真空讲座第8讲.doc

第八讲：真空系统设计

[简介]:  真空应用设备种类繁多，但无论何种真空应用设备都有一套排除被抽容器内气体的抽气系统，以便在真空容器内获得所需要的真空条件。举例来说：一个真空处理用的容器，用管道和阀门将它与真空泵连接起来，当真空泵对容器进行抽空时，容器上要有真空测量装置，这就构成了一个最简单的真空抽气系统(如图1)。

一、真空系统的组成
    真空应用设备种类繁多，但无论何种真空应用设备都有一套排除被抽容器内气体的抽气系统，以便在真空容器内获得所需要的真空条件。举例来说：一个真空处理用的容器，用管道和阀门将它与真空泵连接起来，当真空泵对容器进行抽空时，容器上要有真空测量装置，这就构成了一个最简单的真空抽气系统(如图1)。
    图1所示的最简单的真空系统只能在被抽容器内获得低真空范围内的真空度，当需要获得高真空范围内的真空度时，通常在图1所示的真空系统中串联一个高真空泵。当串联一个高真空泵之后，通常要在高真空泵的入口和出口分别加上阀门，以便高真空泵能单独保持真空。如果所串联的高真空泵是一个油扩散泵，为了防止大量的油蒸气返流进入被抽容器，通常在油扩散泵的入口加一个捕集器——水冷障板(如图2所示)。根据要求，还可以在管路中加上除尘器、真空继电器规头、真空软连接管道、真空泵入口放气阀等等，这样就构成了一个较完善的高真空系统。
    凡是由两个以上真空泵串联组成的真空系统，通常都把抽低真空的泵叫做它上一级高真空泵的前级泵(或称前置泵)，而最高一级的真空泵叫做该真空系统的主泵，即它是最主要的泵，被抽容器中的极限真空度和工作真空度就由主泵确定。被抽容器出口到主泵入口之间的管路称为高真空管路，主泵入口处的阀门称为主阀。
    通常前级泵又兼作予真空抽气泵。被抽容器到予抽泵之间的管路称为予真空管路，该管路上的阀门称为予真空管道阀。主泵出口到前级泵入口之间的管路称为前级管道，该管路上的阀门称为前级管道阀，而软连接管道是为了隔离前级泵的振动而设置的。
    总起来说，一个较完善的真空系统由下列元件组成：
    1．抽气设备：例如各种真空泵；
    2．真空阀门；
    3．连接管道；
    4．真空测量装置：例如真空压力表、各种规管；
    5．其它元件：例如捕集器、除尘器、真空继电器规头、储气罐等。
    那么，究竟什么是真空系统?用一句话来概括，就是：用来获得有特定要求的真空度的抽气系统。
    真空系统设计的基本内容：是根据被抽容器对真空度的要求，选择适当的真空系统设计方案，进行选、配泵计算；确定导管、阀门、捕集器、真空测量元件等，进行合理配置，最后划出真空系统装配图和零部件图。

二、真空技术基本方程
    真空系统最重要的性能参数是其所能获得的极限真空度和对容器的有效抽速。
    所说的真空系统的极限真空度是指在没有外加负荷的情况下，经过足够长时间的抽气后，系统所能达到的最低压力。
    真空系统对容器的有效抽速是指在容器出口处的压力下，单位时间内真空系统能够从被抽容器中所抽除的气体体积。真空系统对容器的有效抽速不仅取决于真空泵的抽速，也取决于真空系统管路对气体的导通性能，即所说的流导。流导的定义是：在单位压差下，流经管路的气流量的大小。用一个数学式子来表示，即是式(1)
    如果用Se来表示真空系统对容器的有效抽速，用Sp表示真空泵的抽速，C表示真空容器出口到真空泵入口之间管路的流导，则有式(2)，(2a)、(2b)、和(2c)
    方程(2)，(2a)、(2b)、和(2c)本质上是一个方程，只不过写法不同，这个方程在真空系统设计中是一个非常重要的方程，如果知道泵的抽速Sp和管路的流导C，就可以计算出系统对容器有效抽速，这个方程被称为真空技术基本方程。
    从方程(2b)可以看出：如果管路的流导C远大于泵的抽速Sp，则Sp／C的值远小于1，此时真空系统对容器的有效抽速Se≈Sp。这就是说为了充分发挥泵对容器的抽气作用，在设计真空系统管路时，应使管路的流导尽可能大一些。因此真空管路应该粗而短，切不可细而长。这是设计连接管道时的一条重要原则。相反，如果管路的流导C远小于泵的抽速Sp，则C/Sp的值远小于1，从方程(2c)可以看出，此时真空系统对容器的有效抽速Se≈C，这就是说，在这种情况下，选择多大的泵都没有用，都不能提高泵对容器的有效抽速。

三、气体流动状态的判别
    在真空状态下，气体通过管道的流动属于稀薄气体流动。在真空系统管路中的气流有五种流动状态：湍流(又称紊流、涡流)；湍-粘滞流；粘滞流(又称层流、粘性流、泊稷叶流)；粘滞-分子流；分子流(又称自由分子流、克努森流)。湍-粘滞流是湍流和粘滞流之间的过渡状态。粘滞-分子流是粘滞流和分子流之间的过渡状态。
    因为湍流仅仅发生在真空系统刚刚工作之时，持续的时间很短，发生湍-粘滞流的时间也很短，所以在真空系统的设计计算中很少考虑这两种流动状态的影响。而主要考虑粘滞流，粘滞-分子流，分子流这三种流动状态下，管道对气体的导通性能-流导。
    气体在管道中的流动状态不同，管道的流导也不一样，也就是说，管道对气体的流导不仅取决于管道的几何形状和尺寸，还与管道中流动的气体种类和温度有关，在有的流动状态下还取决于管道中气体的平均压力。所以在计算管道对气体的流导时，首先必须判明管道中的气流是哪一种流动状态?
