第八讲：真空系统设计
王继常
(东北大学)

六、真空系统的设计

    在图2所示的真空系统中，主泵决定了被抽容器的极限真空度和工作真空度，而前级泵则在主泵出口处造成始终低于主泵的临界前级压力的真空度，保证主泵能正常工作。而所说的预抽泵是为了使被抽容器能从大气压力很快地抽空到主泵能够开启工作的压力。对一个真空系统来说，往往把系统的前级泵同时兼作预抽泵使用。我们这里所说的选泵是指选择主泵而言，而配泵是指为主泵选配合适的前级泵或预抽泵。
    1．选主泵
    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。
    (1)主泵类型的确定
    确定主泵类型的依据是：
    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1l。
    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。例如：油封式机械真空泵能够直接向大气中排气，即可以单独抽空，又可以作为某些泵的前级泵。在无气镇装置的情况下，该泵只适用于抽除干燥气体、当带有气镇装置时，也可以抽除含有少量水蒸气的气体，不适合抽除有爆炸性的气体，对金属有腐蚀性的气体，以及含有颗粒灰尘的气体。再如油增压泵和油扩散泵，它们都属于油蒸汽流泵。这两种泵对摩尔质量较小的气体(如氢气)抽气能力大，被抽气体中含有少量灰尘和水蒸汽也影响不大。但它们不能将气体直接排到大气中去，必须有前级泵，而且工作前必须有一个预真空环境。这两种泵作为主泵的系统，都会有一定数量的泵油蒸气返流到被抽容器中。
    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。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1.33×10⁴Pa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。
    (2)主泵抽速大小的确定
    主泵的类型选定之后，接下来就是要具体地确定主泵抽速的大小规格。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
    在正常的工艺过程中，真空室内所产生的气流量应当由主泵及时抽走，以保证真空室内的压强符合工作真空度的要求。工艺过程中的气流量可用式(38)计算。
    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。
    a．Q_g的计算
    就真空熔炼来说，被熔炼材料工艺过程中的放气流量Q_g的计算是以实验数据为基础进行的。当给出材料单位质量含气量在标准状态下的体积时可用式(39)计算。
    当给出材料在熔炼或处理前后化学成分的变化时用式(40)计算。
    b．Q_n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，其放气量的计算如式(41)。
    c．Q_f的计算
    暴露于真空下各种构件材料表面的放气流量用式(42)计算。
    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Q_n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Q_t的计算用式(28)。
    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Q Pa·m³／S，所要求的工作真空度为P_gPa，则被抽容器所要求的有效抽速S_ey为式(43)。
    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(44)粗算主泵的抽速。
    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，再按式(2a)计算粗选主泵对真空室出口的有效抽速S_e，若S_e大于或等于被抽容器所要求的有效抽速S_ey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。
    2．配泵
    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。
    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。
    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，确定备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。
    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处于分子流状态，通常按式(47)选取前级泵的抽速。
    罗茨泵作为主泵时，由于罗茨泵的转子与转子、转子与定子之间的间隙较大，所以它对气体的压缩比较小，一般其前缀泵要大些。通常可用油封机械泵或水环泵作为罗茨泵的前级泵，前级泵的抽速可根据经验公式(48)选取。
    3．储气罐和维持泵
    由于扩散泵和油增压泵起动时间长，在周期性操作的设备中，当装料和卸料的时候，为了缩短工作周期而不切断扩散泵和油增压泵的电源，将高真空阀和前级管道阀关闭，使主泵处于正常工作状态。由于阀门等总会有极少量的漏气和表面放气，经过一段时间主泵出口压强增加，若超过主泵的最大排气压强而返流到泵中，则会使油蒸气氧化。为了解决这个问题，一个办法是用前级泵继续抽除主泵排出的气体，但此时主泵内排出的气体量很小，出现前级泵大马拉小车的现象。浪费许多能源。为此可采用另一种办法，停止前级泵工作，关闭前级管道阀门，在主泵出口处设置维持泵或储气罐，这就可以保证即能排出主泵内的气体，又可以节省能源消耗。储气罐不能作得很大，它只能用在以扩散泵为主泵的小型系统上，而维持泵可用在大型主泵的系统上。储气罐的另一个作用是某些较小应用设备，在其工艺过程中不允许有振动，即在工艺进行时必须停止前级泵的工作，这时要用储气罐来储存在工艺过程中主泵所排出的气体，以保证工艺过程中被处理工件的质量。
    用于防振目的而设置储气罐的容积的计算是根据在机械泵停止工作这段时间里，扩散泵从真空室中排出的气体全部排到储气罐中，引起罐中压强增高不超过扩散泵出口的最大排气压强来计算的。
    用于节能和缩短工作周期为目的的储气罐的容积，其计算办法基于如下考虑：当前级泵停止工作时，而扩散泵仍处于正常工作状态，这时扩散泵将气体排到储气罐中。此时气体来源是扩散泵入口上的高真空阀门到扩散泵出口的前级管道阀之区间的漏气流量和这一区间的表面放气流量，这些气流量引起扩散泵出口压强增高，但不能超过扩散泵的最大排气压强。
    使用维持泵的目的是节能，它设置在油蒸气流泵的出口处，一般与前级机械泵并联。通常维持泵与前级泵是同一类型的泵。经验表明，维持泵的抽速大小可以是前级泵抽速的十分之一。可见使用维持泵即能大量节约能源，又能减小环境噪音。

（未完待续）