3非穩(wěn)態(tài)真空系統(tǒng).ppt

2020 3 5 1 真空設備設計原理PrincipleofVacuumEquipmentsDesign 主講 王曉冬Dr XDWangxdwang 2020 3 5 2 課程內(nèi)容與學時安排 0真空技術概論 4學時 1真空系統(tǒng)設計基礎 4學時 2穩(wěn)態(tài)真空系統(tǒng)設計計算 8學時 3非穩(wěn)態(tài)真空系統(tǒng)設計計算 4學時 4大型復雜真空系統(tǒng)計算 4學時 5大型真空系統(tǒng)監(jiān)測與故障診斷 4學時 6真空獲得設備性能的數(shù)值分析 4學時 2020 3 5 3 3非穩(wěn)態(tài)真空系統(tǒng)設計計算 3 1準穩(wěn)態(tài)的判別條件3 2非穩(wěn)態(tài)下氣體負荷的計算3 3串聯(lián)系統(tǒng)抽空時間計算3 4大泵對真空容器 管道的抽空3 5前級真空罐的計算3 6抽空時間驗算3 7非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)設計計算方法 2020 3 5 4 3 1準穩(wěn)態(tài)的判別條件 1 真空系統(tǒng)的工作狀態(tài)穩(wěn)態(tài) 任意截面上的壓力 流量不隨時間變化 非穩(wěn)態(tài) 各截面壓力 流量隨時間變化 準穩(wěn)態(tài) 壓力或氣流量變化比較平穩(wěn) 可以應用穩(wěn)態(tài)方法進行計算 2020 3 5 5 2 準穩(wěn)態(tài)的判別條件 準穩(wěn)態(tài)可由時間常數(shù)之比來判定 1 V SF V 被抽容器體積 SF 泵系統(tǒng)有效抽速 2 VTP U VTP和U 管道的容積和通導 即真空室時間常數(shù)遠大于管道的時間常數(shù) 2020 3 5 6 3 準穩(wěn)態(tài)的例子1 1 大容器的抽空對于大容器 V VTP 而且U SF所以滿足準穩(wěn)態(tài)條件 此時 可視為準穩(wěn)態(tài)抽空過程 2020 3 5 7 3 準穩(wěn)態(tài)的例子2 2 小容器 小泵抽空對于小容器 V與VTP相當 對于小泵 當U SF時 滿足準穩(wěn)態(tài)的條件 此時 可視為準穩(wěn)態(tài)抽空過程 2020 3 5 8 3 2非穩(wěn)態(tài)下氣體負荷的計算 結構材料的非穩(wěn)態(tài)出氣率是由如下幾項互不相關的成分組成 解吸放氣 物理吸附的逆過程 擴散出氣 化學吸附的逆過程 滲透泄漏 氣體負荷的計算或估計是系統(tǒng)設計的基礎 2020 3 5 9 1 解吸放氣 物理吸附于器壁上的氣體和蒸汽 在壓力降低 或溫度升高時 釋放出來 其中水蒸氣 來至大氣中 和油蒸汽 來至泵工作液或潤滑劑 的釋放是緩慢的 2020 3 5 10 不銹鋼對水蒸氣的吸附等溫線 2020 3 5 11 不銹鋼吸附等溫線 不銹鋼對水蒸氣的吸附等溫線中可見 壓力越高 吸附量增加 溫度升高 吸附量減少 壓力P 0 665 665 Pa 吸附量a 0 013 0 152 M3Pa M2 2020 3 5 12 表面吸附水分子層數(shù)目 N 壓力為1Pa 溫度298K時 1M3體積中的氣體分子數(shù)目 N 2 45 1020 a1 1M2表面上形成單分子層所需的水分子數(shù)目 a1 4 9 10181 M2 a 水分子吸附量 M3Pa M2 2020 3 5 13 水蒸氣吸附量與壓力的關系 