自冷屏蔽泵與水冷屏蔽泵高溫工況下綜合性能的對比分析

摘 要：社會公眾環保意識的增強促使泵向絕對無泄漏的要求發展，屏蔽泵由于具有無泄漏、結構緊湊、噪聲低、占地少等優點迅速在高溫化工領域得到廣泛應用。屏蔽泵根據原理可以分為水冷屏蔽泵和自冷屏蔽泵。目前，水冷屏蔽泵較為成熟，而自冷屏蔽泵處于市場推廣階段，綜合評估方法和指標缺乏。基于自冷屏蔽泵和水冷屏蔽泵的原理及其特點，從冷卻結構、能源消耗和安全可靠性等三個維度構建綜合性能評價體系，對自冷屏蔽泵和水冷屏蔽泵進行對比分析。研究表明，自冷屏蔽泵具有結構簡單、能耗低和安全可靠性能優異等特征，綜合性能遠超水冷屏蔽泵。

關鍵詞：屏蔽泵；高溫；水冷；自冷；對比分析

隨著社會大眾環保意識的增強和我國新環保法的出臺，社會各界對工業產品的安全、環保要求越來越高，迫使泵在特定場合的使用達到絕對無泄漏的要求。社會的需求直接促進了屏蔽泵技術的迅速發展。屏蔽泵具有無泄漏、結構緊湊、噪聲低、占地少等優點，具有良好的環保性能和干凈的工作環境，全面滿足社會大眾對于環保的要求，正日益廣泛應用于化工行業高溫工況等有特殊要求的領域，市場發展前景廣闊。

根據工作原理的不同，可以將輸送高溫型液體的屏蔽泵分為兩種：水冷屏蔽泵和自冷屏蔽泵。目前水冷高溫型屏蔽泵已經得到了廣泛的應用，而自冷屏蔽泵仍處于市場推廣階段，其工作原理不清晰，性能評價指標有待開發。為解決上述問題，本文首先基于水冷屏蔽泵的原理提出自冷屏蔽泵的工作原理，其次從冷卻結構、能源消耗和安全性等三個維度構建綜合性能的評價體系，最后根據構建的評價體系對自冷屏蔽泵和水冷屏蔽泵進行對比分析。

1 水冷屏蔽泵與自冷屏蔽泵原理

根據屏蔽泵的冷卻方式，目前輸送高溫型液體的屏蔽泵主要分為水冷屏蔽泵和自冷屏蔽泵。目前，傳統水冷高溫型屏蔽泵已經得到了廣泛的應用，而自冷屏蔽泵仍處于研制和應用推廣階段。自冷屏蔽泵由于沒有冷卻損耗，熱量無流失，更加安全節能等優點也開始廣泛應用起來。

1.1 水冷屏蔽泵結構特點

水冷屏蔽泵是將泵和驅動電機都被封閉在一個被泵送介質充滿壓力的容器內，此壓力容器只有靜密封，屏蔽電泵的轉子和定子各含有一個屏蔽套，電機繞組完全封閉，輸送的介質可以進入電機內部，但介質被屏蔽套隔開，不會進入定、轉子以及鐵心。泵體與葉輪構成高溫腔，電機的轉子腔與熱交換器等構成低溫腔，兩腔的液體相同但溫度不同，兩腔內的液體流動是獨立的，低溫腔靠副葉輪進行循環，如圖1所示為德國海密梯克公司生產的CNK型水冷屏蔽泵產品。

本研究認為水冷循環屏蔽泵主要具有以下兩個特點：

（1）采用獨立的高低溫腔體設計，高溫腔輸送需傳送的介質，低溫腔輸送冷卻液體。

（2）需有水冷屏蔽套以隔離電機的轉子。

1.2 自冷屏蔽泵原理及特點

無水冷高溫屏蔽泵因不采用水冷方式，高溫液體直接進入空腔，故不需要水冷屏蔽套。自冷屏蔽泵的結構相對水冷屏蔽泵的結構也更為簡單，占地面積小，如圖2所示為德國海密梯克公司生產的CN型無水冷屏蔽泵產品，其定子繞組要采用超耐熱材料。

相比水冷型屏蔽泵而言，本研究認為自冷循環屏蔽泵主要具有以下兩個特點：

（1）不需有水冷屏蔽套以隔離電機的轉子，占地面積小，結構和維護更加簡單；

（2）由于無水冷系統，電機的定子繞組的耐熱性要求更高。

2 水冷屏蔽泵與自冷屏蔽泵高溫工況下的對比分析

在研究水冷屏蔽泵和自冷屏蔽泵的基本原理和分析兩者特點的基礎上，本研究將從水冷高溫型屏蔽泵和自冷高溫屏蔽泵的結構組成、能源消耗和應用選型三個方面進行對比和分析。

2.1 結構組成對比

水冷高溫型屏蔽泵和自冷高溫型屏蔽泵的結構組成主要有以下兩個方面的不同：

2.1.1 組成結構

水冷高溫型屏蔽泵具有單獨的冷卻供水系統，因而需具有水泵、水流管路、水流閥門、水流計量等供水設備，水冷高溫型屏蔽泵的結構較為復雜，屏蔽性要求更高。而自冷高溫型屏蔽泵相比水冷屏蔽泵取消了單獨的冷卻供水系統，結構更為簡單。

