各類真空泵的基本原理

一、概  述

      真空泵是用各種方法在某一封閉空間中產(chǎn)生、改善和維持真空的裝置。真空泵可以定義為：利用機械、物理、化學(xué)或物理化學(xué)的方法對被抽容器進行抽氣而獲得真空的器件或設(shè)備。隨著真空應(yīng)用的發(fā)展，真空泵的種類已發(fā)展了很多種，其抽速從每秒零點幾升到每秒幾十萬、數(shù)百萬升。極限壓力(極限真空)從粗真空到10-12Pa以上的極高真空范圍。

真空區(qū)域的劃分

 ? 粗真空 105～103 Pa

 ? 低真空 103 ～10 -1 Pa

 ? 高真空 10-1 ～ 10 -6 Pa

 ? 高真空 10-6 ～10 -10 Pa

 ? 極高真空 <10-10Pa    

1、真空泵的分類

按真空泵的工作原理，真空泵基本上可以分為兩種類型，即變?nèi)菡婵毡煤蛣恿總鬏敱谩?/span>

變?nèi)菡婵毡檬抢帽们蝗莘e的周期變化來完成吸氣和排氣以達到抽氣目的的真空泵。氣體在排出泵腔前被壓縮。  

動量傳輸泵（分子真空泵）依靠高速旋轉(zhuǎn)的葉片或高速射流，把動量傳輸給氣體或氣體分子，使氣體連續(xù)不斷地從泵的入口傳輸?shù)匠隹凇?/span>

變?nèi)菡婵毡?/span>

?  往復(fù)式

?  旋轉(zhuǎn)式（旋片式、滑閥式、液環(huán)式、羅茨式、螺旋式、爪形轉(zhuǎn)子式）

?  其它型式

2、各類真空泵工作壓力范圍

3、真空泵的規(guī)格及型號表示法

    國產(chǎn)的各種機械真空泵的型號通常是用漢語拼音字母來表示。漢語拼音字母表示泵的類型；字母前的數(shù)字表示泵的級數(shù)，單級時“1”省略；字母后邊橫線后的數(shù)字表示泵的抽速(L/S) 。

國產(chǎn)真空泵型號對照表

二、常用真空泵技術(shù)

蒸汽噴射泵

濕 式 泵（液環(huán)真空泵、旋轉(zhuǎn)葉片泵）

干式泵（羅茨泵、螺桿泵、爪式泵）

1、蒸汽噴射泵

蒸汽噴射泵原理圖

蒸汽噴射泵原理

   壓力為ρ0﹑速度為ω0的工作蒸汽流經(jīng)拉瓦爾噴嘴(見拉瓦爾噴管)﹐在噴嘴出口處射流的速度上升到超音速 ω1﹐而壓力下降為ρ1﹐因而將被抽氣體吸入﹐與高速蒸汽流碰撞﹑混合和交換能量﹑并流向擴散器。在擴散器收縮段蒸汽和被抽氣體進一步混合﹐成為均勻混合氣體。在這一過程中混合氣體的速度開始連續(xù)下降﹐而壓力連續(xù)上升﹐在擴散器喉段附近產(chǎn)生正激波?；旌蠚怏w速度由超音速急劇降為亞音速﹐而壓力則隨之急劇升高。在擴散器出口處﹐壓力上升到大氣壓力或后一級噴射器的進口壓力時﹐混合氣體即排出。

優(yōu)點：

無機械運動部件；穩(wěn)定耐用；快速的抽真空；緊湊、占地面積??；工作安全 ；低的投資成本；適應(yīng)性強；結(jié)構(gòu)簡單、重量輕。

缺點：

運動流體供應(yīng)；廢水處理；工藝過程污染；故障探尋困難；級間冷卻；常為多級；在400PaA以下結(jié)冰

2、濕式泵

液環(huán)真空泵

液環(huán)真空泵工作原理

　　在圓形泵體（A）內(nèi)，在相對于泵體中心線為偏心的軸上裝有一個葉輪（B）。轉(zhuǎn)動的葉輪的離心作用迫使工作液通過通道（D）流向腔體周邊形成環(huán)流（C）。

