復(fù)合材料廠房真空管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)初探

趙 國(guó) 偉

(中國(guó)航空規(guī)劃建設(shè)發(fā)展有限公司，北京 100120)

復(fù)合材料廠房真空管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)初探

趙 國(guó) 偉

(中國(guó)航空規(guī)劃建設(shè)發(fā)展有限公司，北京 100120)

主要介紹了復(fù)合材料廠房的真空管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，詳細(xì)闡述了真空管道流導(dǎo)的計(jì)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(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中需注意的問(wèn)題進(jìn)行了分析，對(duì)復(fù)合材料廠房的真空管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有積極意義。

復(fù)合材料廠房，真空管道，流導(dǎo)，真空泵

0 引言

近年來(lái)，隨著科技的發(fā)展和進(jìn)步，復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車(chē)、化工、紡織和機(jī)械制造等領(lǐng)域。復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過(guò)物理或化學(xué)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(zhǎng)補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。真空管道系統(tǒng)在復(fù)合材料廠房中使用十分廣泛。

1 真空技術(shù)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，真空技術(shù)已廣泛應(yīng)用于石油、冶金、化工、航空、航天、醫(yī)學(xué)、電子等工業(yè)及其他許多部門(mén)中，如真空冶煉、真空干燥、真空結(jié)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(shù)及電子信息技術(shù)等各行各業(yè)。

1.1 真空

真空是指在給定的空間內(nèi)低于該地區(qū)一個(gè)大氣壓的氣體狀態(tài)。它意味著：

1)該空間內(nèi)單位體積中氣體分子的數(shù)目低于該地區(qū)大氣壓下的氣體分子數(shù)目；

2)氣體分子之間或氣體分子與其他質(zhì)點(diǎn)的相互碰撞次數(shù)不那么頻繁了；

3)打到某一器壁表面上的分子數(shù)目也比較少了。

真空區(qū)域一般按壓力高低進(jìn)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(tǒng)的真空負(fù)荷主要來(lái)源于三個(gè)方面：

1)工藝生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的氣體量；

2)真空室及真空原件的放氣量；

3)真空系統(tǒng)的漏氣量。

1.2 影響真空系統(tǒng)正常運(yùn)行的主要因素

真空系統(tǒng)是否能夠正常運(yùn)行，主要涉及到以下幾方面內(nèi)容：

1)真空泵選擇是否合理，真空系統(tǒng)的氣密性是否良好。選擇真空泵時(shí)，應(yīng)注意所抽真空氣體的性質(zhì)，有些真空泵不宜用于抽除含氧量過(guò)高、有爆炸性和腐蝕性以及含有顆粒灰塵的氣體。另外，真空泵應(yīng)盡量靠近真空用戶(hù)，這樣真空管道較短，泄漏點(diǎn)也較少，真空度也便于保證。

2)真空系統(tǒng)中除各種必要的附件外，應(yīng)盡量減少其他附件，因?yàn)槊恳粋€(gè)附件都是一個(gè)泄漏點(diǎn)，都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的阻力。

3)應(yīng)根據(jù)不同場(chǎng)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(lèi)型，每種管道都有各自不同的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇真空管道材料時(shí)需注意：

a.玻璃管。其優(yōu)點(diǎn)是氣密性較好，易于清洗和去氣，且便于制成各種形狀，化學(xué)性能穩(wěn)定，不易生銹和腐蝕，透明度高，絕緣性能好，可以通過(guò)火花檢漏器進(jìn)行檢漏。缺點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度較差，不能制成直徑較大的管道。

b.金屬管。選用金屬管時(shí)，一般采用無(wú)氣孔和裂縫的無(wú)縫鋼管。其優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度高，不易損壞。缺點(diǎn)是在真空度較高時(shí)，金屬管會(huì)持續(xù)放氣，氣密性難以保證。

c.橡膠管。其優(yōu)點(diǎn)是彈性較好，可以隨意彎折，缺點(diǎn)是連接處易泄漏。

4)真空閥門(mén)的選用。

5)真空計(jì)的選用。常用的真空計(jì)有彈性真空壓力表、U型真空計(jì)等。

6)真空管路應(yīng)盡量短直，盡可能減少管路的轉(zhuǎn)彎和變徑，從而降低管路阻力損失，保證系統(tǒng)的真空度[1]。

2 真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 流導(dǎo)的計(jì)算

設(shè)計(jì)真空系統(tǒng)時(shí)，首先應(yīng)進(jìn)行流導(dǎo)的計(jì)算。

對(duì)于低真空系統(tǒng)，單根真空管道的流導(dǎo)可按式(1)進(jìn)行計(jì)算[2]：

(1)

