真空系統(tǒng)設計（冷凝捕集器的計算）
2.3.2.3冷凝捕集器的計算 圖2-74球形二通冷阱圖2-75球形三通冷阱 A捕集器的流導 冷凝捕集器的計算主要有兩項:流導和抽速。玻璃冷凝捕集器(玻璃冷阱)的市售產(chǎn)品已成系列,其各種異型截面...
2.3.2.3冷凝捕集器的計算
圖2-74球形二通冷阱圖2-75球形三通冷阱
A捕集器的流導
冷凝捕集器的計算主要有兩項:流導和抽速。玻璃冷凝捕集器(玻璃冷阱)的市售產(chǎn)品已成系列,其各種異型截面的流導串(并)聯(lián)之和均大于或等于進、出氣口的流導,故不必復算。金屬冷凝捕集器的用途不同,形狀復雜,結構各異,尚無系列,其流導計算可分兩步:冷凝障板部分參照“機械捕集器”計算;而其余部分按分子流態(tài),依其截面形狀及軸向長度的不同,選擇相應的流導公式進行計算。應當注意的是:(1)恰當?shù)貙⒗溱暹M行分段,每一段都能用一個流導公式計算;(2)根據(jù)每段特點選擇相應的公式時,盡量減小截面形狀的近似誤差。在計算高真空或超高真空系統(tǒng)中常用冷阱的流導時,要遇到一個共同的問題,即求雙層球套之間的流導,其實際公式為:
式中,B為管道截面周長,cm;A為截面面積,cm2;L為管長,cm;T為空間里氣體的絕對溫度,K,μ為氣體的相對分子質量;K為非圓截面管的形狀修正系數(shù)。該式只適用L/D≥100的情況,通過幾何關系求出雙層球套的A、B、L值,即可算出流導。
B捕集器的抽速
冷凝捕集器捕集蒸氣分子的速率取決于每秒凝結在冷卻壁的蒸氣體積,此體積是在捕集器中蒸氣壓力下測量的。類似于擴散泵的抽速,冷凝捕集器的抽速與其冷凝壁的面積成正比。在高真空中,若冷凝壁的面積為A,則每秒碰撞到該表面A上的蒸氣分子數(shù)為:N1=A/4n1v1;而每秒由A面上蒸發(fā)的蒸氣分子數(shù)N2,應等于蒸氣在冷凝表面溫度下處于飽和時每秒碰撞到A上的分子數(shù)(動態(tài)平衡);顯然,每秒凈凝結在A上的分子數(shù)為：
上式兩端除以單位體積中蒸氣的分子數(shù)n1即為每秒凝結的蒸氣體積,則冷凝捕集器的抽速為:
式中,n1、n2為被抽蒸氣分子密度和在冷凝表面溫度下蒸氣分子密度,個/cm3;P1、P2為被抽蒸氣分壓力和在冷凝表面溫度下蒸氣的壓力,Pa;為被抽蒸氣相對分子質量;T1、T2為被抽蒸氣的絕對溫度和冷凝表面的絕對溫度,K;A為冷凝表面積,c㎡。
由式(2-16)可見,抽速S1隨P1的減小而減弱,當蒸氣壓力和溫度與冷壁溫度及其飽和蒸氣壓力達到平衡時,S1=0。
上式只適用于冷凝表面完全暴露在蒸氣中的情況。實際上,冷凝捕集器通過管道與被抽容器相連,此時它對被抽容器的有效抽速還取決于管道的流導。由上式可知,S1正比于A,且與蒸氣的相對分子質量的平方根成反比。伴隨著蒸氣的不斷凝結,冷凝壁附近的蒸氣壓逐漸接近冷凝壁溫度下蒸氣的飽和蒸氣壓,當蒸氣壓達到飽和壓力時,則蒸發(fā)和凝結處于動平衡狀態(tài)。此時,P1=P2,T1=T2,故S1=0水和汞在液氮溫度(-196℃)下,其飽和蒸氣壓分別為P水=1.3x10-19Pa、p汞=1.3x10-30Pa，而比值
