close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

36.Теоретические основы вакуумной техники

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана
К.Е. Демихов, Н.К. Никулин, Д.А. Калинкин
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ВАКУУМНОЙ ТЕХНИКИ
Рекомендовано редсоветом МГТУ им. Н.Э. Баумана
в качестве учебного пособия
Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2008
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 621.52
ББК 31.77
Д 304
Рецензенты: Б.Т. Маринюк, Ю.Г. Ромочкин
К.Е. Демихов, Н.К. Никулин, Д.А. Калинкин
Д 304
Теоретические основы вакуумной техники: Учеб. пособие. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. – 64 с.: ил.
ISBN 978-5-7038-3137-3
Изложены основы молекулярно-кинетической теории газов,
теории сорбции, необходимые для понимания процессов, происходящих в вакуумных насосах различного принципа действия и в вакуумных системах в целом. Приведены понятия и законы, используемые при расчете высоковакуумных систем, а также методики
определения проводимости их основных элементов при молекулярном, вязкостном и переходном режимах течения газа. Рассмотрены принципы действия основных типов вакуумных насосов.
Для студентов 4-го и 5-го курсов машиностроительных и приборостроительных специальностей.
УДК 621.52
ББК 31.77
ISBN 978-5-7038-3137-3
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ПРЕДИСЛОВИЕ
Учебное пособие включает в себя теоретический материал, являющийся основополагающим для освоения всех последующих
курсов по теории и расчету механических и немеханических высоковакуумных установок и систем. Изложение подчинено одной
цели: сообщить в краткой форме основные сведения, знание которых необходимо студентам для понимания процессов, протекающих в высоковакуумных насосах и системах.
В основу первой главы предлагаемого учебного пособия положен материал второго издания пособия Е.С. Фролова и Н.К. Никулина «Теоретические основы вакуумной техники» (М.: Изд-во
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1993. 76 с.). При этом добавлены разделы
по применению вакуумных систем в современной технике и технологии, внесены коррективы в изложение некоторых положений,
устранены неточности в формулировках и определениях.
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ВВЕДЕНИЕ
Вакуум – такое состояние разреженного газа, когда давление
его ниже атмосферного.
Применение среды с такими параметрами и первые вакуумные
устройства для получения вакуума известны еще с I века до н.э.
(как сообщал древнегреческий ученый Ктесибей). Впоследствии
средства вакуумной откачки совершенствовались и превратились в
устройства, имеющие различные принципы действия. Они необходимы для обеспечения огромного числа современных технологических процессов, проходящих в широком диапазоне давлений от
атмосферного(105 Па) до 10-11 Па и ниже.
Вакуумные технологии нашли широкое применение в металлургии, химии, нефтехимии, химическом машиностроении, электротехнике, энергетике, угледобывающей и горнорудной промышленностях, электрофизическом аппаратостроении, космонавтике, авиации,
научном приборостроении, в научных исследованиях и т. д.
Развитие металлургической промышленности связано с интенсивным использованием вакуумной техники (в металлургии печей
и средств внепечной обработки, в технологических процессах,
обеспечивающих выплавку высокочистых металлов и сплавов).
В порошковой металлургии вакуумная технология находит применение для завершающей стадии компактирования – спекания твердых сплавов, постоянных магнитов и др. Вакуумные процессы
электронно-лучевой и термодиффузионной сварки позволяют получать неразъемные соединения приборов, деталей конструкций
машин и сооружений в ядерной, автомобильной, электронной и
других отраслях промышленности.
Одним из эффективных методов повышения качества стали является раскисление стали углеродом в вакууме с целью существенно снизить содержание кислорода и получить мелкую дендритную
структуру слитков. Процесс вакуумной дегазации, т. е. удаление из
жидкого металла растворенных в нем газов, не только обеспечивает
получение металла с минимальным содержанием вредных примесей, но и способствует улучшению его свойств.
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Современные установки для вакуумирования стали в ковше с
электромагнитным перемешиванием обеспечивают хорошую дегазацию всего находящегося в ковше металла и равномерное распределение вводимых в ковш раскислителей и легирующих добавок.
Вакуумирование стали в струе применяется для удаления водорода из стали при отливке слитков для крупных поковок. Распространение этого варианта внепечной обработки объясняется
сравнительной простотой практического осуществления и высокой
скоростью дегазации.
Электропечи получили широкое распространение в таких отраслях промышленности, как атомная, космическая и др. Вакуумная плавка металлов и сплавов в печах позволяет значительно снизить содержание газов и количество неметаллических включений,
обеспечить высокую однородность и плотность слитка за счет направленной кристаллизации жидкого металла, значительно улучшить физико-механические свойства металла.
Дуговые печи при давлении порядка 10…10-1 Па используют
для выплавки качественных сталей: нержавеющих, конструкционных, электротехнических, шарикоподшипниковых, жаропрочных
сплавов и тугоплавких металлов.
Индукционные печи применяют для плавки и разливки различных металлов и сплавов, электронно-лучевые печи – для получения особо чистых металлов. В печах этого типа нагрев осуществляется благодаря бомбардировке поверхности нагреваемого
предмета быстро движущимися электронами.
Вакуумные электропечи сопротивления являются наиболее
универсальными, так как имеют много областей применения, например, их используют для нагрева длинномерных изделий, больших и тяжелых деталей в подвешенном состоянии для предохранения их от деформации, для отжига и т. д.
Дистилляция металлов и сплавов в вакууме – один из технологических процессов вакуумной плавки, предназначенный для удаления из металла вредных примесей в газообразном состоянии в
целях получения чистого металла для ракетной техники, атомной
энергетики и других отраслей промышленности. Вакуумная дистилляция осуществляется преимущественно в вакуумных дуговых
и индукционных печах при давлении ниже 10-1 Па.
Сварка в вакууме предназначена для получения неразъемных
соединений элементов приборов, деталей (узлов) конструкций
машин, используемых в точном машиностроении, микроэлектронике, при создании атомных реакторов и др. Различают два вида
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
сварки в вакууме: электронно-лучевую (сварка плавлением) и термодиффузионную (сварка давлением).
Спекание металлических и керамических порошковых материалов является одной из важнейших технологических операций,
применяемых в порошковой металлургии. Методом спекания изготавливают конструкционные детали машин и механизмов;
фильтры для очистки жидкостей и газов, уплотнительные материалы для газовых турбин, вакуумного и другого оборудования,
контакты, магниты, ферриты для изделий электро- и радиотехнической промышленности и др.
В химической промышленности применение вакуумных технологий позволяет осуществлять дегазацию изоляционных масел и
синтетических материалов; дистилляцию фармацевтических продуктов и консервирующих веществ для пищевых продуктов; адсорбционную очистку нефтепродуктов; сублимационную сушку
пищевых продуктов, медицинских препаратов и т. д.
Вакуумная дистилляция – технологический процесс разделения жидких смесей на различающиеся по составу отдельные фракции путем их частичного испарения в вакууме с последующей
конденсацией образовавшихся паров.
Молекулярная дистилляция применяется:
• для регенерации нефтепродуктов и отработанных минеральных масел из двигателей, редукторов, трансформаторов, турбин;
• для производства рабочих жидкостей вакуумных насосов;
• для очистки термически нестойких органических веществ,
например эфиров фталевой, себациновой и других кислот;
• для выделения витаминов из рыбьего жира и др.
Вакуумная ректификация применяется в нефтяной промышленности для разделения нефти на бензин, мазут и другие продукты.
Вакуумную сушку используют для чистых химических продуктов, взрывоопасных и термочувствительных материалов и т. д.
Фильтрацию в вакууме применяют для разделения различных
суспензий и, в некоторых случаях, для разделения коллоидных
растворов.
Выпаривание в вакууме применяется в химическом производстве для сгущения растворов или для полного удаления растворителей.
Кристаллизация в вакууме – вакуумный химико-технологический
процесс выделения твердой фазы из жидкого расплава данного вещества или из раствора. Это один из основных способов получения
твердых веществ в чистом виде.
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вакуум используется также в электрических аппаратах высокого напряжения, электротехническом оборудовании специального назначения (термоядерные установки, ускорители), электрооборудовании транспорта, светотехнике и инфракрасной технике. В
электротехнологию включают технологии вакуумной металлургии, вакуумное напыление, вакуумную плавку, электросварку, вакуумную пайку. В аппаратах высокого напряжения используются
вакуумные выключатели, вакуумные дугогасительные камеры,
вакуумные коммутационные устройства.
В электротехнической промышленности вакуумная техника
находит применение в сушильных и пропиточных установках для
производства трансформаторов, конденсаторов, кабелей и т. д.
При производстве тонкопленочных солнечных элементов
большую роль играет вакуумная технология. Вакуумное оборудование необходимо, например, при физическом осаждении из паровой фазы – вакуумном испарении; оно должно обеспечивать давление 10-4…10-6 Па при больших скоростях откачки.
При создании электрофизических установок определяющим
фактором являются вакуумные условия. Так, фоновое давление в
термоядерных реакторах с магнитным удержанием плазмы не
должно превышать 10-8…10-6 Па. К электрофизическим установкам относятся и электронные и ионные ускорители, ускорительно-накопительные комплексы, термоядерные системы для исследований возможности получения управляемой термоядерной
реакции, установки дефектоскопии, установки, предназначенные
для фундаментальных и прикладных исследований строения материи и т. п.
Космический вакуум, разреженная космическая газообразная
материя, оказывает разнообразные воздействия на материалы, узлы и блоки приборов, находящихся вне гермоотсеков космических
летательных аппаратов. Для создания условий, моделирующих
космический вакуум, применяют специальные вакуумные установки, обеспечивающие давление 10-3…10-12 Па.
Наиболее широкое применение находит вакуум в приборостроении при создании так называемых электровакуумных приборов, являющихся одним из основных направлений современной
электроники. Давление остаточных газов в рабочем режиме обычно не превышает 10-4 Па.
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ОТКАЧКИ
ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ
1.1. Основные понятия
В процессе откачки газа из сосуда 1 (рис. 1) через соединительный вакуумпровод 2 вакуумным насосом 3 в сосуде постоянно
понижается давление р0 до предельного значения рпр, т. е. до тех
пор, пока количество откачиваемого газа не станет равным количеству газа, натекающему в сосуд из окружающей его среды, и
газовыделению с внутренних стенок сосуда. В этом случае в системе устанавливается стационарный режим течения и в любом ее
сечении поток газа Q остается постоянным.
