本文討論了容積真空泵工作中解決水蒸氣在泵內(nèi)凝結(jié)的方法，如熱泵技術(shù)、滑閥水環(huán)泵組合結(jié)構(gòu)和氣鎮(zhèn)原理等。提出了相對于國際標(biāo)準(zhǔn)更完整、更確切的水蒸氣容限和水蒸氣抽出量的定義，論述了水蒸氣容限測量方法的研究和進(jìn)展，水蒸氣容限的測量原理、測量程序以及測量評估。

　　在許多場合，容積真空泵所抽的氣體中，或多或少含有水蒸氣，有的工況下水蒸氣還很多。如果不作任何處理，水蒸氣被壓縮后在排氣閥打開前，就會在泵內(nèi)凝結(jié)并與泵油混合，在吸氣腔內(nèi)再次蒸發(fā)，不但會嚴(yán)重影響泵的性能，如真空度和抽速，還可能對泵產(chǎn)生腐蝕。

1、解決水蒸氣凝結(jié)的方法

　　在抽除含有水蒸氣的氣體時，為了避免水蒸氣在泵內(nèi)凝結(jié)，有多種方法可以采用：一種方法是采用熱泵結(jié)構(gòu)，也就是在油箱內(nèi)設(shè)置油加熱器，使泵始終工作在100℃~105℃的高溫下，其特點(diǎn)是它可以工作在任何入口壓力下而不會在泵內(nèi)發(fā)生凝結(jié)，使用效果非常好。它的不足之處是需要采用耐高溫的泵油，而且在加熱器周圍會產(chǎn)生局部過熱區(qū)，因此必須用油泵使泵油快速通過，否則即使是耐高溫的泵油也會局部產(chǎn)生結(jié)焦，時間長了將嚴(yán)重影響泵的正常工作。此外高溫油長期工作在高溫下，加速了油的氧化裂解，需要定期換油。

　　另一種方法是采用蒸氣處理系統(tǒng)，它通常由滑閥泵(旋片泵)與水環(huán)泵組成，水環(huán)泵使滑閥泵上方的油箱內(nèi)處于真空狀態(tài)下，它的壓力低于泵溫下水的飽和蒸氣壓，使水蒸氣不會在泵內(nèi)和油箱內(nèi)凝結(jié)，使用效果也非常好。蒸氣處理系統(tǒng)有一個最大容許入口壓力，它與泵溫有關(guān)，泵溫愈高，容許入口壓力也越高；也與滑閥泵(旋片泵)與水環(huán)泵的配比有關(guān)，配比小，容許入口壓力就高。但該系統(tǒng)必須解決滑閥泵(旋片泵)的進(jìn)油問題，因?yàn)樗�的油箱�?nèi)處于真空狀態(tài)下，所以所選擇油泵的吸入真空必須高于油箱內(nèi)的真空度。根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，常用的內(nèi)嚙合擺線油泵、油環(huán)泵和旋渦油泵，都滿足不了上述要求。只有外嚙合的齒輪油泵，它的吸入真空可達(dá)3×103 Pa，才能滿足需要。

　　最常用最簡單的方法是采用氣鎮(zhèn)，將定量的非可凝性氣體通過氣鎮(zhèn)通道引入泵的壓縮腔內(nèi)，使水蒸氣在未壓縮凝結(jié)成水以前就排出泵外，氣鎮(zhèn)通道可用閥門控制。氣鎮(zhèn)量為泵抽速的(5~10)%，雙級泵取小值，單級泵取大值。本文就氣鎮(zhèn)泵抽除水蒸氣能力的測量方法進(jìn)行討論和研究。

2、水蒸氣容限的定義

　　氣鎮(zhèn)的定義是：將適量的非可凝性氣體(鎮(zhèn)氣)引入到壓縮腔內(nèi)，使泵內(nèi)避免或減少在壓縮腔中產(chǎn)生冷凝液的一種方法。測量氣鎮(zhèn)泵抽除水蒸氣能力的方法有二種，一是測量水蒸氣容限，二是測量水蒸氣抽出量，最方便的是測量水蒸氣容限，而水蒸氣抽出量則可以通過測量所得的水蒸氣容限來計(jì)算。

　　在DIN 28426-1：1983 《旋轉(zhuǎn)真空泵驗(yàn)收規(guī)則》中，水蒸氣容限被稱作水蒸氣允許壓力，它的定義為：氣鎮(zhèn)真空泵在正常環(huán)境條件(20℃和1013 mbar)下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)能抽排水蒸氣的最高入口壓力。而在ISO 21360-2：2012《真空泵性能測量標(biāo)準(zhǔn)方法第2 部分：容積真空泵》中，水蒸氣容限的定義為：在真空泵內(nèi)未冷凝，可由真空泵傳輸?shù)乃�蒸氣壓力的最大值�?/p>

