Nguyên lý và cách tính toán lưu lượng Gas Ballast trong các dòng EDWARDS

Lịch sử hình thành

Van xả hơi nước (Gas Ballast) là một tính năng xây dựng được áp dụng rộng rãi trong nhiều máy bơm chân không sơ cấp để bơm hơi nước.
Wolfgang Gaede đã phát minh ra nguyên tắc van xả hơi nước vào năm 1935 và ban đầu được tập trung vào các máy bơm kín dầu sơ cấp. Van xả hơi nước rất hữu ích trong việc giảm mức độ ô nhiễm hơi trong dầu (và/hoặc các bộ phận khác) do đó kéo dài tuổi thọ dầu và ở mức cơ bản hơn cho phép bơm hoạt động khi có hơi ở gần đầy đủ thông số kỹ thuật. Nói một cách đơn giản, tùy thuộc vào tỷ lệ phần trăm hơi được làm mới trong tải được bơm, sau đó nếu không có khí ballast, máy bơm có thể ‘ngưng trệ’.

Cấu tạo của Gas Ballast trên máy EDWARDS

Một đại diện vật lý điển hình của cấu hình Gas Ballast được hiển thị dưới đây:

Nguyên tắc cơ bản của ballast là không khí trong khí quyển (hoặc CDA hoặc khí trơ) được đưa vào máy bơm trong giai đoạn nén (muộn) (như trên). Điều này làm tăng tỷ lệ khí không ngưng tụ sao cho áp suất riêng phần của hơi được bơm thấp hơn áp suất hơi bão hòa của nó khi van xả mở (thường ở áp suất 1,05 đến 1,2 bara). Điều này có nghĩa là hơi được xả ra khỏi bơm mà không bị hóa lỏng.
Công việc được thực hiện từ xả hơi nước có xu hướng tăng nhiệt độ hoạt động, điều này một lần nữa giúp xử lý hơi nước (như thể hiện trong phân tích dưới đây).
N.B. khi chúng ta nói về áp suất hơi, chúng ta thường nói đến áp suất hơi bão hòa.

Tính toán lưu lượng Gas Ballast trong máy EDWARDS

Công suất xử lý hơi tối đa (MVHC) của máy bơm là lượng hơi tối đa có thể được bơm mà không cần ngưng tụ trong máy bơm (như đã thảo luận ở trên); hơi được nén sao cho nó tránh được sự bão hòa tại điểm xả.

Công suất xử lý hơi nước tối đa (MWVHC) đề cập đến trường hợp xử lý hơi nước cụ thể và đây là một biện pháp được trích dẫn cho hiệu suất bơm và được sử dụng như một biện pháp tương đối.

Cân nhắc về nhiệt động lực học (xem tài liệu tham khảo) cho thấy rằng tốc độ dòng chảy khối lượng tối đa của hơi, w, mà không có sự ngưng tụ xảy ra trong bơm là:

Công thức 1

Trong đó:

Qb: là tốc độ dòng xả hơi nước (thường là không khí trong khí quyển)

M: là khối lượng mol của hơi

Pe: là áp suất tại ống xả (áp suất cần thiết để mở một van xả)

Psv: là áp suất hơi bão hòa (SVP) tương ứng với điểm lạnh nhất trong bơm (thường là điểm xả)

Ro: là hằng số khí

Tb: là nhiệt độ khí xả hơi nước (N.B. ảnh hưởng của độ ẩm khí ballast là nhỏ và thường bị bỏ qua)

Ví dụ 1

Tính toán MWVHC của máy bơm RV5 OSRV hoạt động ở nhiệt độ ước tính (tối thiểu) là 65oC. Ở nhiệt độ này SVP của nước là 250,1 mbar = 25 010 Pa

Bơm vòng dầu 2 cấp EDWARDS RV5

RV5 có hai cài đặt vận hành ballast khí:

GB1 là dòng khí quyển 5 slm và GB2 là dòng khí quyển ~ 16 slm @ 20oC

Cho GB1 Qb = 5 slm = 9,06 Pam3/s

Tb = 20oC =293K

Pe = 1200 mbar (áp suất mở khí thải) = 120 000 Pa

Psv = 250,1 mbar (áp suất hơi bão hòa ở nhiệt độ bên trong thấp nhất) = 25 010 Pa

Ro = 8,314 Jmole-1K-1

M = 0,018 kg/mol

Các con số được trích dẫn trong danh mục lần lượt là 0,06 kg/h và 0,22 kg/h đối với GB1 và GB2.

