วิธีการคํานวณอัตราการไหลและประเภทของการไหลในฟิสิกส์สุญญากาศ
การไหลเวียน
เทคโนโลยีสุญญากาศส่วนใหญ่พบการไหลสามประเภท ได้แก่ การไหลที่หนืดหรือต่อเนื่อง การไหลของโมเลกุล และการไหลของ Knudsen ที่จุดเปลี่ยนสถานะระหว่างทั้งสอง
การไหลที่หนืดหรือต่อเนื่อง
ซึ่งจะพบได้เกือบทั้งหมดในช่วงสุญญากาศแบบหยาบ ลักษณะของการไหลประเภทนี้จะถูกกําหนดโดยปฏิกิริยาของโมเลกุล ดังนั้น แรงเสียดทานภายใน ความหนืดของสารที่ไหลจึงเป็นปัจจัยสําคัญ หากการเคลื่อนไหวของกระแสลมปรากฏขึ้นในกระบวนการไหล จะเรียกได้ว่าการไหลของกระแสลม ถ้าชั้นต่างๆ ของสื่อที่ไหลผ่านเลื่อนทับกัน อาจใช้คําว่าการไหลแบบลามิเนียร์หรือการไหลของชั้น
การไหลแบบลามิเนียร์ในท่อกลมที่มีการกระจายความเร็วแบบพาราบอลิกเรียกว่าการไหลของ Poiseuille กรณีพิเศษนี้พบได้บ่อยในเทคโนโลยีสุญญากาศ โดยทั่วไปจะพบการไหลที่หนืดเมื่อเส้นทางอิสระเฉลี่ยของโมเลกุลสั้นกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของท่ออย่างมาก: λ « d
ตัวเลขลักษณะเฉพาะที่อธิบายสถานะการไหลที่หนืดคือตัวเลข Reynolds ไร้มิติ Re. Re คือผลิตภัณฑ์ของเส้นผ่านศูนย์กลางท่อ ความเร็วในการไหล ความหนาแน่น และค่ากลับกันของความหนืด (แรงเสียดทานภายใน) ของก๊าซที่ไหล การไหลเป็นแบบปั่นป่วนที่ Re > 2200, แบบลามิเนตที่ Re < 2200
ปรากฏการณ์การไหลเวียนแบบสต็อกยังอาจสังเกตเห็นได้ในสถานการณ์การไหลที่หนืด ซึ่งมีบทบาทในการระบายอากาศและการไล่อากาศออกจากภาชนะสุญญากาศ และในกรณีที่มีการรั่วไหล
ก๊าซจะไหลอยู่เสมอเมื่อมีความแตกต่างของแรงดัน
Δp = (p1 - p2) > 0 ความเข้มข้นของการไหลของก๊าซ กล่าวคือ ปริมาณก๊าซที่ไหลผ่านช่วงเวลาหนึ่งจะเพิ่มขึ้นตามความแตกต่างของแรงดัน อย่างไรก็ตาม ในกรณีของการไหลที่หนืด จะเกิดขึ้นจนกระทั่งความเร็วของการไหลที่เพิ่มขึ้นถึงความเร็วของเสียงเท่านั้น กรณีนี้เกิดขึ้นเสมอที่ความแตกต่างของแรงดันที่กําหนด และค่านี้อาจได้รับการกําหนดลักษณะเป็น "วิกฤต":
(1.22)
การเพิ่มขึ้นของ Δp > Δp crit จะไม่ส่งผลให้การไหลของก๊าซเพิ่มขึ้นอีก จะยับยั้งการเพิ่มขึ้นใดๆ สําหรับอากาศที่อุณหภูมิ 68°F (20°C) ทฤษฎีก๊าซไดนามิกจะแสดงค่าวิกฤตของ
(1.23)
