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肯富来分析真空状态下气体流动情况

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点击次数:  更新时间:2015-01-23 09:44:44  【打印此页】  【关闭
今天就由大家和肯富来一齐来分析真空状态下气体流动情况:
  真空技术中,气体沿管道的流动状态可划分为如下几种基本形式:从大气压力下开始抽真空的初期,管道中气体压力和流速较高,气体的惯性力在流动中起主要作用,流动呈不稳定状态,流线无规则,并不时有旋涡出现,这种流动状态称为湍流(涡流,紊流);随着流速和气压的降低,在低真空区域内,气流由湍流变成规则的层流流动,各部分具有不同速度的流动层,流线平行于管轴,气体的粘滞力在流动中起主导作用,此时气体分子的平均自由程λ仍远小于导管最小截面尺寸d,这种流态叫做粘滞流;当气体流动进入高真空范围,分子平均自由程λ远远大于导管最小尺寸d时,气体分子与管壁之间的碰撞占居主要地位,分子靠热运动自由地直线前进,只发生与管壁的碰撞和热反射而飞过管道,气体流动由各个分子的独立运动叠加而成,这种流动称作分子流;发生在中真空区域内,介于粘滞流与分子流之间的流动状态叫做中间流或过渡流。
  在不同的流动状态下,管道中的气体流量和导气能力计算方法不同,因此在气体流动计算时,首先要进行流态判别。由于在真空抽气过程中湍流的出现时间较短,常常不加以单独考虑,而是将其归入粘滞流态。其它流动状态的判别可用克努曾数λ/d或管道中平均压力p与几何尺寸d的乘积pd作为判据:
  粘滞-分子流
  实验说明,气体流过一段真空管道的流量Qg与管道两端的压力差P1-P2成正比,即有
  Qg=C·(P1-P2)
  式中的比例系数C具有体积流率的量纲(m3/s),它所反映的是管道允许流过气体能力的大小,定义为该段管道的流导。其值为单位压差下的流经管道的气流量大小。
  流导是各种真空系统元件(管道、阀门、冷阱、孔口等)的主要技术指标之一,直接反映该元件对气体流动的阻碍程度,是真空系统计算中需要首先计算的参数。元件的流导与所流过气体的流动状态有关,气体流动为粘滞流时,流导值与元件的几何结构尺寸及流过气体的平均压力有关;为分子流时,流导仅与几何结构尺寸有关。
  从上面的判别式可以看出,对于液环真空泵组成的系统,是处于粘滞流状态的。粘滞流下,管道的流导计算公式为:
  式中,D-管道内径,m;
  L-管道长度,m;
  -气体的内摩擦系数,Pa.S;
  -管内气体的平均压力,Pa。
  对于20oC的空气,
  =1.820x10-5Pa.S,带入上式可得:
  对于其他气体的内摩擦系数可以从有关书籍上查得。
  根据组成真空系统的需要,有时将几个真空元件(如管道)的入口和出口分别联接在一起,称为元件的并联,并联后元件的总流导等于各分支流导之和。
  C=C1+ C2+……+ Cn
  有时将几个元件首尾顺序联接,称为元件的串联,串联后元件的总流导的倒数等于各元件流导的倒数之和。
  把一个被抽容器的出口和一台真空泵的入口,用总流导为C的真空管路联接起来,若真空泵在其入口处的抽速为S,则该真空系统在被抽容器出口处所能产生的有效抽速Se为:
  此式习惯上称为真空技术基本方程。从中可以看出,在被抽容器出口产生的有效抽速Se,比泵口抽速S和管路流导C都要小;若要获得较大的Se,应该合理地搭配S和C,单独增大其中的一个,不能获得理想的结果。抽速示意图。
  我们看一个例子。
  对20oC的空气抽真空时,2BV2 061-0HC0真空泵入口管道直径为25mm,如果在工作液温度为15oC,泵的转速为1450rpm,在泵入口压力为50mbar下的抽速为20.7m3/h。如果在泵与容器间的连有20m长的管道。该泵在容器出气口所能够达到的抽速为19.1m3/h。
  管道上的阀门,弯头等对气流的阻碍作用比直管道更大;在真空系统中,一般要求管道短粗,要避免管道又细又长,因为细长管道流导小,对气流的阻碍大,也使得真空泵的抽速下降大。
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