Kỹ thuật chân không bài giảng điện tử

Khái niệm về khí trong chânkhông z Khí là tập hợp các phần tử trong nguyên tử z • Có dạng hình cầu d0,m0 z • Chuyển động tự do theo quỹ đạo thẳng trong không gian z • Không tác động lẫn

BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ MÔN HỌC

KỸ THUẬT CHÂN KHÔNG

Mã số: 605066

Tác giả:

Khoa Kỹ thuật Hóa học

Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH

CHƯƠNG TRÌNH GIÁO TRÌNH

MỤC LỤC

Chương I: Khái niệm cơ bản

Chương II: Khí tự do.

Chương III: Khí tự do ở trạng thái chuyển động.

Chương IV: Dòng chảy của khí trong các thể tích, ống dẫn.

Chương V: Khí liên kết và vật liệu ứng dụng trong KTCK.

Chương VI: Tính hệ thống chân không.

Chương VII: Kỹ thuật tạo chân không.

Chương VIII: Thiết kế hệ thống chân không.

Chương IX: Phương pháp đo và kiểm tra chân không.

Chương X: Phương pháp làm kín các chi tiết quay trong

KTCK.

Tài liệu tham khảo

1. “High Vacuum Technology” – Groskowski –

CHƯƠNG I: KHÁI NIỆM CƠ BẢN

z 1.1 Định nghĩa chân không

z 1.2 Khái niệm về khí trong chân không

z 1.3 Định luật Avogadro

z 1.4 Chân không tuyệt đối

z 1.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới độ chân

không tuyệt đối

z 1.6 Khí trong thể tích và trên bề mặt bình

chứa

1.1 Định nghĩa chân không

z Chân không là trạng thái khí ở trong một thể tích nhất định có áp suất nhỏ hơn áp suất khí quyển.

z Kỹ thuật chân không: là các kiến thức liên quan:

z • Tạo chân không

z • Ổn định chân không

z • Sử dụng chân không trong kỹ thuật

z • Đo và kiểm soát chân không

Phạm vi ứng dụng chân không:

z • Giảm nhiệt độ các quá trình công nghệ

z • Tăng cường khả năng bay hơi

• Tạo các kết cấu ổn định và bền vững

1.2 Khái niệm về khí trong chân

không

z Khí là tập hợp các phần tử trong nguyên tử

z • Có dạng hình cầu (d0,m0)

z • Chuyển động tự do theo quỹ đạo thẳng trong không gian

z • Không tác động lẫn nhau khi ở trạng thái tĩnh

z • Va đập vào nhau khi chuyển động

z Hơi quá nhiệt có thể coi là khí

z Khí ở trạng thái bảo hòa sẽ không có tính chất

của khí lý tưởng

z Khí có thể là khí:

z 1 nguyên tử (Ar, Ne, He)

z 2 nguyên tử (H2, O2, N2 …)

z 3 nguyên tử hoặc lớn hơn (CO2, SO2,SO3,CH4)

1.3 Định luật Avogadro

z Những thể tích khí giống nhau ở cùng một điều

kiện thì có số lượng phân tử khí giống nhau

z Hệ quả: 1 mol khí bất kỳ ở cùng điều kiện (t 0 , p) thì có cùng một thể tích

z Ở t 0 = 0 0 C (273 0 K), p = 1 atm (760 Tor) (Điều

kiện tiêu chuẩn) Vm = V1mol = 22,4 lít

z Thể tích mol: 22,4 lít/mol

z Số Avogadro: Số phân tử trong 1 gram phân tử

hay số nguyên tử trong 1 gram nguyên tử.NA =

6,023.1023

1.4 Chân không tuyệt đối

z PCK = Pa - PTĐ

z Chân không tuyệt đối khi:

z Không có bất kỳ phân tử (nguyên tử) khí (hơi)

trong thể tích hay bình chứa.

