真空系统设计

真空系统设计(1)第八讲：真空系统设计王继常(东北大学)一、真空系统的组成真空应用设备种类繁多，但无论何种真空应用设备都有一套排除被抽容器内气体的抽气系统，以便在真空容器内获得所需要的真空条件。

举例来说：一个真空处理用的容器，用管道和阀门将它与真空泵连接起来，当真空泵对容器进行抽空时，容器上要有真空测量装置，这就构成了一个最简单的真空抽气系统(如图1)。

图1所示的最简单的真空系统只能在被抽容器内获得低真空范围内的真空度，当需要获得高真空范围内的真空度时，通常在图1所示的真空系统中串联一个高真空泵。

当串联一个高真空泵之后，通常要在高真空泵的入口和出口分别加上阀门，以便高真空泵能单独保持真空。

如果所串联的高真空泵是一个油扩散泵，为了防止大量的油蒸气返流进入被抽容器，通常在油扩散泵的入口加一个捕集器——水冷障板(如图2所示)。

根据要求，还可以在管路中加上除尘器、真空继电器规头、真空软连接管道、真空泵入口放气阀等等，这样就构成了一个较完善的高真空系统。

凡是由两个以上真空泵串联组成的真空系统，通常都把抽低真空的泵叫做它上一级高真空泵的前级泵(或称前置泵)，而最高一级的真空泵叫做该真空系统的主泵，即它是最主要的泵，被抽容器中的极限真空度和工作真空度就由主泵确定。

被抽容器出口到主泵入口之间的管路称为高真空管路，主泵入口处的阀门称为主阀。

通常前级泵又兼作予真空抽气泵。

被抽容器到予抽泵之间的管路称为予真空管路，该管路上的阀门称为予真空管道阀。

主泵出口到前级泵入口之间的管路称为前级管道，该管路上的阀门称为前级管道阀，而软连接管道是为了隔离前级泵的振动而设置的。

总起来说，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。

那么，究竟什么是真空系统?用一句话来概括，就是：用来获得有特定要求的真空度的抽气系统。

真空系统设计的基本内容：是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；确定导管、阀门、捕集器、真空测量元件等，进行合理配置，最后划出真空系统装配图和零部件图。

二、真空技术基本方程真空系统最重要的性能参数是其所能获得的极限真空度和对容器的有效抽速。

所说的真空系统的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。

真空系统对容器的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。

流导的定义是：在单位压差下，流经管路的气流量的大小。

用一个数学式子来表示，即是式(1)如果用S e来表示真空系统对容器的有效抽速，用S p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，则有式(2)，(2a)、(2b)、和(2c)方程(2)，(2a)、(2b)、和(2c)本质上是一个方程，只不过写法不同，这个方程在真空系统设计中是一个非常重要的方程，如果知道泵的抽速S p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。

从方程(2b)可以看出：如果管路的流导C远大于泵的抽速S p，则S p／C的值远小于1，此时真空系统对容器的有效抽速S e≈S p。

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。

相反，如果管路的流导C远小于泵的抽速S p，则C/S p的值远小于1，从方程(2c)可以看出，此时真空系统对容器的有效抽速S e≈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。

三、气体流动状态的判别在真空状态下，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(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。

因为湍流仅仅发生在真空系统刚刚工作之时，持续的时间很短，发生湍-粘滞流的时间也很短，所以在真空系统的设计计算中很少考虑这两种流动状态的影响。

而主要考虑粘滞流，粘滞-分子流，分子流这三种流动状态下，管道对气体的导通性能-流导。

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。

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?对于室温20℃空气、湍流、湍-粘滞流、粘滞流之间的判别式为式（３）。

对于室温20℃空气，粘滞流、粘滞-分子流和分子流之间的判别式是（４）。

第八讲：真空系统设计(2)第八讲：真空系统设计王继常(东北大学)四、流导的计算1．流导和流几率(1)流导就一个真空系统管路元件(包括导管、阀门、捕集器等)来说，若其入口压力P1和出口压力P2不相等，即管路元件的两端存在压强差P1-P2，则元件中将有气流从高压侧流向低压侧(如图3)。

