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1、,真空工程理论基础,东北大学第八期真空技术培训班讲义之二 2011,5.132011.5.23,主讲人：东北大学 张世伟,之一：真空技术的历史、现在与将来 之二：真空工程理论基础 之三：科技论文的检索、撰写与发表 之四：清洁真空获得技术 之五：真空系统设计 之六：真空系统设计辅助软件的使用 之七：真空测量 之八：真空装置与系统的检漏 之九：大型真空装置的监测与故障诊断 之十：专家座谈 之十一：真空获得技术 之十二：现代表面与薄膜技术 之十三：真空材料与真空卫生 之十四：真空技术应用及计算实例,真空工程理论基础 讲授提纲,真空的基本概念 真空区域的划分 真空的性质与应用 真空中的气体流动 蒸汽在
2、真空中的性质 真空中的电现象 气体的宏观性质 气体的微观性质 结束,真空的基本概念,真空的定义 自然真空与人为真空 真空技术的历史回顾 真空技术的应用领域,真空区域的划分,划分真空区域的必要性 真空区域的划分原则 真空物理性质 真空获得技术 真空测量技术 真空应用技术 真空区域划分标准,真空区域的划分,划分真空区域的必要性 真空度的范围: 105 10-14 Pa (19个数量级) 相当于: 1 光年 1 mm 划分: 低真空 中真空 高真空 超高真空, 极高真空,真空区域的划分,真空区域的划分原则-真空的物理性质 低真空: 力学性质, 中真空: 液体沸点降低,气体放电 高真空: 绝热, 绝缘
3、, 无氧化 超高真空: 获得清洁表面, 极高真空: 宇航, 物理研究,真空区域的划分,真空区域的划分原则-真空获得技术 低真空: 旋片泵, 水环泵, 滑阀泵 中真空: 罗茨泵, 油增压泵 高真空: 扩散泵, 分子泵 超高真空: 离子泵, 升华泵，低温泵,真空区域的划分,真空区域的划分原则-真空测量技术 低真空: 液位式真空计, 指针式真空表 中真空: 热偶计,电阻计, 薄膜规 高真空: 热阴极电离计, 冷阴极电离计 超高真空: B-A规, 极高真空: 调制规, 弯注规,真空区域的划分,真空区域的划分原则-真空应用技术 真空应用设备中 (用户自己定义,不规范) 前级泵: 低真空 次级泵: 高真空
4、 如:感应炉: 油增压泵(高)+滑阀泵(低),真空区域的划分,真空区域划分标准（GB/T3163-2007） 低真空(LV): 105 102 Pa 中真空(MV): 102 10-1 Pa 高真空(HV): 10-1 10-5 Pa 超高真空(UHV): 10-5 10-9 Pa 极高真空(VHV): 10-9 10-14 Pa,真空的性质与应用,力学性质 沸点降低与蒸发加强 绝热、绝缘与隔音作用 清洁环境与表面,真空的性质与应用,真空的力学性质 真空与大气之间存在压力差约为： 1kgf / cm2 真空力学性质特点：无处不在，而且均匀恒定，可以作为良好的动力来源。,真空的性质与应用,真空力
5、学性质的应用（1） 真空的吸着、夹持、搬运、提升 方式：使用吸头、吸盘。 特点：结构简单、使用方便、夹持可靠。 历史回顾：1651年，马德堡半球实验 使用实例：胶印机吸纸；平板玻璃浮法生产线及手工搬运；轧钢厂钢板的翻板机；电视机显象管生产线；电子元件、炮弹的搬运等等。,真空的性质与应用,真空力学性质的应用（2） 气流携带方式的动力输送 原理：利用二相流。 特点：被输送物不与动力机构接触，不受破坏；适合于将各个分散物向集中地输送（气压输送恰好相反）。 使用实例：吸尘器；伦敦的邮政信件传递；粮食、冶金配料等颗粒物料的输运；等等。,真空的性质与应用,真空力学性质的应用（3） 气压推进方式的动力输送
