使用隔膜泵时改变入口条件的影响

当隔膜泵等变容泵传输气体时,进气侧的条件对泵的性能至关重要。

无论何时使用气体泵,对流量都有一定的要求。如上一篇博文所示,流量可以用体积流量或质量流量来表示。为了获得最高的可靠性和精度,KNF 气体泵的流量是通过质量流量计测量,然后转换为体积流量。该体积流量是根据 ISO 8778 标准在 20 °C (293.15 °K,68 °F) 和 1,000 mbar 绝对压力 (14.5 psi, 750.06 torr) 条件下指定。

实际应用

规定的条件并不能对应大多数应用中使用的工作点。试想一种需要非常精确的气体质量流量的应用。在这种应用中,一个装满气体的罐子会被存放在室外。储气罐的出口连接到一台泵,泵将气体传输到一台设备。该设备需要恒定的气体质量流量。因此,质量流量是直接在泵之后、泵和设备之间进行测量。室外储气罐受强烈的季节性温度变化影响。储气罐中的压力和设备中的压力始终保持恒定,从而使泵的入口和出口压力保持恒定。

 

在一年中,尽管泵的入口和出口压力是恒定的,并且描述了泵的工作点,但在泵和设备之间测得的质量流量波动很大。在冬季,质量流量要比夏季高得多。在检查设备并发现其工作正常后,会出现一个问题:“质量流量会随温度变化吗?”下面,我们将介绍回答这一问题所需的理论背景。

变容泵的理论基础

隔膜泵是一种变容泵,这意味着其工作原理是通过改变腔体或空腔的容积来实现流体的进出。因此,变容泵在入口处的体积流量可描述为:


\begin{equation} \dot{V}_{\text{S,eff}} = n(V_1 - V_3 \Pi^{1/\gamma}) \end{equation}

 

与入口热力学参考状态、入口压力\(p_{\text{i}}\)和入口温度\(T_{\text{i}}\)有关。\( \eta \) \(V_1\) \(V_3\) \( \Pi := \frac{p_{\text{o}}}{p_{\text{i}}} \) \(V_1\)和\(V_3\)分别是最大下冲程位置或最大上冲程位置时的工作腔容积;\( \Pi := \frac{p_{\text{o}}}{p_{\text{i}}} \)是出口压力\(p_{\text{o}}\)与进气压力\(p_{\text{i}}\), \( \gamma \)是等熵指数。

气体温度会影响质量流量

因此,输送的质量流量计算如下: 
 

\(\dot{m} = \rho_{\text{i}} \dot{V}_{\text{S,eff}}\)


与进气端的气体密度\( \rho_{\text{i}}\)有关,也与测量的质量流量一致,前提是泵处于理想运行状态。结合理想气体方程 \( \varrho = \frac{p}{RT} \), 入口温度和压力对质量流量的影响更加明显。
 

\(\dot{m} = \frac{p_{\text{i}}}{RT_{\text{i}}} \dot{V}_{\text{S,eff}}\) 。


有效抽速\( \dot{V}_{\text{S,eff}} \)在以下条件成立时,通常保持不变。泵进、出气侧的压力以及压力比\( \pi \)恒定,等熵压缩系数\( \gamma \)代表的流体热力学性质未发生变化,泵的电机转速\( \eta \)恒定。如果仅改变入口温度,质量流量也会如上式所示发生变化。入口温度升高,质量流量就会减少,而入口温度降低,质量流量就会增加。

减少口进气侧条件变化时流量和吸力的不确定性

为了减少这种不确定性,最好将测量的质量流量除以进气侧气体密度,以获得有效吸入速度。有效吸入速度与进气侧热力学条件无关,通过计算或分析质量流量,可以直接显现进气侧热力学条件的影响。

 

综上所述,尽管泵看似在恒定的工作点工作,即入口和出口压力恒定,但入口温度等进气侧条件的变化会改变气体的传输量,从而改变泵的真实工作点。

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