Рис. 1. Схема системы откачки:
1 – сосуд; 2 – вакуумпровод; 3 – вакуумный насос
Поток газа Q – это расход газа, Па·м3/с, в котором количество
газа выражено произведением его давления на объем при данной
температуре:
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Q = S 0 p,
где S0 = (dV/dt)p – быстрота откачки, или объем газа при данном
давлении, откачиваемый в единицу времени, м3/с; p – давление в
рассматриваемом сечении, Па.
Быстрота действия вакуумного насоса Sн – это объем газа,
поступающий во всасывающий патрубок насоса в единицу
времени при данном давлении,
Sн =
Q
,
p2
где р2 – давление во всасывающем патрубке насоса.
Быстрота откачки объекта S0 – это объем газа при данном давлении, откачиваемый в единицу времени через сечение вакуумного трубопровода, соединяющего объект откачки с насосом:
S0 =
Q
.
p0
Проводимость элемента вакуумной системы U – это способность элемента проводить газ, м3/c. Она определяется как отношение потока газа Q, проходящего через элемент вакуумной системы, к разности давлений (р1 – р2) на его концах:
U=
Q
.
( p1 − p2 )
Величину W, обратную проводимости элемента вакуумной
системы, называют сопротивлением:
W=
1 p1 − p2
.
=
U
Q
Проводимость сложных вакуумных систем, состоящих из отдельных элементов, определяют аналогично сопротивлению электрических цепей.
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При последовательном соединении n элементов вакуумной
системы с известной проводимостью Ui (сопротивлением Wi) проводимость системы U определяют по формуле
1 i =n 1
=∑ ,
U i =1 U i
i =n
(общее сопротивление соответственно составит W = ∑Wi ).
i =1
Необходимо учитывать, что при последовательном соединении
сопротивление составного элемента уменьшается на величину сопротивления входа в элемент. Например, для элементов одного
диаметра проводимость U системы
1 i =n 1 i =n 1
,
= ∑ −∑
U i =1 U i i = 2 U 0i
где U 0 i – проводимость входа i-го элемента.
При параллельном соединении n элементов вакуумной системы ее
общая проводимость U равна сумме проводимостей всех элементов:
i =n
U = ∑U i ,
i =1
(общее сопротивление определяют из соотношения
1 i =n 1
= ∑ ).
W i =1 Wi
1.2. Основное уравнение вакуумной техники
Быстроту откачки объекта S0 определяют по быстроте действия
насоса Sн и проводимости трубопровода U при условии постоянства потока газа Q = const.
Из условия Q = S0p0 = U(p0 – p2) = Sнp2 = const следует
1
1
1
.
= +
S0 U S H
10
(1)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Уравнение (1) представляет собой основное уравнение вакуумной техники, которое выражает отличие быстроты откачки объекта S0 от быстроты действия насоса Sн при наличии трубопровода с
проводимостью U. При U Sн влияние трубопровода незначительно и S0 ≈ Sн, при U Sн быстрота откачки объекта определяется проводимостью трубопровода, т. е. S0 ≈ U.
1.3. Режимы течения газов
Течение газа в вакуумных системах зависит от ряда параметров: температуры газа и стенок, разности давлений на концах системы, абсолютного значения давления, внутреннего трения в газе
и взаимодействия газа с поверхностью, а также от формы и размеров рассматриваемой системы. Различают три основных вида течения газа: вязкостное, молекулярно-вязкостное (переходное) и
молекулярное (или свободно-молекулярное).
При вязкостном режиме течения газа средняя длина свободного пути частиц λ значительно меньше характерного размера объема (для круглого трубопровода, например, таким размером является его диаметр D). В области молекулярного течения газа и в
области между вязкостным и молекулярным режимами средняя
длина свободного пути частиц больше характерного размера или
сравнима с ним.
Области течения характеризуют числом kn = λ / D. Так, при
расчетах проводимости цилиндрических круглых трубопроводов принимают, что молекулярный режим течения наступает
при kn > 0,33, вязкостный – при kn < 10-2, переходному режиму соответствует 10-2 < kn < 0,33.
1.4. Истечение газа через малые и большие диафрагмы
при вязкостном и молекулярном режимах течения
Под малой диафрагмой понимают отверстие диаметром d, значительно меньшим диаметра сосуда D (рис. 2), из которого происходит истечение газа (р1 > р2), причем протяженность отверстия h
значительно меньше его диаметра d.
Для вязкостного режима течения при наличии перепада давлений между сосудами (р1 – р2) поток газа Q, Па·м3/с, через малую
диафрагму определяют по формуле
11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1 ⎛
k −1 ⎞
2k RT
Q = p1F τ k ⎜1 − τ k ⎟
,
⎜
⎟ k −1 M
⎝
⎠
πd 2
–
4
площадь малой диафрагмы, м2; τ – отношение давлений на диаp
фрагме ( τ = 1 ); k – показатель адиабаты.
p2
где р1 – давление в объеме, из которого вытекает газ; F =
Рис. 2. Схема диафрагмы
Проводимость малой диафрагмы
1
k −1 ⎞
τk ⎛
2k RT
⎜1 − τ k ⎟
Q=F
.
⎟ k −1 M
1− τ ⎜
⎝
⎠
По мере уменьшения давления р2 (или увеличении τ) поток газа через малую диафрагму возрастает до определенного значения,
соответствующего критическому отношению
12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
k
τкр
⎛ 2 ⎞ k −1
=⎜
⎟ ,
⎝ k + 1⎠
начиная с которого скорость истечения через малую диафрагму становится постоянной и равной скорости звука, независимо от давления
р1. Например, для воздуха при 293 К τкр = 0,528, тогда проводимость
766τ 0,714
U=
F
1 − τ 0,286 при 0,528 ≤ τ ≤ 1;
1− τ
F
при τ < 0,528;
1− τ
200 F при τ < 0,1.
200
В молекулярном режиме течения поток газа через диафрагму
будет определяться числом попаданий молекул газа в отверстие.
Поток газа
Q = 36,4
T
( p1 − p2 ) F ,
M
где р1 и р2 – давления в сосудах, Па; М – молекулярная масса газа.
Проводимость малой диафрагмы
U = 36,4 F
T
,
M
в частности для воздуха при температуре 20 ºС проводимость
U = 116 F .
Если размеры отверстия d0 соизмеримы с размерами сосуда d
(рис. 3), из которого происходит истечение газа через это отверстие, то оно называется большой диафрагмой. Отверстие диаметром d (площадью Fd ) является малой диафрагмой по отношению к
сосуду с диаметром D ( D>>d ), но отверстие с диаметром d0
13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
(площадью Fd0) является большой диафрагмой по отношению к
трубопроводу с диаметром d, хотя по отношению к сосуду с диаметром D его также рассматривают как малую диафрагму.
Рис. 3. Большая и малая диафрагма
В молекулярном режиме течения при истечении газа из сосуда
с давлением р1 в сосуд с давлением р2 сопротивление соединяющей магистрали будет состоять из сопротивления малой диафрагмы с площадью F(WF), сопротивления участка трубопровода диаметром d и длиной l(Wl) и сопротивления большой диафрагмы
диаметром d0(Wб.д). Для последовательного соединения сопротивлений суммарное сопротивление
W1 = WF + Wl + Wб.д .
При истечении газа из сосуда с давлением p2 в сосуд с давлением р1 сопротивление W2 будет состоять из сопротивления малой
диафрагмы диаметром d0(WFd0) и сопротивления того же участка
трубопровода диаметром d и длиной l(Wl), что и при истечении из
сосуда с давлением р1 в сосуд с давлением р2
W2 = Wl + WFd 0 ,
причем в молекулярном режиме течения при одинаковых перепадах давлений потоки в обоих направлениях равны, т. е. равны и
сопротивления.
Тогда W1 = W2 или WF + Wl + Wб.д = Wl + WFd 0 . Заменяя сопротивление малой диафрагмы проводимостью, получим
проводимость
14
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
U б.д = 36,4 F0
T
F
,
M F − F0
(2)
в частности для воздуха при температуре 20 ºС
⎛ F ⎞
U б.д = 116 F0 ⎜
⎟.
⎝ F − F0 ⎠
Из уравнения (2) видно, что если диаметр отверстия d0 уменьшается настолько, что площадь F0 становится намного меньше F, то
это отверстие необходимо рассматривать как малую диафрагму, так
как поправочный множитель F ( F − F0 ) стремится к единице, а
уравнение (2) преобразуется в уравнение для проводимости малой
диафрагмы.
Если же диаметр отверстия увеличивать, уменьшая разницу
между d и d0, то поправочный множитель, как и Uб.д, стремится к
бесконечности, т. е. отверстие не оказывает сопротивления.
При рассмотрении вязкостного режима течения для определения проводимости большой диафрагмы в уравнение для малой
диафрагмы, согласно экспериментальным данным, вводится тот
же поправочный множитель. Например, уравнение для большой
диафрагмы перепишется в виде
U б.д = 200 F0
F
.
F − F0
1.5. Проводимость трубопровода при вязкостном режиме течения
В вакуумных системах при сравнительно высоких давлениях,
как правило, имеет место ламинарный режим течения газа. В этом
случае в длинном трубопроводе круглого сечения скорость газа u
изменяется по радиусу (рис. 4): в центре потока, при r = 0, скорость течения газа максимальна, а около стенок, при r = R, скорость равна нулю. В установившемся потоке силы, действующие
на частицы, взаимно уравновешены. Для рассмотрения сил, действующих на газ, выделим в трубопроводе цилиндрический слой
радиусом r, толщиной dr и длиной l. На слой действуют следующие силы: 1) сила, возникающая в результате действия разности
давлений (р1 – р2), равная 2πrdr (р1 – р2); 2) сила трения, дейст15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
вующая со стороны центральных слоев газа, движущихся с большей скоростью; она возникает в результате внутреннего трения
du
между слоями газа и равна η = 2πrl , где η – коэффициент диdr
намической вязкости газа. Аналогичная сила, действующая со стороны внешнего слоя, будет тормозить поток газа, эта сила равна
⎛ du d 2u ⎞
η2π l ( r + dr )⎜⎜ + 2 dr ⎟⎟.
⎝ dr dr
⎠
Условие равновесия (сумма всех сил равна нулю) запишется
следующим образом:
2π l
d ⎛ du ⎞
⎜ r ⎟ = −2πr ( p1 − p2 ).
dr ⎝ dr ⎠
Проинтегрировав по радиусу полученное уравнение, получим
выражение для скорости течения газа:
u=−
p1 − p2 2
r + C ln r + D,
4ηl
где С и D – постоянные интегрирования.
Рис. 4. Расчетная схема вязкостного режима течения газа
16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Постоянные интегрирования можно определить из граничных
условий: в центре потока скорость имеет максимум, т. е.