其中，UB為真空管道的流導(dǎo)，cm3/s；d為真空管道的直徑，cm；l為真空管道的長(zhǎng)度，cm；p1,p2分別為真空管道的進(jìn)口端與出口端的壓力，Torr。

對(duì)于中真空系統(tǒng)，單根真空管道的流導(dǎo)可按式(2)進(jìn)行計(jì)算：

(2)

對(duì)于高真空系統(tǒng)，單根真空管道的流導(dǎo)可按式(3)進(jìn)行計(jì)算：

(3)

串聯(lián)的復(fù)雜導(dǎo)管的總流導(dǎo)計(jì)算公式為：

(4)

并聯(lián)的復(fù)雜導(dǎo)管的總流導(dǎo)計(jì)算公式為：

U=U1+U2+…+Un

(5)

2.2 真空泵的選擇

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

真空系統(tǒng)無(wú)漏氣和放氣時(shí)(即密閉真空室或靜態(tài)真空室)，所需的真空泵抽氣速率可按式(6)計(jì)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(hù)要求達(dá)到的真空壓力)下的抽氣速率，cm3/s；U為真空管道的總流導(dǎo)，cm3/s。

真空系統(tǒng)有漏氣和放氣時(shí)(即開(kāi)式真空室或靜態(tài)真空室)，所需的真空泵抽氣速率可按式(7)計(jì)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(shí)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(dǎo)，cm3/s。

有時(shí)對(duì)真空系統(tǒng)有這樣的要求，即在一定的抽氣時(shí)間t內(nèi)，壓力從p1降至p2，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，可假定U?SH(采用短而粗的真空管道來(lái)實(shí)現(xiàn))，則:

(8)

其中，t為抽氣時(shí)間，s；V為真空室的容積，cm3；SH為真空泵在p1與p2范圍內(nèi)的平均抽氣速率，cm3/s；p1為真空室在抽氣開(kāi)始時(shí)的壓力，Pa；p2為真空室在抽氣終了時(shí)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(biāo)準(zhǔn)大氣壓下測(cè)得的，而真空泵實(shí)際工作時(shí)的壓力低于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，因此泵的抽氣速率會(huì)隨之下降。故而必須根據(jù)真空泵的特性曲線來(lái)選擇適當(dāng)?shù)恼婵毡谩Ｔ诘驼婵障到y(tǒng)中，真空泵的有效抽氣速率一般應(yīng)為真空泵計(jì)算抽氣速率的1.5倍～1.75倍。

真空泵的備用容量和備用臺(tái)數(shù)應(yīng)根據(jù)真空用戶(hù)的性質(zhì)和泵的性能參數(shù)經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。通常真空泵站內(nèi)的備用真空泵數(shù)量不應(yīng)少于一臺(tái)。

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(jìn)口壓力曲線圖)。因此選擇真空泵時(shí)，在滿足真空室極限壓力的前提下，應(yīng)盡可能將真空泵的最終運(yùn)行點(diǎn)落在特性曲線的最佳工作段。不同類(lèi)型的真空泵具有不同的適用范圍，見(jiàn)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(shè)備和相應(yīng)管路組成。有些真空泵站內(nèi)還設(shè)有濾塵器、消聲器、雜物捕集器等輔助設(shè)備。為保證真空系統(tǒng)的正常安全運(yùn)行，真空泵站內(nèi)還須設(shè)置必要的安全保護(hù)措施和熱工測(cè)量裝置。

真空泵站可以單獨(dú)設(shè)置，也可以附設(shè)于動(dòng)力站房(如空壓站、制冷站等)內(nèi)或布置在真空用戶(hù)的建筑物內(nèi)。真空泵站的位置應(yīng)綜合考慮廠區(qū)總體布局、運(yùn)行管理方便性等一般原則，并經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析后確定最終方案。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)復(fù)合材料廠房中所涉及的真空管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行了分析，對(duì)真空泵的選型、真空泵站的布置以及在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要注意的問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)闡述，具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，對(duì)于復(fù)合材料廠房的真空管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有積極的意義。

[1] 王成勇.真空度隨真空管道長(zhǎng)度變化規(guī)律研究[J].印制電路信息，2014(5)：24-25.

[2] 張以忱，黃化巖，張國(guó)慶，等.真空管道流導(dǎo)計(jì)算中平均壓力取值的誤差分析與計(jì)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(guó)偉(1984- )，男，工程師

1009-6825(2015)16-0132-02

TB772.4

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