真空技术完整版本

一、真空技术知识1.1真空区域的划分真空是指气体压力低于一个标准大气压（101325Pa）的气体状态。在真空状态中，真空度越高，气体状态越稀薄，气体分子的物理特性就逐渐发生变化，因此把气体分子数的量变直到引起真空性质的质变的过程，作为划分真空区域的依据，是比较合适的。根据我国所制订的国标GB3163的规定，真空区域大致划分如下：低真空区域105~102Pa（760~1托）中真空区域102~10-1Pa（1~10-3托）高真空区域10-1~10-5Pa（10-3~10-7托）超高真空区域10-5～10-12Pa（10-7～10－10托）超高真空区域<10-12Pa（<10-10托）1.2理想气体定律及其状态方程所介绍的定律及相关公式是针对平衡状态下，符合理想气体的有关假设条件的前提下而得出的。由于在真空技术中研究的气体大多数处于常温和低压状态下，因此在工程计算中应用这些定律基本上是符合实际的。现就有关问题分述如下：1.2.1气体定律气体的压力p(Pa)、体积V（m3）、温度T（K）和质量m（kg）等状态参量间的关系，服从下述气体实验定律：1.波义耳—马略特定律：一定质量的气体，当温度维持不变时，气体的压力和体积的乘积为常数。即：pV=常数2.盖·吕萨克定律：一定质量的气体，当压力维持不变时，气体的体积与其绝对温度成正比，即：3.查理定律：一定质量的气体，当体积维持不变时，气体的压力与其绝对温度成正比，即：上述三个公式习惯上称为气体三定律。具体应用方式常为针对由一个恒值过程连结的两个气体状态，已知3个参数而求第4个参数。例如：初始压力和体积为P1、V1的气体，经等温膨胀后体积变为V2，则由波义耳—马略特定律，即可求出膨胀后的气体压力为P2=P1V1/V2。这正是各种容积式真空泵最基本的抽气原理。4.道尔顿定律：相互不起化学作用的混合气体的总压力等于各种气体分压力之和，即：P=P1+P2+……Pn这里所说的混合气体中某一组分气体的分压力，是指这种气体单独存在时所能产生的压力。道尔顿定律表明了各组分气体压力的相互独立和可线性叠加的性质。5.阿佛加德罗定律：等体积的任何种类气体，在同温度同压力下均有相同的分子数，或者说，在同温度同压力下，相同分子数目的不同种类气体占据相同的体积。人们把1mol任何气体的分子数目NA叫做阿佛加德罗数，NA=6.022×1023mol-1。在标准状态下（P0=1.01325×105Pa，T0=0℃），1mol任何气体的体积V0称为摩尔体积。V0=2.24×10-2m3/mol根据上述气体定律，可得到反映四个气体状态参量P、V、T、m之间定量关系的理想气体状态方程：式中的M为气体的摩尔质量（kg/mol），R为普适气体常数，R=8.31J/(mol.K)。在已知p、V、T、m四参量中的任意三个量时，可由求出另外一个量的值。例如,气体的质量m=PVM/RT。一定质量的气体，由一个状态（参量值为P1、V1、T1）经过任意一个热力学过程（不必是恒值过程）变成另一状态（参量值为P2、V2、T2），根据状态方程，可得P1V1/T1=P2V2/T2对气体状态方程进行变换，可得气体密度ρ（kg/m3）为了考虑管道中流过的气体数量的多少，可以使用气体的质量流率qm(kg/s)，即单位时间内通过管道某一截面的气体质量。不过这两种流率不便于实际测量，因此工程中广泛使用的是单位时间内流过管道指定截面的气体体积，即体积流率qv(m3/s)。在气体压力为P的截面上，qv、qm的关系为如在200mbar，50oC下的空气，由流量计读出的体积流量为1000m3/h，则它的质量流量为216kg/h。