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螺杆真空泵的抽气过程的四个阶段

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点击次数:  更新时间:2015-12-01 11:08:59  【打印此页】  【关闭
    螺杆真空泵要完成一次抽气过程,必须经过吸气,输送,压缩和排气四个阶段。
    (1) 吸气阶段。螺杆转子的头与螺杆泵入口直接连接在螺杆的旋转过程中,在连续膨胀时,泵被抽气成气体量在压力差作用下,使气体量随时间呈线性增加,直至储存量和进风口的过程,并在下一级的储存容积随时间的变化,气吸过程中的每一个水平的储存量在一周内的螺杆转子的旋转。
    (2) 输运阶段。接下来,随着螺杆转子的继续转动,被隔离的储气容积连同其内部被吸入的气体继续向后移动,进行着由泵吸气口到泵排气口的气体输送过程。对于采用等螺距螺杆转子的螺杆泵,吸气齿槽的容积始终保持不变,因此,在此过程中,这部分被隔离的气体也没有受到压缩。每一级储气容积的输运阶段从前端与泵吸气口隔离开始,至后端与泵排气口接通前为止,所占用的时间是最长的,其螺杆旋转周数等于由吸气口结束点到排气端面的螺杆螺旋导程数减去1( 不一定是整数) 。
    在输运阶段,每一级储气容积中都存在着高速旋转的螺杆转子与固定不动的泵体定子,对被抽气体造成剧烈的搅动与摩擦,以及被抽气体与具有较高温度的转子之间的热交换,会使被输送气体的温度有上升的趋势; 但同时泵体水冷壁的冷却作用又会使被抽气体有降温的趋势。综合考虑二种因素的影响,在本文的研究中忽略输运过程中的气体换热。由于干式螺杆真空泵内没有泵油作为密封介质,二螺杆转子间及螺杆转子与定子间的间隙会成为相邻二级储气容积间的气体泄漏通道,导致每一级储气容积内的气体都会向相邻的靠近进气口端一侧的储气容积内泄漏,鉴于在工作压力较高的情况下,漏入和漏出一个储气容积的气体量差,即一个储气容积内的净气体增加量相对较小,因此在本文中忽略输送过程中储气容积内的气体质量变化。
    (3) 压缩阶段。压缩阶段是储气空间内气体压力由吸气压力快速提升至排气压力的过程。对于少数排气口开设位置偏低的等螺距螺杆泵,储气空间在到达排气端面后与排气口相通前会有一定程度的减小,从而对其内的气体有预压缩作用而使其压力略有提升; 对于大多数等螺距转子螺杆泵,储气空间在到达排气端面后直接与排气口连通,排气口外排气管道内的气体立即反冲回最后一级储气空间,使储气空间内的气体压力由吸气压力迅速升高至泵的排气压力。与吸气、输运和排气过程所需时间相比,气体反冲压缩的过程几乎是在瞬间完成的,因此在建模计算时,暂不考虑该过程所需的时间。
    正是由于压缩阶段所经历的时间很短,因此可以看作是一个绝热充气过程。压缩阶段完成后,与排气孔相通的储气空间中的气体由二部分组成: 一部分是由吸气端传输过来的原始被抽气体,另一部分是由排气口反冲回来的反冲气体。如果螺杆泵的排气口直接面向开放的大气环境,那么反冲气体成分主要由外部大气组成,其初始温度相对较低; 如果排气口连接有相对较长的排气管道,那么反冲气体则主要是积累在排气管路中的前几周期所排出的气体,其初始温度相对很高。反冲气体进入螺杆转子与排气孔相通的储气空间的过程,相当于是外部气体对一个低压空间的膨胀充气过程,外部气体以恒压推动反冲气体所做的流动功,最终转化为混合气体的内能,使其温度剧增。压缩阶段结束时,储气空间中的气体总质量大增,压力等于排气压强,温度为二部分气体的混合温度,其总的能、焓、熵也为二部分气体之和。
    (4) 排气阶段。实际上,从储气空间与排气口连通时开始,螺杆泵的排气过程即已同时开始。随着螺杆转子的恒速转动,二转子最末一级啮合点持续后移,排气端面前的储气空间容积不断缩小,使得具有排气压力和排气温度的气体逐渐通过排气口被排出。这个过程一直持续到末端啮合点到达排气端面,此时,储气空间的体积变为零,其内的气体通过排气口完全排出泵外。每一级储气容积排气过程的用时,等于从储气空间与排气口连通至储气空间容积为零的时间段,通常是螺杆转子旋转一周所需的时间。在排气阶段中,储气空间中气体的压力变化不大,可以作为等压过程处理,即相当于一个采用恒压活塞将气体推出泵外的过程。这一阶段中,螺杆转子对气体(包括原始被抽气体和反冲气体) 做功最多,这些功最终转化为排出气体的动能( 体现为速度) 、内能( 体现为温度) 和放热量而消散于泵的冷却系统和排气环境空间中。

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