都作用在軸承上，因此減少他們的質(zhì)量，就直接減少了軸承的摩擦功。皮帶的拉力也作用在軸承上，所以皮帶的張緊力要適當(dāng)。 d、中型油封的功耗約在0.050.15kW，應(yīng)適當(dāng)控制油封數(shù)量和軸徑尺寸公差上限。 e、減少導(dǎo)軌與滑閥桿之間的撞擊，這種現(xiàn)象主要出現(xiàn)在分體導(dǎo)軌上，在整體導(dǎo)軌上不很明顯。嚴(yán)格控制泵缸與滑閥、滑閥與偏心輪之間的間隙，以消除滑閥環(huán)對(duì)泵腔的撞擊，這種撞擊將導(dǎo)致噪聲增加35dB(A)，功耗也將異增。 f、防止發(fā)生氣蝕。容積真空泵中的油封泵具有發(fā)生氣蝕的必要條件，但通常由于條件不充分，而且程度又較輕，沒有發(fā)生破壞現(xiàn)象，所以不易被發(fā)現(xiàn)。 多年前，曾

15、在試制的920r/min、110L/s 的滑閥泵上發(fā)現(xiàn)噪聲異常、功率異增，懷疑是否發(fā)生了氣蝕。當(dāng)時(shí)僅運(yùn)轉(zhuǎn)6 個(gè)小時(shí)，拆檢后發(fā)現(xiàn)在滑閥環(huán)排氣側(cè)外園上出現(xiàn)許多淺淺的針孔，去除后再運(yùn)轉(zhuǎn)、拆檢，又繼續(xù)出現(xiàn)針孔，這才證明在滑閥泵史上首次發(fā)現(xiàn)了氣蝕破壞，而且運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間那么短，破壞又如此厲害，此前國(guó)內(nèi)外真空界從未有過這類報(bào)導(dǎo)。上述泵氣蝕發(fā)生時(shí)，噪聲增加了5dB，功率遞增了1.5kW，可見氣蝕對(duì)功耗和噪聲的影響有多大，因此大、中型油封泵的轉(zhuǎn)速不宜過高。液環(huán)泵不宜在根底壓力下工作，此時(shí)泵能耗最大，也最容易發(fā)生氣蝕，氣蝕破壞的程度要大大超過滑閥泵，氣蝕發(fā)生時(shí)功率劇增，噪聲異常，長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)將導(dǎo)致葉輪損壞、泵軸斷裂，除了

16、短時(shí)間測(cè)試外，應(yīng)絕對(duì)防止在根底壓力下運(yùn)行。 5.1.3、氣體摩擦功耗的降低 改善泵腔排氣流道形狀，應(yīng)通暢、無突變、盡量減少轉(zhuǎn)彎。油氣分離器中油氣分離主要是靠旋風(fēng)分離中油滴的能量損耗來到達(dá)的，因此它有一定的阻力損失，設(shè)計(jì)中一定要保證高效的油氣分離效果、又要盡量減少阻力損失，所以分離器必須要有足夠的通導(dǎo)能力，才能降低能耗而不影響抽氣效率。 5.1.4、減少壓縮功耗 壓縮功是不可防止的，有用的壓縮功是不可能人為減少的，它只隨入口壓力的變化而變化。要減少壓縮功只能從減少無用壓縮功著手。氣鎮(zhèn)所消耗的功率也是壓縮功，它取決于氣鎮(zhèn)量的大小。而氣鎮(zhèn)量又取決于被抽氣體中可凝蒸氣量的多少。所以應(yīng)該按被抽氣體中可凝

17、蒸氣的量來調(diào)節(jié)氣鎮(zhèn)量，這樣既能完全抽除掉可凝蒸氣，又能恰到好處的控制壓縮功的損耗和抽氣效率。 5.1.4.1、油封泵 a、真空泵油在泵中起了密封、潤(rùn)滑、冷卻和頂開排氣閥的作用，所以泵油參與了壓縮和摩擦，又減少了各零部件之間的摩擦。對(duì)于沒有設(shè)置油泵的滑閥泵，只要滑閥與泵蓋、中隔板之間的間隙適當(dāng)，泵的進(jìn)油量會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)。但如配有油泵，則油泵的流量必須經(jīng)過仔細(xì)核算，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，油量應(yīng)為(710)10-4 S(S 為泵的抽速L/s)，如油量過大，進(jìn)入泵后將使真空泵變成油泵，不但壓縮功增加，而且摩擦損失急劇增加。在保證潤(rùn)滑、密封和頂開排氣閥的前提下，應(yīng)適當(dāng)減少供油量。 b、增加排氣通道面積，降低排氣速度

18、，可明顯減少壓縮功。如某170L/s 滑閥泵的排氣速度從53m/s 降低到29m/s，在整個(gè)壓力工作范圍內(nèi)，功率降低了1kW 以上， 尤其顯著的是， 在2104Pa1105Pa 的最大功率范圍內(nèi)，均降低了3kW。 c、減少排氣閥彈簧力，降低了排氣壓力，也可以減少壓縮功。 d、真空泵油在低溫下的粘度非常大，一般在-12就會(huì)凝固，故有些單位將泵置于室外工作是不可取的。冬季我國(guó)許多地區(qū)氣溫都在0以下，這樣不但不利于泵的啟動(dòng)，而且泵在啟動(dòng)后的短時(shí)間內(nèi)，某些部位處于缺油或少油的狀態(tài)，容易造成泵的損壞，功耗也非常大。 5.1.4.2、液環(huán)泵 液環(huán)泵的供液量一定要按技術(shù)參數(shù)的要求，供水(液)量超過了規(guī)定，不但功耗會(huì)隨著供液量的增加而增加，而抽氣量則會(huì)隨著供液量的增加而減少；如供液量過大，液環(huán)真空泵變成了水(液)泵，功耗將劇增、而抽氣量則會(huì)降低到零。 5.2、提高抽氣效率 5.2.1、減少泄漏損失 泵的主體工作部件，無論是鑄件還是焊接件都必須檢漏，漏率必須在允許范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)動(dòng)軸的密封是泄漏的關(guān)鍵，既要防止空氣滲入泵內(nèi)，又要防止有這害氣體向外泄漏。當(dāng)然單純從密封角度來說磁傳動(dòng)是一種比較好的方式，但它有高溫退磁和自然退磁的問題。液力傳動(dòng)是一種傳動(dòng)功能優(yōu)越、密封性很好的傳