抽气时间与压强的计算.ppt

抽气时间与压强的计算抽气时间与压强的计算东北大学 真空系统设计之四2抽气时间与压强的计算抽气时间与压强的计算n n真空技术基本方程真空技术基本方程亚稳态流动条件亚稳态流动条件泵的有效抽速泵的有效抽速真空系统抽气方程真空系统抽气方程n n抽气时间计算抽气时间计算低真空抽气时间计算低真空抽气时间计算高真空抽气时间计算高真空抽气时间计算n n抽气过程中容器内压强的计算抽气过程中容器内压强的计算3真空系统最主要的性能参数：真空系统最主要的性能参数：uu极限真空度：极限真空度：是指在没有外加负荷的情况下，是指在没有外加负荷的情况下，经过足够长时间的抽气后，系统所能达到的最经过足够长时间的抽气后，系统所能达到的最低压力。低压力。uu有效抽速：有效抽速：是指在容器出口处的压力下，单位是指在容器出口处的压力下，单位时间内真空系统能够从被抽容器中所抽除的气时间内真空系统能够从被抽容器中所抽除的气体体积。真空系统对容器的有效抽速不仅取决体体积。真空系统对容器的有效抽速不仅取决于真空泵的抽速，也取决于真空系统管路对气于真空泵的抽速，也取决于真空系统管路对气体的导通性能，即所说的流导。体的导通性能，即所说的流导。uu抽气时间：抽气时间：是指从大气压抽空到所需压强为止是指从大气压抽空到所需压强为止的时间。的时间。真空技术基本方程真空技术基本方程4真空系统抽气的亚稳态流动条件：真空系统抽气的亚稳态流动条件：uu真空系统在抽到所需要的真空度之前，都处于压真空系统在抽到所需要的真空度之前，都处于压强逐渐降低的过程中，即系统内的压力随时间变强逐渐降低的过程中，即系统内的压力随时间变化。这一过程属于非稳态过程，其中的气体流动化。这一过程属于非稳态过程，其中的气体流动属于非稳定流动。当抽除的气体流量等于系统中属于非稳定流动。当抽除的气体流量等于系统中的放气流量时，系统内各处的压强不在变化，即的放气流量时，系统内各处的压强不在变化，即稳定流动。稳定流动。uu计算抽气时间一般指从大气压开始抽空到所需压计算抽气时间一般指从大气压开始抽空到所需压强为止的时间，这一过程属于非稳定流动过程，强为止的时间，这一过程属于非稳定流动过程，需要求解复杂的微分方程，比较困难，因此人们需要求解复杂的微分方程，比较困难，因此人们把满足一定条件的非稳定流动近似看做为稳定流把满足一定条件的非稳定流动近似看做为稳定流动来计算，称为亚稳态流动。动来计算，称为亚稳态流动。5uu如果真空系统满足以下如果真空系统满足以下两个条件，抽气过程为两个条件，抽气过程为亚稳定流动的过程。亚稳定流动的过程。（1 1）容器的容积大于管）容器的容积大于管道的容积。道的容积。（2 2）抽气过程进行的很）抽气过程进行的很慢。慢。6泵的有效抽速泵的有效抽速 如果用如果用SeSe来表示真空系统对容器的有效抽速，用来表示真空系统对容器的有效抽速，用SpSp表示真空泵的抽速，表示真空泵的抽速，C C表示真空容器出口到真表示真空容器出口到真空泵入口之间管路的流导，则有空泵入口之间管路的流导，则有如果知道泵的抽速Sp和管路的流导C，就可以计算出系统对容器有效抽速，这个方程被称为真空技术基本方程。7uu有效抽速小于泵的抽速，也小于管道的流导有效抽速小于泵的抽速，也小于管道的流导uu如果管路的流导如果管路的流导C C远大于泵的抽速远大于泵的抽速S Sp p，则则S Sp p /C/C的的值远小于值远小于1 1，此时真空系统对容器的有效抽速，此时真空系统对容器的有效抽速Se SSe Sp p 。这就是说为了充分发挥泵对容器的抽气这就是说为了充分发挥泵对容器的抽气作用，在设计真空系统管路时，应使管路的流导作用，在设计真空系统管路时，应使管路的流导尽可能大一些。因此真空管路应该粗而短，切不尽可能大一些。因此真空管路应该粗而短，切不可细而长。这是设计连接管道时的一条重要原则。可细而长。这是设计连接管道时的一条重要原则。uu如果管路的流导如果管路的流导C C远小于泵的抽速远小于泵的抽速S Sp p，则则C/SC/Sp p的的值远小于值远小于1 1，此时真空系统对容器的有效抽速，此时真空系统对容器的有效抽速SeCSeC，这就是说，这就是说,在这种情况下在这种情况下,选择多大的泵选择多大的泵都没有用，都不能提高泵对容器的有效抽速。