復(fù)合材料廠房真空管道系統(tǒng)設(shè)計初探

趙 國 偉

(中國航空規(guī)劃建設(shè)發(fā)展有限公司，北京 100120)

復(fù)合材料廠房真空管道系統(tǒng)設(shè)計初探

趙 國 偉

(中國航空規(guī)劃建設(shè)發(fā)展有限公司，北京 100120)

主要介紹了復(fù)合材料廠房的真空管道系統(tǒng)的設(shè)計要點，詳細(xì)闡述了真空管道流導(dǎo)的計算方式，確定了選擇真空泵的方法以及真空泵站布置的基本原則，并對設(shè)計過程中需注意的問題進行了分析，對復(fù)合材料廠房的真空管道系統(tǒng)設(shè)計具有積極意義。

復(fù)合材料廠房，真空管道，流導(dǎo)，真空泵

0 引言

近年來，隨著科技的發(fā)展和進步，復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、化工、紡織和機械制造等領(lǐng)域。復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學(xué)的方法，在宏觀上組成具有新性能的材料。由于各種材料在性能上互相取長補短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。真空管道系統(tǒng)在復(fù)合材料廠房中使用十分廣泛。

1 真空技術(shù)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，真空技術(shù)已廣泛應(yīng)用于石油、冶金、化工、航空、航天、醫(yī)學(xué)、電子等工業(yè)及其他許多部門中，如真空冶煉、真空干燥、真空結(jié)晶、真空濃縮、真空制冷、真空加工、真空鍍膜、真空包裝、真空模擬、真空吸塵、原子能技術(shù)及電子信息技術(shù)等各行各業(yè)。

1.1 真空

真空是指在給定的空間內(nèi)低于該地區(qū)一個大氣壓的氣體狀態(tài)。它意味著：

1)該空間內(nèi)單位體積中氣體分子的數(shù)目低于該地區(qū)大氣壓下的氣體分子數(shù)目；

2)氣體分子之間或氣體分子與其他質(zhì)點的相互碰撞次數(shù)不那么頻繁了；

3)打到某一器壁表面上的分子數(shù)目也比較少了。

真空區(qū)域一般按壓力高低進行劃分：粗真空:105Pa～102Pa。低真空:102Pa～10-1Pa。中真空：10-1Pa～10-5Pa。高真空：10-5Pa～10-9Pa。超高真空：<10-9Pa。

真空系統(tǒng)的真空負(fù)荷主要來源于三個方面：

1)工藝生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的氣體量；

2)真空室及真空原件的放氣量；

3)真空系統(tǒng)的漏氣量。

1.2 影響真空系統(tǒng)正常運行的主要因素

真空系統(tǒng)是否能夠正常運行，主要涉及到以下幾方面內(nèi)容：

1)真空泵選擇是否合理，真空系統(tǒng)的氣密性是否良好。選擇真空泵時，應(yīng)注意所抽真空氣體的性質(zhì)，有些真空泵不宜用于抽除含氧量過高、有爆炸性和腐蝕性以及含有顆粒灰塵的氣體。另外，真空泵應(yīng)盡量靠近真空用戶，這樣真空管道較短，泄漏點也較少，真空度也便于保證。

2)真空系統(tǒng)中除各種必要的附件外，應(yīng)盡量減少其他附件，因為每一個附件都是一個泄漏點，都會產(chǎn)生相應(yīng)的阻力。

3)應(yīng)根據(jù)不同場合選擇不同的真空管道。常用的真空管道主要有玻璃管、金屬管、橡膠管三種類型，每種管道都有各自不同的優(yōu)缺點，選擇真空管道材料時需注意：

a.玻璃管。其優(yōu)點是氣密性較好，易于清洗和去氣，且便于制成各種形狀，化學(xué)性能穩(wěn)定，不易生銹和腐蝕，透明度高，絕緣性能好，可以通過火花檢漏器進行檢漏。缺點是機械強度較差，不能制成直徑較大的管道。

b.金屬管。選用金屬管時，一般采用無氣孔和裂縫的無縫鋼管。其優(yōu)點是機械強度高，不易損壞。缺點是在真空度較高時，金屬管會持續(xù)放氣，氣密性難以保證。

c.橡膠管。其優(yōu)點是彈性較好，可以隨意彎折，缺點是連接處易泄漏。

4)真空閥門的選用。

5)真空計的選用。常用的真空計有彈性真空壓力表、U型真空計等。

6)真空管路應(yīng)盡量短直，盡可能減少管路的轉(zhuǎn)彎和變徑，從而降低管路阻力損失，保證系統(tǒng)的真空度[1]。

2 真空系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 流導(dǎo)的計算

設(shè)計真空系統(tǒng)時，首先應(yīng)進行流導(dǎo)的計算。

對于低真空系統(tǒng)，單根真空管道的流導(dǎo)可按式(1)進行計算[2]：

(1)

其中，UB為真空管道的流導(dǎo)，cm3/s；d為真空管道的直徑，cm；l為真空管道的長度，cm；p1,p2分別為真空管道的進口端與出口端的壓力，Torr。

對于中真空系統(tǒng)，單根真空管道的流導(dǎo)可按式(2)進行計算：

(2)

對于高真空系統(tǒng)，單根真空管道的流導(dǎo)可按式(3)進行計算：

(3)

