真空設計節能減排低碳原則的新思考
傳統的真空設計中，對于真空室設計，為了節約加工成本，采用易加工簡(jiǎn)單的真空室，對抽真空系統設計，經(jīng)常選用極限真空較高的機械泵、羅茨泵、擴散泵組合系統，但當前從節能減排的低碳要求出發(fā)，往往是不合理的，而且用戶(hù)日后在長(cháng)期運行中，能耗很大，使應用真空的產(chǎn)品后續成本大為提高。為了創(chuàng )新設計，本文提出真空設計中應更注重節能減排的低碳原則的新思考。
世界經(jīng)濟全球化的迅猛發(fā)展，人類(lèi)社會(huì )生產(chǎn)規模日益擴大，科學(xué)研究與技術(shù)科學(xué)向各領(lǐng)域的發(fā)展既深且廣，世界性的能源短缺瀕臨愈益嚴重的境地。
21 世紀剛開(kāi)始的初期，煤、石油仍為主要能源的歷史時(shí)期仍在延續，清潔能源(太陽(yáng)能、風(fēng)能、水力能、核能、燃料電池等)雖有所增長(cháng)，但目前在運行成本及工業(yè)性推廣上仍存在不少問(wèn)題有待解決。
追溯人類(lèi)使用能源的歷史，大規模使用煤炭、石油尚不足200 年，直到1895 年，發(fā)達的北美、歐洲、能源消耗中木材燃燒仍占90%，20 世紀起，煤炭開(kāi)始占主導，20 世紀20 年代，石油開(kāi)采大幅上升，1920- 1970 年半個(gè)世紀，構成“石油時(shí)代”，1929- 1971 年，世界煤產(chǎn)量上升70%，而同期石油產(chǎn)量上升1000%。由于長(cháng)時(shí)間的歷史積累，煤、石油燃燒生成的碳排放造成地球大氣中溫室氣體(CO2 和CH4 等)的含量顯著(zhù)增加，科學(xué)實(shí)驗表明，這類(lèi)氣體含量少量增加，地球大氣對太陽(yáng)能熱量的吸收率明顯增加，使地球常年平均溫度日益升高，導致氣候變暖，對地球的生態(tài)平衡破壞相當嚴重，冰川線(xiàn)后退，海平面上升，風(fēng)暴，高溫干旱等極端氣候明顯增多，對人類(lèi)社會(huì )的持續發(fā)展和生存造成比歷史上任何時(shí)期更為嚴峻的考驗。
全面推進(jìn)工業(yè)經(jīng)濟中的節能減排，其正確含義應表達為對于一定數量、質(zhì)量的產(chǎn)品，需要盡量節省消耗的能源，生產(chǎn)出同樣數量、質(zhì)量的產(chǎn)品，對大氣排放的溫室氣體盡量要少，顯然，按化學(xué)規律，原含于煤、石油中的碳和氧或氫氣化合成溫室氣體而釋入大氣，使大氣中實(shí)際碳含量增加，人類(lèi)的人為行為應盡量減少這過(guò)程，即所謂“低碳”行為方式。
我國屬于發(fā)展中國家，雖然歷史上碳排放低于發(fā)達國家，目前隨著(zhù)經(jīng)濟總量已達世界第二大經(jīng)濟體，實(shí)現低碳經(jīng)濟的目標刻不容緩。2009 年1 月清華大學(xué)在國內率先成立低碳經(jīng)濟研究院。
2009 年3 月中科院發(fā)布《2009 中國可持續發(fā)展戰略報告》，提出2020 年單位GDP 的CO2 的排放降低50%左右目標。2009 年9 月胡錦濤主席在聯(lián)合國氣候變化峰會(huì )上承諾：“中國進(jìn)一步將應對氣候變化納入經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展規劃……”。節能減排已正式納入我國“十二五”規劃，2020 年實(shí)現我國單位國內生產(chǎn)總值CO2 排放比2005 年下降40%~45%的莊嚴承諾，這也是十分沉重的責任：一方面需要改變經(jīng)濟增長(cháng)方式，調整經(jīng)濟結構，向低碳經(jīng)濟轉型，另一方面需要政府、民間組織、企業(yè)、個(gè)人等都能自覺(jué)成為這場(chǎng)革命的參與者、奉獻者，反過(guò)來(lái)成為受益者。
國際上1997 年在日本第三次締約國大會(huì )“京都議定書(shū)”目標：2008~2012 年應在1990 年基礎上減排下降5.2%。經(jīng)過(guò)100 多個(gè)國家批準，2005 年2 月6 日此議定書(shū)生效，2007 年12 月印尼巴厘島上召開(kāi)“聯(lián)合國氣候變化大會(huì )”，進(jìn)一步肯定此議定書(shū)。
1、真空行業(yè)的碳排放
真空行業(yè)應包括真空工業(yè)和真空科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域，在20 世紀中獲顯著(zhù)發(fā)展，主要是因為其他工業(yè)、技術(shù)領(lǐng)域對真空的需求增加了。特別是信息產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，電子工業(yè)對真空設備的需求大幅增加。航天工業(yè)中地面試驗，大量采用真空模擬環(huán)境，對真空設備大規模使用�？梢�(jiàn)真空行業(yè)涉及的領(lǐng)域日益廣闊：如電子和微電子工業(yè)，機械工業(yè)、航空、航天工業(yè)、冶金工業(yè)、核工業(yè)、薄膜和表面工程技術(shù)，太陽(yáng)能利用工程，現代食品、輕化等，21 世紀真空應用方面發(fā)展廣度和深度更是不可估量。顯然這樣宏大的發(fā)展規模，在稠密大氣層環(huán)境下運作，抽真空所需能耗也相應增大，與這樣的發(fā)展相比，減少真空行業(yè)的碳排放卻不相匹配，節能減排刻不容緩，至少從真空設計方面值得社會(huì )各界思考。
