低温液氧泵设计

低温液氧泵设计1 摘要本文对低温液氧泵进行了设计研究。

在满足强度前提下，设计了活塞、泵阀、缸体等部件的结构、材料和主要尺寸，结构设计轻巧。

考虑密封绝对可靠，在低温条件下选用耐磨性好的填充聚四氟乙烯，保证了泵具有较高的效率等性能指标。

2 课题的背景及意义随着大中型空分设备的发展，液态气体产品产量与日俱增，与之配套的低温液体的运输、贮存、充装设备得到了高速发展。

液态产品采用往复式低温液体泵充装，可以省去庞大的气体压缩机。

以氧为例，低温液氧泵能耗仅是氧气压缩机的l／1O左右。

利用低温泵充装，可大幅度降低氧气中的水含量，从而提高了氧气质量。

用低温泵充装的氧气可达到国标GB8982—88和GB8983-88的要求。

采用这种方法充氧比用汽化器充氧操作简便，液氧利用率高，还可回收液氧的冷量，使产品的能耗下降。

故此，在空分设备中，越来越多地用低温液氧泵来替代氧气压缩机[1-2]。

目前生产医用氧气和航空呼吸用氧气的小型空分设备，已普遍选用低温液氧泵充氧。

新开发的大型空设备，也有发展用低温液氧泵充氧的趋势。

但由于液氧是易燃易爆的低温危险介质，与可燃物如油脂接触，一旦遇有激发能源时，极易发生燃烧爆炸事故。

低温液氧泵在运行工作过程中，曾发生过多起爆炸事故，造成了无法挽回的损失。

因此在设计低温液氧泵时首先必须要考虑密封绝对可靠，其次才是保证泵具有较高的效率等性能指标。

所以有必要对液氧泵的设计提出更高的性能要求，以达到低温泵在工作中保证安全可靠同时又较高的效率。

3 本课题相关技术的国内外发展概况液体在压缩过程中温度必然升高，低沸点的氧、氮、氩等就要汽化。

汽化的气体占据泵缸的一定体积，它直接影响低温泵的效率，降低了低温泵的生产能力。

严重者，低温泵的输出量为零，被迫停止工作。

为了保证低温泵的正常工作，液体进泵最好是过冷状态。

那么，低温液体的过冷态是如何获得的呢?应用在内加压流程中的低温泵，进料状态可通过生产工艺控制，物料的过冷态可在过冷器中通过系统内的热交换获得[3]。

由于大型空分设备的发展，液体产品产量逐渐增多。

无疑利用大空分的液体产品，远比小空分的生产成本低。

因此利用槽车输送，低温贮槽贮存，用低温泵加压、充装的生产模式，已广泛推广，并得到了飞速发展。

直接用低温泵从低温贮槽中抽取低沸点液体，其过冷度如何获得呢？通过热交换的途径在生产中是难以实现的，只有通过生产系统加以解决。

低温液体的沸点，与压力的关系是T=f(p)，即压力越高，沸点也越高。

以氧为例，低温贮槽尽管保冷如何好，但外热的侵入是不可避免的。

目前国产贮槽的日蒸发损失大约是0.2～0.3％左右。

以氧为例计算，贮槽一天吸收外热约为2.436×108～3.653×108焦耳。

一台贮满5000升的液氧贮槽内液氧升高1K，大约需要9.689×108焦耳。

由此可以计算出外热侵入一天，可使贮槽内的液氧温度升高0.25～0.38K。

通过计算可知，若使过冷19.72K的液氧吸收外热达到饱和状态，大约需要79～52天[4]。

大型空分设备的国产化，国家经贸委机械局(原机械部)一直极为重视。

在“八五”期间，30000m ／h等级空分设备的研究就被列入了国家重大技术装备研制计划。

国内有实力企业为该项目的承担单位，负责及参与了：流程的设计计算技术的研究、新型分子筛吸附器的研制、新型透平膨胀机的研制、大型氧气透平压缩机的研制、空分设备专用阀门的研制、计算机自动化控制技术深化应用的研究、高效精馏塔的研制、大型板翅式换热器的研制、大型低温设备加工技术攻关九个子课题的研究。

