臺式循環水真空泵的工作原理

臺式循環水真空泵是實驗室常用的真空設備，其工作原理基于流體力學中的射流效應和離心力作用，通過循環水的流動產生負壓，為實驗提供真空環境。以下從核心原理、工作流程及關鍵細節展開解析：

一、核心原理：射流效應與水環形成

1. 射流產生負壓的機制

(1) 葉輪旋轉驅動水流：電機帶動葉輪高速旋轉（轉速約 2000-3000rpm），將水箱中的水吸入泵體，葉輪葉片推動水沿徑向甩出，形成高速水流（線速度可達 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，流速進一步提升，根據伯努利原理，流速增大導致壓力降低，在抽氣口處形成負壓（真空度可達 - 0.08 至 - 0.098MPa）。

2. 水環密封與氣體壓縮

(1) 水環的動態密封作用：甩出的水流在泵體外殼內壁形成一層水環，水環與旋轉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小腔室。

(2) 氣體的吸入與壓縮：

①　當小腔室體積隨葉輪旋轉逐漸增大時，內部壓力降低，通過抽氣口吸入實驗裝置中的氣體；

②　當腔室體積縮小時，氣體被壓縮，最終與水混合后從排水口排出，形成持續的抽氣循環。

二、工作流程：從啟動到真空維持的全周期

1. 啟動階段：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，水流被吸入葉輪中心，經葉片加速后從邊緣甩出，在泵體內部形成初始水環。

2. 真空建立階段

(1) 高速水流在射流噴嘴處產生負壓，實驗裝置內的氣體通過抽氣管道被吸入泵體，進入水環與葉輪形成的月牙形腔室；

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

3. 持續運行階段

(1) 水箱中的水通過管道不斷循環至泵體，補充因蒸發或排出帶走的水量，維持水環的穩定；

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

4. 停機階段：先打開實驗裝置的放空閥（或斷開抽氣管道），再關閉電源，防止水環壓力驟降導致溶液倒吸進入泵體。

三、關鍵組件的原理作用

1. 葉輪與泵體的結構設計

(1) 葉輪類型：

①　多數采用開式葉輪（無前后蓋板），允許少量顆粒通過，減少堵塞風險；

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

(2) 泵體流道：內部流道呈漸擴式設計（從噴嘴到排水口截面積逐漸增大），降低水流速度，將動能轉化為壓力能，提高氣體壓縮效率。

2. 水箱與循環系統

(1) 水箱不僅儲水，還起到冷卻與過濾作用：

①　循環水通過泵體時吸收電機和葉輪的熱量，降低運行溫度；

②　水箱內的過濾網攔截水中雜質，防止堵塞射流噴嘴或磨損葉輪。

3. 真空表與調節閥

(1) 真空表實時顯示系統負壓值，其原理是利用彈性元件（如波登管）在負壓下的形變帶動指針偏轉；

(2) 流量調節閥通過改變水流截面積，調節射流速度，從而精確控制真空度，實現不同實驗需求的匹配。

四、關鍵參數對原理的影響

1. 水溫與真空度的關系

(1) 水溫直接影響水的飽和蒸氣壓，從而限制真空度：

①　20℃時水的飽和蒸氣壓為 2.34kPa，對應最大真空度約 - 0.098MPa；

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

2. 葉輪轉速的臨界值

(1) 轉速過低（<1500rpm）時，水流速度不足，無法形成有效負壓；

(2) 轉速過高（>3500rpm）會導致水環不穩定，產生劇烈振動，且葉輪磨損加劇，通常最佳轉速區間為 2000-3000rpm。

五、原理層面的應用優化

1. 提升真空度的方法

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

(2) 優化射流噴嘴設計：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水蒸發產生氣泡，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），延長水的冷卻時間。