抽氣時間與壓強的計算

抽氣時間與壓強的計算東北大學(xué)《真空系統(tǒng)設(shè)計》之四抽氣時間與壓強的計算真空技術(shù)基本方程亞穩(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)所能達到的最低壓力。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)基本方程3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。（1）容器的容積大于管道的容積。（2）抽氣過程進行的很慢。5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)，則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)基本方程。6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，則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則。如果管路的流導(dǎo)C遠小于泵的抽速Sp，則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。78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。若容器的容積為Vm3，抽氣初始壓強為P0Pa，則容器內(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；實驗表明，材料表面單位時間內(nèi)單位表面積的放氣率q可以用下面的經(jīng)驗公式來計算9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表面的放氣速率，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，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(3)大氣通通過容器壁結(jié)結(jié)構(gòu)材料向真真空室內(nèi)滲透透的氣體流量量Qs，Pa·m3/s。(4)液體或或固體蒸發(fā)的的氣體流量Qz，Pa·m3/s。(5)大氣通通過各種真空空密封的連接接處，通過各各種漏隙通道道泄漏進入真真空室的漏氣氣流量QL，Pa·m3/s。11真空系統(tǒng)的抽抽氣方程當(dāng)真空泵啟動動之后，真空空系統(tǒng)即對被被抽容器抽氣氣。此時，真真空系統(tǒng)對容容器的有效抽抽速若以Se表示，容器中中的壓力以P表示，則單位位時間內(nèi)系統(tǒng)統(tǒng)所排出的氣氣體流量即是是SeP。容器中的壓強強變化率為dP/dt,容器內(nèi)的氣體體減少量即是是VdP/dt。根據(jù)動態(tài)平衡衡，可列出如如下方程:這個方程稱為為真空系統(tǒng)抽抽氣方程。12式中：V是被抽容器的的容積，由于于隨著抽氣時時間t的增長，容器器內(nèi)的壓力P降低，所以容容器內(nèi)的壓強強變化率dP/dt是個負值。因因而VdP/dt是個負值，這這表示容器內(nèi)內(nèi)的氣體減少少量。放氣流流量Qf，滲透氣流量Qs，蒸發(fā)的氣流量量Qz和漏氣流量QL都是使容器內(nèi)內(nèi)氣體量增多多的氣流量。。SeP則是真空系統(tǒng)統(tǒng)將容器內(nèi)氣氣體抽出的氣氣流量，所以以方程中記為為-SeP。對于設(shè)計制造造良好的真空空系統(tǒng)，放氣氣、滲氣、漏漏氣和蒸發(fā)的的氣體流量微微小，在抽氣氣初始階段的的氣體負荷主主要是容器內(nèi)內(nèi)原有的空間間大氣。而當(dāng)當(dāng)抽至1-10-1Pa時，容器中殘殘存的氣體主主要是漏放氣氣。排氣流量量大時，漏放放氣可以忽略略，當(dāng)排出氣氣體主要是漏漏放氣時，抽抽氣過程可能能很慢。