水环真空泵抽饱和空气体积流量的计算公式推导及应用

　　本文就水环真空泵气量测定方法的国家标准中提出的计算饱和空气体积流量公式进行了推导并说明其应用条件，对已知饱和空气体积流量推算干空气体积流量的公式进行了推导。

　　水环真空泵(以下简称水环泵)体积流量的出厂检验国内都是抽环境空气检验，并以国家标准中规定的大气压力为101.325kPa、空气温度为20℃、相对湿度为70%(国外一般为50%)、补充水为15℃作为规定条件给出水环泵的体积流量和轴功率性能曲线。国外一般也都是抽环境空气检验。由于环境空气经调节阀节流后所含水蒸气分压力很小，所以国内外都视环境空气为干空气，即水环泵抽环境空气的性能曲线为抽干空气的性能曲线。图1 为我国国家标准GB/T 13929-2010 《水环真空泵和水环压缩机试验方法》中推荐的用环境空气测定体积流量的试验装置示意图。

　　由于许多应用工况，如电厂冷凝器抽真空系统是抽含饱和水蒸气的饱和空气，因此国内外许多水环泵的生产企业都提供了抽饱和空气的性能曲线。在德国工业标准DIN 28431《真空技术液环真空泵验收规则》中提供了抽含饱和水蒸气的环境空气试验系统装置示意图(图2)。我国国家标准GB/T 13930-2010《水环真空泵和水环压缩机气量测定方法》[2]附录B(资料性附录)中也推荐了与德国标准相似的试验装置示意图。水环泵体积流量的测定国内外一般都是用差压装置，如孔板、喷嘴、文丘里管等，这些差压装置都是按抽干空气标定(压力101.325kPa、温度20℃、湿度50%)，所以国家标准中提出了用推荐的测定装置测定的干空气体积流量推算饱和空气体积流量的公式：

图1 水环泵抽环境空气试验系统装置示意图

　　由饱和空气流量推算干空气流量目前国内大部分水环泵生产企业提供的技术指标都是在以下条件下得出的：大气压力为101.325kPa、进水温度15℃、吸入气体为20℃饱和空气即吸入状态下相对湿度为100%的湿空气。如果应用工况也为温度相近的饱和空气，可以按生产厂提供的饱和空气气量及轴功率性能曲线选型。但对于应用工况是抽干空气或含水蒸气量很小的气体，如利用环境空气变压吸附制氧、风洞试验、煤矿抽瓦斯气体、变压吸附脱碳与制氢等，这些工况条件如果按饱和空气性能曲线选型，在吸入压力15kPa 以下误差就比较大。因此要由已知的饱和空气体积流量Qstb 推算干空气体积流量，可得出大气压力为101.325kPa、进水温度为15℃、吸入气体为20℃的环境空气的体积流量。

　　由于进入泵内冷却水的温度为15℃，可认为20℃的饱和空气进入泵腔后全部被冷凝为15℃的饱和空气。由水环泵的工作原理可知，水环泵是容积式真空泵，体积流量是吸气终了位置的吸气截面积与该截面积气体平均流速的乘积，也即是说水环泵吸入气体为20℃饱和空气的性能曲线上的体积流量值是在泵内被冷凝为15℃的饱和空气体积流量Qstb，其中干空气的质量流量为：

　　(10)式中T15为热力学温度，即T15=273.15+15=288.15K，。由(10)式和(3)式可得出吸入压力为p1、温度为20℃、湿度为70%的干空气的体积流量的计算公式(推导从略)：

　　由(11) 式计算得出的15kPa 以下工况点的干空气体积流量与40kPa 工况点饱和空气体积流量(该工况点水蒸气分压力与总压力比值较小可近似认为与干空气体积流量相等)的比值与国外多个厂家的干空气体积流量性能曲线上15kPa 以下各点体积流量与40kPa 工况点体积流比比较接近，试验也已证明，因此可以用(11) 式由某一吸入压力下20℃的饱和空气体积流量值推算干空气体积流量值做参考选择真空泵。