真空泵在工程設計中的應用

周 宏

（浙江省天正設計工程有限公司，浙江杭州 310030）

1 前言

真空泵是利用機械、物理、化學或者物理化學的方法，通過對被抽容器抽氣而獲得真空的一種設備。真空狀態(tài)下，一般用氣體的稀薄程度來表示氣體的壓力，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容器連接在一起，放入待測試氣體，然后進行連續(xù)抽氣，當罐內(nèi)氣體壓力下降到一定數(shù)值，并維持此數(shù)值時，該數(shù)值稱為泵的極限真空。此值越小說明越接近理論真空。（絕對真空度-相對真空度=當?shù)卮髿鈮海?。按真空度大致可劃分為水泵（粗真空），壓強約1.333～100kPa；油泵（次高真空），壓強約0.133～133.3Pa；擴散泵（高真空），壓強0.133Pa 以下。

在化工設計中，真空泵是常用的設備之一。真空泵種類繁多，如何進行真空泵的選型是設計工作需要解決的問題。通過研究總結(jié)真空泵的種類原理特點，可以有的放矢地在設計中進行真空泵的選型。

2 原理及分類

2.1 按工作原理可分為抽除式泵、捕集式泵

（1）抽除式泵。其原理是通過抽吸系統(tǒng)中的氣體，將其排至系統(tǒng)外來獲得真空。例如液環(huán)泵、旋片泵、滑閥泵、羅茨泵、擴散泵、往復泵等。

（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。

2.1.1 抽除式泵

主要包括變?nèi)菡婵毡煤蛣恿總鬏敱?/p>

（1）變?nèi)菡婵毡?。是利用泵腔容積的周期變化來完成吸氣排氣，達到抽氣目的。可分為往復式及旋轉(zhuǎn)式。往復式泵是利用泵腔內(nèi)活塞往復運動而將氣體吸入、壓縮并排出的泵。旋轉(zhuǎn)式泵是利用泵腔內(nèi)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運動將氣體吸入、壓縮并排出的泵。變?nèi)菡婵毡每煞譃椋河头馐奖茫ㄖ饕ㄐ⒍ㄆ?、滑閥、余擺線式等）、液環(huán)泵、羅茨泵等。

（2）動量傳輸泵。是依靠高速旋轉(zhuǎn)的葉片或高速射流，把動量傳輸給氣體分子，氣體分子從泵的入口傳輸?shù)匠隹?。主要包括?/p>

①分子真空泵。是在分子流區(qū)域內(nèi)依靠高速運動的剛體表面?zhèn)鬟f給氣體分子動量，使氣體分子在剛體表面運動方向上產(chǎn)生定向流動，從而達到抽氣目的獲得真空的泵。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。主要包括以下幾種：

噴射泵。利用文丘里效應的壓力降產(chǎn)生的高速射流而把氣體輸送到出口的一種動量傳輸泵?？煞譃橐后w噴射泵、氣體噴射泵、蒸汽噴射泵。

擴散泵。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。

擴散噴射泵。是一種由擴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或電場的作用下，輸送到出口的動量傳輸泵。

2.1.2 捕集式泵

主要包括吸附泵（利用表面吸附劑的物理吸附作用來抽氣的一種捕集式真空泵）、吸氣劑泵（利用吸氣劑以化學結(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電場、電磁場作用吸附在有吸氣材料的表面，以達到抽氣目的的泵）、低溫泵（利用低溫表面捕集氣體的泵）。

3 常用泵的工作機制

1）液環(huán)泵。液環(huán)泵葉片的葉輪是偏心地裝在圓柱形泵殼內(nèi)的。當葉輪旋轉(zhuǎn)時，形成了液環(huán)，液環(huán)內(nèi)表面與葉輪輪轂相切。以葉輪下部0°為起點，順時針方向計，葉輪在旋轉(zhuǎn)前180°時小腔容積由小變大，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；當小腔與排氣口相通時，氣體被排出泵外。

2）旋片泵。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旋片，當轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時，在離心力作用下旋片緊貼泵腔內(nèi)壁，泵腔被分成三個相互隔離、容積周期性可變的工作腔，當進氣腔容積擴大而吸氣，當排氣腔容積縮小而壓縮氣體，由此來獲得真空。

3）滑閥泵?；y式泵是通過滑閥機構(gòu)來改變吸氣腔容積，從而獲得真空的泵。

4）羅茨泵。羅茨泵是依靠泵腔內(nèi)一對葉形轉(zhuǎn)子同步或者反向旋轉(zhuǎn)來推壓氣體從而實現(xiàn)抽氣獲得真空的泵。此泵不可以單獨抽氣，需配油封、水環(huán)作為前級泵后才可直排大氣。