　　我們認(rèn)為這二種定義都不夠完整，DIN28426-1：1983 中沒有規(guī)定“運(yùn)轉(zhuǎn)時泵內(nèi)不發(fā)生冷凝”，如試驗(yàn)中泵內(nèi)發(fā)生了冷凝，測量就完全失去了意義。在ISO 21360-2：2012 中缺少了“標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下”的規(guī)定，大氣壓對泵的排氣壓力會產(chǎn)生影響，而如環(huán)境溫度過低，將使水蒸氣容限過低，甚至?xí)��?dǎo)致兩曲線(修正的排氣溫度~ 入口壓力曲線與排氣飽和溫度~ 入口壓力曲線)不相交，從而無法確定水蒸氣容限；環(huán)境溫度過高，會使水蒸氣容限偏高，脫離實(shí)際運(yùn)行條件。

　　我們認(rèn)為完整而確切的水蒸氣容限定義應(yīng)為：標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件(293 K，101325 Pa)下，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時泵內(nèi)不發(fā)生冷凝，所能抽除的水蒸氣的最高入口壓力。同樣，水蒸氣抽出量我們也給出了新的定義：標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件(293 K，101325 Pa)下，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時泵內(nèi)不發(fā)生冷凝，單位時間內(nèi)所能抽除的最大水蒸氣的質(zhì)量。

3、水蒸氣容限測量方法的研究進(jìn)展

　　水蒸氣容限是容積真空泵一個非常重要的性能指標(biāo)，而如何測量泵抽除水蒸氣的能力是一個非常關(guān)鍵的問題。PNEUROP 早在1967 年版的“真空泵驗(yàn)收規(guī)則第1 部分變?nèi)菡婵毡?rdquo;中就有水蒸氣容限的測量方法，1979 年再版時糾正了漏排字句。

　　1976 年德國DIN 標(biāo)準(zhǔn)真空技術(shù)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)委員會對其中的“水蒸氣抽出量”公式作了修改，將它作為德國標(biāo)準(zhǔn)(DIN 28426-1：1976)出版，1983年又進(jìn)行了修訂。

　　ISO 21360-2：2012 對DIN 28426-1：1983 中的“水蒸氣允許壓力的測量”方法作了重大修改，將原來以排氣溫度~ 入口壓力曲線與B/S 曲線簇的交點(diǎn)來確定“水蒸氣允許壓力”，改變?yōu)橐耘艢鉁囟葉 入口壓力曲線與排氣飽和溫度~ 入口壓力曲線的交點(diǎn)來確定，名稱也改稱為“水蒸氣容限”。

　　我們行業(yè)在此問題上一直沒有引起足夠重視，僅在《JB/T 6533—2005 旋片真空泵》的附錄中附有“最大允許水蒸氣入口壓力和水蒸氣允許量的測量”方法，并沒有將它作為一個泵的主要性能指標(biāo)來考核。國外大多數(shù)容積真空泵的性能數(shù)據(jù)中都有“水蒸氣容限”或者“水蒸氣抽出量”，而我們行業(yè)的容積真空泵中則幾乎沒有此類數(shù)據(jù)，即使有也只是引用國外數(shù)據(jù)，沒有進(jìn)行過測試和考核。

　　我們在接觸制藥行業(yè)和電力電容器行業(yè)時，已經(jīng)遇到滑閥泵抽水蒸氣的問題，因此早在1966年就對容積真空泵抽除水蒸氣的能力進(jìn)行過試探性研究，由于沒有這方面的資料作參考，也沒有任何經(jīng)驗(yàn)可借鑒，因此試驗(yàn)進(jìn)行得非常艱難，但也發(fā)現(xiàn)了一些值得探索和研究的問題。1988 年~1990 年我們按照DIN 28426-1：1983 對2H-30和H-150 二種滑閥泵進(jìn)行了水蒸氣容限測量的研究，在多種環(huán)境條件下進(jìn)行了反復(fù)試驗(yàn)，從中得出了一些經(jīng)驗(yàn)，又發(fā)現(xiàn)一些在執(zhí)行中必須注意的問題。現(xiàn)在ISO 21360-2：2012 對水蒸氣容限的測量方法作了重大修改，我們在研讀標(biāo)準(zhǔn)文本時，發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)文本還存在一些需要商確的地方，有必要在貫徹執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的同時，更進(jìn)一步深入的研究和探討，同時制訂出我國的容積真空泵“水蒸氣容限測量”標(biāo)準(zhǔn)。

4、水蒸氣容限的測量原理

　　水蒸氣容限如用水蒸氣直接測量會很復(fù)雜。1966 年我們在對70L/s 滑閥泵做抽純水蒸氣試驗(yàn)時，由于條件限制，在沒有試驗(yàn)方法(標(biāo)準(zhǔn))的情況下初次做這種試驗(yàn)，因此試驗(yàn)的方案和設(shè)想都沒有考慮周全，對氣鎮(zhèn)的認(rèn)識也不夠充分，泵內(nèi)確曾發(fā)生了輕微的冷凝，但沒有引起足夠的重視，所以從現(xiàn)在的觀點(diǎn)來分析，當(dāng)時得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)是有一定偏差的。

