Книга
← К списку книгЗагрузка разделов…
активнаАктивные записи участвуют в каталоге и синках. Неактивная книга скрыта, но не удалена из базы.
Книга
ББК 31.77я2
В14
УДК [533.5 + 621.52] (035)
Авторы: Е. С. Фролов, В. Е. Минайчев, А. Т. Александрова,И. В. Автономова, К. Е. Демихов, Г. Ф. Ивановский,В. И. Куприянов, Н. К. Никулин, Ю. М. Пустовойт,И. В. Творогов, А. Б. Цейтлин
Рецензент акад. АН СССР Ю. А. Рыжов
Вакуумная техника: Справочник/£. С. Фролов, В. Е. Ми- В14 найчев, А. Т. Александрова и др.: Под общ. ред. Е. С. Фролова, В. Е. Минайчева. — М.:. Машиностроение, 1992.— 480 с.: ил.
ISBN 5-217-01409-1
Справочник содержит основные сведения по теории вакуума, расчету, конструированию *и эксплуатации вакуумных систем и их элементов. Приведены физико-механические характеристики материалов, применяемых для изготовления элементов вакуумных систем. Даны примеры конструктивного выполнения вакуумной аппаратуры, методы ее сборки и отладки, правила эксплуатации. Описаны приборы для измерения давления в вакуумных системах и контроля степени их негерметичности.
Для инженерно-технических работников, занимающихся конструи- и эксплуатацией вакуумных систем.
рованием, производством
в 2210020000-539 038 (01)—92&
ISBN 5-217-01409-1©
ББК 31.77я2
Издательство «Машиностроение», 1985 Е. С. Фролов, В. Е. Минайчев, А. Т. Александрова и др., 1992
ПРЕДИСЛОВИЕ
Развитие практически всех отраслей промышленности связано с иитевсив- иым использованием вакуумной техники в технологических процессах или при проведении физико-технических экспериментов и испытаний.
Во втором издании справочника изложены теоретические основы вакуумной техники, приведены основные сведения из молекулярно-кинетической теории газов. Подробно рассмотрены процессы течения в вакуумных системах и методы определения проводимости их элементов и систем в целом. Приведены физико-механические характеристики различных материалов, используемых в вакуумной технике. Рассмотрены особенности технологических операций (сварки, пайки и др.), применяемых в вакуумной технике. Рекомендации по конструированию вакуумных камер различного назначения и выбору конструктивных элементов можно использовать при их разработке и изготовлении.
Значительное внимание в справочнике уделено изложению основ теории, методов расчета и описанию принципов действия различных вакуумных насосов — механических (поршневых, двухроторных, жидкостио-кольцевых, пластинчато-роторных, плунжерных, турбомолекулярных) и иемехаиических (струйных, электрофизических, крионасосов, сорбционных). Приведены технические характеристики вакуумных насосов различных типов отечествен
ного производства. Описаны приборы и методы измерения в вакуумных системах. Рассмотрены методы масс- спектрометрии и течеискания. Приведены рекомендации по испытанию вакуумных насосов различных типов и назначений.
Наряду с данными по серийно выпускаемым и вновь разработанным конструктивным элементам вакуумных систем приведены характеристики изделий, которые сняты с серийного производства, ио еще долго будут находиться в эксплуатации.
Учитывая быстрое развитие вакуум- вой техники и применение новых конструкционных материалов, составители полагают целесообразным напомнить, что при создании ответственных изделий, систем и их элементов используемые справочные данные должны быть подтверждены, например экспериментальной отработкой.
Включенные в справочник данные соответствуют действующим стандартам по состоянию на 01.06.91 г.
Гл. 1, 8, 15—17 написаны В. Е. Ми- иайчевым, гл. 2, 3 и п. 9.6 — совместно Е. С. Фроловым и Н. К. Никулиным, гл. 4, 5, 7 — А. Т. Александровой, гл. 6 — Ю. М. ПустовоЙтом, п. 9.1 — Е. С. Фроловым, п. 9.2—9.4 — И. В. Автономовой, п. 9,5 — К. Е. Демиховым, гл. 10, 11 — А. Б. Цейтлиным, гл. 12 — Г. Ф. Ивановским, гл. 13 — В. И. Куприяновым, гл. 14 — И. В. Твороговым.
РАЗДЕЛ 1
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВАКУУМНОЙ ТЕХНИКИ
Глава 1. Общие сведения
Понятие вакуума
Вакуумом (от лат. vacuum — пустота) называют состояние газа или пара при давлении ниже атмосферного. Количественной характеристикой вакуума служит абсолютное давление. Вакууму обычно соответствует область давления ниже 10Б Па.
Вакуумная техника — прикладная наука, изучающая проблемы получения н поддержания вакуума, проведения вакуумных измерений, а также вопросы разработки, конструирования и применения вакуумных систем и их функциональных элементов. Разреженные газы по своим свойствам практически не отличаются от идеальных. В технике вакуум создают с помощью вакуумных насосов различных’ принципов действия.
Интенсивность протекания физикохимических процессов в вакууме зависит от соотношения между числом столкновений молекул газа со стенками ограничивающего его сосуда и числом взаимных столкновений молекул, характеризующимся отношением средней длины А свободного пути молекул к характеоному (определяющему) линейному размеру / сосуда; это отношение, называемое чиЛом, Кнудсена Кп, положено в основу условного разделения областей вакуума на следующие диапазоны: низкий, средний, высокий и сверхвысокий.
Степень вакуума в откачиваемых сосудах определяется равновесным давлением, устанавливающимся под действием противоположных процессов — откачки газа насосом и поступления газа в рабочий объем вследствие натекания через неплотности, а также технологического газовыделения.
Низкий вакуум характеризуется давлением газа, при котором средняя длина свободного пути молекул газа значительно меньше характерного ли
нейного размера сосуда, существенного для рассматриваемого процесса (Ас/). Низкому вакууму обычно соответствует область давлений от 10* до 100 Па.
Средний вакуум характеризуется давлением газа, при котором средняя длина свободного пути молекул соизмерима с характерным линейным размером (Хя/). Среднему вакууму обычно соответствует область давлений от 100 до 0,1 Па.
Высокий вакуум характеризуется давлением газа, при котором средняя длина свободного пути молекул значительно превышает характерный линейный размер (А >> Z). Высокому вакууму обычно соответствует область давлений от 0,1 до 10-6 Па.
Сверхвысокий вакуум характеризуется давлением газа, прн котором не происходит заметного изменения свойств поверхности, первоначально свободной от адсорбированного газа, за время, существенное для рабочего процесса. Сверхвысокому вакууму обычно соответствует область давлений менее 10-* Па.
Термины и определения
Основные термины, применяемые в вакуумной технике, соответствуют ГОСТ 5197—85 (СТ СЭВ 4751—84; СТ СЭВ 4839—84; СТ СЭВ 4840—84); ГОСТ 26790—85; ГОСТ 27758—88. Кроме того, приведены термины, широко распространенные в технической литературе.
Общие понятия
Газ — состояние вещества, при котором движение молекул практически не ограничено межмолекулярными силами, и вещество может занимать любое доступное пространство. В вакуумной технике этот термин широко
применяют н к некоиденсирующемуся газу, и к пару.
Давление газа на ограничивающую поверхность — отношение нормальной составляющей силы, действующей со стороны газа на ограничивающую поверхность, к площади этой поверхности.
Давление в определенной точке газового пространства — отношение скорости переноса нормальной составляющей количества движения, которое определяется движением молекул в обоих направлениях через область на воображаемой плоскости, проходящей через рассматриваемую точку, к площади этой области (при наличии потока молекул газа указывают ориентацию плоскости по отношению к вектору этого потока).
Откачка — уменьшение молекулярной концентрации газа при помощи устройств, удаляющих или поглощающих газ.
Время откачки — время, необходимое для уменьшения давления в откачиваемом сосуде до определенного значения насосом конкретного типа или вида.
Остаточный газ — газ, оставшийся в вакуумной системе после откачки.
Предельное остаточное давление — наименьшее давление, которое может быть достигнуто в определенных условиях при использовании конкретных устройств для откачкн.
Форвакуум — вакуум, создаваемый насосом более низкого вакуума при последовательной работе нескольких насосов.
Абсолютное давление газа — давление газа, отсчитываемое от нулевого.
Атмосферное давление — абсолютное давление атмосферы.
Нормальное состояние газа — состояние газа при нормальных условиях: давлении 101 325 Па и температуре 273 К.
Разреженный газ — газ, молекулярная концентрация которого меньше его концентрации при нормальных условиях.
Парциальное давление — давление определенного компонента газовой смеси.
Полное давление — сумма парциальных давлений компонентов газовой смесн.
Количество газа — произведение объема, занимаемого газом, на его давление.
Пар — газ, температура которого ниже критической (газ, который можно перевести в конденсированную фазу только повышением давления).
Насыщенный пар — пар, находящийся в термодинамическом равновесии с одной из конденсированных фаз рассматриваемого вещества прн дайной температуре.
Ненасыщенный пар — пар, давление которого меньше давления насыщенного пара данного вещества при той же температуре.
Степень насыщения — отношение давления пара к давлению насыщенного пара.
Молекулярная концентрация — число молекул газа в единице объема.
Плотность газа — масса единицы объема газа.
Плотность газа, приведенная к единице давления, — отношение плотности газа к его давлению.
Длина свободного пути молекулы — длина пути молекулы между двумя последовательными столкновениями с другими молекулами.
Средняя длина свободного пути молекулы — среднее арифметическое расстояний. которые молекула проходит между двумя последовательными столкновениями с другими молекулами.
Число столкновений в единицу времени — среднее арифметическое столкновений молекулы за единицу времени с другими молекулами.
Эффективная длина свободного пути молекул — отношение средней длины свободного пути молекул к вероятности определенного процесса (явления) в результате одного столкновения (под вероятностью определенного процесса понимают отношение числа столкновений, при которых совершается этот процесс, например ионизация, к числу столкновений за достаточно большой промежуток времени).
Диффузия газа — движение газа в другой среде под влиянием градиента концентраций.
Коэффициент диффузии — отношение абсолютной скорости потока молекул через единицу поверхности к градиенту концентрации при условии,
что поверхность нормальна градиенту.
Течение газа — перемещение газа в трубопроводе под действием разности давлений или температур на его концах.
Вязкостное течение — течение газа в канале при условиях, когда средняя длина свободного пути молекул очень мала по сравнению с наименьшим внутренним поперечным разменом канала.
Ламинарное течение — течение газа, характеризующееся отсутствием перемешивания между соседними слоями.
Турбулентное течение — течение газа, при котором молекулы совершают неустановившиеся беспорядочные движения по сложным траекториям.
Пуазейлевское течение — ламинарное вязкостное течение в длинной трубе круглого сечения.
Молекулярное течение — течение газа в канале при условиях, когда средняя длина свободного пути молекул значительно превышает внутренний поперечный размер канала.
Молекулярно-вязкостное течение — течение газа в канале при условиях, промежуточных между условиями ла- минарного, вязкостного и молекулярного течений.
Эффузионное течение — течение газа через отверстие при условиях, когда наибольший размер отверстия меньше средней длины свободного пути молекул.
Температурная транспирация — течение газа между соединенными сосудами под действием разности температур сосудов, результатом которой является образование •градиента давлений.
Поток молекул — число молекул, проходящих через некоторое сечение в единицу времени.
Результирующий поток молекул —' отношение потока молекул, определяемого разностью между числом молекул, пересекающих поверхность за заданный интервал времени в заданном направлении, и числом молекул, пересекающих эту поверхность в обратном направлении к этому времени.
плотность потока молекул — отношение результирующего потока молекул к площади поверхности, которую он пересекает.
Массовый поток газа — масса газа, пересекающего определенную поверхность за единицу времени.
Объемный поток газа — объем газа при указанных температурах и давлении, пересекающего определенную поверхность за единицу времени.
Молярный поток газа — число молей данного газа, пересекающего определенную поверхность за единицу времени.
Проводимость — отношение потока к разности средних давлений в двух указанных сечениях канала или по обе стороны от отверстия канала в предположении изотермического равновесия.
Молекулярная проводимость — отношение результирующего потока молекул к разности средних чисел молекул в единице объема по обе стороны от отверстия или в двух поперечных сечениях канала.
Сопротивление — величина, обратная проводимости.
Сорбция — поглощение газа пли пара твердым телом или жидкостью (сорбентом) .
Адсорбция — поглощение газа или пара (адсорбата) поверхностью твердого вещества или жидкости (адсорбента).
Абсорбция — поглощение газа (аб- сорбата) объемом твердого тела или жидкости (абсорбента).
Физическая сорбция — сорбция под действием физических сил,- при которой не образуются химические связи.
Хемосорбция — сорбция, при которой образуются химические связи.
Коэффициент аккомодации — отношение средней энергии, реально передаваемой поверхности налетающими частицами, к средней энергии, которая м' жет быть передана поверхности налетающими частицами, если бы они отрывались от поверхности после достижения с нею полного теплового равновесия.
Частота столкновений — отношение числа молекул, сталкивающихся с поверхностью в заданный интервал времени, к этому интервалу времени и площади поверхности.
Скорость конденсации — число молекул, конденсирующихся иа единице площади поверхности в единицу времени.
Скорость прилипания — число молекул, сорбированных иа единице площади поверхности в единицу времени.
Вероятность прилипания — отношение скорости прилипания к частоте столкновений молекул.
Время удержания — среднее время, в течение которого молекулы удерживаются на поверхности в состоянии сорбции.
Миграция — движение молекул на поверхности.
Десорбция — освобождение газов или паров, сорбированных каким- либо материалом.
Газовыделение —- самопроизвольное выделение газа из материала в вакуум.
Обезвоживание — принудительное удаление газа из материала.
Скорость испарения — число молекул вещества, испаряющегося с единицы площади поверхности в единицу времени.
Проницаемость твердой перегородки — отношение потока газа через перегородку к потоку через то же сечение при отсутствии перегородки, являющееся фуикпией давлений по обе стороны от перегородки и ее структуры.
Коэффициент проницаемости — отношение произведения проницаемости иа толщину перегородки к ее площади.
Натекание — проникновение газа из окружающей среды в откачиваемый (откачанный) сосуд.
Вакуумная система ■ ее элементы
Вакуумная система — совокупность взаимосвязанных устройств для создания, повышения и поддержания вакуума, приборов для вакуумных измерений, а также откачиваемых сосудов и связывающих их вакуумных трубопроводов (к устройствам, обеспечивающим действие вакуумной системы, относятся, например, электродвигатель, аккумуляторы, печи).
Вакуумная установка — установка, состоящая из вакуумной системы и устройств, обеспечивающих ее действие.
Вакуумный агрегат — вакуумная установка, конструктивно выполненная как единое целое.
Откачной пост — вакуумная установка, предназначенная для откачки, наполнения и тренировки изделий.
Элемент вакуумной системы — прибор, сборочная единица или деталь, предназначенные для выполнения определенных функций в вакуумной системе (например, иасос, манометрический преобразователь, ловушка и др.).
Условный проход — диаметр проходного сечеиия элемента вакуумной системы, определяющий присоединительные размеры по действующим стандартам.
Откачиваемый сосуд — сосуд, в котором создается вакуум.
Предохранительный баллон — сосуд, предназначенный для предохранения элементов вакуумной системы от попадания в них посторонних тел.
Уравнительный вакуумный баллон — сосуд, предназначенный для выравнивания колебаний давления в вакуумной системе.
Вакуумное защитное устройство — элемент вакуумной системы, предназначенный для быстрого отделения участка вакуумной системы, где произошел прорыв атмосферного воздуха, от остальной ее части.
Вакуумный трубопровод — трубопровод, по которому перемещается разреженный газ в вакуумной системе.
Форвакуумный трубопровод — вакуумный трубопровод, служащий для присоединения к форвакуумному насосу.
Байпасный трубопровод — вакуумный трубопровод, предназначенный для откачки сосуда, минуя высоковакуум- иый насос.
Гребенка — трубка с рядом отростков, предиазиачеииая для присоединения нескольких откачиваемых сосудов.
Вакуумный шлюз — устройство для введения в вакуумную систему или ( удаления из нее различных предметов без нарушения вакуума.
Вакуумный смазочный материал — уплотнитель в виде вязкого вещества С низким давлением пара, применяемый в подвижных соединениях вакуумных систем.
Вакуумная замазка — уплотнитель В виде пластичного вещества с низким давлением пара, применяемый в раз-
борных неподвижных соединениях вакуумной системы, а также для устранения течей.
Шлиф — совокупность двух пришлифованных поверхностей, обеспечивающая герметичное соединение элементов вакуумной системы (шлиф может быть подвижным и неподвижным).
Вакуумный шланг — гибкая не деформирующаяся под действием атмосферного давления трубка, служащая для соединения отдельных элементов вакуумной системы.
Вакуумный клапан — устройство, позволиющее регулировать или полностью перекрывать поступление газа в вакуумную систему.
Вакуумный затвор — вакуумный клапан, позволяющий соединять и разобщать элементы вакуумной системы.
Вакуумный натекатель — напускной вакуумный клапан, предназначенный для напуска и регулирования малых потоков газа.
Напускной вакуумный клапан — вакуумный клапан, предназначенный для напуска воздуха или газа в вакуумную v .систему.
Вакуумный ввод — устройство для переданное вакуумный сосуд механической или электрической энергии.
Выхлопной фильтр — устройство, расположенное на стороне выхода вакуумного насоса с масляным уплотнением и предназначенное для очистки выхлопного газа от масляного тумана.
Ловушка — устройство, в котором парциальное давление компонентов газопаровой смеси понижается механическим, физическим Ачи химическим способом и уменьшается проникновение паров или газов из одной части откачной системы в другую.
Конденсационная вакуумная ловушка — ловушка, действие которой основано на конденсации паров и газов на внутренних охлаждаемых по- нерхиостях (по способу охлаждения различают водяные, азотно-водяные, фреоновые, термоэлектрические и другие конденсационные ловушки, по месту расположения в вакуумной системе — конденсационные форвакуумные и высоковакуумиые ловушки).
Сорбционная вакуумная ловушка — ловушка, действие которой основано
на сорбции паров и газов поверхностью порвстого сорбента (по применяемому сорбенту различают цеолитовые, угольные, силикагелевые и другие сорбционные ловушки, по месту расположения в вакуумной системе — сорбционные форвакуумные и высоко- накуумные ловушки; сорбент может охлаждаться водой, жидким азотом и др.).
Ионная вакуумная ловушка — ловушка, в которой для удаления определенных компонентов газовой смеси используют их ионизацию.
Маслоотделитель — устройство, предназначенное для отделения газа от масла.
Маслоочиститель — устройство, предназначенное для удаления из вакуумного масла загрязняющих примесей.
Оборудование для получения и поддержания вакуума
Вакуумный насос — устройство, пред- иазиачеииое для создания, повышения И (или) поддержания вакуума.
Низковакуумный насос — вакуумный насос, предназначенный для понижения давления в откачиваемом объеме, начиная от атмосферного.
Высоковакуумный насос — вакуумный насос, работающий на ступени самого низкого давления откачной системы, которая состоит из двух или более последовательно соединенных насосов.
Форвакуумный насос — вакуумный насос, предназначенный для поддержания выпускного давления другого насоса.
Бустерный вакуумный насос — вакуумный насос, устанавливаемый между форвакуумным и высоковакуум- иым насосами для увеличения быстроты откачки системы насосов при среднем вакууме либо для оптимизации давления в откачной системе и уменьшения объемного расхода, необходимого для форвакуумного насоса.
Вакуумный насос предварительного разрежения — вакуумный насос, предназначенный для понижения давления в откачиваемом объеме или откачной системе от атмосферного давления до значения, при которой может начать
работу другая откачная система или вакуумный насос.
Одноступенчатый вакуумный насос — вакуумный насос, в котором перепад давлений создается одной рабочей ступенью.
Многоступенчатый вакуумный насос — вакуумный насос, в котором перепад давлений создается последовательно несколькими рабочими ступенями (ступени откачки нумеруют, начиная от ступени, создающей наивысший вакуум).
Механический вакуумный насос — газоперекачивающий вакуумный насос, откачивающее действие которого основано на перемещении газа вследствие механического движения рабочих частей иасоса.
Вакуумный насос объемного действия — механический вакуумный насос, в котором объем, заполненный газом, периодически отсекается от входа, обеспечивай перемещение газа к выходу.
Газобалластный вакуумный насос — вакуумный насос с масляным уплотнением, снабженный устройством для дозированной подачи иекоидеисирую- щегося газа для исключения конденсации откачиваемых паров в насосе.
Поршневой вакуумный насос — вакуумный иасос объемного действия, в котором сжатие и нагнетание газа происходят под действием возвратно-поступательного движения поршня.
Вращательный вакуумный насос — вакуумный иасос объемного действии, в котором сжатие и нагнетание газа осуществляют вращающие поверхности твердого тела.
Пластинчато-роторный вакуумный насос — вращательный вакуумный иасос, в котором эксцентрично установленный ротор вращается тангенциально относительно неподвижной поверхности статора; при этом две или более пластины, скользящие в прорезях ротора и прижимающиеся к внутренней стенке статора, делят камеру статора на полости с изменяющимися объемами.
Пластинчато-статорный вакуумный насос — вращательный вакуумный иасос, в котором эксцентрично установленный ротор вращается, скользя по внутренней стенке статора; при этом пластина, движущаяся относи
тельно статора, прижимается к ротору и делит рабочую камеру на части с изменяющимися объемами.
Плунжерный вакуумный насос — вращательный вакуумный насос, в котором эксцентрично установленный ротор вращается относительно внутренней стенки статора; при этом пластина, жестко закрепленная на роторе, делит рабочую камеру на полости с изменяющимися объемами и скользит в золотнике (плунжере), колеблющемся в соответствующем гнезде статора.
Жидкостно-кольцевой вакуумный насос — вращательный вакуумный иасос, в котором эксцентрично установленный ротор с закрепленными на нем лопатками отбрасывает жидкость к стенке статора; жидкость принимает форму кольца, коицеитричио расположенного относительно статора, и вместе с лопатками ротора образует полости с изменяющимися объемами.
Двухроторный вакуумный насос ^насос Рутса) — вращательный вакуумный насос, рабочая камера в котором два взаимно связанных ротора, по форме напоминающие восьмерки, синхронно вращаются в противоположных направлениях с очень малым зазором, не касаись один другого и стенок камеры.
Трохоидный вакуумный насос — вращательный вакуумный иасос, у которого центр тяжести эллипсообразиого ротора описывает окружность, а рабочая камера иасоса имеет трохоид- иое поперечное сечение.
Кинетический вакуумный насос — механический вакуумный насос, в котором импульс движения передается молекулам газа таким образом, что газ непрерывно перемещается от входа к выходу иасоса (различают струйные насосы, в которых откачка происходит вследствие захвата газа или молекул струей рабочего тела, и вращательные насосы, в которых импульс движения передается молекулам газа движущимися поверхностями иасоса).
Вакуумный турбонасос — кинетический вакуумный иасос, в котором импульс движения передается газу от вращающихся твердых поверхностей.
Молекулярный вакуумный насос — кинетический вакуумный насос, в котором молекулам газа » результате
их соприкосновения с поверхностью высокоскоростного ротора сообщается импульс движения, заставляющий их перемещаться в направлении к выходу насоса.
Турбомолекулярный вакуумный насос — молекулярный вакуумный насос, на валу ротора которого закреплены диски с прорезями или лопатками, которые вращаются между соответствующими дисками статора.
Осевой вакуумный турбонасос — вакуумный турбонасос, в котором импульс движения передается газу вдоль оси вращения.
Центробежный вакуумный турбонасос — вакуумный турбонасос, в котором импульс движения передается газу в радиальном направлении.
Струйный вакуумный насос — газоперекачивающий вакуумный насос, в котором откачка происходит путем захвата газа струей рабочего тела (жидкости, пара или газа).
Эжекторный вакуумный насос — пароструйный низковакуумный насос, в котором происходит турбулентно- вязкостной захват газа струей.
*■-■ Жидкостно-струйный вакуумный насос — струйный вакуумный насос, в котором в качестве рабочего тела используют струю жидкости (обычно воду).
Газоструйный вакуумный насос — струйный вакуумный насос, в котором в качестве рабочего тела используют струю газа.
Пароструйный вакуумный насос — струйный вакуумный насос, в котором в качестве рабочего тута используют струю пара.
Диффузионный вакуумный насос — пароструйный высоковакуумный иасос, в котором захват газа струей происходит за счет диффузии газа в струю.
Самоочищающийся диффузионный вакуумный насос — диффузионный вакуумный насос, в котором летучие примеси не возвращаются в кипятильник, а направляются к выходу.
Фракционный диффузионный вакуумный насос — многоступенчатый вакуумный паромасляиый иасос, из ступени самого низкого давления которого откачивается газ более плотными компонентами рабочего вещества, представляющими собой струю пара
низкого давления, а из ступеней более высокого давления — менее плотными компонентами с более высоким давлением пара.
Д иффузионно-эжекторный вакуумный насос — пароструйный вакуумный насос, в котором ступени или ступеням, имеющим характеристики эжекторного вакуумного иасоса, предшествуют ступень или ступени, имеющие характеристики диффузионного вакуумного иасоса.
Ионный вакуумный насос — кинетический вакуумный иасос, в котором молекулы газа ионизируются, а затем перемещаются к выходу иасоса с помощью электрического и магнитного полей (илн только электрического поля).
Сорбционный вакуумный насос — газоулавливающий вакуумный насос, в котором откачка происходит вследствие сорбции газа.
Адсорбционный вакуумный насос — сорбционный вакуумный иасос, в котором откачка происходит вследствие физической сорбции газа пористым сорбентом при низкой температуре.
Геттерный вакуумный насос — сорбционный вакуумный иасос, в котором откачка происходит преимущественно вследствие хемосорбции газа геттером.
Сублимационный вакуумный насос — геттерный вакуумный иасос, поглощающая поверхность которого обновляется при конденсации на ней термически испаряемого геттера.
Геттерно-ионный вакуумный насос — геттерный вакуумный иасос, в котором наряду с хемосорбцией происходит ноиизацня газа с последующим внедрением ускоренных ионов в поверхность распыленного геттера.
Испарительно-ионный вакуумный насос — геттерно-ионный вакуумный иасос, в котором ноиизироваииый газ направляется к поверхности геттера, получаемой в результате непрерывного или периодического испарения.
Магнитный электро разрядный вакуумный насос — геттерио-иоииый вакуумный иасос, в котором для распыления геттера используют газовый разряд в магнитном поле.
Вакуумный крионасос — конденсационный или сорбционный насос с ра-
бочими поверхностями, охлаждаемыми до сверхнизких температур.
Быстрота откачки вакуумного насоса — объем газа при фиксированном давлении, откачиваемого в единицу времени.
Быстрота действия вакуумного насоса — величина, характеризующаяся быстротой откачки во входном сечении насоса при его работе.
Эффективная быстрота откачки вакуумного насоса — быстрота откачки на конце трубопровода, присоединенного к откачиваемому сосуду.
Производительность вакуумного насоса — поток газа через входное сечение насоса.
Наибольшее давление запуска вакуумного насоса — наибольшее давление во входном сечении вакуумного насоса, при котором насос может начать работать.
Наибольшее выпускное давление вакуумного насоса — наибольшее давление в выходном сечении вакуумного насоса, при котором насос может осуществлять откачку.
Наибольшее рабочее давление вакуумного насоса — наибольшее давление во входном сечении насоса, при котором он длительное время сохраняет номинальную быстроту действия.
Предельное остаточное давление насоса — значение, к которому асимптотически стремится давление в стандартизованном испытательном объеме без выпуска газа при нормально работающем насосе.
Время выхода вакуумного насоса на рабочий режим — время с момента включения насоса до момента, когда ой может начать откачку при рабочем давлении.
Средства для измерениии контроля вакуума
Манометр — прибор для измерения давления или разности давлений.
Вакуумметр — манометр для измерения давления разреженного газа или пара.
Абсолютный вакуумметр — вакуумметр, чувствительность которого одинакова для всех газов и может быть рассчитана по измеряемым физическим величинам.
Дифференциальный вакуумметр — вакуумметр для измерения разности давлений по обе стороны от разделительного чувствительного элемента.
Вакуумметр полного давления — вакуумметр для измерения суммарного давления, оказываемого всеми компонентами газовой смеси.
Измерительный преобразователь давления — первичный измерительный преобразователь, воспринимающий непосредственно измеряемое давление и преобразующий его в другую физическую величину.
Открытый преобразователь давления — преобразователь давления, электродная система которого не имеет герметизированного корпуса и (или) проводимость между центром электродной системы и входным сечением присоединительного патрубка равна или превышает 2-10~2 м3/с.
Закрытый преобразователь давления — преобразователь давления, электродная система которого заключена в герметизированный корпус и проводимость между ее центром и выходным сечением присоединительного патрубка меньше 2-10"2 м3/с.
Измерительный блок вакуумметра — часть вакуумметра, которая предназначена для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем, и содержит блок питания и все электрические цепи, необходимые для работы прибора.
Отсчетное устройство вакуумметра — часть измерительного блока вакуумметра, предназначенного для регистрации значений измеряемого параметра.
Масс-спектрометр — прибор для количественного и (или) качественного определения состава и структуры веществ, изучения физико-химических процессов и явлений по масс-спектрам этих веществ.
Индикатор с разрядной трубкой — прозрачная газоразрядная трубка, позволяющая по цвету и форме свечения разряда определить вид газа и его давление.
Жидкостный вакуумметр — вакуумметр полного давления, действие которого основано на уравновешивании измеряемого давления или раз-
иости давлений давлением столба жидкости.
U-образный вакуумметр — жидкост* иый вакуумметр, состоящий из сообщающихся сосудов, давление в которых определяют по одному нлн нескольким уровням жидкости.
Деформационный вакуумметр — вакуумметр полного давления, действие которого основано на зависимости деформации чувствительного элемента или развиваемой им силы от измеряемого давления.
Мембранный вакуумметр — деформационный вакуумметр, в котором чувствительным элементом ивляется мембрана нлн мембранная коробка.
Компрессионный вакуумметр — жидкостный вакуумметр, в котором для измерения давления разреженного газа последний предварительно сжимается.
Вязкостный вакуумметр — вакуумметр полного давления, действие которого основано на зависимости вязкости разреженного газа от скорости движения в нем твердого тела и измеряемого давления.
Тепловой вакуумметр — вакуумметр полного, давления, действие которого основано на зависимости теплопроводности разреженного газа от давления.
Термопарный вакуумметр — тепловой вакуумметр, в котором использована зависимость электродвижущей силы термопары от измеряемого давления.
Вакуумметр сопротивления — тепловой вакуумметр, действие которого основано на зависимости электрического сопротивления нагреваемого током элемента от давления газа.
Термомолекулярный вакуумметр — вакуумметр полного давления, действие которого основано на передаче чувствительному элементу суммарного импульса молекул газа, отражающихся от поверхностей с различными температурами.
Ионизационный вакуумметр — вакуумметр полного давления, действие которого основано на зависимости ионного тока, возникшего в газе в результате ионизации молекул разреженного газа, от давления.
Радиоизотопный ионизационный вакуумметр — ионизационный вакуум
метр, в котором для ионизации газа применяют излучение радиоактивных источников.
Магнитный злектроразрядный вакуумметр — ионизационный вакуумметр, действие которого основано на зависимости ионного тока электрического разряда в магнитном поле от измеряемого давления.
Вакуумметр Пеннинга — магнитный злектроразрядный вакуумметр, в преобразователе которого один из электродов состоит из двух соединенных между собой пластин, а другой (обычно аиод) помещен между ними и имеет форму замкнутой рамки; при этом направление магнитного поля перпендикулярно плоскости анодной рамки.
Электронный ионизационный вакуумметр — ионизационный вакуумметр, в преобразователе которого газ ионизируется электронами, ускоряемыми электрическим полем.
Электронный ионизационный вакуумметр с осевым коллектором — электронный ионизационный вакуумметр с уменьшенным фоновым давлением благодаря использованию в качестве коллектора иоиов тонкой проволоки, помещенной соосно с цилиндрической сеткой, и укрепленного снаружи сетки катода.
Экстракторный вакуумметр — электронный ионизационный вакуумметр, в преобразователе которого фоновой ток уменьшен использованием в качестве коллектора ионов короткой и тонкой проволоки, находящейся на оси анода и выведенной из области ионизации.
Электронный ионизационный вакуумметр с магнитным полем — электронный ионизационный вакуумметр, преобразователь давления которого представляет собой цилиндрический магнетрон, в котором под действием магнитного поля увеличены траектория электронов и число образующихся ионов.
Радиочастотный масс-спектрометр — масс-спектрометр, в котором ионы разделяются в радиочастотном продольном электрическом поле, образованном последовательно расположенными сетчатыми электродами (радиочастотными каскадами); при этом
к коллектору проходят только иоиы, ускоренные в радиочастотных каскадах.
Квадрупольный масс-спектрометр — масс-спектрометр, в котором ноны разделяются в высокочастотном электрическом поле анализатора, образованного четырьмя параллельными цилиндрическими электродами.
Монополярный масс-спектрометр — масс-спектрометр, в котором иоиы разделяются в высокочастотном электрическом поле анализатора, состоящего из двух электродов.
Масс-спектрометр с магнитным отклонением — масс-спектрометр, в котором ускоренные иоиы, имеющие разные массы, под действием магнитного поля движутся по различным круговым траекториям.
Циклоидальный масс-спектрометр — масс-спектрометр, в котором иоиы разделяются скрещенными электрическим и магнитным полями, в которых они следуют по различным циклоидным траекториям, в результате чего иоиы фокусируются в разных точках в зависимости от отношения массы
к заряду.
Омегатронный масс-спектрометр — масс-спектрометр, в котором иоиы разделяются при движении по спиральным траекториям, в радиочастотном электрическом и постоянном магнитном полях, перпендикулярных одно другому.
Времяпролетный масс-спектрометр — масс-спектрометр, в котором газ Ионизируется электронным пучком с импульсной модуляцией, и ускоряющиеся в пространстве дрейфа иоиы разделяются по времени прибытия иа коллектор в зависимости от отношения массы иоиа к.заряду.
Диапазон измерений вакуумметра — область давлений, в который нормированы допускаемые погрешности измерений.
Чувствительность вакуумметра — отношение изменения сигнала иа выходе вакуумметра к вызывающему его изменению давления.
Эквивалентное азотное давление — давление чистого азота, которое давало бы показание вакуумметра, равное показанию, вызванному воздействующим на него газом.
Фоновое давление вакуумметра — ус-
ловиое давление чистого азота, соответствующее такому же показанию ионизационного вакуумметра, как при остаточном токе, независящем от давления.
Техника течеискания
Герметичность — свойство изделия или его элементов, исключающее про- иикиовеиие через них газообразных и (или) жидких веществ.
/ Течь — канал или пористый участок изделия или его элементов, нарушающий их герметичность.
Степень негерметичности изделия — характеристика герметизированного изделия, определяемая суммарным расходом вещества через течи.
Норма герметичности изделия — наибольший суммарный расход вещества через течи герметизированного изделия, обеспечивающий его работоспособное состояние и установленный нормативно-технической документацией.
Натекание — проникновение вещества через течи внутрь герметизированного изделия под действием перепада полного или парциального давления.
Утечка — проникновение вещества из герметизированного изделия через течи под действием перепада полного или парциального давления.
Течеискание — процесс обнаружения течей.
Техника течеискания — область техники выявления нарушений герметичности, связанных с наличием течей.
Локализация течи — выделение ие- герметичиого участка и (или) определение места расположения течи.
Перекрытие течи — прекращение или уменьшение потока вещества через течь вследствие ее закупорки или деформации.
Контроль герметичности — технический контроль с целью установления Соответствия изделия норме герметичности.
Рабочее вещество — вещество, заполняющее герметизированное изделие при эксплуатации или хранении.
Пробное вещество — вещество, проникновение которого через течь обнаруживают при течеискаиии.
Контрольная среда — среда, содержащая определенное количество пробного вещества.
Балластное вещество — вещество, используемое для повышения полного давления с целью увеличения расхода пробного вещества через течь.
Индикаторное средство — индикатор, содержащий индикаторное вещество, его носитель ч (или) технологические добавки.
Вещество-носитель — вещество, используемое для транспортирования пробного вещества к индикаторному средству.
Индикаторное вещество — вещество, в результате взаимодействия которого с пробным веществом формируется сигнал о наличии течи.
Опрессовка — выдержка изделия под избыточным давлением при течеиска- иии н (или) подготовке к нему.
Течеискатель — прибор или устройство для обнаружения течей.
Масс-спектрометрический течеискатель — течеискатель, действие которого основано на обнаружении пробного вещества разделением его иоиов по отношениям их массы к заряду.
Галогенный течеискатель — течеискатель, действие которого основано на обнаружении галогеносодержащего пробного вещества по увеличению эмиссии положительных иоиов нагретой металлической поверхностью.
Катарометрический течеискатель— течеискатель, действие которого основано на регистрации изменения теплопроводности газовой среды при поступлении в нее пробного вещества.
Электронно-захватный течеискатель — течеискатель, действие которого основано на обнаружении пробных веществ, склонных к образованию отрицательных ионов.
Манометрический течеискатель — течеискатель, действие которого основано на регистрации изменения давления.
Электроразрядный течеискатель — течеискатель, действие которого основано на обнаружении течи по возбуждению разряда или изменению его характеристик.
Радиоактивный течеискатель — течеискатель, действие которого основано на регистрации интенсивности излучения радиоактивного вещества.
Акустический течеискатель — течеискатель, действие которого основано
иа регистрации упругих колебаний, возбуждаемых при перетекании веществ через течи в герметизированном изделии (при регистрации упругих колебаний ультразвукового диапазона допустимо применение термина «ультразвуковой»).
Калиброванная течь — устройство, воспроизводящее определенный расход вещества через течь.
Обдуватель — устройство для создания струи пробного газа или контрольной среды и подачи ее иа поверхность герметизированного изделия при течеискаиии.
Щуп течеискателя — устройство для сканирования поверхности герметизированного изделия при течеискаиии.
Чувствительность течеискателя — отношение изменения сигнала течеискателя к вызывающему его изменению расхода пробного вещества через течи.
Порог чувствительности течеискателя — наименьший расход пробного вещества или наименьшее изменение давления, регистрируемые тече- искателем.
Постоянная времени натекания — произведение объема изделия на отношение разности давлений по обе стороны от течи к расходу вещества через течь.
1.8, Условные проходы элементоввакуумных систем
Номинальные условные проходы установлены ГОСТ 18626—73 (СТ СЭВ 1078—78), который распространяется иа элементы вакуумного оборудования и вакуумных систем, работающих в диапазоне давлений от 10s до 10"5 Па.
Номинальные условные проходы для средств получения вакуума (насосы, агрегаты, ...), элементов вакуумных систем (клапаны, ловушки, нате- катели, ...) и фланцевых соединений манометрических преобразователей, вакуумных вводов должны соответствовать ряду нормальных линейных размеров Ra5 по ГОСТ 6636—69 (СТ СЭВ 514—77): 10; 16; 25; 40; 63; 100; 160; 250; 400; 630; 1000; 1600; 2500; 4000; 6300 мм.
Пример обозначения условного прохода 100 мм: Dy100.
Для специальных технологических конструкций вакуумных установок, систем (например, фланцевых, штуцерных соединений и элементов трубопроводов) допускается применять номинальные условные проходы ряда RalO: 8; 12; 20; 32; 50; 80; 125; 200; 320; 500; 800; 1250; 3150; 5000 мм.
Принципиальныевакуумные схемы
Правила выполнения принципиальных вакуумных схем регламентированы ГОСТ 2.797—81 (СТ СЭВ 2517—80). На принципиальной схеме изображают все вакуумные элементы или устройства, необходимые для реализации и контроля в установке заданных вакуумных процессов, и все вакуумные связи между ними.
Элементы и устройства на принципиальной вакуумной схеме изображают с помощью условных графических обозначений в соответствии с ГОСТ 2.721—74, ГОСТ 2.784—70, ГОСТ 2.785—70, ГОСТ 2.787—71, ГОСТ 2.796—81, ГОСТ 2.797—81 (табл. 1.1).
Размеры основных графических обозначений элементов по схемам вакуумных систем приведены в табл. 1.2. Вакуумные связи изображают с помощью линий связи, трубопроводы на схеме показывают сплошными основными линиями, независимо от функционального назначения.
Каждый элемент (устройство) вакуумной системы, изображенный на схеме, должен иметь буквенно-цифровое позиционное обозначение, состоящее из буквенного обозначения (кода), соответствующего виду элемента, и порядкового номера, проставляемого после буквенного кода. Буквенный код элемента (устройства) должен включать одну прописную букву (общий буквенный код — обязательный) или несколько прописных букв латинского алфавита. Первая буква кода элемента (общий буквенный код) должна соответствовать виду группы элементов, к которой принадлежит данный элемент (например, клапан тарельча- ™й VT принадлежит к клапанам вида V).
Буквенные коды наиболее распространенных видов элементов (уст
ройств приведены ниже:
Устройство (общее обозначение) А
Насос вакуумный: механическийNI
вращательный объемный без газобалласта NV
вращательный объемный газобалластный NL
двухроторный (насос Рутса) NZ 'турбомолекуляриый . . . . NR водокольцевой ....... NW струйныйNB
эжекторныйNH
диффузионныйvND
сорбционныйNS
адсорбционныйNA
испарительный геттерный. . NG криосорбционныйNC
испарительный ионный. . . NE магнитный электроразрядный NM криогенныйNK
комбинированныйNP
Ловушка (отражатель): охлаждаемая циркуляцией жидкостиBW
охлаждаемая воздухом . . . ВА охлаждаемая жидкостью, заливаемой в резервуар..BL
термоэлектрическая....ВТ
сорбционная BS
ионная BE
Вакуумметр: деформационныйPD
жидкостный PL
ионизационныйРА
магнитный электроразряд- иый РМ
тепловойРТ
Течеискатель G
Масс-спектрометр S
Камера: вакуумная CV
колпак вакуумный....CN
прогреваемая часть вакуумной системы СТ
Вентиль, клапан, затвор: тарельчатый (дисковый)..VT
р егули р овочн ы й,дознр у-
ющийVF
с ручным приводом....УП
с дистанционным управлением VA
с пневмо- или гидроприводомVP
с электромагнитным приводом VE
с электроприводом....VM
Элемент вакуумной схемы
Насос вакуумный. Общее назначение
Примечание. Стрелки можно не изображать, если это не приведет к неправильному пониманию обозначения
Насос вакуумный механический:
а — общее назначение
б — вращательный объемный (пластинчато-роторный, пластинчатостаторный, плунжерный) без газо- балласта и газобалластный
в — двухроторный (иасос Рутса)
г — турбомолекулярный д — водокольцевой
е — вращательный объемный, трехступенчатый
*■ Насос вакуумный струйный:
а — о^щее обозначение
б — эжекторный
в — диффузионный
Примечание. Вместо знака х можно указывать химическую формулу жидкости (например, вода — Н2О, масло — СН, ртуть — Hg и др.)
«
Насос вакуумный сорбционный:
а — общее обозначение
б — адсорбционный
в — испарительный геттерный
е— криосорбцнонный
д — испарительный ионный
« — магнитный электроразрядный ж — криогенный
е — комбинированный (комбинации геттерного и магнитного элек- троразрядного насосов, размещенных в едином корпусе)
Примечание. Вместо знака х можно указывать химическую формулу сорбента
Таблица 1.1
Условное графическое изображение
Элемент вакуумной схемы
Ловушка (отражатель):
а — общее обозначение
б — охлаждаемая циркулирующей жидкостью
в — охлаждаемая воздухом
г — охлаждаемая жидкостью, заливаемой в резервуар
д — термоэлектрическая
е — сорбционная
ж — ионная
Примечание. Вместо знака х можно указывать температуру охлаждаемой поверхности
Вакуумметр:
а — общее обозначение
б — деформационный
С — жидкостный
е — ионизационный
д — магнитный электроразрядный е — тепловой
Течейскатель
Масс-спектр ометр
Камера вакуумная:
а — общее обозначение
б — колпак вакуумный
в — прогреваемая часть вакуумной системы
Продолжение табл. 1.1
Условное графическое изображение
Вакуумная камера
8)
Продолжение табл. 1.1
Элемент вакуумной схемы
Условное графическое изображение
Сосуд Дьюара:
а — открытые
б — закрытый
J Q в!Я
Трубопровод вакуумный
Примечание. Направление газового потока при откачке в случае необходимости показывают стрелкой
>
Соединение вакуумных трубопроводов:
а — общее обозначение
б — неразъемное (сварное, паяное, за вальцованное)
14" j_ + а)5)
Соединение элементов вакуумных трубопроводов разъемное:
а —^общее обозначение
б — фланцевое
в — штуцерное
г — муфтовое эластичное
—1—
8)
—и—
6)
-ь-
6)
•
Перекрещивание вакуумных трубопроводов (без соединении)
Конец вакуумного трубопровода под разъемное соединение:
а — общее обозначение
б — фланцевое
в — штуцерное
г — муфтовое эластичное
8)'
г)
Продолжение табл. 1.1
Элемент вакуумной схемы
Условное графическое изображение
Конец вакуумного трубопровода с заглушкой (пробкой):
а — общее обозначение
б — фланцевый
е — штуцерный
Детали соединений вакуумных трубопроводов:
а — тройники
б — крестовины в — колена, отводы г — гребенка
д — шланг вакуумный
е — компенсатор сильфонный ж — патрубки со штуцерным и фланцевым соединениями
Примечания: 1. При обозначении конструктивного оформления соединения элементов вакуумного трубопровода с сопрягаемыми деталями следует пользоваться обозначениями, принятыми для разъемных соединений.
2. Обозначения элементов допустимо изображать в соответствии с их действительной конфигурацией (см., например, вариант ас)
Вентиль, клапан:
а — проходной
6 — угловой
в — с задвижкой
г — трехходовой
5 — дроссельный
е — предохранительный
ж — запорный быстродействующий на открытие
з — запорный быстродействующий на закрытие
Затвор поворотный
а)
—й
6)
Таблица 1.2Таблица 1.2Элемент вакуумной схемыУсловное графическое изображениеКрай:* а — проходнойб — угловойв — трехходовой6)Натекатель, клапан регулирующийЭлемент вакуумной схемыУсловное графическое изображениеКрай:* а — проходнойб — угловойв — трехходовой6)Натекатель, клапан регулирующийПродолжение табл. 1.1Продолжение табл. 1.1ЭлементвакуумнойсхемыЭлементвакуумнойсхемыНасосвращатель-ныйобъемныйНасосвращатель-ныйобъемныйНасосэжекторныйНасосэжекторныйОбозначениеОбозначениеРнс. 1.1. Пример выполнения прннцнннально* вакуумной схемыРнс. 1.1. Пример выполнения прннцнннально* вакуумной схемыМанометр.ОбщееобозначениеМанометр.ОбщееобозначениеПрогреваемая часть вакуумной системыПрогреваемая часть вакуумной системыПримечание. Размер о следует выбирать из ряда 14; 20; 28; 40; 56 мм. Размер h должен быть не менее 1,5 мм.Примечание. Размер о следует выбирать из ряда 14; 20; 28; 40; 56 мм. Размер h должен быть не менее 1,5 мм.Насос 'диффузион-ныйНасос 'диффузион-ныйЛовушка(отражатель)с резервуа-ромЛовушка(отражатель)с резервуа-ром
Таблица 1.2
Таблица 1.2
Элемент вакуумной схемы
Условное графическое изображение
Край:
* а — проходной
б — угловой
в — трехходовой
6)
Натекатель, клапан регулирующий
Элемент вакуумной схемы
Условное графическое изображение
Край:
* а — проходной
б — угловой
в — трехходовой
6)
Натекатель, клапан регулирующий
Продолжение табл. 1.1
Продолжение табл. 1.1
Элементвакуумнойсхемы
Элементвакуумнойсхемы
Насосвращатель-ныйобъемный
Насосвращатель-ныйобъемный
Насосэжекторный
Насосэжекторный
Обозначение
Обозначение
Рнс. 1.1. Пример выполнения прннцнннально* вакуумной схемы
Рнс. 1.1. Пример выполнения прннцнннально* вакуумной схемы
Манометр.
Общееобозначение
Манометр.
Общееобозначение
Прогреваемая часть вакуумной системы
Прогреваемая часть вакуумной системы
Примечание. Размер о следует выбирать из ряда 14; 20; 28; 40; 56 мм. Размер h должен быть не менее 1,5 мм.
Примечание. Размер о следует выбирать из ряда 14; 20; 28; 40; 56 мм. Размер h должен быть не менее 1,5 мм.
Насос 'диффузион-ный
Насос 'диффузион-ный
Ловушка(отражатель)с резервуа-ром
Ловушка(отражатель)с резервуа-ром
Шайба дроссельная, сужающее устройство расходомериое (диафрагма)
Порядковый номер буквенно-цифрового позиционного обозначения элемента (устройства) записывают арабскими цифрами. Порядковые номера присваивают элементам в соответствия с последовательностью расположения
элементов или устройств на схеме сверху вниз в направлении слева направо.
Позиционные обозначения проставляют на схеме справа от условного графического обозначения элементов
и (или) устройств или над ним (рис. 1.1).
Единицы физических величин
С 1 января 1980 г. в СССР действует основополагающий стандарт ГОСТ 8.417—81 (СТ СЭВ 1052—78), устанавливающий обязательное применение Международной системы единиц (СИ), а также ряда внесистемных единиц, ие входящих в СИ, но временно допускаемых к применению.
В табл. 1.3 приведены основные, дополнительные и наиболее часто применяемые производные единицы СИ, внесистемные единицы, допускаемые к применению наравне с единицами СИ, в табл. 1.4 — множители и приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц.
Соотношение единиц давленияи потока газа
За единицу давления в вакуумной технике в СИ принят паскаль (ньютон на квадратный метр). В зарубежной литературе широко используют миллибар, а также мм рт. ст. (торр). Коэффициенты перевода единиц давления приведены в табл. 1.5. Для быстрого приближенного определения переводных коэффициентов удобно пользоваться графическим изображением масштабных шкал (рис. 1.2).
За единицу газового потока принят Па-м’-с-1. Эту единицу называют ваттом, так как она идентична ему с точки зрения размерного анализа. Коэффициенты перевода единиц потока газа приведены в табл. 1.6.
Состав атмосферного воздуха
В табл. 1.7 приведены объемный и массовый составы атмосферного воздуха, а также парциальные давления его компонентов на уровне моря при Т — 298 К и относительной влажности 50%.
Состав атмосферы Земли иа различной высоте от ее поверхности ие является однородным как в химическом отношении, так и по физическому состоянию (молекулы, атомы, ионы). Характеристика атмосферы Земли.приведена в табл. 1.8 [9].
Параметр
Единица
Выражение через основные и дополнительные единицы СИ нли соотношение с единицей СИ
Наимеио- ванне
Обозначение
международное
русское
Основные
единицы
Длина
метр
m
M
Масса
килограмм
kg
КГ
Время
секунда
s
c
—
Сила электрического тока
ампер
А
A
—
Термодинамическая тем-
кельвии
К
К
—
пература
Количество вещества
моль
mol
МОЛЬ
Сила света
кандела
cd
кд
—
Дополнительные единицы
Плоский угол
радиан
rad
рад
Телесный угол
стерадиан
sr
ср
Производные единицы
Частота
герц
Hz
Гц
с-1
Сила
ньютон
N
Н
м•кг•с~*
Давление
паскаль
Pa
Па
м^-кг-с-2
Энергия
джоуль
J
Дж
м2-кг-с~2
Мощность
ватт
W
Вт
м2-кг-с-8
Количество электричества
кулон
C
Кл
с- А
Электрическое напряже-
вольт
V
В
м2 • кг • с-8 • А-1
ние г
Электрическая емкость
фарад
F
Ф
м~2-кг-1-с4-А2
Электрическое сопротив-
ОМ
Q
Ом
м2 • кг • с-8 • А-2
ление
Электрическая проводи-
сименс
S
См
м^-кг^-с3-А2
мость
Поток магнитной иидук-
вебер
Wb
Вб
м2-кг-с~2-А-1
ции
Магнитная индукция
тесла
T
Тл
кг-с^-а"1
Индуктивность
геири
H
Гн
м2-Кг-с“2-а"2
Световой поток •
люм ей
Im
лм
кд-ср
Освещен и ость
люкс
lx
лк
м-2-кд-ср
Внесистемные единицы
Масса
атомная
u
а. е. м.
1,66057-10-” кг
единица массы
(приблизительно)
Время
минута
min
мни
60 с
час
h
ч
3600 с
Объем, вместимость
сутки
d
сут
86 400 с
литр
1
л
10-3 M8
Энергия
электрон-
eV
эВ
1,60219-10-» Дж
Давление
вольт
(приблизительно)
бар
bar
бар
106 Па
Частота вращения
оборот
r/s
об/с
1 с-1
в секунду оборот
r/min
об/мин
0,016 с"1
в минуту
Таблица 1.3
Множитель
Приставка
Наименование
Обозначение
русское
международное
10“
экса
Э
Е
10“
пета
П
Р
ю12
тера
т
Т
10е
гига
г
G
10е
мега
м
М
103
кило
к
к
102 .
(гекто)
г
h
ю1
(дека)
да
da
10-1
(деци)
Д
d
10-2
(санти)
С
С
10-8
милли
м
m
10-е
микро
мк
и
10"»
нано
н
n
10"“
ПИКО
п
р
10-“
фемто
ф
f
10"“
атто
а
а
Таблица 1.4
Примечание. В скобках указаны приставки, которые допускается применять только в наименованиях кратных и дольных единиц, получивших широкое распространение (например, гектар, декалитр, дециметр, сантиметр).
На расстоянии от поверхности Земли приблизительно 60 км газ состоит из нейтральных молекул. При дальнейшем увеличении расстояния возрастает концентрация электронов и ионов, а на расстоянии более 1000 км
газ состоит преимущественно из атомов. При удалении на несколько тысяч километров газовые частицы в основном ионизированы. С изменением по высоте давления и состава, атмосферы меняются также ее температура и плотность.
1.8. Некоторые физические константы
ЧислоАвогадроNa = 6.022Х
X 1023 моль"1.
ЧислоЛошмидтаNe = 2,687Х
X 1025 м~а.
Постоянная Больцмана k = 1.380Х ХЮ-23 Дж-К”1.
ПостояннаяСтефана—Больцмана
о = 5,670.10-8 Вт-м~2-К~4-
Объем одного моля идеального газа при нормальных условиях Ущ = = 22,4- 10“8-моль-1.
Универсальная газовая постоянная R = 8,314 Дж-моль-1. К""1.
Заряд электрона е = 1,602-10~16 К».
Масса покоя электрона те = 9.109Х X 10-31 кг.
Удельный заряд электрона qe =. = 1,76-1011 Кл-кг'1.
Масса покоя протона тр = 1.672Х ХЮ’27 кг.
Отношение масс покоя протона и электрона тр1те = 1836,151.
Скорость света в вакууме с = 2,997Х X 108 м-с-1.
Атомная единица массы а.е.м. = = 1,660-10-2’ кг.
Постоянная Планка h = 6,626Х ХЮ"34 Дж-с.
Число молекул в объеме 1 см3 при нормальных условиях л = 2,687-10*»,.
Рис. 1.2. Шкала перевода единиц давления
Единица
Па
Мбар
мм рт. ст.
атм
Па
Мбар мм рт. ст. 4тм
1
10а
1,33-10“ 1,01-10®
10-» 1
1,33 1,01-10®
7,5-10~8 0,75 1 760
9,87-10-’ 9,87-10-* 1,32-1 О*8 1
Таблица 1.5
Единица
Па. м*. с"1
Па. л. с-*
мбар- л- (Г1
мм рт. ст., л. с"1
атм- см*. е-1
Па-м3-с“1
1
108
10
7,5
9,87
Па • л • с-1
10“8
1
10-8
7,5-10-8
9,87-10-8
мбар-л-с-1
0,1
ю8
1
0,75
0,987
мм рт. ст.-л-с-1
0,133
1,33-108
1,33
1
1,32
атм-см3-с-1
0,101
1,01.10*
1,01
0,76
1
Таблица 1.6
Высота, км
Давление, Па
Число частиц в 1 см* объема
Состав
0
10е
2,5-101»
Na; Оа;
Аг
11
2,4-10*
4,5-10“
20
5,6-10®
2-10“
n2>
Оа(О3);
30
108
4-101’
46
10*
3.10“
64
10х
10“
Na; Оа;
79
10°
101*
Аг
102
10~18
10х8
Ма; О,; О
200
io-*
10х®
Na; N;
О; О*
800
10^’
10"
О; О+; Н
6500
10-ю
10s
Н; Н*
Выше 22 000
10-и
10х—10
Н*; Не8*
Таблица 1.8
-1.О—
-05-
‘ -2'\ О—
;Алюминий Ч
zЛатунь--
"-3Платина
-10
-15 20
рТ. г/сн3
+05-
+1.0—
К-Ю^мг
Рис. 1.3. Номограмма для определенияпоправочного коэффициента А иа 1 гмассы тела
Газ (пар)Доля, %Парциальное давление, ПаобъемнаямассоваяАзот78,175,57,9-10*Кислород21,023,121,0-10*Аргон0,931,289,4-10"Диоксид углерода •33-10'а50-10'23,33-108Неон1,8-10'81.210-81,83Гелий5-10"*7,2- IO'65,5-10-1Метан2-10'*в-Ю'62-10-1Криптон1,1.10'*3,2-10-*1,1-io-1Водород5-10'63-10-“5,1 10-8Гемноксид5-10'68-10~в5,35-10-»КсенонЭДО'64■10"69,1-10-®Озон7-10-“12-10-*7,110-*Водяной пар 11,61.016-102Газ (пар)Доля, %Парциальное давление, ПаобъемнаямассоваяАзот78,175,57,9-10*Кислород21,023,121,0-10*Аргон0,931,289,4-10"Диоксид углерода •33-10'а50-10'23,33-108Неон1,8-10'81.210-81,83Гелий5-10"*7,2- IO'65,5-10-1Метан2-10'*в-Ю'62-10-1Криптон1,1.10'*3,2-10-*1,1-io-1Водород5-10'63-10-“5,1 10-8Гемноксид5-10'68-10~в5,35-10-»КсенонЭДО'64■10"69,1-10-®Озон7-10-“12-10-*7,110-*Водяной пар 11,61.016-102Таблица 1.7Таблица 1.7tt1 Атмосферный воздух может иметь более высокую влажность, а также содержать до 0,1314% диоксида углерода и до 2-IO-8 % метана, что приводит к некоторому количественному перераспределению составляющих воздушной среды.1 Атмосферный воздух может иметь более высокую влажность, а также содержать до 0,1314% диоксида углерода и до 2-IO-8 % метана, что приводит к некоторому количественному перераспределению составляющих воздушной среды.
Газ (пар)
Доля, %
Парциальное давление, Па
объемная
массовая
Азот
78,1
75,5
7,9-10*
Кислород
21,0
23,1
21,0-10*
Аргон
0,93
1,28
9,4-10"
Диоксид углерода •
33-10'а
50-10'2
3,33-108
Неон
1,8-10'8
1.210-8
1,83
Гелий
5-10"*
7,2- IO'6
5,5-10-1
Метан
2-10'*
в-Ю'6
2-10-1
Криптон
1,1.10'*
3,2-10-*
1,1-io-1
Водород
5-10'6
3-10-“
5,1 10-8
Гемноксид
5-10'6
8-10~в
5,35-10-»
Ксенон
ЭДО'6
4■10"6
9,1-10-®
Озон
7-10-“
12-10-*
7,110-*
Водяной пар 1
1,6
1.0
16-102
Газ (пар)
Доля, %
Парциальное давление, Па
объемная
массовая
Азот
78,1
75,5
7,9-10*
Кислород
21,0
23,1
21,0-10*
Аргон
0,93
1,28
9,4-10"
Диоксид углерода •
33-10'а
50-10'2
3,33-108
Неон
1,8-10'8
1.210-8
1,83
Гелий
5-10"*
7,2- IO'6
5,5-10-1
Метан
2-10'*
в-Ю'6
2-10-1
Криптон
1,1.10'*
3,2-10-*
1,1-io-1
Водород
5-10'6
3-10-“
5,1 10-8
Гемноксид
5-10'6
8-10~в
5,35-10-»
Ксенон
ЭДО'6
4■10"6
9,1-10-®
Озон
7-10-“
12-10-*
7,110-*
Водяной пар 1
1,6
1.0
16-102
Таблица 1.7
Таблица 1.7
t
t
1 Атмосферный воздух может иметь более высокую влажность, а также содержать до 0,1314% диоксида углерода и до 2-IO-8 % метана, что приводит к некоторому количественному перераспределению составляющих воздушной среды.
1 Атмосферный воздух может иметь более высокую влажность, а также содержать до 0,1314% диоксида углерода и до 2-IO-8 % метана, что приводит к некоторому количественному перераспределению составляющих воздушной среды.
Приведение массы телав атмосфере к массе тела в вакууме
При проведении точных экспериментальных работ, связанных с измерением массы тел, следует учитывать поправку на «потерю» массы тела в воздухе.
Действительная масса тела тл в вакууме при взвешивании на воздухе связана с кажущейся массой тв соотношением
"^"гД1 +Рв (РД-РД)], где рн = 0,001205 г/см8 — плотность сухого воздуха при нормальных условиях; рт — плотность взвешиваемого тела; рр — плотность материала разновеса (для латунных и хромоникелевых гирь рр — 8,40 г/см8, алюминиевых рр = 2,70 г/см3, для гирь из коррозионно-стойкой стали рп = = 8 г/см3).Р
Поправочный коэффициент иа потерю массы тела в воздухе
* = рй (рД-рД).
Для быстрого и приближенного определения действительной массы можно
пользоваться номограммой (рис. 1.3) [51 ].
Пример. Для вещества плотностью Рт = = 1,4 г/см*, взвешенного на весах с алюминиевыми гирями, на 1 г показаний должна быть сделана поправка + 0,42 мг.
Газокинетические параметры
При практических инженерных рас-' четах параметров газов по соотношениям молекулярно-кинетической теории за исходные данные можно принимать ориентировочные газокинетические параметры некоторых наиболее распространенных в технике газов (табл. 1.9). Эти данные соответствуют температуре 298 К и давлению 0,1 МПа.
Основные области применения вакуумной технологии
Вакуумную технологию впервые использовали в промышленных масштабах в производстве ламп накаливания, а затем и электровакуумных радиоламп.
Особенности протекания физических и физико-химических процессов в ва-
Газ
ч >>
Я. О •е-
X
Я
31
X
У у У Ч X О ^ 2
S
х Я ®* У я 5
О „ У *~^ S 5 ®Т у ' £ о 5
О У X
5 to ч О >.
У 5
= 8
X 5 ч
к с у
У 2° я о ~ U К-»
о*® В о
§5
у ё з У £ X « X <3 У У X ч
и * S
О 6 ч X ч О S
5
® « X 1 * я о ° с т-и D
>» X m X К V s £ X н V Ч X * $ § ° к ^
- >. с ||
5 §
9 о «а
2 s о
о® X to о з У О X з ч . X я
уч о° “$ Ч~ с у 2 $ ч
х s
1
8 ч к
Азот
N,
474
5,92
7,97
3,70
4,015
0,81
1,251
Аргон
Аг
397
6,67
5,7
3,67
3,363
0,85
1,783
Водород
н,
1770
12.20
14,45
2,75
14,97
1,52
0,089
Воздух
467
6,69
6,98
3,74
3,95
0,82
1,293
Гелий
Не
1256
19,36
7,16
2,18
10,63
2,41
0,178
Диоксид углерода
СО,
378
4,40
8,61
4,65
3,204
0,53
1,429
Кислород
о,
444
7,10
6,26
3,64
3,758
0,87
1,429
Криптон
Кг
274
5,34
6,48
4,15
2,324
0,66
3,74
Ксенон
Хе
219
3,93
5,71
4,91
1,856
0,47
5,85
Метай
СН4
627
4,70
—
5,19
5,308
.—
0,716
Неон
Ne
559
13,75
1,68
2,60
4,733
1,72
0,90
Оксид углерода
СО
474
5,90
7,99
3,70
4,016
0,81
1,25
Таблица 1.9
кууме (по сравнению с процессами при атмосферном давлении): увеличение в деситки — сотни раз скорости испарении материалов, интенсификации в деситки раз выделения растворенных в них газов, значительный сдвиг равновесии в системах газ— материал, снижение в несколько раз температуры кипении жидкостей, уменьшение в деситки — сотни раз скорости окислении, рост скорости диффузии, электросопротивления и уменьшение теплопроводности разреженных газов, взаимодействие нейтральных и зариж<нных частиц в вакууме и др. Эти особенности открыли огромные возможности в интенсификации многих технологических пор- цессов, в повышении качества получаемых материалов и создании новых материалов с новыми свойствами, в создании новых приборов, аппаратов и машин, в проведении научных исследований.
В настоищее времи трудно назвать отрасль промышленности, науки и техники, на развитие которой не оказало прогрессивного влиинии использование вакуума. Важно отметить, что вакуумиаи технологии по своей сущности относится к наиболее экологи
чески чистым. В качестве примера можно привести вакуумную технологию регенерации минеральных масел после использования в двигатели*, редукторах, трансформаторах, турбинах и др.
В отличие от способа регенерации нефтепродуктов с помощью концентрированной серной кислоты, связанного с известными технологическими проблемами смол, разработан экологически чистый вакуумный метод. Сущность метода заключается в следующем. Отработанные масла фильтруют, обезвоживают и освобождают от иизко- кипящих компонентов. Далее масла перемешивают с небольшим количеством натрия, в реакцию с которым вступают примеси, образуй осадок. Молекулярной дистилляцией этот осадок отгоняют от масла и сжигают (например, в отопительной установке) дли получения тепловой энергии.
Важность метода можно оценить из того, что только в промышленно развитых странах Западной Европы ежегодно потребляется более четырех миллионов тонн смазочных материалов.
В табл. 1.10 указаны основные области применении вакуумной техники и диапазоны рабочих давлений.
Метод
Область применения
Давление, Па
Нанесение тонких пленок
Электронная промышленность (тонкопленочные элементы микросхем, жидкокристаллические индикаторы, кварцевые стабилизаторы частот)
Оптическаи промышленность (интерференционные фильтры, лазерные и полупрозрачные зеркала, просветленная оптика — очки, линзы, микроскопы, бинокли)
Энергетика (солнечные элементы гелиотехники)
Электротехническаи промышленность (конденсаторные, резестивные и проводящие пленки)
Инструментальное производство (нанесение упрочняющего покрытия режущих инструментов)
Автомобильная промышленность (фары, фонари, арматура)
Производство бытовых зеркал, игрушек, сувениров, украшений, пуговиц, зубных протезов, отражающих стекол дли зданий, декоративных тканей, фольги, бумаги, защитных и износостойких покрытий
10-! ...
10~* ...
ю-1
10-’
10-’
ю-’
10"*
10-’ ...
10"’ ...
10-*
io-8
Вакуумиаи металлургия
Получение чистых материалов (плавка и очистка высококачественных сталей и тугоплавких металлов; электронно-лучевая плавка и сварка, изготовление монокристаллов и тугоплавких оксидов — гранатов, сапфиров, рубинов)
10-
-1
10-3
Пропитка в вакууме
Электротехническая промышленность (электроизоляционные материалы, обмотки трансформаторов и электродвигателей, кабелей)
Изготовление упаковочных и асбестовых материалов, цветных грифелей, материалов с волокнистой основой, рыболовных сетей
10е
10’
Обезгажива- иие, вакуумирование (откачка)
Электротехническая промышленность (подготовка изолирующих пластмасс для кабелей, масел для конденсаторов и трансформаторов)
Электронная промышленность (производство электровакуумных приборов всех видов, поддержание вакуума при работе мощных выпрямителей)
Изготовление восков, красителей, термометров с заполенными жидкостью капиллярами, заполнение духами небольших пузырьков, упаковка продуктов питании
10-
IO2
«
10s
10-6
Таблица 1.10
МетодОбласть примененияДавление, ПаОбезгажива- ние, вакууми- роваине , (откачка)Научное а ппаратостроен и е (создание ускорителей элементарных частиц, электронных и позитронных спектроскопов, анализаторов газов в металлах, установок имитации космического пространства для испытания материалов космических летательных аппаратов и их отдельных узлов на надежность, а также испытаний внутри летательных аппаратов)10-* ..10" •Сушка вымораживанием (сублимациои- наи сушка)Фармацевтическая промышленность (препараты, антибиотики, кровяная плазма, сыворотки, вакцины, витамины гармональиые, гистологические, цитологические препараты)Пищевая промышленность (сушка мяса, молока, рыбы, дрожжей, белка, яичных и молочных продуктов, изготовление сыров, фруктовых и овощных соков, чайного экстракта, кофе, консервирование овощей и фруктово-ягодных продуктов)10 ... 1200 ... 5Вакуумная тепло- и электроизоляцияХолодильная н криогенная техника (теплоизоляция емкостей для хранения низкотемпературных жидкостей, сосудов Дьюара, бытовых термосов)10 ... ю-1гЭлектротехническая промышленность (изготовление вакуумных выключателей, реле и конденсаторов, вакуумных микросхем)io-*... io-1Дистилляция в вакуумеХимическая промышленность (изготовление восков, сложных эфиров, смолообразных веществ, регенерация отработанных машинных масел); медицина (изготовление витаминов и фармацевтических препаратов); парфюмерия (изготовление ароматических веществ и растительных экстрактов); металлургия (выделение кадмий, свинца, цинка из металлов и сплавов)10 ...10-1МетодОбласть примененияДавление, ПаОбезгажива- ние, вакууми- роваине , (откачка)Научное а ппаратостроен и е (создание ускорителей элементарных частиц, электронных и позитронных спектроскопов, анализаторов газов в металлах, установок имитации космического пространства для испытания материалов космических летательных аппаратов и их отдельных узлов на надежность, а также испытаний внутри летательных аппаратов)10-* ..10" •Сушка вымораживанием (сублимациои- наи сушка)Фармацевтическая промышленность (препараты, антибиотики, кровяная плазма, сыворотки, вакцины, витамины гармональиые, гистологические, цитологические препараты)Пищевая промышленность (сушка мяса, молока, рыбы, дрожжей, белка, яичных и молочных продуктов, изготовление сыров, фруктовых и овощных соков, чайного экстракта, кофе, консервирование овощей и фруктово-ягодных продуктов)10 ... 1200 ... 5Вакуумная тепло- и электроизоляцияХолодильная н криогенная техника (теплоизоляция емкостей для хранения низкотемпературных жидкостей, сосудов Дьюара, бытовых термосов)10 ... ю-1гЭлектротехническая промышленность (изготовление вакуумных выключателей, реле и конденсаторов, вакуумных микросхем)io-*... io-1Дистилляция в вакуумеХимическая промышленность (изготовление восков, сложных эфиров, смолообразных веществ, регенерация отработанных машинных масел); медицина (изготовление витаминов и фармацевтических препаратов); парфюмерия (изготовление ароматических веществ и растительных экстрактов); металлургия (выделение кадмий, свинца, цинка из металлов и сплавов)10 ...10-1Продолжение табл. 1.10Продолжение табл. 1.10Глава 2. Основные сведения из молекулярно-кинетическойтеории газовГлава 2. Основные сведения из молекулярно-кинетическойтеории газовРис. 2.1. Схема к определению телесного углаРис. 2.1. Схема к определению телесного углагамгам
Метод
Область применения
Давление, Па
Обезгажива- ние, вакууми- роваине , (откачка)
Научное а ппаратостроен и е (создание ускорителей элементарных частиц, электронных и позитронных спектроскопов, анализаторов газов в металлах, установок имитации космического пространства для испытания материалов космических летательных аппаратов и их отдельных узлов на надежность, а также испытаний внутри летательных аппаратов)
10-* ..
10" •
Сушка вымораживанием (сублимациои- наи сушка)
Фармацевтическая промышленность (препараты, антибиотики, кровяная плазма, сыворотки, вакцины, витамины гармональиые, гистологические, цитологические препараты)
Пищевая промышленность (сушка мяса, молока, рыбы, дрожжей, белка, яичных и молочных продуктов, изготовление сыров, фруктовых и овощных соков, чайного экстракта, кофе, консервирование овощей и фруктово-ягодных продуктов)
10 .
.. 1
200 .
.. 5
Вакуумная тепло- и электроизоляция
Холодильная н криогенная техника (теплоизоляция емкостей для хранения низкотемпературных жидкостей, сосудов Дьюара, бытовых термосов)
10 ..
. ю-1
г
Электротехническая промышленность (изготовление вакуумных выключателей, реле и конденсаторов, вакуумных микросхем)
io-*..
. io-1
Дистилляция в вакууме
Химическая промышленность (изготовление восков, сложных эфиров, смолообразных веществ, регенерация отработанных машинных масел); медицина (изготовление витаминов и фармацевтических препаратов); парфюмерия (изготовление ароматических веществ и растительных экстрактов); металлургия (выделение кадмий, свинца, цинка из металлов и сплавов)
10 ...
10-1
Метод
Область применения
Давление, Па
Обезгажива- ние, вакууми- роваине , (откачка)
Научное а ппаратостроен и е (создание ускорителей элементарных частиц, электронных и позитронных спектроскопов, анализаторов газов в металлах, установок имитации космического пространства для испытания материалов космических летательных аппаратов и их отдельных узлов на надежность, а также испытаний внутри летательных аппаратов)
10-* ..
10" •
Сушка вымораживанием (сублимациои- наи сушка)
Фармацевтическая промышленность (препараты, антибиотики, кровяная плазма, сыворотки, вакцины, витамины гармональиые, гистологические, цитологические препараты)
Пищевая промышленность (сушка мяса, молока, рыбы, дрожжей, белка, яичных и молочных продуктов, изготовление сыров, фруктовых и овощных соков, чайного экстракта, кофе, консервирование овощей и фруктово-ягодных продуктов)
10 .
.. 1
200 .
.. 5
Вакуумная тепло- и электроизоляция
Холодильная н криогенная техника (теплоизоляция емкостей для хранения низкотемпературных жидкостей, сосудов Дьюара, бытовых термосов)
10 ..
. ю-1
г
Электротехническая промышленность (изготовление вакуумных выключателей, реле и конденсаторов, вакуумных микросхем)
io-*..
. io-1
Дистилляция в вакууме
Химическая промышленность (изготовление восков, сложных эфиров, смолообразных веществ, регенерация отработанных машинных масел); медицина (изготовление витаминов и фармацевтических препаратов); парфюмерия (изготовление ароматических веществ и растительных экстрактов); металлургия (выделение кадмий, свинца, цинка из металлов и сплавов)
10 ...
10-1
Продолжение табл. 1.10
Продолжение табл. 1.10
Глава 2. Основные сведения из молекулярно-кинетическойтеории газов
Глава 2. Основные сведения из молекулярно-кинетическойтеории газов
Рис. 2.1. Схема к определению телесного угла
Рис. 2.1. Схема к определению телесного угла
гам
гам
Давление газа
Под идеальным газом в молекулярнокинетической теории поинмают газ, состоящий нз мельчайших частиц (атомов и молекул), находящихся в непрерывном хаотическом движении и взаимодействующих между собой или
с окружающей их поверхностью по законам упругого удара, причем объем собственно частиц газа исчезающе мал по сравнению с занимаемым им объемом.
При столкиовеиии молекул газа со стеикой между иимн происходит обмен импульсом количества движе-
иия и кинетической энергией. В результате соударений молекул газа с элементом поверхности площадью As ему за время А/ передается суммарный нмпульс количества движения ^K, т. е. на элемент поверхности действует сила F, равная отношению суммарного импульса АЛ, полученного элементом за время А/, ко времени А/ : : F = ДЛ/ДЛ
Отношение силы F к площади As элемента поверхности, на которую оиа воздействует, определяет давление газа на элемент поверхности: р = = ms.
Направления хаотического движения молекул равновероятны, в противном случае давление газа на стенки сосуда в разных точках было бы различным. Скорости о движения молекул также различаются. При столкновении молекул скорость каждой молекулы может изменяться, но их суммарная кинетическая энергия при этом остается постоянной.
Для определения давления газа на стенку с учетом различия скоростей и углов падения молекул необходимо зиать число молекул, летящих в направлении телесного угла dto. Вслед-, ствие равновероятности всех направлений движения молекул полный телесный угол, внутри которого движется молекула, равен 4л (поверхность сферы единичного радиуса), т. е. в единице объема, содержащей п молекул, внутри телесного угла dto движется ndw/(4n) молекул. Телесный угол (рис. 2.1)
d<o = sin OdOdrp.(2.1)
Каждая из молекул массой т, движущихся в телесном угле, сообщает элементарной площадке dS импульс в направлении нормали, равный 2тр cos О.
В единицу времени на поверхность площадью ds под углом 9 попадают все молекулы, движущиеся в цилиндре с основанием ds и высотой ut cos У (рис. 2.2).
Для известного распределения молекул газа по скоростям движения, т. е. когда л, молекул в единице объема имеют скорость их, п^ молекул имеют скорость о2 и т. д., причем п = п^ + + п^ 44- пк, в направлении те
лесного угла dto в единице объема движется
dto VI sin У dO dtp
” 4л ~ П* 4л
1=1
молекул. Число молекул, движущихся со скоростью о; и находящихся внутри выделенного цилиндра, составляет
, niVi cos 9 dtodS ■■; =
4л
cos 9 sin OdOdrp , =to
В единицу времени иа площадку ds под углом 9 попадает
У
,cos 9 sin У dO dm
j"^to 7=i
(2.2)
молекул газа. Для определения общего числа молекул, попадающих иа
XX(2.5)(2.5)ГазМасса молекулы т-10” кгДиаметр * молекулы п-Ю10, мМолекулярная массаПлотность газа, кг/м*Теплопроводность Х-10=, Вт/(м-К)Удельная теплоемкость, ДжПоказатель адиабатымоль-Кн23,42,720,0916,7828,831,405Не6,72,240,1814,3020,79_ 1 ■Н2О29,94,718—2,4033,56■ 1Ne33,5' 2,6200,904,5820,79—n246,53,7281,252,4029,121,401о253,13,6321,432,4129,361,396Аг66,23,7401,781,6320,791,670СО46,53,8281,252,1429,151,401СО,73,14,7441,981,4537,121,294Воздух48,13,7291,290,7629,301,402ГазМасса молекулы т-10” кгДиаметр * молекулы п-Ю10, мМолекулярная массаПлотность газа, кг/м*Теплопроводность Х-10=, Вт/(м-К)Удельная теплоемкость, ДжПоказатель адиабатымоль-Кн23,42,720,0916,7828,831,405Не6,72,240,1814,3020,79_ 1 ■Н2О29,94,718—2,4033,56■ 1Ne33,5' 2,6200,904,5820,79—n246,53,7281,252,4029,121,401о253,13,6321,432,4129,361,396Аг66,23,7401,781,6320,791,670СО46,53,8281,252,1429,151,401СО,73,14,7441,981,4537,121,294Воздух48,13,7291,290,7629,301,402Таблица 2.1Таблица 2.1Примечание. Значения плотности й удельной теплоемкости приведены прн Т = 273 К и р = 101 325 Па.Примечание. Значения плотности й удельной теплоемкости приведены прн Т = 273 К и р = 101 325 Па.
X
X
(2.5)
(2.5)
Газ
Масса молекулы т-10” кг
Диаметр * молекулы п-Ю10, м
Молекулярная масса
Плотность газа, кг/м*
Теплопроводность Х-10=, Вт/(м-К)
Удельная теплоемкость, Дж
Показатель адиабаты
моль-К
н2
3,4
2,7
2
0,09
16,78
28,83
1,405
Не
6,7
2,2
4
0,18
14,30
20,79
_ 1 ■
Н2О
29,9
4,7
18
—
2,40
33,56
■ 1
Ne
33,5
' 2,6
20
0,90
4,58
20,79
—
n2
46,5
3,7
28
1,25
2,40
29,12
1,401
о2
53,1
3,6
32
1,43
2,41
29,36
1,396
Аг
66,2
3,7
40
1,78
1,63
20,79
1,670
СО
46,5
3,8
28
1,25
2,14
29,15
1,401
СО,
73,1
4,7
44
1,98
1,45
37,12
1,294
Воздух
48,1
3,7
29
1,29
0,76
29,30
1,402
Газ
Масса молекулы т-10” кг
Диаметр * молекулы п-Ю10, м
Молекулярная масса
Плотность газа, кг/м*
Теплопроводность Х-10=, Вт/(м-К)
Удельная теплоемкость, Дж
Показатель адиабаты
моль-К
н2
3,4
2,7
2
0,09
16,78
28,83
1,405
Не
6,7
2,2
4
0,18
14,30
20,79
_ 1 ■
Н2О
29,9
4,7
18
—
2,40
33,56
■ 1
Ne
33,5
' 2,6
20
0,90
4,58
20,79
—
n2
46,5
3,7
28
1,25
2,40
29,12
1,401
о2
53,1
3,6
32
1,43
2,41
29,36
1,396
Аг
66,2
3,7
40
1,78
1,63
20,79
1,670
СО
46,5
3,8
28
1,25
2,14
29,15
1,401
СО,
73,1
4,7
44
1,98
1,45
37,12
1,294
Воздух
48,1
3,7
29
1,29
0,76
29,30
1,402
Таблица 2.1
Таблица 2.1
Примечание. Значения плотности й удельной теплоемкости приведены прн Т = 273 К и р = 101 325 Па.
Примечание. Значения плотности й удельной теплоемкости приведены прн Т = 273 К и р = 101 325 Па.
площадку ds под произвольным углом О, выражение (2.2) интегрируют по всему диапазону значений углов ф и О соответственно от 0 до 2л н от 0 до 0,5л:
2 л0,5 л1=к
. С . С cos Osin 9 ,_ VI
ds I dф 1 dO > ntvt =
00(=1
i=k
» 0,25 ^ nfot ds,i=l
т. e. число соударений молекул в единицу времени с единичной площадкой
№0,25лб,(2.3)
i=k'
так как У п^/п = б — средняя
1—1 арифметическая скорость.
Зная число молекул, попадающих на площадку ds под углом О (каждая сообщает площадке ds импульс 2то;Х X cos О), можно определить давление, оказываемое ими на поверхность площадью ds:
г _ cos О sin ^d^dm .
гт»! cos vn^iт-г
. „_ cos О sin 6 d^ dm
+ 2mo, cos on2v2^
l=k
S
o cos2 0 sin О dOdm 2H"* (=1 ,
(2.4)
Проинтегрировав выражение (2.4) по v и <p соответственно от 0 до 0,5л и от 0 до 2л, получим полное давление, оказываемое газом на единичную площадку:
i=k2л
/> = m ^ n^ f dtp X(=1о
2«
(* cos* О sin О dO
J 2л 0
средняя квадратическая скорость движения, выражение (2.5) можно переписать в виде ;
р = тпб2/3. (2.6)
Так как тб2/2 = Е — средняя Кинетическая энергия поступательного движения молекул, то
р = 2л£/3. (2.7)
Согласно основному в молекулярнокинетической теории газов уравнению (2.7) давление равно двум третям средней кинетической энергии поступательного движения молекул, заключенных в единице объема.
Законы идеального газа
Основное уравнение состояния идеального газа (уравнение Клапейрона) устанавливает зависимость между давлением, объемом и температурой:
pV=MRiT, (2.8)
где р — давление газа плотностью р при температуре Т\ М — масса газа, содержащегося в объеме V; Т — абсолютная температура газа; Ri — газовая постоянная i-ro газа.
В уравнении (2.8) газовая постоянная Ri зависит от рода газа. Если в качестве меры массы газа выбрать единицу массы, число молекул в которой не зависит от рода газа, то газовая постоянная будет иметь одно и то же значение для всех газов. Согласно закону Авогадро в одинаковых объемах при одинаковых давлениях и температурах число молекул различных газов одинаково. В качестве меры количества газа принят моль.
Молекулярная масса есть безразмерная величина, равная отношению массы пг молекулы данного газа к 1/12 массы атома изотопа углерода 12С, равной 19,63-10-24 г. Число молекул в 1 моле одинаково для всех ве-
ществ и определяется числом Авогадро Nх = 6,022. 1023 моль-1. Соответствующий объем 1 моля при нормальных условиях (давление 101325 Па, температура 273 К) Vm = = 22 415 см3-моль~1 = 22,4 дм8Х Хмоль-1, объем 1 кмоля Vm = = 22,4 м3/кмоль.
Таким образом, для 1 моля любого газа уравнение (2.8) име.ет вид
pVm= RT,(2.9)
или для q молей газа (уравнение Менделеева—Клапейрона)
pV=qRT,(2.10)
где V — объем q молей газа: R — универсальная газовая постоянная.
Введя в уравнение (2.9) число Авогадро, получим
Так как NxiVm = п — концентрация молекул газа (число частиц в единице объема), а R/Nx = к — постоянная Больцмана, то
р=пкТ. (2.11)
Из уравнения (2.11) следует, что при заданной температуре Т давление определяется только числом л моле
кул в единице объема или, при данной концентрации п молекул,— только температурой Т газа.
При постоянном значении одного из параметров (р, V или 7) уравнение состояния (2.10) преобразуется в законы Бойля—Мариотта и Гей-Люссака.
При постоянной температуре для данной массы давление газа обратно пропорционально его объему:
pV = const.
Это уравнение выражает закон Бойля—Мариотта.
По закону Гей-Люссака объем газа данной массы при постоянном давлении линейно зависит от температуры-
V = aVeT, -
где а = 1/273,2 К-1 — коэффициент пропорциональности; Уо — объем газа при Т = 273,2 К и данном давлении.
При постоянном объеме данной массы . газа его давление линейно зависит- от температуры:
р = aphT,
где ро — давление газа при Т = = 273,2 К в данном объеме.
к, жмр, кПаТ, КX, м/с*JU10-*. мАксперимеитрасчет [уравнение (2.13)]0101,3101,0288,159,816,37189.989,8282,659,806,98279,579,0275,149,807,66370,169,2268,649,808,42461,660,1262,139,799,27554,051,9255,639,7910,241026,523,5233,259,7713,261512,19,6216,669,7636,75205,54,4216,669,7480,51301,21,2230,359,72407,9400,30,535257,669,691 890,0500,0850,217274,00. 9,667 159,0600,0060,002219,159,6077 433,0к, жмр, кПаТ, КX, м/с*JU10-*. мАксперимеитрасчет [уравнение (2.13)]0101,3101,0288,159,816,37189.989,8282,659,806,98279,579,0275,149,807,66370,169,2268,649,808,42461,660,1262,139,799,27554,051,9255,639,7910,241026,523,5233,259,7713,261512,19,6216,669,7636,75205,54,4216,669,7480,51301,21,2230,359,72407,9400,30,535257,669,691 890,0500,0850,217274,00. 9,667 159,0600,0060,002219,159,6077 433,0
к, жм
р, кПа
Т, К
X, м/с*
JU10-*. м
Аксперимеит
расчет [уравнение (2.13)]
0
101,3
101,0
288,15
9,81
6,37
1
89.9
89,8
282,65
9,80
6,98
2
79,5
79,0
275,14
9,80
7,66
3
70,1
69,2
268,64
9,80
8,42
4
61,6
60,1
262,13
9,79
9,27
5
54,0
51,9
255,63
9,79
10,24
10
26,5
23,5
233,25
9,77
13,26
15
12,1
9,6
216,66
9,76
36,75
20
5,5
4,4
216,66
9,74
80,51
30
1,2
1,2
230,35
9,72
407,9
40
0,3
0,535
257,66
9,69
1 890,0
50
0,085
0,217
274,00
. 9,66
7 159,0
60
0,006
0,002
219,15
9,60
77 433,0
к, жм
р, кПа
Т, К
X, м/с*
JU10-*. м
Аксперимеит
расчет [уравнение (2.13)]
0
101,3
101,0
288,15
9,81
6,37
1
89.9
89,8
282,65
9,80
6,98
2
79,5
79,0
275,14
9,80
7,66
3
70,1
69,2
268,64
9,80
8,42
4
61,6
60,1
262,13
9,79
9,27
5
54,0
51,9
255,63
9,79
10,24
10
26,5
23,5
233,25
9,77
13,26
15
12,1
9,6
216,66
9,76
36,75
20
5,5
4,4
216,66
9,74
80,51
30
1,2
1,2
230,35
9,72
407,9
40
0,3
0,535
257,66
9,69
1 890,0
50
0,085
0,217
274,00
. 9,66
7 159,0
60
0,006
0,002
219,15
9,60
77 433,0
Давленые смеси газов при той же температуре
i^k
Р — Pl + Р1 + е *е + Рк” 2 Pi* 1=1
(2.12) где р^ — парциальное давленые i-ro газа, т. е. давленые, обусловленное молекулами /-го газа, число молекул которого в данном объеме равно числу молекул в смеси.
Уравнение (2.12) выражает закон Дальтона, согласно которому давление смеси идеальных газов равно сумме парциальных давлений газов, образующих смесь.
Приведенные зависимости описывают поведение реальных газов тем точнее, чем меньше плотность.
Значения основных физических констант газов приведены в табл. 2.1.
Барометрическая формула
Атмосферное давление р на некоторой высоте h над поверхностью земли, соответствующей началу отсчета (h0 = 0; р0), зависит от массы расположенного ^ыше «столба» газа. С увеличением высоты h давление уменьшается.
Разность давлений иа высотах Н + + dh и h (рис. 2.3) определяется массой столба газа, имеющего плотность р,
Pec. S.3. Схема ж определению давление гам по высоте
с основанием, равным единице площади поверхности (1 м2), и высотой dh:
—dp — (p — dp) — p = pgdh,где g — ускорение свободного падения.
С учетом уравнения (2.11), а также того, что р = тп, получим dplp = =—7^^ или после нитегрирова* ння
р = р^^1^,(2.13)
где р0 — давление на поверхности земли.
Зависимость (2.13) называют барометрической формулой.
Т а б л и ц а 2,2
По уравнению (2.13) выполнены расчеты при постоянных молекулярной массе газа (Л1 — 29), температуре н ускорении (табл. 2.2).
,Используя уравнения (2.11) и (2.13), можно определить зависимость концентраций газа от высоты:
n = nae-mgh/w, (2.14)
где п^ — число молекул газа в единице объема при h ~ 0.
Так как иа высоте h потенциальная энергия молекул Е = mgh> уравнение (2.14) можно представить в виде
Распределение частиц газа по энергиям справедливо не только в потенциальном поле земного тяготения, но и в любом потенциальном поле сил для частиц, находящихся в состоянии теплового хаотического движения.
Скорость молекул газа.
Закон распределения молекул газапо скоростям
Рассмотрим движение газа в неподвижной декартовой системе координат хуг. В каждый момент времени / состояние одной молекулы определяется ее положением н скоростью, В этот же момент времени в элементарном объеме dxdudz можно выделить dN молекул, составляющие скорости о которых соответствуют диапазону от ух. уу, уг до ух + dyx, vy + + dvy, ух 4* dyx-
dN — NF^x, у, z, I» yx, yy, ux)dxX
X dydz dvx dvy dyx,
где F = F (x, y, z, /, yx, Уу, yx) — функция распределения молекул по
скоростям.
По заданной функции распределения можно найти концентрацию п
молекул, т. е. нх среднее число в +оо
вице объема п = J J J NF (х, у.
еди-2, Леди-2, Л—ОО
еди-
2, Л
еди-
2, Л
Wz) dyx dyy dyx н среднее значение любой характеристики, зависящей от координат, времени и скорости, Ф = ф (х, yt г, t ух> уу, у^. Например,
в точке с координатами х% у, х 6 данный момент времени
При однородном и стационарном состоянии газа, когда внешние силы отсутствуют. т. е. когда состояние газа не зависит ии от его положения, ии от момента времени, функция распределения молекул по скоростям определяется только тремя параметрами- Уу-. yz- Такая функция распределения получена Максвеллом в L 1860 г.
Прн достаточно большом числе молекул в единице объема отношение числа dnvx частиц, имеющих составляющую скорости вдоль оси х в диапазоне от ож до уж 4" dux> к числу п частиц определяет вероятность d(ux того, что данная молекула обладает скоростью, составляющая иж которой находится в пределах от ух до vx 4- 4- dyx:
dtox = dn^n.
Вероятность dtox должна быть тем больше, чем больше dyx. Кроме того, вероятность dtox может зависеть от абсолютного значения составляющей уж скорости, но не зависит от ее знака и составляющих уу и уг, т. е.
dCD, = Ш* (У2) dv*.
Аналогичные выражения можно записать н для составляющих скорости вдоль осей у и z.
Вероятности того, что данная молекула имеет составляющие скорости вдоль осей у и г в диапазоне соответственно от Уу и уг до Uy + dvy и ух + + <to,;.
dto„ = toy (^ d^d<»z = шг (v2z) dvz.
2 П/р Е. С. Фролова2 П/р Е. С. ФроловаВероятность dco того, что данная молекула обладает скоростью в диапазоне от у до v 4" dv или dn^ частиц (нэ общего числа п. частиц в единице
2 П/р Е. С. Фролова
2 П/р Е. С. Фролова
Рис. гл. Функция распределения молекул по скоростямРис. гл. Функция распределения молекул по скоростямв сферических координатахdW (о, 6, ср) -/ т \L6/ тх^ \ 2~ ( 2пкТ )еХр ( 2kT ) ° Хв сферических координатахdW (о, 6, ср) -/ т \L6/ тх^ \ 2~ ( 2пкТ )еХр ( 2kT ) ° ХX sin 0 dod0 dtp;в цилиндрических координатах/ т \1»5dW (о„ vZl ф) = ( ^-т^ XX sin 0 dod0 dtp;в цилиндрических координатах/ т \1»5dW (о„ vZl ф) = ( ^-т^ XX ехрX ехр^ + «12кТ^ + «12кТor duT duz dy;or duT duz dy;объема) обладают скоростью в диапазоне. от о до v + do, определяется
Рис. гл. Функция распределения молекул по скоростям
Рис. гл. Функция распределения молекул по скоростям
в сферических координатахdW (о, 6, ср) -
/ т \L6/ тх^ \ 2
~ ( 2пкТ )еХр ( 2kT ) ° Х
в сферических координатахdW (о, 6, ср) -
/ т \L6/ тх^ \ 2
~ ( 2пкТ )еХр ( 2kT ) ° Х
X sin 0 dod0 dtp;
в цилиндрических координатах
/ т \1»5
dW (о„ vZl ф) = ( ^-т^ X
X sin 0 dod0 dtp;
в цилиндрических координатах
/ т \1»5
dW (о„ vZl ф) = ( ^-т^ X
X ехр
X ехр
^ + «1
2кТ
^ + «1
2кТ
or duT duz dy;
or duT duz dy;
выражением
dm (о) = Y^e^VdoX
распределение модули скорости
/ т \L5.dW^ = M^-) X
/ mu2
Х ехр (~2fef
распределение модуля скорости в безразмерной форме
(2.15)(2.15)dW (c^-^e-^^dcdW (c^-^e-^^dc
(2.15)
(2.15)
dW (c^-^e-^^dc
dW (c^-^e-^^dc
= 4л (—) ' e^^t^dx?» Л я /
где а = mj^kT^.
Функции распределения Максвелла для абсолютного значения скорости в соответствии с (2,15)
(где с = о/он);
(т \Ь5 9
распределение скорости в безразмерной форме в пучке
dW (с) = 2е~с‘ с? de;
X ехр
(2.16)
распределение модули скоростей центров масс сталкивающихся молекул массами т^ и т2
^(Ут)_4^±^х
Ул (2АТ)1-0
Например, вдоль6 оси х
X ехр
(^l + m2) ^т
2kT
^ndvmi
X ехр
На рис. 2.4 показаны функции распределения молекул по скоростим движения молекул. Функции имеют явно выраженные максимумы при наиболее вероятных значениях скоростей он1 И УН2-
Различиые выражения закона распределения Максвелла:
распределение модуля относительной скорости молекул
( mur\ 2^
Х ^y-^fpr^r, где иг — |»! — о2 |; т== mimj(mi + + ma)..
Таблица 2.3
Га»
М
он, м/с
б, м/с
м/с
Н2
2
1554,0
1752,0
1902,0
Не
4
1104,0
1245,0
1351,0
Ne
20
491,3
554,1
601,4
Na
28
417,3
470.1
510,8
О2
32
390,3
440,3
477,8
Аг
40
349,1
393,8
427,4
СО
28
417,3
470.7
510,8
СО2
44
332.9
375,5
407.5
Воздух
29
410,0
462,5
501.9
Наиболее вероятную скорость можно найти, приравняв нулю производную функции распределения по скорости [dE (u)/dv = Oj; тогда
он = V^KTjm = 129 УтЩ.
Таким образом, с повышением температуры газа от 7\ до 7*2 наиболее вероятная скорость возрастает пропорционально "V^Tv т- е- увеличивается доля молекул с большими скоростями движения, н кривая распределения (см. рис. 2.4) смещается в область больших значений скоростей при температуре газа Т^.
Функция распределения позволяет найти среднюю арифметическую б и среднюю квадратическую скорости движения молекул газа:
б =V8M7(nm) = 145,5 3/тЩ>
(2.17)
У^ = VsiiT/^ = 158 Ут/М. (2.18)
Сравнив полученные характерные скорости движения газа, можно записать:
V^eitfc^ 1,22: 1,13: 1.
В табл. 2.3 приведены значения наиболее вероятной, а также средней арифметической и средней квадратической скоростей теплового движения молекул газов при температуре 293 К.
2*
Средняя длина свободного путимолекул газа
За единицу времени (1 с) молекула проходит путь, в спеднем равный и. Если за это время молекула испытала v столкновений с другими частицами, то средняя длина ее свободного пути X = б/v. Если предположить, что только рассматриваемая молекула движется со скоростью б, а все остальные молекулы неподвижны, то число столкновений равно числу частиц в цилиндре с основанием ла2 и высотой б (рис. 2.5), так как все неподвижные молекулы, центры которых расположены внутри цилиндра, обязательно столкнутся с движущимися, т. е. V — ляп2 б. где п — число молекул в единице объема.
Тогда средняя длина свободного пути
X = 1 /(пло2), или
X = И7(рло2),
В действительности все молекулы непрерывно движутся, и рассматриваемая молекула движется относительно них с некоторой средней скоростью ботн. Тогда число столкновений между молекулами в единицу времени
v = пла3ботЯ. (2.19)
Подставив ботн = б "|/2 в уравнение (2.19), получим v = пло2б'У'^- Тогда средняя длина свободного пути молекулы
X = — =1= кТ-
v пл^а2 "|/2" рла2 V^
(2.20)
Рис. 2.5. Схема к определению числа столкновений молекул
Например, для воздуха при Т = = 293 К
X = 6,51-Ю”8/^
где р — в Па.
Из уравнения (2.20), полученного при рассмотрении молекул газа как абсолютно упругих шаров, следует, , что средняя длина свободного пути молекул не зависит от температуры. Однако результаты экспериментальных исследований показали, что эта характеристика молекул газа уменьшается с понижением температуры, т. е. газокинетический эффективный диаметр о молекулы уменьшается с увеличением скорости.
Приближенная зависимость средней длины свободного пути молекул от температуры, полученная Сюзер- лендом, имеет вид
X = [УГло’п (1 + С/Т)]"1. (2.21)
где С — постоянная Сюзерленда, называемая также температурой удвоения Ту (при этой температуре площадь газокинетического эффективного сечения молекул в 2 раза больше, чем
. прн Т -*■ оо, когда 1 + С,Т 1).
средняя длина свободного пути молекул определенного газа, например, t-го, в смеси, состоящей из к газов:
/ /=*\-1
пД V 1 + m^m,
\ /=1/
(2.22) где п^ — число молекул /-го газа в единице объема; о^— 0,5 (о^ + ^) (оь о^ — диаметры молекулы i-ro и /-го газов); mt, т^ — массы молекулы i-ro и /-го газов.
При рассмотрении данного газа, т. е. при < = /, формулы (2.22) и (2.20) тождественны, а к = 1.
2.в. Теплопроводность газов
В соответствии с законом Фурье количество теплоты д, передаваемой через единичную площадку s при градиенте температур dTidx\
q= —х (dT/^ s, (2.23> где х — теплопроводность, Вт/(м*К).
Рис. 2.6. Схема переноса анергии газа /
Знак .минус в уравнении (2.23) указывает на то, что направление теплового потока противоположно градиенту температур.
Рассмотрим процесс переноса теплоты через поверхность площадью s иа основании молекулярно-кинетических представлений. Каждая молекула, пролетающая через поверхность площадью s, переносит некоторую энергию, определяемую температурой в месте последнего столкиовеиия. Вероятность последнего соударения молекул на расстоянии х от поверхности определяется длиной свободного пути молекулы. В среднем это расстояние равно средней длине X свободного пути молекулы газа. Тогда энергию Ел молекул, пролетающих через площадь s в положительном направлении х (рис. 2.6), можно считать равной средней энергии, соответствующей температуре TY в плоскости х — X. Соответственно энергию Ей молекул, пролетающих в противоположном1' направлении, можно считать равной средней энергии, соответствующей температуре Т2 в плоскости х 4- X. Число молекул, пролетающих через поверхность площадью s в единицу времени в обоих направлениях, можно определить, воспользовавшись упрощающим приемом Джоуля — считать, что все молекулы газа движутся в трех взаимно перпендикулярных направлениях:
N = nus/6.
Разность количеств энергии, переносимых молекулами с одной стороны единичной площадки на другую, опре-
X
рис. 1.7. Схема теплообмена в вакууме
деляет тепловой поток через площадку в единицу времени:
q = nos (Ёх — Ег)/6 или
g — — рйСрХ (dT/dx) s/3,
где р — плотность газа; с0 — удельная теплоемкость газа при постоянном объеме.
Сравнив последнее уравнение с законом Фурье (2.23), получим выражение для коэффициента теплопроводности
х — рйСрХ/3. (2.24)
Выражение (2.24) справедливо, когда средняя длина X свободного пути молекул намного меньше размера сосуда, внутри которого заключен газ. Если давление газа в сосуде столь низкое, что средняя длина свободного пути молекул газа соизмерима с размерами сосуда или больше, тепло- перенос» осуществляется молекулами газа непосредственно от поверхности с температурой 7\ к поверхности с температурой (рис. 2.7) независимо от значения у.
Вязкость газов
Вязкость газов обусловлена переносом количества движения от одного слоя к другому в результате теплового хаотического движения молекул.
Если в направлении х, перпендикулярном скорости и потока газа, существует градиент скорости du/dx (рис. 2.8), то между слоями движущегося газа действует сила внутреннего трения F, определяемая формулой Ньютона:
F = т| (du/dx) s, (2.25) где ц — коэффициент внутреннего трения или ■ динамическая вязкость, Па-с; s — площадь поверхности (где
Рис. 1.В. Схема к определению вязкости газов
действует сила F), параллельной скорости движения потока.
Явление внутреннего трения, характеризуемое вязкостью газа н рассматриваемое с позиций молекулярнокинетической теории, аналогично явлению теплопроводности.
Рассмотрим два тонких слоя газа, прилегающих сверху и снизу к условно выделенной поверхности s. Слои газа движутся с различными скоростями: верхний со скоростью и (х + X), нижний — со скоростью и (х — X). Каждая молекула перемещается в потоке со скоростью и (х) и одновременно участвует в хаотическом движении; при этом молекулы непрерывно перемещаются из одного- слоя в другой, а следовательно, происходит перенос количества движения ти (х).
Молекулы, переходящие через единичную поверхность s, могут испытывать последнее соударение на различных расстояниях от этой поверхности, в среднем равных средней длине X свободного пути.
Как и при рассмотрении теплопроводности, количество движения, переносимое из слоя в слой, определяют при условии, что через единичную поверхность s в течение времени Д/ в обоих направлениях переходит равное число молекул TV -- nus Д176.
Количество движения:
из верхнего слоя в иижннй
ДК, — Nmu (х + X) —
■™. пити (х + X) яД//6;
из нижнего слоя в верхний
ДКз = nvmu (х — X) sAf/6.
Таким образом, за время М нижний слой получит приращение количества движения ЛК — птй [м (х + X) — — и (х — X) ] sM№, а верхний слой получит приращение количества движения —ЛК. Иными словами, движение слоев происходит так, будто на иижиий слой единичной поверх- 1 ности s действует сила
F = ЛК/Л/ =
= nnw [«(х + X) — и (х — X)] s/6,
(2.26) а на верхний слой — сила —F, равная количеству движения, переносимого молекулами через единичную поверхность s в единицу времени.
Для малых значений X скорости и (х + X) и и (х — X) можно представить в виде
и (х + X) = U (х) + A du/dx\
и(х —X) = u(x) — Xdujdx, (2.27)
где и {х) — скорость в сечеиии, соответствующем рассматриваемой поверхности s.
Подставив выражения (2,27) в уравнение (2.26), получим силу трения F = шп^Х (du/dx) s/З или, с учетом того, что р = тп,
F = роХ (du/dx) s/3. (2.28)
Сравнив уравнения (2.28) и (2.25), получим выражение для динамической вязкости *
Л = роХ/З. (2.29)
С учетом формул (2.17) и (2.20) можно записать
Т) = (2/3) У^Дл1’5^), (2.30)
т. е. при X, значительно меньше определяющего размера системы, вязкость прямо пропорциональна "V^VT и обратно пропорциональна о2, причем, как и теплопроводность, вязкость ие зависит от давления р.
Сравнив выражения (2.29) и (2.24), можно получить соотношение между теплопроводностью и динамической
вязкостью: х -- г|с0. Более строгое рассмотрение теплопроводности и вязкости приводит к соотношению
х — erjCp,
где е — ^к — 5)/4 (Л = Срк^ — показатель адиабаты; ср и cv— теплоемкости при постоянных давлении и объеме; для одноатомных газов е = 2,5 при к ~ 5/3, для двухатомных газов е = — 1,9 при к = 7/5 и т. д.).
Диффузия в газах
Диффузия в газах обусловлена переносом массы. Рассмотрим смесь газов из двух компонентов, одни из которых имеет пх молекул массой mY1 второй — п^ молекул массой т2, т. е. масса первого компонента газа в единице объема равна второго — п^пг^,
Если вдоль произвольного направления, например х (рис. 2.9), в объеме газа создаются градиенты коипеитраций dnjdx и dn^/dx то вследствие хаотического движения молекулы преимущественно перемещаются в направлении, противоположном градиенту концентрации. Иными словами, через единичную площадку s, перпендикулярную направлению изменения концентрации, в единицу времени слева направо переносится поток массой Л43, а справа налево — поток массой МА. Этот процесс называют диффузией.
Диффузию рассматривают при постоянных температуре Т и полном давлении р, определяемом согласно закону Дальтона как р = р±+ Р* — = const, ИЛИ Л = Hl + ^2 — const.
п- nt +п2п- nt +п2Рис. 2.9. Кривые изменения концентраций газов двухкомпоиентной смесиРис. 2.9. Кривые изменения концентраций газов двухкомпоиентной смеси
п- nt +п2
п- nt +п2
Рис. 2.9. Кривые изменения концентраций газов двухкомпоиентной смеси
Рис. 2.9. Кривые изменения концентраций газов двухкомпоиентной смеси
Масса, переносимая через поверхность s в единицу времени, в соответствии с первым законом Фика:
M^-D^^lgls, (2.31)
где Di2 и ^si — коэффициенты диффузии соответственно первого компонента смеси во второй и второго в первый, м^с.
Знак минус в уравнениях (2.31) означает, что направление переноса массы противоположно направлению увеличения концентрации.
Уравнение (2.31) можно записать в виде
Nl=-D»^s; N^~D^S'
(2.32)
где Л\, N^ — число молекул, переносимых через поверхность s в единицу времени соответственно справа налево и слева направо.
Так как полное давление р в любом сечеиии постоянно, т. е.
dnldx = dnjdx 4- dnjdx ~ 0, (2.33) то через поверхность s в обоих направлениях проходит одинаковое число молекул. Тогда согласно соотношениям (2.32) и (2.33) Di2.= D2i, т. е. коэффициент диффузии первого компонента смеси во второй равен коэффициенту диффузии второго компонент та смеси в первый.
Если физические свойства молекул двух газов, например СО2 и NOa, близки или в одном из газов есть его изотопы, то процесс диффузии одного газа в другой можно рассматривать как самодиффузию г^за с коэффициентом самодиффузии Dla или D21.
Аналогично уравнениям для теплопроводности и силы трения- в газе (2.26) общую массу Afi потока через единичную поверхность s в единицу времени можно определить как разность масс потоков, проходящих справа налево (Af{) и слева направо (Af^):
А^ = Af । — Af ^ ==
= el(nl(x + Xi)-
— nx (x — Xj)] mxsl&. (2.34)
После _ подстановки концентраций Пу (х 4 ^1) И Л1 (х — Х1) для малых значений Лх в виде
rti (х4 V rti (х) + 7 'dx ™ ^’
П1 (X —11) = Пу (х) — - -^ 1Х,
уравнение (2.34) примет вид
..1- а (*)
здесь Пу (х) — концентрация в сечеиии, соответствующем единичной поверхности S.
Сопоставив уравнения (2.31) с последним выражением, получим
Du — 6111/3; D22 — 621а/3.
С учетом выражений (2,17) и, (2.20) можно записать
282 = ~282 = ~1.51
2
82 = ~
2
82 = ~
Р1°1
1
(2.35)(2.35)Следовательно, коэффициент самодиффузии прямо пропорционален Т1,5 и обратно пропорционален давлению р.
(2.35)
(2.35)
Сравнив ^выражения (2.35) для коэффициентов диффузии и (2.30) для вязкости, можно записать уравнения, связывающие эти два коэффициента: т) = = pDu или т) = pD22. Если массы компонентов смеси газа различны, то коэффициенты взаимной диффузии первого компонента смеси во второй и наоборот можно вычислить по формулам:
^13 — Pai — (Dn.na 4 D22nx)/n;
n
где Gia —0,5 (Oi 4 Og) — средний газо- кинетический эффективный диаметр молекул; р = ру + Рх — полное давление.
Законы взаимодействиямолекул газа с поверхностьютвердого тела
При теоретическом описании процессов течения газа в вакууме необходимо учитывать взаимодействие частиц газа с поверхностями вакуумных систем, в которых рассматривается это течение.
Наиболее простой зависимостью, позволяющей получить количественные данные о распределении отраженных молекул в пространстве с удовлетворительной точностью, является уравнение, описывающее диффузное отражение (закон косинусов):
dP = ~ = A^-cos6> (2.36)
где dP — вероятность вылета частиц с поверхности ds (см. рис. 2.1) -в направлении телесного угла d<o, образующего с нормалью к этому элементу угол Ф; dN — число молекул, отраженных в единицу времени от элемента поверхности в направлении телесного угла du>; N — число частиц, падающих на элементарную площадку ds; А — коэффициент пропорциональности.
Проинтегрировав уравнение (2.36) по ф от 0 до 2л с учетом выражения (2.1), определим вероятность отражения частицы в направлении телесного угла, ограниченного кольцевой полоской радиусом sin ^ : dP = = A cos О sin v d^*
*О,5Л
Из условий 1 = J dP = 0,5Я
= А | cos Ф sin 6 d# — 0,5Л. Сле- о
довательно, коэффициент пропорци- оиальности А = 2. Тогда
dP = (dto/л) cos ^.
Иногда применение закона косинусов приводит к расхождению результатов теоретических и экспериментальных исследований: необходим другой закон отражения. Так, Максвелл предложил прн течении газа через круглые трубопроводы определять проводи
мость трубопровода на основании теоретической модели, в которой часть о молекул отражается диффузно, а часть (1 — а) — зеркально, что приводит к более точному определению проводимости.
При взаимодействии молекул газа с поверхностью обмен энергиями происходит не полностью и зависит от многих факторов, например, от физических свойств газа и состояния поверхности твердого тела, температуры газа и поверхности, формы молекул газа и др. Обмен энергиями характеризуют коэффициентом аккомодации энергии
«=(£/ — ET)l(Ei — Ей), где Et, Ег— средние' энергии падающих и отраженных молекул; Еи — средняя энергия, которой могли бы обладать отраженные молекулы, если бы газ находился в равновесии с поверхностью твердого тела (при условии, что температура Тг газа равна температуре Т^ поверхности).
Чаще для определения коэффициента аккомодации используют формулу
a^(Ti-TMTi-Tto).
Таким образом, если между молекулами газа и поверхностью нет обмена энергиями, т. е. Tt — Тг, то а = 0, а если происходит полный обмен энергиями, т. е. Тг = Т^, то а — 1. Следовательно, коэффициент аккомодации изменяется от 0 до 1 в зависимости от температуры, физических свойств газа и состояния поверхности. Так, при нормальной температуре коэффициент аккомодации водорода для блестящей пластины а — = 0,323, для платиновой черни а ~ = 0,583.
При рассмотрении процессов отражения молекул газа от поверхности, особенно при использовании модели Максвелла зеркально-диффузного отражения, обычно применяют также /' коэффициенты аккомодации соответственно касательного и нормального импульсов количества движения*
«ст^С^ —тг)/(т4—то);
аат — (Qi Qr)/(Qi Q^» где Т| и q. — соответственно касательный и нормальный импульсы количе-
ства движения падающих молекул; тг и qr — соответствующие импульсы количества движения отраженных молекул; ти, ^ — соответствующие импульсы количества движения отраженных молекул при равенстве их температуры и температуры, поверхности тела.
Скольжение разреженных газов
Результаты экспериментальных исследований течения газа при уменьшении давления в магистрали показали, что реальный расход газа больше теоретического, найденного иа основании законов ламинарного течения, ^то расхождение объясняется тем, что в отличие от ламинарного течения, при котором скорость на поверхности стенки считают равной нулю, существует скачок скорости, т. е. на поверхности стенки скорость потока газа имеет конечное значение, отличное от нуля. Такое течение газа называют течением со скольжением. При дальнейшем понижении давления, когда средняя длина свободного пути молекул газа больше расстояния между стенками, молекулы движутся от стенки к стенке практически без межмолекулярных соударений, т. е, наступает свободное молекулярное течение.
При течении со скольжением на расстоянии больше средней длины свободного пути молекул газа обычно считают, что градиенты макроскопической скорости и потока газа постоянны и изменяются только непосредственно Около поверхности (рис. 2.10) на расстоянии порядка средней длины X свободного пути молекул газа.
Для изучения распределения скорости во всем объеме газа на расстояниях, значительна превышающих X, изменение градиента скорости около Поверхности не имеет существенного значения. Для определения граничных Условий движения газа у поверхности Достаточно пр оэкстр а пол нровать л и- нейный участок изменения скорости До пересечения с поверхностью. Полученное значение us фиктивной скорости называют скоростью скольжения, причем действительное значение скорости ит потока у поверхности отличается от ы8 и от скорости движения
Рис. 2.10. Схема течения газа со сколь* женнем
поверхности, ‘равной нулю, если поверхность неподвижна.
Скорость скольжения вдоль поверхности
u8 = Hydu/dn,
где ху — коэффициент скольжения, имеющий единицу длины; du/dn — градиент скорости газового потока по оси п, перпендикулярной поверхности ртенкн.
Коэффициент скольжения
«ai РУ ’
где aQi — коэффициент аккомодации тангенциального Импульса количества движения; т) и р — вязкость и плотность газа.
-Под коэффициентом скольжения хс понимают расстояние, на которое должна быть удалена стенка, чтобы скорость потока на ней прн экстраполяции линейного изменения скорости была равна скорости движения станки или нулю, если последняя неподвижна.
Температурный скачок
Явление, аналогичное скольжению, наблюдают и при исследовании теплопроводности разреженных газов, если средняя длина X свободного пути значительно меньше расстояния между поверхностями тел с разными температурами, т. е. различаются температуры поверхности Ту и газа 7\ непосредственно у поверхности.-
Рве* 2.11, Схема температурного скачка на границе поверхность—res
На расстоянии от поверхности больше X градиент температуры в направлении осн п, перпендикулярной поверхности, изменяется только около поверхности (рис. 2.11). Отклонение закона изменения температуры около поверхности от линейного объясняется тем, что молекулы отражаются от стенки при некоторой температуре Тщ, » отличающейся от температуры стеикн Тш. Энергия молекул газа, подлетающих к стенке, соответствует температуре слоя газа, в котором они испытывали последние столкновения. При отражении молекул от поверхности температура газа 7\ должна быть промежуточной между .температурой газа в слое, где молекулы испытали последние столкновения, и температурой стенки. Следовательно, действительная температура газа у поверхности Тг отличается и от температуры
стенки 7^, и от температуры То, соответствующей линейному изменению температуры до поверхности.
Разность фиктивной температуры газа Тъ у поверхности, определяемой экстраполяцией линейного вакона изменения температуры до поверхности, н температуры стенки Тш называют температурным скачком
ДГ = то — Тш ■= хт dT/dn, где хт — коэффициент температурного скачка, имеющий единицу длины (некоторое расстояние, на которое должна быть отодвинута поверхность стенки, чтобы температура газа на ней была равна температуре стенки при сохранении линейного закона изменения температуры);
=(2.37)
'12о
где aat коэффициент аккомодации тангенциального импульса количества движения.
Введя коэффициент аккомодации а, получим
Нт = -^ — Х- (2-38)
Уравнения (2.37) и (2.38) справедливы для одноатомных газов. Для ч многоатомных газои
XрбХсрXрбХср2 — а _
X
рбХср
X
рбХср
X а
Глава З^ Течение разреженных газов и проводимость элементоввакуумных систем
Основные понятии
Поток газа, Па-мЗ/с,
Q=Sp,(3.1)
где S = (dV/d^p -- быстрота откачки нли объем газа прн данном давлении, откачиваемого в единицу времени, м3/с; р — давление в рассматриваемом сечении, Па.
Быстрота действия вакуумного наоса нли быстрота откачки во входном
сечении насоса при его работе S = - Q/P*
Быстрота откачки So объекта — это объем газа при данном давлении, который откачивается в единицу времени через сечение вакуумного трубопровода, соединяющего объект откачки с насосом:
SB=Q/Po,(3.2)
где ро — давление газа в откачиваемом сосуде.
Ряс. 8.1. Номограмма для расчета быстро» .ты отеачкя объема (S, SQ и U в м*/с)Ряс. 8.1. Номограмма для расчета быстро» .ты отеачкя объема (S, SQ и U в м*/с)
Ряс. 8.1. Номограмма для расчета быстро» .ты отеачкя объема (S, SQ и U в м*/с)
Ряс. 8.1. Номограмма для расчета быстро» .ты отеачкя объема (S, SQ и U в м*/с)
Проводимость, м8/с, элемента вакуумной системы — отношение потока газа, проходящего через элемент вакуумной системы, к разности давлений в концевых сечениях:
U — Q/(pi — р$). (3-3)
Величину W, обратную проводимости элемента вакуумной системы, называют сопротивлением:
Г- X/U- (рх-р^. (
Сопротивление сложных вакуумных систем, состоящих из отдельных элементов, определяют по аналогии с электрическими цепями. Прн последовательном соединении п элементов вакуумной системы с известными проводимостями Ut (сопротивлениями W^ общая проводимость системы
п
U-^^UY1,(3.4)
<=1
изиз
из
из
а общее сопротивление IF = S ^-
/=1
При параллельном соединении п элементов вакуумной системы ее общая проводимость U равна сумме проводимостей всех элементов:
и = 2 Щ, (3.5)
а общее сопротивление определяют
соотношения IF 1соотношения IF 1
соотношения IF 1
соотношения IF 1
Основное уравнениевакуумной техники
Быстроту откачки объекта So объемом Уо при давлении р0 определяют по быстроте действия S насоса и проводимости U трубопровода при условии постоянства потока Q = const.
Из условия Q = Sopo = и (рй— р) = Sp ■— const следует
нли So = US/(U + S). (3.6) При известных значениях U я S быстроту откачки 5Й объекта можно
определить по номограмме (рис. 3.1). Например, для определения S0 при S = 6 м®/с н U =.5,2 м3/с соединим прямой соответствующие точки. Точка пересечения этой прямой со шкалой So дает искомое значение S0 = ~ 1,6 м3/с.
Уравнение (3.6) представляет собой основное уравнение вакуумной техники, которое выражает отличие быстроты откачкн объекта SQ от быстроты действия насоса S прн наличии трубопровода проводимостью U, При U > S влияние трубопровода незначительно и So S; при U S быстрота откачкн объекта определяется проводимостью трубопровода, т. е. So ^ U. В общем случае S > S0 и U > So.
Режимы течения газов
Течение газа в вакуумной системе зависит от ряда параметров; температуры газа и стенок. разности давлений на концах системы, абсолютного давления.. внутреннего трения в газе и взаимодействия газа с поверхностью, а татке от формы и размеров рассматриваемой системы. Различают три основных вида течения газа: турбулентное или вихревое, ламинарное
или вязкостное и молекулярное или свободномолекулярное. Четкой границы между этими видами течения нет — существуют промежуточные области переходных течений.
В вакуумной технике обычно разделяют вязкостный (вплоть до атмосферного давления в системе), молекулярный н переходный между вязкостным н молекулярным режимы течения. При вязкостном режиме течения газа средняя длина X свободного пути частиц значительно меньше характерного размера емкости (например, для круглого трубопровода таким размерим является его диаметр D). При молекулярном н переходном режимах течения газа средняя длина свободного пути частиц больше характерного размера или сравнима с ним.
Области течения дифференцируют числом Кнудсена Kn = XlD, Так, при расчетах проводимости цилиндрических круглых трубопроводов принимают; что молекулярному режиму течения соответствует Кп > 0,33, вязкостному — Кп < 10~2, переходному — 10"2< Кп<0,33.
Вязкостный режим течения
Ьри вязкостном течении газ в трубопроводе условно можно разделить на отдельные слои, движущиеся с различными скоростями. Различие скоростей слоев обусловлено внутренним трением в газе (вязкостью), поэтому рассматриваемый режим течения называют вязкостным.
Течение газа через диафрагмы. Истечение газа из одбой емкости в другую
через отверстие в тонкой перегородке (рис. 3.2), толщина h которой значительно меньше диаметра d отверстия (Л С d), рассматривают как течение через диафрагму. Если диаметр d диафрагмы значительно меньше диаметров D соседних сосудов (d С D^, диафрагму считают малой; если диаметр d соизмерим с диаметром одного из сосудов, диафрагму считают большой.
Для вязкостного режима течения при наличии перепада давлений рг — о2 между сосудами поток газа Q, Па-м9/с, через малую диафрагму
Q = Р1Рт1/к X
(3.7)
где рх — давление в сосуде, вз которого вытекает газ; F — площадь сечения диафрагмы, м2; т = р2/рх — отношение давлений по обе стороны от диафрагмы; к — показатель адиабаты; R — универсальная газовая постоянная,
Проводимость малой диафрагмы
1 — т
x]/G—*)т5тж- ,зе-
Рис. 9.2. ДиафрагмаРис. 9.2. Диафрагманачиная с которого скорость истечения через малую диафрагму становится постоянной и равной скорости звука, независимо от давления ра. Например, для воздуха при Т = 293 К отношение тяр = 0,528, тогда:и = 766т0'™ X1 — Т Лначиная с которого скорость истечения через малую диафрагму становится постоянной и равной скорости звука, независимо от давления ра. Например, для воздуха при Т = 293 К отношение тяр = 0,528, тогда:и = 766т0'™ X1 — Т ЛX V1 -- т0'286 при 0,528 ^ т с 1;X V1 -- т0'286 при 0,528 ^ т с 1;По мере уменьшения давления р^ (или отношения т) поток газа через малую диафрагму возрастает до определенного значения, соответствующего критическому отношению
Рис. 9.2. Диафрагма
Рис. 9.2. Диафрагма
начиная с которого скорость истечения через малую диафрагму становится постоянной и равной скорости звука, независимо от давления ра. Например, для воздуха при Т = 293 К отношение тяр = 0,528, тогда:
и = 766т0'™ X
1 — Т Л
начиная с которого скорость истечения через малую диафрагму становится постоянной и равной скорости звука, независимо от давления ра. Например, для воздуха при Т = 293 К отношение тяр = 0,528, тогда:
и = 766т0'™ X
1 — Т Л
X V1 -- т0'286 при 0,528 ^ т с 1;
X V1 -- т0'286 при 0,528 ^ т с 1;
F
U = 200 ^ — — при т < 0,528;
U = 200F при т< 0,1.(3.9)
Проводимость большой диафрагмы определяют по формулам для малой диафрагмы с учетом поправочного коэффициента Fd/(Fd — F), где F — площадь сечения диафрагмы, м2; FD — площадь поперечного сечения объема, из которого происходит истечение газа через диафрагму, диаметр D которого соизмерим с диаметром d диафрагмы, м2.
Например, проводимость большой диафрагмы для воздуха при Т = = 293 К и т< 0,528
Течение газа по трубопроводу. Вязкостное течение в цилиндрических трубах круглого сечения описывается законом Пуазейля, в соответствии с которым
Q = nR4p(px — p2)/№)>
где R — радиус поперечного сечения трубопровода, м; р = 0,5 (Р; + рД — среднее давление в трубопроводе, Па; I — длина трубопровода, м; т| — динамическая вязкость, Па-с.
При вязкостном режиме течения поток газа в цилиндрической трубе зависит не только от разности давлений на концах трубопровода, но и от абсолютного давления р в потоке.
Проводимость цилиндрического трубопровода круглого сечения
с/ = л^4р/(8^п);(зло)
для воздуха при Т — 293 К
U — \^I>p!L(3.11)
Проводимость трубопровода при течении по нему любого газа
Ut = ^7xU.(3.12)
где U — проводимость трубопровода при течении по нему воздуха; ^ — = Т|//т| — (о/о;)2 V^i^ ” коэффициент, учитывающий различие дина
мических вязкостей рассматриваемого газа т). и воздуха т) (о и о. — диаметры молекул воздуха и рассматриваемого газа; М и М; — молекулярные массы воздуха и рассматриваемого газа).
Для определения проводимости отверстия соотношение (3.12) неприменимо, поэтому используют исходное выражение (3.8).
Значения Р^ для некоторых газов [П]:
Газ. . Воздух На Не Пары Ne воды
р£. .1,02,060,931,940,58
Газ. .N2О2АгСО2
р£. .1,040,900,841,24
Динамическую вязкость в зависимости от температуры газа определяют по формуле
Пт=аГ*,
где а и х — константы, зависящие от природы газа.
В табл. 3.1 приведены значениях, а, константы Сюзерленда С в интервале температур от Д до Т2 и вязкости ц для ряда газов.
Если известна вязкость т)Го при температуре то
Пг = ПтоПг = ПтоТ 1+С/7,V Та 1 + С/Т •Т 1+С/7,V Та 1 + С/Т •Проводимость трубопроводов, сечения которых отличаются от круга, определяют по эмпирическим зависимостям.
Пг = Пто
Пг = Пто
Т 1+С/7,V Та 1 + С/Т •
Т 1+С/7,V Та 1 + С/Т •
UUад3 р *.192 bЩ~1 лв“Хад3 р *.192 bЩ~1 лв“ХПроводимость длинного трубопровода прямоугольного сечения [11]
U
U
ад3 р *.192 b
Щ~1 лв“Х
ад3 р *.192 b
Щ~1 лв“Х
XX
X
X
или для воздуха при Т — 293 К
U = 1950^' (aWl) pt
где k‘ — эмпирический коэффициент (коэффициент Клаузинга); а и b — длины меньшей и большей сторон
ГаеС (при Г, ... Т„ К)а-10*XТ). 10е. Па-с, при Т. К273293323Воздух106,8 (298 ... 553)73 (298 ... 473)86 (373 ... 473)105 (473 ... 523)234 7986 ... 1095)83 (373 ... 473)95 (473 ... 523) ' 173 (955 ... 1088)673 (373 ... 623)61 (293 ... 373)70 (373 ... 473)82 (473 ... 523)128 (959 ... 1100)103,9 (298 ... 553)104,7 (293 ... 1098)126,6 (293 ... 553)125 (288 ... 903)142 (293 ... 1100)101,2 (295 ... 550)254 (298 ... 553)213 (573 ... 1097)188 (273 ... 373) ♦эго сечения, м; / — дли , м.г' в зависимости от от щведены ниже:1,00,90,80,701,000,990,980,9500,50.40,30,203,820,710,580,420г в квадратных скоб>авнения проводимо прямоугольного се им fe") можно определ рис. 3.3).—1,7081,8121,954Н,1,8600,6780,8400,8800,938Не4,8940,6531,8601,9462,065Пары воды0,1701,1160,883. —1,065Ne——2,9753,1133,310N,3,2130,7021,6651.7661,883Од3,3550,7211,9102,0262,182? Аг СО2,7820,7662,0851,6622,2151,7492,4001,872СО21,0570,8681,3671,4631,607Кгйримоугольн трубопровода Значения шения alb па/Ъ . , .К . . . . а/6. . .к* . . . .Выражени общего у] трубопровода ния (обознач графически (наПроводилдратного се по-уПроводил6 вода эллигг ,90,177,23 .1 для воздух<ахсти1J =че-ить где а и Ь — осей эллип2,330 | 2,480юсть трубопровс чения со сторона = 3,52- lO-W^n^ юсть длинного гического сечения_ л р а863 — 64 т)/ а2 4-а при Т = 293 К^О.Юз Цо^№ - длины меньшей » са.2,695да ква- [ а).грубопро-V'больше:';ГаеС (при Г, ... Т„ К)а-10*XТ). 10е. Па-с, при Т. К273293323Воздух106,8 (298 ... 553)73 (298 ... 473)86 (373 ... 473)105 (473 ... 523)234 7986 ... 1095)83 (373 ... 473)95 (473 ... 523) ' 173 (955 ... 1088)673 (373 ... 623)61 (293 ... 373)70 (373 ... 473)82 (473 ... 523)128 (959 ... 1100)103,9 (298 ... 553)104,7 (293 ... 1098)126,6 (293 ... 553)125 (288 ... 903)142 (293 ... 1100)101,2 (295 ... 550)254 (298 ... 553)213 (573 ... 1097)188 (273 ... 373) ♦эго сечения, м; / — дли , м.г' в зависимости от от щведены ниже:1,00,90,80,701,000,990,980,9500,50.40,30,203,820,710,580,420г в квадратных скоб>авнения проводимо прямоугольного се им fe") можно определ рис. 3.3).—1,7081,8121,954Н,1,8600,6780,8400,8800,938Не4,8940,6531,8601,9462,065Пары воды0,1701,1160,883. —1,065Ne——2,9753,1133,310N,3,2130,7021,6651.7661,883Од3,3550,7211,9102,0262,182? Аг СО2,7820,7662,0851,6622,2151,7492,4001,872СО21,0570,8681,3671,4631,607Кгйримоугольн трубопровода Значения шения alb па/Ъ . , .К . . . . а/6. . .к* . . . .Выражени общего у] трубопровода ния (обознач графически (наПроводилдратного се по-уПроводил6 вода эллигг ,90,177,23 .1 для воздух<ахсти1J =че-ить где а и Ь — осей эллип2,330 | 2,480юсть трубопровс чения со сторона = 3,52- lO-W^n^ юсть длинного гического сечения_ л р а863 — 64 т)/ а2 4-а при Т = 293 К^О.Юз Цо^№ - длины меньшей » са.2,695да ква- [ а).грубопро-V'больше:';Таблица 3.1Таблица 3.1№-^)21In (RJRi) ’№-^)21In (RJRi) ’1 ■2 In (^1/7?=).1 ■2 In (^1/7?=).Рис. 8.4. Сечение трубопровода, образованного двумя коаксиальными цилиндрамиРис. 8.4. Сечение трубопровода, образованного двумя коаксиальными цилиндрами
Гае
С (при Г, ... Т„ К)
а-10*
X
Т). 10е. Па-с, при Т. К
273
293
323
Воздух
106,8 (298 ... 553)
73 (298 ... 473)
86 (373 ... 473)
105 (473 ... 523)
234 7986 ... 1095)
83 (373 ... 473)
95 (473 ... 523) ' 173 (955 ... 1088)
673 (373 ... 623)
61 (293 ... 373)
70 (373 ... 473)
82 (473 ... 523)
128 (959 ... 1100)
103,9 (298 ... 553)
104,7 (293 ... 1098)
126,6 (293 ... 553)
125 (288 ... 903)
142 (293 ... 1100)
101,2 (295 ... 550)
254 (298 ... 553)
213 (573 ... 1097)
188 (273 ... 373) ♦
эго сечения, м; / — дли , м.
г' в зависимости от от щведены ниже:
1,00,90,80,70
1,000,990,980,950
0,50.40,30,20
3,820,710,580,420
г в квадратных скоб
>авнения проводимо прямоугольного се им fe") можно определ рис. 3.3).
—
1,708
1,812
1,954
Н,
1,860
0,678
0,840
0,880
0,938
Не
4,894
0,653
1,860
1,946
2,065
Пары воды
0,170
1,116
0,883
. —
1,065
Ne
—
—
2,975
3,113
3,310
N,
3,213
0,702
1,665
1.766
1,883
Од
3,355
0,721
1,910
2,026
2,182
? Аг СО
2,782
0,766
2,085
1,662
2,215
1,749
2,400
1,872
СО2
1,057
0,868
1,367
1,463
1,607
Кг
йримоугольн трубопровода Значения шения alb п
а/Ъ . , .
К . . . . а/6. . .
к* . . . .
Выражени общего у] трубопровода ния (обознач графически (
наПроводил
дратного се по-у
Проводил
6 вода эллигг ,90
,177
,23 .
1 для воздух
<ах
сти1J =
че-
ить где а и Ь — осей эллип
2,330 | 2,480
юсть трубопровс чения со сторона = 3,52- lO-W^n^ юсть длинного гического сечения
_ л р а863 — 64 т)/ а2 4-
а при Т = 293 К
^О.Юз Цо^№ - длины меньшей » са.
2,695
да ква- [ а
).
грубопро-
V'
больше:';
Гае
С (при Г, ... Т„ К)
а-10*
X
Т). 10е. Па-с, при Т. К
273
293
323
Воздух
106,8 (298 ... 553)
73 (298 ... 473)
86 (373 ... 473)
105 (473 ... 523)
234 7986 ... 1095)
83 (373 ... 473)
95 (473 ... 523) ' 173 (955 ... 1088)
673 (373 ... 623)
61 (293 ... 373)
70 (373 ... 473)
82 (473 ... 523)
128 (959 ... 1100)
103,9 (298 ... 553)
104,7 (293 ... 1098)
126,6 (293 ... 553)
125 (288 ... 903)
142 (293 ... 1100)
101,2 (295 ... 550)
254 (298 ... 553)
213 (573 ... 1097)
188 (273 ... 373) ♦
эго сечения, м; / — дли , м.
г' в зависимости от от щведены ниже:
1,00,90,80,70
1,000,990,980,950
0,50.40,30,20
3,820,710,580,420
г в квадратных скоб
>авнения проводимо прямоугольного се им fe") можно определ рис. 3.3).
—
1,708
1,812
1,954
Н,
1,860
0,678
0,840
0,880
0,938
Не
4,894
0,653
1,860
1,946
2,065
Пары воды
0,170
1,116
0,883
. —
1,065
Ne
—
—
2,975
3,113
3,310
N,
3,213
0,702
1,665
1.766
1,883
Од
3,355
0,721
1,910
2,026
2,182
? Аг СО
2,782
0,766
2,085
1,662
2,215
1,749
2,400
1,872
СО2
1,057
0,868
1,367
1,463
1,607
Кг
йримоугольн трубопровода Значения шения alb п
а/Ъ . , .
К . . . . а/6. . .
к* . . . .
Выражени общего у] трубопровода ния (обознач графически (
наПроводил
дратного се по-у
Проводил
6 вода эллигг ,90
,177
,23 .
1 для воздух
<ах
сти1J =
че-
ить где а и Ь — осей эллип
2,330 | 2,480
юсть трубопровс чения со сторона = 3,52- lO-W^n^ юсть длинного гического сечения
_ л р а863 — 64 т)/ а2 4-
а при Т = 293 К
^О.Юз Цо^№ - длины меньшей » са.
2,695
да ква- [ а
).
грубопро-
V'
больше:';
Таблица 3.1
Таблица 3.1
№-^)21In (RJRi) ’
№-^)21In (RJRi) ’
1 ■2 In (^1/7?=).
1 ■2 In (^1/7?=).
Рис. 8.4. Сечение трубопровода, образованного двумя коаксиальными цилиндрами
Рис. 8.4. Сечение трубопровода, образованного двумя коаксиальными цилиндрами
Проводимость трубопровода, образованного двумя, коаксиальными цилиндрами (рис. 3.4),
8т| I
для воздуха при Т = 293 К
17 = 21,67.108 4.Х
где Rt и R2 — радиусы соответственно внешнего и внутреннего цилиндров, м.
Проводимость коротких трубопроводов (/ < 207)) определяют по эмпирическим зависимостям, так как для них существенно влияние сопротивления входного и выходного сечений трубопровода, ие учитываемое законом Пуазейля.
Проводимость короткого трубопровода круглого сечения [37]
U = 128^7 [1 +^4,54 X ’ (3-13) X 10-2MQ/(T]7?7'/)]
для воздуха при Т — 293 К
6’ D4
Если поток Q неизвестен, то в уравнение (3.13) или (3.14) подставляют произвольное значение Q и ведут .расчет методом последовательных приближений до тех пор, пока разность между принятым значением Q и значением Q = U (pt — р2) станет близкой нулю.
Проводимость короткого трубопровода с сечением произвольной формы 7/-1 = (/-| + 7/-1,(3.15)
где Ui — проводимость короткого трубопровода, вычисленная по формулам для длинного трубопровода; "о — проводимость входного отверстия трубопровода.
Ряс. 3.3. Зависимость коэффициента к" от отношения а/Ь прямоугольного сечения, трубопровода
Молекулярный режим течения
Молекулярный режим течения газа характеризуется достаточно большим значением числа Кнудсена Кп, т. е. при этом режиме течения практически иет взаимодействия между молекулами. Для описания независимого движения молекул используют основные положения молекулярно-кинетической теории газов либо соотношения динамики сплошной среды, предложенные Кнудсеном.
Течение газа через диафрагмы. При молекулярном режиме течения поток газа через малую диафрагму определяется разностью потоков молекул через отверстие с двух сторон (см. рис. 3.2):
где F — площадь сечения диафрагмы, и2", Pi. Рг — давления по обе стороны от диафрагмы, Па.
Проводимость малой диафрагмы
и = зел^Утум;(3.17)
для воздуха при Т = 293 К
U= 116Р.(3.18)
Рис. 3.5. График к определению коэффициента к* для расчета проводимости щелнРис. 3.5. График к определению коэффициента к* для расчета проводимости щелн
Рис. 3.5. График к определению коэффициента к* для расчета проводимости щелн
Рис. 3.5. График к определению коэффициента к* для расчета проводимости щелн
Из уравнения (3.21) проводимость длинного прямолинейного трубопровода круглого сечения
и = 38,1 ф»ф УТТм; (3.22)
для воздуха при Т = 293 К
U»121D»il,(3.23)
где D — диаметр трубопровода, м^
При расчете проводимости трубопровода, сечение которого отличается от круга, в уравнение (3.21) вводят поправочный коэффициент к':
и = 1946' Т_ УТ/М. (3.24)
Проводимость большой диафрагмы при молекулярном режиме течения, как и при вязкостном, отличается от проводимости малой диафрагмы множителем FoK^d — Л» т- е-
FF
U=96AVT/M _° ■, (3.19)
"d г
где F — площадь сечення большой диафрагмы, м2: F^ — площадь поперечного сечения сосуда, диаметр которого соизмерим с диаметром большой диафрагмы, м2.