ภาพประกอบ: 1.1 แสดงแผนผังการระบายอากาศ (หรือการระบายอากาศ) ของภาชนะบรรจุที่ถูกดูดออกมาผ่านช่องเปิดในกรอบหุ้ม (วาล์วระบายอากาศ) ทําให้อากาศแวดล้อมที่ p = 1000 mbar สามารถเข้าไปได้ ตามข้อมูลที่ให้ไว้ข้างต้น ความดันวิกฤตที่ได้คือ Δp crit = 1000 · (1- 0.528) mbar ≈ 470 mbar กล่าวคือ ที่ Δp > 470 mbar อัตราการไหลจะหยุดชะงัก ที่ Δp < 470 mbar การไหลของก๊าซจะลดลง
รูปที่ 1.1 แผนภาพแสดงการระบายอากาศออกจากภาชนะที่สูญเสียอากาศแล้ว
1 - อัตราการไหลของก๊าซ qm ช็อก = คงที่ (ค่าสูงสุด)
2 - การไหลของก๊าซไม่ถูกขัดขวาง ตารางเมตรลดลงเป็น Δp = 0
การไหลของโมเลกุล
การไหลของ Knudsen
ช่วงการเปลี่ยนสถานะระหว่างการไหลของความหนืดและการไหลของโมเลกุลเรียกว่าการไหลของ Knudsen ซึ่งพบได้ทั่วไปในช่วงสุญญากาศปานกลาง: λ ≈ d
ผลของความดัน p และเส้นผ่านศูนย์กลางท่อ d สําหรับก๊าซเฉพาะที่อุณหภูมิที่กําหนดสามารถทําหน้าที่เป็นปริมาณที่กําหนดลักษณะเฉพาะสําหรับการไหลประเภทต่างๆ โดยใช้ค่าตัวเลขที่ให้ไว้ในตาราง III ความสัมพันธ์เทียบเท่าต่อไปนี้มีอยู่สําหรับอากาศที่ 68°F (20 °C):
ตาราง III เส้นทางอิสระเฉลี่ย l ค่าของผลิตภัณฑ์ c* ของเส้นทางอิสระเฉลี่ย λ (และความดัน p สําหรับก๊าซต่างๆ ที่ 68°F (20°C.)
สุญญากาศหยาบ - การไหลที่หนืด
สุญญากาศปานกลาง - การไหลของ Knudsen
สุญญากาศระดับสูงและสูงพิเศษ - การไหลของโมเลกุล
ในช่วงการไหลที่มีความหนืด ทิศทางความเร็วที่ต้องการสําหรับโมเลกุลก๊าซทั้งหมดจะเหมือนกับทิศทางการไหลของก๊าซด้วยกล้องมาโครสโคป การจัดแนวนี้ถูกบังคับโดยข้อเท็จจริงที่ว่าอนุภาคก๊าซมีความหนาแน่นสูงและจะชนกันบ่อยกว่าผนังขอบเขตของอุปกรณ์ ความเร็วเชิงมาโครสโคปของก๊าซเป็น "ความเร็วกลุ่ม" และไม่เหมือนกับ "ความเร็วความร้อน" ของโมเลกุลก๊าซ
ในทางกลับกัน ในช่วงการไหลของโมเลกุล ผลกระทบของอนุภาคที่มีผนังจะมีมากกว่า เนื่องจากการสะท้อนแสง (แต่ยังรวมถึงการดูดซับหลังจากระยะเวลาที่อยู่บนผนังภาชนะ) อนุภาคก๊าซสามารถเคลื่อนที่ในทิศทางใดก็ได้ในสุญญากาศสูง จึงไม่สามารถพูดถึง "การไหล" ในความหมายของมาโครสโคปได้อีกต่อไป
การพยายามหาช่วงแรงดันสุญญากาศโดยเป็นฟังก์ชันของสถานการณ์การทํางานทางเรขาคณิตในแต่ละกรณีจะไม่สมเหตุสมผล ขีดจํากัดสําหรับแต่ละสภาวะแรงดัน (ดูตาราง IX) ถูกเลือกในลักษณะที่เมื่อทํางานกับอุปกรณ์ห้องปฏิบัติการขนาดปกติ การชนกันของอนุภาคก๊าซระหว่างกันจะมีมากกว่าในช่วงสุญญากาศหยาบ ในขณะที่ในช่วงสุญญากาศสูงและสูงพิเศษ ผลกระทบของอนุภาคก๊าซบนผนังภาชนะจะมีมากกว่า