⎛ du ⎞
⎜ ⎟ = 0, тогда постоянная С равна нулю (С = 0); а при r = R
⎝ dr ⎠ r =0
скорость u = 0, что позволяет определить постоянную
D=
p1 − p2 2
R .
4η l
С учетом значения постоянных интегрирования скорость течения газа
u=−
p1 − p2 2
( R − r 2 ).
4ηl
(3)
Чтобы найти объем газа, протекающего через сечение трубопровода в единицу времени, необходимо проинтегрировать уравнение (3) по площади поперечного сечения трубопровода:
R
R
0
0
V = ∫ udF = ∫
p1 − p2 2
πR 4
( R − r 2 )2πrdr =
( p1 − p2 ).
4η l
8ηl
(4)
Уравнение (4) представляет собой закон Пуазейля для ламинарного течения.
Преобразовывая уравнение (4) в выражение для потока газа Q,
p + p2
необходимо его умножить на среднее давление p = 1
, тогда
2
поток
Q=
πR 4
p ( p1 − p2 )
8ηl
и проводимость круглого длинного трубопровода
U=
πR 4
p,
8ηl
где η – динамическая вязкость.
17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для воздуха при температуре 20 ºС проводимость
U = 1360
d4
p,
l
где d и l – размеры трубопровода, м; p – среднее давление, Па.
Проводимость трубопровода при течении по нему любого газа
U i = βi−1U ,
где U – проводимость трубопровода при течении по нему воздуха;
β1 – коэффицент, учитывающий различие динамических вязкостей
рассматриваемого газа ηi и воздуха η,
βi =
ηi ⎛ σ ⎞
=⎜ ⎟
η ⎝ σi ⎠
2
Mi
,
M
где σ, σi – диаметры молекул воздуха и рассматриваемого газа; М,
Мi – молекулярные массы воздуха и рассматриваемого газа.
Значения βi−1 для некоторых газов приведены следующие
ВозГаз ………………….. дух
Коэффициент βi−1 …..
Н2
Пары
Не воды
1,0 2,06 0,93
Ne
N2
O2
Аr CO2
1,94 0,58 1,04 0,90 0,84 1,24
Динамическую вязкость, зависящую от температуры газа, определяют по формуле
ηT = αT x ,
где α, х – константы, зависящие от рода газа (табл. 1). В табл. 1
также представлены константы Сюзерленда С в интервале температур от Т1 до Т2 и значения η при 273 К, 293 К и 323 К для ряда
газов.
18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 1
Газ
Воздух
Н2
Не
Пары воды
Ne
N2
O2
Ar
CO
CO2
Kr
Характеристики
С(Т1…Т2, К)
106,8(298…553)
73(298…473)
86(373…473)
105(473…523)
234(986…1095)
83(373…437)
95(473…523)
173(955…1088)
673(373…623)
61(293…373)
70(373…473)
82(473…523)
128(959…1100)
103,9(298…553)
104,7(293…1098)
126,6(293…553)
125(288…903)
142(293…1100)
101,2(295…550)
254(298…553)
213(573…1097)
188(273…373)
α·106
–
х
–
η·105, Па·с, при Т, К
273
293
323
1,708 1,812 1,954
1,860 0,678
0,840
0,880
0,938
4,894 0,653
1,860
1,946
2,065
–
1,065
2,975
3,113
3,310
3,213 0,702
1,665
1,766
1,882
3,355 0,721
1,910
2,026
2,182
2,782 0,766 2,085
–
–
1,662
2,215
1,749
2,400
1,872
1,057 0,868
1,367
1,463
1,607
2,330
2,480
2,695
0,170 1,116 0,883
–
–
–
–
Если известна вязкость ηТ 0 при температуре Т0, то вязкость
при температуре Т
ηT = ηT 0
c
1+
T
T.
T0 1 + c
T
Проводимость трубопроводов, сечения которых отличаются от
круга, определяют по эмпирическим зависимостям.
Проводимость трубопровода квадратного сечения со стороной а
19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
U = 3,52 ⋅ 10−2
a4 p
.
ηl
Проводимость длинного трубопровода эллиптического сечения
U=
π p a3b3
,
64 ηl a 2 + b 2
(
)
в частности для воздуха при 293 К
U = 2,7 ⋅ 103
(
a3b3
l a2 + b2
)
p,
где a и b – длины осей эллипса, м.
Проводимость трубопровода, образованного двумя коаксиальными цилиндрами,
⎡
R12 − R22
π p⎢ 4
⎢ R1 − R24 −
U=
R
8η l ⎢
lg 1
⎢⎣
R2
(
)
2⎤
⎥
⎥,
⎥
⎥⎦
в частности, для воздуха при 293 К:
⎡
⎢
R12 − R22
3 p
4
4
U = 21,67 ⋅ 10 ⎢ R1 − R2 −
R
l⎢
lg 1
⎢⎣
R2
(
)
2⎤
⎥
⎥,
⎥
⎥⎦
где R1 и R2 – радиусы внешнего и внутреннего цилиндров, м, соответственно.
Проводимость коротких трубопроводов (l < 20d) определяют
по эмпирическим зависимостям, так как влияние сопротивления
входа и выхода трубопровода не учитывается законом Пуазейля.
20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Проводимость короткого трубопровода круглого сечения:
U=
πD 4 p
128ηl (1 + 4,54 ⋅ 10−2
M Q
)
ηRT l
,
(5)
в частности для воздуха при 293 К
U = 1360
p
D4
.
l 1 + 0,03 Q
l
(6)
Если поток Q неизвестен, то в уравнения (5) или (6) подставляют произвольное значение Q и расчет ведут методом последовательных приближений до тех пор, пока разница между принятым
значением и значением Q = U ( p1 − p2 ) не будет меньше заданной
ошибки расчета.
Проводимость короткого трубопровода с произвольной формой сечения определяют из выражения
1
1
1
=
+
,
U U L U0
где UL – проводимость короткого трубопровода, вычисленная по
формулам для длинного трубопровода; U0 – проводимость входного отверстия трубопровода.
1.6. Проводимость трубопровода
при молекулярном режиме течения
Проводимость длинного (l > 20d) прямолинейного цилиндрического трубопровода определяют по зависимости, предложенной
Кнудсеном,
U=
4 υ
,
3l Π
∫ F 2 dl
0
(7)
21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где υ – средняя арифметическая скорость молекул газа; l – длина
трубопровода; П – периметр поперечного сечения трубопровода; F –
площадь поперечного сечения трубопровода.
При постоянном по длине сечении трубопровода уравнение (7)
имеет вид
U = 194
F2
Πl
T
,
M
(8)
в частности, для воздуха при 293 К:
U = 618
F2
.
Πl
Из уравнения (8) проводимость длинного прямолинейного
трубопровода круглого сечения
U = 38,1
D3 T
,
l M
где D – диаметр трубопровода, м; в частности, для воздуха при 293 К
U = 121
D3
.
l
(9)
При расчете проводимости трубопровода, сечение которого
отличается от круга, в уравнение (8) вводится поправочный коэффициент k':
U = 194k ′
F2
Πl
T
.
M
Проводимость трубопровода прямоугольного сечения
U = 97k ′
22
a 2b 2
T
,
(a + b)l M
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
в частности, для воздуха при 293 К
U = 309k ′
a 2b 2
.
(a + b)l
Коэффициент k' определяют по формуле, предложенной Клаузингом,
3
2
31 + δ
1
2
2 1+ 1+ δ
k′ =
{
δ
ln(
δ
+
1
+
δ
)
+
δ
ln
+ [1 + δ3 − (1 + δ2 ) 2 ]},
2
8 δ
δ
3
b
≤ 1; b и а – стороны прямоугольного сечения, м.
a
Проводимость трубопровода прямоугольного сечения, одна из
сторон которого много больше другой (b>>a), т. е. проводимость
щели
где δ =
U = 97k ′
a 2b T
.
l
M
Здесь поправочный коэффициент k' определяют из графика
(рис. 5) или, при условии l > 10a, по формуле
3 l
k ′ = ln .
8 a
(10)
С учетом (10) проводимость щелевого канала:
U = 36,4
a 2b l T
ln
,
l
a M
в частности, для воздуха при 293 К
U = 116
a 2b l
ln .
l
a
23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 5. Зависимость поправочного коэффициента k' от геометрических
размеров
Проводимость трубопровода с эллиптическим поперечным сечением
U = 53,7
a 2b 2
l a 2 + b2
T
,
M
в частности, для воздуха при 293 К:
U = 170
a 2b 2
l a 2 + b2
,
где а и b – длины осей эллипса.
Проводимость короткого цилиндрического трубопровода может быть определена по уравнению (9) введением поправочного
коэффициента Клаузинга α.
U = 121α
24
D3
,
l
(11)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
15
α=
l
⎛l ⎞
+ 12⎜ ⎟
D
⎝D⎠
2
l
⎛l ⎞
20 + 38 + 12⎜ ⎟
D
⎝ D⎠
2
(12)
.
Значения поправочного коэффициента α могут быть следующими:
l/D
α
l/D
α
l/D
0,05
0,06
0,1
0,2
0,4
0,6
0,036
0,055
0,068
0,130
0,210
0,280
0,8
1,0
2
4
6
8
0,300
0,380
0,540
0,700
0,770
0,810
10
20
40
60
80
100
α
0,840
0,910
0,950
0,970
0,980
I
Если D0 < 10 D, где D0 – диаметр откачиваемого объекта, D –
диаметр трубопровода, то коэффициент
1
α=
1 + 1,33
D
.
⎛
D ⎞
l ⎜⎜1 − 2 ⎟⎟
⎝ D0 ⎠
Проводимость коротких трубопроводов может быть определена по выражению, предложенному Клаузингом
U = kF
υ
T
= 36,4kF
,
4
M
(13)
в частности, для воздуха при 293 К она составит
U = 116kF ,
где k – коэффициент Клаузинга, представляющий собой вероятность прохождения молекул газа от входного сечения рассматриваемого элемента трубопровода до выходного; F – площадь входного сечения трубопровода, м2.
