臺(tái)式循環(huán)水真空泵的工作原理

臺(tái)式循環(huán)水真空泵是實(shí)驗(yàn)室常用的真空設(shè)備，其工作原理基于流體力學(xué)中的射流效應(yīng)和離心力作用，通過循環(huán)水的流動(dòng)產(chǎn)生負(fù)壓，為實(shí)驗(yàn)提供真空環(huán)境。以下從核心原理、工作流程及關(guān)鍵細(xì)節(jié)展開解析：

一、核心原理：射流效應(yīng)與水環(huán)形成

1. 射流產(chǎn)生負(fù)壓的機(jī)制

(1) 葉輪旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)水流：電機(jī)帶動(dòng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)速約 2000-3000rpm），將水箱中的水吸入泵體，葉輪葉片推動(dòng)水沿徑向甩出，形成高速水流（線速度可達(dá) 10-15m/s）。

(2) 射流真空的形成：高速水流在泵體的射流噴嘴處截面積縮小，流速進(jìn)一步提升，根據(jù)伯努利原理，流速增大導(dǎo)致壓力降低，在抽氣口處形成負(fù)壓（真空度可達(dá) - 0.08 至 - 0.098MPa）。

2. 水環(huán)密封與氣體壓縮

(1) 水環(huán)的動(dòng)態(tài)密封作用：甩出的水流在泵體外殼內(nèi)壁形成一層水環(huán)，水環(huán)與旋轉(zhuǎn)的葉輪輪轂之間形成月牙形空間，該空間被葉輪葉片分割成多個(gè)小腔室。

(2) 氣體的吸入與壓縮：

①　當(dāng)小腔室體積隨葉輪旋轉(zhuǎn)逐漸增大時(shí)，內(nèi)部壓力降低，通過抽氣口吸入實(shí)驗(yàn)裝置中的氣體；

②　當(dāng)腔室體積縮小時(shí)，氣體被壓縮，最終與水混合后從排水口排出，形成持續(xù)的抽氣循環(huán)。

二、工作流程：從啟動(dòng)到真空維持的全周期

1. 啟動(dòng)階段：向水箱中加入蒸餾水（水位至 2/3 容積），接通電源后葉輪開始旋轉(zhuǎn)，水流被吸入葉輪中心，經(jīng)葉片加速后從邊緣甩出，在泵體內(nèi)部形成初始水環(huán)。

2. 真空建立階段

(1) 高速水流在射流噴嘴處產(chǎn)生負(fù)壓，實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)的氣體通過抽氣管道被吸入泵體，進(jìn)入水環(huán)與葉輪形成的月牙形腔室；

(2) 隨著葉輪旋轉(zhuǎn)，氣體在腔室內(nèi)被水環(huán)壓縮（壓縮比約 1:4-1:6），最終從排水口排出，系統(tǒng)真空度逐漸穩(wěn)定（如 - 0.09MPa）。

3. 持續(xù)運(yùn)行階段

(1) 水箱中的水通過管道不斷循環(huán)至泵體，補(bǔ)充因蒸發(fā)或排出帶走的水量，維持水環(huán)的穩(wěn)定；

(2) 真空度可通過調(diào)節(jié)泵體側(cè)面的流量調(diào)節(jié)閥控制水流大小，水流越大，射流速度越高，真空度也越高。

4. 停機(jī)階段：先打開實(shí)驗(yàn)裝置的放空閥（或斷開抽氣管道），再關(guān)閉電源，防止水環(huán)壓力驟降導(dǎo)致溶液倒吸進(jìn)入泵體。

三、關(guān)鍵組件的原理作用

1. 葉輪與泵體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1) 葉輪類型：

①　多數(shù)采用開式葉輪（無前后蓋板），允許少量顆粒通過，減少堵塞風(fēng)險(xiǎn)；

②　葉片數(shù)量通常為 6-8 片，葉片角度（后彎式）優(yōu)化水流方向，提高射流效率。

(2) 泵體流道：內(nèi)部流道呈漸擴(kuò)式設(shè)計(jì)（從噴嘴到排水口截面積逐漸增大），降低水流速度，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能，提高氣體壓縮效率。

2. 水箱與循環(huán)系統(tǒng)

(1) 水箱不僅儲(chǔ)水，還起到冷卻與過濾作用：

①　循環(huán)水通過泵體時(shí)吸收電機(jī)和葉輪的熱量，降低運(yùn)行溫度；

②　水箱內(nèi)的過濾網(wǎng)攔截水中雜質(zhì)，防止堵塞射流噴嘴或磨損葉輪。

3. 真空表與調(diào)節(jié)閥

(1) 真空表實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)負(fù)壓值，其原理是利用彈性元件（如波登管）在負(fù)壓下的形變帶動(dòng)指針偏轉(zhuǎn)；

(2) 流量調(diào)節(jié)閥通過改變水流截面積，調(diào)節(jié)射流速度，從而精確控制真空度，實(shí)現(xiàn)不同實(shí)驗(yàn)需求的匹配。

四、關(guān)鍵參數(shù)對(duì)原理的影響

1. 水溫與真空度的關(guān)系

(1) 水溫直接影響水的飽和蒸氣壓，從而限制真空度：

①　20℃時(shí)水的飽和蒸氣壓為 2.34kPa，對(duì)應(yīng)最大真空度約 - 0.098MPa；

②　30℃時(shí)飽和蒸氣壓升至 4.24kPa，真空度下降至 - 0.096MPa，因此低溫水可獲得更高真空度。

2. 葉輪轉(zhuǎn)速的臨界值

(1) 轉(zhuǎn)速過低（<1500rpm）時(shí)，水流速度不足，無法形成有效負(fù)壓；

(2) 轉(zhuǎn)速過高（>3500rpm）會(huì)導(dǎo)致水環(huán)不穩(wěn)定，產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，且葉輪磨損加劇，通常最佳轉(zhuǎn)速區(qū)間為 2000-3000rpm。

五、原理層面的應(yīng)用優(yōu)化

1. 提升真空度的方法

(1) 降低水溫：加入冰水混合物（15℃以下），或外接冷水機(jī)循環(huán)，減少水的蒸發(fā)損失；

(2) 優(yōu)化射流噴嘴設(shè)計(jì)：縮小噴嘴直徑（如從 5mm 降至 3mm），提高水流速度，但需兼顧流量避免氣蝕。

2. 減少氣蝕的措施

(1) 氣蝕是指真空度過高時(shí)水蒸發(fā)產(chǎn)生氣泡，破裂后沖擊葉輪表面，可通過：

①　控制真空度在 - 0.09MPa 以下；

②　增加水箱容積（如從 11L 增至 18L），延長(zhǎng)水的冷卻時(shí)間。