都没有用，都不能提高泵对容器的有效抽速。89真空系统抽气方程真空系统抽气方程uu真空泵的气体负荷主要来自真空室内的各种气真空泵的气体负荷主要来自真空室内的各种气体，包括：体，包括：(1)(1)被抽容器内原有的空间大气。若容器的容积被抽容器内原有的空间大气。若容器的容积为为V mV m3 3，抽气初始压强为，抽气初始压强为P P0 0 Pa Pa，则容器内原有，则容器内原有的空间大气量为的空间大气量为VPVP0 0 Pam Pam3 3；(2)(2)被抽容器被抽空后各种材料的放气。单位时被抽容器被抽空后各种材料的放气。单位时间内的放气流量可以用间内的放气流量可以用Qf PamQf Pam3 3/s/s来示；来示；实验表明，材料表面单位时间内单位表面积实验表明，材料表面单位时间内单位表面积的放气率的放气率q q可以用下面的经验公式来计算可以用下面的经验公式来计算10式中：式中：q q11是抽空是抽空1 1h h后放气速率，后放气速率，PamPam33/(m/(m22s)s)；q q00是抽空时间无限长之后材料表面的放气速率，是抽空时间无限长之后材料表面的放气速率，PamPam33/(m/(m22s)s)；t t是抽空时间，是抽空时间，h h；是与材料种类及；是与材料种类及其预处理状况有关的放气时间指数，值在其预处理状况有关的放气时间指数，值在0.50.52 2之间变化。真空室内暴露于真空下的构件表面可之间变化。真空室内暴露于真空下的构件表面可能有多种材料，总的表面放气流量能有多种材料，总的表面放气流量QQff为为:式中：式中：A Aii是第是第i i种材料暴露在真空下的表面积，种材料暴露在真空下的表面积，mm22；q q1i1i是第是第i i种材料在抽空种材料在抽空1 1h h后的表面放气速率，后的表面放气速率，PamPam33/(m/(m22s)s)；ii是第是第i i种材料的放气时间指数；种材料的放气时间指数；QQ00是抽气时间无限长后总的放气流量，是抽气时间无限长后总的放气流量，PamPam33/s/s；t t是抽空时间，是抽空时间，h h。11 (3)(3)大气通过容器壁结构材料向真空室内渗透的大气通过容器壁结构材料向真空室内渗透的气体流量气体流量QQs s，PamPam33/s/s。(4)(4)液体或固体蒸发的气体流量液体或固体蒸发的气体流量QQzz，PamPam33/s/s 。(5)(5)大气通过各种真空密封的连接处，通过各种大气通过各种真空密封的连接处，通过各种漏隙通道泄漏进入真空室的漏气流量漏隙通道泄漏进入真空室的漏气流量QQLL ，PamPam33/s/s。12uu真空系统的抽气方程真空系统的抽气方程 当真空泵启动之后，真空系统即对被抽容器抽当真空泵启动之后，真空系统即对被抽容器抽气。此时，真空系统对容器的有效抽速若以气。此时，真空系统对容器的有效抽速若以SeSe表示，容器中的压力以表示，容器中的压力以P P表示，则单位时间内表示，则单位时间内系统所排出的气体流量即是系统所排出的气体流量即是SePSeP。容器中的压容器中的压强变化率为强变化率为dP/dt,dP/dt,容器内的气体减少量即是容器内的气体减少量即是VdP/dtVdP/dt。根据动态平衡，可列出如下方程根据动态平衡，可列出如下方程:这个方程称为真空系统抽气方程。这个方程称为真空系统抽气方程。13 式中：式中：V V是被抽容器的容积，由于随着抽气时是被抽容器的容积，由于随着抽气时间间t t的增长，容器内的压力的增长，容器内的压力P P降低，所以容器内的降低，所以容器内的压强变化率压强变化率dP/dtdP/dt是个负值。因而是个负值。因而VdP/dtVdP/dt是个负是个负值，这表示容器内的气体减少量。放气流量值，这表示容器内的气体减少量。放气流量QQff，渗透气流量渗透气流量QQss，蒸发的气流量蒸发的气流量QQzz和漏气流量和漏气流量QQLL都都是使容器内气体量增多的气流量。是使容器内气体量增多的气流量。S SeeP P则是真空则是真空系统将容器内气体抽出的气流量，所以方程中记系统将容器内气体抽出的气流量，所以方程中记为为-S SeeP P。