ตารางที่ IX ช่วงแรงดันที่ใช้ในเทคโนโลยีสุญญากาศและคุณสมบัติของเทคโนโลยีดังกล่าว (ตัวเลขปัดเศษเป็นกําลังทั้งหมดสิบ)
ในช่วงสุญญากาศสูงและสุญญากาศสูงพิเศษ คุณสมบัติของผนังภาชนะสุญญากาศจะมีความสําคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากมีโมเลกุลก๊าซบนพื้นผิวมากกว่าในตัวห้องที่ต่ํากว่า 10 -3 mbar หากสมมติว่ามีชั้นที่ดูดซับโมเลกุลเดี่ยวบนผนังด้านในของทรงกลมที่มีปริมาตร 1 ลิตร อัตราส่วนของจํานวนอนุภาคที่ดูดซับต่อจํานวนโมเลกุลอิสระในพื้นที่จะเป็นดังนี้:
ที่ 1 mbar 10 -2
ที่ 10-6 mbar 10 +4
ที่ 10-11 mbar 10 +9
ด้วยเหตุนี้ เวลาในการก่อตัวของชั้นเดี่ยว τ จึงถูกนํามาใช้เพื่อกําหนดลักษณะเฉพาะของสุญญากาศระดับสูงพิเศษและเพื่อแยกความแตกต่างระหว่างระบบนี้และช่วงสุญญากาศระดับสูง เวลาในการก่อตัวของชั้นเดี่ยว τ เป็นเพียงเศษส่วนหนึ่งของวินาทีในช่วงสุญญากาศสูง ในขณะที่ในช่วงสุญญากาศสูงพิเศษ จะยืดออกไปเป็นเวลาหลายนาทีหรือหลายชั่วโมง ดังนั้นจึงสามารถทําให้พื้นผิวปราศจากก๊าซได้ (และรักษาไว้เป็นเวลานาน) ภายใต้สภาวะสุญญากาศสูงพิเศษเท่านั้น
คุณสมบัติทางกายภาพอื่นๆ จะเปลี่ยนแปลงไปเมื่อแรงดันเปลี่ยนแปลง ตัวอย่างเช่น การนําความร้อนและการเสียดสีภายในของก๊าซในช่วงสุญญากาศปานกลางมีความไวสูงต่อแรงดัน ในทางตรงกันข้าม ในสภาวะสุญญากาศหยาบและสุญญากาศสูง คุณสมบัติทั้งสองนี้แทบจะไม่ขึ้นอยู่กับแรงดัน ดังนั้น ไม่เพียงแต่ปั๊มที่จําเป็นต้องใช้เพื่อให้ได้แรงดันเหล่านี้ในช่วงสุญญากาศที่แตกต่างกันเท่านั้น แต่ยังต้องใช้เกจวัดสุญญากาศที่แตกต่างกันด้วย การจัดเรียงที่ชัดเจนของปั๊มและเครื่องมือวัดสําหรับช่วงแรงดันแต่ละช่วงจะแสดงไว้ในภาพที่ 9.16 และ 9.16a
ภาพที่ 9.16 ช่วงการทํางานทั่วไปของปั๊มสุญญากาศ
ภาพที่ 9.16a ช่วงการวัดของเกจวัดสุญญากาศทั่วไป
หน่วยและคําจํากัดความ
ปริมาตร V (l, m3, cm3)
คําว่าปริมาตรใช้เพื่อระบุ
ก) ปริมาณเชิงปริมาตรของห้องสุญญากาศหรือระบบสุญญากาศที่สมบูรณ์ซึ่งรวมถึงท่อและพื้นที่เชื่อมต่อทั้งหมด ซึ่งมักจะกําหนดไว้ล่วงหน้า (ปริมาตรนี้สามารถคํานวณได้)
b) ปริมาตรของก๊าซหรือไอระเหยที่ขึ้นอยู่กับแรงดัน ซึ่งตัวอย่างเช่น ถูกเคลื่อนที่โดยปั๊มหรือดูดซับโดยสารดูดซับ
การไหลเชิงปริมาตร (ปริมาตรการไหล) qv (l/s, m3 /h, cm3 /s)