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Значения коэффициента k для цилиндрических труб круглого
сечения в зависимости от отношения длины l к диаметру D трубопровода следующие:
l/D
0
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
0,55
0,60
0,65
0,70
0,75
0,80
0,85
k
I
0,9524
0,9092
0,8699
0,8341
0,8013
0,7711
0,7434
0,7177
0,6940
0,6720
0,6514
0,6320
0,6139
0,5970
0,5810
0,5659
0,5518
l/D
0,90
0,95
1,0
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
1,7
1,8
1,9
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
k
0,5384
0,5256
0,5136
0,4914
0,4711
0,4527
0,4359
0,4205
0,4062
0,3931
0,3809
0,3695
0,3589
0,3146
0,2807
0,2537
0,2316
0,2131
l/D
5,0
6,0
7,0
8,0
9,0
10
15
20
25
30
35
40
45
50
500
>500
–
–
k
0,1973
0,1719
0,1523
0,1367
0,1240
0,1135
0,0797
0,0613
0,0499
0,0420
0,0363
0,0319
0,0285
0,0258
0,002658
4D/3l
–
–
Значения коэффициента k для вакуумпровода прямоугольного
сечения, одна из сторон которого много больше другой (b>>a),
или для щели в зависимости от отношения длины l к меньшей стороне a сечения щели следующие:
l/а
0
0,1
0,2
0,4
–
k
1,000
0,9525
0,9096
0,8362
–
l/а
0,8
1,0
1,5
2,0
–
k
0,7266
0,6848
0,6024
0,5417
–
l/а
3,0
4,0
5,0
10,0
∞
k
0,4570
6,3990
0,3582
0,2457
a/l ln(l/a)
Проводимость сложных трубопроводов, имеющих изгибы, повороты, вентили, определяют по приведенным выше уравнениям,
но геометрическую длину l трубопровода принимают равной
26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
lp = l + 1,33Dn,
(14)
где lр и D – расчетные длина и диаметр трубопровода, м; n – общее
число изгибов, поворотов, вентилей.
Проводимость трубопровода при течении по нему произвольного i-го газа определяют по формуле
Ui = U
M
,
Mi
где U – проводимость трубопровода при течении по нему воздуха;
Мi и М – молекулярные массы рассматриваемого газа и воздуха
соответственно.
Проводимость UT1 трубопровода при температуре T1 газа, отличной от заданной, составляет
UT 1 = UT 2
T1
,
T2
где UT2 – проводимость трубопровода при заданной температуре T2.
1.7. Проводимость трубопровода
при молекулярно-вязкостном режиме течения
Течение газа в переходном режиме описывают, в основном, эмпирическими зависимостями для узких диапазонов чисел Кнудсена.
Так, течение газа при Кn < 0,5 описывают законом Пуазейля,
вводя коэффициент скольжения хυ, т. е., принимая, что скорость
газа на поверхности, ограничивающей поток газа (при этом режиме в отличие от вязкостного режима течения), равна u0.
Для определения проводимости длинного цилиндрического
трубопровода круглого сечения при 0,01 < Кn < 0,33 применяют
эмпирическую зависимость, предложенную Кнудсеном
U = U b + zU M ,
(15)
где Ub, UM – проводимости при вязкостном и молекулярном режимах течения, определяемые по соответствующим формулам.
27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Эмпирический коэффициент
D
M
p
η
RT
,
z=
Dp M
1 + 1,24
η RT
1+
(16)
где D – диаметр трубопровода, м; p – среднее давление в трубопроводе, Па, в частности, для воздуха при 293 К
z=
При η = λp
1 + 191Dp
.
1 + 236 Dp
2M
уравнение (16) принимает вид
πRT
D
λ,
z=
D
1 + 1,55
λ
1 + 1,25
где λ – средняя длина свободного пути молекул газа.
Уравнение (15) можно привести к виду
U = UM z +
Ub
,
UM
т. е. для воздуха при 293 К проводимость
U = 121
D3
D
( z + 0,0736 )
l
λ
или
U = 121
28
D3
J,
l
(17)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где
J=
1 + 202 Dp + 2653( Dp ) 2
.
1 + 236 Dp
Значения J в зависимости от ( Dp ), Па·м, следующие
Dp
0,001
0,002
0,005
0,008
0,01
J
0,975
0,961
0,952
0,965
0,978
Dp
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
J
1,07
1,28
1,50
1,72
1,94
Dp
0,2
0,3
0,4
0,6
0,6
J
3,06
4,18
5,31
6,43
7,56
Dp
0,7
0,8
0,9
1.0
1,1
J
8,68
9,80
10,93
12,05
13,17
Проводимость длинного трубопровода с поперечным сечением, отличающимся от круга, определяют по формуле (17), при
этом в произведении Dp величину D определяют из соотношения
D = 4 F , где F – площадь поперечного сечения данной формы.
π
1.8. Процесс откачки газа из вакуумной системы
При расчетах вакуумных систем часто необходимо определять
время выхода установки на режим, т. е. длительность откачки камеры от начального давления р до конечного (рис. 6).
Рис. 6. Расчетная схема определения параметров процесса откачки
1 – сосуд; 2 – вакуумпровод; 3 – вакуумный насос
29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для упрощения расчетов времени откачки рассматривают квазистационарный режим течения газа при таких условиях, что разность
давлений на концах трубопровода мала по сравнению со средним
давлением в нем, объем трубопровода значительно меньше объема
откачиваемого сосуда, откачка газа из сосуда осуществляется изотермически, быстрота действия насоса неизменна во времени, отсутствует внутреннее газовыделение и натекание из окружающей среды.
Состояние газа в камере перед откачкой
pVk = GRT0 или G =
Vk
p.
RT0
Продифференцировав, получим
dG =
Vk
dp.
RT0
Вакуумный насос с быстротой действия SН за время dt откачивает газ плотностью γ в количестве dG:
dG = − S H
p
dt.
RT0
Знак «минус» указывает на откачку газа. Приравняв и разделив
переменные, получим
dp
= αdt ,
p
(18)
SH
, с −1.
Vk
Проинтегрировав уравнение (18), получим
где α =
ln p − ln p0 = −αt
или
p = p0 e −αt .
Время выхода установки на режим по заданному давлению
30
(19)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
t=
Vk
p
ln ,
S H p0
(20)
где р0 и р – начальное и конечное давление газа в камере.
Быстроту действия насоса при заданном времени выхода установки на режим определяют по формуле
SH =
Vk
p
ln .
t
p0
(21)
В действительности, имея в виду принятые допущения в уравнения (19), (20) и (21), необходимо вводить коррекцию. Так, при определении времени откачки предполагалось, что быстрота откачки объекта S0 = SH не изменялась во времени и не зависела от давления.
Если даже быстрота действия насоса не зависит от давления и не меняется во времени, то скорость откачки объекта, как правило, изменяется во времени. Поэтому при определении времени откачки зависимость S0 = f(p) следует разбить на участки, в которых полагают S0 =
= const. Определяя время ti для каждого участка из уравнения (20)
определяют полное время откачки как сумму значений ti.
Кроме того, в реальных вакуумных системах обычно происходят внутреннее газовыделение и натекание из окружающей среды,
а также процесс откачки газа из камеры может отличаться от изотермического, что необходимо учитывать при определении параметров p, t и SН.
1.9. Статистический метод определения
проводимости вакуумных систем
Определение проводимости вакуумных систем (вентили, затворы, участки вакуумпроводов) и систем в целом, при молекулярном режиме течения и отсутствии газовыделения, в частности,
может быть осуществлено методом статистических испытаний
(методом Монте-Карло).
При статистическом моделировании течения газа в вакуумной
системе для определения ее проводимости прослеживают большое
число траекторий движения молекул от момента «старта» с поверхности входа до момента возвращения к поверхности входа или
выхода либо до момента поглощения, если существуют поглощающие поверхности.
31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для непоглощающей системы в молекулярном режиме течения
определяют вероятность перехода молекул через вакуумную систему (коэффициент Клаузинга) в виде
P=
N1
,
N
(22)
где N1 – число молекул, попавших на поверхность выхода; N – общее число рассмотренных молекул.
При достаточно большом числе N частота P события равна вероятности этого события, т. е. точность вычисления Р определяется числом N. Среднее квадратичное отклонение величины Р
σp =
P (1 − P )
.
N
На рис. 7 и 8 показаны значения вероятности Р прохождения
молекул через некоторые элементы вакуумных систем, полученные методом Монте-Карло.
Рис. 7. Вероятность перехода через коаксиальные трубопроводы
32
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 8. Вероятность перехода через угловой элемент
вакуумных трубопроводов
Процесс вычисления величины Р рассмотрим на примере двух
коаксиальных цилиндров. Структурная схема расчета приведена
на рис. 9. Задавая исходные данные (блок 2), вычисляют координаты r и α точки старта с поверхности входа (блок 3) с помощью
датчика случайных чисел.
В цилиндрической системе координат (рис. 10) радиус точки
старта r = ( R2 − R1 ) E и угол между радиусом r и осью х
α = 2πx , где R1 и R2 – радиусы, соответственно, внешнего и
внутреннего цилиндров; Е и х – непрерывные случайные величины, равномерно распределенные в интервале от нуля до единицы, вырабатываемые датчиком случайных чисел.
33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 9. Блок-схема расчета проводимости элементов вакуумных систем
методом Монте-Карло
Направление траектории движения молекулы
x − x0 y − y0 z − z0
=
=
l
m
n
задают углами ϕ и α в сферической системе координат (рис. 11),
где х, у, z – текущие координаты точки траектории молекулы; х0,
34
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
y0, z0 – координаты точки старта; l, m, n – составляющие направляющего единичного вектора a ; ϕ – угол между нормалью к поверхности старта и вектором; a – случайная величина, определяемая при условии диффузного отражения по формуле
ϕ = arcsin η; α – угол между осью Ох' и проекцией вектора a на
плоскость х'Оу', равномерно распределенная случайная величина в
интервале от 0 до 2π, α = 2πh ; η и h – непрерывные случайные
числа, равномерно распределенные в интервале от нуля до 2π.
Рис. 10. Расчетная схема моделирования входа частиц в трубопровод
Проекции единичного вектора a на соответствующие оси координат при старте молекулы с поверхности входа имеют вид
l = ηcos2πh,
m = ηsin2πh,
n = 1 − η2 .
В блоке 5 (см. схему рис. 9) вычисляют координаты сталкивания молекулы с поверхности внутреннего или внешнего цилиндра,
решая совместно уравнение прямой и уравнения поверхностей цилиндров x 2 + y 2 = R12 и x 2 + y 2 = R22 .
35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 11. Расчетная схема моделирования траектории движения частиц
В блоке 6, в зависимости от координат точки столкновения, определяют, на какую поверхность попала молекула. При попадании
молекулы на поверхность выхода ее движение считают оконченным, т. е. к числам N1 и N добавляют по единице (блок 8) и сравнивают (блок 13) с заданным числом испытаний; если N больше числа,
определяющего точность расчета, то расчет заканчивают; если N
меньше этого числа, то рассматривают движение следующей молекулы с момента старта (блок 3). При попадании молекулы на поверхность цилиндров снова определяют направление движения
(блок 9) для молекулы, стартующей с поверхности цилиндров, но в
данном случае угол α – это угол между нормалью к поверхности
цилиндра в точке столкновения и направлением траектории.
