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一、真空体系的组成 真空运用设备品种繁复,但不管何种真空运用设备都有一套扫除被抽容器内气体的抽气 体系,以便在真空容器内取得所需求的真空条件。举例来说:一个真空处理用的容器,用管道和 阀门将它与真空泵衔接起来,当真空泵对容器进行抽暇时,容器上要有真空丈量设备,这就构成
了一个最简略的线 所示的最简略的真空体系只能在被抽容器内取得低真空规模内的真空度,当需求获
得高真空规模内的线 所示的真空体系中串联一个高真空泵。当串联一个高真 空泵之后,一般要在高真空泵的进口和出口别离加上阀门,以便高真空泵能独自坚持真空。假如 所串联的高真空泵是一个油分散泵,为了避免许多的油蒸气返流进入被抽容器,一般在油分散泵 的进口加一个捕集器——水冷障板(如图 2 所示)。依据要求,还能够在管路中加上除尘器、真空 继电器规头、真空软衔接管道、真空泵进口放气阀等等,这样就构成了一个较完善的高真空体系。
但凡由两个以上真空泵串联组成的真空体系,一般都把抽低真空的泵叫做它上一级高真 空泵的前级泵(或称前置泵),而最高一级的真空泵叫做该真空体系的主泵,即它是最首要的泵, 被抽容器中的极限真空度和作业真空度就由主泵确认。被抽容器出口到主泵进口之间的管路称为 高真空管路,主泵进口处的阀门称为主阀。
一般前级泵又兼作予真空抽气泵。被抽容器到予抽泵之间的管路称为予真空管路,该管 路上的阀门称为予真空管道阀。主泵出口到前级泵进口之间的管路称为前级管道,该管路上的阀 门称为前级管道阀,而软衔接管道是为了阻隔前级泵的振荡而设置的。
总起来说,一个较完善的真空体系由下列元件组成: 1.抽气设备:例如各种线.真空丈量设备: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。 那么,终究什么是真空体系?用一句话来概括,便是:用来取得有特定要求的真空度的 抽气体系。 真空体系规划的根本内容:是依据被抽容器对真空度的要求,挑选恰当的真空体系规划 计划,进行选、配泵核算;确认导管、阀门、捕集器、真空丈量元件等,进行合理装备,最终划 出真空体系装配图和零部件图。
真空体系最重要的功能参数是其所能取得的极限真空度和对容器的有用抽速。 所说的真空体系的极限真空度是指在没有外加负荷的状况下,经过满意长期的抽气 后,体系所能到达的最低压力。 真空体系对容器的有用抽速是指在容器出口处的压力下,单位时刻内真空体系能够从被 抽容器中所抽除的气体体积。真空体系对容器的有用抽速不只取决于真空泵的抽速,也取决于真 空体系管路对气体的导通功能,即所说的流导。流导的界说是:在单位压差下,流经管路的气流 量的巨细。用一个数学式子来标明,便是式(1) 假如用 Se 来标明真空体系对容器的有用抽速,用 Sp 标明真空泵的抽速,C 标明真空容器 出口到真空泵进口之间管路的流导,则有式(2),(2a)、(2b)、和(2c) 方程(2),(2a)、(2b)、和(2c)实质上是一个方程,只不过写法不同,这个方程在真空 体系规划中是一个非常重要的方程,假如知道泵的抽速 Sp 和管路的流导 C,就能够核算出体系对 容器有用抽速,这个方程被称为真空技能根本方程。 从方程(2b)能够看出:假如管路的流导 C 远大于泵的抽速 Sp,则 Sp/C 的值远小于 1, 此刻真空体系对容器的有用抽速 Se≈Sp。这便是说为了充分发挥泵对容器的抽气效果,在规划真 空体系管路时,应使管路的流导尽或许大一些。因而真空管路应该粗而短,切不可细而长。这是 规划衔接管道时的一条重要准则。相反,假如管路的流导 C 远小于泵的抽速 Sp,则 C/Sp 的值远 小于 1,从方程(2c)能够看出,此刻真空体系对容器的有用抽速 Se≈C,这便是说,在这种状况 下,挑选多大的泵都没有用,都不能进步泵对容器的有用抽速。
三、气体活动状况的判别 在真空状况下,气体经过管道的活动归于淡薄气体活动。在真空体系管路中的气流有五 种活动状况:湍流(又称紊流、涡流);湍-粘滞流;粘滞流(又称层流、粘性流、泊稷叶流);粘 滞-分子流;分子流(又称自在分子流、克努森流)。湍-粘滞流是湍流和粘滞流之间的过渡状况。 粘滞-分子流是粘滞流和分子流之间的过渡状况。 因为湍流只是产生在真空体系刚刚作业之时,持续的时刻很短,产生湍-粘滞流的时刻 也很短,所以在真空体系的规划核算中很少考虑这两种活动状况的影响。而首要考虑粘滞流,粘 滞-分子流,分子流这三种活动状况下,管道对气体的导通功能-流导。 气体在管道中的活动状况不同,管道的流导也纷歧样,也便是说,管道对气体的流导不 仅取决于管道的几许形状和尺度,还与管道中活动的气体品种和温度有关,在有的活动状况下还 取决于管道中气体的均匀压力。所以在核算管道对气体的流导时,首要有必要判明管道中的气流是 哪一种活动状况? 关于室温 20℃空气、湍流、湍-粘滞流、粘滞流之间的判别式为式(3)。 关于室温 20℃空气,粘滞流、粘滞-分子流和分子流之间的判别式是(4)。
