Розанов Вакуумная техника 1990 (1248470), страница 44
Текст из файла (страница 44)
Каковы исходные данные для проверочного расчета вакуумной системы? 1О. Назовите этапы проектировочного расчета вакуумной системы. ГЛАВА 10 НЕСТАЦИОНАРНЫИ РЕЖИМ РАБОТЫ ВАКУУМНЪ|Х СИСТЕМ 9 10.1. Условия квазистационарности На начальной стадии удаления газа из вакуумной системы и при изменении условий работы всегда происходит изменение во време. ни давлений в различных частях вакуумной системы, т. е. существует нестационарный режим работы.
При этом режиме понятием проводимости трубопровода, введенным при постоянной разности давлений на его концах, уже пользоваться нельзя и расчеты системы существенно усложняются. В некоторых случаях нестационарный режим работы вакуумной системы может быть сведен к квазистационариому режиму, когда время установления равновесного давления в трубопроводе значительно меньше, чем в откачиваемом объекте.
Изменение давления в трубопроводе происходит значительно быстрее, чем в откачиваемом объекте, В этом случае в каждый момент времени распределение давления в вакуумной системе можно рассчитывать так же, как в стационарном режиме. 233 Математически условие существования квазистационарного режима может быть записано через соотношение временных постоянных: — )) 1, (10.1) р~вэ где т,=$'/Б,ф, )у — объем откачиваемого объекта; Я,ф — эффективная быстрота откачки объекта; те=)У,р/с/; )У,р и (/ — объем и проводимость трубопровода. В связи с тем что З,е всегда меньше 1/, условие (10,1) с запасом будет выполняться, если (У/У„))1.
(10.2) При выполнении условия (10.1) трубопровод можно рассматривать как часть откачиваемого объекта, объем которого равен (У+ + )Уср. Примером существования квазистационарного режима работы вакуумной системы с большим откачнваемым объектом является откачка обьекта от атмосферного до рабочего давления, В этом случае давление в откачиваемом объекте является функцией времени, но в каждый момент времени газовый поток на входе и выходе из трубопровода практически не изменяется.
Таким образом, можно различать три режима работы вакуумной системы; стационарный, нестационарный и квазистационарный, Для стационарного режима характерна неизменность во времени давлений и потоков во всех сечениях вакуумной системы; выполняется условие сплошности потоков. Оесгационарно1й режим характеризуется зависимостью давлений и потоков в различных сечениях вакуумной системы от времени откачки. Квазисгационарный рсжиле— это разновидность нестацнонарного режима, при котором выполняется условие (10.1). Задачи, связанные с изучением течения газа по вакуумным трубопроводам в стационарном н нестационарном режимах работы, имеют только приближенную аналогию с задачами расчета электрических цепей с пассивными и активными элементамн.
Трудность электромоделирования вакуумных систем заключается в том, что сопротивление элементов вакуумных систем зависит от давления и формы предшествующего элемента, 9 10.2. Расчет газовых нагрузок Нестационарное газовыделение из конструкционных материалов состоит из следующих независимых компонентов: десорбциониого и диффузионного газовыделения, газопроницаемости, натекания. Десорбционное газовыделение связано с десорбцией газов и паров с внутрикамерных деталей, стенок камеры, трубопроводов и арматуры. Особенно нежелательными являются пары воды н масел, 234 адсорбируемые на внутренних п,нкпо/н' поверхностей вакуумной камеры.
Вода конденсируется на стенках во время напуска ат- ят' 5 мосферного воздуха при загрузке обрабатываемых нзде. лий, источником паров масел я могут являться вакуумные на. 1п' йз сосы. Изотерма адсорбции паров воды на нержавеющей стали, юп' япв полученная экспериментально, представлена на рис.
10.1. Ко- Ряс. 10.1, Равновесная вдсорбпкя пвличество адсорбированных па ров волы вв верыввеюшей стали пря ров воды при давлениях 665... комнатной температуре 0,665 Па находится в пределах 0,152 „. 0,013 м'Па/ме. На этом же рисунке по оси ординат показано количество мономолекулярных слоев воды на поверхности стали, полученное из выражения В=Ма/аы где У=2,45.10во — количество молекул газа в 1 мв при давлении 1 Па и температуре 298 К; а~ — — 4,9 10'е 1/ме — количество молекул воды, необходимое для образования одного монослоя на поверхности 1 м'.
