Рассмотрим устройство водокольцевого вакуумного насоса.
Внутри корпуса водокольцевого насоса расположен ротор с лопатками, который при вращении отбрасывает воду к стенкам корпуса, тем самым формируя вращающееся водяное кольцо. Ось ротора смещена относительно центра сечения корпуса, в результате чего глубина погружения каждой лопатки ротора в воду за один оборот изменяется от минимального (внизу) до максимального (вверху).
В торцевой стенке сделаны два отверстия, которые соединяют пространство ротора с изолированными друг от друга полостями входного и выходного патрубка соответственно.
Рассмотрим что происходит с пространством между двумя лопатками во время вращения ротора.
При нахождении лопаток в верхнем положении их степень погружения в воду максимальна и пространство между ними полностью заполнено водой. По мере вращения ротора против часовой стрелки степень погружения лопаток уменьшается, вода "отступает" и возникает незаполненная водой разрежённая область, куда через входной патрубок поступает откачиваемый воздух.
В области сжатия происходит обратный процесс - по мере вращения объём незаполненного водой пространства уменьшается и воздух выталкивается в полость выходного патрубка.
Принцип действия ВКВН аналогичен принципу действия поршневого насоса: на первом шаге создаётся область разрежения, в которую поступает откачиваемая среда, на втором - среда выталкивается в выходной канал.
На представленном выше рисунке толщина водяного слоя сверху и снизу показана разной. Такое возможно только в том случае, если скорость воды в рассматриваемых сечениях разная, либо отличны величины объёмного расхода. Если расход воды в каждом сечении одинаковый, то скорость воды снизу должна быть меньше чем сверху (т.к. в верхней части вода увлекается лопатками, а в нижней части вода движется по большей части по инерции), поэтому водяной слой снизу должен быть толще чем сверху.
Рабочей жидкостью в ВКВН является вода, которая контактирует с откачиваемым воздухом. Если воздух имеет относительную влажность менее 100% (водяной пар в воздухе не находится в состоянии насыщения), то при его контакте с поверхностью воды вода начинает испаряться. Испаряющаяся вода поступает в область разрежения, заполняя её рабочий объём и, как следствие, снижая производительность ВКВН.
Примем что температура рабочей воды в ВКВН выше температуры откачиваемого воздуха (испарение воды происходит за счёт теплоты, отдаваемой водой) и что температура воздуха при контакте его с водой остаётся постоянной (вода не нагревает воздух).
Чем выше температура откачиваемого воздуха и чем ниже его относительная влажность тем большее количество испарившейся воды он может в себя вобрать.
Относительная влажность воздуха определяется по формуле
RH = p_пар / p_нас,
где p_пар - парциальное давление пара, p_нас - давление насыщенного водяного пара (зависит от температуры).
При откачке воздуха из герметичной ёмкости давление воздуха в ёмкости и на всасе ВКВН снижается, пропорционально снижению давления воздуха снижается и парциальное давление водяного пара, в то время как давление насыщенного водяного пара остаётся неизменным (т.к. оно зависит только от температуры). Это означает, что при при уменьшении давления откачиваемого воздуха относительная влажность воздуха снижается, что увеличивает его потенциальную влагоёмкость.
В представленных ниже графиках используются следующие обозначения: 𝛿𝑉 - изменение производительности ВКВН, %; t_0 - температура откачиваемого воздуха, С; RH_0 - относительная влажность откачиваемого воздуха в момент начала процесса откачки (затем с уменьшением давления воздуха его относительная влажность также уменьшается); RH_кон - влажность воздуха в области разрежения ВКВН при достижении которой процесс испарения воды прекращается.
Производительность насоса снижает только поступление пара в область разрежения. После того как пространство между лопатками и содержащийся в нём воздух покинули область разрежения процессы, происходящие в этом пространстве, уже не влияют на производительность ВКВН.
Определим время в течение которого лопатка насоса находится в области разрежения. При оборотах ротора ВКВН 750 об/мин и длине области разрежения в 1/4 длины окружности время нахождения лопатки (и каждой частички откачиваемого воздуха) в области разрежения составит 60 / 750 / 4 = 0,02 секунды.
С учётом того что с водой контактирует только часть откачиваемого воздуха и длительность контакта непродолжительная, можно предположить, что производительность ВКВН при понижении давления воздуха на его всасе если и снижается, то незначительно.
Исключение составляет случай, когда давление воздуха на всасе ВКВН становится равным или меньшим давления закипания воды, соответствующего температуре рабочей воды ВКВН (см. рис. 2). В этом случае область разрежения заполнится водяным паром от испарившейся рабочей воды ВКВН, и насос не сможет выполнять свою функцию.
Статью в формате JupyterNotebook с приведением расчётов см. здесь.