四、流导的核算 1.流导和流几率 (1)流导 就一个真空体系管路元件(包含导管、阀门、捕集器等)来说,若其进口压力 P1 和出口 压力 P2 不持平,即管路元件的两头存在压强差 P1-P2,则元件中将有气流从高压侧流向低压侧(如 图 3)。 若流经元件的气流量是 Q,试验和理论都证明 Q 值的巨细与元件两头的压强差 P1-P2 成 正比。用数学式子来标明 Q 与 P1-P2 之间的联系,则可写成式(5)。 该份额常数 C 称为流导。式(6)便是流导的界说式。它标明:在单位压差下,流经管路 元件气流量的巨细被称为流导。在国际单位制中,气流量 Q 的单位是 Pa·m3/s,P1-P2 的单位是 Pa,所以流导的单位是 m3/s。 流导的巨细阐明在管路元件两头的压强差 P1-P2 必定的条件下流经管路元件的气流量的 多少。从式(5)可见,当压差 P1-P2 必守时,流导 C 的值较大,那么流经管路元件的气流量 Q 的值 就较大;反之流导 C 的值小,则流经元件的气流量 Q 就小。所以作为真空体系管路元件,不管是 导管、仍是阀门、捕集器、除尘器等,都期望它的流导值尽或许大一些,使气流能顺畅地经过。 因而,流导是真空体系管路元件的一个重要参数。在真空体系规划核算中,要核算管路元件以及 某段真空体系管路的流导。 (2)流导几率 流导几率也称为传输几率,其物理含义是气体分子从元件的进口入射进入元件能从管路 元件的出口逸出的概率。在分子流状况下,运用流导几率来表征真空体系管路元件对气体的导通 功能更直观,更实质。用 pr 来标明流导几率,则流导几率的界说式为式(7)。 从式(8)能够看出,管路元件的流导 C 等于该元件进口孔的流导 Cfk 和其流导几率 Pr 的乘 积。一般,管路元件进口孔的流导 Cfk 是很简略求得的,假如知道了元件的流导几率 Pr,则运用 式(8)能够很简略地核算出元件的流导。 2.流导的核算 在真空体系中,衔接管道一般选用的是圆截面管道,被抽气体又多为室温下的空气,因 此这儿只扼要介绍圆孔和圆截面管道对室温空气的流导。 (1)粘滞流时流导的核算 ①薄壁孔 粘滞流时气体流经薄壁孔,如图 4 所示,当 P1>P2 时,气体从 I 空间流向 II 空间。试 验发现:当 P1 不变时,随 P2 下降,经过孔口的流速和流量都添加,但当 P2 下降到某一值时,它 们都不再随 P2 下降而添加。 关于室温空气,面积为 Am2 的薄壁孔的流导为式(9)。 关于室温空气,圆形薄壁孔的流导为式(10)。 ②不考虑管口影响时,圆管的流导 一般,气体从一个大容积进入管道的进口孔时,孔口对气流存在影响,但当管道的长度 比较长,管口对气流的影响则能够疏忽,即能够不考虑管口对气流的影响。在工程核算中,一般
把管道的轴线长度 L 与管道直径 D 的比值 L/D≥20 的管道视为“长管”,其实质是能够不考虑 管口的影响进行核算。设圆管的轴线长度为 Lm,直径为 Dm,则其粘滞流条件下关于室温空气的 流导为式(11)。
③考虑管口影响时,圆管的流导 在粘滞流条件下,气流从大容积进入管口,在管口处受到影响,这种影响损坏了粘滞流 的应有次序,使管道的流导减小,这种影响常称为管口效应。当管道的长度不太长时,管口效应 的影响在进行核算中不能疏忽。在工程核算中,一般以为管道的长径比 L/D<20 都归于这种情 况,这便是所说的“短管”。 关于室温空气,考虑管口影响时,管道的流导用式(12)核算。 (2)分子流时流导的核算 ①薄壁孔 分子流时,关于室温空气,面积为 Am2 的薄壁孔的流导用式(13)核算。 ②不考虑管口影响时。圆管的流导 不考虑管口影响时,在分子流条件下,恣意截面形状管道的流道核算式可由克努森流导 积分公式(15)导出。 由式(15)导出的圆管的流导为式(16)。 ③不考虑管口影响时,圆锥形管的流导 关于图 5 所示的截圆锥形管道,其分子流流导的核算式为式(17)。
④考虑管口影响时,圆管的流导 设圆管的长度为 L,半径为 R,直径为 D=2R。在分子流条件下,考虑管口影响时,圆管 的流导几率 pr 如式(18)。 因而,当考虑管口影响时,圆管关于室温空气的流导核算式为式(19)。 ⑤真空阀门的分子流流导 关于真空阀门的分子流流导核算可用式(45)。 ⑥常用水冷障板的流导 水冷障板的分子流流导的核算可用两种方法。一种是运用“比流导”的数值进行核算, “比流导”指的是捕集器进口单位面积上的流导,运用“比流导”数据进行核算可用式(20)。 若捕集器不是用水冷却,而是用其它冷剂,则式(20)要引进一个温度影响系数 l,式 (21)。 若冷凝剂用的是干冰(固体 CO2),取 l=1.2;若是液氮,则取 l=1.7。第二种方法是用流 导几率进行核算,关于许多种结构方式的捕集器,其流导几率值已有资料给出,因而运用式(8)
可便利地进行核算。 (3)粘滞-分子流时,圆管关于室温空气的流导核算式是式(21)。 在式(21)和(22)中,函数 J 的数值见表 1。 (4)管路元件串、并联时,流导的核算 组成真空体系的管路林林总总,各体系管路元件之间的联系,有的是串联,有的又归于
