如何计算抽空时间

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举例来说，在实际生产中，当估算某个拟建真空装置的成本时，根据有效抽取速度 S_eff、所需压力 p 以及真空室容积 V，按公式计算抽真空时间会太过麻烦和耗时。在这种情况下，计算图表非常有用。通过使用图 9.7 中的计算图表，如果相关泵的抽速在所涉及的压力区域内比较恒定，则可以快速估算出使用旋片泵对真空装置进行抽空所需的时间。通过研究给出的例子，您可以轻松理解计算图表的使用方法。

图 9.7 在粗真空压力范围使用计算图表确定容器的抽空时间 tp

列 ➀：容器体积 V，单位为升
列 ➁：在容器内的最大有效抽速 S_eff,max，单位为升/秒（左）或立方米/小时（右）。
列 ➂：抽空时间 t_p，单位为秒（右上）、分钟（左中）或小时（右下）。
列 ➃：右侧：
如果在开始抽空时，p_START 为大气压力 (p_n = 1013)，抽4空结束时的压力为 p_END，单位为毫巴。所需的压力 p_END 要减去泵的极限压力 p_ult，得到的差值要在数值列中使用。如果存在流入 qpV,in，则在列中使用值 p_end – p_ult，p – q_pV,in / S_{eff, max}。
左侧：
压力降低比 R = (p_START – p_ult,p – q_pV,in / S_eff,max)/(p_end – p_ult,p – q_pV,in / S_eff,max)，如果抽空操作开始时的压力为 p_START，而且要通过抽空将该压力降低至 p_END。计算图表中考虑到了抽速对压力的依赖性，并表达在列 ➄ _ult,p 中。如果泵压 pult,p 相对于抽空结束时想要达到的压力 pend 较小，则相当于在整个抽空过程中抽速度S 或 Seff 保持不变。

例 1 - 使用计算图表 9.7：
某个容积为 V = 2000 l 的容器要从 p_START = 1000 mbar 的压力（大气压）开始使用滑阀泵抽真空至 p_END = 10^-2 mbar，该泵在容器中的有效抽速 S_eff,max = 60 m³/h = 16.7 l · s^-1。利用计算图表，两步就可以求出所需的抽真空时间：

1) 确定 τ：通过 V = 2000 l（列 ➀）和 S_eff = 60 m³/h^-1 = 16.7 l · s^-1（列 ➁）画一条直线，并在这些直线与列 ➂ 的相交处读出值 t = 120 s = 2 min（请注意，该步骤的不确定性约为 Δτ = ± 10 s，所以相对不确定性约为 10%）。

2) 确定 tp：旋片泵的极限压力为 pult,p = 3 · 10-2 mbar，该装置非常清洁且漏气可忽略不计（取 qpV,in = 0）；所以 p_START – p_ult,p = 10_-1 mbar – 3 · 10^-2 mbar = 7 · 10^-2 mbar。现在，通过在 1) τ = 120 s（列 ➂）下找到的点和点 p_END – p_ult,p = 7 · 10^-2 mbar（列 ➄）画一条直线，可读出这些直线与列 ➃ 的相交点 t_p = 1100 s = 18.5 min。（同样，该步骤的相对不确定性约为 10%，因此 tp 的相对不确定性约为 15%。）考虑到额外的安全系数 20%，可以估算出抽真空时间 tp = 18.5 min · (1 + 15 % + 20 %) = 18.5 min · 1.35 = 25 min。