6、用于液体传送。 特点：被输送液体不污染动力机构，适用于腐蚀、粘稠液体的输送。 使用实例：真空排污车；医疗中用的真空吸痰器、手术刀吸血；真空铸造、成型、吸塑；化工溶液输送；真空过滤等,真空的性质与应用,沸点降低与蒸发加强 在真空中，物质的性质发生变化：液体沸点降低，蒸发升华加强。 液面上方大气压等于饱和蒸汽压时液体沸腾，同时飞出液面的分子易于扩散。 如：青藏高原大气压力为380Toor，水的沸点为80 。铝在一个标准大气压时要2400时才能蒸发，在 10-3 Pa 只要847就大量蒸发。,真空的性质与应用,沸点降低与蒸发加强的应用（1） 脱水与干燥 在真空环境下，使干燥过程加快。 主要用途：干燥
7、粮食；纺织业的纤维干燥；印染的真空去碱；造纸工业中的纸张脱水；水泥预制件的快速干燥；化工行业的真空蒸馏、分馏、浓缩等。,真空的性质与应用,沸点降低与蒸发加强的应用（2） 真空冷冻干燥 原理：在低温低压环境下，将固体中含有的水分以固体的形式升华除去，从而可以保持固体原有的许多特性。 应用实例：医学上的血浆存储（组织工程）；食品、药品、保健品工业中的保鲜干燥处理等。,真空的性质与应用,沸点降低与蒸发加强的应用（3） 真空浸渍 电力行业中的真空浸渍：电动机、变压器、电容器，同等功率时电压越高，电流越小。为了节省材料，需要提高绝缘等级，即：脱水、脱气，充填满绝缘油等。 工艺：先抽空，脱水、脱气，再高压
8、充油、漆。 浸渍技术的新应用：人造大理石的变色；木材改造；耐火砖浸沥青。,真空的性质与应用,绝热、绝缘与隔音作用 热量的传递方式：辐射、对流和热传导； 抽真空的作用：去掉对流和气体热传导；加辐射屏的作用：降低辐射；最终达到绝热的目的。 绝热应用实例：暖水瓶；不锈钢保温壶；低温容器（杜瓦瓶）；液氧槽车；超导技术中需要低温环境，离不开真空； 电绝缘：真空环境下无导电载体，因而起到绝缘的效果。应用实例：真空开关，无电弧。 隔音：无气体传递声音。应用实例：真空玻璃。,真空中气体的流动,气体流动的原因 气体流动的状态、特征与判别 粘滞流 过渡流 分子流 气体流动的几个概念 真空技术基本方程,真空中气体的
9、流动,气体流动的原因 当真空管道两端存在着压力差时，气体就会自动的从高压处向低压处扩散，便形成了气体流动。 真空中的气体流动是气体自发扩散的结果 任何真空系统都是由气源、系统构件及抽气装置组成的，气体从气源经过系统的构件向抽气口源源不断的流动，是动态真空系统的普遍特点。,真空中气体的流动,气体流动的状态与原因 湍 流 压力驱动 粘滞流 压力驱动 过渡流 混合原因 分子流 自由扩散,真空中气体的流动,气体流动的状态与特征 湍 流 粘滞流 过渡流 分子流 ,真空中气体的流动,气体流动状态的判别判据 雷诺数 湍 流 粘滞流（层流） 克努曾数,真空中气体的流动,气体流动状态的判别 粘滞流 过渡流 分子
10、流,真空中气体的流动,气体流动的几个概念 体积流率 qv：（抽气速率、抽速）单位时间内流过管道指定截面的气体体积(m3/s)。 气体量G：气体压力与体积的乘积 (Pa m3)。 流量qG ：单位时间内通过管道某一截面的气体量(Pa m3 /s)。,真空中气体的流动,气体流动的几个概念 流量连续方程：在稳定流动状态下，通过管道各截面上的气体流量相等。,真空中气体的流动,气体流动的几个概念流导 定义：在单位压差下，流经一段管道的气流量大小，称为该管道的流导，又叫通导能力。是一个反映管道允许流过气体能力大小的参数，具有体积流率的量纲（m3/s）。 公式：一段管道的流导等于通过管道的气体流量与管道两端
11、的压力差之比,真空中气体的流动,气体流动的几个概念流导 性质：元件的流导与所流过气体的流动状态有关：粘滞流态时，流导值与元件的几何结构尺寸及流过气体的平均压力有关；分子流态时，流导值仅与元件的几何结构尺寸有关。 用途：流导是各种真空系统元件（管道、阀门、冷阱等）的主要技术指标之一，直接反映元件对气体流动的阻碍程度。是真空系统设计与计算中需要首先计算的重要参数。,真空中气体的流动,气体流动的几个概念流导 并联元件的总流导等于各分支流导的和 串联元件的总流导的倒数等于各元件流导的倒数之和：,真空中气体的流动,气体流动的几个概念 真空技术基本方程,蒸汽在真空中的性质,蒸汽的概念 饱和蒸汽压 蒸汽对真