并联。 ①串联管路的流导 图 6 所示的一段管路,是导管、阀门、捕集器三个元件串联。若 C1、C2、C3 别离是这三
个元件的流导,则它们串联之后的整段管路的流导为式(23)。 假如是 n 个管道元件串联,则串联后整个管路的流导为式(24)。 可见管路元件串联之后,整个管路的流导等于各元件流导的倒数的代数和的倒数。 ②并联管路的流导 图 7 所示的整段管路是三条导管的并联,若 C1、C2、C3 别离是这三条导管的流导,则并
联后组成的整段管路的流导 C 为式(25)。 假如有 n 条管路并联组成一段管路,则并联之后整段管路的流导为式(26)。 可见并联管路的流导等于各并联元件流导的代数和。 五、抽气时刻的核算 1.真空体系的抽气方程 真空体系的使命便是抽除被抽容器中的各种气体。咱们能够把被抽容器中所产生的各种
气体的流量称为真空体系的气体负荷。那么真空体系的气体负荷终究来自哪些方面呢?或者说真 空室内终究有哪些气源呢?总起来说,能够概括为下述几个方面:
(1)被抽容器内原有的空间大气,若容器的容积为 Vm3,抽气初始压强为 PoPa,则容器内 原有的大气量为 VP0Pa·m3;
(2)被抽容器内一旦被抽暇,露出于真空下的各种资料构件的外表就将把本来在大气压 下所吸收和吸附的气体解析出来,这部分气体来历咱们称之为放气,单位时刻内的放气流量能够 用 QfPa·m3/s 来示;
试验标明,资料外表单位时刻内单位外表积的放气率 q 能够用式(27)的经历公式来计 算。
真空室内露出于真空下的构件外表,或许有多种资料。所以总的外表放气流量 Qf 为式 (49)。
(东北大学) (3)大气经过容器壁结构资料向真空室内浸透的气体流量,以 QsPa·m3/s 标明。浸透的 气流量便是大气经过容器壁结构资料分散到容器中的气体流量。气体的这种浸透是有挑选性的, 例如:氢只要别离为原子才干透过钯、铁、镍和铝;氢对钢的浸透将随钢中含碳量的添加而添加。 氦分子能透过玻璃。氢、氮、氧和氩、氖、氦能透过通明的石英。悉数气体都能透过有机聚合物, 如橡胶、塑料等。可是一切的隋性气体都不能透过金属。除了有挑选性之外,浸透气流量 Qs 还 与温度、气体的分压强有关。在资料品种、温度和气体分压强确认时,浸透气流量 Qs 是个细小 的定值。 (4)液体或固体蒸腾的气体流量 QZPa·m3/s。空气中水分或工艺中的液体在真空状况下 蒸腾出来,这是在低真空规模内常常产生的现象。在高真空条件下,特别是在高温设备中,固体 和液体都有必定的饱满蒸气压。当温度必守时,资料的饱满蒸气压是必定的,因而蒸腾的气流量 也是个常量。 (5)大气经过各种真空密封的衔接处,经过各种漏隙通道走漏进入真空室的漏气流量 QLPa·m3/s。关于确认的真空设备,漏气流量 QL 是个常数。漏气流量一般可经过所说的压升率, 即单位时刻内容器中的压强增长率 Px 来核算式(28)。 当真空泵发动之后,真空体系即对被抽容器抽气。此刻,真空体系对容器的有用抽速若
以 Se 标明,容器中的压力以 P 标明,则单位时刻内体系所排出的气体流量便是 SeP。容器中的压 强改变率为 dP/dt,容器内的气体削减数便是 V dP/dt。依据动态平衡,可列出如下方程(29)。
这个方程称为真空体系抽气方程。式中 V 是被抽容器的容积,因为跟着抽气时刻 t 的增 长,容器内的压力 P 下降,所以容器内的压强改变率 dP/dt 是个负值。因而 V dP/dt 是个负值, 这标明容器内的气体削减数。放气流量 Qf,浸透气流量 Qs,蒸腾的气流量 Qz 和漏气流量 QL 都是 使容器内气体量增多的气流量。SeP 则是真空体系将容器内气体抽出的气流量,所以方程中记为 一 SeP。
关于一个规划、加工制作杰出的线)中的放气 Qf 渗气 Qs、漏气 QL 和蒸气 Qz 的气流量都是细小的。因而抽气初期(粗真空和低真空阶段)真空体系的气体负荷首要 是容器内原有的空间大气。跟着容器中压强的下降,原有的大气敏捷削减,当抽暇至 1~10-1Pa 时,容器中残存的气体首要是漏放气,并且首要的气体成分是水蒸汽。假如用油封式机械泵抽气, 则试验标明,在几十~几 Pa 时,还将呈现泵油许多返流的现象。
