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》之四抽气时间与压强的计算真空技术基本方程亚稳态流动条件泵的有效抽速真空系统抽气方程抽气时间计算低真空抽气时间计算高真空抽气时间计算抽气过程中容器内压强的计算

2真空系统最主要的性能参数：极限真空度：是指在没有外加负荷的情况下，经过足够长时间的抽气后，系统所能达到的最低压力。有效抽速：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体的导通性能，即所说的流导。抽气时间：是指从大气压抽空到所需压强为止的时间。真空技术基本方程3真空系统抽气的亚稳态流动条件：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的放气流量时，系统内各处的压强不在变化，即稳定流动。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，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动来计算，称为亚稳态流动。4如果真空系统满足以下两个条件，抽气过程为亚稳定流动的过程。（1）容器的容积大于管道的容积。（2）抽气过程进行的很慢。5泵的有效抽速

如果用Se来表示真空系统对容器的有效抽速，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。6有效抽速小于泵的抽速，也小于管道的流导如果管路的流导C远大于泵的抽速Sp，则Sp

/C的值远小于1，此时真空系统对容器的有效抽速Se≈Sp。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。如果管路的流导C远小于泵的抽速Sp，则C/Sp的值远小于1，此时真空系统对容器的有效抽速Se≈C，这就是说,在这种情况下,选择多大的泵都没有用，都不能提高泵对容器的有效抽速。78真空系统抽气方程真空泵的气体负荷主要来自真空室内的各种气体，包括：(1)被抽容器内原有的空间大气。若容器的容积为Vm3，抽气初始压强为P0Pa，则容器内原有的空间大气量为VP0Pa·m3；(2)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QfPa·m3/s来示；实验表明，材料表面单位时间内单位表面积的放气率q可以用下面的经验公式来计算9式中：q1是抽空1h后放气速率，Pa·m3/(m2·s)；q0是抽空时间无限长之后材料表面的放气速率，Pa·m3/(m2·s)；t是抽空时间，h；是与材料种类及其预处理状况有关的放气时间指数，值在0.5～2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Qf为:式中：Ai是第i种材料暴露在真空下的表面积，m2；q1i是第i种材料在抽空1h后的表面放气速率，Pa·m3/(m2·s)；βi是第i种材料的放气时间指数；Q0是抽气时间无限长后总的放气流量，Pa·m3/s；t是抽空时间，h。10(3)大气通通过容器壁结结构材料向真真空室内渗透透的气体流量量Qs，Pa·m3/s。(4)液体或或固体蒸发的的气体流量Qz，Pa·m3/s。(5)大气通通过各种真空空密封的连接接处，通过各各种漏隙通道道泄漏进入真真空室的漏气气流量QL，Pa·m3/s。11真空系统的抽抽气方程当真空泵启动动之后，真空空系统即对被被抽容器抽气气。此时，真真空系统对容容器的有效抽抽速若以Se表示，容器中中的压力以P表示，则单位位时间内系统统所排出的气气体流量即是是SeP。容器中的压强强变化率为dP/dt,容器内的气体体减少量即是是VdP/dt。根据动态平衡衡，可列出如如下方程:这个方程称为为真空系统抽抽气方程。12式中：V是被抽容器的的容积，由于于随着抽气时时间t的增长，容器器内的压力P降低，所以容容器内的压强强变化率dP/dt是个负值。因因而VdP/dt是个负值，这这表示容器内内的气体减少少量。放气流流量Qf，渗透气流量Qs，蒸发的气流量量Qz和漏气流量QL都是使容器内内气体量增多多的气流量。。