抽氣時間與壓強的計算東北大學(xué)?真空系統(tǒng)設(shè)計?之四編輯課件抽氣時間與壓強的計算真空技術(shù)根本方程亞穩(wěn)態(tài)流動條件泵的有效抽速真空系統(tǒng)抽氣方程抽氣時間計算低真空抽氣時間計算高真空抽氣時間計算抽氣過程中容器內(nèi)壓強的計算

2編輯課件真空系統(tǒng)最主要的性能參數(shù)：極限真空度：是指在沒有外加負荷的情況下，經(jīng)過足夠長時間的抽氣后，系統(tǒng)所能到達的最低壓力。有效抽速：是指在容器出口處的壓力下，單位時間內(nèi)真空系統(tǒng)能夠從被抽容器中所抽除的氣體體積。真空系統(tǒng)對容器的有效抽速不僅取決于真空泵的抽速，也取決于真空系統(tǒng)管路對氣體的導(dǎo)通性能，即所說的流導(dǎo)。抽氣時間：是指從大氣壓抽空到所需壓強為止的時間。真空技術(shù)根本方程3編輯課件真空系統(tǒng)抽氣的亞穩(wěn)態(tài)流動條件：真空系統(tǒng)在抽到所需要的真空度之前，都處于壓強逐漸降低的過程中，即系統(tǒng)內(nèi)的壓力隨時間變化。這一過程屬于非穩(wěn)態(tài)過程，其中的氣體流動屬于非穩(wěn)定流動。當(dāng)抽除的氣體流量等于系統(tǒng)中的放氣流量時，系統(tǒng)內(nèi)各處的壓強不在變化，即穩(wěn)定流動。計算抽氣時間一般指從大氣壓開始抽空到所需壓強為止的時間，這一過程屬于非穩(wěn)定流動過程，需要求解復(fù)雜的微分方程，比較困難，因此人們把滿足一定條件的非穩(wěn)定流動近似看做為穩(wěn)定流動來計算，稱為亞穩(wěn)態(tài)流動。4編輯課件如果真空系統(tǒng)滿足以下兩個條件，抽氣過程為亞穩(wěn)定流動的過程?！?〕容器的容積大于管道的容積?！?〕抽氣過程進行的很慢。5編輯課件泵的有效抽速如果用Se來表示真空系統(tǒng)對容器的有效抽速，用Sp表示真空泵的抽速，C表示真空容器出口到真空泵入口之間管路的流導(dǎo)，那么有如果知道泵的抽速Sp和管路的流導(dǎo)C，就可以計算出系統(tǒng)對容器有效抽速，這個方程被稱為真空技術(shù)根本方程。6編輯課件有效抽速小于泵的抽速，也小于管道的流導(dǎo)如果管路的流導(dǎo)C遠大于泵的抽速Sp，那么Sp/C的值遠小于1，此時真空系統(tǒng)對容器的有效抽速Se≈Sp。這就是說為了充分發(fā)揮泵對容器的抽氣作用，在設(shè)計真空系統(tǒng)管路時，應(yīng)使管路的流導(dǎo)盡可能大一些。因此真空管路應(yīng)該粗而短，切不可細而長。這是設(shè)計連接管道時的一條重要原那么。如果管路的流導(dǎo)C遠小于泵的抽速Sp，那么C/Sp的值遠小于1，此時真空系統(tǒng)對容器的有效抽速Se≈C，這就是說,在這種情況下,選擇多大的泵都沒有用，都不能提高泵對容器的有效抽速。7編輯課件8編輯課件真空系統(tǒng)抽氣方程真空泵的氣體負荷主要來自真空室內(nèi)的各種氣體，包括：(1)被抽容器內(nèi)原有的空間大氣。假設(shè)容器的容積為Vm3，抽氣初始壓強為P0Pa，那么容器內(nèi)原有的空間大氣量為VP0Pa·m3；(2)被抽容器被抽空后各種材料的放氣。單位時間內(nèi)的放氣流量可以用QfPa·m3/s來示；實驗說明，材料外表單位時間內(nèi)單位外表積的放氣率q可以用下面的經(jīng)驗公式來計算9編輯課件式中：q1是抽空1h后放氣速率，Pa·m3/(m2·s)；q0是抽空時間無限長之后材料外表的放氣速率，Pa·m3/(m2·s)；t是抽空時間，h；是與材料種類及其預(yù)處理狀況有關(guān)的放氣時間指數(shù)，值在0.5～2之間變化。真空室內(nèi)暴露于真空下的構(gòu)件外表可能有多種材料，總的外表放氣流量Qf為:式中：Ai是第i種材料暴露在真空下的外表積，m2；q1i是第i種材料在抽空1h后的外表放氣速率，Pa·m3/(m2·s)；βi是第i種材料的放氣時間指數(shù)；Q0是抽氣時間無限長后總的放氣流量，Pa·m3/s；t是抽空時間，h。10編輯課件(3)大氣通過容器壁結(jié)構(gòu)材料向真空室內(nèi)滲透的氣體流量Qs，Pa·m3/s。(4)液體或固體蒸發(fā)的氣體流量Qz，Pa·m3/s