2.低真空抽气时刻的核算 从大气压开端到 0.5Pa 规模的抽气,咱们统称为低真空抽气阶段。这一阶段的抽气一般 用油封式机械真空泵或分子筛吸附泵来完结。一般来说,油封机械泵的特性是在大气压到 102Pa 时抽速近似为常数,在 102~O.5Pa 时抽速改变较大,而关于吸附泵,5A 分子筛在室温下由大气 压到 O.5Pa 时对氮气的吸附速率近于常数;在液氮温度下,由大气压到 1Pa 时,对氮气的吸附量 近似于常数。因而,关于低真空阶段抽气可分为近似常抽速和变抽速两种状况来别离考虑。 (1)近似常抽速时,抽气时刻的核算 油封机械泵在大气压到 102Pa 规模内抽速近似为常抽速。在这一阶段抽气进程中,体系 内的压强较高,排气量较大,即便体系内有些细小的漏气和放气,影响也不大,能够疏忽漏气、 放气、蒸腾和浸透的气流量。疏忽这些细小的气流量之后,抽气方程(29)变为(30)。 ①不考虑管道影响和漏放气时抽气时刻的核算 一般,被抽容器的出口到真空泵进口之间有衔接管路。衔接管路的影响是使得体系对真 空容器的有用抽速 Se 低于真空泵的抽速 Sp 这阐明管路关于气体活动具有阻力,这种影响从线a)即可看出。 咱们先从最简略的状况来研讨,假定真空泵的进口直接连到容器出口上进行抽暇,如图 8 所示,此刻没有衔接管路或是衔接管路很短,其影响能够疏忽不计。细小的漏、放气流量等也 疏忽不计,则求解抽气方程(31)。 由式(32)可得出容器内压强 P 随抽暇时刻 t 的改变联系式(33)。 式中各符号的含义同式(32),式(32)是抽气时刻核算的最根本的公式。 ②不考虑管道影响而考虑漏放气时抽气时刻的核算 关于任何一个被抽容器不或许没有漏气和放气,当被抽容器内的压强较低,真空体系的 排气流量不是很大时,就有必要考虑漏、放气等气流量对抽气进程的影响,此刻抽气时刻的核算式 为(34)。 ③考虑管道影响和漏放气时,抽气时刻的核算 实践上真空泵对容器的抽气都是经过衔接管路进行的。因为管路的影响,泵对容器的有 效抽速下降了,延长了抽气时刻。因而在这种状况下需求考虑管道的影响。此刻抽气时刻的核算 式为(35)。 真空泵对容器的有用抽速 s 能够运用线)求出。核算时需先求出真空 泵进口到容器出口之间衔接管路的流导 C,而流导 C 又与气流状况有关,所以要依据不同的气体 活动状况,挑选适宜的流导核算公式核算衔接管路的流导 C。核算出衔接管路的流导 C,由泵的实 际抽速 Sp,即可经过线)求出泵对容器的有用抽速 Se。再运用式(35)即可求出 关于容积为 Vm3 的容器,从压强 P0 下降到 P 的抽气时刻 t。
(2)变抽速时抽气时刻的核算 大大都真空泵的抽速都随其进口压强的改变而改变,尤其是机械真空泵,当其进口压强 低于 10Pa 时,泵的抽速随其进口压强的改变更为明显。图 9 是某些真空泵的抽速特性曲线暗示 图。 ①分段核算法 在一般状况下,核算变抽速时的抽气时刻需求首要知道泵的抽速与其进口压强的联系。 如图 10 所示。假定需求求容器内的压力由 P0 下降到 P 的抽气时刻,则能够将 P0 到 P 这个压强区 段分红 n 段。段效愈多,核算的抽气时刻愈挨近变抽速的实践。设相应每段的抽气时刻为 t1, t2…ti…tn 取每段的均匀抽蘧为 s1,S2,…Si…Sn,用相应的公式(36)进行各个压力区段的抽气时 间核算,然后求其代数和即得总的抽气时刻 t。 ②经历系数核算法 油封机械真空泵的实践抽速 S 随其进口压强的下降而下降。研讨其抽速特性曲线发现, 其实践抽速 S 与其名义抽速 Sp 的近似联系是(46)。式中系数 K 在不同压力区间的取值如表 2。 因而抽气时刻的核算可用式(37)。 运用该式核算抽气时刻时,实践上相当于把从大气压到 1Pa 的抽气时刻核算分红为五个 区强区段,对应每一个压强区段,依据表 2 所给出的 K 值别离核算各压强区段的抽气时刻,然后 将五个压强区段的抽气时刻相加即得从大气压到 1Pa 的总的抽气时刻。
六、线 所示的真空体系中,主泵决议了被抽容器的极限真空度和作业真空度,而前级泵 则在主泵出口处形成一直低于主泵的临界前级压力的真空度,确保主泵能正常作业。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暇到主泵能够敞开作业的压力。对一个真空体系来 说,往往把体系的前级泵一起兼作预抽泵运用。咱们这儿所说的选泵是指挑选主泵而言,而配泵 是指为主泵选配适宜的前级泵或预抽泵。 1.选主泵 选主泵要考虑两个方面,一是挑选主泵的类型,二是确认主泵抽速的巨细。 (1)主泵类型的确认 确认主泵类型的依据是: ①依据被抽容器所要求到达的极限真空度和作业真空度。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作业压强规模,应保 证将被抽容器的作业真空度选在主泵的最佳抽速压强规模内。各种真空泵的作业压强规模见图 1l。 ②依据被抽气体的品种,每种气体所占的份额以及气体中所搀杂的尘埃状况。为此,应 当对各种真空泵的功能及运用特色进行了解。例如:油封式机械真空泵能够直接向大气中排气, 即能够独自抽暇,又能够作为某些泵的前级泵。在无气镇设备的状况下,该泵只适用于抽除枯燥 气体、当带有气镇设备时,也能够抽除含有少数水蒸气的气体,不适宜抽除有爆炸性的气体,对 金属有腐蚀性的气体,以及含有颗粒尘埃的气体。再如油增压泵和油分散泵,它们都归于油蒸汽 流泵。这两种泵对摩尔质量较小的气体(如氢气)抽气才干大,被抽气体中含有少数尘埃和水蒸汽 也影响不大。但它们不能将气体直接排到大气中去,有必要有前级泵,并且作业前有必要有一个预真 空环境。这两种泵作为主泵的体系,都会有必定数量的泵油蒸气返流到被抽容器中。 ③依据初度出资和日常作业维护费用 当两品种型以上的泵都适宜选用时,则要依据经济指标来确认主泵。在比较经济指标时, 要从整套线 是油分散泵、油增压泵、罗茨泵体系单位抽气速率(L/s)的 价格与进口压强间的联系曲线 是单位抽气速率(L/s)的输入功率与进口压强的联系曲线。 由两个图中的曲线Pa 的压强规模内,以油增压泵为主泵的真空体系比