SeP则是真空系统统将容器内气气体抽出的气气流量，所以以方程中记为为-SeP。对于设计制造造良好的真空空系统，放气气、渗气、漏漏气和蒸发的的气体流量微微小，在抽气气初始阶段的的气体负荷主主要是容器内内原有的空间间大气。而当当抽至1-10-1Pa时，容器中残残存的气体主主要是漏放气气。排气流量量大时，漏放放气可以忽略略，当排出气气体主要是漏漏放气时，抽抽气过程可能能很慢。13低真空抽气时时间的计算：：从大气压到0.5Pa范围的抽气为为低真空抽气气阶段，一般般用油封式机机械泵和分子子筛吸附泵来来完成。油封封式机械泵在在大气压到100Pa范围抽速近似似为常数，100-0.5Pa时抽速变化较较大，而分子子筛吸附泵对对氮气的吸附附速率近似为为常数。所以以，低真空抽抽气时间的计计算可分为近似常抽速和变抽速两种情况近似常抽速时时抽气时间的的计算不考虑管道影影响和漏放气气的抽气时间间计算油封机械泵在在大气压到102Pa范围内抽速近近似为常抽速速。抽气方程程为：14则可得抽气时时间计算的最最基本的公式式V是容器的容积积，m3；Sp是真空泵的抽抽速，m3/s；P0是抽气开始时时容器内的压压强，Pa；P是抽气终了时时容器内的压压强，Pa；t是将容器内的的压强从P0降低到P的抽空时间，，s。15不考虑管道影影响而考虑漏漏放气时抽气气时间的的计算：假定漏放气流流量Q0为常数：则Q等于0时系统抽到极极限真空Pu式中：Pu是真空系统所所能达到的极极限真空度，，Pa；其余符号的的意义同前。。16考虑管道影响响而忽略漏放放气时抽气时时间的计算（1）粘滞流（2）分子流考虑管道影响响和漏放气时时抽气时间计计算式中：Se是真空泵对容容器的有效抽抽速，m3/s；其余符号的的意义同前。。17变抽速时抽气气时间的计算算大多数真空泵泵的抽速都随随其入口压强强的变化而变变化，尤其是是机械真空泵泵，当其入口口压强低于10Pa时，泵的抽速速随其入口压压强的变化更更为显著。图图9是某些真真空泵的抽速速特性曲线示示意图18分段计算法在一般情况下下，计算变抽抽速时的抽气气时间需要首首先知道泵的的抽速与其入入口压强的关关系。假定需需要求容器内内的压力由P0降低到P的抽气时间，，则可以将P0到P这个压强区段段分成n段。段数愈多多，计算的抽抽气时间愈接接近变抽速的的实际。设相相应每段的抽抽气时间为t1，t2，…ti…tn，取每段的平均均抽速为S1，S2，Si，…Sn，用相应的公公式进行各个个压力区段的的抽气时间计计算,然后求求其代数和即即得总的抽气气时间t。19经验系数计算算法油封机机械真真空泵泵的实实际抽抽速S随其入入口压压强的的降低低而降降低。。研究究其抽抽速特特性曲曲线发发现，，其实实际抽抽速S与其名名义抽抽速Sp的近似似关系系是:式中：：系数数K在不同同压力力区间间的取取值如如表2。20因此抽抽气时时间的的计算算可用用下式式：相当于于把大大气压压到1Pa的区间间分成成5段，分分别计计算每每段的的抽气气时间间后相相加即即可。。21高真空空抽气气时间间的计计算：：高真空空抽气气是指指压强强从0.5-10-5Pa范围的的抽气气。通通常要要经过过机械械真空空泵预预抽后后来进进行，，这时时容器器内的的气体体已经经大大大减少少了，，而其其它气气源成成为主主要的的气体体负荷荷。这这些气气源包包括：：（1）微漏漏：大大气通通过微微小泄泄露通通道进进入真真空室室的气气体流流量QL，Pa··m3/s。当漏隙隙一定定时为为常量量。（2）渗透透：大大气通通过容容器壁壁结构构材料料向真真空室室内扩扩散的的气体体流量量Qs，Pa··m3/s。具有有选择择性，，如氢氢气分分离为为原子子时能能透过过铁、、镍、、铝等等，氮氮分子子能透透过玻玻璃。。此外外渗透透气流流量与与温度度、气气体的的分压压强有有关，，当材材料种种类、、气体体温度度和分分压强强一定定时，，渗透透气流流量是是个定定值。。22(3)蒸发：：液体体或固固体蒸蒸发的的气体体流量量Qz，Pa··m3/s。固体和和液体体都有有饱和和蒸汽汽压，，温度度一定定时，，材料料的饱饱和蒸蒸汽压压是一一定的的，因因而蒸蒸发气气流量量就是是常量量(4)表面解解吸：：释气气，放放气。。被抽抽容器器被抽抽空后后各种种材料料的放放气。。