資源目錄里展示的全都有預(yù)覽可以查看的噢，，下載就有,,請放心下載，原稿可自行編輯修改=【QQ：11970985 可咨詢交流】====================喜歡就充值下載吧。。。資源目錄里展示的全都有，，下載后全都有,,請放心下載，原稿可自行編輯修改=【QQ：197216396 可咨詢交流】==================== 第七章 羅茨泵冷卻系統(tǒng)的研究(專題部分) ——水冷夾層冷卻系統(tǒng)的研究 一、 概述 冷卻系統(tǒng)是羅茨泵應(yīng)用中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。由于該泵是從極限真空度直排大氣，泵的總體壓縮比較高，壓縮過程中轉(zhuǎn)子對氣體所作的功轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的內(nèi)能，使氣體的溫度升高。此外，泵體中的各處的摩擦，如密封圈和軸承部位的摩擦消耗的功率葉轉(zhuǎn)換為熱量。如果產(chǎn)生的熱量不及時(shí)排出，傳到泵體和轉(zhuǎn)子上，會造成轉(zhuǎn)子和泵體的膨脹。為了提高泵的抽氣能力，提高真空度，泵內(nèi)的各項(xiàng)間隙，如轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子之間，轉(zhuǎn)子和泵體之間的間隙都比較小，一般在0.1～0.25之間，轉(zhuǎn)子和泵體的膨脹可能造成轉(zhuǎn)子與泵體的接觸摩擦，影響泵的運(yùn)轉(zhuǎn)抽氣過程，嚴(yán)重的可能造成轉(zhuǎn)子在泵腔內(nèi)卡死，使泵不能正常工作。因此，必須在泵外設(shè)置冷卻系統(tǒng)，將壓縮氣體產(chǎn)生的熱量和各處摩擦產(chǎn)生的熱量帶出，排出泵外，減小轉(zhuǎn)子和泵體的熱膨脹，保證泵內(nèi)各項(xiàng)間隙，使泵運(yùn)轉(zhuǎn)正常平穩(wěn)。 現(xiàn)在，一般羅茨泵的冷卻系統(tǒng)一般都采用風(fēng)冷式，即在泵外體上加一定數(shù)量的散熱肋板，靠泵體將泵內(nèi)部產(chǎn)生的熱量傳出，利用空氣和泵體的對流換熱將熱量散發(fā)出去，或者加散熱風(fēng)扇，加強(qiáng)空氣的對流散熱作用，以達(dá)到更好的散熱效果。本次設(shè)計(jì)中，采納了其它真空泵和真空系統(tǒng)的水冷系統(tǒng)，在羅茨泵的泵體外增加水冷夾層，將其融于三葉羅茨泵系統(tǒng)中。 具體冷卻系統(tǒng)如圖所示。當(dāng)經(jīng)羅茨泵泵腔壓縮后的氣體流經(jīng)泵腔外的氣體通道時(shí)，由于氣體的溫度高于外層水冷夾層的溫度，氣體與水冷夾層之間發(fā)生對流換熱，將熱量傳給水冷夾層。冷卻水在水冷套內(nèi)流動，再與水冷夾層發(fā)生熱交換，也是對流換熱，但冷卻水和水冷夾層間的對流換熱比氣體與水冷夾層間的對流換熱系數(shù)大，換熱能力強(qiáng)， 以此才可達(dá)到冷卻泵體的作用。此外， 在轉(zhuǎn)子將的下腔左右還增加了冷卻氣體返流通道。氣體從泵腔排出后經(jīng)水冷夾層冷卻，在流向下一級的過程中，部分氣體經(jīng)返流氣體回流通道返回到轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)腔中，與轉(zhuǎn)子和泵腔封閉的氣體混合，使封閉氣體溫度降低，同轉(zhuǎn)子腔外的氣體冷卻一樣，冷卻轉(zhuǎn)子。雖然這種氣體返流冷卻的設(shè)計(jì)會影響泵的極限真空度，但可使泵體更好的冷卻，提高其抽氣能力。 在羅茨泵泵腔的外側(cè)設(shè)置冷卻水套后，雖說可以達(dá)到更好的冷卻效果，但如果外部冷卻水套設(shè)計(jì)不合理，冷卻水流量和流動方向不足或不正確，就會在冷卻水套內(nèi)部形成死水。這部分死水在冷卻水套內(nèi)基本不循環(huán)，溫度愈來愈高，甚至起不到冷卻的作用，造成崩內(nèi)部局部溫度過高。由于轉(zhuǎn)子和泵體膨脹系數(shù)不同，這種局部膨脹可能會造成轉(zhuǎn)子和泵體的摩擦，甚至卡死，影響泵的工作。