故當真空系統(tǒng)處于室溫時,則有
表2-22表明,應用了冷凝捕集器后,可減小真空系統(tǒng)中水和汞的飽和蒸氣壓。
圖2-74球形二通冷阱圖2-75球形三通冷阱
A捕集器的流導
冷凝捕集器的計算主要有兩項:流導和抽速。玻璃冷凝捕集器(玻璃冷阱)的市售產(chǎn)品已成系列,其各種異型截面的流導串(并)聯(lián)之和均大于或等于進、出氣口的流導,故不必復算。金屬冷凝捕集器的用途不同,形狀復雜,結構各異,尚無系列,其流導計算可分兩步:冷凝障板部分參照“機械捕集器”計算;而其余部分按分子流態(tài),依其截面形狀及軸向長度的不同,選擇相應的流導公式進行計算。應當注意的是:(1)恰當?shù)貙⒗溱暹M行分段,每一段都能用一個流導公式計算;(2)根據(jù)每段特點選擇相應的公式時,盡量減小截面形狀的近似誤差。在計算高真空或超高真空系統(tǒng)中常用冷阱的流導時,要遇到一個共同的問題,即求雙層球套之間的流導,其實際公式為:
式中,B為管道截面周長,cm;A為截面面積,cm2;L為管長,cm;T為空間里氣體的絕對溫度,K,μ為氣體的相對分子質量;K為非圓截面管的形狀修正系數(shù)。該式只適用L/D≥100的情況,通過幾何關系求出雙層球套的A、B、L值,即可算出流導。
B捕集器的抽速
冷凝捕集器捕集蒸氣分子的速率取決于每秒凝結在冷卻壁的蒸氣體積,此體積是在捕集器中蒸氣壓力下測量的。類似于擴散泵的抽速,冷凝捕集器的抽速與其冷凝壁的面積成正比。在高真空中,若冷凝壁的面積為A,則每秒碰撞到該表面A上的蒸氣分子數(shù)為:N1=A/4n1v1;而每秒由A面上蒸發(fā)的蒸氣分子數(shù)N2,應等于蒸氣在冷凝表面溫度下處于飽和時每秒碰撞到A上的分子數(shù)(動態(tài)平衡);顯然,每秒凈凝結在A上的分子數(shù)為：
上式兩端除以單位體積中蒸氣的分子數(shù)n1即為每秒凝結的蒸氣體積,則冷凝捕集器的抽速為:
式中,n1、n2為被抽蒸氣分子密度和在冷凝表面溫度下蒸氣分子密度,個/cm3;P1、P2為被抽蒸氣分壓力和在冷凝表面溫度下蒸氣的壓力,Pa;為被抽蒸氣相對分子質量;T1、T2為被抽蒸氣的絕對溫度和冷凝表面的絕對溫度,K;A為冷凝表面積,c㎡。
由式(2-16)可見,抽速S1隨P1的減小而減弱,當蒸氣壓力和溫度與冷壁溫度及其飽和蒸氣壓力達到平衡時,S1=0。
上式只適用于冷凝表面完全暴露在蒸氣中的情況。實際上,冷凝捕集器通過管道與被抽容器相連,此時它對被抽容器的有效抽速還取決于管道的流導。由上式可知,S1正比于A,且與蒸氣的相對分子質量的平方根成反比。伴隨著蒸氣的不斷凝結,冷凝壁附近的蒸氣壓逐漸接近冷凝壁溫度下蒸氣的飽和蒸氣壓,當蒸氣壓達到飽和壓力時,則蒸發(fā)和凝結處于動平衡狀態(tài)。此時,P1=P2,T1=T2,故S1=0水和汞在液氮溫度(-196℃)下,其飽和蒸氣壓分別為P水=1.3x10-19Pa、p汞=1.3x10-30Pa，而比值
故當真空系統(tǒng)處于室溫時,則有
表2-22表明,應用了冷凝捕集器后,可減小真空系統(tǒng)中水和汞的飽和蒸氣壓。
