真空泵的选型计算.doc

第一部分：选用真空泵时需要注意事项
1、真空泵的工作压强应该满足真空设备的极限真空及工作压强要求。如：真空镀膜要求1×10-5mmHg的真空度，选用的真空泵的真空度至少要5×10-6mmHg。通常选择泵的真空度要高于真空设备真空度半个到一个数量级。
2、正确地选择真空泵的工作点。每种泵都有一定的工作压强范围，如：扩散泵为10-3~10-7mmHg，在这样宽压强范围内，泵的抽速随压强而变化，其稳定的工作压强范围为5×10-4~5×10-6mmHg。因而，泵的工作点应该选在这个范围之内，而不能让它在10-8mmHg下长期工作。又如钛升华泵可以在10-2mmHg下工作，但其工作压强应小于1×10-5mmHg为好。
 3、真空泵在其工作压强下，应能排走真空设备工艺过程中产生的全部气体量。
 4、正确地组合真空泵。由于真空泵有选择性抽气，因而，有时选用一种泵不能满足抽气要求，需要几种泵组合起来，互相补充才能满足抽气要求。如钛升华泵对氢有很高的抽速，但不能抽氦，而三极型溅射离子泵，（或二极型非对称阴极溅射离子泵）对氩有一定的抽速，两者组合起来，便会使真空装置得到较好的真空度。另外，有的真空泵不能在大气压下工作，需要预真空；有的真空泵出口压强低于大气压，需要前级泵，故都需要把泵组合起来使用。
 5、真空设备对油污染的要求。若设备严格要求无油时，应该选各种无油泵，如：水环泵、分子筛吸附泵、溅射离子泵、低温泵等。如果要求不严格，可以选择有油泵，加上一些防油污染措施，如加冷阱、障板、挡油阱等，也能达到清洁真空要求。
 6、了解被抽气体成分，气体中含不含可凝蒸气，有无颗粒灰尘，有无腐蚀性等。选择真空泵时，需要知道气体成分，针对被抽气体选择相应的泵。如果气体中含有蒸气、颗粒、及腐蚀性气体，应该考虑在泵的进气口管路上安装辅助设备，如冷凝器、除尘器等。
  7、真空泵排出来的油蒸气对环境的影响如何。如果环境不允许有污染，可以选无油真空泵，或者把油蒸气排到室外。
 8、真空泵工作时产生的振动对工艺过程及环境有无影响。若工艺过程不允许，应选择无振动的泵或者采取防振动措施。
9、真空泵的价格、运转及维修费用。

第二部分：水环式真空泵的选择
一、泵类型的确定
泵的类型主要由工作所需的气量、真空度或排气压力而定。
泵工作时，需要注意以下两个方面：
1.尽可能要求在高效区内，也就是在临界真空度或临界排气压力的区域内运行。
2.应避免在最大真空度或最大排气压力附近运行。在此区域内运行，不仅效率极低，而且工作很不稳定，易产生振动和噪音。对于真空度较高的真空泵而言，在此区域之内运行，往往还会发生汽蚀现象，产生这种现象的明显标志是泵内有噪音和振动。汽蚀会导致泵体、叶轮等零件的损坏，以致泵无法工作。
根据以上原则，当泵所需的真空度或气体压力不高时，可优先在单级泵中选取。如果真空度或排气压力较高，单级泵往往不能满足，或者，要求泵在较高真空度情况下仍有较大气量，即要求性能曲线在较高真空度时较平坦，可选用两级泵。如果真空度要求在－710mmHg以上，可选用水环－大气泵或水环－罗茨真空机组作为抽真空装置。
如果只作真空泵用，则选用单作用泵比较好。因为单作用泵的构造简单，容易制造和维护，且在高真空情况下抗汽蚀性好。
如果仅作较大气量的压缩机使用，则选用双作用的泵比较合适。因为双作用泵的气量大，体积小，重量轻，径向力能得到自动平衡，轴不容易产生疲劳断裂，泵的使用寿命较长。
二、根据系统所需的气量选择真空泵
初步选定了泵的类型之后，对于真空泵，还要根据系统所需的气量来选用泵的型号。