较经济,所需求的功率小。在压强低于 1.33×104Pa 的规模内,油分散泵抽气体系比较经济。在 压强高于 13.3Pa 的规模内,罗茨泵抽气体系比较经济。所以在选泵进程中应立足于即适用又经 济。
(2)主泵抽速巨细的确认 主泵的类型选定之后,接下来便是要详细地确认主泵抽速的巨细规范。主泵抽速巨细的 确认首要依据被抽容器的作业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核算 在正常的工艺进程中,真空室内所产生的气流量应当由主泵及时抽走,以确保真空室内 的压强契合作业真空度的要求。工艺进程中的气流量可用式(38)核算。 以上各量在不同的真空运用设备中不用定都存在,这要依据不同状况详细考虑。 a.Qg 的核算 就真空熔炼来说,被熔炼资料工艺进程中的放气流量 Qg 的核算是以试验数据为根底进 行的。当给出资料单位质量含气量在规范状况下的体积时可用式(39)核算。 当给出资料在熔炼或处理前后化学成分的改变时用式(40)核算。 b.Qn 的核算 某些真空设备的真空室内要求加热到较高的温度。真空室内有必要运用耐火保温资料,如 碳毡、碳布、硅酸铝纤维等资料,其放气量的核算如式(41)。 c.Qf 的核算 露出于真空下各种构件资料外表的放气流量用式(42)核算。 在运用式(38)核算真空室内的总排气流量时,关于某一种确认的真空设备,要依据详细 状况而定,如有的设备没有用耐火保温资料,则不用核算 Qn 这一项。有些资料的放气量试验数 据无处可查,则能够选用与其相相似资料的放气量数据作为替代。 漏气流量 Qt 的核算用式(28)。 ②被抽容器所要求的有用抽速的核算 设被抽容器内的最大排气流量为 Q Pa·m3/S,所要求的作业真空度为 PgPa,则被抽容 器所要求的有用抽速 Sey 为式(43)。 ③粗算主泵的抽速 S 因为在选定主泵之前,真空室出口到主泵进口之间的管路没有确认,因而这段管路的流 导 C 是未知数。依据式(2)无法核算主泵的抽速 S。一般按经历公式(44)粗算主泵的抽速。 ④验算主泵的抽速 依据粗选出的主泵的进口尺度。挑选确认主阀、捕集器和衔接管道,划出主泵进口至真 空室出口之间管路草图。运用流导核算公式核算出被抽容器出口到主泵进口之间高真空管路的流 导 C,再按式(2a)核算粗选主泵对真空室出口的有用抽速 Se,若 Se 大于或等于被抽容器所要求的 有用抽速 Sey 则以为粗选的主泵的巨细符合要求,不然应从头粗选主泵,再进行验算,直至符合 要求中止。 2.配泵 主泵选定之后,重要的问题是怎么选配适宜的前级泵和预抽泵。一般前级泵直接影响主 泵的抽气功能,影响真空体系的抽气时刻和经济效益。配前级泵时应遵从如下几点规则: (1)前级泵应确保能及时排出主泵所排出的气体流量。 (2)前级泵在主泵(如分散泵、油增压泵,分子泵和罗茨泵)出口处形成的压强应低于主 泵的最大排气压强。 (3)兼作预抽泵的前级泵应满意预抽时刻的要求。 中选用油蒸气流泵作为主泵时,配前级泵的方法能够按经历规范所引荐的前级泵的巨细
来确认,见表 4。 所配前级泵确认之后,即可按前级泵的进口尺度挑选前级管道阀和预抽管道阀,确认备
部分衔接管道的尺度。依据以上的确认,可制作出真空体系规划图。 分子泵作为主泵时,其抽气才干与前级泵的抽气才干有密切联系。分子泵的前级侧需求
坚持分子流状况,它才干安稳作业。为了确保分子泵前级侧处于分子流状况,一般按式(47)选取 前级泵的抽速。
罗茨泵作为主泵时,因为罗茨泵的转子与转子、转子与定子之间的空地较大,所以它对 气体的压缩比较小,一般其前缀泵要大些。一般可用油封机械泵或水环泵作为罗茨泵的前级泵, 前级泵的抽速可依据经历公式(48)选取。
3.储气罐和保持泵 因为分散泵和油增压泵起动时刻长,在周期性操作的设备中,当装料和卸料的时分,为 了缩短作业周期而不堵截分散泵和油增压泵的电源,将高真空阀和前级管道阀封闭,使主泵处于 正常作业状况。因为阀门等总会有极少数的漏气和外表放气,经过一段时刻主泵出口压强添加, 若超越主泵的最大排气压强而返流到泵中,则会使油蒸气氧化。为了处理这个问题,一个方法是 用前级泵持续抽除主泵排出的气体,但此刻主泵内排出的气体量很小,呈现前级泵大马拉小车的 现象。糟蹋许多动力。为此可选用另一种方法,中止前级泵作业,封闭前级管道阀门,在主泵出 口处设置保持泵或储气罐,这就能够确保即能排出主泵内的气体,又能够节约动力消耗。储气罐 不能作得很大,它只能用在以分散泵为主泵的小型体系上,而保持泵可用在大型主泵的体系上。 