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)算東北大學(xué)《真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)》之四抽氣時(shí)間與壓強(qiáng)的計(jì)算真空技術(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)算抽氣過(guò)程中容器內(nèi)壓強(qiáng)的計(jì)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(méi)有外加負(fù)荷的情況下，經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)時(shí)間的抽氣后，系統(tǒng)所能達(dá)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(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(shuō)的流導(dǎo)。抽氣時(shí)間：是指從大氣壓抽空到所需壓強(qiáng)為止的時(shí)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(dòng)條件：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(guò)程中，即系統(tǒng)內(nèi)的壓力隨時(shí)間變化。這一過(guò)程屬于非穩(wěn)態(tài)過(guò)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)。計(jì)算抽氣時(shí)間一般指從大氣壓開(kāi)始抽空到所需壓強(qiáng)為止的時(shí)間，這一過(guò)程屬于非穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)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(lái)計(jì)算，稱為亞穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。4如果真空系統(tǒng)滿足以下兩個(gè)條件，抽氣過(guò)程為亞穩(wěn)定流動(dòng)的過(guò)程。（1）容器的容積大于管道的容積。（2）抽氣過(guò)程進(jìn)行的很慢。5泵的有效抽速

如果用Se來(lái)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。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(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(shuō)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。如果管路的流導(dǎo)C遠(yuǎn)小于泵的抽速Sp，則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Se≈C，這就是說(shuō),在這種情況下,選擇多大的泵都沒(méi)有用，都不能提高泵對(duì)容器的有效抽速。78真空系統(tǒng)抽氣方程真空泵的氣體負(fù)荷主要來(lái)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?jí)簭?qiáng)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(shí)間內(nèi)的放氣流量可以用QfPa·m3/s來(lái)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(lái)計(jì)算9式中：q1是抽空1h后放氣速率，Pa·m3/(m2·s)；q0是抽空時(shí)間無(wú)限長(zhǎng)之后材料表面的放氣速率，Pa·m3/(m2·s)；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0.5～2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(shí)間指數(shù)；Q0是抽氣時(shí)間無(wú)限長(zhǎng)后總的放氣流量，Pa·m3/s；t是抽空時(shí)間，h。10(3)大氣通通過(guò)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(guò)各種真空空密封的連接接處，通過(guò)各各種漏隙通道道泄漏進(jìn)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(dòng)動(dòng)之后，真空空系統(tǒng)即對(duì)被被抽容器抽氣氣。此時(shí)，真真空系統(tǒng)對(duì)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(shí)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(qiáng)強(qiáng)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(dòng)態(tài)平衡衡，可列出如如下方程:這個(gè)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(shí)時(shí)間t的增長(zhǎng)，容器器內(nèi)的壓力P降低，所以容容器內(nèi)的壓強(qiáng)強(qiáng)變化率dP/dt是個(gè)負(fù)值。因因而VdP/dt是個(gè)負(fù)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(duì)于設(shè)計(jì)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(fù)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(shí)，容器中殘殘存的氣體主主要是漏放氣氣。排氣流量量大時(shí)，漏放放氣可以忽略略，當(dāng)排出氣氣體主要是漏漏放氣時(shí)，抽抽氣過(guò)程可能能很慢。13低真空抽氣時(shí)時(shí)間的計(jì)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(jī)機(jī)械泵和分子子篩吸附泵來(lái)來(lái)完成。油封封式機(jī)械泵在在大氣壓到100Pa范圍抽速近似似為常數(shù)，100-0.5Pa時(shí)抽速變化較較大，而分子子篩吸附泵對(duì)對(duì)氮?dú)獾奈礁剿俾式茷闉槌?shù)。所以以，低真空抽抽氣時(shí)間的計(jì)計(jì)算可分為近似常抽速和變抽速兩種情況近似常抽速時(shí)時(shí)抽氣時(shí)間的的計(jì)算不考慮管道影影響和漏放氣氣的抽氣時(shí)間間計(jì)算油封機(jī)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(shí)時(shí)間計(jì)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(kāi)始時(shí)時(shí)容器內(nèi)的壓壓強(qiáng)，Pa；P是抽氣終了時(shí)時(shí)容器內(nèi)的壓壓強(qiáng)，Pa；t是將容器內(nèi)的的壓強(qiáng)從P0降低到P的抽空時(shí)間，，s。15不考慮管道影影響而考慮漏漏放氣時(shí)抽氣氣時(shí)間的的計(jì)算：假定漏放氣流流量Q0為常數(shù)：則Q等于0時(shí)系統(tǒng)抽到極極限真空Pu式中：Pu是真空系統(tǒng)所所能達(dá)到的極極限真空度，，Pa；其余符號(hào)的的意義同前。。