若流经元件的气流量是Q，实验和理论都证明Q值的大小与元件两端的压强差P1-P2成正比。

用数学式子来表示Q与P1-P2之间的关系，则可写成式(5)。

该比例常数C称为流导。

式(6)即是流导的定义式。

它表明：在单位压差下，流经管路元件气流量的大小被称为流导。

在国际单位制中，气流量Q的单位是Pa·m3／s，P1-P2的单位是Pa，所以流导的单位是m3／s。

流导的大小说明在管路元件两端的压强差P1-P2一定的条件下流经管路元件的气流量的多少。

从式(5)可见，当压差P1-P2一定时，流导C的值较大，那么流经管路元件的气流量Q的值就较大；反之流导C的值小，则流经元件的气流量Q就小。

所以作为真空系统管路元件，不管是导管、还是阀门、捕集器、除尘器等，都希望它的流导值尽可能大一些，使气流能顺利地通过。

因此，流导是真空系统管路元件的一个重要参数。

在真空系统设计计算中，要计算管路元件以及某段真空系统管路的流导。

(2)流导几率流导几率也称为传输几率，其物理意义是气体分子从元件的入口入射进入元件能从管路元件的出口逸出的概率。

在分子流状态下，利用流导几率来表征真空系统管路元件对气体的导通性能更直观，更本质。

用p r来表示流导几率，则流导几率的定义式为式(7)。

从式(8)可以看出，管路元件的流导C等于该元件入口孔的流导C fk和其流导几率P r的乘积。

通常，管路元件入口孔的流导C fk是很容易求得的，如果知道了元件的流导几率P r，则利用式(8)可以很容易地计算出元件的流导。

2．流导的计算在真空系统中，连接管道通常采用的是圆截面管道，被抽气体又多为室温下的空气，因此这里只简要介绍圆孔和圆截面管道对室温空气的流导。

(1)粘滞流时流导的计算①薄壁孔粘滞流时气体流经薄壁孔，如图4所示，当P1＞P2时，气体从I空间流向II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P2下降到某一值时，它们都不再随P2下降而增加。

对于室温空气，面积为Am2的薄壁孔的流导为式(9)。

对于室温空气，圆形薄壁孔的流导为式(10)。

②不考虑管口影响时，圆管的流导通常，气体从一个大容积进入管道的入口孔时，孔口对气流存在影响，但当管道的长度比较长，管口对气流的影响则可以忽略，即可以不考虑管口对气流的影响。

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／D≥20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(11)。

③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。

当管道的长度不太长时，管口效应的影响在进行计算中不能忽略。

在工程计算中，一般认为管道的长径比L／D＜20都属于这种情况，这就是所说的“短管”。

对于室温空气，考虑管口影响时，管道的流导用式(12)计算。

(2)分子流时流导的计算①薄壁孔分子流时，对于室温空气，面积为Am2的薄壁孔的流导用式(13)计算。

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(15)导出。

由式(15)导出的圆管的流导为式(16)。

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(17)。

第八讲：真空系统设计(3)第八讲：真空系统设计王继常(东北大学)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p r如式(18)。

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式(19)。

⑤真空阀门的分子流流导对于真空阀门的分子流流导计算可用式(45)。

⑥常用水冷障板的流导水冷障板的分子流流导的计算可用两种方法。

一种是利用“比流导”的数值进行计算，“比流导”指的是捕集器入口单位面积上的流导，利用“比流导”数据进行计算可用式(20)。

若捕集器不是用水冷却，而是用其它冷剂，则式(20)要引入一个温度影响系数l，式(21)。

若冷凝剂用的是干冰(固体CO2)，取l=1.2；若是液氮，则取l=1.7。

第二种方法是用流导几率进行计算，对于很多种结构形式的捕集器，其流导几率值已有资料给出，因而利用式(8)可方便地进行计算。

(3)粘滞-分子流时，圆管对于室温空气的流导计算式是式(21)。

在式(21)和(22)中，函数J的数值见表1。

(4)管路元件串、并联时，流导的计算组成真空系统的管路各式各样，各系统管路元件之间的关系，有的是串联，有的又属于并联。

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式(23)。

如果是n个管道元件串联，则串联后整个管路的流导为式(24)。

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。

②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为式(25)。

如果有n条管路并联组成一段管路，则并联之后整段管路的流导为式(26)。

可见并联管路的流导等于各并联元件流导的代数和。