真空泵在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

周 宏

（浙江省天正設(shè)計(jì)工程有限公司，浙江杭州 310030）

在化工設(shè)計(jì)中，真空泵是常用的設(shè)備之一。真空泵種類(lèi)繁多，如何進(jìn)行真空泵的選型是設(shè)計(jì)工作需要解決的問(wèn)題。通過(guò)研究總結(jié)真空泵的種類(lèi)原理特點(diǎn)，可以有的放矢地在設(shè)計(jì)中進(jìn)行真空泵的選型。

1 主要參數(shù)

真空泵是一種利用機(jī)械、物理、化學(xué)或者物理化學(xué)的方法，通過(guò)對(duì)被抽容器抽氣而獲得真空的設(shè)備。在真空狀態(tài)下，常用氣體的稀薄程度來(lái)表示氣體的壓力，數(shù)值越小表示氣體越稀薄。

所謂極限真空（真空度）就是把真空泵與檢測(cè)容器連接在一起，放入待檢測(cè)氣體之后，進(jìn)行連續(xù)地抽氣，當(dāng)罐內(nèi)氣體壓力不再下降，維持在一定數(shù)值時(shí)，該數(shù)值稱(chēng)為泵的極限真空。此值越小說(shuō)明越接近理論真空。（絕對(duì)真空度-相對(duì)真空度=當(dāng)?shù)卮髿鈮海?/p>

2 分類(lèi)

2.1 按工作原理可分為抽除式泵、捕集式泵

（1）抽除式泵：其原理是通過(guò)抽吸系統(tǒng)中的氣體，并將氣體分子排至系統(tǒng)之外。例如滑閥泵、擴(kuò)散泵、往復(fù)泵、旋片泵、羅茨泵、水環(huán)泵等。

（2）捕集式泵：其原理是捕集系統(tǒng)中的氣體分子，將其直接吸附在泵的工作壁面上而不排出系統(tǒng)。例如吸附泵等。

2.2 按結(jié)構(gòu)形式可分為機(jī)械式泵、吸著式泵

2.2.1 機(jī)械式真空泵

主要包括變?nèi)菡婵毡煤蛣?dòng)量傳輸泵，它們都屬于抽除式真空泵。

（1）變?nèi)菡婵毡茫豪帽们蝗莘e的周期變化來(lái)完成吸氣和排氣，達(dá)到抽氣目的的泵。可分為往復(fù)式及旋轉(zhuǎn)式。往復(fù)式泵是利用泵腔內(nèi)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)而將氣體吸入、壓縮并排出的泵。旋轉(zhuǎn)式泵是利用泵腔內(nèi)轉(zhuǎn)子部件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)將氣體吸入、壓縮并排出的泵。變?nèi)菡婵毡么笾驴煞譃椋河头馐奖茫ㄖ饕ㄐ⒍ㄆ⒒y、余擺線式等）、液環(huán)泵、羅茨泵等。

（2）動(dòng)量傳輸泵：是依靠高速旋轉(zhuǎn)的葉片或高速射流，把動(dòng)量傳輸給氣體分子，使氣體分子從泵的入口傳輸?shù)匠隹凇Ｖ饕ǎ?/p>

①分子真空泵：主要有牽引分子泵、渦輪分子泵和兩者的組合。

②噴射式真空泵，它屬于抽除式真空泵，主要包括以下幾種。

噴射泵：利用文丘里效應(yīng)的壓力降產(chǎn)生的高速射流而把氣體輸送到出口的一種動(dòng)量傳輸泵。可分為液體噴射泵、氣體噴射泵、蒸汽噴射泵。

擴(kuò)散泵：以低壓油或汞等高速蒸汽流作為工作介質(zhì)，氣體分子擴(kuò)散到蒸汽射流中，然后被送到出口。它適于在分子流狀態(tài)，氣體分子密度始終很低。

擴(kuò)散噴射泵：是一種由擴(kuò)散泵與噴射泵的組合。例如油增壓泵。

③離子傳輸泵：是將被電離的氣體在電磁場(chǎng)或電場(chǎng)的作用下，輸送到出口的動(dòng)量傳輸泵。

2.2.2 吸著式泵

吸著式泵是一種依靠物理或化學(xué)方法使氣體分子吸附或凝結(jié)在泵壁表面，通過(guò)減小容器內(nèi)氣體分子數(shù)目來(lái)達(dá)到抽氣目的的泵，屬于捕集式真空泵。主要包括吸附泵（利用表面吸附劑的物理吸附作用來(lái)抽氣的一種捕集式真空泵）、吸氣劑泵（利用吸氣劑以化學(xué)結(jié)合方式捕獲氣體的一種真空泵；吸氣劑通常是金屬或合金，存在形式是以塊狀或沉積新鮮薄膜形式，比如升華泵）、吸氣劑離子泵（將被電離的氣體通過(guò)電場(chǎng)、電磁場(chǎng)作用吸附在有吸氣材料的表面，以達(dá)到抽氣目的的泵）、低溫泵（利用低溫表面捕集氣體的泵）。

