流體力學應用/B47吸塵器

吸塵器是一種透過吸入機制去除灰塵或汙垢的裝置。
灰塵要麼被收集在集塵袋中，要麼被收集在旋風分離器中，以備日後處理。吸塵器
有多種尺寸和型號，適合不同的用途
方式。最有效率和最環保的是隔膜泵。
與水射流泵相比，隔膜泵可節省高達 90% 的執行成本。
^[1]

基本術語

工作壓力，P_w

吸塵器使用泵來產生真空。在抽真空過程中，氣體和蒸汽也會從容器中排出。與氣體不同，蒸汽在壓力升高時可能會凝結在現有的溫度下。^[2] 因此，分析計算出的壓力不會達到。因此，需要透過額外的抽氣才能達到所需的壓力。獲得的這種壓力稱為工作壓力。

粒子數密度，n

氣體所施加的壓力取決於溫度和氣體分子的數量，正如氣體動理論所解釋的那樣。
它的單位是 cm⁻³

$P=\,nkT$

n 是粒子數密度

k 是玻爾茲曼常數

我們也可以說，在特定的工作條件下（認為它是等溫的），氣體施加的壓力取決於氣體分子的數量。集中在氣體動理論公式上，我們可以得出結論，壓力不取決於氣體粒子特性，即粒子的質量。

泵的抽氣量，q

泵的抽氣量是泵的抽氣能力。它等於泵入口處的質量流量或透過泵進氣口的 pV 流量。^[3]

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

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

電導率，C

泵的抽氣能力與管道、閥門等入口和出口之間的壓差成正比。^[4] 這裡的比例常數稱為電導率，C。

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

這裡，P₁ - P₂ 是管道系統入口和出口之間的壓差。C 的值受管道元件的幾何形狀影響，也可以計算出串聯或並聯配置的管道元件系統的 C 值。
我們可以將每個元件的電容轉換為一個稱為R的術語，即流動阻力。

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

現在，可以按如下方式使用 R 的值

串聯管道

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

並聯管道

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

其中，RT 是管道系統的總流動阻力

對於長度為 l、圓形橫截面直徑為 d 的直管（不應太短），在層流、克努森和分子流範圍內（對 20 °C 的空氣有效），可以使用以下公式計算電導率^[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 是管道起點處的壓力，單位為毫巴

P2 是管道終點處的壓力，單位為毫巴

有趣的事實

我們都知道，氦在大氣中的含量只有大約 5 ppm。“在用維通密封或包含玻璃或石英的超高真空系統中，氦氣能夠滲透這些物質，並且滲透程度相當可觀。”^[6]

真空範圍及其特性^[7]

範圍名稱	縮寫	壓力範圍	單位
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

真空產生

真空泵用於降低一定體積內的氣體壓力，從而降低氣體密度。真空泵有很多種，每種泵也都有很多不同的型別。為了符合我的主題——真空吸塵器，並且顯然是那些在家中使用的真空吸塵器，我將重點介紹兩種真空吸塵器。
1. 羅茨真空泵
2. 渦輪分子泵

羅茨真空泵

這種真空泵的設計在 1848 年完成，並在二十年後發明。自 1954 年以來，羅茨泵一直在真空工程中使用。羅茨泵通常與背壓泵一起使用，可以用於中真空範圍。兩級羅茨泵可將真空範圍擴充套件至高真空範圍。

羅茨真空泵是一種旋轉正排量式泵，其中兩個對稱的葉輪在泵殼內以緊密相鄰的方式同步旋轉，並透過齒輪進行同步。葉輪與殼體壁之間以及葉輪之間的間隙僅為幾十分之一毫米。
羅茨泵沒有油封。只能實現 10-100 的壓縮比。
在壓縮階段，這些表面區域（葉輪和殼體）被氣體載入（邊界層）；在抽氣階段，這些氣體被釋放。移動氣體層的厚度取決於兩個葉輪之間的間隙以及葉輪與殼體壁之間的間隙。^[8]

渦輪分子泵

分子泵的工作原理是，要抽取的氣體粒子被快速移動的葉輪表面擊中，從而在所需流動方向產生一個脈衝。定子和葉輪盤之間的間隙通常為毫米級，以保證更大的容差。但是，只有當葉輪葉片的圓周速度（在外部邊緣）達到要抽取的分子平均熱速度的數量級時，才會獲得顯著的抽氣效果。^[9]

真空泵葉片附近的氣體密度變化

羅茨泵和渦輪分子泵中遵循的流動曲線非常複雜，遠遠超出了我的能力範圍。羅茨泵遵循雙葉線擺線輪廓。我無法解決這個複雜的問題。對於我的知識不足，我表示歉意。

集塵袋和旋風分離器的工作原理

旋風分離器的工作原理

傳統上，旋風分離器作為第一個分離裝置安裝，然後是濾袋。
旋風分離器的工作原理如下。

1. 含塵空氣進入旋風分離室。
2. 由於旋風分離作用，灰塵/粉末分離，然後進入濾袋室。
3. 空氣均勻分佈，避免通道形成，而旋風分離器分離的粉末從側面滑下。
4. 最初，濾袋上會形成一層材料。隨後，這層材料充當過濾介質。
5. 灰塵積聚在過濾元件上，而空氣從外部向內部穿過濾袋。
6. 積聚的粉末透過間歇式脈衝噴射空氣從濾袋上脫落。
7. 脫落的粉末落到底部錐體上，並透過粉末排放閥排出。
8. 無塵空氣被誘導通風機吸入並排放到大氣中。
注意： 在錐形部分特別為粘性/吸溼性粉末/灰塵提供敲擊器。

集塵袋的工作原理

濾袋系統，通常稱為袋式除塵器，有三個部分
1. 清潔空氣室
2. 殼體
3. 料斗
灰塵透過管道吸入濾袋。含塵公共管道進入的腔室稱為含塵室，無塵腔室稱為清潔空氣室。清潔空氣被產生通風的通風機（誘導通風機）抽走。灰塵被保留在集塵袋中。

參考文獻

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