Течение газа по трубопроводу. Проводимость длинного (Z "> 20D) прямолинейного трубопровода определяют по зависимости, предложенной Кнудсеном:
где 5 — среднее арифметическое скоростей молекул газа; I — длина трубопровода; П и F — соответственно периметр н площадь поперечного сечения трубопровода.
При постоянном по длине сечении трубопровода уравнение (3.20) имеет вид
и = 194-^ут/м; (3.21)
Проводимость трубопровода прямоугольного сечения
и-№'^Т^т№
для.воздуха при Т = 293 К
U= 309&'aW[(a + &) ZL
Коэффициент к' определяют по формуле, предложенной Клаузингом:
V —^-!^{6I"(« + Vi"+Si) +
» 1„ 1±ИЭ +
О
+ -L[l+63-(l+52)’-5]),
где 6 — b/а 1.
Проводимость трубопровода прямоугольного сечеиия, одна из сторон которого значительно больше другой (6 > а), т. е. проводимость щели [111 и = 976' (а26/0 УТ/М;
здесь поправочный коэффициент к? определяют графически (рис. 3.5) или, если 1> 10а, по формуле
для воздуха при Т = 293 Кt/= 618Р2/(Ш).для воздуха при Т = 293 Кt/= 618Р2/(Ш).С учетом (3.25) проводимость щеле-вого канала определяют по формуле .С учетом (3.25) проводимость щеле-вого канала определяют по формуле .и = 36,4 (ф*ЬЩ in (Z/a) УТ/М;и = 36,4 (ф*ЬЩ in (Z/a) УТ/М;к' = (3/8) In (Z/a). (3.25)
для воздуха при Т = 293 Кt/= 618Р2/(Ш).
для воздуха при Т = 293 Кt/= 618Р2/(Ш).
С учетом (3.25) проводимость щеле-вого канала определяют по формуле .
С учетом (3.25) проводимость щеле-вого канала определяют по формуле .
и = 36,4 (ф*ЬЩ in (Z/a) УТ/М;
и = 36,4 (ф*ЬЩ in (Z/a) УТ/М;
для воздуха при Т = 293 К
U = \\6^bl[) In (l/ay
Проводимость трубопровода с эллиптическим поперечным сечением [37]
и‘= 53,7 —AL ут/м;
для воздуха при Т = 293 К
и = \1№Ч\1 у^Я^Ь
Проводимость трубопровода с сечением в виде равностороннего треугольника [37]
U = 15,1 ^Ц)Ут/М;
для воздуха прн Т = 293 К
U = 47;9а3//,
где а — сторона треугольника, м.
Проводимость трубопровода, образованного двумя коаксиальными цилиндрами (см. рис. 3.4) [37],
U =38,16'U =38,16'(о?-<I № + D^(о?-<I № + D^VtJm;VtJm;для воздуха при Т = 293 К
U =38,16'
U =38,16'
(о?-<I № + D^
(о?-<I № + D^
VtJm;
VtJm;
U= 12U' <DX-D^ ^-D^l, где к* — коэффициент, учитывающий отличне сечения трубопровода от круга и определяемый графически (рис. 3.6); Dt и £)2-—диаметры соответственно внешнего и» внутреннего цилиндров, м; I — длина трубопровода, м.
Проводимость щели, образованной стенкой и торцом полого цилиндра (рис. 3.7), при течении газа в радиальном направлении [37]
с/ = ц4(4+ 1пА^)х
— иг
Для воздуха при Т = 293 К
Dx-D4 *
где а —■ ширина щели, м; Di, D^ — внешний и внутренний диаметры цилиндра, м.
1*нс. 8.6. График к определению коэффициента >', учитывающего отличие сечения трубопровода от круга
Для расчета проводимости (рис. 3.8) коротких цилиндрических трубопроводов в соотношение (3.23) . вводят поправочный коэффициент Клаузин- га- к.
Тогда
U— mkD3/l, где
15(//D)+12(//Z))2
20 + 38 (J/D^ + 12 (//Г))2 ’ (d,ZD}
Значения 6, вычисленные по формуле (3.26) при различных отношениях Z/D, приведены в табл. 3.2.
Если диаметр откачиваемого объекта Вй < 10£), где D — диаметр трубопровода, то
1+ 1,33I11+ 1,33I1
1+ 1,33
I1
1+ 1,33
I1
Для определения проводимости - Цилиндрических трубопроводов можно использовать номограмму (рис. 3.9). Например, для трубопровода длиной / = 1 м и диаметром D = 0,5 м проводимость U = U'к = 14*0,6 = = 8,4 м3/с.
Рис. 8.7. Схема течения между стенкой и торцом полого цилиндра
Рис. 3.8. График к определению проводимости коротких цилиндрических грубо- проводов по их длине и диаметру
HD
к
№
к
UD
к
0,05
0,036
0,8
0,300
10
0,840
0,06
0,055
1,0
0,380
20
0,910
0,10
0,068
2,0
0,540
40
0,950
0,20 ■
0,130
4,0
0,700
60
0,970
0,40
0,210
6,0
0,770
80
0,980
0,60
0,280
8,0
0,810
100
1 -
Таблица 3.2
Для расчета проводимости коротких трубопроводов наиболее удобна форма запнсн расчетного выражения, предложенная Клаузннгом [37]:
Рис. 3.9. Номограмма для расчета проводимости ■ цилиндрических трубопроводов при молекулярном режиме течения воздуха (Г = 298 К)
U = 0,25^6 = 36,4feF VТ/М", (3.27)
I/O
к
HD
к
'
HD
к
UD
к
■ 0,00
1,00
0,65
0,61
1,6
■ 0,41
8,0
0,14
0,05
0,95
0,70
0,60
1,7
0,39
9,0
0,12
0,10
0,91
0,75
0,58
1,8
0,38
10
0,11
0,15
0,87
0,80
0,57
1,9
0,37
15
0,08
0,20
0,83
0,85
0,55
2,0
0,36
20
0,06
0,25
0,80
0,90
0,54
2,5
0,32
25
0,05
0,30
0,77 ■
0,95
0,53
3,0
0.28
30 ,
0,04
0,35
0,74
1,0
0,51
3,5
0,25
35
- 0,04
0,40
0,72
1,1
0,49
4,0
0,23
40
■ 0,03
0,45
0,69
1,2
0,47
4,5
0,21
45
0,03
0,50
0,67
1,3 '
6,45
5,0
- 0,20
50
0,03
0,55
0,65
1,4
0,44
6,0
0,17
500 '
0,003
0,60
0,63
1,5
0,42
7,0
0,15
Св. 500
4D/3/
Таблица 3.3
Рис. 3.10. Трубопровод в виде конического диффуэора
для воздуха при Т = 293 К
U= И6№, (3.28)
где к — коэффициент Клаузннга, представляющий собой вероятность прохождения молекул газа от входного сечения рассматриваемого элемента трубопровода до выходного; F — площадь входного сечения трубопровода, м2.
Значения коэффициента Клаузннга для цилиндрического трубопровода в зависимости от отношения длины / к диаметру D приведены в табл. 3.3
В табл. 3.4—3.6 приведены значения коэффициента Клаузннга: в табл. 3.4 [37] — для трубопровода прямоугольного сечения, одна из сторон которого значительно больше другой (6 >- а), или для щелн в зависнмостн от отношения длины I трубопровода к меньшей стороне а сечения щели; в табл. 3.5 ]37] — для трубопровода кольцевого сечения, образованного двумя коаксиальными цилиндрами (см. рис. 3.4), в зависнмостн от отношения длины I трубопровода к разности диаметров цилиндров н отношения диаметров; в табл. 3.6 [39] — для трубопровода (рис. 3.10), выполненного в виде конического диффузора, в зависимости от 1 угла ,р и отношения длины / к радиусу г входного сечения.
Проводимость сложных трубопроводов, имеющих изгибы, повороты,
На
к
На
к
На
к
На
к
0,0
1,000
0,4 ’
■ 0,8362
1,5
0,6024
4,0
0,3999
0,1
0,9525
0,8
0.7266
2,0
0.5417
5,0
0,3582
0,2
0,9096
1,0
0,6848
3,0
0,4570
10,0
ОО
0,2457 (о//) 1п (//а)
Таблица 3.4
1
.Значения к при D,JDX'
Dt — D,
0,1
Ь,2
■0.4
0,6'
' 0,8
0,95
0,25
0,8017
0,8022
0,8030
0,8037
0,8043
0,8046
0,50
. 0,6737
0.6754
0,6783
0,6808
0,6829
0,6842
0,75
• 0,5842
0,5867
0,5915
0,5958
0,5997
0,6020
1,00
0,5175
0,5206
0,5266
0,5324
0,5378
0,5413
* 1,25
0,4655
0,4690
0,4758
0,4826
0,4894
0,4940
1,50
0,4237
0,4274
0,4348
0,4423
0,4502
0,4558
1,75
0,3893
0,3931
0,4007
0,4087
0,4174
0,4241
2,0
0,3604
0,3642
0,3720
0,3804
0,3896
0,3972
' 2,5
0,3123
0,3181
0,3260
0,3347
0,3448
0,3538
3,0 ■
0,2791
0,2828
0,2906
0,2994
0,3100
0,3201
3,5 ,
. 0,2513
0,2548
0,2625
0,2712
0,2820
0,2929
4,0
0,2286
0,2321
0,2395
0,2481
0,2589
0,2704
4,5
0,2099
0,2132
0,2204
0,2288
0,2396 ■
0,2515
5,0
0,1941
0,1973
0,2042
0,2124
0,2230
0,2352
Таблица 3.5
1.■, Значения * при D,!D%’Dt — D,0,10,20.4'0.60,80,95’■7,50,14140,14400,14990,15690,16660,1792■12,5'0,09210,09410,09850,10380,11160,123025,00,04960,05080,05340,05670,06180,070050,00,02590,02650,02800,02990,03290,03811100,00,01330,01360,01440,01540,01710,0200250,00,00540,00550,00590,00630,00700,0083500,00,00270,00280,00300,00320,00350,00425000,00,00030,00030,00030,00030,00040,0004Та блица 3.61.■, Значения * при D,!D%’Dt — D,0,10,20.4'0.60,80,95’■7,50,14140,14400,14990,15690,16660,1792■12,5'0,09210,09410,09850,10380,11160,123025,00,04960,05080,05340,05670,06180,070050,00,02590,02650,02800,02990,03290,03811100,00,01330,01360,01440,01540,01710,0200250,00,00540,00550,00590,00630,00700,0083500,00,00270,00280,00300,00320,00350,00425000,00,00030,00030,00030,00030,00040,0004Та блица 3.6Продолжение табл. 3.5Продолжение табл. 3.520, •Значения к при Z/r- ■0,10,20.51.02,0: 5,о10,000,95240,90920,80130,67200,51420,31050,190910,95410,91250,80890,68540,53600,34600,236850,96040,92480,83730,73570,61760,47860,4086'100,96730,93840,86860,79080,70580,61720,5803:200,97870,96030,91850,87640,83700,80560,7964 i300,98690,97610,95340,93340,91770,90810,9061.400,99270,98700,97620,9681; 0,96290,96050,9601г 500,9964С ,99390,98950,98700,9857. 0,98520,98511600,99860,99770,99650,99590,99570,99560,9955|700,99960,99940,99930,99920,99920,99920,9991801,0000 .1,00001,00001,00001,00001,00001,0000 i891,00001,00001,00001,00001,00001,00001,0000,20, •Значения к при Z/r- ■0,10,20.51.02,0: 5,о10,000,95240,90920,80130,67200,51420,31050,190910,95410,91250,80890,68540,53600,34600,236850,96040,92480,83730,73570,61760,47860,4086'100,96730,93840,86860,79080,70580,61720,5803:200,97870,96030,91850,87640,83700,80560,7964 i300,98690,97610,95340,93340,91770,90810,9061.400,99270,98700,97620,9681; 0,96290,96050,9601г 500,9964С ,99390,98950,98700,9857. 0,98520,98511600,99860,99770,99650,99590,99570,99560,9955|700,99960,99940,99930,99920,99920,99920,9991801,0000 .1,00001,00001,00001,00001,00001,0000 i891,00001,00001,00001,00001,00001,00001,0000,DPJDP' JDpJ/DPJ? 0,0010,9750,021,07i 0,23,060,78,680,0020,9610,041,280,34,180,89,800,0050,9520,061,500,45,310,910,93' 0,0080,9650,081,720,56,431,012,050,010,9780,11,940,67,561,113,17DPJDP' JDpJ/DPJ? 0,0010,9750,021,07i 0,23,060,78,680,0020,9610,041,280,34,180,89,800,0050,9520,061,500,45,310,910,93' 0,0080,9650,081,720,56,431,012,050,010,9780,11,940,67,561,113,17Таблица 3.7Таблица 3.7Примечание. Dp и J — в м-Па.Примечание. Dp и J — в м-Па.Уис. 8.11. Номограмма для расчета проводимости цилиндрических трубопроводов яри различных режимах течения воздуха (Г — 293 К)Уис. 8.11. Номограмма для расчета проводимости цилиндрических трубопроводов яри различных режимах течения воздуха (Г — 293 К)
1
.■, Значения * при D,!D%’
Dt — D,
0,1
0,2
0.4'
0.6
0,8
0,95’
■7,5
0,1414
0,1440
0,1499
0,1569
0,1666
0,1792■
12,5'
0,0921
0,0941
0,0985
0,1038
0,1116
0,1230
25,0
0,0496
0,0508
0,0534
0,0567
0,0618
0,0700
50,0
0,0259
0,0265
0,0280
0,0299
0,0329
0,03811
100,0
0,0133
0,0136
0,0144
0,0154
0,0171
0,0200
250,0
0,0054
0,0055
0,0059
0,0063
0,0070
0,0083
500,0
0,0027
0,0028
0,0030
0,0032
0,0035
0,0042
5000,0
0,0003
0,0003
0,0003
0,0003
0,0004
0,0004
Та б
лица 3.6
1
.■, Значения * при D,!D%’
Dt — D,
0,1
0,2
0.4'
0.6
0,8
0,95’
■7,5
0,1414
0,1440
0,1499
0,1569
0,1666
0,1792■
12,5'
0,0921
0,0941
0,0985
0,1038
0,1116
0,1230
25,0
0,0496
0,0508
0,0534
0,0567
0,0618
0,0700
50,0
0,0259
0,0265
0,0280
0,0299
0,0329
0,03811
100,0
0,0133
0,0136
0,0144
0,0154
0,0171
0,0200
250,0
0,0054
0,0055
0,0059
0,0063
0,0070
0,0083
500,0
0,0027
0,0028
0,0030
0,0032
0,0035
0,0042
5000,0
0,0003
0,0003
0,0003
0,0003
0,0004
0,0004
Та б
лица 3.6
Продолжение табл. 3.5
Продолжение табл. 3.5
20, •
Значения к при Z/r- ■
0,1
0,2
0.5
1.0
2,0
: 5,о
10,0
0
0,9524
0,9092
0,8013
0,6720
0,5142
0,3105
0,1909
1
0,9541
0,9125
0,8089
0,6854
0,5360
0,3460
0,2368
5
0,9604
0,9248
0,8373
0,7357
0,6176
0,4786
0,4086'
10
0,9673
0,9384
0,8686
0,7908
0,7058
0,6172
0,5803:
20
0,9787
0,9603
0,9185
0,8764
0,8370
0,8056
0,7964 i
30
0,9869
0,9761
0,9534
0,9334
0,9177
0,9081
0,9061
.40
0,9927
0,9870
0,9762
0,9681
; 0,9629
0,9605
0,9601
г 50
0,9964
С ,9939
0,9895
0,9870
0,9857
. 0,9852
0,98511
60
0,9986
0,9977
0,9965
0,9959
0,9957
0,9956
0,9955|
70
0,9996
0,9994
0,9993
0,9992
0,9992
0,9992
0,9991
80
1,0000 .
1,0000
1,0000
1,0000
1,0000
1,0000
1,0000 i
89
1,0000
1,0000
1,0000
1,0000
1,0000
1,0000
1,0000,
20, •
Значения к при Z/r- ■
0,1
0,2
0.5
1.0
2,0
: 5,о
10,0
0
0,9524
0,9092
0,8013
0,6720
0,5142
0,3105
0,1909
1
0,9541
0,9125
0,8089
0,6854
0,5360
0,3460
0,2368
5
0,9604
0,9248
0,8373
0,7357
0,6176
0,4786
0,4086'
10
0,9673
0,9384
0,8686
0,7908
0,7058
0,6172
0,5803:
20
0,9787
0,9603
0,9185
0,8764
0,8370
0,8056
0,7964 i
30
0,9869
0,9761
0,9534
0,9334
0,9177
0,9081
0,9061
.40
0,9927
0,9870
0,9762
0,9681
; 0,9629
0,9605
0,9601
г 50
0,9964
С ,9939
0,9895
0,9870
0,9857
. 0,9852
0,98511
60
0,9986
0,9977
0,9965
0,9959
0,9957
0,9956
0,9955|
70
0,9996
0,9994
0,9993
0,9992
0,9992
0,9992
0,9991
80
1,0000 .
1,0000
1,0000
1,0000
1,0000
1,0000
1,0000 i
89
1,0000
1,0000
1,0000
1,0000
1,0000
1,0000
1,0000,
DP
J
DP
' J
Dp
J
/
DP
J
? 0,001
0,975
0,02
1,07
i 0,2
3,06
0,7
8,68
0,002
0,961
0,04
1,28
0,3
4,18
0,8
9,80
0,005
0,952
0,06
1,50
0,4
5,31
0,9
10,93
' 0,008
0,965
0,08
1,72
0,5
6,43
1,0
12,05
0,01
0,978
0,1
1,94
0,6
7,56
1,1
13,17
DP
J
DP
' J
Dp
J
/
DP
J
? 0,001
0,975
0,02
1,07
i 0,2
3,06
0,7
8,68
0,002
0,961
0,04
1,28
0,3
4,18
0,8
9,80
0,005
0,952
0,06
1,50
0,4
5,31
0,9
10,93
' 0,008
0,965
0,08
1,72
0,5
6,43
1,0
12,05
0,01
0,978
0,1
1,94
0,6
7,56
1,1
13,17
Таблица 3.7
Таблица 3.7
Примечание. Dp и J — в м-Па.
Примечание. Dp и J — в м-Па.
Уис. 8.11. Номограмма для расчета проводимости цилиндрических трубопроводов яри различных режимах течения воздуха (Г — 293 К)
Уис. 8.11. Номограмма для расчета проводимости цилиндрических трубопроводов яри различных режимах течения воздуха (Г — 293 К)
вентили, определяют по приведенным выше уравнениям, но геометрическую длину I трубопровода увеличивают:
1р = /+ 1,330 л, (3.29)
где /р и О — расчетная длина и диаметр трубопровода, м; л — число изгибов, поворотов, вентилей.
-Проводимость трубопровода при течении по нему произвольного i-ro газа определяют по формуле
ut = u VW^i.
где U — проводимость трубопровода при течении по нему воздуха: Mi и М — молекулярные массы соответственно рассматриваемого газа и воздуха. '
Проводимость Uti трубопровода при температуре Тх газа, отличающейся от заданной температуры Tt:
UTx = UTiVWv
где Upg — проводимость трубопровода при заданной температуре Тг.
Переходный режим течения
Течение газа в переходном режиме описывают в основном эмпирическими зависимостями для узких диапазонов чисел Кнудсена. Так, течение газа при Кп < 0,5 описывают законом Пу- азейля, введя коэффициент скольжения х0, т. е. приняв, что скорость газа иа поверхности, ограничивающей
поток газа, в отличие от скорости при вязкостном режиме течения,
«о = x„duidz, (3.30) где du/dz — градиент скорости в направлении, перпендикулярном течению газа.
Коэффициент скольжения х0, имеющий единицу длины, можно представить как расстояние, на которое должна быть удалена поверхность, чтобы скорость потока на ней при duldz = = const равнялась нулю (на неподвижной поверхности) или скорости движения поверхности.■
Для определения проводимости длинного цилиндрического трубопровода при 0,01 < Кп < 0,33 применяют эмпирическую зависимость, предложенную Кнудсеном:
и = иъ^ХПм, (3.31) где U в и UM — проводимости при вязкостном и молекулярном режимах течения, определяемые по формулам соответственно (3.10) и (3.22); Z— эмпирический коэффициент.
21 + ор УмЖпЬ .
'1 + 1,24ОрУ/И/(^Г)/т1 ’
(3.32)
для воздуха при Т — 293 К -
Z = (1 + 19Юр)/(1 + 236Пр), (3.33)
Где D — диаметр трубопровода, м; р — среднее давление в трубопроводе, Па.
При т] = Хр "VlMI^RT) уравнение (3.32) принимает вид
Z = (1 + 1,25О/Х)/(1 -f- 1.55О/Х),
где X — средняя длина свободного пути молекул газа. '
Уравнение (3.31) можно привести к виду' ‘
и - UM (Z + Ub/Um). (3.34) Для воздуха прн Т - 293 К U = 121 (П*/0 (^ + 0.0736О/Х), (3.35) или
U = 121 (D*/l)J,(3.36)
где 7 = [1+ 202Dp+2653 (Ор)8]/(1 ++ 2360р).
Значения J в зависимости от Dp приведены в табл. 3.7.
Для упрощения определения проводимости цилиндрического трубопровода в переходном режиме Течения
можно воспользоваться номограммой (рис. 3.11). Например, для определения проводимости трубопровода длиной / = 1 м и диаметром D = 0,5 м, среднее давление в котором р — — 1,77 Па, соединяют прямой линией точку / = 1 м с точкой D ~ 0,5 м. Точка пересечения прямой со шкалой проводимости дает U' —- 14 м8/с. Вто- t рую прямую проводят через точку
D ~ 0,5 м и точку р = 1,77 Па; эта прямая пересекает ось поправочных коэффициентов в точке J — 9. Произведение найденных значений U' и J дает искомую проводимость трубопровода U = 14-9126 м3/с.
При определении проводимости длинных трубопроводов, сечения которых отличаются от круглого, используют экспериментальные данные или оценивают проводимость по формулам (3.31)—(3.36), в которых условный диаметр D = Д/4^/л, где F — площадь поперечного сечения трубопровода.
Приведенные зависимости для определения проводимости трубопроводов справедливы при переходном режиме течения во всем рассматриваемом трубопроводе.
Статистический метод определения проводимости вакуумных систем
Статистический метод определения проводимости вакуумных систем, основанный на методе Монте-Карло, применяют преимущественно при моле-
Рис. 3.13. Кривые вероятности прохождения молекулы через элемент трубопровода в виде колена
кулярном режиме течения. При статистическом моделировании течения газа в вакуумной системе для определения ее проводимости прослеживают большое число траекторий движения молекул от момента «старта» с сечения входа до момента возвращения к сечению входа или выхода либо до момента поглощения при наличии поглощающих поверхностей.
Для непоглощающей системы в молекулярном режиме течения определяют вероятность перехода молекул через вакуумную систему (коэффициент Клаузинга) в виде
Р = nx/N\ (3.37)
где ^1 — число молекул, попавших в выходное сечение; N — общее число рассматриваемых молекул.
Рис. 8.12. Кривые вероятности прохождения молекулы через трубопровод, образованный двумя коаксиальными цилиндрамиРис. 8.12. Кривые вероятности прохождения молекулы через трубопровод, образованный двумя коаксиальными цилиндрамиРяс. 8.14. Кривые вероятности прохождения молекулы через трубопровод с диафрагмойРяс. 8.14. Кривые вероятности прохождения молекулы через трубопровод с диафрагмойПри достаточно большом числе N частота события Р равна вероятности
Рис. 8.12. Кривые вероятности прохождения молекулы через трубопровод, образованный двумя коаксиальными цилиндрами
Рис. 8.12. Кривые вероятности прохождения молекулы через трубопровод, образованный двумя коаксиальными цилиндрами
Ряс. 8.14. Кривые вероятности прохождения молекулы через трубопровод с диафрагмой
Ряс. 8.14. Кривые вероятности прохождения молекулы через трубопровод с диафрагмой
Рис. 8.15. Структурная схема определения проводимости вакуумных систем методом Монте-Карло
этого события, т. е. точность вычисления определяется числом N. Среднее квадратическое отклонение величины [39] *
Ор = УР^-Р^ьГ.
На рис. 3.12—3.14 показаны кривые вероятности Р — k прохождения молекул через некоторые элементы вакуум-
Рис. 8.16. Схема расчета траектории молекул в цилиндрической системе координат
ных систем, полученные методом Монте-Карло.
Рассмотрим процесс вычисления вероятности Pt на примере двух коаксиальных цилиндров. Структурная схема,расчета приведена на рис. 3.15. Задав исходные данные (блок 2), вычисляют координаты г и а точки старта молекулы с поверхности входа (блок 5) с помощью датчика случайных чисел.
В цилиндрической системе координат (рис. 3.16) радиус г точки старта и угол а между радиусом г и осью х:
r = (Pa — #i) VT; а= 2лх, где Р2 и ^х -— радиусы соответственно внешнего и внутреннего цилиндров; £ и х — непрерывные случайные числа, равномерно распределенные в интервале [0, 1 ], выдаваемые датчиком случайных чисел.
Направление траектории движения молекулы (х — х0)// = (у — у0)/т — — (z— 2^1п задают углами ср и а в сферической системе координат (рис. 3.17). Здесь х, у, г — текущие координаты точки траектории молекулы; х0, z/o, z0 — координаты точки старта; /, т, п — составляющие направляющего единичного вектора а; ф — уг0л между нормалью к поверх- йости старта и вектором а (случайная величина, определяемая при условии диффузного отражения по формуле ср = arcsinT/rj); aj = 2л/1 — угол между осью Ох' и проекцией вектора а на плоскость х'Оу* (равномерно распределенная случайная величина в интервале [0, 2л]); т) и h— непре-
Ряс. 8.17. Схема расчета траектории моле» аул ж сферической системе координат
рывные случайные величины, равномерно распределенные в интервале Ю, 1].
Проекции единичного вектора а на соответствующие оси координат при старте молекулы с сечения входа:
/ = т) cos (2лЛ); т = т) sin (2яА);
В блоке 5 (см. рис. 3.15) вычисляют координаты столкновения молекулы с поверхностями внутреннего или внешнего цилиндра, решая совместно уравнение прямой и уравнения поверхностен цилиндров х2 + z/2 = R^ и х2 + у2 ^2 •
В блоке 6 в зависимости от координат точки столкновения определяют, на какую поверхность попала молекула. При попадании молекулы на поверхность выхЛа ее движение считают законченным, т. е. к числам ^ и N добавляют по единице (блок 8) н сравнивают (блок 13) с заданным числом испытаний. Если N больше числа, ‘определяющего точность расчета, то. расчет заканчивают; если N меньше этого числа, то рассматривают движение следующей молекулы с момента старта (блок 3). При попадании молекулы на поверхности цилиндров снова определяют направление движения (блок 9) для молекулы, стартующей с поверхностен цилиндров, ио в данном случае а — это угол между нормалью к поверхности цилиндра в точке столкновения и направлением траектории.
В блоке 10 вычисляют координаты столкновения молекул с поверхностями цилиндров, как в блоке 5. В зависимости от координат столкновения молекула может попасть в сечение выхода (блок 8), сечение входа (блок /2) или снова иа поверхности цилиндров (блок 7). При попадании на поверхность цилиндров н сеченне выхода процесс расчета ведут согласно рассмотренной процедуре. При попадании молекулы на поверхность входа (блок Z2) движение молекулы также считают законченным. Прибавляют единицу к числу N и, считая, что молекула не прошла через элемент вакуумной системы, сравнивают (блок 13) число N с заданным. Определив вероятность Р по формуле (3.37), вычисляют проводимость при Р — к.
В ряде случаев расчет вакуумной системы можно значительно упростить, используя графоаналитический метод моделирования на плоскости [37 L При сокращенном числе испытаний (до 150) погрешность этого метода не превышает ±10%.
Расчетная модель на плоскости отличается от реальной условным диаметром (Г при той же длине /: для круглого сечения dr = 0,25га/; для сечения, отличающегося от круга, d' — k'nFlFl, где &', F, П — см. уравнение (3.24).
При выполнении расчетной модели вакуумной системы, состоящей из элементов с разными диаметрами d^ отношение условных* диаметров d'^d^ должно быть пропорционально отношению площадей поперечных сечений этих участков: d^d'^ = Р£грц_х = = d^d^Y. При этом длину последующего участка изменяют в том же соотношении для сохранения отно-- шеиня проводимостей этих участков. Кроме того, если условный диаметр d' последующего элемента расчетной модели на плоскости не изменяют, то его условную длину увеличивают в 4/л раз.
После построения расчетной модели на плоскости в соответствии с рассчитанными размерами моделируют процесс движения молекул газа в модели, графически прослеживая их траектории, от сечения входа до сечепия входа и выхода.
На начальном этапе моделирования определяют координаты начала движения молекулы. Сечение входа плоской модели разбивают на 2т равных частей (например, 18), что соответствует разделению входного сечення реальной вакуумной системы на т (9) колец шириной 11т (1/9) радиуса илн иа 2т (18) полуколец. Вероятность TOip, что координаты начала движения молекулы принадлежат области, ограниченной какнм-лнбо полукольцом (соответственно интервалом на расчетной модели), пропорциональна площади Ft этого полукольца, т. е. часть Nj молекул из их общего числа N начинает движение с поверхности полукольца Р< и N^N - FilF
Используя последовательность -случайных чисел от 1 до 18 (прил.1) для выбора места молекулы во входном сеченвн, определяют , номер участка сечения входа расчетной модели, из центра которого начинает движение молекула газа. Так, первое число 16 означает, что начало движения — центр 16-го участка сечення входа.
Направление движения молекулы определяют с использованием данных, приведенных в прил. 2. Последовательность случайных чисел от 1 до 17 учитывает диффузный закон отражения молекул от поверхности или вход молекулы через входное сечение. Так, первое число 12 означает, что угол ос, отсчитываемый по часовой стрелке от поверхности до траектории движения, равен 120°. В общем случае а< — i-10°.
Определив координаты^ начала движения, траекторию перемещения молекулы продолжают до пересечения . с поверхностью. Затем снова по прнл. 2 определяют направление отражения молекулы от этой поверхности. Так прослеживают траекторию движения молекулы до тех пор, пока она не попадет на сечение входа или выхода. Проследив 150 молекул с момента входа в систему до выхода, по уравнению (3.37) определяют коэффициент Клаузинга яри ^ = 150.
В качестве примера рассчитаем проводимость клапана 137). На рис. 3.18 представлена упрощенная конструктивная схе- - на клапана в открытом положении. Для Упрощения расчетной схемы проточную часть клапана разобъем на три участка. Размеры расчетной модели на плоскости
Рис. 3.18. Конструктивная схема к расчету клапана
(рис. 3.19) участка Z рассчитываем, начиная от сечения входа; 4' *= 0,25ndT = = 0,0628 м. Длины Z' и /' неизменны: /' = L = 0,07 м; /2'= Z2 = 0,02 м.
Диаметр D' корпуса, длина Z' н дна- метр клапана 4' соответственно:
D'= 4;D2/^ ^0,187 м; i^l^Djd^»
== 0,0345 м; 4' = 4^/4 = 0,066 М.
Входное сечение разобъем на 18 равных участков и по прил. 1 примем первое! число 16. Из центра 16-го участка проведем прямую линию под углом а = 120° к торцу входного сечення, определяемым первым числом 12 (прил. 2). Из точки /, полученной в месте пересечения траектории молекулы с поверхностью стенки, проведем новую линию под углом а = = 100е, соответствующим второму слу-
Рис. ЗЛв, Расчетная модель участков / в // (см. рис. 8.18)
5959
59
59
Откачка еаеа ив вакуумной системы
итр1 =итр1 =U« - ^’ - Р1-ИU« - ^’ - Р1-ИXX(3.38)(3.38)
итр1 =
итр1 =
U« - ^’ - Р1-И
U« - ^’ - Р1-И
X
X
(3.38)
(3.38)
1 3 5 731113 1515
Рис. 8.20. Расчетная модель участка Ш (см. рис. 8.18)
чайному числу 10 из при л. 2. Пересечение этой линни со стенкой определяет точку 2, нз которой в соответствии с третьим числом 13 (прнл. 2) под углом 130° проведем третью линию траектории молекулы, которая пересекает поверхность входного сечення. т. е. молекула вернулась на входное сечение (отрицательный результат испытания).
Начало движении второй молекулы (второе испытание) определим вторым числом 4 (прил. 1), а направление движения с а = 110е — следующим числом 11 (прнл. 2). Проведя 150 таких испытаний, получим 42 положительных результата испытаний, когда молекула достигнет выходного сечеиня участка 1 (см. рис. 3.18), т. е. вероятность того, что молекула пройдет участок //, ^j_ix = 42/150 — 0,28.
По уравнениям (3.17), (3.27) опреде" лнм проводимость участка /
иг = Pl„ITuOl*
где t/Qj — проводимость входного отверстия участка /.
В соответствии с (3.18) для воздуха при Г = 293 К
У01 = 116жГ|/4 = 0,584 мЗ/с.
Рассматривая Участок / как короткий трубопровод, по уравнению (3.15) для молекулярного режима течения определим проводимость проточной части участка /
0,28-0,584„,
-i—^--0,227 м./с
Участок // представляет собой проточную часть между двумя коаксиальными цилиндрами с наружным диаметром D ® = 0,138 м и внутренним d8 = 0,084 м при длине 18 = 0,04 м. Проводимость участка II U^ = 2,35 ms/c.
При переходе от участка II к участку I происходит поворот иа 90е в направлении течения газа; длину участка 1П определяем от осевой лниик.
Проводимость участка /// также рассчитаем упрощенным методом Монте-Карло. Размеры расчетной модели на плоскости (рис. 3.20) определим нз условия сохранения отношения диаметров: D' ■* = D = 0,138 м. Диаметр d^ рассчитаем как среднее арифметическое d^ и 4Д: d^ ■ ■ 0,5 (ti^ -г d^ = 0,08 м; диаметр d^ — = d4 — 0,08 м. Так как d^ = const, длина этой проточной части увеличена в 4/л раэ и /щ — 0,50 4“ ^4/л — 0,1405 м.
Проводимости системы в прямом н обратном направлениях одинаковы, поэтому в качестве входного сечеиня примем выходное сечеине клапана.
При определении вероятности ^ц_щ 8=5 = Рщ.ц движение молекул моделируем по аналогии с участком /. В результате 150 испытаний 44 молекулы прошли от входного до выходного сечення участка III, т. е. ^п.ш = 44/150 == 0,294.
Проводимость проточной части участка ///
г; - ^п^ош _ 0,294-0,584 UmpHl и01И-ии1 1-0,294
— 0,243 м»/с, где Уш = Рп-щ^пр ^оШ - — H6nd|/4 = 0,584 м’/с.
Таким образом, известны проводимости всех участков клапана и. его проводимость U определим в соответствии с уравнением (3.4):
и-1 = и-^ + utf + и^ш + УБ} = = 0,227-1 + 2,35-* + 0.243-* + 0,584-1 = = 4,41 + 0,43 + 4,12 + 1,71 = 10,67 с/м», отсюда U ~ 0,094 м’/с.
Расчет централизованныхвакуумных систем
В централизованных системах откачки одним насосом одновременно откачиваются несколько сосудов, подключенных к общему коллектору. Примером централизованной системы является подключение нескольких высоковакуумных насосов к одному форвакуумному насосу. Расчетная схема централизованной системы откачки показана на рис. 3.21. Вакуумный насос подключен трубопроводом длиной 1г (проводимость U^ к коллектору длиной /к. Откачиваемые насосы с потоками газовыделений Qn ..., Qn. соединенные с коллектором трубопроводами длинами lv ..., /п, характеризуются заданными коэффициентами одновременности работы т и
нестабильности рабочего давления
<71^п-
Для коллектора на участках между последовательно подключенными откачиваемыми насосами в установившемся режиме справедливы следующие уравнения газовых потоков:
m2 ^ = и*(р* —Р1У т^91<И = i=a1=3
= 0,^8 —ргух ...; mQnqn =— ^п (РпPn-\i-
Эту систему можно записать в виде
m VI
Ра = Pl + "Щ 7 , Qi<?<; Ра — Pi +
1=2
+ т I U2 1
(
п
Ui' ^ Q1P1 +
1=2
Qn4nUn
При заданных размерах коллектора, определяющих проводимости U21 .... Un, потоках Q,, ...,Qn и давлении в одной из точек подключения откачиваемых сосудов (обычно рп) из системы уравнении (3.38) можно определить давления во всех остальных сечениях коллектора, в том числе давление р,. При централизованной откачке насосов давление рп выбирают меньше максимального выпускного давления рвшах высоковакуумного насоса.
Быстрота действия иасоса
s« = QcU1KU1p1-Qa.
где Qc = т Qtqt — суммарная про- изводйтельность откатки; рТ — давле-
Рвс. 8.21. Расчетная схема централизованной вакуумной системы
вне в сечении коллектора, соответствующем подключению первого от- качиваемого сосуда.
Диаметры соединительных трубопроводов длинами 1г, ..., In определяются их проводимостями U'( = QjKpt, где Apt — заданный перепад давлений между коллектором и откачиваемыми сосудами.
Процесс откачки газаиз вакуумной системы
При расчетах вакуумных систем часто необходимо определять время выхода установки на режим, т. е. длительность откачки от начального давления до заданного, которое необходимо поддерживать в откачиваемом сосуде. При этом обычно возникает нестационарный режим течения, когда давление и скорость течения газа в каждой точке' вакуумной системы непрерывно меняются. Для упрощения расчетов времени откачки рассматривают квазистационарный режим течения газа при условиях: разность давлений на концах трубопровода мала по сравнению со средним давлением в нем; объем трубопровода значительно меньше объема откачиваемого сосуда; режим течения газа в трубопроводе постоянный по времени.
Условия существования квазиста- ционарного режима течения можно выразить в виде
<i VU , ,Ц - S0Fl ^ * '
где /, = Г/50 и <2 = Fl! U — постоянные времени откачиваемого сосуда и трубопровода; У — объем откачиваемого объекта, м3; U — проводи-
ряда высших порядков малости, получим
' ay у0 dp1 dQx
dt = прй dtр0 dt
(3.40)
Рис. 8.22. Схема вакуумной системы
Процесс откачки можно описать уравнением политропы только в начальный момент откачки при турбулентном н ламинарном режимах течения; при молекулярном режиме процесс изменения состояния газа является с достаточной степенью точности изотермическим.
Так как dV/dt — So и Vjn — V —
мость трубопровода, м3/с; So — быстрота откачкн объекта, м3/с; F— площадь поперечного сечения трубопровода, м2; / — длина трубопровода, м.
В реальных вакуумных системах последнее условие практически всегда выполняется: исключение составляет начальный период откачкн от атмосферного давления. Продолжительность этого периода обычно весьма мала по сравнению с полным временем откачки, и процесс откачки можно рассматривать как квазистационарный, а проводимости трубопроводов — определять по известным формулам стационарного режима течения.
Пусть за время dt из сосуда (рис. 3.22) объемом VQ откачивается объем dV газа при давлении ^0, т. е. поток pQdV. За это же время в сосуд в результате газовыделения стенок и натекания нз окружающей среды попадает поток dQ^, = dQrB + dQH, где QrB н Qh — потоки соответственно газовыделения и натекание извне. При давлении р0 поток dQ-^ соответствует объему dQ^Jp^
. В результате давление в системе изменится на dp. Тогда согласно уравнению политропного процесса можно записать
приведенный объем, то в общем случае уравнение (3.40) можно переписать в виде
_ У dp . Qz
s« — -^"аг +—> (ЗЛ1> где Q^ = dQ^dt.
Считая Qj и So постоянными, после интегрирования получим
у
“ё— 1л ^0
Ро — Qs/^o
Ро~№
, (3.42)
где
Ро *
давления
Pq — начальное и конечное в откачиваемом сосуде.
Для определения времени откачкн ' объекта от атмосферного до требуемого
давления при любом режиме течения газа вместо уравнения (3.42) можно (рис. 3.23).
использовать номограмму
^3|ю*А
2-10%.
2-
M
3., S„-V
ЛЮ1 1 104:
^10° ~
^ .10^^/Z7'
Ю^
t,c г2
МО1 :2
В/О2
ю’"?- V1
10е
JO3 F2
кр р,Па
юЦкГZ"3s
Ро(Ув-^*^РдП^\p6 + dp) У?,
(3.39)
24
ЯГО
16V
Ё/о"5 :
10L'Z^,:1035^-5
2^- Юг
:/0*
w^io’
где п-—показатель политропы.
Разложив в ряд выражение (3.39) при условии пренебрежения членами
ОЛ43
Рис. 8.28. Номограмма для определения времени откачки объекта в зависимости от конечного давления
Например, для определения времени / откачкн сосуда объемом V = 5 м3 насосом, обеспечивающим быстроту откачки Sq=0,1 м3/с, до давления р = 6,7 Па точку V = 5 м3 соединяют с точкой So — 0,1 м3/с прямой линией. Продлив эту линию до шкалы VlSo* соединяют полученную точку с точкой р = 6,7 Па. Пересечение этой новой прямой со шкалой t дает время t = 700 с, необходимое для откачкн сосуда до заданного давления р.
Для определения времени откачки, например того же сосуда, от давления р' = 6,7 Па до давления р” = 6,7Х X102 Па тем же насосом (So = = 0,1 м3/с) точку, найденную на шкале V/S6, соединяют с точкой на шкале кр — рЧр" = 100 прямой линией, пересечение которой со шкалой t дает время t ~ 230 с.
При длительной откачке давление в сосуде постоянно и равно предельному давлению рпр — наименьшему давлению, достигаемому .в сосуде с постоянным потоком газа Q£ = QrB + + Qh — Рпр^о-
Если проводимость трубопровода намного больше быстроты действия насоса ^U ^> SH), например прн турбулентном и ламинарном режимах течения, и потоками газовыделения и натеканий можно пренебречь, то уравнение (3.42) примет вид I — (WSH) X * In (Po/Ро)-
При определении времени откачкн предполагают, что быстрота откачки объекта So ие зависит от времени и давления. В действительности, если даже быстрота действия насоса не зависит непосредственно от давления, то она зависит от проводимости трубопровода, а следовательно, в вязкостном и молекулярно-вязкостном режимах течения и от давления. В связи с этим при определении времени откачки зависимость So — / (р) необходимо разделить на участки, на которых можно считать S6 = const или описать зависимость So ~ f (р) аналитическим выражением.
Определив врейя /< для каждого Участка, из уравнения (3.41) можно найти полное время откачки, равное сумме /,.
ЗЛО. Пример расчета проводимостисложного трубопровода
Исходные данные. Трубопровод (рнс. 3.24), соединяющий откачиваемый сосуд / с вакуумным насосом 6, состоит из цилиндрического трубопровода 2 круглого сечения длиной /, — ! м ■ диаметром Da = 0,5 м, переходника 3 длиной U = 0,23 м н диаметром Da — = 0,38 м, прямого вакуумного затвора 4 ^D^ = 0,38 мм) длиной 1^ ■ 0,38 м н диаметром О4 = 0,38 м, колена 5 со сторо- иамн /' = 0,58 м и /* — 0,38 м н диаметром Di = 0.5 м. Определяющий размер откачиваемого сосуда Dx ~ Ю м, быстрота действия вакуумного насоса S„ = 5 ма/с прн давлении во входном патрубке рх = = 10“* Па. Откачиваемый газ — воздух прн температуре 293 К. Определить быстроту откачки So сосуда, давление рх в сосуде и проводимость трубопровода. Решение. 1. Молекулярный режим течения.
Для определении режима течения в колене 5 трубопровода рассчитаем число Кнудсена
„ _ X 4,7-10-» 4,7-10-» Кп Dt реОж . 10~*-0,5 “ ’ ’
так как Кп > 0,33, режим в колене трубопровода — молекулярный.
Проводимость колена Трубопровода [см.
(3.28))
U* = H6A.F. = 116 0,370:0,196 = 8,427 м»/с.
где Аб = 0,370(см. рис. 3.13) прн l^/Rb = * 2,32 н VyR^ = 1,52; F6 ==
е= 0,196 М1.
Из соотношения Q = S_p, = U. (р. — я о око — ре) давление р( на входе в колено трубопровода
+ 8,427)/8,427 = 1,593-10-» Па.
Проверим режим течения в колене 5 и вакуумном затворе 4; Кп = 7 764 > > 0,33.
Уше. 1.14. Схема к расчету проводимости трубопровода
4,710-»Р,~ КпВ,4,710-»Р,~ КпВ,
4,710-»
Р,~ КпВ,
4,710-»
Р,~ КпВ,
Проводимость вакуумного «атвора [см, (3.28)1
U« — И6А.Р. — 116.0,514.0,113 —= 6,762 м»/с,
где 64 — 0,514 (см. табл. 3.3) при tJD,— - 1,0; F4 = ЛО2/4 = 0,113 м». j
Из соотношения Q = Ut (pt — р«) давление р4 иа входе в затвор 4,
р, = р, + Q/U4=l,593-10"» + 5-10-»/6.762=
= 2,332-10-» Па.
Проверим режим течения в ватворе 4 и переходнике 3:
Кп = 4,7 у-™- = 5,303 > 0,33.
Так как вход в переходник 3 нз цилиндрического трубопровода 2 необходимо рассматривать как большую диафрагму (0,(0, = 1,316), определим проводимость 3 переходника с учетом влияния изменения площади сечення по формулам (3.28) и (3.1S):
U, = 1166,F, -^ту = 116-0,632-0,113 X
Х-(й9^Ъ1^^
где 6, = 0,632 (см. табл. 3.3) при lt!D4 = = 0,605; Р3 = ЛО2/4 = 0,113 м2; F^ = = siDyt = 0,196 м2.
Давление на входе в переходник 3 р, = Р, + QIU, = 2,332.10-» +
^+ 5-10-»/19,563 = 2,588-10-» Па,
Проверим режим течения на выходе из цилиндрического участка 2 трубопроводам
„4,7-10-»4,7-10-».
КП~ p,D,10'»-0,5-2,588'>
> 0,33.
Так как Di/В., = 20, вход в цилиндрический участок рассматриваем как малую диафрагму; проводимость
- U, — U6k,F, = 116.0,359- 0,196 — = 8,162 м'/с,
где 6, — 0,359 (см. табл. 3.3) при 1,/D, ■ — 2,0.
Давление в откачиваемом сосуде
Pi — р, — Ра "г Q/U, = 2,588-10-» +
+ 5-10-»/8,162 = 3,201-10-» Па.
Проверим режим течения в цилиндрическом участке
4,7-10-»
Кп =" 2,937 > °-33-
t. а. режим течения молекулярный.
Быстрота откачки сосуда I
— Q/p, = 5 0-»/(3.20Ы0-') =
— 1,662 м»/в.
Проводимость всего трубопровода
U = Q!(Px - р.) = 5-10->/[(3,201 -
— 1) 10-»] = 2,272 м»/с.
Вязкостный режим течения (давление всасывания насоса р, = 1,5 Па).
Проверим режим течения ь колене 5
X 4,7-10"»4.7-10-»
КП" О, “ р,В, “ 1,5-0,5 ~
= 6,267-10-» < 0,01,
т. е. режим течения вязкостный. Так как давление в остальных частях трубопровода выше, а для вакуумного затвора 4 и переходника 3 с наименьшими диаметрами Dt = Dt = 0,38 м вязкостный режим начинается с давления
4,7-10-»,„
~ 10-»-0,38“ 1,237 Па<
то в остальных частях трубопровода наблюдается вязкостный режим течения.
Приняв поток газа Q постоянным во всем трубопроводе, из уравнения потока Q ss и«Ц.Ре — Ре) я уравнения (3.14) определим давление иа входе в колено 5;
г Q + 0.03Q1
ps ~ V р^ +680Д4—
, 1,625-7,5+0,03-7,5»
- И Ь5» + — -б§5^ =
= 1,605 Па,
где Q = Знр6 = 7,5 Па-м3/с; 7р — <5 + + Z5 + 1,ЗЗВ5 = 1,625 м [см. (3.43)].
Проводимость колена 5
V, = Q/(pt — р.) =7,5/0,105 = 71,33 м'/с.
Давление на входе в вакуумный затвор 4 определим, заменив его, как выше, эквивалентной трубой:
„ 1мГ-I- о-озе»
Р1” У р1 +6805)4
, 0,38-7.5 + 0,03-7,5» 1,605» +—
= 1,702 Па.
Проводимость затвора 4
U* = Q/(p« — р,) = 7,5/0,097 = 77,32 м«/с.
Давление р' иа входе в переходник 3 определим без учета влияния изменения площади вход? от F, до Fb из уравнения (3.11) и ураэнеявя потока
PS J/ р1 + 680В^ “
= У 1.702» + ~^~ - 1.737 Па.
Проводимость переходника 3
У$ “ 9Кр8 ~ р*) = 7-5/0,035 - 214,3 м»/с
Давление ра иа входе в переходник оассчитаем с учетом влияния большой диафрагмы, которой является вход, совместным решением (3.9), введя коэффициент F,HFt — F.), и уравнения потока при Г = Р^Р» > 0,528:
= F. ^0’7и угт^^х
Рз-Р»
где р, = 0,196 м»; F, = 0,113 м». Решив уравнение
(F8 — F^Q _ -0.286*1/*0.286
"F.-766p-8Fs,
методом последовательных приближений, получим т = 0,999 н . ра = 1,739 Па. Перепад давлений р? — р' очень мал, поэтому влиянием большой диафрагмы пренебрегаем.
Давление р, = р, в сосуде 1
l,Q + 0,03Q« 680DJl,Q + 0,03Q« 680DJ
l,Q + 0,03Q« 680DJ
l,Q + 0,03Q« 680DJ
/*1,739» +/*1,739» +1-7,5 + 0,03.7,5»
/*1,739» +
/*1,739» +
680-0,5»
1.8 Па.1.8 Па.Проводимость цилиндрического’ трубопровода 2
1.8 Па.
1.8 Па.
и, = Q/(P, - Ра) = 7,5/0,061 = 122,95 м»/с.
Быстрота откачкн
So = Q/P1 = 7,5/1,8’= 4,167 м»/с.
Проводимость всего трубопровода
V = Q/(p, - р.) = 7,5/0,3 = 25 м»/с.
11. Определение проводимостивакуумных систем методом угловыхкоэффициентов
Проводимость элементов вакуумных систем (вентилей, затворов, участков трубопроводов)" и систем в целом, а также распределение молекул по поверхности вакуумной системы или отдельных ее участков можно рассчитать с помощью угловых коэффициентов,. используемых для определения теплообмена излучением.
В общем случае элементарную площадь dFt поверхности Ft вакуумной системы покидает поток молекул, плотность которого
91 = ^07 + (* — а) 9'1*(3.43)
где q6l — плотность потока молекул, испускаемых площадью dFt (иапри- МеР, в результате газовыделеиия по
верхности); а — коэффициент поглощения молекул газа поверхностью dFp q't — плотность потока, молекул, падающих на площадь dFt.
На элементарную площадь dFt падает поток молекул со всех поверхностей вакуумной системы, видимых из центра площади и образующих замкнутую систему. Полная плотность падающего потока
9'^1= j qj^dF -dF.^f^F,
(3.44)
где q; — плотность потока молекул, покидающих площадь dFj [см. (3.43) ]; d^dF —dF — вероятность попадания
молекул газа с элементарной площади dFj поверхности Fj на площадь dF, поверхности Ft-
Вероятность d^dFdF зависит от
закона отражения и испускания частиц поверхностью и взаимной ориентации площадок.
При диффузном законе отражения
«^dFj-dFt = (^/.7") cos С/- (3 45)
rgsdtojt —телесный угол с вершиной в центре площади dF р t,j— угол между нормалью к площади dFj и линией, соединяющей центры площадей dFj и dFt-
Величина d(pdF —dFt называется дифференциальным или элементарным угловым коэффициентом и представляет
собой выражение диффузного отражения.
законазаконаС учетом dtojt = -^- cos ^t можно
закона
закона
записать
,•COS tj COS ■
-44>dFJ~dFt ='^ dF t, (3.46)
где Cf — угол между нормалью к пло- щадй dFt и линией, соединяющей центры площадей dFt и dF }; г — расстояние между центрами площадей dFt и dFj.
Вероятность
d^dF.—F, попадания мо-d^dF.—F, попадания мо-лекул газа с элементарной площади dFj иа всю поверхность площадью
d^dF.—F, попадания мо-
d^dF.—F, попадания мо-
Вероятность ф^ _FВероятность ф^ _FdF (. (3.47)dF (. (3.47)попаданияпопаданиямомо(3.52) газа,(3.52) газа,® П/р Е. С. Фролова® П/р Е. С. Фролова
Вероятность ф^ _F
Вероятность ф^ _F
dF (. (3.47)
dF (. (3.47)
попадания
попадания
мо
мо
(3.52) газа,
(3.52) газа,
® П/р Е. С. Фролова
® П/р Е. С. Фролова
Ft называют локальным угловым коэффициентом'. ,
NdF,-F, = J ^dF,—dFt =
* Fi
лекул газа с поверхности площадью Fj на поверхность площадью Ft при постоянстве qj по всей поверхности называют средним угловым коэффици
ентом
Vprpi - VFAXFi Fi
•~ COS tfCOS t i
- X—<348)
Если рассматривать вероятность попадания молекул газа с элементарной площади dFt на площадь dF р то дифференциальный угловой коэффициент
■ ^dF, -dFj — л cos Ei —
г ■ COS ti cos„
=—<3-49)
Сравнив уравнения- (3.49) и (3.46), можно записать:
^dF^dFj ^l = ^dFj— dF, Др p
(3.50)
Это соотношение называют свойством взаимности дифференциальных угловых коэффициентов. Для локальных и средних угловых коэффициентов это свойство соответственно имеет вид
^dF.~F} ^i = ^Fj-dF^p
Фр, —F^i = ФР^Р^р **
Свойство аддитивности угловых ко- ,эфх])ициентов заключается в том, что угловой коэффициент Ц>р,_р между поверхностями Ft и F> равен сумме коэффициентов <pF _- между по-
■i ;п
верхностью Ft и всеми частями У F^
поверхности Fp из которых она состоит
\п=1
,к
Фр^-^Фр,-^■
Кроме того, сумма всех угловых коэффициентов между поверхностью Ft и всеми п поверхностями, образующими замкнутую систему, равна единице:
п -
5 Фр.-р, = *•
i=i 1.
Расчетные зависимости угловых ко-' эффициентов для поверхностей нан-' более распространенных геометрических конфигураций, описывающих вакуумные системы, представлены в табл. 3.8 [39].
Уравнение (3.43) при учете уравнений (3.41), (3.46), (3.50) позволяет определить основные коэффициенты, описывающие взаимодействие потоков молекул с - поверхностей системы.
Плотность потока молекул, покидающих поверхность Ft, ^i ~ ?0i + (1 — «0 j 4jd4idpt_dp .
(3.51):
Распределение плотности молекул, . падающих на поверхность, можно определить из уравнения (3.44) с учетом (3.43), (3.46), (3.50):
4i= j Qoj^VdF, _dP +
+ J ^-«-bS'iNdFt-dF.-
Плотность потока молекул поглощаемых поверхностью, -<f, = aq,.
Вероятность к прохождения молекул газа от входного сечения Ft вакуумной системы до выходного сечения Fj
й = j q .dF. I ^ q0,dF,. (3.53)
Варианты взаимного расположения поверхностей
Угловой коэффициент ■■
Схема
Две бесконечно длинные полоски бесконечно малой ширины с параллельными образу-
^dF'x—dF, = “2" ^ (8*П V) =
_ 1хр sin2 a ,
~ 2 (х2 -J- р2 — 2хр cos a)1-6
dx.
n^z dFl x I /
ющими
r ,U/
Элементарная площадка» расположенная в углу торца канала квадратного сечения, и элемент поверхности канала
ах[. Га
^dF.-dF, - л (a2^2)1,5 | 3rCtC+ X2)O,SJ +
1x2-j-2a2 J
iFt rife
Два кольцевых элемента на внутренней поверхности прямого кругового цилиндра
NdFt-dF, ~ Р 7
х (х* + б/?2) (х2 + 4Я2)1’6
Два кольцевых элемента на внутренней поверхности прямого кругового конуса
.cos2 а [ ...
“VdFt—dFa 2xj sin а I ' **21
(*i — хг)2 + 6x^2 sin1 а ) ^ [(xt — x2)2 -j- 4x^2 sin2 a]1-6 J
Два бесконечно малых элемента на внутренней поверхности сферической полости
^dFt—dF, " ^2/4л/?2
Бесконечно длинная полоска бесконечно малой ширины и плоскость конечной ширины и бесконечной длины с параллельными образующими
.1/cos a— х
^dF.-F, -у+ 2(х2+/2 — 2x/cosa)°-6
ТЕЧЕНИЕ РАЗРЕЖЕНН Ы X ГАЗОВ ■Определение проеодижости -методом угловых коэффициентов
Варианты взаимногорасположения поверхностей
Угловой коэффициент
Элементарная полоска бесконечно малой ширины и любой длины и параллельный ей бесконечно длинный цилиндр
.^dFx-F, - лГ+^Г
Элементарная полоска бесконечно малой ширины и любой длины па поверхности цилиндра и бесконечно протяженная плоскость
^dFx-F, = -|- (1 + cos а)
,1
“■^dFx-Fi ~ у
Элементарная площадка на внутренней поверхности внешнего цилиндра системы из двух коаксиальных цилиндров и внутренняя поверхность внешнего цилиндра
Кольцевой элемент на внутренней поверхности цилиндра н торец цилиндра
Элементарная площадка в плоскости торца прямого цилиндра и наружная поверхность этого цилиндра
Кольцевой элемент на плоскости, параллельной торцу цилиндра, и внутренняя поверхность цилиндра; центр кольцевого элемента на осн цилиндра
Г 1 t X -нг arctg
Rs
-4^
^2
+^x ^1
_ ±_Z2+2R?
28 tiVRi-Rl R^VM7^
1_ / № + да VdFx-F, — 2R Д Vh2-V 4Ra
1 I 1,Rs .
d^dFv-F, ~ л I 2 аГСС0® Rx "*■
Ra№ + R^-Rl
+"cte v«i-^T—"7—
x tg ^y aiccos (R2/R1)
X arctg Z2 + ^i + ^l—2RiR2
где X = VG2 + RI + R‘iy2 - 4R?Ri
NdFx—F, — '
1 С(/ + Л)2 + ^2_^2
2 I Ук< + Л)2 + RH R^l2 - ^RiRl
-y^-VR^-VR^-^xR^ j
ТЕЧЕНИЕ РАЗРЕЖЕННЫХ ГАЗОВ■Определение проводимости методом угловых коэффициентов
X (i - a,) qjd<pdPi_Fi.X (i - a,) qjd<pdPi_Fi.(3.54)(3.54)
X (i - a,) qjd<pdPi_Fi.
X (i - a,) qjd<pdPi_Fi.
(3.54)
(3.54)
Коэффициент захвата вакуумной системы, имеющей только входное сечение Ft,
Решение уравнений (3.51), (3.52) можно получить численными методами.
Используя зональный Метод, когда исследуемые поверхности разбивают на п зои с одинаковыми характеристиками, уравнение (3.52) можно представить в виде ,
па
^=2 ^^dF.—F A 2 Х
М 1 3 /=1
Решеине системы уравнений (3.54) j имеет вид1
^2 ^O^dF^-F^|
где d,<t>Ap в — разрешающий локаль- 1 иг t j
иый угловой коэффициент, представ- i ляющий собой вероятность иепосред- j ственного попадания молекул газа § с элемента поверхности dF^ на всю 1 поверхность Fj и отражения от других j поверхностей.|
Коэффициент d<I)dpF можно при- я
"ближенно определить из решения си-Я стемы алгебраических уравнений Я
^dF.—F. = ^dF.—F, + 2 (* “ а) X 1
X фр рF .Д
РАЗДЕЛ 2
КОНСТРУКЦИОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫВАКУУМНЫХ СИСТЕМ
Глава 4. Материалы вакуумных систем
Общие сведения
Материалы, используемые в ваку- умиой технике, в зависимости от назначения подразделяют на три группы: конструкционные, специальные и технологические.
К конструкционным относятся материалы, используемые для изготовления вакуумных систем и элементов, включая средства получения вакуума/ Для этой цели .широко используют чугуны, углеродистые стали, легированные стали и сплавы, жаропрочные, жаростойкие и коррозионно-стойкие стали и сплавы, титан и его сплавы, цветные металлы и сплавы, стекло, керамику и ситаллы.
■Элементы конструкций, используемые в качестве тел нагрева, уплотнения и изоляторы изготовляют из специальных материалов: вакуумной резины, фторопласта, графита, тугоплавких металлов.
Легкоплавкие металлы и сплавы используют в качестве припоев и уплотнителей подвижных и разъемных соединений фланцевого и клапанного типов, высоковакуумных и сверхвысоковакуумных элементов и систем.
Широкое применение стекла и керамики в качестве конструкционных материалов объясняется их способностью к формообразованию, хорошими электроизоляционными двойствами; низкой газопроницаемостью, химической стойкостью. Из стекла изготовляют вакуумные трубопроводы, смотровые окна, оболочки рабочих вакуумных камер и др., из керамики — изоляторы, электрические вакуумные вводы. В последнее время из керамики выполняют детали уплотняющих клапанных пар, направляющие координатные столы и др.
Большое распространение, особенно в технике низкого вакуума, получила вакуумиая резина. Отличные упругие
свойства вакуумной резины сделали ее- незаменимым материалом для вакуумных уплотнителей. Ее используют также в качестве мембран и гибких перегородок вводов движения в вакуум.
Резиновые вакуумные шланги применяют в качестве вакуумпр оводов форвакуумных систем.
Из фторопласта изготовляют мем-, браиы, сильфоны, подшипники сколь-^ жения, направляющие уплотнители в разъемных и подвижных соединениях.
Вакуумные лаки применяют главным образом для устранения течей в редко разбираемых нешлифованных соединениях; вакуумные смазочные материалы используют в качестве вязких уплотнителей для кранов и шлифо-' ванных соединений. Вакуумные замазки применяют для уплотнения нешлифованных соединений.
. В последнее время для вакуумного уплотнения широко используют герметики, в неразъемных вакуумных соединениях —- вакуумные цементы и клеи. Общее требование к материалам этой группы — низкое давление пара при нормальной температуре, малая усадка при остывании или испарении связующего вещества.
Дополнительные требования к конструкционным и специальным материалам, работающим в условиях повышенных температур: малые давление насыщенного пара и степень диссоциации при рабочих температурах, отсутствие химических реакций, протекающих с образованием газообразных продуктов или эвтектик, малая адсорбционная способность • по отношению к газам и парам.
К технологическим относятся материалы,. используемые при испытании, ремонте и эксплуатации вакуумных систем: лаки, клеи, герметики, замазки, смазочные материалы, материалы для очистки вакуумных аппаратов и др.
Чугун°в>'МПа ■"н-МПаНВСЧ15147314163 ... 229СЧ18176358170 ... 229СЧ20196392170 ... 241СЧ25245451180 ... 250СЧЗО294490181 ... 255СЧ35343539197 ... 269Чугун°в>'МПа ■"н-МПаНВСЧ15147314163 ... 229СЧ18176358170 ... 229СЧ20196392170 ... 241СЧ25245451180 ... 250СЧЗО294490181 ... 255СЧ35343539197 ... 269Т а б л и ц а 4.1Т а б л и ц а 4.1Чугун"в- МПа°Т> МПав, %НВВЧ 45441333160 ... 220ВЧ 504903431,5180 ...260ВЧ 605883932,0200 ... 280:Чугун"в- МПа°Т> МПав, %НВВЧ 45441333160 ... 220ВЧ 504903431,5180 ...260ВЧ 605883932,0200 ... 280:Таблица 4.2Таблица 4.2Примечание. Здесь и далее:- ат ■— предел текучести; 6 — относи- ( тельное удлинение. 'Примечание. Здесь и далее:- ат ■— предел текучести; 6 — относи- ( тельное удлинение. 'Сталь'.. Массовая доля, %' . сМпSiБСтОспНе более 0,23——БСт1сп0,06 ...0,120,25 ..0,500,12 ... 0,13БСт2сп0.09 ...0,150,25 ..0,50БСтЗсп0,14 ...0,220,40 ..0,650,12 ... 0,30БСт4сп0.18...0,27■ 0,40 ...0,70БСтбсп0,28 ...0,370,50 ...0,800,15 ... 0,35БСтбсп0,38 ...0,490,50 ...0,80Сталь'.. Массовая доля, %' . сМпSiБСтОспНе более 0,23——БСт1сп0,06 ...0,120,25 ..0,500,12 ... 0,13БСт2сп0.09 ...0,150,25 ..0,50БСтЗсп0,14 ...0,220,40 ..0,650,12 ... 0,30БСт4сп0.18...0,27■ 0,40 ...0,70БСтбсп0,28 ...0,370,50 ...0,800,15 ... 0,35БСтбсп0,38 ...0,490,50 ...0,80Таблица 4.3Таблица 4.3СтальМеханические свойства е1 '-Физические свойства, **"в°т6. *- НВ 'р, г/см*Вт/(«. К)а. 10е, к-*МПа%0810 ■15202530 *3540 •4550330340380420460500540580610' 6402002102302501 280300320340360380333127,25232120 •191614605555505045- 454040. 40■ 131143149163 .170■ 1791 187197 ■2072177,8307,830 .7,820■7,8207,820 -7,817 .7,8177,8157,8147,81177,2 ■ 77,274,0 74,4 72,0 72,0 72,0 56,8 64,8 64,811,611,6 ■ 11,611,1 П,1 12,6 11,1 12,4 11,6 12,0СтальМеханические свойства е1 '-Физические свойства, **"в°т6. *- НВ 'р, г/см*Вт/(«. К)а. 10е, к-*МПа%0810 ■15202530 *3540 •4550330340380420460500540580610' 6402002102302501 280300320340360380333127,25232120 •191614605555505045- 454040. 40■ 131143149163 .170■ 1791 187197 ■2072177,8307,830 .7,820■7,8207,820 -7,817 .7,8177,8157,8147,81177,2 ■ 77,274,0 74,4 72,0 72,0 72,0 56,8 64,8 64,811,611,6 ■ 11,611,1 П,1 12,6 11,1 12,4 11,6 12,0Таблица 4.4Таблица 4.4■11 Для изделий диаметром или толщиной до 80 мм после отжига.*2 Значения X и а соответствуют температуре 293 К--Примечаний. Здесь и далее: ф — относительное сужение поперечного сечеиия после разрыва; р — плотность; X — теплопроводность; а — относительный температурный коэффициент линейного расширения.'■11 Для изделий диаметром или толщиной до 80 мм после отжига.*2 Значения X и а соответствуют температуре 293 К--Примечаний. Здесь и далее: ф — относительное сужение поперечного сечеиия после разрыва; р — плотность; X — теплопроводность; а — относительный температурный коэффициент линейного расширения.'
Чугун
°в>'
МПа ■
"н-
МПа
НВ
СЧ15
147
314
163 ... 229
СЧ18
176
358
170 ... 229
СЧ20
196
392
170 ... 241
СЧ25
245
451
180 ... 250
СЧЗО
294
490
181 ... 255
СЧ35
343
539
197 ... 269
Чугун
°в>'
МПа ■
"н-
МПа
НВ
СЧ15
147
314
163 ... 229
СЧ18
176
358
170 ... 229
СЧ20
196
392
170 ... 241
СЧ25
245
451
180 ... 250
СЧЗО
294
490
181 ... 255
СЧ35
343
539
197 ... 269
Т а б л и ц а 4.1
Т а б л и ц а 4.1
Чугун
"в- МПа
°Т> МПа
в, %
НВ
ВЧ 45
441
333
160 ... 220
ВЧ 50
490
343
1,5
180 ...260
ВЧ 60
588
393
2,0
200 ... 280:
Чугун
"в- МПа
°Т> МПа
в, %
НВ
ВЧ 45
441
333
160 ... 220
ВЧ 50
490
343
1,5
180 ...260
ВЧ 60
588
393
2,0
200 ... 280:
Таблица 4.2
Таблица 4.2
Примечание. Здесь и далее:- ат ■— предел текучести; 6 — относи- ( тельное удлинение. '
Примечание. Здесь и далее:- ат ■— предел текучести; 6 — относи- ( тельное удлинение. '
Сталь
'.. Массовая доля, %
' . с
Мп
Si
БСтОсп
Не более 0,23
——
БСт1сп
0,06 ...
0,12
0,25 ..
0,50
0,12 ... 0,13
БСт2сп
0.09 ...
0,15
0,25 ..
0,50
БСтЗсп
0,14 ...
0,22
0,40 ..
0,65
0,12 ... 0,30
БСт4сп
0.18...
0,27
■ 0,40 ...
0,70
БСтбсп
0,28 ...
0,37
0,50 ...
0,80
0,15 ... 0,35
БСтбсп
0,38 ...
0,49
0,50 ...
0,80
Сталь
'.. Массовая доля, %
' . с
Мп
Si
БСтОсп
Не более 0,23
——
БСт1сп
0,06 ...
0,12
0,25 ..
0,50
0,12 ... 0,13
БСт2сп
0.09 ...
0,15
0,25 ..
0,50
БСтЗсп
0,14 ...
0,22
0,40 ..
0,65
0,12 ... 0,30
БСт4сп
0.18...
0,27
■ 0,40 ...
0,70
БСтбсп
0,28 ...
0,37
0,50 ...
0,80
0,15 ... 0,35
БСтбсп
0,38 ...
0,49
0,50 ...
0,80
Таблица 4.3
Таблица 4.3
Сталь
Механические свойства е1 '
-Физические свойства, **
"в
°т
6
. *
- НВ '
р, г/см*
Вт/(«. К)
а. 10е, к-*
МПа
%
08
10 ■
15
20
25
30 *
35
40 •
45
50
330
340
380
420
460
500
540
580
610
' 640
200
210
230
250
1 280
300
320
340
360
380
33
31
27,
25
23
21
20 •
19
16
14
60
55
55
50
50
45
- 45
40
40
. 40
■ 131
143
149
163 .
170
■ 179
1 187
197 ■
207
217
7,830
7,830 .
7,820
■7,820
7,820 -
7,817 .
7,817
7,815
7,814
7,811
77,2 ■ 77,2
74,0 74,4 72,0 72,0 72,0 56,8 64,8 64,8
11,6
11,6 ■ 11,6
11,1 П,1 12,6 11,1 12,4 11,6 12,0
Сталь
Механические свойства е1 '
-Физические свойства, **
"в
°т
6
. *
- НВ '
р, г/см*
Вт/(«. К)
а. 10е, к-*
МПа
%
08
10 ■
15
20
25
30 *
35
40 •
45
50
330
340
380
420
460
500
540
580
610
' 640
200
210
230
250
1 280
300
320
340
360
380
33
31
27,
25
23
21
20 •
19
16
14
60
55
55
50
50
45
- 45
40
40
. 40
■ 131
143
149
163 .
170
■ 179
1 187
197 ■
207
217
7,830
7,830 .
7,820
■7,820
7,820 -
7,817 .
7,817
7,815
7,814
7,811
77,2 ■ 77,2
74,0 74,4 72,0 72,0 72,0 56,8 64,8 64,8
11,6
11,6 ■ 11,6
11,1 П,1 12,6 11,1 12,4 11,6 12,0
Таблица 4.4
Таблица 4.4
■11 Для изделий диаметром или толщиной до 80 мм после отжига.
*2 Значения X и а соответствуют температуре 293 К--
Примечаний. Здесь и далее: ф — относительное сужение поперечного сечеиия после разрыва; р — плотность; X — теплопроводность; а — относительный температурный коэффициент линейного расширения.'
■11 Для изделий диаметром или толщиной до 80 мм после отжига.
*2 Значения X и а соответствуют температуре 293 К--
Примечаний. Здесь и далее: ф — относительное сужение поперечного сечеиия после разрыва; р — плотность; X — теплопроводность; а — относительный температурный коэффициент линейного расширения.'
Требования ко всем материалам определяются функциональным. назначением элемента или узла, в которых они применены.
Чугун .
В вакуумной технике чугун используют главным образом для изготовления литых корпусных деталей, работающих при низком и среднем вакууме. Эти детали должны иметь достаточную вакуумную плотность, поэтому нх изготовляют литьем под давлением.
Малоиагружеиные корпусные детали отливают из чугунов СЧ15 и СЧ18, нагруженные детали — из чугунов СЧ20, СЧ25 и СЧЗО. Из чугуна СЧ35 отливают сложные детали повышенной плотности. Детали пар трения изготовляют из антифрикционных чугунов; детали, работающие в паре с закаленными или нормализованными стальными валами, — из чугунов АЧС-1 и АЧС-2; детали, работающие в паре с термически, не обработанными валами, — из чугуна АЧС-3.
Высокопрочные чугуны ВЧ 45; ВЧ 50 и В Ч 60 по механическим свойствам не уступают литой углеродистой стали — имеют хорошие литейные свойства, обрабатываемость резанием, высокую износостойкость, способны гасить вибрации. Из отливок высокопрочного чугуна изготовляют корпуса насосов, вентилей, переходников ц др.
Примечание. Здесь и далее: ов — временное сопротивление; о„ — предел прочности при изгибе НВ — твердость по Бринеллю.
Механические свойства наиболее распространенных чугунов с пластинчатым графитом (ГОСТ 1412—85) н . высокопрочных (ГОСТ 7293—85) чу- | Гунов приведены в табл. 4.1 и 4.2.1
Углеродистые стали 1
Углеродистые конструкционные ста-1 ли широко используют для изготовления элементов и узлов вакуумных) систем, работающих при давлении не I ниже 10'4 Па и нормальной темпера- 1 туре. Для исключения коррозии по- 1 верхности стальных деталей, сопри- j касающиеся с разреженным газом, 1 хромируют или никелируют, на поверхности крупногабаритных корпусов вакуумных камер иногда наносят I (плазменным способом) стойкую плен--! ку алюминия..|
В зависимости от назначения и га-1 рантируемых свойств углеродистые 1 стали подразделяют на три группы] (А. Б и В). В вакуумной технике наи-1 более широко используют стали груп-1 пы Б, поставляемые с гарантирован-.! иым химическим составом.J
В табл. 4.3 указано содержание] элементов для спокойных сталей груп- ] пы Б, полученных полным раскисле-j нием металла в печи, а затем в ковше. 1 Это стали с минимальным содержанием,] железа (II) оксида (ГеО), которое] обеспечивает «спокойное» застывание] металла в изложнице и практическое] отсутствие пористости.]
Скорость удельного газовыделения 1 для иизкоуглеродиетых сталей, из-1] меряемая удельным потоком газа, де- | сорбирующегося с единицы поверх- I иости в единицу времени, составляет 1 (4,12 ... 41,2) IO"6 Па-м3/(м<с).]
Стали группы Б хорошо свариваются, поддаются горячему деформиро- t ваиию и термообработке Из этой . группы наибольшее применение находит сталь БСтЗ.
■ Качественные углеродистые стали i поставляют с гарашированными хими- ' 1 ческим составом и механическими свойствами. Их маркируют цифрами - 08; 10; 15; 20; 25; 30; 35; 40; 45 и т. д., которые соответствуют среднему содержанию углерода в сотых долях
процента. Низкоуглеродистые стали 08; 10; 15; 20; 25 применяют, когда требуются малая прочность и высокая эластичность. Из среднеуглеродистых сталей 30; 35; 40; 45; 50 после нормализации, улучшения и поверхностной закалки изготовляют разнообразные детали. Механические .свойства углеродистой качественной стали должны соответствовать ГОСТ ■ 1050—88 (табл. 4.4). '
Массовая доля, %
aB-
a
Ф
TB,
TH,
и
Сталь
МПа
с
Мп
Сг
N1
других
элементов
%
к
к
я 5
30х_
0,24
0,32
—
900
12
45
187
40Х
0,36
...0,44
0,5
...0,8
—
1000
10
45
273
173
217
40ХФА
0,37
... 0,44
х0,8
... 1,1
—
(0,1 ..
0,18) V
900
10
50
241
4ахгтр
0,38
0,45
О.7
.<■ 1,0
—
(0,03 ..
0,09) Ti
11
313
213
229
ЗОХГС
0,28
0,35
0,8
... 1,1
—
(0,9
1,2) Si
10
45
293
213
229
40ХН
0,36
.. 0,44
0,5
0,8
0,45
... 0,75
1,0... 1,4
—
1000
11
243
173
207
ЗОХНЗА
0,27
0,33
0,3
... 0,6
0,6
... 0,9
2,75 .... 3,15
—
10
233
153
241
40ХН2МА
0,37
.. 0,44
0,5
... 0,8
1,25 ... 1,65
(0,15 ..
0,25) Mo
12
233
153
36Х2Н2МФА
0,33
0,40
0,25
... 0,50
1,3
... 1,7
1,3 ... 1,7
(0,2 ..
(0,10 ..
0,3) Mo; 0,18) V
120
12
50
213
133
269
38ХНЗМФА
1,2
... 1,5
3,0 ... 3,5
(0,35 ..
(0,10 ..
0,45) Mo;
0,18) V
1200
12
213
133
Т а б л и ц а 4.5
Примечания: 1. Для всех сталей, кроме ЗОХГС, содержание кремния 0,17 ... 0,37%. 2. Ти и Тв характеризуют порог хладноломкости (Тн н Тв— температура, соответственно ниже и выше которой излом полностью хрупкий).
О У
Я« £
Я
а
о я
Я я
о X
§В 4 я
s я 5
X
Я
д Ьа
и °*
Я у- 5 и
я Я Ьа
Я
я
Ьа
§ I I
»ю о
я£
Хя
Я
Ж Ж bi Ьа го 2
Si Яе'О го я
я g
Я Я
яЕ
я Я
я я
5 л и - • s g 2 5 ? к я — . S I Я« ^ ^ "-j Ьа С
Я
Я
Я*
Я
>^ §
я
о Е 2
я
■= R =‘
сох
5 о я
5 о>-а
Хя
Я
Ь Ьа
Я 2 Я
Я 1а о ь я* м
я я го я Я« Е
- с Я у-
я
Я
Я
Я
«58
X 2 ^45
Е
оо ^ о
я я Я Я
3 И
£а Я
Я
X
2
X
X
О
х Я Re
Ьа Я
Я я £ X
я ^
л 2
8|
Ьа
я
X
Я
X Я
я го я Я Е X
S
ЕЯ
Ьа
к "
Я ~ Ьа
я я Ьа Я л Я
Я
Е Я«
ь
3.1
3 §^
Го Se К
Ьа
1 7 н- Е
Ьа
Я
я го а
Я
X
О я
2 я Ьа
X
s X
я о я Я
я*
X Я
Я я Е
£а
X
Я*
Я
Я
Ьа •?
s3>g S
в §
Xz
°* S
Е
Я я Е X
8
¥
я я
8 ^
Ьа
Я
ь к
Я
Я 2 §
Ьа Я
В и
О' "
5 Е я
я
я я Я
X
■ Я
Я Я
Ьа
В Sv я 6 у Sc S "
Я
2
£ 1=
Ьа
а
Я* я
§Е
Е я
S
X
Ьа
Я
2 Я
МАТЕРИАЛЫ ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ■Коррадаонно-стойкие стали
СтальТемпература,К -НВ. ."в°0.16ф-Язакалки (3) или отжига (О)отпусканеболееМПа%12X131273... 1323973.. 1063187... 12160042020609020X131273... 1323933.. 1043197... 12666045010506030X131223... 1293473.. 573207... 1319508009455040X131273... 1323473.. 573229... 143950750940 ... 453012X171033... 1053197... 1264002502050—14Х17Н21248... 1313548.. 623285 110085010305015Х25Т1003... 1043——4503002045—СтальТемпература,К -НВ. ."в°0.16ф-Язакалки (3) или отжига (О)отпусканеболееМПа%12X131273... 1323973.. 1063187... 12160042020609020X131273... 1323933.. 1043197... 12666045010506030X131223... 1293473.. 573207... 1319508009455040X131273... 1323473.. 573229... 143950750940 ... 453012X171033... 1053197... 1264002502050—14Х17Н21248... 1313548.. 623285 110085010305015Х25Т1003... 1043——4503002045—Таблица 4.6Таблица 4.6Модифн- кацняСплавСодержание элементов •1, %.А1. МоДругие элементыа1ВТ5 '' ВТ5—IОТ4 .4,3 ... 6,24,3 ... 6,03,5 ... 5,0—(2,0 ... 3,0) Sn(0,8 ... 2,0) Мпа + рВТЗ—1'ВТ9ВТ14ВТ225,5 ... 7,0 ■5,8 .,. 7,03,5 ... 6,34,4 ... 5,92,0 ... 3,02,8 ... 3,82,5 ... 3,8 -4,0 ... 5,5(0,2 ... 0,7) Fe;(0,8 ... 2,3) Сг;(0,15 ..-. 0,04) Si(0,20 ... 0,35) Si; (0,2 ... 2,0) Zn(0,9 ... 1,9) V(4,0 ... 5,5) V;(0,5 ... 2,0) Cr;(0,5 ... 1,5) FeМодифн- кацияСплавМеханические свойства .Вид полуфабрикатаав, МПа6,%ан, Дж/см*а -ВТ5ВТ5—1ОТ4750 ... 900800 ... 950700 ... 90010 ... 1410 ... 1510 ... 2030 ... 6040 ... 8040 ... 100Поковки, штамповки, прутки«+₽ВТЗ—1В T9ВТ14ВТ221100 (1200)1100 (1300)1000 (1300)1150 (1450)17 (12) Ю(6) 12(8) 15(6)3530 '70 (50)30 ’(не менее)Штамповки, поковки- Штамповки ПруткиМодифн- кацняСплавСодержание элементов •1, %.А1. МоДругие элементыа1ВТ5 '' ВТ5—IОТ4 .4,3 ... 6,24,3 ... 6,03,5 ... 5,0—(2,0 ... 3,0) Sn(0,8 ... 2,0) Мпа + рВТЗ—1'ВТ9ВТ14ВТ225,5 ... 7,0 ■5,8 .,. 7,03,5 ... 6,34,4 ... 5,92,0 ... 3,02,8 ... 3,82,5 ... 3,8 -4,0 ... 5,5(0,2 ... 0,7) Fe;(0,8 ... 2,3) Сг;(0,15 ..-. 0,04) Si(0,20 ... 0,35) Si; (0,2 ... 2,0) Zn(0,9 ... 1,9) V(4,0 ... 5,5) V;(0,5 ... 2,0) Cr;(0,5 ... 1,5) FeМодифн- кацияСплавМеханические свойства .Вид полуфабрикатаав, МПа6,%ан, Дж/см*а -ВТ5ВТ5—1ОТ4750 ... 900800 ... 950700 ... 90010 ... 1410 ... 1510 ... 2030 ... 6040 ... 8040 ... 100Поковки, штамповки, прутки«+₽ВТЗ—1В T9ВТ14ВТ221100 (1200)1100 (1300)1000 (1300)1150 (1450)17 (12) Ю(6) 12(8) 15(6)3530 '70 (50)30 ’(не менее)Штамповки, поковки- Штамповки ПруткиТ а б л~'и ц а 4.7Т а б л~'и ц а 4.7* Остальное титаи. ■.*2 Механические свойства указаны после отжига, в скобках — после за.Калки и старения.'* Остальное титаи. ■.*2 Механические свойства указаны после отжига, в скобках — после за.Калки и старения.'
Сталь
Температура,
К -
НВ. .
"в
°0.1
6
ф-
Я
закалки (3) или отжига (О)
отпуска
не
более
МПа
%
12X13
1273
... 1323
973
.. 1063
187
... 121
600
420
20
60
90
20X13
1273
... 1323
933
.. 1043
197
... 126
660
450
10
50
60
30X13
1223
... 1293
473
.. 573
207
... 131
950
800
9
45
50
40X13
1273
... 1323
473
.. 573
229
... 143
950
750
9
40 ... 45
30
12X17
1033
... 1053
197
... 126
400
250
20
50
—
14Х17Н2
1248
... 1313
548
.. 623
285
1100
850
10
30
50
15Х25Т
1003
... 1043
—
—
450
300
20
45
—
Сталь
Температура,
К -
НВ. .
"в
°0.1
6
ф-
Я
закалки (3) или отжига (О)
отпуска
не
более
МПа
%
12X13
1273
... 1323
973
.. 1063
187
... 121
600
420
20
60
90
20X13
1273
... 1323
933
.. 1043
197
... 126
660
450
10
50
60
30X13
1223
... 1293
473
.. 573
207
... 131
950
800
9
45
50
40X13
1273
... 1323
473
.. 573
229
... 143
950
750
9
40 ... 45
30
12X17
1033
... 1053
197
... 126
400
250
20
50
—
14Х17Н2
1248
... 1313
548
.. 623
285
1100
850
10
30
50
15Х25Т
1003
... 1043
—
—
450
300
20
45
—
Таблица 4.6
Таблица 4.6
Модифн- кацня
Сплав
Содержание элементов •1, %.
А1
. Мо
Другие элементы
а1
ВТ5 '
' ВТ5—I
ОТ4 .
4,3 ... 6,2
4,3 ... 6,0
3,5 ... 5,0
—
(2,0 ... 3,0) Sn
(0,8 ... 2,0) Мп
а + р
ВТЗ—1'
ВТ9
ВТ14
ВТ22
5,5 ... 7,0 ■
5,8 .,. 7,0
3,5 ... 6,3
4,4 ... 5,9
2,0 ... 3,0
2,8 ... 3,8
2,5 ... 3,8 -
4,0 ... 5,5
(0,2 ... 0,7) Fe;
(0,8 ... 2,3) Сг;
(0,15 ..-. 0,04) Si
(0,20 ... 0,35) Si; (0,2 ... 2,0) Zn
(0,9 ... 1,9) V
(4,0 ... 5,5) V;
(0,5 ... 2,0) Cr;
(0,5 ... 1,5) Fe
Модифн- кация
Сплав
Механические свойства .
Вид полуфабриката
ав, МПа
6,%
ан, Дж/см*
а -
ВТ5
ВТ5—1
ОТ4
750 ... 900
800 ... 950
700 ... 900
10 ... 14
10 ... 15
10 ... 20
30 ... 60
40 ... 80
40 ... 100
Поковки, штамповки, прутки
«+₽
ВТЗ—1
В T9
ВТ14
ВТ22
1100 (1200)
1100 (1300)
1000 (1300)
1150 (1450)
17 (12) Ю(6) 12(8) 15(6)
35
30 '
70 (50)
30 ’
(не менее)
Штамповки, поковки
- Штамповки Прутки
Модифн- кацня
Сплав
Содержание элементов •1, %.
А1
. Мо
Другие элементы
а1
ВТ5 '
' ВТ5—I
ОТ4 .
4,3 ... 6,2
4,3 ... 6,0
3,5 ... 5,0
—
(2,0 ... 3,0) Sn
(0,8 ... 2,0) Мп
а + р
ВТЗ—1'
ВТ9
ВТ14
ВТ22
5,5 ... 7,0 ■
5,8 .,. 7,0
3,5 ... 6,3
4,4 ... 5,9
2,0 ... 3,0
2,8 ... 3,8
2,5 ... 3,8 -
4,0 ... 5,5
(0,2 ... 0,7) Fe;
(0,8 ... 2,3) Сг;
(0,15 ..-. 0,04) Si
(0,20 ... 0,35) Si; (0,2 ... 2,0) Zn
(0,9 ... 1,9) V
(4,0 ... 5,5) V;
(0,5 ... 2,0) Cr;
(0,5 ... 1,5) Fe
Модифн- кация
Сплав
Механические свойства .
Вид полуфабриката
ав, МПа
6,%
ан, Дж/см*
а -
ВТ5
ВТ5—1
ОТ4
750 ... 900
800 ... 950
700 ... 900
10 ... 14
10 ... 15
10 ... 20
30 ... 60
40 ... 80
40 ... 100
Поковки, штамповки, прутки
«+₽
ВТЗ—1
В T9
ВТ14
ВТ22
1100 (1200)
1100 (1300)
1000 (1300)
1150 (1450)
17 (12) Ю(6) 12(8) 15(6)
35
30 '
70 (50)
30 ’
(не менее)
Штамповки, поковки
- Штамповки Прутки
Т а б л~'и ц а 4.7
Т а б л~'и ц а 4.7
* Остальное титаи. ■.
*2 Механические свойства указаны после отжига, в скобках — после за.
Калки и старения.'
* Остальное титаи. ■.
*2 Механические свойства указаны после отжига, в скобках — после за.
Калки и старения.'
Стали и сплавы для работы | при низких температурах 1
Металлические материалы, эксплуа- ] тируемые при низких температурах | (от нормальной до температуры кипе- 1 ния жидкого гелия 542 К), подразде- 1 ляют на три группы, соответствующие I следующим температурным диапазо- 1 нам: 293... 213; 293... 193; 293... 1 13 К. I
Основное требование к сталям и 1 сплавам, предназначенным для ра-] боты при низких температурах, — | высокая механическая прочность. Из- ] вестио, что при снижении температуры 1 ■ прочность возрастает, а пластичность Я и вязкость уменьшаются. Таким обра- I зом, прочность должна гарантировать- I ся при нормальной температуре. При | расчете элементов криогенных систем 1 и установок на прочность следует! учитывать свойства материалов при.! нормальной температуре. ■
Для. работы при низких темпера-1 турах наиболее широко используют I аустенитные стали 12Х18Н10Т,- | 08Х18Н10, 12Х18Н9. |
Хромоникелевые аустенитные стали | Имеют высокую ударную вязкость при | нормальной температуре. По мере, сни- 8 жения" температуры кипения жидкого | азота эти стали сохраняют свою пла- | стичиость," а ударная вязкость хотя 1 и уменьшается, но до Г = 20 К сохра- | няет высокие значения. Вследствие |
относительно невысокой прочности аустенитных сталей (ат аз 250 МПа) пазработаиы высокопрочные стали, например 07Х21Г7АН5 (от ж 400 МПа).
Титан и его сплавы"
В высоковакуумной технике (в первую очередь для изготовления деталей газоулавливающих насосов) широко применяют титаи и его сплавы, имеющие ’ высокие прочность, плотность, жаропрочность и коррозионную стойкость при температуре до 773 К- При более высокой температуре титан и его сплавы легко окисляются и погло
щают водород, который вызывает охрупчивание. Технический титан хорошо обрабатывается давлением, сваривается в среде аргона, но плохо обрабатывается резанием.
Для получения сплавов титаи легируют алюминием, молибденом, ванадием, марганцем, хромом, оловом, цирконием, ниобием и кремнием.
Титан имеет две аллотропические модификации: а и 0. Наибольшее промышленное применение получили а- и а -f- |3-сплавы. .
В табл. 4.7 приведены содержание элементов и механические свойства
наиболее распространенных титановых сплавов, обрабатываемых давлением. Высокая пластичность титановых сплавов при низкой температуре позволяет применять их в вакуумной и криогенной технике.
Титан и а-сплавы титана не упрочняются- термической обработкой: их подвергают только рекрметаллизаци- оиному отжигу. Температура отжига а + (5-сплавов должна быть выше температуры рекристаллизации, но не превышать температуры фазового превращения, так как и в р-сплавах происходит сильный рост зерна. Отжиг а- и а + р-сплавов лучше проводить в вакууме. Для снятия напряжений неполный отжиг при Т = 823 ... 873 К; а •+ Р~сплавы можно упрочнять закалкой с последующим старением.
Титановые сплавы имеют низкие антифрикционные свойства. Титан, и его сплавы, предназначенные для деталей узлов трения, азотируют при Т=- 1123... 1223 К, в течение 30... 60 ч в среде азота. После азотирования по такому режиму толщина диффузионного слоя титановых сплавов составляет 0,05... 0,15 мм, твердость по Виккерсу 750...900 HV.
Тугоплавкие металлы
К тугоплавким относятся металлы с температурой плавления, превышающей 1973 К.
В вакуумной технике в качестве конструкционных материалов применяют вольфрам, молибден и их сплавы, ниобий, тантал.
Вольфрам, ка№ правило, используют в виде проволоки в качестве тел нагрева различного назначения', в вакуумных приборах, термическом оборудовании, насосах. При этом одно из наиболее важных для вакуумной техники свойств вольфрама — его взаимодействие с газами. При температуре 573... 773 К в присутствии кислорода образуется оксид вольфрама W4OU, а при более высокой температуре — триоксид WOa, который легко испаряется в вакууме.
Вольфрам имеет исключительно высокие временное сопротивление и модуль упругости; так, оа = 114 МПа при температуре 2200 К- Близок по
своим свойствам к вольфраму молибден. В отличне от вольфрама полуфабрикаты из молибдена приобретают пластичность после отжига, что позволяет обрабатывать их методом пластического деформирования н резанием. Молибден хорошо сваривается в инертных газах, а также электронно-лучевым методом.
Применяют чистый беспрнсадочный молибден М4 н вакуумно-плавленый — М4ВП. Из молибдена получают полуфабрикаты в виде проволоки (ТУ 48-19-203—76), прутков (ТУ 48-19-247—77) и трубок. В вакуумной технике их используют для изготовления вакуумно-плотных спаев с алюмосиликатными стеклами.
Сплав вольфрама и молибдена В АМ-5 поставляют в виде проволоки, главным образом для вакуумных приборов различных типов. Сплав молибден— цирконий—титан Ц/Ч-2А применяют для изготовления деталей, от которых требуется повышенная жаропрочность. Его поставляют в виде прутков диаметром 8 ... 60 мм, листов толщиной 0,3... 20,0 мм и шириной 100... 400 мм, а также поковок диаметром 65... 180 мм (ТУ 48-19-273—77).
Один из самых пластичных тугоплавких металлов — тантал. Его можно
подвергать практически всем видам механической обработки в холодном состоянии и сваривать со всеми металлами, с которыми он образует сплавы (железом, никелем, цирконием, титаном, ниобием, вольфрамом). При этом применяют аргонодуговую, ультразвуковую и электронно-лучевую
сварку.
При температуре 973 ... 1473 К тантал поглощает активные газы, а при температуре 1473 ... 1713 К — хорошо, обезгажнвается.
Тантал ТВЧ н ТВЧ-1 получают методом вакуумной плавки, поставляют в виде листов толщиной 0,01 ... 10 мм и шириной 30 ... 150 мм (ТУ 95-311—75), проволоки диаметром 0,05 ... 3 мм (ТУ 95-353—75) и прутков диаметром 3...50 мм (ТУ 95-234—-80). Технический тантал марки Т поставляют в виде прутков (ТУ 11 Су 0.021.041—74), ленты (ТУ 11 Су 0.021.016—77) и проволоки (ТУ 11 Су 0.021.032—77).
Таблица 4.8
Металл
Температура, К
г/см1
X, Вт/(м. К)
а •. 1 О*, к-1
рекристаллизации
плаале- иия
кипения
Вольфрам
1838
3653
Рений -
1673
3443
Тантал
1273
3269
Молибден
1403 •
2898
Ниобий
383
2688
Гафний
2248
Ванадий
2173 *
Хром
1073
2163
Цирконий
2128
* При температуре 293 К*
6203
19,3
192
4,5
6143
21,0
68,0
6,7
6373
16,6
52,0
6,6
5073
10,2
140,0
5,4
3573
8,6
48,0
7,1
5673
13,4
21,0
6,0
3623
6,1
29,6
9,7
2742
7,2
64,0
6,2
3850
6,0
16,0
5,8
Сплавы тантал—вольфрам марок ТВ-5, ТВ-10 и ТВ-15 поставляют в виде полос толщиной 0,1 ... 10 мм и шириной не менее 100 мм (ТУ 48-4-312—74) и прутков диаметром 3...80 мм (ТУ 48-4-311—74).
Применение ниобия и его сплавов в вакуумной технике обусловлено его способностью к газопоглощению, высокой температурой плавления (2688 К), низким давлением пара. Ниобий используют в качестве припоя для соединения более тугоплавких металлов. Его поставляют в виде прутков НбП1 и Н6П2 диаметром 3 ... 100 мм (ТУ 48-4-241—73), фольги и листов Нб-1 и Нб-2 толщиной 0.1 ... 10 мм и шириной 30 ... 150 мм (ТУ 95-311—75).
Физические свойства тугоплавких металлов приведены в табл. 4.8.
Цветные металлы Я сплавы
Из- Цветных металлов и сплавов в вакуумной технике наиболее широко применяют алюминиевые литейные сплавы АЛ2, АЛ5, АЛО, а также сплавы алюминия с марганцем или магнием, широко используемые в качестве конструкционных материалов ДЛя изготовления вакуумных камер, корпусов вакуумной запорной арма- ТУРЫ, вакуумных трубопроводов и др.
Сплавы, свойства которых приведе- 111,1 в табл. 4.9, легко обрабатываются
давлением, хорошо свариваются и обладают высокой коррозионной стойкостью. Для аргонодуговой сварки наиболее приемлемы сплавы АМц и АМгб.
В технике высокого и сверхвысокого вакуума широко прйменяют медь (МОб, Ml, МООб). Благодаря высокой теплопроводности медь широко используют в охлаждаемых устройствах; высокая пластичность медн позволяет изготовлять из нее уплотнители прогреваемых высоковакуумных разъемных соединений. Недостатки меди: склонность к водородной «болезни», приводящей к образованию мельчайших трещни и вызывающей хрупкость материала, и высокая активность по отношению к кислороду, особенно при повышенных температурах, что ухудшает свойства медных уплотнителей и ограничивает их повторное использование.
Несмотря на недостатки, такие характеристики меди, как высокая пластичность, низкая газопроницаемость, низкое давление пара (10"9 Па при Т — 773 К), соответствие по температурному коэффициенту линейного расширения коррозионно-стойкой стали (12Х18Н10Т), являются решающими прн выборе ее в качестве уплотняющего материала для сверхвысоко- вакуумных разъемных соединений, прогреваемых до 723 К.
Основные физико-механические свойства технической меди Ml при-
fСплавСодержание элементов, %МПа6, %р, г/см*X, Вт/(м. К)а •. 10», к-‘МпMgАМц1,0 ... 1,6130232,73188,524,0АМг20,2 ... 0,61,8 ... 2,6190232,67142,423,8АМгЗ0,3 ... 0,63,2 ... 3,8190152,67146,623,8АМг50,3 ... 0,84,8 ... 5,8260222,65.117,324,3АМгб0,5 ... 0,85,8 ... 6,8300182,63293,324,0fСплавСодержание элементов, %МПа6, %р, г/см*X, Вт/(м. К)а •. 10», к-‘МпMgАМц1,0 ... 1,6130232,73188,524,0АМг20,2 ... 0,61,8 ... 2,6190232,67142,423,8АМгЗ0,3 ... 0,63,2 ... 3,8190152,67146,623,8АМг50,3 ... 0,84,8 ... 5,8260222,65.117,324,3АМгб0,5 ... 0,85,8 ... 6,8300182,63293,324,0Таблица 4.9Таблица 4.9Стеклоа *.10’, к-1Предел прочности, МПаX, Вт/(м. К)Температура размягчения, К§ н"О. <j н «Температура отжига, Кпри разрывепри сжатииС37-233 ... 3684863 ... 893250693 ... 823С39-138 ... 417811061,257903 ... 923230678 ... 823С40-140701090—893240683 ... 803С47-147 ... 4890510900,87,853 ... 873200683 ... 838С49-148 .’.. 5230 ... 50—843 ... 863180673 ... 823С87-1 ,86 .... 9040 ... 608500,67753 ...773100623 ... 733С89-587 ... 91—-——803—-Л—Кварцевое прозрачное5,5 ... - 6,170 ... 1201600 ...2ооо1,382 ...2,680■ 1773Стеклоа *.10’, к-1Предел прочности, МПаX, Вт/(м. К)Температура размягчения, К§ н"О. <j н «Температура отжига, Кпри разрывепри сжатииС37-233 ... 3684863 ... 893250693 ... 823С39-138 ... 417811061,257903 ... 923230678 ... 823С40-140701090—893240683 ... 803С47-147 ... 4890510900,87,853 ... 873200683 ... 838С49-148 .’.. 5230 ... 50—843 ... 863180673 ... 823С87-1 ,86 .... 9040 ... 608500,67753 ...773100623 ... 733С89-587 ... 91—-——803—-Л—Кварцевое прозрачное5,5 ... - 6,170 ... 1201600 ...2ооо1,382 ...2,680■ 1773Таблица 4.10Таблица 4.10* При 7= 293 ... 573 К-* При 7= 293 ... 573 К-
f
Сплав
Содержание элементов, %
МПа
6, %
р, г/см*
X, Вт/(м. К)
а •. 10», к-‘
Мп
Mg
АМц
1,0 ... 1,6
130
23
2,73
188,5
24,0
АМг2
0,2 ... 0,6
1,8 ... 2,6
190
23
2,67
142,4
23,8
АМгЗ
0,3 ... 0,6
3,2 ... 3,8
190
15
2,67
146,6
23,8
АМг5
0,3 ... 0,8
4,8 ... 5,8
260
22
2,65.
117,3
24,3
АМгб
0,5 ... 0,8
5,8 ... 6,8
300
18
2,63
293,3
24,0
f
Сплав
Содержание элементов, %
МПа
6, %
р, г/см*
X, Вт/(м. К)
а •. 10», к-‘
Мп
Mg
АМц
1,0 ... 1,6
130
23
2,73
188,5
24,0
АМг2
0,2 ... 0,6
1,8 ... 2,6
190
23
2,67
142,4
23,8
АМгЗ
0,3 ... 0,6
3,2 ... 3,8
190
15
2,67
146,6
23,8
АМг5
0,3 ... 0,8
4,8 ... 5,8
260
22
2,65.
117,3
24,3
АМгб
0,5 ... 0,8
5,8 ... 6,8
300
18
2,63
293,3
24,0
Таблица 4.9
Таблица 4.9
Стекло
а *.10’, к-1
Предел прочности, МПа
X, Вт/(м. К)
Температура размягчения, К
§ н"
О. <j н «
Температура отжига, К
при разрыве
при сжатии
С37-2
33 ... 36
84
863 ... 893
250
693 ... 823
С39-1
38 ... 41
78
1106
1,257
903 ... 923
230
678 ... 823
С40-1
40
70
1090
—
893
240
683 ... 803
С47-1
47 ... 48
905
1090
0,87,
853 ... 873
200
683 ... 838
С49-1
48 .’.. 52
30 ... 50
—
843 ... 863
180
673 ... 823
С87-1 ,
86 .... 90
40 ... 60
850
0,67
753 ...773
100
623 ... 733
С89-5
87 ... 91
—
-—
—
803
—
-Л—
Кварцевое про
зрачное
5,5 ... - 6,1
70 ... 120
1600 ...
2ооо
1,382 ...
2,680
■ 1773
Стекло
а *.10’, к-1
Предел прочности, МПа
X, Вт/(м. К)
Температура размягчения, К
§ н"
О. <j н «
Температура отжига, К
при разрыве
при сжатии
С37-2
33 ... 36
84
863 ... 893
250
693 ... 823
С39-1
38 ... 41
78
1106
1,257
903 ... 923
230
678 ... 823
С40-1
40
70
1090
—
893
240
683 ... 803
С47-1
47 ... 48
905
1090
0,87,
853 ... 873
200
683 ... 838
С49-1
48 .’.. 52
30 ... 50
—
843 ... 863
180
673 ... 823
С87-1 ,
86 .... 90
40 ... 60
850
0,67
753 ...773
100
623 ... 733
С89-5
87 ... 91
—
-—
—
803
—
-Л—
Кварцевое про
зрачное
5,5 ... - 6,1
70 ... 120
1600 ...
2ооо
1,382 ...
2,680
■ 1773
Таблица 4.10
Таблица 4.10
* При 7= 293 ... 573 К-
* При 7= 293 ... 573 К-
свойства — для сплавов в отожженном
стантана (МНМц40—1,5) применяют 4 для изготовления термоэлектродов тер- J моэлектрических преобразователей 1 (термопар). Высоковакуумные спаи с 1 тугоплавкими стеклами изготовляют а нз ковара (Н28К18), в состав которого 1 входят никель, кобальт и железо. Я
Стекло, керамика, ситаллы1
Стекло представляет собой аморф- ный, обычно прозрачный материал., j По химическому составу стекло яв- л ляется сплавом ряда оксидов. Основ- Я иая составляющая стекла — диоксид Я кремния. Введение в состав свинца, I цинка, магния, кальция и других 1 веществ придает ему особые свойства. I
Важнейшая характеристика стек- I ла — температурный коэффициент" ли- 1 иейного расширения. В зависимости от 1 его значения стекло подразделяют на I тугоплавкое или твердое (а = 5,5Х 1 X 10~ К-1) и легкоплавкое [а = 1 = (5,5... 11) 10-е К-1].1
Наиболее тугоплавким является 1 кварцевое стекло, содержащее 98,8% 1 SiO2. Оно обладает высокими проч- .1 ноетными свойствами и прозрачностью i для ультрафиолетовых лучей. Стекло 1 активно сорбирует газы и поэтому | обладает значительной способностью I к газовыделению. В поверхностном 4 слое стекла может быть сорбировано 4 более 59 мономолекулярных слоев. 4 При этом преимущественно сорбируют- 1 ся пары воды и незначительное коли- я
чество диоксида углерода и азота.
При нагреве стекла в вакууме большая часть адсорбированных газов выделяется в течение первых 2 ... 3 мин; поверхностная десорбция газов завершается при нагреве до 7 = 573 К. При 7 > 773 К происходит интенсивное газовыделение из стекла главным образом паров воды, оксида и диоксида углерода и в незначительных количествах водорода.
Для формообразования стекла используют его термопластические свойства, определяемые характером зависимости вязкости стекла от температуры.
Основные физические свойства технического стекла по ОСТ 11 027.010—75 приведены в табл. 4.10.
По многим свойствам стекло существенно уступает керамике. Большая часть свойств керамики незначительно зависит от температуры в интервале 1073... 1273 К. Стабильность свойств керамических материалов обеспечивает длительную работоспособность выполненных из них изделий при 7 = — 1673... 1873 К- Высокая прочность керамики позволяет получать жесткие и механически прочные вакуумные соединения керамических деталей с различными металлами и сплавами (медью, никелем, молибденом, воль
фрамом, коваром и др.). Керамику используют в производстве изоляторов, металлокерамических узлов различного назначения, в энергетических герметичных вводах и др.
Основные свойства вакуумно-плотной керамики различных видов приведены в табл. 4.11. Газовыделение для керамики значительно меньше, чем для стекол. При обезгаживании керамики преимущественно выделяются небольшие объемы Н2О, О2, СО, СО2 и Н2, причем состав газа зависит от .предварительной поверхностной обработки. На газовыделение керамики наибольшее влияние оказывают процессы адсорбции и десорбции поглощенных из атмосферы газов.
Керамические материалы, содержащие SiO2, интенсивно поглощают влагу, причем интенсивность поглощения тем больше, чем больше пористость и шероховатость поверхности. С увеличением содержания SiO2 вакуумные свойства керамики ухудшаются — повышается ее склонность к сорбции газов.
В производстве вакуумной аппаратуры все шире применяют стеклокристаллические материалы — ситаллы и цементы. Ситаллы получают на основе неорганических стекол полной или частичной кристаллизацией. По структуре ситаллы занимают промежу-
Таблица 4.11
Керамика
т, к
р. г/см8
Предел прочности при статическом изгибе, МПа. при Т, К
а. 10’, К"1, при Т, К
х, Вт/(м. К) "
Диэлектрическая проницаемость #1 при Г, К
Тангенс угла диэлектрических потерь ** (tg 6) 10< при Т. К
Рэл-
Ом. см
Электрическая прочность *2, МВ/м
6
293
1173
293 ...
473
473...
• 1173
293
573
293
573
Форстеритовая:
109
97
6,5
6,3
14 •в S:
ЛФ-11
Ф-17
1623
2,98
2,93
140
170
85
83
—
—
10
в:
КВФ-4
1613
2,95
170
80
100
6,8
10
—
45
to
X
Алюмосил икатная
Алюмооксидная:
3,40
260
250
53
70
5,44
8,4
.8,8
14
14 .
10“
33
ч ч а * й:
22Х
1873
3,68
360
70
61
79
10,47
9,3
9,5
8
8
•54
><
22ХС
1873
3,75
380
100
61
79
13,40
9,4
9,6
8
8
Г)
М-7
1993
З.,65
350 ■
220
60
79
10,05 -
8,6
8,9
9
9
10“
—
о
А-994
1923
3,88
360
230
60 ■
77
18,85
9,7
10,0
1
0,5
1
10“ .
50
поликор
2123
3,98
290
240
57
75
27,29
^,8
10,2
0,5
10“
50
*
На основе оксида берилия (броке- рит-9)
—
2,85
220
170.
53
86
16,70
6,8
' 7.0
3.
6
10“
—
Ю10 Гц.
При частоте
*а При Т = 293 К и постоянном напряжении.
Q
£
g 1?
2 н CD Я ®
_ to Я
р
8
Цу К s и = s coeo^x; a ro ro ^ и x ®
Й«$ 8$
Я
5 оф
§ о 5
о о 9 05
Й Л) СП
я я
ЯЪ to V
О q я (Т to
я О 3 8
-о » S
д о к
8
§
СИ О
CD ND
cd
ND
СИ О о о
о — о о
ОО
СТ 32-1
о о
CD и ОО
Nd
О
о о
со 00 О
о -
Тосо сл ел
СТ 38-1
ОО О
СИ ND
Nd
CD сл
О О''
CD — елся
оо 00 сл сл
СТ 50-1
Н. во СХ Sa 68 Я
О
S
Зе О
полиэтилена, политетрафторэтилена (ПТФЭ), органического стекла, полиуретанов. Из полиэтилена изготовляют шланги и трубы для вакуумных трубопроводов, из полиуретана — герметичные деформируемые камеры, например, в безмасляных вакуумных насосах, ПТФЭ используют в качестве уплотнителей в разъемных и подвижных соединениях, а также в качестве изоляторов.
В вакуумной технике наиболее широко применяют фторопласт-4 (ПТФЭ), обладающий исключительной химической стойкостью по отношению к химически активным реагентам. Практически он разрушается только под действием расплавленных щелочных металлов и отличается сравнительно высокой термостабильностью. При температуре до 523 К его механические свойства почти не меняются; при этой температуре его можно длительно эксплуатировать. ПТФЭ негигроскопичен и практически не смачивается водой. ПТФЭ — один из лучших диэлектриков (особенно в полях высоких и сверхвысоких частот). Его диэлектрические свойства мало изменяются в широком диапазоне температур. ПТФЭ имеет очень низкий коэффициент трения по стали (/ " 0^04), который не зависит от температуры в диапазоне, рекомендуемом для эксплуатации (до 523 К). Недостатки ПТФЭ — хладотекучесть под нагрузкой и выделение токсичного фтора при высокой температуре.
Газонаполненные пластмассы (пенопласты) широко используют в качестве теплоизолирующих "прокладок в криогенных системах и-установках. Для большей части пенопластов нижний предел рабочей температуры 213 К, верхний 333 ... 573 К.
4.13. Резины
Резины — наиболее распространенные вакуумные уплотнители. Вакуумная резина (ТУ 38-105376—72) имеет незначительную пористость и сравнительно малое газовыделеиие.
Белая вакуумная резина 7889 наиболее эластична. Ее используют в качестве уплотнителей, работающих в диапазоне температур 283 ...293 К.
Резина
7889
9024 ИРП-1015
Т.а блица 4.13
я
5
17 I
10 5
9
550
350
400
* При разрыве.
238
248
Интервалрабочихтемпера-тур, К
281
253
253
343
363
343
Эту резину выпускают в виде пластин,! шнуров круглого или прямоугольного сечения и трубок. Черная резина 9024 менее эластична, чем резина 7889, обладает примерно вдвое меньшим газовыделением. Ее выпускают только в виде пластин.
При более (до 213 К) ИРП-1118 и
низких температурах используют /резины
ИРП-1289. Резины
ИРП-1345, ИРП-1399 и 51-1433 наиболее термостойки, но неустойчивы по отношению к растворителям. Универсальна резина ИРП-2043 на основе фторкаучука.
* Ниже указаны значения удельного потока q' проницаемости резин по азоту при Г — 298 К и перепаде давлений ' Др = 102 Па:
резина
90247889 ИРП-2043
q*, №-м3/(м2-с) МО'10 1-Ю-9 5-Ю'11
Физико-механические характеристики резин, применяемых для изготовления* пластин, приведены в табл. 4.13.
Сортамент резиновых пластин установлен ТУ 38-105116—81, где предусмотрены толщины 3; 3,5; 4; 5: 6; 7: 8; 9; 0; 10; 12; 15; 20; 25; 30; 40 мм я размеры пластин 250X250 и 500Х Х500 мм.
Из резиновых пластин изготовляют уплотнительные прокладки иеподвиж ных соединений вакуумных систем Широко используют прокладки из резиновых шиуров круглого и прямоугольного сечений (ТУ 38-105108—76)
Таблица 4.14
« X X
X X
о £
Н и
X X х Ф и
О. Е tS
= = Я кс
« X
X X
Н и
X X «а.
X я X
о £ н Ь
в X X х а
® X в КС
X х as
о £
3
2
3
4
8
3
4
5
6
7
12.
4
5
6
7
8
9
18
16
17
18>
8
1 л
4
3
4
5
6
3
4
5
10
12
10
2
13 ’14
9
6
10
20
15
16
17
18
20
3
4
7
8
9
15
12
13
14
5 .
5
4
14
6
7
5
6
7
15
10
10
10
25
12
25
3
8
9
10
12
18
12
13
14
15
6
4
* 5
30
35
Для круглых шнуров установлен следующий ряд диаметров, мм: 3; 3,5; 4; 4,5; 5; 6; 7; 8; 9; 10; 12; 18; 20; 25; 30. Для шнуров прямоугольного сечения установлены следующие номинальные размеры (ширина X высота): 3X3; 5X5; 8X7; 8X8; 8X10; 12Х 12; 12Х 15 мм.
В качестве форвакуумных трубопроводов широко используют резиновые трубки, изготовляемые по ТУ 38-105881—75. Размеры трубок, мм, приведены в табл. 4.14.
Клеи
В вакуумной технике клеи различного типа широко применяют в качестве вспомогательных материалов, а также для получения непрогревае- мых вакуумно-плотных соединений.
Для склеивания резин холодным способом, .приклеивания резины к ме- таллу, стеклу и другим конструкцион
ным материалам широко используют клей 88-Н (ТУ 38-1051061—82). Недостаток клея 88-Н — нестойкость к бензину, минеральным маслам. Кремний — органический клей КТ-30 (ТУ 6-02-760—78) применяют для склеивания вулканизированных резин на основе силиконового каучука и соединения их с металлом, а также для склеивания керамических и стеклянных деталей с металлом. Рабочая температура соединения от 213 до 573 К. Клей ВК-2 (ТУ 6-05-1214—76) предназначен для склеивания различных сталей, сплавов титана, а также приклеивания к этим металлам неметаллических теплостойких материалов, работающих при Т = 673 К в течение 250 ч и при Т = 1273 К — в течение 5 мни. Этот клей используют также для получения уплотнительного материала, работающего при температуре до 623 К. При Т = 293 К предел прочности при сдвиге не менее 8 МПа, при Т = 673 К — не менее 3,5 МПа.
Для склеивания сталей различных марок, сплавов титана, магния, алюминия и химически обработанного ПТФЭ рекомендуется клей К-300-61.
Клей МПФ-1 (ТУ 6-05-1865—78) предназначен для склеивания металлов между собой и с неметаллическими материалами. Рабочая температура соединения 213 ... 333 К.
Для герметизации межшовного пространства клеесварных соединений из стали, алюминия и других сплавов, а также для склеивании металлов и неметаллов применяют клей ФЛ-4с.
Легкоплавкие металлыи сплавы
Легкоплавкие металлы и сплавы используют в вакуумной технике в качестве припоев и уплотнителей для разъемных соединений. В соответствии с этим к их вакуумным и механическим характеристикам предъявляют особые требования. К легкоплавким металлам, удовлетворяющим эти требования, относятся галлий, висмут, индий, кадмий, олово, свинец, таллий и цинк. Из большого числа требований, предъявляемых к метал- лам-уплотнителям, основным является требование недопустимости нарушения
Показатель/Значение показателя дляjгаллиявисмутаИНДИЯкадмияоловасвинцаталлияцинка<Температура, К:плавления302,8544429,4594504,9601576692,5кипении2373177923709402073201318301179р, г/см8, для металла:в твердом со-5,979,87,368,67,311;311,847,1 !стояниив жидком со-6,0910,17,038,07,010,311,356,7 ]стоянииДавление пара, Па:при темпера ту-10"1’2-10"610-м13,32-10”1210-»2-10-&о ;ре плавленияпри температу-10-ю5-Ю-15-10-’6-Ю310-“5-Ю-*з-ю-»0 ,ре 750 К Удельная тепло-336126239321232327303419 )емкость прн Т == 293 К,Дж/(кг-К)Изменение объ-—3—3,322,54,742,63,66,9ема,. %Динамическая вяз-0,00170,00150,00150,00230,00170,0011—0,00281кость прн температуре плавле- нйя, Па-са-10», К-1, при Т = 293 ... 373 К Поверхностное натяжение, Н/м:расплава18,312,1333428,339,50,7350,3800,3400,5600,5400,4500,760кристалла иа—0,018—0,0290,0110,0120,057границе с рас-плавом кристалла 9—0,39—0,620,560,49—0,86Показатель/Значение показателя дляjгаллиявисмутаИНДИЯкадмияоловасвинцаталлияцинка<Температура, К:плавления302,8544429,4594504,9601576692,5кипении2373177923709402073201318301179р, г/см8, для металла:в твердом со-5,979,87,368,67,311;311,847,1 !стояниив жидком со-6,0910,17,038,07,010,311,356,7 ]стоянииДавление пара, Па:при темпера ту-10"1’2-10"610-м13,32-10”1210-»2-10-&о ;ре плавленияпри температу-10-ю5-Ю-15-10-’6-Ю310-“5-Ю-*з-ю-»0 ,ре 750 К Удельная тепло-336126239321232327303419 )емкость прн Т == 293 К,Дж/(кг-К)Изменение объ-—3—3,322,54,742,63,66,9ема,. %Динамическая вяз-0,00170,00150,00150,00230,00170,0011—0,00281кость прн температуре плавле- нйя, Па-са-10», К-1, при Т = 293 ... 373 К Поверхностное натяжение, Н/м:расплава18,312,1333428,339,50,7350,3800,3400,5600,5400,4500,760кристалла иа—0,018—0,0290,0110,0120,057границе с рас-плавом кристалла 9—0,39—0,620,560,49—0,86Таблица 4.15 |Таблица 4.15 |4-16. Вакуумные свойства4-16. Вакуумные свойстваРис. 4.1, Зависимость давления пара от температурыРис. 4.1, Зависимость давления пара от температурыРнс. 4.2, Заинсимость скорости испарения от температурыРнс. 4.2, Заинсимость скорости испарения от температуры
Показатель
/Значение показателя дляj
галлия
висмута
ИНДИЯ
кадмия
олова
свинца
таллия
цинка<
Температура, К:
плавления
302,8
544
429,4
594
504,9
601
576
692,5
кипении
2373
1779
2370
940
2073
2013
1830
1179
р, г/см8, для металла:
в твердом со-
5,97
9,8
7,36
8,6
7,3
11;3
11,84
7,1 !
стоянии
в жидком со-
6,09
10,1
7,03
8,0
7,0
10,3
11,35
6,7 ]
стоянии
Давление пара, Па:
при темпера ту-
10"1’
2-10"6
10-м
13,3
2-10”12
10-»
2-10-&
о ;
ре плавления
при температу-
10-ю
5-Ю-1
5-10-’
6-Ю3
10-“
5-Ю-*
з-ю-»
0 ,
ре 750 К Удельная тепло-
336
126
239
321
232
327
303
419 )
емкость прн Т =
= 293 К,Дж/(кг-К)
Изменение объ-
—3
—3,32
2,5
4,74
2,6
3,6
6,9
ема,. %
Динамическая вяз-
0,0017
0,0015
0,0015
0,0023
0,0017
0,0011
—
0,00281
кость прн температуре плавле- нйя, Па-с
а-10», К-1, при Т = 293 ... 373 К Поверхностное натяжение, Н/м:
расплава
18,3
12,1
33
34
28,3
39,5
0,735
0,380
0,340
0,560
0,540
0,450
0,760
кристалла иа
—
0,018
—
0,029
0,011
0,012
0,057
границе с рас-
плавом кристалла 9
—
0,39
—
0,62
0,56
0,49
—
0,86
Показатель
/Значение показателя дляj
галлия
висмута
ИНДИЯ
кадмия
олова
свинца
таллия
цинка<
Температура, К:
плавления
302,8
544
429,4
594
504,9
601
576
692,5
кипении
2373
1779
2370
940
2073
2013
1830
1179
р, г/см8, для металла:
в твердом со-
5,97
9,8
7,36
8,6
7,3
11;3
11,84
7,1 !
стоянии
в жидком со-
6,09
10,1
7,03
8,0
7,0
10,3
11,35
6,7 ]
стоянии
Давление пара, Па:
при темпера ту-
10"1’
2-10"6
10-м
13,3
2-10”12
10-»
2-10-&
о ;
ре плавления
при температу-
10-ю
5-Ю-1
5-10-’
6-Ю3
10-“
5-Ю-*
з-ю-»
0 ,
ре 750 К Удельная тепло-
336
126
239
321
232
327
303
419 )
емкость прн Т =
= 293 К,Дж/(кг-К)
Изменение объ-
—3
—3,32
2,5
4,74
2,6
3,6
6,9
ема,. %
Динамическая вяз-
0,0017
0,0015
0,0015
0,0023
0,0017
0,0011
—
0,00281
кость прн температуре плавле- нйя, Па-с
а-10», К-1, при Т = 293 ... 373 К Поверхностное натяжение, Н/м:
расплава
18,3
12,1
33
34
28,3
39,5
0,735
0,380
0,340
0,560
0,540
0,450
0,760
кристалла иа
—
0,018
—
0,029
0,011
0,012
0,057
границе с рас-
плавом кристалла 9
—
0,39
—
0,62
0,56
0,49
—
0,86
Таблица 4.15 |
Таблица 4.15 |
4-16. Вакуумные свойства
4-16. Вакуумные свойства
Рис. 4.1, Зависимость давления пара от температуры
Рис. 4.1, Зависимость давления пара от температуры
Рнс. 4.2, Заинсимость скорости испарения от температуры
Рнс. 4.2, Заинсимость скорости испарения от температуры
состава ' остаточной газовой среды н Загрязнения вакуумных объемов.
Из анализа физических свойств металлов (табл. 4.15) следует, что для сверхвысоковакуумиых систем по совокупности свойств в качестве метал- ла-уплотнителя с обеспечением герметизации в жидкой фазе можно использовать галлий, индий и олово.
Для исключения влияния вредных примесей желательно иснользовать металлы высокой чистоты такие как олово Х)ВЧ ООО, в котором содержание сурьмы и цинка не превышает ЗХ
ХЮ-6 % согласно техническим усло-| виям (ГОСТ 860—75). Металл-уплот-| иитель также должен быть свободенI от загрязнений. В связи с этим при] пайке или облуживании деталей, ра-1 ботающих в вакууме, применение флю-1 сов не рекомендуется. Индий и галлий I не образуют с металлами непрерывных 1 твердых растворов. 1
Большой растворимостью в иидни| в твердом состоянии отличаются все] металлы, окружающие его в периоди-1 ческой системе: Таллин, таллий, олово, | свинец, висмут, кадмий, ртуть, в]
меньшей степени цинк. Индий легко растворяется в твердом состоянии в металлах группы меди, а также в никеле, марганце, палладии, титане, олове, свинце и таллии.
Следует отметить, что чистый галлий при высоких температурах обладает высокой химической активностью по отношению к большей части металлов, что делает его непригодным для использования в качестве металла- уплотнителя.
Наряду с чистыми металлами в качестве легкоплавких металлов-уплот- нителей широко применяют многокомпонентные соединения. Это, как правило, мягкие припои с температурой плавления ниже 673 К, компонентами которых являются такие металлы, как галлий, индии, медь, олово, серебро.
Сплавы, используемые в качестве уплотнительного материала, должны быть эвтектическими во избежание разделительной диффузии при кристаллизации, существенно изменяющей линейную усадку, усадочные напряжения1, прочностные характеристики.
В качестве металла-уплотнителя можно использовать эвтектические сплавы индий—олово, свинец—олово, серебро—свинец, галлий—индий. Из них наиболее широко применяют припои системы олово—индий, обладающие достаточными прочностью и коррозионной стойкостью. Этот сплав с 48,7% олова образует эвтектику с температурой плавления 390 К; его можно успешно применять для получения уплотнений, основанных на адгезионном взаимодействии с твердой Уплотняемой поверхностью.
материалов
кли^УУМная техника предъявляет к трУкчи™ным материалам ряд спе- должиь^ ^аний.Р котором" они А лжиы удовлетворять наряду с тоа- ^иионными прочностными ифизи^о- °тве^твииМИ хараКтеРистнками. В со- отвеч^тк С ЭТИМ матеРиалы должны ечать следующим требованиям-
температ^ТеННе Пар0В Прн Раб°чей бочего УР значительно меньше ра- чего давления;р
характеризоваться минимальным га- зовыделеиием при рабочих давлении и температуре;
иметь минимальную проницаемость в рабочих условиях;
обеспечивать вакуумную плотность при малой толщине;
быть коррозионно-стойкими, иметь повышенные- пределы выносливости и ползучести.
Материал, давление насыщенного пара которого при рабочей температуре сравнительно велико, в вакууме испаряется. При этом существенно сокращается срок службы тел нагрева. Частицы испаряемого материала, взаимодействуя с обрабатываемым в вакууме, изделием, нарушают технологический процесс, приводят к снижению качества обработки, а осаждаясь, например, на поверхностях изоляторов, делают их электропроводными.
На рнс: 4.1 и 4.2 приведены температурные зависимости давления пара
1ЕаЮ$, %1ЕаЮ$, %Рис. 4.3. Обобщенная диаграмма кривых усталости по критерию герметичности ^ц — число циклов; еа — амплитуда деформации; Q — поток проницаемости); сплошные, штриховые и штрихпунктир- ные линии — для стали соответственно 12Х18Н10Т, 20X13 И 36НХТЮРис. 4.3. Обобщенная диаграмма кривых усталости по критерию герметичности ^ц — число циклов; еа — амплитуда деформации; Q — поток проницаемости); сплошные, штриховые и штрихпунктир- ные линии — для стали соответственно 12Х18Н10Т, 20X13 И 36НХТЮМатернаяПредварительная обработка материалаУдельный поток газовыделения, Па» м^м1. с)Длительность предварительной откзчки, ЧНизкоуглероди-4,12-10"41стая сталь2,4-ГО”421,08-10-447,35-10-665,36-10"684,12-10-610Отжиг в вакууме при4-10-10Т = 693 К1,2-10-вЛюбаяКоррозириио--—2,4-10~41стойкая сталь1,08-10-4 '25,94-10"644,12-10"663,09-10"682,54-10"610' 1,07-IO"411,97-10-65Отжиг в вакууме при4-10-107 = 673 К1,2-10-8ЛюбаяМедьТравление,. промывка1,11-10-8' . 1/в бензоле и ацетоие8,35-10"7 •' . 5Промывка в бензине и6,12- IO-6. ' Гацетоне1,03-10-85Отжиг в вакууме при. ное-ю-1»7 = 693 К9,3-10-’ЛюбаяЛатуньТравление, промывка1,95-10-8\1в бензоле и ацетоне1,53.10-«5Промывка в бензоле и2,22-Ю-41ацетоне8,9- IO-»♦5'- 13,34-1О-41. ’ 12-10-*■5 ■ДюралюминийТравление, промывка- 4,73-10-81в бензоле и ацетоне3,9-10-85Промывка в бензоле и2,8-10-* ‘•1ацетоне1,4-10-*55,57-10~411,9-10-45МатернаяПредварительная обработка материалаУдельный поток газовыделения, Па» м^м1. с)Длительность предварительной откзчки, ЧНизкоуглероди-4,12-10"41стая сталь2,4-ГО”421,08-10-447,35-10-665,36-10"684,12-10-610Отжиг в вакууме при4-10-10Т = 693 К1,2-10-вЛюбаяКоррозириио--—2,4-10~41стойкая сталь1,08-10-4 '25,94-10"644,12-10"663,09-10"682,54-10"610' 1,07-IO"411,97-10-65Отжиг в вакууме при4-10-107 = 673 К1,2-10-8ЛюбаяМедьТравление,. промывка1,11-10-8' . 1/в бензоле и ацетоие8,35-10"7 •' . 5Промывка в бензине и6,12- IO-6. ' Гацетоне1,03-10-85Отжиг в вакууме при. ное-ю-1»7 = 693 К9,3-10-’ЛюбаяЛатуньТравление, промывка1,95-10-8\1в бензоле и ацетоне1,53.10-«5Промывка в бензоле и2,22-Ю-41ацетоне8,9- IO-»♦5'- 13,34-1О-41. ’ 12-10-*■5 ■ДюралюминийТравление, промывка- 4,73-10-81в бензоле и ацетоне3,9-10-85Промывка в бензоле и2,8-10-* ‘•1ацетоне1,4-10-*55,57-10~411,9-10-45Таблица 4.16Таблица 4.16
1ЕаЮ$, %
1ЕаЮ$, %
Рис. 4.3. Обобщенная диаграмма кривых усталости по критерию герметичности ^ц — число циклов; еа — амплитуда деформации; Q — поток проницаемости); сплошные, штриховые и штрихпунктир- ные линии — для стали соответственно 12Х18Н10Т, 20X13 И 36НХТЮ
Рис. 4.3. Обобщенная диаграмма кривых усталости по критерию герметичности ^ц — число циклов; еа — амплитуда деформации; Q — поток проницаемости); сплошные, штриховые и штрихпунктир- ные линии — для стали соответственно 12Х18Н10Т, 20X13 И 36НХТЮ
Матерная
Предварительная обработка материала
Удельный поток газовыделения, Па» м^м1. с)
Длительность предварительной откзчки, Ч
Низкоуглероди-
4,12-10"4
1
стая сталь
2,4-ГО”4
2
1,08-10-4
4
7,35-10-6
6
5,36-10"6
8
4,12-10-6
10
Отжиг в вакууме при
4-10-10
Т = 693 К
1,2-10-в
Любая
Коррозириио-
-—
2,4-10~4
1
стойкая сталь
1,08-10-4 '
2
5,94-10"6
4
4,12-10"6
6
3,09-10"6
8
2,54-10"6
10
' 1,07-IO"4
1
1,97-10-6
5
Отжиг в вакууме при
4-10-10
7 = 673 К
1,2-10-8
Любая
Медь
Травление,. промывка
1,11-10-8
' . 1
/
в бензоле и ацетоие
8,35-10"7 •
' . 5
Промывка в бензине и
6,12- IO-6
. ' Г
ацетоне
1,03-10-8
5
Отжиг в вакууме при
. ное-ю-1»
7 = 693 К
9,3-10-’
Любая
Латунь
Травление, промывка
1,95-10-8
\
1
в бензоле и ацетоне
1,53.10-«
5
Промывка в бензоле и
2,22-Ю-4
1
ацетоне
8,9- IO-»
♦5'
- 1
3,34-1О-4
1
. ’ 12-10-*
■5 ■
Дюралюминий
Травление, промывка
- 4,73-10-8
1
в бензоле и ацетоне
3,9-10-8
5
Промывка в бензоле и
2,8-10-* ‘
•1
ацетоне
1,4-10-*
5
5,57-10~4
1
1,9-10-4
5
Матерная
Предварительная обработка материала
Удельный поток газовыделения, Па» м^м1. с)
Длительность предварительной откзчки, Ч
Низкоуглероди-
4,12-10"4
1
стая сталь
2,4-ГО”4
2
1,08-10-4
4
7,35-10-6
6
5,36-10"6
8
4,12-10-6
10
Отжиг в вакууме при
4-10-10
Т = 693 К
1,2-10-в
Любая
Коррозириио-
-—
2,4-10~4
1
стойкая сталь
1,08-10-4 '
2
5,94-10"6
4
4,12-10"6
6
3,09-10"6
8
2,54-10"6
10
' 1,07-IO"4
1
1,97-10-6
5
Отжиг в вакууме при
4-10-10
7 = 673 К
1,2-10-8
Любая
Медь
Травление,. промывка
1,11-10-8
' . 1
/
в бензоле и ацетоие
8,35-10"7 •
' . 5
Промывка в бензине и
6,12- IO-6
. ' Г
ацетоне
1,03-10-8
5
Отжиг в вакууме при
. ное-ю-1»
7 = 693 К
9,3-10-’
Любая
Латунь
Травление, промывка
1,95-10-8
\
1
в бензоле и ацетоне
1,53.10-«
5
Промывка в бензоле и
2,22-Ю-4
1
ацетоне
8,9- IO-»
♦5'
- 1
3,34-1О-4
1
. ’ 12-10-*
■5 ■
Дюралюминий
Травление, промывка
- 4,73-10-8
1
в бензоле и ацетоне
3,9-10-8
5
Промывка в бензоле и
2,8-10-* ‘
•1
ацетоне
1,4-10-*
5
5,57-10~4
1
1,9-10-4
5
Таблица 4.16
Таблица 4.16
иг скорости испарения для некоторых материалов.
Материалы элементов установок, работающих на границе раздела вакуумной и окружающей сред (вакуумные камеры, вакуумные трубопроводы, корпуса вакуумной запорной арматуры, разделительные оболочки механических вакуумных вводов), должны обладать высокой вакуумной плотностью, низким газосодержанием, легким обез- гаживанием, хорошими свариваемостью с образованием вакуумно-плотного соединения и обрабатываемостью.
Газовыделение материалов при рабочих давлении и температуре зависит от Количества газов, растворенных в нх объеме и адсорбированных. Уровень газовыделения существенно зависит от способа предварительной обработки.
Проницаемость свойственна многим материалам, однако сильно зависит от рода газа. Так, серебро проницаемо для кислорода, железо, никель, платина, палладий ■— для водорода, стекло — для гелня и водорода, резина — для гелня, водорода. и азота. ' 1
Для функциональных узлов, содержащих тонкостенные элементы и особенно гибкие деформируемые оболочки (сильфоны, мембраны, трубчатые элементы), очень важно обеспечить герметичность в течение требуемого срока службы, в том числе в условиях периодического нагружения. При этом следует учитывать, что критерием работоспособности является не сопротивление усталости, а допускаемый газовый поток, проникающий через оболочку. Этот поток, в свою очередь, зависит от прочностных параметров материала.
В качестве иллюстрации этого утверждения на рис. 4.3 приведена экспериментальная диаграмма, отражающая зависимость потока проницаемости Q для. сталей 12Х18Н10Т, 20X13 и 36НХТЮ от деформации и числа циклов в диапазоне температур 373... 673 К при допускаемом суммарном потоке проницаемости 1-10~4 ... 2-Ю-8 Па-м3/с.
Литые материалы не удовлетворяют требованиям герметичности, так как для них характерна пористая структура. Листовой н сортовой прокат имеет различную вакуумную.„ плотность в разных направлениях. Наибольшей вакуумной плотностью обладают материалы, подвергнутые переплаву в вакууме.
Требования коррозионной стойкости материалов обусловлены недопусти мостью образования оксидов на поверхности, которые легко разлагаются и имеют более высокое давление пара, чем основной металл. Таким образом, коррозия увеличивает газовыделение материалов, уменьшает прочность тонкостенных деталей, вызывает при соприкосновении с окисляющими газами межкристаллитную коррозию и появление натеканий. Требования коррозионной стойкости наиболее критичны для сверхвысоковакуумных систем, регулярно прогреваемых до температур 673 ... 773 К.
В ряде случаев (например, в магнитных электроразрядных насосах, магнитных вводах движения, манометрических преобразователях) необходимо применять немагнитные материалы.
В табл. 4.16—4.23 приведены некоторые наиболее важные вакуумные характеристики материалов.
Продолжение табл. 4.16
Материал
Предварительная Обработка материала
Удельный поток газовыделеиня, Па. м’Ди8. с)
Длительность предварительной откачки, ч
Алюминий
(4 ...9) 10-«
2
Никель '
(6,5 ... 8,0) 10-»
2
Вольфрам .
Тантал
1,3-10-д
6-10-8
2
2
Молибден , -
(4,6 ... 8,5) 10-*
2
Резина вакуумная для уплотне-
—
1,24-IO"2
10
' НИЯ
2,67-10-6
Полистирол
■10
Полиэтиленовая пленка
9,3-10 6
10
Целлофан
1,35-10"8
10
Ткань Петрянова
9,3-10 *
10
Таблица 4.17;
Температура, К
Удельный поток
Температура, К
Материал \
газовыделеиня, Па. м^м*- с)
начала выделения фторида водорода
резкого-
увеличения газовыделеиня
Фторопласт'-З
393
423
6,7-10-8 8-10-8
—
—. -
Фторопласт-4
493
548
(2,6 ...4,0) IO"*
.8-10-8
513
,513
593
593
Фторопласт-42
423
1 '
.6,7-10-8
■ 458
——
Таблица 4.18
Стекло
.
Максимальная температура обезгажнваиия, 1 К
Количество выделившегося газа, Па. m*/ms
Массовая доля, %
н,о
СО + N,
со.
другии газов
С49-2
'723
.4-10-1
65,6
■ 12,9
16,9
4,6
С87-1
723 -
5,33-10-1
23,0 ,
18,0
56,0
3,0
С48-1
873"
8-IO"1
21,8
26,5
42,2
9,5
С48-3
1053
6,7-10-1
20,5 -
30,5
47,0
3,0
П-15
-773
4,65-10-1
36,0
37,0
22,0
5,0
Таблица 4.19
Сталь
'Газосодержаиие,
Па. м*/кг
о.
. N» .
'н,
12Х18Н10Т
2,3
' -5,1■
6,5 ... 11,0
10.
9,0 .
3,5
2,2
20
2,3
3,5.
2,2
ЗОХГСА
3,0
'3,4-
1,3
Таблица 4.20
Газ
Материал
Температура, К
Па. MVin1» с)
Газ
Материал
Температура, К
Па- м^/(м*. с)
н2
Fe '
298
323
4-10-8 ... l-10-ii
5-10-8 ...
6-10"»
и*
Сталь * -
298
323 ■
7-10-11 ... 7-10-1» 2-10-10 ...
5- 10-и
N,
1095
■ 1387
2,22-10-»
2,22.10-е
Мо .
298
323
мо-14
2-10"18
471
1860
2,22-10-е
2,22-10-е
СО
965
1266
2,22-10-8
2,22- 10-е
Си
.298
323
813
1048
5-10-1» ... ... 1.10"1» 2-10"14 ... „. 4 -10-1* 2,22- IO"* 2,22-10-е.
н2
№
681
889 .
2,22- 10-е
2,22.10-»
. Pd ,
298
323
(5 ... 8)-10-е
(5 ... 8)-IO-»
°8
Ag
913
1119
2,22-! О-»
2,22- !0-«
Al .
298
773
873
1.10-и
2,295-10-8
2,265- 10-е
Н2
Pt .