Pa

Aùp suất chân không

Aùp suất tuyệt đối

P P

O

1.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới độ

chân không tuyệt đối

z Khi t0 = 0 0 K:

z • Không có dao động nguyên tử

z • Khí đứng yên không chuyển động

z • Khi do PTĐ = 0,nhưng độ chân không ≠ 0

z Khi t0 ≠ 0 0 K: khí sẽ chuyển động nên PTĐ ≠ 0

1.6 Khí trong thể tích và trên bề mặt

yên không va đập.

z Khí tự do sẽ quyết định áp suất trong bình chứa: Nồng độ khí tự do - số lượng phân tử trong một

đơn vị thể tích:n= N/V(1/cm 3 hay 1/m 3 )

z Khối lượng riêng của khí tự do: ρk=m/v (g/cm 3 hay kg/m 3 )

z Nồng độ bề mặt:N1=N/A (1/cm 2 , 1/m 2 )

CHƯƠNG II: KHÍ TỰ DO

z 2.1 Khí tự do ở trạng thái tĩnh:

z 2.2 Aùp suất khí

z 2.3 Quan hệ giữa nồng độ và áp suất khí

z 2.4 Chiều dài chuyển động trung bình của

phân tử khí

2.1 Khí tự do ở trạng thái tĩnh:

z W: Động năng của phân tử khí;

z M0 : Khối lượng phân tử;

z v: Vận tốc phân tử khí;

z C: Hệ số phụ thuộc vào phương pháp xác định vận tốc;

z T: Nhiệt độ trung bình của thể tích khí.

10 v

N 2c.

v =

Các phương pháp xác định vận tốc khí

z Vận tốc trung bình gần đúng:

z Vận tốc trung bình bình phương:

N c 2

v =

0

T 29

, 1

v ≈

0

4 gđ

BP

M

T 10

58 , 1 v

2

3

0

4 gđ

T 10

46 , 1 v

Vận tốc chuyển động của phân tử (nguyên tử) của một

vài loại khí ở các nhiệt độ khác nhau (m/s)

670 355

245 220

110 26

230 210

185 130

Xe

840 445

310 270

140 33

285 265

230 89

Kr

1160 610

425 375

195 45

395 365

320 44

CO2

1210 640

445 395

200 47

410 380

335 40

Ar

1360 720

495 440

225 53

460 425

375 32

O2

1400 750

525 460

235 54

485 445

395 29

KK

1450 770

530 470

245 56

495 455

400 28

N2

1450 770

530 470

245 56

495 455

400 28

Co

1700 900

630 555

285 67

580 540

475 20

Ne

1810 950

660 590

300 70

615 565

500 18

H2O

1920 1080

705 625

320 75

650 600

530 16

CH4

3840 2030

1410 1250

640 150

1310 1200

1070 4

He

5430 2870

2000 1770

905 280

1850 1710

1510 2

373 293

77 4,2

273

Nhiệt độ, 0 K

M o Khí

2.2 Aùp suất khí

z Aùp suất trên bề mặt bình chứa tạo bởi sự vađập của các phần tử khí có khối lượng M0

chuyển động với vận tốc v

z Aùp suất khí lên tường phẳng:

z Aùp suất khí lên tường cong:

z N - Số phân tử khí; r - bán kính cong

z Định luật Dalton:

z Aùp suất của hỗn hợp khí bằng tổng áp suất riêng phần của các khí thành phần

2 BP

k v 3

1

2

2 0

z Phân loại chân không

z 760 Tor - Aùp suất thường

z 10 - 100Tor - Aùp suất thấp

z 1 - 10 -3 Tor - Chân không

z 10 -4 - 10 -7 Tor - Chân không thấp

z 10 -8 - 10 -11 Tor - Chân không rất thấp

z 10 -12 - 10 -15 Tor - Siêu chân không

2.3 Quan hệ giữa nồng độ và áp suất khí

P (Tor)

2.4 Chiều dài chuyển động trung bình

của phân tử khí

do - khoảng cách giữa 2 phân tử khí (cm)

) cm

( n d 2

1

2 0

o

π

= λ

Quan hệ giữa λo = f(P, T)

P d

T 10

3 ,

0

20 o

−

= λ

z Với: T = 293 0 K; do = 3,7.10 -8 cm (Ar, O2, N2); λo= 5.10 -3 (cm)

z Với không khí: T = 293 0 K thì λo= 4,7.10 -3 (P tính bằng Pa)

