真空系统设计计算

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1.真空系统的组成
1.1 真空系统的概念 1.2 真空系统的组成元件
真 空 系 统 设 计
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
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1.1 真空系统的概念
什么是真空系统？
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由两个图中的曲线可见,在1.33×10－1～
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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× 10－1 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。
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3.真空系统的设计计算
3.1 主泵
3.2 配泵 3.3 储气罐和维持泵
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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
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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· ３/s; m 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· ３/s. m 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。
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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
真 空 系 统 设 计
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· ３/s; m Qｎ－真空室内所用耐火保温材料的出气流 量, Pa· ３/s; m
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2.3 真空技术基本方程
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
1 1 1 Se C S p 可以改写为 :
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Se
C Sp C Sp
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
真 空 系 统 设 计
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。
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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
真 空 系 统 设 计
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。
2.4 真空技术基本方程在真空系统设计中 的意义
从方程(2b)可以看出:如果管路的流导C远大于
真 空 系 统 设 计
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。
Sp (a) 或 S e S 1 p C
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(b) 或 S e
C C 1 Sp
(c )
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。
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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。
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
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2.1 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。
1.4 高真空系统
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。
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(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· 3 /s m 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
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(3) 粗算主泵的抽速S
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东北大学首期《真空技术》培训班系列教程之六 a.Qg的计算
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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;
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真空系统设计
主讲人：王继常 东北大学
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真空系统设计
1.真空系统的组成 2.真空技术基本方程
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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
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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)。
3.1 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。 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。
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1.5 真空系统设计的基本内容
真空系统设计的基本内容:根据被抽容器对真空
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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。
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。
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1.2 真空系统的组成元件
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。
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。
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2.真空技术基本方程
2.1 真空系统的最主要性能参数：
极限真空度和有效抽速
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2.2 流导的定义
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: Q C P P2 1
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式中 C—管路的流导, m s ;Q—流经管路的 3 气流量, Pa m s ;P1、P2—分别是管路的入口 压力和出口压力,Pa。
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1.3 真空系统示意图
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)。
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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
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式中 q1i －第i种材料单位表面积的出气速 率,Pa· 3 /(m2· 一般用抽空一小时 m s); 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 。
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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。
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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
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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。