因此，在設(shè)計(jì)中，在水冷套中加入了幾道冷卻水導(dǎo)流板，這樣冷卻水沿導(dǎo)流板和泵體構(gòu)成的通道流動，不會形成死水，保證水流的暢通。 另外從鑄造方面考慮，由于水冷套的內(nèi)外夾層間有一定距離，在鑄造時(shí)會造成一定困難。因此水冷套中冷卻水導(dǎo)流板的另外一個(gè)作用就是對水冷套的內(nèi)外夾層起到支撐的作用，方便鑄造。 下面具體計(jì)算冷卻系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)，計(jì)算冷凝水的耗量。 在設(shè)計(jì)中，我們?nèi)〉睦鋮s系統(tǒng)的參數(shù)要求圖下： 入口氣體溫度，出口氣體溫度； 冷卻水入口溫度，出口溫度。 在計(jì)算中，由于冷卻水與氣體排氣方向相反，在前級出口到下一級的過程中，氣體得到外層冷卻水的冷卻，但是此時(shí)的冷卻水已經(jīng)在冷卻下一級的氣體是得到了升溫，如果兩者同時(shí)考慮，將是很繁瑣的一個(gè)問題。因此在計(jì)算中，我們假設(shè)各級泵單獨(dú)工作，即各級泵入口氣體溫度均為，出口氣體溫度均為；冷卻水入口溫度均為，出口溫度均為。依此我們先簡單的計(jì)算出各級泵冷卻系統(tǒng)消耗的水量。這樣計(jì)算存在的問題是前三級泵的冷卻水入口溫度偏低，而后三級泵的入口氣體溫度偏低，使計(jì)算出的冷卻水的耗量偏低，因此我們再假設(shè)各級泵均是在大氣壓下單獨(dú)工作，這樣，前三級泵的入口壓力均以提高，抽氣量提高，消耗功率增加，壓縮氣體溫升較大，最終導(dǎo)致冷卻水用量增加，這可與上述的耗量偏低互相抵消。 在第五章泵的參數(shù)計(jì)算中我們可以看到，第四級泵消耗的功率遠(yuǎn)大于氣體三級消耗的功率的和，氣體壓縮所產(chǎn)生的熱量也就最大。因此，在計(jì)算冷卻水的耗量時(shí)，第四級冷卻水耗量也是最多的，所以只計(jì)算最末級的冷卻水量就足夠了。 計(jì)算第四級冷卻水的耗量 從第五章的泵的參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算中我們可以得到： 第四級泵抽速 ， 第四級泵消耗的功率 。 由于羅茨泵為容積式泵，從其工作原理中可看出，氣體在泵腔內(nèi)無內(nèi)壓縮，所以泵的抽氣過程可認(rèn)為是定容過程。只考慮氣體入口和出口的溫差，中間的熱傳遞過程不予考慮，則氣體從入口到出口增加的功為 剩余功率即為氣體與水冷夾層間的對流換熱量，剩余功率為 假設(shè)水冷夾層的溫度等于氣體入口到出口的平均溫度，即 冷卻水與冷卻夾層間發(fā)生對流換熱，對流換熱面積為 對流換熱系數(shù)為 冷卻水進(jìn)出口平均溫度為 查《熱工學(xué)》附表10得，當(dāng)水在時(shí)，水的物性參數(shù)為： ， 當(dāng)時(shí) 冷卻水通道我們以等截面積的圓形通道考慮，設(shè)圓形冷卻水通道的半徑為，則 計(jì)算得圓形通道半徑 可算德努塞爾數(shù) 長徑比為 <60 因此管長修正系數(shù)為 由《熱工學(xué)》式2－36b 得雷諾數(shù)為 雷諾數(shù)大于，為紊流 由雷諾數(shù)計(jì)算公式 得 所以，冷卻水的耗量為 泵整體散熱量的計(jì)算 現(xiàn)在，將泵的四級看作一級泵來考慮，則泵的各項(xiàng)參數(shù)為： 抽速 泵消耗功率 進(jìn)口氣體溫度 出口氣體溫度 冷卻水進(jìn)水溫度 冷卻水出水溫度 假設(shè)泵的抽氣過程仍認(rèn)為是定容過程。只考慮氣體入口和出口的溫差，中間的熱傳遞過程不予考慮，則氣體從入口到出口增加的功為 剩余功率即為氣體與水冷夾層間的對流換熱量，剩余功率為 假設(shè)水冷夾層的溫度等于氣體入口到出口的平均溫度，即 計(jì)算對流換熱面積 第四級對流換熱面積為 第三級對流換熱面積 下泵體 上泵體的對流換熱面積較難計(jì)算，通過對上泵體的設(shè)計(jì)的研究，我們建立如圖的坐標(biāo)系 由此，我們能容易計(jì)算出 曲線1的方程為 曲線2的方程為 令，則由曲線1和曲線2方程可得 所以對流散熱面積的微分方程為 而有泵的結(jié)構(gòu)可得知 所以上泵體的對流散熱面積為 所以第三級對流換熱面積為 第二級對流換熱面積 下泵體 