CHƯƠNG III KHÍ TỰ DO Ở TRẠNG

THÁI CHUYỂN ĐỘNG

z 3.1 Nguyên nhân chuyển động

z 3.2 Các định luật cơ bản của chất khí:

z 3.3 Giá trị R 0 phụ thuộc vào thứ nguyên

z 3.4 Trạng thái chuyển động của chất khí

3.1 Nguyên nhân chuyển động

z Dòng khuếch tán:

z do chênh lệch nồng độ (∆n)

z Dòng đối lưu:

z do chênh lệch nhiệt độ (∆T)

3.2 Các định luật cơ bản của chất khí:

z Định luật Bôi - Mariot: PV = KTm/M 0

z Ở T = const, m = const thì PV = const

z Định luật Gay - Lussac:

3.3 Giá trị R0 phụ thuộc vào thứ nguyên

1,987 - cal/mol 0 K Cal

8,315 - J/mol 0 K J

Tor

V

P

R 0 P.V

3.4 Trạng thái chuyển động của chất khí

z Kí hiệu:

z - λ0 - Chiều dài chuyển động trung bình của phân tử khí

z - X - Kích thước bình chứa

z Các quá trình cơ bản

z Khi λ0 << X - các phân tử khí cơ bản là va đập lẫn nhau và trao đổi năng lượng với nhau Đây là quá trình chảy nhớt.

z Khi λ0 >> X - các phân tử cơ bản là va đập và trao đổi năng lượng với thành bình chứa Đây là quá trình chảy phân tử.

z Khi λ0 ≈ X - quá trình chuyển tiếp

z Số Knudsen: Kn =X/ λ0

z - Khi Kn >> 1 - Điều kiện chảy nhớt

z - Khi Kn << 1 - Điều kiện chảy phân tử

z - Khi Kn = 1 - Điều kiện chảy chuyển tiếp

3.4 Trạng thái chuyển động của chất khí

z Trong ống dẫn hình trụ tròn kích thước d:

z - Chảy nhớt

z - Chảy phân tử

z - Chảy chuyển tiếp

z Chế độ chảy khi chảy nhớt:

z Ở nhiệt độ t 0 = 20 0 C

z Q - Lưu lượng dòng chảy - Tor.l/s

z d - Đường kính ống dẫn - cm

z Khi Re > 2200 - chế độ chảy nhớt rối

z Khi Re < 1200 - chế độ chảy nhớt - dòng

01 ,

0

d 0 ≤

λ

33 ,

0 d

0 ≥ λ

01 ,

0 d

33 ,

0 ≥ λ0 >

d 889 ,

0 Q

Re =

CHƯƠNG IV Dòng chảy của khí trong

các thể tích, ống dẫn

z 4.1 Các khái niệm cơ bản:

z 4.2 Tính độ dẫn khí trong ống dẫn:

z 4.3 Xác định độ dẫn khí trong ống dẫn:

4.1 Các khái niệm cơ bản:

z Lưu lượng dòng chảy Q - lượng khí di chuyển qua một đơn vị diện tích trong 1 giây

w 133 ,

0 s

l.

Tor 1

; s

Pa.m -

; s

Tor.lít -

; s

Tor.cm -

d

dV P

= τ

=

vào của bơm chân không)

0

0 P

Q S

hay

P

( P P

4.2 Tính độ dẫn khí trong ống dẫn:

z Ống nối tiếp:

z Ống song song:

1 L

1 L

1

3 2

1 nt

3 2

1 nt

+ +

+

=

+ +

1 W

1 W

1 W

1

L L

L L

3 2

1 SS

3 2

1 SS

+ +

+

=

+ +

+

=

z Khi có trở lực cục bộ:

4.2 Tính độ dẫn khí trong ống dẫn:

L 1 L 2

D 1 D 2 D 3

3 2

1 2

1

1 D

1 D

1 L

1 L

1 L

1 = + + + +

(kích thước ống dẫn phải lớn hơn ống hút của bơm chân không)