2.3 根據(jù)在系統(tǒng)中的用途分類(lèi)

①主抽氣泵。②預(yù)抽氣泵。放置在主抽氣泵前，在大氣狀態(tài)直接開(kāi)始抽吸到某一壓力，然后由主抽氣泵接著繼續(xù)進(jìn)行抽吸工作。③前級(jí)泵。放置在主抽氣泵后，主抽氣泵不能將所抽氣體直接排入大氣時(shí)，串接前級(jí)泵進(jìn)行排送。④維持泵。當(dāng)主抽氣泵停止工作后，用來(lái)繼續(xù)抽吸維持系統(tǒng)壓力的泵。

2.4 根據(jù)抽氣效能分為

1）水泵（粗真空），壓強(qiáng)約1.333～100kPa。2）油泵（次高真空），壓強(qiáng)約0.133～133.3Pa。3）擴(kuò)散泵（高真空），壓強(qiáng)0.133Pa 以下。

3 工作原理

1）水環(huán)泵：水環(huán)泵葉片的葉輪是偏心地裝在圓柱形泵殼內(nèi)。當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，形成了水環(huán)，水環(huán)內(nèi)表面與葉輪輪轂相切。以葉輪下部0°為起點(diǎn)，順時(shí)針計(jì)，葉輪在旋轉(zhuǎn)前180°時(shí)小腔容積由小變大，氣體被吸入端面上的吸氣口，吸氣完畢小腔與吸氣口隔絕；繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，小腔由大變小，氣體被壓縮；當(dāng)小腔與排氣口相通時(shí)，氣體被排出泵外。

2）旋片式：旋片式泵的轉(zhuǎn)子偏心安裝在泵腔內(nèi)，上部緊貼泵腔內(nèi)壁，轉(zhuǎn)子槽內(nèi)圓周方向均分有三個(gè)旋片，當(dāng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，在離心力作用下旋片緊貼泵腔內(nèi)壁，泵腔被分成三個(gè)相互隔離、容積周期性可變的工作腔，當(dāng)進(jìn)氣腔容積擴(kuò)大而吸氣，當(dāng)排氣腔容積縮小而壓縮氣體，由此來(lái)獲得真空。

3）滑閥式：滑閥式泵是通過(guò)滑閥機(jī)構(gòu)來(lái)改變吸氣腔容積，從而獲得真空。

4）羅茨泵：羅茨泵是依靠泵腔內(nèi)一對(duì)葉形轉(zhuǎn)子同步或者反向旋轉(zhuǎn)地推壓氣體而實(shí)現(xiàn)抽氣，由此獲得真空。此泵不可以單獨(dú)抽氣，前級(jí)需配油封、水環(huán)泵后才可直排大氣。

5）金屬油擴(kuò)散泵：擴(kuò)散泵噴口中噴出高速蒸汽流，在分子流條件下，氣體分子不斷向蒸汽流中擴(kuò)散，并被蒸汽帶向泵出口處，然后逐級(jí)被壓縮，再由前級(jí)泵排除，由此獲得真空。

6）分子泵：分子泵是在分子流區(qū)域內(nèi)靠高速運(yùn)動(dòng)的剛體表面?zhèn)鬟f給氣體分子以動(dòng)量，使氣體分子在剛體表面的運(yùn)動(dòng)方向上產(chǎn)生定向流動(dòng)，從而達(dá)到抽氣的目的獲得真空。

4 真空度和適用范圍

1）液環(huán)泵是一種粗真空泵。液環(huán)泵中氣體壓縮是等溫的，所以可抽除易燃易爆的氣體，此外還可抽除含塵、含水的氣體。受工作液飽和蒸氣壓的限制，真空度低。用水作工作液，極限真空2000～4000Pa；用油作工作液，極限真空約130Pa。

2）旋片式真空泵是一種油封式機(jī)械真空泵。它可直接從大氣壓起動(dòng)抽氣；可單獨(dú)作低真空泵用，也可與其他高真空泵組合作前級(jí)泵用；體積小、重量輕、噪音低，特別適合實(shí)驗(yàn)室使用；該泵不可用來(lái)抽含氧過(guò)高的、有毒的易爆的或與泵油發(fā)生化學(xué)作用的或?qū)谏饘儆懈g作用的氣體。極限真空≤1.3Pa。