    对于室温20℃空气、湍流、湍-粘滞流、粘滞流之间的判别式为式（３）。
    对于室温20℃空气，粘滞流、粘滞-分子流和分子流之间的判别式是（４）。

四、流导的计算
    1．流导和流几率
    (1)流导
    就一个真空系统管路元件(包括导管、阀门、捕集器等)来说，若其入口压力P1和出口压力P2不相等，即管路元件的两端存在压强差P1-P2，则元件中将有气流从高压侧流向低压侧(如图3)。
    若流经元件的气流量是Q，实验和理论都证明Q值的大小与元件两端的压强差P1-P2成正比。用数学式子来表示Q与P1-P2之间的关系，则可写成式(5)。
    该比例常数C称为流导。式(6)即是流导的定义式。它表明：在单位压差下，流经管路元件气流量的大小被称为流导。在国际单位制中，气流量Q的单位是Pa·m3／s，P1-P2的单位是Pa，所以流导的单位是m3／s。
    流导的大小说明在管路元件两端的压强差P1-P2一定的条件下流经管路元件的气流量的多少。从式(5)可见，当压差P1-P2一定时，流导C的值较大，那么流经管路元件的气流量Q的值就较大；反之流导C的值小，则流经元件的气流量Q就小。所以作为真空系统管路元件，不管是导管、还是阀门、捕集器、除尘器等，都希望它的流导值尽可能大一些，使气流能顺利地通过。因此，流导是真空系统管路元件的一个重要参数。在真空系统设计计算中，要计算管路元件以及某段真空系统管路的流导。
    (2)流导几率
    流导几率也称为传输几率，其物理意义是气体分子从元件的入口入射进入元件能从管路元件的出口逸出的概率。在分子流状态下，利用流导几率来表征真空系统管路元件对气体的导通性能更直观，更本质。用pr来表示流导几率，则流导几率的定义式为式(7)。
    从式(8)可以看出，管路元件的流导C等于该元件入口孔的流导Cfk和其流导几率Pr的乘积。通常，管路元件入口孔的流导Cfk是很容易求得的，如果知道了元件的流导几率Pr，则利用式(8)可以很容易地计算出元件的流导。
    2．流导的计算
    在真空系统中，连接管道通常采用的是圆截面管道，被抽气体又多为室温下的空气，因此这里只简要介绍圆孔和圆截面管道对室温空气的流导。
    (1)粘滞流时流导的计算
    ①薄壁孔
    粘滞流时气体流经薄壁孔，如图4所示，当P1＞P2时，气体从I空间流向II空间。试验发现：当P1不变时，随P2下降，通过孔口的流速和流量都增加，但当P2下降到某一值时，它们都不再随P2下降而增加。
    对于室温空气，面积为Am2的薄壁孔的流导为式(9)。
    对于室温空气，圆形薄壁孔的流导为式(10)。
    ②不考虑管口影响时，圆管的流导
    通常，气体从一个大容积进入管道的入口孔时，孔口对气流存在影响，但当管道的长度比较长，管口对气流的影响则可以忽略，即可以不考虑管口对气流的影响。在工程计算中，通常把管道的轴线长度L与管道直径D的比值L／D≥20的管道视为“长管”，其实质是可以不考虑管口的影响进行计算。设圆管的轴线长度为Lm，直径为Dm，则其粘滞流条件下对于室温空气的流导为式(11)。
    ③考虑管口影响时，圆管的流导
    在粘滞流条件下，气流从大容积进入管口，在管口处受到影响，这种影响破坏了粘滞流的应有秩序，使管道的流导减小，这种影响常称为管口效应。当管道的长度不太长时，管口效应的影响在进行计算中不能忽略。在工程计算中，一般认为管道的长径比L／D＜20都属于这种情况，这就是所说的“短管”。
    对于室温空气，考虑管口影响时，管道的流导用式(12)计算。
    (2)分子流时流导的计算
    ①薄壁孔
    分子流时，对于室温空气，面积为Am2的薄壁孔的流导用式(13)计算。
    ②不考虑管口影响时。圆管的流导
    不考虑管口影响时，在分子流条件下，任意截面形状管道的流道计算式可由克努森流导积分公式(15)导出。
    由式(15)导出的圆管的流导为式(16)。
    ③不考虑管口影响时，圆锥形管的流导
    对于图5所示的截圆锥形管道，其分子流流导的计算式为式(17)。
    ④考虑管口影响时，圆管的流导