　　后來我們曾對150 L/s 的滑閥泵做了抽純水蒸氣試驗(yàn)，也發(fā)現(xiàn)了一些問題，一是蒸氣發(fā)生器的問題，對大中型泵而言，蒸發(fā)面積要很大，加熱功率也要很大，才能充分滿足蒸氣量的需要；二是蒸發(fā)量(水蒸氣抽出量)只能從蒸發(fā)器的水位變化來計(jì)算，不易準(zhǔn)確測量；三是可能會在泵內(nèi)引起很難察覺而不為人們所注意的凝結(jié)，從而影響水蒸氣抽除量和水蒸氣容限的測量。

　　從上述試驗(yàn)可以看出，用水蒸氣直接測量會使測量過程異常復(fù)雜，諸多因素都影響著測量的進(jìn)程，泵內(nèi)發(fā)生輕微的水蒸氣凝結(jié)又往往不易察覺，等到發(fā)現(xiàn)泵油中有水時，泵內(nèi)水蒸氣的凝結(jié)已經(jīng)很嚴(yán)重了，因此國際上現(xiàn)行的水蒸氣容限的測量(標(biāo)準(zhǔn))都用空氣來取代水蒸氣，再通過換算來修正。

　　氣鎮(zhèn)泵抽除水蒸氣須要消耗相對較高的功率，并也引起了泵溫的升高，這將導(dǎo)致產(chǎn)生較高的飽和蒸氣壓，從而可以維持一個較高的水蒸氣容限。這個引入泵中的相當(dāng)?shù)目諝饬髁克�引起的溫升，與入口壓力有關(guān)，可以被用來測定水蒸氣飽和溫度。由于在泵內(nèi)的壓縮過程中并沒有與環(huán)境之間直接發(fā)生熱交換，因此可以認(rèn)為是絕熱壓縮。三原子的水蒸氣(k=1.3333)與二原子的空氣分子(k=1.4)有著不同的絕熱指數(shù)，從壓縮能量公式就可以看出他們有著不同的壓縮功，所以必須對因使用空氣來取代水蒸氣而引起的溫升進(jìn)行修正，也就是對排氣溫度進(jìn)行修正。泵排氣溫度的測量也取決于入口壓力。

5、測量裝置

1. 測試罩；2. 流量計(jì)(測量氣鎮(zhèn)流量B)；3. 試驗(yàn)泵；4. 進(jìn)氣閥；5. 濕度計(jì)(測量相對濕度%)；6. 真空計(jì)(測量入口壓力p1)；7. 溫度計(jì)(測量排氣溫度T2)；8. 壓力表(測量排氣壓力)；9.氣壓表(測量大氣壓力)

圖1 水蒸氣容限的測量裝置

8、測量評估

　　將修正后的排氣溫度~ 入口壓力(T2cr~ p1)曲線與排氣飽和溫度~ 入口壓力(T2s~ p1)曲線，畫在一個縱坐標(biāo)(直線坐標(biāo))為溫度、橫坐標(biāo)(對數(shù)坐標(biāo)) 為壓力的圖表里，T2cr~ p1 曲線與T2s~ p1線交點(diǎn)的橫坐標(biāo)值就是水蒸氣容限。

9、結(jié)束語

　　ISO/FDIS 21360-2：2012 中有幾處需要更正，其一，pa= φH2 O100pS ( T1)公式是錯誤的。在DIN28426-1：1983 有關(guān)水蒸氣分壓的描述中，指出空氣在20℃ 和58%的相對濕度時，它的水蒸氣分壓pa=13.33 mbar。按上述數(shù)據(jù)推算，上述公式是不正確的，應(yīng)該更正為pa=φH2 O pS(T1)，按我們的習(xí)慣寫法應(yīng)為pa=φpS ( φ 以%表示)。其二，在表1排氣溫度修正系數(shù)Wcr 中，p0/p1 應(yīng)修改為αp0/p1，因?yàn)閺哪芰抗��?2)中可以看出，在計(jì)算排氣溫度修正系數(shù)Wcr 時， 它是不一致的。其三，ISO21360-2：2012 中，排氣壓力p2 與大氣壓力之間壓差“應(yīng)是±1 kPa”，是錯誤的，壓差直接反映了排氣管阻力的大小，所以應(yīng)修改為“應(yīng)小于1 kPa”。對于水蒸氣容限的測量工作我們只是早一步做了一些工作，作了一些探索，有了一些體會，在此提出與關(guān)心這項(xiàng)工作的同行們一起研究和探討。