复合材料厂房真空管道系统设计初探

赵 国 伟

(中国航空规划建设发展有限公司，北京 100120)

复合材料厂房真空管道系统设计初探

赵 国 伟

(中国航空规划建设发展有限公司，北京 100120)

主要介绍了复合材料厂房的真空管道系统的设计要点，详细阐述了真空管道流导的计算方式，确定了选择真空泵的方法以及真空泵站布置的基本原则，并对设计过程中需注意的问题进行了分析，对复合材料厂房的真空管道系统设计具有积极意义。

复合材料厂房，真空管道，流导，真空泵

0 引言

近年来，随着科技的发展和进步，复合材料广泛应用于航空、航天、汽车、化工、纺织和机械制造等领域。复合材料是指由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。由于各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。真空管道系统在复合材料厂房中使用十分广泛。

1 真空技术

随着现代工业的发展，真空技术已广泛应用于石油、冶金、化工、航空、航天、医学、电子等工业及其他许多部门中，如真空冶炼、真空干燥、真空结晶、真空浓缩、真空制冷、真空加工、真空镀膜、真空包装、真空模拟、真空吸尘、原子能技术及电子信息技术等各行各业。

1.1 真空

真空是指在给定的空间内低于该地区一个大气压的气体状态。它意味着：

1)该空间内单位体积中气体分子的数目低于该地区大气压下的气体分子数目；

2)气体分子之间或气体分子与其他质点的相互碰撞次数不那么频繁了；

3)打到某一器壁表面上的分子数目也比较少了。

真空区域一般按压力高低进行划分：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。

真空系统的真空负荷主要来源于三个方面：

1)工艺生产过程中产生的气体量；

2)真空室及真空原件的放气量；

3)真空系统的漏气量。

1.2 影响真空系统正常运行的主要因素

真空系统是否能够正常运行，主要涉及到以下几方面内容：

1)真空泵选择是否合理，真空系统的气密性是否良好。选择真空泵时，应注意所抽真空气体的性质，有些真空泵不宜用于抽除含氧量过高、有爆炸性和腐蚀性以及含有颗粒灰尘的气体。另外，真空泵应尽量靠近真空用户，这样真空管道较短，泄漏点也较少，真空度也便于保证。

2)真空系统中除各种必要的附件外，应尽量减少其他附件，因为每一个附件都是一个泄漏点，都会产生相应的阻力。

3)应根据不同场合选择不同的真空管道。常用的真空管道主要有玻璃管、金属管、橡胶管三种类型，每种管道都有各自不同的优缺点，选择真空管道材料时需注意：

a.玻璃管。其优点是气密性较好，易于清洗和去气，且便于制成各种形状，化学性能稳定，不易生锈和腐蚀，透明度高，绝缘性能好，可以通过火花检漏器进行检漏。缺点是机械强度较差，不能制成直径较大的管道。

b.金属管。选用金属管时，一般采用无气孔和裂缝的无缝钢管。其优点是机械强度高，不易损坏。缺点是在真空度较高时，金属管会持续放气，气密性难以保证。

c.橡胶管。其优点是弹性较好，可以随意弯折，缺点是连接处易泄漏。

4)真空阀门的选用。

5)真空计的选用。常用的真空计有弹性真空压力表、U型真空计等。

6)真空管路应尽量短直，尽可能减少管路的转弯和变径，从而降低管路阻力损失，保证系统的真空度[1]。

2 真空系统的设计

2.1 流导的计算

设计真空系统时，首先应进行流导的计算。

对于低真空系统，单根真空管道的流导可按式(1)进行计算[2]：

(1)

其中，UB为真空管道的流导，cm3/s；d为真空管道的直径，cm；l为真空管道的长度，cm；p1,p2分别为真空管道的进口端与出口端的压力，Torr。

对于中真空系统，单根真空管道的流导可按式(2)进行计算：

(2)

对于高真空系统，单根真空管道的流导可按式(3)进行计算：

(3)

串联的复杂导管的总流导计算公式为：

(4)

并联的复杂导管的总流导计算公式为：

U=U1+U2+…+Un

(5)

2.2 真空泵的选择

选择真空泵时，应满足两个必要条件：1)真空泵的极限压力应低于真空室的极限压力；2)真空泵的抽气速率应大于真空室的放气速率。

真空系统无漏气和放气时(即密闭真空室或静态真空室)，所需的真空泵抽气速率可按式(6)计算：

(6)

其中，SH为真空泵在p2下的抽气速率，cm3/s；S为真空室在p1(真空用户要求达到的真空压力)下的抽气速率，cm3/s；U为真空管道的总流导，cm3/s。

真空系统有漏气和放气时(即开式真空室或静态真空室)，所需的真空泵抽气速率可按式(7)计算：

(7)

其中,Q为在真空室要求建立的工作压力下漏气量和放气量的总和(即单位时间的流量)，cm3/s；SH为真空泵在满足真空室要求建立的工作压力下的抽气速率(即真空泵的有效抽气速率)，cm3/s；U为真空管道的总流导，cm3/s。

有时对真空系统有这样的要求，即在一定的抽气时间t内，压力从p1降至p2，为了简化计算，可假定U≫SH(采用短而粗的真空管道来实现)，则:

(8)

其中，t为抽气时间，s；V为真空室的容积，cm3；SH为真空泵在p1与p2范围内的平均抽气速率，cm3/s；p1为真空室在抽气开始时的压力，Pa；p2为真空室在抽气终了时的压力，Pa；p0为真空泵的极限压力，Pa。

由于真空泵的额定抽气速率是在标准大气压下测得的，而真空泵实际工作时的压力低于标准大气压，因此泵的抽气速率会随之下降。故而必须根据真空泵的特性曲线来选择适当的真空泵。在低真空系统中，真空泵的有效抽气速率一般应为真空泵计算抽气速率的1.5倍～1.75倍。

真空泵的备用容量和备用台数应根据真空用户的性质和泵的性能参数经技术经济比较后确定。通常真空泵站内的备用真空泵数量不应少于一台。

真空泵与其他泵一样，都有其工作特性曲线(即泵的抽气速率与进口压力曲线图)。因此选择真空泵时，在满足真空室极限压力的前提下，应尽可能将真空泵的最终运行点落在特性曲线的最佳工作段。不同类型的真空泵具有不同的适用范围，见表1。

表1 各种真空泵的适用工作范围

2.3 真空泵站的组成及布置

真空泵站通常由真空泵、真空罐及油水分离器等设备和相应管路组成。有些真空泵站内还设有滤尘器、消声器、杂物捕集器等辅助设备。为保证真空系统的正常安全运行，真空泵站内还须设置必要的安全保护措施和热工测量装置。

真空泵站可以单独设置，也可以附设于动力站房(如空压站、制冷站等)内或布置在真空用户的建筑物内。真空泵站的位置应综合考虑厂区总体布局、运行管理方便性等一般原则，并经过技术经济分析后确定最终方案。

3 结语

本文对复合材料厂房中所涉及的真空管道系统的设计过程进行了分析，对真空泵的选型、真空泵站的布置以及在设计过程中需要注意的问题进行了详细阐述，具有较强的实际应用价值，对于复合材料厂房的真空管道系统设计具有积极的意义。

[1] 王成勇.真空度随真空管道长度变化规律研究[J].印制电路信息，2014(5)：24-25.

[2] 张以忱，黄化岩，张国庆，等.真空管道流导计算中平均压力取值的误差分析与计算方法[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

赵国伟(1984- )，男，工程师

1009-6825(2015)16-0132-02

TB772.4

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