    设圆管的长度为L，半径为R，直径为D=2R。在分子流条件下，考虑管口影响时，圆管的流导几率pr如式(18)。
    因此，当考虑管口影响时，圆管对于室温空气的流导计算式为式(19)。
    ⑤真空阀门的分子流流导
    对于真空阀门的分子流流导计算可用式(45)。
    ⑥常用水冷障板的流导
    水冷障板的分子流流导的计算可用两种方法。一种是利用“比流导”的数值进行计算，“比流导”指的是捕集器入口单位面积上的流导，利用“比流导”数据进行计算可用式(20)。
    若捕集器不是用水冷却，而是用其它冷剂，则式(20)要引入一个温度影响系数l，式(21)。
    若冷凝剂用的是干冰(固体CO2)，取l=1.2；若是液氮，则取l=1.7。第二种方法是用流导几率进行计算，对于很多种结构形式的捕集器，其流导几率值已有资料给出，因而利用式(8)可方便地进行计算。
    (3)粘滞-分子流时，圆管对于室温空气的流导计算式是式(21)。
    在式(21)和(22)中，函数J的数值见表1。
    (4)管路元件串、并联时，流导的计算
    组成真空系统的管路各式各样，各系统管路元件之间的关系，有的是串联，有的又属于并联。
    ①串联管路的流导
    图6所示的一段管路，是导管、阀门、捕集器三个元件串联。若C1、C2、C3分别是这三个元件的流导，则它们串联之后的整段管路的流导为式(23)。
    如果是n个管道元件串联，则串联后整个管路的流导为式(24)。
    可见管路元件串联之后，整个管路的流导等于各元件流导的倒数的代数和的倒数。
    ②并联管路的流导
    图7所示的整段管路是三条导管的并联，若C1、C2、C3分别是这三条导管的流导，则并联后组成的整段管路的流导C为式(25)。
    如果有n条管路并联组成一段管路，则并联之后整段管路的流导为式(26)。
    可见并联管路的流导等于各并联元件流导的代数和。

五、抽气时间的计算
    1．真空系统的抽气方程
    真空系统的任务就是抽除被抽容器中的各种气体。我们可以把被抽容器中所产生的各种气体的流量称为真空系统的气体负荷。那么真空系统的气体负荷究竟来自哪些方面呢?或者说真空室内究竟有哪些气源呢?总起来说，可以归纳为下述几个方面：
    (1)被抽容器内原有的空间大气，若容器的容积为Vm3，抽气初始压强为PoPa，则容器内原有的大气量为VP0Pa·m3；
    (2)被抽容器内一旦被抽空，暴露于真空下的各种材料构件的表面就将把原来在大气压下所吸收和吸附的气体解析出来，这部分气体来源我们称之为放气，单位时间内的放气流量可以用QfPa·m3／s来示；
    实验表明，材料表面单位时间内单位表面积的放气率q可以用式(27)的经验公式来计算。
    真空室内暴露于真空下的构件表面，可能有多种材料。所以总的表面放气流量Qf为式(49)。
(3)大气通过容器壁结构材料向真空室内渗透的气体流量，以QsPa·m3／s表示。渗透的气流量即是大气通过容器壁结构材料扩散到容器中的气体流量。气体的这种渗透是有选择性的，例如：氢只有分离为原子才能透过钯、铁、镍和铝；氢对钢的渗透将随钢中含碳量的增加而增加。氦分子能透过玻璃。氢、氮、氧和氩、氖、氦能透过透明的石英。一切气体都能透过有机聚合物，如橡胶、塑料等。但是所有的隋性气体都不能透过金属。除了有选择性之外，渗透气流量Qs还与温度、气体的分压强有关。在材料种类、温度和气体分压强确定时，渗透气流量Qs是个微小的定值。
    (4)液体或固体蒸发的气体流量QZPa·m3／s。空气中水分或工艺中的液体在真空状态下蒸发出来，这是在低真空范围内常常发生的现象。在高真空条件下，特别是在高温装置中，固体和液体都有一定的饱和蒸气压。当温度一定时，材料的饱和蒸气压是一定的，因而蒸发的气流量也是个常量。
    (5)大气通过各种真空密封的连接处，通过各种漏隙通道泄漏进入真空室的漏气流量QLPa·m3／s。对于确定的真空装置，漏气流量QL是个常数。漏气流量通常可通过所说的压升率，即单位时间内容器中的压强增长率Px来计算式(28)。