通过这些专题的研究，国内企业全方位地开展了30000m／h等级空分设备国产化的研究工作。

积累了大量宝贵的理论和实践经验，掌握了设计、制造30000～60000m／h等级空分设备的关键技术[5]。

标志着国内企业已掌握并具备特大型空分设备的设计制造及成套能力，我国空分设备的设计和制造技术进入了个新的里程碑。

4 本课题的主要技术关键点的比较分析1．结构设计的一般问题低温液体泵是在极低温下工作的，为保证其正常可靠地运转，在结构设计时必须考虑以下几方面问题。

①结构的均匀性和对称性，可保证低温工作的零部件冷缩均匀性。

②泵的进出口管路必须采用金属波纹补偿器，可避免热胀冷缩引起管路拉裂。

③常温区和低温区之间联接零件应选择导热率低的材料制造，可减少导热损失。

④为减少液体的汽化损失和缩短启动时间，因此在结构设计上必须尽量减少低温区工作零部件的热容量。

⑤对于低温区工作且有相对运动的零件，当选择材料时必须注意它们之间线胀系数的匹配尽可能选择线胀系数相近或相同的材料。

一般来说包络零件的线胀系数须小于或等于被包络零件的线胀系数。

这样可以防止卡死(咬住)现象。

⑥对在低温下工作的重要零件，特别对那些有相对运动的，而且配合要求很严的零部件必须在最后精加工之前进行深冷处理。

如柱塞泵的汽缸套和柱塞，泵头盖等。

这种处理时的温度一般应等于或低于零件工作温度。

处理时间一般达4小时左右。

定将零件内部中心区冷透。

2．低温活塞泵材料的选择由于介质物性的决定，要满足低温环境下能长期工作，所有制造零件泵缸(套)、活塞(柱塞)、环等材料在低温下不发生脆性、仍能满足机械性能。

对绝热低温部件，如泵缸，活塞体，环，活门等，在满足强度前提下，结构设计一定要轻巧，配合要适宜。

因液化气体很昂贵，活塞泵工作时的漏损应尽可能要小。

即使蒸发的液化气体量是以气态回收的，冷损依然很大。

设计者应注意，使冷却的量尽可能小些，在运转时外界输入的热量要少，这就是设计合理，体积小，重量轻，选用导热性能好的材料的目的。

除此之外，活塞泵低温部分与机器传动磨擦发热部分之间的导热截面尽可能小些。

它两个之间温差约300℃左右，应有一定措施将它传热隔开来[6]。

3．低温活塞泵与周围绝热法①绝热对低温活塞泵是十分必要的，特别对于进口部分显得尤其重要。

但对不同的绝热方法其成本及效果也就不同。

因此不同低温液体泵就须选择不同的绝热方法。

②对工作温度很低的介质，一般多采用粉末真空或多层绝热。

绝热结构必须把传导热和辐射热减少到最小程度。

③对采用气泡材料绝热方法，其绝热效果很大程度取决于材料本身的导热数和填装密度与层厚[7-8]。

4．低温活塞泵的摩擦显然存在，就是程度不同而己。

尤其是高压小流量更难以对付。

因活塞环(导向环)以及活塞杆的密封件应选用耐磨性好、摩擦系数小的聚四氟乙烯，经多种配方与特定工艺处理研制而成。

低温活塞泵由于工作性质的决定，在运转时其低温部分不允许有润滑油污染。

①多数润滑剂在低温时变硬失去其润滑性能。

②输送介质不允许污染。

③输送液氧为了安全起见，不允许使用润滑剂[9-10]。

5 课题研究的主要内容液氧泵工作时，由于液氧泵的泵缸和柱塞部分与氧接触，该部分须绝对禁止沾有油脂。

因此，更换新的单向阀、缸套和柱塞时，安装前应清洁脱脂，防止带油而引发事故。

泵缸中的缸套和柱塞在工厂制造、修理出厂或制氧机长时间停放时，应按规定将其放入润滑油中浸泡封存，以防止锈蚀。

启封使用前，须严格进行清洗脱脂。

柱塞是一根实心圆柱体，其精度要求高。

加工时，为确保其加工精度符合要求，尽可能减少误差，每根用于加工柱塞，凡超过一定长度的金属材料的顶端都钻有一中心孔，以便在机床上固定，保证每根用于加工柱塞的金属材料的顶端不晃动，确保其精度达到要求[11]。