储气罐的另一个效果是某些较小运用设备,在其工艺进程中不答应有振荡,即在工艺进行时有必要 中止前级泵的作业,这时要用储气罐来储存在工艺进程中主泵所排出的气体,以确保工艺进程中 被处理工件的质量。 用于防振意图而设置储气罐的容积的核算是依据在机械泵中止作业这段时刻里,分散泵 从真空室中排出的气体悉数排到储气罐中,引起罐中压强增高不超越分散泵出口的最大排气压强 来核算的。 用于节能和缩短作业周期为意图的储气罐的容积,其核算方法根据如下考虑:当时级泵 中止作业时,而分散泵仍处于正常作业状况,这时分散泵将气体排到储气罐中。此刻气体来历是 分散泵进口上的高真空阀门到分散泵出口的前级管道阀之区间的漏气流量和这一区间的外表放 气流量,这些气流量引起分散泵出口压强增高,但不能超越分散泵的最大排气压强。 运用保持泵的意图是节能,它设置在油蒸气流泵的出口处,一般与前级机械泵并联。通 常保持泵与前级泵是同一类型的泵。经历标明,保持泵的抽速巨细能够是前级泵抽速的非常之一。 可见运用保持泵即能许多节约动力,又能减小环境噪音。
(东北大学) 4.真空体系规划中应该留意的问题 (1)真空元件,如阀门、捕集器、除尘器和真空泵等彼此联接时,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,这是体系规划的一条重要准则。但一起要考虑 到装置和检修便利。有时为了防振和削减噪音,答应机械泵设置在接近线)机械泵(包含罗茨泵)有振荡,要避免振荡涉及整个体系,一般用软管减振。软管有
金属和非金属的两种,不管选用那种软管要确保在大气压力效果下不被压瘪。 (3)真空体系建成后,应便于丈量和检漏。出产实践告知咱们,真空体系在作业进程中,
常常简略呈现漏气而影响出产。为了敏捷找到漏孔,要进行分段检漏,因而每一个用阀门封闭的 区间,至少要有一个丈量点,以便丈量和检漏。
(4)真空体系中装备的阀门和管道,应使体系抽气时刻短,运用便利,安全牢靠。一般 在有一个蒸气流泵作为主泵(分散泵或油增压泵);和一个机械泵作为前级泵的体系上,除了有前 级管道(蒸气流泵串联机械泵的管道)外,还应有一个预真空管道(真空室直通机械泵的管道)。其 次是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(也叫低真 空阀);在预真空管道上设置预真空管道阀(称低真空阀)。主泵上的高真空阀门,一般不能在阀 盖下为真空状况,而阀盖上为大气压状况下开阀,这要经过电气联锁确保安全。前级管道阀和预 真空管道阀要考虑到阀自身能在大气压下开阀。以蒸气流泵为主泵的真空体系,主阀要盖向主泵, 前级管道阀也要盖向主泵,预真空管道阀盖向真空室。在机械泵进口管道上,应设一个放气阀门。 当机械泵中止作业时,能当即翻开此阀,使机械泵进口通入大气,避免机械泵油返流到管路中, 因而该阀要和机械泵电气联锁。真空室上也要设置放气阀门,给装料和取料时用。该阀设置的位 置要考虑到放气时,气体冲力较大,避免因冲力过大而损坏真空室内的单薄构件。放气阀的巨细 与真空室的体积有关,要考虑放气时刻不能太长,影响作业。
(5)真空体系的规划应确保排气安稳牢靠,装置拆开修理简略,操作便利,各元件间的 衔接有互换性。为了到达作业中排气安稳,要求主泵功能安稳,各阀门作业灵敏,密封牢靠,系 统中各元件的接头不漏气,真空室密封功能好,备真空元件衔接选用规范尺度,确保有互换性。 在真空体系规划中,准则上讲,每一个封闭管路尺度应有一个可调尺度。这个可调尺度在曩昔设 计中,都选用软管来处理,现在规划体系时,大都不选用软管。而选用进步真空元件加工尺度精 度和运用衔接法兰上的密封橡胶圈来处理装置差错,这样能够进步体系强度和刚度,削减用于系 统上的支架,愈加漂亮。
(6)真空体系规划中要选用新技能,做到主动操控和联锁维护。跟着真空技能的开展, 要求在整个抽气进程中能够进行主动操作,如选用真空继电器操控罗茨泵在 1333Pa 压强下发动 作业。选用水压继电器操控蒸气流泵的水压在某一个压力上,当水压缺乏或断水时,能够当即断 电并发出警报。避免泵被烧坏。关于杂乱真空体系和工艺进程及参数要求严厉的设备应选用微机 程序操控,愈加安全牢靠。
(7)真空体系规划中要求做到节约动力,下降成本,运用便利牢靠。做到这一点有很大 的经济含义,它可使所规划的真空运用设备有广泛的商场销路。
5.真空体系的典型方式 真空运用是非常广泛的,因而用于各种不同工艺进程的真空体系,其品种非常繁复。但 最能阐明真空体系抽气进程的是静态体系和动态体系两个概念。 动态真空体系是体系中有气体活动。体系中遍地压强不等,体系的各截面有压强下降。 但凡真空室或体系某处有放气或漏气的真空体系均属此类。静态真空体系是指体系中没有气体流 动,体系内各部分的压强持平.并且长期不改变。但凡真空室或管道内没有放气或漏气的体系 均属静态真空体系。实践上,肯定的没有放气和漏气的状况是不存在的。可是在漏气和放气流量 都非常小的状况下,体系中几乎没有气流就能够以为是静态真空体系。 能够从不同的视点对真空体系进行分类,例如: 按真空体系作业真空度的凹凸可分为低真空体系、中真空体系、高真空体系和超高真空 体系。 按真空体系作业的清洁程度可分为有油真空体系(真空室有油蒸气污染的)和无油真空 体系(真空室无油蒸气污染的)。