单位位时间间内的的放气气流量量可以以用QfPa·m3/s来示；；实验表表明，，材料料表面面单位位时间间内单单位表表面积积的放放气率率q可以用用下面面的经经验公公式来来计算算式中：：q1是抽空空1h后放气气速率率，Pa··m3/(m2·s)；q0是抽空空时间间无限限长之之后材材料表表面的的放气气速率率，Pa··m3/(m2·s)；t是抽空空时间间，h；β是与材材料种种类及及其预预处理理状况况有关关的放放气时时间指指数，，值在在0.5～～2之之间变变化。。真空空室内内暴露露于真真空下下的构构件表表面可可能有有多种种材料料，总总的表表面放放气流流量Qf为:23式中：：Ai是第i种材料料暴露露在真真空下下的表表面积积，m2；q1i是第i种材料料在抽抽空1h后的表表面放放气速速率，，Pa··m3/(m2·s)；βi是第i种材料料的放放气时时间指指数；；Q0是抽气气时间间无限限长后后总的的放气气流量量，Pa··m3/s；t是抽空空时间间，h。24抽气过过程中中容器器内压压强的的计算算：具有表表面放放气的的管状状容器器中压压强计计算25两个以以上串串联容容器中中压强强的计计算：：26例题：：2728谢谢谢大大家家！END299、静夜四无无邻，荒居居旧业贫。。。12月-2212月-22Saturday,December24,202210、雨中黄叶叶树，灯下下白头人。。。04:03:5104:03:5104:0312/24/20224:03:51AM11、以我独沈久久，愧君相见见频。。12月-2204:03:5104:03Dec-2224-Dec-2212、故人江海别别，几度隔山山川。。04:03:5104:03:5104:03Saturday,December24,202213、乍见翻疑梦梦，相悲各问问年。。12月-2212月-2204:03:5104:03:51December24,202214、他乡生白发发，旧国见青青山。。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、行行动动出出成成果果，，工工作作出出财财富富。。。。2022/12/244:03:5104:03:5124December202217、做前，，能够环环视四周周；做时时，你只只能或者者最好沿沿着以脚脚为起点点的射线线向前。。。4:03:51上午午4:03上午午04:03:5112月-229、没有失失败，只只有暂时时停止成成功！。。12月-2212月-22Saturday,December24,202210、很多事事情努力力了未必必有结果果，但是是不努力力却什么么改变也也没有。。。04:03:5104:03:5104:0312/24/20224:03:51AM11、成功功就是是日复复一日日那一一点点点小小小努力力的积积累。。。12月月-2204:03:5104:03Dec-2224-Dec-2212、世间间成事事，不不求其其绝对对圆满满，留留一份份不足足，可可得无无限完完美。。。04:03:5104:03:5104:03Saturday,December24,202213、不知香积积寺，数里里入云峰。。。12月-2212月-2204:03:5104:03:51December24,202214、意志坚坚强的人人能把世世界放在在手中像像泥块一一样任意意揉捏。。24十十二月20224:03:51上午午04:03:5112月-2215、楚塞三湘接接，荆门九派派通。。。十二月224:03上上午12月-2204:03December24,202216、少年十五二二十时，步行行夺得胡马骑骑。。2022/12/244:03:5104:03:5124December202217、空山山新雨雨后，，天气气晚来来秋。。。4:03:51上上午4:03上上午午04:03:5112月月-229、杨柳柳散和和风，，青山山澹吾吾虑。。。12月月-2212月月-22Saturday,December24,202210、阅阅读读一一切切好好书书如如同同和和过过去去最最杰杰出出的的人人谈谈话话。。04:03:5104:03:5104:0312/24/20224:03:51AM11、越越是是没没有有本本领领的的就就越越加加自自命命不不凡