真空系统漏气率与泵组选型Excel计算书

真空系统漏气率与泵组选型设计计算,,,,,,,,,

序号,计算项目,符号表示,参数来源,计算公式,国际单位,计算结果,参数说明,规范依据,其他说明

一、基础设计参数录入,,,,,,,,,

1,真空系统总容积,V,设计值,腔体容积+管路容积,L,500.00,真空室及连接管路的总容积，含工艺工件占据的有效空间,真空设计手册,根据设备图纸或三维模型测算

2,初始压力(大气压),P₀,设计值,标准大气压,Pa,101325.00,抽气开始时的初始压力，通常为当地大气压,GB/T32218-2015,高原地区需根据当地海拔修正

3,工作压力(目标压力),P_work,设计值,工艺要求的工作真空度,Pa,0.01,工艺所需的稳定工作压力，即真空度要求,工艺设计规范,根据具体工艺要求确定

4,系统极限压力要求,P_limit,设计值,小于工作压力半个到一个数量级,Pa,0.00,系统空载时所能达到的最高真空度,真空设计手册,通常取工作压力的1/10~1/5

5,允许粗抽时间,t_pump,设计值,工艺节拍要求,min,15.00,从大气压抽到预真空度所需的最长允许时间,工艺设计文件,根据生产节拍要求确定

6,预真空度(罗茨泵启动压力),P_pre,选用值,罗茨泵允许启动压差,Pa,1000.00,罗茨泵启动时的入口压力，需低于最大允许压差,真空泵产品样本,通常为1000Pa~1330Pa

7,环境温度,T_amb,设计值,常温,℃,25.00,工作环境温度，用于温度修正计算,GB/T32218-2015,标准测试条件为23±7℃

8,真空室内表面积,A,设计值,腔体几何表面积,m²,4.50,真空室与真空接触的内表面总面积,图纸计算值,用于材料放气率计算

9,当地大气压力,P_a,查表值,海拔高度修正,Pa,101325.00,使用地点的实际大气压力，海拔升高气压降低,气象参数表,西安地区约97000Pa，此处按标准值

二、漏气率计算与判定,,,,,,,,,

10,静态升压初始压力,P₁,实测值,关闭真空阀时压力,Pa,0.01,静态升压法测量时，关闭阀门隔离系统后的初始压力,GB/T32218-2015,需充分抽气除气后测量

11,静态升压终止压力,P₂,实测值,经过Δt时间后的压力,Pa,0.03,静态升压法测量时，经过规定时间后的压力值,GB/T32218-2015,压力线性上升段读数

12,升压测量时间间隔,Δt,实测值,t₂-t₁,s,3600.00,两次压力测量之间的时间间隔,GB/T32218-2015,通常测量30分钟~2小时

13,实测系统漏气率,Q_leak,计算值,Q_leak=V×(P₂-P₁)/Δt,Pa·L/s,0.00,单位时间内通过漏孔进入系统的气体总量,GB/T32218-2015,静态升压法核心公式

14,实测漏气率(立方米单位),Q_leak_m³,计算值,Q_leak/1000,Pa·m³/s,0.00,换算为国际标准单位的漏气率值,ISO27895:2009,1Pa·m³/s=1000Pa·L/s

15,最大允许漏气率,Q_allow,查表值,根据真空等级选取,Pa·m³/s,0.00,设计允许的最大漏气率，高真空系统通常取1×10⁻⁶Pa·m³/s,真空设计手册,普通真空≤1e-4，高真空≤1e-6，超高真空≤1e-9

16,压力上升率,dP/dt,计算值,(P₂-P₁)/Δt×3600,Pa/h,0.02,每小时压力上升值，工程上常用作漏气率快速判定指标,真空热处理标准,真空炉合格标准通常为≤0.67Pa/h

17,温度修正系数,K_T,计算值,273.15/(273.15+T_amb),无量纲,0.92,将实测温度下的漏率修正为标准温度下的漏率,GB/T12604.7-2021,温度变化对气体密度影响的修正

18,温度修正后漏气率,Q_leak_corr,计算值,Q_leak_m³×K_T,Pa·m³/s,0.00,修正到标准温度下的标准漏率值,GB/T12604.7-2021,用于漏率的统一比较

19,漏气率符合性判定,-,判断值,"IF(Q_leak_corr≤Q_allow,""满足"",""不满足"")",-,不满足,判断实测漏气率是否在允许范围内,GB/T32218-2015,若不满足需进行检漏修补