对于设计制造良好的真空系统，放气、渗气、对于设计制造良好的真空系统，放气、渗气、漏气和蒸发的气体流量微小，在抽气初始阶段的漏气和蒸发的气体流量微小，在抽气初始阶段的气体负荷主要是容器内原有的空间大气。而当抽气体负荷主要是容器内原有的空间大气。而当抽至至1-10-1Pa1-10-1Pa时，容器中残存的气体主要是漏放气。时，容器中残存的气体主要是漏放气。排气流量大时，漏放气可以忽略，当排出气体主排气流量大时，漏放气可以忽略，当排出气体主要是漏放气时，抽气过程可能很慢。要是漏放气时，抽气过程可能很慢。14低真空抽气时间的计算：低真空抽气时间的计算：从大气压到从大气压到0.5Pa0.5Pa范围的抽气为低真空抽气阶段，范围的抽气为低真空抽气阶段，一般用油封式机械泵和分子筛吸附泵来完成。油一般用油封式机械泵和分子筛吸附泵来完成。油封式机械泵在大气压到封式机械泵在大气压到100Pa100Pa范围抽速近似为常数，范围抽速近似为常数，100-0.5Pa100-0.5Pa时抽速变化较大，而分子筛吸附泵对氮气时抽速变化较大，而分子筛吸附泵对氮气的吸附速率近似为常数。所以，低真空抽气时间的吸附速率近似为常数。所以，低真空抽气时间的计算可分为近似常抽速和变抽速两种情况的计算可分为近似常抽速和变抽速两种情况uu近似常抽速时抽气时间的计算近似常抽速时抽气时间的计算不考虑管道影响和漏放气的抽气时间计算不考虑管道影响和漏放气的抽气时间计算 油封机械泵在大气压到油封机械泵在大气压到10102 2 PaPa范围内抽速近似为范围内抽速近似为常抽速。抽气方程为常抽速。抽气方程为(忽略忽略)：15 则可得抽气时间计算的最基本的公式则可得抽气时间计算的最基本的公式 V V是容器的容积，是容器的容积，mm33；S Spp是真空泵的抽速，是真空泵的抽速，mm33/s/s；P P00是抽气开始时容器内的压强，是抽气开始时容器内的压强，PaPa；P P是是抽气终了时容器内的压强，抽气终了时容器内的压强，PaPa；t t是将容器内的是将容器内的压强从压强从P P00降低到降低到P P的抽空时间，的抽空时间，s s。16不考虑管道影响而考虑漏放气时抽气时间不考虑管道影响而考虑漏放气时抽气时间 的计算：的计算：假定漏放气流量假定漏放气流量QQ0 0为常数：为常数：则则QQ等于等于0 0时系统抽到极限真空时系统抽到极限真空P Pu u 式中：式中：PuPu是真空系统所能达到的极限真空度，是真空系统所能达到的极限真空度，PaPa；其余符号的意义同前。；其余符号的意义同前。17考虑管道影响而忽略漏放气时抽气时间的计算考虑管道影响而忽略漏放气时抽气时间的计算 （1 1）粘滞流）粘滞流 （2 2）分子流）分子流考虑管道影响和漏放气时抽气时间计算考虑管道影响和漏放气时抽气时间计算 式中：式中：S See是真空泵对容器的有效抽速，是真空泵对容器的有效抽速，mm33/s/s；其余符号的意义同前。其余符号的意义同前。18变抽速时抽气时间的计算变抽速时抽气时间的计算 大多数真空泵的抽速都随其入口压强的变化而大多数真空泵的抽速都随其入口压强的变化而变化，尤其是机械真空泵，当其入口压强低于变化，尤其是机械真空泵，当其入口压强低于1010PaPa时，泵的抽速随其入口压强的变化更为显时，泵的抽速随其入口压强的变化更为显著。图著。图9 9是某些真空泵的抽速特性曲线示意图是某些真空泵的抽速特性曲线示意图19分段计算法分段计算法 在一般情况下，计算变抽速时的抽气时间需在一般情况下，计算变抽速时的抽气时间需要首先知道泵的抽速与其入口压强的关系。假要首先知道泵的抽速与其入口压强的关系。假定需要求容器内的压力由定需要求容器内的压力由P P00降低到降低到P P的抽气时的抽气时间，则可以将间，则可以将P P00到到P P这个压强区段分成这个压强区段分成n n段。段段。段数愈多，计算的抽气时间愈接近变抽速的实际。数愈多，计算的抽气时间愈接近变抽速的实际。设相应每段的抽气时间为设相应每段的抽气时间为t t11，t t22，ttiittnn，取每取每段的平均抽速为段的平均抽速为S S11，S S22，S Sii，SSnn，用相应的公式，用相应的公式进行各个压力区段的抽气时间计算进行各个压力区段的抽气时间计算,然后求其然后求其代数和即得总的抽气时间代数和即得总的抽气时间t t。