稀薄氣體性質(zhì)

1、稀薄氣體性質(zhì)設(shè)計(jì)三室稀薄氣體 真空狀態(tài)下與正常狀態(tài)相比，氣體較為稀薄，常溫下的稀薄氣體可近似的看作理想氣體。真空工程技術(shù)中所遇到的稀薄氣體，在性質(zhì)上與理想氣體差別很小，所以研究稀薄氣體時(shí)應(yīng)用理想氣體狀態(tài)方程可以不做任何修正。理想氣體狀態(tài)方程MPVRTl理想氣體的狀態(tài)方程：P ：氣體壓力，Pa；V ：氣體體積，m；T ：氣體絕對(duì)溫度，K；M ：氣體質(zhì)量，kg；：氣體的摩爾質(zhì)量，kg/mol；R ：普適氣體常數(shù)，對(duì)任何氣體都適合，與氣體質(zhì)量無(wú)關(guān)， R=8.31 J/(mol K)流動(dòng)狀態(tài)v真空工程技術(shù)中氣體沿管道的流動(dòng)狀態(tài)可分為三種基本形式： 湍流、 黏滯流、 分子流 從某一流動(dòng)狀態(tài)到另一流動(dòng)狀態(tài)

2、之間并沒有截然的分界，存在著一定的過(guò)渡范圍，因此又有所謂的 湍-黏滯流、 黏滯-分子流湍流v氣體壓力和流速較高時(shí)，流動(dòng)呈不穩(wěn)定狀態(tài)，其特征是流線不沿著管軸方向，而是出現(xiàn)垂直于管軸的橫向位移，形成無(wú)規(guī)則的旋渦，旋渦時(shí)隱時(shí)現(xiàn)，交替“猝發(fā)”與“間歇”。這種無(wú)秩序的流動(dòng)肯定要多消耗能量，大大增加氣體的摩擦阻力，這種流動(dòng)叫湍流，氣體的慣性力在流動(dòng)中起主要作用。黏滯流v若壓力和流速逐步降低，就會(huì)變成氣體的各部分具有不同速度的流動(dòng)層，流線平行于管軸，只在管道的不規(guī)則處稍許彎曲，這就是黏滯流。v這時(shí)起決定作用的是各層間的相互摩擦力，慣性力已退居次要地位。分子流v壓力降低到氣體分子的平均自由程大于管道的線性尺寸

3、時(shí)，氣體分子與管壁之間的碰撞占據(jù)主要地位，在此情況下氣體分子間的內(nèi)摩擦作用消失，分子靠熱運(yùn)動(dòng)自由地直線前進(jìn)，只發(fā)生與管壁的碰撞而飛過(guò)管道，這種流動(dòng)稱作分子流。這時(shí)起決定作用的是外摩擦力。流動(dòng)參量-體積流速v體積流速S 在一定壓力P下，單位時(shí)間流過(guò)某截面的氣體體積V稱為體積流速（或稱抽氣速率）。/SdVdtS：體積流速，m/s ；V：氣體體積，m；t ：時(shí)間，s；流動(dòng)參量-流量v流量 單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)某截面的氣體質(zhì)量稱為流量，用Q表示。氣體是可壓縮的流體，流量的多少不僅和流過(guò)的體積有關(guān)，而且與其密度（或壓力）有關(guān)。 在壓力不變的情況下： 流量的量綱和功率的量綱一致，流量的單位可以用W表示。若P用P

4、a、V用m，則流量的單位為Pa m/s。QPS黏滯流態(tài)的流量v黏滯流態(tài)的流量公式，又稱為泊謖葉公式。42212()256dQPPl d ： 管道直徑 l ： 管道長(zhǎng)度：氣體的內(nèi)摩擦系數(shù)P1、P2 ：管道兩端壓力（ P1P2 ）分子流態(tài)的流量v分子流態(tài)的流量公式，又稱為克努曾公式。3120()6dQPPl d ： 管道直徑 l ： 管道長(zhǎng)度0：自由分子黏滯系數(shù)P1、P2 ：管道兩端壓力（ P1P2 ）黏滯-分子流過(guò)渡流態(tài)的流量v過(guò)渡流態(tài)既有黏滯的基本特征，又有分子流的主要屬性，在動(dòng)態(tài)真空系統(tǒng)中，是一種不穩(wěn)定或暫態(tài)現(xiàn)象。v當(dāng)真空獲得設(shè)備只在低、中真空狀態(tài)下工作時(shí)，過(guò)渡流態(tài)不可忽略。v目前對(duì)過(guò)渡流態(tài)

5、的研究雖然頗多，也有若干結(jié)論，但還不成熟，未能形成一種完善的理論公式，大多數(shù)是半經(jīng)驗(yàn)的定性分析和定量計(jì)算公式。氣體流動(dòng)狀態(tài)的判別v因?yàn)橥牧鲀H僅發(fā)生在真空系統(tǒng)剛剛工作之時(shí)，發(fā)生湍流-黏滯流的時(shí)間也很短，所以在真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算中很少考慮這兩種流動(dòng)狀態(tài)的影響，而主要考慮黏滯流、黏滯-分子流、分子流這三種流動(dòng)狀態(tài)下管道對(duì)氣體的導(dǎo)通性能-流導(dǎo)。氣體流動(dòng)狀態(tài)的判別v氣體在管道中的流動(dòng)狀態(tài)不同，管道的流導(dǎo)也不一樣，也就是說(shuō)，管道對(duì)氣體的流導(dǎo)不僅取決于管道的幾何形狀和尺寸，還與管道中流動(dòng)的氣體種類和溫度有關(guān)，在有的流動(dòng)狀態(tài)下還取決于管道中氣體的平均壓力。所以在計(jì)算管道對(duì)氣體的流導(dǎo)時(shí)，首先必須判明管道中的氣流

