Введение. Сконструировать и провести расчет элементов высоковакуумной системы на предельный

Задание.

Сконструировать и провести расчет элементов высоковакуумной системы на предельный вакуум 10^-5 Па. Камера имеет размеры: диаметр d=0.5 м; высота h= 0.75 м; выполнена из нержавеющей стали. Для герметизации соединений используются медные прокладки. Рассчитать время откачки до стационарного режима. Предусмотреть сокращение времени откачки при смене объекта откачки. Камера должна иметь 5 высокотемпературных токовводов.

Графический материал: схема установки, распределение давления от камеры до насоса предварительного разрежения.

Введение.

Вакуум - состояние газа, при котором его давление существенно ни­же атмосферного. Область давлений, с которой имеет дело вакуумная тех­ника, охватывает диапазон от 10⁵ до 10^-12 Па. Степень вакуума характе­ризуется коэффициентом Кнудсена Кn, величина которого определяется от­ношением средней длины свободного пробега молекул газа к линейному эффективному размеру вакуумного элемента L_эф:

Понятие о степенях ваккума

Давление газа определяется изменением количества движения молекул за единицу времени на единице поверхности стенки. Это изменение характеризуется количеством столкновений газовых молекул со стенкой, которое будет зависть от концентрации молекул и объема вакуумного сосуда, т.е. от геометрических размеров сосуда.

Уменьшая размеры сосуда, тем самым уменьшаем количество молекул, соударяющихся с поверхностью (стенкой) сосуда.

Таким образом, давление газа на поверхность будет характеризоваться соотношением числа столкновений молекул на поверхности сосуда N_s к числу столкновений в объеме N_v

N_v - число столкновений молекул в объёме V. Объём определяется характеристическим размером сосуда (L).

N_s - число столкновений молекул на стенки сосуда.

Число столкновений молекулы в объёме за единицу времени.

,

где υ_м – средняя скорость молекул газа, - длина свободного пробега молекул.

В единицу времени в единице объема число столкновений

.

Тогда общее число столкновений молекул в объеме V

N_v = n (1)

Число столкновений молекул с единицей площади в единицу времени определяется потоком молекул на единичную площадь

N_1s = ,

а на площади S

N_s = .

Отношение числа столкновений на площадь S к числу столкновений в объёме V называется критерием Кнудсена и характеризует степень вакуума.

.

Величину , определяемую чисто геометрическими размерами сосуда называют эффективным или характеристическим размером сосуда.

Таким образом, критерий Кнудсена k_n, определяемый отношением средней длины свободного пробега молекул газа к линейному эффективному размеру L, существенному для происходящего в нем физического процесса, характеризует степень вакуума в сосуде.

Если взаимные столкновения между молекулами газа преобладают над столкновениями молекул со стенками, т.е. l << L, то критерий Кнудсена Kn << 1, а точнее Kn £ 5×10^-3, то такой вакуум называется низким. Если критерий Кнудсена Kn ³ 1,5, то вакуум называется высоким. И если

5×10-3<Kn<1,5, то это средний вакуум.

Общая характеристика вакуумных насосов

Область давлений, с которой имеет дело вакуумная техника, охватывает примерно 15 порядков по степени десяти. От 10⁵ Па до 10^-10 Па. По степеням вакуума этот диапазон можно подразделить следующим образом:

Низкий вакуум: 10⁵ - 10² Па (760 - 1 мм.рт.ст.)

Средний вакуум: 10² - 10^-1 Па (1 – 10^{-3 мм.рт.ст.)}

Высокий вакуум: 10^-1 - 10^-4 Па (ниже 10^{-3 мм.рт.ст.)}

Сверхвысокий вакуум: ниже 10^-4 Па (ниже 10^{-6 мм.рт.ст.)}

Вакуумные насосы подразделяются на насосы: низковакуумные, высоковакуумные и сверхвысоковакуумные, а по принципу действия подразделяются на механические и физико-химические.

Для получения той или иной степени вакуума требуются соответствующие насосы или их комбинация. Выбор насоса определяется родом и количеством пропускаемых насосом газов и диапазоном рабочих давлений насоса и его параметрами.

Основными параметрами вакуумных насосов являются:

1. быстрота откачивающего действия насоса – S_н, (м³/с)

2. Производительность насоса Q, (Пам³/c)

3. предельное давление – р_пр, (Па)

4. наименьшее рабочее давление – р_min,(Па)

5. наибольшее рабочее давление – р_max, (Па)

6. наибольшее давление запуска – р_зап ,(Па)

1. Быстрота откачивающего действия насоса - S_н = = - объем газа, проходящего через входной патрубок насоса в единицу времени, отнесенный к единице давления, (м³/с; л/.с). р₂ – давление газа на входе в насос.

2. Производительность насоса Q₀ - количество газа, откачиваемое насосом в единицу времени при давлении p₂ на входе насоса. Q = U(p₁-p₂) = p₂S_H. Р₁ – давление газа на выходе из откачиваемого объема.

р₁ р₂

I II

  V

H H  

При постоянном потоке Q быстрота действия насоса, очевидно, зависит от давления газа на входе в насос р₂.

3. Предельное давление р₂ = р_пр – минимальное давление, которое может обеспечить насос, работая без откачиваемого объема. Предельное давление вакуумных насосов определяется газовыделением деталей насоса, перетеканием газов через зазоры, наличием вредных пространств, диффузией паров рабочих и герметизирующих жидкостей.

Все эти газовыделения образуют обратный поток газов в насосе.

Общий поток определяется:

Q = Q_пр - Q_обр = S_H × p₂,

где Q_пр – прямой поток газа; Q_обр – обратный поток газов.

Q_пр = S_m×p₂,

где S_m- max быстрота действия откачки насоса

Если p₂ = p_пр, то Q = 0 и тогда Q_пр = Q_обр,

этом случае Q_обр = S_m×p_пр

и

Q = S_mp₂ - S_mp_пр = S_m(p₂ - p_пр) или .

отсюда

S_H = S_m (15)

т.е. быстрота действия насоса зависит от величины давления газа на его входе.

Если p₂ = p_пр , то S_H = 0

Если р₂ >> р_пр, то S_н = S_m

S_m – максимальная быстрота действия насоса при наличии входного патрубка с проводимостью U_пат. Наличие входного патрубка уменьшает геометрическую быстроту действия насоса S_г.

Для механических вращательных насосов:

S_г = V_к n, (16)

где (для механических насосов) V_к – объем рабочей камеры насоса [м³], n – частота циклов откачки [1/с].

. (17)

S_m

S_H

p_пр p_min p_max p_зап p₂

Общая кривая откачки – зависимость быстроты откачивающего действия насоса S_н от давления на входе в насос p₂.

.

C ростом р₂ выше наибольшего рабочего давления р_max быстрота действия насоса начинает снижаться, при р₂ = р_зап S_н = 0

4. наименьшее рабочее давление p_min - минимальное давление, при котором насос длительное время сохраняет номинальную быстроту действия. p_min примерно на порядок выше p_пр.

5. наибольшее рабочее давление p_max - максимальное рабочее давление, при котором насос длительное время сохраняет номинальную быстроту действия.

В рабочем диапазоне от p_min до p_max насос обеспечивает эффективную откачку.

6. наибольшее давление запуска p_зап - max давление во входном патрубке насоса, при котором он может начать работу. Обычно p_зап > p_max на 2-3 порядка.

Дата добавления: 2015-08-20