2、真空設計應更注重節能減排的低碳原則
真空工業(yè)和技術(shù)現在也夠得上用電大戶(hù)，抽真空主要消耗電能，數據舉例：
以常用的典型2X系列旋片真空泵之一為例計算能耗：2X- 30 真空機械泵。電機功率4 kW，一天運行8 h，耗電=4 kW×8 h=32 度電2X- 70 真空機械泵。電機功率5.5 kW，一天運行8 h，耗電=5.5 kW×8 h=44 度電真空設備供應商長(cháng)時(shí)期內定點(diǎn)配供數百家用戶(hù)，每家使用用戶(hù)以20 臺平均值計算。2X- 30 泵一天8 h 范圍內運行300(家)用戶(hù)×20(臺)×32(度電)=19.2 萬(wàn)度~20 萬(wàn)度電/ 天。2X- 70 泵一天8 h 范圍內運行300(家)用戶(hù)×20(臺)×44(度電)=26.4 萬(wàn)度~27 萬(wàn)度電/ 天。全國不下50 家真空設備供應商，則銷(xiāo)售在外運行的上述兩泵近20 萬(wàn)度/ 天+27 萬(wàn)度/天×50 家供應商≈2350 萬(wàn)度電耗/ 天。
以常用的典型K 系列油擴散泵之一為例計算能耗：K- 600 油擴散泵：加熱功率8~9 kW，一天運行8 h，耗電= 8 kW×8h = 64 度電，一家真空設備供應商長(cháng)期積累限定供配的280 家計算，每家使用用戶(hù)以10 臺平均值計算：K- 600 泵，則一天8 h 范圍內運行耗電：280×10×64=17.9 萬(wàn)度~18 萬(wàn)度電/ 天。全國不下50 家真空設備供應商，則近18×50=900 萬(wàn)度電/ 天。
僅計算2X- 30、2X- 70，K- 600 泵1 天運行的能耗至少達2350 萬(wàn)度電+900 萬(wàn)度電=3250 萬(wàn)度電。這例計算是不完全的，粗略的，更未計算其它型號多種真空泵的能耗，從上述可見(jiàn)能耗之大，非同小可。
根據碳排放“足跡”分析，CO2 三大來(lái)源：①火力發(fā)電排放占41%總排放。②汽車(chē)排放占25%總排放。③建筑排放占27%總排放。要實(shí)現低碳經(jīng)濟，必須低能耗、低污染、低排放為基礎的經(jīng)濟發(fā)展模式，也是人類(lèi)社會(huì )繼農業(yè)文明到工業(yè)文明到生態(tài)文明的又一次重大進(jìn)步。真空行業(yè)也在這個(gè)進(jìn)步進(jìn)程中，一樣負有促進(jìn)的歷史責任。
過(guò)去的真空設計較多考慮真空室參數選用，抽氣時(shí)間計算，真空室容積、抽氣速率、漏率、壓升率、極限真空、強度計算、真空管道分子流流導計算，真空系統的設計和選用。
當然這些都是需要的，在當時(shí)的歷史經(jīng)濟背景下，很少考慮節能減排，而在當前的世界經(jīng)濟發(fā)展危及地球氣候變暖，生態(tài)失去平衡，以及能源短缺的背景下，真空設計注重節能減排的低碳原則，同其它用電大戶(hù)一樣，有義不容辭的責任，固然，這樣改進(jìn)真空設計，一般也可能降低真空設備制造成本，但有時(shí)即使設計中貫徹低碳原則，提高了些成本，也應在所不惜，譬如涉及抽氣時(shí)間的真空室容積選擇，不能一開(kāi)始就選用圓柱形筒狀，必須依低碳原則考慮一下其它形狀能否更節能。在現代先進(jìn)的加工、焊接技術(shù)條件下，需要權衡一下把節能考慮的‘權重’提高。又譬如涉及極限真空的選擇，不能一開(kāi)始就追求選用高極限真空的指標，極限真空非常高，當然能使背景真空非常潔凈，對工藝有利，但不能無(wú)節制，常常在不影響工藝的條件下，可以選用極限真空不太高的指標，后面我們舉例采用分子增壓泵，即反映這種情形。
5、結束語(yǔ)
縮短工藝運轉周期，縮短抽氣時(shí)間應包括與過(guò)程除氣(即縮短放氣除氣在內的過(guò)程)綜合節能。由于傳統的每日每月的工藝產(chǎn)量，花費在抽真空上的時(shí)間非常長(cháng)，耗能也日積月累，更需要認真實(shí)現低碳原則。特別是追求發(fā)展寬領(lǐng)域型真空泵、粘滯流領(lǐng)域的節能泵。對真空室設計展望： 應不斷提高穿透(Feedthrough)真空室的技術(shù)，主要是創(chuàng )新設計傳動(dòng)穿透和電穿透技術(shù)，從而減少能耗。如果穿透技術(shù)提高了，終有一天將轉架傳動(dòng)齒輪機械移到真空室外，減少真空室體積。
