Vakum fiziğinde akış hızı ve akış türleri nasıl hesaplanır
Akış türleri
Vakum teknolojisinde temel olarak üç akış türü bulunur: viskoz veya sürekli akış, moleküler akış ve bu ikisi arasındaki geçişte Knudsen akışı.
Viskoz veya sürekli akış
Bu neredeyse sadece kaba vakum aralığında bulunur. Bu tür akışın karakteri moleküllerin etkileşimi ile belirlenir. Sonuç olarak, akışkan maddenin viskozitesi olan iç sürtünme büyük bir faktördür. Akış prosesinde girdap hareketi meydana gelirse türbülanslı akıştan bahsedilir. Akan malzemenin çeşitli katmanları birbirinin üzerinden kayıyorsa, laminar akış veya katman akışı terimi uygulanabilir.
Parabolik hız dağılımına sahip dairesel tüplerde laminer akış Poiseuille akışı olarak bilinir. Bu özel durum vakum teknolojisinde sıklıkla görülür. Viskoz akış genellikle moleküllerin ortalama serbest yolunun boru çapından önemli ölçüde daha kısa olduğu yerlerde bulunur: λ « d.
Viskoz akış durumunu tanımlayan karakteristik bir büyüklük, boyutsuz Reynolds sayısıdır Re. Re, boru çapının, akış hızının, yoğunluğun ve akış halindeki gazın viskozitesinin (iç sürtünme) karşılıklı değerinin ürünüdür. Re > 2200 olduğunda akış türbülanslıdır, Re < 2200 olduğunda laminardır.
Viskoz akış durumunda da tıkanık akış olgusu gözlemlenebilir. Bir vakum kabının havalandırılması ve boşaltılması sırasında ve sızıntıların olduğu yerlerde rol oynar.
Gaz her zaman basınç farkının olduğu yerde akacaktır
Δp = (p1 - p2 ) > 0. Gaz akışının yoğunluğu, yani bir süre boyunca akan gaz miktarı, basınç farkı ile birlikte artar. Ancak viskoz akış durumunda bu durum, akış hızı da artarak ses hızına ulaşana kadar geçerlidir. Bu durum belirli bir basınç farkında her zaman söz konusudur ve bu değer "kritik" olarak tanımlanabilir:
(1,22)
Δp > Δp krit değerinde daha fazla artış, gaz akışında daha fazla artışa neden olmaz; herhangi bir artış engellenir. 68°F (20°C) sıcaklıktaki hava için gaz dinamiği teorisi,
(1,23)
Şekil 'deki çizelge 1,1, boşaltılmış bir kabın zarftaki bir açıklıktan (havalandırma valfi) p = 1000 mbar'da ortam havasının girmesine izin vererek havalandırılmasını (veya havalandırılmasını) şematik olarak göstermektedir. Yukarıda verilen bilgilere göre, elde edilen kritik basınç Δp krit = 1000 · (1- 0,528) mbar ≈ 470 mbar'dır; yani Δp > 470 mbar olduğunda akış hızı boğulur; Δp < 470 mbar olduğunda gaz akışı azalır.
Şekil 1,1 Boşaltılmış bir kabın havalandırılmasının şematik gösterimi.
1 - Gaz akış hızı tıkalı qm = sabit (maksimum değer)
2 - Gaz akışı engellenmez, qm Δp = 0'a düşer
Moleküler akış
Moleküler akış, yüksek ve ultra yüksek vakum aralıklarında hakimdir. Bu rejimlerde moleküller birbirleriyle etkileşime girmeden serbestçe hareket edebilir. Moleküler akış, bir partikülün ortalama serbest yol uzunluğunun boru çapından çok daha büyük olduğu durumlarda meydana gelir: λ >> d.
Knudsen akışı
Viskoz akış ile moleküler akış arasındaki geçiş aralığı Knudsen akışı olarak bilinir. Orta vakum aralığında yaygındır: λ ≈ d.
Belirli bir sıcaklıktaki belirli bir gaz için basınç p ve boru çapı d'nin ürünü, çeşitli akış türleri için karakteristik bir miktar görevi görebilir. Tablo III'te verilen sayısal değerleri kullanarak, 68°F'de (20°C) hava için aşağıdaki eşdeğer ilişkiler mevcuttur:
Tablo III Ortalama serbest yol l Ortalama serbest yol λ (ve 68°F'de (20°C) çeşitli gazlar için basınç p) ürününün c* değerleri
Kaba vakum - Viskoz akış
Orta vakum - Knudsen akışı
Yüksek ve ultra yüksek vakum - Moleküler akış
Viskoz akış aralığında, tüm gaz molekülleri için tercih edilen hız yönü, gazın makroskopik akış yönüyle aynı olacaktır. Bu hizalama, gaz partiküllerinin yoğun bir şekilde paketlenmiş olması ve cihazın sınır duvarlarından çok daha sık birbirine çarpması nedeniyle zorlanır. Gazın makroskopik hızı bir "grup hızıdır" ve gaz moleküllerinin "termal hızı" ile aynı değildir.
