真空系统的设计计算.ppt

真空系统的设计计算,真空系统设计之七,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,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。,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。,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。,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。,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。,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。,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。,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。,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。,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,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;,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。,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;,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;,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。,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;,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;,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。,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,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。,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。,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。,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。,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。,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。,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。,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。,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。,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。,3 储气罐和维持泵,储气罐和维持泵的作用：在前级泵停止工作时，排除主泵内气体，保证主泵出口处压力在许可范围内。储气罐:储气罐不能作得很大,它只能用在以扩散泵为主泵的小型系统上。或是某些较小应用设备上,在其工艺过程中不允许有振动,即在工艺进行时必须停止前级泵的工作。而维持泵可用在大型主泵的系统上。,储气罐的计算：用于防振目的的储气罐：-需要的储气罐容积；-前级泵需要的停机时间；-主泵在真空室出口处的有效抽速；-真空室的工作真空度；-扩散泵最大排气压强与正常工作出 口压强的差。,用于节能和缩短工作周期的储气罐：此时进入储气罐的气体来源为扩散泵入口前高真空阀到出口后前级管道阀间的漏气量QL和表面放气量QF。,维持泵的计算：一般维持泵的类型与前级机械泵相同。如果前级泵的抽速为S2，按经验维持泵的抽速S3为：,精确计算的方法是维持泵管道入口的有效抽速应保证高真空阀与前级管道阀间漏气量与放气量被及时抽走，保证蒸气流泵出口压力在许可范围内。