真空系统设计计算

1真空系统设计主讲人：王继常东北大学真空系统设计东北大学首期《真空技术》培训班系列教程之六2真空系统设计1.真空系统的组成2.真空技术基本方程3.真空系统的设计计算4.气体流动状态的判别5.流导的计算6.抽气时间的计算7.真空密封真空系统设计东北大学首期《真空技术》培训班系列教程之六31.真空系统的组成真空系统设计东北大学首期《真空技术》培训班系列教程之六1.1真空系统的概念1.2真空系统的组成元件1.3真空系统示意图1.4高真空系统1.5真空系统设计的基本内容41.1真空系统的概念真空系统设计东北大学首期《真空技术》培训班系列教程之六什么是真空系统？用一句话来概括，真空系统就是用来获得有特定要求的真空度的抽气系统。51.2真空系统的组成元件真空系统设计东北大学首期《真空技术》培训班系列教程之六一个较完善的真空系统由下列元件组成：1．抽气设备：例如各种真空泵；2．真空阀门；3．连接管道；4真空测量装置：例如真空压力表、各种规管；5．其它元件：例如捕集器、除尘器、真空继电器规头、储气罐等。61.3真空系统示意图真空系统设计东北大学首期《真空技术》培训班系列教程之六一个要进行真空处理的容器,用管道和阀门将它与真空泵连接起来,同时在容器上设置真空测量装置,这就构成了一个最简单的真空抽气系统(如图1)。71.4高真空系统真空系统设计东北大学首期《真空技术》培训班系列教程之六图1所示的最简单的真空系统只能获得低真空度,当需要获得高的真空度时,需要添加高真空泵。当串联一个高真空泵之后,通常要在高真空泵的入口和出口分别加上阀门,以便高真空泵能单独保持真空。如果所串联的高真空泵是一个油扩散泵,为了防止大量的油蒸气返流进入被抽容器,通常在油扩散泵的入口加一个捕集器水冷障板(如图2所示)。根据要求,还可以在管路中加上除尘器、真空继电器规头、真空软连接管道、真空泵入口放气阀等等,这样就构成了一个较完善的高真空系统。8真空系统设计东北大学首期《真空技术》培训班系列教程之六9真空系统设计东北大学首期《真空技术》培训班系列教程之六高真空油扩散泵机组101.5真空系统设计的基本内容真空系统设计东北大学首期《真空技术》培训班系列教程之六真空系统设计的基本内容:根据被抽容器对真空度的要求,选择适当的真空系统设计方案,进行选、配泵计算;确定导管、阀门、捕集器、真空测量元件等,进行合理配置,最后划出真空系统装配图和零部件图。112.真空技术基本方程真空系统设计东北大学首期《真空技术》培训班系列教程之六2.1真空系统的最主要性能参数：极限真空度和有效抽速2.2流导的定义2.3真空技术基本方程2.4真空技术基本方程在真空系统设计中的意义122.1真空系统的最主要性能参数：极限真空度和有效抽速真空系统设计东北大学首期《真空技术》培训班系列教程之六真空系统的极限真空度是指在没有外加负荷的情况下,经过足够长时间的抽气后,系统所能达到的最低压力。真空系统对容器的有效抽速是指在容器出口处的压力下,单位时间内真空系统能够从被抽容器中所抽除的气体体积。真空系统对容器的有效抽速不仅取决于真空泵的抽速,也取决于真空系统管路对气体的导通性能,即所说的流导。132.2流导的定义真空系统设计东北大学首期《真空技术》培训班系列教程之六流导的定义是:在单位压差下,流经管路的气流量的大小。用一个数学式子来表示,即:式中C—管路的流导,;Q—流经管路的气流量,;P1、P2—分别是管路的入口压力和出口压力,Pa。21PPQCsm3smPa3142.3真空技术基本方程真空系统设计东北大学首期《真空技术》培训班系列教程之六如果用Se来表示真空系统对容器的有效抽速,用Sp表示真空泵的抽速,C表示真空容器出口到真空泵入口之间管路的流导,则有方程(a),(b),(c)本质上是同一个方程,在真空系统设计中是一个非常重要的方程,如果知道泵的抽速Sp和管路的流导C,就可以计算出系统对容器有效抽速,这个方程被称为真空技术基本方程。)