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真空系统设计(冷凝捕集器的计算)

字号+作者:admin 来源:潜水泵 2021年11月27日

2.3.2.3冷凝捕集器的计算 图2-74球形二通冷阱图2-75球形三通冷阱 A捕集器的流导 冷凝捕集器的计算主要有两项:流导和抽速。玻璃冷凝捕集器(玻璃冷阱)的市售产品已成系列,其各种异型截...


2.3.2.3冷凝捕集器的计算

图2-74球形二通冷阱图2-75球形三通冷阱
A捕集器的流导
冷凝捕集器的计算主要有两项:流导和抽速。玻璃冷凝捕集器(玻璃冷阱)的市售产品已成系列,其各种异型截面的流导串(并)联之和均大于或等于进、出气口的流导,故不必复算。金属冷凝捕集器的用途不同,形状复杂,结构各异,尚无系列,其流导计算可分两步:冷凝障板部分参照“机械捕集器”计算;而其余部分按分子流态,依其截面形状及轴向长度的不同,选择相应的流导公式进行计算。应当注意的是:(1)恰当地将冷阱进行分段,每一段都能用一个流导公式计算;(2)根据每段特点选择相应的公式时,尽量减小截面形状的近似误差。在计算高真空或超高真空系统中常用冷阱的流导时,要遇到一个共同的问题,即求双层球套之间的流导,其实际公式为:

式中,B为管道截面周长,cm;A为截面面积,cm2;L为管长,cm;T为空间里气体的绝对温度,K,μ为气体的相对分子质量;K为非圆截面管的形状修正系数。该式只适用L/D≥100的情况,通过几何关系求出双层球套的A、B、L值,即可算出流导。
B捕集器的抽速
冷凝捕集器捕集蒸气分子的速率取决于每秒凝结在冷却壁的蒸气体积,此体积是在捕集器中蒸气压力下测量的。类似于扩散泵的抽速,冷凝捕集器的抽速与其冷凝壁的面积成正比。在高真空中,若冷凝壁的面积为A,则每秒碰撞到该表面A上的蒸气分子数为:N1=A/4n1v1;而每秒由A面上蒸发的蒸气分子数N2,应等于蒸气在冷凝表面温度下处于饱和时每秒碰撞到A上的分子数(动态平衡);显然,每秒净凝结在A上的分子数为:

上式两端除以单位体积中蒸气的分子数n1即为每秒凝结的蒸气体积,则冷凝捕集器的抽速为:

式中,n1、n2为被抽蒸气分子密度和在冷凝表面温度下蒸气分子密度,个/cm3;P1、P2为被抽蒸气分压力和在冷凝表面温度下蒸气的压力,Pa;为被抽蒸气相对分子质量;T1、T2为被抽蒸气的绝对温度和冷凝表面的绝对温度,K;A为冷凝表面积,c㎡。
由式(2-16)可见,抽速S1随P1的减小而减弱,当蒸气压力和温度与冷壁温度及其饱和蒸气压力达到平衡时,S1=0。
上式只适用于冷凝表面完全暴露在蒸气中的情况。实际上,冷凝捕集器通过管道与被抽容器相连,此时它对被抽容器的有效抽速还取决于管道的流导。由上式可知,S1正比于A,且与蒸气的相对分子质量的平方根成反比。伴随着蒸气的不断凝结,冷凝壁附近的蒸气压逐渐接近冷凝壁温度下蒸气的饱和蒸气压,当蒸气压达到饱和压力时,则蒸发和凝结处于动平衡状态。此时,P1=P2,T1=T2,故S1=0水和汞在液氮温度(-196℃)下,其饱和蒸气压分别为P水=1.3x10-19Pa、p汞=1.3x10-30Pa,而比值

故当真空系统处于室温时,则有

表2-22表明,应用了冷凝捕集器后,可减小真空系统中水和汞的饱和蒸气压。

参考资料

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