Для аналитического описания изотермы адсорбции паров воды можно воспользоваться уравнением Фрейндлиха, записанном в виде 1йа=! яК+ — 1цр, (10.3) и где К=0,0185 и п=2,9 — константы, зависящие от природы адсорбента, адсорбнруемого газа и температуры поверхности вакуумной камеры; р — давление паров воды в камере, Па. Конструктивным способом уменьшения десорбционного газовыделения паров воды является использование шлюзовых загрузочных устройств, благодаря которым изделие попадает в вакуумную камеру без нарушения вакуума. диффузионное газовыделение сопровождается поглощением нли выделением газа с поверхности деталей, расположенных внутри вакуумной камеры.
Ограничим рассмотрение случаев, когда массообмен происходит только в поверхностном слое, толщина которого значительно меньше общей толщины деталей. При этом деталь можно рассматривать как полубесконечное тело. Длина детали должна быть существенно больше ее толп1ины, что позволяет считать задачу одномерной. Предположим, что начальная концентрация газа в детали постоЯнна и Равна зо. Давление газа над повеРхностью детали также будем считать постоянным, а равновесную концентрацию газа 235 дз доз — =О— дб дхз (=О; я(х, 0)=я;1 х=О; я(0,1)=я„,; (10.4) 2=со; я(х,со)=-я; х=со; ' =О. дз (о», 1) дг Решение (10.4) при указанных граничных условиях можно представить в виде функции безразмерного времени т=И/Ь'.
я ~ — т~ =яаг+(яо — яы) ег! ( =) ° (10 5) 2 где ег1((/) = — ~ е — сгзб(/ — функция ошибок Гаусса. о Результаты расчетов по формуле (10.5) для различных отно- шений х/Ь при поглощении газа, когда я„>яо, показаны на рис. 10.2, а, а при выделении газа, когда я,>я,— на рис. 10.2, б, Так как удельный газовый поток через единицу поверхности, обращенную в вакуум, дз ! (зо — з,„) г«! (10.6) бх ~«-о Ь )г ят то удельное количество газа, участвующего в массообмене, а=) г/бг= — 2(яо — я„) ЬУт/я. о При этом средняя концентрация газа в теле я =, — 2 (я, — я ) Ут/я, (10.7) (10.8) а степень массообмена, т.
е. отношение количества газа, участвую- щего в массообмене, к полному количеству газа, находящемуся в твердом теле до начала массообмена, а= — =2 ~ 1 — — ) )г т/и. (а! г з зо" зо (10.9) 236 'в детали, соответствующую этому давлению, обозначим через я . Независимость яо и я от времени соответствует граничным условиям первого рода. На практике такая задача часто встречается, когда обезгаживание деталей происходит при постоянных температуре и давле. нии, а коэффициент диффузии достаточно мал: /)(0,1Ь2// „, где Ь вЂ” половина толщины детали; 㠄— максимальная длительность процесса массообмена, Математически данную задачу можно записать в следующем виде: 5» «,Iз а,га а,га а и! «/л ада а,га а о/ Р ис.
10.2, Распределение концентрации в полубесконечном теле для различных значений безразмерного времени: о — гззапаглонеенне; б — гззозынелеззе Степень массообмена определяет абсолютную степень обезгаженности или газонасыщенности тела и может являться расчетным критерием для выбора типового технологического процесса обработки деталей в вакууме. Критерием для выбора времени технологического процесса, связанного с выделением или поглощением газа, может служить эффективность массообмена т= ' =2Ут/л, (10.10) (зо — зы)/ао которая представляет собой отношение достигнутой степени массообмена к максимально возможной при данных условиях. На рис. !0.3 показаны графики зависимости удельного безразмерного потока / и эффективности массообмена 2 от безразмерного времени т.
Пользоваться приведенными формулами можно для твердых тел любой формы при т(0,1, откуда следует приведенное ограничение по коэффициенту диффузии. При этом тело еще может считаться бесконечным в направлении оси х. Максимальная эффективность массообмена, которая может быть достигнута при условии т(0,1, составляет 35%. В тех случаях, когда требуется получить большие степени массообмена или т>0,1, необходимо учитывать форму деталей, из которых выделяется или поглощается газ.
Для этого нужно искать Решение задачи (10.4) при новых граничных условиях. Для дета- 237 1 лей типовой формы — шара, 5в-5 )0!а пластины, цилиндра — такие ! г, решения имеются в специаль- ной литературе. „>-з Диффузионное газовыделе- ние сильно зависит от рода ма.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
