真空泵在工程設計中的應用

周 宏

（浙江省天正設計工程有限公司，浙江杭州 310030）

在化工設計中，真空泵是常用的設備之一。真空泵種類繁多，如何進行真空泵的選型是設計工作需要解決的問題。通過研究總結真空泵的種類原理特點，可以有的放矢地在設計中進行真空泵的選型。

1 主要參數

真空泵是一種利用機械、物理、化學或者物理化學的方法，通過對被抽容器抽氣而獲得真空的設備。在真空狀態下，常用氣體的稀薄程度來表示氣體的壓力，數值越小表示氣體越稀薄。

所謂極限真空（真空度）就是把真空泵與檢測容器連接在一起，放入待檢測氣體之后，進行連續地抽氣，當罐內氣體壓力不再下降，維持在一定數值時，該數值稱為泵的極限真空。此值越小說明越接近理論真空。（絕對真空度-相對真空度=當地大氣壓）。

2 分類

2.1 按工作原理可分為抽除式泵、捕集式泵

（1）抽除式泵：其原理是通過抽吸系統中的氣體，并將氣體分子排至系統之外。例如滑閥泵、擴散泵、往復泵、旋片泵、羅茨泵、水環泵等。

（2）捕集式泵：其原理是捕集系統中的氣體分子，將其直接吸附在泵的工作壁面上而不排出系統。例如吸附泵等。

2.2 按結構形式可分為機械式泵、吸著式泵

2.2.1 機械式真空泵

主要包括變容真空泵和動量傳輸泵，它們都屬于抽除式真空泵。

（1）變容真空泵：利用泵腔容積的周期變化來完成吸氣和排氣，達到抽氣目的的泵。可分為往復式及旋轉式。往復式泵是利用泵腔內活塞往復運動而將氣體吸入、壓縮并排出的泵。旋轉式泵是利用泵腔內轉子部件的旋轉運動將氣體吸入、壓縮并排出的泵。變容真空泵大致可分為：油封式泵（主要包括旋片、定片、滑閥、余擺線式等）、液環泵、羅茨泵等。

（2）動量傳輸泵：是依靠高速旋轉的葉片或高速射流，把動量傳輸給氣體分子，使氣體分子從泵的入口傳輸到出口。主要包括：

①分子真空泵：主要有牽引分子泵、渦輪分子泵和兩者的組合。

②噴射式真空泵，它屬于抽除式真空泵，主要包括以下幾種。

噴射泵：利用文丘里效應的壓力降產生的高速射流而把氣體輸送到出口的一種動量傳輸泵。可分為液體噴射泵、氣體噴射泵、蒸汽噴射泵。

擴散泵：以低壓油或汞等高速蒸汽流作為工作介質，氣體分子擴散到蒸汽射流中，然后被送到出口。它適于在分子流狀態，氣體分子密度始終很低。

擴散噴射泵：是一種由擴散泵與噴射泵的組合。例如油增壓泵。

③離子傳輸泵：是將被電離的氣體在電磁場或電場的作用下，輸送到出口的動量傳輸泵。

2.2.2 吸著式泵

吸著式泵是一種依靠物理或化學方法使氣體分子吸附或凝結在泵壁表面，通過減小容器內氣體分子數目來達到抽氣目的的泵，屬于捕集式真空泵。主要包括吸附泵（利用表面吸附劑的物理吸附作用來抽氣的一種捕集式真空泵）、吸氣劑泵（利用吸氣劑以化學結合方式捕獲氣體的一種真空泵；吸氣劑通常是金屬或合金，存在形式是以塊狀或沉積新鮮薄膜形式，比如升華泵）、吸氣劑離子泵（將被電離的氣體通過電場、電磁場作用吸附在有吸氣材料的表面，以達到抽氣目的的泵）、低溫泵（利用低溫表面捕集氣體的泵）。

2.3 根據在系統中的用途分類

①主抽氣泵。②預抽氣泵。放置在主抽氣泵前，在大氣狀態直接開始抽吸到某一壓力，然后由主抽氣泵接著繼續進行抽吸工作。③前級泵。放置在主抽氣泵后，主抽氣泵不能將所抽氣體直接排入大氣時，串接前級泵進行排送。④維持泵。當主抽氣泵停止工作后，用來繼續抽吸維持系統壓力的泵。

2.4 根據抽氣效能分為

1）水泵（粗真空），壓強約1.333～100kPa。2）油泵（次高真空），壓強約0.133～133.3Pa。3）擴散泵（高真空），壓強0.133Pa 以下。

3 工作原理

1）水環泵：水環泵葉片的葉輪是偏心地裝在圓柱形泵殼內。當葉輪旋轉時，形成了水環，水環內表面與葉輪輪轂相切。以葉輪下部0°為起點，順時針計，葉輪在旋轉前180°時小腔容積由小變大，氣體被吸入端面上的吸氣口，吸氣完畢小腔與吸氣口隔絕；繼續旋轉，小腔由大變小，氣體被壓縮；當小腔與排氣口相通時，氣體被排出泵外。

