凍干機(jī)真空系統(tǒng)的性能指標(biāo)設(shè)計(jì)計(jì)算
真空冷凍干燥機(jī)的真空系統(tǒng)特性主要應(yīng)包括抽水蒸汽的能力, 凍干箱空載極限真空度和凍干箱出口處的有效抽速這3大指標(biāo)。
下面研究如何通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算來(lái)保證實(shí)現(xiàn)這些性能要求。
凍干室的極限真空度
式中P0為真空泵的極限真空度(Pa),Q0為空載時(shí)長(zhǎng)期抽氣后凍干室的氣體負(fù)荷, 在Sp一定時(shí),Q0決定了凍干室的空載極限真空度Pj, 通常,Q0可用凍干室的漏氣率來(lái)計(jì)算, 凍干室的漏氣率可以測(cè)量得到, 在設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取為1(Pa·m3/s);SP為凍干室抽氣口附近泵的有效抽速(m3/s)。
凍干室的極限真空度受抽氣口位置設(shè)計(jì)和測(cè)量點(diǎn)位置設(shè)計(jì)的影響。在大型凍干機(jī)中如果凍干室較長(zhǎng), 抽氣口又設(shè)計(jì)在凍干室的一端, 凍干室內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)壓強(qiáng)梯度, 各點(diǎn)的壓強(qiáng)值可用下式計(jì)算。
式中,PX為距抽氣口X 處的壓強(qiáng)(Pa) ; P1為距抽氣口最近L1處的壓強(qiáng)(Pa),P1=qBL1/S; S 為X = 0處泵的有效抽速(m 3/s );q為凍干室壁的出氣速率(Pa·m 3/m 2·s);B為凍干室截面周長(zhǎng)(m ) ;U 是長(zhǎng)為L(zhǎng) 的凍干室流導(dǎo)(m 3/s)。
凍干室的極限真空度還受測(cè)點(diǎn)溫度的影響,因?yàn)镻=nKT,如果凍干室內(nèi)氣體分子數(shù)n 一定, 設(shè)在高溫處測(cè)點(diǎn)測(cè)得的壓強(qiáng)高, 設(shè)在低溫處測(cè)得的壓強(qiáng)低, 這一點(diǎn)應(yīng)該引起設(shè)計(jì)者和用戶的注意。
為提高凍干室的極限真空度, 縮小凍干室內(nèi)的壓強(qiáng)梯度, 凍干室的抽氣口不應(yīng)設(shè)在一端, 而應(yīng)設(shè)在中間或開(kāi)設(shè)多個(gè)抽氣口并聯(lián)。如果采用水蒸汽噴射泵抽氣, 又設(shè)計(jì)了貯氣罐,在正常工作時(shí)應(yīng)該用閥門(mén)將貯氣罐截?cái)? 否則會(huì)影響凍干室內(nèi)的真空度, 其影響程度可用公式計(jì)算。
求出這兩個(gè)微分方程聯(lián)立解, 即可得到凍干室中壓強(qiáng)P1和貯氣罐中壓強(qiáng)P2。式中V1為凍干室容積,V2為貯氣罐容積, 凍干室與貯氣罐之間的流導(dǎo)為U , 在貯氣罐抽氣口處泵的抽速為S, 上兩式中忽略了兩個(gè)容器的漏氣和放氣。
凍干室抽氣口附近的有效抽速
式中 SP為有效抽速(m 3/s ) , S為抽氣機(jī)組的有效抽速, U為真空室出口與機(jī)組入口間管道的流導(dǎo)(m 3/s)。一般, 高真空管道, 泵的抽速損失不應(yīng)大于40%～60% , 低真空管道,其損失允許5%～10%。
有捕水器的真空系統(tǒng)計(jì)算有效抽速比較復(fù)雜。在捕水器沒(méi)有工作之前, 應(yīng)該將捕水器當(dāng)成管道對(duì)待, 計(jì)算其通導(dǎo)能力; 在捕水器正常工作之后, 應(yīng)該將捕水器當(dāng)成氣體捕集式真空泵對(duì)待, 計(jì)算其有效抽速。捕水器的通導(dǎo)能力與結(jié)構(gòu)有關(guān), 而且是時(shí)間的函數(shù)。在捕水器正常工作后, 隨著抽氣時(shí)間增長(zhǎng), 霜層厚度增加, 其通導(dǎo)能力減小。捕水器的有效抽速是個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的問(wèn)題, 它除與冷凝面積有關(guān)外, 還與前級(jí)泵抽速S、凝結(jié)系數(shù)A有關(guān)。A又與冷凝面溫度TK、被抽氣體溫度Tg、被抽氣體壓強(qiáng)Pg和冷凝面溫度下飽和水蒸汽壓強(qiáng)P0之比有關(guān), 還與霜層厚度、泵的結(jié)構(gòu)有關(guān)。粗算時(shí)可采用下式。
式中 A為凝結(jié)系數(shù), 可取0.5～0.85, Tg 和TK低時(shí)取大值, 反之亦然,AK為冷凝面的面積,D為霜層厚度。在抽氣過(guò)程Tg、TK和D都是變化的, 該式描述的是穩(wěn)態(tài)過(guò)程, 只供參考。
真空系統(tǒng)抽水蒸汽的能力
水蒸汽噴射泵抽水蒸汽的能力是泵的固有特性, 在水蒸汽噴射真空泵樣本中都有標(biāo)注(見(jiàn)表1 中的說(shuō)明)。
捕水器抽水蒸汽的能力無(wú)法用每小時(shí)多少公斤來(lái)衡量, 只能用最大捕水量來(lái)表示。
式中 Q為霜層密度, dmax為霜層最大厚度, 通常取小于10mm, TS為霜層表面溫度。
凍干機(jī)真空系統(tǒng)的特性與設(shè)計(jì)、制造、安裝調(diào)試和使用維護(hù)都有關(guān)系。受篇幅限制, 這里對(duì)各種真空系統(tǒng)的常見(jiàn)故障及消除方法沒(méi)有闡述, 對(duì)其一次成本投資和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用沒(méi)有探討。
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