技術(shù)知識(shí)
螺桿真空泵的抽氣過(guò)程的四個(gè)階段
螺桿真空泵要完成一次抽氣過(guò)程，必須經(jīng)過(guò)吸氣，輸送，壓縮和排氣四個(gè)階段。
(1) 吸氣階段。螺桿轉(zhuǎn)子的頭與螺桿泵入口直接連接在螺桿的旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，在連續(xù)膨脹時(shí)，泵被抽氣成氣體量在壓力差作用下，使氣體量隨時(shí)間呈線性增加，直至儲(chǔ)存量和進(jìn)風(fēng)口的過(guò)程，并在下一級(jí)的儲(chǔ)存容積隨時(shí)間的變化，氣吸過(guò)程中的每一個(gè)水平的儲(chǔ)存量在一周內(nèi)的螺桿轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。
(2) 輸運(yùn)階段。接下來(lái)，隨著螺桿轉(zhuǎn)子的繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，被隔離的儲(chǔ)氣容積連同其內(nèi)部被吸入的氣體繼續(xù)向后移動(dòng)，進(jìn)行著由泵吸氣口到泵排氣口的氣體輸送過(guò)程。對(duì)于采用等螺距螺桿轉(zhuǎn)子的螺桿泵，吸氣齒槽的容積始終保持不變，因此，在此過(guò)程中，這部分被隔離的氣體也沒(méi)有受到壓縮。每一級(jí)儲(chǔ)氣容積的輸運(yùn)階段從前端與泵吸氣口隔離開(kāi)始，至后端與泵排氣口接通前為止，所占用的時(shí)間是最長(zhǎng)的，其螺桿旋轉(zhuǎn)周數(shù)等于由吸氣口結(jié)束點(diǎn)到排氣端面的螺桿螺旋導(dǎo)程數(shù)減去1( 不一定是整數(shù)) 。
在輸運(yùn)階段，每一級(jí)儲(chǔ)氣容積中都存在著高速旋轉(zhuǎn)的螺桿轉(zhuǎn)子與固定不動(dòng)的泵體定子，對(duì)被抽氣體造成劇烈的攪動(dòng)與摩擦，以及被抽氣體與具有較高溫度的轉(zhuǎn)子之間的熱交換，會(huì)使被輸送氣體的溫度有上升的趨勢(shì)； 但同時(shí)泵體水冷壁的冷卻作用又會(huì)使被抽氣體有降溫的趨勢(shì)。綜合考慮二種因素的影響，在本文的研究中忽略輸運(yùn)過(guò)程中的氣體換熱。由于干式螺桿真空泵內(nèi)沒(méi)有泵油作為密封介質(zhì)，二螺桿轉(zhuǎn)子間及螺桿轉(zhuǎn)子與定子間的間隙會(huì)成為相鄰二級(jí)儲(chǔ)氣容積間的氣體泄漏通道，導(dǎo)致每一級(jí)儲(chǔ)氣容積內(nèi)的氣體都會(huì)向相鄰的靠近進(jìn)氣口端一側(cè)的儲(chǔ)氣容積內(nèi)泄漏，鑒于在工作壓力較高的情況下，漏入和漏出一個(gè)儲(chǔ)氣容積的氣體量差，即一個(gè)儲(chǔ)氣容積內(nèi)的凈氣體增加量相對(duì)較小，因此在本文中忽略輸送過(guò)程中儲(chǔ)氣容積內(nèi)的氣體質(zhì)量變化。