体积流量转换为质量流量.doc1.3气体流动真空技术中，气体沿管道的流动状态可划分为如下几种基本形式：从大气压力下开始抽真空的初期，管道中气体压力和流速较高，气体的惯性力在流动中起主要作用，流动呈不稳定状态，流线无规则，并不时有旋涡出现，这种流动状态称为湍流（涡流，紊流）；随着流速和气压的降低，在低真空区域内，气流由湍流变成规则的层流流动，各部分具有不同速度的流动层，流线平行于管轴，气体的粘滞力在流动中起主导作用，此时气体分子的平均自由程λ仍远小于导管最小截面尺寸d，这种流态叫做粘滞流；当气体流动进入高真空范围，分子平均自由程λ远远大于导管最小尺寸d时，气体分子与管壁之间的碰撞占居主要地位，分子靠热运动自由地直线前进，只发生与管壁的碰撞和热反射而飞过管道，气体流动由各个分子的独立运动叠加而成，这种流动称作分子流；发生在中真空区域内，介于粘滞流与分子流之间的流动状态叫做中间流或过渡流。四种流态的示意图。四种流态示意图.doc在不同的流动状态下，管道中的气体流量和导气能力计算方法不同，因此在气体流动计算时，首先要进行流态判别。由于在真空抽气过程中湍流的出现时间较短，常常不加以单独考虑，而是将其归入粘滞流态。其它流动状态的判别可用克努曾数λ/d或管道中平均压力p与几何尺寸d的乘积pd作为判据：粘滞流粘滞流分子流粘滞－分子流实验说明，气体流过一段真空管道的流量Qg与管道两端的压力差P1-P2成正比，即有Qg=C·(P1-P2)式中的比例系数C具有体积流率的量纲（m3/s），它所反映的是管道允许流过气体能力的大小，定义为该段管道的流导。其值为单位压差下的流经管道的气流量大小。流导是各种真空系统元件（管道、阀门、冷阱、孔口等）的主要技术指标之一，直接反映该元件对气体流动的阻碍程度，是真空系统计算中需要首先计算的参数。元件的流导与所流过气体的流动状态有关，气体流动为粘滞流时，流导值与元件的几何结构尺寸及流过气体的平均压力有关；为分子流时，流导仅与几何结构尺寸有关。从上面的判别式可以看出，对于液环真空泵组成的系统，是处于粘滞流状态的。粘滞流下，管道的流导计算公式为：式中，D－管道内径，m；L－管道长度，m；－气体的内摩擦系数，Pa.S；－管内气体的平均压力，Pa。对于20oC的空气，＝1.820x10－5Pa.S，带入上式可得：对于其他气体的内摩擦系数可以从有关书籍上查得。根据组成真空系统的需要，有时将几个真空元件（如管道）的入口和出口分别联接在一起，称为元件的并联，并联后元件的总流导等于各分支流导之和。C=C1+C2+……+Cn有时将几个元件首尾顺序联接，称为元件的串联，串联后元件的总流导的倒数等于各元件流导的倒数之和管道的串并联示意图。串并联示意图.doc把一个被抽容器的出口和一台真空泵的入口，用总流导为C的真空管路联接起来，若真空泵在其入口处的抽速为S，则该真空系统在被抽容器出口处所能产生的有效抽速Se为：此式习惯上称为真空技术基本方程。从中可以看出，在被抽容器出口产生的有效抽速Se，比泵口抽速S和管路流导C都要小；若要获得较大的Se，应该合理地搭配S和C，单独增大其中的一个，不能获得理想的结果。抽速示意图。我们看一个例子。对20oC的空气抽真空时，2BV2061－0HC0真空泵入口管道直径为25mm，如果在工作液温度为15oC，泵的转速为1450rpm，在泵入口压力为50mbar下的抽速为20.7m3/h。如果在泵与容器间的连有20m长的管道。该泵在容器出气口所能够达到的抽速为19.1m3/h。计算过程。流导的计算.doc管道上的阀门，弯头等对气流的阻碍作用比直管道更大；在真空系统中，一般要求管道短粗，要避免管道又细又长，因为细长管道流导小，对气流的阻碍大，也使得真空泵的抽速下降大。