    当真空泵启动之后，真空系统即对被抽容器抽气。此时，真空系统对容器的有效抽速若以Se表示，容器中的压力以P表示，则单位时间内系统所排出的气体流量即是SeP。容器中的压强变化率为dP/dt，容器内的气体减少量即是V dP/dt。根据动态平衡，可列出如下方程(29)。
    这个方程称为真空系统抽气方程。式中V是被抽容器的容积，由于随着抽气时间t的增长，容器内的压力P降低，所以容器内的压强变化率dP/dt是个负值。因而V dP/dt是个负值，这表示容器内的气体减少量。放气流量Qf，渗透气流量Qs，蒸发的气流量Qz和漏气流量QL都是使容器内气体量增多的气流量。SeP则是真空系统将容器内气体抽出的气流量，所以方程中记为一SeP。
    对于一个设计、加工制造良好的真空系统，抽气方程(29)中的放气Qf渗气Qs、漏气QL和蒸气Qz的气流量都是微小的。因此抽气初期(粗真空和低真空阶段)真空系统的气体负荷主要是容器内原有的空间大气。随着容器中压强的降低，原有的大气迅速减少，当抽空至1～10-1Pa时，容器中残存的气体主要是漏放气，而且主要的气体成分是水蒸汽。如果用油封式机械泵抽气，则试验表明，在几十～几Pa时，还将出现泵油大量返流的现象。
    2．低真空抽气时间的计算
    从大气压开始到0.5Pa范围的抽气，我们统称为低真空抽气阶段。这一阶段的抽气通常用油封式机械真空泵或分子筛吸附泵来完成。一般来说，油封机械泵的特性是在大气压到102Pa时抽速近似为常数，在102～O.5Pa时抽速变化较大，而对于吸附泵，5A分子筛在室温下由大气压到O.5Pa时对氮气的吸附速率近于常数；在液氮温度下，由大气压到1Pa时，对氮气的吸附量近似于常数。因此，对于低真空阶段抽气可分为近似常抽速和变抽速两种情况来分别考虑。
    (1)近似常抽速时，抽气时间的计算
    油封机械泵在大气压到102Pa范围内抽速近似为常抽速。在这一阶段抽气过程中，系统内的压强较高，排气量较大，即使系统内有些微小的漏气和放气，影响也不大，可以忽略漏气、放气、蒸发和渗透的气流量。忽略这些微小的气流量之后，抽气方程(29)变为(30)。
    ①不考虑管道影响和漏放气时抽气时间的计算
    通常，被抽容器的出口到真空泵入口之间有连接管路。连接管路的影响是使得系统对真空容器的有效抽速Se低于真空泵的抽速Sp这说明管路对于气体流动具有阻力，这种影响从真空技术基本方程(2a)即可看出。
    我们先从最简单的情况来研究，假定真空泵的入口直接连到容器出口上进行抽空，如图8所示，此时没有连接管路或是连接管路很短，其影响可以忽略不计。微小的漏、放气流量等也忽略不计，则求解抽气方程(31)。
    由式(32)可得出容器内压强P随抽空时间t的变化关系式(33)。
    式中各符号的意义同式(32)，式(32)是抽气时间计算的最基本的公式。
    ②不考虑管道影响而考虑漏放气时抽气时间的计算
    对于任何一个被抽容器不可能没有漏气和放气，当被抽容器内的压强较低，真空系统的排气流量不是很大时，就必须考虑漏、放气等气流量对抽气过程的影响，此时抽气时间的计算式为(34)。
    ③考虑管道影响和漏放气时，抽气时间的计算
    实际上真空泵对容器的抽气都是通过连接管路进行的。由于管路的影响，泵对容器的有效抽速降低了，延长了抽气时间。因此在这种情况下需要考虑管道的影响。此时抽气时间的计算式为(35)。
    真空泵对容器的有效抽速s可以利用真空技术基本方程(2)求出。计算时需先求出真空泵入口到容器出口之间连接管路的流导C，而流导C又与气流状态有关，所以要根据不同的气体流动状态,选择适宜的流导计算公式计算连接管路的流导C。计算出连接管路的流导C，由泵的实际抽速Sp，即可通过真空技术基本方程(2)求出泵对容器的有效抽速Se。再利用式(35)即可求出对于容积为Vm3的容器，从压强P0降低到P的抽气时间t。
    (2)变抽速时抽气时间的计算
    大多数真空泵的抽速都随其入口压强的变化而变化，尤其是机械真空泵，当其入口压强低于10Pa时，泵的抽速随其入口压强的变化更为显著。图9是某些真空泵的抽速特性曲线示意图。
    ①分段计算法