水蒸氣吸附的費利德利胥公式 式中K 0 0185 P 1Pa時 吸附的氣體量 n 與吸附物質的性質 被吸附的氣體 真空室表面溫度有關的常數(shù) n 2 9 p 真空室內(nèi)水蒸汽壓力 Pa 2020 3 5 14 減少水蒸氣解吸出氣量的方法 在結構上利用閘閥裝料機構物料進入真空室不破壞其中的真空可采用多室連續(xù)式真空設備 2020 3 5 15 2 擴散出氣 擴散模型 一維擴散模型在真空室內(nèi)部零件表面上氣體的吸附和放出是同時發(fā)生的 擴散出氣限于表層內(nèi) 表層的厚度明顯低于零件的總厚度 零件的長度大大于本身的厚度 2020 3 5 16 擴散微分方程 假設材料中氣體的初始濃度為S0 材料表面上方的氣體壓力不變 在此壓力下 材料表層氣體對應的平衡濃度Sm滿足擴散微分方程 式中 D 氣體的擴散系數(shù) 2020 3 5 17 邊界條件 初始狀態(tài) t 0 S x 0 S0 真空室一側 x 0 S 0 t Sm 大氣側 x 充分出氣后 t S x Sm 2020 3 5 18 擴散方程的求解 帶入邊界條件 擴散微分方程的解為 無因次時間 h為零件厚度之半 為高斯誤差函數(shù) 2020 3 5 19 氣體濃度隨時間變化 當Sm S0時 氣體被吸收 為吸附過程 當S0 Sm時 氣體放出 為解析過程 氣體吸附或解析過程中 任意位置處 氣體的濃度隨時間的變化規(guī)律如下圖 2020 3 5 20 氣體在材料內(nèi)的濃度分布 a 氣體吸收 b 氣體放出 2020 3 5 21 擴散氣流量 單位表面t時刻返回真空中的氣體流量 解析過程中擴散出氣量 2020 3 5 22 殘留氣體濃度 材料中氣體平均濃度 出氣程度 釋放的氣體量與原有含氣量之比 2020 3 5 23 擴散出氣有效性 擴散出氣程度與出氣時間有關可用出氣有效性確定出氣有效性為出氣程度與最大可能出氣率之比 從而確定除氣時間 2020 3 5 24 無因次放氣量和除氣有效性與無量綱時間 之間的關系 2020 3 5 25 減少擴散出氣的辦法 當 0 1時 最大除氣效率達到36 擴散出氣與材料的種類和預處理有很大的關系 減少擴散出氣的方法關鍵在于選材料 可在高溫 大于1000 真空爐或氬氣退火爐中進行預先除氣 對于不允許高溫處理的材料 通過冷卻使其放氣量控制在較小的范圍內(nèi) 2020 3 5 26 3 氣體的滲透 設薄板中真空側壓力為P0設大氣側氣體的濃度和壓力為Sa和Pa設薄板中氣體的初始濃度等于S0氣體濃度的變化規(guī)律滿足 2020 3 5 27 邊界條件 t 0 S x 0 S0 初始狀態(tài) x 0 S 0 t S0 真空側 t S x x 2h S 2h t Sa 大氣側 2020 3 5 28 薄板內(nèi)氣體密度分布 求解可得薄板內(nèi)氣體密度分布 其中 為無因次時間 2020 3 5 29 滲透氣體量 在時間 瞬間透氣速度為 經(jīng)時間t后 在真空室內(nèi)產(chǎn)生的氣體總量 2020 3 5 30 真空室壁內(nèi)氣體濃度的分布 a 內(nèi)真空室壁放出的氣體量 b G Sa S0 h 2 2020 3 5 31 滲透氣體量的簡化公式 1 在 0 67時 滲透速度公式可簡化為 真空室放出的氣體量的簡化公式 2020 3 5 32 滲透氣體量的簡化公式 2 當 0 67時 透氣量認為等于零 對應的時間為 所以 當t t3時 可認為無滲透 2020 3 5 33 4 泄漏 經(jīng)過漏孔漏入的氣體量 式中UT 漏孔的通導 真空室內(nèi)壓力變化時 漏孔的流態(tài)會變化 