В блоке 10 вычисляют координаты столкновения молекул с
поверхностями цилиндров, как в блоке 5.
В зависимости от координат столкновения молекула может попасть на поверхность выхода (блок 8), поверхность входа (блок 12)
и снова на поверхности цилиндров (блок 7). При попадании на по36
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
верхности цилиндров и поверхность выхода расчет ведут согласно
уже рассмотренной методике. При попадании молекулы на поверхность входа (блок 12) движение молекулы тоже считают
оконченным. Прибавляют единицу только к числу N1; считая, что
молекула не прошла через элемент вакуумной системы, сравнивают (блок 13) число N с заданным.
Определив вероятность Р по формуле (13), вычисляют проводимость, полагая Р = k.
2. ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
2.1. Классификация вакуумных насосов
Вакуумные насосы – устройства, удаляющие газы из специальных объемов для получения давления ниже атмосферного. По
области рабочих давлений, обеспечиваемых насосами, их можно
классифицировать (рис. 12) как низковакуумные (105...102Па),
средневакуумные (102...10–1 Па), высоковакуумные(10–1... 10–5 Па),
сверхвысоковакуумные (10–5 Па и меньше). По способу получения
вакуума насосы объединены в два класса: насосы, принцип действия которых основан на связывании частиц газа внутри насоса (газопоглощающие) и насосы, обеспечивающие удаление газа за пределы насоса (газоперемещающие).
Класс газопоглощающих насосов включает электрофизические
(геттерные, ионно-геттерные, магнитные электроразрядные вакуумные насосы) и низкотемпературные средства откачки (криоконденсационные и криоадсорбционные вакуумные насосы).
Класс газоперемещающих насосов объединяет механические и
струйные вакуумные насосы. Струйные насосы подразделяются на
жидкоструйные, газоструйные и пароструйные. Механические вакуумные насосы по способу получения вакуума также делятся на
две группы: насосы объемного действия (поршневые, мембранные,
жидкостно-кольцевые, двухроторные, с катящимся ротором, пластинчато-роторные) и динамического действия (вихревые, молекулярные и турбомолекулярные).
2.2. Газопоглощающие насосы
Принцип действия газопоглощающих насосов основан на использовании эффектов сорбции, конденсации и комбинации этих
эффектов. Для этих насосов характерно отсутствие подвижных
деталей и отсутствие рабочих жидкостей, пары которых загрязня37
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ют откачиваемые объемы. Общим свойством газопоглощающих
насосов является селективность откачки различных газов.
Электрофизические средства откачки
Эффект физического и химического поглощения газов геттером интенсифицируется при его активации и при возбуждении,
диссоциации и ионизации газовых частиц. Этот процесс осуществляется в насосах при резистивном нагреве, распылении геттера
различными способами и ионизации поглощаемого газа. В зависимости от технического решения такой проблемы насосы классифицируют как магнитные электроразрядные, испарительные геттерные и испарительные ионно-геттерные насосы.
Рис. 12. Классификация вакуумных насосов
38
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Магнитные электроразрядные вакуумные насосы (МЭРН)
предназначены для работы в области высокого и сверхвысокого
вакуума. Для обеспечения их работы необходима предварительная
(форвакуумная) откачка газа до 10...10–1Па. Принцип действия
МЭРН основан на использовании самостоятельного газового разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях. На рис. 13
показана схема элементарной цилиндрической ячейки диодного
МЭРН.
Рис. 13. Схема электроразрядного вакуумного насоса
Между электродами (анодом 1 и катодами 2) приложено постоянное напряжение Uа в несколько киловатт. Вдоль цилиндрического
анода действует магнитное поле с напряженностью H около 105 Ам–1.
Ионизация газа в разрядном промежутке приводит к распылению
катодов падающими ионами и к увеличению скорости сорбции ионизированного и нейтрального газа. Интенсификация сорбционных
процессов позволяет улучшить откачные характеристики МЭРН
(увеличить быстроту действия S и уменьшить предельное остаточное давление p ). Зависимость быстроты действия S0 одной элеmin
ментарной цилиндрической ячейки от геометрических и электромагнитных параметров в диапазоне давлений p от 10–4 до 10–7 Па может
быть выражена приближенным соотношением
S0 ≈ 3,13 ⋅ 10−7 laU a0,5 [ Hd a − 2,3 ⋅ 105 ( Hd a ) −1 ][1 − exp(−250d a )].
39
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Это соотношение справедливо для следующих значений параметров: U a – от 3 до 7 кВ, H – от 8 ⋅ 104 до 1,5 ⋅ 105 Ам–1; la – от 5
до 30 мм, da – от 10 до 50 мм.
Испарительные геттерные и испарительные ионно-геттерные насосы отличаются от МЭРН постоянным напылением пленки геттера
на относительно большие поверхности, что позволяет увеличить их
(
быстроту действия S = 36,4 F TM −1
)
0,5
kз , где F – площадь напы-
ляемой поверхности, м2; T – средняя температура откачиваемого
газа, К; M – молекулярная масса откачиваемого газа; kз – коэффициент захвата сорбирующей поверхности. Коэффициент kз зависит
от рода откачиваемого газа, сорбционных характеристик напыляемого геттера и геометрических параметров насоса. Такие насосы способны обеспечивать быстроту действия от 10−4 до 80 м3с–1 при рабочих давлениях от 1 до 10–9 Па.
Низкотемпературные средства откачки
Эффект откачки газов основан на явлении конденсации газов на
поверхности с низкой температурой и физической сорбции на развитой поверхности адсорбента. Интенсификация процесса сорбции
достигается охлаждением адсорбента и использованием напуска
дополнительного легко конденсирующегося газа. Слой такого газа
сам является хорошим сорбентом, а при постоянном нанесении этого слоя появляется возможность захвата молекул неконденсируемого газа. В зависимости от вида физического процесса, используемого для захвата газовых частиц различают криоконденсационные,
криоадсорбционные и криозахватные насосы. Такие насосы способны обеспечивать быстроту действия от 10–4 до 104 м3 /с и более.
Криоконденсационные насосы отличаются друг от друга по способу охлаждения поверхности конденсации (наливные, испарительные, с автономным ожижителем, с газовыми холодильными машинами). На рис. 14 представлена схема наливного конденсационного
насоса. В корпусе 1, подсоединяемом к откачиваемому объему через
патрубок 2, размещается цельнометаллический сосуд 3. Сосуд заполняется жидким хладоагентом, обеспечивающим температуру поверхности сосуда ниже 20 К. Сосуд защищен от теплового излучения специальными охлаждаемыми шевронными экранами 4. Расход
40
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
криоагента определяется потоком тепла W , воспринимаемым
конденсационной
поверхностью. Этот поток складывается
из теплового потока Wk самого
процесса конденсации, теплового потока теплопроводностью
Wm от всех элементов конструкции, контактирующих с сосудом 3, теплового потока теп- Рис. 14. Схема криоконденсационного вакуумного насоса:
лопроводностью Wг через газ и
1 – корпус; 2 – патрубок; 3 – цельнометалпотока теплового излучения Wи : лический сосуд; 4 – шевронные экраны
W = Wk + Wm + Wг + Wu .
Предельное остаточное давление насоса pmin = pn
(T T )
−1
э n
оп-
ределяется давлением насыщенного пара pп , температурой экрана
Tэ и температурой Tп конденсирующей поверхности. Быстрота
(
действия насоса S н = 36,4kn Fn TM −1
)
0,5
зависит от площади Fп
конденсирующей поверхности, температуры откачиваемого газа
T , молекулярной массы M газа и коэффициента прилипания kп .
Криоадсорбционные и криозахватные насосы отличаются от
криоконденсационных наличием слоя адсорбента, связанного с
охлаждаемой поверхностью. Эффективность работы насоса зависит от рода откачиваемого газа, вида сорбента, его температуры и
геометрических параметров устройства. Конструкция насоса и его
геометрические параметры определяют возможность свободного
доступа частиц к адсорбенту и степень охлаждения адсорбента.
(
Быстрота действия таких насосов S a = 36,4kз Fа TM −1
)
0,5
зависит
от коэффициента захвата kз , площади Fа адсорбирующей поверхности, температуры откачиваемого газа T и его молекулярной массы M . Коэффициент kз характеризует процесс сорбции и
зависит от свойств сорбируемого газа, адсорбционных характеристик адсорбента, температуры сорбента и от конструкции насоса.
Для характеристики насоса еще используются понятия предельно41
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
го остаточного давления и времени tр рабочего цикла (времени, в
течение которого насос обеспечивает рабочее давление pр , не
превышающего заданное pз . Обе эти характеристики зависят от
давления газа, с которого начинает работать насос (давления предварительного разрежения).
2.3. Газоперемещающие насосы
Принцип действия таких насосов основан на перемещении газа
со стороны низкого давления на сторону высокого в результате
воздействия на газ рабочих органов насоса.
Струйные насосы
Принцип действия струйных насосов основан на взаимодействии
струи рабочего тела с откачиваемым газом. Различают жидкоструйные, газоструйные и пароструйные насосы. Наибольшее применение
получили жидкоструйные и пароструйные вакуумные насосы.
В жидкоструйных насосах (рис. 15) высокоскоростная струя
жидкости при истечении из сопла 1 в приемную камеру 2 своей
периферийной областью захватывает частицы откачиваемого газа
и переносит их через камеру смешения 3 в диффузор 4. В камере
смешения и в диффузоре происходит сначала выравнивание, а затем повышение давления до выпускного. В качестве рабочего тела
обычно используется вода. Диапазон рабочих давлений такого насоса – от 102 до 105 Па при быстроте действия до 0,1 м3/с.
Рис. 15. Схема струйного вакуумного насоса:
1 – сопло; 2 – приемная камера; 3 – камера смещения; 4 – диффузор
42
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Пароструйные насосы можно подразделить на пароэжекторные, бустерные и диффузионные. Принцип действия пароэжекторных насосов такой же, как жидкоструйных. В качестве рабочего тела обычно используется пар воды, масла и ртути. Возможность получения сверхзвукового истечения пара и увеличение области контакта струи с откачиваемым газом приводит к увеличению быстроты действия. В бустерных и диффузионных насосах
применяются парообразующие жидкости с низким давлением насыщенного пара, что дает возможность достижения среднего, высокого и сверхвысокого вакуума. Бустерные насосы отличаются от
пароэжекторных конструкцией и предназначены для работы при
давлениях от 0,01 до 10 Па. Диффузионные насосы работают в области давлений от 10–1 до 10–5 Па и ниже с быстротой действия от
0,01 до 100 м3/с. Диффузионные и бустерные насосы для нормального функционирования требуют форвакуумную откачку до давлений не больше наибольшего выпускного pнб . Для бустерных
насосов pнб ≈ 100 Па, для диффузионных – 0,1...1,0 Па.
