抽气时间与压强的计算.ppt
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1、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
2、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:u
3、u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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
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