冷凝器幫浦如何運作？

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當在大型工廠中抽排水蒸氣時，始終會涉及特定數量的空氣，這些空氣會包含在蒸氣中，或從工廠的洩漏點漏出 (以下空氣與水蒸氣的考量事項明顯同樣一般適用於水蒸氣以外的其他蒸氣)。因此，冷凝器必須得到氣鎮幫浦的支援 (見圖 2.41)，而且始終像魯式幫浦一樣組合工作。氣鎮幫浦具有抽排些微空氣的功能，這通常只是一小部分水蒸氣混合，而不會同時抽排大量水蒸氣。因此可以理解，在靜止條件下的冷凝器與氣鎮幫浦的組合中，若未經進一步考慮，則很難評估在粗真空區域中發生的流量比。單純應用連續性方程式並不夠，因為我們不再關心來源或無槽流量場域 (在凝結製程的基礎上，冷凝器就是一個槽)。這就是我們要特別強調的一點。在冷凝器與氣鎮幫浦組合的「無功能」實際案例中，因發生失敗而歸咎於冷凝器並不合理。

圖 2.41 在粗真空範圍 (III) 中使用下游氣鎮幫浦 (II) 抽排大量水蒸氣的冷凝器 (I) – 可調整節流。

冷凝器的進氣口
冷凝器的排氣口
參閱文字

冷凝器幫浦的應用

若要抽排大量水蒸氣，冷凝器是最經濟的一種幫浦。作為規則而言，冷凝器會以冷凝器溫度低於水蒸氣露點以下足夠多，並且能夠保證經濟凝結或抽氣動作之溫度的水來冷卻。但是，對於冷卻而言，也可以使用諸如鹵水及冷媒 (NH₃，氟氯烷) 之類的介質。

與氣鎮的組合

在決定冷凝器與氣鎮幫浦組合的大小時，必須考慮以下幾點：
a) 與水蒸氣一起抽排之永久氣體 (空氣) 的部分不應太大。在冷凝器出口處超過總壓力約 5% 的空氣分壓之下，會在冷凝器表面中產生標記的空氣累積。然後冷凝器便無法達到其完整容量 (另請參閱抽排氣體 (濕式製程) 頁面上有關同時抽排氣體與蒸氣的說明)。

b) 冷凝器出口處，也就是在氣鎮幫浦進氣側的水蒸汽壓力，不應 (當未同時抽排永久氣體的數量，在抽排氣體 (濕式製程) 頁面中有詳細說明) 大於所涉及氣鎮幫浦的水氣耐受度。如果在冷凝器出口處預期 (這在實際情況下也無法始終避免) 有較高的水蒸氣分壓，在冷凝器出口處與氣鎮幫浦進氣口之間插入節流也很方便。此節流的氣導應可變化及調節 (參閱頁面：計算氣導)，以便在完整節流之下，氣鎮幫浦進氣口處的壓力無法變得比水氣耐受度更高。此外，使用其他冷媒或降低冷卻水溫度可能經常會允許水蒸氣壓力落到所需值之下。

針對冷凝器與氣鎮幫浦組合的數學評估，可以假定在冷凝器中不發生任何壓力損失的情況下，冷凝器入口處的總壓力 p _{tot 1} 等於冷凝器出口處的總壓力 p _{tot 2} ( 2.23)

(2.23)

P_tot1= p_tot2

總壓力包含空氣分壓部分 pp 與水蒸氣壓力 pv 的總和：(2.23a)

(2.23a)

pp1 + pv1 = pp2 + pv2

作為冷凝器動作的結果，冷凝器出口處的水蒸氣壓力 p_D2 始終低於入口處的水蒸汽壓力；若要達成 (2.23)，出口處的空氣分壓 p_p2 必須高於入口 p_p1，(見圖 2.43)，即使沒有節流也是如此。

圖 2.43 冷凝器中壓力分佈的示意圖表示。實線對應於冷凝器中發生小壓降的條件 (ptot 2 < ptot 1)。

虛線則是理想冷凝器的條件 (p_{tot 2} ≈ p_{tot 1})。p_D：水蒸氣的分壓，p_L：空氣的分壓。

冷凝器入口
冷凝器出口

冷凝器出口處的較高空氣分壓 p_p2 由空氣的累積產生，只要在出口處存在，就會產生靜止流量平衡。從這個空氣的累積中，處於平衡狀態的 (最終節流的) 氣鎮幫浦會透過冷凝器去除掉與來自入口 (1) 一樣多的氣流。

