真空设计节能减排低碳原则的新思考

　　传统的真空设计中，对于真空室设计，为了节约加工成本，采用易加工简单的真空室，对抽真空系统设计，经常选用极限真空较高的机械泵、罗茨泵、扩散泵组合系统，但当前从节能减排的低碳要求出发，往往是不合理的，而且用户日后在长期运行中，能耗很大，使应用真空的产品后续成本大为提高。为了创新设计，本文提出真空设计中应更注重节能减排的低碳原则的新思考。

　　世界经济全球化的迅猛发展，人类社会生产规模日益扩大，科学研究与技术科学向各领域的发展既深且广，世界性的能源短缺濒临愈益严重的境地。

　　21 世纪刚开始的初期，煤、石油仍为主要能源的历史时期仍在延续，清洁能源(太阳能、风能、水力能、核能、燃料电池等)虽有所增长，但目前在运行成本及工业性推广上仍存在不少问题有待解决。

　　追溯人类使用能源的历史，大规模使用煤炭、石油尚不足200 年，直到1895 年，发达的北美、欧洲、能源消耗中木材燃烧仍占90%，20 世纪起，煤炭开始占主导，20 世纪20 年代，石油开采大幅上升，1920- 1970 年半个世纪，构成“石油时代”，1929- 1971 年，世界煤产量上升70%，而同期石油产量上升1000%。由于长时间的历史积累，煤、石油燃烧生成的碳排放造成地球大气中温室气体(CO2 和CH4 等)的含量显著增加，科学实验表明，这类气体含量少量增加，地球大气对太阳能热量的吸收率明显增加，使地球常年平均温度日益升高，导致气候变暖，对地球的生态平衡破坏相当严重，冰川线后退，海平面上升，风暴，高温干旱等极端气候明显增多，对人类社会的持续发展和生存造成比历史上任何时期更为严峻的考验。

　　全面推进工业经济中的节能减排，其正确含义应表达为对于一定数量、质量的产品，需要尽量节省消耗的能源，生产出同样数量、质量的产品，对大气排放的温室气体尽量要少，显然，按化学规律，原含于煤、石油中的碳和氧或氢气化合成温室气体而释入大气，使大气中实际碳含量增加，人类的人为行为应尽量减少这过程，即所谓“低碳”行为方式。

　　我国属于发展中国家，虽然历史上碳排放低于发达国家，目前随着经济总量已达世界第二大经济体，实现低碳经济的目标刻不容缓。2009 年1 月清华大学在国内率先成立低碳经济研究院。

　　2009 年3 月中科院发布《2009 中国可持续发展战略报告》，提出2020 年单位GDP 的CO2 的排放降低50%左右目标。2009 年9 月胡锦涛主席在联合国气候变化峰会上承诺：“中国进一步将应对气候变化纳入经济社会发展规划……”。节能减排已正式纳入我国“十二五”规划，2020 年实现我国单位国内生产总值CO2 排放比2005 年下降40%~45%的庄严承诺，这也是十分沉重的责任：一方面需要改变经济增长方式，调整经济结构，向低碳经济转型，另一方面需要政府、民间组织、企业、个人等都能自觉成为这场革命的参与者、奉献者，反过来成为受益者。

　　国际上1997 年在日本第三次缔约国大会“京都议定书”目标：2008~2012 年应在1990 年基础上减排下降5.2%。经过100 多个国家批准，2005 年2 月6 日此议定书生效，2007 年12 月印尼巴厘岛上召开“联合国气候变化大会”，进一步肯定此议定书。

1、真空行业的碳排放

　　真空行业应包括真空工业和真空科学与技术领域，在20 世纪中获显著发展，主要是因为其他工业、技术领域对真空的需求增加了。特别是信息产业迅猛发展，电子工业对真空设备的需求大幅增加。航天工业中地面试验，大量采用真空模拟环境，对真空设备大规模使用。可见真空行业涉及的领域日益广阔：如电子和微电子工业，机械工业、航空、航天工业、冶金工业、核工业、薄膜和表面工程技术，太阳能利用工程，现代食品、轻化等，21 世纪真空应用方面发展广度和深度更是不可估量。显然这样宏大的发展规模，在稠密大气层环境下运作，抽真空所需能耗也相应增大，与这样的发展相比，减少真空行业的碳排放却不相匹配，节能减排刻不容缓，至少从真空设计方面值得社会各界思考。