(3) 壓縮階段。壓縮階段是儲(chǔ)氣空間內(nèi)氣體壓力由吸氣壓力快速提升至排氣壓力的過(guò)程。對(duì)于少數(shù)排氣口開(kāi)設(shè)位置偏低的等螺距螺桿泵，儲(chǔ)氣空間在到達(dá)排氣端面后與排氣口相通前會(huì)有一定程度的減小，從而對(duì)其內(nèi)的氣體有預(yù)壓縮作用而使其壓力略有提升； 對(duì)于大多數(shù)等螺距轉(zhuǎn)子螺桿泵，儲(chǔ)氣空間在到達(dá)排氣端面后直接與排氣口連通，排氣口外排氣管道內(nèi)的氣體立即反沖回最后一級(jí)儲(chǔ)氣空間，使儲(chǔ)氣空間內(nèi)的氣體壓力由吸氣壓力迅速升高至泵的排氣壓力。與吸氣、輸運(yùn)和排氣過(guò)程所需時(shí)間相比，氣體反沖壓縮的過(guò)程幾乎是在瞬間完成的，因此在建模計(jì)算時(shí)，暫不考慮該過(guò)程所需的時(shí)間。
正是由于壓縮階段所經(jīng)歷的時(shí)間很短，因此可以看作是一個(gè)絕熱充氣過(guò)程。壓縮階段完成后，與排氣孔相通的儲(chǔ)氣空間中的氣體由二部分組成: 一部分是由吸氣端傳輸過(guò)來(lái)的原始被抽氣體，另一部分是由排氣口反沖回來(lái)的反沖氣體。如果螺桿泵的排氣口直接面向開(kāi)放的大氣環(huán)境，那么反沖氣體成分主要由外部大氣組成，其初始溫度相對(duì)較低； 如果排氣口連接有相對(duì)較長(zhǎng)的排氣管道，那么反沖氣體則主要是積累在排氣管路中的前幾周期所排出的氣體，其初始溫度相對(duì)很高。反沖氣體進(jìn)入螺桿轉(zhuǎn)子與排氣孔相通的儲(chǔ)氣空間的過(guò)程，相當(dāng)于是外部氣體對(duì)一個(gè)低壓空間的膨脹充氣過(guò)程，外部氣體以恒壓推動(dòng)反沖氣體所做的流動(dòng)功，最終轉(zhuǎn)化為混合氣體的內(nèi)能，使其溫度劇增。壓縮階段結(jié)束時(shí)，儲(chǔ)氣空間中的氣體總質(zhì)量大增，壓力等于排氣壓強(qiáng)，溫度為二部分氣體的混合溫度，其總的能、焓、熵也為二部分氣體之和。
(4) 排氣階段。實(shí)際上，從儲(chǔ)氣空間與排氣口連通時(shí)開(kāi)始，螺桿泵的排氣過(guò)程即已同時(shí)開(kāi)始。隨著螺桿轉(zhuǎn)子的恒速轉(zhuǎn)動(dòng)，二轉(zhuǎn)子最末一級(jí)嚙合點(diǎn)持續(xù)后移，排氣端面前的儲(chǔ)氣空間容積不斷縮小，使得具有排氣壓力和排氣溫度的氣體逐漸通過(guò)排氣口被排出。這個(gè)過(guò)程一直持續(xù)到末端嚙合點(diǎn)到達(dá)排氣端面，此時(shí)，儲(chǔ)氣空間的體積變?yōu)榱?，其?nèi)的氣體通過(guò)排氣口完全排出泵外。每一級(jí)儲(chǔ)氣容積排氣過(guò)程的用時(shí)，等于從儲(chǔ)氣空間與排氣口連通至儲(chǔ)氣空間容積為零的時(shí)間段，通常是螺桿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周所需的時(shí)間。在排氣階段中，儲(chǔ)氣空間中氣體的壓力變化不大，可以作為等壓過(guò)程處理，即相當(dāng)于一個(gè)采用恒壓活塞將氣體推出泵外的過(guò)程。這一階段中，螺桿轉(zhuǎn)子對(duì)氣體(包括原始被抽氣體和反沖氣體) 做功最多，這些功最終轉(zhuǎn)化為排出氣體的動(dòng)能( 體現(xiàn)為速度) 、內(nèi)能( 體現(xiàn)為溫度) 和放熱量而消散于泵的冷卻系統(tǒng)和排氣環(huán)境空間中。
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