231b_v025 (810495), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Лабораторные установки с вакуумным оборудованием могут быть размещены как на лабораторном столе (как даннаяустановка), так и достигать линейных размеров до 10 км, как Большойадронный коллайдер.2. Некоторые понятия для работы с вакуумной техникойОсновы процесса откачки и связанные с ним понятия рассмотримна примере простейшей вакуумной системы (рис. 2).Предельное остаточное давление (предельный вакуум)Pпр [L−1MT−2] 3 — наименьшее давление газа, которое формируется в процессе откачки в рассматриваемом сечении вакуумпровода (рассматриваемой точке вакуумной системы). Обычно выделяют предельное давление вкамере или на входе в насос.Наибольшее выпускное давление [L−1MT −2] — максимально допустимое давление газа на входе насоса.В квадратных скобках указана размерность физической величины в системе LMT (СИ, СГСи др.), в которой за основные величины приняты длина (L), масса (M) и время (T) [8].
Соотношения между единицами измерения основных величин, приведённых в данном разделе,указаны в прил. Д.362.3.1Б Современные средства получения и измерения вакуума1 — откачиваемый объём, 2 — вакуумный насос, 3 — вакуумпровод (трубка),4 —впускной патрубок (вход) насоса, 5 — выпускной патрубок (выход) насосаРис. 2. Простейшая вакуумная системаБыстрота откачивающего действия (скорость откачки) вакуумной системы [L3T−1] — объем газа, проходящий через рассматриваемое сечение вакуумпровода в единицу времени при текущем давлениив данном сечении: = /Следовательно, быстродействие насоса н определяется как:(2.1)н = н /,а эффективная скорость откачки камеры :(2.2) = /.Падение давления вдоль вакуумпровода Δ = 1 − 2 определяется его пропускной способностью (проводимостью) [L3T−1]: =,(2.3)1 − 22−3где [L MT ] — поток газа через вакуумпровод с соответствующимидавлениями на концах.Величина [L−3T], обратная проводимости, называется импедансом вакуумпровода: = 1/.В общем случае указанные величины , , , как и сами давления 1 и 2 зависят от времени.
Но в конце процесса откачки устанавливается квазистационарный режим, при котором поток газа становится практически постоянным и равным количеству поступающего в систему газав единицу времени вследствие наличия течей, т.е. нарушения герметичности (в основном в местах механического соединения отдельных узловвакуумной системы). Для стационарного режима можно записать условиенепрерывности потока откачиваемого газа:(2.4)1 = = 2 н = .72.3.1Б Современные средства получения и измерения вакуумаИз уравнений (2.1)−(2.4) нетрудно получить т.н.
основное уравнение вакуумной техники, связывающее основные параметры вакуумнойсистемы:11 1(2.5)= + . н Уравнение (2.5) позволяет правильно ориентироваться в выборе средствоткачки и вакуумпроводов при конструировании вакуумной системы длялюбых целей.Количественной характеристикой течи, является натеканиен [L2MT−3], измеряемое при отключенных средствах откачки:(к − н )(2.6)н = ,где — замкнутый исследуемый объём; н , к — начальное и конечноедавление в объеме; — время между измерениями давления.
При наличии течей, нормальной работе средств откачки и отсутствии в системеисточников паров или газов, зависимость потока газа через течь от времени н () носит, как правило, линейный характер.Для заданного давления 1 в замкнутом исследуемом объёме допустимым считается натекание:н (2.7)н ≪ = 1 = 1.н + Объём при этом считается достаточно герметичным для поставленныхзадач.На пропускную способность вакуумпровода существенно влияетрежим течения газа, который характеризуется числом Кнудсена, равнымотношению длины свободного пробега молекул в газе к характерномулинейному размеру течения: = /.Данная величина характеризует степень разреженности газовогопотока:− В гидродинамическом (вязкостном) режиме течения ( ≪ 1)различают ламинарные и турбулентные потоки.
При ламинарномтечении молекулы газа движутся по параллельным траекториямсо скоростями, мало отличающимися друг от друга. При турбулентном течении наряду с поступательным движением всей мас-82.3.1Б Современные средства получения и измерения вакуумасы газа, молекулы движутся хаотически со скоростями, подвергающимися случайным изменениям 4.− В молекулярном (кнудсеновском) режиме ( ≫ 1) течение газасводится к независимому движению отдельных молекул по прямым линиям в периоды между соударениями главным образом состенками вакуумпровода.− В переходном режиме (~1) в системе могут существовать всеописанные выше виды течения.В разных режимах течения пропускная способность вакуумпровода имеет существенно различные зависимости от размера его поперечного сечения.2.1.
Проводимость отверстия в стенкеВ кнудсеновском режиме проводимость отверстия радиусом определяется средним числом молекул, сталкивающихся со стенкой [2]:111 21 11 (2.8)( − 1 ), = 2 − 1 = 2 − 1 = − =444 4 4 2с другой стороны:(2 − 1 ) 1 2 11 (2 ) (1 ) = �−�= �−�== (2.9)1 2 1 1( − 1 )отв .= � − �= 2где — число молекул пролетающих через единицу площади отверстияза единицу времени, — площадь отверстия, — концентрация молекул, — их средняя скорость, — температура газа, — постоянная Больцмана, индексы 2, 1 относятся к потокам молекул по разные стороны отверстия.Из уравнений (2.8) и (2.9) получим выражение для проводимостиотверстия:118отв = = 2 �~2 � ,44(2.10)где — радиус отвертия, — масса молекулы газа.4Режим течения определяется числом Рейнольдса Re = / — безразмерной комбинациейхарактерных параметров текущей жидкости, где — характерный размер поперечного сечения.