3）滑閥式真空泵是一種油封式機(jī)械真空泵。常用在大型真空設(shè)備上，具有高真空、低噪音、少震動(dòng)，長(zhǎng)壽命，不易漏油，可抽有較高溫度、有輕微粉塵和腐蝕性的氣體，特別是含少量水蒸氣的混合氣體。分為單級(jí)和雙級(jí)兩種型式。單級(jí)泵的極限壓力對(duì)小泵≤0.6Pa，對(duì)大泵≤1.3Pa（均關(guān)氣鎮(zhèn)），雙級(jí)泵的極限壓力≤0.06Pa（關(guān)氣鎮(zhèn)）。抽速大于150L/s 的滑閥泵多采用單級(jí)型式。

4）羅茨真空泵是一種變?nèi)菡婵毡谩Ｌ攸c(diǎn)是啟動(dòng)快，耗功少，運(yùn)轉(zhuǎn)維護(hù)費(fèi)用低，抽速大、效率高，不敏感被抽氣體中含的少量水蒸氣和灰塵，在100～1Pa 壓力范圍內(nèi)有較大抽氣速率，能迅速排除突然放出的氣體，不需要油潤(rùn)滑；轉(zhuǎn)速可高達(dá)3450～4100r/min；抽氣速率為30～10000L/s。極限真空：?jiǎn)渭?jí)為6.5×102Pa，雙級(jí)為1×103Pa。

5）金屬油擴(kuò)散泵是一種動(dòng)量傳輸泵。特點(diǎn)是可獲得高真空，用于真空冶煉鍍膜、空間模擬實(shí)驗(yàn)和對(duì)油污染不敏感的真空系統(tǒng)。極限真空為10-4～10-5Pa。

6）分子泵是一種利用高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械式動(dòng)量傳輸泵。特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可達(dá)20000r/min，啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)；分子泵與油封式旋片泵相比，工作環(huán)境更清潔，且可以達(dá)到極高的真空度。分子泵不能在大氣壓下工作，須和其他能夠在大氣壓下工作的粗抽真空泵（如油封式旋片泵）配合使用。極限壓強(qiáng)可達(dá)10-8Pa。

5 選型

1）滿(mǎn)足工藝真空度要求：選型時(shí)真空度要滿(mǎn)足工藝要求，且一般高于真空設(shè)備真空度的半個(gè)到一個(gè)數(shù)量級(jí)。例如絕對(duì)壓強(qiáng)要求高于3300Pa 則優(yōu)先選水環(huán)泵；絕對(duì)壓強(qiáng)要求低于3300Pa，選擇旋片式或更高真空級(jí)別的泵。

2）滿(mǎn)足工藝抽氣量（抽氣速率） 的要求：抽氣量也就是真空泵在其工作壓力下，排出氣液固的能力。

根據(jù)需要形成真空的體積和達(dá)到的時(shí)間（一般可選5～10min），可按以下經(jīng)驗(yàn)公式[1]估算抽氣速率S：S=（V/t）×ln（p1/p2） 。其中：S為真空泵抽氣速率（L/s）；V為真空室容積（L）；t為達(dá)到要求真空度所需時(shí)間（s）；p1為初始?jí)簭?qiáng)（Pa）；p2為要求壓強(qiáng)（Pa）。

6 案例

根據(jù)不同工作要求，使用不同類(lèi)型的真空泵。為了使用方便和滿(mǎn)足各種工藝過(guò)程的需要，一般會(huì)將各種真空泵按其性能要求組合起來(lái)，以機(jī)組型式應(yīng)用。

某藥廠反應(yīng)釜需要真空操作，介質(zhì)為含丙酮的料液，有一定的潔凈要求。真空度要求～1kPa。考慮到真空有一定的潔凈要求，真空度要求也比較高，選用了羅茨-立式無(wú)油往復(fù)泵機(jī)組。以ZJ 型羅茨泵為主泵，以WLW 型立式無(wú)油往復(fù)泵為前級(jí)泵串連而成。無(wú)油往復(fù)泵采用無(wú)油自潤(rùn)滑材料，可獲得潔凈真空。克服了無(wú)油往復(fù)泵極限壓力高，在—定壓力下抽氣速率低的缺點(diǎn)，同時(shí)又保留羅茨泵工作迅速、有較大抽氣速率的優(yōu)點(diǎn)。