4.3 Xác định độ dẫn khí trong ống dẫn

(chế độ chảy nhớt)

z a Chảy qua lỗ: (h << d)

z Lỗ nhỏ khi d << D

z Lỗ lớn khi d có kích thước gần bằng kích thước bình chứa

z Lưu lượng khí qua lỗ nhỏ:

z P1 - Aùp suất của bình chứa có Aùp suất cao hơn Pa

z F - Tiết diện lỗ - m 2 ;

z r - Tỉ số Aùp suất: r = P2/P1;

z k - Chỉ số đoạn nhiệt

z Độ dẫn khí của lỗ nhỏ

P 2

P 1

D d

M

RT

1 k

k

2 r

1

r F P

1 k k

1 1

1

4.3 Xác định độ dẫn khí trong ống dẫn

(chế độ chảy nhớt)

z Nếu P2 << P1 thì vận tốc khí qua lỗ sẽ tăng và sẽ ít phụ thuộc vào P2 và đạt giá trị tới hạn

F

200

528 , 0 r nếu

r

1

F 200

1 r 528 , 0 nếu

r

1 r 1

F r

766 L

286 , 0 714

, 0

z Độ dẫn khí qua lỗ lớn: L = L'.f

z L' - Độ dẫn khí qua lỗ nhỏ; f - Hệ số hiệu chỉnh

F F

F f

D

D

−

=

4.3 Xác định độ dẫn khí trong ống dẫn

(chế độ chảy nhớt)

z b Chảy qua ống dẫn:

z Lưu lượng khí chảy qua ống dẫn

z R – Bán kính tiết diện ống (m);

z l chiều dài ống (m)

z m - Độ nhớt của khí (Pa.s);

z Áp suất trung bình (Pa)

z Độ dẫn khí cuả ống tiết diện tròn

z Nếu T = 293oK (đối với không khí) thì

µ

− π

=

8

P

P P R

l

( )m s .

8

P R

4.3 Xác định độ dẫn khí trong ống dẫn

(chế độ chảy nhớt)

z Đối với khí bất kỳ: L’ = L.b

z L - Độ dẫn khí của không khí;

z β - Hệ số hiệu chỉnh

0,23 0,42

0,58 0,71

0,82 0,9

0,95 0,98

0,99 1

K ’

0,1 0,2

0,3 0,4

0,5 0,6

0,7 0,8

0,9 1

a/b

z Độ dẫn khí của ống tiết diện hình chữ nhật

z Đối với không khí ở 293 0 K

z a,b – kích thước lỗ (m);

z l chiều dài ống (m)

z K’ – Hệ số phụ thuộc vào tỉ số a/b = rộng/dài l

2 2 ' P . a b K

1950

1,24 0,84

0,9 1,04

0,58 1,94

0,93 2,06

β

CO 2 Ar

O 2

N 2 Ne

H 2 O He

H 2 Khí

b

a

4.3 Xác định độ dẫn khí trong ống dẫn

(chế độ chảy nhớt)

z Độ dẫn khí của ống tiết diện vuông cạnh a: ab

z Độ dẫn khí của ống tiết diện elip

z Với a, b – chiều dài trục nhỏ và trục lớn của elip

) s / m

(

P a 10 52 , 3

l µ

a

b

2 2

3 3

b a

b

a

P 64

n L

+ µ

=

l

4.3 Xác định độ dẫn khí trong ống dẫn

(chế độ chảy nhớt)

z Độ dẫn khí của ống hình vành khuyên

z Với không khí ở 293 0 K

=

2 1

2 2 2

2 1 4

2

4 1

R

R lg

R R

R R

.