。(5)大氣通過各種真空密封的連接處，通過各種漏隙通道泄漏進入真空室的漏氣流量QL

，Pa·m3/s。11編輯課件真空系統(tǒng)的抽氣方程當(dāng)真空泵啟動之后，真空系統(tǒng)即對被抽容器抽氣。此時，真空系統(tǒng)對容器的有效抽速假設(shè)以Se表示，容器中的壓力以P表示，那么單位時間內(nèi)系統(tǒng)所排出的氣體流量即是SeP。容器中的壓強變化率為dP/dt,容器內(nèi)的氣體減少量即是VdP/dt。根據(jù)動態(tài)平衡，可列出如下方程:這個方程稱為真空系統(tǒng)抽氣方程。12編輯課件式中：V是被抽容器的容積，由于隨著抽氣時間t的增長，容器內(nèi)的壓力P降低，所以容器內(nèi)的壓強變化率dP/dt是個負值。因而VdP/dt是個負值，這表示容器內(nèi)的氣體減少量。放氣流量Qf，滲透氣流量Qs，蒸發(fā)的氣流量Qz和漏氣流量QL都是使容器內(nèi)氣體量增多的氣流量。SeP那么是真空系統(tǒng)將容器內(nèi)氣體抽出的氣流量，所以方程中記為-SeP。對于設(shè)計制造良好的真空系統(tǒng)，放氣、滲氣、漏氣和蒸發(fā)的氣體流量微小，在抽氣初始階段的氣體負荷主要是容器內(nèi)原有的空間大氣。而當(dāng)抽至1-10-1Pa時，容器中殘存的氣體主要是漏放氣。排氣流量大時，漏放氣可以忽略，當(dāng)排出氣體主要是漏放氣時，抽氣過程可能很慢。13編輯課件低真空抽氣時間的計算：從大氣壓到0.5Pa范圍的抽氣為低真空抽氣階段，一般用油封式機械泵和分子篩吸附泵來完成。油封式機械泵在大氣壓到100Pa范圍抽速近似為常數(shù)，100-0.5Pa時抽速變化較大，而分子篩吸附泵對氮氣的吸附速率近似為常數(shù)。所以，低真空抽氣時間的計算可分為近似常抽速和變抽速兩種情況近似常抽速時抽氣時間的計算不考慮管道影響和漏放氣的抽氣時間計算油封機械泵在大氣壓到102Pa范圍內(nèi)抽速近似為常抽速。抽氣方程為(忽略)：14編輯課件那么可得抽氣時間計算的最根本的公式

V是容器的容積，m3；Sp是真空泵的抽速，m3/s；P0是抽氣開始時容器內(nèi)的壓強，Pa；P是抽氣終了時容器內(nèi)的壓強，Pa；t是將容器內(nèi)的壓強從P0降低到P的抽空時間，s。15編輯課件不考慮管道影響而考慮漏放氣時抽氣時間的計算：假定漏放氣流量Q0為常數(shù)：那么Q等于0時系統(tǒng)抽到極限真空Pu