通過對上泵體的設(shè)計(jì)的研究，我們對上泵體第二級氣體通道建立如圖的坐標(biāo)系 由此，我們能容易計(jì)算出 曲線1的方程為 曲線2的方程為 令，則由曲線1和曲線2方程可得 所以對流散熱面積的微分方程為 而有泵的結(jié)構(gòu)可得知 所以上泵體的對流散熱面積為 所以第二級對流換熱面積為 第一級對流換熱面積 下泵體 通過對上泵體的設(shè)計(jì)的研究，我們對上泵體第二級氣體通道建立如圖的坐標(biāo)系 由此，我們能容易計(jì)算出 曲線1的方程為 曲線2的方程為 令，則由曲線1和曲線2方程可得 所以對流散熱面積的微分方程為 而有泵的結(jié)構(gòu)可得知 所以上泵體的對流散熱面積為 所以第一級對流換熱面積為 所以泵總的對流散熱面積為 對流換熱系數(shù)為 冷卻水進(jìn)出口平均溫度為 查《熱工學(xué)》附表10得，當(dāng)水在時(shí)，水的物性參數(shù)為： ， 當(dāng)時(shí) 四級冷卻水管道中，第四級的截面積最小，因此我們采用第四級的冷卻水管道并將其以等截面積的圓形通道考慮，設(shè)圓形冷卻水通道的半徑為，則 計(jì)算得圓形通道半徑 可算德努塞爾數(shù) 長徑比為 <60 因此管長修正系數(shù)為 由《熱工學(xué)》式2－36b 得雷諾數(shù)為 雷諾數(shù)小于，為粘滯流 由雷諾數(shù)計(jì)算公式 得 所以，冷卻水的耗量為 通過對第四級泵單獨(dú)工作時(shí)冷卻水消耗量和整體泵一體工作時(shí)冷卻水消耗量的比較，由于第四級泵消耗的功率遠(yuǎn)大于前三級泵消耗的功率之和，與泵的總功率相近，而且第四級泵的對流散熱面積遠(yuǎn)小于整體泵的對流散熱面積，所以只考慮第四級泵單獨(dú)工作時(shí)冷卻水的耗量要大于整體泵一體考慮時(shí)冷卻水的耗量(第四級單獨(dú)工作時(shí)冷卻水的耗量為，而整體泵考慮是冷卻水的消耗量為)。 影響對流換熱的因素 從上述冷卻系統(tǒng)原理分析中可以看出，在泵內(nèi)的發(fā)生的傳熱基本都是對流換熱，影響對流換熱的因素很多，這是因?yàn)閷α鲹Q熱和流體的流動總是聯(lián)系在一起的，同時(shí)又與固體壁面的形狀、大小等有關(guān)，主要有以下幾個(gè)方面。 (1)、流動產(chǎn)生的原因。按照引起流動的原因，可將對流換熱區(qū)分為兩大類：受迫流動和自由流動。如果流體的流動是由泵、風(fēng)機(jī)或其它壓差作用所造成的，稱為受迫流動，如果流體的流動是由于流體冷熱的密度不同所引起的，則稱為自由流動。由于兩者流動的推動力不同，他們的換熱規(guī)律葉不同。 (2)、流體流動的速度。流速增加，促使邊界層變薄，并使流體內(nèi)部相對運(yùn)動加劇，從而是對流換熱系數(shù)加大。 (3)、流體的物理性質(zhì)。影響對流換熱過程的流體物性主要是導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、密度及粘度等。導(dǎo)熱系數(shù)大的流體，貼壁層流層的導(dǎo)熱熱阻小，換熱就強(qiáng)。比熱容和密度大的流體容積熱容量大，即栽熱能力大，增強(qiáng)了流體與壁面之間的熱交換。此外，粘度大的流體流動邊界層變厚，對換熱不利。在分析物性參數(shù)對換熱的影響時(shí)，應(yīng)注意諸物性的總和效果，不宜孤立分析每一個(gè)物性參數(shù)對換熱的影響，否則會導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)論。 (4)、換熱表面的幾何尺寸、形狀和位置。在對流換熱時(shí)，流體沿著壁面流動，所以壁面的幾何尺寸和位置對流體的流動有很大影響，從而也影響對流換熱的強(qiáng)弱。 綜上所述，影響對流換熱系數(shù)的因素很多，寫成函數(shù)形式如下： 式中，為流體的運(yùn)動粘度，單位為；、分別代表壁面的尺寸和形狀特征。 由于對流換熱過程比較復(fù)雜，受迫流動和自由流動，層流和紊流，有相變和無相變，各種性質(zhì)不同的流體以及換熱面的形狀、大小和相對位置等組成了多種不同規(guī)律的換熱過程。因此要了解對流換熱系數(shù)的變化規(guī)律，只有對各種情況分門別類地進(jìn)行分析和試驗(yàn)，才能得到各種情況的正確結(jié)論。