новая папка 1 / 641039
.pdfCopyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3161
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра физики и биомедицинской техники
ВАКУУМНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Методические указания
к расчётно-графическому заданию
Липецк Липецкий государственный технический университет
2017
УДК 533.5 (07)
В 148
А.П. Кащенко, Г.С. Строковский, С.Е. Строковская, А.С. Пономарев.
Рецензент канд. физ.-мат. наук Шарапов С.И.
В148 Вакуумное оборудование [Текст]: методические указания к расчетно-
графическому заданию / Сост. А.П. Кащенко [и др.]. – Липецк: Изд-во Липецкого государственного технического университета, 2017. – 18 с.
Вметодических указаниях рассмотрены понятия необходимые для понимания принципа работы вакуумных систем, а также приведена методика расчёта вакуумных систем в стационарном режиме работы. В приложении представлена таблица условных обозначений элементов вакуумных систем.
Методические указания предназначены для студентов 3-го и 4-го курса направления 12.03.04 «Биотехнические системы и технологии» по дисциплинам: «Взаимодействие излучения с веществом», «Физические основы радиологии», «Узлы и элементы биотехнических систем», «Основы конструирования приборов и изделий медицинского назначения», а также студентов 1 курса направления 12.04.04 «Биотехнические системы и технологии» по дисциплинам «Теоретические основы электронно- и ионно-
лучевого оборудования» и «Эксплуатация и обслуживание медицинской техники» всех форм обучения.
Табл.: 1. Ил.: 3. Прил. 1. Библиогр.: 4 назв.
ФГБОУ ВО «Липецкий государственный технический университет», 2017
РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ ПО ТЕМЕ «ВАКУУМНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ»
Вакуумные системы
Откачиваемые объекты и арматура (коммутационные элементы, ловушки,
трубопроводы), соединяясь друг с другом, образуют сложные вакуумные системы. Место соединения двух элементов и более называют узлом вакуумной системы.
Среди большого количества вакуумных систем, используемых в производстве и в научных исследованиях, можно выделить несколько типов систем, предназначенных для получения низкого, среднего, высокого и сверхвысокого вакуума. Для изображения схем вакуумных установок пользуются условными обозначениями элементов вакуумных систем,
приведенными в приложении. Элементы вакуумных систем размещаются в машинах и установках в соответствии с требованиями технологического процесса, удобства эксплуатации, ремонта и т.д., связь между ними осуществляется с помощью соединительных элементов – трубопроводов.
Трубопроводы и затворы
Трубопроводы могут быть гибкими или жёсткими. Гибкие сложнее жёстких и применяются для соединения элементов, не имеющих общей конструкционной базы. В вакуумных машинах и установках для коммутации различных частей вакуумной системы широко используются различные вакуумные затворы (см. прил.).
Вакуумные насосы
Существует два основных метода вакуумной откачки:
механический (рис. 1);
физико-химический (рис. 2).
Механические вакуумные насосы подразделяются на:
3
объёмные (откачка за счет периодического изменения объема рабочей камеры): поршневые, жидкостно-кольцевые, ротационные (пластинчато-
роторные, пластинчато-статорные, многопластинчатые роторные,
золотниковые, двухроторные Рутса);
молекулярные (работают за счет передачи молекулам газа количества движения от твердой, жидкой или парообразной быстродвижущейся поверхности): водоструйные, эжекторные, диффузионные, молекулярные (с
одинаковым направлением движения откачивающей поверхности и молекул газа), турбомолекулярные (с взаимно перпендикулярным движением твердых поверхностей и откачиваемых газов).
К физико-химическим насосам относятся криоконденсационные, ионно-
сорбционные (магниторазрядные), испарительные и криоадсорбционные. Все они, в отличие от механических, работают без вакуумного масла, что устраняет угрозу загрязнения откачиваемого объема.
Рис.1. Диапазоны рабочих давлений механических насосов
Рис.2. Диапазоны рабочих давлений физико-химических насосов
4
Для вакуумной откачки часто бывает необходимо временное увеличение вакуума на несколько порядков. Для этого используются так называемые вакуумные ловушки, которые по принципу действия бывают:
охлаждаемые;
термоэлектрические;
сорбционные;
ионные.
Наибольшее распространение получили охлаждаемые заливные ловушки,
где в качестве криогенной жидкости используется азот. Конструктивно такая ловушка представляет собой два объема (один внутри другого, расстояние между ними мало), один из которых заполняется азотом, а другой является откачиваемым.
Способы измерения давления в вакуумном объеме
Существуют два основных способа измерения давления:
прямой;
косвенный.
В первом случае давление измеряется непосредственно. Такой способ используется в манометрах, которые делятся на механические, жидкостные и т.д. Манометры (измерители прямого действия) в электрофизических высоковакуумных установках используются сравнительно редко, главным образом в форвакуумных линиях.