12、空的影响 水蒸气 蒸汽的汽化潜热,蒸汽在真空中的性质,蒸汽的概念 又称可凝性气体，是相对永久性气体而言的。对于任何一种气体都有一个临界温度，处在临界温度以上的气体，不能通过等温压缩发生液化，称为永久气体；而在临界温度以下的气体，靠单纯增加压力即能使其液化，便是蒸汽。,蒸汽在真空中的性质,饱和蒸汽压 封闭空间中，蒸汽与液体（固体）达到动态平衡时所保持的状态称为饱和状态，此时的蒸汽压力称为对应当时温度下的饱和蒸汽压，当时的温度则称为饱和温度，即对应当时压力的沸点。 饱和蒸汽压与饱和温度的一一对应关系，由物质性质所决定。,蒸汽在真空中的性质,蒸汽对真空的影响 挥发性强的物质相当于放气源，常常会限制系
13、统极限真空度的提高，极限压力不会低于最高的饱和蒸汽压。 系统各部分温度不同时，系统中蒸汽的分压力与最低温度的饱和蒸汽压相等，多余的蒸汽物质将凝聚在最低温度表面上。（低温泵、冷阱提高真空度的原理,冻干）,蒸汽在真空中的性质,水蒸气 抽除水蒸汽是真空技术中的一个难题 饱和蒸汽压受压缩时发生液化这一性质常给容积式真空泵的抽气带来困难，最突出的就是水蒸气的抽除问题。（气镇原理，热泵） 水蒸气的存在也会影响到压缩式真空计（麦氏计）的精确使用。 水蒸气在表面的吸附不易脱附，为尽快排出水蒸气，可以采用烘烤、干燥气体清洗等措施。,蒸汽在真空中的性质,蒸汽的汽化潜热 液体在真空中蒸发变成蒸汽时需要吸收的热量，称
14、为汽化热。 要使液体汽化（固体升华），需要提供足够的热量。（真空冷冻干燥也要加热） 液体蒸发吸收热量，有降温作用。如蔬菜水果保鲜，脱水降温，蒸发制冷。 积水蒸发结冰现象。,真空中的电现象,电子发射 气体放电 荷能粒子与表面间的作用,真空中的电现象,电子发射真空中电子的两种来源 从中学学习物理时开始，我们就已经习惯于这样的描述：“一个带电粒子无碰撞地在空间运动。”你可曾想过？这个允许粒子自由运动的空间必须是高真空环境，而那个带电粒子则是由金属电极向空间发射出的电子，或者是在气体放电过程中因碰撞产生的电子或离子。实际上，有许多电现象是与真空密切相关的。,真空中的电现象,电子发射定义与分类 定义：固
15、体内的自由电子，在某种外界因素的作用下逸出固体表面进入周围真空空间的过程，称为固体的电子发射。 分类：热电子发射 场致发射 光电子发射 二次电子发射,真空中的电现象,气体放电定义与装置 定义：所谓气体放电，就是空间气体中有宏观电流流过的气体导电现象。 直流 放电 装置,真空中的电现象,气体放电伏安特性曲线与分类 分类：直流放电 汤生放电 辉光放电 弧光放电,真空中的电现象,气体放电其它形式放电 射频放电（R.F. 13.56MH） 绝缘材料电极的放电 磁控放电 以磁场约束电子，实现低电压、低气压、低温度下的气体放电 潘宁放电，空心阴极放电,真空中的电现象,气体放电粒子间的作用 电离过程 激发过
16、程 附着过程 复合过程,真空中的电现象,气体放电破裂电压与巴邢定律 由黑暗放电转 为光亮放电的 突变过程称之 为破裂（或着 火，点燃、击 穿、起辉）,真空中的电现象,荷能粒子与表面间的作用 荷能粒子： 诱导脱附：电子轰击去气 加热：电子束熔炼 溅射：镀膜,气体的宏观性质,表示气体宏观性质的物理量 气体三定律 理想气体状态方程 道尔顿定律,气体的宏观性质,表示气体宏观性质的物理量 压力 p / Pa 温度 T / K（关于真空中的温度） 体积 V / m3 质量 m / kg 密度 / kgm-3 （分子数密度 n）,气体的宏观性质,气体宏观性质间的关系 气体三定律 波义耳马略特定律 盖吕萨克定律 查理定律,气体的宏观性质,气体三定律的应用 用法：针对由一个恒值过程联结的两个气体状态，已知3个参数，求第4个参数。 例题：初始压力和体积分别为p1，V1的气体，经