Ví dụ 2:

Có một công thức thay thế là:

Công thức 2

Trong đó:

Psv; Pe: được đo bằng mbar

V: là lưu lượng xả hơi nước tính bằng m3/h

Đối với ví dụ RV5 ở trên và trường hợp GB1: psv = 250,1 mbar, pe = 1200 mbar Đối với dòng chảy GB1 (khí quyển) 5 slm: V = 0,322 m3/h @ 20oC

điều này phù hợp với giá trị 63 g/h được tính bằng cách sử dụng công thức 1 và 60 g/h được trích dẫn trong danh mục.

Lưu ý rằng tốc độ của bơm không phải là yếu tố quyết định đến MWVHC. Tuy nhiên, nó ảnh hưởng đến mức độ suy giảm của áp suất đầu vào và áp suất hoạt động ở một tốc độ dòng hơi nhất định. Nhiệt độ hoạt động của bơm, áp suất mở van xả và tốc độ dòng khí ballast là những yếu tố chính trong việc tối đa hóa MWVHC.

Ví dụ 3

Dung sai hơi nước của máy bơm Pt là áp suất nạp cao nhất mà máy bơm xả hơi nước, trong điều kiện môi trường xung quanh bình thường (20oC, 1013.25 mbar) có thể bơm và xả hơi nước hoạt động liên tục (PNEUROP 6602, DIN 28426 và BS)

Như đã thảo luận trước đó, nếu bơm có thể dung nạp ngưng tụ thì dung sai thực tế sẽ cao hơn con số này.

Công thức 3

S: là tốc độ bơm ở lưu lượng nước tối đa
Ví dụ về lấy thông số của RV5, tính toán cho GB2

Không có van xả hơi nước: tỷ lệ áp suất hơi/khí vĩnh cửu cho phép

Trong trường hợp không có ballast khí được sử dụng, tỷ lệ cho phép Rp áp suất hơi/áp suất khí vĩnh viễn một phần để không có sự ngưng tụ xảy ra là:

Công thức 4

ví dụ cho máy RV5 ở trên:

Điều quan trọng cần lưu ý là các giá trị này đề cập đến khả năng của bơm để đối phó với hơi nước, không phải sự ngưng tụ. Máy bơm xoắn ốc nXDS/XDS có thể chịu được một số sự ngưng tụ trong cơ chế bơm, phần lớn là do sự lựa chọn vật liệu bịt kín đầu và thực tế là các vòng bi được bịt kín khỏi hơi trong quá trình vận hành.

Tổng kết

MWVHC không phụ thuộc vào tốc độ/độ dịch chuyển của bơm: Nhiệt độ hoạt động của bơm, áp suất mở van xả và tốc độ xả hơi nước là những yếu tố chính trong việc tối đa hóa MWVHC.
• Nguyên tắc ballast khí áp dụng cho bơm OSRV và có thể được áp dụng cho bơm cuộn do các cơ chế bơm cụ thể (và cấu hình xả).
• Van xả hơi nước cũng có thể được sử dụng ‘hồi cứu’ để tẩy rửa hơi ngưng tụ và hòa tan khỏi dầu/các vật liệu khác theo cơ chế của bơm.
• Nói chung, bơm phải được vận hành với chấn lưu và được phép đạt đến nhiệt độ đầy đủ (~30-60 phút) trước khi đưa bất kỳ hơi nước ngưng tụ nào vào. Tương tự, sau khi hơi đã được xử lý, bơm nên được vận hành trên GB trong 30-60 phút nữa trước khi tắt bơm (điều này ngăn ngừa sự ngưng tụ trong một bơm làm mát không chạy).
• Lưu lượng ballast nói chung là ~ 5% dịch chuyển không khí tự do đối với OSRV hai giai đoạn và 10% đối với OSRV một giai đoạn.
• RV5 GB1 = 5slm do đó ballast là ~ 0,32m3/h và đối với GB2 = 18 slm tốc độ là ~ 1,2 m3/h (ở áp suất khí quyển tiêu chuẩn).
• Điểm đầu vào GB: chấn lưu nên được đưa vào nơi ảnh hưởng ít nhất nhưng tránh sự ngưng tụ xảy ra trong quá trình nén.
• Khi sử dụng một bơm OSRV GB có thể cần một bộ hoàn trả dầu vì sẽ có hao hụt dầu.
• Cổng GB có thể được sử dụng như một điểm thuận tiện để pha loãng; điều này có thể là để giữ cho các vật liệu được xử lý
ra khỏi vùng dễ cháy, dưới mức độc tính và cũng giảm thiểu bất kỳ tác động ăn mòn nào. Tuy nhiên, lưu ý rằng mức độ pha loãng cần thiết để tránh xa phạm vi dễ cháy và độc tính thấp hơn vv có thể nhiều hơn mức cho phép thông qua cài đặt GB.
• Ảnh hưởng của độ ẩm ballast là nhỏ và bị bỏ qua nghiêm ngặt mặc dù chủ yếu đối với trường hợp bơm chạy ở nhiệt độ > 70oC.