Во втором случае измеряется какая-либо физическая величина, значение которой связано с давлением в объеме. Пересчет на давление производится с помощью градуировочной характеристики (или же градуируется шкала прибора в единицах давления). В зависимости от измеряемой физической величины используются следующие вакуумные датчики (см. прил.):
термопарные (измеряется температура нагревательного элемента,
которая зависит от теплопроводности остаточного газа, определяющейся в свою очередь его давлением);
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ионизационные (измеряется ток ионов остаточного газа, зависящий от концентрации молекул газа, т.е. давления);
магнитоионизационные (отличаются от предыдущих тем, что ионизация молекул остаточного газа происходит в ячейке Пеннинга).
Расчёт вакуумных систем в стационарном режиме работы
Условием стационарного режима работы вакуумной системы является равенство эффективной скорости откачки Sэф и скорости газовыделения SQ1):
|
S i |
|
Qi / p |
, p |
S i |
Qi Qi |
Qi |
Qi , |
|
(1) |
||||||||||
|
ЭФ |
|
|
|
i |
|
i |
|
Q |
|
|
|
1 |
|
|
2 |
3 |
|
|
|
где pi – рабочее давление в |
i-ой |
камере устройства, Па; |
Qi – |
суммарное |
||||||||||||||||
газовыделение и натекание в этой |
|
камере, Па·м3/с: Q1i – |
натекание через |
|||||||||||||||||
диафрагму со стороны камеры с большим давлением, Па·м3/с; |
Q2i – отток газа |
|||||||||||||||||||
в камеру с меньшим давлением, Па·м3/с; Q3i |
|
– |
газовыделение |
стенок i-ой |
||||||||||||||||
камеры, Па·м3/с. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Поток Qi |
определяется |
разностью давлений |
между |
i-ой |
и (i-1)-ой |
|||||||||||||||
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
камерой: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Qi U |
i |
( p |
|
p ) U |
i |
p |
|
, |
|
|
(2) |
|||||||
|
|
|
1 |
|
|
|
i 1 |
|
|
i |
|
i 1 |
|
|
|
|
||||
где U i – проводимость i-ой диафрагмы, |
м3/с; pi 1 - |
давление в камере с более |
||||||||||||||||||
высоким давлением, Па. Поток Q2i определяется аналогично: |
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
Qi |
q |
|
F i , |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
ср |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где F i – площадь i-го материала, присутствующего в вакуумной системе, м2; qср – среднее удельное газовыделение материала вакуумной системы, Па·м/с.
1 В вакуумной технике принято эти величины определять как объем газа,
натекающий или откачиваемый в единицу времени dV / dt . Тогда, очевидно,
ему соответствует поток газа p dV / dt
6
Проводимость диафрагмы при вязкостном и молекулярном течении газа соответственно:
U |
i |
|
160 d 2 |
, |
(3) |
|
|
i |
|
|
|
U |
i |
90 d 2 |
, |
(4) |
|
|
|
i |
|
|
где di – диаметр диафрагмы, м.
Проводимость отверстия произвольной формы при вязкостном и
молекулярном течении газа: |
|
|
|
|
Ui |
200 |
Fi |
, |
(5) |
Ui |
116 |
Fi |
, |
(6) |
где Fi – площадь отверстия, м2. |
|
|
|
|
Эффективная быстрота откачки согласно (1) и условию стационарности:
S i |
Qi / p |
, |
|
|
(7) |
||
эф |
|
|
i |
|
|
|
|
По этому значению осуществляется выбор типа вакуумного насоса. |
|||||||
Номинальная быстрота откачки насоса: |
|
|
|
|
|
||
Smi |
|
|
Qi |
|
|
, |
(8) |
Ки |
pi |
|
|||||
|
|
pnp |
|
где Ки – оптимальное значение коэффициента использования насоса; рпр –
предельное давление выбранного насоса, Па.
В общем случае Ки зависит от типа насоса, эффективной быстроты откачки и числа элементов между насосом и откачиваемым объектом. Ки
рассчитывается по специальной методике или выбирается из справочной литературы [1]. Окончательный выбор насоса осуществляется при соблюдении
условия:
К |
и pi |
pnp |
, |
(9) |
|
i |
|
||
|
Sm Sн |
|
|
|
где Sн - номинальная быстрота откачки насоса по каталогу, м3/с. |
||||
Паромасляные и турбомолекулярные насосы требуют |
дополнительной |
низковакуумной откачки. Выбор дополнительного насоса осуществляется по его требуемому рабочему давлению:
7
p pi |
/, |
|
(10) |
|
i |
в ып |
|
|
|
где pвi ып - максимальное выпускное давление |
паромасляного или |
|||
турбомолекулярного насоса, Па; |
- коэффициент запаса |
(обычно 2). |
Дальнейший расчет проводится согласно формулам (7 – 9).