Механические вакуумные насосы
Механические вакуумные насосы объемного действия (поршневые, мембранные, жидкостно-кольцевые, двухроторные, с катящимся ротором, пластинчато-роторные) по принципу действия и
по своим конструкциям полностью подобны аналогичным типам
компрессоров. Основные отличия между ними заключаются в дополнительных мерах по уменьшению перетеканий и натекания
газа из окружающей среды и уменьшению влияния мертвого пространства. Поршневые, мембранные и жидкостно-кольцевые вакуумные насосы способны обеспечить на стороне всасывания давление до 1 кПа. Двухроторные насосы с различными профилями
роторов обеспечивают быстроту действия от 0,01 до10 м3/с в диапазоне рабочих давлений от 0,01 до 100 Па, но требуют форвакуумную откачку. Вакуумные насосы с катящимся ротором золотникового типа (рис. 16) обеспечивают быстроту действия до 0,5 м3/с и
предельное остаточное давление до 0,1 Па. Для уменьшения натекания газа из окружающей среды нагнетание производят через маслозаполненную полость. Аналогичным образом осуществляется нагнетание и в пластинчато-роторных насосах (рис. 17). Такие насосы
43
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
обеспечивают быстроту действия до 0,05 м3/с и предельное
остаточное давление до 0,05 Па.
Рис. 16. Схема насоса с катящимся ротором:
1 – всасывающий патрубок; 2 – корпус; 3 – золотник; 4 – эксцентрик;
5 – вал ротора; 6 – направляющая; 7 – клапан; 8 – нагнетательный патрубок
Вакуумные насосы динамического действия (вихревые, молекулярные и турбомолекулярные) перемещают газ в результате передачи
его частицам дополнительного импульса количества движения в направлении откачки. Вихревой вакуумный насос аналогичен вихревому компрессору. Он может обеспечить быстроту действия до
0,05 м3/с и p
до 1 кПа. Молекулярные насосы (МН) обеспечивают
min
быстроту действия до 0,1 м3/с и p
min
меньше 10 −6 Па. На рис. 18
представлена схема молекулярного насоса Геде.
44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 17. Схема ротационно-пластинчатого вакуумного насоса:
1 – нагнетательный патрубок; 2 – всасывающий патрубок; 3 – корпус; 4 – ротор;
5 – пластина; 6 – пружина; А – всасывающая полость; Б – нагнетательная полость
В корпусе 4 с частотой ω вращается ротор 5, на поверхности
которого выполнена кольцевая проточка с прямоугольным сечением. Образованный канал разделен неподвижным отсекателем 1.
Зазоры между отсекателем и ротором и между ротором и корпусом около 10–5 м. Молекулы газа через всасывающий патрубок 3
попадают в канал насоса. При столкновении с вращающимся ро45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
тором молекулы газа получают дополнительный импульс количества движения в направлении вращения ротора. После ряда столкновений с поверхностями ротора и корпуса частица попадает в
выходной канал 2.
Рис. 18. Схема молекулярного вакуумного насоса Геде:
1 – отсекатель; 2 – выходной канал; 3 – всасывающий патрубок; 4 – корпус;
5 – ротор; 6 – опора ротора
Поскольку рабочая область давлений МН соответствует молекулярному режиму течения газа, когда столкновениями между
молекулами можно пренебречь, т. е. их движение зависит только
от взаимодействия с поверхностями, ограничивающими
траектории, для расчета максимальной быстроты действия насоса
Smax и p применяют методы статистического моделирования.
min
При моделировании принимается модель идеального газа с прямолинейными траекториями движения молекул газа между соударениями с поверхностями. Распределение частиц газа по скоростям ν
теплового
движения
описывается
законом
Максвелла,
−1,5 2
−1 ⎤
1,5
2
⎡
f ( ν ) = 4πm ( 2πκT ) ν exp −mν ( 2 κT ) , где m – масса части⎣
⎦
цы; κ – постоянная Больцмана; T – температура газа. При столкновении частиц газа с поверхностями канала движения происходит пол46
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ный обмен кинетическими энергиями, т. е. температура газа принимается равной температуре поверхности. Взаимодействие молекул
газа с поверхностями описывается диффузным законом отражения.
Температура поверхностей канала течения постоянна. На основании
принятых условий прослеживаются траектории достаточно большого
числа случайно выбранных молекул от входа в канал до выхода из
него. По результатам положительных и отрицательных исходов этих
историй вычисляются вероятности переходов молекул газа со стороны всасывания 3 на сторону выхода 2, k1 , и наоборот, k2 .Для известных площадей F1 и F2 , соответственно всасывающего и выход-
(
ного патрубков, S max = 36,4( k1F1 − k2 F2 ) TM −1
)
0,5
при равных кон-
центрациях рассматриваемого газа на входе в канал МН и на его
выходе. При S = 0 и давлении в выходном патрубке p2 , p min =
−1
= p2 k2 F2 ( k1F1 ) , а максимальное отношение давлений, создаваемое
(
МН, τ max = k1F1 F2 k2
)
−1
. Для обеспечения работы МН в наиболее
эффективной для него области рабочих давлений необходим форвакуумный насос.
Турбомолекулярные вакуумные насосы (ТМН) способны обеспечивать откачку объема, не «загрязняя» его парами углеводородов,
с быстротой действия от 10–3 до 100 м3 /с в диапазоне давлений от
0,1 до 10–9 Па и ниже. На рис. 19 представлена схема двухпоточного
ТМН с горизонтальным расположением ротора. В герметичном
корпусе 1 с большой скоростью вращается ротор 2. Ротор представляет собой вал с насаженными на него рабочими колесами 3. На роторных рабочих колесах отфрезеровано z лопаток.
Плоскость лопатки составляет угол α с торцовой поверхностью колеса. В корпусе между роторными колесами устанавливаются статорные рабочие колеса 4. Лопатки статорных колес
фрезеруются как зеркальные отображения роторных (с таким же
углом α). Частицы газа через всасывающий патрубок 5 попадают
внутрь корпуса и затем на рабочие колеса правого и левого потока. Вращающийся ряд лопаток роторного рабочего колеса сообщает газовым частицам дополнительный импульс количества
движения в направлении откачки, перемещая их на сторону высокого давления.
47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 19. Схема турбомолекулярного вакуумного насоса:
1 – корпус; 2 – ротор; 3 – роторные колеса; 4 – стопорные колеса;
5 – всасывающий патрубок; 6 – нагнетательный патрубок
Газ после рабочих колес из правого и левого потоков объединяется и через выходной патрубок 6 откачивается форвакуумным насосом. Движение частиц газа в проточной части ТМН соответствует
молекулярному режиму течения, и для описания их движения можно принять ту же модель, что и при рассмотрении МН. Разность N,
N = N1 − N 2 , потоков частиц со стороны всасывания N1 на сторону нагнетания и N 2 в противоположном направлении определяет
быстроту действия насоса. При концентрации n1 частиц со стороны входа площадью F1 в межлопаточное пространство N1 =
= 0,25n1κ1F1ν a , где κ1 – вероятность перехода частицы газа со стороны всасывания на сторону нагнетания, ν a – среднеарифметическая
−1
скорость теплового движения молекул газа, ν a = ⎡8κT ( πm) ⎤
⎣
⎦
48
0,5
.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Аналогично, при концентрации n2 частиц со стороны выхода площадью F2 из межлопаточного пространства N 2 = 0,25n2 k2 F2 νa ,
где k2 – вероятность перехода частицы со стороны нагнетания рабочего колеса на сторону всасывания. Вероятности k1 , k2 , максимальная быстрота действия для одного колеса, максимальное отношение давлений, создаваемое одним рабочим колесом, определяются так же, как и при рассмотрении МН, или другими методами молекулярно-кинетической теории газов. Откачная характеристика ТМН рассчитывается на основании уравнения, описывающего зависимость рабочего отношения давлений τ на колесе от
−1
рабочего значения S , τ = τmax − SSmax
( τmax − 1).
3. ИСПЫТАНИЯ ВАКУУМНЫХ НАСОСОВ И АГРЕГАТОВ
3.1. Общие сведения
После изготовления и ремонта, а также в процессе эксплуатации насосов и агрегатов их подвергают испытаниям для оценки
пригодности к эксплуатации и проверяют соответствие результатов испытаний паспортным данным насосов и агрегатов.
Основные параметры вакуумных насосов и агрегатов, подлежащих испытаниям, – это предельное остаточное давление, быстрота действия (кроме адсорбционных насосов), наибольшее выпускное давление (для пароструйных насосов), наибольшее давление
запуска и наибольшее рабочее давление (для геттерных насосов),
наибольшее отношение давлений (для двухроторных насосов),
максимальный откачиваемый объем в диапазоне рабочих давлений
(для адсорбционных насосов).
Для напуска воздуха в испытательную установку следует применять сухой воздух, имеющий точку росы не выше 233 К (условия и порядок проведения испытаний изложены в соответствии с
ОСТ 11 295.021–74).
Испытательная установка включает испытуемый насос (агрегат) с присоединенной к нему измерительной камерой, аппаратуру
для измерения давления и потока газа, а также соединительную и
запорную арматуру.
Диаметр D измерительной камеры для всех насосов, кроме механических с масляным уплотнением и адсорбционных, должен
быть равен условному проходу Dy на входе испытуемого насоса,
но не менее 100 мм (рис. 20, а). При Dy < 100 мм между измери49
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
тельной камерой и испытуемым насосом устанавливают переходник (рис. 20, б).
а
б
Рис. 20. Измерительная камера (а) и переходник (б):
1 – напускная трубка; 2 – фланец или штуцер для подсоединения манометрических преобразователей
В испытательной установке для измерений потоков газа с помощью диафрагм предусматривают две камеры (рис. 21): измерительную 1 и напускную 2, изготовленные из коррозионно-стойкой
Рис. 21. Схема установки для
измерения потока газа с помощью диафрагм:
1 – измерительная камера; 2 – напускная камера; 3, 5 – манометрические
преобразователи; 4 – диафрагма
50
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
стали. Диафрагмы 4 устанавливают при измерении потоков менее
10–4 Па·м3/с, а также потоков в безмасляных системах. Диафрагма
может служить одновременно вакуумным уплотнением фланцевого соединения между измерительной и напускной камерами.