因此 UT也是變化的 隨著壓力降低 漏孔的通導減小 P1和P2 真空室外側與內(nèi)側壓力 2020 3 5 34 等效漏孔直徑 分子流態(tài)下等效漏孔直徑 粘性流態(tài)時等效漏孔直徑 2020 3 5 35 3 3串聯(lián)系統(tǒng)抽空時間計算 假設條件 1準穩(wěn)態(tài) 即可按穩(wěn)態(tài)流動狀態(tài)進行計算 2等溫抽氣 即PV 常數(shù) 2020 3 5 36 抽空時間計算公式 dt時間內(nèi)泵對容器的抽氣量 S P dtdt時間內(nèi)真空室內(nèi)氣體的減少量 VdP兩者相等 有S P dt VdP 則 2020 3 5 37 非穩(wěn)態(tài)時抽空時間 積分得到抽空時間 在非穩(wěn)態(tài)時 系統(tǒng)有效抽速S是壓力的函數(shù) SH 泵的有效抽速 Ku 泵的利用系數(shù) P 壓力 Q 放氣和漏氣之和 2020 3 5 38 討論1 若Q 0 流動為分子流狀況時 U 常數(shù) 對于高真空泵SH 常數(shù) 則S 常數(shù) 容器壓力從P1降到P2的抽氣時間 上式即為真空室忽略漏放氣時 在分子流態(tài)下的抽空時間計算公式 按指數(shù)變化 2020 3 5 39 討論2 當SH 常數(shù) 粘性流狀態(tài)U c p Q 0 則 抽空時間 上式即為真空室忽略漏放氣時 粘滯流抽氣時間 2020 3 5 40 討論3 當Q 0 SH不是常數(shù)時 則S不是常數(shù) 此時 SH f P 放氣和漏氣速率SQ Q P 在壓力較高時 排氣量很大 漏放氣量可忽略 SQ 0 用圖解法計算抽氣時間 對于串聯(lián)泵系統(tǒng) 分段求出平均抽速 再分段求抽氣時間 2020 3 5 41 串聯(lián)抽氣系統(tǒng)抽空時間計算圖 2020 3 5 42 串聯(lián)抽氣系統(tǒng)抽空時間計算式 把從大氣壓到工作壓強的整個壓強區(qū)間分成若干個分段 每一段上的平均值為 抽氣時間為各段抽氣時間之和 n 整個壓力變化范圍內(nèi)分段數(shù)目 2020 3 5 43 抽氣時間的解析求解 可以對抽速曲線回歸得到具體函數(shù)關系S f p 采用解析法或數(shù)值法求平均抽速 再計算抽氣時間 在沒有考慮烘烤的條件下 計算抽氣時間必須考慮吸附在器壁上的水蒸氣解吸對抽氣時間的影響 2020 3 5 44 含有水蒸氣時的抽氣方程 當抽除的是干空氣和水蒸氣兩個成分的混合氣體時 可寫出兩個等溫抽氣方程式 常數(shù)常數(shù)P1 干空氣分壓 P2 水蒸氣分壓 a 真空室單位表面吸附水蒸氣量M3 Pa M2 Fr 真空室表面積 Vk 真空室的容積 2020 3 5 45 含有水蒸氣時的抽氣方程的求解 對t求導 可得 式中 S 系統(tǒng)的有效抽速 M3 s 2020 3 5 46 含有水蒸氣時的抽空時間 將吸附量費利得利胥方程式代入 當S 常數(shù)時 積分求得抽氣時間 P2H和P2k 水蒸氣在抽氣開始和終止時的壓力 K 0 0185 n 2 9 2020 3 5 47 不同壓力時水蒸氣對抽空時間的影響 在105 100Pa壓力范圍內(nèi) 對濕空氣和干空氣的抽氣時間上大致相同 吸附的水蒸氣對抽空時間的影響不大 壓力低于10Pa時影響會表現(xiàn)出來 此時不能忽略殘余氣體中水蒸氣度抽空的影響 當壓力低于10 3Pa時 抽氣時間主要取決于對水蒸氣的抽出 2020 3 5 48 Vk 0 1M3Fr 1M2S 5 10 3M3 s時真空室壓力變化曲線 