冷凝器泵是如何工作的？

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在大型工业设备中抽水蒸汽时，始终会涉及到一定数量的空气，这些空气要么是夹杂在蒸汽中，要么来自设备泄漏（以下有关空气和水蒸汽的探讨显然一般也适用于水蒸汽以外的其他蒸汽）。因此，冷凝器必须带气镇机械泵作为前级泵（参见图 2.41），而且冷凝器也要像罗茨泵一样，始终与前级泵结合使用。前级泵的作用包括抽除一部分的空气（这部分空气通常在水蒸汽混合物中仅占很小的比例），而不会同时抽取大量的水蒸汽。因此在静态条件下，如果不进一步考虑，会很难评估冷凝器和前级泵组合在粗真空区域内的流量比。只是简单地应用连续性方程还不够，因为它不再是一个连续的流量。这里要特别强调这一点。在实际应用中，当冷凝器-前级泵组合“不起作用”时，简单地认为是冷凝器出了故障或许并不合理。

图 2.41 带前级泵 (II) 的冷凝器 (I)，用于在粗真空范围 (III) 内抽除大量水蒸汽 - 节流量可调。

冷凝器入口
冷凝器排放口
见文本

冷凝器泵的应用

要抽大量水蒸汽时，冷凝器泵是非常经济的解决方案。一般来说，冷凝器由水进行冷却，以使冷凝器的温度低于水蒸汽的露点，同时保证经济的冷凝或抽气操作。但是，也可以使用盐水和制冷剂（NH₃、氟里昂）等作为冷却介质。

与带气镇的前级机械泵组合使用

在确定冷凝器和前级泵组合时，必须考虑以下几点：
a) 与水蒸汽同时抽的永久气体（空气）所占比例不应太大。当空气的分压超过冷凝器出口处全压的大约 5% 时，冷凝器表面的前侧就会产生明显的空气积聚，进而导致冷凝器无法达到其全部的冷凝容量（另请参阅“抽气过程（抽除可凝蒸汽）”页面上有关同时抽除气体和蒸汽的讲解。

b) 冷凝器出口处的水蒸汽压力（即前级泵入口侧压力）不应（永久性气体含量，更多详细信息见“抽气过程（抽除可凝蒸汽）”页面）大于所涉及的前级泵的水蒸汽耐受能力。若冷凝器出口处的水蒸汽分压预计较高（在实际应用中有时无法避免），则在冷凝器出口和前级泵入口之间加装一个节流阀可以方便地解决此问题。此节流阀的流导率应可变和可以调节（参阅页面：计算流导），以确保在完全节流的情况下，前级泵入口的压力不会高于水蒸汽耐受能力。此外，通过使用其他制冷剂或降低冷却水温度通常也能让水蒸气压力降至所需值以下。

要对冷凝器和前级泵组合进行数学评估，可以假设冷凝器中没有压力损失，冷凝器入口处的全压 p _{tot 1} 等于冷凝器出口处的全压 p _{tot 2} (2.23)

(2.23)

p_tot1= p_tot2

全压由空气的分压部分 pp 和水蒸汽的分压部分 pv 的总和构成：(2.23a)

(2.23a)

pp1 + pv1 = pp2 + pv2

由于冷凝器的作用，冷凝器出口处的水蒸汽压力 p_D2 始终低于入口处的压力；要满足式 (2.23)，出口处空气的分压 p_p2 必须高于入口处的分压 p_p1（参见图 2.43），即使没有节流阀时也是如此。

图 2.43 冷凝器中的压力分布示意图。实线表示冷凝器的实际状况，其存在小幅压降 (ptot 2 < ptot 1)。

虚线表示理想冷凝器的状况 (p_tot 2 ≈ p_tot 1)。p_D：水蒸汽分压，p_L：空气分压。

冷凝器入口
冷凝器出口

冷凝器出口处较高的空气分压 p_p2 是由空气积聚而产生的，只要出口处有空气积聚，就会产生稳定的流量平衡。前级泵（可能已节流）抽出的空气与从入口 (1) 通过冷凝器流入的空气一样多。

