真空系统组成与设计基础

1、经作者授权，版权所有归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。东北大学第七期真空技术培训班真空系统组成真空系统组成与设计基础与设计基础主讲人：主讲人：Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China真空技术真空技术o一. 真空技术概况 （杨乃恒）o二. 真空工程理论基础 （张世伟）o三. 真空系统组成与设计基础 （刘坤）o四. 干式真空泵原理与技术基础 （巴德纯）o五. 真空获得设备原理与技

2、术基础 （张以忱）o六. 真空镀膜技术基础 （张以忱）o七. 真空测量技术基础 （刘玉岱）o八. 质谱原理与真空检漏 （刘玉岱）o九. 真空冶金技术基础 （王晓冬）o十. 真空设备选型的方法与实践 （徐成海）东北大学第七期东北大学第七期培训系列之培训系列之Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China1.1.真空系统的组成真空系统的组成2.2.真空系统组成元件真空系统组成元件3.3.真空系统的设计计算真空系统的设计计算课程内容课程内容Vacuum and Fluid Engineeri

3、ng Research Center of Northeastern University, China1.真空系统的组成o1.1真空系统的概念o1.2真空系统的组成元件o1.3真空系统的分类o1.4真空系统设计的基本内容Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China1.1 真空系统的概念o 什么是真空系统？什么是真空系统？ 用一句话来概括，真空系统就是用来获得有特定要求的真空度的抽气系统。 例如：镀膜设备真空系统； 真空热处理炉真空系统； 航空模拟器真空系统； 真空冶炼炉真空系统；

4、真空压力浸漆真空系统等等。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China马德堡半球实验Magdeburg-spheres Experimento用两个直径119厘米的半球合起来，用水银真空泵将球内空气抽至粗真空，每个半球用8匹马才能向相反方向拉开。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao真空电炉：真空电炉是在最近几十年发展起来的，在真空条件（稀薄气体中）工作的。根据加热

5、热源不同，真空电炉可分为：电阻加热炉感应加热炉电弧加热炉电子束加热炉Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao真空电子束焊接：定向高速运动的电子束流撞击工件使动能转化为热能而使工件熔化，形成焊缝Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China多功能离子注入设备Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeaste

6、rn University, China金属蒸汽真空弧源注入机金属蒸汽真空弧源注入机Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, ChinaVacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, ChinaVacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, ChinaVacuum and Fluid Enginee

7、ring Research Center of Northeastern University, China真空吹氧脱碳炉Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China非自耗电弧炉Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao离子注入：n真空中一束离子束射向固体材料，把固体材料原子或分子撞出材料表面，叫做溅射；n离子束从固体材料表面弹回来，或穿出固体材料而去，叫做散射；n而当

8、离子束射到固体材料后，受固体材料抵抗速度慢慢减低，并最终停留在固体材料中，叫做离子注入。n离子注入引起材料表面成分、结构和性能变化，从而优化材料表面性能，或获得某些新的优异性能特点：无公害、不改变尺寸和表面光洁度、无剥落、不需再加工和热处理。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao真空热处理：n真空热处理是真空技术与热处理技术相结合的新型热处理技术，即在低于一个大气压的气氛环境中进行热处理，真空热处理实际也属于气氛控制热处理。n真空热处理可以实现几乎所有的常规热处理所能涉及的热

9、处理工艺，但热处理质量大大提高。无氧化、无脱碳、无毒害物质产生；变形小、硬度均匀；脱脂除气，可获得洁净表面。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China光学镀膜机光学镀膜机Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, ChinaVacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, ChinaVa

10、cuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, ChinaVacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China幕墙玻璃幕墙玻璃相机镜头哈勃太空望远镜Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China磁控溅射与离子束联合镀膜机Vacuum and Fluid Engineering Researc

11、h Center of Northeastern University, ChinaVacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, ChinaVacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 扫描电子显微镜：Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China扫描电子显微镜近场光学显微镜

12、X射线光电子能谱仪Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China扫描近场光学显微镜 多模式扫描探针显微镜 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 气动真空输运设备 带式真空压榨过滤机Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China差压型真空注型机真空压力浸渍设备

13、Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, ChinaVacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China国内第一台千瓦量级的氦制冷系统Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, ChinaVacuum and Fluid Engineering Research Center of Nor