計算冷凝器與氣鎮的大小

所有計算都以 (2.23a) 為基礎，但是，對於這些計算來說，應該要有關於抽排蒸氣與永久氣體的數量、成分及壓力的資訊。可以計算冷凝器與氣鎮幫浦的大小，這兩個數量實際上並非相互無關。圖 2.42 將此類計算的結果表示為凝結表面為 1 m² 的冷凝器，在 40 mbar 的進氣壓力 p_v1, 之下，如果永久氣體的數量非常小，凝結容量可達到 33lbs (15kg) / h 的純水蒸氣。在過壓為 3 bar 且溫度為 53.6°F (12°C) 的管線上，每小時會使用 1 m³ 的冷卻水。氣鎮幫浦的必要抽氣速度取決於現有操作條件，尤其是冷凝器的大小。根據冷凝器的效率，水蒸氣分壓 p_v2 或多或少會高於對應至冷媒溫度的飽和壓力 pS。(以 53.6°F (12°C) 的水冷卻，p_S 會是 15 mbar (見第 9 節中的表 XIII))。同樣的，在冷凝器出口處佔主導地位的空氣分壓 pp2 也不同。在大型冷凝器之下，p_v2 ≈ p_S，空氣分壓 pp,₂ 也很大，且由於 pp · V = const，所涉及的空氣體積較小。因此，只需要相對較小的氣鎮幫浦。但是，如果冷凝器很小，則會發生相反的情況：p_v2 > p_S · p_p2 很小。在此需要相對較大的氣鎮幫浦。由於在抽氣製程中使用冷凝器所涉及的空氣量不需要是恆定的，但會在或多或少的寬廣限制內交替，要考慮起來也比較困難。因此，在冷凝器上有效的氣鎮幫浦抽氣速度必須能在特定限制之內調節。

圖 2.42 冷凝器的凝結容量 (用於凝結的表面區域 1 m2) 作為水蒸氣進氣壓力 pD1 的函數。曲線 a：冷卻水溫 53.6°F (12°C)。曲線 b：溫度 77°F (25 °C)。兩種情況下的消耗在 3 bar 過壓下為 1 m3/h。

表 XIII 水在從 -148°F (-100°C) 到 +284°F (+140°C1) 的溫度範圍內時的飽和壓力 ps 與蒸氣密度 eD

使用冷凝器的實務考量因素

實務上，下列方法很常見：

a) 在氣鎮幫浦與冷凝器之間會放置一個節流段，其可在粗真空期間短路。節流段的流量耐受性必須可調整，這樣幫浦的有效速度才能降低到所需值。此值可使用抽排氣體 (濕式製程) 頁面上提供的方程式計算。

b) 在粗真空的大型幫浦旁安裝了一個低速維持幫浦，其大小對應於最小優勢氣體數量。此維持幫浦的目標只是要在製程期間維持最佳操作壓力。

c) 必要空氣量會透過可變洩漏閥進入幫浦的進氣管線。此額外空氣量扮演著類似放大氣鎮的角色，可提升幫浦的水氣耐受度。但是，此方法通常會產生減少的冷凝器容量。再者，空氣的額外進入量代表額外的功率消耗及增加的油耗。當冷凝器的效率劣化，致使冷凝器中產生太大的空氣分壓時，進氣不應在前端，而一般僅應在冷凝器之後。

如果製程的開始時間短於總運轉時間，技術上會使用最簡單的方法，也就是粗真空與維持幫浦。條件有很大不同的製程會需要可調整的節流段，如有必要，也需要可調整的進氣。
在氣鎮幫浦的進氣側，始終存在水蒸氣分壓 p_v2，其至少與水在冷卻劑溫度時的飽和蒸汽壓力一樣大。實務上，理想的情況只有在非常大的冷凝器下才能實現 (見上方說明)。

運作原理

在實務的觀點上，以及從表述的基本規則來說，請考慮以下兩種情況：

在少量水蒸氣之下對於永久氣體的抽氣。此處的冷凝器大小，也就是氣鎮幫浦組合，會在抽出的永久氣體數量的基礎上決定。冷凝器功能僅僅只是要將氣鎮幫浦進氣口處的水蒸汽壓力降低至低於水氣耐受度的值。
在少量永久氣體之下對於水蒸氣的抽氣。在此，為使冷凝器高度有效，會尋求冷凝器中可能最小的永久氣體分壓。即使冷凝器中的水蒸氣分壓應大於氣鎮幫浦的水氣耐受度，一般而言，相對較小的氣鎮幫浦也足以讓之後所需的節流排出佔主導地位的永久氣體。

重要注意事項：在製程期間，如果冷凝器中的壓力下降到低於凝結的飽和蒸氣壓力 (視冷卻水溫而定)，必須阻斷冷凝器，或者至少隔絕收集到的凝結水。如果沒有這樣做，氣鎮幫浦會再次排出之前在冷凝器中凝結的蒸氣

部落格與 Wiki 幫浦類型真空產生真空基礎說明