真空系统的设计计算

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1、真空系统的设计计算,东北大学,真空系统设计之七,2,真空系统的设计计算,1.设计概述-真空系统的设计问题 2.选泵和配泵 2.1 选主泵 2.2 配泵 3.储气罐和维持泵 4.真空系统的典型形式 5.真空系统的结构设计 6.真空系统操作规则 7.真空系统设计算例,3,1 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。 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。 真空室的气源情况 真空室内的大气。 真空室内的表面

2、放气，即表面解析气体，放气量与材料种类、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： 溶解在金属的气体直接排出。 化学反应生成气体化合物排出。 化合物分解产生的气体排出。 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。,5,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

3、求无油、无振动等都要特殊提出来。 1.2 真空系统设计的一般程序： 真空室内总气体负荷的计算。 确定真空室所需要的有效抽速。 粗选主泵、粗配前级泵。 根据要求选择阀门、捕集器等真空元件。 绘制真空系统装配草图，确定各部分尺寸。 精算真空系统，以验证设计目标得到满足。 设计工程图。 以上程序是真空系统设计的一般程序。,6,1.3真空系统设计中应该注意的问题： 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。 机械泵(包括罗茨泵)有振动,要防止振动

4、波及整个系统,通常用软管减振。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。 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。,7,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

5、入口管道上,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。,8,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。 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. 应努力做到自动控制和联锁保护以保证系统安全可靠。 真空系统设计中要求做到节省能源,降低成本。,9,2 选泵与配泵,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泵能

6、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: 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。,10,11,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)。 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

7、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。,12,13,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1.33 101 Pa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。,14,2.1.2 主泵抽速大小的确定 主泵抽速大小的确定主要根据被抽

8、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。 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;,15,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, 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。,16,Qg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;,17,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;,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。,19,Qn的计算 某些真

10、空设备真空室内要求加热到较高温度,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;,20,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 /(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 ;,21,Ql的计算 漏气流量通常采用真空室内允许的压力增

11、长率（升压率）P/t来计算。 Ql= （P/t）V 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。,22,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pg Pa，则被抽容器所要求的有效抽速Sey为,23,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

12、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=1.31.4; 当采用捕集器时,取Ks=22.5。,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。 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

13、应重新粗选主泵,再进行验算,直至合乎要求为止。,25,2.2 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: 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 油蒸气流泵做为主泵时的配泵计算：

14、该种泵工作时需要前级泵始终保持其出口压力低于其最大排气压强。油扩散泵的最大排气压强为26-40Pa;油增压泵的最大排气压力为130-260Pa。 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、PMAX Se2 QMAX/PMAX 主泵出口有效抽速Se2 S2 (1.11-1.25) Se2 前级管道流导C 机械泵入口抽速S2 Sp (1.5-3) 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

15、,当选用油蒸气流泵作为主泵时,配前级泵的方法也可以按经验标准所推荐的前级泵的大小来确定,见表4。,29,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。,30,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。,31,

16、2.2.1 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1.3310-2-6.710-1Pa，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