По порядку величины Re есть отношение мощности потока кинетической энергии текущего газа к мощности сил трения, обусловленных наличием вязкости [8]. При малыхRe (Re < Reкр ≈ 2 ⋅ 103 ) — возможно только ламинарное течение, при бо̀льших Re, течениеможет стать турбулентным.92.3.1Б Современные средства получения и измерения вакуумаДля вязкостного режима, формулы проводимости записываютсямного сложнее, и их рассмотрение выходит за рамки данной работы.2.2. Проводимость длинного трубопроводаПроводимость длинного трубопровода ( ≫ ) в гидродинамическом режиме определяется вязкостными характеристиками газа и можетбыть получена из формулы Пуазейля (см. напр. лабораторную работу№2.2.5 [3]):4 4 (2.11)тр == ~,2 − 18 √где — давление в рассматриваемом сечении трубы (можно рассматривать как среднее по длине вакуумпровода давление = (1 + 2 )/2, —вязкость газа, — длина трубопровода, — его радиус.В молекулярном режиме проводимость определяется взаимодействием молекул газа со стенками и может быть получена из формулыКнудсена (см.
напр. введение к разделу III [3]):тр =4 3 2 3 �=~ � .2 − 1 3 (2.12)Для промежуточных условий проводимость определяется путёминтерполяции зависимостей, полученных в вязкостном и молекулярномрежимах.В случае последовательного соединения разных вакуумпроводов,что обычно бывает в реальных установках, их импедансы суммируются,а суммарная проводимость равна:11Σ ==,(2.13)Σ Σгде — импеданс i-го участка вакуумпровода, Σ — суммарный импеданс вакуумпровода.Формулы (2.5), (2.10)−(2.13) показывают, что для эффективнойоткачки вакуумной камеры насосом с заданной скоростью откачки нужновыбирать вакуумпроводы как можно шире и как можно короче. В этомслучае Σ ≫ н и из (2.5) получим:н Σн ==≈ н .(2.14)н + Σ н + 1Σ102.3.1Б Современные средства получения и измерения вакуумаС другой стороны выбирать насос с производительностьюн ≫ Σ не целесообразно, поскольку в этом случае скорость откачки будет определяться, в основном, проводимостью вакуумпровода:н ΣΣ ==≈ Σ .(2.15)н + Σ 1 + ΣнВыполнение условия Σ ≫ н особенно существенно в случае высоковакуумной откачки, или кнудсеновском режиме течения.2.3.
Время откачкиПоложим,чтоза промежутоквремени давлениев откачиваемом объёме снижается на P1 (рис. 2). Тогда за промежутоквремени количество газа поступающего в трубку равно 1 , а эта жеубыль газа в объеме равна 1 , следовательно:(2.16) 1 = − 1Перепишем уравнение (2.16) в виде: 1(2.17) = −. 1С учетом уравнения (2.5) для изменения давления со временем получим:1 1 1(2.18) = − � + �.н 1Для вычисления длительности откачки по формуле (2.16) необходимо иметь данные о значении н при различных давлениях. Для даннойустановки такие данные приведены в прил. Б.В случае = , решение уравнения (2.16) существенноупрощается и зависимость давления от времени откачки:(2.19)() = 1 exp �− �.Постоянная времени откачки = / является мерой эффективности откачной системы.3. Средства получения вакуумаСуществует множество различных типов вакуумных насосов, целесообразность использования которых варьируется в зависимостиот условий получения и требуемой глубины вакуума.
Одна из возможныхклассификаций средств откачки приведена на рис. 3. Выделим средипредставленных типов те, которые используются в данной лабораторнойработе (2.3.1А).112.3.1Б Современные средства получения и измерения вакуумаВыделены те группы, насосы которых используются в данной лабораторной работе.Рис. 3. Примерная (далеко не полная) классификация насосов по принципу действия [4]3.1. Пластинчато-роторный насосВ цилиндрическом корпусе (1) пластинчато-роторного насоса (рис. 4)со смещением эксцентрично размещен ротор (2), касающийся корпуса содной стороны. Ротор снабжен пластинами (3), которые прижимаются кстенкам и скользят по внутренней поверхности. Газ, попадающийна вход (4) проталкивается пластинами и выталкивается из насоса черезвыпускной клапан (5). Подробнее ознакомиться с принципом работы пластинчато-роторногонасосаможно,например,вописанииработы № 2.3.1 [3]. Для уплотнения зазоров, а также для смазыванияи охлаждения подвижных частей в работе насоса используется вакуумное122.3.1Б Современные средства получения и измерения вакуумамасло 5.
Для уменьшения загрязнения откачиваемого объема вакуумныммаслом используются двухступенчатые насосы и специальные фильтрыв вакуумных магистралях.Рис. 4. Конструкция одноступенчатого пластинчато-роторного насоса− Преимущества: неприхотлив в работе (может откачивать загрязненную среду, без ущерба для конструкционных элементов); используетсядля предварительной (форвакуумной откачки) в системах откачки с низкими требованиями по чистоте откачиваемого объема; используется до 2х последовательных ступеней.− Недостатки: присутствие в рабочей камере масла, контактирующего с откачиваемой средой (возможно попадание паров в откачиваемыйобъем) и необходимость периодической его замены; низкий предельныйвакуум за счет обратного потока воздуха через выпускные клапаны; малоэффективен для откачки влажных сред (необходимо использовать газобалластное устройство 6).− Тип вакуума: средний.5Масло с низким давлением пара при комнатной температуре, обладает низкой упругостьюпара при рабочей температуре, термической стойкостью, а также химической инертностьюпо отношению к кислороду воздуха и откачиваемым газам.6Устройство для дозированного добавления воздуха в камеру сжатия для предотвращенияконденсации воды и смешивания с маслом.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