13低真空抽氣時時間的計算：：從大氣壓到0.5Pa范圍的抽氣為為低真空抽氣氣階段，一般般用油封式機機械泵和分子子篩吸附泵來來完成。油封封式機械泵在在大氣壓到100Pa范圍抽速近似似為常數(shù)，100-0.5Pa時抽速變化較較大，而分子子篩吸附泵對對氮氣的吸附附速率近似為為常數(shù)。所以以，低真空抽抽氣時間的計計算可分為近似常抽速和變抽速兩種情況近似常抽速時時抽氣時間的的計算不考慮管道影影響和漏放氣氣的抽氣時間間計算油封機械泵在在大氣壓到102Pa范圍內(nèi)抽速近近似為常抽速速。抽氣方程程為：14則可得抽氣時時間計算的最最基本的公式式V是容器的容積積，m3；Sp是真空泵的抽抽速，m3/s；P0是抽氣開始時時容器內(nèi)的壓壓強，Pa；P是抽氣終了時時容器內(nèi)的壓壓強，Pa；t是將容器內(nèi)的的壓強從P0降低到P的抽空時間，，s。15不考慮管道影影響而考慮漏漏放氣時抽氣氣時間的的計算：假定漏放氣流流量Q0為常數(shù)：則Q等于0時系統(tǒng)抽到極極限真空Pu式中：Pu是真空系統(tǒng)所所能達到的極極限真空度，，Pa；其余符號的的意義同前。。16考慮管道影響響而忽略漏放放氣時抽氣時時間的計算（1）粘滯流（2）分子流考慮管道影響響和漏放氣時時抽氣時間計計算式中：Se是真空泵對容容器的有效抽抽速，m3/s；其余符號的的意義同前。。17變抽速時抽氣氣時間的計算算大多數(shù)真空泵泵的抽速都隨隨其入口壓強強的變化而變變化，尤其是是機械真空泵泵，當(dāng)其入口口壓強低于10Pa時，泵的抽速速隨其入口壓壓強的變化更更為顯著。圖圖9是某些真真空泵的抽速速特性曲線示示意圖18分段計算法在一般情況下下，計算變抽抽速時的抽氣氣時間需要首首先知道泵的的抽速與其入入口壓強的關(guān)關(guān)系。假定需需要求容器內(nèi)內(nèi)的壓力由P0降低到P的抽氣時間，，則可以將P0到P這個壓強區(qū)段段分成n段。段數(shù)愈多多，計算的抽抽氣時間愈接接近變抽速的的實際。設(shè)相相應(yīng)每段的抽抽氣時間為t1，t2，…ti…tn，取每段的平均均抽速為S1，S2，Si，…Sn，用相應(yīng)的公公式進行各個個壓力區(qū)段的的抽氣時間計計算,然后求求其代數(shù)和即即得總的抽氣氣時間t。19經(jīng)驗系數(shù)計算算法油封機機械真真空泵泵的實實際抽抽速S隨其入入口壓壓強的的降低低而降降低。。研究究其抽抽速特特性曲曲線發(fā)發(fā)現(xiàn)，，其實實際抽抽速S與其名名義抽抽速Sp的近似似關(guān)系系是:式中：：系數(shù)數(shù)K在不同同壓力力區(qū)間間的取取值如如表2。20因此抽抽氣時時間的的計算算可用用下式式：相當(dāng)于于把大大氣壓壓到1Pa的區(qū)間間分成成5段，分分別計計算每每段的的抽氣氣時間間后相相加即即可。。21高真空空抽氣氣時間間的計計算：：高真空空抽氣氣是指指壓強強從0.5-10-5Pa范圍的的抽氣氣。通通常要要經(jīng)過過機械械真空空泵預(yù)預(yù)抽后后來進進行，，這時時容器器內(nèi)的的氣體體已經(jīng)經(jīng)大大大減少少了，，而其其它氣氣源成成為主主要的的氣體體負荷荷。這這些氣氣源包包括：：（1）微漏漏：大大氣通通過微微小泄泄露通通道進進入真真空室室的氣氣體流流量QL，Pa··m3/s。當(dāng)漏隙隙一定定時為為常量量。（2）滲透透：大大氣通通過容容器壁壁結(jié)構(gòu)構(gòu)材料料向真真空室室內(nèi)擴擴散的的氣體體流量量Qs，Pa··m3/s。具有有選擇擇性，，如氫氫氣分分離為為原子子時能能透過過鐵、、鎳、、鋁等等，氮氮分子子能透透過玻玻璃。。此外外滲透透氣流流量與與溫度度、氣氣體的的分壓壓強有有關(guān)，，當(dāng)材材料種種類、、氣體體溫度度和分分壓強強一定定時，，滲透透氣流流量是是個定定值。。22(3)蒸發(fā)：：液體體或固固體蒸蒸發(fā)的的氣體體流量量Qz，Pa··m3/s。