293
702
844
1 • io-11
2,22-10-е
2,22-10-е
Коррозиоиио-стойкая.
, Примечание, q' — удельный поток, определяемый проницаемостью (При Др = ю» Па)..
Таблица 4.21Продолжение табл. 4.21 1
Газ
Материал
Температура, К
Па. mV(m«.c)Гаэ
Материал
Температура, К
Па.м3/(м3. с) J
Не г
Стекло С38-1
473
673
473 '
673
373
•673
373
673
373
673
473
673
423
673
423
673
423
623
423
623
523
723
573 ' 723.
10-’
5,9-10-’
1,172-10"“
1,181-10-’ ,
1,14-10-» Не
1,39-10-’
Кварц
423
473
573
673
773
873
973
1073
1173
1273
7,82-10-“ 1
1,49-10-’ 'J 3,38-10"’ 1
6,6-10 e J
1,11-IO"8 1 1,76-10-8 1
2,35-10-8 3,06-10-8
3,88-10-8 „1
4,86-10-8 1
Стекло С40-1
Стекло С48-1
Стекло С49-2
7,6-10-“ ыо-’
- 6,05-10-1*
7,25-10-“
3,1-10-»
8,5-10"»
6,4-10-13 1-ю-“
4,0-10-13
8,0-10"11
2,7-10”18 2,0-10-»
' 7,1-10-» 2,0-10-»
Стекло С47-1
н,
873
973
1173
1,34-10-’ 1
2,25-10-’ 1
6,85-10-’ 1
Стекло С87-1
о,
973
1173
<10-“ j
9-Ю"13]
Стекло С88-1
Аг
1173
873
5,8-10"“ !
3,0-10-“
Стекло С89-1
Стекло С89-2
Ne
973
1173
4,5-10-“ •
1,27-10-’ ;
Стекло €90-1
Воздух
Керамика
1173
4,2-10"13 /
Стекло С48-3
2’^' °2нПримечание. Для кварца зна-<
‘ °чення д' получены при Др = Ю3 Па,-
5,3-10~3Для керамики — при Др = 1 Па, ос-5
1,8-10-»тальные значения — при Др = 105 Па/
Таблица 4.22
• Стекло С39-2
I
н,
’аз ■
,Материал
Темпера- ' тура, К
д', Па.м?/(М*-С)
Давление, Па
Фторопласт-4
293
323
3,2- 10"»
1,1-10-“
3,2-10"’
1,1.10-“
2,5-10-“
, 2,1-10-’
7,3-10-’
2,3-10-’
4,4-10-®
9,4.10"»
10» i
Не
о, -
293
1,33- 10я I
Н2
Полиэтиленвысокой
плотности
298
. Ю8
Н, .
Полиамид
298
323
Н,
Полиэтилен (пленка)
- 298
323
Та<
Коэффициенты диффу в металлах и cnj
5 л и ц а 4.23Продолжение табл. 4.23
павах
Металл
Температура.
К
Коэффициент диффузии, м*/с
Гае
Металл
Температура, К
Коэффициент'
м2/с
Сплав АМц
723
2,1,10"“
Н,
Коррозионно- стойкая сталь
1023
3,4-10"“
Н3
W
550
600
10-и
10"*»
N1
355
398
' 438
498
553
8,6-10-“
3,4-10-“ 1,05-10-» 6,41-10-» 1.19-10"“
Pd
350
600
10"“ Ю-»
о.
1173
1223
1273
1323
1.0» 1U “
6,8-10"»
2,36-10"“
7,8-10-“
Ti
1500
2000
5,65-10"“
6,8-10-»
СО
298
973
1223
1323
Оз 2-10-» ' 2,5-10-“ 4-10"“ 1,4-10-»-
Си
900
1270
ю-“ ю-“
Общи* сведения и классификация97*
Глава 5. Вакуумные герметичные соединения
5.1. Общие сведениии. классификация'
По конструктивным признакам ва- куум-плотные герметичные соединения подразделяют на три группы: неразъемные, разъемные и подвижные.
Неразъемные вакуум-плотные соединения получают сваркой, пайкой, склеиванием и герметизацией эпоксидными смолами. К разъемным относят штуцерные, штуцерно-ниппельные и фланцевые соединения, уплотненные резиновыми или металличе-
4 П/р Е. С. Фролова
сними прокладками, расплавляемыми металлами-уплотнителями, а также герметичные муфтовые соединения. В подвижных соединениях для уплотнения используют жидкие металлы, масла, прокладки из антифрикционных вакуумио-плотных материалов, манжеты, шлифованные и притертые контактные поверхности.
Выбор вида соединения, способа его конструктивной реализации и материала определяется назначением соединения. При этом основными критериями служат: степень вакуума, ра-
бочая температура, условия взаимодействия с окружающей. Средой, влияние излучений.
В зависимости от степени вакуума применяют уплотнения для низкого, среднего, высокого и сверхвысокого вакуума.
В вакуумиых системах, подвергаемых обезгаживанию при Т = 723 ... 773 К, неразъемные вакуумные соединения, выполняют сваркой или пайкой высокотемпературными припоями, для разъемных соединений применяют металлические уплотнения или термостойкие вакуумные резины с местным- охлаждением. Низкотемпературные неразъемные соединения выполняют сваркой, пайкой и склеиванием.
В вакуумных герметичных соединениях наиболее часто применяют следующие сочетания материалов: металл—металл, металл—стекло, стек-' ло—стекло, металл—керамика, стекло—керамика.
Качество уплотнения определяется допускаемым потоком натекания, составляющим для сварных соединений металл—металл и металл—стекло соответственно 5-10~в н 8-10-11 Па-м3/с.
Для динамической вакуумной системы допускаемый удельный поток натекания q, Па*м3/(с-м), предельное давление р, Па, скорость откачки 5, м3/с, и длина соединения L, м, связаны зависимостью q<< pS/L.
Для изолированных вакуумных систем допускаемый удельный поток натекания определяется допускаемым повышением давлеиия в единицу времени (dpldt}, объемом сосуда V и длиной уплотнение L; q<Z (dpldt} (VIE}.
Допускаемые значения удельного по-. тока натекания, Па-м3/(с-см), для наиболее распростраиенных вакуумных соединений приведены ниже:
Высоковакуумное уплотнение с меднымн прокладками 3-10"* Уплотнение на основе эластомерных прокладок . . .6-Ю"9
Сверхвысоковакуумное уплотнение . . 1,5-10~18
Сварные соединения
Способы сварки, используемые в вакуумной технике, можно разделить на две группы.
Рис. 6.1. Виды проплавления при дуговой сварке:
а — глубокое, узкий шов (постоянный ток, прямая полярность); б — неглубокое, широкий шов (постоянный ток, обратная полярность); в — среднее (переменный ток)
Первая группа объединяет способы сварки плавлением, осуществляемой нагревом кромок свариваемых деталей до расплавления и соединением их без механического воздействия. К этой группе относится газовая, дуговая, электронно-лучевая, лазерная и плазменная сварка. Вторая группа объединяет способы сваркй давлением, осуществляемой сжатием свариваемых деталей с нагревом или без него. К этой группе относятся различные виды контактной и холодной сварки.
Для получения вакуумно-плотных соединений в вакуумной технике наиболее распространена дуговая сварка в защитных газах. Для дуговой сварки используют плавящиеся и неплавя- щиеся электроды. В последнем случае шов образуется из присадочного металла или вследствие оплавления стыковых кромок. Дуговую сварку ведут как постоянным, так и переменным током.
При сварке постоянным током используют две схемы подсоединения детали и электрода к источнику питания; прямой и обратной полярности. В первом случае электрод является катодом, деталь — анодом, во втором —- наоборот. Так как большая часть тепловой энергии выделяется иа положительном полюсе, дуговая сварка постоянным током по схеме прямой полярности характеризуется глубоким проплавлением и узким швом (рнс. 5.1, а}. Такой способ целесообразен для сварки массивных деталей. Сварка по схеме обратной полярности характеризуется неглубоким проплавлением и широким швом (рис. 5.1, б), поэтому рекомендуется для соединения тонкостенных деталей. Сварка постоянным током предпочти-
тельна для немагнитных металлов и сплавов.
При дуговой сварке переменным -током образуется узкий сварной шов средней глубины (рис. 5.1, в). При дуговой сварке в защитных газах тепловая энергия выделяется в виде дуги переменного тока, горящей между двумя неплавящимися электродами в среде водорода, и переносится иа свариваемый металл в результате диссоциации и рекомбинации молекулярного водорода. Молекулярный водород, подаваемый через держатель электродов, диссоциирует в дуге до атомарного водорода, который рекомбинирует при контакте с более холодным свариваемым металлом. При этом температура в зоне сварки может достигать 4273 К-
Дуговую сварку в среде водорода применяют для соединения трудио- свариваемых материалов, в том числе алюминия и хрома, однако этот способ непригоден для получения вакуумноплотных соединений сплавов, содержащих никель и склонных к растворению водорода с последующим образованием трещин н пор (например, сталь 12Х18НЮТ).
При дуговой сварке в защитных газах (аргоне, гелии) тепловая энергия создается дугой, горящей между неплавящимся вольфрамовым электродом и свариваемыми деталями. В установках перемениого тока используют ток напряжением около 100 В, силой 250 ... 300 А, в установках постоянного тока — напряжением 45 ... 75 В, силой 15... 175 А (в мощных установках—‘ до 300 А). Преимущество использования инертных газов — их химическая инертность и нерастворимость в металлах.
Наибольшее применение на практике нашла аргонодуговая сварка. В за- внсимости от материала аргонодуго- вУю сварку ведут постоянным или переменным током.
Для сварки алюминия и магния обычно используют переменный ток, Для сварки коррозионно-стойких ста- Леи, никеля, меди, серебра и титана — постоянный. При сварке алюминия постоянным током используют схему обратной полярности, так как в этом случае электронная эмиссия металла
в области сварки и бомбардировка поверхности положительными ионами способствует удалению оксидной пленки и повышению качества соединения.
Особенности дугового разряда в среде аргона — высокое напряжение зажигания вследствие высокого ионизационного потенциала этого газа и малое напряжение горения (12... 24 В) при длине дуги 1 ... 3 мм, объясняемое повышенной подвижностью электронов в аргоне, отсутствием расхода энергии на диссоциацию молекул газа и другими факторами.
В вакуумной технике распространены две разновидности аргонодуговой сварки: в воздухе с местным обдувом кромок соединяемых деталей аргоном и в камерах, наполненных аргоном.
При сварке в воздухе кромки соединяемых деталей обдуваются аргоном, который подается между центральным вольфрамовым электродом н керамическим наконечником сварочной горелки под небольшим избыточным давлением (порядка 1 кПа) и не только защищает от окисления иагретый и расплавленный металл в зоне сварки, ио и способствует иоиизацни пространства, в котором горит дуга.
Сварку в воздухе с местным обдувом аргоном, характеризуемую высокой производительностью, используют, когда к чистоте шва (отсутствие загрязнений н оксидов) не предъявляют повышенных требований. Если к чистоте швов предъявляют высокие тре- боваиня, применяют сварку в камере, нз которой предварительно откачивают воздух до давления 1,33 0,133 Па и наполняют ее аргоном с минимальной долей примесей (0,01% О2; 0,01% N2). В камере размещают приспособления для закрепления деталей и электроды.
Аргоиодуговую сварку не рекомендуют для выполнения конструкций с толщиной кромок более 4 мм. При использовании медных охладителей или специальных накладок можно сваривать тонкостенные детали (до 0,1о мм).
Электронно-лучевая сварка основана иа использовании энергии, образующейся прн столкновении потока ускоренных электронов со свариваемыми деталями. При этом электроны
ри<. 5.2. Схема расплавления материала при сварке (Ег и Е& — площади расплавленной зоны при -электронно-лучевой н дуговой сварке)
передают часть своей энергии атомам и молекулам материала деталей; в результате температура в зоне действия потока электронов повышается. Электронно-лучевую сварку выполняют в вакууме (5«10"3 Па), что позволяет сохранить чистоту свариваемых металлов. Кроме того, отсутствие деформации свариваемых деталей и высокие физико-механические характеристики материала сварного шва исключают его последующую механическую и термическую обработку. По прочности сварные соединения, получаемые электронно-лучевой сваркой, значительно превосходят аналогичные соединения, выполненные аргонодуго- вой сваркой.
Локальный нагрев зоны сварки по- зуляет сваривать тонкостенные детали. В этом случае можно создать пятно фокусировки луча площадью 0,1 мм2 и менее, что позволяет достичь высокой точности сварки. Глубокое проникновение электронов в материал, подвергаемый электронной бомбардировке, позволяет резко уменьшить площадь зоны расплава (рис. 5.2).
Электронно-лучевую сварку применяют для получения вакуумно-плотного соединения изделий из коррозионно-стойких сплавов, вольфрама, молибдена, титана, бериллия и тантала, а также различных сочетаний конструкционных материалов.
При лазерной сварке используют как твердотельные, так и газовые лазеры. Плотность лазерного потока, направленного иа свариваемые детали, может достигать 107 ... 108 Вт/см2. Излучение может быть как непрерывным, так и импульсным. При лазерной обработке отсутствует механический контакт между соединяемыми деталями и устройствами, служащими для передачи энергии к месту сварки.
Это исключает возможность попадания в зону шва посторонних примесей при газовой, аргонодуговой и контактной сварке. Малая площадь поперечного сечения сфокусированного светового пучка позволяет проводить сварку в труднодоступных местах. Кроме того, лазерный луч проходит через любую пропускающую ' свет среду. Так, лазером можно сваривать детали, находящиеся в замкнутом оптически прозрачном объеме. Лазерной сваркой как в вакууме, так и в обычной атмосфере можно соединять детали толщиной 0,01 ... 1,0 мм из любых металлов в любых комбинациях. Технологию лазерной сварки используют для соединения стекол. При лазерной свапке основной задачей управления лазерным лучом является уменьшение его энергия до такого значения, при котором материал свариваемых деталей нагревается до температуры плавления, но не испаряется.
Для получения необходимой энергии излучения. W в оптической системе лазерной сварочной установки используют линзы с большим фокусным расстоянием или смещают свариваемые поверхности относительно фокальной плоскости (дефокусировка ДА). На рис. 5.3 заштрихована область оптимальных соотношений W и Д/, при которых обеспечивается качественная лазерная сварка.
Плотность потока энергии излучения ср, Вт/см2, в месте падения луча связана с размером фокального пятна соотношением
ф = ^/Ви^ф).
где 1^ — энергия излучения с учетом потерь в оптической системе, Дж; ти—время импульса, с; Аф — площадь фокального пятна, см2.
Из бесконтактных методов сварки весьма распространены плазменные методы. Плазменио-дуговой нагрев применяют для сварки практически любых материалов вакуумной техники. При плазменной сварке используют горелки с дугой прямого действия, в которых дуга горит между электродом и изделием и струя плазмы совпадает с дугой. Высокие напряжение и мощность при фокусированном факеле обеспечивают получение сварных
швов высокого качества. При плазменно-дуговом нагреве наиболее целесообразна сварка оплавлением, при которой свариваемые детали перемещаются относительно струн плазмы. Свариваемые кромки оплавляются: при необходимости их защищают инертным газом (рис. 5.4).
Плазменная сварка характеризуется глубоким проваром и равномерностью шва при постоянном расстоянии от сопла до металла.
К сварке давлением относятся способы соединения, при которых металлы сваривают в твердом состоянии при совместной пластической деформации, иногда сопровож?1ающейся нагревом. К этому виду сварки относится элек- трокоитактная, холодная, диффузионная в вакууме, а также ультразвуковая и термокомпрессионная.
Контактная сварка заключается в разогреве свариваемых деталей пропусканием тока и последующем механическом сжатии. Контактная сварка может быть точечной, шовной и стыковой. В вакуумной технике точечную сварку применяют лишь как вспомогательное средство для предварительного соединения и взаимной ориентации соединяемых деталей, так как этот вид сварки не позволяет получить вакуумно-плотное соединение. Шовную сварку используют достаточно широко. Давление, прикладываемое к роликам, постоянно:' при этом сварочный ток может быть непрерывным или импульсным. так что области сварки от двух последовательных импульсов перекрывают одна другую (рис. 5.5).
Из некоторых металлов, таких, как медь, алюминий, коррозионно-стойкие ^тали, можно получать вакуумно-плотные соединения холодной сваркой. При этом свариваемые поверхности, тщательно обезжиренные и очищенные От пленки оксидов, сжимают специальными приспособлениями (давление для ^юминий 170... 250 МПа, для меди
750 МПа). Контактирующие по- 3еРхностн нз коррозионно-стойких ста- Лек необходимо плакировать слоем ^н. Если в процессе сварки контак- * ^РУЮщие, поверхности, предохраняете от загрязнений и окисления (на- цример, в вакууме), нагревать, ка-
Рис. 5.3. Зависимость энергии излучения W. от дефокусировки Д/
123 Ц- 56
Рис. 5.4. Схема плазменной сварки:
1 — источник питания; 2 — высокочастотный генератор; 3 и 4 — сопла для подачи соответственно защитного и плазмообразующего инертных газов; 5 — электрод; 6 г- трубка подачи охлаждающей воды;
7 — свариваемые детали
чество сварки повышается, и давление, необходимое для сварки, уменьшается.
Температура и давление связаны уравнением
Т о
К = mW 4,
'ПЛ °с. д
где К — коэффициент, зависящий от свариваемых материалов (для меди К = 20, для титана К = 28); Т — температура сварки, К; ТПл— темпера-
Рис. 5.5. Схемы роликовой шовной уварки в импульсном (а) и непрерывном (<Н режимах
Рис. 5.6. Сварные соединенияРис. 5.6. Сварные соединениятура плавления металла. К; о — удельная нагрузка, необходимая для сварки, Па; ос*. д — сопротивление деформации металла, равное утроенному пределу текучести от металла при данной температуре, Па.
Рис. 5.6. Сварные соединения
Рис. 5.6. Сварные соединения
Широко распространена диффувион- ная сварка в вакууме. Процесс диффузионной сварки состоит из трех стадий: физического взаимодействия, свидетельствующего о фактическом контакте поверхностей; химического взаимодействия (схватывания) при необходимом уровне активации поверхностей; объемного взаимодействия в зоне контакта, определяемого диффузионными процессами и сопровождающегося равномерным распределением напряжений.
Процесс диффузионной сварки осуществляют в вакууме при давлении порядка 10”2 Па. Иногда вакуумные объемы заполняют инертным или восстановительным газами. Свариваемые детали нагревают в собранном состоянии до температуры, равной 0,5 ... 0,7 температуры плавления более легкоплавкого из соединяемых металлов при относительно небольшом давлении. Рабочая среда способствует удалению поверхностных оксидов благодаря их разложению (диссоциации) в вакууме или восстановлению, а также частичному растворению в основном металле.
Диффузионная сварка позволяет изготовлять вакуумно-плотные еоедиие- иия как однородных, так и разнородных металлов, а также неметаллических материалов с металлами и сплавами. В вакуумной технике применяют
сварные стеклометаллические и металлокерамические соединения,, кото-j рые требуют дополнительной подго-З товки поверхности.
Газовую сварку в вакуумной тех-j нике ограниченно применяют вслед-*; ствие неизбежного интенсивного обра^ зования оксидов или науглероживании, металлов б зоне сварки, что исключает? возможность получения надежных^ сварных вакуумно-плртных соединений . Примеры сварных соединений приведены на рис. 5.6.
Паяные соединении
Пайку широко применяют для получения вакуумио-плотных соединений металла с металлом, а также металла с керамикой и стеклом.
Пайка основана иа способности металлов смачиваться расплавленным припоем при проникновении его в зазор между соединяемыми деталями и последующей взаимной диффузии припоя в основной металл и основного металла в припой с образованием сплавов в виде твердых растворов или химических соединений. В вакуумной технике широко применяют пайку нагревом соединяемых деталей специальными внешними нагревателями, прямым пропусканием электрического тока или токами высокой частоты (индукционный нагрев) в среде водорода или в вакууме. Кроме того, для соединения деталей используют электрокон- ■ тактиую пайку в воздухе.
В среде водорода паяют никель, бес кислородную медь, ковар, различны® стали, железоникелевые сплавы, кон
стантан и другие металлические материалы, не вступающие в реакцию с водородом. Водород защищает • металлы от воздействия воздуха, восстанавливает оксиды и обеспечивает возможность пайки без применения флюсов. Наилучшим для пайки считается водород, осушенный до точки росы (233 ... 223 К) и содержащий не более 0,003 ... 0,005% кислорода. Так как тонкая очистка водорода требует частой регенерации или замены очищающих веществ, в производстве нередко используют водород с пониженными требованиями к содержанию примесей, достаточно активно вое-- станавливающий оксиды таких металлов, "как никель, медь, константан. В таком водороде труднее восстанавливаются оксиды на поверхности деталей из ковара, железоникелевых, сплавов, железа, углеродистых сталей н особенно коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т и других сплавов, содержащих хром. При этом детали покрываются устойчивой, плотной и проч-- ной пленкой, совершенно не смачиваемой припоями. Однако необходимо отметить, что пайка в водороде даже тонкой очистки может быть затруднена или невозможна1 вследствие выделения паров, воды и кислорода из обрабатываемых деталей, внутренней арматуры или футеровки печей.
В вакууме паяют преимущественно детали из трудно обжигаемых (молибден, титан), в водороде или реагирующих с ним (бронза, медь) металлов, а также если к чистоте шва и прилегающих к нёму зон предъявляют повышенные требования. Наилучшие результаты получают при пайке мало- и крупногабаритных деталей в вакууме со значительным газовыделением.
Для улучшения условий пайки в вакууме детали из молибдена и титана перед пайкой покрывают гальваниче- ^им способом последовательно слоями меди, никеля, а иногда и серебра. 1ак, для молибдена толщина' слоя ^Ди 3 ... 5 мкм, слоя никеля 7 ... и мкм. Такие покрытия исключают взывающую появление течей меж-" ^ристаллитную коррозию таких елла- ^в, как, например, ковар, и улуч- ают смачиваемость молибдена и ти-
Растекаемость припоев и характер диффузионных процессов при пайке в значительной степени зависят от состояния поверхности деталей, их взаимного расположения и крепления, а также формы и размещения припоев. Пайкой целесообразно соединять детали с шероховатой поверхностью, так как микронеровности способствуют лучшему растеканию припоев вследствие капиллярного эффекта и получению более прочных соединений. Ра- стекаемость характеризуется отношением площади, занимаемой припоем до расплавления, к площади, занимаемой им после расплавления. Смачиваемость может быть удовлетворительной лишь при полису отсутствии на соединяемых поверхностях оксидов и других соединений, наличие которых на отдельных участках мож:ет привести к нарушениям .герметичности шва при его достаточной механической прочности. Перед пайкой детали очищают: обезжиривают в горячем трихлорэтилене, обрабатывают кислотами и щелочами.
Глубина проникновения расплавленного припоя в зону пайки под действием капиллярных сил зависит от зазора между деталями, который обычно составляет 0,05 ... 0,15 мм. Зазор принимают с учетом геометрических размеров и конструктивных особенностей деталей, а также свойств соединяемых металлов с учетом их температурного коэффициента линейного расширения. Слишком малые зазоры припой может не заполнить, что вызывает появление пустот в шве, уменьшает прочность, герметичность, ухудшает другие характеристики соединения. При больших зазорах действие капиллярных сил может оказаться недостаточным для затягивания припоя в шов, что также уменьшает прочность и вакуумную плотность соединений.
Обычно применяют припой в виде колец из проволоки или фольги. Проволочный припой Лучше располагать над швом, по возможности ближе к зазору, что способствует действию капиллярных сил и позволяет одновременно использовать силу тяжести припоя. Припой в виде фольги целесообразно закладывать в зазор между плоскостями соединяемых деталей.
Припой (состав)^пл* кСоединяемые металлыШирина зазора, ммМедный1356Ковар—ковар, сталь—сталь0 ... 50Серебряный1233Медь—медь, медь— коварМедно-серебряиый эвтектический (72% Ag, 28% Си)1053Медь—медь, медь— ковар, медь—стальМедно-серебряиый фосфористый (15% Ag, 80% Си, 5% Р)913 ... 973Медь—-медь,ковар—молибден,ковар—ковар0 ... 45Медно-серебряноиндиевый (85% Си. 10% Ag, 5% In)Индиевый (27% Си, 63 % Ag, 10% In)1173 ... 1223958 ... 983Медь—медь, сталь—сталь, мець—стальИндиевый (30% Си, 65% Ag,1043 ... 1073Медь—ковар, •5% In)медь—медь, медь— стальЗолотомедный (63% Си, 37% Аи)123325 ... 65Припой (состав)^пл* кСоединяемые металлыШирина зазора, ммМедный1356Ковар—ковар, сталь—сталь0 ... 50Серебряный1233Медь—медь, медь— коварМедно-серебряиый эвтектический (72% Ag, 28% Си)1053Медь—медь, медь— ковар, медь—стальМедно-серебряиый фосфористый (15% Ag, 80% Си, 5% Р)913 ... 973Медь—-медь,ковар—молибден,ковар—ковар0 ... 45Медно-серебряноиндиевый (85% Си. 10% Ag, 5% In)Индиевый (27% Си, 63 % Ag, 10% In)1173 ... 1223958 ... 983Медь—медь, сталь—сталь, мець—стальИндиевый (30% Си, 65% Ag,1043 ... 1073Медь—ковар, •5% In)медь—медь, медь— стальЗолотомедный (63% Си, 37% Аи)123325 ... 65Таблица 5.1Таблица 5.1+ л»(1-“1гп) + А1 О+^п):+ л»(1-“1гп) + А1 О+^п):
Припой (состав)
^пл* к
Соединяемые металлы
Ширина зазора, мм
Медный
1356
Ковар—ковар, сталь—сталь
0 ... 50
Серебряный
1233
Медь—медь, медь— ковар
Медно-серебряиый эвтектический (72% Ag, 28% Си)
1053
Медь—медь, медь— ковар, медь—сталь
Медно-серебряиый фосфористый (15% Ag, 80% Си, 5% Р)
913 ... 973
Медь—-медь,ко
вар—молибден,
ковар—ковар
0 ... 45
Медно-серебряноиндиевый (85% Си. 10% Ag, 5% In)
Индиевый (27% Си, 63 % Ag, 10% In)
1173 ... 1223
958 ... 983
Медь—медь, сталь—сталь, мець—сталь
Индиевый (30% Си, 65% Ag,
1043 ... 1073
Медь—ковар, •
5% In)
медь—медь, медь— сталь
Золотомедный (63% Си, 37% Аи)
1233
25 ... 65
Припой (состав)
^пл* к
Соединяемые металлы
Ширина зазора, мм
Медный
1356
Ковар—ковар, сталь—сталь
0 ... 50
Серебряный
1233
Медь—медь, медь— ковар
Медно-серебряиый эвтектический (72% Ag, 28% Си)
1053
Медь—медь, медь— ковар, медь—сталь
Медно-серебряиый фосфористый (15% Ag, 80% Си, 5% Р)
913 ... 973
Медь—-медь,ко
вар—молибден,
ковар—ковар
0 ... 45
Медно-серебряноиндиевый (85% Си. 10% Ag, 5% In)
Индиевый (27% Си, 63 % Ag, 10% In)
1173 ... 1223
958 ... 983
Медь—медь, сталь—сталь, мець—сталь
Индиевый (30% Си, 65% Ag,
1043 ... 1073
Медь—ковар, •
5% In)
медь—медь, медь— сталь
Золотомедный (63% Си, 37% Аи)
1233
25 ... 65
Таблица 5.1
Таблица 5.1
+ л»(1-“1гп) + А1 О+^п):
+ л»(1-“1гп) + А1 О+^п):
В зависимости от назиачеиия паяных соединений применяют пайку твердыми или мягкими припоями. При пайке твердыми припоями с температурой плавления выше 823 К соединение имеет значительную механическую прочность. Соединения, получаемые пайкой мягкими припоями, которые плавятся при температуре ниже 673 К, имеют незначительную прочность.
При пайке твердыми припоями получают прочные вакуумно-плотные швы, способные выдерживать нагрев и сохраняющие необходимые теплопроводность и электрическую проводимость. Давление паров припоев в вакууме не должно быть выше давления паров соединяемых металлов при минимальном содержании в иих примесей.
Пайку мягкими припоями применяют для получения вакуумно-плот; иых соединений, в том числе при периодической разгерметизации соеди- иеиия нагреванием до температуры плавления припоя.
Для пайки деталей электровакуумных приборов применяют припои иа' основе серебра, меди и золота (табл. 5.1).
Для улучшения смачиваемости используют флюсы на основе тетрабората натрия Na3B4O7.' В зависимости от соединяемых материалов в состав флюсов вводят интенсификаторы, например фторид кальция CaFa. Так, для пайки медных деталей применяют флюс, содержащий 40% Na3B4O7, 40% борной кислоты Н3ВО3 и 20% соды Na2CO3, а деталей из стали 12Х18Н10Т — Флюс, содержащий 20% Na9B4O7, 70% Н3ВО3 и 10% CaFa.
Скорость взаимной диффузии и смачиваемость увеличиваются с повышением температуры и времени пайки. Однако во избежание структурных изменений и возможных деформаций деталей температура пайки должна не более чем на 313 ... 323 К превышать температуру плавления припоя. Продолжительность иагрева и выдержки деталей при температуре пайки должна быть достаточна для завершения диффузионных процессов и определяется размерами соединений, их расположением по отношению к источнику теплоты, активностью среды, размерами зазоров н др.
Примеры паяных соединений, широко используемых в вакуумной технике, приведены на.вис. 5.7.
Для получения качественнцд паяных вакуумно-плотных соединений существенное значение имеет правильный выбор зазора и допусков на размеры сопрягаемых деталей. При пайке мягкими припоями оптимальный зазор между соединяемыми деталями составляет 0,05 ... 0,15 мм. Ориентировочные зазоры при пайке твердыми припоями указаны в табл. 5.1. При выборе допусков соединения для пайки деталей из однородных металлов температурное влияние не учитывают. Для пайки деталей из разнородных металлов допуски рассчитывают с учетом температурного расширения материалов каждой из" сопрягаемых деталей.
Пример. Определить допуски соеди- иеиня (рис. 5.8), если известны: иомкналь- ный диаметр D соединяемых пайкой по- веРхиостей, наибольший S и наименьший * зазоры между деталями при пайке, тем- иературные коэффициенты линейного рас- ™Ирения материалов вала at и втулки Ое", температура пайки Тц = Гпл -г 20 К (гДе тпп — температура плавления материала).
(. Наибольший S и наименьший а зазора - яэана с наибольшими А, и А, и нан- „-„шими в, и 6, допусками зависй- "остями:
5 =Р + Аа) (1 +а2Гп) - (D - %) X
X(l+a1rn) = D(ctl-a1)Tn +
. = (О+в,)(1+а,Тп)-(О-61)х
Х(1+«1Тп)-(=,-(11)Гп +
-Ма(1 + а2Тп) + 61(1+«1Тп).
Отсюда можно определить допуски на размеры сопрягаемых деталей. По исходным данным выбираем допуски на охватывающую деталь по системе вала.
Масса припоя, кг, необходимого для образования качественного слоя,
М = 1,5Ур,где V -— объем максимального зазора ме-жду деталями при температуре пайки, ма;р — плотность материала припоя, кг/ма.
Рис. 5.8. Схема к расчету допусков соединения из двух деталей, материалы которых имеют различные температурные коэффициенты линейного расширения:
1 вал; 2 — втулка
Вакуумноплотные соединенияна основе глазурей,снталло-цементов и эпоксидныхсмол
Высокотемпературные глазури, изготовляемые из различных порошкообразных стекол, иногда называют стеклянными припоями. Глазури предназначены для соединения деталей из стекла, керамики, металлов; температура размягчения глазурей значительно ниже температуры размягчения соединяемых деталей, которые при сборке не должны деформироваться .
К свойствам глазурей предъявляют ряд требований, которые трудно удовлетворить одновремеинр. Так, глазурь должна быть однородной по составу и не расстекловываться после расплавления (т. е. не переходить из стеклообразного состояния в кристаллическое) даже при длительном нагреве, иметь вязкость (при температуре пайки) Ю3 ... 105 Па-с и при этом обладать достаточной, но не слишком высокой, текучестью и хорошо смачивать место спая. Глазурь и соединяемые материалы должны быть подобраны по температурным коэффициентам линейного расширения. Стеклянные глазури должны активно взаимодействовать с поверхностями соединяемых деталей, т. е. образовывать химические
5.9. Варианты соединения труб на эпоксидной смоле5.9. Варианты соединения труб на эпоксидной смолеРис.
5.9. Варианты соединения труб на эпоксидной смоле
5.9. Варианты соединения труб на эпоксидной смоле
соединения, твердые растворы и не разлагаться при нагревании в вакууме. Газовыделен ие при этом должно быть минимальным*.
Этим требованиям наиболее полно отвечают глазури на основе оксида бора (температура размягчения 713 ... 623 К), бариевые и цинк-боридные (823 ... 883 К).-
Глазурь получают из смеси размягченного стекла и 5%-ного спиртового раствора полиамидной смолы (соотношение 2:1). В вакуумной технике стеклянные 'глазури используют, па- пример, для получения вакуумноплотных соединений стеклянных деталей между собой, а также с металлическими нли керамическими дета-, лями. Металлические детали рекомендуется изготовлять из железоникелевого сплава, а поверхность их мед- иить.
Для получения вакуумно-плотных соединений широко используют си- таллоцементы. Применение ситалло- цементив позволило устранить основной недостаток глазурей — невозможность нагрева соединений до температуры выше 573 К-
Ситаллоцементом можно соединять детали при сравнительно низких температурах (например, ситаллоцементом СЦ 90-1 при Т — 713 К). При .термообработке происходит кристаллизация ситаллоцемента, после чего его .можно применять без опасения деформаций шва при температуре на несколько десятков градусов выше температуры, при которой выполнено соединение деталей. При температуре ниже 713 К предпочтительнее применять ситаллоцемент СЦ 90-2, так как он имеет более низкую температуру кристаллизации (693 ± 5 К).
Эпоксидные смолы все чаще исполь- ’ зуют для получения неразъемных вакуумно-плотных соединений. Выбор смолы в каждом конкретном случае зависит от типа уплотнения, толщины клеевого слоя и возможности его нагрева для полимеризации.
Для склеивания материалов с одинаковыми" или незначительно различаю- •щимися температурными коэффициентами линейного расширения предпочтительны смолы, отверждающиеся при нагреве; в противном случае следует
применять смолы, полимеризующиеся при нормальной температуре.
Наиболее надежны охватывающие соединения, характеризующиеся взаимным перекрытием двух деталей, связанных находящейся между ними пленкой клея. Их применение особенно целесообразно при соединении трубопроводов. Охватывающие соединения могут быть телескопическими (рис. 5.9, у), ступенчатыми (рис. 5.9, б), с внешней (рис. 5.9, в) или внутренней (рис. 5.9, г) муфтой.
При конструировании клеевых соединений необходимо учитывать, что оии хорошо работают на срез и плохо — на разрыв, поэтому уплотнения на эпоксидной смоле, которые могут быть подвержены растяжению или сжатию, ие следует выполнять торцовыми. В этом случае необходимо использовать конструкцию с перекрытием, например охватывающего типа. Торцовые соединения (рис. 5.9, (5) применяют, когда детали подвергаются сдвигу или кручению.
Уплотнения иа основе эпоксидных смол успешно применяют прн изготовлении смотровых окон, а также вводов электродов и термопар.
Разъемные соединения
Разъемные ва ку у мио* плотные соединения предназначены для обеспечения свободного доступа к внутренним устройствам вакуумных установок, облегчения монтажных работ и замены вышедших из строя элементов.
Выбор конструкции разъемного соединения для работы в конкретной вакуумной системе определяется предельным давлением в откачиваемой вакуумной камере, материалами и размерами соединяемых деталей, чистотой сборки, температурным режимом, Условиями проверки на герметичность ^условиями работы вакуумной уста-
В разъемных вакуумных соедине- ииях используют как иеметалличе- тед6’ ТаК И металлические уплотни-
Соединения с неметаллическими уп- г Жителями (чаще всего резиной) про- ты в изготовлении и надежны в экс- лУатации, но имеют ограниченную
Рис. 5.10. Оливка для уплотнения вакуумного шланга
термостойкость и повышенные газо- ныделение, проницаемость, хрупкость при низких температурах, что несколько сужает область их применения. Соединения этого типа применяют в вакуумных системах при давлении ие менее 5-10"*6 Па и температуре не выше 473 К (термостойкие резины).
Степень сжатия резиновых уплотнителей зависит от марки резины, требуемой герметичности и /вида соединения.
Резины практически несжимаемы, поэтому площадь сечения канавки под уплотнитель должна быть иа 2 ... 5% больше плошади сечения уплотнителя. Для достижения вакуумной плотности соединения деформация резинового уплотнения в зависимости от его твердости должна составлять 20 ... 40% . Для того чтобы резиновый уплотнитель воспринимал только дозированное усилие сжатия и не влиял на точность установки деталей соединения, последние рекомендуется затягивать до соприкосиовеиня металлических поверхностей.
В установках с предельным остаточным давлением 5-10”^ Па, как правило, применяют вакуумные уплотнения с прокладками из резины марок 7889, 9024, ИРП-2043 и фторопласта-4, В сверхвысоковакуумных прогреваемых установках с предельным остаточным давлением до 5-10”5 Па используют уплотнения из полиамида, а также металлические прокладки из отожженной меди, индин, алюминия, а в некоторых ответственных случаях из золота.
Наиболее простой вариант уплотнения вакуумных шлангов форвакуумных систем (до 10~2 Па) с использованием оливок. Геометрические размеры.
У
D
О,
В,
D,
в»
В,
а
а. ’
а,
L
1
С
S
10
33
27X1,5
22
17
15
18
24
20
12
40
16
4
30,
16
38
ЗЗХ 1,5
29
21
21
23
29
24
13
46
21
5
3®
25
55
45X2,0
42
31
30
32
40
32
19
63
30
6
Размеры корпуса (см. рис. 5.12, а)
ние. Размеры
При
в мм.
меча
Таблица 5.«
—:V
мм, оливок (рис. 5.10) рекомендуется выбирать из следующих соотношений: D = (1,5 ... 1,3) d\ Dt -= d + (1,5 ... 3,0); R ~= с+ (0,3 ... 0,5) О, где d — внутренний диаметр резинового вакуумного шланга. Если оливки гладкие, для надежной герметизации шлангов применяют гибкие ленточные хомуты.
Для уплотнения стеклянных и металлических трубок и стержней малого диаметра (до 25 мм) широко распространено зажимное штуцерное соединение с резиновым уплотнением.
ДДуцериые (рис. 5.11, 5.12), штуцерно-ниппельные и фланцевые соединения с резиновыми и металлическими уплотнениями выполняют по' ОСТ 11 868.003—76 ... ОСТ 11 868.010—76. В табл. 5.2, 5.3 приведены размеры корпуса, гайки и кольца, выполненных из сталей 20 и 12Х 18Н ЮТ, в табл. 5.4— размеры уплотнения из резины 9024.
Металлические детали штуцернониппельного соединения (рис. 5.13— 5.14, табл. 5.5—5.7) выполняют из стали 20 илп 12Х1ЯЧЮТ, уплотне-
ние
из резины
51-1578.
Телескопическое
марки
9024
и,
бесфланцевое
уа*
лотнение (рис. 5.15) очень удобно дДя
регулирования длины трубопровода.
Для больших контуров (вакуумных камер, корпусов любых геометрических очертаний и др.) применяют бесфланцевые торцовые уплотнения (рис. 5.16). Ширина зоны уплотнения равна толщине обечаек h диаметр шнурового уплотнителя 2 больше толщины обечаек на 2 ... 4 мм. Оптимальная для надежной герметизации деформация уплотнителя достигается регулированием внешних упоров 3. Усилие сжатия уплотнителя создается атмосферным давлением или специальными прижимами. Фланцевые с.оеди-
нения с резиновыми прокладками структивно просты, надежны в плуатации, ие требуют больших лий сжатия.
На рис. 5.17—5.18 показаны
коп- экс-
кон-
струкция и элементы быстроразъемного фланцевого соединения с накид-
Таблица 5.3
У
7 23 4
Рис. 5,11. Штуперкое соединение с резиновым. уплотнением:
Размеры
гайки
(см. рис. 5.12,6)
кольца (см. рис. 5.12,5)
D
d
L
I
Si
D
d
Н
1 — корпус; 2 — гайка; 3 кольцо; 4 —уплотнение
10
16
25
М27Х 1,5
МЗЗХ 1,5
М45Х 2,0
17
21
31
Примечай
22
24
32
9
9
13
22
27
36
22
29
42
17
21
31
5,5
6,5
8,0
и e. Размеры
в мм.
Рис 5.12. Элементы
штуцерного соединения.-
а корпус; б гайка; е — кольцо; е — уплотнение
ними хомутами и резиновым уплотнением, работающего в диапазоне давлений 1-Ю6 ... 1,3-10~6 Па при температуре окружающей среды 281 ... 343 К- Размеры элементов соединения установлены ОСТ 11 868.005—76 (табл. 5.8-5.10).
Конструкция и элементы фланцевого соединения с центрирующим кольцом
и резиновым уплотнением для давлений 1-105... 1,3-10~6 Па приведены на. рйс. 5.19—5.20 (табл. 5.11—5.19).
-В сверхвысоковакуумных и специальных установках, в которых применяются длительный прогрев для обезгаживаиия вакуумной системы, используют металлические прокладки. Для вакуумных систем, прогреваемых до температуры не выше 423 К
^нс. 5.13, Штуцерно-ниппельное соединение с резиновым уплотнением:
* ~ штуцер; 2 — гайка; 3 — ниппель; 4 — уплотнение
°У
Размеры уплотнения (см. рис. 5.12, г)
D
d
н
10
22±0,4
16±0,3
6±о,3
16
29±0,4
19±0,4
8±0,3
25
42±О,5
30±0,4
ю±о,з
Таблица 5.4
Примечание. Размеры И мм.
DV
Размеры штуцера (см. рис. 5.14, а)
D
Di
D,
D,
О4
D,
L
S
1
li
h
hi
10
М20Х 1,5
12
17
16
12
25,4
30
22
13
6
9
14
16
М27Х 1,5;
18
24
22
18
34,6
30
30
15
6
10
15
25
М39Х1.5
28
34
32
28
47,3
33
41
17
7
13
Таблица 5.5
Примечание. Размеры в мм.
Dy
, Т а б л в ц а 5.8
Размеры
полукольца(см. рнс. 5.18, а)из алюминиево-го сплава АЛ9
базового фланца (см. рис. 5.18, б) из стали 20
D
Di
D,
Ряс. 5.15. Телескопическое уплотнение
1 — уплотнение; 2 — шайба; 3 — нажим-ная гайка
10
16
25
40
62 22
75 27
90 35
17 26
22
30
30
14
20
Размеры
Dy
гайки (см. рис
. 5.14, б)
ниппеля (см.
рис.
5.14,
в)
D
D,
D,
D,
н
S
ь
D
Di
D,
L
1
к
10
16
М20Х 1,5
М27Х 1,5
23
30
12,5
18,5
31,5
36,9
16
18
27
32
14
16
12
18
12
18
16
22
30
35
6
6
14
17
25
М39Х 1,5
43
28,5
53,1
21
45
18
27
27
32
40
6
20
Таблица 5.6 ।
Примечание. Размеры в мм.
Рис. 5.16. Бесфланцевое торцовое уплотнение для больших контуров
I 34
I 40
40
55
30
45
12,2
18,2
27,2
42,2
Прнмечаине. Размеры в мм.
Т а б л.и ц а 5.9
соеда- иеиия
пере-ходногофланца
Размеры пере-ходного фланца(см. рнс. 5.18, в)из стали 20
D Dt D,
(рнс. 5.21, табл. 5.20), достаточно надежны и удобны уплотнения с прокладками из индия, которыми можно герметизировать не только металлы, но и стекло, керамику, фарфор и другие хрупкие материалы: Удельное усилие, необходимое для обеспечения герметичности, составляет 50 ... 60 Н/см при ширине уплотнения 1 мм.
°У
Размеры уплотнения (см. рис. 5.14, г)
D
d
10
12
2,0
16 1
18
2,0
25
27
2,5
Таблица 5.7
Примечание. Размеры в мм.
16
25
40
1030
1640
25. 55
14
20
30
18,2
27,2
42,2
Примечание. Размеры в мм.
ДУ
Размеры
Серьги
(см. рис. 5.18, е) из стали 45
заглушки
(см. рис. 5.18, 5) из стали 20
L
в
S
А
d
D
Dt
10
16
25
24
10
3,5
14
4
30
12,2
18,2
27,2
40
29
12
4,5
17
5
55
42,2
Таблица 5.10
Примечание. Размеры в мм.
Рис. 6.17. Фланцевые соединения с накидными хомутами:
. 1 — полукольцо; 2 — гайка; 3 — болт; 4 — шайба; 5 — штифт; 6, 10 — фланцы; 7 — центрирующее кольцо; 8 — уплотнение; 9 — серьга; И — эаглушка
О,
Размеры фланца (см. рис. 6.20, а) из стали 20 или 12Х18Н10Т
Позиционное отклонение отверстий ' диаметром d
.D
о,
D.
D,
о.
Н
Н,
а
Й,
d
п •
10
16
25
40
63
100
160
250
400
55 60 70
’ 100 130 165
225
335
510
40 45
55
80 ПО 145
200
310
480
12,2 18,2
27,2
42,2 66,0
103
255
405
14
20
30
45
70
110
170
260
410
22
28
38
53
78
118
178
168
418
8
И
2,5
1,5
6,6
4
8
0,3
12
14
3,0
9,0
0,5
16
17
—
4,0
11,0
4,5
12
20
21
14,0
16
1,0
Таблица 5.11
* Здесь и далее п — число отверстий под болты. Примечание. Размеры в мм.
Dy
Размеры резьбового фланца (см. рис. 5.20, б) из стали 20 илн 12Х18Н10Т
Позиционное отклонение отверстий диаметром d
D
D,
D,
D,
О«
Н
Н,
&
й,
d
п
10
16
25
40
63
100
160
250
400
Г
55
60
70
100
130
165
225
335
510
р и м
40
45
55
80
110
145
200
310
480
е ч а
12,2 18,2
27,2
42,2 66,0
103
255
405
и и е.
14
20
30
45
70 ПО
170
260
410 ’азме.
22
28
38
53
78
118
178
268
418
>ы в
8
и
2,5
1,5
Мб
4
8
12
0,15
12
14
3,0
М8
0,25
16
17
4,5
4,0
М10
20
ДМ.
21
М12
16
0,5-
Таблица 5.12
D,
Размеры опорного фланца (см. рис. 5.20, а)
из стали 20 илн 12Х18Н10Т
D
D,
D,
D,
D.
Н
Нх
й
й,
Г
63 100 160 250
95 130 180 290
70 110 170 260
66
103
255
92 127 175 285
90 125 175 285
12
14
2,5
4,5
5,0
1,5
2,5
400
П р
450 и м е ч а
410 л и е. F
405 ’азмеры
442 в мм.
445
17
18
7,5
4,0
Таблица 5.13
Dy
Размеры накидного фланца (см. рнс. 5.20, г) из стали 20
Позиционное отклонение отверстий диаметром
D
Di
D,
D,
н
h
г
d
п
/
63
130
НО
95,5
98,5
12
5,5
1,5
9
4
яоо
165
145
130,5
133,5
8
0,5
160
225
200
180,7
185,7
16
6 5
2 5
11,0
250
335
310
290,7
295,7
12
400
510
'480
450,8
458,8
20
10,0
4,0
14
16
1,0
Таблица 5.14
Примечание. Размеры в мм.
Dy
' Размеры центрирующего кольца (см. рис. 5.20, д) из стали 20 или 12Х18Н10Т
D
Dt
D,
D,
Н
S
ь
10
16
. 25
40
,s..
18
24
33
49
76
. 113
10
16
25
40
63
100
12
18
. 27
. 42
66
103
15,3
18,5
28,5
43,0
78,0
110,0
8,0
3,4
1,0
2,5
160
177
157
1.60
165,0
10,0
4,3
3,0
250
400
271
427
250
400
255
405
27.3,0
412,0
14,0
5,9
2,0
4,0
Примечание. Размеры в мм.
Таблица 5.15 .
D,
Размеры пружнииого кольца (см. рис. 5.20, е) из проволоки класса I (ГОСТ 9389-75)
D
d
Ь
63
100
92
127
3,0
3
160
175
5,0
250
285
400
442
8,0
4
Примечание. Размеры в мм.
Таблица 5.17
Размеры уплотнения (см. рис. 6.20, М) из резины 7889, 9024 нлн 51-1678
D
d
10
16
25
40
63
100
160
250
400
Примечание.
14
18
28
42
75
105
160
260
400
Размеры в мм.
5,0
6,0
8,0
Таблица 5.18
D,
Размеры заглушки (см. рис. 6.20, з) из стали 20 или 12Х18Н10Т
р
Вг
D,
н
h
d
п
Позиционное отклонение отверстий диаметром
10
16
25
40
63
100
160
250
400
При
55
60
70
100
130
165
225
335
510 м е ч а н
40
45
55
80
110
145
200
310
480 и е. Размер
Т а б л и
12,2
18,2
27,2,
42,2
66,0
103,0
160,0
255,0
405,0
ы в мм.
ц а 5.19
8
2,5
6,6
4
0,3
12
9,0
0,5
8
16
4,5
11,0
12
20
14,0
16
1,0
°У
Размеры промежуточной шайбы (см. рис. 5.20, и) из стали 20 или 12Х18Н10Т
Таблица 5,20
D
D,
D,
S
d
п
SS 8 4
и* ® 3 ® ° и О. g м &й
D,
6,
6,
1.
т
d
До 100
100 ...400
3
2
3
4
1
2
0,4
0,5
0,6
0,8 '
63
100
160
250
400
П
130
165
225
335
510
зим
110
145
200
310
480 е ч
96
128
180
290
н н
3,9
9
4
8
0,5
4,8
11
14
зме
6,4
:. Ре
12
16 ры
1,0
в мм.
Примечания: 1. Размеры в мм.
2. Для соединений обоих нидов (см. рис. 5.21, б) Л* = 0,3 мм.
Таблица 5.16а
Вид соединении
Схема -*
Dy, мм
Диапазон рабочих температур, К
Удельное усилие эксплуа- тац«и, Н/мм
КаиаВочио-клиновое
10... 700
117 ... 723
260 ... 330
Z «тд
Коническое:
с проволочным уплотнителем
10 ...250
117 ...723
88 ... 150
с плоским уплотнителем
. 16250
253 ... 723
150
Таблица 5.21
с симметричными фланцами
Угловое:
с проволочным уплотнителем
с фасонным уплотнителем
Уилера
, 10250 '
253 .
-.723
150
до 40
293 .
523
280 ... 500
400 ... 630
117,..
. 723
200
1
ВАКУУМНЫЕ ГЕРМЕТИЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ■Разъемние соедини.
Вид соединения
.... ,.*0
Схема
Dy, мм
Диапазон рабочих температур, К
Удельное усилие эксплуатации, Н/мм
Ступенчатое:
ед
с зазором между уплотняемыми
75 ... 150
деталями
^0.050J...025
10 ... 160
120
с перекрытием уплотняемых де-
талей
293 ... 723
wwxww^w
С серповидным профилированным
300 ... 350
ж»!
Продолжение табл. 5-21
С уплотнением встречными высту-1 нами:I
с серповидным профилем
16 ... 100
253 ...723
ОО
ВАКУУМНЫЕ ГЕРМЕТИЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
150
100
150
с симметричными фланцами
с несимметричными фланцами
е выступом треугольного сечения типа «коифлат»)
Продолжение табл. 5.21
g
Dy
мм
Диапазон рабочих температур, К
Удельное усилие эксплуатации, Н/мм
10 ..
10 .
. 160
.250
170
190
to
X Ч Ч й а: t to
"о •Й to
to
16.
. 250
253 ... 723
150
о о to kt а: • а: ■ to а: а: ъц
С выступом П-образиого сечеиия
10 ... 100
С плоским уплотнением:
с универсальным вкладышем
с проволочным уплотнителем
10 ... 400
250 ... 2000
200
1
а
|
R
300
122122
122
122
ВАКУУМНЫЕ ГЕРМЕТИЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
Рис. 5.19, Фланцевые .соединения с резиновыми уплотнениями:
/, 11 — опорные фланцы;.2 — центрирующее кольцо; 3 — уплотнение; 4 —: промежуточная шайба; 5 — болт; 5 — гайка; 7 — шайба; 8 — шпилька; 9 — резьбовой фланец;
10 — пружинное кольцо; 12 — накидной фланец; 13 — заглушка
Для сверхвысоковакуумных соединений, прогреваемых до Г = 723 К, применяют фланцевые соединения с металлическими прокладками, в том числе с уплотнением канавочно-клнно- вым, коническим, угловым, ступенча
тым, плоским, с профилированным выступом, с встречными выступами. Характеристики и схемы этих соединений приведены в табл. 5.21,
Из приведенных в табл. 5.21 соединений в отечественной практике
Рис. 5.20. Элементы фланцевого соединения с резиновым уплотнением:
а — фланец; б — резьбовой фланец; в — опорный фланец; г — накидной фланец; д — центрирующее кольцо; е — пружинное кольцо; ой — уплотнение; a — заглушка; и — промежуточная шайба
Рис. 5.2 1. Схемы установки индиевых прокладок под металлические фланцы (а) и фланцы из хрупких материалов ((Г)
наиболее распространены канавочио- клиновые и соединения типа «кон- флат».
Несмотря на распространенность ка- иавочно-клиновых соединений они имеют недостатки: жесткие допуски на размеры посадочных мест и уплотняющего профиля; сложность контроля геометрии профиля; наличие в пространстве между выступом и дном канавки замкнутого объема, который является потенциальным источником газо- выделения; сравнительно большие раз
меры и масса фланцев, их несимметричности Фланцевое соединение с уплотнением встречными выступами (типа «конфлат») регламентировано ГОСТ 26526—85 (СТ СЭВ 4773—84). Герметичность стыка достигается при вдавливании уплотняющих выступов в тело относительно толстого (1 ...2 мм) уплотнителя, который, деформируясь, заполняет микронеровности уплотняемых поверхностей. Недостатки, присущие канавочно-клиновому профилю, в значительной мере относятся и к соединениям типа «коифлат»; преимущество — симметричность фланцев.
Конструкции фланцевых соединений каиавочно-кликового типа показаны на рис. 5.22—5.23., Конструктивные размеры элементов соединения приведены в табл. 5.22—-5.28. Для скобы (рис. 5.24), выполненной из стальной ленты 12Х18Н10Т, при диаметре фланцевых соединений D^ 250 и 400 мм размер L = 16 мм. В табл. 5.29 приведены размеры шпилек (рис. 5.25). Для достижения необходимой деформаций уплотнителя момент затяжки
исполнение t
исполнение 2
Исполнение 3
Рис. 5.22. Фланцевые соединения с металлическим уплотнением: фланец с зубом; 2 — фланец с канавкой; 3 — уплотнение; 4 — шпилька; 5 -- 6 — Шайба; 7 — скоба
D,
Размеры фланца с зубом (см. рнс. 5.23, а)
D
Dt
D,
в.
в*
В4
о.
н
Ht
ь
d
п
10
16
25
58
65
85
40
45
62
14
20
30
52
60
80
20
25
35
15±0,12
20±0,14
30±0,.14
40
45
65
21
26
6
9
11
4
40
НО
80
45
105
50
45±0,17
90
13
8
63
Г
130
I р И IV
100
е ч а
70
н и е.
125
Разм
73
еры в
68±0,20 мм.
НО
22
27
7
Таблица 5.22
Dy
Размеры фланца с канавкой (см. рнс. 5.23,6)
в
в.
В,
D,
D.
В,
Н
н,
ь
6,
d
п
10
16
25
40
63
58
65
85
НО 130
40
45
62
80
100
14 20
30
45
70
52
60
80
105
125
20
25
35
50
73
15±0,12 20±0,14
30±0,14 45±0,17
68 ±-0.20
10
15
5
3
9
4.
8
12
14
15
17
19
20
11
13
6
4
Таблица 5.23
Примечание. Размеры в мм
Dy
Размеры фланца с зубом (см. рнс. 5.23, а)
в
в.
о,
о«
D,
в.
н
Hi
d
п
100
200
148
108
190
130
125±0,13
180
16
18
14
12
160
280
215
168
270
195
'190±0,15
250
19
21
16
16
nj
) и м е
ч а и и е. Размеры в мм.
Т а б л и Ц а 5.24
Dy
Размеры фланца с канавкой (см. рнс. 5.23. г)
в
D,
в,
в.
D.
в,
н
Н.
d
n
100
200
148
108
188
130
125±0,13
16
18
14
12
160
280
215
168
268
195
190±0,15
19
21
16
16
Таблица 5.25
Примечание. Размеры в мм.
ВАКУУМНЫЕ ГЕРМЕТИЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
Таблица 5.26
———
Размеры фланца с
зубом (см. рис. 6.23, е)
Оу
D
Di
о„
De
О,
О.
Н
b
d
п
, 250
' 400
410
580
332
488
258
408
400
570
310
465
300±0,17 455±0,19
19
23
8
9
18
18
28
40
Примечание. Размеры в
мм.
Таблица 5.30
Размеры неподвижных фланцев (см. рис. 5.27, а)
Оу
О
О0
о.
о,
о,
D.
Я
Н,
d
d.
• п
а
16
16,0
27,0
18,3
21,4
34
18,5
8
13,0
М4
4,4
6
60°
40
35,0
58,7
41,8
48,3
70
38,5
13
18,0
Мб | 6,6
63
59,5
92,1
77,0
82,6
114
66,5.
18
23,0
8
45°
100
100,4
130,2
115,2
120,7
152
104,5
21
26,0
16
22° 30'
160
150,0
181,0
166,0
171,5
202
160,6
22
27,0
М8
8,4
20
18°
200
200,0
231,8
216,8
222,3
253
206,0
25
30,0
24
15°
250
250,0
282,6
267,5
273,0
305
256,0
32
11° 15'
Примечание. Размеры в мм.
Оу
Размеры фланца с канавкой (см. рис. 5.23, яс)
О
De
о.
о.
о,
Н
ь
d
п
250
400
410
580
332
488
258
408
398
568
310
465
300 ±0,17
455 ±0,19
19
23
7
8
18
18
28
40
Таблица 5.27
Примечание. Размеры в мм.
крепежных болтов следует Выбирать с учетом размера резьбы:
Резьба М4 Мб М8 MIO М12 М16
Момент затяжки,
Н-м . . 3,5 10 23 40 60 150
Для облегчения демонтажа фланцевых соединений предусматривают отверстия для отжимных винтов (при Dy ^160 мм достаточно одного отверстия) .
Фланцевые соединения с встречными выступами типа «конфлат» показаны на рис. 5.26. Можно применять как неподвижные вокруг оси соединения фланцы (рис. 5.26, а, 6), так и поворотные, позволяющие поворачивать оба фланца один относительно другого
(рис. 5.26, в, г) или один из них (рис. 5.26, д, е). Использование поворотных фланцев облегчает сборку соединения, так как упрощается совмещение крепежных отверстий.
Конструкции элементов фланцевых соединений рассмотренных типов приведены на рнс. 5.27, 5.28, конструктивные размеры — в табл. 5.30—5.33. При Dy 400 и 630 мм диаметр прокладки (кольца) 3 (см. рис. 5.26, ж) принимают соответственно 436 и 635 мм (предельное бтклонение
Оу
Размеры Jr уплотне- Л ння (см.
рнс. 5.23, д)
Оу
о
D,
S 1
10
20
10
0.41
100
16
25
16
160
25
35
25
250
40
50
40
0,5
400
63
73
63
Размеры уплотнения (см. рис. 5.23, Э)
о
о,
S
130
115
196
180
0,5
310
282
465
437
Таблица 5.28
оу
размеры шпнлькн (см. рис. 5.25)
1 о
L
1
10; 16
25
М8Х 1,0 М10Х 1,25
48
55
13
15
40 . 63
Ml 2X1,25
60
62
17
100
160
М14Х1.5
58
67
18
20
250
400
М16Х1.5
72 "
80
22
Таблица 5.29
Примечание. Размеры в мм.
Phc.-5.24. Скоба
Размеры прокладки (см. рнс. 5.27, б)
41
d.
Dy .
о я
S8
св
X X
« о
= я
ч х
Ж (V <У
о о as
О О X
в.*
Я X к
к о
XXX
в о
16
21,2
±0,05
16,0
±0,2
40
48,1
36,8
63
82,4
63,6
±0,3
100
120,5
101,7
160
171,3
±0,05
152,5
200
222,1
—0,10
203,4
±0,5
250
272,8
254,0
Таблица 5;31
Примечание. Размеры в мм.
Примечание. Размеры в мм.
Исполнение /
Исполнение 2
°У
Размеры поворотных фланцев (см. рнс. 6.28, а)
D
De
Di
D,
Н
h •
d
dt
п
а
16
19,3
27,0
21,4
34
8
5,8
М4
4,4
6
60°
40
39,0
58,7
48,3
70
13
7,6
Мб
6,6
63
67,0
92,1
82,6
114
18
12,7
8
45°
100
105,0
130,2
120,7
152
21
14,3
16
22° 30'
160
160,8
181,2
171,5
202
22
15,8
М8
8,4
20
18°
200
250
206,5
257,0
231,8
282,6
222,3 273,0
253
305
25
17,2
24
32
15°
11° 15'
Таблица 5.32
* Предельное отклонение ±0,05 мм.
■Примечание. Размеры в мм.
±0,5 мм), а размеры фланцев — по ГОСТ 26526—85 (СТ СЭВ 4773—84).
Фланцы и крепежные детали (болты, гайки и шайбы) прогреваемых высоко- вакуумиых и сверхвысоковакуумиых
соединений изготовляют из коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т, прокладки — из меди Ml, прокладочные кольца — из меди МОб (ГОСТ 859—78).
Рис. 6.26. Фланцевые соединения (ГОСТ 26526 — 85):
а, б — е неподвижными фланцами; е, г — с поворотными фланцами; д, е — с неподвижным и поворотным фланцами; ам — с неподвижными фланцами на большой условный проход; 1, 6, 8—12 — фланцы (1, 8, 11, 12 — с гладкими отверстиями; 6, 10 — с резьбовыми отверстиями; 9 — опорный); 2 — болт; 3 — прокладка; 4 — гайка; 6 — шайба; 7 — шпилька
Б-Б
Рис.. 5.27. Элементы фланцевого соединения с неподвижными фланцами:а — фланцы; б — прокладка
5 П/р Ее Се Фролова
05 >4505 >45Исполнение 1Исполнение 1Исполнение 2Исполнение 2Рис. 5.28. Элементы фланцевого Соединения сРис. 5.28. Элементы фланцевого Соединения споворотными фланцами:поворотными фланцами:с и б — поворотные и опорный фланцыс и б — поворотные и опорный фланцыDyРазмеры опорного фланца (см. рнс. 5.28, б)ьDlf не болеео.D,не менееЕ1621,418,516,018,3105,2ч 4048,338,535,041,8157,06382,666,559,577,02012,1100120,7104,5100,4115,22413,7160. 171,5160,6150,0166,02515,2200222,3206,0200,0216,82616,1250273,0256,0250,0267,52816,6DyРазмеры опорного фланца (см. рнс. 5.28, б)ьDlf не болеео.D,не менееЕ1621,418,516,018,3105,2ч 4048,338,535,041,8157,06382,666,559,577,02012,1100120,7104,5100,4115,22413,7160. 171,5160,6150,0166,02515,2200222,3206,0200,0216,82616,1250273,0256,0250,0267,52816,6Таблица 5.33Таблица 5.336)6)Рис. 5.29. Схемы к определению угла смачивании:Рис. 5.29. Схемы к определению угла смачивании:
05 >45
05 >45
Исполнение 1
Исполнение 1
Исполнение 2
Исполнение 2
Рис. 5.28. Элементы фланцевого Соединения с
Рис. 5.28. Элементы фланцевого Соединения с
поворотными фланцами:
поворотными фланцами:
с и б — поворотные и опорный фланцы
с и б — поворотные и опорный фланцы
Dy
Размеры опорного фланца (см. рнс. 5.28, б)
ь
Dlf не более
о.
D,
не менее
Е
16
21,4
18,5
16,0
18,3
10
5,2
ч 40
48,3
38,5
35,0
41,8
15
7,0
63
82,6
66,5
59,5
77,0
20
12,1
100
120,7
104,5
100,4
115,2
24
13,7
160
. 171,5
160,6
150,0
166,0
25
15,2
200
222,3
206,0
200,0
216,8
26
16,1
250
273,0
256,0
250,0
267,5
28
16,6
Dy
Размеры опорного фланца (см. рнс. 5.28, б)
ь
Dlf не более
о.
D,
не менее
Е
16
21,4
18,5
16,0
18,3
10
5,2
ч 40
48,3
38,5
35,0
41,8
15
7,0
63
82,6
66,5
59,5
77,0
20
12,1
100
120,7
104,5
100,4
115,2
24
13,7
160
. 171,5
160,6
150,0
166,0
25
15,2
200
222,3
206,0
200,0
216,8
26
16,1
250
273,0
256,0
250,0
267,5
28
16,6
Таблица 5.33
Таблица 5.33
6)
6)
Рис. 5.29. Схемы к определению угла смачивании:
Рис. 5.29. Схемы к определению угла смачивании:
Таким образом, краевой угол смачивания 0 характеризует смачивающую способность жидкости (жидкого металла) по отношению к данной поверхности твердого тела при данной газовой среде.
Для шероховатых поверхностей (рис. 5.29, б) справедлива зависимость, учитывающая угол ф наклона выступа шероховатости, причем краевой угол смачивания шероховатой поверхности 6ш = 6 + ф.
а — схема сил поверхностного натяжения; б — схема смачивания шероховатой поверхности; /, // н /// — области соответственно газа, жидкости и твердого тела
Рис. 5.30. Сверхвысоковакуумное разъемное соединение с расплавляемым металлом- уплотннтелем:
/ — перед первой герметизацией; 11 — загерметизированное; /// — разгерметизированное; IV — повторно загерметизированное; 1 — система охлаждения; 2 — электронагреватель; 3 — металл-уплотнитель; 4 — уплотнительный диск; 5 — оксидная пленка;
6 — слой полуды
Рнс. 5.31. Принципиальная схема узла уплотнения с защитой герметизируемых поверх- костей:
а — в открытом положении; б — в закрытом положении; 1 — металл-уплотинтель;
2 —• кольцевая ванна; 3 — фасонная шайба; 4 — слой полуды; 5 — кольцо; 6 — экран;
7 — оксидная пленка
В соответствии с рис. 5.29, б tg ф = = —dz/dx.''
Наличие выступов на шероховатой поверхности приводит к изменению, площади контакта жидкого металла по сравнению с идеально гладкой поверхностью в /?д раз из-за неполного смачивания впадин:
/?д = /?д — я; R^ = sysк;
тя = $к/$к.
где Sk — фактическая площадь контакта жидкого металла с поверхностью; SK — площадь контакта жидкого металла с гладкой поверхностью; Sk — площадь контакта жидкого металла с газом, находящимся во впадинах.
Коэффициент /?д связан с краевым углом 0 и 0Ш зависимостью cos 0Ш = = /?д cos 0 — я-
Для большей части расплавов поверхностное натяжение на границе жидкость—газ ож г= 0,1 ... 1,0 Н/м. ■Поверхностное натяжение расплавов зависит от температуры и является ее линейной функцией: для олова аЖ-г = = 539,8 Н/м при Т ~ 505 К; для индия ож г= 559,2 Н/м при Т = 429 К.
Поверхностное натяжение расплавов существенно зависит от состава газовой среды, так как на границе фаз протекают физические и химические процессы взаимодействия. Установлено [46], что окисление расплавов легкоплавких металлов-уплотнителей
приводит к понижению их поверхностного натяжения. Однако после восстановления окисленной поверхности вновь достигаются исходные значения о. При взаимодействии металлов и сплавов с остаточной газовой средой их поверхность покрывается пленкой оксида. При этом происходит физическая адсорбция, хемосорбция, растворение или образование объемного соединения.
Молекулы кислорода, поступающие из остаточной газовой среды, образуют монослой адсорбированного газа на поверхности приблизительно в течение 1 с при комнатной температуре и давлении газа 1,33-10“* Па. Этим и объясняется очень быстрый рост первичной оксидной пленки при давлении порядка 1,3-КГ2 ... 1,3-10~6 Па. Первоначальный рост оксидной пленки происходит во времени по линейному закону, при этом скорость роста пропорциональна давлению кислорода. Наличие оксидной пленки нарушает герметичность соединения. В соединениях с расплавляемым металлом-уплотнителем важна первая стадия гер - метизации, в результате которой на уплотняемых поверхностях образуется тонкое покрытие из металла-уплотнителя.
Первую стадию герметизации (рис. 5.30, /, //) выполняют в вакууме при давлении не более 10~* Па.
Режим первой стадии обеспечивает требуемое адгезионное взаимодействие расплавленного металла-уплотни-
теля и твердых уплотняемых поверхностей. При многократной герметизации на покрытии уплотняемых поверхностей в результате их контакта с остаточной газовой средой вакуумного объема или атмосферой образуется оксидная пленка (рис. 5.30, ///), которая в дальнейшем может служить причиной появления течей (рис. 5.30, IV).
В связи с этим наиболее перспективны принципы герметизации, основанные на разрушении оксидной пленки, исключении возможности ее образования или на использовании оксидной пленки при условии применения специальных материалов в качестве уплотнителей, например легкоплавких стекол.
Узел уплотнения с защитой герметизируемых поверхностей от окисления (рис. 5.31) имеет фасонную шайбу 3, предохраняющую поверхность кольца 5 экрана 6 от возможного контакта в разгерметизированном состоянии с атмосферой и, следовательно, от окисления.
По периметру спая вследствие объемной усадки металла-уплотнителя образуется полый канал высотой h и шириной L, покрытый оксидной пленкой 7. При перемещении в расплав спаянного экрана 6 натекание (поток Qo) происходит по поверхности оксидной пленки 7. Уменьшение натекания обеспечивается разрывом пленки пРи перемещении кольца 5 относительно шайбы 3 на расстояние 6 > ^ 2L + h. Значение L с достаточной
точностью можно определить из зависимости
РИ « itdlh,.
где р — коэффициент объемной усадки; V — объем металла-уплотнителя; d — диаметр шайбы.
Разъемное соединение рассмотренного типа, применяемое для уплотнения рабочих объемов вакуумных установок, показано на рис. 5.32. Камера установки состоит из герметизированных уплотнителями 7 наружной оболочки 9 и уплотнительного экрана /, между которыми расположен нагреватель 10 для обезгаживания поверхностей.
Для герметизации разъемного соединения через штуцер 6 или через зазор между металлом-уплотнителем 3 и торцом уплотнительного экрана /
Рес. 6.32. Сверхвысоковакуумное разъемное соединение
Рнс. 5.33. Разъемное фланцевое соединение с защитой герметизируемых поверхностей от окисления, работающее при произвольной ориентации в пространстве (/ и II — соответственно открытое и закрытое положении)Рнс. 5.33. Разъемное фланцевое соединение с защитой герметизируемых поверхностей от окисления, работающее при произвольной ориентации в пространстве (/ и II — соответственно открытое и закрытое положении)
Рнс. 5.33. Разъемное фланцевое соединение с защитой герметизируемых поверхностей от окисления, работающее при произвольной ориентации в пространстве (/ и II — соответственно открытое и закрытое положении)
Рнс. 5.33. Разъемное фланцевое соединение с защитой герметизируемых поверхностей от окисления, работающее при произвольной ориентации в пространстве (/ и II — соответственно открытое и закрытое положении)
откачивают полость а. При этом наружная оболочка 9 уплотняется атмосферным давлением. Затем металл-уплотнитель нагревают в вакууме электро нагревателем 5 до температуры иа 50 ... $00 К выше температуры его плавления и после расплавления опускают в ванну 2 уплотнительный экран 1 с защитным кольцом 8. Опор- • иый диск кольца 8 упирается в неподвижную стенку корпуса установки, а экран 1 опускается; при этом между его торцом и защитным кольцом 8 образуется зазор 3 ... 4 мм. После опускания уплотнительного экрана в крайнее нижнее положение металл- уплотнитель через штуцер 4 охлаждают и при температуре 323 ... 333 К в один из объемов, расположенных внутри или снаружи экрана 1, можно напускать атмосферный воздух. Подъем и опускание камеры происходит от электромеханического привода. Привод позволяет перемещать уплотнительный экран, связанный со штоком // и кронштейном 12, относительно наружной оболочки, а также поднимать их вместе после напуска в рабочий объем атмосферного воздуха. Шток 11 уплотнен сильфоном.
При разгерметизации камеры полости, расположенные по обе стороны от уплотнительного экрана, откачивают до давления не менее 10 Па, расплавляют металл-уплотнитель и поднимают экран, внутренняя уплотнительная поверхность которого, находясь в расплавленном уплотнителе, входит в контакт с поверхностью защитного кольца. Дальнейший подъем экрана происходит вместе с кольцом до разгерметизации соединения. После этого металл-уплотнитель охлаждают. Таким образом, в разгерметизированном состоянии поверхность уплотнительного экрана защищена от соприкосновения с газами защитным кольцом, что способствует надежной герметизации при повторном уплотнении.
Сверхвысоковакуумное фланцевое соединение с защитой герметизируемых поверхностей от окисления, работающее при произвольной ориентации в пространстве, показано на рнс. 5.33. В этом соединении расплавляемый металл-уплотнитель и герметизируемые им поверхности не кон
тактируют с атмосферой и, следовательно не окисляются, что способствует надежной герметизации. Соединение (рис. 5.34, положение /) состоит из верхнего фланца 1 с иакидной гайкой 13 и нижнего фланца 10 с герметично закрепленной обечайкой И, имеющей резьбу на внешней поверхности. На фланце 1 концентрично проходному отверстию расположена кольцевая полость, внутри которой размешен кольцевой клапан 12, герметично соединенный с фланцем 1 полой упругой оболочкой 2 и уплотняющий кольцевое отверстие торца полости. Часть кольцевой полости заполнена металлом-уплотнителем 7.
На фланце 10 против полости вдоль оси проходного отверстия размещена подвижная герметичная кольцевая ванна, образованная полой упругой оболочкой 6. Последняя герметично соединена с одной стороны с фланпем 10, а с другой — с подвижным диском 4. Диск имеет кольцевое отверстие, уплотненное неподвижным клапаном 3, который размещен внутри оболочки 6 и контактирует с кольцом 5. Полость ванны заполнена металлом-уплотнителем.
При герметизации фланцевого соединения гайку 13 навинчивают ручкой 14 на обечайку 11 до достижения плотного контакта торца кольцевой полости с диском 4 фланца 10. При этом металл-уплотнитель, находящийся в полости и кольцевой ванне в твердом состоянии, препятствует перемещению клапана 12 и диска 4.
Затем электронагревателем 9 расплавляют металл-уплотнитель 7, вследствие чего появляется возможность перемещения клапана 12 н диска 4, и продолжают навинчивать гайку 13 на обечайку 11. При этом торец колец полости, воздействуя на подвижный диск 4, опускает его, сжимая упругую оболочку 6, и кольцо 5 поднимает клапан 12, сжимая упругую оболочку 2. В результате в кольцевой зазор (рис. 5.34, положение Il's нз кольцевой полости и кольцевой ванны начинает поступать чистый неокислен- иый металл-уплотнитель 7, что приводит к образованию надежного герметичного соединения. Сжатие кольцевых упругих элементов 2 и 6 про-
исходит до упора обечайки 11 в ограничительный буртик на верхнем фланце 1. При этом прекращают навинчивать гайку 13 на обечайку И, выключают электронагреватель 9 и включают систему охлаждения 8. Разгерметизацию фланцевого соединения выполняют в обратной последовательности.
Другой принцип создания герметичного соединения — герметизация с разрушением оксидной пленки на гер
метизируемых поверхностях. Для разрушения оксидной пленки на поверхности герметизирующего экрана можно применять способ герметизации с использованием вязкостного трения [4] или гидростатического давления (рис. 5.34).
При нагревании герметизирующего экрана до температуры выше температуры плавления уплотнителя получают слой полуды металла-уплотнителя 3
Рис. 5.34. Схема уплотнения с использованием вязкостного трения:Рис. 5.34. Схема уплотнения с использованием вязкостного трения:
Рис. 5.34. Схема уплотнения с использованием вязкостного трения:
Рис. 5.34. Схема уплотнения с использованием вязкостного трения:
а — в разгерметизированном состоянии; б — в герметизированном состоянии; / — ваниа; 2, 4 — электронагреватели; 3 — металл-уплотнитель; 5 — герметнзирую- / щнй экран; 6 — слой полуды; 7 — система охлаждения
1
на экране в жидкой фазе с вязкостью ^10_* Па-с. Металл-уплотнитель в ванне / нагревают до температуры начала изменения фазового состояния, прн котором вязкость уменьшается на несколько порядков.
Нагретый герметизирующий экран 5, опущенный в металл-уплотнитель ванны, в момент начала изменения фазового состоянии перемещается в среде, во много раз более вязкой по сравнению с расплавленным металлом- уплотнителем на самом герметизирующем экране. Это приводит к разрыву 1 оксидной пленки и очищению от нее всего экрана и дозволяет получить во внутренних слоях мсталла-уплотни- теля в ванне неокисленную поверхность герметизирующего экрана, взаимодействующую с неокисленным мета ллом-уплотннтелем ванны. После
дующий нагрев соединения до температуры выше температуры плавления металла-уплотнителя необходим для обеспечения максимального смачивания и, следовательно, герметичности соединения. Я
Сверхвысоковакуумное разъемное см единение с расплавляемым металлом! уплотнителем и разрушением на герметизируемых поверхностях образовавшейся оксидной пленки показано на рис. 5.35. При герметизации такого соединения под действием сил гидростатического давления расплавленный металл-уплотнитель 1 перетекает из кольцевой ванны 2 в кольцевой объем уплотнительного диска 4. В результате металл-уплотнитель 1 заполняет свободный внутренний объем уплотнительного диска 4 и на поверхности металла-уплотнителя, расположенного во внешнем сосуде, оксидная пленка 3 разрывается. При этом неокисленный металл-уплотнитель в кольцевой ванне 2 контактирует с неокисленным металлом-уплотнителем в кольцевом объеме уплотнительного диска, что позволяет многократно воспроизводить надежную герметизацию.
Эту схему -уплотнения можно эффективно использовать в конструкциях фланцевых соединений и клапанов. В' сверхвысоковакуумных разъемных соединениях в качестве уплотнителя используют также легкоплавкие не- окнсляемые материалы, например стекло. Соединения этого типа имеют простую конструкцию и не требуют дополнительных элементов для предотвращения разрушения оксидной пленки, так как окислительные процессы не влияют в этом случае на герметичность соединения.
Рнс. 5.35. Разъемное сверхвысоковакуумное соединен не *■ с разрушением оксидной пленки в открытом (а) и закрытом ((Г) положенииРнс. 5.35. Разъемное сверхвысоковакуумное соединен не *■ с разрушением оксидной пленки в открытом (а) и закрытом ((Г) положенииЭксплуатация фланцевых и клапанных соединений с расплавляемым уп-
Рнс. 5.35. Разъемное сверхвысоковакуумное соединен не *■ с разрушением оксидной пленки в открытом (а) и закрытом ((Г) положении
Рнс. 5.35. Разъемное сверхвысоковакуумное соединен не *■ с разрушением оксидной пленки в открытом (а) и закрытом ((Г) положении
лотнителем показала их высокую надежность.
Суммарное натекание через рассмотренное герметичное соединение после длительной работы (1000 циклов) составляет 510*"10 Па-м3/с. Малые усилия, необходимые для герметизации, позволяют применять маломощные при-
воды, существенно уменьшить металлоемкость конструкции. Уплотнительные элементы могут иметь любую геометрическую форму (круглую, прямоугольную, эллипсную и др.) и допускают обезгажнвающий прогрев в закрытом положении до температуры 673 ... 723 К.
Глава 6. Вакуумные камеры
Классификация камер
Вакуумные камеры предназначены для создания определенных «чистых» условий исследования, проведения процессов в вакууме или контролируемой среде либо для изоляции технологических процессов (операций) от окружающей среды.
Вакуумные камеры представляют собой часть вакуумной системы, к которым предъявляют следующие основные требования: обеспечение необходимых для проведения технологического процесса остаточного и парциального давлений (р0 и ptY, получение необходимых вакуумных условий в заданное время L Для выполнения этих требований при проектировании вакуумной системы определяют поток Q откачиваемого газа во времени, по которому рассчитывают быстроту откачки So системы н выбирают насосы, обеспечивающие необходимые значения So, р0, р; н
Для определения значений Q в общем виде необходимо знать объем VBi к, площадь FH поверхности, находящейся в вакууме, материал и температуру камеры н ряд других параметров, характерных для каждой конкретной установки и влияющих на значение Q.
В зависимости от требований вакуумные камеры подразделяют на низко-, высоко- и сверхвысоковакуумные. Кроме того, к ннм могут быть предъявлены требования по «чистоте» вакуума, т. ,е. допустимо или нет наличие углеродсодержащих компонентов в остаточном газе. Для получения чистого и сверхвысокого ва- кУУма камеры прогревают, что накладывает дополнительные требования к их конструктивным элементам.
Обычно различают два типа камер: непрогреваемые и прогреваемые. Вакуумные камеры, как правило, изготовляют из металлов, хотя в лабораторной практике для этих целей часто применяют стекло.
К основным конструктивным элементам вакуумных камер следует отнести обечайки, днища, крышки, патрубки, фланцы. На рнс. 6.1 показана прогреваемая вакуумная камера для получения сверхвысокого вакуума.
Рнс. 6.1. Сверхвысоковакуумная камера: / — днище; 2 — обечайка; 3 — крышка;
4, 5 — патрубок; 6 — фланец; 7 — Внутренний полый сосуд; 8 — нагреватель
Диаметр цилиндрической обечайкиТолщина •стенки обечайкиэллиптического днищаконического днищастенки1 водяной рубаш ки4002,5; 5,0; 5,03,0; 5,0; 5,02,51,55003,5; 5,0; 6,03,5; 5,0; 6,0'3,02,06004,0; 6,0; 6,04,0; 6,0; 6,03,02,07004,5; 6,0; 6,04,5; 6,0;"6,03,52,58004,5; 8,0; 6,04,5; 8,0; 6,04,02,59005,0; 8,0; —5,0; 8,0; —5,010005,0; 8,0; — .5,0; 8,0; —5,01200' 6,0; 10,0; —6,0; 10,0; —6,014007,0; 10,0; —7,0; 10,0; —6,016008,0; 12,0; —8,0; 12,0; —8,0—18008,0; 12,0; —8,0; 12,0; —8,0200010,0; 14,0; —10,0; 14,0; —10,0—Диаметр цилиндрической обечайкиТолщина •стенки обечайкиэллиптического днищаконического днищастенки1 водяной рубаш ки4002,5; 5,0; 5,03,0; 5,0; 5,02,51,55003,5; 5,0; 6,03,5; 5,0; 6,0'3,02,06004,0; 6,0; 6,04,0; 6,0; 6,03,02,07004,5; 6,0; 6,04,5; 6,0;"6,03,52,58004,5; 8,0; 6,04,5; 8,0; 6,04,02,59005,0; 8,0; —5,0; 8,0; —5,010005,0; 8,0; — .5,0; 8,0; —5,01200' 6,0; 10,0; —6,0; 10,0; —6,014007,0; 10,0; —7,0; 10,0; —6,016008,0; 12,0; —8,0; 12,0; —8,0—18008,0; 12,0; —8,0; 12,0; —8,0200010,0; 14,0; —10,0; 14,0; —10,0—Т а б л и ц а 6.1Т а б л и ц а 6.1* Три значения для обечайки и днища соответственно из стали, алюминия и меди.* Три значения для обечайки и днища соответственно из стали, алюминия и меди.Примечания: 1. Размеры в мм. 2. Днища из меди М3 и МЗС по МН 3035—61. 3. Днища из алюминиевых сплавов АД1, АМЗ и АМцС по МН 3034—61.Примечания: 1. Размеры в мм. 2. Днища из меди М3 и МЗС по МН 3035—61. 3. Днища из алюминиевых сплавов АД1, АМЗ и АМцС по МН 3034—61.
Диаметр цилиндрической обечайки
Толщина •
стенки обечайки
эллиптического днища
конического днища
стенки
1 водяной рубаш ки
400
2,5; 5,0; 5,0
3,0; 5,0; 5,0
2,5
1,5
500
3,5; 5,0; 6,0
3,5; 5,0; 6,0'
3,0
2,0
600
4,0; 6,0; 6,0
4,0; 6,0; 6,0
3,0
2,0
700
4,5; 6,0; 6,0
4,5; 6,0;"6,0
3,5
2,5
800
4,5; 8,0; 6,0
4,5; 8,0; 6,0
4,0
2,5
900
5,0; 8,0; —
5,0; 8,0; —
5,0
1000
5,0; 8,0; — .
5,0; 8,0; —
5,0
1200
' 6,0; 10,0; —
6,0; 10,0; —
6,0
1400
7,0; 10,0; —
7,0; 10,0; —
6,0
1600
8,0; 12,0; —
8,0; 12,0; —
8,0
—
1800
8,0; 12,0; —
8,0; 12,0; —
8,0
2000
10,0; 14,0; —
10,0; 14,0; —
10,0
—
Диаметр цилиндрической обечайки
Толщина •
стенки обечайки
эллиптического днища
конического днища
стенки
1 водяной рубаш ки
400
2,5; 5,0; 5,0
3,0; 5,0; 5,0
2,5
1,5
500
3,5; 5,0; 6,0
3,5; 5,0; 6,0'
3,0
2,0
600
4,0; 6,0; 6,0
4,0; 6,0; 6,0
3,0
2,0
700
4,5; 6,0; 6,0
4,5; 6,0;"6,0
3,5
2,5
800
4,5; 8,0; 6,0
4,5; 8,0; 6,0
4,0
2,5
900
5,0; 8,0; —
5,0; 8,0; —
5,0
1000
5,0; 8,0; — .
5,0; 8,0; —
5,0
1200
' 6,0; 10,0; —
6,0; 10,0; —
6,0
1400
7,0; 10,0; —
7,0; 10,0; —
6,0
1600
8,0; 12,0; —
8,0; 12,0; —
8,0
—
1800
8,0; 12,0; —
8,0; 12,0; —
8,0
2000
10,0; 14,0; —
10,0; 14,0; —
10,0
—
Т а б л и ц а 6.1
Т а б л и ц а 6.1
* Три значения для обечайки и днища соответственно из стали, алюминия и меди.
* Три значения для обечайки и днища соответственно из стали, алюминия и меди.
Примечания: 1. Размеры в мм. 2. Днища из меди М3 и МЗС по МН 3035—61. 3. Днища из алюминиевых сплавов АД1, АМЗ и АМцС по МН 3034—61.
Примечания: 1. Размеры в мм. 2. Днища из меди М3 и МЗС по МН 3035—61. 3. Днища из алюминиевых сплавов АД1, АМЗ и АМцС по МН 3034—61.
Обечайки
Обычно вакуумные камеры воспринимают внешнюю распределенную нагрузку, как правило, не более 105 Па, т. е. атмосферное давление. Исходя из этого, стенки вакуумных камер можно делать сравнительно тонкими. Однако для вакуумных камер с метал- лйческимн уплотнителями не допускаются деформации мест соединения во избежание появления течей.
При конструировании камер предпочтение отдают осесимметричным конструкциям, поверхности которых образованы телами вращения. Это относится и к присоединительным патрубкам, и к разборным фланцевым соединениям. Из требований назначения установки, а также конструктивных соображений камеры по форме могут быть цилиндрическими, коническими, коробчатыми, сферическими или эллиптическими.
Цилиндрические обечайки наиболее Широко распространены, отличаются простотой изготовления, рациональным расходом материала и рекомендуются к применению при отсутствии особых требований к форме камер. Прн конструировании цилиндрических обечаек, независимо от материала и технологии изготовления, внутренний базовый диаметр DB следует выбирать из ряда (ГОСТ 9617—76). мм: для сварных обечаек из стали — 400; 500; 600 ; 700; 800; 900; 1000; 1400; 1600; 1800; 2000; для сварных и паяных обечаек из цветных металлов и сплавов — 100; 150; 200; 250; 300; 350; 400; 450; 500; 550; 600; 650;*700; 750; 800; 850;
Рис. 8.2. Типовые конструкции конических обечаек:
а — без отбортовки кр аев; б — с отбортовкой краев; в — с фланцами
900; 950; 1000; 1100; 1200; 1300; 1400; 1500; 1600; 1800; 2000.
Развернутую длину цилиндрической обечайки определяют по среднему дна- -; метру DCp=0,5(DH+DB), где DH х и Ов — наружный и внутренний диа- 8 метры обечайки соответственно.
В зависимости от назначения цилиндрические камеры могут быть вертикального или горизонтального испол- ; нения. Предпочтение следует отдавать вертикальному исполнению; в этом случае исключаются дополнительные , напряжения изгиба от силы тяжести, j характерные для горизонтальных ка- | мер.1
. На практике толщину элементов^ вакуумных камер определяют не 1 только расчетами на прочность, / но j также из технологических соображе- | ний, конструктивных решений и т. д. |
Конические обечайки применяют, как | правило, как переходную часть цн-1 лнндрическнх вакуумных трубопро- * водов с различными диаметрами. По ’ технологии изготовления конические )’ обечайки аналогичны цилиндрическим. Г На рис. 6.2 показаны основные кон- И струкцин конических обечаек.I
Сферические обечайки наиболее pa- 1 цнональны с точки зрения устойчивости и минимального расхода материала, однако трудоемкость изготовления ограничивает их широкое применение. Технология изготовления сферических обечаек состоит преимущественно из штамповки и выдавливания полушарий с последующей их стыко^ вон сваркой или, при наличии отбо^И товкн, с оплавлением кромок. СфериИ ческне вакуумные камеры обычно полняют диаметром не более 300 ... 500 мм.
В табл. 6.1 даны рекомендуемые {8, 16] толщины стенок обечаек и крышек для установок, работающих без повышенного давления, а также толщины выпуклых крышек, отличающихся повышенной надежностью.
Коробчатые обечайки в вакуумном аппаратостроении значительно меньше распространены по сравнению с цилиндрическими, как относительно металлоемкие и более сложные в изготовлении. Однако в ряде случаев необходимо конструировать камеры ко-
робчатой формы, так как в них удается более рационально разместить виутри- камерные технологические устройства. Водяное охлаждение коробчатых камер выполняют, как правило, в виде трубчатых змеевиков. Коробчатые обечайки изготовляют либо полностью сварными, либо гнутыми нз листового проката. Радиус гиба выбирают из соотношения R ^ 5s (где s — толщина обечайки).
Для уменьшения толщины стенок камеры их укрепляют ребрами жесткости, которые в вакуумной аппаратуре располагают снаружи камеры.
6.3. ' Схемы укрепления ребрами плоских прямоугольных стенок
Основные схемы укрепления прямоугольных стенок ребрами показаны на рнс. 6.3, типовые конструкции коробчатых камер одинаковых размеров — на рнс. 6.4.
При конструировании коробчатых камер руководствуются следующим: размеры отдельных плоских прямо-
PUC. 6.4. Типовые конструкции коробчатых камер:
о — е фланцами; б — с приварными дни-щами
угольных участков выбирают как можно меньшими; плоские стенки больших размеров укрепляют ребрами жесткости; сварка должна быть стыковой, причем шов должен находиться вие зоны плавного перехода по радиусу.
6.3, Диища
1 Составными конструктивными эле-, ментами вакуумных камер, связанными с обечайкой, являются днища. Днищем называют деталь (конструктивный элемент) камеры, которая ограничивает корпус снизу, сверху или сбоку и неразъемна с обечайкой. Форма днища определяется формой сопрягаемой с ним обечайки, технологическими требованиями, предъявляемыми к камере, и может быть эллиптической, полушаровой, сферической, конической, плоской (круглой или прямоугольной). ,
Для цилиндрических обечаек наиболее широко распространены эллиптические днища, штампованные из листового проката, так как они наиболее рациональны с точки зрения восприятия давлений. Рекомендуемые соотношения размеров эллиптических днищ (рис. 6.5): hB = 0,25DB, но не
Рас. в.в. Плоское днище с ребрами жест-' кости
менее 0,2£>в; для днищ из листового проката h ^ 2s, но не менее 25 мм. Толщины эллиптических днищ из / стали, алюминия и меди, сопрягаемых с цилиндрическими обечайками, приведены в табл. 6.1.
Конические днища применяют в цилиндрических камерах вертикального исполнения, главным образом в нижней их части, в случаях, когда это обусловлено технологическим процессом, исключающим применение эллиптического днища.
Конические днища используют достаточно редко; конструктивно оии сходны с коническими обечайками. Угол конуса принимают обычно а = = 60 или 90°, редко до 150°. Данные по толщине конических днищ из сталей приведены в табл. 6.1.
Плоские, днища изготовляют значительной толщины; при этом расходуют в 3 ... 5 раз больше металла, чем для выпуклых днищ. Камеры с плоскими днищами имеют наименьшую длину, а изготовление плоских днищ не требует специального оборудования и может быть осуществлено на любом механическом заводе, имеющем металлорежущие станки.
Для уменьшения толщины плоских днищ нх снабжают ребрами жесткости (рнс. 6.6), которые располагают радиально и приваривают к днищу прерывистым двусторонним швом. Число ребер должно быть не менее 6. Обычно плоские днища применяют для днищ диаметром 1,0 ... 1,5 м.
Конструктивные формы сварных соединений днищ с цилиндрическими обечайками показаны в табл. 6.2.
6.4. Крышки
В отличие от днищ, неразъемно соединенных с обечайкой камеры, крышки являются разъемными элементами камеры, закрывающими герметично корпус камеры. Форма крышек зависит от конструкции и назначения камеры и может быть идентична форме дннщ. Способ уплотнения крышек с обечайкой зависит от типа установки и периодичности разгерметизации. Крышки непрогреваемых камер, как правило, соединяют с обечайками с
Вариантысоединения диища с обечайкойдо сварки (слева),после сваркн (справа)
Назначение
Таблица 6.2
При сварке эллиптических днищ. Стыковой шов без разделки кромок;
а 0,3 мм
Без расточки1 при плоских краях диища и обечайки;
6 = 0,2 ... 0,3 мм
Для толстых днищ (si > 5 мм). Сварка с.оплавлением кромок;
Ь = с = 1,0 ... 1,5 мм;
D — 0,5 (Птах Ч- Пдцп) (0,3 ... 1,0) мм
Дли тонких выпуклых днищ (sj < 5 Мм);
/ b = с = 1,0 ... 1;5 мм;
D = 0,5 (Дщах + Dmln) (0*3 ... 1,0) Мм
Продолжение табл. 6.2
Вариантысоединения днища с обечайкойдо сварки (слева),после сварки (справа)
Назначение
Рис. 6.7. Сварные крышки больших диаметров:
а — сферическая; б — эллиптическая; е — эллиптическая с лепестковым уплотнением
Для высоковакуумных систем; сварка угло
вым наружным швом;
D = 0,5 (Dmax + Опцп) — (0,3 ... 1,0) мм
Стыковой шов без разделки кромок. Для сверхвысоковакуумиых систем; ,
а ^ 0,3 мм; s/ = s;
2
R^ -у st, но не менее 5 мм
Для сверхвысоковакуумных систем;
а ^ 0,3 мм; 6 = 0,2 ... 0,5 мм
Вварка днищ (О < 0,4 м) с отбортовкой оплавлением кромок;
6 = с « 2 ... 4 мм
помощью стандартизованных уплотни- телей. Редко вскрываемые крышки большого диаметра (£)в ^ 1,2 м) прогреваемых камер целесообразно соединять с обечайкой сварным лепестковым уплотнением; при вскрытии его срезают и затем заваривают.
В лабораторной практике и для единичных образцов крышки чаще всего выполняют точеными; прн серийном пройзводстве, а также для камер большого диаметра круглые крышки, как правило, изготовляют сварными из стандартных выпуклых днищ и точеных фланцев. На рис. 6.7 даны примеры конструкции крупных крышек.
6.5. Прогрев и охлаждение камер
Практикой установлено, что оптимальная температура прогрева примерно 573 К.
Наиболее широко применяют наружные нагреватели. Простейшую конструкцию имеет коробчатый на
греватель из асбоцементных плит с крючками для крепления спирального нагревателя (рис. 6.8).
Более удобный и компактный — наружный нагреватель из керамических трубок и нихромовой проволоки (рис. 6.9).
Наиболее прост в изготовлении нагреватель из термостойкого кабеля типа КНМС. Кабель размещают непосредственно на камере и ее элементах и крепят узкой стальной лентой, привариваемой к основному металлу точечной сваркой. Радиус изгиба кабеля RH ^ 3d (где d — наружный диаметр кабеля — рис. 6.10). Затем укладывают теплоизоляцию и сверху закрывают алюминиевой или коррозионно-стойкой фольгой.
Нагревательные кабели с минеральной изоляцией в стальной оболочке с жилами из нихрома, коррозионностойкой стали и никеля [кабели типа соответственно КНМС (НХ), КНМС (С), КНМС (Н) выпускают по ТУ 1606/467—69 (Гтах = 873 К)]. В табл. 6.3 приведен сортамент термостойких кабелей КНМС.
Пример обозначения: КМНС (НХ) 1X0,283 — нихромовый нагреватель в оболочке из коррозионно-стойкой стали одножильный, площадь сечения 0,283 мм2.
В качестве теплоизоляции в лабораторной практике часто используют теплоизоляционные маты АТМ-3, АТИМС-5 длиной 1100 мм (табл. 6.4); рабочая температура 213... 723 К;
6.9. Схема нагревателя: крепления керамических
Марка
Ширина, мм
Толщина, мм
■Толщина волокна наполнителя,
АТМ-З
550
3; 5; 10;
15; 20
2
АТИМС-5
840
5; 10; 15
5 ... 7
Таблица 6.4
обшивка из ность Л =
стеклосетки. Теплопровод-
3,95-10"2 Вт/(м-К). По
Рис.
/ — лента
тру-
бок к корпусу; 2 — нихромовая проволока;
3 — керамическая трубка; 4 — обечайка;
5 ™ теплоизоляция; б — фольга
требованию заказчика Серпуховская фабрика выпускает маты и полосы следующих размеров, мм:
Маты
Полосы
Длина ... 1000 ... 3000 5000 ... 6000
■ Т а б л и ц а 6.3
Ширина ... 200 ... 750
s
S ”
Напряже-ние, В
Толщина ... 10; 15; 20
(через 50 мм)30; 50; 75; 100;150; 200; 25010; 15; 20; 30
CCS
& ® 2 К
С я
з *
Я® ^ ч
5 $ 3 ^55
з к
S
к
ч
Г 3 5| =
Часто нагреватели
помещают виу-
0,070 >0,283
0,502 0,785 1,131
0,29 0,60 0,80 1,00
1,29
1,5
3,0
4,0
5,0
6,0
115
220
600
1000
450
100
50
30
20
три камер; в этом случае стремятся к тому, чтобы нагреватели ие загрязняли прогреваемый объем. Для этого в конструкциях нагревателей используют конструкционные и изоляционные материалы с малым газовыделе- иием. Для этих целей наиболее подходят нагревательные кабели КНМС. Некоторые трудности возникают при выводе кабеля из камеры (см. рис. 6.10). Сварка аргоиодуговая, с оплавлением кромок.
Используют нихромовые нагреватели (рис. 6.11), которые крепят внутри камеры на мииалуидовых изоляторах. Последние в свою очередь крепят на стенки камеры и ее элементах метал-
1 .'
. Таблица 6;5
‘Тип лампы
Цветовая температура тела накала, К
Средняя продолжительность горения, ч
Диаметр оболочки, мм
Длина лампы, мм
Диаметр тела накала, мм
Длина тела накала, мм
КГ 127-500
. 5 000
250
1,3
. 190
КГ 220-1000-1
2500
10 000
375
1,3
300
КГ 220-2000
5 000
500
1,5
425
КГО 220-2500-8
2650
440
. 1,6
435
КГО 220-2500-2
2650
11
470
■ 1,6
480
КГТД 220-600
2200
500
■ 1,1
425
КГТД 220-1000
2400
- 2000
500
1,3
425
КГТД 220-1000-1
2600
375
1,4
300
КГТ 220-1000
2600
500
1,1
. 430
КГТ 220-600
2000
500
1 ■ 1,1
430
КГТД 220-400-1
2350
3000
9
280
1,1
245
Примечания: 1. Условные обозначения в типах ламп: К — кварцевая, Г — галогенная, О — с отогнутыми концами, Д — дифференциальное тело накала (с чередующимися спиральными и прямолинейными участками),Т — термоизлучатель. Первая цифра после букв — номинальное электрическое напряжение в вольтах; вторая — номинальная электрическая мощность в ваттах, цифра после второго дефиса — модификация лампы. 2. Для ламп всех типов цоколь плоский металлический.
Вакуум ^
3
2
Pnt. 6.10. Узел ввода кабеля типа КНМС в вакуумную камеру:
/ — фланец; 2 — кабель; 3 — втулка (сталь 12Х18Н9Т); 4 — керамические бусы
Рис. 6.11. Нихромовый нагреватель:
/ —• нихромовая проволока; 2 — минауя- довый изолятор; 3 — лента крепления изолятора
лическими лентами, привариваемыми к стенке точечной сваркой. Шаг изоляторов выбирают с учетом прогиба проволоки, определяемого ее толщиной и температурой. Во избежаиие деформации нагревателя из-за температурного удлинения на одной из коротких сторон изоляторы не закрепляют на камере.
В последнее время .для прогрева камер и внутренних элементов используют инфракрасные-лампы накаливания (иодные) и их модификации — галогенные источники света. В инфракрасных лампах около 80% потребляемой энергии передается излучением, они имеют большую плотность лучистого потока и являются практически безынерционными. Лампы серии ИК (СТУ 104.693—65) представляют собой кварцевые трубки диаметром 10 мм и длиной 200 ... 5000 мм; 6y®2QQ6 напРяжеине 220 В, срок служ-
В табл. 6.5 и 6.6 приведены данные п° кварцевым лампам, рекомендуемым
к использованию в нагревателях излучением.
Для получения особо чистых контролируемых вакуумных условий применяют вакуумные установки с двойным, или раздельным, вакуумом. По существу, это камера в камере, каждая со своей системой откачки. Наружная камера воспринимает всю силовую нагрузку, поэтому ее рассчитывают на прочность, как обычную камеру; внутреннюю камеру, как правило, выполняют с тонкими стенками. Если внутренняя камера не рассчитана по прочности на атмосферное давление, то для защиты ее от разрушения во время аварийной разгерметизации внутри наружной камеры на внутреннюю камеру ставят предохранительные мембраны. Для обезгажи- вання таких систем их прогревают различными способами. Например, для прогрева тороидальной термоядерной установки Токамак используют индукционный метод; внутренняя камера служит одновитковой вторичной
Тип лампостНапряжение ', вМощность •’, кВтСредняя продолжительность горения, чКГ 110-500КГ 220-2000-5КГТ 220-1000КГТ 220-1000-1КГТД 220-400КГТО 220-2500-2КГТО 220-250016 0.535.013—75но0,5 2,0 1,0 1,0 0,42,5 2,54004502 00010 0003 000- 2 0002 00022016 0.535.024—76Тип лампЦветовая температура, КРазмеры, мм, не болеедлина нагревателяобщая длинадиаметрКГ 110-500КГ 220-2000-5КГТ 220-1000 КГТ 220-1000-L КГТД 220-400 КГТО 220-2500-2 КГТО 220-2500320032002600250023502650265067163457300245175 *а190 *а132262 (470 *3)500375280470500111112129[12112JТип лампостНапряжение ', вМощность •’, кВтСредняя продолжительность горения, чКГ 110-500КГ 220-2000-5КГТ 220-1000КГТ 220-1000-1КГТД 220-400КГТО 220-2500-2КГТО 220-250016 0.535.013—75но0,5 2,0 1,0 1,0 0,42,5 2,54004502 00010 0003 000- 2 0002 00022016 0.535.024—76Тип лампЦветовая температура, КРазмеры, мм, не болеедлина нагревателяобщая длинадиаметрКГ 110-500КГ 220-2000-5КГТ 220-1000 КГТ 220-1000-L КГТД 220-400 КГТО 220-2500-2 КГТО 220-2500320032002600250023502650265067163457300245175 *а190 *а132262 (470 *3)500375280470500111112129[12112JТаблица 6.6Таблица 6.6Предельное остаточное давление, ПаПараметры режиматемпература, Кпродолжительность, ч1,3-ю-6283 .. 3332... 51,3-10-’333 .. 573 •До 2010“8 и меиее673 .. 773До 150Предельное остаточное давление, ПаПараметры режиматемпература, Кпродолжительность, ч1,3-ю-6283 .. 3332... 51,3-10-’333 .. 573 •До 2010“8 и меиее673 .. 773До 150Таблица 6.7Таблица 6.7П р и м е ч а и и,е. Скорость повышения температуры в зависимости от конструкции камер 10 ... 50 К/ч;П р и м е ч а и и,е. Скорость повышения температуры в зависимости от конструкции камер 10 ... 50 К/ч;установке ламп в вакуум мощность следуе^ длины гибких выводов.установке ламп в вакуум мощность следуе^ длины гибких выводов.
Тип ламп
ост
Напряжение ', в
Мощность •’, кВт
Средняя продолжительность горения, ч
КГ 110-500
КГ 220-2000-5
КГТ 220-1000
КГТ 220-1000-1
КГТД 220-400
КГТО 220-2500-2
КГТО 220-2500
16 0.535.013—75
но
0,5 2,0 1,0 1,0 0,4
2,5 2,5
400
450
2 000
10 000
3 000
- 2 000
2 000
220
16 0.535.024—76
Тип ламп
Цветовая температура, К
Размеры, мм, не более
длина нагревателя
общая длина
диаметр
КГ 110-500
КГ 220-2000-5
КГТ 220-1000 КГТ 220-1000-L КГТД 220-400 КГТО 220-2500-2 КГТО 220-2500
3200
3200
2600
2500
2350
2650
2650
67
163
457
300
245
175 *а
190 *а
132
262 (470 *3)
500
375
280
470
500
11
11
12
12
9[
121
12J
Тип ламп
ост
Напряжение ', в
Мощность •’, кВт
Средняя продолжительность горения, ч
КГ 110-500
КГ 220-2000-5
КГТ 220-1000
КГТ 220-1000-1
КГТД 220-400
КГТО 220-2500-2
КГТО 220-2500
16 0.535.013—75
но
0,5 2,0 1,0 1,0 0,4
2,5 2,5
400
450
2 000
10 000
3 000
- 2 000
2 000
220
16 0.535.024—76
Тип ламп
Цветовая температура, К
Размеры, мм, не более
длина нагревателя
общая длина
диаметр
КГ 110-500
КГ 220-2000-5
КГТ 220-1000 КГТ 220-1000-L КГТД 220-400 КГТО 220-2500-2 КГТО 220-2500
3200
3200
2600
2500
2350
2650
2650
67
163
457
300
245
175 *а
190 *а
132
262 (470 *3)
500
375
280
470
500
11
11
12
12
9[
121
12J
Таблица 6.6
Таблица 6.6
Предельное остаточное давление, Па
Параметры режима
температура, К
продолжительность, ч
1,3-ю-6
283 .
. 333
2... 5
1,3-10-’
333 .
. 573 •
До 20
10“8 и меиее
673 .
. 773
До 150
Предельное остаточное давление, Па
Параметры режима
температура, К
продолжительность, ч
1,3-ю-6
283 .
. 333
2... 5
1,3-10-’
333 .
. 573 •
До 20
10“8 и меиее
673 .
. 773
До 150
Таблица 6.7
Таблица 6.7
П р и м е ч а и и,е. Скорость повышения температуры в зависимости от конструкции камер 10 ... 50 К/ч;
П р и м е ч а и и,е. Скорость повышения температуры в зависимости от конструкции камер 10 ... 50 К/ч;
установке ламп в вакуум мощность следуе^ длины гибких выводов.
установке ламп в вакуум мощность следуе^ длины гибких выводов.
Г 41 Номинальные значения; при уменьшать в 2 раза.
*2 Габаритная длина с учетом
или других элементов камер. Чаще всего применяют два варианта охлаждения навивкой трубок или созданием водяных рубашек. Иногда комбинируют эти способы. Выбор способа для каждой конкретной установки зависит от требований, конструкции, тепловой нагрузки и др. В связи с этим нет типовых решений систем охлаждения, ио разработаны общие рекомендации по проектированию охлаждения для вакуумных систем. Если позволяют тепловые нагрузки, для охлаждения следует использовать трубки, припаянные или приваренные к корпусу. При больших тепловых нагрузках вместо сплошных водяных рубашек следует приваривать уголки, создающие секционированную рубашку- При необходимости или целесообраз-
ности примеиеиия водяной рубашки не рекомендуется располагать ее на сварных швах.
Выполнение этих рекомендаций позволяет свести к минимуму возможиость появления течей через систему охлаждения. Наличие такой системы чрезвычайно усложняет поиск и устранение мест иегерметичиости.
6.6. Расчет на прочность
Рассчитанные на прочность цилиндрические обечайки, нагруженные наружным давлением, иногда без видимой внешней причины подвергаются опасным деформациям и даже разрушению. Это явление аналогично явлению продольного изгиба стержней и называется устойчивостью обечаек. Давление, при котором могут возникнуть такие деформации и искажается первоначальная форма цилиндрической обечайки, называется критическим. Критическое давление зависит от геометрической формы и размеров обечайки, а также от физико-мехаииче- ских свойств материала.
Расчет цилиндрической обечайки, Работающей под наружным давлением, сводится к определению допускаемого «аружного давления.
Допускаемое наружное давление, Па
^Р — Допускаемое давление на Условия прочности, Па; 1р]л — до
пускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости, Па.
2 [ст] (s —с) .
~ DB + (s — с) ’ где [о] — допускаемое напряжение при расчетной температуре, Па; s — толщина обечайки, м; с — сумма прибавок к расчетной толщине для компенсации коррозии, эрозии, минусового допуска иа изготовление, м; DB — виутреииий диаметр обечайки, м.
IS-IO"^ DBв — п^ I Х
v Г100 (s~c) I2 i /iooFi.
DB J V . DB
где E — модуль упругости при расчетной температуре, Па; пу — коэффициент запаса устойчивости по нижним критическим иапряжеииям в пределах упругости (для рабочих условий /гу = = 2,4, для условий испытания и моита-
■ -(DB
жапу = 1,8);51 = min|l,0; 8,15-у X
X V Too (s — с) J — безРазмеРиый коэффициент; / — расчетная длина гладкой обечайки, м.
Расчетную длину цилиндрической обечайки принимают равной: при наличии фланцев иа обечайке — расстоянию между фланцами; при ограничении обечайки эллиптическим (сферическим) днищем — длине цилиндрической части обечайки и днища плюс 1/3 высоты выпуклой части эллиптической (сферической) части по-
следиего; при ограничении обечайки плоским днищем — длине цилиндрической части обечайки до днища; при наличии на обечайке колец жесткости — расстоянию между осями колец; при ограничении обечайки коническими днищами — длине цилиндрической части обечайки и диища плюс D/{3 tg а), где а — угол при вершине конической обечайки.
Расчет коробчатых обечаек сводится к расчету плоской прямоугольной стенки с закрепленными краями, нагруженной давлением. Стенки считают закрепленными по краям при наличии иа них фланцев и укрепляющих ребёр, а также при сопряжении стенок под углом.
Допускаемое давлейие из условия прочности
[p]p = Ia](s-c)2/(0,2562), (6.2) где b — ширина (меньшая сторона) прямоугольной стенки.
Для уменьшения расчетной толщины плоской прямоугольной стенки ее необходимо укрепить ребрами. Ребра могут быть параллельны большей или меньшей стороне стенки. Предпочтительнее укрепление поперечными ребрами, параллельными меньшей стороне. При укреплении плоской прямоугольной стеики ребрами в формулу для определения допускаемого давления (или допускаемой из условия прочности толщины) подставляют меньшее значение расстояния между осями укрепляющих ребер.
Расчет эллиптических и полусферических обечаек, работающих под наружным давлением, заключается в определении допускаемого наружного давления по формуле (6.1), в которой
- Г 1 2tql (s~ с) LPJp- R + (,_С) ,
где R =± 0,25Di//iB — радиус кривизны в вершине Выпуклой обечайки по внутренней поверхности, м (Ов — внутренний диаметр обечайки, м; Лв — высота выпуклой части обечайки без цилиндрической части, м).
Для этого случая допускаемое давление из условия устойчивости в пре
делах упругости, Па 1см. формулу (6.1)1:
26-10~’£ Г 100(s —с) 12^е- п^ [ К» J ’
где К3 = 11 + (2,4+ 8х) x]/Jl + + (3,0+ 10х)х] — коэффициент приведения радиуса кривизны;
10 (s-с) /Ов2h_\
Рвk 2/iDa / '
Расчет конических обечаек, работающих под наружным давлением, заключается в определении допускаемого наружного давления для гладкой конической обечайки по формуле (6.1). При этом допускаемое давление из условия прочности, Па,
_2 [о] (s - с)
DK/cos a + (s — с) ’
где DK — расчетный диаметр гладкой конической обечайки, м (для конической обечайки без тороидального перехода DK = Ов — 1,4a sin a (a = = 0,7 "]/(Z)B/cos a) (s—c) — расчетная длина переходной части, м); a — половина угла при вершине конической обечайки.
Допускаемое давление из условия устойчивости, Па,
, , _18-10-’£ de Г 100(s— с) 12 п7Вг /Е I de Iх
Г100 (s — c)
Х V
у Е
где ВЕ и 1Е — эффективные диаметр и длина конической обечайки, м;
п /Дв+Оо . Дв
°Е — ™ах ( 2 cos a ’ cos a
— 0,31 Фн+D,) V
, Дв-Др . 2 sin a ’ (de
Si = min ) 1,0; 8; 15— X
‘e
1Л De I.
x *100 (s — c) ) ’
De — диаметр меньшего основании конической обечайки, м.
Вариант конструкции
Соотношение размеров
К .
kzzz^ zLzz, ^02
а > 0,85s; DB = D
0,50
Таблица 6.8
Рис. 6.12, Схема к определению максимальной суммы диаметров или длин хорд отверстий в наиболее ослабленном диаметральном сечении
где К — коэффициент конструкции плоских круглых диищ и крышек (принимают по табл. 6.8); ^o — коэффициент ослабления плоских диищ и крышек отверстиями; DB — внутренний диаметр диища (крышки), м; р — расчетное давление, Па.
Для диищ и крышек с отверстиями
Он = Об 0,40Он = Об 0,40
Он = Об 0,40
Он = Об 0,40
Формула для De применима при « < 75°.
Расчет на прочность диищ и крышек заключается в определении до- пУскаемой толщины s. плоских круглых диищ и крышек вакуумных ка- МеР по формуле
4 = KK»DB V 1оГ + с’
где ^; (или bi —рис. 6.12) — максимальная сумма диаметров или длин хорд отверстий в наиболее ослабленном диаметральном сечении, м.
Для диищ и крышек без отверстий коэффициент ослабления Ко = 1. Во всех случаях присоединения диища к обечайке минимальная толщина sf плоского круглого диища должна быть больше или равна толщине s обечайки.
Эллиптические, сферические, полусферические и конические днища- и крышки рассчитывают по аналогии с обечайками. Во всех случаях толщина диища должна быть ие менее толщины обечайки. Плоские прямоугольные днища и крышки рассчитывают как плоские прямоугольные стенки коробчатых обечаек.
Глава 7. Запорно-регулирующая аппаратура
Классифи каци яи предъявляемые требования
Запорно-регулирующая аппаратура представляет собой комплекс функциональных средств вакуумных систем, предназначенных для перекрытия газовых потоков, дозирования потоков газа, стабилизации давления газов в вакуумных системах и камерах, аварийной защиты вакуумных систем при разгерметизации, коммутации системы многопозиционной последовательной откачки и т. д.
Для перекрытия газовых потоков используют вакуумные клапаны и затворы, классифицированные по ряду признаков конструктивного и эксплуатационного характера. В конструктивном отношении клапаны и затворы подразделяют на угловые и проходные, по типу привода — на электромеханические, электромагнитные и электропневматические. В угловых клапанах и затворах газовый поток меняет направление, встречая препятствие в виде уплотнительного клапана и стенок корпуса, в проходных — направление потока не меняется. В проходных клапанах отверстия полностью освобождены от уплотнительного диска.
Основные эксплуатационные характеристики клапанов и затворов:
степень герметичности; определяемая потоком натекания газа через уплотнительную dbpy, и составляющая в зависимости от эксплуатационных требований 10~7... 10 "п Па^/с;
проводимость в открытом положе-. нии, определяемая отношением потока Q газа, проходящего через полость вакуумного клапана, к разности давлений рг—р2 в его входном и выходном отверстиях;
быстродействие, определяемое временем герметичного перекрытия;
ресурс, определяемый числом циклов перекрытия уплотнительной пары с обеспечением заданной степени герметичности.
В зависимости от типа вакуумной системы и поддерживаемого в ней ра
бочего давления применяют непро- греваемую или прогреваемую вакуумную аппаратуру. Непрогреваемую ва- куумиую аппаратуру используют в ва- - куумных системах с давлением более 5-10"6 Па, прогреваемую (до температуры 723 ... 873 К) — в сверхвысоковакуумных системах с давлеиием ме- иее 5-10-6 Па. ,
Одно из важных требований, предъявляемых к вакуумной запорной аппаратуре, — минимальный поток газо- выделения.
Газовый поток Q2, выделяющийся из основных элементов клапана, можно представить в виде суммы потоков:
" QH + Qr + Qn + ^м* где QH — поток, натекающий через механический вакуумный ввод, разъемные и неразъемные вакуумные соединения; Qr — поток, формирующийся проницаемостью через стенки и уплотнения клапана; Qn — поток, создаваемый газовыделением с поверхностей клапана, обращенных в вакуум; QM — молекулярный газовый поток из диффузионно-щелевых каналов, образующихся при сборке клапана.
Для уменьшения суммарного газового потока следует применять соответствующие конструктивные средства, снижающие потоки QH и Qm> а также рационально выбирать конструкционные материалы с целью уменьшения потоков Qr и Qn> Запорную аппаратуру непрогреваемых вакуумных систем изготовляют из алюминиевого сплава АМгб, дюралюминия, стали 20 с защитными металлическими покрытиями. В качестве уплотнительных элементов в этом случае чаще всего применяют вакуумную резину. Прогреваемую аппаратуру изготовляют из коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т. Для герметизации клапанов используют металлические или полимерные (например, фторопласт-4) уплотнения с малым газовыделением.
Высокие требования, предъявляемые к сверхвысоковакуумным клапанным соединениям, объясняются необходимостью их многократного срабатыва-
ния, в том числе при прогревах в закрытом положении. При этом усилие герметизации должно быть минимальным, так как от него зависят конструкция и мощность привода, а также размеры и масса клапана. Такие факторы, влияющие на усилие герметизации, как прочностные свойства материалов, площадь и состояние конта ктируемых поверхностей, а также вид соединения, взаимосвязаны и должны быть учтены наиболее рационально.
Распределение усилия герметизации по контуру стыка должно быть равномерным при каждом цикле •срабатывания клапана. Неравномерность распределения усилий приводит к перенапряжению уплотнителя в одних местах и недостаточной нагрузке в других, что обусловливает появление те- * чей. В связи с этим необходимо обеспечивать центральное, перпендикулярное плоскости разъема, воздействие усилия на уплотнительные элементы и не допускать появления усилий, вызывающих их смещение один относительно другого. Для компенсации погрешностей изготовления и сборки, а также различных микросмещений, возникающих при эксплуатации клапанов, предусматривают возможность самоустановки элементов уплотнительной пары. На надежность герметизации значительно влияют отклонения формы и расположения поверхностей уплотнительных пар (например, отклонение от плоскостности), которые должны быть минимальны. В противном случае один из элементов уплотнительной пары упруго деформируется.
Элементы уплотнительных пар должны быть точно центрированы один относительно другого, так как многократное воспроизведение герметичности при постоянном усилии герметизации возможно при контактировании одних и тех же участков поверхности от Цикла к циклу.
Необходимое условие длительной ра- °оты уплотнительных пар — постоян- ство усилия герметизации; поэтому Цапаны снабжают устройствами и Дементами для автоматической ком- ^сации термических и механических ^формаций, возникающих при эксплуатации и отрицательно влияющих
на стабильность усилия герметизации.
Материалы элементов уплотнительных пар должны быть строго согласо- - ваны по физико-химическим свойствам, так как важным эксплуатационным фактором является прогрев клапанов в закрытом положении (значения температурных коэффициентов расширения1 материалов уплотнительных пар должны быть равны или близки). Кроме того, для одинакового распре- ' деления теплоты седло и клапан или уплотнительный диск необходимо согласовывать по размерам и массе. При прогреве клапанов в закрытом положении уплотнительные элементы пар не должны схватываться.
При конструированин клапанов следует предусматривать простую замену клапана или уплотнительного диска и восстановление седла. С этой целью конструкции клапанов необходимо снабжать элементами, обеспечивающими соосность клапана и седла. В некоторых случаях для повышения ремонтопригодности и ресурса целесообразно использовать сменные эле-- меиты седла.
Уплотнительные пары сверхвысоко- вакуумных цельнометаллических угловых клапанов показаны на рис. 7.1 {26]. Чаще всего вакуумно-плотный контакт получают при смятии мягкого материала уплотнительного диска (рис. 7.1, а, в—д, з, ы). Для уменьшения усилия герметизации профилированный выступ седла заостряют. Однако в клапанах без компенсаторов при повторных уплотнениях площадь контакта увеличивается, что требует повышения усилия герметизации. .
Вариант, приведенный на рис. 7.1, г, отличается тем, что независнмо от глубины внедрения выступа в уплотнительный диск площадь контакта не. изменяется и обеспечивается стабильность усилия герметизации. Уплотнительные пары, показанные на рис. 7.1, б, к, характеризуются само- установкой соединяемых элементов, причем вариант, данный на рис. 7.1, /с,, предпочтительнее, поскольку седло деформируется упруго, следовательно, конструкция более долговечна.
- Усилия герметизации минимальны при разрушении поверхностного слоя
Рис. 7.1. Уплотнительные пары сверхвысоковакуумиых систем (а и ₽ — угол соответ ственно клапана и седла):Рис. 7.1. Уплотнительные пары сверхвысоковакуумиых систем (а и ₽ — угол соответ ственно клапана и седла):/ — уплотнительный диск; 2 — седло/ — уплотнительный диск; 2 — седлоРнс. 7.2. Уплотнительные пары сверхвысоковакуумных цельнометаллических прям пролетных клапановРнс. 7.2. Уплотнительные пары сверхвысоковакуумных цельнометаллических прям пролетных клапанов1Т а б л и ц а 7.1Вариант конструкцииПотокРабочаяЧисло цикловУдельноеуплотнительнойПа. м*/стемперату-усилие герме-парыра, К•газации, Н/ммРис. 7.2, аРис. 7.2, бю-10... 10~ию-7573.4 500250200Рис. 7.2, в10~и ... 10-1*5232000 ... 8000100Рис. 7.2, г10~10 ... 10"и573Рис. 7.2, д10~116731000 ■Рис. 7.2, е57350 ... 80Рис. 7.2, ж10-11523500100Рис. 7.2, з10-ю25080Рис. 7.2, и10~и ... 10-«’ 723200 ... 600200 ... 300Рис. 7.2, к3931000 .5 ... 10Рис. 7.2, л10"1250 ... 200323 ... 473100 ...500—1Т а б л и ц а 7.1Вариант конструкцииПотокРабочаяЧисло цикловУдельноеуплотнительнойПа. м*/стемперату-усилие герме-парыра, К•газации, Н/ммРис. 7.2, аРис. 7.2, бю-10... 10~ию-7573.4 500250200Рис. 7.2, в10~и ... 10-1*5232000 ... 8000100Рис. 7.2, г10~10 ... 10"и573Рис. 7.2, д10~116731000 ■Рис. 7.2, е57350 ... 80Рис. 7.2, ж10-11523500100Рис. 7.2, з10-ю25080Рис. 7.2, и10~и ... 10-«’ 723200 ... 600200 ... 300Рис. 7.2, к3931000 .5 ... 10Рис. 7.2, л10"1250 ... 200323 ... 473100 ...500—“ мягкий Основной“ мягкий Основной
Рис. 7.1. Уплотнительные пары сверхвысоковакуумиых систем (а и ₽ — угол соответ ственно клапана и седла):
Рис. 7.1. Уплотнительные пары сверхвысоковакуумиых систем (а и ₽ — угол соответ ственно клапана и седла):
/ — уплотнительный диск; 2 — седло
/ — уплотнительный диск; 2 — седло
Рнс. 7.2. Уплотнительные пары сверхвысоковакуумных цельнометаллических прям пролетных клапанов
Рнс. 7.2. Уплотнительные пары сверхвысоковакуумных цельнометаллических прям пролетных клапанов
1
Т а б л и ц а 7.1
Вариант конструкции
Поток
Рабочая
Число циклов
Удельное
уплотнительной
Па. м*/с
температу-
усилие герме-
пары
ра, К
•газации, Н/мм
Рис. 7.2, а
Рис. 7.2, б
ю-10... 10~и
ю-7
573.
4 500
250
200
Рис. 7.2, в
10~и ... 10-1*
523
2000 ... 8000
100
Рис. 7.2, г
10~10 ... 10"и
573
Рис. 7.2, д
10~11
673
1000 ■
Рис. 7.2, е
573
50 ... 80
Рис. 7.2, ж
10-11
523
500
100
Рис. 7.2, з
10-ю
250
80
Рис. 7.2, и
10~и ... 10-«
’ 723
200 ... 600
200 ... 300
Рис. 7.2, к
393
1000 .
5 ... 10
Рис. 7.2, л
10"12
50 ... 200
323 ... 473
100 ...500
—
1
Т а б л и ц а 7.1
Вариант конструкции
Поток
Рабочая
Число циклов
Удельное
уплотнительной
Па. м*/с
температу-
усилие герме-
пары
ра, К
•газации, Н/мм
Рис. 7.2, а
Рис. 7.2, б
ю-10... 10~и
ю-7
573.
4 500
250
200
Рис. 7.2, в
10~и ... 10-1*
523
2000 ... 8000
100
Рис. 7.2, г
10~10 ... 10"и
573
Рис. 7.2, д
10~11
673
1000 ■
Рис. 7.2, е
573
50 ... 80
Рис. 7.2, ж
10-11
523
500
100
Рис. 7.2, з
10-ю
250
80
Рис. 7.2, и
10~и ... 10-«
’ 723
200 ... 600
200 ... 300
Рис. 7.2, к
393
1000 .
5 ... 10
Рис. 7.2, л
10"12
50 ... 200
323 ... 473
100 ...500
—
“ мягкий Основной
“ мягкий Основной
одного из элементов уплотнительной пары профилем другого элемента. При этом более мягкий элемент работает на срез (рис. 7.1, е, ж). Уплотнительная пара, показанная на рис. 7.1, ж, предпочтительнее, так как имеет упругое седло.
Уплотнительные пары сверхвысоко- вакуумных цельнометаллических проходных клапанов показаны на рис. 7.2, их характеристики приведены в табл. 7.1.
Особенность уплотнительной пары, показанной на рис. 7.2, а, — наличие кольцеобразной проточки на обратной стороне уплотнительного диска 3 с выступом, имеющим золотое пле
ночное покрытие 2 толщиной 50 мкм. Проточка упруго компенсирует неровности поверхности уплотнительного диска 3 и седла 1.
Уплотнительная пара с титановым диском 3, имеющим выступ шириной 0,25 ... 0,30 мм (покрыт слоем 2 серебра) и седлом 1 из коррозионно-стойкой стали (рнс. 7.2, б) чувствительна к отклонению от плоскостности поверхностей контакта. Недостаток конструкции — значительное различие температурных коэффициентов расширения а используемых материалов.
В уплотнительной паре, показанной на рис. 7.2, в, на уплотнительном диске 3 по периферии имеется выступ,
покрытый золотой пленкой 2 толщиной 50 мкм. Выступ герметизирует цилиндрическую поверхность седла / из коррозионно-стойкой стали.
Диски уплотнительных пар, показанных . на рис. 7.2, а—ж, выполнены из меди или алюминия и отличаются формой выступа. Так как ответная уплотняемая поверхность плоская, соблюдение большой точности совмещения осей уплотнительного диска 3 и седла / при повторном срабатывании клапана не требуется. Однако, при прогреве клапана вследствие текучести материала диска герметичность стыка может быть нарушена. При эксплуатации клапанов с такими уплотнительными парами из-за возрастания площади, контакта приходится увеличивать усилие герметизации.
В уплотнительной паре, показанной на рис. 7.2, з, уплотнительный диск 3 имеет сферическую поверхность, что обеспечивает небольшие усилия герметизации. В уплотнительных парах, Показанных на рис 7.2, и, к, гермети- зация стыка происходит при внедрении выступа Д диска 3 или седла 1 материал ответной детали, недостаток этих конструк-,
чии — нестабильность усилия герметизации при повторных уплотнениях.
т
Для уплотнительной пары, показаи- иой иа рис. 7.2, л, не требуются значительные усилия герметизации, так как расплавленный металл 4, находящийся в ванне седла 1, не оказывает значительного сопротивления уплотнительному диску 3.
Размеры и масса клапанов, а также мощность привода зависят от необходимых усилий герметизации уплотнительной пары. Уплотнительные пары с уменьшенным усилием герметизации вдоль осей проходных отверстий показаны на рис. 7.3. Уменьшение усилия герметизации в уплотнительных парах, показанных на рис. 7.3, а—г, обеспечивается специальной формой уплотнительного диска. При приложении к диску осевого усилия Q создается превышающее его в несколько раз усилие герметизации Р.
Особенность уплотнительной пары, показанной иа рис. 7.3, а, — наличие двухзвенного шарнира, состоящего из двух сферических опор / и сопряженного с ними компенсатора 2, что позволяет диску 3 самоустанавливаться относительно седла 4 не только при угловом, но и при параллельном смещении осей и значительно повышает надежность клапана, а также упрощает его сборку.
В уплотнительной паре, показанной на рис. 7,3, б, уплотнительный диск 3 имеет глухую диафрагму 5 из меди или алюминия, снабженную выравнивающим кольцом б, которое уплотняется коническим седлом 4.
В уплотнительной паре, показанной на рис. 7.3, в, уплотнительный диск 3 с прокладкой 7 соединен со штоком 8 через плоские пружины 9, которые под действием усилия уплотнения упираются в проточку в седле 4 и обеспечивают его герметизацию.
Особенность уплотнительного диска 3 уплотнительной пары, показанной на рис. 7.3, а, — упругое воздействие иа седло 4 с небольшим осевым усилием.
В уплотнительной паре, показанной на рис. 7.3, д, уплотнительный диск 3 имеет два выступа, объем между которыми откачивается через выполненные в седле 4 каналы, что значительно уменьшает натекание и усилие герметизации. Самоустановка диска 3 отно- : сйтельио седла 4 обеспечивается сферическим шарниром 10.
Как отмечено, сверхвысоковакуумные клапаны для поддержания постоянного усилия герметизации при изменении температуры эксплуатации снабжают компенсирующими элементами, повышающими надежность и увеличивающими срок службы уплотнительных пар. Чаще всего в качестве компенсаторов используют пружины.
подпружиненные седла, пружинные штоки. Пружинные компенсаторы должны иметь пологую упругую характеристику и небольшие размеры, что трудно получить при больших усилиях герметизации.
Недостатки сверхвысоковакуумных клапанных соединений — большие усилия герметизации, малая долговечность, высокая точность изготовления. Этих недостатков можно избежать, используя металлические уплотнители из легкоплавких материалов.
Затворы
Для перекрытия трубопроводе® больших сечений устанавливают затворы, оказывающие минимальное сопротивление потоку откачиваемых газов. Серийно выпускают затворы нескольких типов, предназначенные для использования в вакуумных системах со средним, высоким и сверхвысоким вакуумом.
Вакуумные затворы ЗЭПл (затворы q электромеханическим приводом плоские) предназначены для герметичного перекрытия высоковакуумных систем в диапазоне давлений 105 ... 6.65Х X Ю"6 Па, в интервале условных проходов 100 400 мм (рис. 7.4). Особенность затвора этого типа — пере' меиная кинематическая структура сП*
ЗатворыЗатворыстемы перемещения и уплотнения клапана.
Затворы
Затворы
Клапан 1 перемещается кривошипно- ползунным механизмом 2, уплотняется кулачково-рычажным механизмом, действующим от кулачка 3. Все перемещен ния обеспечивает электромеханический привод 4.
Основные технические характеристики затворов типа ЗЭПл приведены в табл. 7.2.
При перепаде давлений 0,1 МПа Затворы типа ЗЭПл обеспечивают гер
метичность (поток газа через уплотнение заслонки 10~6 Па м8/с) с любой стороны уплотнительного диска. Время срабатывания затвора 7 с.
Конструкция электромеханического привода обеспечивает возможность точного и легкого регулирования усилия герметизации и рассчитана на создание крутящих моментов, необходимых для герметизации эластичного уплотнения.
Затворы этого типа поставляются в исполнении У, категории 4.2
Таблица 7.2
Тип«атвора
Габаритныеразмеры, мм
ЗЭПл-100
ЗЭПл-160
ЗЭПл-250
ЗЭПл-400
100
160
250
400
1,5
5,1
15,0
52,0
330Х245ХХ195
430Х 275ХХ200
635Х 360Х Х225
905Х 500Х Х245
11
17
35
77
(ГОСТ 15150—69) для работы при температуре 281 ...283 К, относительной влажности воздуха 65 ... 80% (при 293 К). Затвор можно эксплуатировать
55
Рис. 7.5. Плоский маятниковый аатвор типа ЗПТ
в средах, не воздействующих иа материал конструкции при вибрации в диапазоне частот до 3 Гц. Затвор ЗЭПл можно использовать в АСУТП.
Затворы ЗПТ (рис. 7.5) предназначены для герметичного перекрытия вакуумных коммуникаций в диапазоне давлений 1-106 ... 6,65-10~7 Па. В корпусе / затвора расположены заслонка 2 и рычажная система, состоящая из рычагов 3, 5, 6, 11. С одной стороны рычажная система заканчивается роликом 4, с другой — роликом, взаимодействующим с копиром 7. Последний связан с приводом карданным шарниром 9 и пружиной 10. При включении электродвигателя 8 начинает вращаться копир 7, происходят разгерметизация затвора и отведение заслонки 2. В крайних положениях привод затвора автоматически отключается сдвоенными конечными выключателями, один из которых подает сигнал на управляющее устройство (например, ЭВМ).
В табл. 7.3 приведены основные технические характеристики затворов типа ЗПТ.
Для перекрытия вакуумных коммуникаций в диапазоне давлений IX X 106 ... 1-10-6 Па применяют затворы типа ЗПП и 23ВЭ, по конструкции во многом идентичные затворам типа ЗПТ. Технические характеристики затворов типа ЗПП приведены в табл. 7.4.
Затвор типа 23ВЭ (рис. 7.6) состоит из корпуса 2, электромеханического привода 7, приводной шток 6 которого снабжен сильфонным узлом (или уплотнением), рычагов 5 и 1, заслонки 12, обоймы 4, втулки 11, в пазах которой расположены шарики 3 и 10. При движении штока привода рычаг 5, вращаясь вокруг оси 9, поворачивает обойму 4. При этом шарики опускают или поднимают заслонку, в результате чего происходит уплотнение или разуплотнение затвора. При дальнейшем движении штока система рычагов поворачивается вокруг оси 8 и отводит заслонку. Закрытие происходит в об- ратном порядке.
Технические характеристики !■ творов типа 23ВЭ приведены в табл.