,4 真空系统的典型形式,4.1 真空系统分类按真空系统工作真空度的高低划分：国标GB3163-82规定：低真空系统：105-102 Pa;中真空系统：102-10-1 Pa;高真空系统：10-1-10-5 Pa;超高真空系统：10-5 Pa以下;真空理论工作者推荐划分：粗真空系统：1330 Pa以上;低真空系统：1330-0.13 Pa;高真空系统：0.13-1.310-6 Pa;超高真空系统：1.310-6-1.310-11 Pa;极高真空系统：1.310-11 Pa以下;,按真空系统工作的清洁程度可分为有油真空系统(真空室有油蒸气污染的)和无油真空系统(真空室无油蒸气污染的)。按真空系统的结构材料可分为玻璃真空系统(除了机械真空泵以外全由玻璃制成)和金属真空系统。在实际应用中,人们往往把上述不同的分类加以综合,称为“大型动态金属高真空系统”、“无油超高真空系统”、“玻璃高真空系统”等等。,4.2 典型的真空系统形式粗真空系统:用水蒸气喷射泵或水环泵直接给真空室排气即组成了粗真空系统。低真空系统：这种系统应用比较普遍,许多应用设备都采用该种系统，如自耗炉真空系统、感应炉真空系统和一些热处理炉的真空系统等。低真空系统一般是由两个以上的泵串联组成的。下面介绍几种系统:机械泵：只用机械泵给真空室排气即属于最简单的低真空系统，系统比较简单。,油增压泵串联机械泵 工作压强范围:1.331.3310-1Pa。优点:抽气能力大,系统简单,振动小,工作稳定可 靠,维修方便,成本低。缺点:启动慢，预抽时间长(同罗茨泵系统比较),工作中需要较贵重的增压泵油。下图为采用油增压泵(主泵)串联机械泵(前级泵)的真空感应熔炼炉。,真空感应熔炼炉,罗茨泵串联机械泵 工作压强范围:1.331330Pa。优点:抽气能力大，启动快，抽气时间短。缺点:工作时有振动,且噪音大;工作中随时间增 加（压强降低）,罗茨泵性能下降。图14为一实例，另外在图14后又给出了一罗茨泵串联滑阀泵的机组。,罗茨泵串联滑阀泵机组,罗茨泵串联小型罗茨泵再串联机械泵 工作压强范围:0.1331333Pa。优点:工作压强范围大，工作真空度高。中间小型罗茨泵减小了主罗茨泵对前级机械泵的依赖性，压缩比的减小加宽了工作压强范围且提高了极限真空度。下图为一实列,罗茨泵串联小型罗茨泵(中间泵),再串联机械泵,油增压泵和罗茨泵并联为主泵，两泵出口串联罗茨泵，再串联机械泵 工作压强范围:0.1331333Pa。优点:有罗茨泵系统和油增压泵系统的双重特点 图15实例被称为真空自耗炉的典型系统，对熔炼钛合金具有突出优点。,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系统，以及罗茨泵串联水环泵的真空系统,它适合于排出灰尘较多的应用设备上。,高真空系统 这种系统应用也比较广泛，它的工作压强范围在6.6710-21.3310-3Pa。如镀膜机、电子轰击炉和部分电阻炉等都采用高真空系统。几种典型高真空系统扩散泵串联机械泵 应用范围：一般用在工作时放气量较小的应用 设备上。优点:结构简单,工作可靠,成本低。缺点:系统起动慢,预抽气时间长；扩散泵油蒸 气容易返流到真空室中去。下图为扩散泵串联滑阀泵机组,扩散泵串联滑阀泵,扩散泵串联油增压泵,再串联机械泵 系统起动慢，由于有中间油增压泵存在,故预抽气时间短些。扩散泵串联罗茨泵,再串联机械泵 系统起动慢,因为中间有罗茨泵存在，故预抽气时间短些。以下是高真空系统实例（图16）和一个扩散泵串联罗茨泵和滑阀泵机组,扩散泵串联罗茨泵和滑阀泵,超高真空系统 由于原子能工业和火箭技术的发展,超高真空技术也得到迅速发展和应用。几种典型超高真空系统。用扩散泵和钛泵并联为主泵,扩散泵单独串联前级机械泵 可以达到极限真空度为1.3310-6Pa。图17所示为钠灯超高真空封接炉的系统。,扩散泵串联扩散泵,再串联机械泵 该系统的特点是能获得超高真空并能稳定工作.图18为一个超高真空系统和设备的结构图。主泵是一个水银扩散泵,泵顶有冷却挡板和液氮冷阱,中间泵也是水银扩散泵。在中间泵和前级机械泵之间设有油蒸气捕集器。并设有各种单独的加热器,烘烤真空室和主泵顶部及捕集器,主泵为分子泵串联机械泵 由于机械泵有油存在,需要在机械泵入口管道上设置捕集器冷凝油蒸气。如果分子泵串联分子筛吸附泵(前级泵),则构成了无油超高真空系统,该系统比较清洁。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)；或用钛泵联接预真空机械泵，在机械泵的入口管道上加油蒸气捕集器。该系统为无油超高真空系统 图19为一实例,用低温泵做为主泵,串联或并联分子筛吸附泵(预真空泵),构成无油超高真空系统。同样也可以用机械泵做为预真空泵,在机械泵入口管道上设置油蒸气捕集器。,真空机组 真空机组由各种真空元件组成，是不带真空室的排气系统,其结构紧凑占地面积小，目前国产机组有油扩散泵机组,油增压泵机组和罗茨泵机组。机组名称以主泵命名。