长管路抽真空的理论分析与实验研究
分析讨论了长管路抽真空的特点及影响管路真空度的主要因素。根据相关真空理论，推导得出了长管路极限真空计算公式。结合一真空工程，对该理论公式进行了实验验证。结果表明，理论计算值和实验测量值比较接近。该公式对长管路的真空设计具有较强的参考价值。
真空技术在容器检漏、焊接加工、冶炼、干燥和其他工业领域和科学研究中应用非常广泛。我国真空工程技术发展很快，虽然只有几十年的时间，但在很多领域都达到了世界先进水平[1]。尽管现在真空理论和真空技术的发展比较成熟，但在某些特殊真空工程中，当前理论不能很好地解决实际问题。在一真空工程中，对长度超过1000 m、内径仅为42 mm 的管路，如何正确、快速地计算该长管路的真空度成为设计者遇到的关键难题。查阅现有文献资料表明，没有直接用于计算长管路真空度的公式。本文通过对相关真空理论公式的分析讨论，推导得出了实用可行的长管路真空度计算公式，并得到了实验验证。
1、长管路抽真空的特点
在一般的真空工程计算中，通常将L≥20D（L为管长，D 为管径）的管路称为长管，如图1所示。
在真空管路内，气流有三种基本流动状态，即湍流、粘滞流和分子流。因湍流仅仅发生在系统刚刚工作时，且持续时间短，故不予考虑。而分子流一般出现在高真空（0.13~1.3×10- 6 Pa）和极高真空（1.3×10-6～1.3×10-11 Pa）系统中，可忽略[2]。因此，本文对长管路真空状态分析时都视气体流动状态为粘滞流。
由真空设计手册[3]可知，对于长管，其内部各处压力不等，呈抛物线形分布。其中，管路泵口端压力最小，另一端压力最大。对气体流速，当其状态为粘滞流时, 对同一截面, 速度分布符合抛物线规律，即管中心流速最快，而管壁最小。在距离抽气口x 处的压力[1]计算公式为：
式中Px———管路某处的压力，Pa
q———真空室材料出气率，Pa·L（/ s·m2）
l———真空室截面周长，m
L———真空室长度，m
S———x=0 处的有效抽速,L/s
U———长度为L 的管路流导,L/s
根据式（1），可推出管路最远端L 处的压力：
由上式（3）可知，管路两端的最大压差与真空泵的抽速无关。因此，为减小长管路内的压力差，应减小长度L，但本工程中L 为定值，不能变。在本工程中,要求长管路内的真空度为100 Pa,视为低真空常速抽气。因此,其抽气时间按下式估算[3]，流导为U 时1/S= 1/Sf+1/U则
式中t———抽气时间,s
V———真空设备容积,L/s
Sl———泵的名义抽速,L/s
U———抽气管路的流导,L/s
pi———经过t 时间抽气后的压力,Pa
p———真空室开始抽气时的压力,Pa
2、影响长管路真空度的因素
影响管路真空度的因素比较多，如材料出气率、焊缝或法兰部位的泄漏、材料表面清洁度、蒸汽、温湿度等。资料表明[3]，不同的工程材料，放气率不尽相同，如1Cr18Ni9Ti 不锈钢的放气率为3.74×10-4Pa·L/（s·m2）（原材料，动态测试，抽气时间1 h），而聚氨酯2# (即PU 材料) 放气率约为0.14 Pa·L/（s·m2）（动态测试，抽气时间1 h）。即使对同种材料，抽气时间不同，放气率也不同。如果焊缝有贯穿性裂纹和气孔，真空度也难以降到较低水平。如果法兰密封结构设计不合理，密封槽或密封圈在安装时没有擦洗干净，都可能造成气体泄漏，导致真空抽不下去。要想获得较高真空，必须设法减少真空系统中的大量可凝性蒸汽[4]。此外，管内的灰尘、沙石、焊渣等也对真空度有影响。因此，在设计和安装真空管路时，必须对上述问题引起足够重视。
4、结束语
根据推导得出的长管路真空度公式, 计算了一长度超过1000 m 的细长管真空度，解决了管路真空设计的理论难题。实验测量结果表明，该公式正确可靠，科学合理，可指导具有类似需求的长真空管路的设计工作。此外，如对简化公式(10)进一步推导，可得到大小不同、直径不同、材料放气率不同的两管路抽真空的相似性公式，这对真空工程设计与科学实验具有重要的推广和借鉴价值。
参考文献
[1] 巴德纯,达道安,张世伟.真空工程技术[M],北京:化学工业出版社,2006.
[2] 郭鸿震.真空系统设计与计算[M], 北京:冶金工业出版社，1986:3.
[3] 达道安. 真空设计手册[M]. 北京: 国防工业出版社,2004:779- 780.
[4] 王晓东，巴德纯，张世伟，等.真空技术[M],北京:冶金工业出版社,2006.