二、真空获得设备介绍人们通常把能够从密闭容器中排出气体或使容器中的气体分子数目不断减少的设备称为真空获得设备或真空泵。目前在真空技术中，采用各种不同的方法，已经能够获得和测量从大气压力105Pa到10-13Pa，宽达18个数量级的压力范围。显然，只用一种真空泵，获得这样宽的低压空间的气体状态，是十分困难的。在真空获得技术中，目前用以获得真空的技术方法有两种，一种是通过某此机构的运动把气体直接从密闭容器中排出；另一种是通过物理、化学等方法将气体分子吸附或冷凝在低温表面上。利用这两种方法所制造的各种真空泵种类较多，分类方法各异，但是，最常用的方法还是按泵的工作原理或其结构特点加以分类。2.1真空泵的分类按真空泵的工作原理，真空泵基本上可以分为两种类型，即气体传输泵和气体捕集泵。随着真空应用技术在生产和科学研究领域中对其应用压力范围的要求越来越宽，大多需要由几种真空泵组成真空抽气系统共同抽气后才能满足生产和科学研究过程的要求，因此选用不同类型真空泵组成的真空抽气机组进行抽气的情况较多。为了方便起见，将这些泵按其工作原理或其结构特点进行一些具体的详细的分类是必要的。现分述如下：2.1.1气体传输泵气体传输泵是一种能使气体不断的吸入和排出，借以达到抽气目的的真空泵，这种泵基本上有两种类型：1）变容真空泵变容真空泵是利用泵腔容积的周期性变化来完成吸气和排气过程的一种真空泵。气体在排出前被压缩。这种泵分为往复式及旋转式两种：⑴往复真空泵：是利用泵腔内活塞做往复运动，将气体吸入、压缩并排出。因此，又称为活塞式真空泵。⑵旋转真空泵：是利用泵腔内活塞做旋转运动，将气体吸入，压缩并排出。旋转真空泵又有如下几种型式：①油封式真空泵：它是利用油类密封各运动部件之间的间隙，减少有害空间的一种旋转变容真空泵。这种泵通常带有气镇装置，故又称气镇式真空泵。按其结构特点分为如下五种型式。a)旋片式真空泵：转子以一定的偏心距装在泵壳内并与泵壳内表面的固定面靠近，在转子槽内装有两个（或两个以上）旋片，当转子旋转时旋片能沿其径向槽往复滑动且与泵壳内壁始终接触，此旋片随转子一起旋转，可将泵腔分成几个可变容积。b）滑阀式真空泵：在偏心转子外部装有一个滑阀，转子旋转带动滑阀沿泵壳内壁滑动和滚动，滑阀上部的滑阀杆能在可摆动的滑阀导轨中滑动，而把泵腔分成两个可变容积。c）定片式真空泵：在泵壳内装有一个与泵内表面靠近的偏心转子，泵壳上装有一个始终与转子表面接触的径向滑片，当转子旋转时，滑片能上、下滑动将泵腔分成两个可变容积。d）多室旋片式真空泵：在一个泵壳内并联装有由同一个电动机驱动的多个独立工作室的旋片真空泵。②干式真空泵：它是一种不用油类（或液体）密封的变容真空泵。③液环式真空泵：带有多叶片的转子偏心装在泵壳内，当它旋转时，把液体（通常为水或油）抛向泵壳形成泵壳同心的液环，液环同转子叶片形成了容积周期变化的几个小容积，故亦称旋转变容真空泵。④罗茨真空泵：泵内装有两个相反方向同步旋转的双叶形或多叶形的转子，转子间、转子同泵壳内壁之间均保持一定的间隙。它属于旋转变真空泵。机械增压泵即为这种型式的真空泵。2）动量传输泵这种泵是依靠高速旋转的叶片或高速射流，把动量传输给气体或气体分子，使气体连续不断地从泵的入口传输到出口。具体可分为下述几种类型。⑴分子真空泵：它是利用高速旋转的转子把能量传输给气体分子，使之压缩、排气的一种真空泵。它有如下几种型式：①牵引分子泵：气体分子与高速运动的转子相碰撞而获得动量，被送到出口，因此，是一种动量传输泵。②涡轮分子泵：泵内装有带槽的圆盘或带叶片的转子，它在定子圆盘（或定片）间旋转。转子圆周的线速度很高。这种泵通常在分子流状态下工作。③复合分子泵：它是由涡轮式和牵引式两种分子泵串联组合起来的一种复合式分子真空泵。