流体力学应用/B47吸尘器

吸尘器是一种通过吸入机制去除灰尘或污垢的设备。
灰尘要么被收集在集尘袋中，要么被收集在旋风分离器中，以备日后处理。吸尘器
有多种尺寸和型号，适合不同的用途
方式。最有效率和最环保的是隔膜泵。
与水射流泵相比，隔膜泵可节省高达 90% 的运行成本。
^[1]

基本术语

工作压力，P_w

吸尘器使用泵来产生真空。在抽真空过程中，气体和蒸汽也会从容器中排出。与气体不同，蒸汽在压力升高时可能会凝结在现有的温度下。^[2] 因此，分析计算出的压力不会达到。因此，需要通过额外的抽气才能达到所需的压力。获得的这种压力称为工作压力。

粒子数密度，n

气体所施加的压力取决于温度和气体分子的数量，正如气体动理论所解释的那样。
它的单位是 cm⁻³

$P=\,nkT$

n 是粒子数密度

k 是玻尔兹曼常数

我们也可以说，在特定的工作条件下（认为它是等温的），气体施加的压力取决于气体分子的数量。集中在气体动理论公式上，我们可以得出结论，压力不取决于气体粒子特性，即粒子的质量。

泵的抽气量，q

泵的抽气量是泵的抽气能力。它等于泵入口处的质量流量或通过泵进气口的 pV 流量。^[3]

$q={\frac {m}{t}}$

$q={\frac {pV}{t}}$

电导率，C

泵的抽气能力与管道、阀门等入口和出口之间的压差成正比。^[4] 这里的比例常数称为电导率，C。

$q=\,C(P_{1}-P_{2})$

这里，P₁ - P₂ 是管道系统入口和出口之间的压差。C 的值受管道元件的几何形状影响，也可以计算出串联或并联配置的管道元件系统的 C 值。
我们可以将每个元件的电容转换为一个称为R的术语，即流动阻力。

$R={\frac {1}{C}}$

现在，可以按如下方式使用 R 的值

串联管道

$R_{T}=R_{1}+R_{2}+R_{3}+...+R_{n}$

并联管道

$\sum _{i=1}^{n}{\frac {1}{R_{i}}}={\frac {1}{R_{T}}}$

其中，RT 是管道系统的总流动阻力

对于长度为 l、圆形横截面直径为 d 的直管（不应太短），在层流、克努森和分子流范围内（对 20 °C 的空气有效），可以使用以下公式计算电导率^[5]

$C={\frac {\,135Pd^{4}}{l}}+{\frac {\,(12.1d^{3})(1+192Pd)}{\,(l)(1+237Pd)}}}$

其中

$P={\frac {P_{1}+P_{2}}{2}}$

P1 是管道起点处的压力，单位为毫巴

P2 是管道终点处的压力，单位为毫巴

有趣的事实

我们都知道，氦在大气中的含量只有大约 5 ppm。“在用维通密封或包含玻璃或石英的超高真空系统中，氦气能够渗透这些物质，并且渗透程度相当可观。”^[6]

真空范围及其特性^[7]

范围名称	缩写	压力范围	单位
粗真空	RV	1000 - 1	毫巴
中真空	MV	1 - 10−3	毫巴
高真空	HV	10−3 - 10−7	毫巴
超高真空	UHV	10−7 - 10−14	毫巴

真空产生

真空泵用于降低一定体积内的气体压力，从而降低气体密度。真空泵有很多种，每种泵也都有很多不同的类型。为了符合我的主题——真空吸尘器，并且显然是那些在家中使用的真空吸尘器，我将重点介绍两种真空吸尘器。
1. 罗茨真空泵
2. 涡轮分子泵

罗茨真空泵

这种真空泵的设计在 1848 年完成，并在二十年后发明。自 1954 年以来，罗茨泵一直在真空工程中使用。罗茨泵通常与背压泵一起使用，可以用于中真空范围。两级罗茨泵可将真空范围扩展至高真空范围。

罗茨真空泵是一种旋转正排量式泵，其中两个对称的叶轮在泵壳内以紧密相邻的方式同步旋转，并通过齿轮进行同步。叶轮与壳体壁之间以及叶轮之间的间隙仅为几十分之一毫米。
罗茨泵没有油封。只能实现 10-100 的压缩比。
在压缩阶段，这些表面区域（叶轮和壳体）被气体加载（边界层）；在抽气阶段，这些气体被释放。移动气体层的厚度取决于两个叶轮之间的间隙以及叶轮与壳体壁之间的间隙。^[8]

涡轮分子泵

分子泵的工作原理是，要抽取的气体粒子被快速移动的叶轮表面击中，从而在所需流动方向产生一个脉冲。定子和叶轮盘之间的间隙通常为毫米级，以保证更大的容差。但是，只有当叶轮叶片的圆周速度（在外部边缘）达到要抽取的分子平均热速度的数量级时，才会获得显著的抽气效果。^[9]

真空泵叶片附近的气体密度变化

罗茨泵和涡轮分子泵中遵循的流动曲线非常复杂，远远超出了我的能力范围。罗茨泵遵循双叶线摆线轮廓。我无法解决这个复杂的问题。对于我的知识不足，我表示歉意。

集尘袋和旋风分离器的工作原理

旋风分离器的工作原理

传统上，旋风分离器作为第一个分离装置安装，然后是滤袋。
旋风分离器的工作原理如下。

1. 含尘空气进入旋风分离室。
2. 由于旋风分离作用，灰尘/粉末分离，然后进入滤袋室。
3. 空气均匀分布，避免通道形成，而旋风分离器分离的粉末从侧面滑下。
4. 最初，滤袋上会形成一层材料。随后，这层材料充当过滤介质。
5. 灰尘积聚在过滤元件上，而空气从外部向内部穿过滤袋。
6. 积聚的粉末通过间歇式脉冲喷射空气从滤袋上脱落。
7. 脱落的粉末落到底部锥体上，并通过粉末排放阀排出。
8. 无尘空气被诱导通风机吸入并排放到大气中。
注意： 在锥形部分特别为粘性/吸湿性粉末/灰尘提供敲击器。

集尘袋的工作原理

滤袋系统，通常称为袋式除尘器，有三个部分
1. 清洁空气室
2. 壳体
3. 料斗
灰尘通过管道吸入滤袋。含尘公共管道进入的腔室称为含尘室，无尘腔室称为清洁空气室。清洁空气被产生通风的通风机（诱导通风机）抽走。灰尘被保留在集尘袋中。

参考文献

1. Walter Umrath 博士等，真空技术基础，（科隆，2007 年 6 月），20
2. Walter Umrath 博士等，真空技术基础，（科隆，2007 年 6 月），9
3. Walter Umrath 博士等，真空技术基础，（科隆，2007 年 6 月），11
4. Walter Umrath 博士等，真空技术基础，（科隆，2007 年 6 月），11
5. Walter Umrath 博士等，真空技术基础，（科隆，2007 年 6 月），16
6. Walter Umrath 博士等，真空技术基础，（科隆，2007 年 6 月），13
7. Walter Umrath 博士等，《真空技术基础》，（科隆，2007 年 6 月），第 14 页
8. Walter Umrath 博士等，《真空技术基础》，（科隆，2007 年 6 月），第 27 页
9. Walter Umrath 博士等，《真空技术基础》，（科隆，2007 年 6 月），第 46 页