真空泵的作用及工作原理

       真空泵是利用机械、物理、化学、物理化学等方法对容器进行抽气，以获得和维持真空的装置的气体输送机械，它把气体从低于个大气压的环境中输送到大气中或与大气压力相同的环境中。真空泵的作用就是从真空室中抽除气体分子，从而使设备内的压力低于个大气压的机器，降低真空室内的气体压力，使之达到要求的真空度。随着真空应用的发展，真空泵的种类已发展了很多种，其抽速从每秒零点几升到每秒几十万、数百万升。极限压力(极限真空)从粗真空到10-12Pa以上的极高真空范围。

       化工生产中，常常使用真空泵来造成某种程度的真空，来实现工艺操作过程。例如，在真空泵的抽吸作用下，溶液的过滤速度加快；分离液体混合物时，可使蒸馏温度下降，避免高温蒸馏中可能出现的焦化及分解现象；干燥固体物料的温度降低，速度加快；热管式换热器的热管抽成真空后注入蒸馏水，使传热速率大大加快等。电子工业和国防工业往往需要更高的真空。

       由于真空应用部门所涉及的工作压力的范围很宽，因此任何一种类型的真空泵都不可能完全适用于所有的工作压力范围，只能根据不同的工作压力范围和不同的工作要求，使用不同类型的真空泵。为了使用方便和各种真空工艺过程的需要，有时将各种真空泵按其性能要求组合起来，以机组型式应用。

       1、真空泵的种类
       随着真空应用的发展，真空泵的种类已发展了很多种，其抽速从每秒零点几升到每秒几十万、数百万升。随着真空技术在生产和科学研究领域中对其应用压强范围的要求越来越宽，大多需要由几种真空泵组成真空抽气系统共同抽气后才能满足生产和科学研究过程的要求。

       常用真空泵包括：干式螺杆真空泵、水环泵、往复泵、滑阀泵、旋片泵、罗茨泵和扩散泵等，这些泵是我国国民经济各行业应用真空工艺过程中必不可少的主力泵种。

       2、真空泵的总体结构式与传动方式
       真空泵的泵体的布置结构决定了泵的总体结构：

       1)、立式结构：进、排气口水平设置，装配和连接管路都比较方便。但泵的重心较高，在高速运转时稳定性差，故这种型式多用于小泵；

       2)、卧式结构：泵的进气口在上，排气口在下。有时为了真空系统管道安装连接方便，可将排气口从水平方向接出，即进、排气方向是相互垂直的。此时，排气口可以从左或右两个方向开口，除接排气管道一端外，另一端堵死或接旁通阀。这种泵结构重心低，高速运转时稳定性好。一般大、中型泵多采用此种结构。泵的两个转子轴与水平面垂直安装。这种结构装配间隙容易控制，转子装配方便，泵占地面积小。但泵重心较高且齿轮拆装不便，润滑机构也相对复杂。

       真空泵的传动方式：真空泵的两个转子是通过一对高精度齿轮来实现其相对同步运转的。主动轴通过联轴器与电机联接。在传动结构布置上主要有以下两种：其一是电动机与齿轮放在转子的同一侧如图。从动转子由电动机端齿轮直接传过去带动，这样主动转子轴的扭转变形小，则两个转子之间的间隙不会因主动轴的扭转变形大而改变，故使转子之间的间隙在运转过程中均匀。这种传动方式的最大缺点是：a.主动轴上有三个轴承，增加了泵的加工和装配难度，齿轮的拆装及调整也不便；b.整体结构不匀称，泵的重心偏向电动机和齿轮箱一侧。所具有的特点：1)、在较宽的压力范围内有较大的抽速；2)、转子具有良好的几何对称性，故振动小，运转平稳。转子间及转子和壳体间均有间隙，不用润滑，摩擦损失小，可大大降低驱动功率，从而可实现较高转速；3)、泵腔内无需用油密封和润滑，可减少油蒸气对真空系统的污染；4)、泵腔内无压缩，无排气阀。结构简单、紧凑，对被抽气体中的灰尘和水蒸汽不敏感；5)、压缩比较低，对氢气抽气效果差；6)、转子表面为形状较为复杂的曲线柱面，加工和检查比较困难。

       3、真空泵的工作原理

       先由转动真空泵把系统抽到10-2帕扩散泵油被加热沸腾，以高速从喷出的油蒸汽流不断将系统内气体分子带到泵的侧臂弯管球泡处集结，待气体密度达到机械真空泵的工作范围而被抽出，从而逐渐获得高真空。

       1)、水环式真空泵工作原理

       水环式真空泵叶片的叶轮偏心地装在圆柱形泵壳内。泵内注入一定量的水。叶轮旋转时，将水甩至泵壳形成一个水环，环的内表面与叶轮轮毂相切。由于泵壳与叶轮不同心，右半轮毂与水环间的进气空间逐渐扩大，从而形成真空，使气体经进气管进入泵内进气空间。随后气体进入左半部，由于毂环之间容积被逐渐压缩而增高了压强，于是气体经排气空间及排气管被排至泵外。

       2)、旋片式真空泵工作原理

       旋片式真空泵（简称旋片泵）是一种油封式机械真空泵。其工作压强范围为101325~1.33×10-2（pa）属于低真空泵。它可以单独使用，也可以作为其它高真空泵或超高真空泵的前级泵。它已广泛地应用于冶金、机械、军工、电子、化工、轻工、石油及医药等生产和科研部门。

       3)、罗茨真空泵工作原理

       罗茨泵的工作原理与罗茨鼓风机相似。由于转子的不断旋转，被抽气体从进气口吸入到转子与泵壳之间的空间 v0 内，再经排气口排出。由于吸气后 v0 空间是全封闭状态，所以，在泵腔内气体没有压缩和膨胀。但当转子顶部转过排气口边缘，v0 空间与排气侧相通时，由于排气侧气体压强较高，则有一部分气体返冲到空间 v0 中去，使气体压强突然增高。当转子继续转动时，气体排出泵外。

       真空泵的好坏决定于其机械结构和油的质量，使用真空泵时必须把它保护好。如果蒸馏挥发性较大的有机溶剂时，有机溶剂会被油吸收结果增加了蒸气压，从而降低了抽空效能，如果是酸性气体，那就会腐蚀油泵，如果是水蒸气就会使油成乳浊液而抽坏真空泵。

       4、真空泵的使用选择
       真空泵的抽气效能可以将泵分为三类：1)、一般水泵，压强可达到 1.333 ~100 kPa (10~760mmHg)为'粗'真空；2)油泵，压强可达 0.133 ~ 133.3 Pa (0.001~ 1mmHg)为'次高'真空；3)扩散泵，压强可达 0.133Pa 以下，(10-3mmHg)为 '高' 真空。
       若要较低的压力，那就要用到油泵了，好的油泵能抽到 133.3Pa(1mmHg)以下。在有机化学实验室里常用的减压泵有水泵和真空泵两种，若不要求很低的压力时，可用水泵，如果水泵的构造好且水压又高，抽空效率可达 1067 ~ 3333Pa(8~25mmHg)。水泵所能抽到的最低压力理论上相当于当时水温下的水蒸气压力。例如，水温 25℃、20℃、10℃时，水蒸气的压力分别为 3192、2394、1197Pa(8-25mmHg)。用水泵抽气时，应在水泵前装上安全瓶，以防水压下降，水流倒吸；停止抽气前，应先放气，然后关水泵。