⑵喷射真空泵：它是利用文丘里（Venturi）效应的压力降产生的高速射流把气体输送到出口的一种动量传输泵，适于在粘滞流和过渡流状态下工作。这种泵又可详细地分成以下几种：①液体喷射真空泵：以液体（通常为水）为工作介质的喷射真空泵。②气体喷射真空泵：以非可凝性气体作为工作介质的喷射真空泵。③蒸气喷射真空泵：以蒸气（水、油或汞等蒸气）作为工作介质的喷射真空泵。⑶扩散泵：以低压高速蒸气流（油或汞等蒸气）作为工作介质的喷射真空泵。气体分子扩散到蒸气射流中，被送到出口。在射流中气体分子密度始终是很低的，这种泵适于在分子流状态下工作。可分为：①自净化扩散泵：泵液中易挥发的杂质经专门的机械输送到出口而不回到锅炉中的一种油扩散泵。②分馏式扩散泵：这种泵具有分馏装置，使蒸气压力较低的工作液蒸气进入高真空工作的喷嘴，而蒸气压力较高的工作液蒸气进入低真空工作的喷嘴，它是一种多级油扩散泵。⑷扩散喷射泵：它是一种有扩散泵特性的单级或多级喷嘴与具有喷射真空泵特性的单级或多级喷嘴串联组成的一种动量传输泵。油增压泵即属于这种型式。⑸离子传输泵：它是将被电离的气体在电磁场或电场的作用下，输送到出口的一种动量传输泵。2.1.2气体捕集泵这种泵是一种使气体分子被吸附或凝结在泵的内表面上，从而减小了容器内的气体分子数目而达到抽气目的的真空泵，有以下几种型式。1）吸附泵它主要依靠具有大表面的吸附剂（如多孔物质）的物理吸附作用来抽气的一种捕集式真空泵。2）吸气剂泵它是一种利用吸气剂以化学结合方式捕获气体的真空泵。吸气剂通常是以块状或沉积新鲜薄膜形式存在的金属或合金。升华泵即属于这种型式。3）吸气剂离子泵它是使被电离的气体通过电磁场或电场的作用吸附在有吸气材料的表面上，以达到抽气的目的。它有如下几种型式。⑴蒸发离子泵：泵内被电离的气体吸附在以间断或连续方式升华（或蒸发）而覆在泵内壁的吸气材料上，以实现抽气的一种真空泵。⑵溅射离子泵：泵内被电离的气体吸附在由阴极连续溅射散出来的吸气材料上，以实现抽气目的的一种真空泵。4）低温泵利用低温表面捕集气体的真空泵2.2真空泵的性能参数1）真空泵的极限压力泵的极限压力单位是Pa，是指泵在入口处装有标准试验罩并按规定条件工作，在不引入气体正常工作的情况下，趋向稳定的最低压力。2）真空泵的抽气速率泵的抽气速率单位是m3/s或l/s，是指泵装有标准试验罩，并按规定条件工作时，从试验罩流过的气体流量与在试验罩指定位置测得的平衡压力之比。简称泵的抽速。抽速是真空泵的重要性能指标之一。由于在不同压力下，相同的体积流率对应有不同的质量流率，所以在计算体积流率量值时，必须指明所对应的气体压力。3）真空泵的抽气量真空泵的抽气量单位是Pam3/s或Pal/s。是指泵入口的气体流量。可压缩流体与不可压缩流体，流量单位不一致。如对水，我们就说流量为10m3/s，不管是在1个大气压下，还是十个大气压下，它的质量和体积都可以认为是不变的了；但对于可压缩的流体，它的流量就必须加压力单位来构成了，因为在一个大气压下10m3/s的流速，而到了十个大气压下就只有1m3/s了，即有4）泵的前级压力真空泵的前级压力单位是Pa，它是指排气压力低于一个大气压的真空泵的出口压力。例如，不带溢流阀的罗茨真空泵，油扩散泵都不能直接排大气，必须有前级泵抽到它们的最大能够启动压力之下，在忽略中间管道流导的情况下，这个压力就是前级泵所达到的压力，即主泵的前级压力。前级压力示意图。泵的前级压力.doc5）压缩比压缩比是指泵对给定气体的出口压力与入口压力之比。三、与水环式真空泵相关的一些知识3.1几个概念绝压与表压正值 表压0＋101325Pa负值 全部正值-101325Pa 0绝压 饱和气与干气在一般情况下，空气里或多或少的都含有一些水蒸气，故称为湿空气。