P 8

n L

2 2 2

2 1 4

2

4 1 3

R

R lg

R R

R R

P 10 67 , 21 L

l

4.3 Xác định độ dẫn khí trong ống dẫn

(chế độ chảy nhớt)

z Độ dẫn khí của ống ngắn l < 20D

z Đối với không khí ở 293 0 K

z Độ dẫn khí của ống ngắn có tiết diện bất kỳ

z L – Độ dẫn khí của ống dài có tiết diện tròn;

z Lo – Độ dẫn khí qua lỗ

s / m

T R

Q

10 54 , 4 1 128

P D

l

l 1 0 , 03 Q

D

P 1360

1 L

1

+

=

4.3 Xác định độ dẫn khí trong ống dẫn

(Chế độ chảy phân tử)

dụng lý thuyết động học chất khí hay môi trường liên tục để tính

z a Dòng chảy qua lỗ:

z L – Độ dẫn khí tính như lỗ nhỏ;

z f - Hệ số hiệu chỉnh như phần chảy nhớt

(P P )( Pa m / s )

M

RT

8 4

F

2

1 − π

=

) s / m

( M

T F 4 , 36

4.3 Xác định độ dẫn khí trong ống dẫn

(Chế độ chảy phân tử)

z b Dòng chảy qua ống dẫn (l > 20D)

z Ống dài có tiết diện bất kỳ:

z vsh – Vận tốc trung bình số học của khí - m/s;

z DTĐ – Đường kính tương đương của ống – m;

z F – Tiết diện ống – m 2 ;

z l Chiều dài ống – m

z Nếu ống dài có tiết diện không đổi theo chiều dài

z Với không khí ở 293 0 K: L = 618

s /

m d

F D

v

F 194

L

TD

4.3 Xác định độ dẫn khí trong ống dẫn

(Chế độ chảy phân tử)

z Ống dài có tiết diện elip

z Với không khí ở 293 0 K:

z Ống hình vành khuyên

z Với không khí ở 293 0 K

T b

a

b

a 7 , 53

l +

=

2 2

2 2

b a

L

b a 170

D

D

D K

1 , 38

L

2 1

2 2

2 1 '

l +

−

=

(D D ).(D D )/ lK

121

2

2 1 2

1

=

Giản đồ xác định hệ số

K ' với ống hình vành

khuyên

4.3 Xác định độ dẫn khí trong ống dẫn

(Chế độ chảy phân tử)

z Đối với rãnh hẹp

z Ống ngắn hình trụ

D D

.

a a

2

D

D ln 2

1 114

L

2 1

2 1

2 2

D D

a a

2

D D

ln 2

1 362

L

2 1

2 1

2 2

1

l

3

D

.α

α: Hệ số Klauzin

1 0,98 0,97 0,95 0,91 0,84 0,81 0,77 0,7 0,54 0,38 0,3 0,28 0,21 0,13 0,068 0,055

0,036 α

100 80 60 40 20 10 8

6 4 2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0,1

0,06 0,05

/

D

4.3 Xác định độ dẫn khí trong ống dẫn

(Chế độ chảy phân tử)

z Có thể tính:

z Nếu D0 < 10D

z với D0 – kích thước bình chứa;

z D – kích thước ống dẫn

z Tính độ dẫn khi ống ngắn bằng giản đồ

12 D

38 20

D

12 D

15

l l

l l

+ +

+

= α

1

2 0

2

1 33 , 1 1

=

D

D D

l

α

m 4 , 8 6 , 0 14

L

⇒

4.3 Xác định độ dẫn khí trong ống dẫn

(Chế độ chảy phân tử)

Giản đồ xác định độ dẫn khí ống tròn ở chế độ chảy phân tử với không khí ở 293 0 K

4.3 Xác định độ dẫn khí trong ống dẫn

(Chế độ chảy phân tử)

z Công thức thực nghiệm Klauzin:Để tính toán

độ dẫn khí của ống ngắn Klauzin đề xuất công thức:

z Với F – Diện tích tiết diện ống m 2 ;

z Đối với không khí ở 293 oK: L = 116.K.F

z K – Hệ số KlauzinĐể tính toán độ dẫn khí của ống ngắn Klauzin đề xuất công thức:

M

T

F K 4 , 36

L =

4.3 Xác định độ dẫn khí trong ống dẫn

(Chế độ chảy phân tử)

Hệ số K đối với ống trụ tiết diện tròn

4.3 Xác định độ dẫn khí trong ống dẫn

(Chế độ chảy phân tử)