按真空体系的结构资料可分为玻璃真空体系(除了机械真空泵以外全由玻璃制成)和金 属真空体系。
在实践运用中,人们往往把上述不同的分类加以归纳,称为“大型动态金属高真空系 统”、“无油超高真空体系”、“玻璃高真空体系”等等。
下面介绍一些典型的线)低真空体系 这种真空体系的极限真空度在低线Pa,只用机械泵给真空 室排气,体系比较简略。 (2)中真空体系 这种体系运用比较遍及,许多运用设备都选用该种体系。如自耗炉真空体系,感应炉真 空体系和一些热处理炉的真空体系等。中真空体系一般是由两个以上的泵串联组成的。下面介绍 几种体系: ①油增压泵(主泵)串联机械泵(前级泵)的真空体系。该体系的作业压强规模为 1.33~ 1.33×10-1pa。其长处是抽气才干大,体系简略,振荡小,作业安稳牢靠,修理便利,成本低。 缺陷是预抽时刻长(同罗茨泵体系比较),因为在 1.33~133.3Pa 压强规模内,油增压泵和机械泵 抽速部下降;作业中需求较宝贵的增压泵油。 ②罗茨泵串联机械泵的真空体系。该体系的作业压强规模为 1.33~1333Pa。不光抽气 才干大,并且起动快。预抽气时刻短,因为在 1.33~101325Pa 压强规模内。机械泵和罗茨泵最 大抽速能很好衔接上,缺陷是作业时有振荡,且噪音大;作业中随时刻添加,罗茨泵功能下降。 图 14 便是这种体系,它是用在真空离子渗碳和真空淬火热处理工艺中的体系。这儿除罗茨泵系 统之处,又并联一个小机械囊。它在离子渗碳时开动,并一起中止罗茨泵体系,可节约能量。 ③罗茨泵串联小型罗茨泵(中心泵),再串联机械泵的真空体系,其作业压强规模为 O.133~1333Pa。不光作业压强规模大,并且作业真空度高,一起具有了罗茨泵体系的特色。中 间串联的小型罗茨泵减小了主罗茨泵对前级机械泵的依赖性,因为压缩比减小,加宽了作业压强 规模和进步了极限真空度。 ④以油增压泵和罗茨泵为主泵,两个泵出口串联罗茨泵.再串联机械泵的真空体系,其 作业压强规模为 O.133~1333Pa。该体系具有罗茨泵体系和油增压泵体系的两层特色,如图 15 所示,被称为真空自耗炉的典型体系,关于熔炼钛合金具有杰出长处。 ⑤除了上述几种之外,还有油增压泵串联罗茨泵,再串联机械泵的真空体系。还有罗茨 泵串联水环泵的真空体系,它适宜于排出尘埃较多的运用设备上。 (3)高真空体系 这种体系运用也比较广泛。它的作业压强规模在 6.67×10-2~1.33×10-3Pa。如镀膜机、 电子炮击炉和部分电阻炉等都选用高真空体系。 ①分散泵串联机械泵的真空体系。该体系一般用在作业时放气量较小的运用设备上。系 统结构简略,作业牢靠。成本低。缺陷是体系起动慢,预抽气时刻长。分散泵油蒸气简略返流到 真空室中去。 ②分散泵串联油增压泵,再串联机械泵的真空体系,该体系起动慢。因为有中心油增压 泵存在,故预抽气时刻短些。 ③分散泵串联罗茨泵,再串联机械泵的真空体系,它起动慢,但预抽气时刻短(因为中 间有罗茨泵)。图 16 是由三个泵串联组成的高线)超高真空体系 因为原子能工业和火箭技能的开展,超高真空技能也得到敏捷开展和运用。其体系有如 下几种。 ①用分散泵和钛泵并联为主泵,分散泵独自串联前级机械泵的线 所示,
称为钠灯超高真空封接炉的体系。能够到达极限线Pa。 ②由分散泵串联分散泵(中心泵),再串联机械泵的线,是一个超高真
空体系和设备的结构图。主泵是一个水银分散泵,泵顶有冷却挡板和液氮冷阱,中心泵也是水银 分散泵。在中心泵和前级机械泵之间设有油蒸气捕集器。并设有各种独自的加热器,烘烤真空室 和主泵顶部及捕集器。该体系的特色是能取得超高真空,并能安稳作业。
③主泵为分子泵串联机械泵的真空体系,该种超高真空体系,因为机械泵有油存在,需 要在机械泵进口管道上设置捕集器冷凝油蒸气。假如分子泵串联分子筛吸附泵(前级泵),则构成 了无油超高真空体系,该体系比较清洁。
④用钛泵或溅射离子泵做为主泵。并联或串联分子筛吸附泵(做为预真空泵),构成无油 超高线 所示。也能够用钛泵联接预真空机械泵,但此刻机械泵的进口管道上要 加油蒸气捕集器。
⑤用低温泵做为主泵,串联或并联分子筛吸附泵(预真空泵),构成无油超高真空体系。 相同也能够用机械泵做为预真空泵,在机械泵进口管道上设置油蒸气捕集器。
(5)真空机组 真空机组是由各种真空元件组合而成。它是不带真空室的排气体系,其结构紧凑,占地 面积小,现在国产机组有油分散泵机组,油增压泵机组和罗茨泵机组。机组称号以主泵命名。高 线Pa,其极限线Pa。它是由油分散 泵、机械泵、高真空阀门、捕集器储气罐、低真空截止阀、放气阀及管道,还有电气操控盘,水 压继电器等元件组成的。见图 20 所示。 中真空油增压泵机组用以取得 l.33~1.33×10-1Pa 的作业压强,其极限线pa。它由油增压泵、真空阀门、捕集器、低真空截止阀、放气阀、管道,以及电气控 制盘,水压继电器等元件组成。 中真空罗茨泵机组其作业线Pa。其极限线Pa。 其它元件与油增压泵机组相同。真空机组现已系列化。有专门厂家出产。