Параметр
Значеине параметра для ватвора (см. рис. 7.5)
ЗПТ-100
ЗПТ-160
ЭПТ-250
Проводимость (ие менее), м3/с
1,0
1,5
2,5
£>у, мм
Присоединительные разме-
100
160
250
D, мм
130
192
306
d, мм
М8
М8
М10
п
16
20
32
Габаритные размеры (LXBX ХН\ мм
430X 400X 200
518X440X220
690Х 665X265
Масса, кг, ие более
36
57
116,5
Таблица 7.3
, 1 D — диаметр осевой окружности; d и п — диаметр и число крепежных отверстий. s
Примечание. Для всех приведенных в таблице моделей затворов: допускаемый поток натекания в вакуумную полость затвора не более 1,ЗЗХ X 10-10 Па. м3/с; время открытия (закрытия) затвора не более 40 с; максимальная мощность, напряжение и частота для электродвигателя и нагревателя соответственно не более 30 Вт, 380 В и 50 Гц и 2000 Вт, 30 В и 50 Гц; наработка на отказ ие меиее [000 циклов, средний ресурс ие менее 10 000 циклов, среднее время восстановления ие более 8 ч^
Параметр
Значение параметра для затвора
ЗПП-100
ЗПП-160
ЗПП-250
! ЗПП:400
Пу, ММ
Проводимость, М3/с Поток натекания через Уплотнитель, Па-м3/с “Ремя срабатывания, с абарнтиые размеры, мм
^асса, кг
100
1,0
2,2.10-и
2 5 410Х442Х
X 160
20
160 2 5
6,65 ПО"12
2 5
507Х540Х X 170 30
250
15,0
5-10-11
3,0
605Х 670Х
X 152
43
400 46,0 510~u
4,0 785Х 890Х
Х152 ■
78
Таблица 7.4
Примечание. Для всех указанных в таблице типов затворов: привод Злектропневматический; питание постоянным током (24 В); потребляемая мощ- ность 8 Вт; наработка "на отказ 20 000 циклов; средний ресурс 120 тыс. циклон
ПараметрЗначение параметра для затвора23ВЭ-10023ВЭ-16023ВЭ-25023ВЭ-40023ВЭ-630100160250400630Поток натекания, Па-м*/с2,66- КГ72,66-10-74-10-’8-10-’6,6-10-‘Проводимость (пс^ возду-1,23,3413,446,25146,0ху), м3/сВремя срабатывания, с-1515253055460 gПотребляемая мощность, Вт63100,100200Присоединительные размеры (см. рис. 7.6):145210300455695 "ммМ10М10М12М16М16488812Габаритные размеры, мм ;570 X Х290Х660ХX 370Х780ХХ510Х1400ХХ750Х1890Х хнзохX 100X 100X 140X 160Х200Масса, кг172246115350ПараметрЗначение параметра для затвора23ВЭ-10023ВЭ-16023ВЭ-25023ВЭ-40023ВЭ-630100160250400630Поток натекания, Па-м*/с2,66- КГ72,66-10-74-10-’8-10-’6,6-10-‘Проводимость (пс^ возду-1,23,3413,446,25146,0ху), м3/сВремя срабатывания, с-1515253055460 gПотребляемая мощность, Вт63100,100200Присоединительные размеры (см. рис. 7.6):145210300455695 "ммМ10М10М12М16М16488812Габаритные размеры, мм ;570 X Х290Х660ХX 370Х780ХХ510Х1400ХХ750Х1890Х хнзохX 100X 100X 140X 160Х200Масса, кг172246115350Таблица 7.5Таблица 7.5t:t:Примечание. Для всех указанных в таблице типов затворов: иапрЯ" жеиие 220/380 В, средний ресурс 3200 циклов.Примечание. Для всех указанных в таблице типов затворов: иапрЯ" жеиие 220/380 В, средний ресурс 3200 циклов.Рис. 7.7. вакуумный клапан типа КПУРис. 7.7. вакуумный клапан типа КПУУгловые клапаны типа КВУМ (клапан вакуумный угловой магнитный) с электромагнитным приводом предназначены для работы в том же диапазоне давлений, что и клапаны типаУгловые клапаны типа КВУМ (клапан вакуумный угловой магнитный) с электромагнитным приводом предназначены для работы в том же диапазоне давлений, что и клапаны типаПараметрЗиачеине параметра для клапанаКПУ-25ЛКПУ-40Л -КПУ-63Л^у» ММПроводимость в молекулярном режиме (не менее), м3/с25 0,01640 0,03063 0,045бремя срабатывания, с, не более0,20,30,51 абаритные размеры, мм170Х75Х195Х90Х245Х 135Х^асса, кг, не болееХ2102,2X 2603,6■X 3557,5ПараметрЗиачеине параметра для клапанаКПУ-25ЛКПУ-40Л -КПУ-63Л^у» ММПроводимость в молекулярном режиме (не менее), м3/с25 0,01640 0,03063 0,045бремя срабатывания, с, не более0,20,30,51 абаритные размеры, мм170Х75Х195Х90Х245Х 135Х^асса, кг, не болееХ2102,2X 2603,6■X 3557,5Таблица 7.6Таблица 7.6
Параметр
Значение параметра для затвора
23ВЭ-100
23ВЭ-160
23ВЭ-250
23ВЭ-400
23ВЭ-630
100
160
250
400
630
Поток натекания, Па-м*/с
2,66- КГ7
2,66-10-7
4-10-’
8-10-’
6,6-10-‘
Проводимость (пс^ возду-
1,2
3,34
13,4
46,25
146,0
ху), м3/с
Время срабатывания, с-
15
15
25
30
55
460 g
Потребляемая мощность, Вт
63
100,
100
200
Присоединительные размеры (см. рис. 7.6):
145
210
300
455
695 "
мм
М10
М10
М12
М16
М16
4
8
8
8
12
Габаритные размеры, мм ;
570 X Х290Х
660Х
X 370Х
780Х
Х510Х
1400Х
Х750Х
1890Х хнзох
X 100
X 100
X 140
X 160
Х200
Масса, кг
17
22
46
115
350
Параметр
Значение параметра для затвора
23ВЭ-100
23ВЭ-160
23ВЭ-250
23ВЭ-400
23ВЭ-630
100
160
250
400
630
Поток натекания, Па-м*/с
2,66- КГ7
2,66-10-7
4-10-’
8-10-’
6,6-10-‘
Проводимость (пс^ возду-
1,2
3,34
13,4
46,25
146,0
ху), м3/с
Время срабатывания, с-
15
15
25
30
55
460 g
Потребляемая мощность, Вт
63
100,
100
200
Присоединительные размеры (см. рис. 7.6):
145
210
300
455
695 "
мм
М10
М10
М12
М16
М16
4
8
8
8
12
Габаритные размеры, мм ;
570 X Х290Х
660Х
X 370Х
780Х
Х510Х
1400Х
Х750Х
1890Х хнзох
X 100
X 100
X 140
X 160
Х200
Масса, кг
17
22
46
115
350
Таблица 7.5
Таблица 7.5
t:
t:
Примечание. Для всех указанных в таблице типов затворов: иапрЯ" жеиие 220/380 В, средний ресурс 3200 циклов.
Примечание. Для всех указанных в таблице типов затворов: иапрЯ" жеиие 220/380 В, средний ресурс 3200 циклов.
Рис. 7.7. вакуумный клапан типа КПУ
Рис. 7.7. вакуумный клапан типа КПУ
Угловые клапаны типа КВУМ (клапан вакуумный угловой магнитный) с электромагнитным приводом предназначены для работы в том же диапазоне давлений, что и клапаны типа
Угловые клапаны типа КВУМ (клапан вакуумный угловой магнитный) с электромагнитным приводом предназначены для работы в том же диапазоне давлений, что и клапаны типа
Параметр
Зиачеине параметра для клапана
КПУ-25Л
КПУ-40Л -
КПУ-63Л
^у» ММ
Проводимость в молекулярном режиме (не менее), м3/с
25 0,016
40 0,030
63 0,045
бремя срабатывания, с, не более
0,2
0,3
0,5
1 абаритные размеры, мм
170Х75Х
195Х90Х
245Х 135Х
^асса, кг, не более
Х210
2,2
X 260
3,6■
X 355
7,5
Параметр
Зиачеине параметра для клапана
КПУ-25Л
КПУ-40Л -
КПУ-63Л
^у» ММ
Проводимость в молекулярном режиме (не менее), м3/с
25 0,016
40 0,030
63 0,045
бремя срабатывания, с, не более
0,2
0,3
0,5
1 абаритные размеры, мм
170Х75Х
195Х90Х
245Х 135Х
^асса, кг, не более
Х210
2,2
X 260
3,6■
X 355
7,5
Таблица 7.6
Таблица 7.6
Клапаны
Для герметичного перекрытия вакуумных коммуникаций при давлении Ю-4...6,55-10"11 Па широко применяют вакуумные клапаны различных типов, серийно выпускаемые отечественной промышленностью. На рис. 7.7 показан угловой клапан типа КПУ (клапан пневматический угловой) с электро- пневматическим приводом для герметичного перекрытия коммуникаций при давлении 10—“...10-4 Па.
При открытии клапана через электромагнитное золотниковое устройство 9 поступает сжатый воздух, который, воздействуя на поршень 2 цилиндра 3, поднимает диск 7 с уплотняющей резиновой прокладкой 8. В крайнем положении штока 4, герметично уплотненного сильфоном 6, конечный выключатель 1 подает сигнал об открытии клапана. Для закрытия клапана подается ток на устройство 9, которое выпускает сжатый воздух, и шток 4 с диском 7 под воздействием пружины 5 опускается, герметично уплотняя прокладкой 8 седло клапана.
В табл. 7.6 приведены технические характеристики клапанов типа КНУ-
Электропневматический привод обеспечивает работу клапанов типа КПУ в любом пространственном положении.
Примечание. Для всех указанных в таблице клапанов: допускаемый Перепад давлений не более 10е Па; допускаемый поток натекания через уплотнитель 5-10~10 Па-м3/с; максимальная потребляемая мощность 7,2 и 12.7 Вт пРи напряжении постоянного тока соответственно 24 и 127 В; напряжение переменного тока. 220 В; наработка на отказ не менее 1000 циклов; среднее время Установления не более 5 ч; средний ресурс не менее 100 000 циклов.
ПараметрЗначение параметра для клапанаКВУМ-16ЛКВ УМ-25 ЛКВУМ-40ЛКВ УМ-63 лОу, ммДопускаемый поток нате-162540631,33-10-».. Ы0-«МО"» ...1,33-io-8кания во внутреннюю по-лость клапана при воздействии перепада давления в направлении разгерметизации (открытия) запор-ной пары, Па-м3/с/Время, с, (ие более):0, 0,080, 0,12150,12открытия закрытия10.1Сила тока электромагнита, А, не более:5,3, 0,46,80,5 109,5 0,7 10при пускепри удержании4,00,3Допускаемое число цик-1715лов в минусу, ие более16Ход уплотнительного диска, мм, не менее Наработкаи аотказ,725117,53015тыс. циклов, ие меиее Ресурс, тыс. циклов, ие30025015075менееГабаритные размеры, мм105Х 55Х X 160125Х70Х X 190145Х90Х Х230185Х 120Х Х310Масса, кг1,22,4513ПараметрЗначение параметра для клапанаКВУМ-16ЛКВ УМ-25 ЛКВУМ-40ЛКВ УМ-63 лОу, ммДопускаемый поток нате-162540631,33-10-».. Ы0-«МО"» ...1,33-io-8кания во внутреннюю по-лость клапана при воздействии перепада давления в направлении разгерметизации (открытия) запор-ной пары, Па-м3/с/Время, с, (ие более):0, 0,080, 0,12150,12открытия закрытия10.1Сила тока электромагнита, А, не более:5,3, 0,46,80,5 109,5 0,7 10при пускепри удержании4,00,3Допускаемое число цик-1715лов в минусу, ие более16Ход уплотнительного диска, мм, не менее Наработкаи аотказ,725117,53015тыс. циклов, ие меиее Ресурс, тыс. циклов, ие30025015075менееГабаритные размеры, мм105Х 55Х X 160125Х70Х X 190145Х90Х Х230185Х 120Х Х310Масса, кг1,22,4513Таблица 7.7Таблица 7.7Примечание. Для всех указанных в таблице типов клапанов: среднее время восстановления не более 2 ч; средний србк службы не менее 10 лет.Примечание. Для всех указанных в таблице типов клапанов: среднее время восстановления не более 2 ч; средний србк службы не менее 10 лет.Рис. 7.8. Клапан типа КВУмРис. 7.8. Клапан типа КВУмРис.' 7.8. Присоединительные размеры клапанов типа КВРРис.' 7.8. Присоединительные размеры клапанов типа КВРРис. 7.10. Присоединительные размеры клапанов типа КВМРис. 7.10. Присоединительные размеры клапанов типа КВМ
Параметр
Значение параметра для клапана
КВУМ-16Л
КВ УМ-25 Л
КВУМ-40Л
КВ УМ-63 л
Оу, мм
Допускаемый поток нате-
16
25
40
63
1,33-10-»
.. Ы0-«
МО"» ...
1,33-io-8
кания во внутреннюю по-
лость клапана при воздействии перепада давления в направлении разгерметизации (открытия) запор-
ной пары, Па-м3/с
/
Время, с, (ие более):
0, 0,08
0, 0,12
15
0,12
открытия закрытия
1
0.1
Сила тока электромагнита, А, не более:
5,3
, 0,4
6,8
0,5 10
9,5 0,7 10
при пуске
при удержании
4,0
0,3
Допускаемое число цик-
17
15
лов в минусу, ие более
16
Ход уплотнительного диска, мм, не менее Наработкаи аотказ,
7
25
11
7,5
30
15
тыс. циклов, ие меиее Ресурс, тыс. циклов, ие
300
250
150
75
менее
Габаритные размеры, мм
105Х 55Х X 160
125Х70Х X 190
145Х90Х Х230
185Х 120Х Х310
Масса, кг
1,2
2,4
5
13
Параметр
Значение параметра для клапана
КВУМ-16Л
КВ УМ-25 Л
КВУМ-40Л
КВ УМ-63 л
Оу, мм
Допускаемый поток нате-
16
25
40
63
1,33-10-»
.. Ы0-«
МО"» ...
1,33-io-8
кания во внутреннюю по-
лость клапана при воздействии перепада давления в направлении разгерметизации (открытия) запор-
ной пары, Па-м3/с
/
Время, с, (ие более):
0, 0,08
0, 0,12
15
0,12
открытия закрытия
1
0.1
Сила тока электромагнита, А, не более:
5,3
, 0,4
6,8
0,5 10
9,5 0,7 10
при пуске
при удержании
4,0
0,3
Допускаемое число цик-
17
15
лов в минусу, ие более
16
Ход уплотнительного диска, мм, не менее Наработкаи аотказ,
7
25
11
7,5
30
15
тыс. циклов, ие меиее Ресурс, тыс. циклов, ие
300
250
150
75
менее
Габаритные размеры, мм
105Х 55Х X 160
125Х70Х X 190
145Х90Х Х230
185Х 120Х Х310
Масса, кг
1,2
2,4
5
13
Таблица 7.7
Таблица 7.7
Примечание. Для всех указанных в таблице типов клапанов: среднее время восстановления не более 2 ч; средний србк службы не менее 10 лет.
Примечание. Для всех указанных в таблице типов клапанов: среднее время восстановления не более 2 ч; средний србк службы не менее 10 лет.
Рис. 7.8. Клапан типа КВУм
Рис. 7.8. Клапан типа КВУм
Рис.' 7.8. Присоединительные размеры клапанов типа КВР
Рис.' 7.8. Присоединительные размеры клапанов типа КВР
Рис. 7.10. Присоединительные размеры клапанов типа КВМ
Рис. 7.10. Присоединительные размеры клапанов типа КВМ
КПУ. Особенность клапанов типа КВУМ — высокое быстродействие; их основные технические характеристики приведены в табл. 7.7.
Клапан типа КВУМ (рис. 7.8) состоит из корпуса 6, соединеииого через уплотнительную прокладку 7 с корпусом 10 электромагнита 9. На якоре 8 электромагнита закреплены уплотнительный диск 3 и уплотнитель 4. Между торцами корпуса, электромагнита и диска 3 размещена возвратная пружина 5. В корпусе 6 установлено седло 2, герметично уплотненное прокладкой 1. Для контроля положения клапана в электромагните размещен магнито- управляемый контакт.
При открывании клапана иа катушку электромагнита 9 подается импульс пускового напряжения, и якорь 8 с
уплотнительным диском 3 поднимается, сжимая пружину 5. Затем пусковое напряжение автоматически снижается до величины, достаточной для удержания якоря в открытом положении клапана. Закрытие клапана происходит при отключении электромагнита. При этом пружина 5 прижимает якорь с диском к седлу 2 усилием, необходимым для герметизации.
Для герметичного перекрытия вакуумных систем при давлении 1 • 10'6-.. 10е Па используют малогабаритные угловые клапаны с ручным," электро- магнитным и электромеханическим управлением (соответственно типа КВР, КВМ и КВЭ). Эти клапаны 9 принципе аналогичны по конструкция клапанам типа КПУ (см. -рис. 7.7).
Технические характеристики клала-
нов типа КВР, КВМ и КВЭ приведены соответственно в табл. 7.8, 7.9, 7.10, присоединительные размеры — иа рис. 7.9—7.11 и в табл. 7.11.
Универсальные вакуумные клапаны типа КЭУи (рис. 7.12) (клапан электромеханический универсальный) с электромеханическим приводом и системой автоматики 2 имеют комбинированный (прямой и угловой) проход и предназначены для герметичного перекрытия вакуумных систем при давлении 106... 1,3.1о~ьПа. Принцип действия клапанов этого типа состоит в следующем. На больших, перемещениях при откры- и закрытии проходных отверстий Для ускорения срабатывания быстро ПеРемещается уплотнительный диск (реализуется механизм с передаточным отношением, "равным 1); и а малых пере-
6 П/р В. С. Фролова
мещениях при герметизации уплотнительной пары для выигрыша в силе реализуется механизм с возможно меньшим передаточным отношением.
В корпус 5 с проходными отверстиями а через ввод вращения 3, размещенный в крышке 4, герметично введена ось 7 с кулачком 6, который через ролик 11 воздействует иа уплотнительный диск 10 с прокладкой 9. При открытии или закрытии проходного отверстия a ролик 11 находится во впадине кулачка 6, образуя фиксированное соединение уплотнительного диска с кулачком. В этом случае на угле поворота 90°, необходимом для закрытия или открытия проходного отверстия, привод непосредственно воздействует на диск 10. Передаточное число механизма клапана равно 1.
Т а б л и ц а 7.11
Параметр
Значение параметра для клапана
КВР-25
КВР-63
КВР-100
Ру, мм
Габаритные размеры, мм
Масса, кг
25 40X50X105 ' 0,65
63
95Х 90Х 200
3,8
100 130X110X250 6,5
Т а б л и ц а 7.8
Примечание. Для указанных в таблице типов клапанов: поток натекания ие более 7,5-10-8 Па-м3/с; наработка иа отказ 20 000 циклов; средний ресурс 100 000 циклов.
Размер
Диаметр присоединительного фланца D
Расстояние от оси клапана до плоскости фланца Li
Значение, мм, размера для клапана(см. рис. 7.9—7.11)
40 95
50 90
130
ПО
mга
XК
70
50
120
90
40
50
95
90
130
НО
ПараметрЗначения параметра для клапанаКВМ-25КВМ-63Ру, ММкПроводимость по воздуху, м3/с25630,01420,0148Габаритные раз-87Х150Хмеры, ммХ67ХХ86ХХ225ХЗООМасса, кг с2,05,2ПараметрЗначения параметра для клапанаКВМ-25КВМ-63Ру, ММкПроводимость по воздуху, м3/с25630,01420,0148Габаритные раз-87Х150Хмеры, ммХ67ХХ86ХХ225ХЗООМасса, кг с2,05,2Таблица 7.9Таблица 7.9Рве. 7.11. Присоединительные размеры клапанов типа КВЭРве. 7.11. Присоединительные размеры клапанов типа КВЭПараметрЗначение параметра для клапанаКВЭ-25квэ-езКВЭ-100£>у, ммВремя срабатывания, с Потребляемая мощность, Вт Габаритные размеры, мм Масса, кг25325 110X40X260 3,263525 155X95X3255,2100860 200Х 130X450 11,6ПараметрЗначение параметра для клапанаКВЭ-25квэ-езКВЭ-100£>у, ммВремя срабатывания, с Потребляемая мощность, Вт Габаритные размеры, мм Масса, кг25325 110X40X260 3,263525 155X95X3255,2100860 200Х 130X450 11,6Таблица 7.10Таблица 7.10Примечание. Для указанных в таблице клапанов: поток натекания не более 7,5- Ю-8 Па-м®/с, напряжение 380 В; наработка иа отказ 10 000 циклов, средний ресурс 50 циклов.Примечание. Для указанных в таблице клапанов: поток натекания не более 7,5- Ю-8 Па-м®/с, напряжение 380 В; наработка иа отказ 10 000 циклов, средний ресурс 50 циклов.87^**с- 7.12. Вакуумный клапан типа КЭУн87^**с- 7.12. Вакуумный клапан типа КЭУн6*6*Клапан2 2>» QСО оГабаритные размеры, мм6е8 $КЭУи-25250,02124Х 112Х X 1812,3КЭУи-40400,07127Х 112Х Х1862,4КЭУи-63630,19190Х225Х Х2007,5Клапан2 2>» QСО оГабаритные размеры, мм6е8 $КЭУи-25250,02124Х 112Х X 1812,3КЭУи-40400,07127Х 112Х Х1862,4КЭУи-63630,19190Х225Х Х2007,5Таблица 7.12Таблица 7.12
Параметр
Значения параметра для клапана
КВМ-25
КВМ-63
Ру, ММк
Проводимость по воздуху, м3/с
25
63
0,0142
0,0148
Габаритные раз-
87Х
150Х
меры, мм
Х67Х
Х86Х
Х225
ХЗОО
Масса, кг с
2,0
5,2
Параметр
Значения параметра для клапана
КВМ-25
КВМ-63
Ру, ММк
Проводимость по воздуху, м3/с
25
63
0,0142
0,0148
Габаритные раз-
87Х
150Х
меры, мм
Х67Х
Х86Х
Х225
ХЗОО
Масса, кг с
2,0
5,2
Таблица 7.9
Таблица 7.9
Рве. 7.11. Присоединительные размеры клапанов типа КВЭ
Рве. 7.11. Присоединительные размеры клапанов типа КВЭ
Параметр
Значение параметра для клапана
КВЭ-25
квэ-ез
КВЭ-100
£>у, мм
Время срабатывания, с Потребляемая мощность, Вт Габаритные размеры, мм Масса, кг
25
3
25 110X40X260 3,2
63
5
25 155X95X325
5,2
100
8
60 200Х 130X450 11,6
Параметр
Значение параметра для клапана
КВЭ-25
квэ-ез
КВЭ-100
£>у, мм
Время срабатывания, с Потребляемая мощность, Вт Габаритные размеры, мм Масса, кг
25
3
25 110X40X260 3,2
63
5
25 155X95X325
5,2
100
8
60 200Х 130X450 11,6
Таблица 7.10
Таблица 7.10
Примечание. Для указанных в таблице клапанов: поток натекания не более 7,5- Ю-8 Па-м®/с, напряжение 380 В; наработка иа отказ 10 000 циклов, средний ресурс 50 циклов.
Примечание. Для указанных в таблице клапанов: поток натекания не более 7,5- Ю-8 Па-м®/с, напряжение 380 В; наработка иа отказ 10 000 циклов, средний ресурс 50 циклов.
87
^**с- 7.12. Вакуумный клапан типа КЭУн
87
^**с- 7.12. Вакуумный клапан типа КЭУн
6*
6*
Клапан
2 2
>» Q
С
О о
Габаритные размеры, мм
6
е
8 $
КЭУи-25
25
0,02
124Х 112Х X 181
2,3
КЭУи-40
40
0,07
127Х 112Х Х186
2,4
КЭУи-63
63
0,19
190Х225Х Х200
7,5
Клапан
2 2
>» Q
С
О о
Габаритные размеры, мм
6
е
8 $
КЭУи-25
25
0,02
124Х 112Х X 181
2,3
КЭУи-40
40
0,07
127Х 112Х Х186
2,4
КЭУи-63
63
0,19
190Х225Х Х200
7,5
Таблица 7.12
Таблица 7.12
Примечание. Для указанных в таблице клапанов: поток натекания 1,33-10~7 ... 1,33-10“’ Па-м3/с; время срабатывания 0,5 с: напряжение, частота и сила тока электромагнита 220 В, 50 Гц, 9 А (при открытии); ресурс 32 000 циклов.
При уплотнении пары прокладка 9—уплотнительная поверхность корпуса 5 поворот системы кулачок 6 — диск 10 ограничен взаимодействием штыря 8 с прямым пазом б в крышке; поэтому вращение вала 1 приводит к выходу ролика 11 нз впадины кулачка. Поднимаясь по профилю кулачка, ролик перемещает диск 10 поступательно вдоль оси от проходного отверстия а, уплотняя его резиновой прокладкой 9.
Таким образом, в области уплотнения или разуплотнения между осью 7 и диском 10 реализуется кулачковый механизм, который обеспечивает передаточное отношение, необходимое для герметизации уплотнительной пары.
В табл. 7.12 приведены основные технические характеристики клапанов типа КЭУн. Средний ресурс клапанов типа КЭУн не менее 20 тыс. циклов при сохранении герметичности. Натекание через уплотнительный диск менее Ю^Па-м^с при перепаде давлений 0,1 МПа с любой стороны от уплотнительного диска.
Электромеханический привод позволяет располагать клапаны в любом положении в пространстве. Уплотнение ввода вращения позволяет применять клапаны в системах с регламентированным составом остаточной газовой среды. В клапанах можно использовать также уплотнительные прокладки, допускающие прогрев.
Для герметичного перекрытия сверхвысоковакуумных систем при давлении
Примечание. Время срабатывания 5 с.
Рис. 7.14. Сверхвысоковакуумный клапан типа КЭУТ: / — электродвигатель; 2 — червячное колесо; 3 — конечные выключатели; 4 — гайка; 5 — корпус; 6 ~ клапан; 7 — сильфон; 8 — шток клапанаРис. 7.14. Сверхвысоковакуумный клапан типа КЭУТ: / — электродвигатель; 2 — червячное колесо; 3 — конечные выключатели; 4 — гайка; 5 — корпус; 6 ~ клапан; 7 — сильфон; 8 — шток клапана
Рис. 7.14. Сверхвысоковакуумный клапан типа КЭУТ: / — электродвигатель; 2 — червячное колесо; 3 — конечные выключатели; 4 — гайка; 5 — корпус; 6 ~ клапан; 7 — сильфон; 8 — шток клапана
Рис. 7.14. Сверхвысоковакуумный клапан типа КЭУТ: / — электродвигатель; 2 — червячное колесо; 3 — конечные выключатели; 4 — гайка; 5 — корпус; 6 ~ клапан; 7 — сильфон; 8 — шток клапана
Ю5...6,65- 10-10Па используют угловые клапаны типа ТРУ с ручным управлением и КЭУТ с электромеханическим приводом. .
Конструкция клапана типа ТРУ (термостойкий ручной угловой) показана на рис. 7.13. В корпусе 1 расположен клапан 2, шарнирно установленный на приводном штоке 6 через замко- в°е соединение; последнее состоит из опоры 3, промежуточной шайбы 4 и крышки 5.
Шток связан с червячным редуктором. Гайка 10 связана с блоком тарель- атых пружин и штоком индикатора № рисунке не показан) положения
заслонки' 2. Для герметизации приводного штока 6 предназначен сильфон 7.
Клапан работает следующим образом. Червяк 11, вращаемый рукояткой, воздействует на червячное колесо 9 и гайку 10 и перемещает шток 6 с клапаном 2 в направляющей втулке 8 до тех пор, пока в зоне контакта клапана 2 и седла корпуса не будет создано необходимое для герметизации усилие. При этом блок тарельчатых пружин деформируется на величину, соответствующую усилию герметизации, а шток индикатора показывает положение «герметично».
Параметр10ТРУ15ТРУ25ТРУ60ТРУ100тр^Ру, ммПроводимость (по воздуху), м3/сГабаритные размеры, ммМасса, кгПримечание. Для ;время срабатывании 10 ... 15В отличие от рассмотренных типа КЭУТ (рис. 7.14) имеют10 0,00183Х Х58Х Х124 2указанных с.клапаны электро-15 0,002310ХX 105ХX 1406в таблицетуры,щНИИ до т25 0,0045ЗЗОХ Х112Х Х1758клапанов:югреваемо емператур50 0,024 ч480ХX 140Х Х20014ресурс 7Ей в закрыт я 723...793«я658Х РX 320X1 sX 270,443 1>0 цикле•ом состоя-К, рацио-Параметр10ТРУ15ТРУ25ТРУ60ТРУ100тр^Ру, ммПроводимость (по воздуху), м3/сГабаритные размеры, ммМасса, кгПримечание. Для ;время срабатывании 10 ... 15В отличие от рассмотренных типа КЭУТ (рис. 7.14) имеют10 0,00183Х Х58Х Х124 2указанных с.клапаны электро-15 0,002310ХX 105ХX 1406в таблицетуры,щНИИ до т25 0,0045ЗЗОХ Х112Х Х1758клапанов:югреваемо емператур50 0,024 ч480ХX 140Х Х20014ресурс 7Ей в закрыт я 723...793«я658Х РX 320X1 sX 270,443 1>0 цикле•ом состоя-К, рацио-Таблица 7.13Таблица 7.13Значение параметра для клапанаЗначение параметра для клапана••ПараметрЗиачеиае параметра для клапанаКЭУТ 25-1КЭУТ 50-1КЭУТ 100-^Dy, мм'2550100Проводимость (по воздуху).0,0180,094-0,3Времи срабатывания, с3055■65Потребляемая мощность, Вт6070250Габаритные размеры, мм180X424X380180Х 390Х 235270X 519 X 500Масса, кг22,323,552,8••ПараметрЗиачеиае параметра для клапанаКЭУТ 25-1КЭУТ 50-1КЭУТ 100-^Dy, мм'2550100Проводимость (по воздуху).0,0180,094-0,3Времи срабатывания, с3055■65Потребляемая мощность, Вт6070250Габаритные размеры, мм180X424X380180Х 390Х 235270X 519 X 500Масса, кг22,323,552,8Таблица 7.14Таблица 7.14Примечание. Дли указанных в таблице клапанов: поток натекания ие более 6,6-10"12 Па-м’/с; напряжение 220/380 В; наработка на отказ 2000 ни*' лов; средний ресурс 20 000 циклов.Примечание. Дли указанных в таблице клапанов: поток натекания ие более 6,6-10"12 Па-м’/с; напряжение 220/380 В; наработка на отказ 2000 ни*' лов; средний ресурс 20 000 циклов.Рис. 7.15. Сверхвысоковакуумный клапан ' типа КРУЛПРис. 7.15. Сверхвысоковакуумный клапан ' типа КРУЛПРнс. 7.16. НатекательРнс. 7.16. Натекатель
Параметр
10ТРУ
15ТРУ
25ТРУ
60ТРУ
100тр^
Ру, мм
Проводимость (по воздуху), м3/с
Габаритные размеры, мм
Масса, кг
Примечание. Для ;
время срабатывании 10 ... 15
В отличие от рассмотренных типа КЭУТ (рис. 7.14) имеют
10 0,001
83Х Х58Х Х124 2
указанных с.
клапаны электро-
15 0,002
310Х
X 105Х
X 140
6
в таблице
туры,щ
НИИ до т
25 0,0045
ЗЗОХ Х112Х Х175
8
клапанов:
югреваемо емператур
50 0,024 ч
480Х
X 140Х Х200
14
ресурс 7Е
й в закрыт я 723...793
«я
658Х Р
X 320X1 s
X 270,4
43 1
>0 цикле
•ом состоя-
К, рацио-
Параметр
10ТРУ
15ТРУ
25ТРУ
60ТРУ
100тр^
Ру, мм
Проводимость (по воздуху), м3/с
Габаритные размеры, мм
Масса, кг
Примечание. Для ;
время срабатывании 10 ... 15
В отличие от рассмотренных типа КЭУТ (рис. 7.14) имеют
10 0,001
83Х Х58Х Х124 2
указанных с.
клапаны электро-
15 0,002
310Х
X 105Х
X 140
6
в таблице
туры,щ
НИИ до т
25 0,0045
ЗЗОХ Х112Х Х175
8
клапанов:
югреваемо емператур
50 0,024 ч
480Х
X 140Х Х200
14
ресурс 7Е
й в закрыт я 723...793
«я
658Х Р
X 320X1 s
X 270,4
43 1
>0 цикле
•ом состоя-
К, рацио-
Таблица 7.13
Таблица 7.13
Значение параметра для клапана
Значение параметра для клапана
••
Параметр
Зиачеиае параметра для клапана
КЭУТ 25-1
КЭУТ 50-1
КЭУТ 100-^
Dy, мм'
25
50
100
Проводимость (по воздуху).
0,018
0,094
-0,3
Времи срабатывания, с
30
55
■65
Потребляемая мощность, Вт
60
70
250
Габаритные размеры, мм
180X424X380
180Х 390Х 235
270X 519 X 500
Масса, кг
22,3
23,5
52,8
••
Параметр
Зиачеиае параметра для клапана
КЭУТ 25-1
КЭУТ 50-1
КЭУТ 100-^
Dy, мм'
25
50
100
Проводимость (по воздуху).
0,018
0,094
-0,3
Времи срабатывания, с
30
55
■65
Потребляемая мощность, Вт
60
70
250
Габаритные размеры, мм
180X424X380
180Х 390Х 235
270X 519 X 500
Масса, кг
22,3
23,5
52,8
Таблица 7.14
Таблица 7.14
Примечание. Дли указанных в таблице клапанов: поток натекания ие более 6,6-10"12 Па-м’/с; напряжение 220/380 В; наработка на отказ 2000 ни*' лов; средний ресурс 20 000 циклов.
Примечание. Дли указанных в таблице клапанов: поток натекания ие более 6,6-10"12 Па-м’/с; напряжение 220/380 В; наработка на отказ 2000 ни*' лов; средний ресурс 20 000 циклов.
Рис. 7.15. Сверхвысоковакуумный клапан ' типа КРУЛП
Рис. 7.15. Сверхвысоковакуумный клапан ' типа КРУЛП
Рнс. 7.16. Натекатель
Рнс. 7.16. Натекатель
механический привод и усовершенствованную конструкцию уплотнительной пары. Для уменьшения усилия герметизации седло корпуса имеет режущую кромку, которая под действием усилия герметизации врезается в нижний диск клапана. Наличие конечных выключателей позволяет использовать клапаны типа КЭУТ в автоматизированном оборудовании.
Основные технические характеристики клапанов типа ТРУ и КЭУТ приведены в табл. 7.13 и 7.14.
Для герметизации высоконадежной сверхвысоковакуумиой запорной арма-
нально использовать узлы уплотнений из легкоплавкого металла, принцип действия которых основан на эффекте разрушения оксидной пленки методом гидростатического давления (см. гл. 5). С использованием узла уплотнения этого типа в запорной арматуре созданы параметрические ряды сверхвысоковакуумных клапанов на Dy 25; 100; 160 и 400 мм и плоские затворы на Ру 100 и 200 мм.
Угловой клапан КРУЛП-160 с ручным приводом (рис. 7.15) состоит из корпуса 1 с фланцами, внутри которого расположена ванна 2. Снаружи корпус
снабжен системами нагрева 3 и охлаждения 4. Клапан перемещается центральным винтом 5, связанным с рукояткой 6 ручного привода. Герметизацию ввода движения обеспечивает сильфон 7.
Натекателн
При работе с газоанализаторами, Испытаниях вакуумной аппаратуры, а также для технологических целей Часто требуется плавное регулирование Давления рабочего газа. Это необходимо, например, для эффективной и качественной очистки подложек в тлеющем разряде, прн проведении процес-' са катодного распыления и др. В этих случаях применяют натекателн.
Одна из конструкций натекатели Показана на рис. 7.16 Клапан 1 натекатели изготовлен из стали 40X13 в
виде длинной конической иглы. Шероховатость конической поверхности клапана соответствует Нг 2,5. Герметичность обеспечивается плотным прилеганием клапана к конической поверхности седла 8, изготовленного из более мягкого материала (фторопласт, медь, сталь 12Х18Н10Т). При медленном повороте головки 2 игла перемещается i и. результате поступательного движения штока 4 в резьбе гайки 3. Таким образом плавно регулируется зазор между иглой и седлом и соответственно поток газа, пропускаемого натекателем. Для компенсации мертвого хода в конструкции натекатели предусмотрена пружина 5, исключающая влияний зазора в резьбе на точность перемещения штока и обеспечивающая плавность его движения в осевом направлении. Соосность иглы и седла, необходимаи для плавного регулирования, обеспечивается установкой шайбы 7, в которой расположено седло. Со стороны атмосферы натекатель имеет фильтр 6, установленный на патрубке подачи газа в рабочую камеру.
Серийно выпускают несколько типов натекателей: НДЗ; НЭТ; НМБ-1; НК-2Р; НРП-1,6; в табл. 7.15 приве-
Нате КетельПриводПоток натекания, Па- м’/сСредний ресурс, циклГабаритные равмерц,- мм1ТипНапряжение, В (частота, Гц)ндзКомбинированный (руч-127 (50)1,3.10"» ...1000380Х 84ХX 1827,25'НЭТной и электромеханический)127 (50)6,65-10~»250293Х 233ХХ1035,00НМБ-1Электромагнитный24—10425070Х 40Х 80232X83X830,352,50НК-2Р;НРП-1,6Ручной—1,3.10-» ...66,5-10-»10460X30X800,20Нате КетельПриводПоток натекания, Па- м’/сСредний ресурс, циклГабаритные равмерц,- мм1ТипНапряжение, В (частота, Гц)ндзКомбинированный (руч-127 (50)1,3.10"» ...1000380Х 84ХX 1827,25'НЭТной и электромеханический)127 (50)6,65-10~»250293Х 233ХХ1035,00НМБ-1Электромагнитный24—10425070Х 40Х 80232X83X830,352,50НК-2Р;НРП-1,6Ручной—1,3.10-» ...66,5-10-»10460X30X800,20Т а б л и ц а 7.15Т а б л и ц а 7.15рис. 7.18. Схема диффузионного иате- кателярис. 7.18. Схема диффузионного иате- кателя
Нате Кетель
Привод
Поток натекания, Па- м’/с
Средний ресурс, цикл
Габаритные равмерц,- мм
1
Тип
Напряжение, В (частота, Гц)
ндз
Комбинированный (руч-
127 (50)
1,3.10"» ...
1000
380Х 84Х
X 182
7,25'
НЭТ
ной и электромеханический)
127 (50)
6,65-10~»
250
293Х 233Х
Х103
5,00
НМБ-1
Электромагнитный
24
—
104
250
70Х 40Х 80
232X83X83
0,35
2,50
НК-2Р;
НРП-1,6
Ручной
—
1,3.10-» ...
66,5-10-»
104
60X30X80
0,20
Нате Кетель
Привод
Поток натекания, Па- м’/с
Средний ресурс, цикл
Габаритные равмерц,- мм
1
Тип
Напряжение, В (частота, Гц)
ндз
Комбинированный (руч-
127 (50)
1,3.10"» ...
1000
380Х 84Х
X 182
7,25'
НЭТ
ной и электромеханический)
127 (50)
6,65-10~»
250
293Х 233Х
Х103
5,00
НМБ-1
Электромагнитный
24
—
104
250
70Х 40Х 80
232X83X83
0,35
2,50
НК-2Р;
НРП-1,6
Ручной
—
1,3.10-» ...
66,5-10-»
104
60X30X80
0,20
Т а б л и ц а 7.15
Т а б л и ц а 7.15
рис. 7.18. Схема диффузионного иате- кателя
рис. 7.18. Схема диффузионного иате- кателя
дены их основные технические каракте- ри стики.
Широко распространенный вакуумный натекатель НРП-1,6 (рис. 7.17) с ручной подстройкой предназначен для плавного регулирования потока газа в вакуумную среду при давлении 106...10~4na. Натекатель можно эксплуатировать при любом положении в пространстве в средах, не воздействующих на материал конструкции, при температуре не выше 333 К.
Допускаемый перепад давлений при открытии натекателя не более 106 Па. Натекатель состоит из корпуса 1 с фланцами 2, уплотнительного узла, включающего уплотнитель 3, коническую иглу 4, крышку 8 с размещенной на ней гайкой 11 и ручной привод. Последний состЛт из штока 5 резьбовой втулки 7 и рукоятки 9, зафиксированной на втулке винтом 10. Герметизацию обеспечивают резиновые уплотнители штуцеров присоединительных фланцев, прокладка 6 крышки, сильфон 12 и уплотнитель 3 седла. Принцип работы натекателя основан на установлении определенного потока газа изменением положения конической иглы по отношению к седлу и проходному отверстию корпуса натекателя. При вращении рукоятки 9 по часовой стрелке игла плавно поднимается, проходное отверстие натекателя открывается, и поток газа плавно увеличивается в зависимости от высоты подъема иглы
от\минимального до максимального по линейному закону.
Кроме рассмотренных, применяют' натекатели и Других видов. Принцип действия диффузионного натекателя (ркс. 7.18) осноран на значительной и постоянной во времени диффузии газа
рве. 7.19. Схема термодиффуааонного на» текателя
через трубку 2, герметично введенную • в заполненный газом баллон 1. Для гелиевого диффузионного натекателя используют кварцевую трубку 2, впа- яйную в стеклянный баллон.
Действие термодиффузионных нате- кателей (рис. 7.19) основано на избирательной диффузии газов через некоторые материалы при иагреве. Если один конец палладиевой трубки 1 (другой закрыт) спаять со стеклянным баллоном 2, то ее можно использовать как фильтр, пропускающий только чистый водород. Последний диффундирует через стенки трубки 1, нагретой нагревателем 3 до температуры ие ниже 750 К. Можно использовать также никель, железо, платину, хотя скорость диффузии водорода через эти ’ материалы значительно меньше, чем через палладий.
Противоаварийиые инапускные устройства и системыОбычно в вакуумных системах дляперекрытия трубопроводов при аварии(вызывающей выход из строя вспомога-^ьногонасоса и др.) применяют быс-тР°Действующие электромагнитные кла-паны. Прн этом клапан является лишьисполнительным органом системы, впоставе которой предусмотрены измери-р1Ьные и сигнализирующие средства(Манометрические преобразователи,рокировочные вакуумметры и др.).Ремя срабатывания такой системы*°лжно составлять доли секунды.
Малое время срабатывания и высокая надежность устройства для аварийного перекрытия трубопроводов приобретают особую важность при использовании этих устройств в магистралях централизованных форвакуумных систем (ЦФС) для исключения выхода из строя всей ЦФС и подключенных к ней установок.
В настоящее время в промышленности эксплуатируют защитные устройства разного принципа действия (рис. 7.20). Защитное устройство, показанное на рис. 7.20, а, содержит предохранительный клапан 4 и линию акустической задержки. Предохранительный клапан состоит из камер 1 и 5, изолированных одна от другой резино-
Рве. 7.20. Принципиальные схемы устройств форвакуумной защиты
Устройство аащитыЭлементы устройстваПроводимость, м*/с, не менее.Время срабаты- вання, мс, не болееПоток натекания, Па. м’/спрк прорыведопускаемоеC3-32Узел задержки газового потока (Dy 32)0,01—1,94-10 "*1,33-10-»9,0Клапан быстродействующий КБ-320,028,0СЗ-80Узел задержки газового потока (Dy 80)0,07—0,14510-815,0Клапан быстродействующий КБ-800,18170,0Устройство аащитыЭлементы устройстваПроводимость, м*/с, не менее.Время срабаты- вання, мс, не болееПоток натекания, Па. м’/спрк прорыведопускаемоеC3-32Узел задержки газового потока (Dy 32)0,01—1,94-10 "*1,33-10-»9,0Клапан быстродействующий КБ-320,028,0СЗ-80Узел задержки газового потока (Dy 80)0,07—0,14510-815,0Клапан быстродействующий КБ-800,18170,0Таблица 7.16Таблица 7.16•ПараметрЗначение параметра для клапанаКМПН-1,6КМПН-10Проводимость, м8/с, не меиее Время срабатывания, с Потребляемая мощность, Вт Габаритные размеры, мм Масса, кг, не более6-Ю-»15-10-»255Х30Х 125 0,256-10"425-10”» 8 102X40X140 0,75•ПараметрЗначение параметра для клапанаКМПН-1,6КМПН-10Проводимость, м8/с, не меиее Время срабатывания, с Потребляемая мощность, Вт Габаритные размеры, мм Масса, кг, не более6-Ю-»15-10-»255Х30Х 125 0,256-10"425-10”» 8 102X40X140 0,75Таблица 7.17Таблица 7.17Примечание. Для указанных в таблице клапанов: допускаемый перепад давлений при открытии клапана не более 106 Па; допускаемый поток натекания через уплотнительную пару не более 5-10”10 Па-м3/с; наработка на отказ ие менее 1000 циклов; средний ресурс не менее 15 000 циклов; среднее время восстановления не более 18 ч; напряжение 220 В. ;Примечание. Для указанных в таблице клапанов: допускаемый перепад давлений при открытии клапана не более 106 Па; допускаемый поток натекания через уплотнительную пару не более 5-10”10 Па-м3/с; наработка на отказ ие менее 1000 циклов; средний ресурс не менее 15 000 циклов; среднее время восстановления не более 18 ч; напряжение 220 В. ;
Устройство аащиты
Элементы устройства
Проводимость, м*/с, не менее.
Время срабаты- вання, мс, не более
Поток натекания, Па. м’/с
прк прорыве
допускаемое
C3-32
Узел задержки газового потока (Dy 32)
0,01
—
1,94-10 "*
1,33-10-»
9,0
Клапан быстродействующий КБ-32
0,02
8,0
СЗ-80
Узел задержки газового потока (Dy 80)
0,07
—
0,145
10-8
15,0
Клапан быстродействующий КБ-80
0,18
170,0
Устройство аащиты
Элементы устройства
Проводимость, м*/с, не менее.
Время срабаты- вання, мс, не более
Поток натекания, Па. м’/с
прк прорыве
допускаемое
C3-32
Узел задержки газового потока (Dy 32)
0,01
—
1,94-10 "*
1,33-10-»
9,0
Клапан быстродействующий КБ-32
0,02
8,0
СЗ-80
Узел задержки газового потока (Dy 80)
0,07
—
0,145
10-8
15,0
Клапан быстродействующий КБ-80
0,18
170,0
Таблица 7.16
Таблица 7.16
•
Параметр
Значение параметра для клапана
КМПН-1,6
КМПН-10
Проводимость, м8/с, не меиее Время срабатывания, с Потребляемая мощность, Вт Габаритные размеры, мм Масса, кг, не более
6-Ю-»
15-10-»
2
55Х30Х 125 0,25
6-10"4
25-10”» 8 102X40X140 0,75
•
Параметр
Значение параметра для клапана
КМПН-1,6
КМПН-10
Проводимость, м8/с, не меиее Время срабатывания, с Потребляемая мощность, Вт Габаритные размеры, мм Масса, кг, не более
6-Ю-»
15-10-»
2
55Х30Х 125 0,25
6-10"4
25-10”» 8 102X40X140 0,75
Таблица 7.17
Таблица 7.17
Примечание. Для указанных в таблице клапанов: допускаемый перепад давлений при открытии клапана не более 106 Па; допускаемый поток натекания через уплотнительную пару не более 5-10”10 Па-м3/с; наработка на отказ ие менее 1000 циклов; средний ресурс не менее 15 000 циклов; среднее время восстановления не более 18 ч; напряжение 220 В. ;
Примечание. Для указанных в таблице клапанов: допускаемый перепад давлений при открытии клапана не более 106 Па; допускаемый поток натекания через уплотнительную пару не более 5-10”10 Па-м3/с; наработка на отказ ие менее 1000 циклов; средний ресурс не менее 15 000 циклов; среднее время восстановления не более 18 ч; напряжение 220 В. ;
вой мембраной 2. В камеру 5 через резиновую диафрагму введен рычаг 3, один конец которого соединен с мембраной, а другой — через систему передаточных устройств связан с рычагом клапана 4.
Линия акустической задержки состоит из последовательно соединенных коаксиальных камер, сообщающихся между собой соплами 6. В случае аварии воздух, прорвавшийся в камеру 1 со стороны откачиваемого сосуда, воздействует на мембрану 2, приводя в действие систему срабатывания клапана 4. При прорыве воздуха со сто
роны магистрали ЦФС мембрана прогибается в противоположную сторону, также вызывая перекрытие клапаном 4 вакуумной системы откачиваемого объема. Число камер и диаметры отверстий в соплах подбирают так, чтобы наряду с достаточной задержкой поступления воздуха была обеспечена неооходимая проводимость устройства, которая для рассматриваемой схемы составляет (3...4) 10~3 м8/с при среднем давлении в системе 7,5 Па.
На рис. 7.20, б дана схема защитного устройства, действие которого основано иа принципе торможения потока. При
прорыве атмосферного воздуха со стороны технологического оборудовании или ЦФС газ некоторое время накапливается в камере 2 блока задержки. В области электроразрядного датчика / давление в момент прорыва увеличивается практически мгновенно до 5... 8 Па. При этом появляется разряд и срабатывает тиристорное спусковое устройство в блоке управления защитой, освобождая стопор 4 крана 3, который перекрывает форвакуумную магистраль. Время срабатывания устройства 4...7 мс.
В устройстве- В. С. Кондрашева (Рис. 7.20, в) исполнительным элементом с высоким быстродействием служит свободно висящая заслонка 1, выпол- ненная из очень тонкой и прочной поли- ®тилентерефталатиой пленки толщиной
12 мкм. Под действием ударной волны заслонка мгновенно прижимается к перегородке 2 или 3 (в зависимости от направления потока) с мелкими сквозными отверстиями и перекрывает прток на время, достаточное закрытия аварийного клапана 4.
Суммарная проводимость отверстий в перегородках близка проводимости входного отверстия узла задержки, поэтому последний практически ие снижает общей проводимости вакуумной системы в период нормальной (безаиаринной) откачки. Сигнал для закрытия аварийного клапана поступает от электроразрядного безынерционного датчика 5. Так как узел задержки рассчитан на защиту от прорыва внезапных потоков противоположного направления, принята симметричная относительно заслонки конструкция, в каждой половине которой установлен независимый сигнализирующий датчик. На этом принципе основаны устройства защиты типа СЗ-80 и C3-32, технические характеристики которых приведены в табл. 7.16.
Для напуска в вакуумные системы воздуха и неагрессивных газов при давлении (0,85...1,05) Ю6 Па применяют серийные напускные проходные клапаны типа КМПН с электромагнитным приводом. Техническая характеристика клапанов этого типа приведена
172172
172
172
ЗАПОРНО-РЕГУЛИРУЮЩАЯ АППАРАТУРА
2
Рис. 7.22. Распределительные устройства откачных машин:
1, 2 — золотниковые диски; 3 — гнездо; 4 -- масленка; 5 — пружина
Таблица 7.18
Параметр
Значение параметра для клапана
КМАН-4
КМАН-ю
р ммв Средний ресурс, гыс. циклов Габаритные размеры, мм
4 100
90Х55Х
X 150
10
75
90Х55Х Х150
Примечание. Для указанных клапанов: поток натекания не более 7,5-10*® Па-м3/с; время срабатывания 1с; мощность 25 Вт; напряжение 220 В; наработка на отказ 2000 циклов.
в табл. 7.17. Клапан (рис. 7.21) имеет корпус / с фланцами 2 и седло, герметизируемое резиновым уплотнителем 3» который закреплен на икоре 5. Между якорем 5 и магиитопроводом 6 катушки 7 электромагнита размещена возвратная пружина 4* При пропускании тока через катушку 7 сердечник якоря 5 втягивается, сжимая пружину 4, и открывает проход для напускаемого газа. При отсутствии тока под действием пружины 4 сердечник возвращается в исходное положение, проходное отверстие перекрывается с усилием, развиваемым уплотнительной пружиной. Питание к электромагниту подается через электрический разъем 8. Клапаны можно эксплуатировать в любом пространственном положении.
В качестве аварийно-напускных используют клапаны типа КМАН с электромагнитным приводом (табл. 7.18).
Их применяют для напуска газов в вакуумные системы, в частности в
механические вакуумные насосы, при отключении электроэнергии. Клапаны работают от импульса электрического тока и потребляют электроэнергию только в момент срабатывания.
Распределительные устройства
Распределительные устройства являются коммутирующими элементами многопозициониых карусельных откачных машин и представляют собой прижатые одни к другому диски /,2 с притертыми поверхностями. В конструкции распределительного устройства, показанного на рис. 7-22, а, диск / неподвижен, а диск 2 периодически поворачивается каруселью откачной машины. При неподвижной карусели отверстия дисков совмещены, и откач- щые гнезда 3 через образовавшиеся в распределительном устройстве сквозные каналы сообщаются с вакуумной системой или с системой напуска рабочего газа.
Распределительные устройства откачных машин различают по форме поверхностей шлифа (плоские — рис. 7.22, а—6, сферические — рис. 7.22, г) и по способу осуществления уплотнения разъема (в виде кольцевых проточек — рис. 7.22, а, б) и кольцевых масляных затворов (рис. 7.22, в, г). Более надежное уплотнение может быть достигнуто при комбинации периферийного масляного затвора и канавок с промежуточной откачкой. В некоторых случаях для повышения надежности прилегания дисков подвижный диск поджимают пружинами 5. Диски изготовляют из стали 20Х, цементованной и закаленной. Рабочие поверхности дисков притирают.
Глава 8. Конструкционные элементы вакуумных установок
®1- Механические вакуумные вводы
Для передачи движения механизмам й Узлам, находящимся в вакуумных Камерах технологических установок, йсПользуют вакуумные вводы. Движе- ®Ие в вакуумную камеру можно передавать через отверстие в стенке или
через сплошную стенку вакуумной камеры [29, 35]. Принципиальные схемы вакуумных вводов приведены в табл. 8.1.
Основные элементы механизма передачи движения через отверстие — сплошной вал или шток, проходящий из окружающей среды с атмосферным
Способ передача движения
Уплотнение
Принципиальная схема
Ориентировочные допускаемые значения
Особенности передачи
Тип ■
Вад
р, Па
п, с-1
«О' 10—, Н. м/м
Через отверстие в стенке
<
Сальниковое
Пластичное
Атмосфера ^
Вакуум
10-»
2
70
Уплотнители — фторопласт, асбест, вакуумные резины. Недостаток — необходимость периодического поджима сальника
Упругое
Вакуум lcv*J
Атмосфера
10"‘
50
15
Герметизацию движущегося контакта обеспечивают силы упругости сальника (манжеты с пружинящими кольцами), что позволяет уменьшить площадь движущегося контакта
Комбинированное
Вакуум
\л| Атмосфера
' 10”»
100
15
Высокие вакуумные свойства эластомеров в сочетании с каким-либо устройством (антимиграционные пояски, кольцевые сорбционные ловушки, поджимы н др.), позволяющим уменьшить поток выделяющихся или натекающих газов
Таблица 8.1
/
1
Через отвер- • стие в стейке
Капиллярное
» т/// ////
ДЖ
Я I
ю- •
0,2
10
Явление капиллярности позволяет уплотняющей жидкости удерживать атмосферное давление. Применяют хорошо смачивающие жидкости, в частности, легкоплавкие металлы и сплавы (ртуть, галлий, индий, олово, сплав, содержащий 62,5% Ga, 21,5% In, 16% Sn и др.)
Жидкостное
Сифонное
Атмосфера
ел 1 * Форвакуумный
|£- ■
° Вакуум
10" 6
50
2
Гидростатическое давление столба жидкости компенсирует разность давлений в сообщающихся сосудах. Для уменьшения размеров предусмотрена форвакуумная полость. Работает только в вертикальном положении
Импел- лериое
d|| йакуу/г^
■И .
Ктмосфера
ю-*
100
70
Включает устройства для принудительной подачи жидкости к краю или середине зазора, где находится резервуар с этой жидкостью. Необходимы дополнительные уплотнения для обеспечения герметичности в статических условиях
КОНСТРУКЦИОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ВАКУУМНЫХ УСТАНОВОК|Механические, вакуумные вводы
Способ передачи движения
Уплотнение
Принципиальней схема
Ориентировочные допускаемые значения
Особенности передачи
Тип
ВИД
р, Па
Я, С"1
М,- 10-», Н-м/м
Через отверстие в стейке
Жидкостное
Гндро- струй- иое
КГ8
30
5
Струя уплотняющей жидкости вытекает из кольцевого сопла, перекрывает зазор и исключает про- иикновеиие воздуха в вакуумную камеру. Вал имеет специальное профилированное утолщение, обеспечивающее непрерывность струи у края зазора
«3
1
1
3
Коническое смазываемое
10~*
1
2
Притертое коническое соединение с использованием вакуумного масла
вакуум
Газообразное
\Я
Диффу- зиоиио- щелевое
-^^^^Агомосфера |।। ЭД вакуум
^еайй^-5,5гз„..
io-8
10
30
Ограничение газового потока (дифференциальная откачка при быстроте откйчки S„ S2, ..., Sn-i), проходящего через зазор между отверстием и валом
\ \
1
10~4
200
о>
Черезсплош-нуюстенку
Атмосфере
Газо- струйное
Струйные уплотнения с циркуляцией уплотнителя (струя газа или пара) вне зазора, подобные эжекторному или диффузионному насосу с подвижными относительно корпуса соплами. Для высокоскоростных и мощных приводов
Волно-вое
Л. вакуум ^мосфера ^А
10-8
4
3
Передача движения от ведущего звена к ведомому волнообразными упругими деформациями, генерируемыми в герметизирующем звене передачи
С эла-стичнойстенкой
Силь-фонное
Труб-
чатоеупруго-дефор-мируе-
мое
Ктиосфера
вакуум
10-8
ю-8
20
2
2
0,5
р
Атмосфера
Стандартные эластичные герметизирующие элементы (сильфоны) в процессе работы совершают колебательные движения при передаче вращения или растягиваются и сжимаются при передаче возвратно-поступательных движений
Принцип пневматических пружин (трубок Бурдона). При подаче энергоносителя (воздуха или жидкости) с повышенным давлением во внутреннюю полость трубки оиа стремится выпрямиться, и конец трубки, являющийся ведомым звеном механизма, совершает движение по определенной траектории
КОНСТРУКЦИОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ВАКУУМНЫХ УСТАНОВОКМеханические вакуи*ные вводы
Уплотнение
Способ передачи движения
Принципиальная схема
Тип Вид
С эла-стичнойстенкой
Мем-бранное
Ориентировочныедопускаемые значения
Особенности передачи
ж о ft
р, Па
п, С-«
mq. io—», H. м/м .
10~е
50
5
Мембраны из эластомерных материалов (часто из вакуумной резину)
Черезсплош-нуюстенку
«с X ft '
X о ft ft в: to
to bl to as to ft
2 to
X *< 4 a ft e
Магнит-ное
■ 10"8
50
0,05
Принцип магнитного притяжения 1 разноименных полюсов постоянных магнитов, разделенных немагнитной герметизирующей стенкой, один из которых закреплен на ведущем валу в атмосфере, а другой — на ведомом валу в вакууме
кой стенкойкой стенкойЭлек-трома-гнитноеЭлек-трома-гнитное10-•1000,0510-•1000,05
кой стенкой
кой стенкой
Элек-трома-гнитное
Элек-трома-гнитное
10-•1000,05
10-•1000,05
Принцип короткозамкнутого асинхронного двигателя, у которого ротор с валом отделены от статора и атмосферы герметичной стенкой из материала с низкими электрической проводимостью и магнитной проницаемостью
Черезсплош-
нуюстейку
Элек-тр оста-тиче-скоеЭлек-тр оста-тиче-ское
Элек-тр оста-тиче-ское
Элек-тр оста-тиче-ское
Электростатическое взаимодействие во вращающемся электростатическом поле в статоре или при подведении постоянного потенциала к вращающемуся многолепестковому ведущему валу при наличии ведомого вала подобной формы
Примечание, п — частота вращения или число возвратно-поступательных движений в единицу времени; М0 ■относительный крутящий момент, Н-м/м (отношение передаваемого момента к диаметру наиболее удаленной вращающейся или колеблющейся точки).
Рис. 8.1. Сальниковый ввод вращения с манжетным уплотнением
давлением и передающий требуемое усилие или крутящий момент, и уплотнение, герметизирующее зазор между отверстием и подвижным валом. Механические вакуумные вводы для передачи движения через отверстие применяют обычно в динамических вакуумных системах, так как они обладают значительным газовыделением. Эти вводы позволяют передавать практически любые усилия и крутящие моменты и обеспечивать высокие кинематическую точность и жесткость. Наиболее широко используют вакуумные вводы с сальниковыми уплотнениями, реже — с жидкостными и газообразными.
Механические вакуумные вводы для передачи движения через сплошную стенку имеют разделяющий герметичный элемент (обычно тонкостенный), являющийся продолжением стенки вакуумной камеры. Эти вводы характеризуются низким газовыделением, поэтому их применяют» статических (иногда прогреваемых) высоко- и сверхвысоковакуумных системах. Из-за разомкиу-
Рис. 8.2. Сальниковый ввод с комбинированным фторопластовым уплотнением
тоста вала через эти вводы нельзя передавать большие крутящие моменты. Наиболее распространены вводы через сплошную стенку с сильфонными и магнитными уплотнениями [16].
Расчет механических вводов сводится к расчету суммарного потока газовыде- ления и механических параметров (расчет на прочирсть и долговечность).
Ниже приведены конструкции наиболее часто применяемых вакуумных вводов.
На рис. 8.1 показан ввод вращения, в котором в качестве упругих уплотнений использованы резиновые манжеты 1 и 10 со спиральными кольцами для прижима манжет к валу 6. Манжета 1, обращенная в вакуумную камеру, является рабочей, манжета 10 — защитной; последняя предохраняет движущийся контакт рабочей манжеты с валом от загрязнения. Фетровое кольцо 4, пропитанное вакуумным маслом, обеспечивает постоянное смазывание движущегося контакта. Наружный бортик манжеты 1 должен быть вакуумноплотно прижат к корпусу 2. Усилие прижима, создаваемое гайкой 7, передается через наружные кольца подшипников 9 и втулку 8 нажимной втулке 5. Компактная конструкция унифицированного ввода упрощает крепление корпуса 2 в расточке стенки вакуумной камеры 3. При использовании подшипников качения и постоянной циркуляции смазочного материала допускаемая частота вращения вала может достигать 1300 с-1.
Уплотнения такого типа могут компенсировать некоторые погрешности изготовления и сборки узла. Их применяют в механических вакуумных насосах, коммутирующей'вакуумной аппаратуре, технологических вакуумных установках и других устройствах при давлении до 10“* Па.
Уплотняющий элемент ввода с комбинированным уплотнением (рис. 82) выполнен из фторопласта в виде тонкостенной втулки 5 толщиной 0,5.. 1,0 мм с утолщением со стороны, обращенной в вакуумную камеру. Для обеспечения надежной герметизация контакта с поверхностьювращающегося вала 1 служит набор резиновых колец 2, поджимаемых в осевом направлении втулкой 3 через упорный стакан
4 и фланец. Таким образом, в вакуумную камеру обращена лишь часть торца фторопластовой втулки, обладающей малым газовыделением, что допускает применение такого уплотнения до давления 10~5 Па.
Ввод вращения с сильфонным уплотнением (рис. 8.3) представляет собой муфту, состоящую из вращающихся в неподвижных опорах ведущего 1 и ведомого 2 эксцентриковых (или кривошипных) валов. Рабочий момент передается от ведущего вала, находящегося в атмосфере, ведомому, находящемуся в вакууме, через промежуточную втулку 3. Последняя имеет перегородку, отделяющую ведомый вал от ведущего, и герметично соединена с неподвижным корпусом ввода 4 сильфоном 5. При вращении ведущего вала втулка 3 совершает круговое движение и передает вращение ведомому валу. Корпус 4 соединен с вакуумной камерой.
Из волновых передач наиболее распространены зубчатые волновые пере? дачи (рис. 8.4), которые состоят из генератора (вал 1, корпус 4 подшипника), гибкого 2 и жесткого 3 зубчатых колес. В герметичных (вакуумных) зубчатых волновых передачах гибкое колесо 2 выполнено за одно целое с гибким стаканом. Стенки последнего представляют собой продолжение стенок вакуумной камеры, так как герметично соединены с ними переходными фланцами с вакуумным уплотнением. В большинстве конструкций гибкое колесо имеет меньше зубьев, чем жест-' кое. Генератор, установленный внутри гибкого колеса, упруго деформирует его так, что в зоне большой оси генератора зубья гибкого и жесткого колес находятся в зацеплении, а в зоне малой оси зацепление отсутствует (между вершинами зубьев имеется зазор). При вращении генератора зона зацепления зубьев перемещается в соответствии с Волновой деформацией гибкого колеса.
Перспективны механизмы на основе ■фубчатых упругодеформируемых вводов. Их выполняют одно- и многоцелевыми. Так, конечное звено манипулятора с тремя степенями свободы (Рис. 8.5) совершает перемещение по кРУговой.траектории в горизонтальной Плоскости, по осям х и г и по прямоли-
Рнс. 8.3. Эксцентриковый сильфонный ввод вращения
нейной траектории в вертикальной плоскости по осям хи у [2].
Горизонтальное перемещение по круговой траектории, т. е. по осям х и z, формируется элементом 1 и рычагом 3 (соединительной трубкой) при подаче во внутреннюю полость элемента сжатого воздуха по несущей трубке 10, герметично введенной в вакуумную камеру. Перемещение в вертикальной плоскости по оси у формируется эле-
Ркс. 8.4. Волновая зубчатая передача
Рис. 8.5. Конструктивная схема манипулятора с тремя степенями подвижностиРис. 8.5. Конструктивная схема манипулятора с тремя степенями подвижностиРис. В.в. Сильфонные узлы с увеличенным рабоРис. В.в. Сильфонные узлы с увеличенным рабочим ходомчим ходомРис, 8.7, Сильфонный ввод с шаговым перемещениемРис, 8.7, Сильфонный ввод с шаговым перемещением
Рис. 8.5. Конструктивная схема манипулятора с тремя степенями подвижности
Рис. 8.5. Конструктивная схема манипулятора с тремя степенями подвижности
Рис. В.в. Сильфонные узлы с увеличенным рабо
Рис. В.в. Сильфонные узлы с увеличенным рабо
чим ходом
чим ходом
Рис, 8.7, Сильфонный ввод с шаговым перемещением
Рис, 8.7, Сильфонный ввод с шаговым перемещением
ментами 4 и 9, имеющими автономную систему подачи сжатого воздуха по трубке 2 с компенсационными витками , а по оси у — двумя упругодеформи- руемыми пневматическими пружинами- захватами 7, в которые сжатый воздух поступает по трубке 8.
Последовательность движений манипулятора, предназначенного для захвата изделия, переноса его в горизонтальной плоскости на заданный угол, перемещения в вертикальной плоскости вдоль осей х и у, определяется циклограммой работы, которая является основой для программного управления системой питания энергоносителя. Фиксация относительно изделия двух крайних положений главного исполнитель
ного органа захвата достигается установкой упоров 5 и 6 в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
Применяют разные конструктивные схемы вводов движения в вакуум с сильфонным уплотнением, обеспечивающие большие перемещения.
На рис. 8.6, а показан ввод, в котором для увеличения рабочего хода гибкого звена использованы последовательно соединенные сильфоны. Подвижный шток 4 имеет на своем конце утолщение. К этой части штока приварен сильфон 5, другим концом приваренный к втулке 3. Второй сильфон 2 одним концом приварен к втулке 3, а другим — к ограничивающей втулке /.При перемещении штока в направлении, указанном стрелкой, сильфоны сжимаются, при этом их деформации (ход ввода) ограничены упорами на втулке 3 и штоке 4.
Так называемая телескопическая конструкция (рис. 8.6, б) состоит из двух сильфонов, вставленных один в другой и закрепленных на фигурной втулке. Так как здесь применены сильфоны 2 и 5 разных геометрических размеров и различной жесткости, то их рабочий ход ограничивается упорами на втулке 3 и штоке 4.
Конструкция ввода, позволяющая получать однонаправленные шаговые перемещения на расстояние больше хода сильфона, приведена на рис 8.7.
Устройство работает следующим образом. В первый момент вал 1 перемещается в сторону вакуумного объема на ход сильфона 2 вместе с гильзой 3. В это время втулка 6 находится в верхнем положении на валу и удерживается байонетным зажимом. При этом шарики 4 под действием пружин 5 заклинены между конической поверхностью вала и внутренней поверхностью гильзы, а пружина фиксатора 8 сжимается под действием приложенного усилия. Затем вал перемещается от вакуумного объема в обратную сторону; при этом гильза, удерживаемая фиксатором, неподвижна; связь с валом через шарики нарушается. Затем все повторяется Uh. раз, где L — длина рабочей части сильфона; h — ход сильфона. В результате гильза оказывается выдвинутой в вакуумный объем на расстояние, равное длине L.
После разгерметизации вакуумного объема втулку специальным ключом поворачивают на валу и опускают иа шайбу 7; при этом пружины разжимаются и шарики 4 расклинивают вал и гнльзу. Затем гильза занимает первоначальное положение, а втулка устанавливается в верхнем положении.
Вакуумный ввод с постоянным магнитом (рис. 8.8) включает следующие основные части. Во втулке 10 на подшипниках установлен ведомый вал / с закрепленным на его конце якорем 4. В качестве герметизирующего элемента использован стакан 3 из коррозионностойкой стали. Толщина стенки стакана, расположенного в магиитиом промежутке, составляет 0,5 мм. Вакуумная полость стакана герметизирована прокладкой 2. На конце ведущего вала 6 закреплены башмаки постоянного магнита 5.
Через мягкую муфту 7 ведомый вал 1 соединен с ротором электродвигателя °- Корпус 9 ввода прикреплен к стенке 7/ вакуумной камеры гайкой 12.
Рис. 8.8. Вакуумный ввод с постоянным магнитомРис. 8.8. Вакуумный ввод с постоянным магнитомПри вращении магнитов 5 (от элек- Фодвигателя) под воздействием магнитного потока якорь и, соответственно, ведомый вал следуют за вращением агнита 5, обеспечивая крутящий рабочий момент на ведомом валу 1. Такой вод может передавать сравнительно ^большой крутящий момент с часто- вращения порядка 3000 об/мин.
Рис. 8.8. Вакуумный ввод с постоянным магнитом
Рис. 8.8. Вакуумный ввод с постоянным магнитом
Рис. 8.0. Манипулятор для реализации возвратно-поступательных линейных перемещенийРис. 8.0. Манипулятор для реализации возвратно-поступательных линейных перемещенийРнс.Рнс.а.10. Манипулятор для реализации ■ращения образцаа.10. Манипулятор для реализации ■ращения образца/41516/41516щать шток, причем перемещение контролируют по шкале. Для герметиза- , ции манипулятора предназначен силь-щать шток, причем перемещение контролируют по шкале. Для герметиза- , ции манипулятора предназначен силь-Эмктршиски» еакуужн»» свод*Эмктршиски» еакуужн»» свод*1851858.3. Электрические вакуумные вводы8.3. Электрические вакуумные вводы
Рис. 8.0. Манипулятор для реализации возвратно-поступательных линейных перемещений
Рис. 8.0. Манипулятор для реализации возвратно-поступательных линейных перемещений
Рнс.
Рнс.
а.10. Манипулятор для реализации ■ращения образца
а.10. Манипулятор для реализации ■ращения образца
/41516
/41516
щать шток, причем перемещение контролируют по шкале. Для герметиза- , ции манипулятора предназначен силь-
щать шток, причем перемещение контролируют по шкале. Для герметиза- , ции манипулятора предназначен силь-
Эмктршиски» еакуужн»» свод*
Эмктршиски» еакуужн»» свод*
185
185
8.3. Электрические вакуумные вводы
8.3. Электрические вакуумные вводы
Прецизионные манипуляторы
При проведении научно-экспериментальных работ часто возникает необходимость точно устанавливать и перемещать исследуемые образцы в вакуумном пространстве. Для этих целей разработан ряд прецизионных манипуляторов.
' Манипулятор, реализующий возвратно-поступательные линейные перемещения, показан на рис. 8.9. На фланце 6 винтами 4 закреплена скоба 2. В скобе имеется отверстие, в которое проходит шток / с микрометрической , резьбой. Под скобой на подшипнике 5 расположен маховичок 3 с резьбой дли штока, рифленой насечкой (в верхней части) и шкалой (в няжней части). Вращением маховичка можно переме-
фон 8, приваренный одним концом к неподвижной втулке 7, другим — к подвижной втулке 9. Максимальное перемещение определяется допускаемым ходом сильфона.
Манипулятор, позволяющий вращать образец на угол до 360° (рис. 8.10), состоит из маховичка 16 с насечкой и шкалой, соединенного с фигурной шайбой 12 штифтом 14 и винтом 15. Nvavy вичок вращается на подшипнике 10, укрепленном в корпусе 9 манипулятора разжимным кольцом 11. На фигурной шайбе через подшипник 1 укреплена втулка 2, в которую входит ведущий валик 3 шарнира. Ведомый валик 6 размещен во втулках 7 и 8, жестко соединенных с фланцем 5 манипулятора. Уплотнение обеспечивает сильфоЯ 4. При повороте маховичка движение через ведущий валик передается ведо; мому валику. Угол поворота отсчитывают по шкале; положение образца может быть зафиксировано винтом 13-
Комбинированный манипулятор обеспечивает перемещение образцов по осям х, у, г (рис. 8.11, а), поворот на угол а, а также вращение на 360°. Длд вращения образцов предназначен маиипулв- тор вращения 1 (по конструкции идентичный показанному на рис. 8.10) — Рнс. 8.11,6. Манипулятор перемещения 12 с приводным маховичком я шкалой отсчета на штоке 11 позволяет перемещать образец в вертикальном Направления. Движение в направлении осей х и у обеспечивает каретка 10, Перемещаемая по поверхности Б с Помощью винта 8 и пруживного подпора 5. Угловые движения образца определяются движением сферической •Лайбы 3 по сферической поверхности 4 каретки с помощью винта 9 и пружинного подпора 4. Для герметизации манипулятора предназначен сильфон
На фланце 6 манипулятора возможва Установка и других элементов, например электрического ввода 7.
Электрические вакуумные вводы служат для подачн электропитания к нагревательным устройствам, датчикам, двигателям' и другим объектам, расположенным в вакуумных камерах. Их подсоединяют к вакуумвым камерам стандартными вакуумными соединени- вми. Материал для 'токоподводящих элементов и изоляторов, а также вид вакуумного уплотнения выбирают в- соответствии с конкретными условиями эксплуатации: напряжением, силой тока, частотой и температурой ввода. В зависимости от электрических параметров вводы подразделяют на низковольтные («сильноточные» и «слаботочные»), высоковольтные и высокочастотные. Конструкции электрических вводов показаны на рис. 8.12. Плотность тока низковольтных (до 250 В) иеохлаждаемых вводов не должна пре-
187
вышать; для меди и стали 5, для алюминия 4, для никеля и молибдена 3 А/мм2. Конструкция разборного сильноточного ввода (до нескольких десятков ампер) показана иа рис. 8.12, а. Изолирующими и уплотняющими элементами между шпилькой и фланцем / в таких вводах являются резиновое кольцо 3 и втулка 2.
Низковольтные вводы, предназначенные для пропускания тока силой более 100 А, как Правило, снабжают водяным охлаждением токоввода ' (рис. 8.12, б). При этом плотность тока не должна превышать 10... 12 А/мм- Уплотняющими и изолирующими элементами являются кольцо 2 и втулка 3.
Т а б л н ц а 8.2
Посадочный диаметр корпуса вилки или розетки, мм
Число контактов
Максимальная сила тока в контакте, А
Суммарная сила тока на соединитель, А
Рабочее напряжение постоянного или переменного (амплитудное значение) тока, В
общее Допускаемое
диаметром, мм
1,0
1,5
2,0
3,0
14
4
4
—
—
6
20
560
18
7
7
—
5
30
22
4
—
—
2
—
13
55
—
—
—
2
- 20
10
10
—
—
5
42 •
24
19
19
1
•—
4
63
27
7
5
1
—
—
6
45
700
—
1 2
—
—
10
24
24
1
—
4
80
560
700
560
700
30
32
32 | —
—
3
33 г
20
18
—
4
76
—
—
2
20
8
—
-—
—
4,5
75
83
12
36
22
5
—
—
—
17
—
—
20
16
—
—
4
80
560
700
10
—
—
—
—
4
-—
—
8
560
700
39
Чб
30
—
—
3
125
10
—
—
—
—
5
—
6
560
700
45
—
-—
—
42
50
33
—
—
—
3
142
11
—
—
—
—
7
—
6,0
560
30
15
—
—
—
3,5
130
700
560
— 1
15
— 1
—
7,0
Рис. 8.13. Соединитель типа 2РМГРис. 8.13. Соединитель типа 2РМГВоздух Аг со, со ;НеВоздух Аг со, со ;НеН,Н,
Рис. 8.13. Соединитель типа 2РМГ
Рис. 8.13. Соединитель типа 2РМГ
Воздух Аг со, со ;
Не
Воздух Аг со, со ;
Не
Н,
Н,
Для прогреваемых высоковакуумных установок используют металлокерамические вводы (рис. 8.12, в), состоящие из штыря 3 и керамической трубки 1, к концам которой вакуумно- плотно припаяны втулки 2 из ковара. Пайку выполняют твердыми припоями в вакуумных или водородных печах. Ввод с помощью переходной втулки приваривают к фланцу. Конструктивные размеры, мм, металлокерамических вводов, применяемых при напряжении 4 кВ и силе тока соответственно 35, 250 н 850 А, приведены ниже:
Di5;10;15
Ds20;45;55
D322;46;57
В 35;40;45
Lmax30;50; 50
Адцц 8;8; 8.
Таблица 8.3 '
D
yD'
А
В
М18Х 1
М20Х 1,0
20
27
М24Х 1
М27Х 1,5
26
33
М27Х 1
МЗОХ 1,5
29
36
МЗОХ 1 .
МЗЗХ 1,5
31
38
МЗЗХ 1 '
М36Х 1,5
32
40
М36Х 1
М39Х 1,5
35
43
М39Х 1 "
М42Х 1,5
37
46
М42Х 1
М45Х 1,5
40
49
Примечания:1. Размеры в миллиметрах. 2. Резьба D левая. 3. При диаметре контактов 1,0 н 1,5 мм длина L = 26 мм, при диаметре контактов 2 н 3 мм — L = 28 мм.
Металлостеклянные вводы (рис. 8.12, г), используемые в электровакуумном приборостроении, представляют собой вакуумно-плотные спаи стеклянного элемента 2 с металлическим элементом / и переходной втулкой 3. Для металлостеклянных вводов наиболее часто используют платинит, ковар, вольфрам. Применяют также многоштырьковые вводы, расположенные на едином изоляторе или в одном фланце (рис. 8-6, д).
Высоковольтные вводы (рис. 8.12, е) применяют при напряжении более 250 В, а также при необходимости исключить утечки в измерительных цепях. При напряжении больше 1,5 кВ изоляторы / выполняют ребристыми для увеличения площади изолирующей поверхности. Для защиты изолирующих поверхностей от пыли устанавливают экраны 2.
Высокочастотные вакуумные вводы (рис. 8.12, ж) используют для подвода тока высокой, частоты (свыше 1500 Гц) к индуктору, помещенному в вакуумной камере. Такой ввод состоит из фланца 2, к которому приварена втулка 3. В керамической изолирующей шайбе 4, вакуумно-плотно припаянной к втулке, имеется два отверстия, через которые введены концы трубок индуктора 1. Через них подается ток высокой частоты и вода для охлаждения. Часто высокочастотные вводы конструктивно выполняют коаксиальными для уменьшения потерь энергии.
В цепях с наприжением до 700 В постоянного и переменного тока и частотой до 3 МГц применяют вакуумно-плотные серийные соединители типа 2РМГ. Они имеют блочные герметичные вилки и сочленяются с кабельными негерметичными розетками соединителей типа 2РМ. Блочные и кабельные части соединителей могут быть без патрубка и с прямым патрубком. Кабельнце части имеют прямые или угловые патрубки. Техническая характеристика соединителей 2РМГ дана в табл. 8.2. Размеры блочной части соединителей без патрубка (рис. 8.13) приведены в табл. 8.3. Условия эксплуатации; температура окружающей среды 213...473 К; перепад давлений 1,5 X X 10» Па.
Вакуумные окна
Вакуумные окна служат для пропускания излучений (видимого света, инфракрасного, ультрафиолетового, рентгеновского, гамма-, альфа-, бета-ней- тро иного) из вакуумной камеры в окружающее пространство (или нз окружающего пространства в камеру) без нарушения вакуумных условий. Окна должны удовлетворять следующим требованиям: выдерживать перепады давлений; допускать применение уплотнений без образования течей; ие пропускать нежелательные виды излучений; обладать высокой устойчивостью к воздействиям, вызывающим изменение прозрачности.
Окна изготовляют в виде плоских или выпуклых пластин и закрепляют на вакуумных камерах с помощью уплотнений, обычно используемых в вакуумной технике и электровакуумном приборостроении. Некоторые специальные уплотненяя рассмотрены в работе [38]. Материалы, примениемые для изготовления окон при излучении различных видов, указаны в табл. 8.4. Зависимость прозрачности стекла от энергии электронов приведена на рис. 8.14.
Окна для пропускания видимого света (смотровые) используют в вакуумно-технических установках дли постоянного или периодического наблюдения за процессами или работой устройств в вакуумных камерах. Через смотровые окна по цвету электрического разряда можно визуально оценить, в каком газе происходит разряд, а также по свечению разогретого тела ориентировочно определить его температуру. Свечение в положительной области (плазме) возникает при рекомбинации ионов с образованием нейтральных атомов. Ниже указаны цвета электрического разряда в различных газах:
Голубой Фиолетовый Голубовато-зеленый Белый
От красно-фиолетового до желтовато-розоватого
От красновато-розового до оранжевого
Ne Кроваво-красный
Ng ...... . Оранжевый или крас-, ио-желтый
О2Желтый с красноватым
оттенком
Пары воды . . Голубовато-белый
В табл. 8.5 указаны длины волн А, при которых пластина из соответствующего материала толщиной 5 мм пропускает примерно 50% инфракрасного излучения, а в табл. 8.6 — толщины пластин различных материалов, пропускающих би и 80% электронов различной энергии.
Типичная конструкции смотрового окна для непрогреваемых систем показана иа рис. 8.15. Толщину hP смотрового стекла выбирают в зависимости от диаметра Dc свободной поверхности: hc « (0,15...0,20) Dc.
В прогреваемых сверхвысоковакуумных системах стекла смотровых окон впаивают в металлические оправы (стаканы), причем температурные коэффициенты линейного расширения стекла и материала оправы должны быть достаточно близки [16]. В спаях, прогреваемых до температуры 523... 573 К, используют плоские стекла (рис. 8.16), в спаях, прогреваемых до
Рис. 8.14. Зависимость относительной прозрачности стеклянной пластины от знергнн электронов Еэ при различной толщине А пластины, нм:
/ — прн Д < 1 нм; 2 — прн Д = 210 нм: 3 -- прн Д = 360 нм; 4 — прн Д = 760 нм: 5 — прн Д = 990 нм
Вид излученияМатериалПримечаниеу;Вид излученияМатериалПримечаниеу;Таблица 8,-Таблица 8,-ВндимыйсветВндимыйсветУльтра-фиолетовоеУльтра-фиолетовоеИнфракрасноеГРентгеновскоеИнфракрасноеГРентгеновскоеПотокнейтроновПотокнейтроновПоток Р-частиц (электронов) 'Фольга толщиной несколько микрометров (слюда, алюминий н его оксиды, тантал, золото, стекло)Поток «-частицФольга толщиной несколько микрометров (целлофан, алюминий, слюда, тантал, золото, тонкие стекла)Поток Р-частиц (электронов) 'Фольга толщиной несколько микрометров (слюда, алюминий н его оксиды, тантал, золото, стекло)Поток «-частицФольга толщиной несколько микрометров (целлофан, алюминий, слюда, тантал, золото, тонкие стекла)См. рис. 8.14, табл. 8.6См. рис. 8.14, табл. 8.6Потери излучения составляют 6 ...20; 10... 30 и 20... 40% при толщине обычного стекла соответственно 1 ... 2; 2 ...4 и 4 ... 8 мм. Для оптических стекол подобные потери соответствуют толщинам примерно в 20 раз большеСтекло не должно содержать железа, хрома, свинца, титана, сурьмыПотери излучения составляют 6 ...20; 10... 30 и 20... 40% при толщине обычного стекла соответственно 1 ... 2; 2 ...4 и 4 ... 8 мм. Для оптических стекол подобные потери соответствуют толщинам примерно в 20 раз большеСтекло не должно содержать железа, хрома, свинца, титана, сурьмыСм. табл. 8.5См. табл. 8.5Для поглощения рентгеновского излучения применяют окна из стекол с оксидами тяжелых металлов (свинца, бария, висмута, тория, урана, титана, вольфрама)Для поглощения рентгеновского излучения применяют окна из стекол с оксидами тяжелых металлов (свинца, бария, висмута, тория, урана, титана, вольфрама)Например, а-частица с энергией 8,8-10 "зз Дж (длина свободного пути X = 25 мкм в целлофане, X = 22 мкм в алюминии, X — = 17 мкм в слюде, X = 9,3 мкм в тантале, X = 8,4 мкм в золоте)Стекла, предназначенные для поглощения нейтронов, должны содержать оксиды гадолиния, индия, лития, европия и кадмияНапример, а-частица с энергией 8,8-10 "зз Дж (длина свободного пути X = 25 мкм в целлофане, X = 22 мкм в алюминии, X — = 17 мкм в слюде, X = 9,3 мкм в тантале, X = 8,4 мкм в золоте)Стекла, предназначенные для поглощения нейтронов, должны содержать оксиды гадолиния, индия, лития, европия и кадмияМате риалX, нмМатериал1, имСтекло СаСОз . Кварц Слюда Сапфир L1F2,2 ... 2,52,53,8 ... 4,45,3. 6,57,0MgO CaF2 NaF AgCl CsBr CsIТабл7,0 10,0 10,0 28,0 50,0 60,0и ц a 8.6АXX*Толщина, мкм, пластины 1 из68 О.ОX о.л-5бЗ»К SC045)2 'ci<°®<53801,63,26,412,80,12 0,60 1,90 6,600.080,431,204.200,070,371,003,600,05 0,26 0,74 2,5050'1,63,26,412,80,551,805,8017,800,351,103,7011,300.30 0,96 3,10 9,600,200,682,206,80Мате риалX, нмМатериал1, имСтекло СаСОз . Кварц Слюда Сапфир L1F2,2 ... 2,52,53,8 ... 4,45,3. 6,57,0MgO CaF2 NaF AgCl CsBr CsIТабл7,0 10,0 10,0 28,0 50,0 60,0и ц a 8.6АXX*Толщина, мкм, пластины 1 из68 О.ОX о.л-5бЗ»К SC045)2 'ci<°®<53801,63,26,412,80,12 0,60 1,90 6,600.080,431,204.200,070,371,003,600,05 0,26 0,74 2,5050'1,63,26,412,80,551,805,8017,800,351,103,7011,300.30 0,96 3,10 9,600,200,682,206,80Таблица 8.5Таблица 8.5
Вид излучения
Материал
Примечаниеу;
Вид излучения
Материал
Примечаниеу;
Таблица 8,-
Таблица 8,-
Вндимыйсвет
Вндимыйсвет
Ультра-фиолетовое
Ультра-фиолетовое
Инфракрасное
Г
Рентгеновское
Инфракрасное
Г
Рентгеновское
Потокнейтронов
Потокнейтронов
Поток Р-частиц (электронов) '
Фольга толщиной несколько микрометров (слюда, алюминий н его оксиды, тантал, золото, стекло)
Поток «-частиц
Фольга толщиной несколько микрометров (целлофан, алюминий, слюда, тантал, золото, тонкие стекла)
Поток Р-частиц (электронов) '
Фольга толщиной несколько микрометров (слюда, алюминий н его оксиды, тантал, золото, стекло)
Поток «-частиц
Фольга толщиной несколько микрометров (целлофан, алюминий, слюда, тантал, золото, тонкие стекла)
См. рис. 8.14, табл. 8.6
См. рис. 8.14, табл. 8.6
Потери излучения составляют 6 ...20; 10... 30 и 20... 40% при толщине обычного стекла соответственно 1 ... 2; 2 ...4 и 4 ... 8 мм. Для оптических стекол подобные потери соответствуют толщинам примерно в 20 раз больше
Стекло не должно содержать железа, хрома, свинца, титана, сурьмы
Потери излучения составляют 6 ...20; 10... 30 и 20... 40% при толщине обычного стекла соответственно 1 ... 2; 2 ...4 и 4 ... 8 мм. Для оптических стекол подобные потери соответствуют толщинам примерно в 20 раз больше
Стекло не должно содержать железа, хрома, свинца, титана, сурьмы
См. табл. 8.5
См. табл. 8.5
Для поглощения рентгеновского излучения применяют окна из стекол с оксидами тяжелых металлов (свинца, бария, висмута, тория, урана, титана, вольфрама)
Для поглощения рентгеновского излучения применяют окна из стекол с оксидами тяжелых металлов (свинца, бария, висмута, тория, урана, титана, вольфрама)
Например, а-частица с энергией 8,8-10 "зз Дж (длина свободного пути X = 25 мкм в целлофане, X = 22 мкм в алюминии, X — = 17 мкм в слюде, X = 9,3 мкм в тантале, X = 8,4 мкм в золоте)
Стекла, предназначенные для поглощения нейтронов, должны содержать оксиды гадолиния, индия, лития, европия и кадмия
Например, а-частица с энергией 8,8-10 "зз Дж (длина свободного пути X = 25 мкм в целлофане, X = 22 мкм в алюминии, X — = 17 мкм в слюде, X = 9,3 мкм в тантале, X = 8,4 мкм в золоте)
Стекла, предназначенные для поглощения нейтронов, должны содержать оксиды гадолиния, индия, лития, европия и кадмия
Мате риал
X, нм
Материал
1, им
Стекло СаСОз . Кварц Слюда Сапфир L1F
2,2 ... 2,5
2,5
3,8 ... 4,4
5,3
. 6,5
7,0
MgO CaF2 NaF AgCl CsBr CsI
Табл
7,0 10,0 10,0 28,0 50,0 60,0
и ц a 8.6
А
X
X*
Толщина, мкм, пластины 1 из
68 О.
О
X о.
л
-5
бЗ»
К SC
04
5)2 '
ci
<
°®
<53
80
1,6
3,2
6,4
12,8
0,12 0,60 1,90 6,60
0.08
0,43
1,20
4.20
0,07
0,37
1,00
3,60
0,05 0,26 0,74 2,50
50'
1,6
3,2
6,4
12,8
0,55
1,80
5,80
17,80
0,35
1,10
3,70
11,30
0.30 0,96 3,10 9,60
0,20
0,68
2,20
6,80
Мате риал
X, нм
Материал
1, им
Стекло СаСОз . Кварц Слюда Сапфир L1F
2,2 ... 2,5
2,5
3,8 ... 4,4
5,3
. 6,5
7,0
MgO CaF2 NaF AgCl CsBr CsI
Табл
7,0 10,0 10,0 28,0 50,0 60,0
и ц a 8.6
А
X
X*
Толщина, мкм, пластины 1 из
68 О.
О
X о.
л
-5
бЗ»
К SC
04
5)2 '
ci
<
°®
<53
80
1,6
3,2
6,4
12,8
0,12 0,60 1,90 6,60
0.08
0,43
1,20
4.20
0,07
0,37
1,00
3,60
0,05 0,26 0,74 2,50
50'
1,6
3,2
6,4
12,8
0,55
1,80
5,80
17,80
0,35
1,10
3,70
11,30
0.30 0,96 3,10 9,60
0,20
0,68
2,20
6,80
Таблица 8.5
Таблица 8.5
Стекло (обычное, оптическое, жаропрочное), кварц, пластмассы
Для длины волны X = 0,3 ... 0,4 мкм слюда, специальные фосфатные стекла, акриловые пластмассы (плексиглас); при Х~ 0,2 ... 0,3 мкм кварц, сапфир, соли (хлориды натрия и калия, фториды кальция и лития)
Боросиликатные стекла (не более 10% 5Ю2и В2О8;3% А12О3); кварц, слюда, сапфир, различные соли
Фольга из легких металлов, алюминий, бериллий, оксиды легких металлов (бора, лития, бериллия), слюда, пластмассы, цветные стекла
Обычные стекла, содержащие оксиды кремния, алюминия, свинца и магния
более высоких температур, — выпук- лЫе. Оправы сваривают с фланцами, соединяемыми с вакуумными камерами через металлические прогреваемые прокладки (рис. 8.17, а). При циклических высокотемпературных прогревах используют конструкцию из нескольких коваровых герметично сваренных колец (рис. 8.17, б).
Многие технологические процессы, проводимые в вакууме (вакуумная плавка, электронно-лучевая сварка, нанесение тонких пленок, вакуумная дистилляция, зонная очистка и др.), сопровождаются интенсивным испарением или ионным распылением веществ. При этом на смотровых стеклах образуются осадки, снижающие прозрачность стекол и ограничивающие срок службы смотровых окон. Смотровые стекла приходится периодически протирать или снимать для удаления осадков механическим или химическим способом, а также применять защитные устройства (табл. 8.7). Эффективность защиты смотрового окна от запыления характеризуют коэффициентом К3 = = 13А0- ГДе А? И to — срок службы окон соответственно с защитным устройством и открытых (без защитного устройства).
Устройства для защиты окон можно подразделить на две группы: устройства для обновления запыленных участков защитных прозрачных материалов; устройства, уменьшающие интенсивность потока напыляющих молекул.
В приспособлениях первой группы прозрачный защитный материал, который во время измерений остается чистым, располагают перед основным смотровым окном. Как правило, этого достигают механическим перемещением Защитного материала относительно визируемого канала. Устройства второй группы обеспечивают уменьшение потока молекул, защищая основное смотровое стекло от запыления. Обычно зтого достигают механическим, элек- трическим или газовым воздействием иа летящие молекулы.
° зависимости от конструкции установки и ее назначения устройства Должны обеспечивать возможность пе- ниоднческого или непрерывного наблю-
1 В скобках указана плотность материала, г/см3.
Рис. 8.15. Смотровое окно с резиновым уплотнением:
1,3 — прокладки; 2 — стекло; 4 — виит;
5 — зажимное кольцо; 6 — стенка камеры
Рнс. 8.16. Оконные спаи с плоскими (а) и выпуклыми' <<Г) стекламиРнс. 8.16. Оконные спаи с плоскими (а) и выпуклыми' <<Г) стеклами671671РВС. 8.17. Смотровые окна для прогревав» мых систем:/ — стекло; 2 — стакан из кварца; 3 — фланец; 4, 5 н 6 — соответственно наружное, внутреннее н промежуточное кольца;7 — место сварки; а — угол зренияРВС. 8.17. Смотровые окна для прогревав» мых систем:/ — стекло; 2 — стакан из кварца; 3 — фланец; 4, 5 н 6 — соответственно наружное, внутреннее н промежуточное кольца;7 — место сварки; а — угол зренияРис. 8118. Смотровое окно с протиром: 1 — протир; 1 — шток; 3 — уплотнение;4 — стеклоРис. 8118. Смотровое окно с протиром: 1 — протир; 1 — шток; 3 — уплотнение;4 — стекло
Рнс. 8.16. Оконные спаи с плоскими (а) и выпуклыми' <<Г) стеклами
Рнс. 8.16. Оконные спаи с плоскими (а) и выпуклыми' <<Г) стеклами
671
671
РВС. 8.17. Смотровые окна для прогревав» мых систем:
/ — стекло; 2 — стакан из кварца; 3 — фланец; 4, 5 н 6 — соответственно наружное, внутреннее н промежуточное кольца;
7 — место сварки; а — угол зрения
РВС. 8.17. Смотровые окна для прогревав» мых систем:
/ — стекло; 2 — стакан из кварца; 3 — фланец; 4, 5 н 6 — соответственно наружное, внутреннее н промежуточное кольца;
7 — место сварки; а — угол зрения
Рис. 8118. Смотровое окно с протиром: 1 — протир; 1 — шток; 3 — уплотнение;
4 — стекло
Рис. 8118. Смотровое окно с протиром: 1 — протир; 1 — шток; 3 — уплотнение;
4 — стекло
На рис. 8.18 показано смотровое окно с протаром и системой водяного охлаждения для исключения перегрева уплотняющих прокладок.
Другое конструктивное решеняе, обеспечивающее длительный срок службы смотрового окна, — применение пово
ротных дисков со сменными защитными стеклами. После загрязнения стекла, расположенного против смотрового от- 1 верстая, диск поворачивают, подводя к смотровому отверстию незагрязненное стекло (рис. 8.19). В этой конструкции вместо диска можно использовать большое поворотное стекло, так как давления по обе стороны от него одинаковые н, следовательно, оно ие подвергается воздействию силовых нагрузок. В связи с этим требования прочности н термостойкости стекла являются второстепенными; можно использовать даже оконное стекло. Толщина защитных стекол обычно незначительна, поэтому доля поглощаемой в стекле энергии излучения незначительна. К преимуществам этого способа следует отнести то, что срок службы смотрового окна пропорционален числу защитных стекол при весьма простой конструкции устройства.
В смотровых окнах с вакуумным затвором, расположенным между смотровым стеклом и камерой (рис. 8.20), наличие затвора позволяет заменять стекла без разгерметизации рабочей камеры.
В устройстве другого типа для защиты смотрового стекла 2 (рис. 8.21), укрепленного в держателе 1, используют прозрачную пленку. Устройство состоит из днища 3 и корпуса 4; по патрубку / скользит прозрачная пленка 6 из лавсана. Пленка перематывается с катушки 5 на катушку 8, которая приводится от двигателя и редуктора, расположенных вне вакуумной камеры.
Срок службы смотрового стекла увеличен, так как загрязняющие частицы задерживаются прозрачной пленкой. Скорость движения ленты подбирают с учетом ее термостойкости, а также того, что за время прохождения смотрового канала ее запыленность не должна превышать допускаемой.
Защитное устройство«а.схемаконструктивные особенностин1 2 /Окно с защитой смотрового стекла 1 легко съемным стеклом 2. Применяют в системах с низкой интенсивностью запыления. Обеспечивает постоянное наблюдение с большим углом зрения1\П72 /Окно с открывающейся заслонкой 2 стекла 1 во время наблюдения должно иметь ввод движения ' в вакуум. Применяют поступательное, вращательное, маятниковое и другие устройства для перемещения заслонки'>100Окно с поворотным экраном 2, имеющим отверстие а, подводимое последовательно к незапыленным учасг- •кам стекла 1, должно иметь механический вакуумный ввод. Имеет малый угол зрения5 ... 1047/V7Окно с зеркалом 4 н экраном 2, защищающим стекло / от прямого попадания частиц вещества из источника загрязнения 3, Применяют при точечном источнике, когда осаждаемое на зеркале вещество образует пленку с хорошими отражательными свойствами100 ... 200Защитное устройство«а.схемаконструктивные особенностин1 2 /Окно с защитой смотрового стекла 1 легко съемным стеклом 2. Применяют в системах с низкой интенсивностью запыления. Обеспечивает постоянное наблюдение с большим углом зрения1\П72 /Окно с открывающейся заслонкой 2 стекла 1 во время наблюдения должно иметь ввод движения ' в вакуум. Применяют поступательное, вращательное, маятниковое и другие устройства для перемещения заслонки'>100Окно с поворотным экраном 2, имеющим отверстие а, подводимое последовательно к незапыленным учасг- •кам стекла 1, должно иметь механический вакуумный ввод. Имеет малый угол зрения5 ... 1047/V7Окно с зеркалом 4 н экраном 2, защищающим стекло / от прямого попадания частиц вещества из источника загрязнения 3, Применяют при точечном источнике, когда осаждаемое на зеркале вещество образует пленку с хорошими отражательными свойствами100 ... 200Таблица 8.7Таблица 8.77 П/р Е. С. Фролове7 П/р Е. С. ФроловеОдин из способов уменьшения интенсивности потока частиц на стекло — защита его струей инертного газа. Пря определенной плотности струя газа, омывающая смотровое стекло, рассеивает поток загрязненных частиц, ® результате чего уменьшается загрязнение. Сама струя инертного газа пр°" зрачиа, но инертный газ может значительно увеличить давление в системе-
Защитное устройство
«а
.схема
конструктивные особенности
н
1 2 /
Окно с защитой смотрового стекла 1 легко съемным стеклом 2. Применяют в системах с низкой интенсивностью запыления. Обеспечивает постоянное наблюдение с большим углом зрения
1
\П7
2 /
Окно с открывающейся заслонкой 2 стекла 1 во время наблюдения должно иметь ввод движения ' в вакуум. Применяют поступательное, вращательное, маятниковое и другие устройства для перемещения заслонки
'>100
Окно с поворотным экраном 2, имеющим отверстие а, подводимое последовательно к незапыленным учасг- •кам стекла 1, должно иметь механический вакуумный ввод. Имеет малый угол зрения
5 ... 10
4
7/
V
7
Окно с зеркалом 4 н экраном 2, защищающим стекло / от прямого попадания частиц вещества из источника загрязнения 3, Применяют при точечном источнике, когда осаждаемое на зеркале вещество образует пленку с хорошими отражательными свойствами
100 ... 200
Защитное устройство
«а
.схема
конструктивные особенности
н
1 2 /
Окно с защитой смотрового стекла 1 легко съемным стеклом 2. Применяют в системах с низкой интенсивностью запыления. Обеспечивает постоянное наблюдение с большим углом зрения
1
\П7
2 /
Окно с открывающейся заслонкой 2 стекла 1 во время наблюдения должно иметь ввод движения ' в вакуум. Применяют поступательное, вращательное, маятниковое и другие устройства для перемещения заслонки
'>100
Окно с поворотным экраном 2, имеющим отверстие а, подводимое последовательно к незапыленным учасг- •кам стекла 1, должно иметь механический вакуумный ввод. Имеет малый угол зрения
5 ... 10
4
7/
V
7
Окно с зеркалом 4 н экраном 2, защищающим стекло / от прямого попадания частиц вещества из источника загрязнения 3, Применяют при точечном источнике, когда осаждаемое на зеркале вещество образует пленку с хорошими отражательными свойствами
100 ... 200
Таблица 8.7
Таблица 8.7
7 П/р Е. С. Фролове
7 П/р Е. С. Фролове
Рис. 8.17. Смотровые окна для прогреваемых систем!
1 — стехло; 2 — стакан из кварца; 3 — фланец; 4, 5 и 6 — соответственно наружное, внутреннее н промежуточное кольца;
7 — место сварки; а — угол зрении
Рис. 8;18. Смотровое окно с протиром;
1 — протир; 2 — шток; 3 — уплотнение;
4 — стекло
На рнс. 8.18 показано смотровое окно с протнром н системой водяного охлаждения для исключения перегрева уплотняющих прокладок.
Другое конструктивное решение, обеспечивающее длительный срок службы смотрового окна, — применение пово
ротных дисков со сменными защитными стеклами. После загрязнения стекла расположенного против смотрового от^ верстая, диск поворачивают, подводя к смотровому отверстию незагрязненное стекло (рнс. 8.19). В этой конструкции вместо диска можно использовать большое поворотное стекло, так как давления по обе стороны от него одинаковые и, следовательно, оно не подвергается воздействию силовых нагрузок. В связи с этим требования проч- носта н термостойкости стекла являются второстепенными; можно использовать даже оконное стекло. Толщина защитных стекол обычно незначительна, поэтому доля поглощаемой в стекле энергии излучения незначительна. К преимуществам этого способа следует отнести то, что срок службы смотрового окна пропорционален числу защитных стекол прн весьма простой конструкции устройства.
В смотровых окнах с вакуумным затвором, расположенным между смотровым стеклом н камерой (рнс. 8.20), наличие затвора позволяет заменять стекла без разгерметизации рабочей камеры.
В устройстве другого тапа для защиты смотрового стекла 2 (рнс. 8.21), укрепленного в держателе I, используют прозрачную пленку. Устройство состоит из днища 3 н корпуса 4; по патрубку 7 скользит прозрачная пленка 6 нз лавсана. Пленка перематывается с катушкн 5 на катушку 8, которая приводится от двигателя н редуктора, расположенных вне вакуумной камеры.
Срок службы смотрового стекла увеличен, так как загрязняющие частицы задерживаются прозрачной пленкой. Скорость движения ленты подбирают с учетом ее термостойкости, а также того, что за время прохождения смотрового канала ее запыленность не должна превышать допускаемой.
Один нз способов уменьшения интенсивности потока частиц на стекло'' защита его струей инертного газа. Пря определенной плотности струя газа- омывающая смотровое стекло, pacceil„ вает поток загрязненных частиц, результате чего уменьшается загряз» ине. Сама струя инертного газа пр арачна, но инертный газ может з»а® тельно увеличить давление в систем6'
Защитное устройство
.схемаконструктивные особенности
7 П/р Е. С. Фролов»
Таблица 8.7
Окно с защитой смотрового стекла / легко съемным стеклом 2. Применяют в системах с низкой интенсивностью запыления. Обеспечивает постоянное наблюдение с большим углом зрения
Окно с открывающейся заслонкой 2 стекла 1 во время наблюдения должно иметь ввод движения в вакуум. Применяют поступательное, вращательное, маятниковое н другие устройства для перемещения заслонки
Окно с поворотным экраном 2, имеющим отверстие а, подводимое последовательно к незапыленным участкам стекла 1. должно иметь механический вакуумный ввод. Имеет малый угол зрения
Окно с зеркалом 4 и экраном 2, защищающим стекло / от прямого попадания частиц вещества нз источника загрязнения 3. Применяют прн точечном источнике, когда осаждаемое на зеркале вещество образует пленку с хорошими отражательными свойствами
>100
5 ... 10
100 ... 200
Защитное устройство
схемаконструктивные особенности
Окно с защитой стекла 1 экраном 2 с малым отверстием. Применяют при наличии больших поверхностных источников загрязнения
Продолжение табл. 8.7
Окно с защитным неподвижным конусом 3 и подвижным стеклом 1 на сильсЬоне 2 дает возможность подводить отверстие конуса к любому иезапылениому участку стекла
10 ... 50 (Ка > 50 при условии возврата отверстия в центральную часть при периодических наблюдениях)
Окно с защитой стекла 1 вращающимися дисками 2, имеющими прорези (селектор скорости). Обеспечивают малый угол зрения. Частоту вращения п подбирают так, чтобы большая часть потока частип не проходила через вторую щель, а осаждалась иа втором диске, т. е. о > 2яг, где о — средняя скорость частиц
Окно с защитой стекла 1 вращающимся диском 2 с прорезями обеспечивает больший угол зрения, чем предыдущая конструкция, ио меньшее зиачеиие Кв
Ка * Ю3 ... 104;
К» = Kz exp (Ub^X _ М (2лп)г
2RT ’ где г — число прорезей; -
К= 1 -1п [&/(2лгг) ],in (io^non)i0 н ‘доп — начальнаяи минимальная допу-скаемая плотностисветового потока
Кв « 100 ... 300;
К3 = Ы(2мА X
/1 In [6/(2лг)Н \ ~ 1П (1о/|дон)'
•Защитное устройство
*3
схема
конструктивные особенности
/
Окно с затвором 2 между смотровым-стеклом 1 и камерой открывают только во время наблюдения либо по окончании процесса
>100
Г
' 7
Окно с протиром 2 стекла 1 применяют в случае легко удаляемого осадка. Имеется механический ввод в вакуум. Обеспечивают очистку стекла без нарушения вакуума
100 ... 200
Окно с защитой стекла / конденсирующимися иоиами отклонением их в электрическом поле цилиндрического конденсатора 2, установленного иа изоляторах 3
«330
Г \ *
1 J Z 1
г 1
Окно со стеклом 1 на длинном сильфоне 2, поворачиваемом в необходимое положение только в момент наблюдения. Не требует механических вакуумных вводов
>100
Продолжение табл. 8.7
Продолжение табл. 8.7 'Продолжение табл. 8.7 'Защитное устройствоЗащитное устройствоконструктивные особенностиконструктивные особенностисхемасхема>100>100ббОкно с зашитой смотрового стекла 1 непрерывной прозрачной пленкой 2 и экраном 3Окно с зашитой смотрового стекла 1 непрерывной прозрачной пленкой 2 и экраном 3*3*3Рес. 8.19. Смотровое окно с поворотным диском: сменные стекла; 2 — корпус; 3 — поворотный диск; 5 — ручка; 6 — смотро отеклоРес. 8.19. Смотровое окно с поворотным диском: сменные стекла; 2 — корпус; 3 — поворотный диск; 5 — ручка; 6 — смотро отеклоРис. 8.21. Смотровое окно с движущейся прозрачной пленкой .Рис. 8.21. Смотровое окно с движущейся прозрачной пленкой .Рже. 9Л0. Смотровое окно с вакуумным затвором:Рже. 9Л0. Смотровое окно с вакуумным затвором:корну»; 1 —» вакуумный затвор; 3 — уплотнение; 4 = ручка; $ м штуцер и фо?" вакуумному насосу; 6 — смотровое стеклокорну»; 1 —» вакуумный затвор; 3 — уплотнение; 4 = ручка; $ м штуцер и фо?" вакуумному насосу; 6 — смотровое стекло**ис. в.11. Смотровое окно с газовой защитой**ис. в.11. Смотровое окно с газовой защитой
Продолжение табл. 8.7 '
Продолжение табл. 8.7 '
Защитное устройство
Защитное устройство
конструктивные особенности
конструктивные особенности
схема
схема
>100
>100
б
б
Окно с зашитой смотрового стекла 1 непрерывной прозрачной пленкой 2 и экраном 3
Окно с зашитой смотрового стекла 1 непрерывной прозрачной пленкой 2 и экраном 3
*3
*3
Рес. 8.19. Смотровое окно с поворотным диском: сменные стекла; 2 — корпус; 3 — поворотный диск; 5 — ручка; 6 — смотро отекло
Рес. 8.19. Смотровое окно с поворотным диском: сменные стекла; 2 — корпус; 3 — поворотный диск; 5 — ручка; 6 — смотро отекло
Рис. 8.21. Смотровое окно с движущейся прозрачной пленкой .
Рис. 8.21. Смотровое окно с движущейся прозрачной пленкой .
Рже. 9Л0. Смотровое окно с вакуумным затвором:
Рже. 9Л0. Смотровое окно с вакуумным затвором:
корну»; 1 —» вакуумный затвор; 3 — уплотнение; 4 = ручка; $ м штуцер и фо?" вакуумному насосу; 6 — смотровое стекло
корну»; 1 —» вакуумный затвор; 3 — уплотнение; 4 = ручка; $ м штуцер и фо?" вакуумному насосу; 6 — смотровое стекло
**ис. в.11. Смотровое окно с газовой защитой
**ис. в.11. Смотровое окно с газовой защитой
Частично эту задачу решают созданием области повышенной плотности газа непосредственно перед смотровым стеклом. Для этого газ подается через патрубок 2 в пространство перед стеклом. Устройство снабжено перегородкой / с диафрагмой малого диаметра (рис. 8.22). Чем меньше диаметр диафрагмы. тем меньше расход инертного газа в объеме а и тем меньше газа поступает в вакуумную систему. Кроме того, защита стекла сопряжена с увеличением производительности вакуумной откачиой системы для поддержания разрежения внутри установки в заданных пределах. Для увеличения сопротивления потоку газа в вакуумный объем помещают не одну, а несколько диафрагм на некотором расстоянии одна от другой. Это уменьшает расход газа.
Преимущества метода — простота конструкции и отсутствие вращающихся частей, недостатки — поступление газа в вакуумный объем, а также
малый угол зрения из-за небольшого диаметра диафрагмы.
Такой способ защиты можно использовать в основном при визуальном наблюдении. Эффективность метода проверена при плавке ниобии в электронно-лучевых печах. Без защиты стекло в течение 2...3 мин становится совершенно непрозрачным. При подаче аргрна в процессе плавки в течение 2 ч на стекле не обнаружено следов потемнения.
Если смотровое окно находится в труднодоступном месте или оператору опасно находиться около вакуумной установки, применяют различные перископические устройства. Объектив перископа устанавливают иа смотровом окне, а окуляр — в месте, удобном и безопасном для наблюдения.
Загрузочные вакуумные устройства
Наибольшие непроизводительные потери времени при работе вакуумного технологического оборудования приходится на предварительную многократную откачку рабочих камер при загрузке и выгрузке обрабатываемых изделий. Кроме того, разгерметизация рабочей камеры не позволяет воспроизводить вакуумные условия от цикла к циклу. Для исключения непроизводительных потерь времени, а также обес- . печения идентичности вакуумных условий используют различные устройства для подачи веществ и образцов в рабочий объем без нарушении вакуума. Все эти устройства можно разделить иа три группы: магазинно-бункерные, шлюзовые и комбинированные [34 ].
Магазинно-бункерные устройства / (рис. 8.23. а) с загруженными в них материалами или изделиями 2 применяют в установках периодического действия и размещают непосредственно в рабочей камере 4установки. Загрузку и выгрузку магазинов или бункеров выполняют после разгерметизации камеры. Из устройств / изделия 2 периодически поступают на рабочую позицию 3 для проведения технологических процессов. После обработки изделия транспортируются в приемный магазин 5 или бунке.р. 1
Применение таких устройств практически не усложняет конструкцию ва-
куумных систем и позволяет предварительно прогревать материалы для их ебезгаживання в процессе первоначальной откачки рабочей камеры. Конструктивно устройства выполняют на базе обычных загрузочных устройств с учетом специфических для вакуумной техники требований. Основной недостаток магазинно-бункерных устройств — нх ограниченная вместимость.
Шлюзовые загрузочные устройства (ШЗУ) представляют собой совокупность средств герметизации, транспортирования н откачки, обеспечивающих подачу изделий из области с атмосферным давлением в рабочую вакуумную камеру и обратно без напуска газов в рабочие камеры. Применение ШЗУ позволяет загружать практически неограниченное число изделий, но по конструкции эти устройства гораздо сложнее магазинно-бункерных. По виду герметизации ШЗУ подразделяют на закрытые н открытые.
Для закрытых ШЗУ характерна полная герметизация рабочей камеры с помощью затвора во время проведения технологического процесса. ШЗУ с одной шлюзовой загрузочно-выгрузочной камерой (рис. 8.23, б) работает следующим образом. При закрытом откачном патрубке с клапаном 6 шлюзовую камеру 2 заполняют воздухом до атмосферного давления, а затем открывают крышку 1 и вводят в шлюзовую камеру изделие 7, после чего крышку закрывают. Далее, через клапан 6 откачивают воздух из шлюзовой камеры до давления, равного или близкого к давлению в рабочей камере 4- Затем открывают затвор 3 и через его проходное отверстие транспортируют изделия в рабочую камеру на позицию обработки 5. Обработанное изделие выгружают из рабочей камеры в обратной последовательности.
Для совмещения процессов обработки изделий и операций загрузки- выгрузки применяют шлюзовые устройства с двумя шлюзовыми камерами 2 (рис. 8.23, в).
В открытых ШЗУ нет уплотнитель- устройств. Многоступенчатой дифференциальной откачкой через диф- ФУзионно-щелевые зазоры между стен- КаМи межкамёрного канала и транспор
тирующего устройства давление снижают от атмосферного до рабочего. С помощью устройств такого типа можно обеспечить непрерывное или дискретное транспортирование изделий с постоянными размерами и формой поперечного сечения (листы, полосы, проволока, лента, прутки и др.), а также кассет, спутников, цилиндрических носителей и других держателей изделий. Такие ШЗУ перспективны также для последовательной загрузки штучных изделий, которые следуют одно за другим непрерывно (торец в торец), образуя как бы непрерывный материал. Спутники, в которых эти изделия закреплены, по форме сечения должны быть идентичны каналу ШЗУ.
Для непрерывного ввода материала в рабочую камеру применяют так называемые динамические уплотнения — ряд последовательно расположенных вакуумных камер, давление в которых ступенчато уменьшают до значения, близкого к давлению в рабочей камере. Число ступеней откачки, зазоры в межкамерном канале и откачные средства выбирают в зависимости от заданного давления в рабочей камере. Меж- камерный канал и транспортирующее устройство изготовляют из материалов с близкими температурными коэффициентами линейного расширения, применяя интенсивное охлаждение для исключения возможности изменения ширины канала вследствие температурного расширения. Конструктивная схема открытого ШЗУ дана на рис. 8.23, г. По форме сечения изделия 2. подаваемые в камеру /, идентичны транспортному каналу шлюза. В корпусе шлюза со стороны входа и выхода имеются по две кольцевые полости А и Б, которые попарно объединены трубопроводами, обеспечивающими ступенчатую откачку.
Открытое ШЗУ с поворотным ячейковым механизмом (рис. 8.23, д) предназначено для подачи сыпучих материалов. Из воронки / материал поступает в дозирующее колесо 2 и далее через промежуточную камеру 3 в ячейки транспортного колеса 5 к выходному патрубку 4 в рабочую камеру. Дифференциальную ступенчатую откачку выполняют через трубопроводы
сильфона и прижатым к фланцу 2. Внутренний диаметр разрезного кольцасильфона и прижатым к фланцу 2. Внутренний диаметр разрезного кольцаменьше диаметра кольца. Разрезйое входит во впаднну , гофрами. Толщинаменьше диаметра кольца. Разрезйое входит во впаднну , гофрами. Толщинауплотнительиог о кольцо свободио сильфона между выступа а = 2413уплотнительиог о кольцо свободио сильфона между выступа а = 2413саторсаторИсполнение 1Исполнение 1Исполнение 2Исполнение 2Рнс. 8.28. Однослойные разделительные сильфоныРнс. 8.28. Однослойные разделительные сильфоны
сильфона и прижатым к фланцу 2. Внутренний диаметр разрезного кольца
сильфона и прижатым к фланцу 2. Внутренний диаметр разрезного кольца
меньше диаметра кольца. Разрезйое входит во впаднну , гофрами. Толщина
меньше диаметра кольца. Разрезйое входит во впаднну , гофрами. Толщина
уплотнительиог о кольцо свободио сильфона между выступа а = 2413
уплотнительиог о кольцо свободио сильфона между выступа а = 2413
сатор
сатор
Исполнение 1
Исполнение 1
Исполнение 2
Исполнение 2
Рнс. 8.28. Однослойные разделительные сильфоны
Рнс. 8.28. Однослойные разделительные сильфоны
Иногда в открытых системах применяют уплотнители, «обжимающие* транспортирующее устройство; это позволяет значительно уменьшить поток воздуха из атмосферы через межкамерный канал, что, в свою очередь, приводит к уменьшению размеров шлюзовой системы, уменьшению мощности откачных средств, а также расширению допусков на точность зазора в межкамерных каналах. Недостаток таких устройств — частые повреждения уплотнителей из-за постоянного трения и попадания твердых частиц. Конструкция шлюза с уплотнителем показана на рис. 8.23, е. На полированной) штанге 1 имеется канавка для загрузки подаваемого материала. Штанга может вращаться и совершать возвратно- поступательное движение. Уплотнение прокладки 2 — из резины или фторопласта. Усилие сжатия прокладок должно обеспечивать как свободное перемещение штока, так и герметичность. Для загрузки штангу выводят в сторону атмосферы так, чтобы полость В оказалась снаружи фланца 3, закладывают подаваемый материал в канавку и подают штангу в сторону вакуумной полости. При этом вначале канавка оказывается в канавке Г полости форвакуумной откачки, затем — в рабочем объеме камеры. При повороте штанги на 180° подаваемый материал высыпается из канавки в соответствующее устройство рабочей камеры.
В ШЗУ для подачи ленточного материала (рис. 8.23, ас) лента 3 проходит из шлюзовой камеры 1 в рабочую камеру 4 через уплотнитель 2, который состоит из нескольких плоских эластичных мембран, одним концом закрепленных на стенке межкамерного канала, а другим — сжимающих поверхности ленты и приводного барабана. При изменении толщины ленты эффективность уплотнения не снижается.
Принципиальная конструктивная схема открытого ШЗУ роторного типа с пазами для переноса изделий в рабочую камеру показана на рис. 8.23, з. В положении / образец загружают в полость Д устройства. При повороте этой полости в положение II из нее через патрубок Е производят предварительную откачку. Далее, при пово
роте полости в положение III образец под действием собственной силы тяжести падает в вакуумное пространство иа рабочую позицию.
Комбинированные загрузочные системы — это сочетание шлюзовых и магазинно-бункерных устройств (рис. 8.23, и). Принцип работы такого ШЗУ заключается в том, что шлюзовая камера 1 может отделяться от рабочей камеры 10 затвором 11. После загрузки магазина 2 в ШЗУ давление в устройстве снижают до требуемого с помощью откачной системы, включающей затвор 4, ловушку 6. клапан 7 н форвакуумный насос 8. Затем открывается затвор 11 между шлюзовой и рабочей камерами, и изделия одно за другим подаются на обработку из магазина в камеру 10 с помощью резиновых пасиков 3 и шагового механизма 9. После окончания обработки всех пластин закрывают затвор 11, давление в ШЗУ повышают до атмосферного через натекатель 5, выгружают обработанный магазин и загружают новый. При линейной конструктивной компоновке установки на другом ее конце устанавливают такое же по конструкции приемное ШЗУ.
Гибкие герметизирующиезвенья
Гибкие вакуумно-плотные элементы используют для компенсации погрешностей изготовления и температурных деформаций вакуумных трубопроводов, облегчения их сборки и защиты установок от вибраций механических насосов. В вакуумной технике в качестве гибких элементов наиболее распространены резиновые диафрагмы, резиновые линзовые компенсаторы, а также металлические сильфоны.
На рис. 8.24 показано гибкое звено,' в котором роль компенсатора играют резиновые мембраны 2, являющиеся одновременно уплотнительными элементами соединения. Их устанавливают между кольцами 3 и 4 и прижимают к промежуточному фланцу 1-
Резиновые линзовые компенсаторы (рис. 8.25) обычно устанавливают на форвакуумных трубопроводах. На концах соединяемых труб 3 и 4 выполняют проточки для размещения резинового компенсатора 1. Наружный диаметр
проточки на 2...3 мм больше внутреннего диаметра посадочного места компенсатора. Шероховатость поверхности проточки дблжна соответствовать Rz = = 10 мкм. Концы компенсатора закрепляют на трубе стяжными хомутами 2 [371-
В высоковакуумных, а также прогреваемых конструкциях используют сильфоны из коррозионно-стойких сталей (12Х18Н10Т, 08Х18Н10Т и др.), предназначенных для работы в средах, не вызывающих коррозии материала при Т ~ 73...673 К. Эти сильфоны изготовляют по ГОСТ 22388—77 в двух исполнениях — с внутренним и наружным посадочными диаметрами бортика. Основные параметры и размеры сильфонов (рис. 8.26) указаны в табл. 8.8 (исполнение 1) и табл. 8.9 (исполнение 2). При эксплуатации рабочий ход на сжатие сильфона должен составлять 70%, на растяжение — 30% максимального рабочего хода, указанного н таблицах. Стальные сильфоны соединяют с арматурой механическим способом, аргонодуговой или электронно-лучевой сваркой. Не рекомендуется пайка высокотемпературными припоями (973... 1073 К), вызывающая нарушение структуры материала и изменение физических характеристик сильфона.
На рнс. 8.27 показано механическое соединение сильфона 4 с фланцем 2 с помощью разрезных колец 1, закладываемых между гофрами сильфона. Соединение уплотняют резиновым, кольцом 3 круглого сечения, защемленным в бортике срезанного гофра
Таблица 8.8
D
£0, мм (числитель —: максимальный рабочий ход на сжатие, мм; знаменатель — максимальный угол изгиба, °)
1, мм
Эффективная площадь, см*
ММ
16±0,7
13+0,11
11,3 (0,6/0,7); 15,0 (1,1/1,3);
19,0 (1,7/2,0); 22,7 (2,2/2,6);
26,0 (2,8/3,3); 30,5 (3,4/4,0);
38,0 (4,5/5,3)
3,5±0,3
1,28
18±0,7
14+0,11
12,2 (1.0/1,0): 16,6 (2,0'2,0); 19,0 (2,5/2,6); 19,0 (2,3/2,4); 19,0 (1,8/1,9); 20.5 (3,0/3,1);
20,5 (2,7/2,8); 20,5 (2,1/2,2);
25,4 (4.0/4,1); 30,0 (5,0/5,1); 30,0 (4,5/4,6); 47,0 (7,2/7,5); -
56,5 (8.8/9,1)
3,5±0,3
1,70
22±0,84
] 6+0,11
*
14,1 (1,1/1,0); 14,3 (1,0/0,9);
20,1 (2,2/2,0); 20,7 (2,0/1,8);
26,5 (3,3/2,8); 27,1 (2,6/1,9);
33,5 (3,5/2,7); 40,0 (4,4/3,2)
3,5d=0,3
2,48 : \
28±0,84
20+М* '
16,0 (1.2/0,8); 22,0 (2,4/1,6);
28,7 (3,6/2,4); 35,5 (4,8/3,2); 42,0 (6,0/4,0); 48,5 (7,2/4,9)
4,0±0,3
4,06,
38±1,0
32+°,и
18,0 (1,3/0,6); 18.4 (1,5/0,7); 22,0 (2,0/1,0); 22.0 (1,8/0,9); 27,4 (3,04,5); 26,2 (2,6/1.3); 35.0 (3.9/1,9); 34,0 (3,6/1,8); 36,4 (4,5/2,2); 37,0 (4.2/2,4); 41,5 (4,8/2,90, 45,4 (6.0 '3,01; 43.0 (5.6/2.7); 51,4(6,5/3.2); 49,5 (6,0/3,0); 55,0 (7,5/3.7); 55,0 (7,0/3,5); 60,0 (7,8/3,81; 58,0 (7,2/3,5); 73,5 (9,6/4,7)
4,0±0,3
7,94|
40±1,0
35+ °.и
60,0 (8,8/4,1)
5±0,3
9,42 Д
45±1,0
39+0,1?
33,5 (5,0/2,3); 33,5 (4,8/2,0);
33,5 (4,5/1,8); 41,0 (6,0/2,4);
41,0 (6,4/2,6); 70,0 (12,0/4,8); -
74,0 (12,8/5,2)
5±0,3
• 12,00 1]
52±1,2
45+о,17
25,0 (3,3/1,1); 39,0 (6,2/2,3);
52,0 (9,9/3,5); 52,0 (9,3/3,3);
75,0 (1,8/5,2); 75,0 (14,4/5,1);
88,0 (18,7/6,6)
5±0,3
15,80 ■
52±1,2
38+°Д’
98,0 (18,2/5,4); 99,0 (15,4/4,6)
5±0,3
14,40
Продолжение табл. 8.8
D
Lq, мм (числитель — максимальный рабочий ход на сжатие, мм; знаменатель — максимальный угол изгиба, °)
1, мм
Эффективнее
ММ
площадь, см*
63+ 1,2
. 55+®.20
42,5 (7,2/2,1); 53,0 (8,5/2,5);
58,0 (10,8/3,1); 58,0 (9,6/2,7);
58,0 (8,1/2,3); 88,5 (18,0/5,2);
88,5 (16,0/4,6)
5±0,3
24,00
48+о,17
44,0 (7,2/2,5)
23,10
65+ 1,2
57+о,зо
36,0 (3,5/1,0)
7±0,3
26,10
78± 1,2
60+0.2”
87,5(11,8/2,8)
7±0,3
35,20
125± 1,6
104+0,46
75,6 (7,0/1,0)
12+0,7
100,20
100± 1.4
85,5+0-’3
55,5(11,8/2,8)
9±0,3
65,00
160+2,0
145±0,53
42,7(3,2/0,4); 61,9(6,4/0,7);
81,1(9,6/1,1); 100,3(12,8/1,5);
119,5 (16,0/1,8); 139,0(19,2/2,1)
10±0,7
165,00
При при D >
м е ч а н и е.
100 мм.
Радиус г = 0,5 ... 1,0 мм при
В С 100 мм; г = 2 мм
Та
блица 8.9
D
dH
Lo, мм (числитель — максималь-
ki ММ
Эффектниная
ММ
знаменатель — максимальный угол изгиба, °)
площадь, см*
29±0,7 '
22_о,14
100,0 (11,0/7,2);
168,0 (0,33/21,8)
5±0,3
4,71
72±1,2
^-0,20
28,5 (4,0/0,8)
6±0,3
32,00
78±1,2
60-О»В0
30,0 (3,5/0,8); 56,5 (9,2/2,1);
67,5(11,5/2,7); 51,0 (7,7/1,8);
67,5(11,0/2,6); 78,5(13,2/3,1)
7±0,3
37,20
92± 1.4
76-0,20
78,0 (11,0/2,2)
7±0,3
55,0
Ю0±1,4
76-0,20
49,0(8,0/1,5); 56,0(9,6/1,7);
63,0 (11,2/2,0); 70,0 (12,8/2,3);
78,0 (13,5/2,5); 65,0 (13,5/2,5);
78,0 (14,4/2,6); 78,0 (14,0/2,5);
93,0 (17,6/3,2); 88,0 (20.8/5,1);
107,0 (20,8/5,1); 107,0 (20,1/3,8);
107,0 (20,0/3,6)
7±0,3
60,0
О»нLQ, мм (числитель — максимальный рабочий ход на сжатие, мм; знаменатель — максимальный угол изгиба, °)/1, ммЭффективная площадь, см1'мм126±1,696±0,4б63,0 (5,9/1,8); 114,0 (13,0/1,8)12+0,796,8145±1,6116±0,46.104,0(10,0/1,2)12+0,7132’6 *119,0(12,0/1,6)7+0,7157±2,0127±0,53123,0(14,8/1,6); 72,0 (7,3/0,8);123,0 (14,8/1,6)12±0,7158,3 Я127,0(12,0/1,3)10±0,7160±2,0130±0,53140,0 (24,7/2,7)12±0,7165,0165±2,5138±0,5373,0 (9,5/0,9); 99,0 (15,2/1,6)12±0,7180,2110,0(17,5/1,8)10±0,7180160+0,53106,0 (18,3/1,7); 123,0 (22,0/2,1)12±0,7212,4 Я190±2,9150±0,53131,5 (13,7/1,2); 164,0 (21,0/1,9)16±0,7227,0 Я196±2,9| 180,4±0,60i78,0(13,5/1,2)8-0,7|227,5 ^О»нLQ, мм (числитель — максимальный рабочий ход на сжатие, мм; знаменатель — максимальный угол изгиба, °)/1, ммЭффективная площадь, см1'мм126±1,696±0,4б63,0 (5,9/1,8); 114,0 (13,0/1,8)12+0,796,8145±1,6116±0,46.104,0(10,0/1,2)12+0,7132’6 *119,0(12,0/1,6)7+0,7157±2,0127±0,53123,0(14,8/1,6); 72,0 (7,3/0,8);123,0 (14,8/1,6)12±0,7158,3 Я127,0(12,0/1,3)10±0,7160±2,0130±0,53140,0 (24,7/2,7)12±0,7165,0165±2,5138±0,5373,0 (9,5/0,9); 99,0 (15,2/1,6)12±0,7180,2110,0(17,5/1,8)10±0,7180160+0,53106,0 (18,3/1,7); 123,0 (22,0/2,1)12±0,7212,4 Я190±2,9150±0,53131,5 (13,7/1,2); 164,0 (21,0/1,9)16±0,7227,0 Я196±2,9| 180,4±0,60i78,0(13,5/1,2)8-0,7|227,5 ^Продолжение табл. 8.9Продолжение табл. 8.9Примечание. Радиус г = 0,5 ... 1,0 мм при D < 100 мм; г= 2 мм при О > 100 мм.Примечание. Радиус г = 0,5 ... 1,0 мм при D < 100 мм; г= 2 мм при О > 100 мм.Рис. 8.17. Вариант механического соедн- нения сильфоновРис. 8.17. Вариант механического соедн- нения сильфоновРис. 8.2а, Гибкое звено с монтажно-поворотным фланцемРис. 8.2а, Гибкое звено с монтажно-поворотным фланцем
О
»н
LQ, мм (числитель — максимальный рабочий ход на сжатие, мм; знаменатель — максимальный угол изгиба, °)
/1, мм
Эффективная площадь, см1
'мм
126±1,6
96±0,4б
63,0 (5,9/1,8); 114,0 (13,0/1,8)
12+0,7
96,8
145±1,6
116±0,46
.104,0(10,0/1,2)
12+0,7
132’6 *
119,0(12,0/1,6)
7+0,7
157±2,0
127±0,53
123,0(14,8/1,6); 72,0 (7,3/0,8);
123,0 (14,8/1,6)
12±0,7
158,3 Я
127,0(12,0/1,3)
10±0,7
160±2,0
130±0,53
140,0 (24,7/2,7)
12±0,7
165,0
165±2,5
138±0,53
73,0 (9,5/0,9); 99,0 (15,2/1,6)
12±0,7
180,2
110,0(17,5/1,8)
10±0,7
180
160+0,53
106,0 (18,3/1,7); 123,0 (22,0/2,1)
12±0,7
212,4 Я
190±2,9
150±0,53
131,5 (13,7/1,2); 164,0 (21,0/1,9)
16±0,7
227,0 Я
196±2,9
| 180,4±0,60
i78,0(13,5/1,2)
8-0,7
|227,5 ^
О
»н
LQ, мм (числитель — максимальный рабочий ход на сжатие, мм; знаменатель — максимальный угол изгиба, °)
/1, мм
Эффективная площадь, см1
'мм
126±1,6
96±0,4б
63,0 (5,9/1,8); 114,0 (13,0/1,8)
12+0,7
96,8
145±1,6
116±0,46
.104,0(10,0/1,2)
12+0,7
132’6 *
119,0(12,0/1,6)
7+0,7
157±2,0
127±0,53
123,0(14,8/1,6); 72,0 (7,3/0,8);
123,0 (14,8/1,6)
12±0,7
158,3 Я
127,0(12,0/1,3)
10±0,7
160±2,0
130±0,53
140,0 (24,7/2,7)
12±0,7
165,0
165±2,5
138±0,53
73,0 (9,5/0,9); 99,0 (15,2/1,6)
12±0,7
180,2
110,0(17,5/1,8)
10±0,7
180
160+0,53
106,0 (18,3/1,7); 123,0 (22,0/2,1)
12±0,7
212,4 Я
190±2,9
150±0,53
131,5 (13,7/1,2); 164,0 (21,0/1,9)
16±0,7
227,0 Я
196±2,9
| 180,4±0,60
i78,0(13,5/1,2)
8-0,7
|227,5 ^
Продолжение табл. 8.9
Продолжение табл. 8.9
Примечание. Радиус г = 0,5 ... 1,0 мм при D < 100 мм; г= 2 мм при О > 100 мм.
Примечание. Радиус г = 0,5 ... 1,0 мм при D < 100 мм; г= 2 мм при О > 100 мм.
Рис. 8.17. Вариант механического соедн- нения сильфонов
Рис. 8.17. Вариант механического соедн- нения сильфонов
Рис. 8.2а, Гибкое звено с монтажно-поворотным фланцем
Рис. 8.2а, Гибкое звено с монтажно-поворотным фланцем
(где d — диаметр уплотнительного резинового кольца 3), толщина b выступа разрезного кольца и высота бортика сильфона должны обеспечивать необходимое сжатие уплотнительного кольца при полной затяжке винтов, крепящих разрезное кольцо к фланцу.
Гибкое звено с монтажио-иоворог- ным фланцем представляет собой металлический сильфон 1, приваренный К фланцам 2 (рис. 8.28). Поворотный фланец 4, удерживаемый на фланце ‘ проволочным кольцом 3, при монтаже системы можно поворачивать на любой угол. Сильфоны изготовляют нз коррозионно-стойкой стали, фланцы уплотняют медными или алюмиииевыМЯ прокладками.
В специальных случаях применяю^ сварные сильфоны, изготовляемы
штамповкой мембран 1 нз листового материала с последующей их сваркой по внутреннему а и наружному б контурам (рис. 8.29). Поскольку прн изготовлении сварных сильфонов материал не претерпевает-болыпих пластических деформаций, выбор материала ограничен лишь эксплуатационными требованиями. Используют аустенитные коррозионно-стойкие стали, сплавы на основе хрома и никеля, титановые сплавы [40]. Сварные сильфоны изготовляют из листов толщиной 0,05... 1,00 мм.
Мембраны сильфона выполняют разнообразных конфигураций и ширины, что позволяет в широких пределах изменять их осевое перемещение и жесткость. Существенный недостаток сварных сильфонов — большое число сварных соединений, требующих тщательного контроля на герметичность.
Заглушки
Для расширения технологических и диагностических возможностей установок в рабочих камерах предусматривают запасные отверстия, которые на заводе-изготовителе герметизируют заглушками или глухими фланцами. Через эти отверстия прн необходимости можно монтировать механические и электрические вводы, смотровые окна, загрузочные устройства и др. При изготовлении заглушек используют коррозионно-стойкую или углеродистую сталь, алюминиевые сплавы.
Заглушка с уплотняющей гайкой, расположенной со стороны атмосферы, и уплотняющей прокладкой показана на рис. 8.30, а, подобная конструкция, уплотняемая зажимным барашком, — на рис. 8.30, б. Часто в качестве заглушек применяют глухне фланцы (рис. 8.30, в). Они могут, быть доработаны потребителем и приспособлены дли вводов, а также подсоединения вакуумметров. Заглушка грибкового вида показана на рис. 8.30, г.
Рнс. 8.80. Заглушки:
/ — заглушка; 2 — прокладка; 3 — стен-ка камеры; 4 — аажнмиая гайка; 6 —зажимкой барашек
РАЗДЕЛ 3
ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
Глава 9. Механические вакуумные насосы
Поршневые васосы
, Для создания вакуума используют механические и немеханические вакуумные насосы. К механическим насосам относятся поршневые, жидкостно- кольцевые, плунжерные, пластинчато- роторные и двухроторные (низкого и среднего вакуума), турбомолекуляр- ные (высокого вакуума); к немехани- ческнм — эжекторные н бустерные (низкого и среднего вакуума), сорбционные (среднего и высокого вакуума); диффузионные, магнитные электрораз- рядные, геттерно-ионные, крионасосы и конденсационные (высокого вакуума).
На базе механических (плунжерных, двухроторных н др.), а также сорбционных, магнитных электроразрядных и диффузионных насосов выпускают типовые вакуумные агрегаты.
Насосы низкого вакуума создают предельное остаточное давление Ю2... 104Па, насосы среднего вакуума — 100.. .0,1 Па, высокого вакуума — 10"L..10~8 Па и менее.
Поршневые вакуумные насосы (ПВН) широко применяют в промышленности для откачки сухих газов и газов с примесью капельной жидкости. Преимущества ПВН — высокие КПД н надежность работы, возможность длительной эксплуатации; недостатки — значительная металлоемкость, большие габариты, потребность в фундаментах или специальных опорных конструкциях из-за наличия неуравновешенных сил.
Для уменьшения давления всасывания в ПВН применяют перепуск газа высокого давления, оставшегося в мертвом объеме А (рис. 9.1) после процесса нагнетания, в полость В цилиндра, в которой закончился процесс всасывания. Для этого в цилиндре выполняют перепускные каналы 5. По ним газ перетекает из полости А в полость В,
и давления в этих полостях выравниваются. Таким образом, обратное расширение газа в полости А начинается с более низкого давления; ход поршня, соответствующий обратному расширению, уменьшается, в результате быстрота действия насоса, при, определенном отношении давлений нагнетания и всасывания, увеличивается, а пре- ' дельное давление всасывания уменьшается. Перепуск газа приводят к увеличению затрат мощности, так как энергия расширения газа, выделяемая в процессе выравнивания давления, не может быть возвращена в процессе обратного расширения. Введение перепускных каналов в ПВН с распределением газа самодействующими клапанами позволяет уменьшить предельное давление всасывания до L..2 кПа.
Применение золотника поршневого типа с уплотнением поршневыми кольцами увеличивает среднюю скорость поршня, ограниченную допускаемой скоростью газа в окнах всасывания я перепускных каналах, а также неуравновешенными инерционными силами.
Принцип действия и теоретические индикаторные диаграммы ПВН системы МВТУ показаны на рис. 9.2 и 9.3. Когда поршень находится в правой 'мертвой точке, золотник от среднего положения движется вправо (рис. 9.2, а), так как угол между коленом вала, к которому крепится шатун поршня, и эксцентриком золотника равен 90°, причем эксцентрик золотняка отстает. Перепускной канал Б в это время открыт. Происходит перепуск газа высокого давления из полости Ах в полость Ан, где закончился процесс всасывания. Перепуск уменьшает давление газа в мертвом пространстве полости Ах н таким образом увеличивает быстроту действия насоса. Перепуск продолжается Д° тех пор, пока поршень, перемещаясь влево, не перекроет перепускные ка-
налы, расположенные на зеркале ци- линдра (рнс. 9.2, 6).
При движении поршня объем замкнутой полости ^i увеличивается. Происходит пропесс расширения 1—2 (см. рис. 9.3). При этим золотник движется вправо, перекрывая цилиндровый канал, так как необходимо исключить возможность одновременного протекания перепуска и всасывания.
Схема на рис. 9.2, а соответствует моменту окончания расширения газа в замкнутой полости Aj. С этого момента золотник, продолжая двигаться вправо, начнет открывать цилиндровый канал, через который полость Ау сообщается с полостью всасывания. Начинается процесс всасывания газа (рис. 9.2, г). При этом золотник дости-
Рнс. 9.1. Схема перепуска газа so каналуна зеркале цилиндра
гает мертвой точки (рнс. 9.2, $ и начинает двигаться влево. Процесс всасывания завершается в момент, когда золотник перекрывает цилиндровый канал (рис. 9.2, е). На индикаторной диаграмме (см. рнс. 9.3) процессу всасывания соответствует кривая М — 3.