再则，在柱塞的另一端的加工孔内，装有一垫块，用以调整柱塞与活塞杆之间的间隙，留间隙的目的是供自动调心，防止发卡。

柱塞的另一端的加工孔与垫块之间大都存有一定的缝隙。

油封时，由于缸套和柱塞完全浸泡在润滑油中，柱塞顶端的中心孔、柱塞的另一端的加工孔与垫块之间的缝隙必然有油渗入，脱脂时，应认真、严格、细致、全面地清除。

否则，容易将油脂残留下来，在工作中有爆炸的危险。

泵缸中缸套和柱塞的脱脂方法有多种，按现在的条件，大都先用柴油加热清洗，然后用D902高效无毒脱脂剂、航空洗涤汽油或酒精严格清洗脱脂。

脱脂完毕后，用干净的布擦拭，并用氧气或氮气吹干[12-13]。

为防止中毒，禁止使用四氯化碳作清洗剂。

低温活塞泵的安装工作特别重要。

被输送的液化气体大多皆接近饱和状态。

压力已稍有下降，这是活塞泵无法避免的，就会导致局部蒸发并发生气蚀。

因此，低温活塞泵通常必须选用小的或更大的吸入扬程。

如选用大吸入扬程，往往就要增高成本。

液化气体配套单元设备体积显得高大些，所用制造材料很多。

因此，低温活塞泵的设计时应使泵的吸入扬程GHDP(总滞止压头)或净压头NPSH尽可能小些。

净压头或总滞压头是指泵在规定的活塞行程数，和在流量范围内运转时为安全起见防止气蚀，而要求排送液体的气压液柱(以米计算)总压头。

这是泵的内部损耗值，对吸入管中部而言[14]。

液化气体泵在安装吸入管道时，应使泵吸入法兰上的净压头值达到足够安全的标准。

在计算吸入管道及必须的吸入扬程时，常见的错误是将吸入扬程(以米计算)等同于液柱(以米计算)的净压头。

其结果是使泵发生故障，运转时发出刺耳的噪音，阀密封件则严重磨损。

因此，不难看出正确地安装活塞泵吸入管道有何等重要。

泵的问题几乎总是管道问题。

安装排气管道时同样要注意减少损耗，没有排气管的低温泵，通常是不能开车运转的。

安装位置应液体最高点成垂直或者稍成斜度，要可排出积在泵内的气体。

此种泵的结构设计，既可阻止液体外流，又可起着吸入脉动稳缓冲器的作用。

这种泵优点是大大简化安装，保证安全可用[15]。

6 结论本课题通过研究设计改进低温液氧活塞泵，总结得出了以下一些结论：(1)本泵设计采用的结构，能保证在深冷温度下各部件有正常的工作能力，避免密封冻结与泄露，密封性能良好，抗气蚀性能较好，使用寿命高。

(2)本泵的吸入阀和排出阀部件，阀体与推杆进行成对配研磨，保证密封面接触的均匀性，密封性能高。

(3)本泵具有吸入压力低，为0.04-0.10Mpa，可降低所配储槽的安装高度，一般所配的低温储槽可以放在地上。

近年来，由于市场对低温液体尤其是液氧的需求量增加，及医用氧在医疗单位的推广使用，不少小型空分流程改为液氧泵流程后，都产生了上佳的经济效益。

前期使用低温柱塞泵，由于其使用寿命短、磨损大、更换缸套和柱塞的成本高，给用户的生产带来诸多不便。

本文研究设计的小流量高压活塞泵，流量为50-250L/H。

它采用了真空加套冷端，具有冷损小，易损件寿命长，更换方便。

该泵的流量可根据冷凝蒸发器的液面高度来调节，从而不破坏分馏塔内的正常工况。

低温活塞泵也有作为“管道泵”使用的。

其用途是将低温液化气体从一台生产设备的贮槽内通过泵输送到往往是几公里外的用户那里。

从而提高了效率，节省了大量时间。

本文研究设计的低温液氧泵首先改进了密封装置使其绝对可靠，其次保证泵具有较高的效率等性能指标。

完成了前期研究设计工作所要计划达到的目标。