1未考慮水蒸氣解吸 2考慮有水蒸氣解吸 2020 3 5 49 討論 從圖上可以看出 從大氣壓抽到10 4Pa時 實際的抽氣時間要比沒有考慮水蒸氣解吸計算的抽氣時間長10倍 要抽到10 6Pa 抽氣時間的計算誤差達到100倍 2020 3 5 50 溫度對抽氣時間的影響 當溫度升高時 水蒸氣的吸附量減少 抽氣時間減少 1 297K 2 400K 3 500K 4 600K 2020 3 5 51 討論 從圖上可以看出 對于極限壓力大于10 11Pa的真空系統(tǒng) 將真空系統(tǒng)烘烤到500K 這時在殘余氣體中就認為沒有水蒸氣出現(xiàn)了 就可以大大縮短抽氣時間 T1 297K時 要達到10 7Pa很困難 必須進行烘烤 烘烤到T2 400K時 要達到10 11Pa需要很長時間 必須烘烤到600K才行 2020 3 5 52 3 4大泵對真空容器 管道的抽空 不考慮器壁放氣 小真空容器 管道在非穩(wěn)態(tài)下的抽空 1 壓力隨時間變化的微分形式2 邊界條件3 微分方程的解4 討論 2020 3 5 53 1 壓力隨時間變化的微分形式 不考慮器壁放氣 管道一端用盲板封住 另一端聯(lián)接一臺抽速非常大的真空泵 可認為管道開口斷面上壓力等于零 壓力與時間的關系為 D U L FF 管道的斷面積 U L 管道的流導和長度 2020 3 5 54 2 邊界條件 初始狀態(tài)時 t 0 P P1 初始壓力 管道無放氣 x 0 dP dx 0 盲板封口處壓力梯度為0 連接大抽速泵 x L P 0 管道出口壓力視為0 2020 3 5 55 3 微分方程的解 式中 無量綱時間 V F L 管道的容積 2020 3 5 56 4 討論1 1 當 0 1和x 0時 式可簡化成 即 當 足夠大時 管道封閉斷面上壓力為級數(shù)展開的第一項 當管道流導與壓力無關時 管道封閉斷面上壓力從P1降到P2的時間為 2020 3 5 57 討論2 2 當U與壓力P有關時分段 取平均壓力值 再計算抽氣時間 式中U1 Ui Un 對應壓力區(qū)間的平均值 2020 3 5 58 3 5前級真空罐 儲氣罐 的計算 1 儲氣罐2 前級泵關閉的時間間隔3 儲氣罐的容積4 儲氣罐內(nèi)放有吸氣劑時的計算5 儲氣罐工作時間的比較 2020 3 5 59 1 儲氣罐 串聯(lián)真空系統(tǒng)中 在泵之間設立的附加被抽容器稱作前級真空罐 或稱預真空罐 儲氣罐可使設備在工作時間內(nèi)長時間關閉預抽真空泵 高真空泵排出的氣體進入其中 儲氣罐也可用于節(jié)省泵系統(tǒng)的啟動時間 2020 3 5 60 2 前級泵關閉的時間間隔 儲氣罐的初始壓力 前級泵工作時達到的最低壓力PH 儲氣罐的最高壓力 高真空泵最大出口壓力Pk 前級泵關閉時間 壓力由PH上升至PK經(jīng)歷的時間 關閉時間間隔的選擇 設備穩(wěn)定工作的時間或周期式設備進出料以及預抽空時間 2020 3 5 61 3 儲氣罐的容積 高真空泵排出的氣體使前級真空罐內(nèi)的壓力升高 由質量守恒 則 PH Pk 儲氣罐升壓前后的壓力 VF 前級真空罐的容積 t 前級泵停泵后 高真空泵的工作時間 2020 3 5 62 儲氣罐的容積 由上式可求得前級真空罐的容積為 一般 Pk 0 3 0 5 PB PB 高真空泵的最大出口壓力 而PH SH 前級泵的抽速 KU 前級泵的利用系數(shù) 2020 3 5 63 4 儲氣罐內(nèi)加有吸氣劑時的計算 若前級罐內(nèi)放有吸氣劑 其吸收氣體量為 A KT P GG 吸氣劑的堆積容積 M3 P 罐內(nèi)壓力 