5）擴散泵。擴散泵噴口中噴出高速蒸汽流等，在分子流條件下，氣體分子不斷向蒸汽流中擴散，同時被蒸汽帶向泵出口處，然后逐級被壓縮，再由前級泵排除，由此獲得真空。

6）往復泵。往復泵是依靠活塞來回周期性地運動，造成氣缸周期性的增大縮小來吸入和排出氣體，獲得真空的泵。

4 常用泵的真空度和適用范圍

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，所以可用于抽除易燃易爆的氣體，此外還可用于抽除含塵、含水的氣體。受工作液飽和蒸氣壓的限制，真空度低。用水做工作液，極限真空2 000 ～4 000Pa；用油作工作液，極限真空約130Pa。

2）旋片泵是一種油封式機械真空泵。它可直接從大氣壓起動抽氣；可單獨做低真空泵用，也可與其他高真空泵組合作為前級泵用；體積小、重量輕、噪音低，特別適合實驗室使用；該泵不可用來抽含氧過高的、有毒的易爆的或與泵油發(fā)生化學作用的或?qū)谏饘儆懈g作用的氣體。極限真空≤1.3Pa。

3）滑閥泵是一種油封式機械真空泵。常用在大型真空設備上，具有高真空、低噪音、少震動，壽命長，不易漏油的特點，可用于抽有較高溫度、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。分為單級和雙級兩種型式。單級泵的極限壓力對小泵≤0.6Pa，對大泵≤1.3Pa（均關氣鎮(zhèn)），雙級泵的極限壓力≤0.06Pa（關氣鎮(zhèn)）。抽速大于150L/s 的滑閥泵多采用單級型式。

4）羅茨泵是一種變?nèi)菡婵毡?。特點是啟動快，耗功少，運轉(zhuǎn)維護費用低，抽速大、效率高，對被抽氣體中含少量水蒸氣和灰塵不敏感，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，不需要油潤滑；轉(zhuǎn)速可高達3 450 ～4 100r/min；抽氣速率為30 ～10 000L/s。極限真空：單級泵為6.5×102Pa，雙級泵為1×103Pa。

5）擴散泵是一種動量傳輸泵。特點是可獲得高真空，用于真空冶煉鍍膜、空間模擬實驗和對油污染不敏感的真空系統(tǒng)。極限真空為10-4～10-5Pa。

6）往復泵是一種變?nèi)菡婵毡?，有干式和濕式之分。抽氣量范圍大，可達15 ～5 500L/s，抽氣效率不高。不適用抽除腐蝕性或含微小顆粒的氣體，如果被抽氣體中含顆粒，進口處必裝過濾器。單級泵極限真空約為400 ～103Pa，雙級泵極限真空約為1Pa。

5 選型

真空泵在工程系統(tǒng)中有不同的用途，按用途可分為∶①主抽氣泵。②預抽氣泵。放置在主抽氣泵前，在大氣狀態(tài)下直接開始抽吸到某一壓力，然后由主抽氣泵接著繼續(xù)進行抽吸工作。③前級泵。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，串接前級泵進行排送。④維持泵。當主抽氣泵停止工作后，用來繼續(xù)抽吸維持系統(tǒng)壓力的泵。在選型中首先要了解泵的用途，然后要滿足以下需求：

1）滿足工藝真空度要求。選型時真空度要滿足工藝要求，且一般高于真空設備真空度的半個到一個數(shù)量級。例如絕對壓強要求高于3 300Pa 則優(yōu)先選水環(huán)泵；絕對壓強要求低于3300Pa，選擇旋片式或更高真空級別的泵。

2）滿足工藝抽氣量(抽氣速率) 的要求：抽氣量是真空泵在它的工作壓力下，排出氣液固的能力。

根據(jù)需要形成真空的體積和達到的時間（一般可選5～10min），一般可按以下經(jīng)驗公式[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為達到要求真空度所需時間(s)；P1為初始壓強(Pa) ；P2為要求壓強(Pa)。

6 案例

根據(jù)不同工作要求，選用不同類型的真空泵。為了使用方便和滿足各種工藝過程的需要，一般會將各種真空泵按其性能要求組合起來，以機組型式應用。

例如：某藥廠反應釜需要真空操作，介質(zhì)為含丙酮的料液，有一定的潔凈要求?？紤]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-立式無油往復泵機組。以ZJ 型羅茨泵為主泵, 以WLW 型立式無油往復泵為前級泵串連而成。無油往復泵采用無油自潤滑材料，可獲得潔凈真空?？朔藷o油往復泵在—定壓力下抽氣速率低的缺點，同時又保留羅茨泵啟動快、抽氣速率較大的優(yōu)點。

7 結(jié)論

通過真空泵種類原理特點的研究，可以更好地在工程設計中進行真空泵的選用，提高工程設計質(zhì)量。