固體和和液體體都有有飽和和蒸汽汽壓，，溫度度一定定時，，材料料的飽飽和蒸蒸汽壓壓是一一定的的，因因而蒸蒸發(fā)氣氣流量量就是是常量量(4)表面解解吸：：釋氣氣，放放氣。。被抽抽容器器被抽抽空后后各種種材料料的放放氣。。單位位時間間內(nèi)的的放氣氣流量量可以以用QfPa·m3/s來示；；實驗表表明，，材料料表面面單位位時間間內(nèi)單單位表表面積積的放放氣率率q可以用用下面面的經(jīng)經(jīng)驗公公式來來計算算式中：：q1是抽空空1h后放氣氣速率率，Pa··m3/(m2·s)；q0是抽空空時間間無限限長之之后材材料表表面的的放氣氣速率率，Pa··m3/(m2·s)；t是抽空空時間間，h；β是與材材料種種類及及其預(yù)預(yù)處理理狀況況有關(guān)關(guān)的放放氣時時間指指數(shù)，，值在在0.5～～2之之間變變化。。真空空室內(nèi)內(nèi)暴露露于真真空下下的構(gòu)構(gòu)件表表面可可能有有多種種材料料，總總的表表面放放氣流流量Qf為:23式中：：Ai是第i種材料料暴露露在真真空下下的表表面積積，m2；q1i是第i種材料料在抽抽空1h后的表表面放放氣速速率，，Pa··m3/(m2·s)；βi是第i種材料料的放放氣時時間指指數(shù)；；Q0是抽氣氣時間間無限限長后后總的的放氣氣流量量，Pa··m3/s；t是抽空空時間間，h。24抽氣過過程中中容器器內(nèi)壓壓強的的計算算：具有表表面放放氣的的管狀狀容器器中壓壓強計計算25兩個以以上串串聯(lián)容容器中中壓強強的計計算：：26例題：：2728謝謝謝大大家家！END299、靜夜四無無鄰，荒居居舊業(yè)貧。。。12月-2212月-22Saturday,December24,202210、雨中黃葉葉樹，燈下下白頭人。。。04:03:5104:03:5104:0312/24/20224:03:51AM11、以我獨沈久久，愧君相見見頻。。12月-2204:03:5104:03Dec-2224-Dec-2212、故人江海別別，幾度隔山山川。。04:03:5104:03:5104:03Saturday,December24,202213、乍見翻疑夢夢，相悲各問問年。。12月-2212月-2204:03:5104:03:51December24,202214、他鄉(xiāng)生白發(fā)發(fā)，舊國見青青山。。24十二月月20224:03:51上午04:03:5112月-2215、比比不不了了得得就就不不比比，，得得不不到到的的就就不不要要。。。。。。十二二月月224:03上上午午12月月-2204:03December24,202216、行行動動出出成成果果，，工工作作出出財財富富。。。。2022/12/244:03:5104:03:5124December202217、做前，，能夠環(huán)環(huán)視四周周；做時時，你只只能或者者最好沿沿著以腳腳為起點點的射線線向前。。。4:03:51上午午4:03上午午04:03:5112月-229、沒有失失敗，只只有暫時時停止成成功！。。12月-2212月-22Saturday,December24,202210、很多事事情努力力了未必必有結(jié)果果，但是是不努力力卻什么么改變也也沒有。。。04:03:5104:03:5104:0312/24/20224:03:51AM11、成功功就是是日復(fù)復(fù)一日日那一一點點點小小小努力力的積積累。。。12月月-2204:03:5104:03Dec-2224-Dec-2212、世間間成事事，不不求其其絕對對圓滿滿，留留一份份不足足，可可得無無限完完美。。。04:03:5104:03:5104:03Saturday,December24,202213、不知香積積寺，數(shù)里里入云峰。。。12月-2212月-2204:03:5104:03:51December24,202214、意志堅堅強的人人能把世世界放在在手中像像泥塊一一樣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