長管路抽真空的理論分析與實驗研究
分析討論了長管路抽真空的特點及影響管路真空度的主要因素。根據(jù)相關真空理論，推導得出了長管路極限真空計算公式。結合一真空工程，對該理論公式進行了實驗驗證。結果表明，理論計算值和實驗測量值比較接近。該公式對長管路的真空設計具有較強的參考價值。
真空技術在容器檢漏、焊接加工、冶煉、干燥和其他工業(yè)領域和科學研究中應用非常廣泛。我國真空工程技術發(fā)展很快，雖然只有幾十年的時間，但在很多領域都達到了世界先進水平[1]。盡管現(xiàn)在真空理論和真空技術的發(fā)展比較成熟，但在某些特殊真空工程中，當前理論不能很好地解決實際問題。在一真空工程中，對長度超過1000 m、內徑僅為42 mm 的管路，如何正確、快速地計算該長管路的真空度成為設計者遇到的關鍵難題。查閱現(xiàn)有文獻資料表明，沒有直接用于計算長管路真空度的公式。本文通過對相關真空理論公式的分析討論，推導得出了實用可行的長管路真空度計算公式，并得到了實驗驗證。
1、長管路抽真空的特點
在一般的真空工程計算中，通常將L≥20D（L為管長，D 為管徑）的管路稱為長管，如圖1所示。
在真空管路內，氣流有三種基本流動狀態(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，且持續(xù)時間短，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，本文對長管路真空狀態(tài)分析時都視氣體流動狀態(tài)為粘滯流。
由真空設計手冊[3]可知，對于長管，其內部各處壓力不等，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。對氣體流速，當其狀態(tài)為粘滯流時, 對同一截面, 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]計算公式為：
式中Px———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，m
L———真空室長度，m
S———x=0 處的有效抽速,L/s
U———長度為L 的管路流導,L/s
根據(jù)式（1），可推出管路最遠端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。因此，為減小長管路內的壓力差，應減小長度L，但本工程中L 為定值，不能變。在本工程中,要求長管路內的真空度為100 Pa,視為低真空常速抽氣。因此,其抽氣時間按下式估算[3]，流導為U 時1/S= 1/Sf+1/U則
式中t———抽氣時間,s
V———真空設備容積,L/s
Sl———泵的名義抽速,L/s
U———抽氣管路的流導,L/s
pi———經(jīng)過t 時間抽氣后的壓力,Pa
p———真空室開始抽氣時的壓力,Pa
2、影響長管路真空度的因素
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，動態(tài)測試，抽氣時間1 h），而聚氨酯2# (即PU 材料) 放氣率約為0.14 Pa·L/（s·m2）（動態(tài)測試，抽氣時間1 h）。即使對同種材料，抽氣時間不同，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。如果法蘭密封結構設計不合理，密封槽或密封圈在安裝時沒有擦洗干凈，都可能造成氣體泄漏，導致真空抽不下去。要想獲得較高真空，必須設法減少真空系統(tǒng)中的大量可凝性蒸汽[4]。此外，管內的灰塵、沙石、焊渣等也對真空度有影響。因此，在設計和安裝真空管路時，必須對上述問題引起足夠重視。
4、結束語
根據(jù)推導得出的長管路真空度公式, 計算了一長度超過1000 m 的細長管真空度，解決了管路真空設計的理論難題。實驗測量結果表明，該公式正確可靠，科學合理，可指導具有類似需求的長真空管路的設計工作。此外，如對簡化公式(10)進一步推導，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，這對真空工程設計與科學實驗具有重要的推廣和借鑒價值。
參考文獻
[1] 巴德純,達道安,張世偉.真空工程技術[M],北京:化學工業(yè)出版社,2006.
[2] 郭鴻震.真空系統(tǒng)設計與計算[M], 北京:冶金工業(yè)出版社，1986:3.
[3] 達道安. 真空設計手冊[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社,2004:779- 780.
[4] 王曉東，巴德純，張世偉，等.真空技術[M],北京:冶金工業(yè)出版社,2006.