20经验系数计算法经验系数计算法 油封机械真空泵的实际抽速油封机械真空泵的实际抽速S S随其入口压强的降随其入口压强的降低而降低。研究其抽速特性曲线发现，其实际低而降低。研究其抽速特性曲线发现，其实际抽速抽速S S与其名义抽速与其名义抽速SpSp的近似关系是的近似关系是:式中：系数式中：系数KK在不同压力区间的取值如表在不同压力区间的取值如表2 2。21 因此抽气时间的计算可用下式：因此抽气时间的计算可用下式：相当于把大气压到相当于把大气压到1Pa1Pa的区间分成的区间分成5 5段，分别计段，分别计算每段的抽气时间后相加即可。算每段的抽气时间后相加即可。22高真空抽气时间的计算：高真空抽气时间的计算：高真空抽气是指压强从高真空抽气是指压强从0.5-100.5-10-5-5PaPa范围的抽气。通常范围的抽气。通常要经过机械真空泵预抽后来进行，这时容器内的要经过机械真空泵预抽后来进行，这时容器内的气体已经大大减少了，而其它气源成为主要的气气体已经大大减少了，而其它气源成为主要的气体负荷。这些气源包括：体负荷。这些气源包括：（1 1）微漏：大气通过微小泄露通道进入真空室的）微漏：大气通过微小泄露通道进入真空室的气体流量气体流量QQLL ，PamPam33/s/s。当漏隙一定时为常量。当漏隙一定时为常量。（2 2）渗透：大气通过容器壁结构材料向真空室内）渗透：大气通过容器壁结构材料向真空室内扩散的气体流量扩散的气体流量QQs s，PamPam33/s/s。具有选择性，如氢。具有选择性，如氢气分离为原子时能透过铁、镍、铝等，氮分子能气分离为原子时能透过铁、镍、铝等，氮分子能透过玻璃。此外渗透气流量与温度、气体的分压透过玻璃。此外渗透气流量与温度、气体的分压强有关，当材料种类、气体温度和分压强一定时，强有关，当材料种类、气体温度和分压强一定时，渗透气流量是个定值。渗透气流量是个定值。23 (3)3)蒸发：液体或固体蒸发的气体流量蒸发：液体或固体蒸发的气体流量QQz z，PamPam3 3/s/s 。固体和液体都有饱和蒸汽压，温度一定时，材料固体和液体都有饱和蒸汽压，温度一定时，材料的饱和蒸汽压是一定的，因而蒸发气流量就是常量的饱和蒸汽压是一定的，因而蒸发气流量就是常量 (4)4)表面解吸：释气，放气。被抽容器被抽空后各种表面解吸：释气，放气。被抽容器被抽空后各种材料的放气。单位时间内的放气流量可以用材料的放气。单位时间内的放气流量可以用Qf Qf PamPam3 3/s/s来示；来示；实验表明，材料表面单位时间内单位表面积的实验表明，材料表面单位时间内单位表面积的放气率放气率q q可以用下面的经验公式来计算可以用下面的经验公式来计算 式中：式中：q q1 1是抽空是抽空1 1h h后放气速率，后放气速率，PamPam3 3/(m/(m2 2s)s)；q q0 0是是抽空时间无限长之后材料表面的放气速率，抽空时间无限长之后材料表面的放气速率，PamPam3 3/(m(m2 2s)s)；t t是抽空时间，是抽空时间，h h；是与材料种类及其预处是与材料种类及其预处理状况有关的放气时间指数，值在理状况有关的放气时间指数，值在0.50.52 2之间变化。之间变化。真空室内暴露于真空下的构件表面可能有多种材料，真空室内暴露于真空下的构件表面可能有多种材料，总的表面放气流量总的表面放气流量QQf f为为:24 式中：式中：A Ai i是第是第i i种材料暴露在真空下的表面积，种材料暴露在真空下的表面积，mm2 2；q q1i 1i是第是第i i种材料在抽空种材料在抽空1 1h h后的表面放气速率，后的表面放气速率，PamPam3 3/(m/(m2 2s)s)；i i是第是第i i种材料的放气时间指数；种材料的放气时间指数；QQ0 0是抽气时间无限长后总的放气流量，是抽气时间无限长后总的放气流量，PamPam3 3/s/s；t t是抽空时间，是抽空时间，h h。25抽气过程中容器内压强的计算：抽气过程中容器内压强的计算：uu具有表面放气的管状容器中压强计算具有表面放气的管状容器中压强计算26uu两个以上串联容器中压强的计算：两个以上串联容器中压强的计算：27例题：例题：2829谢谢 谢谢 大大 家！家！E N D