[发明专利]潮汐式虹吸真空抽气方法和装置

说明书

技术领域  本发明涉及可再生低品位机械能循环利用技术领域，特别是利用高低两液位的落差通过虹吸流进行真空抽气的方法和装置。

背景技术  工业上大量使用储水池，同一企业具有多个不同液位储水池的情况也很普遍，例如傍海而建的工厂利用涨潮水位储水、退潮水位排水，潮差高度达3m以上，是可资利用的重力势能，可用于提供真空，如赵奎文等利用9个阀门交替开闭的管路系统实现了利用潮汐能间歇式获取真空的方法（赵奎文，刘业凤. 潮汐能太阳能多效蒸馏海水淡化装置的模拟与测试，制冷技术，2008，（2）：17~21）。但其系统过于复杂、工作效率难于满足大型工业装置的要求。若能以连续、稳定方式利用高低两液位的落差进行真空抽气操作，则可在工业上取代旋转式或喷射式真空机械并节约动力。但现有技术无法实现利用高低两液位的落差实现连续稳定真空抽气。

发明内容  本发明公开一种方法，借助大气压力能构造潮汐式虹吸真空抽气装置，利用不同液面高度的两储槽之间的液位落差，在不低于0.75kPa（绝压）的抽气压力下实现气/水质量比不低于1×10^-5的连续稳定真空抽气操作。当液位落差为3.5m时，以3070t/h的液体流量可满足900MW压水堆核电站汽轮机凝汽器7.5kPa（绝压）抽气压力61.4 kg/h抽气量的要求，取代额定功率132kW的机械真空泵。

本发明主要发明思想是：利用不同液面高度的两储槽之间的液位落差H₃和大气压力能，依据流体动力学原理和机械能转换与能量守恒，在两液面之间构成连续虹吸真空抽气过程。如附图所示，两端高差等于H₃、垂直安装的∩型虹吸管，插入高液位储槽的一端为上升管，插入低液位储槽的一端为下降管，高低两液面通过∩型管连通形成封闭流通回路，只要∩型管顶点距高液位面的高度H₂＜(p₀－p_s)/(                                                g)，（p₀和p_s分别为当地大气压强和液体饱和蒸汽压，是液体密度，g是重力加速度），一旦液体充满全管，即可形成从高液面通过上升管越过∩型管顶点通过下降管流入低液面的稳定虹吸流动，流动过程中两储槽液面高度的变化不超过0.2m。液体流经上升管时位能不断增加、静压能不断减少、在∩型管顶点处静压达到最低值p_min（但不低于p_s）即为该虹吸真空抽气泵的极限抽气压力、可以抽吸略高于该压力的气体。但从稳定性和抽气效率考虑，实际设计插入真空进气管在越过∩型管顶点的下降管a截面中心处、离高液位面垂直距离H₁、该距离是可调的、原则是使进气管插入点处液体静压比实际抽气压力p₁低0.2kPa以上。被抽吸的气体通过气液两相动量传递形成可压缩的泡状流在下降管内向下流动、其位能不断减小、静压能随之增大、气泡不断被压缩直至通过管口压入低液位储槽后从液面逸出到大气之中，从而实现连续稳定真空抽气过程。抽气质量流量m_g与液体质量流量的关系服从下式

式中，M_g、ρ_g和T是气体的摩尔质量、密度和绝对温度，R是通用气体常数，μ_g和μ_l分别是气体和液体粘度，D是虹吸管直径， L_e1和L_e2分别是液体单相流和气液两相流除直管以外的所有局部阻力当量长度，u为液体在上升管内的流速、且＞0.5m/s (σ_l是液体表面张力)，f_l0是液体摩擦系数。