Рис. 9.2. Схемы, иллюстрирующие принцип действия ПВН системы МВТУ
Рнс. 9.3. Теоретические индикаторные Диаграймы П ВИ системы чатом (а), одноступенчатом (о) режимеРнс. 9.3. Теоретические индикаторные Диаграймы П ВИ системы чатом (а), одноступенчатом (о) режимеМВТУ при двухступеИ'МВТУ при двухступеИ'Поршневые насосы209Поршневые насосы209
Рнс. 9.3. Теоретические индикаторные Диаграймы П ВИ системы чатом (а), одноступенчатом (о) режиме
Рнс. 9.3. Теоретические индикаторные Диаграймы П ВИ системы чатом (а), одноступенчатом (о) режиме
МВТУ при двухступеИ'
МВТУ при двухступеИ'
Поршневые насосы209
Поршневые насосы209
Всасывание заканчивается немного раньше начала перепуска, поскольку необходимо гарантированно исключить возможность одновременного протекания процессов всасывания и перепуска. С момента, когда золотник перекроет цилиндровый канал, до момента, когда поршень начнет открывать перепускной канал (рнс. 9.2, яс), происходит расширение газа в замкнутой полости цилиндра Ai (кривая 3—4 — см. рнс. 9.3). Во время перепуска, который начинается с момента, когда поршень откроет перепускной канал, поршень достигает левой мертвой точки (см. рис. 9.2, з) и начинает движение вправо. Цилиндровые каналы во время перепуска закрыты. Процесс перепуска (см. рис. 9.3, кривая 4—5) продолжается до тех пор, пока поршень не закроет перепускной канал (см. рис, 9.2, и).
Золотник откроет цилиндровый канал, двигаясь ' влево от положения, изображенного на рис. 9.2, к, лишь через некоторое время после закрытия перепускного канала. В это время происходит процесс поджатия (см. рис. 9.3, кривая 5—6). После открытия цилиндрового канала (см. рнс. 9.2, к) полости цилиндра Ai и золотника Si соединяются, давления в них выравниваются (см. рис. 9.3, кривые 6—7 и Ь—с). Газ, сжимаясь, переходит в 4 золотниковую полость.
Сжатие газа в объеме полостей цилиндра и золотника протекает в два этапа. На первом этапе (см. рис. 9.2, к) объем полости Bi увеличивается, а полости Ai уменьшается, причем увеличение объема полости Si происходит с уменьшающейся скоростью, так как золотник подходит к мертвой точке, а скорость уменьшения объема полости Ai возрастает по мере приближения поршня к среднему положению. Первый этап длится до Момента достижения золотником мерт- вой точки (рис. 9.2, л). Этому этапу ^Катия соответствуют кривые 7—d " c—d иа индикаторной диаграмме (см. Рис. 9.3). При движении золотника Право происходит второй этап сжатия, личительная особенность которого — ДНовременное сжатие в полостях ци- и золотника. Этот этап сжатия
Ривые d—8 и d—е) завершается,
когда газ из полости цилиндра переходит в золотниковую полость и золотник перекрывает цилиндровые каналы (см. рнс. 9.2, л).
Затем в цилиндре происходит поджатие (см. рис. 9.3, кривая 9—10), после чего мертвое пространство цилиндра соединяется через перепускные каналы с другой полостью цилиндра, в которой только что закончился" процесс всасывания (см. рнс. 9.2, а). На индикаторной диаграмме (см. рис. 9.3, а) перепуску соответствуют кривые 10—1 и 4—5. После того как золотник, перекрыв цилиндровые каналы, отделит золотниковую полость от цилиндра, в ней последовательно происходят процессы дополнительного сжатия и нагнетания (кривые соответственно е — /п и т—а на рис. 9.3, а). По окончании процесса нагнетания в золотниковой полости начинается обратное расширение газга мертвого пространства золотинка (кривая а—У).
В рассмотренном случае золотник служит дожимающей (второй) ступенью, поэтому такой режим работы называют двухступенчатым.
В одноступенчатом режиме работы вакуумного иасоса системы МВТУ сжимаемый газ достигает давления нагнетания уже при сжатии в объединенном объеме полостей золотника и цилиндра. Поршень нагнетает сжатый газ в нагнетательный трубопровод до' момента, которому соответствует схема на рнс. 9.2, м. После этого золотник выталкивает газ из золотниковой по-, лостн. Одноступенчатый режим сжатия в вакуумном насосе системы МВТУ возможен при больших давлениях всасывания.
Использование золотника поршневого типа в роли дополнительного сжимающего органа приводит к улучшению объемных характеристик и уменьшению предельного остаточного давления.
Геометрическая быстрота действия ПВН-двойного действия
5г = 0,25л/?25п„(2-^т//?п),
(9.1)
где Da — диаметр цилиндра (поршня); Sn—полный ход поршня; п — час-
Рис. 9,4. Зависимость коэффициента откачки и его составляющих для ЗВНП-З от отношения давлений т при га = = 320 мин**1 (а) и от частоты вращения л при т = 20 (S')
тота вращения коленчатого вала; dmT -^-диаметр штока.
Идеальный вакуумный насос не имеет энергетических потерь, и работа,, затраченная им на сжатие н перемещение газа, равна изотермической работе сжатия от давления всасывания р до давления нагнетания рн.
Мощность идеального ПВН
N«a PST In MpY (9-2)
Таким образом, работа и мощность идеального ПВН равны нулю при р - 0 и 1п (рн^) " 0, т. е. прн р = = рн, и максимальны прит — рн/р = = 2,71.
По быстроте действия реальный ПВН уступает идеальному вследствие потерь, обусловленных мертвым объемом, подогревом и дросселированием газа при всасывании, наличием перепускных каналов и перекрытий, неполнотой процесса перепуска, внутренними перетеканиями и внешними натеканиями через неплотности рабочей полости, а также парообразованием.
Уменьшение быстроты действия S реального ПВН по сравнению с быстро
той действия Sr идеального ПВН оценивают коэффициентом откачки
X - S/Sr. (9.3)
Наиболее существенны потери бь^- троты Действия из-за подогрева и дросселирования газа при всасывании, внутреннего перетекания, а также наличия мертвого объема и перекрытий, поэтому коэффициент откачки упрощенно можно определить по формуле
X = ХдрХт Xq Х„, (9.4) где ХДр = р3/р — отношение давления газа в цилиндре в конце процесса всасывания к давлению всасывания, учитывающее уменьшение быстроты действия реального ПВН вследствие дросселирования газа при всасывании; Х^ = TBc/T3—-Отношение температуры газа всасывания к температуре газа в цилиндре в конце процесса всасывания реального насоса, учитывающее уменьшение быстроты действия ПВН вследствие подогрева газа при всасывании; Ху — относительные потери быстроты действия, обусловленные наличием мертвого объема и перекрытий; Хц — относительные потери быстроты действия, обусловленные внутренними перетеканиями.
Коэффициент X и распределение потерь между составляющими зависят от отношения т давлений всасывания и нагнетания и частоты вращения п вала (рис. 9.4),
Коэффициент откачки X мо?кно рассчитать с достаточной точностью на базе экспериментальных данных в зависимости от отношения т и средней скорости поршня ст (м/с) по эмпирической формуле
X 0,94 — 2 - 10"3т — 0,09ст
Теоретические индикаторные Диа’ граммы ПВН (см. рис. 9.3) строят в предположении изотермичности про' цессов сжатия и расширения, полноты выравнивания давлений при сообщении двух полостей, герметичности Ра' бочих полостей (газообмен возможен только через всасывающие окна, пере* пускные каналы и нагнетательные клапаны без потерь).
Давление всасывания р*, при котором происходит переход с одноступенчатого режима работы ПВН системы МВТУ на двухступенчатый,
р*^Рн(1-^)/С, где
(I +е0 — е^) (1 + е0 —
-—8е)/(1 4" 2е0).
ео + е/ + ky (еОз 4- е') — ’
— (I + е0 — еа) (80 +
+ Ч^/О + 2е0)
дАрВоз
®0 + е, 4- ку (еОз 4- в;) —
—(1 4- Во — 8а) (80 4- ®0/04-4- 2е0)
При р<р* режим работы ПВН двухступенчатый, при р > р* — одноступенчатый. В конце процесса сжатия в цилиндровом и золотниковом объемах (процесс 7 ™ 8; с = а = е — см. рис. 9.3) при двухступенчатом режиме давление рй = Ср 4" &Рн-
Давление выравнивания после полного перепуска в двух- и одноступенчатом режиме соответственно:
Ра — Сгр 4- D1Ph и pQ =
4” 80 — 8g , 80 4“ ^i
-1 + 2е0 р + 1 + 28о р»'
где
г, ео + ^4-^(8Оз + ву
= <?’
Я1=Щ80 + ^)/(1 4-280).
Давление смешения в двух- н одно- Упенчатом режиме соответственно:
Рс = Сзр 4- D^ и р0 === ар 4- Ррн, гдеу
С, с _J^bJ^^.
^ео-^ + ^^Оз + еу *
й^о ео + ^ + М8оз + 8У
1 4- 80 — 8< 4- Ао (8оз 4- ®У *
(I + во — 8е) (1 4- е0 — Вд) .
(1 4- 2в0) [I 4- в0 — ва 4- ко х ’
Х (е0з + 8У)
а (1 4* ~ 8а) (8о 4~ 8У (1 4~ 2вд) [1 4“ 8о — 8s 4* ko^ * х (еоэ 4- еу]
Остальные точки теоретических индикаторных диаграмм находят, используя термодинамические зависимости. Основные размеры ПВН определяют по геометрическому объему. Так, для определения размеров ПВН системы МВТУ необходимо задаваться следующими параметрами в указанных пределах: средней скоростью поршня ст = 2...3 м/с; отношением хода поршня к его диаметру ф = Sn/Dn= 0,4— 0,6; отношением хода золотника к его диаметру ф3 ^ S3/D3 = 0,8...1,0; отношением геометрических объемов золотника и поршня ку = S3/Sr = 0,15... 0,20; относительным диаметром штока ашт= ^шт/^п— ОД, где dmT — диаметр штока; Dn — диаметр поршня.
Остальные основные размеры и параметры определяют по формулам: диаметр поршня
ход поршня Sn = фРп;
радиус кривошипа поршневой линии R = 0,5Sn;
частота вращения коленчатого вала п = 0,5rm/Sn;
геометрический объем золотника в единицу времени S3 — ^Sr;
диаметр золотника
^3 = V2S3/(m|vi);
ход золотника S3 = Фз^з?
радиус кривошипа золотниковой линии г3 = 0,5 S3.
Диаметры поршня и золотника округляют до стандартных. Площадь поперечного сечения перепускных каналов определяют по упрощенному соотношению
^и = (cm/^u) -^а»
где сц = 150...200 — условная скорость газа в перепускном канале, м/с; Рп — площадь сечения поршня основного цилиндра.
213
ПараметрЗначение параметра для насоса jзвнп-зВНП-62ДВНП-6ВН-12МГЧисло ступеней сжатия11 .21Число цилиндров1121Быстрота действия номинальная.3,7±6%6±Ю%6±10%120м3/минДавление всасывания при номиналь-5,0'5,01,08,0ной быстроте действия, кПаДавление предельное остаточное, кПа0,40,40,04—Диаметр цилиндра, мм3003003001150Ход поршня, ммГ50150150550Частота вращения, с-1:>насоса. 3,67,27,22,33электродвигателя12,525259,75Расход охлаждающей воды, м3/с0,140,220,259,35Мощность номинальная, кВт■ 3,26,33.7104/Мощность электродвигателя, кВт5,5ИИ200Общая масса агрегата, кг8408409001940ПараметрЗначение параметра для насоса jзвнп-зВНП-62ДВНП-6ВН-12МГЧисло ступеней сжатия11 .21Число цилиндров1121Быстрота действия номинальная.3,7±6%6±Ю%6±10%120м3/минДавление всасывания при номиналь-5,0'5,01,08,0ной быстроте действия, кПаДавление предельное остаточное, кПа0,40,40,04—Диаметр цилиндра, мм3003003001150Ход поршня, ммГ50150150550Частота вращения, с-1:>насоса. 3,67,27,22,33электродвигателя12,525259,75Расход охлаждающей воды, м3/с0,140,220,259,35Мощность номинальная, кВт■ 3,26,33.7104/Мощность электродвигателя, кВт5,5ИИ200Общая масса агрегата, кг8408409001940Таблица 9.1Таблица 9.1/Ч Рнс- 8-5- Вакуумаая установка с насосом ЗВНП-1 (ВНП-6)-- насос; 1 _ электродвигатель; 3 - ремни клиновые; 4 - насос маслины»/Ч Рнс- 8-5- Вакуумаая установка с насосом ЗВНП-1 (ВНП-6)-- насос; 1 _ электродвигатель; 3 - ремни клиновые; 4 - насос маслины»
Параметр
Значение параметра для насоса j
звнп-з
ВНП-6
2ДВНП-6
ВН-12МГ
Число ступеней сжатия
1
1 .
2
1
Число цилиндров
1
1
2
1
Быстрота действия номинальная.
3,7±6%
6±Ю%
6±10%
120
м3/мин
Давление всасывания при номиналь-
5,0
'5,0
1,0
8,0
ной быстроте действия, кПа
Давление предельное остаточное, кПа
0,4
0,4
0,04
—
Диаметр цилиндра, мм
300
300
300
1150
Ход поршня, мм
Г50
150
150
550
Частота вращения, с-1:
>
насоса
. 3,6
7,2
7,2
2,33
электродвигателя
12,5
25
25
9,75
Расход охлаждающей воды, м3/с
0,14
0,22
0,25
9,35
Мощность номинальная, кВт
■ 3,2
6,3
3.7
104
/Мощность электродвигателя, кВт
5,5
И
И
200
Общая масса агрегата, кг
840
840
900
1940
Параметр
Значение параметра для насоса j
звнп-з
ВНП-6
2ДВНП-6
ВН-12МГ
Число ступеней сжатия
1
1 .
2
1
Число цилиндров
1
1
2
1
Быстрота действия номинальная.
3,7±6%
6±Ю%
6±10%
120
м3/мин
Давление всасывания при номиналь-
5,0
'5,0
1,0
8,0
ной быстроте действия, кПа
Давление предельное остаточное, кПа
0,4
0,4
0,04
—
Диаметр цилиндра, мм
300
300
300
1150
Ход поршня, мм
Г50
150
150
550
Частота вращения, с-1:
>
насоса
. 3,6
7,2
7,2
2,33
электродвигателя
12,5
25
25
9,75
Расход охлаждающей воды, м3/с
0,14
0,22
0,25
9,35
Мощность номинальная, кВт
■ 3,2
6,3
3.7
104
/Мощность электродвигателя, кВт
5,5
И
И
200
Общая масса агрегата, кг
840
840
900
1940
Таблица 9.1
Таблица 9.1
/Ч Рнс- 8-5- Вакуумаая установка с насосом ЗВНП-1 (ВНП-6)-
- насос; 1 _ электродвигатель; 3 - ремни клиновые; 4 - насос маслины»
/Ч Рнс- 8-5- Вакуумаая установка с насосом ЗВНП-1 (ВНП-6)-
- насос; 1 _ электродвигатель; 3 - ремни клиновые; 4 - насос маслины»
Число перепускных каналов обычно больше шести. Способ выполнения перепускных каналов на зеркале цилиндра, как и конструкция поршия, влияют на проводимость этих каналов.
Нагнетательные клапаны подбирают по необходимой эквивалентной площади
^кл = ^’^^з^тз/^кл'
где стз— средняя скорость золотника, м/с; скл = Л4нсзв. н — допускаемая средняя скорость газа в клапаие, м/с (Л4„ = 0,07...0,09 — критерий скорости газа в клапане; сзв. н '— скорость звука в газе в условиях нагнетания);
В ПВН чаще выполняют кольцевые нагнетательные клапаны.
Индикаторную мощность ПВН определяют по упрощенным индикаторным диаграммам, которые строят в предположении мгновенных в полных процессов перепуска и смешении, отсутствия мертвого объема и перекрытий, изотер- мнчности всех процессов расширения, политропности основного процесса сжатия, отсутствия перетеканий и гидравлических потерь.
При работе ПВН системы МВТУ
В режиме максимальной мощное среднее индикаторное давление я
Pi max ^ ^qP^o — В^с.о ~ С0' |
где|
Л0 = В + е0 + ^о (®0з + ®з)ГХ| ' n—1j
80 — а [* + е0 + 6с (®0а + ез)1
Х П — 1 ~ Р + ®0 ^-Ме0з + 8з)Г’
[
/ ®0з $з А
8о + ^ввоэ *П ( р ) +
Т "рвозI .
Рс. о — давление смешения; п - показатель политропы, принимаемый равным показателю адиабаты.
В режиме максимальной мощности давления смешения и всасывания соответственно:
п
Рис. 9.6. Вакуумный насос ЗВНП-З (ВНП-6):Рис. 9.6. Вакуумный насос ЗВНП-З (ВНП-6):/ — отанииа; 2 —• шариковый подшипник; 3 — коленчатый вал; 4 — шатун; 5 ползун; 6 — шток; 7 — сальниковое уплотнение; 8 — поршень; 9 — цилиндр; 10 — золотник; 11 — насос для подачи масла в механизм движения; 12 — эксцентрик/ — отанииа; 2 —• шариковый подшипник; 3 — коленчатый вал; 4 — шатун; 5 ползун; 6 — шток; 7 — сальниковое уплотнение; 8 — поршень; 9 — цилиндр; 10 — золотник; 11 — насос для подачи масла в механизм движения; 12 — эксцентрикИИ1 РРве. о— а Ре. о а Рн-1 РРве. о— а Ре. о а Рн-Индикаторная мощность Nt" Pt max-Sp-Мощность на валуNe — Ntf^MeinИндикаторная мощность Nt" Pt max-Sp-Мощность на валуNe — Ntf^MeinРис. 9.7. Двухступенчатый вакуумный насос 2ДВНП-6: подпись к рис. 9.6; 13 — поршень второй ступени; 14 — иагиетателы клапан второй ступениРис. 9.7. Двухступенчатый вакуумный насос 2ДВНП-6: подпись к рис. 9.6; 13 — поршень второй ступени; 14 — иагиетателы клапан второй ступени12 — см.12 — см.
Рис. 9.6. Вакуумный насос ЗВНП-З (ВНП-6):
Рис. 9.6. Вакуумный насос ЗВНП-З (ВНП-6):
/ — отанииа; 2 —• шариковый подшипник; 3 — коленчатый вал; 4 — шатун; 5 ползун; 6 — шток; 7 — сальниковое уплотнение; 8 — поршень; 9 — цилиндр; 10 — золотник; 11 — насос для подачи масла в механизм движения; 12 — эксцентрик
/ — отанииа; 2 —• шариковый подшипник; 3 — коленчатый вал; 4 — шатун; 5 ползун; 6 — шток; 7 — сальниковое уплотнение; 8 — поршень; 9 — цилиндр; 10 — золотник; 11 — насос для подачи масла в механизм движения; 12 — эксцентрик
И
И
1 Р
Рве. о— а Ре. о а Рн-
1 Р
Рве. о— а Ре. о а Рн-
Индикаторная мощность Nt
" Pt max-Sp-
Мощность на валу
Ne — Ntf^Mein
Индикаторная мощность Nt
" Pt max-Sp-
Мощность на валу
Ne — Ntf^Mein
Рис. 9.7. Двухступенчатый вакуумный насос 2ДВНП-6: подпись к рис. 9.6; 13 — поршень второй ступени; 14 — иагиетателы клапан второй ступени
Рис. 9.7. Двухступенчатый вакуумный насос 2ДВНП-6: подпись к рис. 9.6; 13 — поршень второй ступени; 14 — иагиетателы клапан второй ступени
12 — см.
12 — см.
гДе Пмех ~ 0,70 ... 0,75 — механиче- м ский КПД.
Характеристики ПВН, выпускав- - мых отечественной промышленностью, приведены в табл. 9.1.
ПВН типов ЗВНП-З, ВНП-6 и • 2ДВНП-6 унифицированы, т. е имеют
одинаковые механизм движения, станину, смазочную систему н цилиндровую группу. Насосы ЗВНП-З и ВНП-6 унифицированы полностью фис. 9.5 и 9.6) и отличаются только конструкцией приводного двигателя и частотой вращения коленчатого вала. Вакуумный насос 2ДВНП-6 (рис. 9.7) отличается от первых добавлением цилиндра простого действия второй ступени. В крышке цилиндра второй ступени имеются два кольцевых клапана, один из которых — байпасный, другой — нагнетательный второй ступени. Байпасный клапан служит для выпуска газа на нагнетание при режиме работы, когда не требуется сжатие газа во второй ступени.
Насосы ЗВНП-З, ВНП-6 и 2ДВНП-6 предназначены для откачкн неагрессивных по отношению к чугуну, стали и бронзе взрывобезопасных газов н воздуха, не содержащих капельной влаги и механических примесей, т. е. для создания вакуума в различных технологических процессах химической, пищевой и других отраслях промышленности.
Жидкостно-кольцевые насосы
Жидкостно-кольцевые вакуумные насосы (ЖКВН) различают по числу рабочих циклов, типу подвода и отвода
газа, используемой в жидкостном кольце жидкости.
По числу рабочих циклов ЖКВН Делят на вакуумные насосы простого И двойного действия.
В ЖКВН простого действия (рис, 9.8, а) рабочее колесо 1, состоящее из ступицы и отлитых заодно с ней лопаток, эксцентрично расположено в цилиндрическом корпусе 2. Рабочая жидкость залита в корпус До оси колеса. При вращении колеса жидкость центробежной силой отбрасывается к корпусу и между ступицей колеса 1 и внутренней поверхностью е жидкостного кольца образуется серпообразная полость, коюрая лопатками Делится на отдельные рабочие ячейки. **ри увеличении объема рабочих ячеек в «их через всасывающее окно в п°ступает откачиваемый газ. При Уменьшении ■ объема рабочих ячеек, Роисходящем от момента прохожде
ния сечения II—II До соединения ячеек с нагнетательным окном г, газ в рабочих ячейках сжимается, т. е. происходит процесс внутреннего сжатия. Когда рабочие ячейки проходят мимо нагнетательного окна г, газ нз них поступает в нагнетательное окно, так как объем рабочих ячеек продолжает уменьшаться. Часть газа, оставшегося в мертвом объеме, возвращается через зазор д с нагнетания иа всасывание.
В ЖКВН двойного действия (рис. 9.8, б) колесо 1 концентрично ’ расположено в овальном корпусе 4 с двумя всасывающими в и двумя нагнетательными г окнами. Теоретически по быстроте действия ЖКВН двойного действия должны в 2 раза превосходить ЖКВН простого действия прн одинаковых размерах рабочих колес. Однако из-за потерь и особенно из-за переноса большого количества газа в зазоре д с нагнетания иа всасывание различие быстроты действия составляет лишь 40 ...60%.
По типу подвода н отвода откачиваемого газа ЖКВН делят на насосы с осевым (рис. 9.9, а) и радиальным (рис. 9.9, б) подводом и отводом газа.
При осевом подводе газа в торцовых крышках 4 (рис. 9.9, а, вариант /) или в центральном корпусе 5 (вариант 2) выполняют всасывающие окиа в. Откачиваемой газ подается в рабочие ячейки в осевом направлении через всасывающий патрубок 2, полости е в крышках 4 или в корпусе 5 и вса-. сывающие окна в. После сжатия газ выбрасывается в осевом направлении через нагнетательные окна г, крышки 4 или корпус 5 в нагнетательный патрубок 1.
и радиальным (б) подводом и отводом газаи радиальным (б) подводом и отводом газаПри радиальном подводе откачиваемого газа в корпусе ЖКВН устанавливают неподвижные конусы 8 (рис. 9.9, б) с всасывающими ж и нагнетательными окнами. В ступице колеса 6 между лопатками выполнены отверстия и. Когда отверстия и располагаются над всасывающим окном ж, газ через всасывающий патрубок, полости л торцовой крышки 7, всасывающую полость м корпуса 8, окно ж и отверстия и в радиальном направлении попадает в рабочие ячейки. Когда отверстия а располагаются над нагнетательным окном, газ выбрасывается в радиальном направлении из рабочих ячеек в нагнетательную полость к конуса 8 и оттуда поступает в нагнетательный патрубок.
и радиальным (б) подводом и отводом газа
и радиальным (б) подводом и отводом газа
ЖКВН делят на водокольцевые н жидкостно-кольцевые. В водокольцевых вакуумных насосах в качестве рабочей жидкости используют воду, в жидкостно-кольцевых — кислоты, Щелочи, органические жидкости и др..
Благодаря наличию жидкостного кольца и большой поверхности теплообмена между газом и жидкостным кольцом процесс сжатия газа в ЖКВН
близок к изотермическому и показатель политропы сжатия в водокольцевых вакуумных насосах п = 1,1 ...
Температура жидкости в жидкостном кольце поддерживается в заданных пределах благодаря подводу охлажденной жидкости и отводу нагретой. Рабочая жидкость обычно поступает через торцовые зазоры д (.см. рис. 9.9, а) или через всасывающее окно. Реже рабочую жидкость подводят через отверстия в корпусе ’ЖКВН. Эти отверстия обычно выполняют 'непосредственно за нагнетательным окном, чтобы большую часть газа выбросить в нагнетательное окно и подать в область всасывающего окна наиболее холодную жидкость. Однако наиболее часто жидкость подают в торцовые зазоры, что приводит к их уплотнению и уменьшению перетеканий газа-
Жидкость ОТВОДИТСЯ ИЗ ЖИДКОСТНОГО кольца через нагнетательное окно. Для того чтобы отделить откачивав" мый газ от жидкости, за нагнетатель" ным патрубком 1 установлен сборник » жидкости (см. рис. 9.9, а).
ЖКВН просты конструктивно, и® дежиы в эксплуатации, отличаюсь
низким уровнем шума при работе.
Процесс сжатия происходит с интенсивным теплообменом, это позволяет откачивать с помощью ЖКВН легко разлагающиеся, полимеризующиеся, воспламеняющиеся и взрывоопасные газы и смеси. Наличие жидкостного кольца позволяет откачивать газы, содержащие пары, капельную жидкость, твердые инородные включения типа пыли и даже абразивных частиц. Соответствующий подбор рабочей жидкости обеспечивает откачку агрессивных газов (например, для перекачки хлора используют серную кислоту концентрацией 97 ... 98%), исключает загрязнение откачиваемых газов и объемов парами масел.
Недостатки ЖКВН: высокие затраты мощности на вращение жидкост-; ного кольца и, как следствие этого, относительно низкий КПД; высокое предельное остаточное давление (2,66 ... 9,31 кПа для одноступенчатых вакуумных насосов. 0,133 ... 0,665 кПа для двухступенчатых); небольшая окружная скорость на периферии рабочего колеса, что приводит к увеличению габаритных размеров (например, по сравнению с пластинчато-роторными, двухроторнымн вакуумными насосами).*'
В СССР ЖКВН выпускают с бы- . строгой действия 0,0125 ... 5 м3/с и давлением всасывания 0,04 и 0,02 МПа.
ЖКВН применяют в химической, целлюлозно-бумажной, горнодобывающей, текстильной, пищевой, металлур-- гической, машиностроительной, фар- . мацевтической, энергетической промышленности, в коммунальном и сельском хозяйстве.
При расчете ЖКВН принимают следующие допущения: движение жидкости в ЖКВН установившееся; рас- код жидкости в любом сечении коль- ча постоянен вследствие неразрывно- Сти потока; давление газа на внутрен- . нюю поверхность жидкостного кольца на стороне всасывания (0^6^ 180°) п°стоянно и равно давлению всасы-
жении жидкость не отрывается от внутренней поверхности корпуса и не образуются обратные потоки; лопатки рабочего колеса погружаются в жидкостное кольцо нли касаются его при любом угле поворота рабочего колеса; осевая составляющая скорости потока жидкости в безлопаточном пространстве мала по величине, локализована в пограничном слое возле торцовых стенок и не оказывает существенного влияния на характер течения жидкости.Быстроту действия ЖКВН определяют по формуле (9.3):Геометрическая быстрота действия ЖКВН с радиальными лопатками кот леса, у которого угол всасывания q>BC = л — 0,5р ф — угол между лопатками рабочего колеса):Sr = /шах^пфЛ = ЛГ^оф (1 — Vs) Л,(9.5) где fmax — максимальная площадь рабочей ячейки колеса, м2; г — число лопаток колеса; 60 — ширина колеса, м; ф — коэффициент, учитывающий влияние толщины лопаток; а — частота вращения колеса, с-1; гг — наружный радиус колеса, м: v=r1/r4 (г, — средний радиус ступицы колеса, м).Формула (9.5) получена из предположения, что в пределах рабочей ячейки максимальной площади внутренняя поверхность жидкостного коль-жении жидкость не отрывается от внутренней поверхности корпуса и не образуются обратные потоки; лопатки рабочего колеса погружаются в жидкостное кольцо нли касаются его при любом угле поворота рабочего колеса; осевая составляющая скорости потока жидкости в безлопаточном пространстве мала по величине, локализована в пограничном слое возле торцовых стенок и не оказывает существенного влияния на характер течения жидкости.Быстроту действия ЖКВН определяют по формуле (9.3):Геометрическая быстрота действия ЖКВН с радиальными лопатками кот леса, у которого угол всасывания q>BC = л — 0,5р ф — угол между лопатками рабочего колеса):Sr = /шах^пфЛ = ЛГ^оф (1 — Vs) Л,(9.5) где fmax — максимальная площадь рабочей ячейки колеса, м2; г — число лопаток колеса; 60 — ширина колеса, м; ф — коэффициент, учитывающий влияние толщины лопаток; а — частота вращения колеса, с-1; гг — наружный радиус колеса, м: v=r1/r4 (г, — средний радиус ступицы колеса, м).Формула (9.5) получена из предположения, что в пределах рабочей ячейки максимальной площади внутренняя поверхность жидкостного коль-(6 — угол поворота ротора **кВН — рис. 9.10); давление газа а внутреннюю поверхность жидкост- °го кольца в пределах нагнетатель- Равн °КНа ^н — фс^ постоянно и «но давлению нагнетания; при дви
жении жидкость не отрывается от внутренней поверхности корпуса и не образуются обратные потоки; лопатки рабочего колеса погружаются в жидкостное кольцо нли касаются его при любом угле поворота рабочего колеса; осевая составляющая скорости потока жидкости в безлопаточном пространстве мала по величине, локализована в пограничном слое возле торцовых стенок и не оказывает существенного влияния на характер течения жидкости.
Быстроту действия ЖКВН определяют по формуле (9.3):
Геометрическая быстрота действия ЖКВН с радиальными лопатками кот леса, у которого угол всасывания q>BC = л — 0,5р ф — угол между лопатками рабочего колеса):
Sr = /шах^пфЛ = ЛГ^оф (1 — Vs) Л,
(9.5) где fmax — максимальная площадь рабочей ячейки колеса, м2; г — число лопаток колеса; 60 — ширина колеса, м; ф — коэффициент, учитывающий влияние толщины лопаток; а — частота вращения колеса, с-1; гг — наружный радиус колеса, м: v=r1/r4 (г, — средний радиус ступицы колеса, м).
Формула (9.5) получена из предположения, что в пределах рабочей ячейки максимальной площади внутренняя поверхность жидкостного коль-
жении жидкость не отрывается от внутренней поверхности корпуса и не образуются обратные потоки; лопатки рабочего колеса погружаются в жидкостное кольцо нли касаются его при любом угле поворота рабочего колеса; осевая составляющая скорости потока жидкости в безлопаточном пространстве мала по величине, локализована в пограничном слое возле торцовых стенок и не оказывает существенного влияния на характер течения жидкости.
Быстроту действия ЖКВН определяют по формуле (9.3):
Геометрическая быстрота действия ЖКВН с радиальными лопатками кот леса, у которого угол всасывания q>BC = л — 0,5р ф — угол между лопатками рабочего колеса):
Sr = /шах^пфЛ = ЛГ^оф (1 — Vs) Л,
(9.5) где fmax — максимальная площадь рабочей ячейки колеса, м2; г — число лопаток колеса; 60 — ширина колеса, м; ф — коэффициент, учитывающий влияние толщины лопаток; а — частота вращения колеса, с-1; гг — наружный радиус колеса, м: v=r1/r4 (г, — средний радиус ступицы колеса, м).
Формула (9.5) получена из предположения, что в пределах рабочей ячейки максимальной площади внутренняя поверхность жидкостного коль-
0,6ОЛ0,2О0,6ОЛ0,2ОРнс. 9.11. Зависимость коэффициента от* качки X от отношения давлений тгРнс. 9.11. Зависимость коэффициента от* качки X от отношения давлений тг/ — при п * 12,5 с”1;=* 14,17 С”1; 3 — при л » лря л » 15,83/ — при п * 12,5 с”1;=* 14,17 С”1; 3 — при л » лря л » 15,832 — при л « 18.33 с-1; 4 — с”82 — при л « 18.33 с-1; 4 — с”8
0,6
ОЛ
0,2
О
0,6
ОЛ
0,2
О
Рнс. 9.11. Зависимость коэффициента от* качки X от отношения давлений тг
Рнс. 9.11. Зависимость коэффициента от* качки X от отношения давлений тг
/ — при п * 12,5 с”1;
=* 14,17 С”1; 3 — при л » лря л » 15,83
/ — при п * 12,5 с”1;
=* 14,17 С”1; 3 — при л » лря л » 15,83
2 — при л « 18.33 с-1; 4 — с”8
2 — при л « 18.33 с-1; 4 — с”8
При расчете Ж КВН геометрические 3 размеры необходимо подбирать таким образом, чтобы они обеспечивали не только заданную быстроту действия, но и погружение лопаток в жидкостное кольцо на глубину а = г2 — г28 (см. рис. 9.10), где г^— радиус-век-, тор жидкостного кольца в сечении //—II. Значение а выбирают в пределах (0,01 ...0,015) г2, что для ЖКВН составляет 1 ...7 мм. В противном случае возможен выход лопаток из жидкостного кольца при падении дав- ■ Ленин рабочей жидкости в сети, что ведет к уменьшению ее расхода через жидкостное кольцо:
гм=гг y^f+^/Fb *
ца цилиндрическая в описана радиу- - сом rv
Для вакуумных насосов двойного действия, в которых за один оборот колеса рабочий цикл (всасывание, сжатие, нагнетание) осуществляется дважды, геометрическая быстрота действия
Sp — 2f maxb^^B. (9.6)
Геометрическую быстроту действия ЖКВН с лопатками, загнутыми вперед и назад и наклонными, определяют по формулам (9.5) и (9.6).
Коэффициент откачки ^ учитывает уменьшение быстроты действия вакуумного насоса по сравнению с его геометрической быстротой действия, вызванное погружением лопаток рабочего колеса в жидкостное кольцо иа величину а в сечении ZZ—ZZ, перетеканием газа из ячеек сжатия я нагнетания в ячейки всасывания, натеканием газа в ЖКВН через сальники, обратным расширением газа, оставшегося в зазоре д (см. рис. 9.8), испарением рабочей жидкости в рабочие ячейки на стороне всасывания, потерей давления во всасывающем тракте ЖКВН и подогревом газа на всасывании [49].
Для ЖКВН обычно коэффициент откачки X = 0,4 ... 0,8. На рис. 9.11 приведена зависимость коэффициента откачки X вакуумного насоса ВВН1-12 от отношения т давления нагнетания рн к давлению всасывания р для различной частоты вращения п вала.
*’ + 2^(А2-0,5)/ф|(9.7)
где ^ = r-J(rA + ^) (здесь d — зазор между ступицей колеса и внутренней поверхностью жидкостного кольца в сечении Z—I, м); £ = 60/6 (6 — ширина корпуса ЖКВН, м); в — е/г2 (с — эксцентриситет, м); ^2 ™ ^п-Пср^ (°гг-П ср~~ средняя скорость течения жидкости в без лопаточном пространстве сечеиия II—II, м/с; и2 ~ 2лг3^ ~ окружная скорость на периферии колеса, м/с); 6 — Д/г3 (Д — минимальный зазор между корпусом и колесом ЖКВН, м).
Выражение (9.7) имеет физический смысл в интервале гх^г^^г^. Коэффициент kT и к» определяют экспериментально [49].
Зависимость коэффициента ку от критерия Эйлера Ей — (рн— Р)/(Рж14) (где рж — плотность рабочей жидкости, кг/м3) приведена на рис. 9.12. ^Зависимость получена на вакуумном ' иасосе, имеющем колесо с цилиндрической ступипей; выходные углы наклона лопаток колеса £3 — 90, 135 и 150°; относительные геометрические размеры: v=0,5; 6 = 0,0083; s =? = 0,153; £ = 1;ф = 0,75. При рабочих температурах плотность рабочей жиД’ кости изменялась от 980 до 1043 кг/№, вязкость — от 1,002 до 37,8 мПа-с- Частоту вращения вала поддерживали в пределах 20 ... 32,5 с-1, что соответствовало окружной скорости иа периферии колеса ий — 11,3 ... 18,37 м/с-
Скоростной коэффициент
1 .2£(2е + 6) Х
X {[(8.37 — 0,465 ctg Р2) е — 0,485] —
-3,59цж), (9.8) где р2 — выходной угол наклона лопаток рабочего колеса, °; ^ж — динамическая вязкость рабочей жидкости, Пя-с.
Эта эмпирическая зависимость справедлива при цж - 1,002 ... 78,5 мПа-с и рж = 980 ... 1050 кг/м8.
При расчете коэффициента fe2 вязкость рабочей жидкости определяют по температуре 7Ж. к жидкости в жидкостном кольце.
Температуру ТЖ к находят из уравнения
/V/ = Nn + Nn, + NIV, где IV/ — мощность, подводимая к ЖКВН; Nn — мощность, отводимая от ЖКВН рабочей жидкостью; Nm — мощность, отводимая от ЖКВН газом; Niv — мощность. отводимая от ЖКВН в результате теплообмена между поверхностью вакуумного насоса и окружающей средой.
Экспериментально показано, что сумма Niji-^-N/v составляет 10% мощности Ne иа валу ЖКВН, a Ni с достаточной точностью можно принять равной Ne. Мощность, отводимая от ЖКВН рабочей жидкостью, кВт:
Ny = G^c^ (Tw. к Тж в), где G^ — массовый расход жидкости через жидкостное кольцо, кг/с; сж — средняя удельная теплоемкость рабочей жидкости, Дж/(кг-К); Тж-В— температура рабочей жидкости на входе в жидкостное кольцо, К.
Тогда
т (0>9/Ve + СжсжТщ. в) /л ах ж. к =^—• (У У)
На глубину а погружения лопатки наибольшее влияние оказывает относительный эксцентриситет е: при Увеличении е погружение лопаток в Жидкостное кольцо уменьшается, при Уменьшении е глубина а увеличива-
Эффектирная мощность на валу ^КВН определяется мощностью, за
трачиваемой на сжатие, мощностью, затрачиваемой на перемещеине жидкостного кольца (мощность гидродинамических потерь), и мощностью, затрачиваемой на преодоление трения в сальниках и подшипниках. Для определения степени энергетического совершенства ЖКВН используют изотермический КПД, так как процесс сжатия газа в ЖКВН близок к изотермическому. Эффективная мощность на валу ЖКВН
^=Mb (9.10)
где VHa ~ pSr In т — изотермическая мощность сжатия газа; т|из — изотермический кпд.
Для ЖКВН Пиз 0,30 ...0,45. Такие низкие значения КПД объясняются тем, что мощность, затрачиваемая на вращение жидкостного кольца, составляет 50 ... 60% эффективной мощности [49]. На рис. 9.13
рис. 1,13. Зависимость изотермического КПД ПИ8 от отношения давлений т:рис. 1,13. Зависимость изотермического КПД ПИ8 от отношения давлений т:I — при п = 12,5 с-1; 2 — при -* 14,17 с*1; 3 - при п = 15,83 с~‘;При п — 18,33 с""1I — при п = 12,5 с-1; 2 — при -* 14,17 с*1; 3 - при п = 15,83 с~‘;При п — 18,33 с""1п 6* -
рис. 1,13. Зависимость изотермического КПД ПИ8 от отношения давлений т:
рис. 1,13. Зависимость изотермического КПД ПИ8 от отношения давлений т:
I — при п = 12,5 с-1; 2 — при -* 14,17 с*1; 3 - при п = 15,83 с~‘;
При п — 18,33 с""1
I — при п = 12,5 с-1; 2 — при -* 14,17 с*1; 3 - при п = 15,83 с~‘;
При п — 18,33 с""1
4 —
Рис. 9.14. Рабочее колесо без ребра жест* костя (а) я с ребром жесткости (б)Рис. 9.14. Рабочее колесо без ребра жест* костя (а) я с ребром жесткости (б)приведены экспериментальные * зависимости т)на от отношения давлений т для вакуумного насоса ВВН1-12 прн различной частоте вращения вала.Основные геометрические размеры ЖКВН определяют по формуле (9.3), предварительно задавшись коэффициентом откачки X, основными конструктивными соотношениями, значениями £ и v, окружной скоростью на периферии рабочего колеса и^ и коэффи- циентомф. Для литых колесф = 0,65... 0,85, для сварных колес с лопатками из листовой стали значение ф обычно больше. Определив r2, b0> rv п, рассчитывают радиус г22 по формуле (9.7). При этом необходимо задаться следующими основными конструктивными соотношениями: относительным эксцентриситетом 8 = е/г2, выходным углом наклона лопаток рабочего колеса р2 и относительной шириной £ = ЫЬ0. Для колес без ребра жесткости (рис. 9.14, а) £= 1, для колес с ребром жесткости (рис. 9.14, б) [ = 1,03 1,04.Если при расчете не достигнуто требуемое погружение лопаток в жид- - костное кольцо в сечеиии II—II (см. рис. 9.10) о = 2 ... 7 мм, то изменяют относительный эксцентриситет е, относительный радиус ступицы колеса v илк относительный зазор 6.приведены экспериментальные * зависимости т)на от отношения давлений т для вакуумного насоса ВВН1-12 прн различной частоте вращения вала.Основные геометрические размеры ЖКВН определяют по формуле (9.3), предварительно задавшись коэффициентом откачки X, основными конструктивными соотношениями, значениями £ и v, окружной скоростью на периферии рабочего колеса и^ и коэффи- циентомф. Для литых колесф = 0,65... 0,85, для сварных колес с лопатками из листовой стали значение ф обычно больше. Определив r2, b0> rv п, рассчитывают радиус г22 по формуле (9.7). При этом необходимо задаться следующими основными конструктивными соотношениями: относительным эксцентриситетом 8 = е/г2, выходным углом наклона лопаток рабочего колеса р2 и относительной шириной £ = ЫЬ0. Для колес без ребра жесткости (рис. 9.14, а) £= 1, для колес с ребром жесткости (рис. 9.14, б) [ = 1,03 1,04.Если при расчете не достигнуто требуемое погружение лопаток в жид- - костное кольцо в сечеиии II—II (см. рис. 9.10) о = 2 ... 7 мм, то изменяют относительный эксцентриситет е, относительный радиус ступицы колеса v илк относительный зазор 6.
Рис. 9.14. Рабочее колесо без ребра жест* костя (а) я с ребром жесткости (б)
Рис. 9.14. Рабочее колесо без ребра жест* костя (а) я с ребром жесткости (б)
приведены экспериментальные * зависимости т)на от отношения давлений т для вакуумного насоса ВВН1-12 прн различной частоте вращения вала.
Основные геометрические размеры ЖКВН определяют по формуле (9.3), предварительно задавшись коэффициентом откачки X, основными конструктивными соотношениями, значениями £ и v, окружной скоростью на периферии рабочего колеса и^ и коэффи- циентомф. Для литых колесф = 0,65... 0,85, для сварных колес с лопатками из листовой стали значение ф обычно больше. Определив r2, b0> rv п, рассчитывают радиус г22 по формуле (9.7). При этом необходимо задаться следующими основными конструктивными соотношениями: относительным эксцентриситетом 8 = е/г2, выходным углом наклона лопаток рабочего колеса р2 и относительной шириной £ = ЫЬ0. Для колес без ребра жесткости (рис. 9.14, а) £= 1, для колес с ребром жесткости (рис. 9.14, б) [ = 1,03 1,04.
Если при расчете не достигнуто требуемое погружение лопаток в жид- - костное кольцо в сечеиии II—II (см. рис. 9.10) о = 2 ... 7 мм, то изменяют относительный эксцентриситет е, относительный радиус ступицы колеса v илк относительный зазор 6.
приведены экспериментальные * зависимости т)на от отношения давлений т для вакуумного насоса ВВН1-12 прн различной частоте вращения вала.
Основные геометрические размеры ЖКВН определяют по формуле (9.3), предварительно задавшись коэффициентом откачки X, основными конструктивными соотношениями, значениями £ и v, окружной скоростью на периферии рабочего колеса и^ и коэффи- циентомф. Для литых колесф = 0,65... 0,85, для сварных колес с лопатками из листовой стали значение ф обычно больше. Определив r2, b0> rv п, рассчитывают радиус г22 по формуле (9.7). При этом необходимо задаться следующими основными конструктивными соотношениями: относительным эксцентриситетом 8 = е/г2, выходным углом наклона лопаток рабочего колеса р2 и относительной шириной £ = ЫЬ0. Для колес без ребра жесткости (рис. 9.14, а) £= 1, для колес с ребром жесткости (рис. 9.14, б) [ = 1,03 1,04.
Если при расчете не достигнуто требуемое погружение лопаток в жид- - костное кольцо в сечеиии II—II (см. рис. 9.10) о = 2 ... 7 мм, то изменяют относительный эксцентриситет е, относительный радиус ступицы колеса v илк относительный зазор 6.
Относительный эксцентриситет е = = elra значительно влияет на изотермический КПД т|„а и удельную мощность ^д = ^e/S* Прн уменьшении относительного эксцентриситета из-за увеличения погружения лопаток в кольцо в сечении II—II производительность и, следовательно, эффективная мощность уменьшаются. Но так как эффективная мощность уменьшается значительно медленнее, чем производительность, то удельная мощность увеличивается, а изотермический КПД уменьшается.
Прн увеличении относительного эксцентриситета Л^д растет, а т|из уменьшается вследствие не только уменьшения производительности, но и увеличения эффективной мощности, что связано с затратами мощности на удар при входе лопаток в кольцо. Из этого следует, что существует оптимальное значение ■относительного эксцентриситета, при котором удельная мощность минимальна, а КПД максимален. Теоретически это возможно, когда глу- / бина а погружения лопаток в жидкост- * ное кольцо и зазор d равны нулю.
Однако при проектировании ЖКВН й стремятся обеспечить гарантированное погружение лопаток в жидкостное кольцо, чтобы прн возможных колебаниях давления жидкости в сети лопатки из него не выходили.
При предварительных расчетах принимают относительный эксцентриситет е = 0,1450,125. Окончательно 8
рассчитывают из условия соблюдения глубины а погружения лопаток в жидкостное кольцо.
Относительный зазор 6 = А/г2 выбирают иа основе экспериментальных данных в пределах 0,011 ...0,03. При уменьшении относительного зазора возрастают гидравлические потери в зазоре между корпусом и ротором. Увеличение относительного зазора при неизменном относительном эксцентриситете может привести к выходу № паток из жидкостного кольца. .
Относительный радиус v = rv^g ступнцы колеса принимают в пределах 0,4 ... 0,55. При v ^ 0.5 увеличивайся размеры насоса, при v < 0,4 возникает трудность размещения вала необходимого диаметра в ступице № леса.
Рис. 9.15. Схема определения абсолютной скорости жидкости с$ при различном выходном угле Э> наклона лопаток рабочего колесаРис. 9.15. Схема определения абсолютной скорости жидкости с$ при различном выходном угле Э> наклона лопаток рабочего колеса
Рис. 9.15. Схема определения абсолютной скорости жидкости с$ при различном выходном угле Э> наклона лопаток рабочего колеса
Рис. 9.15. Схема определения абсолютной скорости жидкости с$ при различном выходном угле Э> наклона лопаток рабочего колеса
Относительную длину колеса х = ^/^ ня основ> экспериментальных исследований выбирают в пределах 1,32,2;
Угол наклона ступицы колеса а (рис. 9.14, б) принимают в пределах 7 ... 10°, так как расстояние между жидкостным кольцом и ступицей в центре колеса больше, чем у торцов. При такой форме внутренней поверхности жидкостного кольца выполнение ступицы наклонной приводит к ’ тому, что в зазоре д (см. рис. 9.8) остается меньше газа, а следовательно, увеличивается производительность по сравнению с ее значением для ЖКВЦ; имеющего рабочее колесо с цилиндрической ступицей (см. рис. 9.14, а).
Выходной угол 02 наклона лопаток колеса, выбирают в пределах 135 ... 150°. что объясняется рядом причин.
Газ в ЖКВН сжимается н выталкивается в нагнетательное окно за счет энергии, которую получает от жидкостного кольца. К жидкостному кольцу энергия подводится от колеса иа стороне всасывания (0^9^180°) в виде кинетической энергии, которая пропорциональна квадрату абсолютной скорости жидкости на выходе из колеса с^. Абсолютная скорость са максимальна при лопатках, загнутых вперед ф2 > 90°) (рис. 9.15). Такие лопатки можно выполнять прямыми и плавно изогнутыми по радиусу. Как показывают результаты экспериментальных исследований, ЖКВН с колесами, имеющими плавно изогнутые по радиусу лопатки, при прочих равных размерах имеют большую производительность и больший изотерми- ческий КПД.
В лопаточном пространстве жид- костного кольца жидкость совершает * Ложное движение. При выходе с ло- пзтки колеса она совершает перенос- ~ое движение со скоростью и^ (см.
Ис- 9.10), относительное — со скотью oj2; абсолютная скорость жидко- Ги равна са. Траектории В движения едкости в безлопаточном пространст- - 8 первом приближении можно прн- ^ть эквидистантными радиусу R кор- /Са- Тогда в той же точке А жид- ^стного пространства жидкость дол- '^а иметь скорость и3* направленную
движения. Разность скоростей са и и2 дает скорость суг. Наличие радиальной скорости й!г приводит к образованию вихрей и пены при выходе жидкости с лопаток в безлопаточное пространство, что увеличивает потери мощности. На стороне всасывания (0^6^ ^ 180°) скорость wr минимальна при р2 = 135 .150° (рис. 9.16); этим объясняется минимум удельной мощности вакуумного насоса ВВНЬ0.75 при номинальном давлении всасывания 40 кПа, работе на воле и использовании рабочего колеса с выходным углом наклона -лопаток 02 150° (рис- 9.17).Окружная скорость и2 = 2лга/1 на периферии рабочего колеса ограничена устойчивостью жидкостного кольца, а также возникновением кавитационных явлений. Минимальная скорость и^ при которой образуется устойчивое жидкостное кольцо:U8 “ "VЗрн/Рж ^р/Рис/ф, (9.11) где ф — коэффициент, учитывающий форму И число лопаток:<Р = V(1 — (1 — v)/(nctg Р,)] ц2,где — {1 — л cos 02/ 12z (1 — v) ]}“*.Зависимость удельной мощности от скорости и2 имеет минимум. Оптимальные значения иа (когда удельная мощность минимальна) зависят от режима работы вакуумного насоса (давлений рдвижения. Разность скоростей са и и2 дает скорость суг. Наличие радиальной скорости й!г приводит к образованию вихрей и пены при выходе жидкости с лопаток в безлопаточное пространство, что увеличивает потери мощности. На стороне всасывания (0^6^ ^ 180°) скорость wr минимальна при р2 = 135 .150° (рис. 9.16); этим объясняется минимум удельной мощности вакуумного насоса ВВНЬ0.75 при номинальном давлении всасывания 40 кПа, работе на воле и использовании рабочего колеса с выходным углом наклона -лопаток 02 150° (рис- 9.17).Окружная скорость и2 = 2лга/1 на периферии рабочего колеса ограничена устойчивостью жидкостного кольца, а также возникновением кавитационных явлений. Минимальная скорость и^ при которой образуется устойчивое жидкостное кольцо:U8 “ "VЗрн/Рж ^р/Рис/ф, (9.11) где ф — коэффициент, учитывающий форму И число лопаток:<Р = V(1 — (1 — v)/(nctg Р,)] ц2,где — {1 — л cos 02/ 12z (1 — v) ]}“*.Зависимость удельной мощности от скорости и2 имеет минимум. Оптимальные значения иа (когда удельная мощность минимальна) зависят от режима работы вакуумного насоса (давлений рJ Кагательной к траектории В своего
движения. Разность скоростей са и и2 дает скорость суг. Наличие радиальной скорости й!г приводит к образованию вихрей и пены при выходе жидкости с лопаток в безлопаточное пространство, что увеличивает потери мощности. На стороне всасывания (0^6^ ^ 180°) скорость wr минимальна при р2 = 135 .150° (рис. 9.16); этим объясняется минимум удельной мощности вакуумного насоса ВВНЬ0.75 при номинальном давлении всасывания 40 кПа, работе на воле и использовании рабочего колеса с выходным углом наклона -лопаток 02 150° (рис- 9.17).
Окружная скорость и2 = 2лга/1 на периферии рабочего колеса ограничена устойчивостью жидкостного кольца, а также возникновением кавитационных явлений. Минимальная скорость и^ при которой образуется устойчивое жидкостное кольцо:
U8 “ "VЗрн/Рж ^р/Рис/ф, (9.11) где ф — коэффициент, учитывающий форму И число лопаток:
<Р = V(1 — (1 — v)/(nctg Р,)] ц2,где — {1 — л cos 02/ 12z (1 — v) ]}“*.
Зависимость удельной мощности от скорости и2 имеет минимум. Оптимальные значения иа (когда удельная мощность минимальна) зависят от режима работы вакуумного насоса (давлений р
движения. Разность скоростей са и и2 дает скорость суг. Наличие радиальной скорости й!г приводит к образованию вихрей и пены при выходе жидкости с лопаток в безлопаточное пространство, что увеличивает потери мощности. На стороне всасывания (0^6^ ^ 180°) скорость wr минимальна при р2 = 135 .150° (рис. 9.16); этим объясняется минимум удельной мощности вакуумного насоса ВВНЬ0.75 при номинальном давлении всасывания 40 кПа, работе на воле и использовании рабочего колеса с выходным углом наклона -лопаток 02 150° (рис- 9.17).
Окружная скорость и2 = 2лга/1 на периферии рабочего колеса ограничена устойчивостью жидкостного кольца, а также возникновением кавитационных явлений. Минимальная скорость и^ при которой образуется устойчивое жидкостное кольцо:
U8 “ "VЗрн/Рж ^р/Рис/ф, (9.11) где ф — коэффициент, учитывающий форму И число лопаток:
<Р = V(1 — (1 — v)/(nctg Р,)] ц2,где — {1 — л cos 02/ 12z (1 — v) ]}“*.
Зависимость удельной мощности от скорости и2 имеет минимум. Оптимальные значения иа (когда удельная мощность минимальна) зависят от режима работы вакуумного насоса (давлений р
Рис. 9.16. Зависимость радиальной скорости wr от угла 8 поворота колеса при различном выходном угле р2 наклона лопаток рабочего колеса:1 — ири 68 •* 45е; 3 — при р8 ** 90е; 3 — прн Bt « 135е; 4 — прн ^ = 150е; 5 — при& - 170еРис. 9.16. Зависимость радиальной скорости wr от угла 8 поворота колеса при различном выходном угле р2 наклона лопаток рабочего колеса:1 — ири 68 •* 45е; 3 — при р8 ** 90е; 3 — прн Bt « 135е; 4 — прн ^ = 150е; 5 — при& - 170е1 — прн3 — прн1 — прн3 — прнр, = 135°;Р, = 168°;р, = 135°;Р, = 168°;40 мПа-с.40 мПа-с.Рис. 9.18. Зависимость удельной мощности ^УД ОТ окрУжн°й скорости ы2 на периферии рабочего колеса р?н — 98 кПа, рабочая жидкость — дибутнлфталат) прн выходном угле наклона лопаток рабочего колеса р2 — 150° (сплошные линии), р2 = = 135° (штриховые линии)» Р, — 90е (штрнхпунктирные лиинн) и различном отношении г давлений:/ — при t = 1.8; 2 — при т = 2.0; 3 — при т = 2,5Рис. 9.18. Зависимость удельной мощности ^УД ОТ окрУжн°й скорости ы2 на периферии рабочего колеса р?н — 98 кПа, рабочая жидкость — дибутнлфталат) прн выходном угле наклона лопаток рабочего колеса р2 — 150° (сплошные линии), р2 = = 135° (штриховые линии)» Р, — 90е (штрнхпунктирные лиинн) и различном отношении г давлений:/ — при t = 1.8; 2 — при т = 2.0; 3 — при т = 2,5н'агнётательно?о УГ°Л Ф"К 0TKP™н'агнётательно?о УГ°Л Ф"К 0TKP™Рис. 9.19. Зависимость удельной мощности ^УД ЖКВН (Р ” 26’6 кПа; ?%98 кПа)от окружной скорости а2 на периферии рабочего колеса для рабочих жидкостей с различной вязкостью:/ — вода; 2 — днбутилфталат; 3 — масло ВМ-4Рис. 9.19. Зависимость удельной мощности ^УД ЖКВН (Р ” 26’6 кПа; ?%98 кПа)от окружной скорости а2 на периферии рабочего колеса для рабочих жидкостей с различной вязкостью:/ — вода; 2 — днбутилфталат; 3 — масло ВМ-4плотности рабочей жидкостиплотности рабочей жидкости
Рис. 9.16. Зависимость радиальной скорости wr от угла 8 поворота колеса при различном выходном угле р2 наклона лопаток рабочего колеса:
1 — ири 68 •* 45е; 3 — при р8 ** 90е; 3 — прн Bt « 135е; 4 — прн ^ = 150е; 5 — при
& - 170е
Рис. 9.16. Зависимость радиальной скорости wr от угла 8 поворота колеса при различном выходном угле р2 наклона лопаток рабочего колеса:
1 — ири 68 •* 45е; 3 — при р8 ** 90е; 3 — прн Bt « 135е; 4 — прн ^ = 150е; 5 — при
& - 170е
1 — прн
3 — прн
1 — прн
3 — прн
р, = 135°;
Р, = 168°;
р, = 135°;
Р, = 168°;
40 мПа-с.
40 мПа-с.
Рис. 9.18. Зависимость удельной мощности ^УД ОТ окрУжн°й скорости ы2 на периферии рабочего колеса р?н — 98 кПа, рабочая жидкость — дибутнлфталат) прн выходном угле наклона лопаток рабочего колеса р2 — 150° (сплошные линии), р2 = = 135° (штриховые линии)» Р, — 90е (штрнхпунктирные лиинн) и различном отношении г давлений:
/ — при t = 1.8; 2 — при т = 2.0; 3 — при т = 2,5
Рис. 9.18. Зависимость удельной мощности ^УД ОТ окрУжн°й скорости ы2 на периферии рабочего колеса р?н — 98 кПа, рабочая жидкость — дибутнлфталат) прн выходном угле наклона лопаток рабочего колеса р2 — 150° (сплошные линии), р2 = = 135° (штриховые линии)» Р, — 90е (штрнхпунктирные лиинн) и различном отношении г давлений:
/ — при t = 1.8; 2 — при т = 2.0; 3 — при т = 2,5
н'агнётательно?о УГ°Л Ф"К 0TKP™
н'агнётательно?о УГ°Л Ф"К 0TKP™
Рис. 9.19. Зависимость удельной мощности ^УД ЖКВН (Р ” 26’6 кПа; ?%98 кПа)
от окружной скорости а2 на периферии рабочего колеса для рабочих жидкостей с различной вязкостью:
/ — вода; 2 — днбутилфталат; 3 — масло ВМ-4
Рис. 9.19. Зависимость удельной мощности ^УД ЖКВН (Р ” 26’6 кПа; ?%98 кПа)
от окружной скорости а2 на периферии рабочего колеса для рабочих жидкостей с различной вязкостью:
/ — вода; 2 — днбутилфталат; 3 — масло ВМ-4
плотности рабочей жидкости
плотности рабочей жидкости
и Ри), угла За и вязкости рабочей жидкости. Зависимость удельной мощности насоса ВЬН 1-0,75 от окружной скорости и» при различных отношении давлений т, выходном угле Р2 наклона лопаток рабочего колеса и при использовании в качестве рабочей жидкости дибутилфталата (цж = — 10,02 мПа-с, рж = 1043 кг/м8) приведена на рис. 9.18. При увеличении вязкости рабочей жидкости (масло ВМ-4 Рж := 37,8 мПа-c, рж == = 980 кг/м®;вода — рж =
= 1,002 мПа-с, Рж = Ю00 кг/м8) удельная мощность увеличивается (рис. 9.19). С увеличением вязкости примерно в 40 раз оптимальное значение скорости иг возрастает от 13,5 м/с
Рис. 9.17. Зависимость удельной мощности N„_ ЖКВН Гр ■= 98 кПа; рабочая жид- кость — вода) от давления всасывания р при различном выходном угле В, наклона лопаток рабочего колеса:Рис. 9.17. Зависимость удельной мощности N„_ ЖКВН Гр ■= 98 кПа; рабочая жид- кость — вода) от давления всасывания р при различном выходном угле В, наклона лопаток рабочего колеса:
Рис. 9.17. Зависимость удельной мощности N„_ ЖКВН Гр ■= 98 кПа; рабочая жид- кость — вода) от давления всасывания р при различном выходном угле В, наклона лопаток рабочего колеса:
Рис. 9.17. Зависимость удельной мощности N„_ ЖКВН Гр ■= 98 кПа; рабочая жид- кость — вода) от давления всасывания р при различном выходном угле В, наклона лопаток рабочего колеса:
р, = 150°; 2 — приВ. = 90°: 4 — при
5 — при в, = 45°
для воды до 15.5 для дибутилфталата и 16,5 м/с для масла ВМ-4 при т = = ри1р — 3,7. При Рг = 150° и цж = = 10,02 мПа-с с увеличением т от 1,8 до 2,5 скорость и2 возрастает от 14 до 15,5 м/с (см. рнс. 9.18).
Физические свойства и температура жидкости. Такие свойства рабочей жидкости, как плотность и вязкость, значительно влияют на характеристики
ЖКВН.
Увеличение плотности рабочей Жидкости приводит к возрастанию производительности н мощности. Однако рост производительности опережает рост мощности, а это приводит к тому, что при увеличении плотности КПД возрастает, хотя и незначительно (рис. 9.20).
Использование рабочих жидкостей с вязкостью больше вязкости воды приводит к уменьшению производительности и увеличению эффективной мощности; в результате возрастает удельная мощность (см. рис. 9.19) и уменьшается КПД ЖКВН.
Для уменьшения влияния вязкости иа КПД необходимо при ее повышении увеличивать относительный эксцен* триситет так, чтобы глубина погрУ жеиия лопаток в жидкостное колЫЮ не превышала 2 ...7 мм; окружнУ® скорость на периферии рабочего к^ леса увеличивать от 12 ... 16 м/с воды до 15 ... 20 м/с для рабоче жидкости С ВЯЗКОСТЬЮ ПОрЯД11
С понижением температуры рабочей жидкости производительность увеличивается. а давление уменьшается, ^а рис. 9.21 приведена зависимость температурного фактора кт (необходимого для пересчета быстроты действия одноступенчатых вакуумных насосов! от температуры воды, подводимой в ЖКВН (данные ост 26 12-1113—83). '
Быстрота действия
8 = Sa88kT, (9.12) где S28s — быстрота действия ЖКВН при температуре 288 К; h-т — температурный фактор.
Зависимость остаточного давления р0 от темпепатуры воды на входе Тж в для ^одноступенчатых (кривая /) и двухступенчатых (кривая 2) ЖКВН дана на рис. 9.22 (по данным фирмы «Чемвак Пампе», Великобпитания).
Внутренняя кромка всасывающих и нагнетательных окон описывается радиусом гг (см. рис. 9.14, а) в насосах, имеющих колеса с цилиндрической ступиией, или радиусом г{ (рис. 9.14, б) в насосах, имеющих колеса с наклонной ступицей. В первом приближении внешняя кромка окон может быть описана (см. рис. 9.10) радиусом
г0—0,5 [(ri + d) + (гг — а) ], (9.13)
определяющим усредненную форму внутренней поверхности жидкостного кольца, эксцентриситет которой е* = = 0,5 [(г2 — а) — (/1+ d)]. Угол начала открытия всасывающего окна ф0 выбирают в пределах (2 ... 3) Р; угол закрытия всасывающего окна фвс = ~ 180° — 0,5(5; угол закрытия нагнетательного окна принимают ф2 —
окна зависит от отношения давлений т (фсж рассчитывают таким образом, чтобы давление в рабочей ячейке, которая в следующее мгновение раскроется в нагнетательное окно, было равно давлению нагие-
При давлении всасывания р — /15,5. .2,5 кПа, если требуется откачивать агрессивные взрывоопас- /Ыс- запыленные, легко воспламеияю- °'Иеся и разлагающиеся газы или ключается’ загрязнение откачивав-
Рис. 8.21. Зависимость температурного фактора бу от температуры Т рабочей жидкости на входе в ЖКВНРис. 8.21. Зависимость температурного фактора бу от температуры Т рабочей жидкости на входе в ЖКВНРис. 9.22. График к определению остаточного давления р0 по температуре Гж в воды иа входе одноступенчатых (кривая /) и двухступенчатых (кривая 2) ЖКВН .Рис. 9.22. График к определению остаточного давления р0 по температуре Гж в воды иа входе одноступенчатых (кривая /) и двухступенчатых (кривая 2) ЖКВН .
Рис. 8.21. Зависимость температурного фактора бу от температуры Т рабочей жидкости на входе в ЖКВН
Рис. 8.21. Зависимость температурного фактора бу от температуры Т рабочей жидкости на входе в ЖКВН
Рис. 9.22. График к определению остаточного давления р0 по температуре Гж в воды иа входе одноступенчатых (кривая /) и двухступенчатых (кривая 2) ЖКВН .
Рис. 9.22. График к определению остаточного давления р0 по температуре Гж в воды иа входе одноступенчатых (кривая /) и двухступенчатых (кривая 2) ЖКВН .
мых объемов парами масла, целесо- образно применять двухступенчатые ЖКВН. При создании двухступенчатых ЖКВН важно правильно выбрать промежуточное давление. Минимизируя удельную мощность, оптимальное промежуточное давление можно рассчитать по формуле
тт = 4,19+ 0,07туст, (9.14)
Где Tj — отношение давления нагне-. тания к давлению всасывания первой ступени: туст — отношение давления нагнетания двухступенчатого ЖКВН у его давлению всасывания.
Доверительный интервал Д = ±3,3 при доверительной вероятности р = = 0,9. Зависимость получена для ЖКВН, работающих иа воде при ТуСТ = 5 ••• 16,2 и на масле ВМ-4 прц ТуСТ = 5,0 ... 50,7.
После определения отношения давлений в первой и второй ступенях каждую ступень рассчитывают отдель-
но по методике расчета одноступенчатых ЖКВН. При этом, если обе сту. пени выполнены в одном корпусе рекомендуется из конструктивных сщ ображений радиусы г2 колес первой g второй ступеней выбирать одинаковыми. Однако, если стремятся полу, чить максимальный КПД, скорость ц, на периферии колеса первой ступени следует выбирать меньше скорости ц, на периферии колеса второй ступени [49].
Конструкции и характеристики вакуумных насосов и установок. Технические характеристики жидкостно-кольцевых вакуумных насосов, выпускаемых в СССР, приведены в табл 9 2 [33]..
Условное обозначение жидкостно- кольцевых вакуумных насосов — ВВН или ЖВН расшифровывают следующим образом: В — водокольцевой. Ж — жидкостно-кольцевой, В .— вакуумный, Н — насос. Цифры после букв перед тире обозначают исполнение насоса, которое определяет абсолютное давление всасывания при номинальной производительности: 1 — давление всасывания 0,04 МПа, 2 — давление всасывания 0,02 МПа; если цифры перед тире нет, то давление всасывания равно 0,03 МПа. Цифры после тире определяют производительность вакуумного насоса в м3/мин, буквы после цифр — материал детали проточной части. Например, ВВН1-50ТМ — водокольцевой вакуумный насос на давление всасывания 0,04 МПа, производительность 50 м3/мин, материал деталей проточной части — титан; ЖВН-12Н — жидкостно-кольцевой вакуумный насос на давление всасывания 0,03 МПа, производительность 10,5 м3/мии, материал деталей проточной части — сталь 12Х18Н9Т.
Вакуумные насосы имеют одинаковые конструктивные схемы.
На рис. 9.23 показана конструквйЯ вакуумного насоса ВВН 1-12. Коле* со 11 насоса литое, эксцентрично^* тановлено в корпусе 12. Колесо имеет центральное ребро жесткости и загиУ" тые вперед лопатки, отлитые заоДИ со ступицей колеса. Для увеличена жесткости лопаток предусмотрен кольца 20, отлитые вместе с лова
Продолжение табл. 9.2
Значение параметра для насоса
Параметр
Ж6Н-12Н
ВВН1-50ТМ
ВВН2-50М
' ВВН2-50Х
ВВН2-50Н
ВВП2-150М
ВВН2-300
Быстрота действия, м*/с, при давлении, МПа: 0,02
0,833
0,75
0,75
2,6
6,67
0.03
0,175
—
•—
—
—
—
0,04
—-
0,833
—
—
—
—
—
Мощность при номинальной быстроте действия, кВт
21
70
70
63
63
180
401
Расход воды, дм*/с, не более
0,83
2
1,165<
2
2
7,33
12
Электродвигатель: тип
АО2-72-6 (4А20ОМ6УЗ)
AO3-40OS10
AO3-355M-10
AO3-40OS10
AO3-40OS10
СДН-15-29-20
С ДМ-215/26-24
мощность, кВт
22
132
НО
132
132
316
630
частота вращения, с~*
16,7
10
10
10
10
5
4,16
напряжение, В
220/380
380/660
220/380
380/660
380/660
6000
6000
Габаритные размеры, мм. не более
1820Х710Х X 1520
3300 X ЮООх XI700
3300Х1150Х Х2000
3400 XI000 X X 1700
3400 XI000 X Х1700
5000X2900X X 2500
6000X2600 X Х2500
Масса, кг, не более
1040
3500
3500
4000
4000
12 500
22 700
Рие. 9.23. Вакуумный насос ВВН1-12
МЕХАНИЧЕСКИЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫЖидкостно-кольцевые насосы
Рве. 9.24. Вакуумный иасос BBHl-0,75
ками. Для уменьшения торцовых перетеканий на торцовых поверхностях ступицы колеса выполнены кольцевые выступы а., которые входят в проточки на торцовых поверхностях крышек 1 н 14. Кроме того, для уменьшения перетеканий в торцовые зазоры подводят воду через отверстия в, из торцовых зазоров вода ' поступает в жидкостное кольцо и сальник. Корпуса подшипников 2 и 19 крепят к крышкам 1 и 14 и центрируют относительно ннх по посадочным поверхностям б.
Подшипник 4 — роликовый радиальный. Нижнее кольцо его зажато между втулкой 3 и гайкой 5. Между корпусом 2, крышкой 8 и верхним кольцом подшипника 4 имеются зазоры, Подшипник 15 — радиально- 'упорнын, Нижнее кольцо его зажато между втулкой 18 и гайкой 17. Верхнее кольцо подшипника 15 прижато к корпусу 19 крышкой 16 для фиксации положения колеса И в корпусе 12. Торцовые зазоры между колесом 11* й крышками 1 и 14 регулируют подбором прокладок 10 и 13. Втулки 3 и 18 предохраняют вал 7 вакуумного насоса от изнашивания сальником.
Насос выполняют с уплотнением 9 двух типов: механическим или с набивкой. В первом варианте уплотнение происходит по поверхностям трения стального кольца по кольцу из графита или фторопласта с наполнителями. Кольца прижимаются один к другому пружиной. Перетекание вдоль втулки ограничивает резиновое
кольцо. В сальник подается вода для охлаждения. Во втором варианте набивкой .сальника служит мягкий хлопчатобумажный просаленный шнур. Для уплотнения набивки периодически поджимают буксу. Нормально работающий сальник должен пропускать воду в виде отдельных капель. Вода собирается в .нижней части корпусов 2 и 19 и отводится через отверстия.
Так как насос включают при атмосферном давлении, в торцовых крышках 1 и 14 перед нагнетательными окнами выполняют отверстия, перекрываемые резиновыми клапанами. При давлениях в рабочих ячейках выше атмосферного клапаны сжимаются, и газ выходит в нагнетательную полость.
" Перед пуском ЖКВН в него необходимо подать жидкость. Корпус насоса должен быть заполнен жидкостью приблизительно до осн. Пускать ЖКВН следует прн закрытом вентиле на всасывающем трубопроводе во избежание попадания в него воды.
В ЖКВН, работающих на газах, которые не . могут быть выпущены в атмосферу, всасывающий и нагнетательный трубопровод необходимо соединять перепускной трубой, на которой должен быть установлен вентнль- Прн работе ЖКВН температур3 подшипников может быть на 15 ••• 20 К выше температуры окружающего воздуха, но не превышать 328 ... 333 К. Для уплотнения крышки
8 предназначен сальник 6.
12.55
Ряс. 9.25. Вакуумный насос ВВН-ЗН
В отличие от рассмотренной конструкции насос ВВН1-0,75 — консольного типа (рнс. 9.24).
Все вакуумные насосы, за исключением BBHl-1,5, соединены с электродвигателем через муфту. Насос ВВНН,5 имеет фланцевый двигатель.
Вакуумные установки с насосами ВВНН,5, ВВН-ЗН, ВВН1-3, ВВН1-6, ВВНЫ2ТМ, ВВН1-12, ЖВН-12М, ВВН2-50М, ВВН2-50Х, ВВН2-50М снабжают отделителем жидкости, устанавливаемым на нагнетательном трубопроводе насоса (рис. 9.25). В вакуумных установках с насосами ВВН2-150, ВВН2-300 и ВВН1-50ТМ отделители жидкости монтируют на фундаментной плнте.
В СССР выпускают также водоколь- Цевые установки типа УНВ (установка насосная вакуумная, цифры после букв — номер установки). Техническая характеристика установок приведена в табл. 9.3 [25].
Установки предназначены для создания вакуума в бумаго- н картоно- Делательных машинах малой и средней мощности и в аппаратах целлюлозно- бумажной промышленности. Установки состоят из водокольцевого вакуумного насоса типа НВ и электродвигателя. ° установках УНВ-01, УНВ-02, уНВ-03 и УНВ-04 насос соединен
с двигателем втулочно-пальцевой муфтой; вся установка смонтирована на общей раме. В установке УНВ-05 насос соединен с электродвигателем клиноременной передачей. Насос, электродвигатель и ограждение клн- ноременной передачи установлены на фундаменте.
Жидкости о-кольцевые вакуумные установки различают по системе подачи жидкости на открытые, с частичной рециркуляцией и рециркуляционные.
При открытой системе подачи вода подается в уплотнение и жидкостное кольцо из водяной сети и сливается в канализацию. При этом методе достигается наиболее интенсивное охлаждение насоса и откачиваемого газа, что важно для получения низкого давления всасывания.
В системах с частичной рециркуляцией в жидкостное кольцо н уплотнения вода подается из водяной сети и из отделителя жидкости. Оба водяных потока смешиваются перед вакуумным насосом для выравнивания температуры. Этот способ позволяет экономить воду и уменьшать эксплуатационные затраты.
В рециркуляционной системе подачи вся жидкость, подводимая в вакуумный насос, поступает из отделителя
Параметр
Значение параметра для установки|
УНВ-01
УНВ-02
УНВ-03
УНВ-04
У НВ-05 4
Быстрота действия, м3/с Электр одвигатель:
0,15
0,25
" 0,366
0,51
0,95
ТИП
АО2-72-6
4A-250-S8
4A-315-S10
4А-315М-10
4А-355М-10
мощность, кВт
22
37
55
75
ПО
частота вращения, с-1
Габаритные раз-
16,67
12,5
10
10
10
1815Х
‘2130Х
2770 X
3000Х
3400Х
меры, мм
X 615Х
Х750
Х770Х
Х885
Х950Х
X 1120
X 1000Х :
X 1120
Х2500Х
X 1650
Масса, кг
810
' 1360
• 2730
3270
6110
Таблица 9.3
Примечание. Для приведенных в таблице установок: номинальное давление всасывания 0,03 МПа; напряжение обмоток электродвигателя 220/380 В.
жидкости. Перед подачей в . вакуумный насос она охлаждается в теплообменнике, встроенном в отделитель жидкости или смонтированном отдельно на раме. Рециркуляционную систему подачи жидкости рекомендуется применять в следующих случаях: использование в качестве рабочей жидкости химических веществ;
конденсация и попадание в жидкость или растворение в ней паров откачиваемых химических веществ;
необходимость подачи в жидкостное кольпо жидкости с низкой температурой.
Циркуляцию жидкости обеспечивает жидкостно-кольцевой вакуумный насос н установка специального жидкостного насоса не требуется.
В системах с частичной рециркуляцией и рециркуляционных ■ воду в уплотнения иногда подают из водяной системы. При использовании жидкостей высокотоксичных, взрывоопасных, агрессивных, концерогеиных нлн с твердыми включениями рекомендуются сдвоенные механические уплотнения, в которые подается вода из водяной системы только для* отвода теплоты трения. Давление воды должно быть таким, чтобы она ие проникала между поверхностями трения уплотнения. Уплотнительные кольца, соприкасающиеся с рабочей жидкостью, рекомен
дуется выполнять нз химически стойких материалов (графита, керамики, коррозионно-стойкой стали).
В системах с частичной рециркуляцией и рециркуляционных уровень жидкости в отделителе не должен быть инже осевой линии вакуумного насоса; поэтому в отделителе жидкости, смонтированном рядом с вакуумным насосом на фундаменте нлн раме, для поддержания уровня жидкости ре- . комендуется устанавливать регулятор уровня, а для контроля — указатель уровня.
В Ж КВН ограничивают расход жидкости и ее температуру. Повы- . шенне температуры жидкости обычно задают ие более 2 ... 5 К. Расход жидкости возрастает с увеличением быстроты действия, частоты вращения вала и температуры подводимой в вакуумный насос жидкости.
1 В системах с частичной рециркуляцией расход воды, подаваемой из водяной магистрали, и расход рециркуляционной воды зависит от разности их температур.
Пример расчета. Исходные данные: быстрота действия S = 0,2 м8'с: давление всасывания р = 0,02 М№ давление нагнетания рн= 0,1013 МПа! откачиваемый газ — воздух; температура Т = 293 К; рабочая жидкость " вода; температура воды на входе в
•Параметр
Способ определения
Результат
Быстрота действия S, м®/с Давление, МПа;
Исходные данные
0,2
0,02
всасывания р
нагнетания рн -
0.1013
Температура воздуха иа всасывании т, К■
293
Отношение давления нагнетания
т = pHip
5,1
к давлению всасывания Т Коэффициент откачки X
Принимают (см. рис. 9.11)
0,75
Геометрическая быстрота действия Sp, м3/с
Формула (9.3)
0.267
Относительная ширина колеса к
2
Коэффициент ф, учитывающий влия-
0,75
ние ширины лопаток
Отношение v среднего радиуса сту-
Принимают
0,4 -
пнцы к наружному радиусу колеса Окружная скорость на периферии колеса и2, м/с
16
Расчетный наружный радиус колеса г2, м,
_ 1/ 2Sr
Г2 V фи2х (1 — V2)
0,163
Наружный радиус колеса г2, м
Принимают
0,16
Расчетная частота вращения вала насоса лр, с-1
«р = U2/(2rtr2)
15,92
16,7
Частота вала насоса л,-с-1'
Принимают равной частоте вращения вала двигателя
Изотермическая мощность Мив, кВт
^из ~ pSv In
8,7
Изотермический КПД т|из.
Поннимают (см. рис. 9.13)
0.275
Эффективная мощность на валу на-
Формула (9.10)
31,6
coca Ne, кВт
Средний радиус ступицы колеса
Н = vr.
0,64
Окружная скорость иа 1 периферии
М2 = 2ЛГ2Л
16,78
колеса «2, м/с
Относительный зазор 5
-
0.0125
Относительная длина колеса t,
1,04
Относительный эксцентриситет е'
Принимают
0,145
Выходной угол наклона лопатки Колеса Р2, град
150
Плотность рабочей жидкости рж, КГ/м3
Исходные данные
10s
Вязкость рабочей жидкости цж> Па-с
ю-=
Критерий Эйлера Ей
Ей = (рн — р)/(рши|)
■ 0,29
Коэффициент ^
Коэффициент
Принимают (см. рис. 9.12)
0,86
формула (9.8)
0,86
Радиус г22, м
Формула (9.7) ■
0,1535
1 дубина • погружения лопатки
8 Жидкостное кольцо а, м
а. = г^ — г^
0,0065
Таблица 9.4
ПараметрСпособ определенииРезультатРасчетный эксцентриситет ер, мер = вгу0,0232Эксцентриситет е, мПринимают0,023Относительный эксцентриситете = е/г.0,1437 аРадиус г„, мФормула (9.7)0,153 1Глубина погружения лопаткиО = 7*2 •“ /"да0,07 яв жидкостное кольцо а, м Внутренний радиус корпуса R, мR = 0,5 (2г, + Д+2е)0,184 10,320 |Ширина колеса 60, мЬд = ИГдУдельная мощность ^yд, кВт-с/м8N™ = NglSФормула (9.5)158Геометрическая быстрота дей-0,270 Яствия Sr. р, м3/с(Sr - sr. р) ioo/sr, %—4ПараметрСпособ определенииРезультатРасчетный эксцентриситет ер, мер = вгу0,0232Эксцентриситет е, мПринимают0,023Относительный эксцентриситете = е/г.0,1437 аРадиус г„, мФормула (9.7)0,153 1Глубина погружения лопаткиО = 7*2 •“ /"да0,07 яв жидкостное кольцо а, м Внутренний радиус корпуса R, мR = 0,5 (2г, + Д+2е)0,184 10,320 |Ширина колеса 60, мЬд = ИГдУдельная мощность ^yд, кВт-с/м8N™ = NglSФормула (9.5)158Геометрическая быстрота дей-0,270 Яствия Sr. р, м3/с(Sr - sr. р) ioo/sr, %—4Продолжение табл. 9.4Продолжение табл. 9.4Рес. 9.28. Принципиальные схемы действие двухроторного вакуумного насосаРес. 9.28. Принципиальные схемы действие двухроторного вакуумного насосаРнс. (.27. Винтовой ротор двухроторного вакуумного насосаРнс. (.27. Винтовой ротор двухроторного вакуумного насоса
Параметр
Способ определении
Результат
Расчетный эксцентриситет ер, м
ер = вгу
0,0232
Эксцентриситет е, м
Принимают
0,023
Относительный эксцентриситет
е = е/г.
0,1437 а
Радиус г„, м
Формула (9.7)
0,153 1
Глубина погружения лопатки
О = 7*2 •“ /"да
0,07 я
в жидкостное кольцо а, м Внутренний радиус корпуса R, м
R = 0,5 (2г, + Д+2е)
0,184 1
0,320 |
Ширина колеса 60, м
Ьд = ИГд
Удельная мощность ^yд, кВт-с/м8
N™ = NglS
Формула (9.5)
158
Геометрическая быстрота дей-
0,270 Я
ствия Sr. р, м3/с
(Sr - sr. р) ioo/sr, %
—
4
Параметр
Способ определении
Результат
Расчетный эксцентриситет ер, м
ер = вгу
0,0232
Эксцентриситет е, м
Принимают
0,023
Относительный эксцентриситет
е = е/г.
0,1437 а
Радиус г„, м
Формула (9.7)
0,153 1
Глубина погружения лопатки
О = 7*2 •“ /"да
0,07 я
в жидкостное кольцо а, м Внутренний радиус корпуса R, м
R = 0,5 (2г, + Д+2е)
0,184 1
0,320 |
Ширина колеса 60, м
Ьд = ИГд
Удельная мощность ^yд, кВт-с/м8
N™ = NglS
Формула (9.5)
158
Геометрическая быстрота дей-
0,270 Я
ствия Sr. р, м3/с
(Sr - sr. р) ioo/sr, %
—
4
Продолжение табл. 9.4
Продолжение табл. 9.4
Рес. 9.28. Принципиальные схемы действие двухроторного вакуумного насоса
Рес. 9.28. Принципиальные схемы действие двухроторного вакуумного насоса
Рнс. (.27. Винтовой ротор двухроторного вакуумного насоса
Рнс. (.27. Винтовой ротор двухроторного вакуумного насоса
ЖКВН 288 К; расход воды 0,75 X X 10-® м3/с.
Определить геометрические размеры и мощность Ж КВН.
Данные расчета сведены в табл. 9.4.,
Двухроторные насосы
В двухроторных вакуумных насосах роторы 2 и 3 выполняют с прямыми двумя (рис. 9.26, а) или тремя (рис. 9.26, б) либо с винтовыми (спиральными) (рнс. 9.27) лопастями. Угол закрутки лопастей , (ие превышает 180°)—-это угол и, иа который
повернут вокруг продольной оси ротора один торец относительно другого. Роторы вращаются в корпусе 1.
Синхронное вращение роторов и зазор между ними обеспечивают синхронизирующие шестерни, смонтированные на валах роторов. Так как между роторами, а также между роторами и корпусом в рабочем состоянии поддерживается гарантированный зазор, в полости сжатия газа смазочный материал не подается.
Откачка газа происходит следующим образом. Полость / (рнс. 9.28, а) отходит от окна всасывания, но еще ие
совпадает с окном нагнетания. В следующий момент времени (рис. 9.28, б) полость 1 совмещается с окном нагнетания и давления в полости / и линии нагнетания выравниваются, т. е. происходит процесс внешнего сжатия. После выравнивания давлений газ из полости / подается в полость нагнетания вместе с газом, находящимся в полости // (рис. 9.28, в). При повороте роторов на угол 90° (рис. 9.28, а) газ из полости / вытесняется роторами в полость нагнетания, процесс освобождения полости 11 от газа заканчивается н между ротором 2 и корпусом 1 образуется полость ///, в которой с момента времени, соответствующего рис. 9.28, г, начнут осуществляться процессы, аналогичные произошедшим в полости /. В моменты времени, соответствующие рис. 9.28, д и е, газ из полости 1 продолжает подаваться в нагнетательное окно, а в момент времени, соответствующий повороту роторов на 180°, процесс вытеснения газа из полости / заканчивается. Далее процесс начнет повторяться (см. рис. 9.28, а), но место полости / займет полость IV, полости III — полость //, полости // —
полость ///, полости IV — полость /. Таким образом, за один оборот каждого ротора в полость иагиетания ротором 2 подается газ нз полостей // и ///, а ротором 3 — газ из полостей / и IV.
Процесс внешнего сжатия неэкономичен, поэтому двухроторные вакуумные насосы применяют при небольших перепадах давлений или при давлении всасывания 1,33 ... 133 Па. Относительно большие перетекания газа нз полости нагнетания в полость всасывания из-за наличия зазоров между роторами, а также между роторами и
Рве. 9.29. Окружные профили двух-* (а) и трехлопастных (6) роторов двухроторных вакуумных насосов
Рис. 9.80. Циклоидально-окружные профили двух- (а) и трехлопаствых ((Г) роторов двух* роторных вакуумных насосовРис. 9.80. Циклоидально-окружные профили двух- (а) и трехлопаствых ((Г) роторов двух* роторных вакуумных насосов
Рис. 9.80. Циклоидально-окружные профили двух- (а) и трехлопаствых ((Г) роторов двух* роторных вакуумных насосов
Рис. 9.80. Циклоидально-окружные профили двух- (а) и трехлопаствых ((Г) роторов двух* роторных вакуумных насосов
корпусом препятствуют получению меньшего давления, а при давлении около 100 кПа не позволиют достичь отношения давления нагнетании к давлению всасывания т > 1,8.
Однако полная уравновешенность и хорошая динамическая- сбалансированность роторов, обеспечиваемые в данных машинах, позволяют достигать высоких частот вращения роторов, а следовательно, высокой быстроты откачкя при сравнительно ма
лых габаритах. Кроме того, такие преимущества, как отсутствие трения между роторами, простота конструкции, простота технологической обработки роторов, определили широкое использование двухроторных вакуумных насосов в промышленности.
Двухроторные вакуумные насосы работают совместно с форвакуумными, в качестве которых используют плунжерные, пластинчато-роторные, жидкостно-кольцевые или поршневые ва-
куумные насосы. -Форвакуумные насосы выбирают из условия постоянства потока.
Двухроторные вакуумные . насосы обеспечивают быстроту откачкн от 0,0015 до 10 м®/с и остаточное давление до 0,5 Па.
Основы теории и расчета. При профилировании роторов по выбранной части профиля необходимо построить сопряженную1 с ней часть другого профиля. Задачу профилирования решают для теоретических профилей, т. е. профилей, между которыми нет зазора.
Профили роторов двухроторных вакуумных насосов выполняют двух типов: окружные н цнклондально- окружные (рнс. 9.29 н 9.30). Онн характеризуются следующими геометрическими соотношениями: а = = 0,5л/г (а = 45° при числе лопастей ротора г = 2; а = 30° при г = 3); г — R — Ь; с = 2а — г; b — (R2 — —a2)/ 2R — а V2) при г — 2 и д = = ^R2 — а2)/ 2R — а З/з) при г — 3. В этих соотношениях: г — радиус головки ротора; R — наружный радиус ротора; с — ширина впаднны ротора; а — радиус начальной окружности; b — расстояние от центра ротора до центра окружности головки ротора.
Окружные профили — это профили» в которых головка ротора описывается окружностью радиуса г (см. рис. 9.29). Центр В этой окружности расположен на расстоянии 6 < о от Центра ротора Ov Эти профили характеризуются соотношениями: при г = 2Ыа = 0,50 ... 0,9288;
Ria ^ 1,2368 ... 1,6698; с/а = = 0,7632... 0,3302; при г = ЪЫа = = 0,50 ... 0,9670; R/a= 1,1196 ... 1,4770; с/а = 0,8804 ... 0,5230.
Задачу построения сопряженного профиля решают на плоскости, так Как по длине ротора его профиль не меняется. В винтовом роторе профиль без изменений поворачивается на угол к = x//L, где I — расстояние от торца, йа котором угол закрутки принят равным нулю, до рассматриваемого Учения, м; L — длина ротора, м.
Построение профилей проводят ■ в подвижных системах координат х$1Ух и хйОйуй (рнс. 9.31). Система
2а=д
Рис. 9.31. Системы координат для построения исходного и сопряженного профилей
координат хгОгуг жестко связана с рассматриваемым ротором; ее центр Ог находится на осн ротора, угол поворота ф равен углу поворота ротора. Система координат хаОауа жестко связана с сопряженным ротором; ее центр О2 расположен на осн сопряженного рот^а, угол поворота ф равен углу поворота сопряженного ротора.
Углы ф поворота роторов н систем координат равны, так как роторы вращаются с одинаковой углорой скоростью о = 2лл, где п — частота вращения роторов, с-1. Расстояние между центрами координат Ог н О2 равно межцентровому расстоянию между роторами А — 2а.
Уравнения окружности, которой описана головка первого ротора, в системе подвижных координат хгОгуу\
хг = b + г cos ф; ух = —г sin ф, (9.15) где ф — параметр окружной части профиля, принятый равным углу между общей нормалью к сопряженным профилям в точке их касания и положительным направлением осн Од.
Сопряженную часть (впаднну) другого ротора находят в системе координат хаОауа построением огибающей и определяют по уравнениям: , .
х2 — 2 a cos ф — b cos 2ф :— г соз 6;
уй = 2а sin ф — b sin 2ф — г sin 6;
tg 6 = (b sin 2ф—
— a sin ф)/( a cos ф — b cos 2ф).(9.16)
Циклоидально-окружные профили характеризуются соотношениями: bi а > 0,9288; Ria > 1,6698 и ci а < < 0,3302 при z = 2; Ыа > 0,9676; Ria > 1,4770; da < 0,5230 при z = 3.
С технологической точки зрения наибольший интерес представляют роторы, для которых прн z = 2 — bia = = 1; Ria = 1,7654; da = 0,2346; прн z — 3 — bia = 1; Ria = 1,5176; cia = 0,4834. В этом случае центр окружности радиуса г, которой описана головка профиля, находится на начальной окружности радиуса а, т. е. Ь ~ а. Уравнения этой окружности в системе координат ххОхух:
хх— а-\- г cos гр;
ух =—гз1пф. (9.17)
Сопряженная часть другого профиля — та же окружность, для которой в системе координат x2O2z/2: х2 = —а + г cos ф;
у^ = —г sin ф. (9.18)
Прн цнклондально-окружном профилировании на сопряженной части профиля в месте перехода впадины в головку появляется острый перегиб при Ыа = 0,9288 и Ыа = 0,9670 (соответственно при z = 2 и 3); прн больших отношениях bid — петли на участках KXLX и Kd-s (см. рис. 9.30). Прн обработке петлн срезаются, н прн обкатывании профилен в этом месте недопустимо возрастает зазор. Для его уменьшения на участке от начальной окружности радиуса а (точка К-^ до окружности радиуса г (точка Ld, которой описана головка ротора, профиль выполняют по эпициклоиде KXLX, находящейся снаружи окружности радиуса г и рассчитываемой по уравнениям:
х = а (2 cos р — cos 2^);
у — а (2 sin р — sin 2р),(9.19)
где Р — параметр эпициклондальной части профиля.
Прн построении профиля углом р задаются.
Радиусы-векторы р точек эпициклоиды КХЪХ и их углы Р':
р = ух2 _|_ уё;
9' = arctg (х/у).(9.20)
Рекомендуется выбирать большие отношении bia и Ria и меньшие отношения cia, так как прн этом площадь Fp торцового сечення ротора меньше, а коэффициент % = 1 — ^р/^^2) качества профиля больше. Чем больше коэффициент %, тем меньше размеры и масса вакуумного насоса прн заданных условиях работы н быстроте действия. Однако прн больших значениях % ухудшаются прочностные характеристики ротора. Для зпнцнклои- дальных профилей с отношением bia^ = 1 длн двухлопастного ротора % = = 0,617, для трехлопастного — % ~ = 0,527.
■ Для того чтобы в процессе работы роторы не заклнннло, прн проектировании между роторами, роторами и корпусом, роторами и торцовыми кры-' шкамн необходимо предусмотреть зазоры, которые компенсируют погрешности , изготовления и сборки вакуумных насосов, удлинение роторов, корпусов и изменение межцентрового расстояния из-за нагрева деталей вакуумного насоса прн работе н деформации деталей, вызванные действием на них .усилий прн работе.
Зазоры между роторами 0р. р и роторами и корпусом 0Р1 к обеспечивают построением эквидистанты профиля, называемой номинальным про-, фнлем.
Для номинального профиля головка описывается радиусом гн = г — — 0,5бр. р, а ширина впадины определяется по формуле сн — с — 0,56р. р- При окружном профилировании размеры сопряженной впадины определяют по уравнениям (9.16), в которые вместо г подставляют г+ 0,5бр. р* Прн циклондально-окружном профилировании радиус впадины определяют по зависимости гн — г 4-0,55р. о? координаты точек эпициклоиды R^U (см. рис. 9.30) рассчитывают из соотношений:
0,56р. р (cos 2р — cos р)V2 — cos Р
Унр=У +Унр=У +0,5бр. р (sin Р —sin 2?)V2 — cos 8
Унр=У +
Унр=У +
(9.21)
где 0 ^ Р < 45° при г — 2 и О ^ р ^ ^ 30° при 2 = 3.
^Зазор между роторами (профильный зазор):
монтажный
6р. р min — АЛ 4~ 0,5 | АОдцп | 4~
4- 0,5 | А (Зсцнп)! +
+ I A^min I “h А/? 4“ Ас;
рабочий'
6р, р max — 0,5 | ADmax | 4~
4- 0»5 | A (2cmax)| 4~ | А^тах Ь (9-22) где АЛ — аА ^ — увеличение межцентрового расстояния вследствие нагрева крышек, в которых расположены подшипники (а — температурный коэффициент линейного расширении материала крышек подшипников; АТ = = Тк. п — То; Тк, п— температура крышек подшипников в рабочем состоянии; То — температура окружающей среды); АРдшь AZ)max, Acmin,’ Астах и АЛт1п, АЛтах -*- минимальный н максимальный допуски соответственно на диаметр, ширину впадины ротора и межосевое расстояние (D = = 2/?); , ^R = ар/?р АТр — удлинение ротора в радиальном направлении в рабочем состоянии (ар — температурный коэффициент линейного расширения материала роторов; £р— радиус ротора; АГр = Тр — То; Тр — температура ротора в рабочем состоянии); Ас = арсАТр — удлинение впадины.
Зазор между корпусом и ротором (радиальный зазор):
монтажный
6р. к min = 0,5 | A£>min J 4т
4- 0,5 | ADK min | — A^k +
4-А^4-0,5АЛ;
рабочий
6р. к max — 0,5 | ADmax I 4"
+ 0,5|ADKmax|, (9.23) гДе ADK min и ^DK max— минимальное й максимальное значения допусков на Диаметр расточки корпуса; А£к = ^^к^кД^к — удлинение корпуса 8 радиальном направлении в рабочем ^стоянии (ак — температурный ко; эФфнциейт линейного расширения ма
териала корпуса; RK — радиус корпуса; АТК = Гк — То, Тк — температура корпуса в рабочем состоянии).
Для вакуумных насосов, работающих при давлении всасывания 1,33 ... 133,3 Па, на основании опытных данных можно принять: АТ = АТК — = 4060 К; АТр = 70100 К-
Для вакуумных насосов, работающих при давлении всасывания 75 ... 100 кПа: АТ = АТК = 80 ... 100 К; АТр - 130 ... 150 К.
Торцовые зазоры:
со стороны жесткой опоры (монтажный. и рабочий)
6т. ж = 0,5 (| ALmln | 4~ | ALK min |),6т. ж — 0,5 (| ALmax | 4“ / ALK max I)»
(9-24)
где ALmin, ALmax» ALKmjn, ALKmax —: минимальные и максимальные допуски, ца длины ротора и корпуса;
со стороны плавающей опоры монтажный и рабочий)'
^т. пл ~ 0,5 ([ ALmin | 4- | ALH mln I) 4"
4-[А£й —AL),
6t. пл, ” 0,5 () ALmax | 4-
4" I ALK max |),(9.25)
где ALK = aKLK ATK — удлинение корпуса в рабочем состоянии (LK — длина корпуса); AL = apLATp — удлинение ротора в рабочем состоянии.
Действительную быстроту действия определяют из формулы (9.3). Геометрическая быстрота действия двухроторного вакуумного' насоса
Sr = ^R^L^n.(9.26)
Из соотношений (9.3) н (9.26) определяют радиус ротора вакуумного насоса
/?=VS/(X^LXU2),(9.27)
где къ ч= L)R — коэффициент длины ротора; и2 = 2л^л — окружная скорость на периферии роторов, м/с. Коэффициент откачки на основе экспериментальных • данных принимают X = 0,4 ... 0,9. Для вакуумных насосов с быстротой откачки больше 0,*45 м3/с завнснмостн коэффициента откачки от давления всасывания при
' Рис. 9.32. Зависимость коэффициента от-' Рис. 9.32. Зависимость коэффициента от-качки X двухроторных вакуумных насосов •- работе накачки X двухроторных вакуумных насосов •- работе наводородеводородеРн<Р = 2водородеРн<Р = 2водородеотношений давлений тотношений давлений т6р. р. ров,По В, И. сосов 1,506р. р. ров,По В, И. сосов 1,50Кт. жКт. жКт. плКт. плРис. 3.33. Схема к расчету проводнмостн зазоровРис. 3.33. Схема к расчету проводнмостн зазоров
' Рис. 9.32. Зависимость коэффициента от-
' Рис. 9.32. Зависимость коэффициента от-
качки X двухроторных вакуумных насосов •- работе на
качки X двухроторных вакуумных насосов •- работе на
водороде
водороде
Рн<Р = 2
водороде
Рн<Р = 2
водороде
отношений давлений т
отношений давлений т
6р. р. ров,
По В, И. сосов 1,50
6р. р. ров,
По В, И. сосов 1,50
Кт. ж
Кт. ж
Кт. пл
Кт. пл
Рис. 3.33. Схема к расчету проводнмостн зазоров
Рис. 3.33. Схема к расчету проводнмостн зазоров
от давления всасывания р при воздухе (сплошные .линии) и (штриховые линии)
и 5, при работе на воздухе н ., . , цриведены на рис. 9.32 [49]. Коэф-
фициент й^ выбирают конструктивно в пределах от 2 до 4.
Окружную скорость («8 = 30... 150 м/с) выбирают в зависимости от материала ротора. Для роторов, вы- иолненных из алюминиевых сплавов, й8 = 30... 80 м/с, для роторов из стали и2 = 50 ... 100 м/с, для роторов из титановых сплавов и8 = 80 ... 150 м/с.
Коэффициентом качества ротора из опыта проектирования задаются для двухлопастных роторов в пределах 0,617 ... 0,500, для трехлопастных — в пределах 0,527 ... 0,49.
После определения радиуса R его округляют до целого числа (в миллиметрах), строят профиль ротора и определяют точное значение коэффициента х. длину ротора L и действительную быстроту действия
S = (9.28)
Р ' н
где U3 — проводимость зазоров; Т — температура газа за щелью, равная температуре газа иа всасывании; Тн— температура газа перед щелью, равная температуре газа на нагнетании.
Для вакуумных насосов, работающих при давлении всасывания 133,3 ... 1,333 Па, режим течения газа в зазорах является молекулярным и проводимость зазоров можно определить
из уравнения Кнудсена для провод мостя каналов:
Va = 36,4V7VMx
X [i (2Кр. к6р. к + Кр. рбр. р) +
+ (О + 2а) (Кт. ж^т. ж +
+ Кт. пл^т. пл)]>(9.29)
где М — молекулярная масса; Кр. н, Кр. р, Кт. ж. Кт. пл — коэффициент Клаузинга для радиальных, профиль-
иых и торцовых зазоров со стороны жесткой и плавающей опор; Ор. в, ^т. мо 6т. пл — высоты зазо- м. ■>
экспериментальным данным Кузнецова для вакуумных иа- с быстротой действия 0,25 ... ^/с ^p. к _ = Кр. р = 0,23;
считая, что торцовые зазоры имеют прямоугольную форму, и приняв усредненную по торцу ротора длину зазора в направлении перетекания I = = г + с, найдем
6т.ж ; I
I 6т. ж ’
^пл 1п ^
I от. пл
Формула (9.29) для проводимости зазоров получена в предположении, что газ перетекает через две щели высотой 6р. к, одну щель высотой 6Р. р и две торцовые щели высотами 6Т. ж и 6Т. пл и длиной D + 2а, т. е. при положении роторов, показанном на рис. 9.33.
Для уменьшения проводимости зазоров иногда головку профиля ротора срезают радиусом R, проведенным из центра ротора (рис. 9.34). Тогда часть впадины АВС строят как огибающую участка DE головки исходного про- * филя. Огибающей является окруж- * ность радиуса R' = 2а — R’. Для номинального профиля R« = R — , — 0,56р. р; Rh = R — 0,56р. ре ■ Часто головку профиля ротора ере* зают по радиусу R', а впадииу не изменяют. Благодаря срезанию головки ротора уменьшается проводимость радиальных зазоров, которую можно рассчитать для двух радиаль*
ных зазоров прн молекулярном режиме течения газа по формуле
2(/р.в = 72,8 ]/ -^f- X
^р. к щах^ .2R'a'
2R'a*6р. к тах ’
где 2а' — центральный угол срезания головки, рад (рис. 9.34).
Однако при срезании головки ротора появляются защемленные объемы ADB и ВСЕ или объем DFEB, в которых газ переносится со стороны нагнетания на сторону всасывания; это приводит к уменьшению X и быстроты действия. Быстрота действия возрастает только в том случае, если увеличение ^ из-за срезания головки ротора превосходит уменьшение X нз-за появления защемленных объемов. Для дальнейшего уменьшения проводимости радиальных зазоров по дуге DE выполняют канавки полукруглого, прямоугольного или треугольного сечений. Однако и в этом случае увеличивается перенос газа с нагнетания на всасывание в канавках, выполненных на дуге DE. Для уменьшения переноса газа в защемленном объеме боковую поверхность ротора между дугами окружностей, описанных радиусами R' и R", заменяют эпициклоидой и гипоциклоидой, которые плавно переходят одна в другую [49].
В двухроторных вакуумных насосах происходит процесс внешнего сжатия, который характеризуется тем, что в момент сообщения полостей I, II, III, IV (см. рис. 9.28) с иагие- тательиым окном давление в них 8 идеальном случае мгновенно повышается до давления нагнетания, т. е. индикаторная диаграмма имеет прямоугольную форму.
Мощность, затрачиваемая иа привод вакуумного насоса, по иидикатор- вой диаграмме
A/e = [Sr(pa-p)]/in, (9.30) где г, — изохорный КПД (для двух- Роторных вакуумных насосов п = = 0,50 ... 0,85).
Конструкции и характеристики ва- кУУмиых насосов и агрегатов. Двух-
роторные вакуумные насосы предназначены для откачки воздуха и газов, не реагирующих с материалами, нз которых изготовлены детали вакуумных насосов, и с используемыми маслами.
Серийно выпускают вакуумные насосы 2ДВН-500 и 2ДВН-1500. Условное обозначение: 2 — порядковый номер модернизации, Д — двухроторный, В — вакуумный, Н — насос, цифры после букв — номинальная быстрота откачки, дм5/с, при номинальной скорости. Если насос укомплектован электродвигателем, скорость которого отличается от номинальной, то в конце обозначения насоса ставят шифр скорости, равный числу полюсов электродвигателя, например, 2ДВН-1500-4
Рис. 9,84. Профиль с головкой, срезанной радиусом R'
Рис. 8.S8. Вакуумный насос типа 2ДВНРис. 8.S8. Вакуумный насос типа 2ДВНили при двухскоростном электродвигателе — 2ДВН-1500-4/2.Для повышения быстроты действия вакуумного насоса 2ДВН-1500 увеличивают длину ротора L от 280 мм в вакуумном насосе 2ДВН-500 до 700 мм в вакуумном насосе 2ДВН-1500. Насосы 2ДВН-500 иили при двухскоростном электродвигателе — 2ДВН-1500-4/2.Для повышения быстроты действия вакуумного насоса 2ДВН-1500 увеличивают длину ротора L от 280 мм в вакуумном насосе 2ДВН-500 до 700 мм в вакуумном насосе 2ДВН-1500. Насосы 2ДВН-500 и
Рис. 8.S8. Вакуумный насос типа 2ДВН
Рис. 8.S8. Вакуумный насос типа 2ДВН
или при двухскоростном электродвигателе — 2ДВН-1500-4/2.
Для повышения быстроты действия вакуумного насоса 2ДВН-1500 увеличивают длину ротора L от 280 мм в вакуумном насосе 2ДВН-500 до 700 мм в вакуумном насосе 2ДВН-1500. Насосы 2ДВН-500 и
или при двухскоростном электродвигателе — 2ДВН-1500-4/2.
Для повышения быстроты действия вакуумного насоса 2ДВН-1500 увеличивают длину ротора L от 280 мм в вакуумном насосе 2ДВН-500 до 700 мм в вакуумном насосе 2ДВН-1500. Насосы 2ДВН-500 и
2ДВН-1500 работают с форвакуумными насосами НВЗ.
В расточке корпуса 12 иасосов типа ДВН (рнс. 9.35) вращаются два двухлопастных ротора 4 и 13. Синхрони- зацню вращения роторов обеспечивают косозубые синхронизирующий шестерни 3 и 8, изготовленные из цементированной стали. Зубчатый венец закален и отшлифован. С помощью этих шестерен также регулируют профильные зазоры 6р, р min = 0,35 мм между роторами. Для облегчения сборки синхронизирующих шестерен момент с ротора 13 на шестерню 8 и с шестерни 3 на ротор 4 передается через специальные пружины 2, Пря этом для сохранения положения шестерен относительно вала во время работы в процессе сборки обеспечивают достаточные силы трения между пружинами, валом и заточкой в ше- t стернях затягиванием болта 7.
Роторы вращаются в роликовых t подшипниках качения 5, которые об- > разуют плавающие опоры, не препяТ- 1 ствующие температурному удлинению । роторов, и в сдвоенных радиально'
упорных шариковых подшипниках 16, которые образуют жесткие опоры, способные воспринимать двустороннюю осевую нагрузку. Минимальный торцовый зазор бу, ж min ™ 0,15 мм между роторами 4 и 13 и торцовой крышкой 14 и минимальный зазор 6, равный 6Т, пл min = 0>4 мм для вакуумного насоса 2ДВН-500 и 8т, пл mm = 0,9 мм для вакуумного насоса 2ДВН-1500, между роторами 4 и 13 и торцовой крышкой 11 регулируют во время сборки. Осевое смещение подшипников 16 регулируют подбором и установкой колец 23 из стальной ленты. Масло разбрызгивается дисками 1 н 22. Масляные полости э крышках 9 в 17 соединены наклонным трубопроводом 25 и трубопроводом большого диаметра, присоединяемым к крышкам 9 и 17 через отверстия виг. Масло заливают в масляные полости через отверстие а. В наклонный трубопровод 25 масло забрасывается диском 1 н течет в масляную полость в крышке 17. Из масляной полости в крышке 17 масло возвращается в масляную полость в крышке 9 по трубопроводу большого диаметра. Во время этой циркуляции масло охлаждается. Для предотвращения попадания масла в полость сжатая используют устройства типа винтового импеллера, втулки 10, 15, 24 и 26 которого расположены на резьбовых участках роторов 4 и 13. Уровень масла контролируют по маслоука- зателю 27. Масло заливают в масляные полости до уровня верхней риски на стекле маслоуказателя. При уровне масла ниже нижней риски работа вакуумного насоса категорически запрещается.
Для уплотнения вала ведущего ротора 13 предназначены резиновые манжеты 20 и 21, пространство между которыми заполняют маслом через отверстие б и маслоуказатель, который ввинчивают в это отверстие. Уровень “асла в маслоуказателе определяется Риской на стекле маслоуказателя. Если Риски нет, масло заливают до иижней «Ромки верхней крышки маслоука- атели. Во время эксплуатации следует Регулярно доливать масло в камеру Уплотнения приводного вала. В двух
роторных вакуумных насосах используют масло ВМ-1, ВМ-4, ВМ-6.
Вал ведущего ротора 13 приводится от фланцевого электродвигателя через втулочно-пальцевую муфту 19. Двигатель крепят на фонаре 18.
Охлаждение вакуумного насоса 2ДВН-500 — воздушное, насоса 2ДВН-1500 — воздушно-водяное. Водяной холодильник 6 для масла смонтирован в крышке 9. Кроме того, водой охлаждается корпус на стороне приводного вала. Для увеличения теплопередающей поверхности корпус 12 оребрен.
При изнашивании подшипников в двухроторных вакуумных насосах ось вращения роторов опускается, что приводит к уменьшению радиального зазора 6р. к. При изнашивании синхронизирующих шестерен происходит поворот роторов, что приводит к уменьшению профильного зазора 6р. р. Для исключения контакта роторов или роторов и корпуса при эксплуатации приходится заменять изношенные шестерни н подшипники или регулировать их. Для этого зубчатый венец на одной из синхронизирующих шестерен желательно выполнять разрезным.
Характеристики и размеры установок с вакуумными насосами 2ДВН-500 и 2ДВН-1500 приведены в табл. 9.5 [3] и на рис. 9.36 и 9.37.
На базе двухроторных вакуумных насосов выпускают агрегаты типа АВР-50 и АВР-150. Условное обозначение агрегата: АВР — агрегат вакуумный ротационный, цифра — бы-( строга действия, дм’/с, при рабочем давлении. Агрегаты предназначены для работы в стационарных условиях. Они откачивают из герметичных объемов газы, неагрессивные к материалам деталей агрегатов, пары и парогазовые смеси, предварительно очищенные от капельной жидкости и механических загрязнений. Агрегатами запрещается откачивать газ, содержащий более 21% по объему кислорода.
Агрегат (показан штриховой линией — рис. 9.38) состоит из последовательно работающих двухроторного вакуумного насоса 3 (типа ДВН-50 в агрегате АВР-50 и типа ДВН-150
Параметр
Значение параметра для насоса
2ДВН-500
2ДВН-500-4
2ДВН-500-4/2
1
Быстрота действия, м3/с Электродвигатель: . тип
мощность, кВт
частота вращения, с-1
Габаритные размеры, мм
0,5
4А112МА2УЗ
7,5
48,3 1340X600X850
0,25
4А112А4УЗ
5,5
'24,16
1340X600X850
0,25/0,5
4А112М4/2УЗ
4,2/5,0
24,16/48,3
1340X800X850
.Параметр
Значение параметра для
насоса
' 2ДВН-1500
2ДВН-1500-4
2ДВН-1000-4/2
Быстрота действия, м3/с
Электр одв и га тель: тип■
мощность, кВт частота вращения, с-1
Габаритные размеры, мм
1,5
4А132М2УЗ 11,0 48,3 1840X580X850
0,75
4А112МА4УЗ
5,5
24,16 1840X580X850
0,75/1,5
4А132М4/2УЗ 8,5/9,5 24,16/48,3
1840x580X850
Таблица 9.5
Примечание. Для приведенных в таблице насосов: остаточное давление 0,5 Па; напряжение электродвигателя 380 В; для насосов 2ДВН-500 тип форвакуумного насоса НВЗ-50Д, для насосов 2ДВН-1500—НВЗ-150; масса, насосов 2ДВН-500 и 2ДВН-1500 соответственно 550 и 830 кг.
Рес. 9.37. Вакуумная установка с насосом 2ДВН-500 или 2ДВН-1500 (виды А и Б для насоса 2ДВН-500 совмещены, для насоса 2ДВН-1500 даны раздельно; на виде В подвод н отвод воды показаны для насоса 2ДВН-1500)
Рис. 9.38. Принципиальная схема агрегата типа АВРРис. 9.38. Принципиальная схема агрегата типа АВР
Рис. 9.38. Принципиальная схема агрегата типа АВР
Рис. 9.38. Принципиальная схема агрегата типа АВР
в агрегате АВР-150), который откачивает газ из вакуумной камеры 7, и форвакуумного насоса 12 ' (типа 2НВР-5ДМ в агрегате АВР-50 н типа АВЗ-20Д в агрегате АВР-150). Насосы установлены на общей раме 11.
Для обеспечения возможности запуска двухроторного вакуумного насоса прн давлении, превышающем рекомендуемое давление запуска (1.33 Па для агрегата АВР-50 и 0.66 Па для агрегата АВР-150), в двухРоторном вакуумном насосе преду-. смотрена перепускная лнння (рис. 9.39), в которой установлен клапан 1. При запуске клапан 1 перепускной лнннн ^крыт, н газ нз нагнетательной полости а через канал б, клапан 1 и- канал в подается во всасывающую полость 2 двухроторного вакуумного насоса. Перепускное устройство поз- оляет включать двухроторный вакуумный насос 3 (см. рнс. 9.38) при тмосферном давлении во входном патРУбке ' камеры 7 одновременно с
включением форвакуумного насоса 12. Перепускное устройство также защищает агрегат при аварии, внезапном повышении давления во входном патрубке агрегата, например прн разгерметизации вакуумной камеры 7.
Между двухроторным вакуумным насосом 3 н форвакуумным насосом 12 установлен манометрический прибор 9
Рис. 9.39. Принципиальная Схема вакуумных насосов типа ДВН-50 н ДВН-150Рис. 9.39. Принципиальная Схема вакуумных насосов типа ДВН-50 н ДВН-150Рис. 9.40. Зависимость быстроты действия от давления всасывания для агрегатов АВР-50 (кривая /) и АВР-150 (кривая 2)Рис. 9.40. Зависимость быстроты действия от давления всасывания для агрегатов АВР-50 (кривая /) и АВР-150 (кривая 2)
Рис. 9.39. Принципиальная Схема вакуумных насосов типа ДВН-50 н ДВН-150
Рис. 9.39. Принципиальная Схема вакуумных насосов типа ДВН-50 н ДВН-150
Рис. 9.40. Зависимость быстроты действия от давления всасывания для агрегатов АВР-50 (кривая /) и АВР-150 (кривая 2)
Рис. 9.40. Зависимость быстроты действия от давления всасывания для агрегатов АВР-50 (кривая /) и АВР-150 (кривая 2)
для намерения межступенчатого дав- ления н сильфон 10, позволяющий компенсировать отклонение от соосности выходного патрубка двухроторного вакуумного насоса и входного патрубка форвакуумного насоса, тепловые деформации, обеспечивать взаимозаменяемость деталей и сборочных единиц, из которых состоит агрегат, н предотвращать передачу вибрации с одного вакуумного насоса на другой.
Сильфоны 4 и 13 установлены на входной и выходной линиях агрегата' и исключают передачу вибрации на вакуумную камеру 7 и в выхлопную магистраль, которая включает масло- отстойник 15, запорный вентиль 14
для слива конденсата в масла и труб0. провод / с запорным вентилем 2, Манометрический прибор 5 предназначен для контроля предельного остаточного давления и измерения давления на входе в агрегат. При закрытом запорном вентиле 6 через вентиль 8 напускают атмосферный воздух в агрегат для предотвращения попадания масла из агрегата во входиую магистраль и вакуумную камеру 7.
Зависимость быстроты действия агрегатов типа АВР от,давления всасывания представлена иа рис. 9.40, а характеристики и размеры агрегатов в табл. 9.6 и на рис. 9.41 и 9.42.
На базе двухроториых вакуумных насосов разработаны агрегаты АВД-63 и АВД-160. Условное обозначение: АВД—агрегат вакуумный двухроторный, цифра — быстрота действия, дм3/с, при рабочем давлении. Агрегаты предназначены для откачки в стационарных условиях воздуха, пожаро- и взрывобезопасных газов, паров и парогазовых смесей от атмосферного до предельного остаточного давления. Характеристики и размеры агрегатов типа АВД даиы в табл. 9.7. Нормативные параметры агрегатов обеспечиваются при работе на масле ВМ-1 прн температуре окружающей н отка-, чиваемой среды от 283 до 298 К.
Агрегат состоит из последовательно работающих двухроторного вакуумного насоса и двухступенчатого вакуумного пластинчато-роторного насоса с масляным уплотнением. В агрегаты встроены клапаны для отсоединения от откачиваемой системы в момент остановки. Агрегаты снабжены также встроенными фильтрами на линии нагнетания для отделения масла от нагнетаемого газа и встроенными вентиляторами для охлаждения. Соединения входных и выходных патрубков с рабочими магистралями флаи- цевые.
Агрегат АВД-160 имеет безрамную конструкцию, что позволило уменьшить массу н габаритные размеры-
Области применения агрегатов: откачка кольцевых люминесцентных ламп; электронно-лучевая сварка металлов; пайка ТВЧ; напыление тонкослойных, оптических н немагнитны покрытий; плазмеиио-хнмнческая °0'
ПараметрЗначение параметра для агрегатаАВР-50АВР-150Быстрота действия, м”/с, при давлении, кПа: 1,06-Юз ... 1,3. ю-10,00450,01826,6 0,0500,15Предельное остаточное давление, Па, не более:полное1,3-10"16,6-10-*парциальное по воздуху1,3.10-36,6.10-зТип насоса: двухроторногоДВН-50ДВН-150форвакуумного2НВР-5ДМНВЗ-20Наибольшее давление запуска насоса типа1,3.10s6,6-102ДВН, ПаУстановленная мощность электродвигателей1,653,3насосов, кВтГабаритные размеры, мм638X448X875896Х 444X1165Масса, кг115295ПараметрЗначение параметра для агрегатаАВР-50АВР-150Быстрота действия, м”/с, при давлении, кПа: 1,06-Юз ... 1,3. ю-10,00450,01826,6 0,0500,15Предельное остаточное давление, Па, не более:полное1,3-10"16,6-10-*парциальное по воздуху1,3.10-36,6.10-зТип насоса: двухроторногоДВН-50ДВН-150форвакуумного2НВР-5ДМНВЗ-20Наибольшее давление запуска насоса типа1,3.10s6,6-102ДВН, ПаУстановленная мощность электродвигателей1,653,3насосов, кВтГабаритные размеры, мм638X448X875896Х 444X1165Масса, кг115295Таблица 9.6Таблица 9.6ПараметрЗначение параметра для агрегатаАВД-63АВД-160Быстрота действия0,0630,160при рабочем давлении, м8/с Мощность элек-1,852,80тродвигателей, кВт Габаритные раз-710Х890Xмеры, ммХ410ХХ345ХХ760Х740Масса, кг112160ПараметрЗначение параметра для агрегатаАВД-63АВД-160Быстрота действия0,0630,160при рабочем давлении, м8/с Мощность элек-1,852,80тродвигателей, кВт Габаритные раз-710Х890Xмеры, ммХ410ХХ345ХХ760Х740Масса, кг112160Таблица 9.7Таблица 9.7
Параметр
Значение параметра для агрегата
АВР-50
АВР-150
Быстрота действия, м”/с, при давлении, кПа: 1,06-Юз ... 1,3. ю-1
0,0045
0,018
26,6
0,050
0,15
Предельное остаточное давление, Па, не более:
полное
1,3-10"1
6,6-10-*
парциальное по воздуху
1,3.10-3
6,6.10-з
Тип насоса: двухроторного
ДВН-50
ДВН-150
форвакуумного
2НВР-5ДМ
НВЗ-20
Наибольшее давление запуска насоса типа
1,3.10s
6,6-102
ДВН, Па
Установленная мощность электродвигателей
1,65
3,3
насосов, кВт
Габаритные размеры, мм
638X448X875
896Х 444X1165
Масса, кг
115
295
Параметр
Значение параметра для агрегата
АВР-50
АВР-150
Быстрота действия, м”/с, при давлении, кПа: 1,06-Юз ... 1,3. ю-1
0,0045
0,018
26,6
0,050
0,15
Предельное остаточное давление, Па, не более:
полное
1,3-10"1
6,6-10-*
парциальное по воздуху
1,3.10-3
6,6.10-з
Тип насоса: двухроторного
ДВН-50
ДВН-150
форвакуумного
2НВР-5ДМ
НВЗ-20
Наибольшее давление запуска насоса типа
1,3.10s
6,6-102
ДВН, Па
Установленная мощность электродвигателей
1,65
3,3
насосов, кВт
Габаритные размеры, мм
638X448X875
896Х 444X1165
Масса, кг
115
295
Таблица 9.6
Таблица 9.6
Параметр
Значение параметра для агрегата
АВД-63
АВД-160
Быстрота действия
0,063
0,160
при рабочем давлении, м8/с Мощность элек-
1,85
2,80
тродвигателей, кВт Габаритные раз-
710Х
890X
меры, мм
Х410Х
Х345Х
Х760
Х740
Масса, кг
112
160
Параметр
Значение параметра для агрегата
АВД-63
АВД-160
Быстрота действия
0,063
0,160
при рабочем давлении, м8/с Мощность элек-
1,85
2,80
тродвигателей, кВт Габаритные раз-
710Х
890X
меры, мм
Х410Х
Х345Х
Х760
Х740
Масса, кг
112
160
Таблица 9.7
Таблица 9.7
Пример расчета. Исходные данные: быстрота действия S = 1 мЗ/с, давление всасывания р = 1,33 Па и давление нагнетания Рн = 133 Па. Температура откачиваемого газа Т =
Примечание. Для агрегатов типа АВД предельное остаточное давление, Па: полное 1,3-10-1, парциальное ПО воздуху, 1,3-10 "3.
248МЕХАНИЧЕСКИЕ ЕАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
Таблица 9.8
Параметр
Способ определения
Результат
■- 1
Быстрота действия 8, м*/с Давление, Па: всасывания р нагнетания рИ
Температура всасывания Т, К
Коэффициент откачки X Геометрическая быстрота откачки 8Г, м’/с
Относительная длина ротора йь Коэффициент качества профиля X
Окружная скорость иа периферии роторов иа, м/с
Расчетный радиус ротора R, м Расчетная частота вращения zip, с-1 Частота вращения вала п, с-*
КПД л
Мощность, затрачиваемая на привод вакуумного насоса при работе иа расчетном режиме Ne, Вт Отношение Ria Расчетный радиус начальной окружности Яр, м
Радиус начальной окружности а, м Межосевое расстояние Л, м (ГОСТ 2185—66; СТ СЭВ 229—75) Расстояние от центра ротора до центра головки ротора Ь, м Радиус головки ротора г, м Ширина впадины ротора с, м Радиус ротора R', м
Половинный угол головки ротора а, °
Построение участка KiLi (см. рис. 9.30)
Площадь ротора Гр, м8 Расчетная длина ротора £р, м Длина ротора £, м
Плотность материала (сплав АЛ1) р, кг/м’
Предел текучести для сплава АЛ1 От, МПа
Объем ротора Кр, м’
Расстояние от оси ротора до центра тяжести половины ротора Гц. т * м
Исходные данные
1
1,33 133
293
0,6
1,67
3
. 0,617
45
0,1416
50,6
50
■0,5
212,66
1,7654 0,0802
0,08 0,160
0,08
0,0612 0,0188 0,140
45
См. табл. 9.9
0,0236 0,4397
0,44
2,7-10’
2-Ю8
Выбирают
Формула (9.3)
Выбирают
Для циклоидально-окружного профиля (выбирают) с b!a = 1 Выбирают
Формула (9.27)
zip = иа/(2лГ) Принимают равной синхронной частоте вращения вала двигателя Выбирают Формула (9.30)
Выбирают
ар = R/1,7654
Принимают
Л = 2а
6=0
г =; R — b
с= 2а — R выбирают
а = 0,5я/г
Формула (9.19)
Планиметрирование
£р = Spl^R^n) Выбирают
—
Vp — FpL Принимает ^я. т — b
0,0104 0,08
,Параметр
Способ определения
Результат
Угловая скорость ротора w, рад Центробежная сила, действующая на половину ротора Рц, Н
to = 2лп
314
Рц =. 0,5Уррш2Гц. т
ПО 743
Диаметр вала под ротором DB, м
Принимают
0,027
Напряжение при разрыве в цен-
а = ^/[£(26-0,)]
23,74
тральном сечении впадины о, МПа
Коэффициент запаса прочности п
а = ат/а
8,4
Продолжение табл. 9.8
6
•
»
0
0,08
0
2
0,0801
0
4
0,0804
0,00003
6
0,0809
0,00009
8
0,0815
0,00024
10
0,0824
0,00042
12,
0,0834
0,00073
14
0,0846
0,00114
16
0,0860
0,00197
18
0,0875
0,00242
20
0,0895
0,00330
22
0,0908
0,00440
24
0,0926
0,00560
26
0,0945
0,00710
28
0,0965
0,00880
30
0,09856
0,01070
Таблица 9.9
= 293 К. Материал роторов и корпуса — алюминиевый сплав АЛ1 (ГОСТ 1583—89), материал крышек подшипников СЧ18 (ГОСТ 1412—85).
Определить основные размеры и мощность двухроторного вакуумного насоса, предназначенного для откачки воздуха.
Последовательность и данные рас- нега сведены в табл. 9.8, 9.9.
9.4. Пластинчато-роторные н пластинчато-статорные насосы Пластинчато-роторные вакуумные насосы — ПРВН (со смазочным материалом и без него, маслозаполиениые 8 с масляным уплотнением) выпускают
с числом пластин четыре и более. ПРВН предназначены для откачки воздуха и неагрессивных газов, предварительно очищенных от механических загрязнений и капельной жидкости .
ПРВН с масляным уплотнением выполняют обычно с двумя пластинами в роторе, а пластинчато-статорные — с одной пластиной в корпусе. Эти насосы предназначены для откачки воздуха, газов, не вступающих в реакции с маслами и материалом деталей насосов, и парогазовых смесей, предварительно очищенных от капельной влаги и механических примесей, а также для поддержания низкого и среднего вакуума в герметичных объемах.
В цилиндрической расточке корпуса 1 ПРВН (рнс. 9.43, а) эксцентрично расположен цилиндрический ротор 2. В роторе выполнены пазы, в которые вставлены пластины 3 из металла, асботекстолита или пластмассы. При вращении ротора пластины под действием центробежной силы выходят из пазов и прижимаются к цилиндрической поверхности расточки корпуса. При этом серпообразное пространство между ротором и цилиндрической расточкой корпуса делится на отдельные рабочие ячейки. При угле поворота ротора <р = 180°... О объемы рабочих ячеек увеличиваются, оии соединяются со всасывающим окном и заполняются откачиваемым газом. Когда объем рабочей ячейки достигает максимального значения, она отходит от всасывающего окна. При дальнейшем вращении ротора объемы рабочих ячеек уменьшаются и в них происходит процесс внутр ен-
Рнс. 8.43. Схемы ПРВН с радиальными (о) и наклонными (ff) пластинами
него сжатия. При соедииеиии рабочих ячеек с нагнетательным окном начинается процесс нагнетания, в течение которого газ подается в нагнетательный трубопровод. В вакуумных насосах выполняют перепускной канал, через который газ из «мертвого» объема
Рис. 8.44. Схема пластинчато-роторного вакуумного насоса
поступает в первую ячейку сжатия. Перепуск газа увеличивает коэффи’ циент откачки, а следовательно, и бы- строту действия вакуумного насоса.
Пластины ПРВН выполняют ради-' альными (рис. 9.43, а) и наклонными (рис. 9.43, б). Выполнение пластин наклонными позволяет увеличить их длину, а следовательно, срок службы. уменьшить вероятность заклинивания пластин в пазах ротора (с этой точки зрения наиболее предпочтительно значение угла наклона пластик ф = 8 ... 15°), уменьшить мощность, затрачиваемую на преодоление трения при движении пластин в расточке корпуса и в пазах ротора (при ф = — 8 ... 15° это уменьшение не превышает 1 ... 2% и достигает 30...40% при ф = 40 ... 50°). В СССР ПРВН выполняют, как правило, с радиальными нли наклонными пластинами (с ф = 8... 15°), с водяным или воздушным охлаждением.
В маслозаполиеииых насосах масло отводит теплоту сжатия, смазывает трущиеся детали и уплотняет зазоры. Температура газа на линии нагнетания в этих насосах в пределах 333... 373 К
В машинах со смазочным материалом последний только смазывает трущиеся поверхности.
В пластинчато-роторных вакуум-- ных насосах маслозаполнеииого типа внутри цилиндрической расточки корпуса 1 (рис. 9.44) эксцентрично расположен цилиндрический ротор 2. В пазу ротора размещены две пластины 8 и 9 с пружиной 7 между ними. При вращении ротора пластины центробежными силами и силон упругости пружины прижимаются к вну- треиией расточке корпуса и делят серпообразную полость между ротором и расточкой корпуса на две полости. При вращении вала объем одной полости периодически увеличивается и в нее всасывается газ: в это же время объем другой полости периодически уменьшается и в ней происходит сжатие газа. ПРВН выполняют одно- и двухступенчатыми. В двухступенчатых насосах для уменьшения потерь между первой и второй ступенями их соединяют каналом а. Клапан 6 иа линии нагнетания второй ступени по-
гружен в основной масляный резервуар Ю. В двухступенчатых насосах геометрические размеры ступеней одинаковые, но пластины смещены одна относительно другой иа 90°.
В пластиичатб-статориых насосах пластина 3 (рис. 9.45) движется возвратно-поступательно в пазу корпуса /, прижимается к ротору 2 рычажным механизмом 5 и делит серпообразную полость между ротором 2 -и корпусом 1 на две рабочие ячейки Раз всасывается через входной патрубок 4, который перекрывается ротором. Когда входной патрубок 4 открыт, газ входит в рабочую ячейку приблизительно в течение одного оборота ротора. При отделении входного патрубка от рабочей ячейки в ней происходит сжатие газа. Когда разность давлений газа в рабочей ячейке н в нагнетательном патрубке превысит потери давления в клапане 6, последний откроется, и газ вытесиится в нагнетательный патрубок.
Характерная особенность пластнн- чато-статорных и - пластинчато-роторных вакуумных насосов маслозаполненного типа — наличие масла в рабочих полостях, заполняющего зазоры и исключающего перетекание газа через них. Кроме того, клапаны этих насосов работают под заливом масла, что повышает их герметичность, практически сводит к нулю мертвые объемы, увеличивает быстроту действия насосов и создаваемый вакуум.
Применяемые для насосов масла должны Иметь определенную вяз- • кость как при комнатной температуре, чтобы не затруднять его пуск, так и при рабочей (333 ... 343 К) температуре, при которой не должна ухудшаться смазывающая способность. Кроме того, масла не должны окисляться и разлагаться при рабочей температуре, воздействовать иа детали насосов; давлеиие паров масла Должно'быть невелико, чтобы насос обеспечивал низкое предельное остаточное давлеиие. Для рассматрива- ^ых вакуумных насосов используют Вакуумные масла ВМ-1 и ВМ-5 '°СТ 38 01402—86).
° момент запуска вакуумного насоса асло часто выбрасывается во всасывающий трубопровод; после остановки
t
Рис. 8.45. Схема пластннчато-статорного вакуумного насоса
насоса, если не обеспечено равенство давлений во всасывающем и нагнетательном патрубках, масло под действием атмосферного давления может выдавливаться в вакуумную систему. В связи с этим иа всасывающий патрубок 5 устанавливают электромагнитные клапаны 4 и 3 (см. рис. 9.44).
Обычно в насосы заливают ограниченное количество масла, поэтому для защиты от заброса масла в вакуумную систему можно использовать также предохранительную емкость, предусматриваемую непосредственно в насосе или вне его. При остановке насоса масло выдавливается в . эту емкость. На всасывающем патрубке насосов можно, пр еду сматривать емкости с поплавковым клапаном. Когда масло выдавливается в эту емкость, оно поднимает поплавковый клапан, который перекрывает вакуумную систему. Однако из-за ограниченных объемов такая система защиты недостаточно надежна.
Иногда насосом с масляным уплотнением необходимо откачивать пары, ограниченно растворимые в масле (например, водяные), легко растворимые в масле (трихлорэтилен), и пары или газы, которые химически взаимодействуют с маслом вакуумного насоса.
При откачке паров, ограниченно растворимых в масле, при каждом ходе сжатия, когда давление в рабо- • чей ячейке достигает давления насыщения паров при данной температуре, пары конденсируются. Образовав-
(9.33)I(9.33)I
(9.33)
I
(9.33)
I
шийся конденсат вместе с маслом выбрасывается в основной масляный резервуар 10 (см. рнс. 9.44). По мере загрязнения масла в основном резервуаре конденсатом все большее его количество поступает в вакуумный насос. Здесь конденсат на стороне всасывания испаряется н создает противодавление, препятствующее поступлению в насос новых порций смеси пара и газа. Кроме того, из-за образования водомасляной эмульсин * - ухудшается смазывание поверхностей трения, что приводит к их быстрому изнашиванию. При откачке легко растворимых в масле паров растворяется не только конденсат, ио и пар. При этом пар и конденсат равномерно распределяются в масле основного резервуара и не оседают на дно, как это бывает при откачке водяных паров. При откачке газов н паров, реагирующих с маслами, образуются шлам, осадки и др.
Для паров наиболее эффективна от- ■ качка с газобалластом; можно использовать прогреваемые насосы, наружную очистку масла. При откачке неагрессивных газов с незначительными примесями паров или газов, взаимо- " действующих с маслами или материалами деталей насоса, используют ловушки на стороне всасывании, а при откачке паров или- газов, взаимодействующих с маслами и деталями насоса, следует использовать масла с соответствующими добавками.
Основы теории и расчета.
Быстроту действия определяют по 4 -формуле (9.3). Геометрическая быстрота действия зависит от геометрических размеров и частоты вращения ротора ПРВН:
Sr = zfmaxZn = CReln, (9.31)
где 2 — число пластин; fmax — максимальная площадь сечения рабочей
ячейки, м2; I— длина пластины, м; п — частота вращения ротора, с-1; С — коэффициент, учитывающий влияние числа * пластин; R — радиус цилиндрической расточки корпуса, м; е — эксцентриситет (расстояние между осью ' цилиндрической расточки корпуса и осью ротора), м.
При 2 2> 12 можно принять коэфф», циент С = 4л. Значения коэфф», цнента С в зависимости от числа пластин прн относительном эксцентриситете е = e/R = 0,09 ...0,15 приведены ниже:
X2345
С9,911,311,812,1
х 681012
С12,212,312,412,5
Коэффициент откачки X учитывает объемные потерн при всасывании, обусловленные: перетеканием газа из рабочих ячеек сжатия и нагнетания, в рабочие ячейки всасывания; натеканием в ячейки всасывания воздуха из атмосферы; дроссельными потерями на всасывании; подогревом газа при всасывании; испарением рабочей жидкости в ячейках всасывания; переносом газа из защемленного объема в ячейки всасывания. Защемленный объем равен объему рабочей ячейки, которая в данный момент отошла от окна нагнетания. В защемленном объеме газ имеет такие же давление и температуру, как в линии нагнетания. Коэффициент откачки ПРВН X = = 0^50... 0,85.
Эффективная ' мощность на валу . ПРВН
Ne = ^сж Ч~ ^мех + ^тр» (9.32)
где NCH<—мощность, затрачиваемая на сжатие н перенос газа; ^мex“" мощность,, теряемая в уплотнениях и подшипниках: 2VTp— мощность, затрачиваемая на преодоление трения прн движении пластин в пазах ротору н ло цилиндрической расточке корпуса.
' Для ПРВН со смазочным материалом;
сж ~X
Гk—l 1
где & — показатель адиабаты откач»' ваемого газа (для воздуха к = 14Д р, pR — давление соответственно вса'
сывання и нагнетания.
Для маслозаполненных ПРВН^сж = K^pS~х
Пр—1
Ue nT= In ^р^р\ Цп ^р^ - — In (Тн/Т)^1 — условный показатель политропы сжатия; THl Т — температура газа соответственно на нагнетании и всасывании; Км — эмпирический коэффициент (можно принять Км = 1,18).
Как показывают эксперименталь? ные и практические данные, мощность, затрачиваемая иа преодоление трения в уплотнениях и подшипниках, не превышает 1,5 ... 2,0% мощно-, сти NV
При движении пластины в пазах ротора и по цилиндрической расточке корпуса силы трения возникают от действия внешних сил: сил инерции и сил перепада давлений, действующих на пластину. Массовыми силами в расчетах обычно пренебрегают из-за их малости. Мощность, затрачиваемая на тоение,
МТр = Мц.иН-^п.иЧ"
+ Мц. др -|- Nn. Ар, (9-35) где Л/ц. и и Мп, и— мощности, затрачиваемые на преодоление трения соответственно при движении пластины по цилиндрической расточке корпуса и в пазу ротора при действии на пластину только сил инерции; ^ц. Ар' ^п. Др — т0 же* ПРИ Действии на пластину сил от перепада давлений. Для машин- с радиальными и наклонными (при ф</ 15е) пластинами:
^ц. и — Зл./п^^зр.цПХ
Х(1 — 0,5ft/R +2e2/R2]; (9.36) ^п. и = 8пто2^2р.цЦр [1 —0,5hfR -f- + 2е2/Т?2] (1 -|-е/Л)/(1 — е^У (9.37)
^ц. Др = НрЦц^Рп^°’528х х101.24е/М-1,4!§(рн/р); (9 38) Nn. Др = pLple?pnh0’191X
xl0U75e/h+l,325 jg (р^д), (9.39)
где m — масса пластин, кг; (о —_ = 2лп — угловая скорость ротора, рад/с; рц н ^р — коэффициенты трения пластины соответственно по цилиндрической расточке корпуса и в пазу; h — высота пластины, м.