Определение размеров основных трубопроводов производится по
уравнению:
Uо Sн |
|
Ки |
, |
(11) |
|
К |
|||
1 |
|
|
||
|
|
и |
|
|
где Uo – проводимость всего участка системы от насоса до откачиваемой камеры, м3/с; Sн и Ки – характеристики выбранного насоса.
При расчёте необходимо стремиться к тому, чтобы все элементы участка
(трубопроводы, клапаны, ловушки и т. д.) имели одинаковую проводимость.
Поскольку для последовательно соединенных n элементов общая проводимость
1 |
n |
1 |
|
|
|
k 1 |
, |
(12) |
|||
|
|
||||
Uо |
U k |
то требуемая проводимость любого трубопровода
U n Uо , (13)
где n – общее число элементов на участке от насоса до откачиваемой камеры.
Для трубопровода в общем случае
|
1 |
|
1 |
|
|
1 |
, |
(14) |
||
|
|
|
|
|
||||||
U |
Uв х |
U т |
|
|
|
|||||
где Uв х – проводимость отверстия на |
входе в трубопровод, |
м3/с; U т – |
||||||||
проводимость собственно трубопровода, м3/с. |
|
|
|
|||||||
Для молекулярного режима течения газа проводимость входного |
||||||||||
отверстия |
|
|
|
|
|
|
|
|||
Uв х |
|
91 d |
|
|
, |
(15) |
||||
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
2 / D2 |
|
|||||||
|
|
1 d |
|
|
|
а для вязкостного режима течения газа проводимость входного отверстия
8
|
Uв х |
|
160 d |
, |
(16) |
|
|
|
|||
|
|
d 2 / D2 |
|||
|
1 |
|
|
||
где d – диаметр трубопровода, м; |
D – диаметр откачиваемого объекта, м. |
||||
Для вязкостного режима |
течения проводимость |
входа возрастает на |
несколько порядков. При d D проводимость входного отверстия считается
бесконечно большой. Для предварительной оценки диаметра трубопровода можно считать, что он близок к диаметру входного патрубка насоса dв х .
Проводимость трубопровода для вязкостного и молекулярного течения:
U В 1,36 103 |
d 4 |
p , |
(17) |
|||
|
|
|||||
|
|
l |
|
|
|
|
U М 121 |
d 2 |
|
, |
|
(18) |
|
l |
|
|||||
|
|
|
|
где l и d – длина и диаметр трубопровода соответственно, м; р – среднее давление в трубопроводе, Па (принимается равным рабочему давлению в камере).
Для определения режима течения используется критерий Кнудсена
|
L1 |
|
|
|
Kn |
|
, |
|
(19) |
p dвх |
|
|||
где L1 – средняя длина свободного пробега молекул газа при давлении 1 Па, |
||||
м·Па (для воздуха при комнатной температуре L 7,5 103 |
м Па ). |
|
||
1 |
|
|
||
При Kn 5 10 3 режим является вязкостным, при Кn |
> 1,5 – |
молекулярным, при 5 10 3 Kn 1,5 – молекулярно-вязкостным. Для последнего режима в технологических расчетах
U = 0,9 U М U В . |
(20) |
Величина l определяется конструктивными соображениями. |
Подставив |
выражения (17, 18) в формулу (13), получаем уравнение, которое разрешается относительно d (округляя его до рекомендуемого согласно ГОСТ 18626-73 [4]).
9
Построение эпюры давления в вакуумной системе
При определении давлений необходимо помнить следующее.
1. Общее газовыделение вакуумной системы в стационарном режиме
работы складывается из собственного и технологического газовыделения
|
Q = Qc + Qт . |
(21) |
2. Давление во входном сечении вакуумного насоса |
|
|
|
рni= рnpi Q / Smi , |
(22) |
где pnpi |
и Smi – предельное давление и номинальная быстрота |
откачки |
соответствующего насоса. |
|
|
3. |
Повышение давления на последующих элементах i-го |
участка |
вакуумной системы можно определить по потоку Q и проводимости k-го
элемента Uki |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
pki |
Q /Uki . |
(23) |
|||||
4. |
В местах, где имеются сужения трубопроводов, наблюдаются скачки |
|||||||||
давления |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
pkj Q /Uoj , |
(24) |
||||||
где Uoj – проводимость j-го отверстия. |
|
|
|
|
|
|
||||
5. |
Давления в сечениях между элементами участка вакуумной системы |
|||||||||
можно рассчитать по формуле |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
p |
|
= p |
+ |
Q |
+ |
Q |
. |
(25) |
|
|
ik |
|
|
|||||||
|
|
|
npi |
|
Smi |
U ki |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
||||
6. |
Предельное давление |
pnpi |
может уменьшаться только |
на ловушке. |
Второе слагаемое в выражении (25) постоянно, а третье только возрастает. На ловушке возможно как увеличение, так и снижение давления в зависимости от того, какое из двух слагаемых формулы (25) вносит наиболее существенный вклад в изменение давления.
Примерный график распределения давления между насосом и откачиваемым объектом показан на рис. 3.
10