20,漏气率裕度,-,计算值,Q_allow/Q_leak_corr,倍,0.52,允许漏率与实测漏率的比值，反映密封裕度,工程经验,裕度≥3倍为优秀，1~3倍为合格

三、材料表面放气率计算,,,,,,,,,

21,材料平均放气率,q_out,查表值,根据材料和表面处理选取,Pa·m³/(s·m²),0.00,不锈钢材料经清洁处理后的典型放气率，未烘烤状态,真空设计手册,烘烤后可降低1~2个数量级

22,总材料放气率,Q_out,计算值,Q_out=q_out×A×1000,Pa·L/s,0.00,所有暴露于真空的内表面总的放气流量,真空设计手册,高真空下放气率往往大于漏气率

23,密封件放气率,Q_seal,选用值,密封圈数量估算,Pa·L/s,0.01,氟橡胶密封圈的总放气量，根据密封圈规格和数量估算,材料放气率表,丁基橡胶放气率约为氟橡胶的50%

24,工艺气体负载,Q_process,设计值,工艺过程产生的气体量,Pa·L/s,0.01,工艺过程中蒸发、溅射、解吸等产生的气体流量,工艺设计文件,无工艺气体时取0

25,总气载量,Q_total,计算值,Q_leak+Q_out+Q_seal+Q_process,Pa·L/s,0.02,系统总的气体负载，包括漏气、放气和工艺气体,真空设计手册,泵抽速需大于总气载除以工作压力

四、管路流导计算,,,,,,,,,

26,主管道内径,d,设计值,管路通径,cm,15.00,真空泵与真空室之间连接管道的内径,管路设计图纸,DN150法兰对应内径约15cm

27,主管道长度,L,设计值,法兰端面距离,cm,80.00,真空室出口到泵入口之间的管道总长度,管路设计图纸,尽量缩短管道长度以减小流阻

28,管路弯头数量,n_bend,设计值,90度弯头数,个,2.00,管路上90度弯头的总数量，每个弯头流阻相当于5倍管径长度,管路设计手册,弯头、阀门、挡板都会增加流阻

29,管路等效长度,L_eff,计算值,L+n_bend×5×d,cm,230.00,考虑弯头局部阻力后的管路等效长度,真空设计手册,90度弯头等效长度约为管径的5倍

30,管路平均压力(粗抽),P_avg,选用值,(P_pre+P0)/2,Pa,51000.00,粗抽阶段管路内平均压力，用于黏滞流流导计算,流体力学计算,粗抽阶段气体处于黏滞流状态

31,黏滞流圆管流导,C_vis,计算值,C=1.38×d⁴×P_avg/L_eff,L/s,15491250.00,粗抽阶段黏滞流状态下的管路流导,真空设计手册,适用于压力>100Pa的黏滞流区

32,分子流圆管流导,C_mol,计算值,C=12.1×d³/L_eff,L/s,177.55,高真空阶段分子流状态下的管路流导,真空设计手册,适用于压力<0.1Pa的分子流区

33,挡板/阀门流导,C_baffle,选用值,挡板透射系数×管口流导,L/s,200.00,高真空挡板阀或冷阱的流导，根据产品样本选取,真空泵配件样本,通常挡板透射系数为0.3~0.5

34,高真空段总流导,C_total,计算值,1/(1/C_mol+1/C_baffle),L/s,94.05,分子流状态下管道串流导，串联流导倒数相加,真空设计手册,流导越小，有效抽速损失越大

五、抽气时间计算,,,,,,,,,

35,粗抽泵名义抽速,S_rough,选用值,初选旋片泵抽速,L/s,30.00,初选机械粗抽泵的额定抽速，通常为旋片泵或滑阀泵,真空泵产品样本,"常用旋片泵抽速规格：8,15,30,70,150L/s"

36,粗抽阶段有效抽速,S_rough_eff,计算值,S_rough×C_vis/(S_rough+C_vis),L/s,30.00,考虑管路流导损失后，在腔体出口处的实际抽速,真空设计手册,流导与泵抽速串联的有效抽速公式

37,理论粗抽时间,t_rough_t,计算值,t=(V/S_rough_eff)×LN(P0/P_pre),s,76.97,等温条件下的理论抽气时间，不考虑漏气和放气,真空设计手册,t=2.3V/S×lg(P1/P2)为常用对数形式

38,抽气时间修正系数,K_t,选用值,考虑漏气、放气、抽速下降,无量纲,2.00,考虑实际抽气过程中泵抽速下降、漏气放气等因素的经验修正系数,工程经验,通常取1.5~3，小系统取大值

