7真空系统的设计计算

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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, Pam３/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, Pam３/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。
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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。
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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。
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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, Pam３/s; Qg－ 工艺过程中被熔炼或被处理的材料放出 的气流量,Pam３/s; Qｎ－真空室内所用耐火保温材料的出气流量 Pam３/s;
式中
S1 －分子泵的抽速, m3 /s; S2 －前级泵的抽速, m3 /s。
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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。
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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 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。 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。
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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。
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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： 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130260Pa。 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。
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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。
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。
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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。
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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
真空系统设计》 《真空系统设计》之七
真空系统的设计计算
东北大学
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
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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。
1 设计概述
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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。
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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
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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
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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。 9
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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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;
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1.3×10-1Pa， 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1.33×10-2-6.7×10-1Pa，低温泵 为1.33Pa。 所以，需要进行预抽泵的计算。
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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 ;
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Ql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 △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。
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由图中的曲线可见,在1.33×10－1～13.3Pa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× 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 13.3Pa , 经济。所以在选泵过程中应立足于即适用又经 济。
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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。
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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。
V P1 − Pu S e = ln t P2 − Pu
---预抽泵对真空室出口的有效抽速； V ---真空室的容积； t ---抽空到预备真空度所要求的时间； P ---抽气开始时真空室内的压强； P ---所要求达到的预备真空度； P ---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。
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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。 7
2 选泵与配泵
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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。
Qn的计算 某些真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;
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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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,否则应重新 粗选主泵,再进行验算,直至合乎要求为止。