　　泵起作用時，被輸送的氣體混合物經(jīng)過中間板（E）上的吸入口（H）進入葉輪，在泵入口處形成真空。氣體混合物充入位于液環(huán)內(nèi)徑和葉輪葉片根部之間的葉輪腔內(nèi)。當葉輪轉(zhuǎn)動時，葉輪葉片浸沒在液環(huán)中的程度增加，而使液環(huán)和葉輪葉片根部之間的容積減少。結(jié)果是氣體混合物受到壓縮，直至到達中間板中（K）的排放口（J）。氣體混合物通過排放口排出。

　　在壓縮循環(huán)過程中，熱傳遞到液環(huán)。為了使溫度保持在工作液的蒸發(fā)點以下，必須進行冷卻。通過連續(xù)不斷地向液環(huán)添加冷的工作液來達到冷卻的目的。添加的工作液量與經(jīng)過排放口與壓縮氣體混合物一起排放的工作液排放量相等。氣體混合物和工作液最終經(jīng)過泵出口進行分離。

液環(huán)式真空泵基本類型

液環(huán)泵按不同結(jié)構(gòu)可分成如下幾種類型：

(1) 單級單作用液環(huán)泵單級是指只有一個葉輪，單作用是指葉輪每旋轉(zhuǎn)一周，吸氣、排氣各進行一次。這種泵的極限真空較高，但抽速和效率較低。

(2) 單級雙作用液環(huán)泵單級是指只有一個葉輪，雙作用是指葉輪每旋轉(zhuǎn)一周，吸氣、排氣各進行二次。在相同的抽速條件下，雙作用液環(huán)泵比單作用液環(huán)泵大大減少尺寸和重量。由于工作腔對稱分布于泵輪轂兩側(cè)，改善了作用在轉(zhuǎn)子上的載荷。此種泵的抽速較大，效率也較高。

(3) 雙級液環(huán)泵大多是單作用泵串聯(lián)而成。實質(zhì)上是兩個單級單作用的液環(huán)泵的葉輪共用一根心軸聯(lián)接而成。它的主要特點是在較高真空度下，仍然具有較大的抽速，而且工作狀況穩(wěn)定。

(4)大氣液環(huán)泵實際是大氣噴射器串聯(lián)液環(huán)泵的機組。液環(huán)泵前面串聯(lián)大氣泵是為了提高極限真空，擴大泵的使用范圍。

優(yōu)點：

結(jié)構(gòu)簡單，制造精度要求不高，容易加工。

結(jié)構(gòu)緊湊，泵的轉(zhuǎn)數(shù)較高，一般可與電動機直聯(lián)，無須減速裝置。故用小的結(jié)構(gòu)尺寸，可以獲得大的排氣量，占地面積也小。

壓縮氣體基本上是等溫的，即壓縮氣體過程溫度變化很小。

由于泵腔內(nèi)沒有金屬磨擦表面，無須對泵內(nèi)進行潤滑，而且磨損很小。轉(zhuǎn)動件和固定件之間的密封可直接由水封來完成。

吸氣均勻，工作平穩(wěn)穩(wěn)定，維修方便。

缺點：

效率低，一般在30%左右，較好的可達50%。

真空度低，這不僅是因為受到結(jié)構(gòu)上的限制，更重要的是受工作液飽和蒸氣壓的限制。用水作工作液，極限壓強只能達到2000~4000Pa。用油作工作液，可達130Pa。