คําว่า "ปริมาตรการไหล" หมายถึงปริมาตรของก๊าซที่ไหลผ่านส่วนประกอบของท่อภายในหน่วยเวลาที่แรงดันและอุณหภูมิที่มีอยู่ในช่วงเวลาที่เฉพาะเจาะจง ในที่นี้ ต้องตระหนักว่าแม้ว่าการไหลเชิงปริมาตรอาจเหมือนกัน แต่จํานวนโมเลกุลที่เคลื่อนที่อาจแตกต่างกันไป ขึ้นอยู่กับแรงดันและอุณหภูมิ
ความเร็วในการปั๊ม S (l/s, m3 /h, cm3 /s)
ความเร็วในการปั๊มคือการไหลเชิงปริมาตรผ่านช่องทางเข้าของปั๊ม
(1.8a)
หาก S ยังคงคงที่ในระหว่างกระบวนการปั๊ม สามารถใช้ค่าสัมประสิทธิ์ส่วนต่างแทนค่าสัมประสิทธิ์ส่วนต่าง:
(1.8b)
(ตารางการแปลงค่าสําหรับหน่วยวัดต่างๆ ที่ใช้ร่วมกับความเร็วในการปั๊มมีอยู่ในตาราง VI)
ตาราง VI การแปลงหน่วยความเร็วในการปั๊ม (อัตราการไหลเชิงปริมาตร)
ปริมาณก๊าซ (ค่า pV), (mbar ➢ l)
ปริมาณของก๊าซสามารถบ่งชี้ได้โดยมวลหรือน้ําหนักของก๊าซในหน่วยวัดที่มักใช้สําหรับมวลหรือน้ําหนัก อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติ ผลิตภัณฑ์ของ p · V มักจะน่าสนใจมากกว่ามวลหรือน้ําหนักของก๊าซในปริมาณหนึ่งในเทคโนโลยีสุญญากาศ ค่านี้ใช้มิติพลังงานและระบุเป็นมิลลิบาร์ · ลิตร (mbar · l) (สมการ 1.7) เมื่อทราบลักษณะของก๊าซและอุณหภูมิของก๊าซ สามารถใช้สมการ 1.7b เพื่อคํานวณมวล m สําหรับปริมาณก๊าซตามผลิตภัณฑ์ของ p · V:
(1.7)
(1.7b)
แม้ว่าจะไม่ถูกต้องอย่างแน่นอน แต่ในทางปฏิบัติมักมีการอ้างอิงถึง "ปริมาณก๊าซ" p · V สําหรับก๊าซบางชนิด ข้อมูลจําเพาะนี้ไม่ครบถ้วน อุณหภูมิของก๊าซ T ซึ่งโดยปกติจะเป็นอุณหภูมิห้อง (293 K) จะถือว่าเป็นที่ทราบโดยนัย
ตัวอย่างเช่น:
มวลของก๊าซไนโตรเจน (N2) 100 mbar · l ที่อุณหภูมิห้อง (ประมาณ 300 K) เป็น:
ในทํานองเดียวกัน ที่ T = 300 K:
1 mbar · l O2 = 1.28 · 10 -3 g O2
70 mbar · l Ar = 1.31 · 10 -1 g Ar
ปริมาณก๊าซที่ไหลผ่านส่วนประกอบของท่อในช่วงหนึ่งหน่วยเวลา - ตามแนวคิดสองประการสําหรับปริมาณก๊าซที่อธิบายไว้ข้างต้น - สามารถบ่งชี้ได้ในสองวิธี คือ:
การไหลของมวล qm (กก./ชม., กรัม/วินาที),
นี่คือปริมาณของก๊าซที่ไหลผ่านส่วนประกอบของท่อ โดยอ้างอิงตามเวลา
หรือเป็น
pV การไหล qpV (mbar · l · s -1)
pV flow คือผลของแรงดันและปริมาตรของปริมาณก๊าซที่ไหลผ่านส่วนประกอบของท่อ หารด้วยเวลา เช่น:
pV flow คือการวัดการไหลของมวลของก๊าซ อุณหภูมิที่จะระบุที่นี่
อัตราการไหลของปั๊ม qpV
