技術(shù)知識
螺桿真空泵的抽氣過程的四個階段
螺桿真空泵要完成一次抽氣過程，必須經(jīng)過吸氣，輸送，壓縮和排氣四個階段。
(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)過程中，在連續(xù)膨脹時，泵被抽氣成氣體量在壓力差作用下，使氣體量隨時間呈線性增加，直至儲存量和進(jìn)風(fēng)口的過程，并在下一級的儲存容積隨時間的變化，氣吸過程中的每一個水平的儲存量在一周內(nèi)的螺桿轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。
(2) 輸運階段。接下來，隨著螺桿轉(zhuǎn)子的繼續(xù)轉(zhuǎn)動，被隔離的儲氣容積連同其內(nèi)部被吸入的氣體繼續(xù)向后移動，進(jìn)行著由泵吸氣口到泵排氣口的氣體輸送過程。對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，在此過程中，這部分被隔離的氣體也沒有受到壓縮。每一級儲氣容積的輸運階段從前端與泵吸氣口隔離開始，至后端與泵排氣口接通前為止，所占用的時間是最長的，其螺桿旋轉(zhuǎn)周數(shù)等于由吸氣口結(jié)束點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)) 。
在輸運階段，每一級儲氣容積中都存在著高速旋轉(zhuǎn)的螺桿轉(zhuǎn)子與固定不動的泵體定子，對被抽氣體造成劇烈的攪動與摩擦，以及被抽氣體與具有較高溫度的轉(zhuǎn)子之間的熱交換，會使被輸送氣體的溫度有上升的趨勢； 但同時泵體水冷壁的冷卻作用又會使被抽氣體有降溫的趨勢。綜合考慮二種因素的影響，在本文的研究中忽略輸運過程中的氣體換熱。由于干式螺桿真空泵內(nèi)沒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成為相鄰二級儲氣容積間的氣體泄漏通道，導(dǎo)致每一級儲氣容積內(nèi)的氣體都會向相鄰的靠近進(jìn)氣口端一側(cè)的儲氣容積內(nèi)泄漏，鑒于在工作壓力較高的情況下，漏入和漏出一個儲氣容積的氣體量差，即一個儲氣容積內(nèi)的凈氣體增加量相對較小，因此在本文中忽略輸送過程中儲氣容積內(nèi)的氣體質(zhì)量變化。
(3) 壓縮階段。壓縮階段是儲氣空間內(nèi)氣體壓力由吸氣壓力快速提升至排氣壓力的過程。對于少數(shù)排氣口開設(shè)位置偏低的等螺距螺桿泵，儲氣空間在到達(dá)排氣端面后與排氣口相通前會有一定程度的減小，從而對其內(nèi)的氣體有預(yù)壓縮作用而使其壓力略有提升； 對于大多數(shù)等螺距轉(zhuǎn)子螺桿泵，儲氣空間在到達(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儲氣空間，使儲氣空間內(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、輸運和排氣過程所需時間相比，氣體反沖壓縮的過程幾乎是在瞬間完成的，因此在建模計算時，暫不考慮該過程所需的時間。
正是由于壓縮階段所經(jīng)歷的時間很短，因此可以看作是一個絕熱充氣過程。壓縮階段完成后，與排氣孔相通的儲氣空間中的氣體由二部分組成: 一部分是由吸氣端傳輸過來的原始被抽氣體，另一部分是由排氣口反沖回來的反沖氣體。如果螺桿泵的排氣口直接面向開放的大氣環(huán)境，那么反沖氣體成分主要由外部大氣組成，其初始溫度相對較低； 如果排氣口連接有相對較長的排氣管道，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，其初始溫度相對很高。反沖氣體進(jìn)入螺桿轉(zhuǎn)子與排氣孔相通的儲氣空間的過程，相當(dāng)于是外部氣體對一個低壓空間的膨脹充氣過程，外部氣體以恒壓推動反沖氣體所做的流動功，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，儲氣空間中的氣體總質(zhì)量大增，壓力等于排氣壓強，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。實際上，從儲氣空間與排氣口連通時開始，螺桿泵的排氣過程即已同時開始。隨著螺桿轉(zhuǎn)子的恒速轉(zhuǎn)動，二轉(zhuǎn)子最末一級嚙合點持續(xù)后移，排氣端面前的儲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排氣口被排出。這個過程一直持續(xù)到末端嚙合點到達(dá)排氣端面，此時，儲氣空間的體積變?yōu)榱?，其?nèi)的氣體通過排氣口完全排出泵外。每一級儲氣容積排氣過程的用時，等于從儲氣空間與排氣口連通至儲氣空間容積為零的時間段，通常是螺桿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周所需的時間。在排氣階段中，儲氣空間中氣體的壓力變化不大，可以作為等壓過程處理，即相當(dāng)于一個采用恒壓活塞將氣體推出泵外的過程。這一階段中，螺桿轉(zhuǎn)子對氣體(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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