高真空机组 工作真空度:6.671021.33103Pa 极限真空度:1.3310-4Pa 组成元件:油扩散泵、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,还有电气控制盘,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 工作真空度:1.331.3310-1Pa 极限真空度:1.33 10-2Pa 组成元件: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 工作真空度:1.331.33103Pa 极限真空度:1.33 10-1Pa 组成元件:与油增压泵机组相同。真空机组已经系列化，有专门生产厂家。,5 真空系统的结构设计,真空系统的结构设计主要考虑密封可靠,结构合理,材料对真空度影响要小。设计中应注意的问题：选择结构材料应尽量用国家标准中的无缝钢管和板材,尽量减少焊接结构,有利于真空部件气密性质量。使用焊接结构时应选用焊接性能好的材料。保证焊接后焊缝不漏气。要求技术水平较高的工人进行焊接,提高焊接质量,合理地设计焊接结构也很重要。结构上要保证快速抽空。避免出现隔离孔穴(气袋),如图21所示。,减少表面放气。处于真空内的构件和壳体内壁表面粗糙度越高越好。最好进行电镀抛光,氧化处理等。注意：生锈的表面对抽空特别不利。真空系统上各元件之间多用法兰连接。而法兰与管子之间是焊接结构。由于焊接时易引起法兰变形,故目前国内都采用焊接后再对法兰加工,这样即可达到尽寸和粗糙度要求,又能保证两个法兰连接时密封可靠。对于某些必须处于较高温度下工作的真空橡胶密封圈,由于橡胶耐温有限,可以专门采用水冷结构加以保护。,保证真空系统元件壳体和真空室壳体有足够强度。实验表明真空容器采用圆形结构较好。端盖采用凸形结构为好。壁厚已经有了标准尽寸,当然也可以计算。（检漏3个压）由外部进入真空室内的转动件或移动件,要保证可靠的动密封。除了选择好的密封结构外,其中的轴或杆一定要满足粗糙度要求。更要防止在轴和杆上有轴向划痕,这种划痕会降低真空度,而且不易发现。,真空系统测量规管位置安排应遵循如下原则：不能将测量规管放在密封面较多的地方。因为每一个密封面都不可能保证绝对不漏气,密封面集中之处,必然是容易漏气的地方,测量值可能不准。规管内壁各处,必须保证真空卫生。否则会造成测量不准。规管应尽量接在靠近被测量的地方,以减少测量误差。真空室壳体上的水套结构,要保证水流畅通无阻。更不能出现死水造成局部过热。因此进出水管位置要一下一上,且设置流水隔层,使水沿一定路线流动。,6 真空系统操作规则,起动机械泵时，首先要保证转子运动方向正确，而且油位合乎要求。机械泵停止后，立即将机械泵入口通大气。因泵内真空会使泵油进入系统中。不要用机械泵把真空室直接抽至低于13Pa，否则，会出现分子流流态，油蒸气分子将返流到真空室而造成污染。不要使机械泵在大气压强或较高压强下连续长时间工作，否则电机会过热，且泵会喷出油雾。在扩散泵（或油增压泵）通大气前，应将泵油冷却到安全温度，防止高温下泵油的氧化。,蒸气流泵在加热之前应供给冷却水。该泵应配备热保护继电器，当发生停水事故时应能立即使加热器断电，并关闭入口阀门防止泵液因温度过高而氧化。由于扩散泵油返流在泵开始工作和泵停止加热阶段特别厉害，因此在开泵前和停泵前将扩散泵入口阀门关闭，可以防止泵油返流到真空室。不要在压强高于10-2Pa时给阱加入液氮，这样导致凝结很多水汽。在使用前要把液氮阱的储液罐中的所有水凝液都清除掉，以避免水冻结在阱内。开始抽气时，最好分步的加注液氮，这样可使系统的冷凝物主要集中在阱的下部。当达到高真空后，应给阱加注液氮达到较高液面，大量捕集气体。,为了缩短抽空时间，将真空室对大气压做短时间通气时，使用干燥氮气为好。把真空室内表面的湿气减到最小的限度。通气时应在真空室一侧用放气阀进行放气。不可从扩散泵出口的前级管道上通气。使用电离计，应在真空室内压强达到1.3310-1Pa时使用，防止规管烧坏。在真空系统停止工作时，应将真空系统元件都保持在真空状态下封存，但机械泵要通大气。,设计实例一设计一真空系统，已知参数：（1）真空室直径d=1m，容积V=1.5m3，内表面积 7.5m2；（2）真空室工作真空度 p=1.310-3 Pa；（3）真空室工艺放气量 Q1=1.3 Pa.L/s；（4）真空室总的漏气量 Q2=0.67 Pa.L/s；（5）被抽气体为20干燥空气，返流油蒸气对工艺 过程有害；（6）真空室材料为不锈钢，1小时后的出气率为 2.310-1 Pa.L/（s.m2）。,设计实例二设计一高真空系统，已知条件为：（1）真空室直径d=2m，高1m。（2）出气与漏气总量：Q=1.810-2 Pa.m3/s；（3）真空室要求的极限真空为：p=610-3 Pa；附加条件：根据选型样本，选用K系列高真空油扩散泵和2X系列旋片泵作为主泵和前级泵。（1）根据题中要求结合选型样本，确定泵的具体型号。（2）确定管道尺寸及其它真空系统元件。（3）确定并画出包含必要真空元件的真空系统示意图。（4）按照上述示意图，说明该真空系统的操作工艺。（5）计算抽气时间。,课程结束,谢 谢 大 家！,E N D,