Pa A 吸附氣體量 M3 Pa KT 溫度T時的吸附常數(shù) 對于活性碳 K293 102 103 K77 106 107 2020 3 5 64 加有吸氣劑時儲氣罐的容積 由質量守恒 高真空泵排出的氣體等于儲氣罐內(nèi)壓力的升高以及吸附劑吸附的氣體量 由此可得儲氣罐的容積t 加有吸氣劑前級罐的工作時間 2020 3 5 65 充滿吸氣劑時儲氣罐的容積 若整個前級罐充滿吸附劑 則G VF 由質量守恒 可得 吸附劑的孔隙率由此可得出前級罐容積為 2020 3 5 66 5 儲氣罐工作時間 容積的比較 無吸附劑和充滿吸附劑時 相同容積的儲氣罐的工作時間 當T 293K K293 102 0 5 t t 102 當T 77K K77 106 0 5 t t 106 對于相同的工作時間 前級罐充滿吸附劑時 在室溫下 前級罐的容積可以縮小到原來容積的1 102 而在液氮溫度下可縮小到原來容積的1 106 2020 3 5 67 3 6抽空時間驗算 已知條件1 真空系統(tǒng)配置圖 2 泵的特性 抽速 極限壓力 起動壓力 3 附件及管道的特性 尺寸和通導 4 被抽容器的特性 尺寸和容積 5 在非穩(wěn)態(tài)下工作 出氣和漏氣量之和 6 真空室的工作壓力 2020 3 5 68 計算步驟 1 驗算準穩(wěn)態(tài)條件2 泵系統(tǒng)對被抽容器的有效抽速3 被抽容器漏放氣率4 準穩(wěn)態(tài)時的抽氣時間5 非穩(wěn)態(tài)時的抽氣時間6 儲氣罐的工作時間 2020 3 5 69 1 驗算準穩(wěn)態(tài)條件 若滿足準穩(wěn)態(tài)條件 可按準穩(wěn)態(tài)有關計算公式計算抽氣時間 2020 3 5 70 2 對被抽容器的有效抽速 SHi 泵的有效抽速 與入口壓力有關 由泵的特性曲線給出 Ui 第i個泵到被抽容器之間真空系統(tǒng)的通導 一般情況下是壓力的函數(shù) 2020 3 5 71 3 容器漏放氣率與系統(tǒng)平均抽速 容器漏 放氣量 SQ Q P若Q與壓力無關 則SQ在對數(shù)坐標下為一條直線 系統(tǒng)平均抽速 2020 3 5 72 4 準穩(wěn)態(tài)時的抽氣時間 Scpi 分段平均抽速 2020 3 5 73 5 非穩(wěn)態(tài)時的抽氣時間 在非穩(wěn)態(tài)時 分子 粘性流和粘性流條件下 通導U與壓力有關 利用U P 曲線 將抽空過程中壓力分成P1 Pi 1段 每段內(nèi)取Ui的平均值 2020 3 5 74 6 儲氣罐的工作時間 1 無吸氣劑時 前級真空罐的工作時間 其中 Pk 1 2PB PH Q SH Ku 2 前級真空罐充滿吸附劑時 工作時間為 其中KT 吸附常數(shù) 吸附劑的孔隙率 2020 3 5 75 3 7非穩(wěn)態(tài)真空系統(tǒng)設計方法 1 設計任務非穩(wěn)態(tài)真空系統(tǒng)設計計算的任務是選擇抽氣設備 附件和管道的尺寸 以保證從開始到實現(xiàn)穩(wěn)定工作時的工作壓力所給定的抽氣時間 2 已知數(shù)據(jù) 1 被抽容器的初始壓力與終止壓力P1和Pk 2 被抽容器的容積V 直徑d和長度l 3 非穩(wěn)態(tài)的抽氣時間tH 4 其它附加條件 2020 3 5 76 3 真空系統(tǒng)配置 真空系統(tǒng)的選擇與被抽容器的工作壓力有關 主泵由真空室工作壓力的確定 前級泵 冷阱 閥門等根據(jù)要求配備 若抽到工作壓力需要若干個泵 則總的抽氣時間應該由所有泵的抽氣時間之和來決定