復合材料廠房真空管道系統設計初探

趙 國 偉

(中國航空規劃建設發展有限公司，北京 100120)

復合材料廠房真空管道系統設計初探

趙 國 偉

(中國航空規劃建設發展有限公司，北京 100120)

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

復合材料廠房，真空管道，流導，真空泵

0 引言

近年來，隨著科技的發展和進步，復合材料廣泛應用于航空、航天、汽車、化工、紡織和機械制造等領域。復合材料是指由兩種或兩種以上不同性質的材料，通過物理或化學的方法，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，產生協同效應，使復合材料的綜合性能優于原組成材料而滿足各種不同的要求。真空管道系統在復合材料廠房中使用十分廣泛。

1 真空技術

隨著現代工業的發展，真空技術已廣泛應用于石油、冶金、化工、航空、航天、醫學、電子等工業及其他許多部門中，如真空冶煉、真空干燥、真空結晶、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、原子能技術及電子信息技術等各行各業。

1.1 真空

真空是指在給定的空間內低于該地區一個大氣壓的氣體狀態。它意味著：

1)該空間內單位體積中氣體分子的數目低于該地區大氣壓下的氣體分子數目；

2)氣體分子之間或氣體分子與其他質點的相互碰撞次數不那么頻繁了；

3)打到某一器壁表面上的分子數目也比較少了。

真空區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。

真空系統的真空負荷主要來源于三個方面：

1)工藝生產過程中產生的氣體量；

2)真空室及真空原件的放氣量；

3)真空系統的漏氣量。

1.2 影響真空系統正常運行的主要因素

真空系統是否能夠正常運行，主要涉及到以下幾方面內容：

1)真空泵選擇是否合理，真空系統的氣密性是否良好。選擇真空泵時，應注意所抽真空氣體的性質，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?；覊m的氣體。另外，真空泵應盡量靠近真空用戶，這樣真空管道較短，泄漏點也較少，真空度也便于保證。

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

3)應根據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缺點，選擇真空管道材料時需注意：

a.玻璃管。其優點是氣密性較好，易于清洗和去氣，且便于制成各種形狀，化學性能穩定，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，金屬管會持續放氣，氣密性難以保證。

c.橡膠管。其優點是彈性較好，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)真空管路應盡量短直，盡可能減少管路的轉彎和變徑，從而降低管路阻力損失，保證系統的真空度[1]。

2 真空系統的設計

2.1 流導的計算

設計真空系統時，首先應進行流導的計算。

對于低真空系統，單根真空管道的流導可按式(1)進行計算[2]：

(1)

其中，UB為真空管道的流導，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，單根真空管道的流導可按式(2)進行計算：

(2)

對于高真空系統，單根真空管道的流導可按式(3)進行計算：

(3)

串聯的復雜導管的總流導計算公式為：

(4)

并聯的復雜導管的總流導計算公式為：

U=U1+U2+…+Un

(5)

2.2 真空泵的選擇

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

真空系統無漏氣和放氣時(即密閉真空室或靜態真空室)，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，cm3/s。

真空系統有漏氣和放氣時(即開式真空室或靜態真空室)，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，cm3/s。

有時對真空系統有這樣的要求，即在一定的抽氣時間t內，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)，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準大氣壓下測得的，而真空泵實際工作時的壓力低于標準大氣壓，因此泵的抽氣速率會隨之下降。故而必須根據真空泵的特性曲線來選擇適當的真空泵。在低真空系統中，真空泵的有效抽氣速率一般應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應根據真空用戶的性質和泵的性能參數經技術經濟比較后確定。通常真空泵站內的備用真空泵數量不應少于一臺。

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備和相應管路組成。有些真空泵站內還設有濾塵器、消聲器、雜物捕集器等輔助設備。為保證真空系統的正常安全運行，真空泵站內還須設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置，也可以附設于動力站房(如空壓站、制冷站等)內或布置在真空用戶的建筑物內。真空泵站的位置應綜合考慮廠區總體布局、運行管理方便性等一般原則，并經過技術經濟分析后確定最終方案。

3 結語

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

[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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