(1)(1)(:111cSCCSbCSSSaSCSCSSCSpeppeppepe或或可以改写为152.4真空技术基本方程在真空系统设计中的意义真空系统设计东北大学首期《真空技术》培训班系列教程之六从方程(2b)可以看出:如果管路的流导C远大于泵的抽速Sp,则Sp/C的值远小于1,此时真空系统对容器的有效抽速Se≈Sp。这就是说为了充分发挥泵对容器的抽气作用,在设计真空系统管路时,应使管路的流导尽可能大一些。因此真空管路应该粗而短,切不可细而长。这是设计连接管道时的一条重要原则。相反,如果管路的流导C远小于泵的抽速Sp,则C/Sp的值远小于1,从方程(2c)可以看出,此时真空系统对容器的有效抽速Se≈C,这就是说,在这种情况下,选择多大的泵都没有用,都不能提高泵对容器的有效抽速。163.真空系统的设计计算真空系统设计东北大学首期《真空技术》培训班系列教程之六3.1主泵3.2配泵3.3储气罐和维持泵3.4真空系统设计中应该注意的问题3.5真空系统的典型形式3.6真空系统的结构设计3.7真空系统操作规则173.1选主泵真空系统设计东北大学首期《真空技术》培训班系列教程之六选主泵要考虑两个方面,一是选择主泵的类型,二是确定主泵抽速的大小。3.1.1主泵的类型确定主泵类型的依据:(1)根据被抽容器所要求达到的极限真空度和工作真空度。一般选取主泵的极限真空度稍高于被抽容器所要求的极限真空度(如高半个数量级)。每一种泵都有其最佳工作压强范围,应保证将被抽容器的工作真空度选在主泵的最佳抽速压强范围内。各种真空泵的工作压强范围见图11。18真空系统设计东北大学首期《真空技术》培训班系列教程之六19真空系统设计东北大学首期《真空技术》培训班系列教程之六(2)根据被抽气体的种类,每种气体所占的比例以及气体中所夹杂的灰尘情况。为此,应当对各种真空泵的性能及使用特点进行了解。(3)根据初次投资和日常运转维护费用。当两种类型以上的泵都适合选用时,则要根据经济指标来确定主泵。在比较经济指标时,要从整套真空系统来考虑。如图12是油扩散泵、油增压泵、罗茨泵系统单位抽气速率(L/s)的价格与入口压强间的关系曲线。图13是单位抽气速率(L/s)的输入功率与入口压强的关系曲线。20真空系统设计东北大学首期《真空技术》培训班系列教程之六21真空系统设计东北大学首期《真空技术》培训班系列教程之六由两个图中的曲线可见,在1.33×10－1～13.3Pa的压强范围内,以油增压泵为主泵的真空系统比较经济,所需要的功率小。在压强低于1.33×10－1Pa的范围内,油扩散泵抽气系统比较经济。在压强高于13.3Pa的范围内,罗茨泵抽气系统比较经济。所以在选泵过程中应立足于即适用又经济。22真空系统设计东北大学首期《真空技术》培训班系列教程之六3.1.2主泵抽速大小的确定主泵抽速大小的确定主要根据被抽容器的工作真空度和其最大排气流量,以及被抽容器的容积和所要求的抽气时间。(1.)真空室内排气流量的计算式中Q－真空室中产生的总的气流量;Qg－工艺过程中被熔炼或被处理的材料放出的气流量,Pa·m３/s;Qｎ－真空室内所用耐火保温材料的出气流量,Pa·m３/s;23真空系统设计东北大学首期《真空技术》培训班系列教程之六Qf－暴露于真空条件下的真空室内壁和所有构件表面解析出来的气流量,Pa·m３/s;Ql－真空室外大气通过各密封连接处泄漏到真空室内的气流量,Pa·m３/s.以上各量在不同的真空应用设备中不一定都存在,这要根据不同情况具体考虑。24真空系统设计东北大学首期《真空技术》培训班系列教程之六a.Qg的计算式中q1－被熔炼或被处理材料单位质量的含气量在标准状态下的体积,m3/kg;G－被熔炼或处理材料的总质量,kg;Pd－标准大气压,101325Pa;b－排气程度,表示一次熔炼或处理所排出的气体占总含气量的百分比;25真空系统设计东北大学首期《真空技术》培训班系列教程之六n－材料在熔炼或处理时放气的不均匀系数,见表3;t－材料被熔炼或处理的时间,s。