Проводимость UД диафрагм выбирают в зависимости от требуемой быстроты действия S испытуемого насоса (агрегата). Проводимость UД рекомендуется принимать равной 0,1 S.
Диаметр диафрагмы
( )
d Д = 0,59 U Д2 M / k 2T ,
где М – молекулярная масса газа; k – коэффициент Клаузинга; Т –
температура газа, К.
Рекомендуемая толщина диафрагмы 0,5 мм.
Для измерения давления в одном диапазоне рекомендуется выбирать вакуумметры и манометрические преобразователи одного типа.
Поток газа можно измерять бюретками, ротаметрами, с помощью диафрагм и т. д. Допускаемы следующие погрешности измерения потока Q газа: ±3% при Q >1 Па·м3/с; ±5% при Q = 1…10–4
Па·м3/с; ±20% при Q < 10–4 Па·м3/с.
Перед сборкой все поверхности испытательной установки, которые будут находиться в вакууме, следует очистить и обезжирить
в соответствии с инструкцией по эксплуатации насоса (агрегата).
После сборки испытательную установку необходимо проверить на
герметичность. Здесь следует учитывать, что по быстроте действия насосы зарубежных фирм несколько превосходят аналогичные
отечественные. Этим объясняется различие в методиках измерения. Обычно в зарубежной практике при измерениях вводят поправку на проводимость участка между штуцером 2 (см. рис. 20)
на измерительном колпаке и входном сечении насоса. При учете
этой поправки, рассчитанной по обычным формулам вакуумной
техники, получают быстроту действия насоса на 8…10 % больше
значения, определенного без поправки (как принято в отечественной практике).
3.2. Испытания механических насосов (агрегатов)
с масляным уплотнением
Параметры механических насосов с масляным уплотнением
проверяют на специальной установке (рис. 22).
51
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 22. Схема установки для проведения испытаний механических вакуумных насосов с масляным уплотнением и адсорбционных:
1 – испытуемый насос (агрегат); 2 – измерительная камера; 3, 6 – манометрические преобразователи; 4 – натекатель; 5 – напускная трубка
Измерительная камера должна иметь объем
V ≥ 5Vвс = 300S / n,
где Vвс – объем всасывания за один оборот насоса; S – требуемая
быстрота действия испытуемого насоса, дм3/с; n – частота вращения, мин –1.
Между испытуемым насосом и измерительной камерой допускается устанавливать переходник (см. рис. 20, б).
Предельное остаточное давление измеряют в следующем порядке. Включают испытуемый насос 1 (см. рис. 22) согласно инструкции по эксплуатации. Откачивают измерительную камеру 2
при закрытом натекателе 4 до установления в ней равновесного
давления. Равновесным считают давление, которое в течение 3 ч
изменяется не более чем на 10 %. Это значение принимают за предельное остаточное давление насоса. Давление следует измерять
при закрытом натекателе с периодичностью 1 ч.
Быстроту действия измеряют методом постоянного давления
следующим образом. Включают испытуемый насос и откачивают
измерительную камеру до предельного остаточного давления. До52
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
пускается откачивать камеру до давления, равного 0,1 рвх, где рвх –
давление во входном сечении насоса, при котором требуется измерить быстроту его действия. Не прекращая откачки, в измерительной камере устанавливают давление газа рвх так, чтобы результаты
трех последних измерений давления не отличались более чем на
10 %. Одновременно измеряют поток Q газа, поступающего в измерительную камеру через натекатель. Вычисляют быстроту действия насоса при заданном давлении рвх по формуле S = Q / pвх .
Для получения зависимости между быстротой действия испытуемого насоса и давлением рвх следует определить быстроту действия насоса при различных давлениях не менее трех раз в каждом
десятичном диапазоне (для значений в интервалах от 2 до 3; от 5
до 6; от 8 до 10). Измерения начинают с самого низкого давления.
Эту зависимость изображают графически в полулогарифмических
координатах lg p–S.
Быстроту действия по определенному газу измеряют с помощью закрытой бюретки в следующем порядке. К натекателю
испытательной установки подсоединяют систему напуска газа
(рис. 23). Откачивают собранную систему до предельного остаточного давления; при этом натекатель на испытательной установке и кран 2 бюретки 1 открыты, а клапан 7 закрыт. После
достижения указанного давления закрывают натекатель на испытательной установке и открывают клапан. Промежуточную
камеру 6 наполняют газом до атмосферного давления. Измеряют быстроту действия в указанном порядке.
Рис. 23. Схема системы напуска газа:
1 – закрытая бюретка; 2 – кран бюретки; 3 – фланец для присоединения к измерительной камере; 4 – фланец для присоединения к напускной камере при измерении методом диафрагм; 5 – манометрический преобразователь; 6 – промежуточная камера; 7 – клапан; 8 – газовый баллон с редуктором
53
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для газобалластных насосов одну серию измерений предельного остаточного давления и быстроту действия следует выполнять с
закрытым, а вторую – с полностью открытым газобалластным устройством.
3.3. Испытания двухроторных насосов (агрегатов)
Параметры двухроторных вакуумных насосов (агрегатов) проверяют на установке, схема которой приведена на рис. 24.
Рис. 24. Схема установки для испытаний двухроторных и пароструйных
насосов и агрегатов:
1 – испытуемый насос (агрегат); 2 – измерительная камера; 3, 6 – манометрические преобразователи; 4 – натекатель; 5 – напускная трубка; 7 – манометрический
преобразователь на выходном трубопроводе; 8 – натекатель на выходном трубопроводе; 9 – клапан; 10 – форвакуумный насос
Длина трубопроводов от выходного фланца испытуемого насоса 1 до манометрического преобразователя 7 на выходном трубопроводе должна быть не более 150 мм, а от манометрического
преобразователя до натекателя – не менее 200 мм. Предельное остаточное давление и быстроту действия измеряют согласно методике, изложенной для механических насосов (см. разд. 3.2).
54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Если в качестве форвакуумного насоса 10 использован газобалластный насос, то одну серию измерений предельного остаточного давления и быстроты действия следует проводить с закрытым, а вторую – с полностью открытым газобалластным устройством.
Наибольшее отношение давлений τ max определяют в следующем порядке. Измерительную камеру 2 откачивают до предельного остаточного давления и измеряют давление на выходе испытуемого насоса рвых . Постепенно увеличивают с помощью натекателя 8 на выходном трубопроводе давление рвых до значения, допускаемого инструкцией по эксплуатации насоса. При этом измеряют давление рвых и р0 для заданного ряда давлений в измерительной камере. Для каждого измерения вычисляют отношение
давлений τ max = рвых / р0 . Строят зависимость в полулогарифмических координатах lg pвых − τmax .
3.4. Испытания турбомолекулярных насосов (агрегатов)
Параметры турбомолекулярных насосов проверяют на установке, схема которой дана на рис. 25. Испытуемый насос (агрегат) прогревают в соответствии с инструкцией по эксплуатации.
Одновременно для обезгаживания измерительной 2 и напускной 6
камер с установленными на них натекателем 4 и манометрическими преобразователями 3, 7 их прогревают при температуре не
выше 673 К.
Предельное остаточное давление измеряют в следующем порядке. Выключают испытуемый насос (агрегат) 1 согласно инструкции по эксплуатации и проверяют частоту вращения ротора на
соответствие паспортным данным.
Включают нагреватели 10 и 9 насоса и камеры и, не прекращая
откачки, прогревают испытательную установку и насос (натекатель 4 камеры должен быть открыт, а его входное отверстие заглушено). Выключают нагреватели и измеряют предельное остаточное давление в соответствии с ранее описанной методикой.
При давлении ниже 0,1 Па быстроту действия измеряют методом постоянного давления в следующем порядке. Откачивают измерительную камеру 2 до предельного остаточного давления (допускается откачивать камеру до давления, равного 0,1 рвх, где
рвх – давление, при котором требуется измерять быстроту действия).
55
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 25. Схема установки для испытаний турбомолекулярных и сверхвысоковакуумных диффузионных насосов и агрегатов:
1 – испытуемый насос (агрегат); 2 – измерительная камера; 3, 7 – манометрические преобразователи; 4 – натекатель камеры; 5 – напускная трубка; 6 – напускная камера; 8 – диафрагма; 9 – нагреватель камеры; 10 – нагреватель насоса; 11 –
манометрический преобразователь на выходном трубопроводе; 12 – натекатель
на выходном трубопроводе; 13 – клапан; 14 – форвакуумный насос
Закрывают натекатель 4 камеры и снимают заглушку с его входного отверстия. С помощью натекателя камеры в ней устанавливают
давление рвх. Число измерений должно быть не менее трех; результаты трех последних измерений не должны отличаться более
чем на 10 %. Одновременно измеряют давление рн в напускной
камере 6. При заданном давлении рвх вычисляют быстроту действия насоса (агрегата)
S = U Д ( рн / рвх − 1).
56
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Определение зависимости между быстротой действия насоса и
давлением на его входе, измерение быстроты действия насоса по какому-либо газу, а также при рвх > 0,1 Па следует проводить по методике для механических вакуумных насосов с масляным уплотнением.
При испытаниях турбомолекулярных насосов (агрегатов) одновременно с измерением давления необходимо проверять частоту
вращения ротора на соответствие паспортным данным.
3.5. Испытание пароструйных насосов (агрегатов)
Параметры пароструйных насосов проверяют на установке,
аналогичной показанной на рис. 24.
Предельное остаточное давление и быстроту действия определяют согласно методике, изложенной для механических вакуумных насосов с масляным уплотнением. При измерении предельного остаточного давления парортутных вакуумных насосов (агрегатов) перед манометрическими преобразователями следует устанавливать азотные ловушки.
Наибольшее выпускное давление при предельном остаточном
давлении измеряют в следующем порядке. Измерительную камеру
2 откачивают до предельного остаточного давления р0. С помощью
натекателя 8 на выходном трубопроводе давление в измерительной камере увеличивают до 1,5р0. Давление, измеренное в этот
момент манометрическим преобразователем 7, принимают за наибольшее выпускное давление насоса (агрегата).