    在一般情况下，计算变抽速时的抽气时间需要首先知道泵的抽速与其入口压强的关系。如图10所示。假定需要求容器内的压力由P0降低到P的抽气时间，则可以将P0到P这个压强区段分成n段。段效愈多，计算的抽气时间愈接近变抽速的实际。设相应每段的抽气时间为t1，t2…ti…tn取每段的平均抽蘧为s1，S2，…Si…Sn，用相应的公式(36)进行各个压力区段的抽气时间计算，然后求其代数和即得总的抽气时间t。
    ②经验系数计算法
    油封机械真空泵的实际抽速S随其入口压强的降低而降低。研究其抽速特性曲线发现，其实际抽速S与其名义抽速Sp的近似关系是(46)。式中系数K在不同压力区间的取值如表2。
    因此抽气时间的计算可用式(37)。
    应用该式计算抽气时间时，实际上相当于把从大气压到1Pa的抽气时间计算分成为五个区强区段，对应每一个压强区段，根据表2所给出的K值分别计算各压强区段的抽气时间，然后将五个压强区段的抽气时间相加即得从大气压到1Pa的总的抽气时间。

六、真空系统的设计
    在图2所示的真空系统中，主泵决定了被抽容器的极限真空度和工作真空度，而前级泵则在主泵出口处造成始终低于主泵的临界前级压力的真空度，保证主泵能正常工作。而所说的预抽泵是为了使被抽容器能从大气压力很快地抽空到主泵能够开启工作的压力。对一个真空系统来说，往往把系统的前级泵同时兼作预抽泵使用。我们这里所说的选泵是指选择主泵而言，而配泵是指为主泵选配合适的前级泵或预抽泵。
    1．选主泵
    选主泵要考虑两个方面，一是选择主泵的类型，二是确定主泵抽速的大小。
    (1)主泵类型的确定
    确定主泵类型的依据是：
    ①根据被抽容器所要求达到的极限真空度和工作真空度。一般选取主泵的极限真空度稍高于被抽容器所要求的极限真空度(如高半个数量级)。每一种泵都有其最佳工作压强范围，应保证将被抽容器的工作真空度选在主泵的最佳抽速压强范围内。各种真空泵的工作压强范围见图1l。
    ②根据被抽气体的种类，每种气体所占的比例以及气体中所夹杂的灰尘情况。为此，应当对各种真空泵的性能及使用特点进行了解。例如：油封式机械真空泵能够直接向大气中排气，即可以单独抽空，又可以作为某些泵的前级泵。在无气镇装置的情况下，该泵只适用于抽除干燥气体、当带有气镇装置时，也可以抽除含有少量水蒸气的气体，不适合抽除有爆炸性的气体，对金属有腐蚀性的气体，以及含有颗粒灰尘的气体。再如油增压泵和油扩散泵，它们都属于油蒸汽流泵。这两种泵对摩尔质量较小的气体(如氢气)抽气能力大，被抽气体中含有少量灰尘和水蒸汽也影响不大。但它们不能将气体直接排到大气中去，必须有前级泵，而且工作前必须有一个预真空环境。这两种泵作为主泵的系统，都会有一定数量的泵油蒸气返流到被抽容器中。
    ③根据初次投资和日常运转维护费用
    当两种类型以上的泵都适合选用时，则要根据经济指标来确定主泵。在比较经济指标时，要从整套真空系统来考虑。如图12是油扩散泵、油增压泵、罗茨泵系统单位抽气速率(L／s)的价格与入口压强间的关系曲线。图13是单位抽气速率(L／s)的输入功率与入口压强的关系曲线。由两个图中的曲线可见，在1.33×10-1～13.3Pa的压强范围内，以油增压泵为主泵的真空系统比较经济，所需要的功率小。在压强低于1.33×104Pa的范围内，油扩散泵抽气系统比较经济。在压强高于13.3Pa的范围内，罗茨泵抽气系统比较经济。所以在选泵过程中应立足于即适用又经济。
    (2)主泵抽速大小的确定
    主泵的类型选定之后，接下来就是要具体地确定主泵抽速的大小规格。主泵抽速大小的确定主要根据被抽容器的工作真空度和其最大排气流量，以及被抽容器的容积和所要求的抽气时间。
    ①真空室内排气流量的计算
    在正常的工艺过程中，真空室内所产生的气流量应当由主泵及时抽走，以保证真空室内的压强符合工作真空度的要求。工艺过程中的气流量可用式(38)计算。
    以上各量在不同的真空应用设备中不一定都存在，这要根据不同情况具体考虑。
    a．Qg的计算
    就真空熔炼来说，被熔炼材料工艺过程中的放气流量Qg的计算是以实验数据为基础进行的。当给出材料单位质量含气量在标准状态下的体积时可用式(39)计算。
    当给出材料在熔炼或处理前后化学成分的变化时用式(40)计算。
    b．Qn的计算