2、真空设计应更注重节能减排的低碳原则

　　真空工业和技术现在也够得上用电大户，抽真空主要消耗电能，数据举例：

　　以常用的典型2X系列旋片真空泵之一为例计算能耗：2X- 30 真空机械泵。电机功率4 kW，一天运行8 h，耗电=4 kW×8 h=32 度电2X- 70 真空机械泵。电机功率5.5 kW，一天运行8 h，耗电=5.5 kW×8 h=44 度电真空设备供应商长时期内定点配供数百家用户，每家使用用户以20 台平均值计算。2X- 30 泵一天8 h 范围内运行300(家)用户×20(台)×32(度电)=19.2 万度~20 万度电/ 天。2X- 70 泵一天8 h 范围内运行300(家)用户×20(台)×44(度电)=26.4 万度~27 万度电/ 天。全国不下50 家真空设备供应商，则销售在外运行的上述两泵近20 万度/ 天+27 万度/天×50 家供应商≈2350 万度电耗/ 天。

　　以常用的典型K 系列油扩散泵之一为例计算能耗：K- 600 油扩散泵：加热功率8~9 kW，一天运行8 h，耗电= 8 kW×8h = 64 度电，一家真空设备供应商长期积累限定供配的280 家计算，每家使用用户以10 台平均值计算：K- 600 泵，则一天8 h 范围内运行耗电：280×10×64=17.9 万度~18 万度电/ 天。全国不下50 家真空设备供应商，则近18×50=900 万度电/ 天。

　　仅计算2X- 30、2X- 70，K- 600 泵1 天运行的能耗至少达2350 万度电+900 万度电=3250 万度电。这例计算是不完全的，粗略的，更未计算其它型号多种真空泵的能耗，从上述可见能耗之大，非同小可。

　　根据碳排放“足迹”分析，CO2 三大来源：①火力发电排放占41%总排放。②汽车排放占25%总排放。③建筑排放占27%总排放。要实现低碳经济，必须低能耗、低污染、低排放为基础的经济发展模式，也是人类社会继农业文明到工业文明到生态文明的又一次重大进步。真空行业也在这个进步进程中，一样负有促进的历史责任。

　　过去的真空设计较多考虑真空室参数选用，抽气时间计算，真空室容积、抽气速率、漏率、压升率、极限真空、强度计算、真空管道分子流流导计算，真空系统的设计和选用。

　　当然这些都是需要的，在当时的历史经济背景下，很少考虑节能减排，而在当前的世界经济发展危及地球气候变暖，生态失去平衡，以及能源短缺的背景下，真空设计注重节能减排的低碳原则，同其它用电大户一样，有义不容辞的责任，固然，这样改进真空设计，一般也可能降低真空设备制造成本，但有时即使设计中贯彻低碳原则，提高了些成本，也应在所不惜，譬如涉及抽气时间的真空室容积选择，不能一开始就选用圆柱形筒状，必须依低碳原则考虑一下其它形状能否更节能。在现代先进的加工、焊接技术条件下，需要权衡一下把节能考虑的‘权重’提高。又譬如涉及极限真空的选择，不能一开始就追求选用高极限真空的指标，极限真空非常高，当然能使背景真空非常洁净，对工艺有利，但不能无节制，常常在不影响工艺的条件下，可以选用极限真空不太高的指标，后面我们举例采用分子增压泵，即反映这种情形。

5、结束语

　　缩短工艺运转周期，缩短抽气时间应包括与过程除气(即缩短放气除气在内的过程)综合节能。由于传统的每日每月的工艺产量，花费在抽真空上的时间非常长，耗能也日积月累，更需要认真实现低碳原则。特别是追求发展宽领域型真空泵、粘滞流领域的节能泵。对真空室设计展望： 应不断提高穿透(Feedthrough)真空室的技术，主要是创新设计传动穿透和电穿透技术，从而减少能耗。如果穿透技术提高了，终有一天将转架传动齿轮机械移到真空室外，减少真空室体积。