6.真空体系的结构规划 真空体系的结构规划首要考虑密封牢靠,结构合理,资料对真空度影响要小。规划中应 留意如下几点。 (1)挑选结构资料应尽量用国家规范中的无缝钢管和板材,尽量削减焊接结构,有利于 真空部件气密性质量。可是许多体系元件又离不开焊接结构,这时应挑选焊接功能较好的钢材。 (2)焊接是真空体系制作中的一道重要工序,为了确保焊接后焊缝不漏气,除了要求技 术水平较高的工人进行焊接,进步焊接质量外,合理地规划焊接结构也很重要。因而焊接结构要 避免处于真空中的焊缝有积存污物的空地,不然给清洗形成困难,还会成为缓慢放气的气源。当 焊缝呈现死空间时,在体系检漏中就不易找到漏隙地点。 (3)结构上要确保快速抽暇。为此要避免呈现阻隔孔穴(气袋),因为气袋会成为缓慢放 气的源泉,增长了抽气时刻,例如图 21 所示。要将气袋开设出气孔,以利快速抽暇。 (4)削减外表放气。处于真空内的构件和壳体内壁外表粗糙度越高越好。最好进行电镀 抛光,氧化处理等。一般处于高线/;处在中线/左右。处在超高真空的内壁粗糙度要求抛光,到达非常光亮的外表。要特别留意:生锈的 金属外表对抽暇非常晦气! (5)真空体系上各元件之间多用法兰衔接。而法兰与管子之间是焊接结构。因为焊接时 易引起法兰变形,故现在国内都选用焊接后再对法兰加工,这样即可到达尺度和粗糙度要求,又 能确保两个法兰衔接时密封牢靠。 (6)关于某些有必要处于较高温度下作业的真空橡胶密封圈,因为橡胶耐温有限,能够专
门选用水冷结构加以维护。 (7)为了使真空体系元件壳体和真空室壳体有满意强度,确保在内力和外力效果下不产
生变形,器壁要有必定厚度。试验标明真空容器选用圆形结构较好。端盖选用凸形结构为好,尽 量不选用平盖,因为它的抗压才干相差很大。壁厚现已有了规范尺度,当然也能够核算。规划时 还要留意一点,在容器检漏时,若选用内部镇压法,一般打三个大气压力容器不该变形。水套检 漏时也按三个压力镇压。便是说有水套的壳体在外部或内部打三个压力下,都不该变形。
(8)由外部进入真空室内的滚动件或移动件,要确保牢靠的动密封。除了挑选好的密封 结构外,其间的轴或杆必定要满意粗糙度要求。更要避免在轴和杆上有轴向划痕。这种划痕会降 低真空度,并且不易发现。
(9)真空体系上丈量规管座方位组织应遵从如下准则 ①不能将丈量规管放在密封面较多的当地。因为每一个密封面都不或许确保肯定不漏 气,密封面会集之处,必定是简略漏气的当地,丈量值或许禁绝。 ②规管内壁遍地,有必要确保真空卫生。不然会形成丈量禁绝。 ③规管应尽量接在接近被丈量的当地,以削减丈量差错。 (10)真空室壳体上的水套结构,要确保水流四通八达。更不能呈现死水形成部分过热。 因而进出水管方位要一下一上,且设置流水隔层,使水沿必定道路.线)起动机械泵时,首要要确保转子运动方向正确,并且油位符合要求。 (2)机械泵中止后,当行将机械泵进口通入大气。因泵内真空会使泵油进入体系中。 (3)不要用机械泵把高线Pa 压强,不然机械泵油蒸气会进入高 线Pa 时,会呈现分子性气流,油蒸气分子将返流到真空室而形成污染。 假如在机械泵与真空室间设有冷凝捕集器,则答应机械泵抽到 13.3Pa 以下的压强,这时捕集器 能够避免油蒸气进入线)不要使机械泵在大气压强下或较高压强下接连长期作业,不然电时机过热,且泵 会喷出油雾。 (5)在分散泵(或油增压泵)通大气之前,应将泵油冷却到安全温度,避免高温下泵油氧 化。 (6)蒸气流泵在加热之前,应供应冷却水。该泵应该装备热维护继电器。当产生停水事 故时,能当即便加热器断电,并封闭进口阀门避免泵液因温度过高而恶化。 (7)因为分散泵油返流在泵开端作业和泵中止加热阶段特别好坏,因而在开泵前和停泵 前将分散泵进口阀门封闭,能够避免泵油返流到线)不要在压强高于 lO-2Pa 时给阱参加液氮,这样导致凝聚许多水气。在运用前要把液 氮阱的贮液罐中的一切水凝液都清除去,以避免水冻结在阱内。开端抽气时,最好分步地加注液 氮,这样可使真空体系冷凝物首要捕集在阱的下部。当到达高真空后,应给阱加注液氮到达较高 液面,许多捕集气体。 (9)为了缩短抽暇时刻,将真空室对大气压作短时刻通气时,运用枯燥氮气为好。把真 空体系内外表的湿气减到最小限度。通气时应在真空室一侧用放气阀门进行放气。不能够从分散 泵出口的前级管道上通气。 (10)运用电离计时,应在线Pa 时,再运用电离真空计(热阴 极电离真空计)。避免因室内压强高而烧坏规管。 (11)在真空体系中止作业时,应将体系各元件(包含真空室)都坚持在真空状况下封存, 但机械泵要通大气。
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