串聯(lián)的復(fù)雜導(dǎo)管的總流導(dǎo)計算公式為：

(4)

并聯(lián)的復(fù)雜導(dǎo)管的總流導(dǎo)計算公式為：

U=U1+U2+…+Un

(5)

2.2 真空泵的選擇

選擇真空泵時，應(yīng)滿足兩個必要條件：1)真空泵的極限壓力應(yīng)低于真空室的極限壓力；2)真空泵的抽氣速率應(yīng)大于真空室的放氣速率。

真空系統(tǒng)無漏氣和放氣時(即密閉真空室或靜態(tài)真空室)，所需的真空泵抽氣速率可按式(6)計算：

(6)

其中，SH為真空泵在p2下的抽氣速率，cm3/s；S為真空室在p1(真空用戶要求達到的真空壓力)下的抽氣速率，cm3/s；U為真空管道的總流導(dǎo)，cm3/s。

真空系統(tǒng)有漏氣和放氣時(即開式真空室或靜態(tài)真空室)，所需的真空泵抽氣速率可按式(7)計算：

(7)

其中,Q為在真空室要求建立的工作壓力下漏氣量和放氣量的總和(即單位時間的流量)，cm3/s；SH為真空泵在滿足真空室要求建立的工作壓力下的抽氣速率(即真空泵的有效抽氣速率)，cm3/s；U為真空管道的總流導(dǎo)，cm3/s。

有時對真空系統(tǒng)有這樣的要求，即在一定的抽氣時間t內(nèi)，壓力從p1降至p2，為了簡化計算，可假定U?SH(采用短而粗的真空管道來實現(xiàn))，則:

(8)

其中，t為抽氣時間，s；V為真空室的容積，cm3；SH為真空泵在p1與p2范圍內(nèi)的平均抽氣速率，cm3/s；p1為真空室在抽氣開始時的壓力，Pa；p2為真空室在抽氣終了時的壓力，Pa；p0為真空泵的極限壓力，Pa。

由于真空泵的額定抽氣速率是在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下測得的，而真空泵實際工作時的壓力低于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，因此泵的抽氣速率會隨之下降。故而必須根據(jù)真空泵的特性曲線來選擇適當(dāng)?shù)恼婵毡谩Ｔ诘驼婵障到y(tǒng)中，真空泵的有效抽氣速率一般應(yīng)為真空泵計算抽氣速率的1.5倍～1.75倍。

真空泵的備用容量和備用臺數(shù)應(yīng)根據(jù)真空用戶的性質(zhì)和泵的性能參數(shù)經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較后確定。通常真空泵站內(nèi)的備用真空泵數(shù)量不應(yīng)少于一臺。

真空泵與其他泵一樣，都有其工作特性曲線(即泵的抽氣速率與進口壓力曲線圖)。因此選擇真空泵時，在滿足真空室極限壓力的前提下，應(yīng)盡可能將真空泵的最終運行點落在特性曲線的最佳工作段。不同類型的真空泵具有不同的適用范圍，見表1。

表1 各種真空泵的適用工作范圍

2.3 真空泵站的組成及布置

真空泵站通常由真空泵、真空罐及油水分離器等設(shè)備和相應(yīng)管路組成。有些真空泵站內(nèi)還設(shè)有濾塵器、消聲器、雜物捕集器等輔助設(shè)備。為保證真空系統(tǒng)的正常安全運行，真空泵站內(nèi)還須設(shè)置必要的安全保護措施和熱工測量裝置。

真空泵站可以單獨設(shè)置，也可以附設(shè)于動力站房(如空壓站、制冷站等)內(nèi)或布置在真空用戶的建筑物內(nèi)。真空泵站的位置應(yīng)綜合考慮廠區(qū)總體布局、運行管理方便性等一般原則，并經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟分析后確定最終方案。

3 結(jié)語

本文對復(fù)合材料廠房中所涉及的真空管道系統(tǒng)的設(shè)計過程進行了分析，對真空泵的選型、真空泵站的布置以及在設(shè)計過程中需要注意的問題進行了詳細(xì)闡述，具有較強的實際應(yīng)用價值，對于復(fù)合材料廠房的真空管道系統(tǒng)設(shè)計具有積極的意義。

[1] 王成勇.真空度隨真空管道長度變化規(guī)律研究[J].印制電路信息，2014(5)：24-25.

[2] 張以忱，黃化巖，張國慶，等.真空管道流導(dǎo)計算中平均壓力取值的誤差分析與計算方法[J].真空,2013,50(3)：17-19.

Inquiry on vacuum pipeline system design of composite-material workshop

Zhao Guowei

(ChinaAirlinePlanningConstructionDevelopmentCo.,Ltd,Beijing100120,China)

This article will mainly introduce some key points in vacuum pipe system designing of the composite-material workshop. Calculating methods of the conductance of vacuum pipe will be illustrated in detail and the principles of choosing vacuum pump and arranging vacuum pump station will be given. Problems requiring attention in the designing process will also be analyzed, which has positive meaning for vacuum pipeline system design of composite-material workshop.

composite-material workshop， vacuum pipe， conductance， vacuum pump

2015-03-24

趙國偉(1984- )，男，工程師

1009-6825(2015)16-0132-02

TB772.4

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