真空系统的设计计算75p

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1、真空系统的设计计算真空系统设计之七2真空系统的设计计算l1.设计概述-真空系统的设计问题l2.选泵和配泵2.1 选主泵2.2 配泵l3.储气罐和维持泵l4.真空系统的典型形式l5.真空系统的结构设计l6.真空系统操作规则l7.真空系统设计算例31 设计概述 1.1 真空系统设计的已知条件：在进行某个特定的真空系统设计时，通常把真 空室做为已知的被抽容器。l真空室的已知参数真空室容积；暴露在真空条件下的表面积（与 材料和放气率有关）；真空室漏气率；真空室 所要求的极限真空度、工作真空度和抽气时间 （预抽时间和抽极限时间）等。l真空室的气源情况真空室内的大气。真空室内的表面放气，即表面解析气体，放

2、气 量与材料种类、温度、压强和抽气时间等因素 有关。4真空室的漏气,即主要通过静密封和动密封泄 漏的气体量,一般用压力增长率即升压率表示.耐火保温材料的放气,与材料种类和用量有关.工艺过程中被处理材料的放气，该放气量往往 是真空排气系统的主要气体负荷，主要由如下 过程产生：p溶解在金属的气体直接排出。p化学反应生成气体化合物排出。p化合物分解产生的气体排出。p为控制工艺而引入的气体也需要排出。真空室内材料放气的计算比较复杂，目前还不 能精确计算，可以根据实验值近似计算。5l真空室内的特殊要求有些工艺过程可能产生灰尘、金属喷溅、爆炸 性或腐蚀性气体、水蒸气等，所以，是否要求 无油、无振动等都要特

3、殊提出来。 1.2 真空系统设计的一般程序：l真空室内总气体负荷的计算。l确定真空室所需要的有效抽速。l粗选主泵、粗配前级泵。l根据要求选择阀门、捕集器等真空元件。l绘制真空系统装配草图，确定各部分尺寸。l精算真空系统，以验证设计目标得到满足。l设计工程图。以上程序是真空系统设计的一般程序。61.3真空系统设计中应该注意的问题：l真空元件相互联接时,应尽量作到抽气管路短, 管道流导大,导管直径一般不小于泵口直径,这 是系统设计的一条重要原则。但同时要考虑到 安装和检修方便。有时为了防振和减少噪音, 允许机械泵设置在靠近真空室的泵房内。l机械泵(包括罗茨泵)有振动,要防止振动波及整 个系统,通常

4、用软管减振。软管有金属和非金 属的两种,不论采用那种软管要保证在大气压 力作用下不被压瘪。l真空系统建成后,应便于测量和检漏。为了迅 速找到漏孔,要进行分段检漏,因此,每一个用阀 门封闭的区间,至少要有一个测量点。7l真空系统中配置的阀门和管道,应使系统抽气时 间短,使用方便,安全可靠。通常在一个蒸气流泵(扩散泵或油增压泵)作为主 泵和一个机械泵作为前级泵的系统上,除了有前 级管道(蒸气流泵串联机械泵的管道)外,还应有 一个预抽管道(真空室直通机械泵的管道)；在真空室和主泵之间设有高真空阀门(也称主阀 ),在前级管道上设有前级管道阀，在预真空管道 上设置预抽管道阀(均称低真空阀)；机械泵入口管

5、道上,应设一个放气阀门,防止机械 泵停泵时返油。真空室上也要设置放气阀门,给便装料和取料时 打开室门。8l测量真空度的规管位置要避开带有水套的壳体 ，因为其焊接工艺性差，规管可以上下直立的 设置在主泵的入口管道上，不要横放。l真空系统的设计应保证排气稳定可靠,安装拆卸 维修容易,操作方便,各元件间的连接有互换性.l应努力做到自动控制和联锁保护以保证系统安 全可靠。l真空系统设计中要求做到节省能源,降低成本。92 选泵与配泵l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;前级泵则在主泵出口处造成始终 低于主泵临界前级压力的真空度;而所说的预抽 泵是为了使被抽容器能从大气压很快的抽到主

6、 泵能够开启的工作压力而设置的,一般前级泵同 时兼做预抽泵。 2.1 选主泵即选择主泵类型和确定主泵抽速大小 2.1.1 主泵类型的确定：确定主泵类型的依据:l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要求 的极限真空度(如高半个数量级)。另外,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 。各种真空泵工作压强范围见图11。1011l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来确定主泵的类型,为 此,应了解各种真空泵性能及使用特点(P135)。l根据初次投资和日常运转维护费用。当两种类