例2 - 使用计算图表 9.7：
要将一个容积为 V = 2000 l（如例 1 所示）的清洁干燥真空系统 (q_pV,in = 0) 抽真空至压力为 p_END = 10^-2 mbar。因为此压力小于滑阀泵的极限压力 (S_eff,max = 60 m³/h = 16.7 l ( s^-1 = 3 · 10^-2 mbar)，所以，必须将罗茨泵与滑阀泵结合使用。前者的起动压力为 p1 = 20 mbar，抽速为 Seff,max = 200 m³/h – 55 l · s^-1 以及 p_ult,p – 4 · 10^-3 mbar。使用滑阀泵从 p_start= 1000 mbar 抽真空至 p = 20 mbar。然后连接罗茨泵，接着从 p₁= 20 mbar 抽真空至 p_END = 10_^-2 mbar，其中滑阀泵充当前级泵。对于第一个抽气步骤，可如例 1 所述，利用计算图表得出时间常数 τ = 120 s = 2 min（画一条通过 V = 2000 l, Seff = 16.7 l · s^-1 的直线）。如果将列 ➂ 中的该点与列 ➄ 中的点 p₁ - p_ult,p = 20 mbar – 3 · 10^-2 mbar = 20 mbar 连接（此处忽略了 pult,p，即滑阀泵在 1000 mbar ~ 20 mbar 的整个范围内抽速保持不变），就可以得到 t_p,1 = 7.7 min。罗茨泵必须将压力从 p1 = 20 mbar 降至 pEND = 10-2 mbar，即压力降低比 R = (20 mbar – 4 · 10^-3 mbar) / (10^-2 mbar^-4 · 10^-3) = 20/6 · 10-3 mbar = 3300。

可得到时间常量（画一条过 V = 2000 l（列 ➀）和 S_eff = 55 l · s^–1（列 ➁）的直线） = 37 s（列 ➂）。
如果将列 ➂ 中的该点连接到列 ➄ 中的 R = 3300，则可在列 ➃ 中得到 t_p, ₂ = 290 s = 4.8 min。如果考虑转换时间 t_u = 1 min，则可得到抽空时间 t_p = t_p1 + t_u + t_p2 = 7.7 min + 1 min + 4.8 min = 13.5 min。

只要相关泵以不变的抽速抽真空至所需压力，就可通过参考例 1 所述方法确定旋片泵和滑阀泵的抽真空时间。

一般而言，罗茨泵在所涉及的工作区域不会保持抽取速度不变。在评估抽真空时间时，通常假定一个平均抽取速度即可。在这种情况下，计算图表的例 2 和例 3显示，罗茨泵的压缩比 K 并不是针对大气压 (1013 mbar)，而是针对罗茨泵开启时的压力。

在中真空区，气体释放或漏气率开始成为重要影响因素。根据计算图表 9.10，可以近似计算在该真空区域中的抽空时间。

图 9.10 在中真空范围确定抽空时间（考虑容器壁释放的气体）。

计算图表显示了泵的标称抽速、真空室体积、内部表面的尺寸和性质，与将压力从 10 mbar 降低至 10^-3 mbar 所需时间之间的关系。

例 1：某真空室的容积为 70 m³，内部表面积为 100 m²；假设该容器的气体释放量较为可观，为 2 · 10^-3 mbar · l · s^-1 · m^-2。那么，第一个问题是确定标称抽速为 1300 m3/h 的泵能否大体上满足要求。将例中 100 m² 的表面积的坐标与 2 · 10^-3 mbar · l · s^-1 · m^-2 的气体释放量相连，会得到一个交点 A，从该点画一条斜率向上的直线并得到交点 B，然后从 B 点画一条垂直线并连接到基于泵的抽速 1300 m³/h (D) 对应的曲线上。如果该曲线的投影在标记的曲线区域 (F) 以内，则泵的抽速足以应对释放的气体。然后，通过将抽速刻度上的点 1300 m³/h 连接到容积刻度上的点 70 m³ (C)：将直线延长，可得到在时间刻度上的交点 30 min (E)，进而可得到相关的抽真空时间（将压力从 10 mbar 降至 10^-3 mbar）为 30 min。

在例 2中，假设
一个容器（容积 = 约 3 m³）的
表面积为 16 m²，气体释放量较少，为
8 · 10^-5 mbar · l · s-1 · m^-2，如果要在 10 分钟内将压力从 10 mbar 降低至
10^-3 mbar，则泵至少要具有多大的抽速。计算图表显示
在此例中，标称抽速为 150 m³/h 的泵可以满足要求。