Diğer yandan, moleküler akış aralığında partiküllerin duvarlarla olan etkisi baskındır. Yansıma sonucunda (ayrıca hazne duvarlarında belirli bir bekleme süresinden sonra desorpsiyon) bir gaz partikülü yüksek vakumda herhangi bir yönde hareket edebilir; makroskopik anlamda "akış"tan bahsetmek artık mümkün değildir.
Vakum basınç aralıklarını geometrik işletim durumuna göre belirlemeye çalışmak mantıklı değildir. Münferit basınç rejimleri için sınırlar (bkz. Tablo IX), normal boyutlu laboratuvar ekipmanlarıyla çalışırken gaz partiküllerinin birbirleriyle çarpışması kaba vakum aralığında baskın olacak, yüksek ve ultra yüksek vakum aralıklarında ise gaz partiküllerinin kap duvarlarına etkisi baskın olacaktır.
Tablo IX Vakum teknolojisinde kullanılan basınç aralıkları ve özellikleri (sayılar tam ona yuvarlanmıştır)
Yüksek ve ultra yüksek vakum aralıklarında, 10-3 mbar'ın altında yüzeylerde haznenin kendisinden daha fazla gaz molekülü bulunacağından, vakum kabı duvarının özellikleri belirleyici önem taşır. 1 l hacme sahip vakumlu bir kürenin iç duvarında monomoleküler adsorbe katman varsayılırsa, adsorbe edilen parçacık sayısının boşluktaki serbest molekül sayısına oranı aşağıdaki gibi olacaktır:
1 mbar'da 10 -2
10-6 mbar'da 10 +4
10-11 mbar'da 10 +9
Bu nedenle tek katman oluşum süresi τ, ultra yüksek vakumu karakterize etmek ve bu rejimi yüksek vakum aralığından ayırt etmek için kullanılır. Tek katman oluşum süresi τ, yüksek vakum aralığında yalnızca saniyenin bir kısmıdır, ultra yüksek vakum aralığında ise dakikalar veya saatler boyunca uzanır. Bu nedenle, gazsız yüzeyler yalnızca ultra yüksek vakum koşulları altında elde edilebilir (ve uzun süreler boyunca korunabilir).
Basınç değiştikçe diğer fiziksel özellikler de değişir. Örneğin, orta vakum aralığındaki gazların termal iletkenliği ve iç sürtünmesi, basınca karşı son derece hassastır. Kaba ve yüksek vakum rejimlerinde ise bu iki özellik neredeyse basınçtan bağımsızdır. Bu nedenle, çeşitli vakum aralıklarında bu basınçlara ulaşmak için gereken pompalar farklı olmakla kalmayacak, aynı zamanda farklı vakum göstergeleri de gerekecektir. Şekil 9,16 ve 9.16a'da her bir basınç aralığı için pompaların ve ölçüm cihazlarının açık bir düzeni gösterilmektedir.
Birimler ve tanımlar
Hacim V (l, m3, cm3)
Hacim terimi aşağıdakileri tanımlamak için kullanılır:
a) Bir vakum haznesinin veya tüm borular ve bağlantı alanları dahil komple bir vakum sisteminin salt geometrik, genellikle önceden belirlenmiş, hacimsel içeriği (bu hacim hesaplanabilir);
b) Örneğin bir pompa tarafından taşınan veya bir adsorpsiyon maddesi tarafından emilen, basınca bağlı gaz veya buhar hacmi.
Hacimsel akış (akış hacmi) qv (l/s, m3 /sa, cm3 /s)
"Akış hacmi" terimi, belirli bir anda mevcut olan basınç ve sıcaklıkta bir süre birimi içinde bir boru elemanından geçen gazın hacmini ifade eder. Burada, hacimsel akış aynı olsa da, hareket ettirilen moleküllerin sayısının basınç ve sıcaklığa bağlı olarak farklı olabileceğinin farkında olunması gerekir.
Pompalama hızı S (l/s, m3 /sa, cm3 /s)
Pompalama hızı, pompanın giriş portundan geçen hacimsel akıştır.
(1.8a)
Pompalama işlemi sırasında S sabit kalırsa, fark katsayısı yerine fark katsayısı kullanılabilir:
(1.8b)
(Pompalama hızı ile birlikte kullanılan çeşitli ölçü birimleri için dönüştürme tablosu Tablo VI'da verilmiştir).