7、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。1213l由图中的曲线可见,在1.3310113.3Pa的压 强范围内,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1.33101Pa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 。142.1.2 主泵抽速大小的确定主泵抽速

8、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。l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, Pam/s;Qg 工艺过程中被熔炼或被处理的材料放出的气流量,Pam/s;Q真空室内所用耐火保温材料的出气流量Pam/s;15Qf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, Pam/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, Pam/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。16Qg的计算就真空熔炼来说，Qg的计算是以实验数据为基 础进行的。式中 q1 被熔炼或被处理

9、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;17n 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;18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 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。N、H的减少都生成了氢气或氮气逸出，直 接构成气体负荷；O的减少除生成CO外还可能 生成金属氧化物，故用C取值而不用氧取值。19Qn的计算某些真空设备真空室内要求加热到

10、较高温度,为 节省功率,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;20Qf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,Pam3 /(m2s) (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;21Ql的计算漏气流量通常采用真空室内允许的压力增长率 （升压率）P/t来计算。Ql= （P/t）V

11、P/t - 升压率,Pa/s;V- 真空室容积,m3;计算某一种确定设备的总排气流量时,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。22l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 Pam3/s， 所要求的工作真空度为pg Pa，则被抽容器所 要求的有效抽速Sey为23l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,所以,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

12、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=1.31.4;当采用捕集器时,取Ks=2.02.5。24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。l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

13、。252.2 配泵l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:前级泵应保证能及时排出主泵所排出的气体流 量。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。兼作预抽泵的前级泵应满足预抽时间的要求。26由于主泵的特性不同,配泵可分为两种情况:一 种是主泵需要配前级泵;另一种是主泵只需要配 预真空泵,而不需要配前级泵。 2.2.1 主泵需要匹配的前级泵的计算l油蒸气流泵做为主泵时的配泵计算：该种泵工作时需要前级泵始终保持其出口压力 低

14、于其最大排气压强。油扩散泵的最大排气压 强为26Pa40Pa;油增压泵的最大排气压力为 130Pa260Pa。由于前级管道及其流导未知，应先按经验公式 粗算，然后待管道设计完成后，计算相应的流 导后验算。27主泵出口QMAX、PMAXSe2QMAX/PMAX主泵出口有效抽速Se2S2 (1.111.25) Se2 前级管道流导C机械泵入口抽速S2Sp (1.53) S2 机械泵名义抽速Sp在选择机械泵名义抽速时，系数的选取根据主泵的种类和前级泵的级数来确定。前级为单级泵取大值 ，双级时可取小值；主泵时扩散泵时取大值，油增 压泵时可取小值。28当选用油蒸气流泵作为主泵时,配前级泵的方法 也可以按

15、经验标准所推荐的前级泵的大小来确 定,见表4。29l主泵为分子泵时的配泵计算：分子泵作为主泵时,其抽气能力与前级泵的抽气 能力密切关系。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,通常按下式选取前级泵的抽 速式中 S1 分子泵的抽速, m3/s;S2 前级泵的抽速, m3/s。30l罗茨泵作为主泵罗茨泵作为主泵时,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 验公式选取。式中 S1 罗茨泵的抽速;S2 油封机械泵作为前级泵的抽速;Ss 水环泵作前级泵的抽速。312.2.1 主泵只需预真空环境的预抽泵计算以上介绍的几种泵一般都

16、要求预真空环境才能 启动，一般扩散泵预备真空为6.7Pa,油增压泵为 13Pa,罗茨泵为1330Pa,分子泵为1.310-1Pa， 所以，需要配置预真空泵。有些泵如钛泵和低温泵不需要前级泵，但需要 预真空泵先抽到预备真空才能工作，如钛泵的 预备真空度为1.3310-2Pa6.710-1Pa，低温 泵为1.33Pa。所以，需要进行预抽泵的计算。32预抽泵的计算主要是考虑所要求预真空的抽 气时间和预备真空度。-预抽泵对真空室出口的有效抽速；-真空室的容积；-抽空到预备真空度所要求的时间；-抽气开始时真空室内的压强；-所要求达到的预备真空度；-真空室极限压强。 此外，还要考虑预抽管道流导的影响来配置 预抽泵；对于前级泵兼做预抽泵的情况应同 时满足前级泵和预抽泵的要求。333 储气罐和维持泵l储气罐