2.1.2 儀表配置方面

（1）對于水冷屏蔽泵，由于考慮冷卻系統故障等問題，在電機冷卻循環液中增加一個溫度傳感器，可設置高溫報警，及早發現冷卻系統在那個地方出現故障。另外為保護電機，也會在電機的定子繞組處增加溫度傳感器，設置高溫報警，要檢查泵電流、線圈溫度、振動、流量、揚程等參數，根據情況決定是否停泵。每臺泵帶軸承磨損顯示，配置為最先進的軸承磨損監視器，可以檢測軸承徑向、軸向磨損等，同時標準配置為現場顯示，內置芯片可以DCS連接，4-20ma電流輸出信號。

（2）對于自冷屏蔽泵，由于電機繞組采用耐高溫材料，所以電機冷卻循環液來自于泵入口的高溫流體，該溫度通常是穩定的，所以在循環液內不需要再設置一個溫度傳感器，而只需在電機的定子繞組處設置一個溫度傳感器。根據需要同時配置軸承磨損監視器用于監測軸承磨損問題。

2.1.3 材料

水冷高溫型屏蔽泵具有單獨的冷卻供水系統，對電機定子繞組的耐熱性要求較為寬松，畢竟經過換熱器冷卻后的流體在100℃以內，該水冷屏蔽電機的定子繞組耐溫都可設計在200℃左右，材料不需要特別耐熱。而自冷屏蔽泵由于取消了獨立的冷卻系統，采用高溫流體來冷卻電機，對定子繞組的耐溫要求及其苛刻，現在各廠家屏蔽泵的自冷屏蔽泵定子繞組的耐溫可達到500℃左右，可見自冷屏蔽泵相對水冷屏蔽泵而言，所使用材料的種類更多，對材料的耐熱性要求更高，技術更為復雜。由以上對比分析，不難看出自冷高溫型屏蔽泵的結構比水冷高溫型屏蔽泵的結構更為簡單，但對定子繞組耐溫材料的要求更高。

2.2 能源消耗對比

2.2.1 水冷系統能耗損失

水冷屏蔽泵采用流動水作為冷卻液體來冷卻泵體和電機，輸送液體的熱量會經冷卻水流失一部分，且冷卻水泵工作需要電消耗。研究表明，同等功率的水冷屏蔽泵因擁有獨立的水冷系統，其能源消耗要比沒有水冷系統的自冷屏蔽泵要多出10.5%左右。endprint

2.2.2 屏蔽電機的能耗損失

由于自冷高溫屏蔽泵的電機繞組完全封閉，在輸送高溫液體時，定轉子繞組電阻系數響應增大，從而加大了定轉子銅耗，具體如圖3所示。研究表明，按照功率加權法計算，水冷型屏蔽泵的效率要比自冷型屏蔽泵效率要高約7%左右。

綜合以上兩點，水冷高溫型屏蔽泵比自冷高溫型屏蔽泵的平均能源消耗要高約3.5%左右，以額定功率為2.2kW的屏蔽泵為例，以屏蔽泵平均每年連續工作8000h計算，單臺水冷高溫型屏蔽泵比自冷高溫型屏蔽泵每年要多消耗約2.2kw×3.5%×8000h=616kW.h?？傊?，自冷高溫型屏蔽泵相比水冷高溫型屏蔽泵更為節約能源。

2.3 安全可靠性對比

在高溫工況，水冷屏蔽泵和自冷屏蔽泵在安全性方面是有差異的，主要表現在：

首先，采用水冷屏蔽泵，根據常規設計，在本頂部設有一個殼管式換熱器，萬一高溫流體通過換熱器管側滲入殼側，熱油進入水中，水會立即蒸發發生爆炸，十分危險。如果輸送高溫屏蔽泵的屏蔽泵采用水冷，殼管式換熱器一定要做氦檢，保證換熱器無泄漏；

其次，采用自冷屏蔽泵，不用采用殼管式換熱器，電機采用高溫流體來冷卻，電機定子繞組采用超耐溫材料設計，在安全性能方面大大提高了；

最后，由于自冷屏蔽泵結構簡單，減少故障率，提高了運行的可靠性。很多國外業主在高溫工況，在滿足溫度和功率有可選的情況下，都會優選自冷性屏蔽泵，畢竟采用水冷屏蔽泵，換熱器是一個隱患點，畢竟安全性和可靠性是所有設備選型的優先考慮要素。

3 結論

自冷屏蔽泵高溫泵型由于定子繞組材料耐高溫及設計等要素，其使用存在一定的局限性：只適用于高溫流體于不超過500℃，電機功率不超過100kw的高溫工況，但是自冷屏蔽泵因其結構簡單、能耗小、噪聲低、維護簡單等優點逐漸成為屏蔽泵的未來發展趨勢，具有廣闊的應用前景。本文在水冷屏蔽泵的原理基礎上提出水冷屏蔽泵的工作原理，從結構組成、能源消耗和安全性等三個維度構建了綜合評價體系，對比分析了水冷屏蔽泵和自冷屏蔽泵的各自優缺點，依據評估結果得出自冷屏蔽泵優于水冷屏蔽泵的結論，本文的研究對屏蔽泵的使用者和研究者具有重要的參考價值，對自冷屏蔽泵的推廣應用具有理論的借鑒意義。

參考文獻：

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[2]褚佳明，張春玉.節能產品—無水冷高溫屏蔽泵[J].防爆電機，2005（05）.

[3]王利偉.屏蔽泵的能耗分析[J].化工時刊，2010（09）.

作者簡介：宋忠娟，女，江蘇連云港人，工程師，主要從事：化工機械設備設計。endprint