6、是哪一種流動(dòng)狀態(tài)。氣體流動(dòng)狀態(tài)的判別v對(duì)于室溫20的空氣，湍流、湍流-黏滯流、黏滯流之間的判別式是：2660145014502660QDQDDQD為湍流為湍流-黏滯流為黏滯流Q：通過(guò)管道的氣體流量，Pam/sD：管道的內(nèi)徑，m氣體流動(dòng)狀態(tài)的判別v對(duì)于室溫20的空氣，黏滯流、黏滯-分子流和分子流之間的判別式是：330.6656.65 106.65 100.665DPPa mDPPa mPa mDPPa m為黏滯流為黏滯-分子流為分子流 ：管道中氣體的平均壓強(qiáng)，PaD：管道的內(nèi)徑，mP真空系統(tǒng)的有效抽速v真空系統(tǒng)對(duì)容器的有效抽速是指在容器出口處的壓力下，單位時(shí)間內(nèi)真空系統(tǒng)能夠從被抽容器中所抽除的氣

7、體體積。v真空系統(tǒng)對(duì)容器的有效抽速不僅取決于真空泵的抽速，也取決于真空系統(tǒng)管路對(duì)氣體的導(dǎo)通性能，即所說(shuō)的流導(dǎo)。真空系統(tǒng)的有效抽速v真空系統(tǒng)的有效抽速Se 如果知道泵的抽速Sp和管路的流導(dǎo)C，就可以計(jì)算出系統(tǒng)對(duì)容器的有效抽速，這個(gè)方程被稱為真空技術(shù)基本方程真空技術(shù)基本方程。 111epSCSSe：真空系統(tǒng)對(duì)容器的有效抽速Sp：真空泵的抽速C ：真空容器出口到真空泵入口之間管路的流導(dǎo)。真空系統(tǒng)的有效抽速?gòu)幕痉匠炭梢钥闯觯簐如果管路的流導(dǎo)C遠(yuǎn)大于泵的抽速Sp，此時(shí)真空系統(tǒng)對(duì)容器的有效抽速SeSp。這就是說(shuō)為了充分發(fā)揮泵對(duì)容器的抽氣作用，在設(shè)計(jì)真空系統(tǒng)管路時(shí)，應(yīng)使管路的流導(dǎo)盡可能大一些，因此真空管路

8、應(yīng)該粗而短，切不可細(xì)而長(zhǎng)，這是設(shè)計(jì)連接管道時(shí)的一條重要原則。v如果管路的流導(dǎo)C遠(yuǎn)小于泵的抽速Sp，此時(shí)真空系統(tǒng)對(duì)容器的有效抽速SeC，在這種情況下，選擇多大的泵都沒有用，都不能提高泵對(duì)容器的有效抽速。流導(dǎo)v流導(dǎo) 在單位壓差下，流經(jīng)管路的氣流量的大小。單位是m/s。 在真空系統(tǒng)中，連接管道通常采用的是圓截面管道，被抽氣體多為室溫下的空氣，因此這里只介紹圓孔和圓截面管道對(duì)室溫空氣的流導(dǎo)。黏滯流時(shí)的流導(dǎo)v不考慮管口影響時(shí)圓管的流導(dǎo)Cvk 在工程計(jì)算中，通常把管道的軸線長(zhǎng)度L與管道直徑D的比值L/D20的管道視為“長(zhǎng)管”，此時(shí)可以不考慮管口的影響而進(jìn)行計(jì)算。431.34 10vkDCPL3(/ )ms

9、P：管道中氣體的平均壓強(qiáng)，Pa黏滯流時(shí)的流導(dǎo)v考慮管口影響時(shí)圓管的流導(dǎo)Cvd 在黏滯流條件下，氣流從大容積進(jìn)入管口，在管口處受到影響，這種影響破壞了黏滯流的應(yīng)有秩序，使管道的流導(dǎo)減小，稱為管口效應(yīng)。當(dāng)管道的長(zhǎng)徑比L/D20即所謂的“短管”，管口效應(yīng)的影響在計(jì)算中不能忽略。4321.34 102.96 10vdD PCLQ3(/ )msP ：管道中氣體的平均壓強(qiáng)，PaQ：管道中的氣流量，Pam/s分子流時(shí)的流導(dǎo)v不考慮管口影響時(shí)圓管的流導(dǎo)3121fDCL3(/ )msL , D ： 圓管的長(zhǎng)度和直徑，m分子流時(shí)的流導(dǎo)v考慮管口影響時(shí)圓管的流導(dǎo)21/1.5120 16/1.5203812L RLDLDL RLLDD2fd2fd當(dāng)時(shí)，C =91D當(dāng)時(shí)，C =91D3(/ )ms3(/ )ms R：圓管半徑，mL , D ： 圓管的長(zhǎng)度和直徑，m黏滯-分子流時(shí)的流導(dǎo)v黏滯-分子流時(shí)，圓管對(duì)于室溫空氣的流導(dǎo)4331 1921.34 101211 238vfDDDPCPLLDP3(/ )msD：管道直徑，m；L： 管道長(zhǎng)度