14、theastern University, China大型真空热实验设备Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, ChinaVacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China模拟舱中的神州飞船 Vacuum Environment SimulationVacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern Universi

15、ty, ChinaVacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao真空度的提高（极高真空10-12Pa）和真空容器大型化（例如宇航的微重力试验的真空系统真空室1700m3），今后新的尖端科学技术的发展对此要有所考虑。空间环境模拟室Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, ChinaVacuum and Fluid Engineering Research Center of Nort

16、heastern University, ChinaWant of Manufacturing of semiconductor IndustryVacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China液晶显示器大规模集成电路Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China半导体工业需要清洁的环境Vacuum and Fluid Engineering Research Center of

17、 Northeastern University, China真空集便器与真空除污机Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China“象鼻”真空吸尘机真空硬地垃圾清洁机Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao典型高真空系统前级泵主 泵高真空管路主 阀预真空抽气泵预真空管路预真空管道阀前级管路前级管道阀软连接管道Vacuum and Fluid Engineering Re

18、search Center of Northeastern University, China1.2 真空系统的组成元件一个较完善的真空系统由下列元件组成： 1抽气设备：例如各种真空泵； 2真空阀门； 3连接管道； 4 真空测量装置：例如真空压力表、 各种规管； 5其它元件：例如捕集器、除尘器、 真空继电器规头、储气罐等。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China图3 典型真空系统原理图 1真空室充气阀；2真空测量规管；3流量调节阀；4高真空阀；5冷阱；6油扩散泵；7储气罐；8热偶

19、计规管（测扩散泵前级压力）9前级阀；10真空膜盒继电器；11预抽阀；12罗茨泵；13、14机械泵 （其中一台可兼维持泵）； 15旁通阀；Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 1真空室 2放气阀 3电离真空计 4热偶真空计 5高真空阀6冷阱 7扩散泵 8前级真空阀 9电磁真空阀 10机械泵 11管道阀图4 典型真空系统原理图Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China

20、1.3真空系统的分类o1.3.1 粗低真空系统o1.3.2 中真空系统o1.3.3 高真空系统o1.3.4 超高真空系统Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China1.3.1 粗低真空系统o用粗真空泵（如水蒸汽喷射泵或水环泵）直接从大气压下为真空室排气，组成的真空系统即为粗真空系统。该系统是最简单的真空系统。o用低真空泵（如油封式机械泵）给真空室排气，即可组成低真空系统。 o应用领域很多：n真空传输：煤矿抽瓦斯、化工、制药、医学、畜牧业等n真空造型n真空吸盘n真空包装Vacuum a

21、nd Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China真空系统示意图 一个要进行真空处理的容器,用管道和阀门将它与真空泵连接起来,同时在容器上设置真空测量装置,这就构成了一个最简单的真空抽气系统。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China真空集便器与真空除污机Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern Universit

22、y, China1.3.2 中真空系统 这种系统应用比较普遍，许多应用设备都采用该种系统。如自耗炉真空系统，感应炉真空系统和一些热处理炉的真空系统等。 中真空系统一般是由两个以上的泵串联组成的。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China下面介绍几种系统:o只用机械泵给真空室排气，系统比较简单，在低真空范围内，真空度低于1.3310-1Pa。o油增压泵(主泵)串联机械泵(前级泵) 工作压强范围:1.331.3310-1Pa。 优点:抽气能力大，系统简单，振动小，工作稳定可靠，维修方便

23、，成本低。 缺点:预抽时间长(同罗茨泵系统比较)，工作中需 要较贵重的增压泵油。 下图为采用油增压泵(主泵)串联机械泵(前级泵) 的真空感应熔炼炉的真空系统。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China真空感应熔炼炉Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao罗茨泵串联机械泵 工作压强范围：1.331333Pa。 优点：预抽气时间短。 缺点：工作时有振动,且噪音大;工作中

24、随时间增加,罗茨泵性能下降。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao罗茨泵串联机械泵Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao罗茨泵串联小型罗茨泵(中间泵),再串联机械泵 工作压强范围：0.1331333Pa。 优点：工作压强范围大,工作真空度高。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeast

25、ern University, Chinao以油增压泵和罗茨泵为主泵,两个泵出口串联罗茨泵,再串联机械泵 工作压强范围：0.1331333Pa。 优点：具有罗茨泵系统和油增压泵系统的双重特点。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao除了上述几种之外,还有油增压泵串联罗茨泵,再串联机械泵的真空系统，以及罗茨泵串联水环泵的真空系统,它适合于排出灰尘较多的应用设备上。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeaster

26、n University, China1.3.3 高真空系统o这种系统应用也比较广泛。它的工作压强范围在6.6710-26.6710-5Pa。如镀膜机、电子轰击炉和部分电阻炉等都采用高真空系统。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China真空容器储气罐前级泵（预抽泵）维持泵增压泵主泵高真空抽气系统工作流程图高真空抽气系统工作流程图主阀预抽阀Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,

27、China几种典型高真空系统o扩散泵串联机械泵 应用范围：一般用在工作时放气量较小的应用设备上。 优点：结构简单,工作可靠,成本低。 缺点：系统起动慢,预抽气时间长。扩散泵油 蒸气容易返流到真空室中去。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China扩散泵串联旋片泵Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao扩散泵串联油增压泵,再串联机械泵 该系统起动慢，由于有中间油增压泵存

28、在,故预抽气时间短些。o扩散泵串联罗茨泵,再串联机械泵 系统起动慢,但预抽气时间短(因为中间有罗茨泵)。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao以油增压泵和扩散泵等两套主泵,分别串联罗茨泵+机械泵和滑阀泵Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China1.3.4 超高真空系统o由于原子能工业和火箭技术的发展,超高真空技术也得到迅速发展和应用。o几种典型超高真空系统o用扩散

29、泵和钛泵并联为主泵,扩散泵单独串联前级机械泵 可以达到极限真空度为1.3310-6Pa。 钠灯超高真空封接炉的系统Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao扩散泵串联扩散泵(中间泵),再串联机械泵 该系统的特点是能获得超高真空,并能稳定工作。 右图为一个超高真空系统和设备的结构图。 主泵是一个水银扩散泵,泵顶有冷却挡板和液氮冷阱,中间泵也是水银扩散泵。 在中间泵和前级机械泵之间设有油蒸气捕集器。并设有各种单独的加热器,烘烤真空室和主泵顶部及捕集器。Vacuum and Fluid

30、 Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao主泵为分子泵串联机械泵 由于机械泵有油存在,需要在机械泵入口管道上设置捕集器冷凝油蒸气。如果分子泵串联分子筛吸附泵(前级泵),则构成了无油超高真空系统,该系统比较清洁。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao钛泵或溅射离子泵做为主泵,并联或串联分子筛吸附泵(做为预真空泵)，或用钛泵联接预真空机械泵，在机械泵的入口管道上加油蒸气捕集器。Vacuum and

31、 Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao用低温泵做为主泵,串联或并联分子筛吸附泵(预真空泵),构成无油超高真空系统。同样也可以用机械泵做为预真空泵,在机械泵入口管道上设置油蒸气捕集器。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China1.4 真空系统设计的基本内容o真空系统设计的基本内容: 1、 根据被抽容器对真空度的要求,选择适当的真空系统设计方案,进行选、配泵计算; 2、确定导管、阀门、捕

32、集器、真空测量元件等,进行合理配置； 3、最后划出真空系统装配图和零部件图。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China1.1.真空系统的组成真空系统的组成2.2.真空系统组成元件真空系统组成元件3.3.真空系统的设计计算真空系统的设计计算课程内容课程内容Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China2 真空系统元件及连接o2.1 真空阀门o2.2 捕集器（阱）o2.3 除尘

33、器o2.4 真空继电器o2.5 可拆卸密封连接o2.6 运动导入与动密封连接o2.7 引入接口Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China2.1 真空阀门o2.1.1 真空阀的分类与型号o2.1.2 真空阀门的工作型式o2.1.3 阀门密封结构与密封力计算Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China2.1.1 真空阀的分类与型号o真空阀门： 在真空系统中，用来改变气流方向，

34、调节气流量大小，切断或接通管路的真空系统元件。 真空阀门的型号编制方法国家专业标准作了规定,可查阅有关标准。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China真空阀门在真空系统中的作用o 开关气路o 控制气流大小， 调节真空度o 定量充气Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China分类方法阀门名称工作压力用 途结构型式驱动方式通道方式低真空阀门、高真空阀门、超高真空阀门截止阀、隔