    某些真空设备的真空室内要求加热到较高的温度。真空室内必须使用耐火保温材料，如碳毡、碳布、硅酸铝纤维等材料，其放气量的计算如式(41)。
    c．Qf的计算
    暴露于真空下各种构件材料表面的放气流量用式(42)计算。
    在利用式(38)计算真空室内的总排气流量时，对于某一种确定的真空设备，要根据具体情况而定，如有的设备没有用耐火保温材料，则不必计算Qn这一项。有些材料的放气量实验数据无处可查，则可以采用与其相类似材料的放气量数据作为代替。
    漏气流量Qt的计算用式(28)。
    ②被抽容器所要求的有效抽速的计算
    设被抽容器内的最大排气流量为Q Pa·m3／S，所要求的工作真空度为PgPa，则被抽容器所要求的有效抽速Sey为式(43)。
    ③粗算主泵的抽速S
    由于在选定主泵之前，真空室出口到主泵入口之间的管路没有确定，因而这段管路的流导C是未知数。根据式(2)无法计算主泵的抽速S。通常按经验公式(44)粗算主泵的抽速。
    ④验算主泵的抽速
    根据粗选出的主泵的入口尺寸。选择确定主阀、捕集器和连接管道，划出主泵入口至真空室出口之间管路草图。利用流导计算公式计算出被抽容器出口到主泵入口之间高真空管路的流导C，再按式(2a)计算粗选主泵对真空室出口的有效抽速Se，若Se大于或等于被抽容器所要求的有效抽速Sey则认为粗选的主泵的大小合乎要求，否则应重新粗选主泵，再进行验算，直至合乎要求为止。
    2．配泵
    主泵选定之后，重要的问题是如何选配合适的前级泵和预抽泵。通常前级泵直接影响主泵的抽气性能，影响真空系统的抽气时间和经济效益。配前级泵时应遵循如下几点规定：
    (1)前级泵应保证能及时排出主泵所排出的气体流量。
    (2)前级泵在主泵(如扩散泵、油增压泵，分子泵和罗茨泵)出口处造成的压强应低于主泵的最大排气压强。
    (3)兼作预抽泵的前级泵应满足预抽时间的要求。
    当选用油蒸气流泵作为主泵时，配前级泵的方法可以按经验标准所推荐的前级泵的大小来确定，见表4。
    所配前级泵确定之后，即可按前级泵的入口尺寸选择前级管道阀和预抽管道阀，确定备部分连接管道的尺寸。根据以上的确定，可绘制出真空系统设计图。
    分子泵作为主泵时，其抽气能力与前级泵的抽气能力有密切关系。分子泵的前级侧需要保持分子流状态，它才能稳定工作。为了保证分子泵前级侧处于分子流状态，通常按式(47)选取前级泵的抽速。
    罗茨泵作为主泵时，由于罗茨泵的转子与转子、转子与定子之间的间隙较大，所以它对气体的压缩比较小，一般其前缀泵要大些。通常可用油封机械泵或水环泵作为罗茨泵的前级泵，前级泵的抽速可根据经验公式(48)选取。
    3．储气罐和维持泵
    由于扩散泵和油增压泵起动时间长，在周期性操作的设备中，当装料和卸料的时候，为了缩短工作周期而不切断扩散泵和油增压泵的电源，将高真空阀和前级管道阀关闭，使主泵处于正常工作状态。由于阀门等总会有极少量的漏气和表面放气，经过一段时间主泵出口压强增加，若超过主泵的最大排气压强而返流到泵中，则会使油蒸气氧化。为了解决这个问题，一个办法是用前级泵继续抽除主泵排出的气体，但此时主泵内排出的气体量很小，出现前级泵大马拉小车的现象。浪费许多能源。为此可采用另一种办法，停止前级泵工作，关闭前级管道阀门，在主泵出口处设置维持泵或储气罐，这就可以保证即能排出主泵内的气体，又可以节省能源消耗。储气罐不能作得很大，它只能用在以扩散泵为主泵的小型系统上，而维持泵可用在大型主泵的系统上。储气罐的另一个作用是某些较小应用设备，在其工艺过程中不允许有振动，即在工艺进行时必须停止前级泵的工作，这时要用储气罐来储存在工艺过程中主泵所排出的气体，以保证工艺过程中被处理工件的质量。
    用于防振目的而设置储气罐的容积的计算是根据在机械泵停止工作这段时间里，扩散泵从真空室中排出的气体全部排到储气罐中，引起罐中压强增高不超过扩散泵出口的最大排气压强来计算的。
    用于节能和缩短工作周期为目的的储气罐的容积，其计算办法基于如下考虑：当前级泵停止工作时，而扩散泵仍处于正常工作状态，这时扩散泵将气体排到储气罐中。此时气体来源是扩散泵入口上的高真空阀门到扩散泵出口的前级管道阀之区间的漏气流量和这一区间的表面放气流量，这些气流量引起扩散泵出口压强增高，但不能超过扩散泵的最大排气压强。
