ЛЕКЦИЯ 16

ЧАСТЬ 2

Содержание

1. Поток газа. Единицы измерения

2. Основное уравнение вакуумной техники

3. Выбор коэффициента использования насосов

4. Определение суммарного газовыделения и натекания

5. Выбор вакуумных насосов. Согласование насосов

6. Расчет распределения давления в вакуумной системе

7. Квазистационарный процесс. Время откачки

Приложение

Рис. 16.1. Основная характеристика вакуумного насоса (рис.4.4 по Л.Н. Розанову)

Рис. 16.3. Зависимость К_и от (рис.4.2 по Л.Н. Розанову)

Рис. 16.4. Зависимость К_и от А (рис.7.6 по Л.Н. Розанову)

Рис. 16.6. Зависимость составляющих газового потока от времени откачки (рис.7.7 по Л.Н. Розанову)

Рис. 16.7. Графическая проверка выбора насосов (рис.7.9 по Л.Н. Розанову)

Рис. 16.8. Графическая проверка совместимости работы вакуумных насосов (рис.7.10 по Л.Н. Розанову)

Рис. 16.9. Распределение давления в вакуумной системе (рис.7.11 по Л.Н. Розанову)

Рис. 16.10. Изменение давления в откачиваемом сосуде во времени («кривая откачки») (рис.2-2 по В.И.Кузнецову)

1. Поток газа. Количество газа эквивалентно массе газа (М) и может быть измерено в тех же единицах: кг, г, и т.п. Процесс откачки заключается в удалении некоторой массы газа из вакуумируемого объема (сосуда). Скорость откачки, или поток массы газа, покидающий сосуд, практически определяется скоростью, с какой уменьшается давление (Р) в сосуде. Если в объеме (V) первоначально содержалось N молекул массой m каждая, то скорость изменения массы газа в сосуде равна

. (1)

Но или , где k – постоянная Больцмана, n – число молекул в единице объема, Т – абсолютная температура.

Тогда выражение (1) может быть представлено так:

(2)

В реальных условиях можно считать, что в процессе откачки ни сам газ, ни его температура не меняются. Поэтому

. (3)

Видим, что при постоянной температуре для данного изменения массы газа в объеме V, т.е. массовый расход, пропорционален величине . Эта величина в вакуумной технике называется потоком газа (иногда в вакуум - техническим потоком) и обозначается буквой Q. Таким образом,

, (4)

где G – массовый расход из откачиваемого сосуда, (т.е. убыль массы).

Поток газа измеряется в мм рт.ст.×л/с , или мм рт.ст. ×м³/с, или Па×м³/с. Но 1Па×м³/с=1вт, т.е. поток Q измеряется в Ваттах.

2. Основное уравнение вакуумной техники. Поток в вакуумной системе создается действием вакуумного насоса (или откачной системой - системой откачки).

Основными параметрами любого вакуумного насоса являются: быстрота действия, остаточное (или предельно-достижимое) давление, наименьшее давление запуска, наибольшее выпускное давление. На рис. 16.1 показана основная характеристика вакуумного насоса – зависимость быстроты действия от давления на входе в насос.

Изобразим (вернее, вспомним) схему простейшей вакуумной системы (рис.16.2).

Рис. 16.2. Вакуумная система (рисуется на доске).

Для стационарного потока выполняется условие неразрывности, т.е. условие сохранения массы:

, (5)

где S_H – быстрота действия насоса, S_эф – быстрота откачки объекта, ясно, что S_H>S_эф.

Но , где U – проводимость коммуникационного трубопровода.

Выразим:

; или

; . Тогда , или . (6)

Уравнение (6) называется основным уравнением вакуумной техники. Оно связывает основные параметры вакуумной системы: быстроту действия насоса, эффективную быстроту откачки насоса (или быстроту откачки объекта) и суммарную проводимость вакуумного трубопровода.

Уравнение (6) можно представить так

. (7)

Видим, что при , ; при , .

Введем понятие «коэффициент использования насоса»: . Рассматривая S_H как располагаемые возможности, S_эф – как полезный эффект, можем провести аналогию К_и с коэффициентом полезного действия: . Используя К_и, получим два полезных соотношения

; . (8)

На рис. 16.3 представлена графическая интерпретация уравнения (8).