Для насосов маслозаполненных ^и насосов со смазочным материалом, имеющих чугунные корпус и ротор и стальные пластины, р.ц = 0,06 0,08; р-р— 0,21; если пластины выполнены из асботекстолнта (Тн = — 398 ... 433 К), то Нц — Ни = 0,08 ... 0,09.
Для маслозаполиенных . насосов с пластинами из асботекстолита: прн использовании вязких масел
Рц = Нр 0.103 (1g ву)-°Л61;
при использовании масел с малой вязкостью
Цц = Цр = 0,0945 (lg юГ0-46!, где ш — средняя скорость скольжения пластин по цилиндру, м/с.
Методика расчета геометрических размеров - состоит в следующем. Задавшись коэффициентом откачки X, из уравнения (9.3) определяют Sr и из уравнения (9.31) определяют R по формуле
R = V2nSr/(Ceto), (9.40) где / = UR = 3,5 ... 5,0 — относительная длина ротора
Среднюю скорость скольжения пластин по цилиндру принимают, исходя из требования обеспечения заданного срока службы пластин: для стальных пластин ш = 12... 13 м/с, для асбо- текстолитовых — оу = 1518 м/с.
Определив радиус R по формуле (9.40), его округляют до ближайшего значения из ряда нормальных линейных размеров по ГОСТ 6636—69 (СТ СЭВ 514—87) и -определяют частоту вращения ротора ■
n^wl(2^R).’(9.41)
По полученной частоте вращения ротора подбирают асинхронный двигатель; при этом мощность определяют, задавшись изотермическим КПД Пиз “ 0,25 .0,60. Эффективная мощность
Ne — N из/Лнз»
где Д^з = р£г1п (p-dp) — изотермическая мощность сжатия.
Затем определяют эксцентриситет е — eRi длину ротора по формуле (9.31), радиус ротора r = R— е, высоту пластины h = (3,5 ... 4,0) е, глубину паза hn “ ^ + (0,5 ... 1,0) X X 10—s. Рассчитывают мощность, затрачиваемую на сжатие, по формулам (9.33) и (9.34), мощность на трение пластин по формуле (9.35), эффективную мощность по формуле (9.32), приняв ЫмйХ = (0,010 ... 0,015) Ne.
Угол закрытия всасывающего окна 6Т (см. рис. 9.43, а) принимают: бу = (0,6 ...1,0) 0, где р — угол между щвумя соседними пластинами.
Угол 62 открытия нагнетательного окна определяют, исходя из условия обеспечения заданного' отношения давлений о в вакуумном насосе, под которым понимают отношение давления р2 в рабочей ячейке, расположенной непосредственно перед нагнетательным окном, к давлению рг в рабочей ячейке, в данный момент отсоединенной от всасывающего окна. Для ПРВН с достаточной точностью давление рг -можно принять равным давлению всасывания р, а давление рг — равным барометрическому при т = = рн/р С 3 и р2 = (3,0 ... 4,5) р при х > 3 (р2 = 4,5р при т = 8 ... 9).
Предположив, что в рабочей ячейке сжимается постоянное количество газа, отношение давления ря в текущей ячейке к давлению всасывания р для маслозаполненных машин можно определить по формуле
Рн!р =
насоса, с-1; г — радиус ротора, м.Коэффициент откачки Л оценивает потери объемного потока газа на стороне всасывания вследствие расширения газа из мертвого объема, дросселирования в линии всасывания, перетеканий между рабочими ячейками, натеканий извне и подогрева газа в процессе всасывания. Коэффициент откачки пластинчато-роторных Для машин со смазочным матери- насосов с масляным уплотнением прак- алом и без него пт = 6. Отношение ■ т^е„ск” ™Ст2янен д0 Д^ления всасы твания 0,133 Па, а затем падает до нуля! при предельном остаточном давленийнасоса, с-1; г — радиус ротора, м.Коэффициент откачки Л оценивает потери объемного потока газа на стороне всасывания вследствие расширения газа из мертвого объема, дросселирования в линии всасывания, перетеканий между рабочими ячейками, натеканий извне и подогрева газа в процессе всасывания. Коэффициент откачки пластинчато-роторных Для машин со смазочным матери- насосов с масляным уплотнением прак- алом и без него пт = 6. Отношение ■ т^е„ск” ™Ст2янен д0 Д^ления всасы твания 0,133 Па, а затем падает до нуля! при предельном остаточном давлений"Рт"Рт,+ 0,5esinP/^ — ОЛе₽/£,+ 0,5esinP/^ — ОЛе₽/£4- 0,5е sin Р cos (2ср)/Я —— OMiR
насоса, с-1; г — радиус ротора, м.
Коэффициент откачки Л оценивает потери объемного потока газа на стороне всасывания вследствие расширения газа из мертвого объема, дросселирования в линии всасывания, перетеканий между рабочими ячейками, натеканий извне и подогрева газа в процессе всасывания. Коэффициент откачки пластинчато-роторных Для машин со смазочным матери- насосов с масляным уплотнением прак- алом и без него пт = 6. Отношение ■ т^е„ск” ™Ст2янен д0 Д^ления всасы твания 0,133 Па, а затем падает до нуля
! при предельном остаточном давлений
насоса, с-1; г — радиус ротора, м.
Коэффициент откачки Л оценивает потери объемного потока газа на стороне всасывания вследствие расширения газа из мертвого объема, дросселирования в линии всасывания, перетеканий между рабочими ячейками, натеканий извне и подогрева газа в процессе всасывания. Коэффициент откачки пластинчато-роторных Для машин со смазочным матери- насосов с масляным уплотнением прак- алом и без него пт = 6. Отношение ■ т^е„ск” ™Ст2янен д0 Д^ления всасы твания 0,133 Па, а затем падает до нуля
! при предельном остаточном давлений
"Рт
"Рт
,+ 0,5esinP/^ — ОЛе₽/£
,+ 0,5esinP/^ — ОЛе₽/£
(9.42)(9.42)давлений ря/р = °, когда рабочая
(9.42)
(9.42)
ячейка поворачивается иа угол у — — <рк. Тогда
cos фк = —0,5Л ± l/o,25f — Е, (9.43)
где F = 2R sin (0.5₽)/(е sin р); £ = = MRKe sin Р) [Af = р — 0,5ер//?~ _
— 0,5е sin р/У? — Л/a г; Л = р + + 2sin (0,5Р) + 0,5е sin ^(R
— 0,5^0//?; Р = 2л/2]. Угол 62 = = ак + 0,50, где cos aR = cos <рк — (е sin2 <pK)/R-
Угол закрытия нагнетательного окна 6S предпочтительно принимать равным 0,5р, так как в этом случае защемленный объем минимален. Однако нз-за перетекания газа через радиальный зазор между цилиндрической расточкой корпуса и ротором б3 увеличивают до 0, а угол 64 принимают в пределах (1,5... 2,5) 0 при числе пластин 2 > 10; при 2 ^ 10 принимают $з4* $4~ (Ь0 ••• 2,5) р.
Геометрическая быстрота действия насосов маслозаполненного типа:
пластинчато-роторных
Sr —Sr —Г л , 1 е . 2л . 2Re sin — + sin — +
Sr —
Sr —
2 V 2/?2 V 2/?/ -4- 26е{1 т\/ -4- 26е{1 т\(9.44)
2 V 2/?
2 V 2/?
/ -4- 26е{1 т\
/ -4- 26е{1 т\
пластинчато-статорных
Sr = nR2 Vl — ^r/R^Mn, (9.45) где R — радиус цилиндрической рас-
точки корпуса насоса, м; е — эксцен- — число пластин; I —точки корпуса насоса, м; е — эксцен- — число пластин; I —триситет, м; гтриситет, м; гдлина ротора, м; b — толщина пла- частота вращения вала
точки корпуса насоса, м; е — эксцен- — число пластин; I —
точки корпуса насоса, м; е — эксцен- — число пластин; I —
триситет, м; г
триситет, м; г
стин, м; пстин, м; пвсасывания.
стин, м; п
стин, м; п
При расчете вакуумных насосов принимают коэффициент откачки ^ ^ == 0,70 ...0,85 и из формулы (9-3) определяют геометрическую быстроту . действия. Затем задаются относительными параметрами: эксцентриситетов
быстрота действия при
0,11
давлениивсасывания
13 кПа, м3/с
Потребляемая мощность
9,2
при давлении всасывания 13 кПа, кВт расход масла, кг/ч
0,15
Расход охлаждающей во-
0,83
ды G- Ю4, м8/с Двигатель:
тип
4A160S4Y3
мощность, кВт
15
частота вращения, с"1
25
напряжение, В
380
Габаритные размеры, мм
1500Х
Масса, кг
X 740x700
523
0,11
0,42
0,833
9,2
28,75
60,0
0,15
0,25
0,30
0,83 ,
1,8
3,6
A3-315S-10
AO3-355S-12
—
55
75
24,17 **
10
8,33
—
380
380
850Х 770Х г
2250Х
3000X
Х510 *а
X 1000Х
X 1200х
X 1100
Х1500
- 298
2200
4500
ПараметрЗначение параметра для насосаРВН-6МРВН-6ИМРВН-25РВН-50ПараметрЗначение параметра для насосаРВН-6МРВН-6ИМРВН-25РВН-50Таблица 9.10Таблица 9.10
Параметр
Значение параметра для насоса
РВН-6М
РВН-6ИМ
РВН-25
РВН-50
Параметр
Значение параметра для насоса
РВН-6М
РВН-6ИМ
РВН-25
РВН-50
Таблица 9.10
Таблица 9.10
Ф1 Частота вращения вала насоса.-
*а Габаритные размеры насоса.
Примечание. Для указанных 10 кПа.
насосов давление всасывания 40 ...
eiR = 0,1 ... 0,3
в ступени i/R нием толщины
дликой L5... 3,5;
ротора огноше-
радиусу расточки корпуса b/R — 0,02 ... 0,1 для металлических пластин, b/R ^ С 0,25 для неметаллических пластин, обычно асботекстолитовых (для которых толщина пластин b = 5 ... 6 мм); отношением радиуса ротора к радиусу расточки корпуса r/R = ^ 0,7... 0.9. Частоту вращения ро- [ора принимают п — 8.3 ... 46,7 с”1.. Чри этом максимальная скорость скольжения пластин в пластинчато- Роторных насосах umax — 2л (Р +
16 м/с. Частота врашення насосах ограничена повы-
пластины к
Ротора в
ш^нным износом движущихся эле- Ментов (пластин, эксцентрика и дру- гих деталей). После выбора отиоси- Те^ьных параметров по формулам (9.44) и (9.45) для соответствующего насоса °пределяют радиус расточки корпуса и остальные размеры иасоса.
Максимальная эффективная мощность при давлении всасывания р = ~ 26,7 ...40,0 кПа
Ne = ^из/л. (9.46) где т|. — условный изотермический КПД, характеризующий термодинамическое совершенство рабочего процесса, газодинамические н механические потери (для пластинчатороторных вакуумных иасосов т] = = 0,30 ... 0.65; для пластинчато- статорных — т] “ 0.40 ... 0,55).
Конструкции и характеристики вакуумных насосов. Характеристики ро1 тационных вакуумных насосов приведены в табл. 9.10. Условное обозначение: Р — ротационный, ВН — вакуумный насос, цифры после тире — номинальная быстрота действия, м3/мнн, буквы И после цифры — насос используют в передвижных установках с приводом от двигателя ходовой части. М — насос модернизирован.
ПараметрЗначение параметра для насоса2НВР-5ДМНВР-16ДЗНВР-1ДБыстрота действия в диапазоне давле-0,0050,01760,001ний на входе от атмосферного до 0,26 кПа, м8/сПредельное остаточное давление при использовании масла ВМ-1 или ВМ-5, кПа:парциальное без газобалласта1,3-10"*полное с. газобалластом2,6-10"*—полное без газобалласта6,7-10-*6,7-10 ~41,06-10-*Мощность двигателя, кВт0,551,7. 0,25Габаритные размеры, мм550Х 170Х790Х 265Х320Х 130ХМасса, кг, не болееХ28027Х41572Х200 9,5ПараметрЗначение параметра для насоса2НВР-5ДМНВР-16ДЗНВР-1ДБыстрота действия в диапазоне давле-0,0050,01760,001ний на входе от атмосферного до 0,26 кПа, м8/сПредельное остаточное давление при использовании масла ВМ-1 или ВМ-5, кПа:парциальное без газобалласта1,3-10"*полное с. газобалластом2,6-10"*—полное без газобалласта6,7-10-*6,7-10 ~41,06-10-*Мощность двигателя, кВт0,551,7. 0,25Габаритные размеры, мм550Х 170Х790Х 265Х320Х 130ХМасса, кг, не болееХ28027Х41572Х200 9,5Таблица 9.11Таблица 9.11® П/рВ. С, Фролова® П/рВ. С, ФроловаРис. »Л7. Насос РВН-вРис. »Л7. Насос РВН-в
Параметр
Значение параметра для насоса
2НВР-5ДМ
НВР-16Д
ЗНВР-1Д
Быстрота действия в диапазоне давле-
0,005
0,0176
0,001
ний на входе от атмосферного до 0,26 кПа, м8/с
Предельное остаточное давление при использовании масла ВМ-1 или ВМ-5, кПа:
парциальное без газобалласта
1,3-10"*
полное с. газобалластом
2,6-10"*
—
полное без газобалласта
6,7-10-*
6,7-10 ~4
1,06-10-*
Мощность двигателя, кВт
0,55
1,7
. 0,25
Габаритные размеры, мм
550Х 170Х
790Х 265Х
320Х 130Х
Масса, кг, не более
Х280
27
Х415
72
Х200 9,5
Параметр
Значение параметра для насоса
2НВР-5ДМ
НВР-16Д
ЗНВР-1Д
Быстрота действия в диапазоне давле-
0,005
0,0176
0,001
ний на входе от атмосферного до 0,26 кПа, м8/с
Предельное остаточное давление при использовании масла ВМ-1 или ВМ-5, кПа:
парциальное без газобалласта
1,3-10"*
полное с. газобалластом
2,6-10"*
—
полное без газобалласта
6,7-10-*
6,7-10 ~4
1,06-10-*
Мощность двигателя, кВт
0,55
1,7
. 0,25
Габаритные размеры, мм
550Х 170Х
790Х 265Х
320Х 130Х
Масса, кг, не более
Х280
27
Х415
72
Х200 9,5
Таблица 9.11
Таблица 9.11
® П/рВ. С, Фролова
® П/рВ. С, Фролова
Рис. »Л7. Насос РВН-в
Рис. »Л7. Насос РВН-в
Ротор 2 вакуумного насоса (рнс. 9.46) эксцентрично расположен в цилиндрической расточке корпуса / и вращается в роликовых подшипниках 6, которые выполнены разборными для облегчения сборки насоса. Внутренние кольца подшипников имеют бурт, в который упираются ролики; это ограничивает осевое перемещение ротора и исключает контакт ротора
и торцовых крышек. Наружные кольца подшипников смонтированы в торцовых крышках 5, внутренние — на валу ротора. Подшипники закреплены на валу гайкой 8 и шайбой 10. В продольных пазах ротора размещены пластины 3. Для уменьшения перетекания газа через торцовые зазоры 6, и 8, установлено уплотнительное кольцо 4. Механическое уплотнение торцового
Параметр
Способ определения
Результат
Быстрота действия S, мж/с Давление всасывания р, кПа Температура воздуха на всасывании Г, К
Давление нагнетания рн, кПа Температура нагнетания Тн, К
Угол наклона пластин ф, ° Отношение давления нагнетания к давлению всасывания т Коэффициент откачки X Геометрическая быстрота действии $г> м*/с
Относительный эксцентриситет е Относительная длина ротора Z Окружная скорость конца пластины (У. м/с Число пластин х Коэффициент С
Расчетный радиус расточки корпуса Яр- “
Радиус расточки корпуса к, м Расчетная частота вращения вала ротора Пр, с-1
Частота вращения вала ротора п, ,с~3 Окружная скорость конца пластины W, м/с Расчетный эксцентриситет е^ м Эксцентриситет е, м
Радиус ротора г, м
Высота пластины А. м
Глубина паза в роторе йп» м Расчетная длина ротора 1^, м Длина ротора 1, м Угол между пластинами ^, ° Угол закрытия всасывающего окна б,. * Условный показатель политропы сжа
тия п^
Косинус угла сжатия <рд
Косинус угла ад
Угол- ак> ®
Расчетный угол открытия нагнетательного окна бар, °
.Угол открытия нагнетательного окна 6,. •
Угол закрытия нагнетательного окна а8, 6
Угол открытия всасывающего окна d<t ® Коэффициент KN
Мощность, затрачиваемая на сжатие и перенос газа Nсж, кВт * Коэффициент трення пластины по расточке корпуса цц и в пазу ротора Цр
Немодные данные
0.1 40 293
101,3 363
12 2,53
0,5
0,2
0,13 4 18
6
12,2
0,1048
0,11 26,06.
25
17,27
. 0,0143
.0,015
0,095 0,06
0,06!
0,3974
0.40
60
50
1.3
0,079075
—0,06574 93,2° 123,2
120
30-
90
1.18
4,89
0,093
Принимают
Т = Pg/P
Принимают
sr = SIX
Принимают
Формула (9.40) •
Принимаютч
Пр = wK^R>
Принимают су = ШКп1
ер = ей Принимают
г = R — е ; h — 4g
&п « ft + 0,001
Zp Sr/{CRen)
Принимают
6 = 360/z Принимают
ПТ = [|П (₽н/Р)1 х
Х [(1п (Рн/Р) - 1п (Гн/Г)Г
Формула (9.43)
cos «а = cos фк.— е sin* Фи/Л
' «2р-ак *0,5».
Принимают
Формула (9,34)
Цд = Ир = 0,103 1g (а>)-0>4«1
Таблица 9.12
Параметр
Способ определения
Результат
Плотность материала пластины р, кг/мж
Исходные данные
1400
Толщина пластины s, м
Принимают
0,005
доасса пластины т, кг Составляющие мощности трения, кВт:
т = phis
0,168
"ц.н
Формула (9.36)
3,55
"п. и|
Формула (9.37)
0.091
"ц. АР
Формула (9.38)
0,14
Nn. Арi
Формула (9.39)
0,0062
^тр
Формула (9.35)
3,59
Мощность на валу вакуумного насоса Ne* кВт .
Ne = "еж + "тр + «-«"а
8,65
Продолжение табл. 9.12
типа размещено в крышке 7 и предотвращает подсос воздуха в вакуумный насос. Насос имеет водяное охлаждение. Вода подается в полости Ь в корпусе и торцовых крышках. Обычно ПРВН непосредственно соединяют с двигателем через упругую муфту 9.
Из защемленного объема в первую ячейку сжатия перепуск газа происходит через отверстия а в торцовых крышках и нижней части цилиндра и через канал б в корпусе насоса. Во время работы ПРВН смазочный материал подается плунжерным насосом / (рис. 9.47). Перед пуском ПРВН после монтажа или длительного перерыва в работе в камеры подшипников заливают вручную 200 ... 300 г масла через специальные отверстия (см. рис. 9.46) в крышках 7 и /2.. После заливки масла эти отверстия закрывают пробками 11. Затем в ПРВН подают масло из масляного насоса. Для чего вручную проворачивают его рукоятку.
Характеристики пластиичато-ро- торных вакуумных иасосов с масля- НЬ1М уплотнением приведены ® табл. 9.11. Условное обозначение акуумных иасосов: Н — насос,.
7" вакуумный, Р — ротационный, Цифра перед буквами — номер моди- ж ЦИИ| циФра после букв — быстрота Действия, дм®/с, буквы после цифры — 7 — Двухступенчатый, М — модерни- ^Рованный.
стпДРймеР Расчета. Исходные данные: бы- Нни_ Действия S = 0,1 м«/с прн давле-
всасывании р = 40 кПа и давлении
9»
нагнетания ри = 101,3 кПа; откачиваемый газ — воздух, Г = 293 К; вакуумный насос — маслозаполненный; температура воздуха на выходе нз вакуумного насоса Тн = 363 К; материал пластин — асботекстолнт.
Определить геометрические размеры и мощность ПРВН.
Данные расчета сведены в табл. 9.12
9.5. Плунжерные насосы
Плунжерные вакуумные насосы предназначены для обеспечения н поддержания в замкнутом герметичном объеме низкого и средиего вакуума; диапазон давлений откачиваемой среды для одноступенчатого варианта составляет 2-10*...6,7 Па, для двухступенчатого — 2.10* ... 1,1 • 10~2 Па. Быстрота действия насосов 1 ... 500 дм8/с.
В герметичном корпусе 1 одноступенчатого плунжерного насоса (рис. 9.48) расположен ротор 2, который получает движение от эксцентрика 3, установленного на валу 4. Ротор совершает поступательно-вращательное перемещение, причем его плоский участок движется в цилиндрических направляющих 5, вращающихся вокруг оси.
При вращении ротора в определенные моменты времени зона всасывания насоса через всасывающее окно в пластине сообщается с рабочей полостью и последняя заполняется откачиваемым газом. Всасывание заканчивается при разъединении указанных полостей, при этом ротор совершает практически
Рес» 9Л8« Конструктивная схема плунжерного насоса
полный оборот. Во время следующего оборота замкнутый объем, занимаемый откачиваемым газом нлн парогазовой смесью, уменьшается, происходит сжатие до некоторого давления, при котором открывается выпускной клапан 6, н газ нагнетается через маслоотделитель в атмосферу. Таким образом, полный цикл работы плунжерного вакуумного насоса совершается аа два оборота вала.
Для рассматриваемого насоса характерны значительная надежность, сравнительно высокая быстрота действия, малый износ поверхностей ротора и корпуса насоса (вследствие бесконтактного скольжения ротора в цилиндре). Вакуумное масло, заполняя зазоры между движущимися частями, препятствует перетеканию газа через них. Размещение выпускного клапана в масляной ванне также повышает его герметичность. Однако наличие масла в вакуумной полости насоса увеличивает предельное остаточное давление из-за выделения растворенных газов и наличия различных примесей. К недостаткам такой конструкции насоса следует отнести также значительную неуравновешенность движущихся масс.
Особенность конструкции плунжерного вакуумного иасоса НВЗ-500 (рис. 9.49) состоит в наличии двух роторов" эксцентрики которых, смещенные один относительно другого
на 180°, расположены на общем валу Образуемые ими рабочие полости под. соединены к всасывающему патрубку. Такая конструкция насоса характеризуется высокой удельной быстротой действия, равномерностью откачки и несколько сниженной неуравновешенностью движущихся масс.
Насос 3 (рис. 9.50) установки НВЗ-500 с вакуумным клапаном 4 и дозаторным- устройством 6 установлен на плите /, укрепленной на фундаменте. На плите размещены также электродвигатель 2 и масляный бак 5. Предусмотрено специальное устройство для смещения электродвигателя на плите с целью регулирования натяжения ремней клиноременной передачи.1
Основные параметры агрегатов типа НВЗ и АВЗ (рис. 9.51), выпускаемых отечественной промышленностью на базе плунжерных вакуумных насосов, приведены в табл. 9.13, откачные характеристики — на рис. 9.52.
Определение основных размеров. Теоретическая быстрота действия, м®/с, где п — частота вращения вала, с-1: VR = FKl — объем рабочей камеры насоса при отсоединении от всасывающего патрубка, м3 (FK — площадь поперечного сечения камеры при соответствующем положении ротора, / — длина камеры).
Объем рабочей камеры плунжерных насосов
= п _(г№т где R — радиус цилиндрической расточки корпуса насоса; г — радиус ротора.
Теоретическая быстрота действия, м8 / с,
SP= л/?2 W-^lRYUn.
Соотношение между действительной быстротой действия S (с учетом потерь производительности иа всасывании/ и теоретической Sr оценивают коэф" фициентом откачки Х = S/Sr.
Типичная зависимость коэффицией' та откачки X от давления всасывания I (рис. 9.53) показывает, что при возрастании р коэффициент X увеличивается, а затем практически не изме
18001800
1800
1800
Параметр
Значения параметра для насоса
HB3-300
НВЗ-500
АВЗ-20Д
АВЗ-63Д
Быстрота действия S-Ю3, м8/с, пря р > 0,26 кПа
380
560
20
63
Предельное остаточное давление, Па: парциальное без газобалласта полное без газобалласта полное с газобалластом
• 1,0
6,7 4-102
1,0 -
6,7
4- 10я
-1,3.10-*
1,1
6,7
6,7-Ю1
6,7-101
6,7
Объем масла, заливаемого в насос, дм3
120
150
. 3,5
10
Расход воды в рубашке охлаждения при температуре ниже 293 К, м3/ч
5
6-
—
0,6
Мощность электродвигателя, кВт
37
>5
2,2
7,5
Число ступеней
1
1
2
2
Габаритные размеры, мм
1895Х
X 1510Х
X 1720
2765 X
X 1760Х
X 1330
650 X Х400Х
Х665
юоох X 575 X /X 1040
Масса, кг, не более
2200
4000
175
580
Значения
параметра для
насоса
Параметр
АВЗ-90
АВЗ-125Д
АВЗ-180
Быстрота действия S-10®, м3/с, при р > 0,26 кПа
90
125
180
Предельное остаточное давленне, Па: парциальное без газобалласта полное без газобалласта полное с газобалластом
6,7-10“1
6,7
4- 10а
6,7
6,7
• 10"3
• Ю"1
6,7 • '
6,7-101
6,7 4-10s
Объем масла, заливаемого в насос, дм3
14
20
28
Расход воды в рубашке охлаждения при температуре ниже 293 К, м3/ч
0,6
1,25
1,3 -
Мощность электродвигателя, кВт
11
15
' 15
" Число ступеней
1
2
1
Габаритные размеры, мм
1О00Х X 575 X 1040
1070Х
X 875X1055
1070Х
X 875X 1055
Масса, кг, не более
580
920
870
Таблица 9.13
Примечания: 1. Для насосов типа НВЗ и АВЗ частота вращени ротора соответственно 16,7 и 25 с"1. 2. Для агрегата АВЗ-20Д охлажден воздушное.
Рис. 9.50. Вакуумная установка с насосом НВЗ-600
няется. Обычно X = const и S = S, при р >. 0,13 ...0,26 кПа (где SH — номинальное значение Действительной быстроты действия).
Максимальные значения коэффициента откачки для вакуумных насосов с масляным уплотнениемХтзх= 0,70 ... 0,85 [14]; такими, значениями сле- ЦУет задаваться при определении основных размеров насосов. Методика Расчета состоит в следующем. Выбрав Коэффициент откачки Хтах в указан- °м Диапазоне, определяют теорети- ^кую быстроту действия 3Р при за
данном значении S. Частоту вращения ротора вакуумных насосов с масляным уплотнением выбирают в интервале п = 8,3 ... 46,7 с-1 (для обеспечения надежности их работы).
'Задаются значениями относительных параметров: отношением радиуса ротора к радиусу цилиндра HR = 0,7 ... 0,9, относительным эксцентриситетом elR = 0,1 ... 0,3 (интервалы изменения параметров позволяют уменьшить габаритные размеры насоса при достаточной степени уравновешенности движущихся элемеи-
Рис, 9.62. Откачные характеристики насосов типа НВЗ и АВЗ:/ - НВЗ-500;2 - HB3-300;3 -АВЗ-180;4 — АВЗ-90;5 - АВЗ-125Д.6 — АВЗ-63Д; 7 — АВЗ-20Д ,Рис, 9.62. Откачные характеристики насосов типа НВЗ и АВЗ:/ - НВЗ-500;2 - HB3-300;3 -АВЗ-180;4 — АВЗ-90;5 - АВЗ-125Д.6 — АВЗ-63Д; 7 — АВЗ-20Д ,Рис. 9.53. Типовые Рткачиые характеристики плунжерных вакуумных наебсовРис. 9.53. Типовые Рткачиые характеристики плунжерных вакуумных наебсов
Рис, 9.62. Откачные характеристики насосов типа НВЗ и АВЗ:
/ - НВЗ-500;2 - HB3-300;3 -
АВЗ-180;4 — АВЗ-90;5 - АВЗ-125Д.
6 — АВЗ-63Д; 7 — АВЗ-20Д ,
Рис, 9.62. Откачные характеристики насосов типа НВЗ и АВЗ:
/ - НВЗ-500;2 - HB3-300;3 -
АВЗ-180;4 — АВЗ-90;5 - АВЗ-125Д.
6 — АВЗ-63Д; 7 — АВЗ-20Д ,
Рис. 9.53. Типовые Рткачиые характеристики плунжерных вакуумных наебсов
Рис. 9.53. Типовые Рткачиые характеристики плунжерных вакуумных наебсов
тов), относительной длиной ротора g ступени UR = 1,5 ... 3,5. По выбранным значениям относительных параметров и рассчитанной теоретической быстроте действия насоса определяют радиус цилиндра R, а затем остальные основные размеры насоса: е, г и I.
Эффективную мощность Ne на валу насоса определяют при его работе в режиме максимальной мощности. Мощность Ne зависит от давления всасывания р; обычно максимальные значения Ne соответствуют р = 26,7 ... 40,0 кПа.
Эффективная мощность, Вт,
Ne = (Р^г/ч) 1п (Рн/р), где ч — условный полный изотермический КПД; рн —- давление нагнетания.
Ч — ЧиаЧперЛмех» где Чия — изотермический КПД, характеризующий степень термодинамического совершенства рабочего процесса; Чпер — коэффициент, учитывающий влияние перетекании; Лмех — коэффициент, учитывающий механические потери мощности на тренне (для плунжерных вакуумных насосов ч " 0,40 ... 0,55 [14]).
Газобалластные плунжерные насосы. При откачке сред со значительным содержанием парогазовых смесей в процессе сжатия во внутренней полости насоса может образовываться конденсат, который, смешиваясь с ра-г бочим маслом, резко- ухудшает его характеристики. В результате значительно повышается предельное остаточное давление р0. Кроме того, при образовании конденсата из парогазовой смесн (по мере достижения в камере насоса давления насыщения чара Риас при его температуре, практически равной температуре поверхности цилиндра) давление в рабочей полости практически не меняется, поэтому выпускной клапан не открывается до тех пор, пока масса скопившегося конденсата не будет достаточна для срабатывания клапана вследствие гиДравлнческого удара о запорный элемент.
Пар -в рабочей камере конденсируется, ■ когда отношение давлений Пара, необходимое для конденсаций
при рабочей температуре внутренней поверхности камеры насоса, меньше максимального отношения давление газа, при котором срабатывает выпускной клапан. Работу вакуумных насосов с масляным уплотнением при откачке конденсирующихся паров можно обеспечить методом выделения конденсата из масла и удаления его из вакуумной полости, а также" методом, основанным на предотвращении конденсации в процессе сжатия. Применение первого метода ограничено существенным усложнением конструкции насоса, поэтому в вакуумной технике в основном используют второй метод. Для исключения образования конденсата парогазовую смесь подо-
Рис» 9.54. Дозаторное устройства насоса НВЭ-590
гревают, чтобы повысить давлением до значения, при котором срабатывает выпускной клапан, либо в процессе работы напускают некоторое количество газа (газовый балласт) во внутреннюю полость насоса для достижения необходимого давления нагнетания (до момента образования кон-, денсата). Последний способ наиболее практичен и нашел' прнмеиенне в газобалластных плунжерных насосах.
,Считая процесс сжатия в рабочей камере изотермическим, условие предотвращения конденсации мржно выразить зависимостью [25]
Qg ^ 8ри (рф/рнас ” 1 Рг/Рп)»
где Qg — поток газового балласта, Па-к^/с; S — быстрота действия газобалластного насоса, м®/с; рф — форвакуумное давление, при котором происходит выпуск парогазовой смеси из насоса, Па; рНас— давление насыщенных паров при рабочей температуре внутренней поверхности камеры насоса, Па; рг — парциальное давление некоиденснрующегося газа в смеси •на входе в камеру, Па; рп — парциальное давление пара в смеси на всасывании, Па.
Если в парогазовой смеси преобла- - дают пары (рг < рп), то1
Уб ^ Spn (рф/Рнас — О-
Если температуры смеси на входе в насос и на поверхности цилиндра различаются и температура смеси в процессе сжатия изменяется до мо
мента состояния насыщенного пара, то
Об ^ S(Tк/Т”) Рп (Рф/Рнас 1—Рг/Рп), где Тк — температура- е внутренней поверхности рабочей камеры насоса; Т — температура парогазовой смеси на входе в насос.
Расхождение значений потоков Qg, найденных без учета и с учетом изменения температуры смеси, в широком диапазоне давлений не превышаем ДО .
Для напуска газа в конструкции газобалластных насосов предусмотрены специальные дозаторные устройства (рис. 9.54), позволяющие регулировать поток газового балласта для улучшения эксплуатационных характер истин насоса- Эти устройства размещают в непосредственной близости от выпускного клапана, что позволяет эффективно улучшать откачную характеристику насоса. При открытии клапана, связанного с дозаторным уст-, ройством, газ попадает в насос, про- ■ ходя через трубопровод 2 и отжимая тарелку в клапане 1 устройства Погон регулируется системой клапанов, установленных на коллекторе, В случае прекращения подачи газа пружина тарельчатого клапана прижимает тарелку к седлу, обеспечивая герме-- тнчность рабочей камеры насоса. Для герметизации трубопровода предназначен уплотнитель 4, расположенный во фланце 3. Фланец зажимается гайкой 5.
Работа вакуумного насоса с открытым дозаторным устройством приводит к увеличению создаваемого при этом предельного остаточного давления (для двухступенчатых насосов в 4 10 раз, для одноступенчатых — примерно в 60 раз), а также затрачиваемой мощности (особенно при сравнительно малых давлениях всасывания). При отключении дозаторного устройства откачные характеристики достаточна быстро восстанавливаются вследствие удаления конденсата, образовавшегося до напуска газобалласта, и очйстки рабочего масла от растворенных в нем газовых примесей. Дл” снижения давления всасывания целесообразно также использовать га3® балластные устройства при откачк
ПоказательЗначение показателя для рабочей жидкостиВМ-4ВМ-6РЖМ-130Алкарен-35Плотность при Т — 293 К, кг/м3, не бдлееВязкость кинематическая у. 106, ма/с, при Т, К:8708701900940293——22025 ... 3590 ... ПО32347 ... 57<40373 н выше Температура, К:8 ... И8—•—вспышки в открытом тигле479 ... 486V —483 ... 493застывания259—223253Давление насыщенных пд- роврнас'105приТ ~ 293 К, Па, не более65 ... 1300,13 ... 4,04050ПоказательЗначение показателя для рабочей жидкостиВМ-4ВМ-6РЖМ-130Алкарен-35Плотность при Т — 293 К, кг/м3, не бдлееВязкость кинематическая у. 106, ма/с, при Т, К:8708701900940293——22025 ... 3590 ... ПО32347 ... 57<40373 н выше Температура, К:8 ... И8—•—вспышки в открытом тигле479 ... 486V —483 ... 493застывания259—223253Давление насыщенных пд- роврнас'105приТ ~ 293 К, Па, не более65 ... 1300,13 ... 4,04050Таблица 9J4Таблица 9J4газов, не конденсирующихся при рабочих условиях в насосе, но способных растворяться в рабочем масле.
Показатель
Значение показателя для рабочей жидкости
ВМ-4
ВМ-6
РЖМ-130
Алкарен-35
Плотность при Т — 293 К, кг/м3, не бдлее
Вязкость кинематическая у. 106, ма/с, при Т, К:
870
870
1900
940
293
——
220
25 ... 35
90 ... ПО
323
47 ... 57
<40
373 н выше Температура, К:
8 ... И
8
—•
—
вспышки в открытом тигле
479 ... 486
V —
483 ... 493
застывания
259
—
223
253
Давление насыщенных пд- роврнас'105приТ ~ 293 К, Па, не более
65 ... 130
0,13 ... 4,0
40
50
Показатель
Значение показателя для рабочей жидкости
ВМ-4
ВМ-6
РЖМ-130
Алкарен-35
Плотность при Т — 293 К, кг/м3, не бдлее
Вязкость кинематическая у. 106, ма/с, при Т, К:
870
870
1900
940
293
——
220
25 ... 35
90 ... ПО
323
47 ... 57
<40
373 н выше Температура, К:
8 ... И
8
—•
—
вспышки в открытом тигле
479 ... 486
V —
483 ... 493
застывания
259
—
223
253
Давление насыщенных пд- роврнас'105приТ ~ 293 К, Па, не более
65 ... 130
0,13 ... 4,0
40
50
Таблица 9J4
Таблица 9J4
Различная степень влияния газового балласта на предельное остаточное давление в одно- н двухступенчатых насосах обусловлена тем, что в двухступенчатых насосах дозаторные устройства размещены только в выходной ступени, и общее отношение Давлений в них изменяется несущественно.
Рабочие жидкости для плунжерных вакуумных насосов. Применение рабочих жидкостей в вакуумных насосах с масляным уплотнением обусловлено необходимостью увеличения степени герметичности рабочих камер, уменьшения потерь производительности нз-за влияния мертвого объема н по- терь мощности на трение, снижения температуры пар трения н, следова- тельно, интенсивности их изнашйва- ЙИя- Однако наличие рабочей жидкости в камере насоса отрицательно влияет йа его откачные характеристики и прежде всего на предельное остаточное Деление. В связи с этим в качестве Рабочих жидкостей применяют спе- ДНальные вакуумные масла, к которым Изъявляют следующие требования: Равнительно низкое давление насыщенного пара при рабочей температуре
во внутренней полости насоса; достаточная Вязкость, обеспечивающая сравнительно равномерное покрытие поверхности при длительной работе насоса в соответствующих температурных режимах; малая склонность к окислению; достаточная термическая стойкость; малая пенистость и токсичность; отсутствие химического взаимодействия с конструкционными материалами насоса.
С учетом этих требований разработаны н освоены отечественной промышленностью минеральные вакуумные масла ВМ-1, ВМ-5, рекомендованные в качестве рабочих жидкостей. Для плунжерных вакуумных насосов, кроме того, применяют масла ВМ-4 и ВМ-6. При использовании в механических насосах вакуумных масел ВМ-4, ВМ-6 и ВНИИ НП ВС-1 допускается уменьшение быстроты действия насоса на 10%, увеличение удельной мощности на 10% и рост предельного остаточного давления на 300% по сравнению с требуемыми значениями соответствующих параметров.
Минеральные вакуумные масла марок ВМ-4 и ВМ-6 (ОСТ 38 01402— 86) — жидкости без запаха, которые получают из машинных масел вакуумной очисткой от легко- и тяжелокнпя- щих фракций. Основные характерн-
стики этих масел приведены в табл. 9.14, где указаны также соответствующие данные синтетических жидкостей РЖМ-130 (ТУ 6-02-3-354—87) и Алка- рен-35 (ТУ 6-01-26-54—85), разработанных и освоенных в опытном производстве, которые также можно применять в механических насосах [6].
Вакуумные масла ВМ-4 и ВМ-6 неоднородны по составу и при значительном повышении температуры могут разлагаться на фракции, в резуль- • тате чего их характеристики ухудшаются. РЖМ-130 — рабочая жидкость, отличающаяся сравнительно высокой стойкостью к воздействию кислорода и газовых смесей с содержанием хлоридов и фторидов: поэтому РЖМ можно использовать в насосах при откачке агрессивных гдзов и паров
Рекомендуемые для вакуумных насосов масла ВМ-1 и ВМ-5 имеют более низкие давления насыщенных паров (при Т — 293 К на два-три порядка меньше соответствующих значений для масел ВМ-4 и ВМ-6), что позволяет снизить достигаемое предельное остаточное давление. Однако эти масла имеют меньшую стойкость к окисле- < иию, что существенно ограничивает их применение в вакуумных насосах с масляным уплотнением.
Турбомолекулярные насосы
Турбомолекулярные вакуумные насосы (ТМН) широко применяют для откачки газов в электротехнической, электронной, атомной, авиационной, химической и других отраслях промышленности.
По сравнению с другими высоковакуумными средствами откачки ТМН обладают следующими преиму; ществами: удаляют газ из сосуда, а не сорбируют его иа рабочих органах, как. -крионасосы, электрофизические насосы ! различного типа, адсорбционные на- • сосы; не загрязняют среду откачиваемого сосуда парами углеводородов или другими рабочими веществами, как диффузионные насосы, насосы с распылением титана и др.; имеют большую быстроту действия при откачке газов с малой молекулярной массой, обычно трудно удаляемых из высоковакуумных систем.
Эти преимущества ТМН определяют области их применения: создание и поддержание остаточного давления в пределах 10"7 ... 10“10 Па при откачке сосудов, для которых недопу. стимо загрязнение сред парами углеводородов и другими рабочими веществами; откачка неконденсирующихся газов (Н^ Не, Ne) в высоковакуумных системах.
Конструктивная схема двухпоточ- иого ТМН, предложенного Беккером, приведена на рис. 9.55, а. В корпусе 2 с неподвижными статорными дисками 4 вращается ротор /, представляющий собой вал с рабочими колесами 3. Последние выполняют либо в виде ■ дисков с выфрезерованными косыми радиальными пазами, либо в виде лопаточных колес (лопатки устанавливают под определенным углом к торцовой поверхности втулки). В первом случае в статорных колесах пазы располагают зеркально по отношению к пазам роторных колес (рис. 9.55, б). Во втором случае статорные колеса изготовляют с лопатками, установленными зеркально по отношению к лопаткам рабочего колеса под тем же углом. Для удобства монтажа статорные колеса обычно выполняют разрезными по диаметру.
Ротор насоса установлен иа подшипниках качения. Всасывающий патрубок расположен в средней части корпуса. Нагнетательные полости, расположенные по торцам корпуса иасоса, объединены общим патрубком, к которому подсоединен форвакуумный насос.
Распространены ТМН с вертикальным расположением вала (рис. 9.55, в), в которых уменьшено сопротивление на всасывании. В этом случае иногда для установки ротора используют магнитную подвеску или газовые подшипники.
Насос приводится от электродвигателя через мультипликатор либо от высокочастотного электродвигателя, ротор которого расположен на валу ТМН.
ТМН работают последовательно с форвакуумными насосами, создающими предельное остаточное давление, как правило, 1,0 ... 10"1 Па. ДлЯ исключения возможности проиикнове-
Ряс. 9.55. Конструктивные схемы ТМНРяс. 9.55. Конструктивные схемы ТМНния паров углеводородов из рабочйх полостей форвакуумных насосов в полость ТМН, что особенно вероятно при остановке агрегата, целесообразнее создание высоковакуумных механических насосов с комбинированной проточной частью на основе ТМН (рис. 9.55, г'). В этом случае в качестве форвакуумных можно использовать
Ряс. 9.55. Конструктивные схемы ТМН
Ряс. 9.55. Конструктивные схемы ТМН
молекулярные ступени 5 в сочетании с вихревыми или динамического действия [49]. Систему сопл ступени Динамического действия образуют рабочий вращающийся диск 6 н спрофилированные статорные элементы 7. 1 Технические характеристики турбо- молекулярных вакуумных насосов (риг. 9.56 , 9.57), выпускаемых отечественной промышленностью, при- ведены в табл. 9.15.
В ТМН допускаются сравнительно большие осевые и радиальные за- зоры — до 1,0 ... 2,5 мм в зависимости 07 размеров рабочих колес.
Данные масс-спектрометрических Измерений парциальных давлений откачиваемом сосуде и эксперимен- вльные данные, полученные при стен- «овых испытаниях ТМН и в реальных Уровнях иа откачных постах, сви
детельствуют о высоких эксплуатационных характеристиках ТМН и, в частности, обеспечении безмасляной откачки. При эксплуатации ТМН, особенно при остановке и последующем пуске, для обеспечения чистоты вакуума необходимо соблюдать некоторые меры, заключающиеся в предотвращении проникновения паров углеводородов через остановленный насос в откачиваемый сосуд. Миграцию паров масла форвакуумного насоса удается предотвратить напуском во всасывающую полость ТМН осушенного воздуха. Через несколько минут после включения, когда вращающийся ротор насоса препятствует проникновению паров углеводородов во всасывающую полость насоса, открывается клапан, установленный на трубопроводе, соединяющем форвакуумный насос с ТМН. После достижения номинальной частоты вращения ротора всасывающая полость насоса соединяется с откачиваемым объемом.
Обслуживание ТМН состоит в периодической замене подшипников, элементов передачи вращения и уплотнения вала. Ресурс ТМН определяется ресурсом подшипников, который со-
Насос ТМН-500Насос ТМН-500Рис. 0.57. Насос НВТ-3500Рис. 0.57. Насос НВТ-3500
Насос ТМН-500
Насос ТМН-500
Рис. 0.57. Насос НВТ-3500
Рис. 0.57. Насос НВТ-3500
Рис. еле.
ставляет (в зависимости от материала и формы сепараторов, класса точности их изготовления и конструктивного исполнения насоса в целом) от 10 до 30 тыс. ч и более.
Теория ТМН. Откачная характеристика (зависимость быстроты действия от отношения давлений т) ТМИ определяется прежде всего откачными характеристиками рабочих колес, зависящими от двух основных параметров: максимальной быстроты откачки при т = 1 и максимального значения т при быстроте откачки, равной нулю.
Теоретические зависимости максимальной быстроты откачки рабочего колеса и создаваемого им максимального отношения давлений от геометрических характеристик межлопаточных каналов или пазов получены на основании теоретических моделей перехода молекул газа через колесо с учетом законов взаимодействия их со стенками межлопаточных каналов.
Принцип перехода молекул газа через вращающееся рабочее колесо основан на различия сопротивлений межлопаточиых каналов, образован-
ных двумя соседними лопатками или стенками выфрезероваиного паза, потокам газа с противоположных сторон.
Вероятность перехода молекул газа иа противоположную сторону рабочего колеса определяется долей общего числа молекул газа, попавших в торцовое сечение межлопаточных каналов и перешедших на его противоположную сторону, н зависит от геометрии канала, окружной скорости колеса, скорости теплового движения молекул, а также закона взаимодействия молекул со стенками межлопаточных каналов.
В установившемся режиме пря равенстве температур газа и неизменности функций распределения молекул по нх тепловым скоростям на сторонах пониженного /—/ и повышенного 7Z—II давлений (см- рис. 9.60) число молекул, переходящих через вращающееся рабочее колесо, можно выразить уравнением
0,25^оаК = 0,25^IVa^I — — 0,25/УцнаКп, (9.47) где Ny и /Уп — концентрации молекул газа на стороне соответственно поня-
Значение параметра для насосаПараметр1X.£X £XmCQОРасположение ротораБыстрота действия по азоту, м3/сПредельное остаточное давление по азоту, Па Номинальная частота вращения ротора, с”1 Напряжение, В Потребляемая мощность, Вт Dy патрубка, м:входного выходногоГабаритные размеры нанося, мМасса, кгВерти- ' кальное2,76,7-10"»250380 7000,4 0,063 0.53Х Х0.3590Горизонтальное0,2502-Ю"7300220 1500,160 0,05 0.86ХХ0.62ХХО,83 290Горизонтальное0,5007-Ю"7300220 150 .0,2000,05 0,88Х Х0,51ХХО,61 215вертикальное с магнитной подвеской ротора0,162-Ю"76004000,125 0,040.25Х Х0„3325Вертикальное0,96,6-10"7350 •0,25 J0,36Х iX0,495 :56 ;Значение параметра для насосаПараметр1X.£X £XmCQОРасположение ротораБыстрота действия по азоту, м3/сПредельное остаточное давление по азоту, Па Номинальная частота вращения ротора, с”1 Напряжение, В Потребляемая мощность, Вт Dy патрубка, м:входного выходногоГабаритные размеры нанося, мМасса, кгВерти- ' кальное2,76,7-10"»250380 7000,4 0,063 0.53Х Х0.3590Горизонтальное0,2502-Ю"7300220 1500,160 0,05 0.86ХХ0.62ХХО,83 290Горизонтальное0,5007-Ю"7300220 150 .0,2000,05 0,88Х Х0,51ХХО,61 215вертикальное с магнитной подвеской ротора0,162-Ю"76004000,125 0,040.25Х Х0„3325Вертикальное0,96,6-10"7350 •0,25 J0,36Х iX0,495 :56 ;Таблица 9.15Таблица 9.15
Значение параметра для насоса
Параметр
1
X.
£
X £
X
m
CQ
О
Расположение ротора
Быстрота действия по азоту, м3/с
Предельное остаточное давление по азоту, Па Номинальная частота вращения ротора, с”1 Напряжение, В Потребляемая мощность, Вт Dy патрубка, м:
входного выходного
Габаритные размеры нанося, м
Масса, кг
Верти- ' кальное
2,7
6,7-10"»
250
380 700
0,4 0,063 0.53Х Х0.35
90
Горизонтальное
0,250
2-Ю"7
300
220 150
0,160 0,05 0.86Х
Х0.62Х
ХО,83 290
Горизонтальное
0,500
7-Ю"7
300
220 150 .
0,200
0,05 0,88Х Х0,51Х
ХО,61 215
вертикальное с магнитной под
веской ротора
0,16
2-Ю"7
600
400
0,125 0,04
0.25Х Х0„33
25
Вертикальное
0,9
6,6-10"7
350 •
0,25 J
0,36Х i
X0,495 :
56 ;
Значение параметра для насоса
Параметр
1
X.
£
X £
X
m
CQ
О
Расположение ротора
Быстрота действия по азоту, м3/с
Предельное остаточное давление по азоту, Па Номинальная частота вращения ротора, с”1 Напряжение, В Потребляемая мощность, Вт Dy патрубка, м:
входного выходного
Габаритные размеры нанося, м
Масса, кг
Верти- ' кальное
2,7
6,7-10"»
250
380 700
0,4 0,063 0.53Х Х0.35
90
Горизонтальное
0,250
2-Ю"7
300
220 150
0,160 0,05 0.86Х
Х0.62Х
ХО,83 290
Горизонтальное
0,500
7-Ю"7
300
220 150 .
0,200
0,05 0,88Х Х0,51Х
ХО,61 215
вертикальное с магнитной под
веской ротора
0,16
2-Ю"7
600
400
0,125 0,04
0.25Х Х0„33
25
Вертикальное
0,9
6,6-10"7
350 •
0,25 J
0,36Х i
X0,495 :
56 ;
Таблица 9.15
Таблица 9.15
женного или повышенного давлений; еа — средняя арифметическая скорость теплового движения молекул; К — результирующая вероятность перехода молекул через межлопаточные каналы рабочего колеса; Ку и Ки — вероятности перехода молекул со стороны соответственно пониженного и повышенного давлений.
Значения вероятностей К, Ку и Куу для данного радиального сечения межлопаточных каналов или пазов постоянны и не зависят от концентрации молекул или давления.
Из уравнения (9.47) следует, что результирующая вероятность перехода молекул через рабочее колесо пропорциональна быстроте откачки:
К= Ку- Куух, (9.48) где т = Куу/Ку — отношение концентраций (давлений).
Анализ уравнения (9.48) показывает линейность зависимости текущего значения К, а следовательно, и быстроты откачки 5 рабочего колеса от отношения давлений.
Максимальное значенче К,- пропорциональное максимальной быстроте откачки S, м3/с, соответствует отношению давлений на рабочем колесе т = 1,0, причем
КщЮ=?Ку — Куу; (9-49)
Smax = 36,4AmaxFV77M, (9.50)
где F — суммарная площадь вход- ' иого сечения межлопаточных каналов рабочего колеса, м2; Т — температура газа, К; М — молекулярная масС®«
Максимальное отношение давлен» при S = 0
x^-KxlKxx. (951)
Таким образом, для получения откачной характеристики рабочего колеса ТМН (рис. 9.58) необходимо определить два основных параметра: Smax (ИЛИ /Стах) И Тщах.
Обычно при построении теоретической модели процесса перехода молекул через межлопаточные каналы рабочего колеса с целью определения основных параметров откачной характеристики принимают, как правило. следующие допущения: режим течения газа в рабочей полости насоса молекулярный; распределение моле-, кул по скоростям по обе стороны от рабочего колеса соответствует закону Максвелла: движение молекул в канале рабочего колеса (т. е. в плоскостях, Перпендикулярных торцовым поверхностям колес) двумерное; температуры газа и внутренних -поверхностей иасоса в процессе откачки постоянны; взаимодействие молекул газа со стенками межлопаточного канала .или паза при переходе на противоположные стороны рабочего колеса подчиняется диффузному или зеркальному закону либо обоим законам одновременно.
Геометрическая структура меж- лопаточного канала (см. рис. 9.61) характеризуется углом а установки лопатки или наклона паза и отношением ширины а канала к его длине 6.
Значении результирующей вероит- ности Ктах перехода молекул газа через межлопаточные каналы, имеющие различные геометрические параметры а и а/6. при разных отношениях С] = и/ин скорости движения канала к наиболее вероятному значению тепловой скорости Од в предположении Диффузного отражения молекул от поверхности лопаток или стенок пазов приведены в табл. 9.16 [53].
Результирующая вероятность перехода молекул газа через межлопаточ- пые каналы или пазы с одной стороны рабочего колеса на другую можно определить с помощью теоретической ■ "Одели, в которой взаимодействие мо- екул со стенками канала или паза одчиняется диффузному (Ктах ^ и 3веРка-пьному (^ах з) законам одновременно:
^тах °ДГ^тах 2V "Г" 0 aw) ^тах а> (9.52) где aN — коэффициент, учитывающий' число молекул, переходящих через рабочее колесо ТМН и отражаемых поверхностью стенок межлопа-. точного канала или паза -согласно диффузному закону (за направление отражения молекул газа принимают преимущественное, совпадающее с нормалью7 к поверхности стенок меж- лопаточиого канала); 1 — о^ — разность, учитывающая число молекул, переходящих через рабочее колесо и взаимодействующих с поверхностью стенок межлопаточного узнала или паза по зеркальному закону.
Значение Kmax определяют по формуле (9.49), а максимальное отношение давлений — по формуле (9 51), в которых Ку и Кхх — вероятности перехода молекул газа через межлопаточный канал со стороны соответственно /—/ на сторону II—// и to стороны II—II на сторону /—/:
^ °хн^хн + Р — alw) ^1э:
^ХХ = ап Н^уу н + ^ —оххн\ ^П 3’
где ог?г и оИ2У— коэффициенты учета числа молекул, переходящих через рабочее колесо ТМН соответственно со стороны /—/ на сторону II—II н со стороны II—II на сторону /—1 и отражаемых поверхностью стенок межлопаточного канала или паза по нормали.
На рис. 9.59 показаны зависимости Kmax и ттах от относительной ско
рее. 9.58. Откачная характеристика рабочего колеса ТМН
Показа-
. ct, °
. С,
Значение показателя при a/b*z
0,4
0,6
0,8
1.0
1.2
t;4
1,6
1,8
2,0
Ai
Ап
0,0565
0,0831
0,1171
0,1714
0,2634
0,3557
0.4314 •
0,4922
0,5416
0,2
0,0344
0.0515
■0,0738
0,1104
0,1908
0,2855
0,3668
0,4332
0,4877
0,0221
0,0316
0,0433
0,0610
0,0725
0,0702
0,0645
0,0590
0,0538
^тах
10
1,6410
1,6150
1,5880
1,5520
1,3800
1,2460
1,1760
1,1360
0,5215
1,1100
0,5682
Ai
Ац
0,0715
0,1042
0,1452
0,2081
0,3024
0.3917
0,4638
0,4
0,0269
0,0405
0,0584
0,0872
0,1589
0,2525
0,3355
0,4043
0,4611
0,0446
0,0637
0,0868
0,1209
0,1435
0,1392
0,1283
0,1173
0,1072
^тах
2,6560
2,5720
2,4880
2,3860
1.9030
1,5510 .
1,3820
1,2900
0,5506.
1,2330
0,5944
0,0893
0,1288
0,1772
0,2477
0,3420
0,4275
0,4959
Ац
0,6
0,0213
0,0323
0,0465
0,0689
0,1305
0,2214
0.3054
0,3760
0,4348
0,0680
0,0965
0,1305
0,1788
0,2115
0,2061
0.1905
0,1743
0,1596
^тах
4,1840
3,9860
3,8030
3,5950
2,6200
1,9310
0,4628
1,6240
1,4610
0,5784
1,3670
0,6199
Ai
0.1097
0,1565
0,2124
0,2891
0,3815
0,5272
Ап
А
0,8
0,0173
0,0263
0,0379
0,0550
0,1062
0,1928
0,2768
0,3488
0,4092
0,0924
0,1302
0,1746
0,2342
0,2754
0,2700
0,2504
0,2297
0,2107
^тах
6,3440
5,9480
5.6110
5,2620
3,5940
2,4010
1,9050
1,6590
0,6056
1,5150 0,6445
Ai
0,1324
0,1868
0,2501
0,3311
0,4204
0,4971
0,5575
Ац
1,0
0,0144
0,0220
0,0315
0,0447
0,0858
0,1667
0.2498
0,3226
0,3844
АШах
0,1179
0,1648
0,2185 .
0,2865
0,3346
0.3304
0/3078
0,2830
0,2601 ■
^тах
9,1830
8,4920
7,9370
7,4140
4,9000
2,9820
2,2320 -
. 1,8770
0,6317
1,6770 0.6680
Ai
•
0,1570
0,2192
0,2893
0,3728
0,4582
0,5301
0,5868
1,2
0,0124
0,0189
0,0269
0,0373
0,0693
0,1434
0,2247
0,2978
0,3605
А
0,1446
0,2002
0,2623
0,3356
0,3889
0,3868
0,3621
0,33.39
0,3076
tmax
12,6500
11,5800
10,7400
10,0100
6,6100
3,7000
2.6120
2,1220 .
0,6567
1,8530 0,6906
Ат
0,1831
0,2529
0.3291
0,4135
0,4945
0,5619
0.6148
Ац
14
0,0110
0,0167
0,0237
0,0320
0.0562
0,1228
0.2014
0,2742
0,3376
0,1721
0,2362
0,3054
0,3815
0,4383
0,4391
0,4134
0,3825
0.3530
16,6300
15,1100
13,9100
12,9300
8,7990
4,5770
3,0530
2,3950
2,0460
Таблица 9.16
Показатель
а, *
<1
Значение показателя при alb
0.4
0,6
0.8
1.0
1,2
1.4
1.6
1,8
2.0
Ai
0,2103
0,2875
0,3687
0,4527
0,5291
0,5921
0,6414
0,6687
0,7120
Ац
1.6
0,0100
0,0152
0,0213
0,0282
0,0461
0,1047
0,1800
0,2630
0,3157
Атах
0,2002
0,2723
0,3474
0,4245
0,4830
0,4873 .
0,4614
0,4058
0,3963
ттах
20,9800
18,9700
17,3500
16,0500
11,4800
5,6530
3,5630
2,5430
2,2550
Ai
0,1509
0,2042
0,2578
0,3181
0,3850
0,4519
0,5097
0,5578
0,5983
Ац
0,2
0,0958
0,1327
0,1706
0,2158
0,2750
0,3426
0,4058
0,4611
0,5084
Атах
0,0551
0,0716
0,0872
0,1023
0,1104
0,1092
0,1035
0,0967
0,0899
^тах
1,5750
1,4500
1,5110
1,4740
1,4000
1,3190
1,2550
1,2100
1,1770
Ai
0,1862
0,2490
0,3105
0,3765
0,4449
0,5076
0,5609
0,6051
0,6417
Ап
20
0,4
0.076.3
0,1065
0,1378
0/1750
0,2278
0,2924
0,3563
0,4169
0,4638
Атах
0,1100
0,1425
0,1728
0,2015
0,2171
0,2153
0,2045
0,1912
0,1779
^тах
2,4420
2,3370
2,2540
2,1510
1,9530
1,7360
1,5740
1,4620
1,3840
Ai
0,2259
0,2983
0,3671
0,4367'
0,5036
0.5621
0,6106
0,6504
0,5832
Ап
0,6
0,0614
0,0864
0,1120
0,1419
0,1866
0,2467
0,3100
0,3687
0,4206
Ащах
0,1644
0,2119
0.2551
0,2948
0,3170
0,3154
0,3007
0,2817
0,2626
^тах
3,6770
3,4520
3,2770
3,0780
2,6990
2,2780
1,9700
1,7640
1,6240
Ai
0,2685
0,3503
0,4253
0,4965
0,5604
0,6139
0,6575
0,6930
0,7221
Ап
0,8
0,0505
0,0714
0,0925
0,1162
0,1525
0,2065
0,2675
0,3263
0,3795
Атах
0,2180
0,2789
0,3328
0,3804
0,4078
0,4073
0,3900
0,3667
0,3426
^тах
5,3140
4,9070
4,5970
4,2750
. 3,6730
2,9720
2,4580
2,1240
1,9030
Ai
0,3125
0,4030
0,4828
0,5539
0,6136
0,6620
х 0,7009
0,7329
0,7578
Ац
1,0
0,0427
0,0604
0,0782
0,0969
0,1254
0,1223
0,2295
0,2873
0,3409
Атах
0,2698
0,3425
0,4047
0,4571
0,4882
0,4897
0,4713
0,4449
0,4169
^тах
7,3170
6,6670
6,1770
5,7180
4,8940
3,8420
3,0540
2,5490
2,2230
Ai
0,3563
0,4544
0,5375
0,6070 "
0,6624
0,7059
0,7402
0,7677
0,7901
Ап
1,2
0,0372
0,0526
0,0678
0,0828
0,1045
0,1438
0,1962
0,2519
0,3051
Атах
0,3191
0,4018
0,4697
0,5242
0,5579
0,5620
0,5440
0,5159
0,4850
^тах
9,5810
8,6370
7,9320
7,3330
6,3400
4,9080
3,7720
3,0430
2,5900
Продолжение табл. 9.161
МЕХАНИЧЕСКИЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫIТррбомолекулярные насосы
Покааа- . .тель
а, °
Ct
'Значение показателя при а/6.
0,4
0,6
0.8
1.0
1.2
1.4
1,6
1,8
2.0
Кх -
Ки Ктах 'max
20
13
0,3982
0,0333
0,3650
11,9600
0,5027
0,0470
0,4557
10,6900
0,5877 0,0603 0,5274 9,7500
0,6323 0,0548
0,5774 11,5310
0,6550 0,0727 0,5823
9,0130
0,6972 0,0654
0,6318
10,6600
0,7061 0,0889 0,6172 7,9450
0,7445 0,0775 0,6671 9,6110
0,7451 0,1208 0,6243 6,1670
0,7796 0,1026 0,6770 7,5980
0,7754 0,1676 0,6077 4,6250
0,8065 0,1435 0,6629 5,6210
0,7994 0,2202 0,5792 3,6300
0,8274 0,1924
0,6350 4,3020
0,8189 0,2722 0,5467
3,0080
0,8320 0,2570 0,5750 3,2370
Ki Ки К max Тщах
1,6 .
0,4369
0,0305
0,4064
14,3200
0,5464 0,0430 0,5034 12,7200
0,3194 0,219)
0,1003 1,4590
0,3810
0,2664
0,1146
1,4300
0,4392
0,3142
0,1250
1,3980
0,4945 0,3654 0,1291
1,3530
0,5448 0,4176 0,1272 1,3050
0,5888
0,4669
0,1219
1,2610
0,6264
0,5112
0,1152
1,2250
0,6585
0,5502
0,1083
1,1970
Кх
Кп .
К max tmax
0,2
0,2493
■ 0,1672 0,0821 1,4910
0,4449
0,2202
0,2247
2,0200
0,5058
0,2614
0,2444 1,9350
0,5602 0,3078 0,2524 1,8200
0,6074 0,3581 0,2493 1,6960
0,6473
0,4079
0,2394
1,5870
0,6808
0,4542
0,2266 1,4990
0,7090 0,4957
0,2133 1,4300
Кх Кхх Ктах ^шах
30
0,4
0,2978 0,1361 0,1617 2,1880
0,3771
0,1800 0,1972 2,0960
W
0,5088 0,1827 0,3261 2,7840
0,5707
0,2172
0,3534
2,6270
0,6228 0,2575 0,3653 2,4180
0,6660 0,3042 0,3618 2,1890
0,7015 0,3529 0,3486 1,9880
0,7309
0,3999
0,3310
1,8280
0,7552
0,4430
0,3120 1,7050
Кх Кхх Ктах tmax
. 0,6
0,3483 0,1117 0,2366 3,1190
0,4363 0,1488 0,2874 2,9310
0,5693 0,1536 0,4157 3,7060
0,6307
0,1819
0,4488
3,4670
0,6798 0,2157 0,4641 3,1520
0,7187
0,2573
0,4615
2,7940
0,7500
0,3034
0,4466
2,4720
0,7753
0,3496
0,4257
2,2180
0,7962
0,3934
0.4027
2,0240
Кх Кхх Ктах Itnax
0,8
0,3979
0,0933
0,3046
1 4,2650
0,4934 0,1250 0,3684 3,9470
Продолжение табл. 9.16
s м х х а а с й с> X а ГП
№
X X ч ч
X а t
X
а
с> t
Пр одолжение
табл. 9.16
Показа-
1
■ Ct, °
Значение показателя при а/Ь
0,4
0.6
0.8
1.0
1,2
1.4
1.6
I.&
2.0’
Кх
0,4437
0,5454
' 0,6233
0,6835
0,7293
0,7643
0,7916
0,8134
0,8312
Ки
• 1,0 '
0,0799
0,1073
0,1317
0,1549
0,1822
0,2179
0,2600
0,3044
0,3478
Ктах
0,3638
0,4380
0,4916
0,5286
0,5471
0,5464
0,5316
0,5090
0,4834,
Ь,5Ь30
5,0810
"4,7320
4,4130
4,0020
3,5080
3,0440
2,6720
2,3900
Кх .
0,4831
0,5896
0,6688
0,7276
0,7704
0,8021
0,8262
0,8451
0,8602
Кхх ■
■ ■ 1,2
0,0703
0,0946
0,1157
0,1348
0,1564
0,1859
0,2233
0,2647
0^3066
Ктах
0,4128
0,4951
0,5531
0,5927
0,6140
0,6162
0,6029
0,5804
0,5536
1
^тах
Кх ‘
6,8700
6,2360
5,7800
5,3960
4,9250
4,3140
3,7000
3,1930
2,8050
i
. 30
0,5143
0,6245
0,7046
0,7623
0,8030
0,8321
0,8537
0,8703
0,8834
Кхх
1,4
0,0635
0,0854
0,1042
0,1203
0,1372
0,1608
0,1928
0,2305
0,2702
Ктах
0,4508
0,5392
0,6005
0,6420
0,6658
0,6713
0,6609
0,6398
0,6132
■а
Т-т^х
8,0950
7,3170
6,7650
6,3390
5,8530
5,1740
4,4270
3,7760
3,2690
5
Кх
0,5362
0,6494
0,7306
0,7880
0,8275
0,8549
0,8747
0,8896
0,9012
■ X
§
Кхх
1,6
0,0587
0,0787
0,0958
0,1097
0,1231
0,1416
0,1682
0,2016
0,2385
Ктах
0,4775
0,5707
0,6348
0,6782
0,7044
0,7134
0,7065
0,6888
0,6628
^тах
9,1380
8,2500
7,6290
7,1800
6,7200
6,0390
5,1990
4,4120
3,7790
Кх
Кхх
0,3369
0,4165
0,4804
0,5348
0,5820
0,6228
0,6578
0,6877
0,7133 ■
0,2
0,2401
0,3030
0,3558
0,4040
0,4500
0,4935
0,5336
0,5696
0,6016
Ктах
0,0968
0,1135
0,1247
0,1308
0,1320
0,1293
0,1242
0,1181
Oil 117
Umax
1,4030
1,3750
1,3500
1,3240
1,2930
1,2620
1,2330
1,2070
1,1860
Кх -
40
0,3883
0,4754
0,5433
0,5986
0,6444
0,6823
0,7139
0,7404
0?7624
Ки
0,4
0.2001
0,2550
0,3014
0,3446
0,3877
0,4303
0,4712
0,5090
0,5443
Ктах
0,1ъ82
0,2205
0,2419
0,2540
0,2567
0,2520
0,2427
0,2312
0,2191
I'max
1,9400
1,8650
1,8030
1,7370
■ 1,6620
1,5860
1,5150
1,4540
1,4030
X 0,5л — а + arctgX 0,5л — а + arctg
X 0,5л — а + arctg
X 0,5л — а + arctg
рости с^ = к/он, построенные по выражениям соответственно (9.52) и (9.51) при различных значениях а' и alb.
Наиболее простые выражения для определения вероятностей перехода молекул через межлопаточные ка-' налы на противоположные стороны рабочего колеса (со стороны /—I на сторону II—II и наоборот) получены . на основании теоретической модели (рис. 9.60), в которой взаимодействие молекул газа со стенками межлопаточного канала подчиняется диффузному закону (за направление отражения молекул принято преимущественное, совпадающее с нормалью к поверхности стенок канала), а скорости всех молекул одинаковы и равны наиболее вероятной скорости он тепло-.. вого движения молекул.
В этом случае результирующая вероятность перехода молекул через рабочее колесо
^шю ~ (*?1 ср Фи срМп ~ ^>1 ~ ^ц, (9.53) где
Ру Ср = arcsin [(и/он) sin а] + ( 1Ру Ср = arcsin [(и/он) sin а] + ( 1cos а "с/Г.cos а "с/Г.х{ arctg KLz1№l^^ К[^)^заГЧ-[1 -(ДьТТ( (u/oH)sinaК ■(U/oH)si^:х{ arctg KLz1№l^^ К[^)^заГЧ-[1 -(ДьТТ( (u/oH)sinaК ■(U/oH)si^:— Ц“/Он) sin a ;-In— Ц“/Он) sin a ;-In—cosa + V" 1 —(с2/оя)$1п2«, (a/6) — cos a + V \(ajb) —cos a]2+11 —(и8/он)1 sin" a—cosa + V" 1 —(с2/оя)$1п2«, (a/6) — cos a + V \(ajb) —cos a]2+11 —(и8/он)1 sin" a■ Sin a • h Nb■ Sin a • h NbInInKl — (и /о*) sin2 a — (w/oH) cos aV X — (u /он) sin2 a + (u/oH) cos aKl — (и /о*) sin2 a — (w/oH) cos aV X — (u /он) sin2 a + (u/oH) cos a— In— InV l(a№ — cos cc]2 + 11 — (Г/он)1 sin2 a + (u/oH) [(c/6) — cos a]VЦа!.Ь) — cos a]2 + [ 1 — (u2/vh)] sin2 a — (u/vH) [(a/&) — cos a]V l(a№ — cos cc]2 + 11 — (Г/он)1 sin2 a + (u/oH) [(c/6) — cos a]VЦа!.Ь) — cos a]2 + [ 1 — (u2/vh)] sin2 a — (u/vH) [(a/&) — cos a](9.57)(9.57)^1 = Ф1ср/л;. ^11 = Ч>П ср/л- (9-54)
Ру Ср = arcsin [(и/он) sin а] + ( 1
Ру Ср = arcsin [(и/он) sin а] + ( 1
cos а "с/Г.
cos а "с/Г.
х{ arctg KLz1№l^^ К[^)^заГЧ-[1 -(ДьТТ( (u/oH)sinaК ■(U/oH)si^:
х{ arctg KLz1№l^^ К[^)^заГЧ-[1 -(ДьТТ( (u/oH)sinaК ■(U/oH)si^:
— Ц“/Он) sin a ;
-In
— Ц“/Он) sin a ;
-In
—cosa + V" 1 —(с2/оя)$1п2«, (a/6) — cos a + V \(ajb) —cos a]2+11 —(и8/он)1 sin" a
—cosa + V" 1 —(с2/оя)$1п2«, (a/6) — cos a + V \(ajb) —cos a]2+11 —(и8/он)1 sin" a
■ Sin a • h Nb
■ Sin a • h Nb
In
In
Kl — (и /о*) sin2 a — (w/oH) cos a
V X — (u /он) sin2 a + (u/oH) cos a
Kl — (и /о*) sin2 a — (w/oH) cos a
V X — (u /он) sin2 a + (u/oH) cos a
— In
— In
V l(a№ — cos cc]2 + 11 — (Г/он)1 sin2 a + (u/oH) [(c/6) — cos a]VЦа!.Ь) — cos a]2 + [ 1 — (u2/vh)] sin2 a — (u/vH) [(a/&) — cos a]
V l(a№ — cos cc]2 + 11 — (Г/он)1 sin2 a + (u/oH) [(c/6) — cos a]VЦа!.Ь) — cos a]2 + [ 1 — (u2/vh)] sin2 a — (u/vH) [(a/&) — cos a]
(9.57)
(9.57)
Средние значения углов фг ср и Фц ср’ характеризующих вероятности перехода молекул через межлопаточные каналы рабочего колеса со стороны пониженного давления на сторону повышенного давления и в обратном направлении, в предположении, что все молекулы, соударяющиеся с набегающей стенкой лопатки, переходят на сторону повышенного давления, а молекулы, соударяющиеся с уходящей поверхностью лопатки, переходят на сторону пониженного давления (рг= = i = 0), определяют по формулам:
^ ср ^Ср 1* ^у ср’ (9.55)
^И ср Vcp ^у ср’
где
—2 (с/6) cos а + 1 | + ( 1 —^^
а]Ь — cos аsin а
(9.56)
от относительной скорости с\ при различных значениях аот относительной скорости с\ при различных значениях аРис. 8.59. Зависимость ношения давлений ттахРис. 8.59. Зависимость ношения давлений ттахрезультирующей вероятности ^тах (6 — 0 и максимального от-результирующей вероятности ^тах (6 — 0 и максимального от-(г-0(г-0ииа/Ъа/Ъ(9.58)(9.58)^тах " 2р-у ср/Л.^тах " 2р-у ср/Л.
от относительной скорости с\ при различных значениях а
от относительной скорости с\ при различных значениях а
Рис. 8.59. Зависимость ношения давлений ттах
Рис. 8.59. Зависимость ношения давлений ттах
результирующей вероятности ^тах (6 — 0 и максимального от-
результирующей вероятности ^тах (6 — 0 и максимального от-
(г-0
(г-0
и
и
а/Ъ
а/Ъ
(9.58)
(9.58)
^тах " 2р-у ср/Л.
^тах " 2р-у ср/Л.
Рис, 9.60. Теоретическая модель перехода молекул газа через межлопаточные каналы рабочего колеса при постоянстве их скорости и отражения от поверхности каналов по нормалиРис, 9.60. Теоретическая модель перехода молекул газа через межлопаточные каналы рабочего колеса при постоянстве их скорости и отражения от поверхности каналов по нормалиТогда результирующая вероятность перехода молекул через, рабочее колесо при учете уравнений (9.55)
Рис, 9.60. Теоретическая модель перехода молекул газа через межлопаточные каналы рабочего колеса при постоянстве их скорости и отражения от поверхности каналов по нормали
Рис, 9.60. Теоретическая модель перехода молекул газа через межлопаточные каналы рабочего колеса при постоянстве их скорости и отражения от поверхности каналов по нормали
Максимальную быстроту откачки колеса определяют по формуле (9.50).
Максимальное отношение давлений в рабочем колесе ТМН
тшах " ^1 ср/^П ср" (9-55)
Уравнения (9.58) и (9.59) для определения основных параметров откачной характеристики рабочего колеса ТМН применимы при й" = иан<1,0 по принятому допушв' иию.
Ступень ТМН состоит из вращающегося рабочего колеса и расположенного за ним неподвижного статорного колеса, имеющего, как правило.
^ же размеры, что и роторное колесо.
При рассмотрении процесса перехода молекул газа через межлопаточные каналы или пазы статорного колеса учитывают воздействие вращающихся роторных колес, расположенных до обе стороны от статорного колеса, на скорость теплового движения молекул.
Потоки молекул газа, проходящих через межлопаточные каналы или пазы статорного. колеса на его противоположные стороны, определяют, как и для роторного колеса, с учетом влияния окружной скорости роторных колес, т. е. по формулам (9.54)— (9,57) или по табл. 9.16 в зависимости от геометрических параметров меж- лопаточных каналов и относительной скорости 6j
Если с какой-либо стороны статорного колеса нет роторного колеса (в начале или конце пакета рабочих колес), при определении результирующей вероятности перехода молекул газа с этой стороны угол фср полагают равным уср, т. е. Kmax == Pv ср)л- причем тшах = (Yep + Ру cpVVcp ПРИ отсутствии роторного колеса после статорного, т^ = уСрЛ?ср — Ру ср) при отсутствии роторного колеса перед статорным.
Откачная характеристика рабочего колеса и ее основные параметры (максимальная быстрота откачки и максимальное отношение давлений) при постоянной относительной. скорости Cj определяются геометрией межлопаточных каналов или пазов. •
Выбор’ угла а наклона паза или установки лопаток и отношения а/Ь Для межлопаточного канала при кон-, кретных значениях с, определяется требованиями, предъявляемыми к рабочему колесу ТМН
Первые рабочие колеса ТМН (со стороны всасывания)’ должны создавать максимально возможную быстроту откачки, так как они определяют Остроту действия вакуумного на- Соса- Последующие рабочие колеса насоса должны обеспечивать макси- ,ально возможное отношение давле- ии, чтобы необходимое общее отно- ение давлений создавалось насосом
8 Водможно меньшим числом рабочих
Из результатов теоретического анализа следует:
для обеспечения высокой вероятности перехода молекул через рабочее колесо, а следовательно, и повышенной быстроты откачки при удовлетворительных значениях ттах необходимо выбирать угол наклона паза или установки лопатки в пределах а = 35 ... 40° при alb = 1,0 ... 1,4;
для достижения повышенных значений ттах при обеспечении достаточно высоких значений «тах необходимо принимать а= 10 ... 20° при а/Ь~ = 0,6... 0,8;
для увеличения быстроты откачки рабочего колеса и отношения давлений необходимо увеличивать его частоту вращения;
для улучшения откачной характеристики рабочего колеса практически нецелесообразна закрутка лопаток по радиусу.
Эти рекомендации важны при формировании пакета рабочих колес насоса. Использование в пакете рабочих колес с малыми значениями а и afb оправдано при малом потоке 1 азовыделения с деталей ротора и внутренней поверхности корпуса насоса. При большом потоке выделения газов с большой молекулярной массой для всего рабочего пакета может оказаться целесообразным применение колес с открытыми межлопаточными каналами.
При работе на газах с различной молекулярной массой быстрота, действия ТМН зависит от скорости теплового движения молекул откачиваемого газа, влияющей на сопротивление участка от входного сечения всасывающего патрубка до первого рабочего колеса со стороны всасывания. На быстроту действия насоса влияет также проводимость кольцевого зазора, через который перетекает откачиваемый газ: поток газа возрастает при уменьшении молекулярной массы газа. Уменьшение отношения давлений тем значительнее, чем меньше молекулярная масса откачиваемого газа.
Снижение температуры откачиваемого газа незначительно влияет на быстроту действия насоса и приводит к существенному увеличению отношения давлений.
Рис. 9.61. Схема к расчету дискового рабочего колеса
Расчет рабочих колес ТМН. Задача расчета рабочего колеса ТМН состоит в определении конечного и начального диаметров лопаток или высоты паза (для принятой геометрии межлопаточных каналов), числа лопаток или пазов, ширины рабочего колеса, при которых для минимального наружного диаметра обеспечивается заданная быстрота откачки.
Максимальные быстрота откачки рабочего колеса Smax и отношение давлений ттах определяются рядом факторов: ттах зависит от угла ос установки лопаток или наклона паза, геометрического параметра а/b, характеризующего тип структуры, и относительной скорости с1 — и/ин\ отношение Smax зависит от произведения F /Стах, определяемого перечисленными факторами, а также торцовой площадью сечения межлопаточпых каналов рабочего колеса.
Оптимальные значения а и alb вы- ■ бирают из условия обеспечения максимальной результирующей вероятности перехода молекул газа через рабочее колесо или достижения максимально возможного отношения давлений в соответствии с требованиями, предъявляемыми к колесу. Торцовая площадь межлопаточных каналов илн пазов, определяемая из условия обеспечения заданной быстроты откачки, зависит от ширины а межлопаточного канала или паза, наружного D^ и
начального (внутреннего) Dx диаметров и числа z межлопаточных каналов или пазов.
Лопаточные колеса по сравнению с дисковыми при одинаковых наруж- ных диаметрах обеспечивают бдль- шую быстроту откачки вследствие большей , относительной площади сечения межлопаточных каналов.
Как показали результаты теоретических исследований, увеличение быстроты откачки S зависит от наружного диаметра D^. При S — 50... 200 дм3/с увеличение быстроты откачки не превышает 20%. Применение лопаточных колес в ТМН с быстротой действия S = 400 ... 500 дм3/с позволяет уменьшить" наружный диаметр по сравнению с его значением для дисковых колес примерно на 10... 12%.
Дисковое колесо.
Рабочие колеса ТМН с быстротой действия до 0,4... 0,5 м^/с целесообразнее выполнять в виде дисков с радиальными пазами (рис. 9.61). Такая конструкция колеса обеспечивает необходимую суммарную ’ торцовую площадь сечения пазов для заданной быстроты откачки прн сравнительно небольшом диаметре Йг, а также отличается технологичностью и простотой изготовления.
Суммарная торцовая площадь пазов дискового рабочего колеса
- л^ 4SX —4(1 -ХД ВР^
424 — 3 (1 —X^BD^ Х
Х(1-Х),(9.60)
где X — Р^Р^ — отношение начального диаметра пазов к наружному; BD^ и^ргго$ 2 — комплекс . постоянных величин (р — платность материала колеса, кг/м3; и — коэффициент запаса по пределу текучести; Щм"" предел текучести, Па).
Число пазов .
_ лРг 24Х — 2(1—X3) ВР1_ а 24 — 3(1 — V) BDI
(9.61)
Результирующая вероятность пер®" хода молекул /(max изменяется 11 высоте паза пропорционально изм, нению окружной скорости.
Среднее значение результирующей вероятности перехода молекул через дисковое рабочее колесо на среднем по высоте паза радиусеСреднее значение результирующей вероятности перехода молекул через дисковое рабочее колесо на среднем по высоте паза радиусе^тах ср^тах срД “3 * +Ун 2 ’Д “3 * +Ун 2 ’(9.62)(9.62)где А = f (a* a(byПодставив в уравнение (9.50) значения Лтах ср и F из уравнений (9.62) н (9.60), получим зависимость для определения наружного диаметра дискового рабочего колесагде А = f (a* a(byПодставив в уравнение (9.50) значения Лтах ср и F из уравнений (9.62) н (9.60), получим зависимость для определения наружного диаметра дискового рабочего колесаРн<с. 9.69. Зависимость С = f(X)Рн<с. 9.69. Зависимость С = f(X)D» = CD» = C36,4 (л/8) (Л/у„) "УТТМ ’36,4 (л/8) (Л/у„) "УТТМ ’(9.63)
Среднее значение результирующей вероятности перехода молекул через дисковое рабочее колесо на среднем по высоте паза радиусе
Среднее значение результирующей вероятности перехода молекул через дисковое рабочее колесо на среднем по высоте паза радиусе
^тах ср
^тах ср
Д “3 * +
Ун 2 ’
Д “3 * +
Ун 2 ’
(9.62)
(9.62)
где А = f (a* a(by
Подставив в уравнение (9.50) значения Лтах ср и F из уравнений (9.62) н (9.60), получим зависимость для определения наружного диаметра дискового рабочего колеса
где А = f (a* a(by
Подставив в уравнение (9.50) значения Лтах ср и F из уравнений (9.62) н (9.60), получим зависимость для определения наружного диаметра дискового рабочего колеса
Рн<с. 9.69. Зависимость С = f(X)
Рн<с. 9.69. Зависимость С = f(X)
D» = C
D» = C
36,4 (л/8) (Л/у„) "УТТМ ’
36,4 (л/8) (Л/у„) "УТТМ ’
где
(9.64)
НаНарис. 9.62 зависимость (9.64) приведена при различных значениях и2 для рабочих колес из алюминиевого
На
На
сплава Д16 (о0,2 ~ 274 МПа: р = = 2700 кг/м3; коэффициент запаса по пределу текучести принят п = 5). Большее значение п по сравнению с рекомендуемым в корневом сечении лопаток газовых турбин авиационных двигателей (обычно п = 2,2 ... 2,5) объясняется значительными изгибающими усилиями в корневом сечении при возможной вибрации лопаток. Уменьшение коэффициента п с 5,0 до 2,0 увеличивает допускаемую окружную скорость и2 рабочего колеса на 55... 60% при увеличении Smax йа 40 60%, а ттах в 1,2 при откачке водорода и в 1,4 ... 1,5 — при откачке азота.
В связи с тенденцией к увеличению частоты вращения роторов ТМН все более важное значение приобретает нх балансировка. Допускаемый дисбаланс Рд0П, г-см, определяют по Ф°Рмуле иДоП = 0,107тр/пр, где тр — масса ротора, г: пр — частота враще- Ни" ротора, с-*. Р
При выборе подшипников для ТМН е°бходимо стремиться к тому, чтобы
скоростной фактор #в» равный произведению диаметра подшипника d, мм, на частоту вращения ротора пр> с-1, был меньше предельной величины, т. е. ^в 13 000 мм.с"1.
Каждому значению окружной скорости и2 соответствует оптимальное значение X, при котором комплекс С минимален, следовательно, заданной максимальной быстроте откачки Smax соответствует минимальный наружный диаметр рабочего колеса D^. Минимальному значению комплекса С ^ 0,09 при оптимальном Хор* ^ 0,82 соответствует w2 — 275 м/с.„ При больших значениях окружной скорости увеличивается комплекс С, а следовательно, и наружный диаметр рабочего колеса D^, рассчитанный на заданную быстроту откачки.
Таким образом, для получения минимального наружного диаметра дискового рабочего колеса из алюминиевого сплава при условии обеспечения заданной быстроты откачки и необходимой прочности окружную скорость на периферии колеса следует принимать в пределах w2 = 250 ... 300 м/с, а Хк 0,80 ... 0,84.
Для создания больших перепадов давлений при меньшем числе рабочих колес в насосе целесообразно принимать большие значения окружной скорости ц2 и соответствующие им значения X (см. рис. 9.62).
При использовании материала с большим пределом текучести диаметр рабочего колеса'£)2 можно уменьшить.
Для рабочих колес из высокопрочных сплавов, например ВТ14 (о® 2 = = 1,095-10» Па; р = 4,52.103 кг/м3), значение окружной скорости следует
Рис. 9.63. Зависимость CmIn, *opt ” °2 от а01|/рРис. 9.63. Зависимость CmIn, *opt ” °2 от а01|/рXXх sin ах sin ах аг к т.х аг к т.а-м» (*-мтMi-х)—J- ^-^а-м» (*-мтMi-х)—J- ^-^
Рис. 9.63. Зависимость CmIn, *opt ” °2 от а01|/р
Рис. 9.63. Зависимость CmIn, *opt ” °2 от а01|/р
X
X
х sin а
х sin а
х аг к т.
х аг к т.
а-м» (*-мт
Mi-х)—J- ^-^
а-м» (*-мт
Mi-х)—J- ^-^
принимать в пределах и2 = 400 ... 500 м/с HzXopt — 0,81 ... 0,86.
На рис. 9.63 Приведены зависимости Cmln, ^opt и “з от о0,2/р. полученные для рабочих колес из материалов с различными прочностными характеристиками О,,2/р.
Методика определения основных размеров дискового рабочего колеса ТМН состоит в следующем. Используя графическую зависимость, приведенную на рис. 9.63, по отношению OoVp для выбранного материала колеса определяют оптимальное значение Xopt и соответствующую окружную скорость и2. Далее задаются углом а наклона паза и отношением а/Ь.
Рис. 9.64. Схема колеса с лопатками переменных толщины и ширины
Из уравнения (9.60) определяют комплекс AF/(_nD$). Среднее значение ре. зультнрующей вероятности перехода молекул через рабочее колесо опре- деляют по табл. 9.16 или подсчитывают по формуле (9.58) с учетом выражения (9.62).
По заданной быстроте действия проектируемого вакуумного насоса S = = (0,95 ... 0,90) Smax из уравнения (9.50) определяют суммарную торцо- вую площадь пазов F. По найденным значениям F и комплекса 4Ё/(л£)|) находят наружный диаметр рабочего колёса D^, а затем по Xopt — начальный диаметр пазов Di.
Задавшись шириной 6' (см. рнс. 9.61) дискового колеса (обычно 6' = 2,0...3,0 мм), определяют ширину паза из условия обеспечения выбранной геометрии межлопаточного канала
а = (а/6) б'/sin а. (9.65)
Число пазов в колесе рассчитывают по формуле (9.61).
Предложенная методика определения основных размеров дискового рабочего колеса для улучшения технологии изготовления пазов предполагает корректировку полученных значений. Если расчетная толщина лопатки в корневом сечении меньше 1 мм (что усложняет технологию изготовления), необходимо повторить расчет основных размеров колеса, задавшись отношением X < Xopt. Повторный расчет дает немного большую толщину лопатки в корневом сечении.
При корректировке можно также задаваться необходимой из конструктивных соображений толщиной лопатки в корневом сечении.
Лопаточное колесо.
В ТМН с быстротой действия более 0,4 м3/с обычно применяют лопаточные колеса, так как использование рабочих колес с радиальными пазами приводит к увеличению радиального размере насоса и усложнению технологии изготовления, а также ограничению бй' строты действия. Лопаточные рабочие колеса по сравнению с дисковым» имеют более высокий коэффициент использования торцовой поверхности Дл переноса молекул откачиваемого га3 через межлопаточные каналы.
Основные размеры лопаточного колеса ТМН (начальный диаметр Ол У основания лопаток, наружный диаметр Di, отношение X = D-jDit число г межлопаточных каналов или лопаток, толщина колеса у корня лопатки Es и на периферии Нг, длины Ьг и Ьг лопаток в этих сечениях — рис. 9 64), характеризующие геометрию рабочего колеса, определяют, исходя из условий обеспечения необходимой структуры межлопаточного канала колеса и допустимого напряжения при разрыве в корневом сечении лопатки.
При изменении толщины и длины лопатки по линейному закону (общий случай) основные размеры лопаточного колеса ТМН определяют следующим образом.
Приняв отношения диаметров X — = DilD2 = 0,50...0,65, толщин лопатки ф = h^hT — 0,3 ... 1,0 н колеса 0 = Н^Н^ — 1,0 ... 1,3, определяют допускаемую окружную скорость и^ рабочего колеса на конце лопатки, материал которой имеет предел текучести о0,2 и плотность р при коэффициенте запаса п по пределу текучести:
иЙ = -^-(1 —X)8 {0,25(1 —Х‘) х
х (е-1)(ф-1) +
+ К1-ад [(е-1)(1-Хф) +
+ (Ф-1)(1-хе)] +
+ 0,5 (1 — X8) (1 — Хф) (1 - Х0)}-1.
(9.66)
Толщину лопатки принимают равной h, = 1 ...3 мм, толщину колеса "1, мм, определяют по эмпирической формуле Hi = Зн + 2, где SH ■— рабочая быстрота действия иасоса, м3/с.
По заданной быстроте действия про- ектипуемого вакуумного иасоса S = ~ (0,90 ... 0,95) Smav определяют иа- РУжйый диаметр рабочего колеса
D; = ^mav / “1 I М 'l х 18,2лУГЛИ \ <>1^1 /
хГ(А + А!г^У)х
L \ п 1 — л /
1
хL—
J ж нх 1-х
1
xf^]-',(9.67)
где Smax — максимальная быстрота откачки ТМН, м3/с; аг^Ьг— отношение ширины межлопаточного канала и длины лопаткн у корневого сечения (обычно аг1Ьх = 0,7 ... 1,1); х — относительный текущий радиус колеса (х = xlR^; Ki — результирующая вероятность перехода молекул газа через межлопаточный канал, имеющий геометрические параметры и скорость движения, соответствующие сечению иа радиусе х [определяют по табл. 9.16 или по формулам (9.53)— (9.58)].
Для определения К* по табл. 9.16 вычисляют
/ а X1 — X
\ 6x(0-i) + (i-ex) х
уА (' ~И)(*-Ml
А L к 6, и, x(i-x)
(9.69)
Отношение окружной скорости колеса в сечении на радиусе х к наиболее вероятной скорости теплового движения молекул газа с8 = хи^/Ид,
Для обеспечения максимальной быстроты откачки угол наклона лопатки задают в пределах а = 35 ... 40”. Толщина лопаток и колеса иа периферии: й2 = фй,; Н» = %НХ.
Число лопаток колеса
л sin а
Нх (axlbx)+ Uh/Hxy (9•70,
Максимальное отношение давлений рабочего колеса
^тах —
X
1 । ^
7 +
x^VvK'*it~)-
1 — Х1р
1 —X
1
1 ^П Эс
где К^х и Апх — вероятности перехода молекул газа через межлопаточный канал, соответствующий сечению на радиусе i, со стороны пониженного давлении на сторону повышенного давления и в обратном направлении.
В прикидочных расчетах максимальную быстроту откачки и максимальное отношение давлений приближенно определяют по параметрам межлопа-- , ■ точного канала на среднем радиусе, В этом случае
сср^0,5(1 +Х)(а3/Ун); (9.72)
° 1 b /ср
(1 —|— X) Qj/^i + (1 — ^Х} ^х!И1.
(9.73)
Smax = 36,4 ~\/Т]МКщах ср^> (9*74)
^ Алах ср = ^хср ПРЙ *ср
Оптимизация рабочего колеса, обеспечивающая его минимальный диаметр П2 при неизменном Srnax, достигается в результате исследования совместного влияния параметров X, axlbx (рис. 9.65), тр, 0 на диаметр Dy. В зависимости от параметров *ф и 9 оптн-
мальные значении X аА = 0,8 ... 1,2.
0,5 ... 0,7.
1
/И 1-
х
1
X
0,60
0,59
сг,/^
1,4
058 0,81,01,2
б)
Рис. 9.65. Зависимость
ajbx при ф — о,з 9
е *
пг
1,0
1,30 (0)
от (а)
После опоеделеиия всех
ческих параметров
отношения
И ф= 1»°»
геометри-
рабочего колеса
уточняют максимальную откачки
быстроту
21Ьх
. с л£)^. 18,2VTIM
5шах"^KWhT х
1
hi 1-
Нх 1—ХА)
хК в dx — X —гу—. \ К = dx
ri х 1 —~ J
и максимальное отношение давлений по уравнению (9.71).
(9.75)
При определении Da, ттах й Smax необходимо вычислить интегралы 111111 z
С xK^dx; \ K¥dx; \ хК.= dx; I хКп ^dx; I К, = dx; I Хи ?dxf .
XXXXX
которые для упрощении расчетов можно заменить суммами: ’
J xK^dx ~.^(t(_i +Sf) (Kx(W)+^ X
где m — число участков, на которое разбивают область интегрирования;
Xj — радиус /-го участка.
Наиболее распространены рабочие колеса постоянной толщины с лопатками постоянной толщины. Их рассчитывают по формулам (9.66)—(9.75) при ф — 1 и 0 — L
Как показывает практика конструирования и испытания рабочих колес ТМН, в зависимости от значений геометрических параметров 9, ф, hJHx> йх/ЬХ1 К, Хд (где Хд ~“ Dд//^2 — отношение внутреннего диаметра £)д
диска колеса к его наружному диаметру D^) допускаемое напряжение; обеспечивающее работоспособность колеса,.может возникать либо в корневом сечении под действием центробежной силы, т. е. при ол = [о) ~ о012/л, либо на внутреннем диаметре диска колеса под действием тангенциального - напряжения, т. е. при ат П1ау ~ !о]д — = о0,2//гд (где «д — коэффициент запаса по пределу текучести для материала диска колеса).
Тангенциальное' напряжение в диске ■колеса
^т max^т maxР«1 V (.2 Г^Нг, (3 + р) (1-Л)3'
^т max
^т max
t1"^ I [MW^ 4Х
(9.76)(9.76)2(1-ю (1-хН
(9.76)
(9.76)
Д 4Х Г
где
Х=/~ (в — 1)1) +
+ Ц^ Р9 -ПО” XW +
+ (t -1)(1- XO)J +
+ -!-^-8(i -9X)(1-#);
H — коэффициент Пуассона (дли алю- миниевых и титановых сплавов и « ^0,3)
Следовательно, окружная ско- Р°сть а2 йа периферии рабочего колеса
ограничена значениями дл* или от.П!2Х. Если
' - Ол = М = ^О.а/л
н °r max [^)д ” °о,2/пд>(9.77)
то а2 определиют по уравнению (9.66) Если
ол< 1Ю = W”
И °*т шах ” (°1д ~ ^о.гМд» (9.78)
то из уравнения (9.66) с учетом выражении (9/76) рассчитываю?
«I = У5ГЩ^ЛР7(Р^ХХ). (9.79)
»г<а<»г<а<Рис. 9.66. Схема межлопаточного канала с непараллельными стенкамиРис. 9.66. Схема межлопаточного канала с непараллельными стенками0-10-1У = Х2У = Х2++(З + нХ1-^(З + нХ1-^4Х J (1-^) (1 — X)14Х J (1-^) (1 — X)1гдеXгдеXпри Y < п)пупри Y < п)пуппдппдУ = VУ = Vе.е.+ АД2 (1-Х2) 2ор, 2+ АД2 (1-Х2) 2ор, 23 + Ц2(1 — X2)3 + Ц2(1 — X2)
»г<а<
»г<а<
Рис. 9.66. Схема межлопаточного канала с непараллельными стенками
Рис. 9.66. Схема межлопаточного канала с непараллельными стенками
0-1
0-1
У = Х2
У = Х2
+
+
(З + нХ1-^
(З + нХ1-^
4Х J (1-^) (1 — X)1
4Х J (1-^) (1 — X)1
где
X
где
X
при Y < п)пу
при Y < п)пу
п
пд
п
пд
У = V
У = V
е.
е.
+ АД2 (1-Х2) 2ор, 2
+ АД2 (1-Х2) 2ор, 2
3 + Ц2(1 — X2)
3 + Ц2(1 — X2)
где
,26^1
. (°1Л1 + ^1/^1) (^ ^д)
-tar^
Таким образом, если от тг^па 2> ап, ■ то а2 определяют по формуле (9.79), а если от тах^д <С ал, — по формуле (9.66)
В общем виде
«2 = Va0, 2 (1 —XV/CpXXt),
Равенство У = п^пд выражает условие, когда в корневом сечении лопатки и на внутреннем диаметре диска колесв
допускаемые напряжения равны, т.
Од ~ О012. -
При 0 = гр = 1,0:
Х = 0,5(1 — X2) (Г— X)2;
од =О,5р«| (1 — X2) У;
_;3рр
WA I
ьххч<1
^с.ст\
Рис. 6.67. Схема ступени ТМН
2Ш
_(а,/6] + ^1/^1) (^2 — Ц)
“2~ И р(1-Х2')Х‘
Теоретически и экспериментально исследована возможность улучшения откачной характеристики колеса ТМН I применением межлопаточных каналов с непараллельными стенками (дисковые колеса) или лопаток, установленных под разными углами а (лопаточные колеса) — рис. 9.66.
В диапазоне относительных скоростей сг = uju-н = 0,2 ... 1,2 максимальные быстрота откачки и отношение давлений для отдельного канала с плоскими непараллельными (сужающимися) стенками можно увеличить иа 50% по сравнению с их зиачеинямя для межлопаточного канала с параллельными стенками. Однако максимально возможное увеличение быстроты откачки колеса не превышает 10%.
Влияние осевых и радиальных зазоров на откачную характеристику ступени ТМН. Зазоры между колесами 601 (осевые), между колесом и корпусом насоса 6р. р, между колесом И валом 6р. ет (радиальные) (рис. 9.67) существенно влияют на откачную характеристику колеса, ступени и насоса в целом.
Статорное колесо работает в оптимальных условиях, если оно расположено в рабочем пакете между роторными колесами, обеспечивающими перенос молекул газа через его меЖ- лопаточные каналы или пазы в направлении откачки. Эффективность этого процесса зависит от расстояния между торцовыми поверхностями: при увеличении зазора 6О1 влияние рабочего колеса, отражающего молекулы газа в сторону статорного колеса, уменьшается, так как возрастает вероятность столкновения молекул с нв" подвижной поверхностью корпуса я* coca, вследствие чего уменьшаете» вероятность перехода их через канал™ или пазы статорного колеса.
Таким образом, при увеличении зазора 501 ослабевает воздействие, оказываемое на статорное колесо роторным колесом, расположенным перед ним на стороне всасывания, что, в свою очередь, приводит к уменьшению ттах. Прн изменении осевого зазора 601 максимальная быстрота откачки остается практически постоянной, поскольку значение Smax первого роторного колеса не меняется.
Практически осевой зазор между рабочими колесами выбирают из условий монтажа. Для ТМН с рабочими колесами диаметром О2 = 100 ... 200 мм принимают 601 = 1,0 ... 1,2 мм. Для насосов с рабочими колесами диаметром D2 = 500 ... 700 мм зазор 601 « «2,0... 2,5 мм. Большие значения осевого зазора при увеличении наружного диаметра колес определяются возможным возникновением вибрации лопаток.
Для увеличения эффективности работы колес ТМН целесообразно назначать минимальные радиальные зазоры, учитывая при этом конструктивные особенности насоса. При увеличении отношения площади F3. р сечения радиального зазора между роторным колесом и корпусом к торцовой площади Fn. р пазов или меж- лопаточиых каналов рабочего колеса возрастает проводимость кольцевой щели U8, а следовательно, и обратный поток через нее. что приводит к уменьшению быстроты откачки, а также максимально создаваемого и рабочего отношений давлений. Необходимо стремиться к тому, чтобы отношение Fa-plFn. р не превышало 0,02.
При увеличении радиального зазора между валом и статорным колесом Уменьшается максимальное отношение Давлений, создаваемых роторными колесами, вследствие увеличения обратных потоков газа через кольцевой зазор под действием перепада давле- ний; при этом уменьшается тшах ступени. Для обеспечения эффективной Работы ступени с учетом ее крнструк- ТИвных особенностей следует приии- мать F3. от/Fn. ст = (4 ...6) 10~*.
ТМиСЧет откачной характеристики
Откачная характеристика ТМН Пределяется предельным остаточным
Ю П/р Е. С.,Фролова
давлением, рабочей быстротой действия и форвакуумным давлением.
Предельное остаточное давление, создаваемое ТМН при молекулярном режиме течения газа на стороне нагнетания, зависит от числа ступеней, потоков газовыделеиия с внутренней поверхности корпуса и деталей ротора, расположенных в полости всасывания, быстроты действия насоса, а также степени герметичности рабочей полости насоса. Рабочая быстрота действия насоса зависит от геометрии межлопаточных каналов или пазов колес и согласованности их характеристик.
Конструктивное выполнение ТМН обеспечивает сравнительно высокую герметичность рабочей полости, поэтому предельное остаточное давление прежде всего зависит от потоков газо- Еыделения с внутренней поверхности корпуса, участка вала, расположенного в полости всасывания, а также с торцовых поверхностей рабочих колес; обращенных к полости всасывания.
В настоящее время Корпуса ТМН, как правило, изготовляют из хромоникелевой коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т, а рабочие колеса — из алюминиевых сплавов. Результаты исследований газовыделеиия хромоникелевых коррозионно-стойких сталей показали, что потоки газовыделе- ния и состав выделяемых газов зависят от параметров шероховатости обработанной поверхности, температуры прогрева- ее в высоком вакууме, а также наличия оксидных пленок.
Средний удельный поток газовыде- леиия для коррозионно-стойкой стали с тщательно очищенной поверхностью после прогрева в высоком вакууме составляет 3,0 (10“8 ... 10~10) ПаХ Хм^с-м2). Поток газовыделеиия с поверхности алюминиевых сплавов зависит также от химического состава, структуры, температуры и времени обезгаживании поверхности, оксидных пленок. Средний удельный поток газовыделеиия с поверхности алюминиевых сплавов после прогрева в высоком вакууме составляет (2,0 ... 5,0)Х X Ю~7 Па-м^с-м8).
Предельное остаточное давление, Па, создаваемое ТМН, без учета натека-
Рис. 9.68. Зависимость коэффициента Г" от отношения lib для шелевых каналов при молекулярном течении газаРис. 9.68. Зависимость коэффициента Г" от отношения lib для шелевых каналов при молекулярном течении газа
Рис. 9.68. Зависимость коэффициента Г" от отношения lib для шелевых каналов при молекулярном течении газа
Рис. 9.68. Зависимость коэффициента Г" от отношения lib для шелевых каналов при молекулярном течении газа
где R — универсальная газовая постоянная. Дж/кмоль; а — периметр окружности колеса, м; b — радиальный зазор, м; I — ширина колеса, м* Г” — коэффициент, зависящий от геометрических разменов зазора (рис. 9.68);
Для азота при Т ~ 293 К проводимость UT — 314 аЬ^ГЧи Для Лго рабочего колеса So$ == Sf + Ui (т/—. — 1,0), где
St = Si^/ti-Y + Огв. пр i]p4 ’ " . (9.84)
/="
Qre. по i ~ S ^)1ЯН — (9.85) /=1
ния гада при возможной малой негерметичности определяют по формуле
Ро = ^FiQl/S, (9.80)
где Fi—площадь участка поверхности газовыделення, м2: а. — удельный поток газовыделения. Па-м3/(с-м2); S — ‘ рабочая быстрота действия насоса, м8/с.
Общее отношение давлений для насоса
п
Тоб = Рф/Ро = П ть (9.81) t=i
где рф — форвакуумное давление; т^ — рабочее отношение давлений для i-го колеса.
Быстрота откачки 1-го рабочего колесаt
Sol-Si+ ^(-4-1.0), (9.82) где Si ' = SH + QrB. BC/pi — объем газа, откачиваемого первым и всеми последующими рабочими колесами насоса (SH — заданная быстрота действия и асоса; QrB вс — поток газовыделения на всасывании; pi — давление .всасывания); U^ (тг— 1.0) — объем газа, перетекающего через радиальный кольцевой зазор и откачиваемого только первым колесом.
Проводимость кольцевого радиального зазора
и - 8fl6a Г
U1 3 V 2лМ I г '
(9.83)
поток газовыделения с поверхностей между i — 1-м и 4-м колесами; р^ — давление всасывания для Pro колеса; / — порядковый номер участка поверхности газовыделения перед /-м колесом.
Рабочее отношение давлений для t-го колеса с учетом перетеканий газа и газовыделении можно определить по формуле
<S
Tf = Tmax д^^ (Хтях д< — 1,0),
^max t
(9.86)
гдетщах д; — максимальное отношение давлений для /-го колеса.
При" учете перетеканий газа через радиальный зазор
Tmax'Hf =
Smax i^max i +
+ #/(^maxi,— UP) (
Smax f + Ui (Tmax i UP)
(9.87)
Определение откачной характеристики ТАШ основано на согласованности последовательно работающих роторных и статорных колес, характеризуемой уравнением потока Q = Sp-
Результаты теоретического исследования влияния геометрии межлопаточных каналов рабочих колес, а также основных параметров на откач- иую характеристику ТМН показывают, что предельное остаточное давление, создаваемое ТМН, определяется потоком газовыделения с внутренней А0-
ерхности корпуса насоса и деталей оотора, расположенных в полости вса- ■ывания" (при пренебрежении натека- чием газа * из окружающей среды ■ и возможно малой негерметичности ТМН), рабочей быстротой действия и числом ступеней. Применение в ТМН рабочих колес с малыми углами а наклона паза илн лопаток в последних ступенях приводит к уменьшению предельного . остаточного давления только при малом газовыделе- нии по сравнению с быстротой действия. При относительно больших прто- ках газовыделения для улучшения"4 откачной характеристики ТМН следует выбирать открытую структуру межлопаточных каналов рабочих колес с углом а “ 35 ... 40°, так как достижение минимального давления з этом случае возможно только при увеличении рабочей быстроты действия насоса.
Критерием для выбора оптимального варианта проточной части' ТМН при заданных условиях служит минимальный условный объем пакета рабочих колес Vy = 0.25 лП^, поскольку при увеличении наружного диаметра Р2 по сравнению с его минимальным значением, определяемым из условия обеспечения прочности, число колес N, необходимое для обеспечения заданного отношения давлений, уменьшается вследствие относительного снижения влияния нг1 быстроту действия И1 отношение давлений' газовыделения с внутренних поверхностей насоса и перетеканий через оадиальные зазоры. При- нарушении молекулярного режима течения газа в проточной части (смешение рабочей зоны характеристики насоса ппи эксплуатации в область повышенных давлений) число колес должно быть увеличено. Проточную часть ТМН рекомендуется выполнять двух- или трех секционной, причем в первой секции следует применять рабочие колеса с открытой ^руктуоой межлопаточных каналов 40°; alb « 1,01,4),
л в последней' — колеса с а — 10...
20 и а)Ь to 0,60.8.
Форвакуумный , насос должен обес- ”ечнвать молекулярный режим тече- йя газа "за последним рабочим колено*•
сом на стороне нагнетания ТМН. При этом во всем диапазоне изменения ; давления всасывания ТМН быстрота действия форвакуумного насоса не должна быть меньше быстроты действия ТМН, приведенной к условиям нагнетания.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований характеристик ТМН показывают, что при повышении давления всасывания примерно до р — 1,0 ... 0,1 Па в рабочих колесах насоса возникает молекулярно-вязкостный или вязкостный режим течения газа, вследствие чего резко уменьшаются быстрота действия насоса и отношение давлений.
В иас^эящее время в качестве форвакуумных обычно используют плунжерные шасосы, создающие при быстроте действия S ™ 0 давление 1;0 ... 0,1 Па. Результаты экспериментального исследования влияния форвакуумного давления на предельное остаточное давление, создаваемое ТМН, показали, что предельное давление всасывания, до которого быстрота действия не зависит от р, составляет 0.1 ...1,0 Па. Учитывая, что для ТМН при работе, на этих режимах т to 100, следует принимать промежуточное давление, т. е. давление нагнетания ТМН и давление всасывания форвакуумного насоса, ие более 65 ... 130 Па. При этом значении промежуточного давления быстрота действия форвакуумного насоса и быстрота действия ТМН, увеличенная на поток газовыделения в нагнетательной полости, должны быть равны.
Применение в качествё форвакуумных вакуумных насосов, создающих давление ниже 0,1 Па, целесообразно, когда отношение давлений для ТМН меньше отношения давления всасывания предполагаемого форвакуумного насоса к предельному остаточному давлению, определяемому уравнением (9.80), т. е. когда отношение давлений ТМН определяется числом ступеней,, а не потоком газовыделения с внутренней поверхности корпуса насоса и деталей ротора.
Порядок расчета откачной характеристики ТМН.
Газодинамический и прочностной расчеты рабочих колес, определение
их объемных характеристик и геометрических размеров,
Определение суммарного потока газовыделения с внутренней поверхности корпуса и деталей ротора, расположенных в полости всасывания насоса (Qrs. вс)* а также между рабочими колесами (QrB. пр
Проверка предельного остаточного давления по уравнению (9.80).
Выбор форвакуумного иасоса, обеспечивающего за последним колесом ТМН молекулярный режим течения гача.
Определение числа рабочих колес (роторных и ста горных) последовательным подсчетом отношения давлений для каждого колеса, начиная с первого, до достижения Форвакуумного давления, а также определение общего отношения давлений по - уравнению (9.81). При этом считают, что быстрота откачки первого рабочего колеса, а следовательно, быстрота действия всего иасоса SH = 0, что соответствует минимальному потоку газа. Таким образом, быстрота откачки первого колеса определяется потоком газовыделения на всасывании и потоком газа, перетекающего через радиальный зазор, т. е. *$о1 " 9гв. вс ^Ро “г ^i (И — 1.0). Отношение давлений для первого колеса определяют по формуле (9:86).
Давление перед 7-м рабочим колесом
Pi = Pi-A-v (9.88)
Приняв поток газа в пределах от Qmin ф Д° *$тахРф» определяют расчетные точки откачной характеристики ТМН во всем диапазоне давления всасывания.
Определяемый потоком газовыделения минимальный поток газа, приходящийся иа форвакуумный насос:
Qmtn ф = QrB. вс +
1”П
+ S Qfb, пр i + Огв. ф>Z=2
где бгв.ф — поток газовыделения в полости нагнетания ТМН (после последнего рабочего колеса).
По характеристике форвакуумного насоса с учетом Qф — Qmin ф уточняют давление рф, а затем р0.
Отношение давлений иа последнем N-м рабочем колесе
, ^Tmax дТУ^тах X
, ^' ^тах дг +’
+ (^+1 — ^ГВ. ф/Рк*1)Х
X (Тщах д^ *— 1,0)
где ^ЛЧ1 ” ^тт ih/P^i’ Pnm~P^. Для (-го колеса .
' Чпах дг*$тах I
-^птах i "г* .
+ (si+l “ ^гв. пр <i-H)/Pi*i)X
X (Тщах д1 1 >0)
(9.89)
По значению т^ определяют быстроту действия последнего колеса
Sjy — ('$^+l ^гв. ф/Рмл-х) Давление перед последним колесом Pn Рф/Тм*
Далее в той же последовательности определяют значения т;, S., р^ для всех колес до первого. Таким образом находят истинное значение р0.
Часто требуется определять откачную характеристику по рабочему давлению всасывания рр, соответствующему заданной быстроте действия SH. В этом случае пои определении числа ступеней быстроту откачки первого рабочего колеся определяют с учетом заданной быстроты действия насоса Soi = SH 4- Сгв. вс1Рр 4~ ^t (^i — 1 »0)^
Мощность двигателя ТМН является суммой мощностей: расходуемой на сжатие газа, необходимой для компенсации механических потерь, затрачиваемой на привод масляного насоса, если последний не имеет индивидуального двигателя.
Мощность., расходуемая на сжатие газа, близка к изотермической, таК как, несмотря на большие отношения давлений (до 108 ... 1010), ТМН отличаются1 очень малыми массовой производительностью и плотностью газа (давление всасывания 10-10 ... 10~8 Па)* Под сжатием газа в ТМН понимают процесс переноса рабочими колесами молекул газа в направлении повышения давления, основанный на разли4 ных сопротивлениях потокам газа-
Таблица 9.17
. Параметр
Способ определения
Результат
Быстрота действии S, м*/с
Рабочий диапазон давлений р, Па
Откачиваемый газ
Молекулярная масса откачиваемого газа М
Температура откачиваемого газа
•
Форвакуумное давление рф, Па
Материал рабочих колес
Предел текучести материала ра
бочих колес Oq, 9, МПа
Плотность материала рабочих колес, кг/м3
Коэффициент Пуассона р
Исходные данные
1,0 Ы0-»0,1
Азот 28
293
0,1 Алюминиевый сплав 274
2700
0.3
Д16
Коэффициент запаса прочности по пределу текучести:
в корневом сечении лопатки п втулки рабочего колеса на внутреннем диаметре п^
Отношение;
диаметров X
д|’ метров Хд
ин ины к длине лопатки у осио- b.hihr ajbx
толщин лопатки ф
толщин рабочего колеса 0
"Угол установки лопаток а, ° Толщина лопатки у основания
Принимают
5,0 1,4
0,55 0,30
1,0
1,0 1,0 35 ыо-*
Толщина рабочего колеса у основания лопатки Ht> м
4.10*1
Окружная скорость и$ рабочего колеса на наружном диаметре D*, м/с
Наиболее вероятная- скорость теп? лового движения молекул газа и_ и/с. н’
Формула (9.79)
Формула (2.28)
239,5
417,1
Конструктивная схема ТЫН
Число пакетов рабочих колес
Принимает
Одкопоточный тан с вертикальным расположением вала
1
Максимальная быстрота действия
*асоса ^шах* »^_
Принимают с учетом: 3/(0,900,95) =
1,11
Наружный диаметр рабочего ко-
<еса D1% м . -'
, “ ^тах Формула (9.67)
0,271
ачальный диаметр Dt основания
■№аток, м
ТГовН"е^Н°е отношение диаме-
Di = XD^
X = D1/D,
0,149
0,55
^г°м/сИНаЯ ОКРУЖИаЯ скорость
^сло лопаток z
п-2ЧНени°е. отношение flt/6i
Мал СТвит®льное значение макси- льной быстроты откачки S
формула (9.79)
239,5
Формула (9.70)
Формула (9.69)
Формула (9.75)
53 1,017 1,117
294МЕХАНИЧЕСКИЕ ВАКУУМНЫЕ
НАСОСЫ
' Продолжение табл.
Параметр
Способ определения
Результат
Максимальное отношение давле- иий тшах при S = 0
Формула (9.71)
Радиальный зааор бу, м
Принимают
Проводимость кольцевого зазора, ма/с: .
между корпусом и рабочим ко
лесом [7р
между статорным колесом а валом Uст
Формула (9.83)
Максимальное отношение давлений:
роторногорабочегоколеса
тшах р (с Учетом ир) статорногорабочегоколеса
ттах ст (с У'ет°м UCJ).
Формула (9.87)
1,659 '.
Осевой зазор 6QC> м Удельное газовыделение, Па. м8/(с» м»):
#д13 для сплава Д16 ^ст дЛЯ стали 12Х18Н10Т
Принимают
Исходные данные
То же
. 1.5,10-»
5. 10-’ 2.10-»
Поверхности с различными удельными потоками газовыделения
Площадь поверхности, м»: FV- тс со стороны всасывания
FBC со стороны всасывания (9ст)
■Fnpme «ежду колесами (рд16) Fup. ст меж»У колесами (»ст) f^ дав после последнего рабочего колеса (4Д16)
Рф ст после последнего. рабочего колеса (рст)
Изконструкции
ТМН
Всасывающаяполость —
поверхности корпуса, выхода ротора, заглушки (^ст}, роторного колеса (?щв). Между рабочими колесами — поверхности корпуса, ротора (^ст), роторного, статорного колес (^6)- После последнего колеса — поверхности корпуса, ротора, соединительной магистрали (tfcT) и рабочего колеса (<7тцб)
4.024-10-»
8,6-10*»■
8,048-10-»
Поток газовыделения. Па» м’/с:
<?Гв вс в полости всасывания ч?гв между соседними рабочими колесами
3Гв ф после последнего рабочего колеса
Формула (9.85)
4,038- 10-»
2,312.10-»В
Продолжение табл. 9.17
Параметр
Способ определения
Результат
-~—"
Число рабочих колес N
Откачизя характеристика ТМН
Последовательно, начиная с 1-го колеса, определяют р^ Si и %i [по (9,88), (9.84) н (9.86)1 до тех пор, пока на выходе Nто колеса будет pN j_ ! > > Рф
Аналогично расчету N, но, начиная с последнего (23-го) колеса, определяют . Х^ $1 и Р1 ^по (9-89)* (9.84) и (9.88)]. Для выбранных значений 5ф и Рф вычисляют Dj И Si
1-е колесо роторное: р, = 1-10~* Па; Si = = 1.002 м»/с; т„ = 1.064;
2-е колесо статорное: р, = 1,064. 16—• Па; St = 0.9461 м»/с; т, = 1.097;
3-е колесо роторное:
р, = 1,167. 10-’ Па;
S, = 0,866 м’/с;
т, = 1.144: ..-;
23-е колесо ротооное; рг, = 6,082. 10~» Па; S» = 1,091. 10~‘ м»/с; Т21 = 1,654.
Давление после 23-го колеса р„ = 0,1006; N = 23 sp = o при'S. = 9.51.10-’ м»/с н р, = 9.86- 10-’ Па;
Sp = 0.481 м’/с при 5ф = 10-» м’/с н рх = 1,03. 10~« Па;
Sp = 0.724 м»/с при S* = 3. 10-» м»/С и р, = 2.83. 10-’ Па; Sp = 1.0 м’/с при 5ф — 1.09. 10~- м’/с и р, = 9.95. 10_» Па; ,Sp = 1.05 м’/с
при 5ф = 2. 10“» м’/с н р, = 1,81. 10-» Па.
См. рис. 9.69
■ Турбожолекрлярные насосы295
Механические потери в ТАШ невелики: как правило, ротор насоса вращается в подшипниках качения. Обычно механический КПД ТМН Чмех « 0.95 ... 0,97.
Мощность, затрачиваемая на сжатие газа в насосе, Вт:
Мв = GL№, (9.90) где G = Sp — массовый расход газа, ^ — быстрота действия насоса, м3/с; р = р/(ДД) — плотность газа,, кг/м ; у — минимальное аабочее давление всасывания, Па; R — газовая постоянная, Дж/(кг-К); Т — темпера- ^Ура сжимаемого газа, К]; /-из 7 2’3 RT 1g (p,Jn\ — изотеомическая Работа, Дж/кг.
Мощность двигателя масляного Насоса, Вт:
^м = V^ (рн- м — рм + hgpM), (9.91)
где Км—объемный расход масла, м3 /с; Рн. м и Рм — давление соответственно нагнетания и всасывания масляного насоса, Па; h — напор, создаваемый насосом, м; g —ускорение свободного падения, м2/с; рм — плотность масла, кг/м3.
Мощность двигателя ТМН
W — (Мд + Мм)Л1мех- (9.92)
Целесообразно (особенно для ТМН с большой быстротой действия) мощность двигателя, вычисленную по формуле (9.92), увеличить на 10 ... 15% для увеличения пускового момента и уменьшения времени достижения рабочей частоты вращения.
Пример расчета. Исходные данные: быстрота действия ТМН по азоту S = 1 м*/с в рабочем диапазоне давлений р = 5х Х10-6 ... 0,1 Па; температура газа Т ^
е 293 К; материал рабочих колес — алюминиевый сплав Д16; форвакуумное давление рф = 0,1 Па.
Определить основные размеры и от
качную характеристику ТМН.
Данные расчета сведены в табл. 9,17.
Откдчиая характеристика рассчитан
ного насоса приведена на рис.
Глава 10. Струйные вакуумные насосы
Классификация.
Основные характеристики
Работа струйных вакуумных насосов основана на использовании в качестве откачивающего элемента высокоскоростной струи. В зависимости от вида струи различают жидкостно-, газо- и пароструйные насосы. Практическое применение находят преимущественно жидкостно- и пароструйные насосы. Пароструйные насосы подразделяют на пароэжекторные, бу- стерные и диффузионные
Вакуумные струйные насосы характеризуются предельным остаточным давлением, производительностью, быстротой действия и наибольшим выпускным давлением.
Предельное остаточное давление струйного насоса р0 определяется равновесием между объемами газа, удаляемого насосом, и газа, возвращаемого из насоса в систему. Если начальное давление в системе ръ то конечное давление, достигаемое через время V.
Рг = Pie-St/V + р0,(10.1)
где S — быстрота действия насоса, м8/с; V — объем откачиваемой системы, м3. Из (10.1) следует, что давление р2 в системе, равное предельному остаточному давлению р0, может быть достигнуто только через время 1=оо. Практически предельным остаточным давлением насоса считают создаваемое в системе давление, которое не меняется в процессе длительной откачки более чем на 10%.
Предельное остаточное давление насоса имеет значение в основном для диффузионных насосов, которые часто используют специально для создания минимального остаточного давления в системе. Для эжекторных и бустерных насосов предельное остаточное давление не имеет принципиального значения, так как они предназначены преимущественно для удаления больших потоков газа из откачиваемой системы при относительно высоких давлениях.
Производительность насоса Q складывается из эффективного (полезного) потока Qn и потоков Qe Газов из насоса, обусловленных газо- выделением стенок, циркуляцией растворенного в рабочей жидкости газа, обратным проникновением газа че- . рез струю и др. Таким образом, эффективная производительность
On - Q-Qn. (10.2)
При Q = Q„ т. е. при предельном остаточном давлении, эффективная производительность насоса равна нулю.
Производительность как характе; ристику струйных насосов принято - изображать графически в зависимости от впускного давления рвп в логариф; мнческих координатах lg Q — 1g р^ обычно это — кривая с прямолинейным участком в области рабочих давлений.
Производительность — одна из важнейших характеристик работы эжекторных и бустерных насосов — связана с быстротой действия соотношением
S = Q/p.(10-
В соответствии с (10.2) S^p ». = Sp — Spo, откуда
Sn= S (1 -р<М (10 4)
Таким образом, эффективная полезная быстрота действия 5П равна номинальной быстроте действия S, когда р > Рэ* Sn = 0 при р ^= р01 т. е. при предельном остаточном давлении.
Быстроту действия как характеристику насоса принято изображать графически в зависимости от впускного давления в полулогарифмических координатах S —- 1g рвп* Быстрота действия является основной характеристикой при оценке и выборе вакуумных пароструйных насосов.
Зависимость впускного давления рвп от выпускного рвып Для вакуумных пароструйных насосов имеет три характерных участка ’(рис. 10,1). Сначала с ростом выпускного давления впускное не ■ меняется (участок 7), затем 4io постижении наибольшего выпускного давления рн- вЫП впускное давление начинает резко увеличиваться (участок 77), и, наконец, дав, ления выравниваются (участок III).
Давление рН- вып зависит от давления рвп- Обычно наибольшее выпускное давление Определяют либо при остаточном давлении, либо при впускном давлении, соответствующем наибольшей производительности.
Наряду с приведенными характеристиками при оценке степени совершенства конструкций и экономичности пароструйных насосов используют также удельные характеристики, из которых наиболее важен коэффициент полезного действия.
КПД насоса называют отношение энергии ЕИ, расходуемой на совершение полезной работы сжатия газа в насосе от впускного до выпускного давления, к полной энергии Е, подводимой К насосу т] = EniE. В большинстве случаев, когда температуры откачиваемого газа на входе в пароструйный накуумный насос и на выходе из Него одинаковы, сжатие газа можно считать изотермическим. Тогда выражение Для изотермического КПД имеет вид ^PQHRTln(pBHn/pBn)KMN). (10.5) Где р — плотность откачиваемого газа пРи давлении 1 Па, кг/м3; QH — про-
Ряс. ЮЛ. Зависимость впускного давления струйного насоса от выпускного давления
изводительность насоса, Па*-м3/с; R — универсальная газовая постоянная, Дж/(моль-К); Т — температура откачиваемого газа, К; М — молярная масса, кг/моль; N — мощность, подводимая к насосу, Вт.
Для различных вакуумных паро- струйиых насосов изотермический КПД п - ю-110"4.
Жидкостно-струйные насосы
Принцип действия жидкостно-струйного насоса (рис. 10.2) следующий. Рабочая жидкость в виде турбулентной струи с большой скоростью под давлением истекает через сужающееся сопло 1 в приемную камеру 2. В результате турбулентного перемешивания и вязкостного трения струя захватывает и увлекает в камеру смешения 3 частицы окружающей среды. В камере смешения давления рабочей жидкости и откачиваемой среды выравниваются (давление откачиваемой среды увеличивается). Дальнейшее повышение давления откачиваемой среды до выпускного давления происходит в расширяющемся насадке — диффузоре 4.
Жидкостно-струйные насосы могут откачивать любые газы, пары и парогазовые смеси. Рабочая жидкость также может быть любой, но иа практике распространены в основном водоструйные насосы благодаря возмож-
Ряс. 10.2. Принципиальная схема жнд-^ костно-струйного насоса
ности использования в качестве рабочего тела струи обычной водопроводной воды. Водоструйные насосы изготовляют из любых материалов: стекла, металлов, пластмасс и др.
Основные характеристики жидкостио- струйных насосов — предельное остаточное давление, " производительность я быстрота действия.
Рис. 10.3. Зависимость производительности водоструйного насоса НВВ-i от впускного давления при различном давлении рабочей жидкости (воды)
Предельное остаточное давление, соз. даваемое жидкостно-струйным насосом, определяется давлением насыщенного пара рабочей жидкости и за» висит от температуры жидкости. Так для водоструйных насосов при температуре воды 293 К предельное остаточное давление составляет 2,3 кПа, Однако предельное остаточное пар. пиальное давление воздуха при этом существенно меньше; оно зависит от? содержания воздуха в воде, подаваемой в сопло, и, как показывают опытные данные, при использовании водопроводной воды может достигать 1 Па.
Производительность жидкостно- - струйного насоса возрастает при уве?; личении расхода и давления рж рабочей жидкости, истекающей из сопла насоса. На рис. 10.3 приведена зависимость производительности водоструйного насоса НВВ-1 от впускного давления при различном давлении воды (на рабочем участке кривой зависимость линейная).
Быстрота действия жидкостно-струйного насоса также увеличивается при повышении расхода и давления рабочей жидкости. Так как жидкостно- струнный насос откачивает парогазовую смесь, состоящую из откачивает мого газа и насыщенного пара рабочей жидкости струи, то его быстрота действия по газу зависит от температуры рабочей жидкости, а следовательно, от давления рц насыщенного пара жидкости. Зависимость быстроты действия S, м3/с, жидкостно-струйного иасоса от впускного давления газа рг,вп имеет вид [42]
о , jzn Рг. вп— Рп Тт
Рг. вп 1 ж
хИЛ-Р^т^ и-(10-6) \’ Рг« ВЫПРг. вп /
где К — постоянная для данной рабочей жидкости и откачиваемого газа (для водовоздушного насоса К — 0,85); 9Ж — объемный расход рабочей жидкости, м8/с: Тг и Тж — абсолютные температуры откачиваемого газа и рабочей жидкости, К-
В рабочем диапазоне давлений при Рг. ВП^Рп И Рж ^ Рг. ВЫП ^ Рг. вп бЫ строта действия жидкостно-струйного иасоса ие зависит от впускного давле-
ния, а ПРН предельном остаточном давлении рг. вп ~ рп быстрота действия S = 0.
Дополнительная характеристика жидкостно-струйного насоса — объемный коэффициент эжекции v= S/Q^, равный отношению быстроты действия к объемному расходу рабочей жидкости .
Методика расчета водоструйного вакуумного иасоса. Исходными данными для расчета являются: быстрота действия S при заданном впускном давлении воздуха Рг.вп; температура откачиваемого газа Тг; давление рабочей жидкости (воды) рж; температура рабочей жидкости Тж; выпускное давление воздуха Рг.вып- Требуется определить: диаметр d^ выходного сечения сопла (см. рис. 10.2), диаметр ds камеры смешения, расход воды, характеристику насоса.
Расчет проводят в следующем порядке.
Максимальный объемный коэффициент эжекцни вычисляют по эмпяри-. ческой формуле
v = ^,85 УДрр/Дрс — 1, (10.7) где Арр = рж —рг.вп! Лрс ~Рг. выгг— Рг. вп-
Объемный расход воды [см. выражение (10,6)], м3/с,
л - 1.18Spr, вц Тж
Уж-„
Рг. вп Рп 1 г
V (Рж Рг. вп)/(рр. ВЫПРг. вп) 1
(Ю.8)
Площадь выходного бечення рабб* чего сопла, м2:
Л = Сж/(0,95 У2и Арр), (10.9)
Где р — удельный объем воды, м®/кг.
Диаметр выходного сечения рабо- ^го сопла, м:
ЫЗУЛ-(10.10)
ва^Н°ВЙ0^ ^“^еский параметр
/з//1 = Адр/АРс.(10.11)
Диаметр камеры.смешения
Остальные геометрические размеры принимают из соотношений: расстояние от выходного сечения сопла до входного сечения цилиндрической камеры смешения / та l»5ds; длина цилиндрической камеры смешения /8 та та Ый; выходной диаметр диффузора d4 та 2,5t/s: угол раствора диффузора 8 .
Водоструйный эжектор следует присоединять к сливному бачку трубопроводом, диаметр которого не меньше d^, н длиной примерно КИ4.
Прн откачке паров и парогазовых смесей производительность водоструйного насоса, существенно, больше, чем при откачке сухих аазов, так как насос становится не столько эжектором, сколько конденсатором смешения. Например, производительность водоструйного насоса при откачке водяного пара в 200 ... 300 раз больше, чем при откачке сухого воздуха.
Пароэжекториые насосы
, Принцип действия. Вакуумные пароэжекторные набосы служат для удаления больших потоков газов и парогазовых смесей из различных установок прн давлении 105 ... 1 Па.
Пар под давлением истекает через расширяющееся сопло / (рис. 10.4) со сверхзвуковой скоростью в. виде турбулентной или ламинарной струи. Вследствие турбулентного перемешивания вихрев_ых масс паровой турбулентной струи с молекулами окружающего газа или вязкостного трения между граничными слоями вязкрст- ной струи и прилегающими слоями газа последний захватывается и увлекается в сужающийся насадок — конфузор 2 (камеру смешения), служащий для обеспечения возможно более полного перемешивания пара с газом; этот процесс характеризуется равномерностью значений всех параметров смеси (давления, плотности.
Рис. 10*4. Принципиальная схема эжектора
водяного эжекторного насосаводяного эжекторного насоса* Показатель' .-Значение показателя для конденсатора. смешения барометрическогосмешения низкоуровневогоповерхностногоКонструкционный материалЛюбойЛюбойТеплопроводный металлОтносительный расход охлаждающей воды .Относительная стоимость1'1' 1,5Увеличение высоты насоса , за счет сливных труб, мОчистка охлаждающей воды10Не требуетси■ 1,5' Низкая степень очисгки0Высокая степень очистки 'Откачка загрязненных твердыми частицами сред'Откачка коррозионных сред .'ДопускаетсяНе рекомен. дуетсяДопускаетсяНе рекомендуется То жеНеобходимость очистки воды пе- . ред возвратом в систему водо, снабжения'Есть ■' НетНеобходимость в конденсатном насосе,Возможность попадания воды в систему при аварийной оста- ' новке конденсатного насоса. Нет/ЕстьЕсть* Показатель' .-Значение показателя для конденсатора. смешения барометрическогосмешения низкоуровневогоповерхностногоКонструкционный материалЛюбойЛюбойТеплопроводный металлОтносительный расход охлаждающей воды .Относительная стоимость1'1' 1,5Увеличение высоты насоса , за счет сливных труб, мОчистка охлаждающей воды10Не требуетси■ 1,5' Низкая степень очисгки0Высокая степень очистки 'Откачка загрязненных твердыми частицами сред'Откачка коррозионных сред .'ДопускаетсяНе рекомен. дуетсяДопускаетсяНе рекомендуется То жеНеобходимость очистки воды пе- . ред возвратом в систему водо, снабжения'Есть ■' НетНеобходимость в конденсатном насосе,Возможность попадания воды в систему при аварийной оста- ' новке конденсатного насоса. Нет/ЕстьЕстьТаблица 10.1Таблица 10.1
водяного эжекторного насоса
водяного эжекторного насоса
* Показатель' .
-Значение показателя для конденсатора
. смешения барометрического
смешения низкоуровневого
поверхностного
Конструкционный материал
Любой
Любой
Теплопроводный металл
Относительный расход охлаждающей воды .
Относительная стоимость
1
'1
' 1,5
Увеличение высоты насоса , за счет сливных труб, м
Очистка охлаждающей воды
10
Не требуетси
■ 1,5
' Низкая степень очисгки
0
Высокая степень очистки '
Откачка загрязненных твердыми частицами сред'
Откачка коррозионных сред .'
Допускается
Не рекомен. дуется
Допускается
Не рекомендуется То же
Необходимость очистки воды пе- . ред возвратом в систему водо, снабжения'
Есть ■
' Нет
Необходимость в конденсатном насосе,
Возможность попадания воды в систему при аварийной оста- ' новке конденсатного насоса
. Нет/
Есть
Есть
* Показатель' .
-Значение показателя для конденсатора
. смешения барометрического
смешения низкоуровневого
поверхностного
Конструкционный материал
Любой
Любой
Теплопроводный металл
Относительный расход охлаждающей воды .
Относительная стоимость
1
'1
' 1,5
Увеличение высоты насоса , за счет сливных труб, м
Очистка охлаждающей воды
10
Не требуетси
■ 1,5
' Низкая степень очисгки
0
Высокая степень очистки '
Откачка загрязненных твердыми частицами сред'
Откачка коррозионных сред .'
Допускается
Не рекомен. дуется
Допускается
Не рекомендуется То же
Необходимость очистки воды пе- . ред возвратом в систему водо, снабжения'
Есть ■
' Нет
Необходимость в конденсатном насосе,
Возможность попадания воды в систему при аварийной оста- ' новке конденсатного насоса
. Нет/
Есть
Есть
Таблица 10.1
Таблица 10.1
скорости, температуры) йо сечению потока. Вследствие обмена энергиями при смешении и возникновения скачка уплотнения давление откачиваемого газа возрастает, достигает статического давления смеси, а скорость потока уменьшается до звуковой. В горловине 3 эжектора завершается выравнивание значений параметров смеси, и в расширяющемся. насадке-диффузоре 4 происходит дальнейший переход кинетической энергии смеси в по-' тенциальную, сопровождающийся уменьшением скорости и увеличением давления смеси до выпускного давления за диффузором.
Устройство насосов. В качестве рабочего тела в вакуумных пароэжск- торных насосах обычно используют водяной пар. Давление, создаваемое вакуумным эжекторным насосом, су1 щественно зависит от наибольшего выпускного давления. Обычно одна ступень пароводяного эжектора сжимает газ в 5 ... 10 раз. Как правило, эжекторы конструируют на степень
сжатия не более 10 по экономическим соображениям, связанным с увеличением расхода пара при оольших степенях сжатия. Следовательно, одна ступень эжектора, работающая с выпуском газа в атмосферу, может создавать остаточные давления около 104 Па. Для получения более низких давлений необходимо устанавливать ряд ступеней последовательно. При этом за эжекторной ступенью 4 (рнс. 10.5) обычно устанавливают конденсатор 3, в котором конденсируется пар; газ откачивается следующей ступенью 5. Из конденсатора смешения конденсат удаляется самотеком по сливным трубам 2 в дренажный колодец 1. Водяной затвор в сливных трубах уравновешивает разность между атмосферным давлением и давлением в конденсаторе. Высота затвора около 10 м. Конденсатор 3 распола! ают на высоте около ,11 м над уровнем воды в дренажном колодце.
Дренажный колодец представляет собой емкость, выполненную из бетона или металла. Объем колодца рассчитывают гак, чтобы при создании затвора сливные трубы были заполнены водой не менее чем на 1,5 VT (где 1/т — объем всех труб). Колодец разделен на две части высоким порогом, через который вода переливается из основной камеры. При этом основная камера является отстойником для различных загрязнений, выносимых водой из насоса, что особенно важно при откачке запыленных сред.
Кроме барометрических систем конденсаторов смешения применяют низкоуровневые системы, в которых конденсат сливается в промежуточную емкость, расположенную на 1,5 ... 2,0 м ниже конденсаторов, откуда удаляется конденсатным насосом.
В пароводяных эжекторных насосах применяют также поверхностные конденсаторы, ■ обычно трубчатого типа. Здесь в отличие от конденсаторов смешения теплообмен происходит не в результате непосредственного контакта парогазовой смеси с охлаждающей водой, а через стенки трубок, внутри которых движется вода, а снаружи " парогазовая смесь.
Конденсаторы указанных типов имеют преимущества и недостатки,
с учетом которых выбирают конденсатор для конкретных условий работы насоса. Сравнительные эксплуатационные характеристики насосов с конденсаторами различных типов приведены в табл. 10.1.
В ■ высокопроизводительных пароэжекторных насосах наиболее часто применяют барометрические конденсаторы смешения благодаря простоте Устройства, относительно невысокой стоимости, экономичности эксплуатации и высокой надежности. Низкоуровневые системы конденсаторов смё- Шения, обладающие меньшей надежностью, применяют, когда ограничены размеры помещения. Поверхностные конденсаторы обычно используют в Пароэжекторных насосах небольшой производительности, когда ограничены габаритные размены насоса или недопустимо разбавление конденсата воДой, например пои необходимости улавливания'из конденсата ядовитых, кор
розионных или радиоактивных компо-" нентов.