16考慮管道影響響而忽略漏放放氣時(shí)抽氣時(shí)時(shí)間的計(jì)算（1）粘滯流（2）分子流考慮管道影響響和漏放氣時(shí)時(shí)抽氣時(shí)間計(jì)計(jì)算式中：Se是真空泵對(duì)容容器的有效抽抽速，m3/s；其余符號(hào)的的意義同前。。17變抽速時(shí)抽氣氣時(shí)間的計(jì)算算大多數(shù)真空泵泵的抽速都隨隨其入口壓強(qiáng)強(qiáng)的變化而變變化，尤其是是機(jī)械真空泵泵，當(dāng)其入口口壓強(qiáng)低于10Pa時(shí)，泵的抽速速隨其入口壓壓強(qiáng)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(jì)算法在一般情況下下，計(jì)算變抽抽速時(shí)的抽氣氣時(shí)間需要首首先知道泵的的抽速與其入入口壓強(qiáng)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(shí)間，，則可以將P0到P這個(gè)壓強(qiáng)區(qū)段段分成n段。段數(shù)愈多多，計(jì)算的抽抽氣時(shí)間愈接接近變抽速的的實(shí)際。設(shè)相相應(yīng)每段的抽抽氣時(shí)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(jìn)行各個(gè)個(gè)壓力區(qū)段的的抽氣時(shí)間計(jì)計(jì)算,然后求求其代數(shù)和即即得總的抽氣氣時(shí)間t。19經(jīng)驗(yàn)系數(shù)計(jì)算算法油封機(jī)機(jī)械真真空泵泵的實(shí)實(shí)際抽抽速S隨其入入口壓壓強(qiáng)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(shí)實(shí)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(shí)時(shí)間的的計(jì)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(jì)計(jì)算每每段的的抽氣氣時(shí)間間后相相加即即可。。21高真空空抽氣氣時(shí)間間的計(jì)計(jì)算：：高真空空抽氣氣是指指壓強(qiáng)強(qiáng)從0.5-10-5Pa范圍的的抽氣氣。通通常要要經(jīng)過(guò)過(guò)機(jī)械械真空空泵預(yù)預(yù)抽后后來(lái)進(jìn)進(jìn)行，，這時(shí)時(shí)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(fù)荷荷。這這些氣氣源包包括：：（1）微漏漏：大大氣通通過(guò)微微小泄泄露通通道進(jìn)進(jìn)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(shí)為為常量量。（2）滲透透：大大氣通通過(guò)容容器壁壁結(jié)構(gòu)構(gòu)材料料向真真空室室內(nèi)擴(kuò)擴(kuò)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(shí)能能透過(guò)過(guò)鐵、、鎳、、鋁等等，氮氮分子子能透透過(guò)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(qiáng)有有關(guān)，，當(dāng)材材料種種類、、氣體體溫度度和分分壓強(qiáng)強(qiáng)一定定時(shí)，，滲透透氣流流量是是個(gè)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(shí)，，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(shí)間間內(nèi)的的放氣氣流量量可以以用QfPa·m3/s來(lái)示；；實(shí)驗(yàn)表表明，，材料料表面面單位位時(shí)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(yàn)公公式來(lái)來(lái)計(jì)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(shí)間間無(wú)限限長(zhǎng)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(shí)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)間指指數(shù)；；Q0是抽氣氣時(shí)間間無(wú)限限長(zhǎng)后后總的的放氣氣流量量，Pa··m3/s；t是抽空空時(shí)間間，h。24抽氣過(guò)過(guò)程中中容器器內(nèi)壓壓強(qiáng)的的計(jì)算算：具有表表面放放氣的的管狀狀容器器中壓壓強(qiáng)計(jì)計(jì)算25兩個(gè)以以上串串聯(lián)容容器中中壓強(qiáng)強(qiáng)的計(jì)計(jì)算：：26例題：：2728謝謝謝大大家家！END299、靜夜四無(wú)無(wú)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(dú)沈久久，愧君相見(jiàn)見(jiàn)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(jiàn)翻疑夢(mèng)夢(mèng)，相悲各問(wèn)問(wèn)年。。12月-2212月-2204:03:5104:03:51December24,202214、他鄉(xiāng)生白發(fā)發(fā)，舊國(guó)見(jiàn)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(dòng)動(dòng)出出成成果果，，工工作作出出財(cái)財(cái)富富。。。。2022/12/244:03:5104:03:5124December202217、做前，，能夠環(huán)環(huán)視四周周；做時(shí)時(shí)，你只只能或者者最好沿沿著以腳腳為起點(diǎn)點(diǎn)的射線線向前。。。4:03:51上午午4:03上午午04:03:5112月-229、沒(méi)有失失敗，只只有暫時(shí)時(shí)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(méi)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(diǎn)點(diǎn)點(diǎn)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(duì)對(duì)圓滿滿，留留一份份不足足，可可得無(wú)無(wú)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(jiān)堅(jiān)強(qiáng)的人人能把世世界放在在手中像像泥塊一一樣任意意揉捏。。24十十二月20224:03:51上午午04:03:5112月-2215、楚塞三湘接接，荊門九派派通。。。十二月224:03上上午12月-2204:03December24,202216、少年十五二二十時(shí)，步行行奪得胡馬騎騎。。2022/12/244:03:5104:03:5124December202217、空山山新雨雨后，，天氣氣晚來(lái)來(lái)秋。。。4:03:51上上午4:03上上午午04:03:5112月月-229、楊柳柳散和和風(fēng)，，青山山澹吾吾慮。。。12月月-2212月月-22Saturday,December24,202210、閱閱讀讀一一切切好好書書如如同同和和過(guò)過(guò)去去最最杰杰出出的的人人談?wù)勗捲挕！?4:03:5104:03:5104:0312/24/20224:03:51AM11、越越是是沒(méi)沒(méi)有有本本領(lǐng)領(lǐng)的的就就越越加加自自命命不不凡