2）旋片式：旋片式泵的轉子偏心安裝在泵腔內，上部緊貼泵腔內壁，轉子槽內圓周方向均分有三個旋片，當轉子高速旋轉時，在離心力作用下旋片緊貼泵腔內壁，泵腔被分成三個相互隔離、容積周期性可變的工作腔，當進氣腔容積擴大而吸氣，當排氣腔容積縮小而壓縮氣體，由此來獲得真空。

3）滑閥式：滑閥式泵是通過滑閥機構來改變吸氣腔容積，從而獲得真空。

4）羅茨泵：羅茨泵是依靠泵腔內一對葉形轉子同步或者反向旋轉地推壓氣體而實現抽氣，由此獲得真空。此泵不可以單獨抽氣，前級需配油封、水環泵后才可直排大氣。

5）金屬油擴散泵：擴散泵噴口中噴出高速蒸汽流，在分子流條件下，氣體分子不斷向蒸汽流中擴散，并被蒸汽帶向泵出口處，然后逐級被壓縮，再由前級泵排除，由此獲得真空。

6）分子泵：分子泵是在分子流區域內靠高速運動的剛體表面傳遞給氣體分子以動量，使氣體分子在剛體表面的運動方向上產生定向流動，從而達到抽氣的目的獲得真空。

4 真空度和適用范圍

1）液環泵是一種粗真空泵。液環泵中氣體壓縮是等溫的，所以可抽除易燃易爆的氣體，此外還可抽除含塵、含水的氣體。受工作液飽和蒸氣壓的限制，真空度低。用水作工作液，極限真空2000～4000Pa；用油作工作液，極限真空約130Pa。

2）旋片式真空泵是一種油封式機械真空泵。它可直接從大氣壓起動抽氣；可單獨作低真空泵用，也可與其他高真空泵組合作前級泵用；體積小、重量輕、噪音低，特別適合實驗室使用；該泵不可用來抽含氧過高的、有毒的易爆的或與泵油發生化學作用的或對黑色金屬有腐蝕作用的氣體。極限真空≤1.3Pa。

3）滑閥式真空泵是一種油封式機械真空泵。常用在大型真空設備上，具有高真空、低噪音、少震動，長壽命，不易漏油，可抽有較高溫度、有輕微粉塵和腐蝕性的氣體，特別是含少量水蒸氣的混合氣體。分為單級和雙級兩種型式。單級泵的極限壓力對小泵≤0.6Pa，對大泵≤1.3Pa（均關氣鎮），雙級泵的極限壓力≤0.06Pa（關氣鎮）。抽速大于150L/s 的滑閥泵多采用單級型式。

4）羅茨真空泵是一種變容真空泵。特點是啟動快，耗功少，運轉維護費用低，抽速大、效率高，不敏感被抽氣體中含的少量水蒸氣和灰塵，在100～1Pa 壓力范圍內有較大抽氣速率，能迅速排除突然放出的氣體，不需要油潤滑；轉速可高達3450～4100r/min；抽氣速率為30～10000L/s。極限真空：單級為6.5×102Pa，雙級為1×103Pa。

5）金屬油擴散泵是一種動量傳輸泵。特點是可獲得高真空，用于真空冶煉鍍膜、空間模擬實驗和對油污染不敏感的真空系統。極限真空為10-4～10-5Pa。

6）分子泵是一種利用高速旋轉的機械式動量傳輸泵。特點是轉子轉速可達20000r/min，啟動時間較長；分子泵與油封式旋片泵相比，工作環境更清潔，且可以達到極高的真空度。分子泵不能在大氣壓下工作，須和其他能夠在大氣壓下工作的粗抽真空泵（如油封式旋片泵）配合使用。極限壓強可達10-8Pa。

5 選型

1）滿足工藝真空度要求：選型時真空度要滿足工藝要求，且一般高于真空設備真空度的半個到一個數量級。例如絕對壓強要求高于3300Pa 則優先選水環泵；絕對壓強要求低于3300Pa，選擇旋片式或更高真空級別的泵。

2）滿足工藝抽氣量（抽氣速率） 的要求：抽氣量也就是真空泵在其工作壓力下，排出氣液固的能力。

根據需要形成真空的體積和達到的時間（一般可選5～10min），可按以下經驗公式[1]估算抽氣速率S：S=（V/t）×ln（p1/p2） 。其中：S為真空泵抽氣速率（L/s）；V為真空室容積（L）；t為達到要求真空度所需時間（s）；p1為初始壓強（Pa）；p2為要求壓強（Pa）。

6 案例

根據不同工作要求，使用不同類型的真空泵。為了使用方便和滿足各種工藝過程的需要，一般會將各種真空泵按其性能要求組合起來，以機組型式應用。

某藥廠反應釜需要真空操作，介質為含丙酮的料液，有一定的潔凈要求。真空度要求～1kPa。考慮到真空有一定的潔凈要求，真空度要求也比較高，選用了羅茨-立式無油往復泵機組。以ZJ 型羅茨泵為主泵，以WLW 型立式無油往復泵為前級泵串連而成。無油往復泵采用無油自潤滑材料，可獲得潔凈真空。克服了無油往復泵極限壓力高，在—定壓力下抽氣速率低的缺點，同時又保留羅茨泵工作迅速、有較大抽氣速率的優點。