完全不含水蒸气的空气称为干空气。湿空气是由干空气和水蒸气组成的混合气体。在未达到饱和前，前述所有的定律和气体状态方程都适用。如果保持湿空气的温度t不变，而增加水蒸气的含量，则水蒸气的分压力也随之增加。当湿空气中的水蒸气分压Pvap增大到对应于当时空气温度的饱和压力Ps时，水蒸气达到饱和状态，这时湿空气中水蒸气的含量达到最大值。这种由空气和饱和水蒸气组成的湿空气称为饱和空气。一定温度下的饱和空气不能再继续吸收水蒸气，除非提高湿空气的温度。如果保持湿空气中水蒸气的含量不变，亦即Pvap不变而降低其温度，则当湿空气的温度降低到水蒸气分压力Pvap对应的饱和温度tdew时,水蒸气达到饱和状态,若继续冷却，则湿空气中将出现露滴，这时的温度,即对应于水蒸气分压力Pvap下的饱和温度tdew称为露点.绝对湿度、相对湿度和含湿量为了表示湿空气中水蒸气含量的多少，可采用绝对湿度，相对湿度和含湿量等参数。绝对湿度：每1m3的湿空气里所含有的水蒸气的质量称为空气的绝对湿度，其值等于水蒸气的分压Pvap与温度t下的密度：绝对湿度只能说明湿空气中实际所含水蒸气的多少，而不能说明水蒸气的饱和程度或吸收水蒸气的能力大小。相对湿度：湿空气的绝对湿度与该温度下饱和空气的绝对湿度之比，称之为相对湿度。相对湿度反应了湿空气中水蒸气含量接近饱和的程度，故又称饱和度。值越小，湿空气吸收水蒸气的能力越强。值越大，湿空气吸收水蒸气的能力越弱。含湿量：在含有1kg干空气的湿空气中，所含有水蒸气的质量，以克计，称为含湿量。单位，克/千克（干空气），g/kgDA。对于大气的含湿量计算公式为：式中，d－含湿量，g/kgDA；pvap－水蒸气分压，Pa；P0－大气压值，Pa；－相对湿度，无量纲；ps－对应的温度下的饱和水蒸气压力，Pa。工程中标准环境条件为温度20℃，相对湿度65%，大气压力101325Pa。已知水蒸汽在20℃时的饱和蒸汽压为2333Pa（17.5托），则可计算出标准环境条件下大气中水的分压力为0.65×2333=1516Pa(11.375托)。此时1体积的空气中含水蒸汽的量为1516／101325体积。例如，在一个标准大气压下（101325Pa），温度为30oC，相对湿度为60％，试计算水蒸汽的分压力值，露点温度，含湿量。水蒸气分压力计算.doc在不同温度下水蒸气的饱和压力值的计算公式为：式中，Ps－水的饱和蒸气压，MPa；ts－水的饱和温度，oC。不同温度下水的饱和蒸气压计算。水的饱和蒸气压.xls标准状况与实际状况/实际流量我们称在一个标准大气压力(101325Pa)下，温度为0℃的状态为标准状况。此时的单位前加N表示，如Nm3/h。在进行状态转换时，所依据的就是理想气体的状态方程。我们看下边的三个问题：客户在他们的实际状况下测得（因为实际的体积流量可以直接测量到），如在温度为50°C时，压力为200mbar下，体积流量为1000m3/h。要求我们给配备的真空泵要保证：在温度为40°C时，压力为80mbar下的气量值，那么我们就必须把实测值转换到保证的条件下。如何转换？？客户给我们的时在标况下的值，如：在标况下的流量值1000Nm3/h。要求我们保证：在温度40°C时，压力为80mbar下的气量值？？我们则要把标况下转换到保证条件下。如何转换？？客户给我们的时质量流量时，如处理气体质量流量为123kg/h，相对与标况下空气的密度为0.92，要求保证条件：在温度40°C时，压力为80mbar下的气量值。这又如何转换？？请看转换的步骤。标况与实况的转换.doc真空的常用单位换算常用压力单位换算表

