台式循环水真空泵的工作原理

台式循环水真空泵是实验室常用的真空设备，其工作原理基于流体力学中的射流效应和离心力作用，通过循环水的流动产生负压，为实验提供真空环境。以下从核心原理、工作流程及关键细节展开解析：

一、核心原理：射流效应与水环形成

1. 射流产生负压的机制

(1) 叶轮旋转驱动水流：电机带动叶轮高速旋转（转速约 2000-3000rpm），将水箱中的水吸入泵体，叶轮叶片推动水沿径向甩出，形成高速水流（线速度可达 10-15m/s）。

(2) 射流真空的形成：高速水流在泵体的射流喷嘴处截面积缩小，流速进一步提升，根据伯努利原理，流速增大导致压力降低，在抽气口处形成负压（真空度可达 - 0.08 至 - 0.098MPa）。

2. 水环密封与气体压缩

(1) 水环的动态密封作用：甩出的水流在泵体外壳内壁形成一层水环，水环与旋转的叶轮轮毂之间形成月牙形空间，该空间被叶轮叶片分割成多个小腔室。

(2) 气体的吸入与压缩：

①　当小腔室体积随叶轮旋转逐渐增大时，内部压力降低，通过抽气口吸入实验装置中的气体；

②　当腔室体积缩小时，气体被压缩，最终与水混合后从排水口排出，形成持续的抽气循环。

二、工作流程：从启动到真空维持的全周期

1. 启动阶段：向水箱中加入蒸馏水（水位至 2/3 容积），接通电源后叶轮开始旋转，水流被吸入叶轮中心，经叶片加速后从边缘甩出，在泵体内部形成初始水环。

2. 真空建立阶段

(1) 高速水流在射流喷嘴处产生负压，实验装置内的气体通过抽气管道被吸入泵体，进入水环与叶轮形成的月牙形腔室；

(2) 随着叶轮旋转，气体在腔室内被水环压缩（压缩比约 1:4-1:6），最终从排水口排出，系统真空度逐渐稳定（如 - 0.09MPa）。

3. 持续运行阶段

(1) 水箱中的水通过管道不断循环至泵体，补充因蒸发或排出带走的水量，维持水环的稳定；

(2) 真空度可通过调节泵体侧面的流量调节阀控制水流大小，水流越大，射流速度越高，真空度也越高。

4. 停机阶段：先打开实验装置的放空阀（或断开抽气管道），再关闭电源，防止水环压力骤降导致溶液倒吸进入泵体。

三、关键组件的原理作用

1. 叶轮与泵体的结构设计

(1) 叶轮类型：

①　多数采用开式叶轮（无前后盖板），允许少量颗粒通过，减少堵塞风险；

②　叶片数量通常为 6-8 片，叶片角度（后弯式）优化水流方向，提高射流效率。

(2) 泵体流道：内部流道呈渐扩式设计（从喷嘴到排水口截面积逐渐增大），降低水流速度，将动能转化为压力能，提高气体压缩效率。

2. 水箱与循环系统

(1) 水箱不仅储水，还起到冷却与过滤作用：

①　循环水通过泵体时吸收电机和叶轮的热量，降低运行温度；

②　水箱内的过滤网拦截水中杂质，防止堵塞射流喷嘴或磨损叶轮。

3. 真空表与调节阀

(1) 真空表实时显示系统负压值，其原理是利用弹性元件（如波登管）在负压下的形变带动指针偏转；

(2) 流量调节阀通过改变水流截面积，调节射流速度，从而精确控制真空度，实现不同实验需求的匹配。

四、关键参数对原理的影响

1. 水温与真空度的关系

(1) 水温直接影响水的饱和蒸气压，从而限制真空度：

①　20℃时水的饱和蒸气压为 2.34kPa，对应最大真空度约 - 0.098MPa；

②　30℃时饱和蒸气压升至 4.24kPa，真空度下降至 - 0.096MPa，因此低温水可获得更高真空度。

2. 叶轮转速的临界值

(1) 转速过低（<1500rpm）时，水流速度不足，无法形成有效负压；

(2) 转速过高（>3500rpm）会导致水环不稳定，产生剧烈振动，且叶轮磨损加剧，通常最佳转速区间为 2000-3000rpm。

五、原理层面的应用优化

1. 提升真空度的方法

(1) 降低水温：加入冰水混合物（15℃以下），或外接冷水机循环，减少水的蒸发损失；

(2) 优化射流喷嘴设计：缩小喷嘴直径（如从 5mm 降至 3mm），提高水流速度，但需兼顾流量避免气蚀。

2. 减少气蚀的措施

(1) 气蚀是指真空度过高时水蒸发产生气泡，破裂后冲击叶轮表面，可通过：

①　控制真空度在 - 0.09MPa 以下；

②　增加水箱容积（如从 11L 增至 18L），延长水的冷却时间。