Hệ số K đối với ống có tiết diện vành khuyên D1>D2

4.3 Xác định độ dẫn khí trong ống dẫn

(Chế độ chảy phân tử)

z Hệ số K đối với các lỗ hình côn

z Hệ số K đối với các ống:

z Tiết diện hình chữ nhật với b>>a

z và Lỗ có chiều dài >> cạnh a

4.3 Xác định độ dẫn khí trong ống dẫn

(Chế độ chảy phân tử)

4.3 Xác định độ dẫn khí trong ống dẫn

(Chế độ chảy phân tử)

4.3 Xác định độ dẫn khí trong ống dẫn

(Chế độ chảy phân tử)

4.3 Xác định độ dẫn khí trong ống dẫn

(Chế độ chảy phân tử)

4.3 Xác định độ dẫn khí trong ống dẫn

(Chế độ chảy phân tử)

c Chế độ chảy chuyển tiếp

z L1 – Độ dẫn khí ở chế độ chảy nhớt

z L2 – Độ dẫn khí ở chế độ phân tử

z D – Đường kính ống dẫn (m)

z Áp suất trung bình hai đầu ống (Pa)

µ +

p D 24 , 1 1

RT

M

p D 1

) p D 236 1

(

) p D 191 1

(

+

+

= Ζ

4.3 Xác định độ dẫn khí trong ống dẫn

(Chế độ chảy phân tử)

z Xác định L theo giản đồ

z Tính độ dẫn khí với: l =1m;

CHƯƠNG V KHÍ LIÊN KẾT VÀ VẬT LIỆU ỨNG DỤNG TRONG KTCK

z 5.1 Khái niệm:

z 5.2 Yêu cầu vật liệu:

z 5.3 Giới thiệu vật liệu

5.1 Khái niệm khí liên kết:

z Khí liên kết là khí nằm trên bề mặt hay thẩm thấu vào bên trong vật liệu làm bình chứa.

z Khi áp suất trong bình chứa giảm đến một áp

suất giới hạn khí này sẽ thoát ra và làm giảm độ chân không trong thể tích.

5.2 Yêu cầu vật liệu ứng dụng trong

kỹ thuật chân không:

z Độ thẩm thấu khí không đáng kể

z Vật liệu sử dụng:

-Ceramic

(có nhiệt độ bay hơi cao)

5.3 Giới thiệu vật liệu

z Thủy tinh:

z Ưu điểm:

z Không hấp phụ hay thấm khí,

z Nhiệt độ nóng chảy cao

z Dễ tạo dạng và kết dính

z Nhược điểm: dễ vỡ, không làm kích thước lớn

z Nhiệt độ nóng chảy:

z Thủy tinh thường:490 - 610 o C

z Thạch anh: 1500 0 C

z Cách bài khí trong bình thủy tinh:

z Rửa bằng axit loãng - tráng nước sạch - nung khô

z Có nhược điểm giống thủy tinh

z Nhiệt độ nóng chảy cao hơn

z Tạo được kích thước lớn hơn

5.3 Giới thiệu vật liệu

z Cao su:

z Nhựa:

z Chất bôi trơn:

CHƯƠNG VI TÍNH HỆ THỐNG CHÂN

KHÔNG

z 6.1 Vận tốc hút khí của hệ thống

z 6.2 Xác định vận tốc hút khí của bơm và chiều dài ống dẫn

z 6.3 Thời gian hút khí và áp suất giới hạn của

hệ thống

6.1 Vận tốc hút khí của hệ thống

z Sb – Vận tốc hút khí của bơm chân không

z St – Vận tốc hút khí thực tế của ống dẫn

z L – Độ dẫn khí của ống dẫn

V

P 1

P 2

Bơm CK

S t

S b

L

6.1 Vận tốc hút khí của hệ thống

t

1 S P S L P P P

b

t S

1 S

1 L

1

−

=

L S

L S S

1 L

1

1 S

b b

b

t

+

= +

=

6.1 Vận tốc hút khí của hệ thống

z Kết luận:

thực tế của ống dẫn sẽ tiệm cận đến vận tốc hút của bơm;

dẫn khí của ống dẫn.

6.2 Xác định vận tốc hút khí của bơm

và chiều dài ống dẫn