容积真空泵水蒸气容限的测量和研究
本文讨论了容积真空泵工作中解决水蒸气在泵内凝结的方法，如热泵技术、滑阀水环泵组合结构和气镇原理等。提出了相对于国际标准更完整、更确切的水蒸气容限和水蒸气抽出量的定义，论述了水蒸气容限测量方法的研究和进展，水蒸气容限的测量原理、测量程序以及测量评估。
在许多场合，容积真空泵所抽的气体中，或多或少含有水蒸气，有的工况下水蒸气还很多。如果不作任何处理，水蒸气被压缩后在排气阀打开前，就会在泵内凝结并与泵油混合，在吸气腔内再次蒸发，不但会严重影响泵的性能，如真空度和抽速，还可能对泵产生腐蚀。
1、解决水蒸气凝结的方法
在抽除含有水蒸气的气体时，为了避免水蒸气在泵内凝结，有多种方法可以采用：一种方法是采用热泵结构，也就是在油箱内设置油加热器，使泵始终工作在100℃~105℃的高温下，其特点是它可以工作在任何入口压力下而不会在泵内发生凝结，使用效果非常好。它的不足之处是需要采用耐高温的泵油，而且在加热器周围会产生局部过热区，因此必须用油泵使泵油快速通过，否则即使是耐高温的泵油也会局部产生结焦，时间长了将严重影响泵的正常工作。此外高温油长期工作在高温下，加速了油的氧化裂解，需要定期换油。
另一种方法是采用蒸气处理系统，它通常由滑阀泵(旋片泵)与水环泵组成，水环泵使滑阀泵上方的油箱内处于真空状态下，它的压力低于泵温下水的饱和蒸气压，使水蒸气不会在泵内和油箱内凝结，使用效果也非常好。蒸气处理系统有一个最大容许入口压力，它与泵温有关，泵温愈高，容许入口压力也越高；也与滑阀泵(旋片泵)与水环泵的配比有关，配比小，容许入口压力就高。但该系统必须解决滑阀泵(旋片泵)的进油问题，因为它的油箱内处于真空状态下，所以所选择油泵的吸入真空必须高于油箱内的真空度。根据我们的经验，常用的内啮合摆线油泵、油环泵和旋涡油泵，都满足不了上述要求。只有外啮合的齿轮油泵，它的吸入真空可达3×103 Pa，才能满足需要。
最常用最简单的方法是采用气镇，将定量的非可凝性气体通过气镇通道引入泵的压缩腔内，使水蒸气在未压缩凝结成水以前就排出泵外，气镇通道可用阀门控制。气镇量为泵抽速的(5~10)%，双级泵取小值，单级泵取大值。本文就气镇泵抽除水蒸气能力的测量方法进行讨论和研究。
2、水蒸气容限的定义
气镇的定义是：将适量的非可凝性气体(镇气)引入到压缩腔内，使泵内避免或减少在压缩腔中产生冷凝液的一种方法。测量气镇泵抽除水蒸气能力的方法有二种，一是测量水蒸气容限，二是测量水蒸气抽出量，最方便的是测量水蒸气容限，而水蒸气抽出量则可以通过测量所得的水蒸气容限来计算。
在DIN 28426-1：1983 《旋转真空泵验收规则》中，水蒸气容限被称作水蒸气允许压力，它的定义为：气镇真空泵在正常环境条件(20℃和1013 mbar)下连续运转能抽排水蒸气的最高入口压力。而在ISO 21360-2：2012《真空泵性能测量标准方法第2 部分：容积真空泵》中，水蒸气容限的定义为：在真空泵内未冷凝，可由真空泵传输的水蒸气压力的最大值。
我们认为这二种定义都不够完整，DIN28426-1：1983 中没有规定“运转时泵内不发生冷凝”，如试验中泵内发生了冷凝，测量就完全失去了意义。在ISO 21360-2：2012 中缺少了“标准环境条件下”的规定，大气压对泵的排气压力会产生影响，而如环境温度过低，将使水蒸气容限过低，甚至会导致两曲线(修正的排气温度~ 入口压力曲线与排气饱和温度~ 入口压力曲线)不相交，从而无法确定水蒸气容限；环境温度过高，会使水蒸气容限偏高，脱离实际运行条件。
我们认为完整而确切的水蒸气容限定义应为：标准环境条件(293 K，101325 Pa)下，连续运转时泵内不发生冷凝，所能抽除的水蒸气的最高入口压力。同样，水蒸气抽出量我们也给出了新的定义：标准环境条件(293 K，101325 Pa)下，连续运转时泵内不发生冷凝，单位时间内所能抽除的最大水蒸气的质量。
3、水蒸气容限测量方法的研究进展
水蒸气容限是容积真空泵一个非常重要的性能指标，而如何测量泵抽除水蒸气的能力是一个非常关键的问题。PNEUROP 早在1967 年版的“真空泵验收规则第1 部分变容真空泵”中就有水蒸气容限的测量方法，1979 年再版时纠正了漏排字句。
1976 年德国DIN 标准真空技术专业标准委员会对其中的“水蒸气抽出量”公式作了修改，将它作为德国标准(DIN 28426-1：1976)出版，1983年又进行了修订。
ISO 21360-2：2012 对DIN 28426-1：1983 中的“水蒸气允许压力的测量”方法作了重大修改，将原来以排气温度~ 入口压力曲线与B/S 曲线簇的交点来确定“水蒸气允许压力”，改变为以排气温度~ 入口压力曲线与排气饱和温度~ 入口压力曲线的交点来确定，名称也改称为“水蒸气容限”。