26真空系统设计东北大学首期《真空技术》培训班系列教程之六当给出材料在熔炼或处理前后化学成分的变化时用下式计算式中υ－熔炼速度,kg/min;C、N、H－碳元素、氮无素和氢元素在熔炼前后的减少量占原含量的百分比。27真空系统设计东北大学首期《真空技术》培训班系列教程之六b.Qn的计算某些真空设备的真空室内要求加热到较高的温度。真空室内必须使用耐火保温材料,如碳毡、碳布、硅酸铝纤维等材料,其放气量的计算如下式式中,qn－耐火保温材料单位体积放气在标准状态下的体积,m3/m3；Vn－所用耐火材料的体积,m3;Pd－标准大气压,Pa;t－耐火保温材料被加热的时间,s。28真空系统设计东北大学首期《真空技术》培训班系列教程之六c.Qf的计算暴露于真空下各种构件材料表面的放气流量用下式计算式中q1i－第i种材料单位表面积的出气速率,Pa·m3/(m2·s);一般用抽空一小时的放气速率数据;Ai－第i种材料暴露于真空条件下的表面积，m2。29真空系统设计东北大学首期《真空技术》培训班系列教程之六在利用式(38)计算真空室内的总排气流量时,对于某一种确定的真空设备,要根据具体情况而定,如有的设备没有用耐火保温材料,则不必计算Qn这一项。有些材料的放气量实验数据无处可查,则可以采用与其相类似材料的放气量数据作为代替。漏气流量Ql的计算用式(28)。30真空系统设计东北大学首期《真空技术》培训班系列教程之六(2.)被抽容器所要求的有效抽速的计算设被抽容器内的最大排气流量为QPa·m3/s所要求的工作真空度为pgPa则被抽容器所要求的有效抽速Sey为31真空系统设计东北大学首期《真空技术》培训班系列教程之六(3)粗算主泵的抽速S由于在选定主泵之前,真空室出口到主泵入口之间的管路没有确定,因而这段管路的流导C是未知数。根据式(2)无法计算主泵的抽速S。通常按经验公式粗算主泵的抽速式中Ks－在真空室出口主泵的抽速损失系数,当主泵入口到真空室出口之间的管路中不采用捕集器时,取Ks=1.3～1.4;当采用捕集器时,取Ks=2～2.5。32真空系统设计东北大学首期《真空技术》培训班系列教程之六主泵抽速S粗算出来后,按S值在真空泵的产品系列中选出符合粗算值S的主泵,设粗选出的主泵抽速为Sp。(4)验算主泵的抽速根据粗选出的主泵的入口尺寸,选择确定主阀、捕集器和连接管道,划出主泵入口至真空室出口之间管路草图。利用流导计算公式计算出被抽容器出口到主泵入口之间高真空管路的流导C,再)计算粗选主泵对真空室出口的有效抽速Se,若Se大于或等于被抽容器所要求的有效抽速Sey,则认为粗选的主泵的大小合乎要求,否则应重新粗选主泵,再进行验算,直至合乎要求为止。333.2配泵真空系统设计东北大学首期《真空技术》培训班系列教程之六主泵选定之后,重要的问题是如何选配合适的前级泵和预抽泵。通常前级泵直接影响主泵的抽气性能,影响真空系统的抽气时间和经济效益。配前级泵时应遵循如下几点规定:(1)前级泵应保证能及时排出主泵所排出的气体流量。(2)前级泵在主泵(如扩散泵、油增压泵、分子泵和罗茨泵)出口处造成的压强应低于主泵的最大排气压强。(3)兼作预抽泵的前级泵应满足预抽时间的要求。34真空系统设计东北大学首期《真空技术》培训班系列教程之六所配前级泵确定之后,即可按前级泵的入口尺寸选择前级管道阀和预抽管道阀,确定各部分连接管道的尺寸。根据以上的确定,可绘制出真空系统设计图。35真空系统设计东北大学首期《真空技术》培训班系列教程之六几种典型主泵的配泵(1)油蒸气流泵作为主泵当选用油蒸气流泵作为主泵时,配前级泵的方法可以按经验标准所推荐的前级泵的大小来确定,见表4。36真空系统设计东北大学首期《真空技术》培训班系列教程之六(2)分子泵作为主泵分子泵作为主泵时,其抽气能力与前级泵的抽气能力有密切关系。分子泵的前级侧需要保持分子流状态,它才能稳定工作。为了保证分子泵前级侧