ความสามารถในการปั๊ม (ปริมาณผลผลิต) สําหรับปั๊มเท่ากับการไหลของมวลผ่านช่องทางเข้าของปั๊ม:
(1.9)
หรือการไหล pV ผ่านช่องทางเข้าของปั๊ม:
โดยปกติจะระบุเป็น mbar · l · s -1 โดยที่ p คือแรงดันที่ด้านไอดีของปั๊ม หาก p และ V คงที่ที่ด้านไอดีของปั๊ม อัตราการไหลของปั๊มนี้สามารถแสดงด้วยสมการง่ายๆ
(1.10a)
โดยที่ S คือความเร็วในการปั๊มของปั๊มที่แรงดันขาเข้า p
(ปริมาณงานของปั๊มมักจะระบุด้วย Q ด้วยเช่นกัน)
แนวคิดเกี่ยวกับปริมาณงานของปั๊มมีความสําคัญอย่างยิ่งในทางปฏิบัติ และไม่ควรสับสนกับความเร็วในการปั๊ม! อัตราการปั๊มคือปริมาณก๊าซที่ปั๊มเคลื่อนย้ายในหน่วยเวลา แสดงเป็น mbar ≠ l/s ความเร็วในการปั๊มคือ "ความจุการลําเลียง" ที่ปั๊มให้ภายในหน่วยเวลาที่เฉพาะเจาะจง ซึ่งวัดเป็น m3 /h หรือ l/s
ค่าอัตราการไหลมีความสําคัญในการกําหนดขนาดของปั๊มรองที่สัมพันธ์กับขนาดของปั๊มสุญญากาศสูงที่เชื่อมต่อแบบอนุกรม เพื่อให้แน่ใจว่าปั๊มรองจะสามารถ "ดึง" ก๊าซที่เคลื่อนที่โดยปั๊มสุญญากาศสูงได้
พื้นฐานของเทคโนโลยีสุญญากาศ
ดาวน์โหลด eBook "พื้นฐานของเทคโนโลยีสุญญากาศ" เพื่อค้นพบข้อมูลสําคัญและกระบวนการของปั๊มสุญญากาศ
การอ้างอิง
- สัญลักษณ์สุญญากาศ
- คําจํากัดความ
- ข้อมูลอ้างอิงและแหล่งข้อมูล
สัญลักษณ์สุญญากาศ
สัญลักษณ์สุญญากาศ
อภิธานศัพท์ของสัญลักษณ์ที่ใช้กันทั่วไปในแผนผังเทคโนโลยีสุญญากาศเพื่อแสดงภาพประเภทปั๊มและชิ้นส่วนต่างๆ ในระบบปั๊ม
คําจํากัดความ
คําจํากัดความ
ภาพรวมของหน่วยวัดที่ใช้ในเทคโนโลยีสุญญากาศและสัญลักษณ์ที่หมายถึงอะไร รวมถึงหน่วยวัดสมัยใหม่ที่เทียบเท่ากับหน่วยวัดในอดีต
ข้อมูลอ้างอิงและแหล่งข้อมูล
ข้อมูลอ้างอิงและแหล่งข้อมูล
ข้อมูลอ้างอิง แหล่งข้อมูล และการอ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับความรู้พื้นฐานของเทคโนโลยีสุญญากาศ
สัญลักษณ์สุญญากาศ
อภิธานศัพท์ของสัญลักษณ์ที่ใช้กันทั่วไปในแผนผังเทคโนโลยีสุญญากาศเพื่อแสดงภาพประเภทปั๊มและชิ้นส่วนต่างๆ ในระบบปั๊ม
คําจํากัดความ
ภาพรวมของหน่วยวัดที่ใช้ในเทคโนโลยีสุญญากาศและสัญลักษณ์ที่หมายถึงอะไร รวมถึงหน่วยวัดสมัยใหม่ที่เทียบเท่ากับหน่วยวัดในอดีต
ข้อมูลอ้างอิงและแหล่งข้อมูล
ข้อมูลอ้างอิง แหล่งข้อมูล และการอ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับความรู้พื้นฐานของเทคโนโลยีสุญญากาศ