    使用维持泵的目的是节能，它设置在油蒸气流泵的出口处，一般与前级机械泵并联。通常维持泵与前级泵是同一类型的泵。经验表明，维持泵的抽速大小可以是前级泵抽速的十分之一。可见使用维持泵即能大量节约能源，又能减小环境噪音。
 4．真空系统设计中应该注意的问题
    (1)真空元件，如阀门、捕集器、除尘器和真空泵等相互联接时，应尽量作到抽气管路短，管道流导大，导管直径一般不小于泵口直径，这是系统设计的一条重要原则。但同时要考虑到安装和检修方便。有时为了防振和减少噪音，允许机械泵设置在靠近真空室的泵房内。
    (2)机械泵(包括罗茨泵)有振动，要防止振动波及整个系统，通常用软管减振。软管有金属和非金属的两种，不论采用那种软管要保证在大气压力作用下不被压瘪。
    (3)真空系统建成后，应便于测量和检漏。生产实际告诉我们，真空系统在工作过程中，经常容易出现漏气而影响生产。为了迅速找到漏孔，要进行分段检漏，因此每一个用阀门封闭的区间，至少要有一个测量点，以便测量和检漏。
    (4)真空系统中配置的阀门和管道，应使系统抽气时间短，使用方便，安全可靠。一般在有一个蒸气流泵作为主泵(扩散泵或油增压泵)；和一个机械泵作为前级泵的系统上，除了有前级管道(蒸气流泵串联机械泵的管道)外，还应有一个预真空管道(真空室直通机械泵的管道)。其次是在真空室和主泵之间设有高真空阀门(也称主阀)，在前级管道上设有前级管道阀(也叫低真空阀)；在预真空管道上设置预真空管道阀(称低真空阀)。主泵上的高真空阀门，通常不能在阀盖下为真空状态，而阀盖上为大气压状态下开阀，这要通过电气联锁保证安全。前级管道阀和预真空管道阀要考虑到阀本身能在大气压下开阀。以蒸气流泵为主泵的真空系统，主阀要盖向主泵，前级管道阀也要盖向主泵，预真空管道阀盖向真空室。在机械泵入口管道上，应设一个放气阀门。当机械泵停止工作时，能立即打开此阀，使机械泵入口通入大气，防止机械泵油返流到管路中，因此该阀要和机械泵电气联锁。真空室上也要设置放气阀门，给装料和取料时用。该阀设置的位置要考虑到放气时，气体冲力较大，防止因冲力过大而破坏真空室内的薄弱构件。放气阀的大小与真空室的体积有关，要考虑放气时间不能太长，影响工作。
    (5)真空系统的设计应保证排气稳定可靠，安装拆卸维修容易，操作方便，各元件间的连接有互换性。为了达到工作中排气稳定，要求主泵性能稳定，各阀门运转灵活，密封可靠，系统中各元件的接头不漏气，真空室密封性能好，备真空元件连接采用标准尺寸，保证有互换性。在真空系统设计中，原则上讲，每一个封闭管路尺寸应有一个可调尺寸。这个可调尺寸在过去设计中，都采用软管来解决，现在设计系统时，多数不采用软管。而采用提高真空元件加工尺寸精度和利用连接法兰上的密封橡胶圈来解决安装误差，这样可以提高系统强度和刚度，减少用于系统上的支架，更加美观。
    (6)真空系统设计中要采用新技术，做到自动控制和联锁保护。随着真空技术的发展，要求在整个抽气过程中能够进行自动操作，如采用真空继电器控制罗茨泵在1333Pa压强下启动工作。采用水压继电器控制蒸气流泵的水压在某一个压力上，当水压不足或断水时，能够立即断电并发出警报。防止泵被烧坏。对于复杂真空系统和工艺过程及参数要求严格的设备应采用微机程序控制，更加安全可靠。
    (7)真空系统设计中要求做到节省能源，降低成本，使用方便可靠。做到这一点有很大的经济意义，它可使所设计的真空应用设备有广泛的市场销路。

    5．真空系统的典型形式
    真空应用是非常广泛的，因而用于各种不同工艺过程的真空系统，其种类十分繁多。但最能说明真空系统抽气过程的是静态系统和动态系统两个概念。
    动态真空系统是系统中有气体流动。系统中各处压强不等，系统的各截面有压强降落。凡是真空室或系统某处有放气或漏气的真空系统均属此类。静态真空系统是指系统中没有气体流动，系统内各部分的压强相等．而且长时间不变化。凡是真空室或管道内没有放气或漏气的系统均属静态真空系统。实际上，绝对的没有放气和漏气的情况是不存在的。但是在漏气和放气流量都非常小的情况下，系统中几乎没有气流就可以认为是静态真空系统。