Наибольшее выпускное давление при давлении, соответствующем максимальной производительности испытуемого насоса (агрегата), измеряют в следующем порядке. Включают испытуемый насос 1 (агрегат) согласно инструкции по эксплуатации и откачивают
измерительную камеру до давления в 10 раз меньшего, чем давление, соответствующее максимальной производительности насоса
(агрегата). С помощью натекателя 4 в измерительной камере 2 устанавливают давление р, соответствующее максимальной производительности насоса (агрегата). С помощью натекателя 8 на выходном
трубопроводе в измерительной камере увеличивают давление до
1,5 р0. Давление, измеренное в этот момент манометрическим преобразователем 7, принимают за наибольшее выпускное давление.
Для испытаний сверхвысоковакуумных диффузионных насосов (агрегатов) используют установку, собранную по схеме, которая показана на рис. 25, но без нагревателя насоса.
57
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Предельное остаточное давление и быстроту действия сверхвысоковакуумных диффузионных насосов измеряют согласно методике, приведенной для турбомолекулярных насосов (разд. 3.4).
Наибольшее выпускное давление при предельном остаточном
давлении измеряют в следующем порядке. Откачивают измерительную камеру 2 до предельного остаточного давления р0. С помощью нагнетателя 12 на выходном трубопроводе увеличивают
давление в измерительной камере до 1,5р0. Давление, измеренное в
этот момент манометрическим преобразователем 11, принимают
за наибольшее выпускное давление насоса (агрегата).
Наибольшее выпускное давление при входном давлении, соответствующем максимальной производительности испытуемого
насоса 1 (агрегата), измеряют в следующем порядке. Включают
испытуемый насос (агрегат) согласно инструкции по эксплуатации
и откачивают измерительную камеру 2 до давления, в 10 раз
меньшего, чем давление, соответствующее максимальной производительности насоса (агрегата). С помощью натекателя 4 в измерительной камере устанавливают давление р, соответствующее
максимальной производительности насоса (агрегата). С помощью
натекателя 12 на выходном трубопроводе давление в измерительной камере увеличивают до 1,5р. Давление, измеренное в этот момент манометрическим преобразователем 11, принимают за наибольшее выпускное давление насоса (агрегата).
3.6. Испытания адсорбционных насосов (агрегатов)
Параметры адсорбционных вакуумных насосов проверяют на
установке, схема которой дана на рис. 22.
Объем измерительной камеры (см. рис. 20, а) должен быть равен максимальному откачиваемому объему Vmax в диапазоне рабочих давлений. Между испытуемым насосом и измерительной
камерой допускается устанавливать переходник (см. рис. 20, б).
Предельное остаточное давление измеряют согласно методике,
разработанной для механических насосов с масляным уплотнением (см. разд. 3.2).
Максимальный откачиваемый объем Vmax в диапазоне рабочих
давлений проверяют в следующем порядке. Включают испытуемый насос 1 (агрегат) согласно инструкции по эксплуатации. Откачивают измерительную камеру 2 до давления 1,33 Па; при этом
58
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
через каждые 15 мин измеряют давление. Строят зависимость давления на входе в насос от времени откачки в полулогарифмических координатах lg pвх − τ.
3.7. Испытания геттерных насосов (агрегатов) и крионасосов
Параметры геттерных насосов и крионасосов проверяют на установке, схема которой дана на рис. 26.
Рис. 26. Схема установки для испытаний геттерных насосов
и крионасосов (агрегатов):
1 – испытуемый насос (агрегат); 2 – измерительная камера; 3, 7, 10 – манометрические преобразователи; 4 – натекатель; 5 – напускная трубка; 6 – напускная камера; 8 – диафрагма; 9 – клапан; 11 – нагреватель
Форвакуумную систему, которая должна обеспечивать откачку
установки до давления, необходимого для пуска испытуемого насоса (агрегата), следует выбирать в соответствии с инструкцией по
эксплуатации насоса (агрегата). Проникновение в установку паров
рабочего вещества (масла, геттера и др.) и продуктов его разложения не допускается.
59
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Предельное остаточное давление измеряют в следующем порядке. Включают форвакуумную систему и откачивают испытательную установку до давления, необходимого для запуска испытуемого насоса (агрегата) 1. При этом натекатель 4 должен быть
открыт, его входное отверстие заглушено, клапан 9 открыт.
Включают нагреватель 11 и, не прекращая откачки, прогревают
установку в соответствии с инструкцией по эксплуатации насоса (агрегата). Температура прогрева не выше 673 К. Выключают нагреватель, и после охлаждения установки до температуры 333…343 К
закрывают клапан 9. Измерительную камеру 2 откачивают до предельного остаточного давления в соответствии с методикой, изложенной для механических насосов с масляным уплотнением.
Быстроту действия измеряют в следующем порядке. Откачивают измерительную камеру 2 до предельного остаточного давления. Измеряют быстроту действия в соответствии с методикой,
изложенной для турбомолекулярных насосов (см. разд. 3.4).
При измерении быстроты действия испарительных геттерноионных насосов (агрегатов) допускается использовать закрытую
бюретку и систему напуска газа по схеме, показанной на рис. 23.
Наибольшее рабочее давление измеряют в следующем порядке. Включают испытуемый насос (агрегат) 1 (см. рис. 26) согласно
инструкции по эксплуатации. В испытательной установке с помощью натекателя 4 устанавливают давление, равное предполагаемому наибольшему рабочему. Если при работе насоса (агрегата) в
течение 1 ч давление в измерительной камере 2 меняется не более
чем на 10 %, давление на входе насоса принимают за наибольшее
рабочее давление. Если давление меняется более чем на 10 %, следует уменьшить давление в испытательной установке и повторить
измерение.
Наибольшее давление запуска измеряют в следующем порядке.
Включают испытуемый насос (агрегат) 1 согласно инструкции по
эксплуатации. Откачивают испытательную установку до давления
10-4 Па. Выключают насос (агрегат). Наполняют испытательную
установку воздухом до атмосферного давления, открыв натекатель
4. Закрывают натекатель, открывают клапан 9 и откачивают испытательную установку с помощью форвакуумной системы до давления, равного ожидаемому давлению запуска. Измеряют давление
манометрическими преобразователями, установленными на измерительной камере 2. Закрывают клапан 9. Включают испытуемый насос и регистрируют время откачки испытательной установки до
давления 10-4 Па. Если время откачки составляет 7…10 мин, давле60
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ние в начале откачки принимают за наибольшее давление запуска.
Если время откачки больше 10 мин, опыт повторяют, уменьшив
начальное давление в испытательной установке; если время откачки меньше 5 мин, опыт повторяют, увеличив давление.
Для новых или прошедших капитальный ремонт магнитных
электроразрядных насосов перед испытаниями необходимо измерить предельное остаточное давление по изложенной методике.
Затем следует включить испытуемый насос (агрегат) и провести
тренировку, поддерживая в испытательной установке натекателем
давление в пределах 10–2…10–3 Па, откачать систему в течение
2…3 ч, после чего повторить прогрев установки в течение 10 ч при
температуре не выше 673 К.
Испарительные геттерные и конденсационные насосы, не откачивающие инертные газы, следует испытывать при открытом
клапане 9. Эффективная быстрота действия форвакуумной системы должна составлять не более 5 % номинальной быстроты действия испытуемого насоса.
Вакуумные крионасосы проверяют на установке, схема которой дана на рис. 26. Предельное остаточное давление и быстроту
действия измеряют согласно методике, изложенной для геттерных
насосов (см. разд. 3.7).
61
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вакуумная техника: Справ. / Е.С. Фролов, В.Е. Минайчев, А.Т. Александрова и др.; Под общ. ред. Е.С. Фролова, В.Е. Минайчева М.: Машиностроение, 1991. 460 с.
2. Кошмаров Ю.А., Рыжов Ю.А. Прикладная динамика разреженного
газа. Л.: Машиностроение, 1977. 184 с.
3. Пипко А.И., Плисковский В.Я., Пенчко Е.А. Конструирование и расчет вакуумных систем. М.: Энергия, 1970. 504 с.
4. Розанов Л.Н. Вакуумная техника. М.: Высш. шк., 1990. 207 с.
5. Саксаганский Г.Л. Молекулярные потоки в сложных вакуумных
структурах. М.: Атомиздат, 1980. 216 с.
6. Тимирязев А.К. Кинетическая теория материи. М.: Учпедгиз, 1956.
217 с.
62
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ .........................................................................................
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................
1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ОТКАЧКИ
ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ ..........................................................................
1.1. Основные понятия .........................................................................
1.2. Основное уравнение вакуумной техники ....................................
1.3. Режимы течения газов ...................................................................
1.4. Истечение газа через малые и большие диафрагмы при
вязкостном и молекулярном режимах течения ..........................
1.5. Проводимость трубопровода при вязкостном режиме течения ....
1.6. Проводимость трубопровода при молекулярном режиме
течения ...........................................................................................
1.7. Проводимость трубопровода при молекулярно-вязкостном
режиме течения ..............................................................................
1.8. Процесс откачки газа из вакуумной системы .............................
1.9. Статистический метод определения проводимости вакуумных
систем .............................................................................................
2. ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ ......................................................................
2.1. Классификация вакуумных насосов ............................................
2.2. Газопоглощающие насосы ............................................................
2.3. Газоперемещающие насосы .........................................................
3. ИСПЫТАНИЯ ВАКУУМНЫХ НАСОСОВ И АГРЕГАТОВ .............
3.1. Общие сведения .............................................................................
3.2. Испытания механических насосов (агрегатов) с масляным
уплотнением ...................................................................................
3.3. Испытания двухроторных насосов (агрегатов) ..........................
3.4. Испытания турбомолекулярных насосов (агрегатов) ................
3.5. Испытание пароструйных насосов (агрегатов) ..........................
3.6. Испытания адсорбционных насосов (агрегатов) ........................
3.7. Испытания геттерных насосов (агрегатов) и крионасосов ........
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ .....................................
3
4
8
8
10
11
11
15
21
27
29
31
37
37
37
42
49
49
51
54
55
57
58
59
62
63
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Учебное издание
Демихов Константин Евгеньевич
Никулин Николай Константинович
Калинкин Дмитрий Александрович
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВАКУУМНОЙ ТЕХНИКИ
Редактор А.В. Сахарова
Корректор М.А. Василевская
Компьютерная верстка А.Ю. Ураловой
Подписано в печать 25.04.2008. Формат 60×84/16. Бумага офсетная.
Усл. печ. л. 3,72. Уч.-изд. л. 3,5.
Тираж 100 экз. Изд. № 150. Заказ
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана
105005, Москва, 2-я Бауманская ул., 5
Документ
Категория
ГОСТ Р
Просмотров
205
Размер файла
1 419 Кб
Теги
теоретические, техника, вакуумного, основы
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа