抽氣時(shí)間與壓強(qiáng)的計(jì)算

1、抽氣時(shí)間與壓強(qiáng)的計(jì)算抽氣時(shí)間與壓強(qiáng)的計(jì)算真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)之四之四2抽氣時(shí)間與壓強(qiáng)的計(jì)算抽氣時(shí)間與壓強(qiáng)的計(jì)算l真空技術(shù)基本方程亞穩(wěn)態(tài)流動(dòng)條件泵的有效抽速真空系統(tǒng)抽氣方程l抽氣時(shí)間計(jì)算低真空抽氣時(shí)間計(jì)算高真空抽氣時(shí)間計(jì)算l抽氣過程中容器內(nèi)壓強(qiáng)的計(jì)算3真空系統(tǒng)最主要的性能參數(shù)：u極限真空度：是指在沒有外加負(fù)荷的情況下，經(jīng)過足夠長(zhǎng)時(shí)間的抽氣后，系統(tǒng)所能達(dá)到的最低壓力。u有效抽速：是指在容器出口處的壓力下，單位時(shí)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(duì)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(duì)氣體的導(dǎo)通性能，即所說的流導(dǎo)。u抽氣時(shí)間：是指從大氣壓抽空到所需壓強(qiáng)為

2、止的時(shí)間。真空技術(shù)基本方程4真空系統(tǒng)抽氣的亞穩(wěn)態(tài)流動(dòng)條件：u真空系統(tǒng)在抽到所需要的真空度之前，都處于壓強(qiáng)逐漸降低的過程中，即系統(tǒng)內(nèi)的壓力隨時(shí)間變化。這一過程屬于非穩(wěn)態(tài)過程，其中的氣體流動(dòng)屬于非穩(wěn)定流動(dòng)。當(dāng)抽除的氣體流量等于系統(tǒng)中的放氣流量時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)各處的壓強(qiáng)不在變化，即穩(wěn)定流動(dòng)。u計(jì)算抽氣時(shí)間一般指從大氣壓開始抽空到所需壓強(qiáng)為止的時(shí)間，這一過程屬于非穩(wěn)定流動(dòng)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(dòng)近似看做為穩(wěn)定流動(dòng)來計(jì)算，稱為亞穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。5u如果真空系統(tǒng)滿足以下兩個(gè)條件，抽氣過程為亞穩(wěn)定流動(dòng)的過程。 （1）容器的容積大于管道的容積。 （2）抽氣過程進(jìn)行的很慢。

3、6泵的有效抽速 如果用Se來表示真空系統(tǒng)對(duì)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)，則有如果知道泵的抽速Sp和管路的流導(dǎo)C，就可以計(jì)算出系統(tǒng)對(duì)容器有效抽速，這個(gè)方程被稱為真空技術(shù)基本方程。真空技術(shù)基本方程。7u有效抽速小于泵的抽速，也小于管道的流導(dǎo)u如果管路的流導(dǎo)C遠(yuǎn)大于泵的抽速Sp，則Sp /C的值遠(yuǎn)小于1，此時(shí)真空系統(tǒng)對(duì)容器的有效抽速Se Sp 。這就是說為了充分發(fā)揮泵對(duì)容器的抽氣作用，在設(shè)計(jì)真空系統(tǒng)管路時(shí)，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(xì)而長(zhǎng)。這是設(shè)計(jì)連接管道時(shí)的一條重要原則。u如果管路的流導(dǎo)C遠(yuǎn)小于泵的抽速Sp，則

4、C/ Sp的值遠(yuǎn)小于1，此時(shí)真空系統(tǒng)對(duì)容器的有效抽速SeC，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(duì)容器的有效抽速。89真空系統(tǒng)抽氣方程u真空泵的氣體負(fù)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。若容器的容積為V m3，抽氣初始?jí)簭?qiáng)為P0 Pa，則容器內(nèi)原有的空間大氣量為VP0 Pam3； (2)被抽容器被抽空后各種材料的放氣。單位時(shí)間內(nèi)的放氣流量可以用Qf Pam3/s來示； 實(shí)驗(yàn)表明，材料表面單位時(shí)間內(nèi)單位表面積的放氣率q可以用下面的經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算10式中：q1是抽空1h后放氣速率，Pam3/(m2s)；q0是抽空時(shí)間無限長(zhǎng)之后材料表面的放氣速

5、率，Pam3/(m2s)；t是抽空時(shí)間，h；是與材料種類及其預(yù)處理狀況有關(guān)的放氣時(shí)間指數(shù)，值在0.52之間變化。真空室內(nèi)暴露于真空下的構(gòu)件表面可能有多種材料，總的表面放氣流量Qf為: 式中：Ai是第i種材料暴露在真空下的表面積，m2；q1i是第i種材料在抽空1h后的表面放氣速率， Pam3/(m2s)；i是第i種材料的放氣時(shí)間指數(shù)；Q0是抽氣時(shí)間無限長(zhǎng)后總的放氣流量， Pam3/s；t是抽空時(shí)間，h。11 (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 ，Pam3/s。 (4)液體或固體蒸發(fā)的氣體流量Qz，Pam3/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(jìn)入

6、真空室的漏氣流量QL ，Pam3/s 。12u真空系統(tǒng)的抽氣方程 當(dāng)真空泵啟動(dòng)之后，真空系統(tǒng)即對(duì)被抽容器抽氣。此時(shí)，真空系統(tǒng)對(duì)容器的有效抽速若以Se表示，容器中的壓力以P表示，則單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)所排出的氣體流量即是SeP。容器中的壓強(qiáng)變化率為dP/dt,容器內(nèi)的氣體減少量即是VdP/dt。根據(jù)動(dòng)態(tài)平衡，可列出如下方程: 這個(gè)方程稱為真空系統(tǒng)抽氣方程。13 式中：V是被抽容器的容積，由于隨著抽氣時(shí)間t的增長(zhǎng)，容器內(nèi)的壓力P降低，所以容器內(nèi)的壓強(qiáng)變化率dP/dt是個(gè)負(fù)值。因而VdP/dt是個(gè)負(fù)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

7、增多的氣流量。SeP則是真空系統(tǒng)將容器內(nèi)氣體抽出的氣流量，所以方程中記為- SeP 。 對(duì)于設(shè)計(jì)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(fù)荷主要是容器內(nèi)原有的空間大氣。而當(dāng)抽至1-10-1Pa時(shí)，容器中殘存的氣體主要是漏放氣。排氣流量大時(shí)，漏放氣可以忽略，當(dāng)排出氣體主要是漏放氣時(shí)，抽氣過程可能很慢。14低真空抽氣時(shí)間的計(jì)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(jī)械泵和分子篩吸附泵來完成。油封式機(jī)械泵在大氣壓到100Pa范圍抽速近似為常數(shù)，100-0.5Pa時(shí)抽速變化較大，而分子篩吸附泵對(duì)氮?dú)獾奈剿俾式茷槌?shù)。所以，低真空抽氣時(shí)

8、間的計(jì)算可分為近似常抽速和變抽速兩種情況u近似常抽速時(shí)抽氣時(shí)間的計(jì)算不考慮管道影響和漏放氣的抽氣時(shí)間計(jì)算 油封機(jī)械泵在大氣壓到102 Pa范圍內(nèi)抽速近似為常抽速。抽氣方程為(忽略)：15 則可得抽氣時(shí)間計(jì)算的最基本的公式 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(shí)容器內(nèi)的壓強(qiáng)，Pa；P是抽氣終了時(shí)容器內(nèi)的壓強(qiáng)，Pa；t是將容器內(nèi)的壓強(qiáng)從P0降低到P的抽空時(shí)間，s。16不考慮管道影響而考慮漏放氣時(shí)抽氣時(shí)間 的計(jì)算： 假定漏放氣流量Q0為常數(shù)：則Q等于0時(shí)系統(tǒng)抽到極限真空Pu 式中：Pu是真空系統(tǒng)所能達(dá)到的極限真空度，Pa；其余符號(hào)的意義同前。 17考慮管道影響而忽略漏放

9、氣時(shí)抽氣時(shí)間的計(jì)算 （1）粘滯流 （2）分子流考慮管道影響和漏放氣時(shí)抽氣時(shí)間計(jì)算 式中：Se是真空泵對(duì)容器的有效抽速，m3/s；其余符號(hào)的意義同前。18變抽速時(shí)抽氣時(shí)間的計(jì)算 大多數(shù)真空泵的抽速都隨其入口壓強(qiáng)的變化而變化，尤其是機(jī)械真空泵，當(dāng)其入口壓強(qiáng)低于10Pa時(shí)，泵的抽速隨其入口壓強(qiáng)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19分段計(jì)算法 在一般情況下，計(jì)算變抽速時(shí)的抽氣時(shí)間需要首先知道泵的抽速與其入口壓強(qiáng)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(shí)間，則可以將P0到P這個(gè)壓強(qiáng)區(qū)段分成n段。段數(shù)愈多，計(jì)算的抽氣時(shí)間愈接近變抽速的實(shí)際。設(shè)相應(yīng)每段的抽氣時(shí)間為t1，t2，ti

10、tn，取每段的平均抽速為S1，S2，Si，Sn，用相應(yīng)的公式進(jìn)行各個(gè)壓力區(qū)段的抽氣時(shí)間計(jì)算,然后求其代數(shù)和即得總的抽氣時(shí)間t。 20經(jīng)驗(yàn)系數(shù)計(jì)算法 油封機(jī)械真空泵的實(shí)際抽速S隨其入口壓強(qiáng)的降低而降低。研究其抽速特性曲線發(fā)現(xiàn)，其實(shí)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。21 因此抽氣時(shí)間的計(jì)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(jì)算每段的抽氣時(shí)間后相加即可。22高真空抽氣時(shí)間的計(jì)算： 高真空抽氣是指壓強(qiáng)從0.5-10-5Pa范圍的抽氣。通常要經(jīng)過機(jī)械真空泵預(yù)抽后來進(jìn)行，這時(shí)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(fù)荷。這些氣源

11、包括： （1）微漏：大氣通過微小泄露通道進(jìn)入真空室的氣體流量QL ，Pam3/s 。當(dāng)漏隙一定時(shí)為常量。 （2）滲透：大氣通過容器壁結(jié)構(gòu)材料向真空室內(nèi)擴(kuò)散的氣體流量Qs ，Pam3/s。具有選擇性，如氫氣分離為原子時(shí)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(qiáng)有關(guān)，當(dāng)材料種類、氣體溫度和分壓強(qiáng)一定時(shí)，滲透氣流量是個(gè)定值。23 (3)蒸發(fā)：液體或固體蒸發(fā)的氣體流量Qz，Pam3/s 。固體和液體都有飽和蒸汽壓，溫度一定時(shí)，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)表面解吸：釋氣，放氣。被抽容器被抽空后各種材料的放氣。單位時(shí)間內(nèi)的放氣流量可以用Qf Pam3/s來示； 實(shí)驗(yàn)表明，材料表面單位時(shí)間內(nèi)單位表面積的放氣率q可以用下面的經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算 式中：q1是抽空1h后放氣速率，Pam3/(m2s)；q0是抽空時(shí)間無限長(zhǎng)之后材料表面的放氣速率，Pam3/(m2s)；t是抽空時(shí)間，h；是與材料種類及其預(yù)處理狀況有關(guān)的放氣時(shí)間指數(shù)，值在0.52之間變化。真空室內(nèi)暴露于真空下的構(gòu)件表面可能有多種材料，總的表面放氣流量Qf為: 24 式中：Ai是第i種