式中：Pu是真空系統(tǒng)所能到達的極限真空度，Pa；其余符號的意義同前。

16編輯課件考慮管道影響而忽略漏放氣時抽氣時間的計算〔1〕粘滯流〔2〕分子流考慮管道影響和漏放氣時抽氣時間計算

式中：Se是真空泵對容器的有效抽速，m3/s；其余符號的意義同前。17編輯課件變抽速時抽氣時間的計算大多數(shù)真空泵的抽速都隨其入口壓強的變化而變化，尤其是機械真空泵，當(dāng)其入口壓強低于10Pa時，泵的抽速隨其入口壓強的變化更為顯著。圖9是某些真空泵的抽速特性曲線示意圖18編輯課件分段計算法在一般情況下，計算變抽速時的抽氣時間需要首先知道泵的抽速與其入口壓強的關(guān)系。假定需要求容器內(nèi)的壓力由P0降低到P的抽氣時間，那么可以將P0到P這個壓強區(qū)段分成n段。段數(shù)愈多，計算的抽氣時間愈接近變抽速的實際。設(shè)相應(yīng)每段的抽氣時間為t1，t2，…ti…tn，取每段的平均抽速為S1，S2，Si，…Sn，用相應(yīng)的公式進行各個壓力區(qū)段的抽氣時間計算,然后求其代數(shù)和即得總的抽氣時間t。

19編輯課件經(jīng)驗系數(shù)計算法油封機械真空泵的實際抽速S隨其入口壓強的降低而降低。研究其抽速特性曲線發(fā)現(xiàn)，其實際抽速S與其名義抽速Sp的近似關(guān)系是:式中：系數(shù)K在不同壓力區(qū)間的取值如表2。20編輯課件因此抽氣時間的計算可用下式：相當(dāng)于把大氣壓到1Pa的區(qū)間分成5段，分別計算每段的抽氣時間后相加即可。21編輯課件高真空抽氣時間的計算：高真空抽氣是指壓強從0.5-10-5Pa范圍的抽氣。通常要經(jīng)過機械真空泵預(yù)抽后來進行，這時容器內(nèi)的氣體已經(jīng)大大減少了，而其它氣源成為主要的氣體負荷。這些氣源包括：〔1〕微漏：大氣通過微小泄露通道進入真空室的氣體流量QL，Pa·m3/s。當(dāng)漏隙一定時為常量?！?〕滲透：大氣通過容器壁結(jié)構(gòu)材料向真空室內(nèi)擴散的氣體流量Qs，Pa·m3/s。具有選擇性，如氫氣別離為原子時能透過鐵、鎳、鋁等，氮分子能透過玻璃。此外滲透氣流量與溫度、氣體的分壓強有關(guān)，當(dāng)材料種類、氣體溫度和分壓強一定時，滲透氣流量是個定值。22編輯課件(3)蒸發(fā)：液體或固體蒸發(fā)的氣體流量Qz，Pa·m3/s。固體和液體都有飽和蒸汽壓，溫度一定時，材料的飽和蒸汽壓是一定的，因而蒸發(fā)氣流量就是常量(4)外表解吸：釋氣，放氣。被抽容器被抽空后各種材料的放氣。單位時間內(nèi)的放氣流量可以用QfPa·m3/s來示；實驗說明，材料外表單位時間內(nèi)單位外表積的放氣率q可以用下面的經(jīng)驗公式來計算式中：q1是抽空1h后放氣速率，Pa·m3/(m2·s)；q0是抽空時間無限長之后材料外表的放氣速率，Pa·m3/(m2·s)；t是抽空時間，h；β是與材料種類及其預(yù)處理狀況有關(guān)的放氣時間指數(shù)，值在0.5～2之間變化。真空室內(nèi)暴露于真空下的構(gòu)件外表可能有多種材料，總的外表放氣流量Qf為:23編輯課件式中：Ai是第i種材料暴露在真空下的外表積，m