计算冷凝器和前级泵气镇的规格

所有计算均基于式 (2.23a)，但应提供有关所抽取的蒸汽和永久性气体的数量、成分和压力的信息。冷凝器和气镇泵的规格可以计算得出，事实上，二者的参数并非相互独立。图 2.42 举例显示了这种计算的结果，例中假设冷凝器的冷凝面积为 1 m²，入口压力 p_v1 为 40 mbar，如果永久性气体所占比例很小，则冷凝容量相当于 33lbs (15kg)/h 纯水蒸汽。管路过压为 3 bar，温度为 53.6°F (12°C) 时，每小时使用 1 m³ 的冷却水。前级泵所需具有的抽速取决于现有的工作条件，尤其是冷凝器的规格。根据冷凝器的效率，水蒸汽分压 p_v2 或多或少地高于饱和压力 pS。pS 与冷却剂的温度有关（通过温度为 53.6°F (12°C) 的水进行冷却时，p_S 将为 15 mbar（参见第 9 节中的表 13）。相应地，冷凝器出口处的空气分压 pp2 也会有所不同。当冷凝器较大时，p_v2 ≈ p_S，因此空气分压 pp₂ 较大，因为 pp · V = 常量，所涉及的空气量很小。因此，只需要使用一个相对较小的前级泵。但是，如果冷凝器较小，则会出现相反的情况：p_v2 > p_S · p_p2，这个值较小。这里需要使用一个相对较大的前级泵。由于使用冷凝器执行抽真空过程时，所涉及的空气量不一定恒定不变，而是可能在较宽或较窄的范围内不断变化，所要考虑的问题会更加复杂。因此，气镇泵在冷凝器处的有效抽速需要能够在一定的限值内进行调节。

图 2.42 冷凝器的冷凝能力（可用的冷凝表面积 1 m2）与水蒸汽进气压力 pD1 的函数关系。曲线 a：冷却水温度 53.6°F (12°C)。曲线 b：温度 77°F (25 °C)。过压为 3 bar 时，二者的消耗量均为 1 m3/h。

表 13 水在 -148°F (-100°C) ~ +284°F (+140°C1) 的温度范围内的饱和压力 ps 和蒸汽密度 eD

实际应用中冷凝器的使用注意事项

在实际应用中，通常会采取以下措施：

a) 节流段位于前级泵和冷凝器之间，在粗真空抽空过程中可能会被短接。节流段的流动阻力必须能够调节，以便泵的有效抽速可以降低至所需值。该值可使用“抽气过程（抽除可凝蒸汽）”页面上给出的公式计算。

b) 在用于粗真空抽取的大型泵旁边，会安装一个低速保持泵，其规格根据出现的最小空气量确定。此保持泵的目标只是为了在过程中保持最佳工作压力。

c) 所需的空气量通过可变漏率阀进入泵的进气管路。此额外的空气量起到增大气镇的作用，从而增加泵的水蒸汽耐受能力。但这种措施通常会导致冷凝器能力下降。此外，额外进入的空气量意味着额外的能耗和油耗的增加。由于冷凝器内空气分压过大会导致冷凝器效率降低，不应在冷凝器的前面进入空气，一般应在冷凝器的后面进入空气。

如果工艺的启动时间短于总运行时间，则在技术上最简单的方法就是使用粗抽泵和保持泵。条件变化较大的过程则需要加装可调的节流段，必要时还需要配备可调的进气口。
前级泵的进口侧始终存在一个水蒸汽分压 p_v2，该压力至少应与冷却液温度下的水饱和蒸汽压力一样大。在实际应用中，只有规格极大的冷凝器才可能实现这种理想情况（见上文）。

工作原理

在实际应用中，应根据所述的基本规则考虑以下两种情况：

抽取含有少量水蒸汽的永久性气体。在这种情况下，应根据抽除的永久性气体量来确定冷凝器-前级泵组合的规格。冷凝器只用于将前级泵进口处的水蒸汽压力降低到低于水蒸汽耐受能力的水平。
抽取含有少量永久性气体的水蒸汽。在这种情况下，为了让冷凝器高效工作，应让冷凝器中的永久性气体分压尽可能小。即使冷凝器中的水蒸汽分压应大于气镇泵的水蒸汽耐受能力，但一般来说，使用相对较小的气镇泵加上所需的节流，就足以抽走存在的永久性气体。

重要注意事项：在此过程中，如果冷凝器中的压力降至低于冷凝水的饱和蒸汽压力（取决于冷却水温度），则必须将冷凝器阻塞或至少隔离收集的冷凝水。如果不执行此操作，前级泵会再次抽出之前冷凝器中已经冷凝的蒸气

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