我们行业在此问题上一直没有引起足够重视，仅在《JB/T 6533—2005 旋片真空泵》的附录中附有“最大允许水蒸气入口压力和水蒸气允许量的测量”方法，并没有将它作为一个泵的主要性能指标来考核。国外大多数容积真空泵的性能数据中都有“水蒸气容限”或者“水蒸气抽出量”，而我们行业的容积真空泵中则几乎没有此类数据，即使有也只是引用国外数据，没有进行过测试和考核。
我们在接触制药行业和电力电容器行业时，已经遇到滑阀泵抽水蒸气的问题，因此早在1966年就对容积真空泵抽除水蒸气的能力进行过试探性研究，由于没有这方面的资料作参考，也没有任何经验可借鉴，因此试验进行得非常艰难，但也发现了一些值得探索和研究的问题。1988 年~1990 年我们按照DIN 28426-1：1983 对2H-30和H-150 二种滑阀泵进行了水蒸气容限测量的研究，在多种环境条件下进行了反复试验，从中得出了一些经验，又发现一些在执行中必须注意的问题。现在ISO 21360-2：2012 对水蒸气容限的测量方法作了重大修改，我们在研读标准文本时，发现标准文本还存在一些需要商确的地方，有必要在贯彻执行标准的同时，更进一步深入的研究和探讨，同时制订出我国的容积真空泵“水蒸气容限测量”标准。
4、水蒸气容限的测量原理
水蒸气容限如用水蒸气直接测量会很复杂。1966 年我们在对70L/s 滑阀泵做抽纯水蒸气试验时，由于条件限制，在没有试验方法(标准)的情况下初次做这种试验，因此试验的方案和设想都没有考虑周全，对气镇的认识也不够充分，泵内确曾发生了轻微的冷凝，但没有引起足够的重视，所以从现在的观点来分析，当时得到的试验数据是有一定偏差的。
后来我们曾对150 L/s 的滑阀泵做了抽纯水蒸气试验，也发现了一些问题，一是蒸气发生器的问题，对大中型泵而言，蒸发面积要很大，加热功率也要很大，才能充分满足蒸气量的需要；二是蒸发量(水蒸气抽出量)只能从蒸发器的水位变化来计算，不易准确测量；三是可能会在泵内引起很难察觉而不为人们所注意的凝结，从而影响水蒸气抽除量和水蒸气容限的测量。
从上述试验可以看出，用水蒸气直接测量会使测量过程异常复杂，诸多因素都影响着测量的进程，泵内发生轻微的水蒸气凝结又往往不易察觉，等到发现泵油中有水时，泵内水蒸气的凝结已经很严重了，因此国际上现行的水蒸气容限的测量(标准)都用空气来取代水蒸气，再通过换算来修正。
气镇泵抽除水蒸气须要消耗相对较高的功率，并也引起了泵温的升高，这将导致产生较高的饱和蒸气压，从而可以维持一个较高的水蒸气容限。这个引入泵中的相当的空气流量所引起的温升，与入口压力有关，可以被用来测定水蒸气饱和温度。由于在泵内的压缩过程中并没有与环境之间直接发生热交换，因此可以认为是绝热压缩。三原子的水蒸气(k=1.3333)与二原子的空气分子(k=1.4)有着不同的绝热指数，从压缩能量公式就可以看出他们有着不同的压缩功，所以必须对因使用空气来取代水蒸气而引起的温升进行修正，也就是对排气温度进行修正。泵排气温度的测量也取决于入口压力。
5、测量装置
1. 测试罩；2. 流量计(测量气镇流量B)；3. 试验泵；4. 进气阀；5. 湿度计(测量相对湿度%)；6. 真空计(测量入口压力p1)；7. 温度计(测量排气温度T2)；8. 压力表(测量排气压力)；9.气压表(测量大气压力)
图1 水蒸气容限的测量装置
8、测量评估
将修正后的排气温度~ 入口压力(T2cr~ p1)曲线与排气饱和温度~ 入口压力(T2s~ p1)曲线，画在一个纵坐标(直线坐标)为温度、横坐标(对数坐标) 为压力的图表里，T2cr~ p1 曲线与T2s~ p1线交点的横坐标值就是水蒸气容限。
9、结束语
ISO/FDIS 21360-2：2012 中有几处需要更正，其一，pa= φH2 O100pS ( T1)公式是错误的。在DIN28426-1：1983 有关水蒸气分压的描述中，指出空气在20℃ 和58%的相对湿度时，它的水蒸气分压pa=13.33 mbar。按上述数据推算，上述公式是不正确的，应该更正为pa=φH2 O pS(T1)，按我们的习惯写法应为pa=φpS ( φ 以%表示)。其二，在表1排气温度修正系数Wcr 中，p0/p1 应修改为αp0/p1，因为从能量公式(2)中可以看出，在计算排气温度修正系数Wcr 时， 它是不一致的。其三，ISO21360-2：2012 中，排气压力p2 与大气压力之间压差“应是±1 kPa”，是错误的，压差直接反映了排气管阻力的大小，所以应修改为“应小于1 kPa”。对于水蒸气容限的测量工作我们只是早一步做了一些工作，作了一些探索，有了一些体会，在此提出与关心这项工作的同行们一起研究和探讨。