封液循環(huán)、污染

旋轉(zhuǎn)式葉片泵

原理

轉(zhuǎn)子在有柱狀膛孔的定子內(nèi) 。

轉(zhuǎn)子有兩個葉片在槽中反向滑動 。

當轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)時，葉片端與油潤滑定子壁接觸。

每轉(zhuǎn)一次為兩個泵吸循環(huán) —比較小的不平衡力。

油封旋轉(zhuǎn)式葉片泵

優(yōu) 點

極限壓力好；噪聲??；應(yīng)用范圍廣

缺 點

油封液污染；對腐蝕很敏感；維修費用高；抽速范圍受到限制；不適于抽除含氧過高、有爆炸性、對泵密封油起化學(xué)作用、及含有顆粒灰塵的氣體。

濕式泵的主要問題

密封液體供應(yīng)；污染；廢水處理；腐蝕；蒸汽壓力限制（特別是液環(huán)泵）；穩(wěn)定性；運行成本。

3、干式泵

干式抽真空：

沒有工業(yè)生產(chǎn)液流的污染。

深度真空，運轉(zhuǎn)更靈活。

無廢水，（較少或）無廢棄物處理費用 。

維修成本較低。

在泵排放口立即回收溶劑。

消耗水、電、氣等費用較低 → 運行成本較低 。

技術(shù)對比

干式泵的成本

投資成本較高

較低的運行成本

延長維修服務(wù)間隔時間和軸承壽命。

在運轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，電力消耗較低。因此，在容能比（M3/hr/kW）方面節(jié)能效果更好。

無受污染的油要進行處理（除了齒輪箱以外）。

干式泵技術(shù)：泵的類型

羅茨泵、螺桿泵、爪式泵

羅茨泵

螺桿泵

螺桿泵原理

螺桿泵是利用齒輪傳動同步反向旋轉(zhuǎn)的相互嚙合而不接觸的左螺桿與右螺桿作高速轉(zhuǎn)動，利用泵殼和相互嚙合的螺旋將螺旋槽分隔成多個空間、形成多個級，氣體在相等的各個槽內(nèi)（柱形等螺距）進行傳輸運動，但無壓縮，只有螺桿最末端的螺旋結(jié)構(gòu)對氣體有壓縮作用。螺桿的各級間可形成壓力梯度，以分散壓差和提高壓縮比。各部間隙和泵轉(zhuǎn)速對泵的性能有很大影響。在設(shè)計螺桿各部的間隙時，要考慮膨脹、加工及裝配精度和工作環(huán)境（如抽除含粉塵氣體等）等。

結(jié)構(gòu)及特點

通過減速或注氣來冷卻—能力降低并減少危險

雙螺桿運轉(zhuǎn)

不銹鋼轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子嚙合匹配

懸臂軸

單級壓縮

產(chǎn)生過多的熱

有很好的液體兼容性

維護保養(yǎng)非常容易

復(fù)雜的螺桿結(jié)構(gòu)方式

爪式泵

爪式泵原理

爪 式 泵 壓 縮 比

爪式泵結(jié)構(gòu)特點

氣體壓縮比高

有效的氣體壓縮

工藝材料可以從泵中通過（良好的灰塵處理）

良好的蒸汽輸送和回收

能忍受熱負載

抽空到和擴散泵交接

直接支持工業(yè)擴散泵

三、總結(jié)

真空泵的工作壓強應(yīng)該滿足真空設(shè)備的極限真空及工作壓強要求。

正確地選擇真空泵的工作點。

真空泵在其工作壓強下，應(yīng)能排走真空設(shè)備工藝過程中產(chǎn)生的全部氣體量。

了解被抽氣體成分，氣體中含不含可凝蒸氣，有無顆粒灰塵，有無腐蝕性等。

真空設(shè)備對油污染的要求。若設(shè)備嚴格要求無油時，應(yīng)該選各種無油泵。

真空泵的價格、運轉(zhuǎn)及維修費用。

干式泵有競爭優(yōu)勢：

沒有工業(yè)生產(chǎn)液流的污染

較高的真空度和更靈活的運行

無廢水，(較少或)沒有廢水處理支出

維修保養(yǎng)成本較低

較低的水電等費用支出 →較低的總運行成本