3. Выбор коэффициента использования насоса.Определение оптимального значения К_и для любой вакуумной установки проводится, исходя из экономических соображений. Здесь действуют два фактора: 1 – стремление как можно полнее использовать возможности насоса, т.е. увеличить К_и; 2 – с увеличением К_и уменьшаются эксплуатационные расходы (капитальные затраты остаются постоянными, т.к. S_H выбирается, исходя из потребной производительности), но увеличивается металлоемкость вакуумного трубопровода, расходы на изготовление трубопровода и арматуры (из-за габаритов при стремлении увеличить U). Если оптимизировать К_и по минимальной стоимости откачки 1 литра газа, то можно получить соотношение

, (9)

где А – коэффициент, представляющий собой соотношение затрат на приобретение и эксплуатацию трубопроводов и арматуры вакуумной системы к затратам на приобретение и эксплуатацию насосов системы откачки.

Зависимость (9) графически представлена на рис. 16.4.

4. Определение суммарного газовыделения и натекания. Газовый поток, откачиваемый насосами, во время работы вакуумной системы имеет несколько составляющих:

, (10)

где - суммарное газовыделение и натекание в вакуумную систему; Q_Г – газовыделение из конструкционных материалов; Q_Н – натекание через стенки вакуумной системы; Q_Т – технологическое газовыделение; Q_PV – поток газа, находившегося в вакуумной камере до начала процесса откачки.

Газовыделение из конструкционных материалов происходит за счет процессов десорбции, диффузионного газовыделения (глухие капиллярные каналы), газопроницаемости (сквозные каналы).

Для определения удельного газовыделения можно воспользоваться формулой , где А и В – табличные коэффициенты, t –время.

Суммарное газовыделение можно рассчитать по формуле (как сумму источников): , где q_i – удельное газовыделение материалов, использованных в конструкции вакуумной системы и объекта испытаний, П_i – соответствующие площади поверхностей, находящихся в вакууме, N – число материалов.

Истинные и кажущиеся течи. В идеальной вакуумной камере давление, достигаемое в момент отключения камеры от насосов, должно сохраняться бесконечно долго. В любой реальной камере после ее отсоединения от системы откачки наблюдается повышение давления. Скорость повышения давления, т.е. изменение давления в единицу времени, составляет

, (11)

где Q – скорость натекания, т.е. общий поток газа в вакуумную камеру, V – объем вакуумной камеры.

По форме кривой роста давления (рис. 16.5.) можно определить источники.

Рис.16.5. Динамика поступления газа в объем вакуумной камеры.

Экспериментально определяется кривая 3. Нелинейный участок кривой соответствует суммарному поступлению газа, линейный – только от истинных течей. В этом случае поток Q не зависит от противодавления, т.е. течение газа по каналам, представляющим неплотности, происходит в критическом режиме.

Вакуумная система не может быть сконструирована в виде единой детали. Такие системы состоят из нескольких узлов, соединение которых в систему осуществляется с помощью вакуумных уплотнений. Именно эти уплотнения и являются чаще всего истинными течами.

Вакуумная плотность. Вакуумная плотность является общим и неизменным требованием, предъявляемым ко всем вакуумным уплотнениям. Любое вакуумное соединение должно быть плотным, но необязательно, чтобы при этом оно было герметичным.

Герметичное соединение характеризуется тем, что в нем нет таких течей, которые можно обнаружить с помощью чувствительного течеискателя (например, гелиевого масс-спектрометра).

Вакуумноплотным соединением считается такое соединение, натекание через которое не превышает заданный уровень. Максимальная величина натекания определяется либо предельным остаточным давлением, которое должно быть достигнуто в вакуумной системе за контрольное время, либо допустимой скоростью увеличения давления, либо теми последствиями, которые определяются степенью негерметичности, например, испытуемого изделия.

Мнимые течи. Рассмотрим конкретный пример, позволяющий понять природу мнимой течи. Представим вакуумную установку, в которой имеется глухое внутреннее отверстие, закрытое при сборке в атмосферных условиях винтом (или шпилькой). В этом отверстии, как в ловушке, оказывается запертым определенный объем воздуха. При откачке установки воздух из данного резьбового соединения по ниткам резьбы поступает в вакуумную камеру. Поток газа определяется проводимостью резьбового соединения (винтового канала) и перепадом давления. В конечном итоге весь газ из полости будет откачан, и натекание из нее прекратится. Время действия этой течи определяется , где V – объем глухой полости, U – проводимость резьбового канала.

Таким образом проблема мнимой течи состоит не в том, что невозможно создать в системе предельный вакуум, который можно обеспечить откачка, а в том, что для этого нужно длительное время.

Технологическое газовыделение.Q_т связано с тем технологическим процессом, который отрабатывается в вакуумных условиях. В проектных расчетах его принимают постоянным. Поток Q_PV существует только во время работы откачной системы на неустановившемся режиме. Качественная зависимость составляющих газового потока, поступающего в вакуумную камеру, от времени откачки представлена на рис. 16.6.