35、断阀、放气阀、节流阀、换向阀挡板阀、翻板阀、碟阀、隔板阀、插板阀、闸阀、针阀手动阀、电动阀、电磁阀、气动阀、液压驱动阀、手电两用阀角阀、直通阀、双通阀、三通阀、四通阀表1 真空阀门的分类Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China真空阀门的型号是按如下顺序和内容确定的基本型号 辅助型号 各符号所采用的字母及代表意义见表13-2。表2 真空阀门的型号Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern Universi

36、ty, China2.1.2 真空阀门的工作型式o1 隔膜阀 o2 真空球阀o3 真空蝶阀o4 插板阀o5 挡板阀o6 翻板阀o7 电磁阀o8 针阀o9 超高真空阀o10 无油玻璃真空阀Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China1 隔膜阀o如图,转动手轮可带动阀杆上、下移动,使隔膜离开阀座打开阀门或使隔膜紧压在阀座上关闭阀门。o此种阀门如采用丁晴橡胶隔膜,适用于前级和预抽管道上及温度为-2580的非腐蚀性气体。如采用氟橡胶隔膜,可用于高真空系统,使用温度范围为-30150。o隔膜式

37、真空阀是利用阀杆将弹性体薄膜紧压在阀座上用来隔断气路。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China2 真空球阀o图4所示是真空球阀的结构。o该阀中的密封机构是由两个环状弹性体紧压于一个金属球表面构成。金属球上有一个大穿孔,借助于手柄转动金属球使穿孔改变方向,即可接通或切断气路。金属球轴杆与阀体间的密封采用O形密封圈密封。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China3 真空蝶

38、阀o蝶阀的结构比较简单,如图5所示。o阀板的边缘上嵌有O形密封圈,阀板靠螺栓固定在传动轴阀杆上,使阀杆带动阀板转动,当阀板上的密封圈与阀体紧密接触时即实现了阀门的关闭,从关闭位置、阀板再转动90时,阀门即完全打开,该种阀门的主要优点是体积小,结构简单。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China4 插板阀o图6和图7是插板阀的两种结构型式。弹性体密封圈是嵌在阀体上。转动手柄即可打开或关闭阀门。o图6的插板阀关闭时是靠限位块的斜面压紧阀盖,进而压紧密封圈。o图7的插板阀是靠链板压紧实现

39、阀口密封。手动手动电动电动气动气动Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China5 挡板阀o图8是一种挡板阀的结构。该阀通过阀盖的开启和压下来实现管路的接通和截止。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China6 翻板阀o图9、10、11是三种不同结构的真空翻板阀。它们都是用压缩空气为动力源。在阀门打开或关闭的过程中,阀板的运动有一个翻转过程,能翻转一个角度。Vacuum an

40、d Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao图9的结构,阀盖的翻转靠四连杆机构实现,阀盖能实现90翻转。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao在图10的结构中,靠滚轮将阀盖挡翻,在这种结构的阀门中,阀盖不能翻转90。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao图11的翻

41、板阀是蚌线机构。这种阀门结构简单,总高度低,阀板能翻转90,是我国1971年首创的。在翻板阀中,阀板翻转90时,流导较大。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China7 电磁阀o真空阀门的驱动方式为磁力驱动的即为电磁阀。电磁真空阀的密封机构与挡板阀相同。o平时,电磁阀的阀盖靠弹簧压紧封住管路通道,需要开启时,将电磁线圈接通电流,磁力即吸引衔铁,带动阀盖,将阀门打开。o有的电磁真空阀设计成带充气的,称为电磁真空带充气阀,是专门安装在油封式机械泵入口管路上的专用阀门。o阀门与泵接在同一电

42、源上,泵的启动与停止直接控制了阀的开启与关闭。当泵停止工作或电源突然中断时,阀能自动将真空管路封闭,并将大气通过泵的进气口充入泵腔,避免泵油返流污染真空系统。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China8 针阀o针阀是一种微调阀,其阀塞为针形,主要用作调节气流量。o微调阀要求阀口开启逐渐变大,从关闭到开启最大能连续细微地调节。针形阀塞即能实现这种功能。o针形阀塞一般用经过淬火的钢制长针，也采用金作长针材料,而阀座是用锡、铜等软质材料制成。阀针与阀座间的密封是依靠其锥面紧密配合达到的。