帕

Pa托

Torr微米汞柱

μmHg微巴

μbar毫巴

mbar大气压

atm工程大气压

am英寸汞柱

inHg磅/英寸2

lb/in21Pa17.5

×10-37.51010-29.86923

×10-61.0197

×1052.953

×10-41.450

×10-41Torr133.3211031333.21.33321.31579

×10-31.3595

×10-33.937

×10-21.934

×10-21μmHg0.1333210-311.33321.3332

×10-31.31579

×10-61.3595

×10-63.937

×10-51.934

×10-51μbar10-17.5

×10-47.5

×10-1110-39.86923

×10-71.0197

×10-62.953

×10-51.450

×10-51mbar1027.5

×10-17.5

×10210319.86923

×10-41.0197

×10-32.953

×10-21.450

×10-21atm101325760760×1031013.25

×1031013.2511.033329.92114.6961am98066.3735.56735.56

×103980663980663

×10-30.967839128.95914.2231inHg338625.425.4×1033.386×10433.863.342

×10-23.453

×10-214.912

×10-11lb/in2689551.71551.715

×1036.895×10468.956.805

×10-27.031

×10-22.08614.2水环真空泵气量和功率的影响因素吸气温度对吸气量的影响对于相同质量的气体，由气体状态方程可以得到，压力不变时，当吸气温度每升高1度，气体的体积流量增加原温度（K）分之一的体积。如在20oC下3000m3/h的气体，当吸气温度升高到30oC时，体积就变为3105m3/h。吸入压力对气量的影响随着入口处的吸入压力的降低，泵处理的有效气体量也随之降低。如图所示。工作液温度对气量的影响工作液的温度，明显的影响着泵的抽速。当供水温度T不是测试曲线的供液温度（288K）时，则泵的实际抽速为：式中，－温度系数，它与水温和吸入压力有关，如下图所示。－泵的供水温度为288K时的抽速。例如，在100mbar吸气压力下，当工作液温度为15oC时，如果抽速为1000m3/h，那么当工作液温度变为30oC时，那么抽速则变为694m3/h。抽速降低。主要是工作液的饱和蒸气压随温度变大而影响实际的抽速。计算过程：工作液温度变化对抽速的影响计算.doc工作液物性对气量和功率的影响工作液的粘度比水大，会降低泵的抽速，会使有效功率增加，使比功率增大，降低泵的实际效率。工作液密度的提高可以使泵的抽速，功率提高。抽速的增量超过功率的增量，因而导致泵的效率有些提高，但是不明显。泵的转速对气量和功率的影响泵的吸气量和转速成正比，功率和转速的平方成正比。出口压力对功率及气量的影响当排出口压力变大时，会使泵的轴功率增加，处理的气量减少。这些在相似公式中都有体现。相似公式.doc4.3水环真空泵选型基础功率液环泵的轴功率是由压缩气体的功率，液环运动消耗的功率和克服轴封轴承摩擦所消耗的功率三项