在很多应用中，提供任何给定时间内抽空可达到的压力是非常有用的。通过计算图表 9.7，这一点很容易做到。

作为第一个例子，假设要使用单级滑阀泵 E 250 对一个容积为 5 m³ 的容器抽真空；该泵的有效抽取速度为 S_eff= 250 m³/h，有气镇时，可达到的极限压力为 p_end,p = 3 · 10^-1 mbar，无气镇时，可达到的极限压力为 p_end,p = 3 · 10^-2 mbar；现在我们要利用计算图表来得出该泵的抽真空特性，也就是压力 p（表示所需达到的压力 p_end）与抽真空时间 t_p 之间的关系。在有气镇和无气镇时，时间常数 τ = V / S_eff（见式 2.36）不变，从计算图表 9.7 可得出大约为 70 s（列 3）。对于 p_end> p_end,p 的任何给定值，画一条连接列 3 上的点 70 s 与列 5 右侧刻度上的 (pend – pend,p) 值的直线，得到相应的 t_p 值。该步骤的结果在图 2.77 中显示为曲线 a 和 b。

图 2.77 使用标称抽速为 250 m³/h 的滑阀泵 E 250（带 (a) 和不带 (b) 气镇），以及罗茨泵/滑阀泵组合 WA 1001/E250（WA 1001 的切入压力为 10 mbar (e)）对容积为 5 m³ 的容器进行抽空时所需的抽真空时间 tp。

计算真空机组的抽空时间

涉及泵组的 (p_end,t_p) 计算更加复杂。下面讨论的第二个例子涉及到使用泵组罗茨泵 WA 1001 和前级泵 E 250 抽空一个容积为 5 m³ 的容器（如上例所示）。首先，单独使用 E 250 泵（无气镇）开始抽空，直至罗茨泵在 10 mbar 压力下开启。由于 WA 1001/E 250 组合的抽速特征（与 E 250 的特征不同）在压力范围的最佳部分不再呈水平直线（将其与图 2.19 中的 WA 2001/E 250 组合相应的特征进行对比），这里引入了一个与定义的压力范围相关的近似值 - S_eff 的平均值。对于 WA 1001/E 250 组合，可采用以下平均值：

S_eff= 800 m³/h，在 10 – 1 mbar 的范围内，

S_eff= 900 m³/h，在 1 mbar - 5 · 10^-2 mbar 的范围内，

S_eff = 500 m³/h，在 5 · 10^-2 - 5 · 10^-3 mbar 的范围内

图 2.19 不同泵与相应前级泵组合的抽速曲线

WA 1001/E 250 组合的极限压力为：P_end,p = 3 · 10^-3 mbar。根据这些值，可以得出计算图表中的相应时间常数；然后可以通过计算压力下降比 R，在列 5 的左侧找到抽真空时间 tp。结果为图 2.77 中的曲线 c。

Leybold 莱宝的计算机辅助计算

当然，我们的工业系统是通过高性能计算机程序完成计算工作的，但通常项目初始做简单评估的时候我们并没有这种高性能计算机。

抽空会释放气体和蒸汽的真空腔

如果在抽空过程中会出现蒸汽和气体，则上述关于抽真空时间的观察结果会发生显著改变。尤其是执行烘热过程时，当去除真空室表面的污染时，可能会释放大量蒸汽。所得到的所需抽真空时间将取决于一些截然不同的参数。对真空室的加热会伴随着更多气体和蒸汽从真空表面释放。由于温度的升高导致气体和蒸汽从真空内表面加速释放，真空室去污染的速度也会提高。

所述烘热工艺的许可温度实际上主要取决于真空室的制造材料。那么，仅在释气已知时，才可能估算出精确的抽真空时间。然而，除了干燥过程外，其他过程很难实现精确估算。

博客和百科真空泵选型真空获得真空基础