39,实际粗抽时间,t_rough,计算值,t_rough_t×K_t/60,min,2.57,修正后的实际粗抽时间，含安全余量,工程经验,需与允许粗抽时间对比验证

40,粗抽时间符合性判定,-,判断值,"IF(t_rough≤t_pump,""满足"",""不满足"")",-,满足,判断实际粗抽时间是否在工艺允许范围内,工艺设计文件,若不满足需增大粗抽泵抽速

六、高真空主泵选型计算,,,,,,,,,

41,主泵所需有效抽速,S_main_req,计算值,S=Q_total/P_work,L/s,1.75,为克服总气载达到工作压力，在腔体出口处所需的有效抽速,真空设计手册,动态平衡公式Q=S×P

42,主泵名义抽速,S_main,选用值,根据有效抽速和流导计算,L/s,600.00,初选高真空主泵(扩散泵或分子泵)的额定抽速,真空泵产品样本,KT-600扩散泵抽速约600L/s，FF-600分子泵约600L/s

43,主泵实际有效抽速,S_main_eff,计算值,S=S_main×C_total/(S_main+C_total),L/s,81.31,考虑高真空管路流导后，在腔体处的实际有效抽速,真空设计手册,连接管路流导应大于泵抽速的1.5倍，否则抽速损失过大

44,主泵抽速符合性判定,-,判断值,"IF(S_main_eff≥S_main_req,""满足"",""不满足"")",-,满足,判断主泵有效抽速是否满足工艺气载排出要求,真空设计手册,若不满足需增大主泵抽速或优化管路流导

45,系统极限压力估算,P_ult,计算值,P_ult=P_pump+Q_total/S_main_eff,Pa,0.00,系统能够达到的极限压力，由泵极限压力和气载共同决定,真空设计手册,扩散泵极限压力约1e-7Pa，分子泵约1e-8Pa

46,极限压力符合性判定,-,判断值,"IF(P_ult≤P_limit,""满足"",""不满足"")",-,满足,判断系统极限压力是否满足设计要求,设计任务书,若不满足需检查密封、提高抽速或进行烘烤除气

七、罗茨泵增压泵选型计算,,,,,,,,,

47,罗茨泵增压比,K_roots,选用值,罗茨泵最大允许压缩比,无量纲,10.00,罗茨泵在工作压力下的允许压缩比，通常为5~20,罗茨泵产品样本,压差过大时罗茨泵会过载，需设置溢流阀

48,罗茨泵抽速选用值,S_roots,选用值,通常为主泵抽速的1/4~1/2,L/s,150.00,罗茨泵额定抽速，用于中真空段增压，提高低真空段抽速,真空泵产品样本,ZJ-150罗茨泵抽速150L/s，ZJ-300抽速300L/s

49,罗茨泵最大排气压力,P_roots_max,查表值,罗茨泵允许最大出口压力,Pa,5000.00,罗茨泵前级侧允许的最高压力，超过此值无法正常工作,罗茨泵产品样本,通常为4000~6000Pa，与泵型有关

50,罗茨泵所需前级抽速,S_back_req,计算值,S_back=S_roots/K_roots,L/s,15.00,罗茨泵正常工作所需的最小前级泵抽速,真空设计手册,前级泵需及时排走罗茨泵排出的气体

八、前级泵匹配验证,,,,,,,,,

51,前级泵实际抽速,S_back,选用值,可与粗抽泵共用,L/s,30.00,前级泵的实际抽速，中小型系统常与粗抽泵共用一台旋片泵,真空泵产品样本,需同时满足粗抽和前级排气要求

52,前级泵抽速符合性判定,-,判断值,"IF(S_back≥S_back_req,""满足"",""不满足"")",-,满足,判断前级泵抽速是否满足罗茨泵和主泵排气要求,真空设计手册,若不满足需增大前级泵抽速

53,主泵最大前级排气量,Q_fore,计算值,Q=S_main×P_workmax,Pa·L/s,60.00,主泵在最高工作压力下的最大排气量，前级泵必须能排走,真空设计手册,0.1Pa为主泵最大工作压力，分子泵可更高

54,主泵所需前级抽速,S_fore_req,计算值,S=Q_fore/P_roots_max,L/s,0.01,排出主泵最大气体量所需的前级泵最小抽速,真空设计手册,前级压力不超过罗茨泵/主泵最大允许排气压力

55,主泵前级匹配判定,-,判断值,"IF(S_back≥S_fore_req,""满足""