Tablo VI Pompalama hızı (hacimsel debi) birimlerinin dönüştürülmesi
Gaz miktarı (pV değeri), (mbar Þ l)
Bir gazın miktarı, normalde kütle veya ağırlık için kullanılan ölçü birimlerinde kütlesi veya ağırlığı ile belirtilebilir. Ancak pratikte, p · V ürünü genellikle vakum teknolojisinde bir gaz miktarının kütlesinden veya ağırlığından daha ilginçtir. Değer bir enerji boyutunu kapsar ve milibar · litre (mbar · l) cinsinden belirtilir (Denklem 1,7). Gazın doğası ve sıcaklığı biliniyorsa, p · V'nin ürünü temelinde gaz miktarı için kütle m'yi hesaplamak için Denklem 1.7b kullanılabilir:
(1,7)
(1.7b)
Kesinlikle doğru olmasa da, pratikte genellikle belirli bir gaz için "gaz miktarı" p · V referans alınır. Bu spesifikasyon eksiktir; gaz T'nin sıcaklığı, genellikle oda sıcaklığı (293 K), normalde bilindiği zımni olarak varsayılır.
Örnek olarak:
Oda sıcaklığında 100 mbar · l azot (N2 ) kütlesi (yakl. 300 K) şudur:
Buna benzer şekilde T = 300 K'da:
1 mbar · l O2 = 1,28 · 10 -3 g O2
70 mbar · l Ar = 1,31 · 10 -1 g Ar
Yukarıda açıklanan iki gaz miktarı konseptine göre bir zaman birimi boyunca bir borulama elemanından geçen gaz miktarı iki şekilde belirtilebilir:
Kütle akışı qm (kg/saat, g/s),
zamana göre bir boru elemanından geçen gaz miktarıdır
veya şu şekilde
pV akışı qpV (mbar · l · s -1 ).
pV akışı, bir boru elemanından akan bir gaz miktarının basıncının ve hacminin zamana bölünen ürünüdür, yani:
pV akışı, gazın kütle akışının bir ölçüsüdür; burada sıcaklık belirtilmelidir.
Pompa debisi qpV
Bir pompanın pompalama kapasitesi (verimi), pompa giriş bağlantı noktasından geçen kütle akışına eşittir:
(1,9)
veya pompanın giriş portundan pV akışına:
Normalde mbar · l · s -1 cinsinden belirtilir. Burada p, pompanın giriş tarafındaki basınçtır. p ve V pompanın giriş tarafında sabitse, bu pompanın verimi basit denklemle ifade edilebilir
(1.10a)
burada S, p giriş basıncında pompanın pompalama hızıdır.
(Bir pompanın verimi genellikle Q ile de belirtilir.)
Pompa debisi kavramı uygulamada büyük önem taşır ve pompalama hızı ile karıştırılmamalıdır! Pompa debisi, pompa tarafından bir zaman birimi içinde taşınan gaz miktarıdır, mbar ≠ l/s cinsinden ifade edilir; pompalama hızı, pompanın belirli bir zaman birimi içinde m3 /sa veya l/s cinsinden ölçülen "taşıma kapasitesi"dir.
Verimlilik değeri, destek pompasının yüksek vakum pompası tarafından taşınan gazı "çıkarabilmesini" sağlamak için seri olarak bağlandığı yüksek vakum pompasının boyutuyla ilişkili olarak destek pompasının boyutunu belirlemede önemlidir.
Vakum Teknolojisinin Temelleri
Vakum pompası temellerini ve proseslerini keşfetmek için "Vakum Teknolojisinin Temelleri" adlı e-Kitabımızı indirin.
Referanslar
- Vakum sembolleri
- Terimler Sözlüğü
- Referanslar ve kaynaklar
Vakum sembolleri
Vakum sembolleri
Pompa tiplerinin ve pompalama sistemlerindeki parçaların görsel bir temsili olarak vakum teknolojisi şemalarında yaygın olarak kullanılan sembollerin sözlüğü
Terimler Sözlüğü
Terimler Sözlüğü
Vakum teknolojisinde kullanılan ölçüm birimlerine ve sembollerin ne anlama geldiğine ve tarihi birimlerin modern eşdeğerlerine genel bir bakış
Referanslar ve kaynaklar
Referanslar ve kaynaklar
Vakum teknolojisinin temel bilgileriyle ilgili referanslar, kaynaklar ve daha fazla okuma
Vakum sembolleri
Pompa tiplerinin ve pompalama sistemlerindeki parçaların görsel bir temsili olarak vakum teknolojisi şemalarında yaygın olarak kullanılan sembollerin sözlüğü
Terimler Sözlüğü
Vakum teknolojisinde kullanılan ölçüm birimlerine ve sembollerin ne anlama geldiğine ve tarihi birimlerin modern eşdeğerlerine genel bir bakış
Referanslar ve kaynaklar
Vakum teknolojisinin temel bilgileriyle ilgili referanslar, kaynaklar ve daha fazla okuma