В многоступенчатых пароэжекторных насосах с промежуточными кон- "денсаюрами давление, создаваемое первой ступенью, существенно зависит от температуры воды в .установленном за ней конденсаторе, поскольку давление за ступенью не может быть ниже давления насыщенного пара охлаждающей воды в конденсаторе. При температуре воды 298 ... 303 К это давление составляет около 4 кПа, следовательно, при степени сжатия 5 ... 10 давление на входе в ступень не может быть меньше 0,4 ... 0,8 кПа. Такое давление обычно создают трех- или четырехступенчатым насосом с двумя-тремя промежуточными конденсаторами. Для получения более низкого давления используют многоступенчатые эжекторные насосы, в которых за первой ступенью нет конденсатора, и, следователь'ио, давление
ступенчатого пароэжекторного насосаРис- 1вл> Лятой ,угунный эжектп9.ступенчатого пароэжекторного насосаРис- 1вл> Лятой ,угунный эжектп9.1 — сопло; 2 — приемная камера з _ ДиффуэЬр с камерой смешен1 — сопло; 2 — приемная камера з _ ДиффуэЬр с камерой смешенё и У ръ Sоооооо О СО СО О СЧ О *-н Гм О СО О ту—■ СО со со —*ОООО СО 00 СЧ СО Ь*ООЮОЮО ОООООО Ю 00 Ю —' Ю О)СЧ СО СО Гм СО СОоооооооо ОООСПОООСПОО ТУООСООТУСЧСЧ—« СЧ СО СО СОJOOQ о со о О Гм СОз =£ зО О О LO ю- о ю00счГмСО Гм СО ту tO СО55ХХХХ А А о о о О о о о о о ту • соо lq о о о о О СО Ю О Ю СП СО СО СЧ Гм Гм СО СО Ю Ю СО Гмо о оСЧ со соXXXООО сг> сг> сг>ООО СП СП сч со сп со со соо о о о о — — туг-- — Г* СП СП о о со гм ту ту со со соX О о о о о о о о о со со О —. — СО QQ О хххххх о ю о о о о гм о со со со ТУ о о — СП сч ту о о о О СОООО оооооососо ТГ-*УГ^-Г^-Г^-СООО 0-^Г*Г*Г*ТУСОСО СОСЧСОСОСО-у-ух/ ХХХХХооо ОООООООО фГ^-тУОО—• со со соосог^г*—• — — XXXххххх ОООООООО СЧ^СОСПСОСОСОтУ ОООСЧСОСОСПСОСО СЧСЧСОтУтУОСОоОо о оО со Гм" СО сч счXXX ООО СО Гм о СО О Гм XXX ООО — о СО оо о сч о) соЯО'С н Й п со ® + + + + + +■ СОММООО1/D СП СП сч сч о—* СО Ю СО1- * т О^СЧ CNCOO СО+ -г тСО СО СО О тУ оО ту СО Сч" СО ОСЧ СО СО Ю со соOoi-ie»»o5” Оооооооо сч о о со" о о сч" со —t сч сч со со ое ”ООО coo"V*О'й ^ 8 s sСО 00 О О О1ЬОО СЧ Is* Ю СЧ СЧ -—и СЧ тУ Гм —*Я 2 8 + " +ОООООхУ О—' счм ® и е я S » Й О X ,r< Nоооооо ОСО 00 О ТУ СО LQ тУ Гм СО 0Q• artiadUMCiW + + 4-^4- + ^ + СО оооооо о ^Г^.ОСЧСОООГ*' Тр со О со со — сч сч00 ^ о ООО -М СЧ1*.° ссоо to о о to о50, ОСО СО Осо<6восо соъ ; соосоS « Си — С $ГГS01?а II%‘ ююоосч8SSSSS4"2SSSS8 счсч счООО — сч8&*Р СО со со со -«О^мм-^. х-хххх anono сч ю —* сч со ю<Т) <Т) <Т> Л <Т) <Т> СО 03 03 03 03 03 1МИДСОIO IO CJ счсч*у ххй ю со — mmm 03 03 03 KXSО ОО ^ и5 о о о То ^ О Г СЧ СЧ СЧ СЧ X/ X X X X X Й О СЧ С-1 о о сч С-1 СО СО О со —*m (Т) (Т) (Т) to (Т) CQCQ^CQCQCQ ХХХХХХ_оСО• оСО —*СО СО — О”>7> ю соо оtO О lO LO \/ х/ А О у v V V А А ЮуЛЛХХОО ^.Асчсчсчооо сч о со СО 00 сч сч л <п m л сп л л m СО 33 03 03 33 ИЗ 03 со ►^4 ^Н Nw^ *Т* *Т* *У* *"^ “Т*1 ►м Н-< НМ >М >М НМ НМ НИсо со "32^ vxx х О U5 ш — сэ enmm 33 33 33 SEEё и У ръ Sоооооо О СО СО О СЧ О *-н Гм О СО О ту—■ СО со со —*ОООО СО 00 СЧ СО Ь*ООЮОЮО ОООООО Ю 00 Ю —' Ю О)СЧ СО СО Гм СО СОоооооооо ОООСПОООСПОО ТУООСООТУСЧСЧ—« СЧ СО СО СОJOOQ о со о О Гм СОз =£ зО О О LO ю- о ю00счГмСО Гм СО ту tO СО55ХХХХ А А о о о О о о о о о ту • соо lq о о о о О СО Ю О Ю СП СО СО СЧ Гм Гм СО СО Ю Ю СО Гмо о оСЧ со соXXXООО сг> сг> сг>ООО СП СП сч со сп со со соо о о о о — — туг-- — Г* СП СП о о со гм ту ту со со соX О о о о о о о о о со со О —. — СО QQ О хххххх о ю о о о о гм о со со со ТУ о о — СП сч ту о о о О СОООО оооооососо ТГ-*УГ^-Г^-Г^-СООО 0-^Г*Г*Г*ТУСОСО СОСЧСОСОСО-у-ух/ ХХХХХооо ОООООООО фГ^-тУОО—• со со соосог^г*—• — — XXXххххх ОООООООО СЧ^СОСПСОСОСОтУ ОООСЧСОСОСПСОСО СЧСЧСОтУтУОСОоОо о оО со Гм" СО сч счXXX ООО СО Гм о СО О Гм XXX ООО — о СО оо о сч о) соЯО'С н Й п со ® + + + + + +■ СОММООО1/D СП СП сч сч о—* СО Ю СО1- * т О^СЧ CNCOO СО+ -г тСО СО СО О тУ оО ту СО Сч" СО ОСЧ СО СО Ю со соOoi-ie»»o5” Оооооооо сч о о со" о о сч" со —t сч сч со со ое ”ООО coo"V*О'й ^ 8 s sСО 00 О О О1ЬОО СЧ Is* Ю СЧ СЧ -—и СЧ тУ Гм —*Я 2 8 + " +ОООООхУ О—' счм ® и е я S » Й О X ,r< Nоооооо ОСО 00 О ТУ СО LQ тУ Гм СО 0Q• artiadUMCiW + + 4-^4- + ^ + СО оооооо о ^Г^.ОСЧСОООГ*' Тр со О со со — сч сч00 ^ о ООО -М СЧ1*.° ссоо to о о to о50, ОСО СО Осо<6восо соъ ; соосоS « Си — С $ГГS01?а II%‘ ююоосч8SSSSS4"2SSSS8 счсч счООО — сч8&*Р СО со со со -«О^мм-^. х-хххх anono сч ю —* сч со ю<Т) <Т) <Т> Л <Т) <Т> СО 03 03 03 03 03 1МИДСОIO IO CJ счсч*у ххй ю со — mmm 03 03 03 KXSО ОО ^ и5 о о о То ^ О Г СЧ СЧ СЧ СЧ X/ X X X X X Й О СЧ С-1 о о сч С-1 СО СО О со —*m (Т) (Т) (Т) to (Т) CQCQ^CQCQCQ ХХХХХХ_оСО• оСО —*СО СО — О”>7> ю соо оtO О lO LO \/ х/ А О у v V V А А ЮуЛЛХХОО ^.Асчсчсчооо сч о со СО 00 сч сч л <п m л сп л л m СО 33 03 03 33 ИЗ 03 со ►^4 ^Н Nw^ *Т* *Т* *У* *"^ “Т*1 ►м Н-< НМ >М >М НМ НМ НИсо со "32^ vxx х О U5 ш — сэ enmm 33 33 33 SEEсч 6cd ^ Я ci «о cd Нсч 6cd ^ Я ci «о cd Н
ступенчатого пароэжекторного насосаРис- 1вл> Лятой ,угунный эжектп9.
ступенчатого пароэжекторного насосаРис- 1вл> Лятой ,угунный эжектп9.
1 — сопло; 2 — приемная камера з _ ДиффуэЬр с камерой смешен
1 — сопло; 2 — приемная камера з _ ДиффуэЬр с камерой смешен
ё и У р
ъ S
оооооо О СО СО О СЧ О *-н Гм О СО О ту
—■ СО со со —*
ООО
О СО 00 СЧ СО Ь*
ООЮОЮО ОООООО Ю 00 Ю —' Ю О)
СЧ СО СО Гм СО СО
оооооооо ОООСПОООСПОО ТУООСООТУСЧСЧ
—« СЧ СО СО СО
JOOQ о со о О Гм СО
з =
£ з
О О О LO ю- о ю00
счГм
СО Гм СО ту tO СО
55ХХХХ А А о о о О о о о о о ту • со
о lq о о о о О СО Ю О Ю СП СО СО СЧ Гм Гм СО СО Ю Ю СО Гм
о о о
СЧ со со
XXX
ООО сг> сг> сг>
ООО СП СП сч со сп со со со
о о о о о — — туг-- — Г* СП СП о о со гм ту ту со со со
X О о о о о о о о о со со О —. — СО QQ О хххххх о ю о о о о гм о со со со ТУ о о — СП сч ту о о о О СО
ООО оооооососо ТГ-*УГ^-Г^-Г^-СООО 0-^Г*Г*Г*ТУСОСО СОСЧСОСОСО-у-ух/ ХХХХХооо ОООООООО фГ^-тУОО—• со со соосог^г*—• — — XXXххххх ОООООООО СЧ^СОСПСОСОСОтУ ОООСЧСОСОСПСОСО СЧСЧСОтУтУОСОоО
о о о
О со Гм" СО сч сч
XXX ООО СО Гм о СО О Гм XXX ООО — о СО оо о сч о) со
Я
О'
С н Й п со ® + + + + + +■ СОММООО
1/D СП СП сч сч о
—* СО Ю СО
1- * т О^СЧ CN
COO СО
+ -г т
СО СО СО О тУ о
О ту СО Сч" СО О
СЧ СО СО Ю со со
Ooi-ie»»o5” Оооооооо сч о о со" о о сч" со —t сч сч со со о
е ”
ООО coo"V
*
О'
й ^ 8 s s
СО 00 О О О1Ь
ОО СЧ Is* Ю СЧ СЧ -—и СЧ тУ Гм —*
Я 2 8 + " +
ООО
ООхУ О
—' сч
м ® и е я S » Й О X ,r< N
оооооо ОСО 00 О ТУ СО LQ тУ Гм СО 0Q
• artiadUMCiW + + 4-^4- + ^ + СО оооооо о ^Г^.ОСЧСОООГ*' Тр со О со со — сч сч
00 ^ о ООО -М СЧ
1*.
° с
со
о to о о to о
50, ОСО СО О
со
<6
в
о
со со
ъ ; со
о
со
S « Си — С $ГГ
S01?
а II
%
‘ ю
юоосч
8SSSSS
4"2SSSS8 счсч сч
ООО — сч
8
&
*Р СО со со со -«О^мм-^. х-хххх anono сч ю —* сч со ю
<Т) <Т) <Т> Л <Т) <Т> СО 03 03 03 03 03 1МИД
СО
IO IO CJ счсч*у ххй ю со — mmm 03 03 03 KXS
О ОО ^ и5 о о о То ^ О Г СЧ СЧ СЧ СЧ X/ X X X X X Й О СЧ С-1 о о сч С-1 СО СО О со —*
m (Т) (Т) (Т) to (Т) CQCQ^CQCQCQ ХХХХХХ
_о
СО• оСО —*
СО СО — О”>7> ю соо о
tO О lO LO \/ х/ А О у v V V А А ЮуЛЛХХОО ^.Асчсчсчооо сч о со СО 00 сч сч л <п m л сп л л m СО 33 03 03 33 ИЗ 03 со ►^4 ^Н Nw^ *Т* *Т* *У* *"^ “Т*1 ►м Н-< НМ >М >М НМ НМ НИ
со со "32^ vxx х О U5 ш — сэ enmm 33 33 33 SEE
ё и У р
ъ S
оооооо О СО СО О СЧ О *-н Гм О СО О ту
—■ СО со со —*
ООО
О СО 00 СЧ СО Ь*
ООЮОЮО ОООООО Ю 00 Ю —' Ю О)
СЧ СО СО Гм СО СО
оооооооо ОООСПОООСПОО ТУООСООТУСЧСЧ
—« СЧ СО СО СО
JOOQ о со о О Гм СО
з =
£ з
О О О LO ю- о ю00
счГм
СО Гм СО ту tO СО
55ХХХХ А А о о о О о о о о о ту • со
о lq о о о о О СО Ю О Ю СП СО СО СЧ Гм Гм СО СО Ю Ю СО Гм
о о о
СЧ со со
XXX
ООО сг> сг> сг>
ООО СП СП сч со сп со со со
о о о о о — — туг-- — Г* СП СП о о со гм ту ту со со со
X О о о о о о о о о со со О —. — СО QQ О хххххх о ю о о о о гм о со со со ТУ о о — СП сч ту о о о О СО
ООО оооооососо ТГ-*УГ^-Г^-Г^-СООО 0-^Г*Г*Г*ТУСОСО СОСЧСОСОСО-у-ух/ ХХХХХооо ОООООООО фГ^-тУОО—• со со соосог^г*—• — — XXXххххх ОООООООО СЧ^СОСПСОСОСОтУ ОООСЧСОСОСПСОСО СЧСЧСОтУтУОСОоО
о о о
О со Гм" СО сч сч
XXX ООО СО Гм о СО О Гм XXX ООО — о СО оо о сч о) со
Я
О'
С н Й п со ® + + + + + +■ СОММООО
1/D СП СП сч сч о
—* СО Ю СО
1- * т О^СЧ CN
COO СО
+ -г т
СО СО СО О тУ о
О ту СО Сч" СО О
СЧ СО СО Ю со со
Ooi-ie»»o5” Оооооооо сч о о со" о о сч" со —t сч сч со со о
е ”
ООО coo"V
*
О'
й ^ 8 s s
СО 00 О О О1Ь
ОО СЧ Is* Ю СЧ СЧ -—и СЧ тУ Гм —*
Я 2 8 + " +
ООО
ООхУ О
—' сч
м ® и е я S » Й О X ,r< N
оооооо ОСО 00 О ТУ СО LQ тУ Гм СО 0Q
• artiadUMCiW + + 4-^4- + ^ + СО оооооо о ^Г^.ОСЧСОООГ*' Тр со О со со — сч сч
00 ^ о ООО -М СЧ
1*.
° с
со
о to о о to о
50, ОСО СО О
со
<6
в
о
со со
ъ ; со
о
со
S « Си — С $ГГ
S01?
а II
%
‘ ю
юоосч
8SSSSS
4"2SSSS8 счсч сч
ООО — сч
8
&
*Р СО со со со -«О^мм-^. х-хххх anono сч ю —* сч со ю
<Т) <Т) <Т> Л <Т) <Т> СО 03 03 03 03 03 1МИД
СО
IO IO CJ счсч*у ххй ю со — mmm 03 03 03 KXS
О ОО ^ и5 о о о То ^ О Г СЧ СЧ СЧ СЧ X/ X X X X X Й О СЧ С-1 о о сч С-1 СО СО О со —*
m (Т) (Т) (Т) to (Т) CQCQ^CQCQCQ ХХХХХХ
_о
СО• оСО —*
СО СО — О”>7> ю соо о
tO О lO LO \/ х/ А О у v V V А А ЮуЛЛХХОО ^.Асчсчсчооо сч о со СО 00 сч сч л <п m л сп л л m СО 33 03 03 33 ИЗ 03 со ►^4 ^Н Nw^ *Т* *Т* *У* *"^ “Т*1 ►м Н-< НМ >М >М НМ НМ НИ
со со "32^ vxx х О U5 ш — сэ enmm 33 33 33 SEE
сч 6
cd ^ Я ci «о cd Н
сч 6
cd ^ Я ci «о cd Н
за ней обусловлено только производительностью следующей ступени. Так, шестиступенчатый насос с тремя первыми "ступенями без конденсаторов обеспечивает предельное -остаточное давление около 0,5 Па.
На рис. 10.6 приведена принципиальная схема шестииуненчагого насоса с эжекторными ступенями 1 н конденсаторами 2; на схеме указаны ориентировочные давления, получаемые на входе в каждую ступень (при температуре охлаждающей воды в конденсаторах около 300 К). Первые ступени многоступенчатых насосов, работающие при давлении менее 0,5 кПа, выполняют обогреваемыми для исключения обмерзания проточной части (приемной камеры, конфузора).
Конструкция пароводяного эжектора существенно зависит от его размеров и материала. Обычно эжекторные насосы изготовляют из тех же материалов, что и откачиваемую аппаратуру. Так, для изготовления насосов, эксплуатируемых иа химических производствах, рекомендованы. ■ следующие материалы:
Откачиваемая системаНасос
Стальное литье. . Чугун или стальное лнтье (сопло нз бронзы)
Коррозионно-стой
кая сталь . . . . Коррозионно-стойкая сталь или соче
тание чугуна и коррозионно-стойкой
'стали
Резиновое покры
тие . .Резиновое покры
тие или фарфор
Эмалевое покры
тие Фарфор
Металлические эжекторы небольших размеров изготовляют литыми (рис. 10.7), большие — сварными.
При изготовлении эжектора ; ное внимание уделяют Обработк тренних поверхностей проточной чнсгн. Особенно тщательно обрабатывают сопло, внутреннюю поверхность которого рекомендуется полировать. Все углы проточной части (особенно- пер1ходы от конических поверхностей к цилиндрическим в сопле и диффузоре) должны быть скруглены.
Пароводяные эжекторные насосы широко распространены в различных отраслях промышленности. Их применяют для откачки вакуумных дуговых н индукционных печей, установок вне- печного обезгаживания жидких металлов, дистилляционных установок различного рода, выпарных аппаратов, вакуумных кристаллизаторов, деаэраторов, конденсаторов паровых тур- ,бин, дегидраторов, вакуумных сушильных аппаратов, вакуумных фильтров, вакуумных пропиточных установок и ДР-
Основные параметры нормализованного ряда промышленных парсажек- ториых насосов с поверхностными конденсаторами приведены в табл. 10.2.
Основные характеристики. Оенсзиую характеристику пароэжекторных насосов изображают обычно графически как зависимость впускного давления рвп от производительности (или внешней нагрузки) QH (рис. 10.8). Характеристика имеет два участка: пологий — рабочий участок / и крутой — участок И перегрузки. На участке / значительные изменения нагрузки мало влияют на впускное давление, на участке Н малые изменения нагрузки приводят к резкому повышению впускного давления. Насос всегда рассчитывают для работы на рабочем участке характеристики.
Точка перегиба характеристик' с ответсгвующая максимальной ip
Насос
Qaoa пРи Т = 293 К, кг/ч
Рвп* ^а
Рп-10"1. Па
0п. кг/ч
QB, м’/ч
Габаритные размеры, мм
Масса, кг
Число ступеней
НВЭ 64Х 10/6
" 64
6
665+“
36,0+*
4505X 790X 4770
2 425
НВЭ
64X10/10
64
10
563+71
33,0+*
4185X790X4770
2 090
НВЭ
100Х 10/6
100
6
1040+1“
56,0+*
5560Х 1100X3910
2 985
НВЭ
100Х 10/10
100
1,3-10*
10
880+“’
52,0+’
5840Х 1100X3910
3 000
НВЭ
160Х 10/6
160
6
1664+“®
90,0+’
6480X 1390X4430
4 910
3
НВЭ
160Х 10/10
160
1408+“*
83,0+’
6960X 1390X4160
4 695
НВЭ
250Х 10/10
250
10
2200+“*
130,0+“
7770X1390X 5125
6 330
НВЭ
400Х 10/10
400
3520+*°’
2080+2*
8750 X 1660 X 5200
9 205
НВЭ
5X20/6
5
50+’
2,5+0,27
2390X365X2040
410
НВЭ
10X20/6
10
84+10
4,0+o,i
2515X365X3540
505
НВЭ
16X20/6
16
6
135+20
6,0+1
2750X570X2640
740
НВЭ
25X20/6
25
210+28
8,0+1
3220X640X2670
945
НВЭ
40X20/6
40
336+*°
13,0+1-*
3250X640X3670
1 250
НВЭ
40X20/10
40
2,6-10*
10
280+*’
12.0+2
3225X640X3670
1 250
НВЭ
64X20/6
64
6
538+”
21,0+8
3840X790X2770
1 445
НВЭ
64X20/10
64
10
450+58
19,0+®
3720 x 790 X 3640
1 580 1
НВЭ
100X20/6
100
6
840+8i
32.0+8
4290X790X4770
2 255
НВЭ
250X 20/10
250
10
1750+2!”
72,0+8
6340X1390X 4460
4 895
НВЭ
400X 20/10
400
10
2800+88!
116,0+“
7780 X 1660X 4750
7 800
НВЭ
10X40/6
10
73+“
2,5+°,8
2215X365X2540
480
НВЭ
16X40/6
■16
110+1
4,0+°,6
2470X365X3540
530
НВЭ
25X40/6
25
5,3-10*
6
172+м
6,0+°,’
2860X570X2140
855
НВЭ
40Х 40/6 64X40/6
40
275+32
9,6+1
3180X640X2640
1 015
НВЭ
64
440+*”
14,0+1’8
3400 X 640 X 3 780
1 390
НВЭ
100X40/6
100
680+72
22,0+2
3950X790X3770
2 155
1
Продолжение табл. 10.2
Насос
«ВОЗ п₽и Т =293 К, кг/ч
^ВП’ ^а
Рп-10-‘. Па
«п- кг/'
QB. к'/ч
Габаритные размеры, мм
Масса, кг
Число
Ступеней
НВЭ 100X 40/10
10(Г
10
560+”
20,0+2-8
3770X790X2770
1 855 .
НВЭ 250X40/6
250
6
1740+23’
55,0+7
5295Х 1100X4290
3 255
НВЭ 250X40/10
250
10
1400+1’8
50,0+*
5215Х 1100X4260
3 250
НВЭ 400X40/10
400
5,3-10*
10
2240+288
80,0+’
5910Х 1100X5480
4 025
3
НВЭ 640X40/6
640
6
4290+*3*
140,0+“
7300X1390X5790
7 040
НВЭ 640X40/10
640
10
3585+*2”
128.0+1*
7590X1390X5720
7 090
•
НВЭ 1000X40/10
1000
10
5600+ 660
200,0+2*
8200Х 1660X 5350
10 630
НВЭ 20X80/6
20
6
122+1*
1,6+°,2
1410X365X3540
300
НВЭ 50 X 80/6
50
6
305+**
4,0+°-6
1900X640X2670
600
НВЭ 50 X 80/10'
50
10
225+30
3.8+0-6
1845X640X2170
520
НВЭ 125x 80/6
125
1-10*
6
725+82
10,0+1
2360X 790X 3000
940
НВЭ 320X 80/10
320
1440+1”
24,0+8
3050X790X5300
1 510
НВЭ 800X80/10
800
10
3600+*28
60,0+7
4790 X 1390X4980
3 520
НВЭ 1250X80/10
1250
5625+’*’
94,0+“
5700X 1660X 5500
5 760
2
НВЭ 40Х 160/6
. 40
6
204*я
2,0+”-2
1455X365X3540
300
НВЭ 64X160/10
64
10
269+*’
2,6+”-*
1700X640X2170
520
НВЭ 100X160/6
100
6
510+68
5,0+°>*
1960X640X2825
610
НВЭ 100X160/10
100
10
420+67
4,0+”-’
1870X640X2750
600
НВЭ 160X160/10
160
2,1-10*
10
672+31
6,4+”,’
1960X 640 X 3860
755
НВЭ 400X160/10
400
10
1690+186
16,0+2
2790X790X5290
1 480
НВЭ 640Х 160/6
640
6
3264+3“
32,0+а
3650 X 1100X4800
2 055
НВЭ 1000Х 160/6
1000
6
5100+*”*
50,0+*
4170Х 1100X6150
2 540
Продолжение табл. 10.2'
Примечание. QBO3 — производительность по сухому воздуху; рвп ж рп — давления впускное и рабочего пара;
СТРУЙНЫЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫIПароемекторньи насоса
Qn и Qi — расход рабочего пара и охлаждающей воды.
Рис. 10.8. Характеристика пароэжекторного насосаРис. 10.8. Характеристика пароэжекторного насосаизводительности насоса на рабочем участке, является расчетной рабочей точкой, для которой обычно выполняют расчет и проектирование пароэжекторного насоса.изводительности насоса на рабочем участке, является расчетной рабочей точкой, для которой обычно выполняют расчет и проектирование пароэжекторного насоса.Рис. 10.9. Зависимость быстроты действия пароэжекторного насоса от впускного давленияРис. 10.9. Зависимость быстроты действия пароэжекторного насоса от впускного давленияРис. 10.10. Характеристики четырех- (линия /), пяти- (линия 2) н шестиступеича- тых (линия 3) пароводяных эжекторных иасосов (давление пара 0,7 МПа? температура охлаждающей воды в конденсаторах 303 К)Рис. 10.10. Характеристики четырех- (линия /), пяти- (линия 2) н шестиступеича- тых (линия 3) пароводяных эжекторных иасосов (давление пара 0,7 МПа? температура охлаждающей воды в конденсаторах 303 К)Рис. 10.11. Зависимость отноше-Рис. 10.11. Зависимость отноше-чия производительности Q па- . заэжекторного насоса к производительности <?Е03 ПО воз- уху. 04 молярной массы откачиваемого газачия производительности Q па- . заэжекторного насоса к производительности <?Е03 ПО воз- уху. 04 молярной массы откачиваемого газаРис. 10.12. Характеристика пароводяного эжекторного насоса прн рткачке паровоздушной смеснРис. 10.12. Характеристика пароводяного эжекторного насоса прн рткачке паровоздушной смесн
Рис. 10.8. Характеристика пароэжекторного насоса
Рис. 10.8. Характеристика пароэжекторного насоса
изводительности насоса на рабочем участке, является расчетной рабочей точкой, для которой обычно выполняют расчет и проектирование пароэжекторного насоса.
изводительности насоса на рабочем участке, является расчетной рабочей точкой, для которой обычно выполняют расчет и проектирование пароэжекторного насоса.
Рис. 10.9. Зависимость быстроты действия пароэжекторного насоса от впускного давления
Рис. 10.9. Зависимость быстроты действия пароэжекторного насоса от впускного давления
Рис. 10.10. Характеристики четырех- (линия /), пяти- (линия 2) н шестиступеича- тых (линия 3) пароводяных эжекторных иасосов (давление пара 0,7 МПа? температура охлаждающей воды в конденсаторах 303 К)
Рис. 10.10. Характеристики четырех- (линия /), пяти- (линия 2) н шестиступеича- тых (линия 3) пароводяных эжекторных иасосов (давление пара 0,7 МПа? температура охлаждающей воды в конденсаторах 303 К)
Рис. 10.11. Зависимость отноше-
Рис. 10.11. Зависимость отноше-
чия производительности Q па- . заэжекторного насоса к производительности <?Е03 ПО воз- уху. 04 молярной массы откачиваемого газа
чия производительности Q па- . заэжекторного насоса к производительности <?Е03 ПО воз- уху. 04 молярной массы откачиваемого газа
Рис. 10.12. Характеристика пароводяного эжекторного насоса прн рткачке паровоздушной смесн
Рис. 10.12. Характеристика пароводяного эжекторного насоса прн рткачке паровоздушной смесн
Зависимость быстроты действия насоса от впускного давления имеет вид кривой с максимумом, соответствующим рабочей точке (рис. 10.9).
Предельное остаточное давление для пароэжекторных насосов является обычно второстепенной характеристикой, так как основное назначение насоса — работа в области максимальной производительности.
Наряду с обычными для вакуумных пароструйных насосов параметрами (производительностью, быстротой действия, предельным остаточным давлением и наибольшим выпускным давлением) пароэжекторные насосы характеризуются еще одним важным параметром — коэффициентом эжекции. Коэффициент эжекции определяют как отношение массовых расходов (кг/ч) откачиваемого газа и рабочего пара, истекающего из сопла:
V = QP/Qn-
Характеристики многоступенчатых пароводяных эжекторных насосов, построенные в виде зависимости впускного давления от относительной производительности Q/Qp (Qp — расчетная производительность), приведены на рис. 10.10. Характеристика пароводяного эжекторного насоса слабо зависит от температуры откачиваемого газа — при повышении температуры на 100 К производительность уменьшается примерно на 5% -
Производительность пароводяного эжекторного насоса значительно возрастает с увеличением молярной массы откачиваемого газа (рис. 10.11) и доли сп пара в паровоздушной смеси (рис. 10.12). Характеристика паро- эжекториого иасоса существенно зависит от давления рабочего пара, пода- 'веемого в сопло эжектора: с увеличением давления пара производительность возрастает, а впускное давление уменьшается (рис. 10.13).
Давление, создаваемое эжектором, существенно зависит от давления за эжектором (рис. 10.14). Так, повышение давления за эжектором на 2 л приводит к увеличению впускного давления в 1,6 раза.
Важнейшие параметры, характеризующие работу пароводяных эжектор' иых иасосов, — расходы пара (кг/4'
л охлаждающей воды (м3/ч), отнесен- лые к 1 кг/ч откачиваемого воздуха. Эги удельные характеристики, опреде- «пошие эффективность работы насо- :ов, существенно зависят от впуск- юго давления, возрастая с его уменьшением (рис. 10.15 и 10.16).
Для пароводяных эжекторных насо- лт иногда важна скорость диффузии лара из насоса в откачиваемую си- ::ему, зависящая от конструкции на- юса, режима его работы, создаваемого явления и внешней газовой нагрузки. Уже при потоке газа, составляющем 10% номинальной производительности яасоса, диффузия пара уменьшается на несколько. порядков. Если насос работает без внешней газовой нагрузки, Для уменьшения диффузии пара следует специально напускать немного хуленного воздуха (около 10% номинальной производительности).
Методика расчета пароводяного Эжекторного насоса. Исходные данные Для расчета: массовая производительность при заданном впускном давлении (рабочая точка); параметры эжек- ‘ИРуемого газа в рабочей точке (со- СТав, давление, температура); пара-■ ‘Иетры рабочего пара (давление, тем- ^Рагура); температура охлаждающей оды в конденсаторе; наибольшее лы- •Ускное давление; основные термо
динамические характеристики рабочей и эжектируемой сред.
Требуется определить число ступеней насоса и размеры эжекторов, обеспечивающие заданные характеристики, а также выбрать или рассчитать конденсаторы.
Расчетная схема эжектора приведена на рис. 10.17, а. Допустим, что выходное сечение /—1 сопла совмещено с входным сечением 2—2 камеры смешения и статические давления пара и газа в сечённи 2—2 равны. Процессы течения в сопле и диффузоре, а также процесс смешения протекают с потерями.
Рис. 10.13. Зависимость впускного давления пароэжекторного насоса от относительной производительности (ф^ — расчетная производительность) при разных давлениях пара (расчетное давление пара 0,7 МПа)
Рис. 10.14. Зависимость относительного впускного давлеиия от относительного выпускного для пароэжекторного насоса. ^р — расчетное давление)Рис. 10.14. Зависимость относительного впускного давлеиия от относительного выпускного для пароэжекторного насоса. ^р — расчетное давление)Рис. 10.16. Зависимость расхода рабочего пара иа 1 кг/ч откачиваемого сухого воздуха в многоступенчатом пароводяном вжекторном насосе от впускного давлеиия в расчетной точке (температура охлаждающей воды 3Q3 К, давление пара 0,7 МПа)Рис. 10.16. Зависимость расхода рабочего пара иа 1 кг/ч откачиваемого сухого воздуха в многоступенчатом пароводяном вжекторном насосе от впускного давлеиия в расчетной точке (температура охлаждающей воды 3Q3 К, давление пара 0,7 МПа)Св/Своз ,м3/кгСв/Своз ,м3/кг(газа) на соответст* смеси при(газа) на соответст* смеси приизобарическом смешении перед диф-изобарическом смешении перед диф-точка 3. В диффузореточка 3. В диффузорефузоромфузоромS — Рвып/Рвп-*^S — Рвып/Рвп-*^Построим структурную схему яа" эжектор0®Построим структурную схему яа" эжектор0®10.6). Вн. в каЖД°“10.6). Вн. в каЖД°“(10.14)(10.14)Рнс. 10.18. Диа1 рамма для определения коэффициента эжекции vРнс. 10.18. Диа1 рамма для определения коэффициента эжекции vРис. 10.17. Схема (а) и диаграмма эн- тадьпия—энтропия (0) к расчету эжектораРис. 10.17. Схема (а) и диаграмма эн- тадьпия—энтропия (0) к расчету эжектора
Рис. 10.14. Зависимость относительного впускного давлеиия от относительного выпускного для пароэжекторного насоса. ^р — расчетное давление)
Рис. 10.14. Зависимость относительного впускного давлеиия от относительного выпускного для пароэжекторного насоса. ^р — расчетное давление)
Рис. 10.16. Зависимость расхода рабочего пара иа 1 кг/ч откачиваемого сухого воздуха в многоступенчатом пароводяном вжекторном насосе от впускного давлеиия в расчетной точке (температура охлаждающей воды 3Q3 К, давление пара 0,7 МПа)
Рис. 10.16. Зависимость расхода рабочего пара иа 1 кг/ч откачиваемого сухого воздуха в многоступенчатом пароводяном вжекторном насосе от впускного давлеиия в расчетной точке (температура охлаждающей воды 3Q3 К, давление пара 0,7 МПа)
Св/Своз ,м3/кг
Св/Своз ,м3/кг
(газа) на соответст* смеси при
(газа) на соответст* смеси при
изобарическом смешении перед диф-
изобарическом смешении перед диф-
точка 3. В диффузоре
точка 3. В диффузоре
фузором
фузором
S — Рвып/Рвп-*^
S — Рвып/Рвп-*^
Построим структурную схему яа" эжектор0®
Построим структурную схему яа" эжектор0®
10.6). Вн. в каЖД°“
10.6). Вн. в каЖД°“
(10.14)
(10.14)
Рнс. 10.18. Диа1 рамма для определения коэффициента эжекции v
Рнс. 10.18. Диа1 рамма для определения коэффициента эжекции v
Рис. 10.17. Схема (а) и диаграмма эн- тадьпия—энтропия (0) к расчету эжектора
Рис. 10.17. Схема (а) и диаграмма эн- тадьпия—энтропия (0) к расчету эжектора
Введем .обозначения: рпо, Тпа — параметры рабочего пара на входе в сопло; рп. к, Гп. к — параметры рабочего пара в критическом сечении сопла; Pni. Гм — параметры рабочего пара в выходном сечении I—/ сопла; рГ2, . ТГ2 — .параметры эжектируемого газа на входе в камеру смешения эжектора; р3, Т3 — параметры смеси в сечении 3—3; рс, Тс — параметры смеси за диффузором.
-В координатах 1—S процесс работы эжектора можно приближенно изобразить диаграммой, показанной на рис. 10.17, б. В идеальном эжекторе без потерь рабочий пар из начального состояния, которому соответствует' точка А, расширяется в сопле адиабатически до давления ра (точка 2). Состоя-
Рис. 10.16. ЗависимоеIь расхода охлаждающей воды иа 1 кг/ч откачиваемого сухого воздуха в'многоступенчатом пароводяном эжекторном насосе от впускного давлеиия в расчетной точке (температура охлаждаю, щей воды 303 К)
нию эжекгируемого , пара входе в камеру смешения вует точка С, состоянию
смесь адиабатически сжимается от давления рг (точка 5) до давления рс (точка 4). В реальном эжекторе^ пар расширяется в сопле с потерями, поэтому конечному состоянию пара после расширения соответствует, точка В. Процесс смешения также сопровождается потерями и не является изобарическим; поэтому состояние смеси в конце камеры смешения характеризуется точкой D. Сжатие смеси в диффузоре. также сопровождается потерями, и состояние смеси в конце сжатия характеризуется точкой Е.
Расчет проведем в следующем порядке.
Определим степень сжатия откачиваемого газа (парогазовой смеси) в насосе
coca для определения числа и конденсаторов (см. рис. берем - степень сжатия газа эжекторной ступени:
Si = Рс/Рвп-
Оптимально равномерное распределение степеней сжатия между - ступенями, при котором степень сжатия в i-й ступени
Si=^F» (10.15)
где ” — число ступеней.
Однако на практике, учитывая условия работы конденсаторов, часто приходится отступать от равномерного распределения (см. рис. 10.6).
По диаграмме (рис. 10.18) определим коэффициент эжекции v ступени в зависимости от степени расширения х рабочего пара в сопле и степени сжатия § откачиваемого газа в ступени. Диаграмма применима как для воздуха, так и для паровоздушной смеси ' люоого состава. При откачке водяного пара по диаграмме получают заниженное значение коэффициента эжекции, что дает примерно 20 ... 30% запаса по расходу пара. Диаграмма действительна для расчета эжекторов с диаметром горловины диффузора 10 ... 100 мм. При больших диаметрах необходимо увеличить расчетное значение степени сжатия § на 5%. Не рекомендуется диаметр горловины бо-
лее 250 мм. При давлении рабочего пара выше 1,5 МПа диаграмма дает несколько завышенное значение V.
Массовый расход пара через сопло ступени, кг/с,
Qn = Qr/v. (10,16)
F
Рнс. 10.19. График к определению поправочного множителя ф
Площадь сечения горловины (критического сечения сопла), м2.
Гк — Qn
2fen Рпо
fen + 1 ° по
X
2
6Н—1
•0,5
,(Ю.17)
где fen — показатель адиабаты рабо- ■ чего пара (для насыщенного пара
fen = 1,13, дли перегретого — fen = = 1,3); рпо — давление пара, Па; ипо — удельный объем насыщенного пара, м’/кг.
Термодинамические характеристики насыщенного водяного пара (давление р, удельные объем о, энтальпия i и теплота парообразовании г) при различных температурах пара Т. приведены в табл. 10.3.
Рис. 10.20. график к определению оптимального отношения L/d,
м®,
" 1 ——
■J
В 1 ПАЛ 1 ^п -Рпо v
т. к
р. Па
о, ыЦкг
6 10-*, Дж/кг
г-10-*, Дж/кг
xk pi У/кп
173
1,403-10-*'
5,71-10’
2,31
' 2,84
[\ Рп. 0 /
183
9,676-10“®
8,74-10’
2,32
2,84
/ Р1»
193
5,474.10-*
1,63-10®
2,33
2,84
\ Рпо /Л
203
2,606.10-*
3,58-10®
2,34
2,84
Диаметры горловины dK и выходного
213
1,081
9,10-10*
2,35
’2,84
сечения сопла dj определим по значениям FK и Fv Выберем угол конусности сопла а « 10 ... 20.
223
3,943
2,62-10*
2,35
2,84
233
12,83
8,38-10* '
2,36
2,84
Площадь сечения горловины диф-
243 ' .
37,99
2,95-10*
2,37
2,84
фузора, м2,
253
1,032.10*
1,13-10*
2,38
2,84
F$= l,6(Qn + Qr)/(<P Vpch>c)’
263
2,597-102
4,67-10®
2,39
2,84
(10.19)
273
6,109-102
2,06-10*
2,50 .
2,50
где pc — давление за ступенью, Па; ис — удельный объем смеси при дав;
278
8,722-102
1,47-10®
2,51
2,49
ленни рс (принимаем как для насыщенного пара), м3/кг; ф — поправочный
283
288
1,227-10*
1,708-10®
1,06-10®
7,79-10*
2,52
2,53
2,48
2,47
множитель, зависящий от степени рас-
ширения х пара в сопле и степени ежа-
293
2,335-10®
5,78-10*
2,54
2,46
тия £ газа в ступени (рис. 10.19). Площадь входного сечення конфу-
298
3,167-102
4,34-10*
2,55
2,44
зора, которая должна обеспечить ско-
303
. 4,243-10*
3,29-10*
2,56
2,43
рость эХектируемого потока в кольцевом сечении между соплом и конфузо-
308‘
5,624-10*
2,52-10*
2,56
2,42
ром уг ^ 90 м/с, F$ « (2,0 ... 2,8) Fp
313
7,377-10*
1,95-10*
2,57
2,41
Диаметры dg и da определим по значениям F3 и F$. Определяем диаметр
318
9,585-10*
1,53-10*
2,58
2,40
выходного сечения диффузора dc =
323
1,234-10*
1,20-10*
2,59
2,38
= (1,6 ... 2,0) d3. Угол конусности конфузора примем 5 ... 7°, угол конусности диффузора — 5 ... 8°.
328
1,618-10*
9,58
2,60
2,37
333
. 1,992-10*
7,68
2,61
2,36
Длину камеры смешения (расстояние от выходного сечения сопла до горло-
338 .
343
2,501-10*
6,20
2,62
2,35
вины диффузора) определим по гра-
3,117-10*
6,04
2,63
2,33
фику (рис. 10.20). Длину горловины диффузора выбираем Z = 2dg.
348
■ 3,856-10*
4,13
2,64
2,32
353
■ 4,737-10*
3,41
2,64
2,31
10.4. Бустерные насосы
358
5,782-10*
2,83
2,66
2,30
Принцип действия. Бустерные на-
363
6,983-10*
2,36
2,66
2,28
сосы применяют для удаления боль ших потоков газа из вакуумных ус?' новок при давлении 10 ... IO'2 ***•
368
373 .
8,455-10*
1,98
2,67.
2,27
1,013-10®.
1,67
2,68
2,26
В отличие от пароводяных эжектор ных насосов бустерные насосы не м
378
1,209-10®
1,42
2,68
2,24
гут работать с выхлопом в атмосферу так как наибольшее выпускное Да®" иие насосов 100 ... 200 Па. Для обеС"
, 383
1,433-10®
1,21
2,69
2,23
388
1,691-10»
. 1,04
2,70
2,22.
Таблица 10,3
Площадь выходного сечения сопла
313
Продолжение табл. 10.3-Г, Кр, Пао, м*/Кг<-10_', Дж/кгг- Ю-% Дж/i3931,985- 10е0,892,712,20 t3982,321 10е' 0,772,712,19 J4032,701-10»0,672.72' 2,18 л4083,131-10»0,582,732,16 24133,615-10»0,512,73"2,15 |4184,156-10»0,452,742,13 Я4234,761-10»0,392,752,11 14285,434-10»0,352,752,10 j4336,182-10»0,312,762,08.4387,010-10»0,272.762,07 :4437,922-10»0,242,772,05 J4488,928-10»0,222,772,03 ;. 4531,003-10»0,192,782,014581,124-10»0,172,781,99• 4631,256-10»0,162,791,98 |4681,399-10»0,142,791,96 |4731,155-10»0,132,791,94 1Продолжение табл. 10.3-Г, Кр, Пао, м*/Кг<-10_', Дж/кгг- Ю-% Дж/i3931,985- 10е0,892,712,20 t3982,321 10е' 0,772,712,19 J4032,701-10»0,672.72' 2,18 л4083,131-10»0,582,732,16 24133,615-10»0,512,73"2,15 |4184,156-10»0,452,742,13 Я4234,761-10»0,392,752,11 14285,434-10»0,352,752,10 j4336,182-10»0,312,762,08.4387,010-10»0,272.762,07 :4437,922-10»0,242,772,05 J4488,928-10»0,222,772,03 ;. 4531,003-10»0,192,782,014581,124-10»0,172,781,99• 4631,256-10»0,162,791,98 |4681,399-10»0,142,791,96 |4731,155-10»0,132,791,94 1Примечание, и, I и г — удельные объем, энтальпия и теплота п| образования._|Примечание, и, I и г — удельные объем, энтальпия и теплота п| образования._|Рис. 10.21. Схема обращенного сопла зон-, тнчного типаРис. 10.21. Схема обращенного сопла зон-, тнчного типа
Продолжение табл. 10.3-
Г, К
р, Па
о, м*/Кг
<-10_', Дж/кг
г- Ю-% Дж/i
393
1,985- 10е
0,89
2,71
2,20 t
398
2,321 10е
' 0,77
2,71
2,19 J
403
2,701-10»
0,67
2.72
' 2,18 л
408
3,131-10»
0,58
2,73
2,16 2
413
3,615-10»
0,51
2,73
"2,15 |
418
4,156-10»
0,45
2,74
2,13 Я
423
4,761-10»
0,39
2,75
2,11 1
428
5,434-10»
0,35
2,75
2,10 j
433
6,182-10»
0,31
2,76
2,08.
438
7,010-10»
0,27
2.76
2,07 :
443
7,922-10»
0,24
2,77
2,05 J
448
8,928-10»
0,22
2,77
2,03 ;
. 453
1,003-10»
0,19
2,78
2,01
458
1,124-10»
0,17
2,78
1,99
• 463
1,256-10»
0,16
2,79
1,98 |
468
1,399-10»
0,14
2,79
1,96 |
473
1,155-10»
0,13
2,79
1,94 1
Продолжение табл. 10.3-
Г, К
р, Па
о, м*/Кг
<-10_', Дж/кг
г- Ю-% Дж/i
393
1,985- 10е
0,89
2,71
2,20 t
398
2,321 10е
' 0,77
2,71
2,19 J
403
2,701-10»
0,67
2.72
' 2,18 л
408
3,131-10»
0,58
2,73
2,16 2
413
3,615-10»
0,51
2,73
"2,15 |
418
4,156-10»
0,45
2,74
2,13 Я
423
4,761-10»
0,39
2,75
2,11 1
428
5,434-10»
0,35
2,75
2,10 j
433
6,182-10»
0,31
2,76
2,08.
438
7,010-10»
0,27
2.76
2,07 :
443
7,922-10»
0,24
2,77
2,05 J
448
8,928-10»
0,22
2,77
2,03 ;
. 453
1,003-10»
0,19
2,78
2,01
458
1,124-10»
0,17
2,78
1,99
• 463
1,256-10»
0,16
2,79
1,98 |
468
1,399-10»
0,14
2,79
1,96 |
473
1,155-10»
0,13
2,79
1,94 1
Примечание, и, I и г — удельные объем, энтальпия и теплота п| образования._|
Примечание, и, I и г — удельные объем, энтальпия и теплота п| образования._|
Рис. 10.21. Схема обращенного сопла зон-, тнчного типа
Рис. 10.21. Схема обращенного сопла зон-, тнчного типа
чения их работы требуется вспомогательный форвакуумный насос.
Область рабочих давлений бустерных насосов характерна тем, что режим течения откачиваемого газа является переходным от вязкостного (на верхней границе диапазона — 10 Па) до молекулярного (на нижней границе диапазона — 10-2 Па). Эта особенность условий работы насоса в значительной мере определяет механизм откачки газа насосом.
Увлечение газа паровой струей в бустерном насосе обусловлено вязкостным трением на границе струя — газ и диффузией газа в струю. При высоком давлении определяющим является процесс вязкостного «захвата» газа, при низком — процесс диффузии. В связи с этим для лучшего откачивающего действия при высоком давлении струя должна быть достаточно плотной, при низком давлении — достаточно разреженной. Так как режим истечения паровой струи практически не зависит от давления откачиваемого газа в рабочем диапазоне впускных ,давлений и в процессе откачки ие меняется, его приходится выбирать
с таким расчетом, чтобы обеспечить достаточно высокую быстроту действия во всей рабочей области. Этот режим, оптимальный во всем диапазоне давлений, иеоптималеи в каждой из областей давления (высокого и низкого). Зависимость быстроты действия на* coca от впускного давления имеет максимум при среднем давлении дл» выбранной области рабочих давлений. Максимальная быстрота действие современных бустерных насосов соответствует давлению около 1 Па,
Устройство васосов. Бустерные насосы являются многоступенчатыми лароструйными насосами, в которых рабочим телом, истекающим из сопл, является пар специальных вакуумных рабочих жидкостей.
Отличие бустерных насосов от многоступенчатых пароэжекторных состоит в использовании в первых стр пенях насосов не прямоточных, а так называемых обращенных сопл зои- тачного типа (рис. 10.21). Пар п°" ступает по паропроводящей трубе, соединенной с подсопельником 7, 38 тем изменяет направление движения и обратное, проходит через иаимея»
щее сечение сопла, где скорость пара сгановится равной критической, и да- д№ расширяется с увеличением скорости До- сверхзвуковой в кольцевом канале, образуемом подсопельником н зонтом 2.
На рнс. 10.22 приведена схема че- тЫрехступенчатого паромасляного бустерного насоса. Насос состоит из охлаждаемого водой корпуса 3 с впускным 1 и выпускным 9 фланцами, паропровода 4, объединяющего три зои- тйчные ступени, сопла 7 и конфузора 8 выходной эжекторной ступени, кипятильника 5, маслоотражателя 2 и выходной ловушки 10. Кипятильник пн- линдрической формы сообщается со ступенями насоса двумя паропроводами. Внутри кипятильника установлен сменный трубчатый нагреватель 6 закрытого типа. Снаружи кипятильник окружен теплоизоляционным слоем стекловаты и защитным кожухом. В ннжней части кипятильника имеется сливное отверстие для рабочей жидкости; для измерения уровня рабочей жидкости предусмотрен уровнемер.
Рабочую жидкость заливают в кипя- шльник либо через впускное отверстие исоса, либо через отверстие для уров- . «мера. Нагревателем 6 рабочая жид- гость нагревается до рабочей темпера- гуры, соответствующей давлению пара 1 ... 2 кПа; образующийся пар поступает по паропроводам к соплу эжекторной ступени и к зонтичным соплам первых трех ступеней, истекая из них со сверхзвуковой скоростью. Откачиваемый газ, захватываемый паро- вой струей первой ступени, сжимается До выпускного давления этой ступени н Увлекается к холодной стенке корпуса насоса; иа стенке пар конденси- 'Уется и стекает по стенке в кипятиль- ик, а газ увлекается струей после- УЮщей ступени и т. д.
Для уменьшения количества паров абочей жидкости, проникающих. из тРуи первой ступени в откачиваемую "стему, над зонтом ступеия устаиов- ен охлаждаемый водой маслоотража- вль 2, уменьшающий миграцию масла ; систему примерно на 95%. Для ^вливания паров рабочей жидкости эжекторной ступенью служит ох- т^Даемая водой дисковая ловушка 10.
абочне жидкости. Так как бустер-
ные насосы предназначены для удаления больших потоков газа при относительно высоком впускном (10 ... 10-2 Па) н значительном выпускном давлении, то основными требованиями, предъявляемыми к рабочим жидкостям, являются: высокая термическая и термоокислительная стойкость; высокое давление пара при рабочей температуре в кипятильнике; малая теплота парообразования; узкий фракционный состав, исключающий заметное изменение характеристик рабочей жидкости при удалении из нее легких фракций при работе насоса.
В отечественных бустерных насосах в качестве рабочих жидкостей
10.22. Схема паромасляного бустер, ного насоса
Таблица Ю.4
Масло
рп при Т * 293 К. Па
V- 10е при Т = 323 К, м*/с
р при
Т = 293 К, кг/м1
Для вспомогательных
6,7-10-* ... 1,3-10-*
12;5 ... 15,3
850
насосов
ВМ-3
10"* ... 10~*
7\.. 10
850
Алкарен-11
4-Ю-8
8 ...11
927
Примечание. Здесь рп — давление паров масла; v и р — кинемати. ческая вязкость и плотность масла.
применяют масло для вспомогательных пароструйных насосов, масло ВМ-3, а также синтетическую жидкость Ал- карен-11.
Масло для вспомогательных пароструйных насосов представляет собой продукт дистилляции медицинского вазелинового масла. Оно сравнительно дешево, ио имеет низкую теомическую и термоокислнтельную стойкость (стойкость к окислению кислооодом воздуха при рабочей температуре в насосе). При окислении его характеристики изменяются, масло темнеет и дает смолистые осадки на внутренних деталях насоса. В связи с этим срок службы масла в насосах большой производительности невелик.
Масло ВМ-3 — продукт дистилляции недоочишенных веретенных масел. По термоокислительной стойкости масло ВМ-3 почти в 50 раз превосходит масло для вспомогательных насосов.
Рис. 10.23. Зависимость быстроты действия паромасляного бустерного насоса от впускного давления при разной мощности нагревателя
Вместе с тем масло ВМ-3 более легко, кипящее, поэтому его потери из насоса больше потерь масла для вспомогательных насосов при одинаковых рабочих условиях.
Алкарен-И — синтетическая углеводородная жидкость на основе алкилнафталинов. Может быть применена при откачке коррозионных сред.
Характеристики вакуумных масел для бустерных насосов приведены в табл. 10.4 [50].
Характеристики бустервых насосов— быстрота действия, производительность и наибольшее выпускное давление — существенно зависят от мощности, подводимой к кипятильнику насоса. Изменяя подводимую мощность, можно сдвигать максимум кривой зависимости быстроты действия от впускного давления в область высоких или низких давлений (рис. 10.23). Соответственно с увеличением подводимой мощности производительность насоса (SX р) в области высоких давлений увеличивается, а в области низких — уменьшается.' при этом наибольшее выпускное давление насоса существенно возрастает при любом впускном давлении.
Вследствие значительной плотна сти паровых струй, истекающих нз сопл бустерных насосов, последнее хорошо откачивают легкие газы. Так. быстрота действия по водороду А^ некоторых насосов вдвое превышав аналогичный показатель по возДУхУ при номинальной мощности нагреб теля насоса.
Важнейшая характеристика $У ^1 ных насосов — обратный поток масл ного пара из насоса в откачиваеМУ систему. Для современных бустер"**
Рис. 10.24. Бустерные насосы НВБМ-0,5 t«h НВВЛМ.5 (^ „ „ВБМ-5 (.)
. Т а б л и5
Значение
параметра для насоса
Параметр
НВБМ-0,5
НВБМ-2.5 |
НВВМ-5
Быстрота действия при рвп " Ь3 Па, дм3/ с
р*, Па
Наибольшее выпускное давление (при
рвП = 1,3 Па), Па'
Qb при т = /288-5) Кир — 0.1 ...
0,3-МПа. дм®/ч
Мощность нагревателя при напряжении 380/220 В', кВт
Объем масла ВМ-3. заливаемого в иа-
сое, дм3
Ьу фланца, мм:
впускного
ВЫПУСКНОГО
Требуемая быстрота действия форва
куумного насоса, дм3/с
Габаритные размеры, мм
Масса, кг
•700
1,зао-а
• 93
■ 145
2
7
160
40
15
515Х465Х
X 1065
70
2500
6,5-1О"4 200
360
.6
30
250
100
20
740Х 590Х
X 1710
235 -
* 5000
6,5.10-1
300
600
12
50
400
' 160
40
1150Х910Х
Х2340 390
* Давление измерено при работе насоса на масле ВМ-3 манометрическим преобразователем давления с ловушкой, охлажденной жидким аз<Угом.
насосов с колпачковым, охлаждаемым водой маслоотражателем удельный обратный поток масла составляет 0,02 ... 0,05 мг/(мин-см2) при работе насосов в области давлений не более 1 Па.
Характеристики отечественных бустерных - иасосов (рис. 10.24) приведены в табл. 10.5 [10].
Диффузионные насосы
Принцип действия. Диффузионные насосы применяют для откачки вакуумных систем до остаточных давлений 10-1 ... 10"5 Па и ниже. При таких давлениях длина свободного пути молекул откачиваемого газа практически всегда больше диаметра впускного отверстия насоса, поэтому в нем возникает молекулярный режим течения газа/ При тепловом движении через впускное отверстие насоса молекулы газа направляются к паровой струе. Механизм удаления газа в диффузионных насосах обусловлен диффу-
зионными процессами. Под действием разности концентраций газа над паровой струей и в струе (концентрация ■ газа в струе вблизи сопла пренебрежимо мала) полисходнт диффузия газа . в струю. Попав в струю, моледулы газа получают импульсы от молекул пара в направлении парового потока и уносятся вместе, со стпуей к стенке корпуса насоса: пои этом пар кондеи- . суруется на охлаждаемой стенке, а газ, сжатый в струе до выпускного . давления ступени, перетекает вдоль стенки в пространство над следуй6® ступенью иасоса.
Наряду с прямой диффузией газа происходит и обратная диффузия ® .струю со стороны форвакуума. ^ иако в этом случае молекулы газа, движущиеся в обратном направлен# ' сталкиваются с движущимися им н® встречу молекулами пара и °ттесИ ются обратно в сторону форвакУУ^ лишь небольшая часть молекул м0** продиффундировать через струю Б
ватном направлении. Число молекул ; за> диффундирующих через струю ; обратном направлении, при опти- ,Ильном режиме работы насоса не- оизмеримо мало по сравнению с чис- *оМ молекул газа, диффундирующих п струю со стороны впускного отвер- ,'тяя насоса. Однако в некоторых слу- 'аЯх. например при откачке легких сазов насосом, режим работы которого оптимален для откачки воздуха, влияние обратной диффузии может заметно
сказываться на характеристиках иасоса.
Устройство насосов. Диффузионные насосы подобно бустерным являются 1 многоступенчатыми системами с соплами обращенного зонтичного типа. В зависимости от рода рабочей жидкости, используемой д насосе, современные диффузионные насосы подразделяют на паромасляные и парортутные. В паромасляиых насосах используют различные рабочие жидкости органического происхождения с низким дав-, лением пара при нормальной температуре. Как правило, это—смеси фракций с различными давлениями пара ■ и молярными массами.
В связи с этим следует отметить, что требования к рабочей жидкости ’ паромасляиых насосов, обеспечиваю
скорости диф- Для последней определяющейскорости диф- Для последней определяющейщие наиболее благоприятные условия работы отдельных ступеней, различны. Так, Для работы первой (входной) ступени, определяющей предельное остаточное давление и быстроту действия засоса, нужна рабочая жидкость с низким давлением пара при нормальной температуре (дли получения низкого остаточного давления) и. при рабочей температуре в кипятильнике,, (в связи с необходимостью создания паровой стоуи малой плотности для обеспечения большой
скорости диф- Для последней определяющей
скорости диф- Для последней определяющей
I Фузии газа в струю). : №ходной) ступени.
Наиболыпее выпускное давление на- с°са, давление пара при нормальной температуре несущественно, а давлено пэра при рабочей температуре.
Кипятильнике должно быть возможно ^ъшим для получения струи высо- .04 п^отности. С учетом этого в кои- .^УКциях ' современных паромасля- .^х диффузионных насосов предусма- Рйвают фракционнповаиие рабочей ‘йлкорти ь самом насосе. При этом
Рис. 10.25. Схема паромасляного фрак* ционирующего диффузионного насоса: / — маслоотражатель; 2 — паропровод; 3 — корпус; 4 — защитный кожух; б — электронагреватель; б — эжекторное сопло; 7 — конфузор эжектора; 8 и 9 — впускной и выпускной фланцыРис. 10.25. Схема паромасляного фрак* ционирующего диффузионного насоса: / — маслоотражатель; 2 — паропровод; 3 — корпус; 4 — защитный кожух; б — электронагреватель; б — эжекторное сопло; 7 — конфузор эжектора; 8 и 9 — впускной и выпускной фланцытяжелые фракции с малым давлением пара направляются к первой ступени,, а легкие фракции с большим давлением • пара — к последней ступени. Такие насосы называют фракционирующими.
Рис. 10.25. Схема паромасляного фрак* ционирующего диффузионного насоса: / — маслоотражатель; 2 — паропровод; 3 — корпус; 4 — защитный кожух; б — электронагреватель; б — эжекторное сопло; 7 — конфузор эжектора; 8 и 9 — впускной и выпускной фланцы
Рис. 10.25. Схема паромасляного фрак* ционирующего диффузионного насоса: / — маслоотражатель; 2 — паропровод; 3 — корпус; 4 — защитный кожух; б — электронагреватель; б — эжекторное сопло; 7 — конфузор эжектора; 8 и 9 — впускной и выпускной фланцы
Схема типичного паромасляного трехступенчатого Фракционирующего диффузионного насоса дана на рис. 10.25. Первые две ступени насоса — зонтичного типа, третья ступень — эжекторная. Для фракционирования рабочей жидкости в насосе . разделены трубы, подводящие пар к ступеням, и на днище насоса уста- иовлен специальный лабиринт, образуемый фракционирующими кольцами. Конденсат масла, стекающий по стенке корпуса 3 насоса в кипитиль-’ ник, попадает через прорези в нижней -части внешнего, паропровода в про- стоаиство между внешней и внутренними трубами; проходя по лабиринту во фракционирующем устройстве, рабочая жидкость испаряется, обедняясь по мере движения к внутренней трубе, легкими фракциями с высоким давлением пара. Утяжеленная часть рабочей жидкости, состоящая из фракций с низким давлением пара, поступает ■ во внутреннюю трубу и иаправлиется к первой, высоковакуумиой ступени,
318318««Рис* 10 26. Схема паромасляного диф- фузионного, насоса с воздушным охлажде- * киемРис* 10 26. Схема паромасляного диф- фузионного, насоса с воздушным охлажде- * киема легкие фракции поступают во вторую и эжекторную ступени. Корпус 3 насоса и маслоотражатель 1 охлаждаются водой.
318
318
«
«
Рис* 10 26. Схема паромасляного диф- фузионного, насоса с воздушным охлажде- * кием
Рис* 10 26. Схема паромасляного диф- фузионного, насоса с воздушным охлажде- * кием
В ряде случаев, например в передвижных установках, насосы с водяным : охлаждением применять неудобно; тогда используют насосы с принудительным воздушным охлаждением, (рис. 10.26). Насос охлаждается вентилятором 1, установленным на корпусе 2, для более эффективного ох-
газгаз44Ряс* 10.27. Одноступенчатый стеклянный . парортутный насос:
газ
газ
4
4
Г** ловушка; 2 — сопло; 3 — нагрева
тель; 4 — теплоизоляция
лаждения на корпусе насоса предуо®! трены ребра,^Основные конструкционные мате* риалы паромасляных насосов — алюминий (детали паропровода» сопла) и низкоуглеродистая или коррозиоя-- но-стойкая сталь (корпус).Парортутные насосы конструктивна отличаются от паромасляных. что обусловлено свойствами ртути как рабочей жидкости. Во-первых, ртуть является однородной жидкостью, не измеряю* щей своего состава в кипятильнике насоса; поэтому в парортутных насо* сах отсутствуют фракционирующие устройства н все ступени насоса пи*: . таются паром одного состава. Bos ■ вторых, ртуть химически активна,* • что обусловливает выбор конструкционных материалов насоса. ‘-ллаждения на корпусе насоса предуо®! трены ребра,^Основные конструкционные мате* риалы паромасляных насосов — алюминий (детали паропровода» сопла) и низкоуглеродистая или коррозиоя-- но-стойкая сталь (корпус).Парортутные насосы конструктивна отличаются от паромасляных. что обусловлено свойствами ртути как рабочей жидкости. Во-первых, ртуть является однородной жидкостью, не измеряю* щей своего состава в кипятильнике насоса; поэтому в парортутных насо* сах отсутствуют фракционирующие устройства н все ступени насоса пи*: . таются паром одного состава. Bos ■ вторых, ртуть химически активна,* • что обусловливает выбор конструкционных материалов насоса. ‘-л' . Один из наиболее распространенных^' . Один из наиболее распространенных^применяемых гл.авным образом в лабораторных условиях, парортутных насосов — одноступенчатый стеклянный
лаждения на корпусе насоса предуо®! трены ребра,^
Основные конструкционные мате* риалы паромасляных насосов — алюминий (детали паропровода» сопла) и низкоуглеродистая или коррозиоя-- но-стойкая сталь (корпус).
Парортутные насосы конструктивна отличаются от паромасляных. что обусловлено свойствами ртути как рабочей жидкости. Во-первых, ртуть является однородной жидкостью, не измеряю* щей своего состава в кипятильнике насоса; поэтому в парортутных насо* сах отсутствуют фракционирующие устройства н все ступени насоса пи*: . таются паром одного состава. Bos ■ вторых, ртуть химически активна,* • что обусловливает выбор конструкционных материалов насоса. ‘-л
лаждения на корпусе насоса предуо®! трены ребра,^
Основные конструкционные мате* риалы паромасляных насосов — алюминий (детали паропровода» сопла) и низкоуглеродистая или коррозиоя-- но-стойкая сталь (корпус).
Парортутные насосы конструктивна отличаются от паромасляных. что обусловлено свойствами ртути как рабочей жидкости. Во-первых, ртуть является однородной жидкостью, не измеряю* щей своего состава в кипятильнике насоса; поэтому в парортутных насо* сах отсутствуют фракционирующие устройства н все ступени насоса пи*: . таются паром одного состава. Bos ■ вторых, ртуть химически активна,* • что обусловливает выбор конструкционных материалов насоса. ‘-л
' . Один из наиболее распространенных^
' . Один из наиболее распространенных^
насос (рис. 10.27), очень ппостой по устройству. Сопло 2 выполнено пи- лийдрическнм. Такие насосы с различными размерами и характерной кама обычно изготовляют сами потребителя.
В металлическом пароотутном трехступенчатом насосе Н-50Р (рис. 10.28) конфузор последней эжекторной ступени служит одновременно патрубком, соединяющим насос с выходной дисковой ловушкой. В связи с тем, ч^о давление пара ртути при ноималь- ной температуре велико (0.1 Па), -Для получения высокого вакуума в' откачиваемом сосуде между лагортут- ным насосом и откачиваемым сосудом необходимо устанавливать охлаждаемую до низкой температуры ловушку. При использовании ловушки, охлаждаемой жидким азотом, парортутный насос позволяет получить в хорошо обезгаженной пои Г — 723 К системе Ро - 10~10 Па.
Рабочие жидкости. Ртуть обладав рядом преимуществ, обусловивших ее применение в качестве рабочей жидкости в высоковакуумных насосах: одн°‘ родность состава; стабильность свойств в процессе работы в насосе (ртуть не разлагается при рабочих темлератУ* рах); стойкость к окислению воздухом? высокое давление пара при рабочей температуре в кипятильнике* зрави8.
цельно малая растворимость газов.
Недостатки ртути: высокое давление пара (0,1 Па) при нормальной -температуре (для получения в откачиваемом сосуде давления ниже 0,1 Па между насосом и сосудом необходимо устанавливать охлаждаемую до низкой температуры ловушку); высокая химическая активность по отношению к металлам (ртуть образует амальгамы с большей частью металлов, что ограничивает выбор конструкционных материалов для насоса); токсичность па-' ров (необходимо создавать специальные помещения для работы со ртутью и соблюдать меры предосторожности, исключающие повышение концентрации паров ртути в рабочих помещениях). Ртуть, предназначенная для работы в насосах, должна быть хорошо очишена. Для высоковакуумных насосов применяют Дистиллированную ртуть Р-1 и Р-2.
Указанные недостатки ртути, особенно токсичность паров, существенно ограничивают возможность ее использования в качестве рабочей жидкости в насосах. Ртутные насосы используют главным образом для откачки систем, в которых пары ртутя являются - рабочей средой (ртутные выпрямители, лампы), и в установках, где необходима высокая чистота рабочей среды (в масс-спектрометрах, сверхвысоковакуумных системах термоядерных установок и др.).
Высоковакуумные масла лишены указанных недостатков. Они химически инертны, неядовиты я имеют низкое давление пара при нормальной температуре, позволяющее получать предельное остаточное давление 10~4 ... i0~5 Па и ниже без применения низкотемпературных ловушек,
В высоковакуумных паромасляиых насосах применяют в основном рабо- чие жидкости четырех типов: минеральные масла; кремнийорганические соединения; сложные эфиры органиче- СКИХ спиртов и кислот; синтетические Углеводородные жидкости.
Минеральные масла получают ва- кУУмной дистилляпией продуктов переработки нефти. Это неоднородные по составу жидкости, представляющие со- б°й смеси углеводородов с различными м°лекуля рными массами и температу
рке. 10.28. Трехступенчатый малогабаритный парортутный насос И-60Р:
/ — корпус; 2 — паропровод; 3 — эжектор; 4 — кипятильник; 5 — теплоизоляционный кожух; 6 — нагреватель; 7 — ловушка для паров ртути
рами кипения, отличающиеся низким давлением пара при нормальной температуре. Насосы, работающие на этих маслах, создают предельное остаточное давление 10”4 ... 10“Б Па. Минеральные масла имеют, как правило, достаточно высокую термостойкость и сравнительно невысокую термоокислительную стойкость (при окислении, образуют смолистый осадок на внутренних поверхностях насоса).
Несмотря на высокую термическую стабильность минеральных масел, состав остаточных газов в хорошо тренированном насосе в значительной мере определяется продуктами разложения масла в кипятильнике насоса. В спектре остаточных газов (рис. 10.29) в иасосе, работающем на минеральном масле, присутствует значительное количество тяжелых углеводородов. Несмотря на малую термоокислительную стойкость и образование летучих уг-
Рис. 10.29. Спектр остаточных газов в диффузионном насосе прн работе на масле ВМ-5 (U — показание выходного прибора)Рис. 10.29. Спектр остаточных газов в диффузионном насосе прн работе на масле ВМ-5 (U — показание выходного прибора)
Рис. 10.29. Спектр остаточных газов в диффузионном насосе прн работе на масле ВМ-5 (U — показание выходного прибора)
Рис. 10.29. Спектр остаточных газов в диффузионном насосе прн работе на масле ВМ-5 (U — показание выходного прибора)
полисилоксановые соединения, молекулы которых состоят из чередующихся атомов кремния и кислорода с присоединенными углеводородными радикалами по свободным связям кремния. Благодаря сильной связи между кремнием и кислородом кремнийорга- нические жидкости обладают высокой термической и термоокнслительнсй стойкостью. Попадание и насос атмос- . ферного воздуха ве влияет, как правило, иа эксплуатационные свойства рабочей жидкости. Кремнийорганиче- ские жидкости инертны к иоде. Осиоен промышленный выпуск высоковакуум- иых кремнийорганических жидкостей ПЭС-В-1 и ПЭС-В-2 (узкие фракции полиэтилсилоксановой жидкости), а также ПФМС-2/5л (узкая фракция полифенилметилсилоксановой жидкости). Осваивается промышленное производство жидкости 133-38 (ПФМС-13) — смеси метилфенилсилок- санои, по окислительной стойкости и 1,5 раза превосходящей жидкость ПФМС-2/5л и предназначенной для замены последней. Еще большую окислительную стойкость имеет жидкость 133-35 (МФТ-1) — метилфенилиикло- тетрасилоксан; по термоокислительной стойкости она в 2 ... 3 раза превосходит жидкость 133-38. Эти жидкости имеют низкое давление пара при нормальной температуре и позволяют получать предельное остаточное давление диффузионного насоса до 10'4 Па.
В диффузионных насосах, предназначенных для получения сверхиысокого вакуума, применяют кремнийоргани- ческве жидкости ФМ-1 (пентафеиил- трисилоксан) и ФМ-2 (гексафенилтетрасилоксан), обладающие ультра- низким давлением пара при нормальной температуре (10-9 .,. 10"и Па) и позволяющие создавать предельное остаточное давление диффузионного иа- соса ниже 10'7 Па без использования ловушек, охлаждаемых жидким азотом. По термоокислительной стойкости жидкости ФМ-1 и ФМ-2 ли^ немного уступают жидкости 133-35.
леиодородои, минеральные масла наиболее широко распространены благодаря относительно невысокой стоимости (по сравнению с другими рабочими жидкостями). Отечественная промышленность выпускает высоковаку- умные минеральные масла ВМ-1 и ВМ-5, являющиеся продуктами дистилляции медицинского вазелинового масла; самое дешевое масло (ВМ-1) получают однократной, а масло ВМ-5—_ двукратной дистилляцией вазелинового масла. Масло ВМ-5 имеет более однородный состав и более высокую термическую стойкость по сравнению с маслом ВМ-1. Предельное остаточное давление насоса при работе на масле ВМ-5 на порядок ниже, чем при работе на масле ВМ-1, время достижения остаточного давления и 1,5... 2,0 раза меньше. Следует заметить, что характеристики минеральных масел зависят от сорта нефти, используемой и качестве исходного сырья.Синтетические углеводородные жидкости дороже минеральных, но для производства первых не требуется дефицитное сырье (нефть); состав и ха- , рактеристики их точно воспроизводимы. Синтетическая углеводородная жидкость Алкарен-24 на основе алкил- иафталиуов имеет низкое давление пара при нормальной температуре, позволяющее получать предельное остаточное давление диффузионного насоса 10~® ... 10"’ Па, по термоокислительной стойкости превосходит минеральные масла.КремииЙоргаиические жидкости —леиодородои, минеральные масла наиболее широко распространены благодаря относительно невысокой стоимости (по сравнению с другими рабочими жидкостями). Отечественная промышленность выпускает высоковаку- умные минеральные масла ВМ-1 и ВМ-5, являющиеся продуктами дистилляции медицинского вазелинового масла; самое дешевое масло (ВМ-1) получают однократной, а масло ВМ-5—_ двукратной дистилляцией вазелинового масла. Масло ВМ-5 имеет более однородный состав и более высокую термическую стойкость по сравнению с маслом ВМ-1. Предельное остаточное давление насоса при работе на масле ВМ-5 на порядок ниже, чем при работе на масле ВМ-1, время достижения остаточного давления и 1,5... 2,0 раза меньше. Следует заметить, что характеристики минеральных масел зависят от сорта нефти, используемой и качестве исходного сырья.Синтетические углеводородные жидкости дороже минеральных, но для производства первых не требуется дефицитное сырье (нефть); состав и ха- , рактеристики их точно воспроизводимы. Синтетическая углеводородная жидкость Алкарен-24 на основе алкил- иафталиуов имеет низкое давление пара при нормальной температуре, позволяющее получать предельное остаточное давление диффузионного насоса 10~® ... 10"’ Па, по термоокислительной стойкости превосходит минеральные масла.КремииЙоргаиические жидкости —Эфиры, используемые в качестве рабочих жидкостей в отечественные диффузионных насосах, представляю1* собой полифенилоиые соединения, ^ личающиеся исключительно высоко* термической стабильностью.
леиодородои, минеральные масла наиболее широко распространены благодаря относительно невысокой стоимости (по сравнению с другими рабочими жидкостями). Отечественная промышленность выпускает высоковаку- умные минеральные масла ВМ-1 и ВМ-5, являющиеся продуктами дистилляции медицинского вазелинового масла; самое дешевое масло (ВМ-1) получают однократной, а масло ВМ-5—_ двукратной дистилляцией вазелинового масла. Масло ВМ-5 имеет более однородный состав и более высокую термическую стойкость по сравнению с маслом ВМ-1. Предельное остаточное давление насоса при работе на масле ВМ-5 на порядок ниже, чем при работе на масле ВМ-1, время достижения остаточного давления и 1,5... 2,0 раза меньше. Следует заметить, что характеристики минеральных масел зависят от сорта нефти, используемой и качестве исходного сырья.
Синтетические углеводородные жидкости дороже минеральных, но для производства первых не требуется дефицитное сырье (нефть); состав и ха- , рактеристики их точно воспроизводимы. Синтетическая углеводородная жидкость Алкарен-24 на основе алкил- иафталиуов имеет низкое давление пара при нормальной температуре, позволяющее получать предельное остаточное давление диффузионного насоса 10~® ... 10"’ Па, по термоокислительной стойкости превосходит минеральные масла.
КремииЙоргаиические жидкости —
леиодородои, минеральные масла наиболее широко распространены благодаря относительно невысокой стоимости (по сравнению с другими рабочими жидкостями). Отечественная промышленность выпускает высоковаку- умные минеральные масла ВМ-1 и ВМ-5, являющиеся продуктами дистилляции медицинского вазелинового масла; самое дешевое масло (ВМ-1) получают однократной, а масло ВМ-5—_ двукратной дистилляцией вазелинового масла. Масло ВМ-5 имеет более однородный состав и более высокую термическую стойкость по сравнению с маслом ВМ-1. Предельное остаточное давление насоса при работе на масле ВМ-5 на порядок ниже, чем при работе на масле ВМ-1, время достижения остаточного давления и 1,5... 2,0 раза меньше. Следует заметить, что характеристики минеральных масел зависят от сорта нефти, используемой и качестве исходного сырья.
Синтетические углеводородные жидкости дороже минеральных, но для производства первых не требуется дефицитное сырье (нефть); состав и ха- , рактеристики их точно воспроизводимы. Синтетическая углеводородная жидкость Алкарен-24 на основе алкил- иафталиуов имеет низкое давление пара при нормальной температуре, позволяющее получать предельное остаточное давление диффузионного насоса 10~® ... 10"’ Па, по термоокислительной стойкости превосходит минеральные масла.
КремииЙоргаиические жидкости —
Промышленность выпускает сиерх- высоковакуумные рабочие жидкости 5Ф4Э с давлением пара при нормальной температуре около 10~а Па и М-5Ф4Э* с давлением пара 10~10 Па; создаваемые диффузионным насосом предельные остаточные давления при работе на этих жидкостях составляют соответственно 5-10“^ и 5-Ю"8 Па. В спектре остаточных газов практически нет тяжелых углеводородов. По термоокислитсльисй стойкости эфиры превосходят минеральные масла, но уступают кремнийорганическим жидкостям ФМ-1 и ФМ-2. Недостатки эфиров — сравнительно высокая температура застывания (277,4 К) и кристаллизация на холодных поверхностях.
, Освоено промышленное производство некристаллизующей ся поли- феннлоиой жидкости Н-ПФЭ с температурой застывания ниже 273 К и давлением пара при нормальной температуре около 10"10 Па.
В диффузионных насосах, предназначенных для откачки коррозионных газов (кислорода, галоидов, галоид- содевжащих соединений и др.), может быть применена высоковакуумная рабочая жидкость МВД на основе перфторполнэфирои. Жидкость пожаро- и взрывобезопасна.
Основные характеристики рабочих жидкостей диффузионных насосов приведены и табл. 10.6.
Характеристики диффузионных насосов. В рабочем диапазоне давлений быстрота действия диффузионного насоса не завись т от впускного давления (рн:ь 10.30, участок //) и уменьшается в области низких (участок /) и высоких (участок ///) давлений.
Уменьшение быстроты действия при низких давлениях обусловлено тем. что в этой области проявляется обратная диффузия газа через паровую струю. Кроме того, существенную роль начинают играть газы, выносимые с паровой струей из кипятильника насоса и выделяемые стенками насоса. При конденсации паровой струи на стенках насоса некоторое количество газа, сжатого ею до повышенного Давления (особенно и области форвакуума), .растворяется в конденсате и Попадает вместе с газом в кипятиль-
1 П/р В. С. Фролов»
Рис. 10,30. Зависимость быстроты действия диффузионного насоса от впускного давления
ник насоса. Этот газ наряду с обратной диффузией и газоотделенвями стенок насоса в значительной мере определяет предельное остаточное давление р0 насоса и уменьшает быстроту действия S- При р — р0 быстрота действия 5 = 0.
По мере увеличения впускного давления масса газа, удаляемого насосом из откачиваемого сосуда, увеличивается по сравнению с массой газа, и озв р ащаемог о в сл е дстви е пр оти з о- диффузни, газоотделений н со струей из кипятильника, Когда эти массы становятся несоизмеримы, быстрота действия перестает зависеть от впускного давления (участок //).
С увеличением впускного давления ■повышается выпускное давление насоса, регламентируемое быстротой действия форвакуумного насоса. Увеличение выпускного давления приводит к возникновению скачка уплотнения в струе, перемещению его к соплу и отрыву струи от стенок насоса, сопровождающемуся перетоком газа из области, форвакуума в область высокого вакуума. При этом быстрота действия насоса уменьшается до быстроты действия форвакуумного иасоса. Быстрота действия насоса зависит от мощности нагревателя, рода откачиваемого газа и его температуры, рода рабочей жидкости.
Механизм увлечения газа струей в иысоковакуумном насосе обусловлен двумя основными процессами (диффузией газа в струю, зависящей от плотности струи, и переносом газа струей, зависящим от скорости струи), поэтому быстрота действия насоса зависит от совокупного изменения ука-
StSt
St
St
Таблица 10.6
СО
Рабочая индкость
Рп при Т = = 293 К,
Ро, Па
v-10* при Т = 323 К, м*/с
р при Т — = 293 К, кг/м*
м, г/моль
Г. кДж/моль
Коэффициенты уравнения 1б Рд =
— Л — BIT
Па
А
в
BM-1 (OCT 38 01402—86)
10" *
2-10"*
65
..69
887
450
115
14,5
6000
п
ВМ-5 (OCT 38 01402—86)
2-10-’
io-*
64
...74
885
450
119
14,8
6200
5 s
ПЭС-В-1
5-10-*
2-10"*
16
...33
970
700
103
13,0
5300
to to
ПЭС-В-2
5-10-’
5-10-*
16
...33
970
700
87
11,1
4500
to
ПФМС-2/бл (ТУ 6-02-777—73)
133-38 (ПФМС-13) (ТУ 6-02-1-274—74)
5-10"’
2,5-10-’
2,5.10"*
2,5-Ю-4
8
18
... 13
... 22
1050 ...
1070
1100
571
480
108
100
15,0
13,2
5700
5200
X 4 4 i tE
133-35 (МФТ-1) (ТУ 6-02-934-74)
10"*
5-10"»
35
... 37
1125
544
128
16,4
6700
£ tn
ФМ-1 (ТУ 6-02-758—73)
5-10"’
IO"7
35
... 37
4095
547
118
13,0
6200
to
ФМ-2 (ТУ 6-02-286—76)
10-м
510-*
55
...62
1105
689
144
15,8
7550
5Ф4Э (ТУ 6-09-4626—78)
ю-8
5.10"’
116
... 130
1200
446
130
14,2
6800
М-5Ф4Э (ТУ 6-09-06-307—76)
10-м
5-10-8
117
... 120
1200
446
-445
16,0
7600
Н-ПФЭ (ТУ 6-09-06-822—76)
10-«
5-10"*
120
... 137
1200
450
145
16,0
7600
Алкарен-24
5-Ю~8
810-’
50
...60
915
420
132
16,32
6900
МВД
2,5.10-*
2-10"*
20
—
3000
131
17,6
6870 ■
ч
ha
-e.ё
£
Й
Qo pt см —
= Е kWx^ / Е №. (^
где Sopt см и Copt см — быстрота дей-^ ствия и производительность насоса^для смеси газов при оптимальной мощности нагревателя; S; — быстрота действия насоса для «-го газа, входящего в смесь; р* — парциальное давление газа в смеси; М; — молярная масса газа; с^ — объемная доля газа в смеси.
Если значения быстроты действия иасоса для отдельных газов, входящих в смесь, неизвестны, то для ориентировочных расчетов по формулам (10.32) и (10.23) значение Si можно определить из уравнения (10.20).
Оптимальную мощность нагревателя иасоса при откачке смесей газов выбирают с помощью эмпирической зависимости
^optcM VI ^ioptr _ /1АОЛХ г— / д.> (10.24)
'Voptfioa'Voptsoa
Z=I
где ^^(Optг/^opt воз отношение, определяемое по уравнению (10.21).
Быстрота действия насоса прямо пропорциональна корню квадратному из абсолютной температуры откачиваемого газа. Изменения температуры откачиваемого газа, наблюдаемые обычно на практике, незначительно Влияют на быстроту действия насоса. Так, чтобы быстрота действия увеличилась на 10%, температуру откачиваемого газа следует повысить с 293
। до 353 К.
Быстрота действия зависит от рода рабочей жидкости. Если в диффузионный насос заливать различные рабочие жидкости, то при одинаковой мощности нагревателя быстрота действия насоса будет существенно изменяться. .Зависимость быстроты действия насоса от рода рабочей жидкости можно объяснить тем, что жидкости имеют различные термодинамические и физико-химические характеристики, обусловливающие различные режимы работы кипятильника, истечёния пара из сопла и _ соответственно различные структуры струй, а также разные количественные соотношения при взаимодействии моле
кул откачиваемого газа с молекулами пара. Поскольку число факторов, обусловливающих влияние рабочей жидкости на работу насоса, велико, зависимость быстроты действия от рода рабочей жидкости нельзя выразить простым соотношением. Кроме того, для многих рабочих жидкостей (вакуум. ных масел) неизвестны некоторые важные характеристики, например показатель адиабаты fe, определяющий зависимость режима истечения пара из сопла от рода рабочей жидкости. В связи с этим теоретическое исследование зависимости быстроты действия от рода рабочей жидкости затруднено.
К выбору рабочей жидкости для насоса подходят обычно с практической точки зрения. Так, если в откачиваемой системе недопустимо присутствие углеводородов, применение органических соединений в качестве рабочей жидкости исключается; в таких случаях обычно используют ртуть. Если требуется получить возможно более низкое предельное остаточное, давление без применения низкотемпературных ловушек, то в качестве рабочей жидкости используют вакуумное масло с низким давлением пара.
Конструирование и отработку насоса выполняют обычно для определенной рабочей жидкости, поэтому характеристики насоса оптимальны для этой жидкости. Для работы на другой рабочей жидкости необходимо подбирать (изменением мощности) новый оптимальный режим работы насоса.
Предельное остаточное давление насоса определяется обратной диффузией газа со стороны форвакуума, давлением пара жидкости при температуре стенок насоса, выносом газов со струей пара из кипятильника, а также газовыделе- ниями стенок насоса.
Обратная диффузия газа через струю зависит от давления газа под струей» плотности и скорости паровой струи, молекулярной массы газа. Влияние обратной диффузии газа из области форвакуума снижается с уменьшением перепада давлений над струей и поД ией. В свизи с этим оптимальные пре' дельные остаточные давления получаю1* при работе е многоступенчатыми щас^ сами. При оптимальной для откачки даииого газа мощности нагревателя
огоступенчатого (трех- и четырех- ступенчатого) насоса обратная диффу-
в общем случае не является решаю- щиМ фактором при определении предельного остаточного давления. Только при откачке легких газов и мощности, оптимальной для откачки воздуха, про- тиводиффузия может быть столь вели- ка> что малейшее изменение. выпускного давления приведет к изменению предельного остаточного давления насоса.
Давление пара рабочей жидкости насосов (за исключением ртути) обычно на несколько порядков меньше реального предельного остаточного давления и поэтому не влияет на него. Однако при повышении температуры стенки насоса это влияние может оказаться существенным. Так, при повышении температуры воды, охлаждающей насос, от 393 до 323 К предельное остаточное давление при работе на масле ВМ-1 возрастает в несколько раз, а в насосе с воздушным охлаждением при таком же повышении температуры охлаждающего воздуха — на два порядка.
Важное значение имеет также вынос газа со струей из кипятильника. Этот процесс обусловлен двумя факторами. Во-первых, при конденсации паровой струи на стенках насоса происходит частичное растворение откачиваемого газа в конденсате, причем, попав вместе с конденсатом в кипятильник, газ увлекается с паром к соплу и выделяется из струи в откачиваемый объем. Во- вторых, некоторые рабочие жидкости, нагреваясь до рабочей температуры в кипятильнике, могут частично разлагаться с выделением газообразных продуктов (так называемый термический крекинг масла), которые выносятся со струей в откачиваемый объем.
Естественно, что термическое разложение рабочей жидкости интенсифицируется с повышением температуры Пара в кипятильнике и, соответственно, Увеличением мощности нагревателя, следователь но, кривая зависимости Редельного остаточного давления от мощности нагревателя должна иметь ‘^нимум, С увеличением мощности Сдельное остаточное давление сна- ла уменьшается вследствие умеиь- ения обратной диффузии, а затем,
достигнув минимума при некоторой мощности, начинает возрастать вследствие выделения газообразных продуктов термического разложения масла. Количество газов, попадающих из струи с конденсатом в кипятильник, существенно зависит от растворимости газов в конденсате, температуры конденсата и давления, при котором происходит растворение газа в конденсате* Чем меньше давление, при котором газ контактирует с пленкой конденсата, и выше температура конденсата, тем меньше растворимость газа в конденсате и, соответственно, меньше эмиссия газов из струи и предельное остаточное давление насоса.
На предельное остаточное давление существенно влияет выделение газов из стенок насоса. Обезгаживание стенок насоса прогревом до Т = 370 К позволяет понизить предельное остаточное давление насоса более чем на порядок.
Наибольшее выпускное давление насоса определяется работой последней выпускной ступени и зависит главным образом от плотности струи, расхода пара через сопло и конструкции ступени.
Для увеличения наибольшего вы- Ъускного давления необходимо увеличивать плотность паровой струи и расход пара через сопло, т. е. мощность нагревателя. Наибольшее выпускное давление высоковакуумного насоса зависит от впускного давления, причем характер зависимости определяется главным образом конструкцией выпускной ступени.
Во многих конструкциях высоковакуумных насосов выпускная ступень выполнена в виде эжекторного узла с конической сужающейся камерой смешения. В этих насосах наибольшее выпускное давление возрастает с увеличением впускного давления. Обычно насосы характеризуют наибольшим выпускным давлением при предельном остаточном давлении или при наибольшем впускном давлении в рабочем диапазоне (диапазон давлений, в котором быстрота действия постоянна).
Для сравнительной оценки степени совершенства диффузионных пароструйных иасосов примениют удельные характеристики, важнейшие из кото-
LLрых — удельная . быстрота действия, вакуум-фактор и термодинамический КПД.
L
L
Удельная быстрота действия — это быстрота действия SH насоса, отнесенная к единице площади F сечения впускного отверстия:
S^SHjF. (10.25)
Для лучших конструкций современных диффузионных насосов Svn = = 5,0...6,5 дм3/(с-см2).
Вакуум-фактор — отношение фактической быстроты действия 8$ насоса к теоретической максимально возможной быстроте действия ST:
Ф = 5ф/5Т.(10.26)
Вакуум-фактор — более наглядная, характеристика работы вакуумных насосов, чем удельная быстрота действия, так как непосредственно указывает, насколько фактическая быстрота действия отличается от предельно возможной. Прн этом удельную теоретическую быстроту действия можно рассматривать как объем газа, который теоретически может пройти через 1 см2 площади диффузионной диафрагмы в единицу времени. Так, при откачке воздуха при Т ~ 293 К б области низких давлений (молекулярный режим течения газа) ST — 11,6 дм3/(с-см2). Для большинства современных насосов вакуум-фактор Ф д^ 0.3...0,5.
Термодинамический КПД в соответствии с выражением (10.5) для различных пароструйных диффузионных насосов составляет 10“4...1б~3,т. е.только сотые или десятые доли процента мощности нагревателя затрачиваются на совершение' работы сжатия газа.
Иногда на практике при оценке вакуумного насоса в качестве технике-4 экономического показателя применяют так называемую удельную мощность, т. е. расход мощности на единицу быстроты действия, Вт с/дм3;
q — M/S. (10.27)
Однако этот показатель недостаточен для технико-экономической характеристики вакуумного пароструйного насоса, так как не учитывает наибольшего выпускного давления, а следовательно, и степени сжатия газа. Между тем, как уже указано, мощность
нагревателя существенно зависит от наибольшего выпускного давления: чем больше выпускное давление, тем боль- шая мощность должна быть подведена к насосу. Комплексным показателем является термодинамический КПД, который с учетом выражений (10.25)— (10.27) можно записать в виде
Ф
Л = — pRT Ing, (10.28) где р — плотность газа при давлении Рвп! Qf" M'ST.
Из выражения (10.28) следует, что КПД вакуумного пароструйного насоса возрастает с увеличением вакуум-фак- тора Ф, степени сжатия газа g --
Рвып/рвп И уменьшением удельной мощности а'.
В высоковакуумных насосах при ^стечении пара из сопла часть линий тока паровой струи направлена в сторону откачиваемого объема, поэтому происходит частичная миграция паров рабочей жидкости из насоса в откачиваемый сосуд. Кроме того, источниками миграции пара являются конденсат рабочей жидкости, находящейся на стенках корпуса в верхней части насоса и испаряющейся при температуре стенки, а также поверхность сопла, на которой происходят частичная конденсация пара из струи и последующее испарение конденсата при температуре сопла. В ряде конструкций насосов существенную миграцию паров рабочей жидкости в откачиваемый сосуд могут вызывать неплотности крепления верхнего сопла (вытекание пара из-под гайки, крепящей сопло).
Миграция паров рабочей жидкости из насоса в откачиваемый сосуд нежелательна по ряду причин (например, загрязнение откачиваемой системы, по-, тери рабочей жидкости в насосе). Кроме того, миграция паров масла из струи иасоса в откачиваемый сосуд может в значительной степени изменять остаточное давление в системе.
Обратный поток паров масла из иасоса в откачиваемую систему для большей части * насосов составляет 0,1...0,01% потока пара, истекающего из верхнего сопла насоса; в среднем по сечению входного отверстия обратный поток составляет Н...5) X X 10-2мг/(ч-см2).
При установившемся режиме работы насоса обратный поток масла практически постоянен. Увеличение впускного давления в широком диапазоне рабочих давлений не приводит к изменению обратного потока масла. Обратный поток практически не меняется в диапазоне впускных давлений 1(Г~4... Ю"3 Па, а при давлении более 10-2 Па уменьшается (рис. 10.33). Это объясняется, по-видимому, тем, что напуск воздуха в насос до давлений более Ю”2Па приводит к переходу молекулярного режима течения газа в молекулярно-вязкостный, при котором вероятность возврата молекул масла в насос возрастает в результате увеличения числа столкновений с движущимися навстречу молекулами газа. Однако следует учитывать, что повышение впускного давления до значения, при котором достигается наибольшее выпускное давление насоса, может привести к нарушению режима работы насоса; при этом последующее восстановление нормального режима работы сопровождается значительным увеличением. обратного потока масла.
Повышенная миграция паров рабочей жидкости происходит при пуске и остановке насоса. После включения иагревателя (в течение 15 мин) обратный поток равен нулю (рис. 10.34), так как происходит разогрев кипятильника, и температура масла еще низкая (этот период соответствует подводу теплоты, компенсирующей тепловые потери в насосе). Далее температура масла быстро повышается, из сопла истекает «^сформированный еще дозвуковой поток, что приводит к резкому увеличению обратного потока масла из насоса. Через иекоторое время поток формируется, скорость его становится сверхзвуковой, а обратный поток масла резко уменьшается до минимального значения. После этого температура в кипятильнике еще некоторое время повышается до рабочей, и обратный поток масла возрастает в результате увеличения плотности пара на выходе из сопла. Далее при установившейся рабочей температуре пара в кипятильнике обратный поток практически не меняется. При выключении нагревателя иасоса по мере снижения темпе- ратуры пара в кипятильнике обратный
Рис. 10.38. Зависимость потока масла на диффузионного насоса в откачиваемую систему от впускного давлении
поток масла сначала убывает вследствие уменьшения плотности паровой струи; затем по достижении температуры в кипятильнике, при которой статическое давление пара на выходе из сопла становится меньше давления газа на входе в насос, происходит скачок уплотнения в сопле. При этом скорость паровой струи становится дозвуковой, а плотность возрастает, и обратный поток масла резко увеличивается. После перемещения фронта скачка уплотнения в критическое сечение сопла обратный поток масла начинает убывать вследствие уменьшения плотности потока по мере снижения . температуры пара в кипятильнике.
Описанный характер изменения обратного потока паров рабочей жидкости из насоса при значительном увеличении Впускного давления во время пуска и .остановки иасоса часто является причиной загрязнения откачиваемой системы рабочей жидкостью, даже если миграция пара из насоса при нормальном установившемся режиме работы очень мала.
Основные характеристики паромас- ляных серийно выпускаемых диффузионных насосов приведены В табл. 10.7—10.9. Промышленностью
Рис. 10.34. Кривая изменения потока масла нз диффузионного насоса в процессе цикла (пуск—работа—остановка)
328
от
§
от
S
ь
«к
ю Ф со о
ю
35
8
X
- X
87 *
CQ
ОО
S
00
SX
еС
ч м о
о о я X
о S *
с-^ Л Го
и о
§
■о X
ч м х
в) ■
£• Зв •
со
35
5 и
x£So Ш — Шщ ю Xх
8»
Си 2S- s §5 eOQ
со <м г;
е С
5. е с
5
е с
8
6 со X
8 а
X X ф ч Я го <
cL^C^
& s- С
3 " U5
8 X 3
В s
g
S *5
S о rooS1" о o' " ■ °
Значение параметра для насоса
О
О
Параметр
ч
СО
8
о
<о
§
СО
е
CQ
X
X
X
X
X
Быстрота действия, дма/с, при рвп, Па:
6,6.10-* ... 1,3.10-*
340
700
2350
6,6.10-*6,6.10~2
—
—
• 5900
16 250
Наибольшее выпускное дав-
35
33,3
33,3
33,3
33,3
ление, Па
Расход охлаждающей воды
35
60
150
280
600
(при Т = 283 ... 293 К и р — 0,15 МПа), дм®/ч Мощность нагревателя, кВт
0,5
0,8
2,0
4,0 ■
19,0
Объем масла, дм3
0,05
0,3
0,6
1,4
3,5
Dy, мм, фланца: впускного
100
160
250
400
630
выпускного
25
40
63
63
100
Требуемая . быстрота дей-
1,5
3,0 .
10
16
50
ствия форвакуумного насоса, дм3/с
Габаритные размеры, мм
275Х
425Х
705Х
860Х
1 345Х
X 170Х
Х260Х
Х350Х
Х530Х
Х1010Х
Х360
Х380
Х600
Х800
XI 300
Масса, кг
6,5
16
31,5
80
280
Таблица 10.8
Примечание. Для указанных насосов предельное остаточное давление р0 = 6,5.10~e Па; напряжение для насоса НВДМ-630 — U = 380 В, для остальных — -U = 220 В.
<N О^Ч
х”ЙХ
. ш
00°
8 о «
x ю
* s h
и 3 О ^ 8
о о X S.
35 X
S Ж
Си го 3
м
Параметр
Значение параметра для насоса
НСВДМ-63
НСВДМ-100
НСВДМ-160
НСВДМ-250
Быстрота действия при Рвп= Ю-8 ... 10"* Па, Дм3/с'
Рр> Па
Наибольшее выпускное
Давление, Па
Обратный поток паров рабочей жидкости, Мг/(ч.см2)
170
360 ,
6,5 2
5-
700
• io-«
6,6■
10"»
' 1700
Расход охлаждающей воды (при Т = 283 ... 293 К и р = 0,15 МПа), дм3/ч
30
42
85
155
Таблица 10.9
ПараметрПараметрПримечание. Для - насоса НСВДМ-250 напряжение U — 380/220 для остальных — U = 220 В.Примечание. Для - насоса НСВДМ-250 напряжение U — 380/220 для остальных — U = 220 В.НС В ДМ-63нее дм-1 ооНСВДМ-160НСВДМ-2500.40,61,22,2220220220380/22082112160264—6312410250Х 185Х235Х220Х385Х230Х635Х450ХХ400Х460Х225Х750'6,0' 8,016,245НС В ДМ-63нее дм-1 ооНСВДМ-160НСВДМ-2500.40,61,22,2220220220380/22082112160264—6312410250Х 185Х235Х220Х385Х230Х635Х450ХХ400Х460Х225Х750'6,0' 8,016,245Значение параметра для насосаЗначение параметра для насоса66Рис. 10.35. Паромасляный высоковакуум* ный агрегат типа АвДМ:Рис. 10.35. Паромасляный высоковакуум* ный агрегат типа АвДМ:-Значение параметра для агрегатаОфПараметроСОоФ5i454<<1-<Быстрота действия (при13031087022805700рвп== 6.5-10-4 ... 1,3 XX 10"1 Па), дм3/сПредельное остаточное давление, ПаНаибольшее выпускное давление, ПаРасход жидкого азота в уста-350,80,86,5-10-»31,03,3"2,03,0новившемся режиме (при 9 = 6,5-10'4 Па), л/ч Расход охлаждающей воды3560150280600дрн Т= 283 ...293 К и 9 =0,15 МПа), дм3/ч Мощность нагревателя, кВт0,5630,9-2,14,2 -9,5Напряжение, В220 -220380/220380/220.380/220Оу, мм, фланца: впускного.100 '160250400-630.выпускного25406363-100Габаритные размеры, мм670Х750Х1150Х1440Х2100ХХ630ХХ720ХХ780ХX 1350ХX 1900ХМасса, кгХ450Х540' Х780Х930X 14004065140294870-Значение параметра для агрегатаОфПараметроСОоФ5i454<<1-<Быстрота действия (при13031087022805700рвп== 6.5-10-4 ... 1,3 XX 10"1 Па), дм3/сПредельное остаточное давление, ПаНаибольшее выпускное давление, ПаРасход жидкого азота в уста-350,80,86,5-10-»31,03,3"2,03,0новившемся режиме (при 9 = 6,5-10'4 Па), л/ч Расход охлаждающей воды3560150280600дрн Т= 283 ...293 К и 9 =0,15 МПа), дм3/ч Мощность нагревателя, кВт0,5630,9-2,14,2 -9,5Напряжение, В220 -220380/220380/220.380/220Оу, мм, фланца: впускного.100 '160250400-630.выпускного25406363-100Габаритные размеры, мм670Х750Х1150Х1440Х2100ХХ630ХХ720ХХ780ХX 1350ХX 1900ХМасса, кгХ450Х540' Х780Х930X 14004065140294870Таблица 10.10Таблица 10.10Глава 11. Вакуумные ловушкиГлава 11. Вакуумные ловушки
Параметр
Параметр
Примечание. Для - насоса НСВДМ-250 напряжение U — 380/220 для остальных — U = 220 В.
Примечание. Для - насоса НСВДМ-250 напряжение U — 380/220 для остальных — U = 220 В.
НС В ДМ-63
нее дм-1 оо
НСВДМ-160
НСВДМ-250
0.4
0,6
1,2
2,2
220
220
220
380/220
82
112
160
264
—
63
1
2
4
10
250Х 185Х
235Х220Х
385Х230Х
635Х450Х
Х400
Х460
Х225
Х750
'6,0
' 8,0
16,2
45
НС В ДМ-63
нее дм-1 оо
НСВДМ-160
НСВДМ-250
0.4
0,6
1,2
2,2
220
220
220
380/220
82
112
160
264
—
63
1
2
4
10
250Х 185Х
235Х220Х
385Х230Х
635Х450Х
Х400
Х460
Х225
Х750
'6,0
' 8,0
16,2
45
Значение параметра для насоса
Значение параметра для насоса
6
6
Рис. 10.35. Паромасляный высоковакуум* ный агрегат типа АвДМ:
Рис. 10.35. Паромасляный высоковакуум* ный агрегат типа АвДМ:
-
Значение параметра для агрегата
О
ф
Параметр
о
СО
о
Ф
5
i
4
5
4
<
<
1-
<
Быстрота действия (при
130
310
870
2280
5700
рвп== 6.5-10-4 ... 1,3 X
X 10"1 Па), дм3/с
Предельное остаточное давление, Па
Наибольшее выпускное давление, Па
Расход жидкого азота в уста-
35
0,8
0,8
6,5-10-»
3
1,0
3,3"
2,0
3,0
новившемся режиме (при 9 = 6,5-10'4 Па), л/ч Расход охлаждающей воды
35
60
150
280
600
дрн Т= 283 ...293 К и 9 =0,15 МПа), дм3/ч Мощность нагревателя, кВт
0,563
0,9-
2,1
4,2 -
9,5
Напряжение, В
220 -
220
380/220
380/220
.380/220
Оу, мм, фланца: впускного.
100 '
160
250
400
-630.
выпускного
25
40
63
63
-100
Габаритные размеры, мм
670Х
750Х
1150Х
1440Х
2100Х
Х630Х
Х720Х
Х780Х
X 1350Х
X 1900Х
Масса, кг
Х450
Х540
' Х780
Х930
X 1400
40
65
140
294
870
-
Значение параметра для агрегата
О
ф
Параметр
о
СО
о
Ф
5
i
4
5
4
<
<
1-
<
Быстрота действия (при
130
310
870
2280
5700
рвп== 6.5-10-4 ... 1,3 X
X 10"1 Па), дм3/с
Предельное остаточное давление, Па
Наибольшее выпускное давление, Па
Расход жидкого азота в уста-
35
0,8
0,8
6,5-10-»
3
1,0
3,3"
2,0
3,0
новившемся режиме (при 9 = 6,5-10'4 Па), л/ч Расход охлаждающей воды
35
60
150
280
600
дрн Т= 283 ...293 К и 9 =0,15 МПа), дм3/ч Мощность нагревателя, кВт
0,563
0,9-
2,1
4,2 -
9,5
Напряжение, В
220 -
220
380/220
380/220
.380/220
Оу, мм, фланца: впускного.
100 '
160
250
400
-630.
выпускного
25
40
63
63
-100
Габаритные размеры, мм
670Х
750Х
1150Х
1440Х
2100Х
Х630Х
Х720Х
Х780Х
X 1350Х
X 1900Х
Масса, кг
Х450
Х540
' Х780
Х930
X 1400
40
65
140
294
870
Таблица 10.10
Таблица 10.10
Глава 11. Вакуумные ловушки
Глава 11. Вакуумные ловушки
Мощность нагревателя, кВт
Напряжение, В
Dy, мм, фланца: впускного ■ выпускного
Требуемая быстрота действия форвакуумного насоса, дм3/с
Габаритные размеры, мм
Масса, кг
выпускается серийно также один тип парортутного диффузионного насоса Н-50Р, характеристика которого приведена ниже: , .
Быстрота действия при рвп = - 1
р0 (прн измерении манометрическим преобразователем с азотной ( ловушкой), Па, не более 5-10*5
Наибольшее выпускное давление, Па 200
Объем ртути, заливаемой в насос, дм3 0,08
Расход охлаждающей воды (при температуре на входе Т = 283 ... 293 К и Р = = 0,2 ... 0,3 МПа), дм3/ч. .25
Мощность нагревателя,кВт0,5
Напряжение, В 220
Dy, мм, фланца: впускного 60
выпускного 7
Габаритные размеры, мм . . 212Х Х140Х Х272
Масса, кг 3,7
Вакуумные пароструйныеагрегаты
В условиях промышленной эксплуатации вакуумные пароструйные насосы обычно присоединяют к откачиваемым
Продолжение табл. 10.9
/ — затвор; 2 — азотная ловушка; 3 •* электрический разъем; 4 — диффузионный насос; 5 — термореле; 6 — плита; 7 — стойка
системам трубопроводами через вакуумные затворы, отражатели, ловушки. Для расширения возможностей про-, мышленного применения вакуумных пароструйных насосов выпускают типовые указанные элементы. Пароструй-
ный насос, соединенный с отражателем, девушкой, затвором и установленный на раме, называют вакуумным агрегатом. .
На рис. 10.35 показан серийно выпускаемый агрегат типа АВДМ на базе диффузионных насосов типа нвдм.
Агрегат включает вакуумный затвор
Назначение и классификация
Вакуумными ловушками называют Устройства, служащие для предотвра- ’Чения проникновения паров рабочих жидкостей вакуумных насосов в откачиваемый сосуд.
I шиберного типа с электромеханическим приводом н заливную азотную ловушку 2. На корпусе насоса укреплено термореле 5, предназначенное для отключения нагревателя насоса при превышении предельной рабочей температуры корпуса.
Характеристики агрегатов приведены в табл. 10.10.
В зависимости от рабочего давления ловушки подразделяют на высокова- куумиые и форвакуумные. Высоковакуумные ловушки предназначены для улавливания паров рабочих жидкостей из диффузионных н бустерных пароструйных насосов при молекуляр-
Рис. 11.2. Стеклянные низкотемпературные ловушкиРис. 11.2. Стеклянные низкотемпературные ловушки
Рис. 11.2. Стеклянные низкотемпературные ловушки
Рис. 11.2. Стеклянные низкотемпературные ловушки
ном режиме течения пара нз насосов, форвакуумные — для улавливания паров рабочих жидкостей форвакуумных насосов при вязкостном и молекулярновязкостном режимах течения пара из насосов.
В зависимости от принципа действия ловушки подразделяют на механические, низкотемпературные, сорбционные, термические и электрические. Наиболее распространены механические, конденсационные и сорбционные ловушки.
Основные характеристики ловушек — защитная способность н удельная проводимость.
Защитную способность Р ловушки определяют как отношение потока Q'n пара рабочей жидкости, поступающего из насоса в ловушку в единицу времени, к потоку Q" пара, прошедшего через ловушку в откачиваемый сосуд: Р =ь Qn/Qn- Иногда в качестве показателя, характеризующего защитную способность ловушки, используют непосредственно поток %, отнесенный к единице площади сечения входного отверстия ловушки, либо парциальную долю паров рабочей жидкости и продуктов ее термического разложения в спектре остаточных газов в откачиваемой системе за ловушкой.
Удельную проводимость иуд. л ловушки определяют как отношение проводимости ловушки ил к площади сечения ее входного отверстия Рл: Иуд. л = “л^л-
Высоковакуумные ловушки
Механические ловушки. Простейшей механической ловушкой, служащей для уменьшения проникновения паров рабочей жидкости из паромасляных насо-
Ржс. 11.1. Колпачковый маслоотражатель
сов, является колпачковый маслоотражатель. Он представляет собой колпачок, устанавливаемый над верхним соплом паромаслнного насоса и охлаждаемый водой (рис. 11.1). Колпачок частично погружен в паровую струю, так что его края «срезают» линии тока паровой струн, направленные вверх и не замыкающиеся на холодные стенки корпуса. Отражатель позволяет в 20... 30 раз уменьшить обратный поток паров рабочей жидкости из паромасляных насосов, не снижая практически быстроты действия насоса, поскольку «срезание» линий тока пара, направленных вверх н мешающих откачке, практически компенсирует сопротивление потоку газа, оказываемое отражателем. Основные размеры отражателя выбирают из соотношений: ^ « 15...20 мм; Ла to 0,3Dc; DK to 1,3DO.
Эффективность колпачкового отражателя существенно зависит от его температуры. Так, повышение температуры отражателя от 298 до 323 К приводит к увеличению обратного потока паров рабочей жидкости за отражателем примерно в 2 раза.
К оптически непрозрачным механическим ловушкам относят устройства, действие которых основано на том, что молекулы рабочей жидкости, поступающие из любой точки насоса, не могут проникнуть в откачиваемую систему без соударения с элементами улавливающего устройства. Температура механических ловушек равна Температуре охлаждаемой стеики насоса, поэтому не происходит «перекон- денсация» молекул рабочей жидкости со стенки насоса на элементы улавливающего устройства; ' уловитель служит главным образом для конденсации- частиц рабочей жидкости, рассеиваемых из паровой струи.
Требование оптической непрозрачности ловушек основано на предположении, что длина свободного пути молекул рабочей жидкости велика и молекулы должны двигаться по практически прямолинейным траекториям. “ действительности траектория движения молекул пара искривлена из-за взаимных столкновений между ними; вследствие этого часть молекул может проникнуть через ловушку без столкновения с ее элементами. Необходимо отме-
тить. что число столкновений между молекулами рабочей жидкости (даже с ннзкнм давлением пара) может быть значительным, так как концентрация молекул в обратном потоке пара из насоса может во много раз превышать равновесную концентрацию, соответствующую .температуре стенки насоса. При этом чем меньше максимальный угол а[пах между горизонталью н направлением вторичного потока, возникающего в результате столкновения молекул рабочей жидкости в первичном потоке из насоса, тем выше защитная способность ловушкн. В связи с этим механические ловушки различных конструкций имеют различную защитную способность.
В табл. 11.1 приведены принципиальные схемы защитных элементов наиболее распространенных конструкций оптически непрозрачных механических ловушек и значения защитной способности и удельной проводимости ловушек [37]. Для ловушек 1—5 наибольшая удельная проводимость соответствует числу улавливающих элементов (пластни, уголков), равному 10. Максимальной защитной способностью и высокой удельной проводимостью обладает коническая шевронная ловушка. Механические ловушки, охлаждаемые водой, позволяют в хорошо обезгаженной системе при работе диффузионного насоса на термостойкой Рабочей жидкости с низким давлением пара (менее 10-7 Па) прн нормальной температуре получить остаточное давление 10-6...10~7 Па и уменьшить обратный поток паров рабочей жидкости до •о~в...ю-в мг/(ч-сма).
Конденсационные низкотемпературные ловушки. Для наиболее полной защиты откачиваемой системы от паров рабочей жидкости пароструйных насосов служат низкотемпературные ловушки, которые понижают давление пара рабочей жидкости до значения, соответствующего температуре охлажденных элементов лойушки. Применение низкотемпературных ловушек позволяет получать в хорошо обезгаженной системе остаточное давление 10~8 Па для паромасляных диффузионных насосов и 10-мПа для парортут- иых.
Для паромасляных диффузионных насосов в зависимости от требований, предъявляемых к остаточному давлению и составу остаточных газов, применяют ловушкн, охлаждаемые до температур от 243 до 77 К.
На рнс. 11.2 показаны наиболее распространенные стеклянные ловушки. Ловушка, показанная на рис. 11.2, а, представляет собой систему нз коаксиальных стеклянных трубок, охлаждаемую с помощью стандартного стеклянного сосуда Дьюара (с хладагентом), который надевают на наружную трубку. Максимальная проводимость ловушки соответствует отношению диаметров внутренней и внешней трубок d/D = 0,62. Ловушкн, показанные на рис. 11.2, б и в, не требуют дополнительного сосуда с хладагентом, который помещают непосредственно во внутренний резервуар ловушкн. Эти ловушкн имеют бдлыпую проводимость по сравнению с ловушкой, показанной на рис. 11.2, а, но меньшую защитную способность, так как одна из стеиок
л чNOл чNO3 . V к ик свS Л ч <в S§ ж в о.К3 . V к ик свS Л ч <в S§ ж в о.КРяе, 11.4. Металлическая заливная азотная ловушка:Ряе, 11.4. Металлическая заливная азотная ловушка:
л ч
NO
л ч
NO
3 . V к и
к св
S Л ч <в S
§ ж в о.
К
3 . V к и
к св
S Л ч <в S
§ ж в о.
К
Ряе, 11.4. Металлическая заливная азотная ловушка:
Ряе, 11.4. Металлическая заливная азотная ловушка:
канала для прохода газа не контактирует с хладагентом, а следовательно, имеет относительно высокую температуру, близкую к нормальной. Наиболее эффективна, ио и наиболее сложна по конструкции ловушка, показанная на рис. 11.2, г. Обе рабочие стеики канала здесь имеют температуру хладагента.
В качестве хладагента в ловушках обычно используют жидкий азот, иногда раствор сухого льда в ацетоне.
По конструктивным схемам защитных элементов низкотемпературные ловушки для паромасляных диффузионных насосов мало отличаются от механических (см. табл. 11.1). На рис. 11.3 показана двухрядная жалюзийная ловушка, охлаждаемая жидким азотом. Пластины 2 ловушки, расположенной в корпусе 1, охлаждаются медным хладопроводом 3, конец которого опущен в сосуд Дьюара 4 с жидким азотом. Удельная проводимость таких ловушек 2...3 дм8/(с-см2). В заливной металлической азотной ловушке (рис. 11.4) жидкий азот заливают в кольцевой резервуар 4 вручную (для ловушек с £>У 100 и £)у 160) либо с помощью азотного питателя (для ловушек с £)у > >160 мм). Азотные ловушки имеют высокую защитную способность (более 10s) и при работе с паромасляными диффузионными насосами обеспечивают спектр остаточных газов в откачиваемой системе, свободный от тяжелых углеводородов.
Для охлаждения металлических, низкотемпературных ловушек используют также газовые микрокриогенераторы, работающие по циклу Стирлинга (или Мак-Магона), фреоновые холодильные машины и термоэлектрические полупроводниковые батареи, обеспечивающие температуру соответственно 77; 210 и 245...225 К.
По принципиальным схемам низкотемпературные ловушки для парортут- иых насосов ие отличаются от ловушек Для паромасляных насосов. Однако условия, необходимые для обеспечения работоспособности этих ловушек, различны. Так, для паров масел, давление которых при температуре стенок насоса очень мало (10“в...10“вПа), длина свободного пути молекул велика (10е см) и они перемещаются практически по Прямолинейным траекториям; для па
ров ртути, давление которых при тем-, пературе стенки насоса составляет примерно 0,1 Па, длина свободного пути молекул существенно меньше и число столкновений между молекулами велико. При р « 0,1 Па и Т = 293 К одна молекула ртути испытывает 5-103 столкновений с другими молекулами, заключенными в 1 см3. Следовательно, при больших расстояниях между холодными элементами ловушки молекула ртути, двигаясь по искривленной вследствие столкновений траектории, может пройти через ловушку, ие попав иа холодную поверхность. В связи с этим в ртутиых ловушках предусматривают более узкие и длинные рабочие каналы, чем в масляных ловушках, чтобы молекулы ртути успевали продиффуидировать к холодным поверхностям и осесть на них.
В качестве хладагента для ртутиых ловушек обычно используют жидкий азот, так как коэффициент конденсации ртути существенно уменьшается при
1 — корпус; 2 — вымораживающее устройство; 8 — «кран; 4 — резервуар
Рис. 11.5. Двухступенчатая ловушка для парортутных насосов
температуре выше 130 К. Вследствие высокого давления паров при длительной работе ртуть может намораживаться на поверхности азотной ловушки, н в некоторых случаях вся ртуть может быть перегнана из насоса в ловушку. В связи с этим для парортутных насосов с продолжительным циклом непрерывной работы иногда применяют двухступенчатые ловушки (рис. 11.5), в которых первая ступень 1 охлаждается фреоновой холодильной машиной до
Рис. 11.5. Сорбционная ловушка
Т = 240 К, а вторая ступень 2 — жидким азотом. При этом ртутный пар конденсируется в ступени Дне замерзая, и возвращается в насос. Благодаря существенному (приолнзительио в 10s раз) снижению давления пара за ступенью 1 в ступени 2 уже не требуется предусматривать узких н длинных каналов. Масса ртути, намораживаемой в азотной ловушке в единицу времени, при этом уменьшается более чем на два порядка.
Сорбционные ловушки. Наряду с низкотемпературными ловушками для предотвращения миграции паров рабочей жидкости из паромасляных насосов в откачиваемую систему применяют также сорбционные ловушки. Основное нх преимущество — отсутствие хладагента.
Принцип действия сорбционных ловушек основан на сорбции паров масла поверхностью активного пористого сорбента (активированный уголь, цеолит, оксид алюминия, силикагель, пористые металлы и др.). Особенность сирб- циониых ловушек — необходимость активации сорбента перед работой прогревом до т = 600...700 К, а также необходимость периодической регенерации сорбента прогревом после насыщения маслом в процессе работы ловушки.
На рис. 11.6 приведена схема простейшей сорбционной ловушки с наружным нагревателем. Существует много конструкции сорбционных ловушек с различными вариантами размещения сорбента и расположения нагревателя. Основное требование к конструкции! ловушки — исключение возможности! перемещения молекул масла без взаи-1 модействня с сорбентом. I
С помощью сорбционных ловушек,! заполненных цеолитом или оксидом! алюминия, в хорошо обезгаженной! системе при работе паромаслянопл насоса, снабженного механической ло-1 вушкой, удается получать остаточное! давление 10~8 Па, которое устойчиво! поддерживается в течение нескольких! месяцев. Защитная способность лову-1 шек превышает 10s. I
В отечественных сс-рбционных высоН ковакуумных ловушках в качества сорбента чаще всего используют цео|
диты (СаА, NaX), активный оксид алюминия (А-1), активированные древесные угли (СКТ-2, Б АУ).
Форвакуумные ловушки
Механические форвакуумные насосы с масляным уплотнением являются источником значительной миграции паров масла и продуктов его разложения в откачиваемую систему. Обратный поток масляного пара из форвакуумных насосов составляет 2...5мг/(чХ X см3).
Для защиты откачиваемой системы от проникновения паров масла и продуктов его разложения из форвакуумных насосов применяют различные улавливающие устройства.
Конденсационные низкотемпературные форвакуумные ловушки. Принцип действия низкотемпературных форвакуумных ловушек основан на конденсации паров масла и продуктов его разложении на поверхностях ловушек, охлажденных до низких температур. Ловушки устанавливают на впускном патрубке форвакуумного насоса.
Азотная форвакуумная ловушка (ЛАФ), охлаждаемая жидким азотом [28] (рис. 11.7), представляет собой трубу со встроенным защитным экраном 12, помещенную в сосуд Дьюара 4. Труба 11 для откачиваемого газа, имеющая на концах фланцы 1 и 9 (илн ниппели для ловушки с Ьу 16) для крепления ловушки в форвакуумном трубопроводе, установлена с зазором в горловине Зив нижней частя герметично соединена с внутренней стеикой 5 сосуда Дьюара, а через переходник 8—с его наружной стенкой. Переходник 8 предназначен для уменьшения теплопритока по трубе 11. Откачку сосуда Дьюара выполняют Через штуцер 10. Вакуум в этом сосуде Поддерживается сорбентом 6 (активированный уголь), который размещен на сетке 7. Жидкий азот заливают в Ловушку через трубку 2. Патрубок 13 Предназначен для выхода паров жидкого азота. Пары масла и продукты его разложения конденсируются иа Пиутренней поверхности трубы 11 и Экране 12.
ЛАФ эффективно поглощает также "ары воды. Установка ловушки над
Рис. 11.7. Низкотемпературная форвакуумная ловушка ЛАФ
форвакуумным насосом 2НВР-5Д, работающим на масле ВМ-5, позволяет получить предельное остаточное давление 2-10~3 Па; основные составляющие спектра остаточных газов — азот, кислород и пары воды. Ловушки могут работать не менее 15 ч без доливки жидкого азота.
Характеристики ЛАФ некоторых типов приведены в табл. 11.2. *
Сорбционные форвакуумные ловушки. Сорбционные ловушки — одно из весьма эффективных н наиболее распространенных средств защиты откачиваемой системы от проникновения паров масел и продуктов их разложения из форвакуумных насосов. В качестве сорбентов в лоиушках используют цеолиты, активированный уголь н оксид алюминия. Ловушки просты в эксплуатации, могут работать в течение нескольких недель без регенерации. Защитная способность адсорбционных форвакуумных ловушек 103...106 в зависимости от конструкции и проводимости.
Важная особенность сорбционных ловушек — способность сорбентов поглощать пары воды; прн значительном
ПараметрЗначение параметра для ловушкиШЛАФ-16ЛАФ-32ЛАФ-63ЛАф-100ЛАФ-1ЯDy, ммПроводимость (при р = = 10 ... 10-2 Па), дм*/с, ие менее1632631001601,26,540100200Расход жидкого азота (при р = 1 Па), см3/ч45120180280510Количество жидкого азота, дм3Габаритные размеры, мм13,469 '200 165Х0 235Х0 ЗООХ0 ЗООХ0 435ХХ320Х400Х500Х600Х775Масса, кг2,57,014,5 .20,038,0Примечание. Для 10* ... КГ* Па.ловушектипа ЛАС) рабочийдиапазондавленийПараметрЗначение параметра для ловушкиШЛАФ-16ЛАФ-32ЛАФ-63ЛАф-100ЛАФ-1ЯDy, ммПроводимость (при р = = 10 ... 10-2 Па), дм*/с, ие менее1632631001601,26,540100200Расход жидкого азота (при р = 1 Па), см3/ч45120180280510Количество жидкого азота, дм3Габаритные размеры, мм13,469 '200 165Х0 235Х0 ЗООХ0 ЗООХ0 435ХХ320Х400Х500Х600Х775Масса, кг2,57,014,5 .20,038,0Примечание. Для 10* ... КГ* Па.ловушектипа ЛАС) рабочийдиапазондавленийТаблица 11Таблица 11содержании в откачиваемых газах паров воды снижается сорбционная активность сорбентов по отношениюсодержании в откачиваемых газах паров воды снижается сорбционная активность сорбентов по отношениюРис. 11.8. Сорбционная форвакуумная ловушка ЛС2Рис. 11.8. Сорбционная форвакуумная ловушка ЛС2КГ»1000 0120X2100,11,5КГ»1000 0120X2100,11,5ПараметрЗначение параметра для ловушкиЛС10ТЛСЗОТDy, мм (присоединительных фланцев)4063Проводимость, дм3/с, при давлении, Па: 13,56,52,531,320,614,559,246,223,2Сорбционная емкость , по маслу, г118416Продолжительность работы до регенерации при потоке паров масла 50 мг/ч, ч23608320Мощность нагревателя (при напряжении 220 В), Вт140480Габаритные размеры, мм285ХX 190Х Х350310Х Х250Х Х527Масса, кг9,527,3механическими насосав НВР40. К насосам и системе ловушки ЛС10' соединяют быстроразъе выми соединениями сс Dy 40 и Dy 63.Характеристики лов; в табл. 11.3.4И НВР откачуГ и ЛСЗ мными )ответст$^шек пр-16Д и ваемой ОТ при- [>ланце- !еино с1веденыПараметрЗначение параметра для ловушкиЛС10ТЛСЗОТDy, мм (присоединительных фланцев)4063Проводимость, дм3/с, при давлении, Па: 13,56,52,531,320,614,559,246,223,2Сорбционная емкость , по маслу, г118416Продолжительность работы до регенерации при потоке паров масла 50 мг/ч, ч23608320Мощность нагревателя (при напряжении 220 В), Вт140480Габаритные размеры, мм285ХX 190Х Х350310Х Х250Х Х527Масса, кг9,527,3механическими насосав НВР40. К насосам и системе ловушки ЛС10' соединяют быстроразъе выми соединениями сс Dy 40 и Dy 63.Характеристики лов; в табл. 11.3.4И НВР откачуГ и ЛСЗ мными )ответст$^шек пр-16Д и ваемой ОТ при- [>ланце- !еино с1веденыТаблица 11.3Таблица 11.3
Параметр
Значение параметра для ловушкиШ
ЛАФ-16
ЛАФ-32
ЛАФ-63
ЛАф-100
ЛАФ-1Я
Dy, мм
Проводимость (при р = = 10 ... 10-2 Па), дм*/с, ие менее
16
32
63
100
160
1,2
6,5
40
100
200
Расход жидкого азота (при р = 1 Па), см3/ч
45
120
180
280
510
Количество жидкого азота, дм3
Габаритные размеры, мм
1
3,4
6
9 '
20
0 165Х
0 235Х
0 ЗООХ
0 ЗООХ
0 435Х
Х320
Х400
Х500
Х600
Х775
Масса, кг
2,5
7,0
14,5 .
20,0
38,0
Примечание. Для 10* ... КГ* Па.
ловушек
типа ЛАС
) рабочий
диапазон
давлений
Параметр
Значение параметра для ловушкиШ
ЛАФ-16
ЛАФ-32
ЛАФ-63
ЛАф-100
ЛАФ-1Я
Dy, мм
Проводимость (при р = = 10 ... 10-2 Па), дм*/с, ие менее
16
32
63
100
160
1,2
6,5
40
100
200
Расход жидкого азота (при р = 1 Па), см3/ч
45
120
180
280
510
Количество жидкого азота, дм3
Габаритные размеры, мм
1
3,4
6
9 '
20
0 165Х
0 235Х
0 ЗООХ
0 ЗООХ
0 435Х
Х320
Х400
Х500
Х600
Х775
Масса, кг
2,5
7,0
14,5 .
20,0
38,0
Примечание. Для 10* ... КГ* Па.
ловушек
типа ЛАС
) рабочий
диапазон
давлений
Таблица 11
Таблица 11
содержании в откачиваемых газах паров воды снижается сорбционная активность сорбентов по отношению
содержании в откачиваемых газах паров воды снижается сорбционная активность сорбентов по отношению
Рис. 11.8. Сорбционная форвакуумная ловушка ЛС2
Рис. 11.8. Сорбционная форвакуумная ловушка ЛС2
КГ»
1000 0120X210
0,1
1,5
КГ»
1000 0120X210
0,1
1,5
Параметр
Значение параметра для ловушки
ЛС10Т
ЛСЗОТ
Dy, мм (присоединительных фланцев)
40
63
Проводимость, дм3/с, при давлении, Па: 13,5
6,5
2,5
31,3
20,6
14,5
59,2
46,2
23,2
Сорбционная емкость , по маслу, г
118
416
Продолжительность работы до регенерации при потоке паров масла 50 мг/ч, ч
2360
8320
Мощность нагревателя (при напряжении 220 В), Вт
140
480
Габаритные размеры, мм
285Х
X 190Х Х350
310Х Х250Х Х527
Масса, кг
9,5
27,3
механическими насосав НВР40. К насосам и системе ловушки ЛС10' соединяют быстроразъе выми соединениями сс Dy 40 и Dy 63.
Характеристики лов; в табл. 11.3.
4И НВР откачу
Г и ЛСЗ мными )ответст$
^шек пр
-16Д и ваемой ОТ при- [>ланце- !еино с
1ведены
Параметр
Значение параметра для ловушки
ЛС10Т
ЛСЗОТ
Dy, мм (присоединительных фланцев)
40
63
Проводимость, дм3/с, при давлении, Па: 13,5
6,5
2,5
31,3
20,6
14,5
59,2
46,2
23,2
Сорбционная емкость , по маслу, г
118
416
Продолжительность работы до регенерации при потоке паров масла 50 мг/ч, ч
2360
8320
Мощность нагревателя (при напряжении 220 В), Вт
140
480
Габаритные размеры, мм
285Х
X 190Х Х350
310Х Х250Х Х527
Масса, кг
9,5
27,3
механическими насосав НВР40. К насосам и системе ловушки ЛС10' соединяют быстроразъе выми соединениями сс Dy 40 и Dy 63.
Характеристики лов; в табл. 11.3.
4И НВР откачу
Г и ЛСЗ мными )ответст$
^шек пр
-16Д и ваемой ОТ при- [>ланце- !еино с
1ведены
Таблица 11.3
Таблица 11.3
к парам масла и углеводородам. Так, при прокачке атмосферного воздуха форвакуумным насосом с быстротой действии 1 дм3/с через ловушку в течение 10 мин 1г различных сорбентов поглощает' следующие массы водяного пара, г: цеолит 0,10...0,17; оксид алюминия 0,10...0,15; активированный уголь 0,06 [52]. При этом защитная способность цеолита снижается в 2... 3 раза, оксида алюминия — в 1,2... 2,0 раза, активированного угля — в 1,1 раза.
В трехслойной сорбционной ловушке ЛС2 (рис. 11.8) установлен сменный пакет 7 с тремя слоями разделенных сетками 6 различных сорбентов: ииж- иий слой — активированный уголь СКТ-2, обладающий наибольшей сорбционной емкостью по парам масла, средний — активный оксид алюминия, верхний — силикагель КСМ. Силикагель эффективно поглощает пары воды, содержащиеся в откачиваемых газах, исключая уменьшение защитной способности оксида алюминия и активированного угля. Для предотвращения миграции масла вдоль стенки корпуса 5 ловушки в откачиваемую систему служит уплотнение 4, к которому винтом 10 через крышку 9 и пружину 6 прижат пакет 7. Ловушку присоеДИ'
няют к вакуумной системе фланцами 2 и 3. Между крышкой 9 и корпусом 5 установлено уплотнение 1.
Техническая характеристикаловушки ЛС2
[Тоток паров масла за ловушкой, мг/(ч-см2) . . Срок службы до замены сорбента, ч Габаритные размеры, мм Масса сорбента, кг. . . Масса ловушки с сорбентом, кг
Ловушки ЛС2 изготовлены с присоединительными фланцами на Dy 25 и Оу 32. Ловушки снабжены запасным пакетом сорбентов. После насыщения сорбентов маслом (через 1000 ч работы) пакет заменяют новым; отработавшие сорбенты можно регенерировать прогревом в вакууме при Т ж 570 К.
В сорбционных ловушках ЛС10Т и ЛСЗОТ (рис. 11.9) два слоя сорбента: первый слой — активированный уголь СКТ-3, второй — оксид алюминия А-2. Сорбционные слои выполнены в виде полых цилиндров. Обратный поток паров масла и продуктов их разложения за ловушкой менее 10~» мг/(ч-см2). Результаты масс-спектрометрического исследования состава остаточных газов в вакуумной системе, откачиваемой форвакуумным насосом с сорбционной ловушкой и без нее, показали, что использование ловушки позволяет более чем па три порядка уменьшить парциальное давление углеводородов в откачиваемой системе (практически До уровня собственного фона масс- спектрометра).
После насыщения сорбционных слоев сорбированными молекулами масла защитная способность ловушки может быть восстановлена прогревом сорбента в течение 1 ч до Т = 473 К нагревателем, установленным в расположенном в Центре ловушки металлическом ци- - Диндре. Теплота передается от цилин- ДРа к слоям сорбента через шесть тепдо- пРоводяших ребер, радиально расходящихся от поверхности цилиндра.
Ловушки ЛС10Т и ЛСЗОТ предназна- Щны дЛи 'работы с форвакуумными
Каталитические форвакуумные ловушки представляют собой сосуд, заполненный слоем цеолита; последний покрыт пленкой меди и нагревается до Т= 523 К. Нагретая пленка меди окисляется, взаимодействуя с кислородом откачиваемой среды или воздухом, накопленным в слое омедненного цеолита при найуске в ловушку. Образующийся оксид медн оказывает каталитическое действие окислением молекул' углеводородов, диффундирующих из форвакуумного иасоса, в СО2 и Н2О, которые откачиваются форвакуумным насосом.
Глава 12. Электрофизические средства откачкиГлава 12. Электрофизические средства откачкиПараметр'Значение параметра ' для ловушкилк-10ЛК-40Оу, мм (впускного фланца)1040Проводимость прн р = 7 Па, дм3/с1,913Мощность нагревателя, Вт1550Габаритные разме-0 88Х0 120Хры, мм•X 115Х250Масса, кг0,42,1Параметр'Значение параметра ' для ловушкилк-10ЛК-40Оу, мм (впускного фланца)1040Проводимость прн р = 7 Па, дм3/с1,913Мощность нагревателя, Вт1550Габаритные разме-0 88Х0 120Хры, мм•X 115Х250Масса, кг0,42,1Таблица 11.4Таблица 11.4Примечание. Для ловушек обоих типов рабочая температура защитного слоя 523 К, срок службы 15 тыс. ч.Примечание. Для ловушек обоих типов рабочая температура защитного слоя 523 К, срок службы 15 тыс. ч.
Глава 12. Электрофизические средства откачки
Глава 12. Электрофизические средства откачки
Параметр'
Значение параметра ' для ловушки
лк-10
ЛК-40
Оу, мм (впускного фланца)
10
40
Проводимость прн р = 7 Па, дм3/с
1,9
13
Мощность нагревателя, Вт
15
50
Габаритные разме-
0 88Х
0 120Х
ры, мм•
X 115
Х250
Масса, кг
0,4
2,1
Параметр'
Значение параметра ' для ловушки
лк-10
ЛК-40
Оу, мм (впускного фланца)
10
40
Проводимость прн р = 7 Па, дм3/с
1,9
13
Мощность нагревателя, Вт
15
50
Габаритные разме-
0 88Х
0 120Х
ры, мм•
X 115
Х250
Масса, кг
0,4
2,1
Таблица 11.4
Таблица 11.4
Примечание. Для ловушек обоих типов рабочая температура защитного слоя 523 К, срок службы 15 тыс. ч.
Примечание. Для ловушек обоих типов рабочая температура защитного слоя 523 К, срок службы 15 тыс. ч.
В отличие от сорбционных ловушек, продолжительность защитного действия которых ограничена сорбционной емкостью защитного слоя, каталитическая ловушка действует практически непрерывно, если в слое поглотителя запасено достаточное количество кислорода. Необходимый запас кислорода самопроизвольно восстанавливается автоматически при каждой остановке форвакуумного насоса и напуске в ловушку воздуха.
Каталитическая ловушка обеспечивает практически полную защиту откачиваемой системы от проникновения углеводородов. В составе газов в откачиваемой системе не обнаруживают компоненты с массовыми числами более 44. ,
Характеристики каталитических ловушек приведены в табл. 11.4.
Принцип действия
. и классификация
Электрофизические насосы всех типов являются накопительными, т. е. откачиваемые газы поглощаются в насосе в виде хемсорбцнонных слоев, химических соединений и «замурованных» атомов. Наиболее характерный диапазон давлений для этих насосов 10-1... 10~12 Па. Название электрофизических насосов условно, поскольку и насосы других типов можно называть электрофизическими. Эффективность сорбции зависит от природы сорбента и газа.
Основной механизм связывания химически активных газов — хемосорбция; инертные газы при нормальной температуре в отличие от химически активных газов внедряются в поверхность твердого тела только в ионизированном состоянии при определенной энергии ионов. Химически активная поверхность, поглощающая газы, моЖет быть по-разному организована — формированием пористой структуры с высокоразвитой поверхностью, однократным .или периодическим нанесеНием пленки поглощающего материала,
непрерывным возобновлением поверхности.
Поглощение газов химически активными металлами может происходить в результате химического взаимодействия и физической сорбции. Физическая сорбция происходит при температуре около температуры кипения сорбата или ниже при данном давлении, хемосорбция — при более высоких температурах.
В большинстве случаев геттер для получения низких давлений используют при температуре выше 273 К. Эти условия характерны для электровакуумных приборов и геттерно-ион- ных насосов.
К газопоглотителям, предназначенным для получения низких давлений, предъявляют следующие требования: универсальность хемосорбционных свойств по отношению к максимальному числу газов; максимальная поглотительная способность, т. е. объем газов, удерживаемых поглотителем; малое давление пара газопоглотителя и давление диссоциации продуктов реакции; устойчивость материала поглотителя на воздухе после прогрева в вакууме н
Примечание. Знак плюс — газ хемосорбируется, знак минус — отсутствие хемосорбции, н —— отсутствие данных.Примечание. Знак плюс — газ хемосорбируется, знак минус — отсутствие хемосорбции, н —— отсутствие данных.ХарактеристикаЗначение характеристики для металлаTiВаZrWТаМоАтомная масса47,9137,391,2183,5180,995,95Плотность, г/см84,543,786,5019,3516,6010,20Температура плавления, К19409832128365032702895Температура, К, при давлении пара, Па:1,33-1 о-1185080024503250308026501,33- io-»141058318552520237019701,33-10-®1200480158021502020—ХарактеристикаЗначение характеристики для металлаTiВаZrWТаМоАтомная масса47,9137,391,2183,5180,995,95Плотность, г/см84,543,786,5019,3516,6010,20Температура плавления, К19409832128365032702895Температура, К, при давлении пара, Па:1,33-1 о-1185080024503250308026501,33- io-»141058318552520237019701,33-10-®1200480158021502020—Таблица 12.2Таблица 12.2
Примечание. Знак плюс — газ хемосорбируется, знак минус — отсутствие хемосорбции, н —— отсутствие данных.
Примечание. Знак плюс — газ хемосорбируется, знак минус — отсутствие хемосорбции, н —— отсутствие данных.