43、o阀针的锥度有150和6锥角两种,锥表面要经过精细研磨。图中的阀杆与阀座间的密封是靠波纹管实现的。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China9 超高真空阀o通常的高、低真空阀门,密封垫圈的材料为橡胶,不能承受高温烘烤。因而不能使用在超高真空设备上。o能使用在超高真空设备上的超高真空阀门必须满足:n(1)能承受高温(400450)多次烘烤;n(2)放气量小,气密性好;n(3)重复性好;n(4)流导大。Vacuum and Fluid Engineering Research Cent

44、er of Northeastern University, Chinao图14是超高真空阀门的一种。o其主要部件是无氧铜阀盖,不锈钢阀体和传动导向机构。阀座刀口型式为直角,挡板起保证阀门重复性的作用,即刀口在阀盖上压出的刀痕每次都能重合。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China2.2 捕集器（阱）o捕集器也称为阱,用来捕集真空系统中的可凝性蒸气。o捕集器的种类很多，根据捕集器捕集蒸气的原理和方法不同，搞集器可分为n挡油帽，n机械捕集器(阱)，n冷凝捕集器(冷阱)，n吸附捕集器(

45、吸附阱)n其它类型的捕集器(如电捕集器，热捕集器，离子捕集器)等。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao概述o机械捕集器的设计原则及其典型结构2.2.2 机械捕集器（阱）Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China机械捕集器的型式如表4Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern Unive

46、rsity, China典型的几种机械捕集器的结构如图35至图38所示。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China2.5 可拆卸密封连接o可拆密封是指连接处由于安装结构要求或工艺要求的需要经常拆装的密封。其特点为：经过多次拆装仍能保持密封性能，可以更换已经老化或损坏的密封件（或材料）。o 在真空系统需要经常拆卸的地方，应采用可拆卸密封连接，这种连接在真空系统中应用较多。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeast

47、ern University, China1.1.真空系统的组成真空系统的组成2.2.真空系统组成元件真空系统组成元件3.3.真空系统的设计计算真空系统的设计计算课程内容课程内容Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China3 真空系统的设计计算真空系统的设计计算o3.0 预备知识o3.1 气体负荷的计算o3.2 抽气时间和压力的计算o3.3 真空泵的选择与匹配计算o3.4 真空系统的结构设计o3.5 真空系统的安装调试与操作维护Vacuum and Fluid Engineering

48、 Research Center of Northeastern University, China3.0 预备知识o1 气体流态o2 流导Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 稀薄气体流动状态的判别稀薄气体流动状态的判别o气体流动的基本状态o气体流动状态的分类o湍流与粘滞流的转变及其判别o粘滞流与分子流的转变及其判别o稀薄气体动力学Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,

49、 China气体流动的基本状态o 气体在管道中的流动状态不同,管道的流导也不一样,也就是说,管道对气体的流导不仅取决于管道的几何形状和尺寸,还与管道中流动的气体种类和温度有关,在有的流动状态下还取决于管道中气体的平均压力。o所以在计算管道对气体的流导时,首先必须判明管道中的气流是哪一种流动状态.Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China气体流动状态的分类o在真空状态下,气体通过管道的流动属于稀薄气体流动。在真空系统管路中的气流有五种流动状态:湍流(又称紊流、涡流);湍粘滞流;粘滞流

50、(又称层流、粘性流、泊稷叶流);粘滞分子流;分子流(又称自由分子流、克努森流)。湍粘滞流是湍流和粘滞流之间的过渡状态。粘滞分子流是粘滞流和分子流之间的过渡状态。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China湍流与粘滞流的转变及其判别o对于室温20空气、湍流、湍粘滞流、粘滞流之间的判别式是 Q2660D为湍流 Q1450D为粘滞流 1450DQP2时,气体从 空间流向 空间。试验发现:当P1不变时,随P2下降,通过孔口的流速和流量都增加,但当P下降到某一值时,它们都不再随P2下降而增加。

51、Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao对于室温空气,面积为A m2的薄壁孔的流导为: 式中r为孔口两侧的压强比,r =P2/P1,其中P1 P2;A为薄壁孔的面积, m2 。smACrsmrACrsmrArrCrvkvkvk333288. 0712. 02001 . 01200525. 011766525. 0时，时，时，Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China