真空泵选择相关计算公式
1、玻义尔定律
体积V，压强P，P·V＝常数
一定质量的气体，当温度不变时，气体的压强与气体的体积成反比。
即P1/P2＝V2/V1
2、盖·吕萨克定律
当压强P不变时，一定质量的气体，其体积V与绝对温度T成正比：
V1/V2＝T1/T2＝常数
当压强不变时，一定质量的气体，温度每升高(或P降低)1℃，则它的体积比原来增加(或缩小)1/273。
3、查理定律
当气体的体积V保持不变，一定质量的气体，压强P与其绝对温度T成正比，即：
P1/P2＝T1/T2
在一定的体积下，一定质量的气体，温度每升高(或降低)1℃，它的压强比原来增加(或减少)1/273。
4、平均自由程：
λ＝(5×10-3)/P (cm)
5、抽速：
S＝dv/dt (升/秒)或 S＝Q/P
Q＝流量(托·升/秒) P＝压强(托)　　V＝体积(升) t＝时间(秒)
6、通导： C＝Q/(P2-P1) (升/秒)
7、真空抽气时间：
对于从大气压到1托抽气时间计算式：
t＝8V/S (经验公式)
V为体积，S为抽气速率，通常t在5~10分钟内选择。
8、维持泵选择：
S维＝S前/10
9、扩散泵抽速估算：
S＝3D2 (D＝直径cm）
10、罗茨泵的前级抽速：
S＝(0.1~0.2)S罗 (l/s)
11、漏率：
Q漏＝V(P2-P1)/(t2-t1)
Q漏－系统漏率(mmHg·l/s)
V－系统容积(l)
P1－真空泵停止时系统中压强(mmHg)
P2－真空室经过时间t后达到的压强(mmHg)
t－压强从P1升到P2经过的时间(s)
12、粗抽泵的抽速选择：
S＝Q1/P预 (l/s)
S=2.3V·lg(Pa/P预)/t
S－机械泵有效抽速
Q1－真空系统漏气率(托·升/秒)
P预－需要达到的预真空度(托)
V－真空系统容积(升)
t－达到P预时所需要的时间
Pa－大气压值(托）
13、前级泵抽速选择：
排气口压力低于一个大气压的传输泵如扩散泵、油增压泵、罗茨泵、涡轮分子泵等，它们工作时需要前级泵来维持其前级压力低于临界值，选用的前级泵必须能将主泵的最大气体量排走，根据管路中，各截面流量恒等的原则有：
PnSg≥PgS 或
Sg≥Pgs/Pn
Sg－前级泵的有效抽速(l/s)
Pn－主泵临界前级压强(最大排气压强)(l/s)
Pg－真空室最高工作压强(托)
S－主泵工作时在Pg时的有效抽速。(l/s)
14、扩散泵抽速计算公式：
S＝Q/P＝(K·n)/(P·t)(升/秒)
式中：S－被试泵的抽气速率(l/s)
n－滴管内油柱上升格数(格)
t－油柱上升n格所需要的时间(秒)
P－在泵口附近测得的压强(托)
K－滴管系数(托·升/秒)
K＝V0·(L/n)·(Υ0/Υm)+Pa△Vt
其中V0－滴管和真空胶管的原始容积(升)
L－滴管刻度部分的长度(mm)
n－滴管刻度部分的格数(格)
Υ0－油的比重(克/厘米3)
Υm－汞的比重(克/厘米3)
Pa－当地大气压强(托)
△Vt－滴管的刻度上的一格的对应的容积(升/格)
15、旋片真空泵的几何抽速计算公式：
S＝πZnLKv(D2-d2)/(24×104) (l/s)
式中：Z为旋片数，n为转速(转/分)，L为泵腔长度，D为泵腔直径，d为转子直径(cm)，Kv为容积利用系数(一般取95％)。
16、O型橡胶槽深B＝0.7D
D为橡胶直径，槽宽C＝1.6B
17、方形橡胶槽深B＝0.8A
A为方形橡胶边长，槽宽C＝1.67B

其它几个公式：
◆ 真空容器的排气时间
对于低真空和中真空的排气时间，当泄漏量较小时，真空设备从压强P1降低到P2所需的排气时间为：
t＝2.3（V/S）lg(P1/P2)
式中 t： 排气时间，s
V: 真空设备容积，L
S: 泵的有效抽气速率，L/S
P1, P2: 开始时容器的压强和抽至所需的压强，mmHg。

真空系统抽气速率Se的计算方法：
◆ 连续操作系统
1、 计算真空系统的总泄漏量Qs。
根据真空系统的容积进行的泄漏量估算：
表1
容积 / m3
0.1
1
3
5
10
25
50
100
200
空气平均泄漏量/
kg/h
0.1-0.5
0.5-1.0
1-2
2-4
3-6
4-8
5-10
8-20
10-30

根据接头密封长度进行的泄漏量估算：
表2
接头密封质量
非常好
好
正常
泄漏量kg /h*m
0.03
0.1
0.2
2、 计算总抽气量Q
Q=Q1+Q2+Q3
Q: 总抽气量，kg/h
Q1: 真空系统工作过程中产生的气体量，kg/h
Q2: 真空系统的放气量，kg/h
Q3: 真空系统总泄漏量，kg/h
3、计算Se：
Se＝QR(273+Ts)/PsM
R: 通用气体常数 R＝8.31kJ /（kmol*K）
Ts：抽出气体的温度，ºC
Ps：真空系统的工作压力，kPa，G
M：抽出气体的平均分子量
Se：真空系统的抽气速率，m3 / h
◆ 间歇操作系统
Se＝138V/t *lg(P1/P2) m3 / h
真空泵的选用
1 根据真空系统的真空度和泵进口管道的压力降，确定泵吸入口处的真空度（绝压）
2 确定真空系统的抽气速率Se
3 将Se换算成泵厂规定条件下的抽气速率Se’
一般可按照下式计算：
Se’＝ Se（273+[Ts]）/（273+Ts）
[Ts]：泵标准进气温度
4 根据抽气速率和真空度要求，按照下式选择确定真空泵的类型
要求真空泵的抽气速率S满足：
S >（20%-30%）Se’

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