    可以从不同的角度对真空系统进行分类，例如：
    按真空系统工作真空度的高低可分为低真空系统、中真空系统、高真空系统和超高真空系统。
    按真空系统工作的清洁程度可分为有油真空系统(真空室有油蒸气污染的)和无油真空系统(真空室无油蒸气污染的)。
    按真空系统的结构材料可分为玻璃真空系统(除了机械真空泵以外全由玻璃制成)和金属真空系统。
    在实际应用中，人们往往把上述不同的分类加以综合，称为“大型动态金属高真空系统”、“无油超高真空系统”、“玻璃高真空系统”等等。
    下面介绍一些典型的真空系统型式。
    (1)低真空系统
    这种真空系统的极限真空度在低真空范围内，低于1．33×lO-1Pa，只用机械泵给真空室排气，系统比较简单。
    (2)中真空系统
    这种系统应用比较普遍，许多应用设备都采用该种系统。如自耗炉真空系统，感应炉真空系统和一些热处理炉的真空系统等。中真空系统一般是由两个以上的泵串联组成的。下面介绍几种系统：
    ①油增压泵(主泵)串联机械泵(前级泵)的真空系统。该系统的工作压强范围为1.33～1.33×10-1pa。其优点是抽气能力大，系统简单，振动小，工作稳定可靠，维修方便，成本低。缺点是预抽时间长(同罗茨泵系统比较)，因为在1.33～133.3Pa压强范围内，油增压泵和机械泵抽速部下降；工作中需要较贵重的增压泵油。
    ②罗茨泵串联机械泵的真空系统。该系统的工作压强范围为1.33～1333Pa。不但抽气能力大，而且起动快。预抽气时间短，因为在1.33～101325Pa压强范围内。机械泵和罗茨泵最大抽速能很好连接上，缺点是工作时有振动，且噪音大；工作中随时间增加，罗茨泵性能下降。图14就是这种系统，它是用在真空离子渗碳和真空淬火热处理工艺中的系统。这里除罗茨泵系统之处，又并联一个小机械囊。它在离子渗碳时开动，并同时停止罗茨泵系统，可节省能量。
    ③罗茨泵串联小型罗茨泵(中间泵)，再串联机械泵的真空系统，其工作压强范围为O.133～1333Pa。不但工作压强范围大，而且工作真空度高，同时具备了罗茨泵系统的特点。中间串联的小型罗茨泵减小了主罗茨泵对前级机械泵的依赖性，因为压缩比减小，加宽了工作压强范围和提高了极限真空度。
    ④以油增压泵和罗茨泵为主泵，两个泵出口串联罗茨泵．再串联机械泵的真空系统，其工作压强范围为O.133～1333Pa。该系统具有罗茨泵系统和油增压泵系统的双重特点，如图15所示，被称为真空自耗炉的典型系统，对于熔炼钛合金具有突出优点。
    ⑤除了上述几种之外，还有油增压泵串联罗茨泵，再串联机械泵的真空系统。还有罗茨泵串联水环泵的真空系统，它适合于排出灰尘较多的应用设备上。
    (3)高真空系统
    这种系统应用也比较广泛。它的工作压强范围在6.67×10-2～1.33×10-3Pa。如镀膜机、电子轰击炉和部分电阻炉等都采用高真空系统。
    ①扩散泵串联机械泵的真空系统。该系统一般用在工作时放气量较小的应用设备上。系统结构简单，工作可靠。成本低。缺点是系统起动慢，预抽气时间长。扩散泵油蒸气容易返流到真空室中去。
    ②扩散泵串联油增压泵，再串联机械泵的真空系统，该系统起动慢。由于有中间油增压泵存在，故预抽气时间短些。
    ③扩散泵串联罗茨泵，再串联机械泵的真空系统，它起动慢，但预抽气时间短(因为中间有罗茨泵)。图16是由三个泵串联组成的高真空系统。
    (4)超高真空系统
    由于原子能工业和火箭技术的发展，超高真空技术也得到迅速发展和应用。其系统有如下几种。
    ①用扩散泵和钛泵并联为主泵，扩散泵单独串联前级机械泵的真空系统。图17所示，称为钠灯超高真空封接炉的系统。可以达到极限真空度为1.33×10-6Pa。
    ②由扩散泵串联扩散泵(中间泵)，再串联机械泵的真空系统。如图18，是一个超高真空系统和设备的结构图。主泵是一个水银扩散泵，泵顶有冷却挡板和液氮冷阱，中间泵也是水银扩散泵。在中间泵和前级机械泵之间设有油蒸气捕集器。并设有各种单独的加热器，烘烤真空室和主泵顶部及捕集器。该系统的特点是能获得超