52、o对于室温空气,圆形薄壁孔的流导为: 式中,D为圆形薄壁孔的直径,m。smDCrsmrDCrsmrDrrCrvkvkvk323232288. 0712. 01571 . 01157525. 011602525. 0时，时，时，Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao2.1.2 不考虑管口影响时，圆管的流导 当管道的长度比较长,管口对气流的影响。在工程计算中,通常把管道的轴线长度L与管道直径D的比值 L/D20的管道视为“长管”,其实质是可以不考虑管口的影响进行计算。设圆管的轴线

53、长度为Lm,直径为Dm,则其粘滞流条件下对于室温空气的流导为: 式中 是管道中气体的平均压强,Pa。smPLDCvy3431034. 1PVacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao2.1.2 考虑管口影响时,圆管的流导 在粘滞流条件下,气流从大容积进入管口,在管口处受到影响,这种影响破坏了粘滞流的应有秩序,使管道的流导减小,这种影响常称为管口效应。在工程计算中,一般认为管道的长径比L/D20时，管口效应的影响在进行计算中不能忽略，这就是所说的“短管”. 对于室温空气,考虑管口影响

54、时,管道的流导用下式计算: 式中L和D分别为管道的长度和直径,m; 是管道中气流的平均压强,Pa; Q是管道中的气流量。smQLPDCvd32431096. 21034. 1smPa3PVacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China2.2 分子流时流导的计算o2.2.1 薄壁孔 分子流时,对于室温空气,面积为A m2的薄壁孔的流导用下式计算:对于直径为D m的圆孔:smACfk3116smDCfk3291Vacuum and Fluid Engineering Research Cen

55、ter of Northeastern University, Chinao2.2.2 不考虑管口影响时，圆管的流导 不考虑管口影响时,在分子流条件下,任意截面形状管道的流道计算式可由克努森流导积分公式导出 式中, 是气体分子热运动平均速率;B为管道横截面周长;A为管道横截面面积;L为管道长度;K为管道断面形状修正系数,K值的大小由实验确定。 由式(15)导出的圆管的流导为 式中L和D分别为圆管的长度和直径,m。)15(3402dlABKvCLfv)16(12133smLDCfVacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeaster

56、n University, Chinao2.2.3 不考虑管口影响时,圆锥形管的流导 对于图5所示的截 圆锥形管道,其分子流流导的计算式为 式中 D1为锥管大端直径,m;D2为小端直径,m;L为 锥管轴线长度,m。LDDDDCfz212221242Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao2.2.4 考虑管口影响时,圆管的流导 设圆管的长度为L,半径为R,直径为D=2R。在分子流条件下,考虑管口影响时,圆管的流导几率pr如下: 2319208205 . 12115 . 1RLRL

57、RLpRLRLpRLrr时，时，Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 因此,当考虑管口影响时,圆管对于室温空气的流导计算式为:smDLDLDLDLLDsmDLDLDLDCRLsmDLDCRLfdfd32233223212382012151211238201620915 . 111915 . 1时，时，Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao2.2.5 真空阀门

58、的分子流流导 对于真空阀门的分子流流导计算可用下式: 式中Cfk阀门入口孔的分子流流导,m3/s; pr是阀门的流导几率。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 2.3 粘滞分子流时,圆管对于室温空气 的流导计算o粘滞分子流时,圆管对于室温空气的流导计算式是 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China在式(21)和(22)中,D是管道直径,m;L是管道长度,m; 是

59、管道中气体平均压强,Pa;函数J=f(D)的数值见表1。PPVacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China2.4 管路元件串、并联时,流导的计算o2.4.1串联管路的流导 图6所示的一段管路,是导管、阀门、捕集器三 个元件串联。若C1、 C2 、 C3分别是这三个元件的流导,则它们串联之后的整段管路的流导为 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinaon个管道元件串联后整个

60、管路的流导为 式中Ci是第i个元件的流导。可见管路元件串联之后,整个管路的流导等于各元件流导的倒数的代数和的倒数。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao5.2.4.2 并并联管路的流导 图7所示的整段管路是三条导管的并联,若C1、 C2 、 C3分别是这三条导管的流导,则并联后组成的整段管路的流导C为 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao如果有n条管路并联