分析討論了長(zhǎng)管路抽真空的特點(diǎn)及影響管路真空度的主要因素。根據(jù)相關(guān)真空理論，推導(dǎo)得出了長(zhǎng)管路極限真空計(jì)算公式。結(jié)合一真空工程，對(duì)該理論公式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，理論計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)測(cè)量值比較接近。該公式對(duì)長(zhǎng)管路的真空設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的參考價(jià)值。

　　真空技術(shù)在容器檢漏、焊接加工、冶煉、干燥和其他工業(yè)領(lǐng)域和科學(xué)研究中應(yīng)用非常廣泛。我國(guó)真空工程技術(shù)發(fā)展很快，雖然只有幾十年的時(shí)間，但在很多領(lǐng)域都達(dá)到了世界先進(jìn)水平^[1]。盡管現(xiàn)在真空理論和真空技術(shù)的發(fā)展比較成熟，但在某些特殊真空工程中，當(dāng)前理論不能很好地解決實(shí)際問題。在一真空工程中，對(duì)長(zhǎng)度超過1000 m、內(nèi)徑僅為42 mm 的管路，如何正確、快速地計(jì)算該長(zhǎng)管路的真空度成為設(shè)計(jì)者遇到的關(guān)鍵難題。查閱現(xiàn)有文獻(xiàn)資料表明，沒有直接用于計(jì)算長(zhǎng)管路真空度的公式。本文通過對(duì)相關(guān)真空理論公式的分析討論，推導(dǎo)得出了實(shí)用可行的長(zhǎng)管路真空度計(jì)算公式，并得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1、長(zhǎng)管路抽真空的特點(diǎn)

　　在一般的真空工程計(jì)算中，通常將L≥20D（L為管長(zhǎng)，D 為管徑）的管路稱為長(zhǎng)管，如圖1所示。

　　在真空管路內(nèi)，氣流有三種基本流動(dòng)狀態(tài)，即湍流、粘滯流和分子流。因湍流僅僅發(fā)生在系統(tǒng)剛剛工作時(shí)，且持續(xù)時(shí)間短，故不予考慮。而分子流一般出現(xiàn)在高真空（0.13~1.3×10^{- 6} Pa）和極高真空（1.3×10^-6～1.3×10^-11 Pa）系統(tǒng)中，可忽略^[2]。因此，本文對(duì)長(zhǎng)管路真空狀態(tài)分析時(shí)都視氣體流動(dòng)狀態(tài)為粘滯流。

　　由真空設(shè)計(jì)手冊(cè)^[3]可知，對(duì)于長(zhǎng)管，其內(nèi)部各處壓力不等，呈拋物線形分布。其中，管路泵口端壓力最小，另一端壓力最大。對(duì)氣體流速，當(dāng)其狀態(tài)為粘滯流時(shí), 對(duì)同一截面, 速度分布符合拋物線規(guī)律，即管中心流速最快，而管壁最小。在距離抽氣口x 處的壓力^[1]計(jì)算公式為：

　　式中P_x———管路某處的壓力，Pa
　　　　q———真空室材料出氣率，Pa·L（/ s·m²）
　　　　l———真空室截面周長(zhǎng)，m
　　　　L———真空室長(zhǎng)度，m
　　　　S———x=0 處的有效抽速,L/s
　　　　U———長(zhǎng)度為L(zhǎng) 的管路流導(dǎo),L/s

　　根據(jù)式（1），可推出管路最遠(yuǎn)端L 處的壓力：

　　由上式（3）可知，管路兩端的最大壓差與真空泵的抽速無關(guān)。因此，為減小長(zhǎng)管路內(nèi)的壓力差，應(yīng)減小長(zhǎng)度L，但本工程中L 為定值，不能變。在本工程中,要求長(zhǎng)管路內(nèi)的真空度為100 Pa,視為低真空常速抽氣。因此,其抽氣時(shí)間按下式估算^[3]，流導(dǎo)為U 時(shí)1/S= 1/Sf+1/U則

　　式中t———抽氣時(shí)間,s
　　　　V———真空設(shè)備容積,L/s
　　　　Sl———泵的名義抽速,L/s
　　　　U———抽氣管路的流導(dǎo),L/s
　　　　pi———經(jīng)過t 時(shí)間抽氣后的壓力,Pa
　　　　p———真空室開始抽氣時(shí)的壓力,Pa

2、影響長(zhǎng)管路真空度的因素

　　影響管路真空度的因素比較多，如材料出氣率、焊縫或法蘭部位的泄漏、材料表面清潔度、蒸汽、溫濕度等。資料表明^[3]，不同的工程材料，放氣率不盡相同，如1Cr18Ni9Ti 不銹鋼的放氣率為3.74×10^-4Pa·L/（s·m²）（原材料，動(dòng)態(tài)測(cè)試，抽氣時(shí)間1 h），而聚氨酯2# (即PU 材料) 放氣率約為0.14 Pa·L/（s·m²）（動(dòng)態(tài)測(cè)試，抽氣時(shí)間1 h）。即使對(duì)同種材料，抽氣時(shí)間不同，放氣率也不同。如果焊縫有貫穿性裂紋和氣孔，真空度也難以降到較低水平。如果法蘭密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，密封槽或密封圈在安裝時(shí)沒有擦洗干凈，都可能造成氣體泄漏，導(dǎo)致真空抽不下去。要想獲得較高真空，必須設(shè)法減少真空系統(tǒng)中的大量可凝性蒸汽^[4]。此外，管內(nèi)的灰塵、沙石、焊渣等也對(duì)真空度有影響。因此，在設(shè)計(jì)和安裝真空管路時(shí)，必須對(duì)上述問題引起足夠重視。

4、結(jié)束語

　　根據(jù)推導(dǎo)得出的長(zhǎng)管路真空度公式, 計(jì)算了一長(zhǎng)度超過1000 m 的細(xì)長(zhǎng)管真空度，解決了管路真空設(shè)計(jì)的理論難題。實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明，該公式正確可靠，科學(xué)合理，可指導(dǎo)具有類似需求的長(zhǎng)真空管路的設(shè)計(jì)工作。此外，如對(duì)簡(jiǎn)化公式(10)進(jìn)一步推導(dǎo)，可得到大小不同、直徑不同、材料放氣率不同的兩管路抽真空的相似性公式，這對(duì)真空工程設(shè)計(jì)與科學(xué)實(shí)驗(yàn)具有重要的推廣和借鑒價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 巴德純,達(dá)道安,張世偉.真空工程技術(shù)[M],北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006.
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　　[3] 達(dá)道安. 真空設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社,2004:779- 780.
　　[4] 王曉東，巴德純，張世偉，等.真空技術(shù)[M],北京:冶金工業(yè)出版社,2006.