Характеристика
Значение характеристики для металла
Ti
Ва
Zr
W
Та
Мо
Атомная масса
47,9
137,3
91,2
183,5
180,9
95,95
Плотность, г/см8
4,54
3,78
6,50
19,35
16,60
10,20
Температура плавления, К
1940
983
2128
3650
3270
2895
Температура, К, при давлении пара, Па:
1,33-1 о-1
1850
800
2450
3250
3080
2650
1,33- io-»
1410
583
1855
2520
2370
1970
1,33-10-®
1200
480
1580
2150
2020
—
Характеристика
Значение характеристики для металла
Ti
Ва
Zr
W
Та
Мо
Атомная масса
47,9
137,3
91,2
183,5
180,9
95,95
Плотность, г/см8
4,54
3,78
6,50
19,35
16,60
10,20
Температура плавления, К
1940
983
2128
3650
3270
2895
Температура, К, при давлении пара, Па:
1,33-1 о-1
1850
800
2450
3250
3080
2650
1,33- io-»
1410
583
1855
2520
2370
1970
1,33-10-®
1200
480
1580
2150
2020
—
Таблица 12.2
Таблица 12.2
высокая химическая активность; легкое обезгаживанне, т. е. поглотитель должен содержать небольшое количество газов, легко выделяемых при обезгажи- вании в вакууме.
В испарительных насосах геттер должен обладать высоким давлением пара при температуре испарения и низким давлением пара при температуре конденсации.
В табл. 12. J приведены экспериментальные данные по химической активности 28 металлов по отношению к 8 газам, составляющим остаточную атмосферу и наиболее характерным для процессов откачки. Универсальностью хемосорбционных свойств к перечисленным газам обладают Ва, Са, Мо, Mb, Та, Ti, W, Fe и Zr.
Высокая химическая активность характерна для лантаноидов, скандия, иттрия. Эти металлы обладают рядом ценных свойств, способностью связывать и удерживать водород при высоких температурах [39]. Из-за большой стоимости этн материалы применяют лишь в небольших насосах, комплектующих электровакуумные приборы.
Известно применение в качестве геттера насосов бария, молибдена, хрома. Во всех случаях достигнуто давление порядка 10~8 Па.
Физические свойства некоторых материалов, используемых в качестве геттера, приведены в табл. 12.2. В табл. 12.3 даны значения удельной поглотительной способности де пленок некоторых металлов.
Поиск наиболее универсальных геттеров нельзя считать завершенным, однако выявленные к настоящему времени свойства позволяют считать титан наиболее пригодным материалом дли использования в промышленных гет- теряо-ионных и магнитных электрораз-, рядных вакуумных насосах.
При взаимодействии нейтральных атомов испаряемого материала и ускоренных ионов откачиваемых газов с поверхностью сорбента различают следующие основные процессы поглощения газов: сорбция, ионная откачка и «замуровывание» ионов.
Сорбция — поглощение молекул газа в результате образования слабой физической или сильной химической связи и твердых растворов. Физически сорбируются только молекулы инертных газов. При откачке активных газов превалирует механизм образования химических соединений (оксидов, нитридов, гидридов и др.). Эти химические соединения редкоземельных металлов имеют весьма низкие давления паров и диссоциируют лишь при очень высоких температурах.
Ионная откачка — поглощение ионизированных молекул газа в результате внедрения ускоренных электрическим полем ионов в материал геттера с последующей диффузией.
Ионы химически активных газов могут образовывать химические соедине- чия. а ионы инертных газов удерживаются в кристаллической решетке Физическими связями. При непрерывной ионной бомбардировке гетгера„ Часть ранее захваченных ионов газа в
результате катодного распыления может возвращаться в откачиваемый сосуд. При поглощения геттером ионов смеси различных газов возможно замещение одного газа другим. Энергия связи ионов с поверхностью близка к энергии связи молекул при хемосорбции. При постоянной скорости ионов количество поглощенного газа прямо пропорционально силе разрядного тока и времени его прохождения.
«Замуровывание» атомов играет существенную роль при откачке инертных газов, хотя и не влияет на общую быстроту откачки насоса.
При нормальной температуре время сорбции молекул инертного газа на сорбирующих поверхностях слишком мало, чтобы этот механизм откачки мог быть заметным. Падающий на поверхность атом находится на поверхности сорбции значительное время, достаточное для «замуровывания» его слоями распыляемого геттера. При увеличении отрицательного потенциала поверхности сорбции и скорости распыления геттера этот эффект становится
Таблица 12.3
Металл
Значения q0.
Ла«м8/см8, для
ОН,
со
СО,
и.
N,
О,
Мо
20
7
7
67
Та
—
11
—
67
13
Ti
—
20
17
270
7
130
роста степени заполнения поверхности сорбированными газами. Кинетика заполнения поверхности зависит от давления газа—сорбата и степени развитости поверхности. Наиболее высокий диапазон давлений при периодическом возобновлении геттера 10~е...10~12 Па. Обычно насосы, в которых используют этот принцип, оснащают индикатором давления, подающим команду о возобновлении пленки при увеличении давления до верхнего допустимого предела.Большая часть типов электрофизических насосов работает в режиме непрерывного возобновления поверхности сорбирующей пленки. В области высоких давлений (IO""3.. 10“5 Па) потоки поглощаемого газа и поглотителя (пар титана) сравнимы. В этих условиях акты сорбции газа и конденсации паров протекают одновременно. Энергии атомов титана, мигрирующих по поверхности к месту кристаллизации, достаточно для химического взаимодействия с сорбированным газом с ' образованием химического соединения.Анализ конденсатов подтверждает формирование химических соединений во всем объеме пленки (оксидов, нитридов, карбидов титана в зависимости от природы откачиваемого газа). Низкое давление (10~6. . . 10“12Па) достигается, когда поток пара металла существенно больше потока газа.Для достижения в электрофизических насосах более высокой степени вакуума поверхность сорбента охлаждают, иногда до температуры жидкого азота.Схема физических процессов поглощения газов электрофизическими средствами откачки приведена на рис. 12.1.По методу наиесеиия геттера различают испарительные геттериые, гет- терио-иоииые, магнитные электрораз- рядиые и комбинированные вакуумные иасосы.В настоящее время применяют следующие методы нанесения геттера в вакууме из паровой и плазменной фаз: испарение резистивным и электроннолучевым нагревом (насосы типа СТОН, НИБ, ОГИН); распыление высоко- энергетнчными ионами (иасосы типа НМД); электродуговое испарение (насосы типа ВЭД, НДМ).роста степени заполнения поверхности сорбированными газами. Кинетика заполнения поверхности зависит от давления газа—сорбата и степени развитости поверхности. Наиболее высокий диапазон давлений при периодическом возобновлении геттера 10~е...10~12 Па. Обычно насосы, в которых используют этот принцип, оснащают индикатором давления, подающим команду о возобновлении пленки при увеличении давления до верхнего допустимого предела.Большая часть типов электрофизических насосов работает в режиме непрерывного возобновления поверхности сорбирующей пленки. В области высоких давлений (IO""3.. 10“5 Па) потоки поглощаемого газа и поглотителя (пар титана) сравнимы. В этих условиях акты сорбции газа и конденсации паров протекают одновременно. Энергии атомов титана, мигрирующих по поверхности к месту кристаллизации, достаточно для химического взаимодействия с сорбированным газом с ' образованием химического соединения.Анализ конденсатов подтверждает формирование химических соединений во всем объеме пленки (оксидов, нитридов, карбидов титана в зависимости от природы откачиваемого газа). Низкое давление (10~6. . . 10“12Па) достигается, когда поток пара металла существенно больше потока газа.Для достижения в электрофизических насосах более высокой степени вакуума поверхность сорбента охлаждают, иногда до температуры жидкого азота.Схема физических процессов поглощения газов электрофизическими средствами откачки приведена на рис. 12.1.По методу наиесеиия геттера различают испарительные геттериые, гет- терио-иоииые, магнитные электрораз- рядиые и комбинированные вакуумные иасосы.В настоящее время применяют следующие методы нанесения геттера в вакууме из паровой и плазменной фаз: испарение резистивным и электроннолучевым нагревом (насосы типа СТОН, НИБ, ОГИН); распыление высоко- энергетнчными ионами (иасосы типа НМД); электродуговое испарение (насосы типа ВЭД, НДМ).Рис, 12.1. Схема физических процессов поглощения газов электрофизическими средствами откачкиРис, 12.1. Схема физических процессов поглощения газов электрофизическими средствами откачкиРес. 18.1. Резистивные ж — твердофавиые; б — жидкофазные; — биметаллический испаритель; 5 —Рес. 18.1. Резистивные ж — твердофавиые; б — жидкофазные; — биметаллический испаритель; 5 —электроиио-лучевые испарители:электроиио-лучевые испарители:1 — держатель: 2 — геттер; 3 — катод; 6 — расплав; 7 — система1 — держатель: 2 — геттер; 3 — катод; 6 — расплав; 7 — системанагреватель; охлаждениянагреватель; охлаждения
роста степени заполнения поверхности сорбированными газами. Кинетика заполнения поверхности зависит от давления газа—сорбата и степени развитости поверхности. Наиболее высокий диапазон давлений при периодическом возобновлении геттера 10~е...10~12 Па. Обычно насосы, в которых используют этот принцип, оснащают индикатором давления, подающим команду о возобновлении пленки при увеличении давления до верхнего допустимого предела.
Большая часть типов электрофизических насосов работает в режиме непрерывного возобновления поверхности сорбирующей пленки. В области высоких давлений (IO""3.. 10“5 Па) потоки поглощаемого газа и поглотителя (пар титана) сравнимы. В этих условиях акты сорбции газа и конденсации паров протекают одновременно. Энергии атомов титана, мигрирующих по поверхности к месту кристаллизации, достаточно для химического взаимодействия с сорбированным газом с ' образованием химического соединения.
Анализ конденсатов подтверждает формирование химических соединений во всем объеме пленки (оксидов, нитридов, карбидов титана в зависимости от природы откачиваемого газа). Низкое давление (10~6. . . 10“12Па) достигается, когда поток пара металла существенно больше потока газа.
Для достижения в электрофизических насосах более высокой степени вакуума поверхность сорбента охлаждают, иногда до температуры жидкого азота.
Схема физических процессов поглощения газов электрофизическими средствами откачки приведена на рис. 12.1.
По методу наиесеиия геттера различают испарительные геттериые, гет- терио-иоииые, магнитные электрораз- рядиые и комбинированные вакуумные иасосы.
В настоящее время применяют следующие методы нанесения геттера в вакууме из паровой и плазменной фаз: испарение резистивным и электроннолучевым нагревом (насосы типа СТОН, НИБ, ОГИН); распыление высоко- энергетнчными ионами (иасосы типа НМД); электродуговое испарение (насосы типа ВЭД, НДМ).
роста степени заполнения поверхности сорбированными газами. Кинетика заполнения поверхности зависит от давления газа—сорбата и степени развитости поверхности. Наиболее высокий диапазон давлений при периодическом возобновлении геттера 10~е...10~12 Па. Обычно насосы, в которых используют этот принцип, оснащают индикатором давления, подающим команду о возобновлении пленки при увеличении давления до верхнего допустимого предела.
Большая часть типов электрофизических насосов работает в режиме непрерывного возобновления поверхности сорбирующей пленки. В области высоких давлений (IO""3.. 10“5 Па) потоки поглощаемого газа и поглотителя (пар титана) сравнимы. В этих условиях акты сорбции газа и конденсации паров протекают одновременно. Энергии атомов титана, мигрирующих по поверхности к месту кристаллизации, достаточно для химического взаимодействия с сорбированным газом с ' образованием химического соединения.
Анализ конденсатов подтверждает формирование химических соединений во всем объеме пленки (оксидов, нитридов, карбидов титана в зависимости от природы откачиваемого газа). Низкое давление (10~6. . . 10“12Па) достигается, когда поток пара металла существенно больше потока газа.
Для достижения в электрофизических насосах более высокой степени вакуума поверхность сорбента охлаждают, иногда до температуры жидкого азота.
Схема физических процессов поглощения газов электрофизическими средствами откачки приведена на рис. 12.1.
По методу наиесеиия геттера различают испарительные геттериые, гет- терио-иоииые, магнитные электрораз- рядиые и комбинированные вакуумные иасосы.
В настоящее время применяют следующие методы нанесения геттера в вакууме из паровой и плазменной фаз: испарение резистивным и электроннолучевым нагревом (насосы типа СТОН, НИБ, ОГИН); распыление высоко- энергетнчными ионами (иасосы типа НМД); электродуговое испарение (насосы типа ВЭД, НДМ).
Рис, 12.1. Схема физических процессов поглощения газов электрофизическими средствами откачки
Рис, 12.1. Схема физических процессов поглощения газов электрофизическими средствами откачки
Рес. 18.1. Резистивные ж — твердофавиые; б — жидкофазные; — биметаллический испаритель; 5 —
Рес. 18.1. Резистивные ж — твердофавиые; б — жидкофазные; — биметаллический испаритель; 5 —
электроиио-лучевые испарители:
электроиио-лучевые испарители:
1 — держатель: 2 — геттер; 3 — катод; 6 — расплав; 7 — система
1 — держатель: 2 — геттер; 3 — катод; 6 — расплав; 7 — система
нагреватель; охлаждения
нагреватель; охлаждения
более значительным и быстрота от качки возрастает.
Таким образом, частица, бомбардирующая катод, может подвергаться упругому или неупругому рассеянию, внедряться в материал катода или сорбироваться на его поверхности. В общем случае взаимодействия, происходящие при этом явлении, определяются видом частицы (нейтральный атом или заряженный ион) и ее энергией, а также энергетическим состоянием и природой сорбирующей поверхности.
Газы, наиболее характерные при откачке, по сорбционной активности располагаются в такой последовательности: О2 > С2Н2 > с2н4 > со > > Н2 > N3. В связи с этим характеристики быстроты откачки электрофизических насосов приводят по Na как наименее активному газу.
Природа химических связей определяет избирательность откачки различных газов. Откачка смесей газов в условиях частичной ионизации сопровождается побочными химическими реакциями на поверхности геттера и накаленных элементах насосов. Различные геттеры формируют характерный для них состав газовой среды. Для пленок титана наиболее характерен синтез паров воды и метана.
Эффективность работы насосов определяется: правильностью выбора формы насоса, обеспечивающего подвод газа к поверхности геттера; количеством геттера и степенью его полезного использования.
Поверхность геттера может быть невозобновляемой либо возобновляемой периодически или непрерывно.
Невозобновляемую поверхность используют при работе геттера в электровакуумных приборах или иасосах с небольшим сроком службы, содержащих пористый с высокоразвитой поверхностью геттер. Для этих систем характерны меняющиеся во времени параметры откачки по мере заполнения высокоразвитой поверхности адсорбированными газами.
В случае поглощения газов периодически возобновляемыми пленками сорбция протекает по поверхности мелких кристаллов конденсированной пленки. Быстрота откачки, в начале процесса максимальная, . уменьшается по мере
В испарительных геттерных иасосах титан нагревается до Г = 1373... 1673 К в зависимости от требуемой скорости испарения и типа испарителя. Обычно различают насосы с твердофазным испарителем, в которых температура поверхности титана значительно ниже его температуры плавления, и с жидкофазным испарителем, в которых температура поверхности титана выше температуры его плавления.
Особенность методов нанесения геттера в испарительных насосах — тепловая природа процесса: скорость испаре
ния частиц определяется температурой и их энергия не превышает 0,5 X X 10~20 Дж. В этих условиях степень ионизации испаряемого материала незначительна.
Твердофазные испарители (рис. 12.2, а) просты по устройству, ио рассеивают количество теплоты [около 1,8 кДж на 1 мг испарившегося титана при удельной скорости испарения 10-2 мг/(с-см2)]. Их применяют б насосах, охлаждаемых водой. Жидкофазные испарители (рис. 12.2, б) значительно сложнее, ио при Той же скорости
Рис. 12.3. Электроразрядные устройства на основе катодного распылении: я — диодное; 6 — триодное; в — ускоренным пучком ионов; 1 — корпус; 2 — катод;3 — анод; 4 — плазменный ускоритель; 5 — поток плазмы на мишеньРис. 12.3. Электроразрядные устройства на основе катодного распылении: я — диодное; 6 — триодное; в — ускоренным пучком ионов; 1 — корпус; 2 — катод;3 — анод; 4 — плазменный ускоритель; 5 — поток плазмы на мишеньТаблица 12.4Энергетическая эффективность, Дж/мгКоэффи-Скорость испаренияНаибольшее давление запуска, ПаИспарительциенг использования геттераудельнаямг/(см8. с)полная, мг/сТвердофазный: прямонакальный биметаллический косвенного иа- кала10s ... 1060,35 ... 0,400,60 ... 0,700 ... 10"20 ... 11,3- 10"2_Дуговой ^идкофазный (влектронио-луче-102 ... 10s102 ... 1060,85 ... 0,900,80 ... 0,950 ... 103 ... 200 ... 306,7 10-8Таблица 12.4Энергетическая эффективность, Дж/мгКоэффи-Скорость испаренияНаибольшее давление запуска, ПаИспарительциенг использования геттераудельнаямг/(см8. с)полная, мг/сТвердофазный: прямонакальный биметаллический косвенного иа- кала10s ... 1060,35 ... 0,400,60 ... 0,700 ... 10"20 ... 11,3- 10"2_Дуговой ^идкофазный (влектронио-луче-102 ... 10s102 ... 1060,85 ... 0,900,80 ... 0,950 ... 103 ... 200 ... 306,7 10-8Рис. 12.4. Эроэиоиные плазменные испарители на основе:„_овог0" “С р^я^а^^-^нод; 1 -^Тходу^й^одГ® ^Рис. 12.4. Эроэиоиные плазменные испарители на основе:„_овог0" “С р^я^а^^-^нод; 1 -^Тходу^й^одГ® ^
Рис. 12.3. Электроразрядные устройства на основе катодного распылении: я — диодное; 6 — триодное; в — ускоренным пучком ионов; 1 — корпус; 2 — катод;
3 — анод; 4 — плазменный ускоритель; 5 — поток плазмы на мишень
Рис. 12.3. Электроразрядные устройства на основе катодного распылении: я — диодное; 6 — триодное; в — ускоренным пучком ионов; 1 — корпус; 2 — катод;
3 — анод; 4 — плазменный ускоритель; 5 — поток плазмы на мишень
Таблица 12.4
Энергетическая эффективность, Дж/мг
Коэффи-
Скорость испарения
Наибольшее давление запуска, Па
Испаритель
циенг использования геттера
удельная
мг/(см8. с)
полная, мг/с
Твердофазный: прямонакальный биметаллический косвенного иа- кала
10s ... 106
0,35 ... 0,40
0,60 ... 0,70
0 ... 10"2
0 ... 1
1,3- 10"2
_Дуговой ^идкофазный (влектронио-луче-
102 ... 10s
102 ... 106
0,85 ... 0,90
0,80 ... 0,95
0 ... 10
3 ... 20
0 ... 30
6,7 10-8
Таблица 12.4
Энергетическая эффективность, Дж/мг
Коэффи-
Скорость испарения
Наибольшее давление запуска, Па
Испаритель
циенг использования геттера
удельная
мг/(см8. с)
полная, мг/с
Твердофазный: прямонакальный биметаллический косвенного иа- кала
10s ... 106
0,35 ... 0,40
0,60 ... 0,70
0 ... 10"2
0 ... 1
1,3- 10"2
_Дуговой ^идкофазный (влектронио-луче-
102 ... 10s
102 ... 106
0,85 ... 0,90
0,80 ... 0,95
0 ... 10
3 ... 20
0 ... 30
6,7 10-8
Рис. 12.4. Эроэиоиные плазменные испарители на основе:„_овог0
" “С р^я^а^^-^нод; 1 -^Тходу^й^одГ® ^
Рис. 12.4. Эроэиоиные плазменные испарители на основе:„_овог0
" “С р^я^а^^-^нод; 1 -^Тходу^й^одГ® ^
испарения выделяют в десятки раз меньше теплоты. Их используют в насосах, охлаждаемых жидким азотом. При' охлаждении сорбирующей поверхности до низких температур не только превращается синтез углеводородов на поверхности титановой плеики, но в несколько раз увеличивается скорость откачки по водороду и достигается очень низкое предельное давление.
Существенный недостаток резистивных и электронно-лучевых испарителей геттера — наличие накаленных частей электродной системы, что ограничивает давление запуска и ресурс, а также усложняет регулируемость скорости испарения из-за инерционности испарителей и экспоненциальной зависимости скорости испарения от . температуры. Однако методы осаждения гетгеров из паровой фазы широко применяют в испарительных геттерных и геттерио-иоиных насосах.
Метод катодного распыления основан на распылении атомов материала катода ионами высокой энергия, образуе
мых в плазме разряда, горящего в атмосфере откачиваемого газа. Элек- .троразрядные устройства иа основе катодного распыления показаны иа рис. 12.3. Средняя энергия распыления частиц составляет (5...8)-10-1’ Дж, степень ионнзапии распыляемых атомов — около 1%. Энергетический КПД невысокий, так как основная часть подводимой энергии затрачивается на нагрев катода, что в значительной степени затрудняет процесс запуска насосов. Важное преимущество насосов на основе катодного распыления — наличие «холодной» электродной системы, определяющей большой срок их службы.
Для получения сорбирующих покрытий используют также эрозию электродов в электрических разрядах: искровом (рис. 12.4, а) и дуговом (рис. 12.4, б—в).
В искровых насосах геттер эродирует в разряде, инициируемом между анодом и расходуемым катодом высоковольтным импульсом, переходящим в низковольтную дугу. Важная особен-
кость искровых насосов — возможность регулирования расхода геттера изменением частоты следования инициируемых импульсов; недостатки искровых плазменных испарителей — наличие высокого напряжения и низкая производительность.
При электродуговом методе нанесения геттер генерируется в основном при эрозии катода в сильноточном дуговом разряде. Энергетический КПД достигает 80%. Интенсивность химических реакций очень высокая вслед
ствие высокой степени ионизации плазмы геттера. Процесс испарения может быть реализован в «холодной» системе электродов при любом давления (не требуется вспомогательная среда), а скорость конденсации паров материала расходуемого электрода пропорциональна силе тока разряда. Давление запуска таких насосов достигает 10 Па.
Основные характеристики наиболее распространенных испарителей титана для испарительных геттерных насосов приведены в табл. 12.4.
В электрофизических средствах откачки применяют следующие основные типы ионизаторов: ионизатор на основе разряда Пеннинга (разряд с «холодными» электродами в скрещенных электрическом и магнитном полях с осцилляцией электронов — рнс. 12.5, а), ионизатор типа ионного магнетрона (разряд в коаксиальной системе электродов в продольном магнитном поле — рис. 12.5, б), ионизатор с квадрупольным электростатическим полем (рис. 12.5, в) и электростатический ионизатор, действие которого основано на эффективном удлинении пути пробега электронов в электрическом поле с электродами специальной формы (рис. 12.5, г, д). Основное преимущество ионизаторов двух последних типов — отсутствие магнитных систем.
Испарительные геттериыенасосы
Принцип действия испарительных геттерных насосов основан на физическом и химическом связывании газов п оверхностями, котор ые обновляются путем конденсации на них термически испаряемого геттера.
В качестве геттера используют пленки не только титана, но и циркония, молибдена и других химически активных веществ. Для повышения эффективности откачки коэффициент конден-, сации Лк газа к сорбирующим поверхностям должен быть близок к единице, а время пребывания молекул газа на поверхности сорбции — по возможности продолжительным. Эти условия выполняются при использовании материалов с большой энергией химической связи, а также при снижении температуры сорбирующей поверхности.
Основной фактор при выборе геттера — сорбционная активность пленок. Один из физических показателей этой активности — теплота сорбции Н, •определяющая прочность связи сорбированных частиц газа. Значения теплоты сорбции газов на пленках вольфрама при Т = 293 К приведены ниже:" ГазН3СОМ3О3
Я, кДж/моль192419356812
Газ ......СО2АгКгХе
Н, кДж/моль46081721
Таблица 12.5
Режим возобновления геттера
Температура пленки, К
Быстрота откачки 1 см1 титановой пленки, м3/с, при малом в
водородом
азотом
Непрерывный
77
293
0,023 0,004
0,010
0,005
Периодический
77
293
0,026
0,015
0,007
0,001
Сорбционные характеристики геттер- иых пленок сильно зависят от темпера-, туры и условий образования. Эффективная откачка инертных газов испарительными геттерными насосами невозможна из-за малой теплоты сорбции инертных газов геттерами. Углеводороды и инертные газы удаляют вспомогательными средствами откачки. При этом не удается полностью освободиться от углеводородов, так как они синтезируются на поверхности пленки, играющей роль катализатора. Присутствие углеводородов в составе остаточных газов не позволяет получить остаточное давление менее 10-6...Ю”8Па.
При напылении геттерных пленок на охлаждаемые поверхности (Т < 77 К) равновесное давление водорода значительно уменьшается и практически прекращается образование метана, что позволяет достичь остаточное давление менее 10"9 Па. Значительное увеличение скорости поглощения газов при столь низкой температуре объясняется также интенсификацией физической сорбции (табл. 12.5).
Удельная скорость откачки зависит от давления газа и скорости осаждеиия геттера, поскольку коэффициент конденсации кК1 влияющий на скорость откачки, уменьшается с увеличением степени заполнения поверхности покрытия в, которая, с свою очередь, возрастает с увеличением давления. Число молекул, сорбированных на 1 см3 поверхности в течение 1 с: ,
где р — давление над поверхностью сорбции, Па; Тг — температура отка-
чиваемого газа. К; М — молярная масса, г/моль; (1 — 0) —доля свободных мест сорбции.
При непрерывно и периодически возобновляемой поверхности сорбции степень насыщения геттера не должна превышать критического значения вКр (табл. 12.6) [15].
В вакуумном агрегате ABTO-2QM (агрегат вакуумный титановый охлаждаемый) — рис/12.6 — на базе сверхвысоковакуумного титанового насоса СТОН использован электронно-лучевой жидкофазный испаритель 3 с периодической подачей в зону расплава . титановой проволоки диаметром 1,5 мм. Электронно-лучевой испаритель титана характеризуется малыми тепловыми потерями, что позволяет осуществлять напыление на вкладыш 6, охлаждаемый азотом. В состав агрегата входят паромасляный насор 5 для откачки инертных газов, цельнометаллический затвор, блок электропитания и пульт управления. Агрегат (обезгаживают прогревом при Т = = 673 К) отличается низким остаточным давлением (около 10"10Па). При скорости испарения титана 5 мг/мии быстрота откачки Н2, N2 и Аг соответственно 30,10 и 0,09 м3/с (рис. 12.7). Агрегат потребляет 1,7 кВт электроэнергии и 4 м3/ч жидкого азота.
По разнообразию конструктивных решений насосы с термическим напылением геттерных пленок — наиболее многочисленный класс современных электрофизических средств откачки.
Требуемая скорость испарения геттера зависит от газового потока и' необходимого давления. Ее можно варьировать от максимальной практически до нуля, уменьшая мощность нагревателя и соответственно темпера- тУру геттера.
В современных промышленных насо- сах широко распространены прямо- макальные испарители из биметалличе- ской проволоки (иодидным методом '^аждают титан на керн из молибдена). Наиболее часто используют испарители диаметром 2; 3 и 6 мм, при силе тока ^ответственно 50; 70 и 180 А; наибольшая скорость испарения геттера дости- ' гается при мощности нагревателя 14... ^Вт/смК"
Таблица 12.6
Режим возобновления геттера
Значение в^р пленки' титана при Т = 300 К
н.
Ns: СО; о*
СО,
Периодический
1016
8-104
5-I014
Непрерывный
1,5.10м
7.10м
1,3.10м
* При периодическом режиме работы в моль/см2, при непрерывном — В моль/г.
Рис. 12.6. Схема высожоваиуумиого агре-гата АВТО-20М:
Г — корпус; 2 — сосуд Дьюара с жидким азотом; 3 — электронно-лучевой испаритель с механизмом подачи титановой проволоки; 4 — азотная ловушка; 5 — паро- масляный насос; 6 — вкладыш, охлаждаемый жидким азотом
Рис. 12.7. Зависимость быстроты откачки агрегатом АВТО-20М от давления:
1 — водорода; 2 — азота и кислорода;
3 — воздуха; 4 — аргона
Быстрота действия по водороду испарительных геттерных насосов типа НИБ (насос испарительный биметаллический) — рис. 12.8 — соответствует 1...200 м3/с. Эти насосы в основном предназначены для откачки водорода в ускорительных и термоядерных установках. Наибольшее давление запуска 1-10~2Па: предельное остаточное давление 5-Ю-7 Па при охлаждении корпуса водой и 5-109 Па при охлаждении жидким азотом. В насосах этой серии используют прямонакальные испари-
Рис. 12.8. Схема насоса НИБ-10:
/ — корпус; 2 — блок испарителей; 3 — теплоизолирующая оболочка; 4 — накопитель жидкого азота; 5 — поворотный экраи-жалюзн; 6 — электромеханическое
устройство поворота экрана-жалюзи
тели-нити из титаномолибденовой про- волоки. Каждый испаритель имеет автономное электропитание. Мощность, потребляемая испарителем, составляет 10... 18 Вт/см2, обеспечивая удельную скорость испарения титана 2 X X 10-3 мг/(с-см2). Полная мощность насоса 0,6.„2,2 кВт.. Испарители выполнены по единой конструктивной схеме и отличаются только размерами и числом титаномолибденовых нитей.
Корпус / из коррозионно-стойкой стали выполнен из двух тонкостенных обечаек, профилированных таким образом, чтобы придать корпусу осевую и радиальную устойчивость при малой толщине стенок (0,8.„2,2 мм в зависимости от размеров насоса). В полость между обечайками подается вода или жидкий азот. Пространство между/ корпусом и наружным кожухом в иасосах НИБ-1, НИБ-2 и НИБ-10 заполнено стекловолокнистой теплоизоляцией 3. В насосах НИБ-20 и НИБ-50 пространство между корпусом и кожухом вакуумируется; там же размещен нагреватель для высокотемпературного обезгаживания (в насосах остальных типов для прогрева используют сам испаритель). Для защиты откачиваемой камеры от запыления геттером в режиме испарения и для ее теплового экранирования во входном патрубке насоса установлен поворотный. дистанционно управляемый экран-жалюзи 5. При испарении жалюзи прикрыты, во время паузы их створки параллельны оси насоса; при этом сопротивление экрана снижается, увеличивая на 25.„30% газовый поток по сравнеиию со значением при неподвижном оптически непрозрачном экране. В табл. 12.7 приведены основные параметры насосов этого типа. В диапазоне давлений 10 3..10-1 Па насосы имеют ограниченный ресурс испарителя. Кроме того, в этих насосах при высоком давлении на поверхности испаряющегося геттера образуются пленки нитридов, оксидов, карбидов титана, чт0 затрудняет испарение.
Откачку активных газов в условиях интенсивных газовых нагрузок обеспечивают дуговые насосы. В сочетаний с небольшими диффузионными насосами они предназначены для откачки систем промышленно-техн ологического
оборудования (печи отжига, напылительные установки), имитаторов космического пространства и др. В этих насосах для напыления геттерных пленок используют дуговой разряд в парах расходуемого катода независимо от давления остаточных газов.
Технические характеристики насосов типа АВЭД (агрегат вакуумный элек- тродуговой) и ВЭД на основе дуговых испарителей в сочетании с диффузионными насосами для откачки инертных газов приведены в табл. 12.8. На рис. 12.9 дана зависимость быстроты откачки агрегата от давления для некоторых газов. Кривые для азота имеют точки перегиба при некотором давлении рв. При давлении менее рП быстрота откачки практически постоянна и не зависит от силы тока дуги /д. В области высоких давлений быстрота откачки пропорциональна /д — с увеличением /д давление рП увеличивается. При фиксированной силе тока в диапазоне низких давлений количество испаряемого геттера значительно превышает количество геттера, необходимого для максимально возможной быстроты откачки. При этом невозможно уменьшить расход титана ь испарителе стационарного действия, уменьшив силу. тока дуги, так как при /д < 100 А снижается стабильность горения вакуумной дуги. В этом случае расход титана можно регулировать лить периодическим возбуждением и прерыванием дугового разряда.
Экспериментальные зависимости числа молекул A'Ni поглощаемого азота и числа атомов ATi титана от силы тока, ^д дуги (рис. 12.10) показывают, что для откачки одной молекулы азота необходимо примерно два атома титана. Состав остаточных газов определяется 6 осиовиом парциальным давлением зодорода и аргона, а при выключении испарителя еще и парциальным давлением метана.
Для насосов типа АВЭД характерен Ряд принципиальных недостатков. Рас- положеиие испарителя во входном сече- Зии заметно уменьшает эффективную быстроту действия. Из-за малой теплопроводности зоны контакта опорного Цилиндра с катодом максимальная сила тока разряда 300 А, что лимита-
Рнс. 12.9. Зависимость быстроты откачан водорода, диоксида углерода, азота и воздуха (кривые соответственно /, 2, 3 и 4) от давления при различной силе тока дуги 7Д:
1 - 1- = 300 А; // - 7 = 200 A; Ill - "1 = 140 А
рует производительность. Электромеханическое устройство для иницииро- вання разряда не очень надежно, поэтому иа испарителях устанавливают три одинаковых устройства.
Для сверхвысоковакуумной откачки ускорителей, термоядерных установок и специализированного технологического оборудования предназначены дуговые насосы типа НДМ (насос дуговой) [39] — рис. 12.11. Для питания испа-
Рнс. 12.10. Зависимость числа атомов A^Ti титана и числа молекул А^ поглощаемого азота в единицу времени от силы тока дуги /д
352
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ОТКАЧКИ
Значение параметра для насоса
Параметр
НИБ-1
НИБ-2
НИБ-10 ‘
НИБ-20 1
НИБ-50
Быстрота действия S, м®/с, при охлаждении:
3
10
30
60
водой по азоту
2
6
20
50
100
водой по водороду жидким азотом по азоту
2
4
10
15
40
40
100
70
200
жидким азотом по водо-
роду,
Число испарителей
2
2
10
4 100
7 170
7
170
Масса геттера (титана), г
2
11
20
75
130
Объем жидкого азота в насосе, м3
Dm входного отверстия, мм Габаритные размеры, мм, при установке накопителя
160
260
500
800
0 1425Х
1200
0 1875Х
жидкого азота:
0 335Х Х270
0 335Х Х270
0 590Х Х470
0 900Х
вертикальной
Х840
Х1220
X 1625
горизонтальной
0 590Х
1 Х700
0 900Х Х1100
0 1425Х Х1600
1875Х
Х2000
П р я м е ч а н не. Для У—» V« «"б"""":.”"*" ние запуска 10"* Па, предельное остаточное давление
Таблица 12.7
ригелей используют источник с падающей вольт-амперной характеристикой. Насосы имеют цилиндрическую форму. Корпус 1 насоса выполнен в виде тонкостенного цилиндра с двойным профилированием стенок, обеспечивающим необходимую прочность и жесткость в сочетании с минимальной металлоемкостью. Полость между стенками корпуса используют для подачи хладагента. Во входном сечении насоса установлен поворотный экран-жалюзи 8 с электромеханическим (или ручным) приводом 9, Дуговой разряд возбуждается плазмой, возникающей в момент электрического пробоя по поверхности керамического электрода с нанесенным на нее тонким слоем материала катода-
испарителя 2 при включении поджигающего устройства 4.
В зависимости от газового потока насосы могут работать в непрерывном или периодическом режиме испарения. Продолжительности периода напыления и периода между последовательными включениями испарителя определяются жесткой временной программой либо регулируются автоматически но сигналам блокировочного вакуумметра. Электродуговые насосы типа НДМ обеспечивают получение предельного остаточного давления ниже 1,3 X X 10"'* Па. Основные технические характеристики насосов приведены в табл. 12,9.
Электродуговые насосы не обеспечн-
Параметр
Значение параметра для насоса
АВЭД-2/260М
АВЭД-25/630М |
АВЭД-40/800
ВЭД-1
Быстрота действия S, м3/с:
по азоту
но водороду
Масса геттера (титана), кг
Ресурс (при работе в режиме непрерывного испарения), ч D7 входного отверстия, мм
Габаритные размеры, мм
Примечани* 7 Па; предельное ос
2 4
4,3
250
260
925Х 885Х X 1020 -'
• . Для указаинь гаточиое давлеир
10
20
7,5
360
630
900X 1870Х Х1000
tX насосов наибе ге 4.10~6 Па.
40
80
7,5
360
800
1050Х
X 1780Х
. Х2250
)лыпее давле!
50
90
4,3
250
900
2000Х
X 2450Х Х2300
<ие запУ^3
1
Т а б ли ц а 12.8
Параметр
Значение параметра для насоса i
НДМ-2
НДМ-5
НДМ-10
НДМ-20
НДМ-50
Быстрота действия S, м3/с, при охлаждении:
водой по азоту
4
10
■ 15
25
60
водей ио водороду
5
13
18
30
75
жидким аз(пом по азоту
5
15
20
30
80
жидким азотом по водороду
12
35
50
70
200
Наибольшее рабочее давление, Па, по азоту при охла-
ждеиии:
водой
7-10-8
3-ю-3
1 -10~3
1 - ю-8
4-Ю"4
азотом
1 - Ю-*
5-10-8
4-Ю"3
з-ю-3-
но
Масса геттера (титана), кг Ресурс испарителя, ч, при
0,3
0,3
1,4
4,0
4,8
испавенин;
неноерывном
30
30
70
200
300
периодическом1 с охла-
ю4
4-103
6-Ю3
104
7-103
ждением водой (жидким . азотом)
(2-10*)
(8-103)
(ю4)
(2-104)
(104)
Dy входного отверстия, мм
250
400
500
630
1000
Габаритные размеры, мм
670Х
700 X
940 X
900Х
1280Х
Х520Х
Х610Х
Х800Х
X 1000Х
X 1500Х
Х385
Х750
Х860
X 1220
X 1650
Масса, кг
60
150
200
330
950
1 Откачка азота (р = 1 •
10~5 Па).
Таблица 12.9
Примечание. Для указанных насосов наибольшее давление запуска 6,5 Па, предельное остаточное давление при охлаждении водой (0,5 ... 1,0) 10-8Па, при охлаждении жидким азотом (5 ... 8) 10-7 Па.
12 П/р Е. С. Фролова
Ряс. 12.11. Схема насосов типа НДМ:
/ — корпус; 2 — катод-испаритель: 3 экран; 4 — поджигающее устройство;
5 — накопитель жидкого азота; 6 — резистивный нагреватель; 7 — наружный кожух; 8 — экран-жалюзи; 9 — электромеханический привод экрана
вают откачки инертных газов, поэтому их используют в комбинации с диффузионными, турбомолекуляриыми или магнитными электроразрядными насосами.
Геттерные испарительныехиасосы малоэффективны при откачке газовых смесей, содержащих инертные газы и легкие углеводороды; поэтому их применяют в сочетании с вакуумными насосами других типов.
Геттерно-иоиные насосы
В геттерно-ионных насосах, наряду с хемосорбцией, происходит ионизация газа с последующим внедрением ускоренных ионов в поверхность распыленного геттера. Насосы, в которых поверхность геттера получают непрерыв- \ным или периодическим испарением, называют испарительио-ионными.
Возбуждение и ионизация остаточных газов и ускорение иоиов в направлении к поверхности геттера электрическим полем увеличивают поглотительную способность поверхностей системы и быстроту откачки. Ионизацию газа используют для откачки инертных газов и углеводородов в виде положительных ионов отрицательно заряженными элементами насоса, а также внед
рением ионов инертных газов и их «замуровыванием», кроме того, для диссоциации сложных молекул (паров воды, метана, тяжелых углеводородов).
В этих насосах испарительные и ' ионизационные системы обычно разде- ■ лены функционально.
Наиболее распространены геттерно- ионные насосы типа ГИИ на основе ■' прямонакальных биметаллических испарителей. Эти насосы выполняют в виде прогреваемого цилиндрического корпуса 4 из коррозионно-стойкой стали с рубашкой водяного охлаждения (рис. 12.12). На одном из торцовых фланцев 7 корпуса монтируют электродный блок. Пря^онакальные испарители 2 U-образной формы выполнены из титаномолибденовой проволоки. Один конец укреплен на общей заземленной пластине, другой — на изолированном токовводе 6. Система ионизации состоит из вольфрамового катода 3 и анода Л представляющего собой цилиндрическую сетку из молибденовой проволоки. Анод используют также в качестве внутреннего нагревателя при обезгаживании насоса. Электроны, вылетающие из катода и испарителя 2, направляются на анодную сетку, находящуюся под потенциалом +1.2 кВ. При этом электроны совершают несколько колебаний вокруг сетки, прежде чем попасть на нее. ионизируя молекулы остаточных газов. Ионизир ованный газ хорошо сорбируется титановой пленкой, напыляемой нЗ охлаждаемую водой поверхность стенки корпуса, являющегося также коллектором ионов. Для повышения быстроты откачки инертных газов через боковой патрубок 8 подключают пароструйный иасос.
При мощности 200 (240) Дж/с скорость испарения титана в насосе ГИН-0,51М достигает 5 (15) мг/ч, срок службы испарителей -— 1500 (500) ч.
Насосы ГИН-2 и ГИН-5 с тремя и шестью прямонакальными биметаллическими испарителями имеют соответственно большую поверхность конденсации геттера. При давлении ниже 10"6 Па скорость испарения можно уменьшить, не снижая номинальной быстроты откачки; при этом срок службы возрастает в несколько раз. Насосы 6 быстротой действия менее 10”8м8/с
Рис, 12.12. Насос типа ГИН;Рис, 12.12. Насос типа ГИН;— анод; 2 — испаритель; 3 — катод; 4 — корпус; 5 — каркас; 6 — токоввод; 7 — фланец электродного блока; 8 — патрубок— анод; 2 — испаритель; 3 — катод; 4 — корпус; 5 — каркас; 6 — токоввод; 7 — фланец электродного блока; 8 — патрубоквыполняют неразборными и без водяного охлаждения.
Рис, 12.12. Насос типа ГИН;
Рис, 12.12. Насос типа ГИН;
— анод; 2 — испаритель; 3 — катод; 4 — корпус; 5 — каркас; 6 — токоввод; 7 — фланец электродного блока; 8 — патрубок
— анод; 2 — испаритель; 3 — катод; 4 — корпус; 5 — каркас; 6 — токоввод; 7 — фланец электродного блока; 8 — патрубок
Типичные зависимости быстроты откачки от давления и спектр остаточных газов приведены на рис. 12.13 и 12.14.
12*
Технические характеристики насосов типа ГИН даны в табл. 12.10.
Скорость поглощения газов в геттер- но-ионных насосах в известных пределах можно регулировать изменением
Рис. 12.13. Зависимость быстроты откачки насосов ГИН-0,5 Ml (а), ГИН-2 (<Г) и а ГИН-5М (в) от давления откачиваемого газа:|Рис. 12.13. Зависимость быстроты откачки насосов ГИН-0,5 Ml (а), ГИН-2 (<Г) и а ГИН-5М (в) от давления откачиваемого газа:|/ ■» аргона; 2 — метана; 3 — воздуха; 4 — азота; 5 н 6 — оксида и диоксида углерода^ 7 — водородаЯ/ ■» аргона; 2 — метана; 3 — воздуха; 4 — азота; 5 н 6 — оксида и диоксида углерода^ 7 — водородаЯРяс. 12.14, Спектр остаточных газов при давлении р = 3- КГ 7 ПаРяс. 12.14, Спектр остаточных газов при давлении р = 3- КГ 7 ПаРис. 12.15. Схема электропитания насоса ГИН-0,5 Ml:Рис. 12.15. Схема электропитания насоса ГИН-0,5 Ml:/ — катод; 2 — анод; 3 — испаритель; -4 — металлокерамический токоввод; 5 — 8 — трансформаторы (5 — аиода. 6 — катода; 7 — испарителя, 8 — высокого напряжения)/ — катод; 2 — анод; 3 — испаритель; -4 — металлокерамический токоввод; 5 — 8 — трансформаторы (5 — аиода. 6 — катода; 7 — испарителя, 8 — высокого напряжения), ПараметрЗначение параметра для насосаГИН-0,5 Ml,ГИН-2МГИН-5МСОН-А-1Быстрота действия, м®/с: по воздуху0,451,84,50,5по азоту0,602,44,50,8по водороду1,506,020,0Число испарителей, шт.236\1Диаметр испарителя, мм233■ 8 *Масса геттера (титана), г6501003,4Ресурс испарителей (при1500300030002000р — 4 -10~6 Па), ч£>У входного отверстия,160260500 '160ММБлок питания: типБПГИН-05МПУГИН-2/5ПУГИН-2/5БП-6мощность, кВт0,853,53,50,2габаритные размеры,460Х 550Х 373580Х700Х580Х 700Х430ХММX 1050X 1050Х370Хмасса, кгГабаритные размеры, мм70160160Х22119364 X 280X 464510Х 420Х770Х 680Х350 XМасса, кг,36Х882100X 1100216Х280Х Х87040, ПараметрЗначение параметра для насосаГИН-0,5 Ml,ГИН-2МГИН-5МСОН-А-1Быстрота действия, м®/с: по воздуху0,451,84,50,5по азоту0,602,44,50,8по водороду1,506,020,0Число испарителей, шт.236\1Диаметр испарителя, мм233■ 8 *Масса геттера (титана), г6501003,4Ресурс испарителей (при1500300030002000р — 4 -10~6 Па), ч£>У входного отверстия,160260500 '160ММБлок питания: типБПГИН-05МПУГИН-2/5ПУГИН-2/5БП-6мощность, кВт0,853,53,50,2габаритные размеры,460Х 550Х 373580Х700Х580Х 700Х430ХММX 1050X 1050Х370Хмасса, кгГабаритные размеры, мм70160160Х22119364 X 280X 464510Х 420Х770Х 680Х350 XМасса, кг,36Х882100X 1100216Х280Х Х87040Таблица 12.10Таблица 12.10* Втулка высотой 15 мм на вольфрамовом керие.* Втулка высотой 15 мм на вольфрамовом керие.Примечание. Для указанных насосов наибольшее давление запуска 10-1 Па, наибольшее рабочее давление 10~3 Па, предельное остаточное давление 10~8 Па, а для насоса СОН-А-1 при охлаждении внутреннего экрана жидким азотом менее 10-10 Па.Примечание. Для указанных насосов наибольшее давление запуска 10-1 Па, наибольшее рабочее давление 10~3 Па, предельное остаточное давление 10~8 Па, а для насоса СОН-А-1 при охлаждении внутреннего экрана жидким азотом менее 10-10 Па.
Рис. 12.13. Зависимость быстроты откачки насосов ГИН-0,5 Ml (а), ГИН-2 (<Г) и а ГИН-5М (в) от давления откачиваемого газа:|
Рис. 12.13. Зависимость быстроты откачки насосов ГИН-0,5 Ml (а), ГИН-2 (<Г) и а ГИН-5М (в) от давления откачиваемого газа:|
/ ■» аргона; 2 — метана; 3 — воздуха; 4 — азота; 5 н 6 — оксида и диоксида углерода^ 7 — водородаЯ
/ ■» аргона; 2 — метана; 3 — воздуха; 4 — азота; 5 н 6 — оксида и диоксида углерода^ 7 — водородаЯ
Ряс. 12.14, Спектр остаточных газов при давлении р = 3- КГ 7 Па
Ряс. 12.14, Спектр остаточных газов при давлении р = 3- КГ 7 Па
Рис. 12.15. Схема электропитания насоса ГИН-0,5 Ml:
Рис. 12.15. Схема электропитания насоса ГИН-0,5 Ml:
/ — катод; 2 — анод; 3 — испаритель; -4 — металлокерамический токоввод; 5 — 8 — трансформаторы (5 — аиода. 6 — катода; 7 — испарителя, 8 — высокого напряжения)
/ — катод; 2 — анод; 3 — испаритель; -4 — металлокерамический токоввод; 5 — 8 — трансформаторы (5 — аиода. 6 — катода; 7 — испарителя, 8 — высокого напряжения)
, Параметр
Значение параметра для насоса
ГИН-0,5 Ml,
ГИН-2М
ГИН-5М
СОН-А-1
Быстрота действия, м®/с: по воздуху
0,45
1,8
4,5
0,5
по азоту
0,60
2,4
4,5
0,8
по водороду
1,50
6,0
20,0
Число испарителей, шт.
2
3
6
\1
Диаметр испарителя, мм
2
3
3
■ 8 *
Масса геттера (титана), г
6
50
100
3,4
Ресурс испарителей (при
1500
3000
3000
2000
р — 4 -10~6 Па), ч
£>У входного отверстия,
160
260
500 '
160
ММ
Блок питания: тип
БПГИН-05М
ПУГИН-2/5
ПУГИН-2/5
БП-6
мощность, кВт
0,85
3,5
3,5
0,2
габаритные размеры,
460Х 550Х 373
580Х700Х
580Х 700Х
430Х
ММ
X 1050
X 1050
Х370Х
масса, кг
Габаритные размеры, мм
70
160
160
Х221
19
364 X 280X 464
510Х 420Х
770Х 680Х
350 X
Масса, кг
,36
Х882
100
X 1100
216
Х280Х Х870
40
, Параметр
Значение параметра для насоса
ГИН-0,5 Ml,
ГИН-2М
ГИН-5М
СОН-А-1
Быстрота действия, м®/с: по воздуху
0,45
1,8
4,5
0,5
по азоту
0,60
2,4
4,5
0,8
по водороду
1,50
6,0
20,0
Число испарителей, шт.
2
3
6
\1
Диаметр испарителя, мм
2
3
3
■ 8 *
Масса геттера (титана), г
6
50
100
3,4
Ресурс испарителей (при
1500
3000
3000
2000
р — 4 -10~6 Па), ч
£>У входного отверстия,
160
260
500 '
160
ММ
Блок питания: тип
БПГИН-05М
ПУГИН-2/5
ПУГИН-2/5
БП-6
мощность, кВт
0,85
3,5
3,5
0,2
габаритные размеры,
460Х 550Х 373
580Х700Х
580Х 700Х
430Х
ММ
X 1050
X 1050
Х370Х
масса, кг
Габаритные размеры, мм
70
160
160
Х221
19
364 X 280X 464
510Х 420Х
770Х 680Х
350 X
Масса, кг
,36
Х882
100
X 1100
216
Х280Х Х870
40
Таблица 12.10
Таблица 12.10
* Втулка высотой 15 мм на вольфрамовом керие.
* Втулка высотой 15 мм на вольфрамовом керие.
Примечание. Для указанных насосов наибольшее давление запуска 10-1 Па, наибольшее рабочее давление 10~3 Па, предельное остаточное давление 10~8 Па, а для насоса СОН-А-1 при охлаждении внутреннего экрана жидким азотом менее 10-10 Па.
Примечание. Для указанных насосов наибольшее давление запуска 10-1 Па, наибольшее рабочее давление 10~3 Па, предельное остаточное давление 10~8 Па, а для насоса СОН-А-1 при охлаждении внутреннего экрана жидким азотом менее 10-10 Па.
Скорости испарения титана. Для протяженных прямонакальных испарителей титана можно регулировать скорость сублимации изменением мощности иагрева. Однако в процессе работы изменяется состояние и площадь поверхности испарителя из-за испарения титана и взаимодействия
р 1-Ю7, Па
г -
/III III I
121516182840 М
его с остаточными газами. Эксплуатация титаномолибденовых испарителей в режиме постоянной мощности приводит к постепенному замедлению процесса сублимации. Для поддержания необходимой скорости испарения при переменных газовых нагрузках можно рекомендовать периодическое фиксированное изменение мощности нагрева. Параметром для контроля скорости испарения титана является сила тока электронной эмиссии с испарителя.
В блоках питания насосов типа ГИН предусмотрена возможность фиксированного изменения нагрева испарителя при работе насоса в разных режимах откачки и коррекции температуры (по мере расходования титана) по силе тока электронной эмиссии с испарителя. Принципиальная схема электролита
ння насоса ГИН-0,5 Ml приведена на рис. 12.15. В блоках питания насосов ГИН-2 и ГИН 5 трансформатор анода отсутствует, а нагреватель получает питание непосредственно от силовой сети (220 В).
Недостатки насосов этого типа — чувствительность к разгерметизации и ограниченный запас титана. Насосы типа ГИН рационально использовать для откачки электровакуумных приборов, в вакуумной металлургии, дли экспериментальных исследований.
Для поддержания вакуума в малогабаритной физической аппаратуре, электровакуумных приборах (ЭВП), а также для финитной откачки и тренировки ЭВП повышенной надежности
разработана серия миниатюрных испа- , рительных геттерных вакуумных насо- I, сов типа НГ с быстротой действия (0,1...1,5)10"® м®/с при мощности насоса 3...13 Вт (рис. 12.16). В качестве геттера в насосах используют редко земельные металлы — эрбий и гадолиний, которые по сравнению с традиционно применяемым в вакуумной технике титаном имеют ряд преимуществ, позволивших создать эту серию миниатюрных и экономичных насосов. Основные из этих преимуществ, на три-четыре порядка большая скорость испарения при одной и той же температуре анода-испарителя и, следовательно, значительно меньшая мощность для испарения с заданной скоростью;
Рис, 12.16. Конструктивная схема миниатюрного испарительно-ионного насоса:
— анод-испаритель: 2 — катод; 3 — корпус; 4 — коллектор ионов; 5 — экран;
6 — токоявод
высокая термостойкость соединений, образующихся при взаимодействии с откачиваемыми газами; низкое равновесное давление водорода на." геттерной пленкой, содсржг'сей гидриды эрбия и гадолиния (не превышает 5-10"6 Па при Т ™ 600 К), что позволяет использовать насосы без принудительного охлаждения при повышенных температурах.
Испарение . геттера в таком насосе (см. рис. 12.16) происходит при бомбардировке анода-испарителя / элек-
Рнс. 12.17. Зависимость силы ионного Тока от давления в насосах НГ-1 (кривая /) и НГ-0,1-1 (кривая 2)
Рис. 12.18. Зависимость быстроты действия насосов НГ-1 (линии /) и НГ-0.1-1 (линии .2) от давления азота (сплошные линии) и водорода (штриховые линии)Рис. 12.18. Зависимость быстроты действия насосов НГ-1 (линии /) и НГ-0.1-1 (линии .2) от давления азота (сплошные линии) и водорода (штриховые линии)тронами, эмитируемыми с накаленного вольфрамового катода 2 с оксидно- иттриевым покрытием. Насосы можно использовать для индикации давления измерением силы ионного тока, пропорциональной давлению газов в насосе в диапазоне 5-10~6...5.10"2 Па (рис. 12.17).
Рис. 12.18. Зависимость быстроты действия насосов НГ-1 (линии /) и НГ-0.1-1 (линии .2) от давления азота (сплошные линии) и водорода (штриховые линии)
Рис. 12.18. Зависимость быстроты действия насосов НГ-1 (линии /) и НГ-0.1-1 (линии .2) от давления азота (сплошные линии) и водорода (штриховые линии)
Насос НГ-0,1-1 (насос геттерпый) изготовлен из металлокерамики, насосы НГ-1 и НГ-1-2— из стекла, причем последний выполнен в бескорпус- ном варианте в виде стеклянного цоколя, на котором смонтирована электродная система. Технические характеристики насосов даны в табл. 12.11, зависимость быстроты действия от давления газа — на рис. 12.18.
Применение редкоземельных материалов позволило уменьшить парци- альное давление водорода па порядок, "а метана в 4...5 раз по сравнению с давлением в насосах с титановым геттером. Низкая быстрота действия насосов типа ГИИ по инертным газам объясняется малой длиной свободного пути электронов (до попадания на анодную сетку они совершают несколько колебаний), составляющей примерно 0,7...1,5 м. В геттерно-ионных насосах другого тапа, называемых «орбитрои- иыми», длина свободного путч электронов увеличена на порядок; это позволило повысить эффективность ионизации откачиваемого газа и быстроту действия по инертным тазам.
Орбитронный геттерко-ионный насос (ОГИН) (рис. 12.19) (31 ] выполнен в виде цилиндрической водоохлаждае- мой трубы, иа торцовом фланце которой закреплен электродный блок Ои
ПараметрЗначение параметра для насосаНГ-0,1-1НГ-1НГ-1-2Быстрота действия по азоту 5-103, м®/с0,12,01,0Наибольшее давление запуска, Па1,3-10-®1,3-10-®6,7.10-*Наибольшее рабочее давление, Па6,7.10“*6,7-10~41,3-10~*Геттерный материалЭрбийГадолинийЭрбийМасса геттера, г0,120.60,12Срок службы, ч5005001000Мощность насоса, Вт31510Габаритные размеры, мм0 16,5X450 36Х 1000 22X45Масса, кг0,020,10,005ПараметрЗначение параметра для насосаНГ-0,1-1НГ-1НГ-1-2Быстрота действия по азоту 5-103, м®/с0,12,01,0Наибольшее давление запуска, Па1,3-10-®1,3-10-®6,7.10-*Наибольшее рабочее давление, Па6,7.10“*6,7-10~41,3-10~*Геттерный материалЭрбийГадолинийЭрбийМасса геттера, г0,120.60,12Срок службы, ч5005001000Мощность насоса, Вт31510Габаритные размеры, мм0 16,5X450 36Х 1000 22X45Масса, кг0,020,10,005Таблица 12.11Таблица 12.11Примечание. Для насосов указанных типов предельное остаточное давление 6,7-10“* Па.Примечание. Для насосов указанных типов предельное остаточное давление 6,7-10“* Па.состоит из аиода 2 (вольфрамовый стержень) с геттером 3 и источника электронов 4 (нить накала) с экраном 5 (токовводом), закрепленным на отражательном электроде 6. Заземленный корпус 1 насоса и анод 2, находящийся под положительным потенциалом в несколько киловольт, образуют цилиндрический конденсатор с аксиальносимметричным электростатическим полем, нарушенным в области расположения нити накала (рис. 12.20). Нить иакала, экранированная со стороны анода токовводом, находится под небольшим положительным потенциалом смещения по отношению к корпусу, что исключает попадание на него электронов, эмитируемых нитью накала. В этих условиях векторы скоростей электронов имеют как осевую, так и тангенциальную составляющие, и их траектории представляют собой сложные кривые. При этом большая часть электронов не попадает иа анод и может достаточно долго двигаться по своим орбитам, что создает условия для эффективной ионизации остаточных газов. Часть электронов, траектории которых проходят вблизи анода, попадает на навеску из титана, закрепленную на аноде, и разогревает ее до температуры испарения; при этом титан осаждается на поверхности корпуса насоса, который является коллектором ионов. Скорость испарения титана регулируют измене
Параметр
Значение параметра для насоса
НГ-0,1-1
НГ-1
НГ-1-2
Быстрота действия по азоту 5-103, м®/с
0,1
2,0
1,0
Наибольшее давление запуска, Па
1,3-10-®
1,3-10-®
6,7.10-*
Наибольшее рабочее давление, Па
6,7.10“*
6,7-10~4
1,3-10~*
Геттерный материал
Эрбий
Гадолиний
Эрбий
Масса геттера, г
0,12
0.6
0,12
Срок службы, ч
500
500
1000
Мощность насоса, Вт
3
15
10
Габаритные размеры, мм
0 16,5X45
0 36Х 100
0 22X45
Масса, кг
0,02
0,1
0,005
Параметр
Значение параметра для насоса
НГ-0,1-1
НГ-1
НГ-1-2
Быстрота действия по азоту 5-103, м®/с
0,1
2,0
1,0
Наибольшее давление запуска, Па
1,3-10-®
1,3-10-®
6,7.10-*
Наибольшее рабочее давление, Па
6,7.10“*
6,7-10~4
1,3-10~*
Геттерный материал
Эрбий
Гадолиний
Эрбий
Масса геттера, г
0,12
0.6
0,12
Срок службы, ч
500
500
1000
Мощность насоса, Вт
3
15
10
Габаритные размеры, мм
0 16,5X45
0 36Х 100
0 22X45
Масса, кг
0,02
0,1
0,005
Таблица 12.11
Таблица 12.11
Примечание. Для насосов указанных типов предельное остаточное давление 6,7-10“* Па.
Примечание. Для насосов указанных типов предельное остаточное давление 6,7-10“* Па.
нием силы тока накала термоэмиттера электронов.
Положение источника электронов, при котором эмитируются электроны с энергией, соответствующей круговой орбите, определяют из условия
mv^/r0 = е VdU (r)/dr], (12.2) где m— масса электрона, кг; у9— тангенциальная составляющая скорости электрона, м/с; г0 и г — радиус соответственно круговой орбиты и
Рис. 12.19. Схема насоса ОГИН:
/ — корпус; 2 — анод; 3 — геттер; 4 — источник электронов; 5 — экран (токо- ввод); 6 — отражательный электрод; 7 — трансформатор нагрева; 8 — источник питания
б)б)Рис. 12.21. Конструктивная схема насоса СОН-А-1:Рис. 12.21. Конструктивная схема насоса СОН-А-1:1 — азотный питатель; 2 — нить накала; 3 — анод с титановой навеской; 4 — вкладыш с охлаждаемыми кольцами; 5 — корпус с водяной рубашкой; 6 — теплоизоляционный экран1 — азотный питатель; 2 — нить накала; 3 — анод с титановой навеской; 4 — вкладыш с охлаждаемыми кольцами; 5 — корпус с водяной рубашкой; 6 — теплоизоляционный экран
б)
б)
Рис. 12.21. Конструктивная схема насоса СОН-А-1:
Рис. 12.21. Конструктивная схема насоса СОН-А-1:
1 — азотный питатель; 2 — нить накала; 3 — анод с титановой навеской; 4 — вкладыш с охлаждаемыми кольцами; 5 — корпус с водяной рубашкой; 6 — теплоизоляционный экран
1 — азотный питатель; 2 — нить накала; 3 — анод с титановой навеской; 4 — вкладыш с охлаждаемыми кольцами; 5 — корпус с водяной рубашкой; 6 — теплоизоляционный экран
Ряс. 12,20. Диаграммы радиального распределения потенциала:
а — в плоскости нита накала; б — в плоскости, перпенди^ляряой нити накала; / — анод; II — экран; Ml— нить какала
текущий, м; г — заряд электрона, Кл; U (г) — распределение потенциала по радиусу;
U (г) = Uй In (rx/r)/ln Vilr^. (12.3)
где Ua — напряжение на аноде. В; ri и т2 — радиусы соответственно корпуса и анода.
Используя уравнение (12.3), определим кинетическую энергию электрона, движущегося по круговой орбите:
0,5шу§ = Q,5eUа/1п (г^г). (12-4)
Таким образом, при движении электрона по круговой орбите его кинетическая энергия не зависит от радиуса орбиты.
Если потенциал экрана (токоввода) равен потенциалу смещения нити накала, то радиус г0, на котором следует расположить нить иакала для испускания электронов с энергией, соответ-
ствующей круговой орбите, можно’ найти из выражения
0,5mt^= е [V (г0) — 6Уа], (12.5)
где bUa — напряжение смещения нитиЦ 6 — коэффициент (обычно 6 = 0..J 0,15).1
Решив совместно уравнения (12.4) «и (12.5) с учетом (12.3), получим >
L In (нАз) J I
Упростив выражение (12.6), получим
lg ('i/'o) = 0,5 + b In Vi^, (12.7) или
r0 = r\-br2lV?. (12.8)
Результаты эксперимента показывают, что определенному расположению нити накала соответствует опта-, мальный потенциал, при котором длина пути электронов максимальна.
При ионной откачке и нормальной температуре поток газа н быстрота ионной откачки, м3/с, соответственно:
Q^ 2,35.10-®/^;(12.9)
S = Q/p = 2,35-10-8/г<рг/р, (12.10)
где /. — сила ионного тока, A; <pt — коэффициент захвата ионов.
Предельное остаточное давление, получаемое орбитроинымн насосами, 6,7 (!0-6... Ю"9) Па Установка в насосе вкладыша, охлаждаемого жидким азотом, позволяет получить давление порядка 10"12 Па. Такую конструкцию имеет, в частности, иасос СОН-А-1 (рис. 12.21). Насос имеет две зоны сорбции. Примерно половина испаряемого титана осаждается иа внутренней поверхности медных колец 4, охлаждаемых до температуры жидкого азота. Остальная часть титана напыляется через зазоры между кольцами на внутреннюю поверхность корпуса 5, охлаждаемого водой, запыляя при этом около 60% этой поверхности. Зазоры между кольцами увеличивают проводимость К основной сорбирующей поверх-
ности. Основные элементы насоса выполнены на съемном фланце, чго позволяет использовать насос без корпуса, встраивая в вакуумные объемы. Быстрота действия насоса по азоту и воздуху зависит от давления и мощности анода-испарителя (рис. 12.22), так как, изменяя скорость испарения титана, можно в известных пределах регулировать быстроту действия насоса. Так, при мощности 6О...62Дж/с скорость испарения титана составляет СТ,2... 0,5 мг/ч, при мощности 68...70 Дж/с — 5...10 мг/ч. Насос обладает постоянной быстротой действия по воздуху 0,5 мя/с при р ^ 10~j Па. Ресурс насоса 300... 2000 ч. Основные технические характеристики насоса приведены в табл. 12.10.
Испарительно-ионные насосы могут устойчиво работать совместно с масляными диффузионными и форвакуумными насосами. Пары масел вследствие пиролиза на разогретых деталях разлагаются на более легкие компоненты, поэтому использование испарителей заметно уменьшает долю тяжелых углеводородов.
Испарительно-ионные вакуумные насосы имеют наряду с положительными свойствами ряд недостатков: небольшой запас геттера; невозможность саморегулирования скорости испарения геттера; 'наличие накаленных элементов в электродной системе.
Рис. 12.22. Зависимость быстроты действия наглг» ти а «НЫ. ™ии) н азота (штриховыв „„„„) „^ =г~ ^-Х™ аТМ^Рис. 12.22. Зависимость быстроты действия наглг» ти а «НЫ. ™ии) н азота (штриховыв „„„„) „^ =г~ ^-Х™ аТМ^Важное значение имеет стабильность сорбционных характеристик, но многом
Рис. 12.22. Зависимость быстроты действия наглг» ти а «
НЫ. ™ии) н азота (штриховыв „„„„) „^ =г~ ^-Х™ аТМ^
Рис. 12.22. Зависимость быстроты действия наглг» ти а «
НЫ. ™ии) н азота (штриховыв „„„„) „^ =г~ ^-Х™ аТМ^
определяемая толщиной пленки. При толщине, превышающей критическую, ге7терная пленка начинает шелушиться и постепенно отслаиваться под действием термомеханнческих напряжений, что может привести к замыканию электродов. Отслаивающаяся пленка из-за ' плохого охлаждения сильно разогревается во время работы испарителя и десорбирует ранее поглощенные газы. Во избежание шелушения необходимо периодическое удаление гетгерных пленок. Для этого обычно используют механические и химические способы. Прн механической очистке необходимо соблюдать меры предосторожности, исключающие возгорание и взрыв десорбируемых газов. Это особенно важно прн удалении гетгерных пленок после длительной откачки водорода.
Расчет испарительно-ионных насосов сводится к определению удельной быс- ' троты откачки, геометрических размеров поверхности сорбции и скорости испарения геттера.
Для насоса с корпусом цилиндрической формы удельную быстроту откачки, м3/"(с-м2), можно определить из соотношения
Sy^ б = 36,4^ VtW Рик,(12.11)
откуда
„_ 36,46к УТ/М Fдц^kcD
= 2лВ/’
(12.12)
где Fq — площадь боковой поверхности цилиндрического корпуса насоса, м2; &к — коэффициент конденсации; Гвп — площадь входного отверстия насоса, м2; к — коэффициент Клаузинга; D, I — диаметр и длина цилиндрического корпуса насоса, м; с—константа, определяемая родом откачиваемого газа.
Для расчета скорости испарения титана прн заданной быстроте откачки насоса необходимо знать температуру Т испарителя, определяемую по потоку молекул откачиваемого газа прн рабочем давлении р и известном отношении р площадей испарения F^ и конденсации FK в оптимальном режиме работы насоса, когда иа по
глощение одной молекулы газа требуется один атом титана:
1020pfK = 1020pTlFa; (12.13) отсюда давление паров титана
РТ|-РР- (12.14)
Для паров титана по значению рр находят соответствующую температуру нагретой поверхности титана и мощность, выделяемую на навеске.
Скорость испарения титана, г/(с-м2)> в зависимости от температуры Т би- металлическнх испарителей из титано- молнбденовой проволоки определяют из соотношения - t
lg m1K = (—20 600/Т + 7,4) 10“4.
(12.15)
Срок службы 1С испарителя определяется эффективной массой геттера G, г, и скоростью его испарения т, г/с:
при непрерывном испарении
tc — G-q/m;(12.16)
при периодическом испарении
<с=-^-т--(12-17)
где т| — коэффициент использования геттера; /н — время насыщения геттера; /г — время образования монослоя геттера иа сорбирующей поверхности.
Режим работы испарителя определяется отношением tjtr Ун^г > периодическое испарение; tHltr ^
— непрерывное "испарение).
Период tn между двумя последовательными включениями испарителя должен быть меньше времени образования монослоя газа иа сорбируюШ6* поверхности насоса площадью Fc при данном давлении:
О^^с^/Сфн^вп^).(!2-18)
гдех М8 — число молекул откачиваемого газа на 1 см2 монослоя; фя коэффициент захвата иасоса; ^вп площадь входного отверстия насоС„’ Nr — число молекул, падающих н
см2 площади входного отверстия патрубка насоса.
г Скорость эрозии геттера, г/с, иа поверхности расходуемого ' катода в электродУговых испарителях пропор- цнональна силе тока /д дугового разряда:
т = у/д, (12.19)
где И — коэффициент эрозии, зависящий от материала катода (g = 10“* [О'6 г/Кл).
Эмпирическая зависимость скорости эрозии материала катода стационарного электродугового испарителя имеет вид
т^.(0,16 ... 0,17) (/д-20). (12.20)
Магнитные электроразрядные насосы
Саморегулирование скорости распыления геттера обеспечивается в магнитных электроразрядяых вакуумных насосах, в которых для этого используют газовый разряд в скрещенных электрическом и магнитном полях.
В простейшем диодном насосе (рис. 12.23) между двумя катодными пластинами 2, выполненными из геттера, расположен ячеистый анод /, на который подается положительный потенциал порядка несколько киловольт. Ячейки могут быть цилиндрической, прямоугольной, квадратной формы; число ячеек — от единицы до тысяч. Электродная система насоса размещается в немагнитном корпусе. Плоскость катодов располагают пер- пендикулярно к силовым линиям магнитного поля напряженностью Нт.
Разряд возбуждается и устойчиво ^Одерживается в очень широком диапазоне давлений газа до Ю"10 Па. Источником разряда являются электроны, возникающие в результате авто- ^миссии при подаче на электроды по- ^Ниала в несколько киловольт. Об- Дующиеся в разряде положитель- Ые ноны ускоряются электрическим олем и бомбардируют катоды, вызы- ая распыление геттера. Распыляемый _ ятернал осаждается на внутренних поверхностях насоса, главным обра-
Ряс.. 12.23. Схема диодного магнитною элек-i поразрядного насоса
зом на ячейках анода, и сорбирует остаточные газы. Чем выше давление газа, тем интенсивнее распыляется тнтая и поглощается газ; снижение давления уменьшает силу ионного тока и количество распыляемого титана. Таким образом автоматически регулируется скорость распыления катодов, что обеспечивает экономное расходование геттера и значительный (несколько десятков тысяч часов) ресурс.
По механизму откачки газов электроразрядные насосы во многим аналогичны испарительно-ионным насосам, но интенсивные ионизация и диссоциация молекул откачиваемого газа в газовом разряде позволяют использовать электроразрядные насосы как эффективное средство откачки инертных газов и углеводородов,-
Магнитные электроразрядные насосы обладают значительной селективностью откачки газов и газовых смесей. Ниже приведена относительная быстрота действия диодного насоса по разным газам, % (за 100% принята быстрота действия насоса.по воздуху):
Водород ...;...270
Дейтерий 190
Легкие углеводороды , . . 90 ... 160
Азот ЮО
Пары воды ........100
Диоксид углерода100
Кислород 57
Гелий 10
Неон 4
Аргон,- криптон, ксенон..1
/
Рис. 12.24. Насос НМДО-25: ;Рис. 12.24. Насос НМДО-25: ;/ — корпус; 2 — катод; 3 — трубка охлаждения; 4 — анод; 5 — изолятор; 6,— экран; 7 — токоввод; 8 — магнит; 9 — магнитопровод/ — корпус; 2 — катод; 3 — трубка охлаждения; 4 — анод; 5 — изолятор; 6,— экран; 7 — токоввод; 8 — магнит; 9 — магнитопроводчить более низкое предельное остаточ-чить более низкое предельное остаточ-Ряс. 12.25. Зависимость быстроты действия (линии Z) и производительности (линии /7) насосов типа НМДО от давления воздуха:Ряс. 12.25. Зависимость быстроты действия (линии Z) и производительности (линии /7) насосов типа НМДО от давления воздуха:Значение параметра для насосаПараметро.6 ■бббб6Ц ■чччXX-хX■ X'XXБыстрота действия по1025 ,1003001000120 *воздуху S-103, м3/с, при р = 6,7-10'? Па . О, -входного отверстия,32100100160250160 'ММ'Блок питания:тип' БП-10БП-25БП-100БП-100БП-63БП-150сила тока короткого0,10,30,7' 0,70,7X40,7замыкания, А мощность, кВт. 0,771,544,44,4184,4габаритные размеры, мм430 X430Х428Х428Х548Х428XХ370ХX 530 XХ530ХХ530ХХ645ХХ530ХХ261Х261Х361Х36!X 1805Х361масса, кг'.3045808040080Габаритные размеры, мм120Х200Х175Х254 X543Х280ХX 100ХХ200ХХ390ХХ424ХХ564ХХ355ХХ220Х319Х396Х.550Х700Х780Масса, кг■713,546120300' 60Значение параметра для насосаПараметро.6 ■бббб6Ц ■чччXX-хX■ X'XXБыстрота действия по1025 ,1003001000120 *воздуху S-103, м3/с, при р = 6,7-10'? Па . О, -входного отверстия,32100100160250160 'ММ'Блок питания:тип' БП-10БП-25БП-100БП-100БП-63БП-150сила тока короткого0,10,30,7' 0,70,7X40,7замыкания, А мощность, кВт. 0,771,544,44,4184,4габаритные размеры, мм430 X430Х428Х428Х548Х428XХ370ХX 530 XХ530ХХ530ХХ645ХХ530ХХ261Х261Х361Х36!X 1805Х361масса, кг'.3045808040080Габаритные размеры, мм120Х200Х175Х254 X543Х280ХX 100ХХ200ХХ390ХХ424ХХ564ХХ355ХХ220Х319Х396Х.550Х700Х780Масса, кг■713,546120300' 60Т a б л и ц a 12.12Т a б л и ц a 12.12* При охлаждении электродной системы жидким азотом 0,2 ма/с.* При охлаждении электродной системы жидким азотом 0,2 ма/с.’ Примечание. Для указанных насосов наибольшее давление запуска- 6,7 Па, наибольшее рабочее давление 0,1 Па, предельное остаточное давление 6,7-10~7 Па. Для насоса НМТО-0,16 предельное остаточное давление 1О'8 Па, при охлаждении электродной системы жидким азотом 6,7-10-8 Па. Для всех блоков питания напряжение холостого хода Ux. х = —7 кВ. , '’ Примечание. Для указанных насосов наибольшее давление запуска- 6,7 Па, наибольшее рабочее давление 0,1 Па, предельное остаточное давление 6,7-10~7 Па. Для насоса НМТО-0,16 предельное остаточное давление 1О'8 Па, при охлаждении электродной системы жидким азотом 6,7-10-8 Па. Для всех блоков питания напряжение холостого хода Ux. х = —7 кВ. , '
Рис. 12.24. Насос НМДО-25: ;
Рис. 12.24. Насос НМДО-25: ;
/ — корпус; 2 — катод; 3 — трубка охлаждения; 4 — анод; 5 — изолятор; 6,— экран; 7 — токоввод; 8 — магнит; 9 — магнитопровод
/ — корпус; 2 — катод; 3 — трубка охлаждения; 4 — анод; 5 — изолятор; 6,— экран; 7 — токоввод; 8 — магнит; 9 — магнитопровод
чить более низкое предельное остаточ-
чить более низкое предельное остаточ-
Ряс. 12.25. Зависимость быстроты действия (линии Z) и производительности (линии /7) насосов типа НМДО от давления воздуха:
Ряс. 12.25. Зависимость быстроты действия (линии Z) и производительности (линии /7) насосов типа НМДО от давления воздуха:
Значение параметра для насоса
Параметр
о.
6 ■
б
б
б
б
6
Ц ■
ч
ч
ч
X
X-
х
X
■ X'
X
X
Быстрота действия по
10
25 ,
100
300
1000
120 *
воздуху S-103, м3/с, при р = 6,7-10'? Па . О, -входного отверстия,
32
100
100
160
250
160 '
ММ'
Блок питания:
тип
' БП-10
БП-25
БП-100
БП-100
БП-63
БП-150
сила тока короткого
0,1
0,3
0,7
' 0,7
0,7X4
0,7
замыкания, А мощность, кВт
. 0,77
1,54
4,4
4,4
18
4,4
габаритные размеры, мм
430 X
430Х
428Х
428Х
548Х
428X
Х370Х
X 530 X
Х530Х
Х530Х
Х645Х
Х530Х
Х261
Х261
Х361
Х36!
X 1805
Х361
масса, кг'.
30
45
80
80
400
80
Габаритные размеры, мм
120Х
200Х
175Х
254 X
543Х
280Х
X 100Х
Х200Х
Х390Х
Х424Х
Х564Х
Х355Х
Х220
Х319
Х396
Х.550
Х700
Х780
Масса, кг■
7
13,5
46
120
300
' 60
Значение параметра для насоса
Параметр
о.
6 ■
б
б
б
б
6
Ц ■
ч
ч
ч
X
X-
х
X
■ X'
X
X
Быстрота действия по
10
25 ,
100
300
1000
120 *
воздуху S-103, м3/с, при р = 6,7-10'? Па . О, -входного отверстия,
32
100
100
160
250
160 '
ММ'
Блок питания:
тип
' БП-10
БП-25
БП-100
БП-100
БП-63
БП-150
сила тока короткого
0,1
0,3
0,7
' 0,7
0,7X4
0,7
замыкания, А мощность, кВт
. 0,77
1,54
4,4
4,4
18
4,4
габаритные размеры, мм
430 X
430Х
428Х
428Х
548Х
428X
Х370Х
X 530 X
Х530Х
Х530Х
Х645Х
Х530Х
Х261
Х261
Х361
Х36!
X 1805
Х361
масса, кг'.
30
45
80
80
400
80
Габаритные размеры, мм
120Х
200Х
175Х
254 X
543Х
280Х
X 100Х
Х200Х
Х390Х
Х424Х
Х564Х
Х355Х
Х220
Х319
Х396
Х.550
Х700
Х780
Масса, кг■
7
13,5
46
120
300
' 60
Т a б л и ц a 12.12
Т a б л и ц a 12.12
* При охлаждении электродной системы жидким азотом 0,2 ма/с.
* При охлаждении электродной системы жидким азотом 0,2 ма/с.
’ Примечание. Для указанных насосов наибольшее давление запуска- 6,7 Па, наибольшее рабочее давление 0,1 Па, предельное остаточное давление 6,7-10~7 Па. Для насоса НМТО-0,16 предельное остаточное давление 1О'8 Па, при охлаждении электродной системы жидким азотом 6,7-10-8 Па. Для всех блоков питания напряжение холостого хода Ux. х = —7 кВ. , '
’ Примечание. Для указанных насосов наибольшее давление запуска- 6,7 Па, наибольшее рабочее давление 0,1 Па, предельное остаточное давление 6,7-10~7 Па. Для насоса НМТО-0,16 предельное остаточное давление 1О'8 Па, при охлаждении электродной системы жидким азотом 6,7-10-8 Па. Для всех блоков питания напряжение холостого хода Ux. х = —7 кВ. , '
В момент 'запуска магнитных элект- роразрядных насосов при высоком давлении разряд «горит» не только в межэлектродном пространстве, но и во всем объеме откачиваемой системы, вызывая дополнительное газоотделе- ние из металлических ■ конструкций в результате ионной очистки. При этом увеличивается продолжительность запуска, что может привести к перегреву насоса и увеличению времени выхода на режим. Но, с другой стороны, обез- гаживание системы позволяет полу
ння разряд локализуется в межэлектродном пространстве насоса.
Рассматриваемые насосы имеют высокую надежность, большой срок службы (нет накаленных н движущихся частей), просты в эксплуатации, бесшумны в работе и не выходят нз строя пря аварийной разгерметизации вакуумной системы. Насосы позволяют оценивать давление в системе по силе тока разряда. Они работают в области высокого и сверхвысокого вакуума и дают возможность получать предельное остаточное давление ниже Ю-8 Па.
Магнитные электроразрядные насосы серии НМДО (рис. 12.24) (насос магниторазрядный диодный охлаждаемый) предназначены для откачки технологического оборудования в диапазоне давлений 10~6 ... 10-1 Па. Конструктивная особенность насосов — водяное охлаждение анода и наличие отверстий в катодных пластинках по
осям анодных ячеек при сохранении простоты устройства сменных катодов. В этих насосах анод имеет потенциал корпуса, а катоды находятся под высоким отрицательным потенциалом, что затрудняет распространение разряда по всему объему насоса в период его запуска. Наличие отверстий в катодах насосов увеличивает быстроту действия по инертным газам.
Быстрота действия насосов типа НМДО значительно снижается с уменьшением давления (рис. 12.25). Так, при р = 1 • 10~6 Па она составляет 50% номинального значения, а при р = ЫО”6 Па — 25 ... 30%. Область давлений (2.5 ... 7,0) 10~ Па характеризуется неустойчивой работой насосов, связанной с переходом разряда Пеннинга от режима с отрицательным объемным зарядом к плазменному,
Технические характеристики насосов типа НМДО приведены в табл. 12.12.
По конструктивному исполнению анода к этим насосам близок триодный насос НМТО-0,16 (насос магнитный электроразрядный триодный охлаждаемый) — рис. 12.26. Насос отличается наиболее низким предельным остаточным давлением (до 10~9 Па) и повышенным давлением запуска 6,65 Па. Такие характеристики получены в результате охлаждения электродов во-
дой при запуске и жидким азотом в режиме предельного вакуума. При охлаждении электродов жидким азотом быстрота откачки возрастает в результате увеличения сорбционной способности титана (без увеличения силы тока разряда), а также концентрации газа в ячейках вследствие термической эффузии. Для удаления газа насос прогревают при Т — 673 ... 723 К. Магнитное поле создается оксидно- барневыми магнитами, расположенными с внешней стороны корпуса насоса. Основные параметры насоса также приведены в табл. 12.12. ■
Охлаждаемые насосы за счет отвода теплоты,' выделяемой в насосах, по
сравнению с неохлаждаемымн имеют повышенное давление запуска, более высокие рабочее давление и давление запуска. При откачке газовых смесей, близких по составу к воздуху, насосы длительное время (примерно 800 ч) могут работать при р < 10-1 Па.
В неохлаждаемых насосах типа НМД (насос магнитный диодный) удалось значительно увеличить стабильность быстроты действия в области низких давлений (рис. 12.27). Кроме - того, существенно уменьшены габа- ■ ритные размеры и масса по сравнению с этими показателями для насосов типа НМДО, но ухудшены пусковые „ характеристики. Технические харак-
Ряс. 12.26. Конструктивная схема электродной системы триодною магнитною электриразрядиого насоса: / — анод; 2 — катоды; 3 —• коллекторыРяс. 12.26. Конструктивная схема электродной системы триодною магнитною электриразрядиого насоса: / — анод; 2 — катоды; 3 —• коллекторыРис. 12.27. Зависимость быстроты действия насосов типа НМД от давления воздуха:1 - НМД-1; 2 - НМД-0,63;3 -, НМД-0,25; 4 — НМД-0,1; 5 - НМД-0,063;6 — НМД-0,025;7 - НМД-0,0063Рис. 12.27. Зависимость быстроты действия насосов типа НМД от давления воздуха:1 - НМД-1; 2 - НМД-0,63;3 -, НМД-0,25; 4 — НМД-0,1; 5 - НМД-0,063;6 — НМД-0,025;7 - НМД-0,0063Рис. 12.28. Насос НМД-0,001 (штриховая линия — магнитный поток):Рис. 12.28. Насос НМД-0,001 (штриховая линия — магнитный поток):/ — токоввод; 2 — изолятор; 3 — патрубок высоковакуумного ввода; 4 — корпус; 5 — . магнит; 6 — крышка; 7 — анод; 8 — катод; 9 — входной патрубок; 10 — дополннтель • ный катод; // — экран/ — токоввод; 2 — изолятор; 3 — патрубок высоковакуумного ввода; 4 — корпус; 5 — . магнит; 6 — крышка; 7 — анод; 8 — катод; 9 — входной патрубок; 10 — дополннтель • ный катод; // — экран
Ряс. 12.26. Конструктивная схема электродной системы триодною магнитною электриразрядиого насоса: / — анод; 2 — катоды; 3 —• коллекторы
Ряс. 12.26. Конструктивная схема электродной системы триодною магнитною электриразрядиого насоса: / — анод; 2 — катоды; 3 —• коллекторы
Рис. 12.27. Зависимость быстроты действия насосов типа НМД от давления воздуха:
1 - НМД-1; 2 - НМД-0,63;3 -
, НМД-0,25; 4 — НМД-0,1; 5 - НМД-0,063;
6 — НМД-0,025;7 - НМД-0,0063
Рис. 12.27. Зависимость быстроты действия насосов типа НМД от давления воздуха:
1 - НМД-1; 2 - НМД-0,63;3 -
, НМД-0,25; 4 — НМД-0,1; 5 - НМД-0,063;
6 — НМД-0,025;7 - НМД-0,0063
Рис. 12.28. Насос НМД-0,001 (штриховая линия — магнитный поток):
Рис. 12.28. Насос НМД-0,001 (штриховая линия — магнитный поток):
/ — токоввод; 2 — изолятор; 3 — патрубок высоковакуумного ввода; 4 — корпус; 5 — . магнит; 6 — крышка; 7 — анод; 8 — катод; 9 — входной патрубок; 10 — дополннтель • ный катод; // — экран
/ — токоввод; 2 — изолятор; 3 — патрубок высоковакуумного ввода; 4 — корпус; 5 — . магнит; 6 — крышка; 7 — анод; 8 — катод; 9 — входной патрубок; 10 — дополннтель • ный катод; // — экран
теристики насосов типа НМД даны в табл. 12.13.
Для предотвращения проникновения разряда в откачиваемую систему на входном фланце насосов устанавли-
вают металлическую сетку с достаточной газовой проводимостью.
Для откачки небольших вакуумных объемов, малогабаритной электрофизической аппаратуры, электровакуумных и других приборов применяют магнитные электроразрядные насосы с быстротой действия 10~6 ... 10~8 м3/с. Такие насосы имеют одну . или несколько разрядных ячеек. В на- ( сосах подобной конструкции, кроме! основного разряда Пеннинга, воз- я
буждается инверсно-магнетронный разряд между анодом и стенками корпуса. При повышенных давлениях сила тока этого разряда составляет 25% разряда Пеннинга.
Насос НМД-0,000063 предназначен для откачки прогреваемых ЭВП небольшого объема (до 2 дм8) с газовыми нагрузками не более 2-10~7 Па-м8/с, не имеющих значительных источников
загрязнения органическими продуктами. Особенность конструкции этого насоса — совмещение корпуса насоса с магнитопроводом, что в сочетании с используемыми в этом насосе самарий-кобальтовыми магнитами обеспечивает улучшенные массогабарнт- ные характеристики.
Установка дополнительного катода в насосах НМД-0,00025-1 и
предельное остаточное давлениепредельное остаточное давление
предельное остаточное давление
предельное остаточное давление
Параметр
Значение
НМД-0,0063
НМД-0,025
НМД-0,063
НМД-0,1
Быстрота действия по воздуху S-JO3, м3/с
Оу входного отверстия, мм
Блок питания:
тип
сила тока короткого замыкания, А
габаритные размеры, мм
масса, кг
Габаритные размеры, мм
Масса, кг
6
25
БП-0,0063 0,12
480Х 300Х
Х220
- 21 80Х85Х
X 160
2,9
22
100
БП-0,025 0,3
480Х 300Х
Х?20
20 157Х84Х Х220
8,4
60
100
БП-0,063
0,6
480Х 320Х
Х300
37 320X160Х Х320
21
по
100
Б П-0,1 0,7
480Х 320Х Х300
35 320Х 180Х
X 320
32
блока питания.
* Комплект включает два
параметра для насоса
Таблица 12.13
НМД-0,16-1'
НМД-0,25-2
НМД-0,25-3
НМД-0,4-1
НМД-0,63
НМД-1 •
160
220
260
420
650
4200
100
160
160
160
250
25Q
БП-138 , 0,5
БП-73 0,8
БП-138 0,7
БП-138
0,7 .
БП-0,63
1,0
БП-0,63
1.0
428Х 530Х 361
50
165Х 390X320
35
480Х320Х Х300
52
320 X 327Х Х340
53
428Х 530Х
Х361
50 320Х 390Х Х320
60
428Х 530Х
Х361
50 450Х 390Х Х320
80
480Х320Х Х300
47 500Х35ОХ Х580
190
480Х 320Х
Х600 47 500Х354Х
Х580 290
1,3 Па, наибольшее рабочее давление 0,13 Па,
ПараметрЗначение параметра для насосаНМД-0,000063-2НМД-0.00025НМД-0,001НМТ-0,025-1Быстрота действия по воздуху S-10®,0,08 s0,20,7520Наибольшее давление запуска, Па0,80,677,5-10-11,3Наибольшее рабочее давление, Па8-10-*ыо-*мо-*1,3-10~2Предельное остаточное давление, Па6,7-10-46,7-10"61,5- IO-66,7-10"»£>у входного отверстия, ММ Блок питания:81015,6190X48ТИПБП-252БП-321БП-353БП-283напряжение холостого хода, кВ+ 3+3,5+5—5сила тока короткого замыкания, А габаритные размеры, мм(4 ... 6). 10"»(8 ... 12)-10"»0,0330,2100X310X158100Х 360Х 160301X 188Х Х207520X24 0ХX 160масса, кгУ 3,23,56,015Габаритные размеры, мм53X 27X 3062 X 46 X 3290X55X35117Х 110ХХ210Масса, кг0,090,180,37,8ПараметрЗначение параметра для насосаНМД-0,000063-2НМД-0.00025НМД-0,001НМТ-0,025-1Быстрота действия по воздуху S-10®,0,08 s0,20,7520Наибольшее давление запуска, Па0,80,677,5-10-11,3Наибольшее рабочее давление, Па8-10-*ыо-*мо-*1,3-10~2Предельное остаточное давление, Па6,7-10-46,7-10"61,5- IO-66,7-10"»£>у входного отверстия, ММ Блок питания:81015,6190X48ТИПБП-252БП-321БП-353БП-283напряжение холостого хода, кВ+ 3+3,5+5—5сила тока короткого замыкания, А габаритные размеры, мм(4 ... 6). 10"»(8 ... 12)-10"»0,0330,2100X310X158100Х 360Х 160301X 188Х Х207520X24 0ХX 160масса, кгУ 3,23,56,015Габаритные размеры, мм53X 27X 3062 X 46 X 3290X55X35117Х 110ХХ210Масса, кг0,090,180,37,8Таблица 12.14Таблица 12.14лений 1,3 ... 0,1 Па работа насоса халений 1,3 ... 0,1 Па работа насоса характеризуется уменьшением напряжения между электродами до 200 ...рактеризуется уменьшением напряжения между электродами до 200 ...Рис. 12.31. Зависимость мощности N и напряжения U от силы тока разряда / для реального (сплошные линки) н идеального (штриховые линии) блоков питания магнитных электроразрядных насосовРис. 12.31. Зависимость мощности N и напряжения U от силы тока разряда / для реального (сплошные линки) н идеального (штриховые линии) блоков питания магнитных электроразрядных насосов
Параметр
Значение параметра для насоса
НМД-0,000063-2
НМД-0.00025
НМД-0,001
НМТ-0,025-1
Быстрота действия по воздуху S-10®,
0,08 s
0,2
0,75
20
Наибольшее давление запуска, Па
0,8
0,67
7,5-10-1
1,3
Наибольшее рабочее давление, Па
8-10-*
ыо-*
мо-*
1,3-10~2
Предельное остаточное давление, Па
6,7-10-4
6,7-10"6
1,5- IO-6
6,7-10"»
£>у входного отверстия, ММ Блок питания:
8
10
15,6
190X48
ТИП
БП-252
БП-321
БП-353
БП-283
напряжение холостого хода, кВ
+ 3
+3,5
+5
—5
сила тока короткого замыкания, А габаритные размеры, мм
(4 ... 6). 10"»
(8 ... 12)-10"»
0,033
0,2
100X310X158
100Х 360Х 160
301X 188Х Х207
520X24 0Х
X 160
масса, кг
У 3,2
3,5
6,0
15
Габаритные размеры, мм
53X 27X 30
62 X 46 X 32
90X55X35
117Х 110Х
Х210
Масса, кг
0,09
0,18
0,3
7,8
Параметр
Значение параметра для насоса
НМД-0,000063-2
НМД-0.00025
НМД-0,001
НМТ-0,025-1
Быстрота действия по воздуху S-10®,
0,08 s
0,2
0,75
20
Наибольшее давление запуска, Па
0,8
0,67
7,5-10-1
1,3
Наибольшее рабочее давление, Па
8-10-*
ыо-*
мо-*
1,3-10~2
Предельное остаточное давление, Па
6,7-10-4
6,7-10"6
1,5- IO-6
6,7-10"»
£>у входного отверстия, ММ Блок питания:
8
10
15,6
190X48
ТИП
БП-252
БП-321
БП-353
БП-283
напряжение холостого хода, кВ
+ 3
+3,5
+5
—5
сила тока короткого замыкания, А габаритные размеры, мм
(4 ... 6). 10"»
(8 ... 12)-10"»
0,033
0,2
100X310X158
100Х 360Х 160
301X 188Х Х207
520X24 0Х
X 160
масса, кг
У 3,2
3,5
6,0
15
Габаритные размеры, мм
53X 27X 30
62 X 46 X 32
90X55X35
117Х 110Х
Х210
Масса, кг
0,09
0,18
0,3
7,8
Таблица 12.14
Таблица 12.14
лений 1,3 ... 0,1 Па работа насоса ха
лений 1,3 ... 0,1 Па работа насоса ха
рактеризуется уменьшением напряжения между электродами до 200 ...
рактеризуется уменьшением напряжения между электродами до 200 ...
Рис. 12.31. Зависимость мощности N и напряжения U от силы тока разряда / для реального (сплошные линки) н идеального (штриховые линии) блоков питания магнитных электроразрядных насосов
Рис. 12.31. Зависимость мощности N и напряжения U от силы тока разряда / для реального (сплошные линки) н идеального (штриховые линии) блоков питания магнитных электроразрядных насосов
НМД-0,001 улучшила их пусковые характеристики и увеличила максимальное рабочее давление.
Рис. 12.30. Насос НМТ-0,025-1: / — магнитопровод; 2 •■ катод; 3 — анод; 4 — магнит;Рис. 12.30. Насос НМТ-0,025-1: / — магнитопровод; 2 •■ катод; 3 — анод; 4 — магнит;6 — корпус6 — корпусНасос НМД-0,001 (рнс. 12.28) с блоком питания БП-353 обеспечивает
Рис. 12.30. Насос НМТ-0,025-1: / — магнитопровод; 2 •■ катод; 3 — анод; 4 — магнит;
Рис. 12.30. Насос НМТ-0,025-1: / — магнитопровод; 2 •■ катод; 3 — анод; 4 — магнит;
6 — корпус
6 — корпус
индикацию давления 10"6 ... Ю"1 Па. Я Он снабжен дополнительно аккуму- ■ ляторным блоком питания БП 347 Я (напряжение холостого хода 4 кВ, сила тока короткого замыкания 1 мА). : I При р < 10~3 Па и полностью заря- < | женных аккумуляторах насос рябо- | тает не менее 12 ч. Для зарядки акку- ц | муляторов блок снабжен зарядным j j устройством ЗУ-1. На рис. 12.29 пока-. ,,; | зана зависимость тока разряда от ,13 давления для насоса НМД-0,001. J |
Основные технические характера- ..и стики миниатюрных магнитных элект- j роразрядных насосов приведены в 1 табл. 12.14.Я
При разработке электронных микро- Я скопов, Оже-смектрометрив и дру- Д гой аналитической аппаратуры шире- Я ко применяют бесфланцевые модуль- 1 ные насосы, привариваемые к откачиваемой камере. Заземленный ячеистый анод насоса модульного типа НМТ-0,025-1 (насос магнитный элект- роразрядный триодный) — рис. 12.30—
выполнен из коррозионно-стойкой стали. В насосе возможна Индикация Давления.
Для электропитания магнитных электроразрядных насосов обычно используют выпрямители (напряжением 3 ... 7 кВ) с ограничением силы тока короткого замыкания. Для эффективной работы насоса к разрядной системе следует подводить оптимальную мощность. При превышении оптимальной мощности электроды насоса разогреваются и поток газовыделения превышает поток сорбции. Мощность N насоса зависит от напряжения блока питания, поэтому он должен иметь определенную вольт-амперную характеристику (рис. 12.31).
На рис. 12.32 дана схема источника питания, позволяющая получить вольт-амперную характеристику, близкую к требуемой [22]. В области дав
Рис. 12.32. Упрощенная электрическая схема блока питания магнитного электро- разрядного насосаРис. 12.32. Упрощенная электрическая схема блока питания магнитного электро- разрядного насоса(12.22)(12.22)S’Nr« Сб-Ю^В-ДЧ, (12.23)S’Nr« Сб-Ю^В-ДЧ, (12.23)
Рис. 12.32. Упрощенная электрическая схема блока питания магнитного электро- разрядного насоса
Рис. 12.32. Упрощенная электрическая схема блока питания магнитного электро- разрядного насоса
(12.22)
(12.22)
S’Nr« Сб-Ю^В-ДЧ, (12.23)
S’Nr« Сб-Ю^В-ДЧ, (12.23)
600 В. При этом диоды Д/—Д4 открыты, н выпрямитель дает силу тока разряда, близкую к силе тока короткого замыкания, которая обусловлена числом витков обмотки W1 и настройкой трансформатора с магнитным шунтом. В этом режиме насос представляет для блока питания нагрузку с сопротивлением порядка 102 Ом. При этом быстрота действия насоса мала из-за малой энергии нонов. Увеличение силы тока разряда ограничено рассеянием мощности на электродах и конструкцией токоввода.
В диапазоне давлений 10-1 ... 10-3Па в разрядной ячейке протекает ток относительно большой силы, а напряжение по мере снижения давления начинает быстро увеличиваться. В этом режиме насос представляет собой нагрузку с сопротивлением порядка I03 ... 105 Ом. Быстрота откачки насоса резко увеличивается, однако при этих давлениях все же необходимо ограничивать подводимую мощность во избежание перегрева электродов.
Область давлений менее I0-8 Па характеризуется малыми силами тока и напряжением более 2 кВ. Диоды Д/ и Д'2 в этом режиме заперты; вольт- амперную характеристику, определяемую удвоителем напряжения (ДЗ, Д4, Cl, С2), регулируют подбором емкостей конденсаторов Ci и С2 (от 0,01 до 0,5 мкФ) и числа витков обмотки W11. При этом насос представляет собой нагрузку с сопротивлением порядка 106 ... 10® Ом. При дальнейшем уменьшении давления напряжение, подаваемое на насос, становится равным удвоенному амплитуд-
ному значению напряжения на вторичной обмотке трансформатора.
Подбор вольт-амперной характеристики существенен при рабочем давлении до 10~* Па. При меньших давлениях питание насоса может обеспечиваться прн любой форме этой характеристики.
Откачные характеристики магнитных электроразрядных насосов обычно рассчитывают с помощью эмпирических зависимостей, полученных на основе экспериментальных данных. В эти зависимости входят напряжение питания и интенсивность разряда, которая является функцией всех параметров разряда, рода газа, материала катода, напряженности магнитного поля н геометрии ячейки.
Для расчета основных параметров насоса можно использовать следующие приближенные эмпирические зависимости:
S'Nf = 172,56-105W2Bp0'2 X
!Д—(12.21
1,33+ 4-10‘р ' J
S'Ni =3,125-10-4Д/“’5 X I
па /
где Sn, — быстрота действии по азоту одной разрядной ячейки Пеннинга, Дм8/с; I = 0,005 ... 0,030 м — высота анодной ячейки;.d = 0,01 ... 0,05 м — диаметр анодной ячейки; В = 0,1 ... 0,2 Тл — магвнтная индукция;
р = 10"4 ... 10-7 Па — рабочее давление; Ua = 3 ... 7 кВ — анодное) напряжение; Н = 80 ... 150 кА/м —I напряженность магнитного поля. 1
Формулы (12.21)—(12.23) применима при lib — 0,2 ... 0,9 (где b — расстоя! ние между катодами, м). I
В реальных магнитных электрораз^ рядных насосах электродный блок состоит из п ячеек, соединенных параллельно и находящихся под одинаковым
анодным напряжением.
Быстрота действия л ячеек
Sn = nS* (12.24) уменьшается до 5Эф из-за уменьшения проводимости вследствие наличия зазора между анодом и двумя катодами, причем
5вф=5п^-, (12.25) где X = ^V-lr’ ^-коэффициент (А = 1, если доступ к электродному блоку открыт с одной стороны; А = 0,5, если блок открыт с двух сторон); А = 0,01 ... 0,20 м н L = 0,01 ... 0,40 м — ширина и длина электродного блока; 6 = 0,0025 ... 0,0100 м — зазор между анодом н одним нз катодов.
Если насос содержит N электродных блоков, то эффективную быстроту действия 5Эф можно определить из соотношения
V = (^эф)-* + и-х, (12.26) где U — проводямость между карманом, в котором находится электродный блок, и присоединительным фланцем иасоса, дм3/с.
Рис. 12.33. Насос ЭГИН-1,3/0,23:Рис. 12.33. Насос ЭГИН-1,3/0,23:нагреватель; 2 — магнитная система; 3 —■ высоковольтный ввод; 4 — корпус; 5 — изоляционный кожух; 6 — электродные блоки; 7 — испарителинагреватель; 2 — магнитная система; 3 —■ высоковольтный ввод; 4 — корпус; 5 — изоляционный кожух; 6 — электродные блоки; 7 — испарителиНедостаток магнитных электроразрядных насосов — чувствительность
Рис. 12.33. Насос ЭГИН-1,3/0,23:
Рис. 12.33. Насос ЭГИН-1,3/0,23:
нагреватель; 2 — магнитная система; 3 —■ высоковольтный ввод; 4 — корпус; 5 — изоляционный кожух; 6 — электродные блоки; 7 — испарители
нагреватель; 2 — магнитная система; 3 —■ высоковольтный ввод; 4 — корпус; 5 — изоляционный кожух; 6 — электродные блоки; 7 — испарители
к загрязнению углеводородами. Загрязнение катодов возможно и после достаточно длительной работы при относительно высоком давлении. Насосы плохо откачивают газы (На, Не и др.) с малыми массовыми числами.
Преимущества этих насосов: работа в любом положении; большой срок службы; малая мощность насоса; надежность; возможность индикации давления; саморегулирование скорости испарения.
Для откачки вакуумного технологического оборудования, где требуются высокая быстрота откачки, частые вскрытия вакуумного оборудования и применяются непрогреваемые установки, магнитные электроразрядные насосы малопригодны, так как при запуске этих установок происходит перегрев насоса и уменьшение быстроты откачки. Кроме того, этн насосы имеют большие удельные массовые характеристики. В указанных условиях можно использовать комбинации различных насосов.
Комбинированные иасосы
, Комбинированные насосы представляют собой совокупность нескольких откачных средств, размещенных
Du ‘#00Du ‘#0077Рис, 12.34, Конструктивная схема насоса НВГМ-4:/ -- водоохлаждаемые фланцы; 2 — экран- жалюзи; 3 —- корпус; 4 — анод; 5 испаритель; 6 — водоохлаждаемый экран;7 — магииторазрядные блокиРис, 12.34, Конструктивная схема насоса НВГМ-4:/ -- водоохлаждаемые фланцы; 2 — экран- жалюзи; 3 —- корпус; 4 — анод; 5 испаритель; 6 — водоохлаждаемый экран;7 — магииторазрядные блокиВОВОКВОВОКкосу st я ч осо н1*Ч Чсе р.2Р. го ВО Sго Ш СО»-И1ЯНi. X —*оООоооС о-юо§* «° ~о §8” 8^е.9‘8-ШЯН'~ О S” я <0- §^з/од-ниде§|" ® ^§ £Г®9‘1/01-НИД€§ “ 8 <0 ю 2 $ $S8 g р«— хX2 “щ*,1/9-Нйле к 2 'у оч и вю — 2 «о со — г» оо сч 2 о 2 2 ч ^хХWo/g'i-Htue2 §04 64 8 ч $88 S i “s- асч=°5 ч,УS а> £ . . . л9г‘о/9‘1-ниде—— 5Ч § 8 сч сч g 8 х§й g дВ =°'8^х -Га/ьниде5 $з| - 5|| Xг С. U-хСП я 5р. го'су СУ о<о%5 ьo2Ss М0(0 5>»—S«соУ 5Q~Sgг S § з■оS*5йд3 «о.Ви§*&зк2ж«ч22жеggi*з<зg- 5 g ё 2 я я=«sч _2sичS3ьк 8 5Мi1iI!5i0cliеQуч£д(2^”^косу st я ч осо н1*Ч Чсе р.2Р. го ВО Sго Ш СО»-И1ЯНi. X —*оООоооС о-юо§* «° ~о §8” 8^е.9‘8-ШЯН'~ О S” я <0- §^з/од-ниде§|" ® ^§ £Г®9‘1/01-НИД€§ “ 8 <0 ю 2 $ $S8 g р«— хX2 “щ*,1/9-Нйле к 2 'у оч и вю — 2 «о со — г» оо сч 2 о 2 2 ч ^хХWo/g'i-Htue2 §04 64 8 ч $88 S i “s- асч=°5 ч,УS а> £ . . . л9г‘о/9‘1-ниде—— 5Ч § 8 сч сч g 8 х§й g дВ =°'8^х -Га/ьниде5 $з| - 5|| Xг С. U-хСП я 5р. го'су СУ о<о%5 ьo2Ss М0(0 5>»—S«соУ 5Q~Sgг S § з■оS*5йд3 «о.Ви§*&зк2ж«ч22жеggi*з<зg- 5 g ё 2 я я=«sч _2sичS3ьк 8 5Мi1iI!5i0cliеQуч£д(2^”^
Du ‘#00
Du ‘#00
7
7
Рис, 12.34, Конструктивная схема насоса НВГМ-4:
/ -- водоохлаждаемые фланцы; 2 — экран- жалюзи; 3 —- корпус; 4 — анод; 5 испаритель; 6 — водоохлаждаемый экран;
7 — магииторазрядные блоки
Рис, 12.34, Конструктивная схема насоса НВГМ-4:
/ -- водоохлаждаемые фланцы; 2 — экран- жалюзи; 3 —- корпус; 4 — анод; 5 испаритель; 6 — водоохлаждаемый экран;
7 — магииторазрядные блоки
ВОВОК
ВОВОК
ко
су st я ч о
со н
1
*
Ч Ч
се р.
2
Р. го В
О S
го Ш СО
»-И1ЯН
i. X —*
оООоооС о-
юо§* «° ~о §8” 8^е.
9‘8-ШЯН
'
~ О S” я <0- §^
з/од-ниде
§|" ® ^§ £Г®
9‘1/01-НИД€
§ “ 8 <0 ю 2 $ $S8 g р«
— хX2 “щ*
,1/9-Нйле
к 2 '
у оч и в
ю — 2 «о со — г» оо сч 2 о 2 2 ч ^хХ
Wo/g'i-Htue
2 §04 64 8 ч $88 S i “s
- асч=°5 ч,
УS а> £
. . . л
9г‘о/9‘1-ниде
—— 5
Ч § 8 сч сч g 8 х§й g дВ =
°'8^х -
Га/ьниде
5 $з| - 5|| Xг С. U
-хСП я 5
р. го
'су СУ о
<о
%5 ьo2S
s М0(0 5
>»—S«
соУ 5Q~
Sgг S § з
■оS*5йд3 «о.
Ви§*&з
к2ж«ч22ж
еggi*з<з
g- 5 g ё 2 я я=«s
ч _2sичS3ьк 8 5
Мi1iI!5i0cli
еQуч£д(2^”^
ко
су st я ч о
со н
1
*
Ч Ч
се р.
2
Р. го В
О S
го Ш СО
»-И1ЯН
i. X —*
оООоооС о-
юо§* «° ~о §8” 8^е.
9‘8-ШЯН
'
~ О S” я <0- §^
з/од-ниде
§|" ® ^§ £Г®
9‘1/01-НИД€
§ “ 8 <0 ю 2 $ $S8 g р«
— хX2 “щ*
,1/9-Нйле
к 2 '
у оч и в
ю — 2 «о со — г» оо сч 2 о 2 2 ч ^хХ
Wo/g'i-Htue
2 §04 64 8 ч $88 S i “s
- асч=°5 ч,
УS а> £
. . . л
9г‘о/9‘1-ниде
—— 5
Ч § 8 сч сч g 8 х§й g дВ =
°'8^х -
Га/ьниде
5 $з| - 5|| Xг С. U
-хСП я 5
р. го
'су СУ о
<о
%5 ьo2S
s М0(0 5
>»—S«
соУ 5Q~
Sgг S § з
■оS*5йд3 «о.
Ви§*&з
к2ж«ч22ж
еggi*з<з
g- 5 g ё 2 я я=«s
ч _2sичS3ьк 8 5
Мi1iI!5i0cli
еQуч£д(2^”^
в едином корпусе: сорбционного и испарительно-ионного насосов испарительно-ионного геттеркого и магнитного электроразрядного насосов, дугового и магнитного электроразрядного и др. Целесообразность подобных комбинаций определяется тем, что гетгерные насосы эффективно откачивают химически активные газы, но не пригодны для откачки инертных газов (даже в смеси с активными) и углеводородов.
Наиболее распространены комбинированные насосы типа ЭГИН (электро- разрядный гетгерно-ионный насос), НВГМ (насос вакуумный геттерный магниторазрядный), ПВИГ (пост ва-. куумлый ионно-геттерный). В этих насосах в одном корпусе совмещены геттерный испарительный или дуго-
вой и магниторазрядные диодные или триодные модули.
Быстрота действия комбинирован, кого насоса превышает ее суммарное значение для отдельно взятых испарительного и магниторазрядного от- качных блоков. Преимущества комбинированных насосов особенно существенны в системе откачки установок с частым напуском атмосферного воздуха и в сверхвысоковакуумных установках.
Первые отечественные комбинированные насосы типа ЭГИН (рис. 12.33) разработаны на базе магнитных элект- роразрядных насосов типа НМД в сочетании в одном корпусе с биметаллическими прямонакальными испарителями насосов типа ГИН. При модернизации улучшена компоновка насоса. улучшен доступ газа к магнито- разрядным блокам, почти в 2 раза уменьшена масса. По аналогичной схеме выполнена промышленная серия комбинированных насосов типа ЭГИН, технические характеристики которых даны в табл. 12.15.
Для безмасляной откачки вакуумного технологического оборудования предназначены комбинированные вакуумные насосы типа НВГМ (рис. 12.34, табл. 12.15). В этих насосах использованы магниторазрядные блоки триодного типа с заземленным анодом в сочетании с прямоканальными испарителями из титаномолибденовой проволоки диаметром 6 мм. Для увеличения ресурса насоса НВГМ-4 в его конструкции предусмотрена автоматическая оптимизация скорости испарения титана в зависимости от дав-
ления.
Для сверхвысоковакуумной откачки аналитической аппаратуры и оборудования (Оже-спектрометров, установок молекулярно-лучевой эпитаксии и др.) разработаны комбинированные насосы типа НВГМ (рнс. 12.35) также на основе магниторазрядного блока, но с низкотемпературным охлаждением поверхности сорбции. Внешние магниты из клиновидных блоков в сборе составляют замкнутую кольцевую систему, поэтому магнитные поля рассеяния практически от' сутствуют: в плоскости присоединительного фланца и на осн насоса
374
экран
l■|lt<ln■i
Рис. 12.35. Насос НВГМ-5:
.- магнитораэрядиый блок; 3 - испаритель; 4 - охлаждаемый
1 корпу . устройство ввода жидкого азота
375
Параметр
Быстрота действия по возду-ху, м3/с:насосамагниторазрядного блока
Быстрота действия по аргону, м3/с
Dy входного отверстия, мм Блок питания (тип)
Габаритные размеры, мм Масса, кг
-а"1
НВГМ-2-1
НВГМ-5-1
НВГМ-5-2 1
2,5
0,5
5,0
0,8
5,01
0,8|
0;1
, 0,2
0,2■
250
400
400|
БП-341;
БП-187 510X503X520 145
БП-341;
БП-187X2 898Х 770Х 550 352
БП-341;
БП-187X2 1020 X 770X 545 300
Таблица 12.11
Значение параметра для иасоса
Примечание, Для указанных насосов наибольшее давлеине запуска 13 Па, наибольшее рабочее давление 5-10—3 Па, предельное остаточное давление Ы0~9 Па, число испарителей 7, диаметр испарителей 2 мм, масса геттера (ти- . тана) 125 г. Для блоков питания напряжение холостого хода Ux. х = —7 кВ, сила тока короткого замыкания 0,8 А.
Рис. 12.36. Зависимость быстроты действия иасосов НВГМ-5 от давления при охлаждении экрана жидким азотом:
/ — при совместной работе магнитораэ- рядиых блоков и дугового испарителя (воздух); 2 — при совместной работе ма- гииторазрядиых блоков и прямоцаиаль- ных испарителей (воздух); 3 и 4 — при работе только магииторазрядных блоков (соответственно воздух и аргои)
магнитная индукция не превышает 0,5 мкТл. Основные технические характеристики комбинированных насосов типа НВГМ с азотным охлаждением даны в табл. 12.16. Зависимость быстроты действия насосов НВГМ-5-1-и НВГМ-2-1 от давления
приведена на рис. 12.36.
Насосы
можно снабжать дуговым испарителем со стабилизацией вращающимся магнитным полем вместо прямонакаль-
-60 В ОШ}
+7кВ О
Рис. 12.37. Конструктивная схема иасоса НМДИ-16/40:
1 — динще; 2 — корпус; 3 — электроду- говой испаритель; 4 — сорбционная па- Яель; 5 — защитный экран; 6 — анод Иагиитораэрядного блока; 7 — катод ма- тинторазрядиого блока; 8 — магниты
Параметр
Таблица 12.17
Быстрота действия
S -103, м®/с, насоса по азоту
Быстрота действия S-103, м3/с, магииторазрядных блоков:
по азоту по аргону
£)у входного отверстия, мм
Габаритные размеры, мм
Масса, кг
Примечание.
Зиачеияепараметрадля иасоса
s 0
В
160
100
20
100
400Х
Х400Х
Х600
£
S0в
630
250
40
160
560Х
Х560ХХ60065
Для указанных
иасосов предельное остаточное давление не более 1,5-10~8 Па, наибольшее давление запуска 1 • 10-1 Па, наибольшее давление запуска испарителей не . медее 1 • 10~в Па, наибольшее рабочее давление магннторазрядного блока I ■ 10-3 Па, напряжение холостого хода магниторазрядного блока +7 кВ, сила тока короткого замыкания 0,8 А, максимальная сила тока накала испарн-
теля
ных ных
38 А.
титаиомолибдеиовых проволоч- испарителей.
Насосы НВГМ-2-1 и НВГМ-5-1 без блока испарителей и экрана можно использовать как магнитный электро- разридиый насос с днумя присоединительными фланцами, что позволяет применять их в качестве откачного модуля пролетного типа в ускорителях и других протяженных системах. Насосы пригодны для стабильной длительной откачки водорода, активных и инертных газов, а также коррозионных паров и газовых смесей, в том
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ОТКАЧКИЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ОТКАЧКИ376376насоса ПВНГ-250/630/9-019^насоса ПВНГ-250/630/9-019^4 — экран; 5 — корпус; 6*; 9 — блок4 — экран; 5 — корпус; 6*; 9 — блок/ и 2 — высоковольтные вывод и ввод; 3 — перемычка; -ж-спираль сублиматора; 7 -- сублиматор; 8 — присоединительный фланец;магнитный; 10 — блок электродный/ и 2 — высоковольтные вывод и ввод; 3 — перемычка; -ж-спираль сублиматора; 7 -- сублиматор; 8 — присоединительный фланец;магнитный; 10 — блок электродныйРис. 12,ЗЯ. Конструктивная схема комбинированногоРис. 12,ЗЯ. Конструктивная схема комбинированногоГеттерныеГеттерныевакуумные насосы.вакуумные насосы.
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ОТКАЧКИ
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ОТКАЧКИ
376
376
насоса ПВНГ-250/630/9-019^
насоса ПВНГ-250/630/9-019^
4 — экран; 5 — корпус; 6
*; 9 — блок
4 — экран; 5 — корпус; 6
*; 9 — блок
/ и 2 — высоковольтные вывод и ввод; 3 — перемычка; -ж-
спираль сублиматора; 7 -- сублиматор; 8 — присоединительный фланец;
магнитный; 10 — блок электродный
/ и 2 — высоковольтные вывод и ввод; 3 — перемычка; -ж-
спираль сублиматора; 7 -- сублиматор; 8 — присоединительный фланец;
магнитный; 10 — блок электродный
Рис. 12,ЗЯ. Конструктивная схема комбинированного
Рис. 12,ЗЯ. Конструктивная схема комбинированного
Геттерные
Геттерные
вакуумные насосы.
вакуумные насосы.
числе содержащих галогены, мышьяк и др.
Для откачкн газов, нейтральных к мачерналам конструкции, в широком диапазоне давлений при значительной быстроте действия разработан испарительный диодный магнитный элект- роразрядный насос НМДИ-16/40 (рис. $2.37). Он рассчитан иа применение при нанесении покрытий, в металлургии (в процессе очистки металлов), в имитаторах космических условий, установках термоядерного синтеза и др. Особенность насоса — использование электродугового испарителя. Сорбционная панель выполнена в форме беличьего колеса и охлаждается до низких температур
Техническая характеристиканасоса НМДИ-16/40:
Быстрота действия по воздуху, м8/с 16
Наибольшее давление запуска, Па 13
Наибольшее рабочее давление Па6,6.10-я
Предельное остаточное дав
ление, Па 6,6*10“®
Dy входного отверстия, мм . 630 Сила Юка дуги, А . . . .150
Габаритные размеры, мм . . 1200x^^1
х
Масса, кг 450
Для откачки технологических объе- ; мов разработаны комбинированные не- охлаждаемые насосы типа ПВИГ, отличающиеся повышенной быстротой / откачки инертных газов. Насос пред- / став ля ет собой комбинацию испари- | теля с магииторазрядным блоком. Ис-. | парнтелн выполнены из титановой про- у волоки, навитой на вольфрамовую f проволоку. На рнс. 12.38 дана кон- .^ структивная схема комбинированного £ насоса ПВИГ-250/630/9-019, в табл. 12Л7 — основные технические * характеристики насосов типа ПВИГ. -
Геттерные вакуумные насосы
В насосах с иераспыляемыми поглотителями откачка активных газов происходит за счет хемосорбций на поверхности, растворении и дяф' фузии молекул в объем газопоглотителя. Относительно невысокая (п° сравнению с достигаемой при напылении геттерных пленок) удельная ско-
рость взаимодействия молекул остаточных газов с иераспыляемыми газопоглотителями компенсируется сильно развитой поверхностью геттера. В зависимости от технологии изготовления открытая пористость нераспыляемых газопоглотителей составляет 20 ... 60%, а истинная площадь поверхности геттера в 100 ... 700 раз превышает геометрическую.
Для изготовления сорбционных элементов откачных устройств используются металлы IV и V групп периодической системы, сплавы и составы на их основе. Наиболее, распространены бинарный (84% Zr + 16% Al) н тройной (70?^ Zr Ч- 24,6% V-h5,4% Не) циркониевые сплавы, а также чистый титан. Сорбционные элементы насосов изготовляют из порошков геттера в виде покрытий на подложках из коррозионно-стойкой стали или константана, или в виде объемных пористых тел, Порошки циркониевых сплавов плохо поддаются ’ спеканию, а объемные сорбционные элементы иа их основе имеют недостаточную механическую прочность, поэтому основной способ формообразования состоит в плакировании металлических лент прокаткой и сваркой прокаткой. Объемные сорбционные элементы, изготовляемые методом спекания порошка титана в вакууме, имеют в 2—3 раза большую открытую пористость, высокую механическую прочность и по сорбционным характеристикам не уступают, а в ряде случаев превосходят покрытия из циркониевых сплавов. Для увеличения адгезнн пористые титановые покрытия спекают на подложке нз коррозионно-стойкой стали, предварительно покрытой слоем никеля толщиной 20 ... 30 мкм, либо напыляют плазмеино-дуговым способом.
Конструктивно насосы с нераспыля- емымн газопоглотителями представляют собой набор геттерных модулей в виде гофрированных лент, плакированных с обеих сторон активным веществом, или объемных геттерных элементов (штабнков, дисков, спиралей и др.).
В насосах с косвенным подогревом лента с геттерным покрытием разме
377
щена по окружности, а нагреватель установлен пи оси цилиндра. Рабочая температура насоса 673 К, но его можно использовать и при комнатной температуре. Быстрота действия насосов этого типа по водороду в зависимости от размеров устройства составляет 0,1 ...2,0 м®/с, по азоту 0,020,5 м3/с. Для повышения эф
фективности использования нагревателя вокруг геттерного модуля установлен радиационный экран.
В насосах с прямым подогревом основным элементом насоса является гофрированный модуль «вафельного» типа. Из отдельных модулей собирают панели, которые встраивают внутрь вакуумной системы. Площадь активной поверхности геттерных элементов 0,15 и 073 м8. Для активации через модуль пропускают ток силой 45 ... 60 А. В рабочем режиме требуемую температуру (473 К) поддерживают прн силе тока 10 ... 15 А. Каждый модуль откачивает водород с быстротой 1,0 . . 1,2 м3/с, оксид углерода с быстротой 0,5 ... 0,6 м3/с. Суммарная быстрота действии геттерных па- нелей практически неограничена и зависит от размеров блока. Поглотительная способность геттерных модулей по водороду ограничена охрупчиванием геттерных элементов и составляет 1 ■ 10* ... 3-102 Па-м8, предельное количество поглощенного оксида углерода на порядок мень- ше.
Недостаток насосов этого типа — постепенное ухудшение нх вакуумных характеристик из-за накопления в геттере необратимо сорбирующихся газов. Это явление особенно заметно после неоднократных контактов газо- , поглотителя с атмосферным воздухом. В то же время отсутствие электрических и магнитных полей, вибрации, высокая удельная (нз единицу массы илн объема геттерного модуля) скорость откачки, низкая стоимость и малая мощность насоса позволяет рассматривать геттерные вакуумные насосы как эффективное средство откачки высоковакуумного оборудования и электровакуумных приборов.
Г л а в а 13. Низкотемпературные средства откачки (крионасосы)Г л а в а 13. Низкотемпературные средства откачки (крионасосы)Рис.Рис.72722277777777 г)72722277777777 г)5858д)д)Рис. 13.1. Схемы работы криоиасосов:Рис. 13.1. Схемы работы криоиасосов:77722222222/2^77722222222/2^1 — криопаиель; 2, 5, 8 — откачанные молекулы (2 — конденсированные, ’5 — адсорбК*1 роваииые, 8 — хемосорбированные); 3 — свободные молекулы; 4 — твердый сорбент;6 — вспомогательный гав; 7 — частицы геттера1 — криопаиель; 2, 5, 8 — откачанные молекулы (2 — конденсированные, ’5 — адсорбК*1 роваииые, 8 — хемосорбированные); 3 — свободные молекулы; 4 — твердый сорбент;6 — вспомогательный гав; 7 — частицы геттераРис. 13.2. Принципиальная схема крионасоса:1 — криопанель; 2 — экран; 3 — жалюзи;4 — корпус; 5 и 6 — фланцы камеры и насоса; 7 — конденсат (криоосадок)Рис. 13.2. Принципиальная схема крионасоса:1 — криопанель; 2 — экран; 3 — жалюзи;4 — корпус; 5 и 6 — фланцы камеры и насоса; 7 — конденсат (криоосадок)
Г л а в а 13. Низкотемпературные средства откачки (крионасосы)
Г л а в а 13. Низкотемпературные средства откачки (крионасосы)
Рис.
Рис.
72722277777777 г)
72722277777777 г)
58
58
д)
д)
Рис. 13.1. Схемы работы криоиасосов:
Рис. 13.1. Схемы работы криоиасосов:
77722222222/2^
77722222222/2^
1 — криопаиель; 2, 5, 8 — откачанные молекулы (2 — конденсированные, ’5 — адсорбК*1 роваииые, 8 — хемосорбированные); 3 — свободные молекулы; 4 — твердый сорбент;
6 — вспомогательный гав; 7 — частицы геттера
1 — криопаиель; 2, 5, 8 — откачанные молекулы (2 — конденсированные, ’5 — адсорбК*1 роваииые, 8 — хемосорбированные); 3 — свободные молекулы; 4 — твердый сорбент;
6 — вспомогательный гав; 7 — частицы геттера
Рис. 13.2. Принципиальная схема крионасоса:
1 — криопанель; 2 — экран; 3 — жалюзи;
4 — корпус; 5 и 6 — фланцы камеры и насоса; 7 — конденсат (криоосадок)
Рис. 13.2. Принципиальная схема крионасоса:
1 — криопанель; 2 — экран; 3 — жалюзи;
4 — корпус; 5 и 6 — фланцы камеры и насоса; 7 — конденсат (криоосадок)
Принцип действияи классификация
Действие крионасосов основано на физических явлениях, происходящих ’ при низких температурах: конденсации газов на охлаждаемых металлических поверхностях (конденсационные насосы); адсорбции газов на твердых охлажденных сорбентах (адсорбционные насосы); адсорбции газов на слое предварительно сконденсированного вспомогательного легкокондеисируе- мого газа (конденсационно-адсорбционные насосы); одновременной конденсации откачиваемого газа и вспомогательного легкокоиденсируемого газа (криозахватные насосы); поглощении газов пленками геттера, осаждаемого на криопанель насоса (криогет- терные насосы).
Принцип действия конденсационных насосов основан на конденсации газов на металлических поверхностях, охлажденных до температуры 20 К и ниже (рис. 13.1, а).
Принцип действия адсорбционных иасосоъ основан на сорбции газов твердым сорбентом, нанесенным на криогенную поверхность (рис. 13.1, б).
В адсорбционных насосах важно обе- 5 спечить хороший тепловой контакт сорбента с поверхностью, его тепловую защиту и исключить возможность за-' грязнеиия легкоконденсируемыми газами, поскольку это снижает вероятность поглощения водорода, обычно трудно удаляемого из систем. В качестве сорбентов, наносимых на поверхность криопанелей, наиболее, часто используют активный уголь, цеолиты, силикагели, оксидные пленки металлов. Физическая поверхность сорбентов на много порядков превышает геометрическую поверхность кри- опаиелн, достигая 107 см2/г.
Принцип действия конденсационно- адсорбциоиных насосов (рис. 13.1, в) основан на применении другого вида сорбентов — вспомогательных легко- коиденсируемых газов. В качестве вспомогательного газа используют пары воды, диоксид углерода, диоксид серы, окснд азота, метилхлорид, тетрахлорид углерода, пары спирта, ацетона, бензина, аргон, азот н др. В этом случае вакуумную камеру с криопанелью, окруженной тепловыми экранами, предварительно откачивают
форвакуумным и высоковакуумным насосами до возможно более низкого давления. После отсоединения насоса от камеры криопанель охлаждают и в камеру вводят вспомогательный газ, . чтобы на криопанели образовался слой конденсата.
Принцип действия криозахватного насоса заключается в поглощении («криозахвате») некойденсируемых газов легкоконденсируемыми газами, постоянно подаваемыми иа криопанель (рис. 13.1, г). При откачке водорода необходим постоянный напуск большого количества диоксида углерода (50 молей на 1 моль водорода), что увеличивает тепловую нагрузку на крионасос и, следовательно, на холодильную установку. Явление криозахвата всегда сопровождает процесс конденсации многокомпонентной смеси газов. Особенно возрастает роль криоза.хвата при откачке водорода в непрогреваемых вакуумных системах, так как основные компоненты остаточной смеси газов этих систем— пары воды и диоксид углерода, которые способствуют откачке водорода вследствие криозахвата.
Принцип действия криогеттерного насоса основан на физическом и химическом связывании газов на поверх-, ности и в объеме непрерывно наносимой на криопанель пленки химически активного вещества, в качестве которого чаще всего используют титан (рис. 13.1. Л). По удельной сорбционной емкости криогеттерные насосы примерно в 3 раза превосходят насосы, принцип действия которых основан на сорбции - пленками титана, нанесенными на поверхность при нормальней температуре. При низкой температуре миграция осаждаемых частиц геттера - заторможена, поэтому образуется пористая пленка с хорошо развитой поверхностью. Кроме того, при кри- огеттерной откачке ие выделяются посторонние газы (например, метан) и снижается равновесное давление легко- конденсируемых газов. Для работы насосов этого типа достаточна температура 60 ... 80 К.
В настоящее время наиболее распространены конденсационные и ад- сорбционные насосы.
Принципиальная конструктивная
схема крионасосов, несмотря на все многообразие их выполнения, включает, как правило, четыре основных конструктивных элемента (рис. 13.2): криопанель 1, теплозащитный экран 2, охлаждающее устройство (на рисунке не показано) и корпус 4.
Криопанель является основной (откачивающей) частью насоса и представляет собой поверхность, охлажденную до криогенных температур. Крио- панели выполняют в виде дисков, цилиндров, змеевиков, сложных систем ребер и др.
Криооткачка — процесс экзотермический. так как во время работы насоса на охлажденной поверхности в результате перехода газа в конденсированное (связанное) состояние постоянно выделяется теплота конденсации. В связи с этим обязательное условие криооткачки---постоянный отвод теплоты конденсации и поддержание температуры охлажденной крио- панели на требуемом уровне. Кроме того, необходимо отводить тепловую энергию излучения с теплых поверхностей насоса па криопаиель.
Теплозащитный экран 2, выполненный, как правило, в виде жалюзи, обычно устанавливают между стенками корпуса и криопанелью и охлаждают до температур, промежуточных между температурой стенки корпуса и темпериту рой криопанели. При отсутствии экранов тепловые нагрузки иа криопанель резко возрастают и не
Рис. 13.3. Модель процесса криоотиачкиРис. 13.3. Модель процесса криоотиачкиобходимы более мощные охлаждающие устрой ства.Поверхности экранов обрабатывают так, чтобы тепловая нагрузка на криопанель была минимальной. Для уменьшения степени черноты 8 часто применяют электролитическое золочение или серебрение поверхности медных деталей. Степень черноты по- лироваиного алюминия (0,02 ... 0,05) близка значению этой характеристики золоченой поверхности (0,014 ... 0,040). Дли создания поверхности с высокой степенью черноты используют специальный черный краситель, который наносят на медную обезжиренную поверхность. Степень черноты такой поверхности превышает 0,85. Для чернения поверхности алюминиевых деталей применяют анодирование.Охлаждающее устройство служит для предварительного охлаждения криопанели от нормальной температуры до рабочей, а также для компенсации тепловых нагрузок на криопанель и поддержания температуры криопанели во время работы крионасоса на необходимом уровне. В прямой ви-. димости от криопанелн не должны находиться источники теплоты, например, датчики с накаленным катодом.Корпус предназначен для монтажа всех конструктивных элементов насоса. Иногда криопанель с теплозащитным экраном помещают непосредственно в вакуумную камеру; в этом случае корпус камеры является одновременно и корпусом насоса.В зависимости от термодинамического состояния откачиваемого газаобходимы более мощные охлаждающие устрой ства.Поверхности экранов обрабатывают так, чтобы тепловая нагрузка на криопанель была минимальной. Для уменьшения степени черноты 8 часто применяют электролитическое золочение или серебрение поверхности медных деталей. Степень черноты по- лироваиного алюминия (0,02 ... 0,05) близка значению этой характеристики золоченой поверхности (0,014 ... 0,040). Дли создания поверхности с высокой степенью черноты используют специальный черный краситель, который наносят на медную обезжиренную поверхность. Степень черноты такой поверхности превышает 0,85. Для чернения поверхности алюминиевых деталей применяют анодирование.Охлаждающее устройство служит для предварительного охлаждения криопанели от нормальной температуры до рабочей, а также для компенсации тепловых нагрузок на криопанель и поддержания температуры криопанели во время работы крионасоса на необходимом уровне. В прямой ви-. димости от криопанелн не должны находиться источники теплоты, например, датчики с накаленным катодом.Корпус предназначен для монтажа всех конструктивных элементов насоса. Иногда криопанель с теплозащитным экраном помещают непосредственно в вакуумную камеру; в этом случае корпус камеры является одновременно и корпусом насоса.В зависимости от термодинамического состояния откачиваемого газа
Рис. 13.3. Модель процесса криоотиачки
Рис. 13.3. Модель процесса криоотиачки
обходимы более мощные охлаждающие устрой ства.
Поверхности экранов обрабатывают так, чтобы тепловая нагрузка на криопанель была минимальной. Для уменьшения степени черноты 8 часто применяют электролитическое золочение или серебрение поверхности медных деталей. Степень черноты по- лироваиного алюминия (0,02 ... 0,05) близка значению этой характеристики золоченой поверхности (0,014 ... 0,040). Дли создания поверхности с высокой степенью черноты используют специальный черный краситель, который наносят на медную обезжиренную поверхность. Степень черноты такой поверхности превышает 0,85. Для чернения поверхности алюминиевых деталей применяют анодирование.
Охлаждающее устройство служит для предварительного охлаждения криопанели от нормальной температуры до рабочей, а также для компенсации тепловых нагрузок на криопанель и поддержания температуры криопанели во время работы крионасоса на необходимом уровне. В прямой ви-. димости от криопанелн не должны находиться источники теплоты, например, датчики с накаленным катодом.
Корпус предназначен для монтажа всех конструктивных элементов насоса. Иногда криопанель с теплозащитным экраном помещают непосредственно в вакуумную камеру; в этом случае корпус камеры является одновременно и корпусом насоса.
В зависимости от термодинамического состояния откачиваемого газа
обходимы более мощные охлаждающие устрой ства.
Поверхности экранов обрабатывают так, чтобы тепловая нагрузка на криопанель была минимальной. Для уменьшения степени черноты 8 часто применяют электролитическое золочение или серебрение поверхности медных деталей. Степень черноты по- лироваиного алюминия (0,02 ... 0,05) близка значению этой характеристики золоченой поверхности (0,014 ... 0,040). Дли создания поверхности с высокой степенью черноты используют специальный черный краситель, который наносят на медную обезжиренную поверхность. Степень черноты такой поверхности превышает 0,85. Для чернения поверхности алюминиевых деталей применяют анодирование.
Охлаждающее устройство служит для предварительного охлаждения криопанели от нормальной температуры до рабочей, а также для компенсации тепловых нагрузок на криопанель и поддержания температуры криопанели во время работы крионасоса на необходимом уровне. В прямой ви-. димости от криопанелн не должны находиться источники теплоты, например, датчики с накаленным катодом.
Корпус предназначен для монтажа всех конструктивных элементов насоса. Иногда криопанель с теплозащитным экраном помещают непосредственно в вакуумную камеру; в этом случае корпус камеры является одновременно и корпусом насоса.
В зависимости от термодинамического состояния откачиваемого газа
380 НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ СРЕДСТВА ОТКАЧКИ (КРИОНАСОСЫ)
внутреннюю полость крионасоса можно условно разделить иа три области (рис. 13.3): область / расположена между стеикой 1 (входное сечение насоса) и теплозащитным экраном 2, область // — между экраном и верхним слоем криоосадка 3, область III — это слой сконденсированного или сорбированного газа на криопанели 4.
Входное сечение иасоса условно показано в виде стенки 1, температура которой Тс равна температуре окружающей среды. Это сечение является источником потока & откачиваемых газов, а также теплового потока Фр
Теплозащитный экран 2, температура которого Гэ поддерживается охлаждающим устройством с холодопроизводительностью Qx, э на более низком температурном уровне, чем Tcjjjl воспринимает тепловые излучения от^Н стенок, исключая возможность попада-^И ния их на крнопанель (имеющую тем-|И| пературу Т^. Молекулы откачивае-^^ мых газов, пройдя область /, ударяются о холодные поверхности экрана и теряют часть кинетической (тепловой) энергии. Одновременно часть мо- лекул из газового потока Qa. к* име|Я| юших при температуре экрана давление насыщенных паров меньш^И давления рь конденсируется на хо|^В лодных поверхностях экрана и h«W® попадает в область //. Часть молекул Сэ. о> отражаясь от экрана, возвращается в область /.
Тепловой экран (по аналогии со - стенкой /) можно считать источником потока Q2 газов для области //; при ’ этом
Q3-Q1-(Q9 o + Q9.k)- (’ЗЛ)
Тепловой экран является также источником теплового потока Ф2 на криопанель 4, поскольку температура экрана выше температуры крнопанели. Кроме того, экран является сопротивлением для прохода газов к откачиваемому элементу, поэтому давление в области II меньше, чем в области / (рп < pi).
В области /// газ находится в сконденсированном или сорбированном состоянии при температуре Тк. Теплота излучения и конденсации отводится соответствующим охлаждающим уо^ v
Способы охлаждения
ройством с холодопроизводительностью Qx- П-
Крионасосы классифицируют по следующим основным признакам: принципу действия, температурному уровню йриопанели, быстроте действия, способу охлаждения криопанели и конструктивной схеме.
Температурный уровень криопанели — это основной фактор, определяющий давление паров откачиваемого газа, -а следовательно, и предельный вакуум, создаваемый насосом. По температурному уровню ,крионасосы подразделяют на четыре группы в соответствии с температурами кипения азота (77 К), неона (27,1 К), водорода (20 К) и гелия (4,2 К) при атмосферном давлении.
Быстрота действия в основном определяется размерами криопанели, а следовательно, и энергозатратами на ее охлаждение. По быстроте действия крионасосы условно подразделяют на три группы: малые с быстротой действия 5 < 10 м3/с (для их охлаждения требуется мощность в несколько ватт), средние с быстротой действия S = -- 10 ... 50 м3/с (мощность — несколько десятков ватт), крупные с быстротой действия S > 50 м3/с (мощность— несколько сотен и даже тысяч ватт). Наиболее распространены средние крионасосы; их выпускают на нормализованных фланцах.
По способу охлаждения крионасосы подразделяют на охлаждаемые сжиженными газами и автономными газовыми холодильными машинами. Конструктивное оформление и эксплуатационные особенности иасосов во многом зависят от способа охлаждения криопанелей. По этому признаку крно- насосы подразделяют на четыре основные группы: наливные, испарительные, с автономными ожижителями, с газовыми холодильными машинами (криогеиераторами).
По конструктивной схеме крионасосы подразделяют на фланцевые и Строенные. Быстрота действия насосов первого типа в основном определяется проводимостью фланца. Эти насосы обычно выполняют в виде от- Дельного агрегата, подсоединяемого к откачиваемому сосуду. Насосы вто- Рого типа проектируют применительно
" к конкретным условиям эксплуатации. Криопанели в этих насосах обычно располагают в откачиваемом сосуде в непосредственной близости от источника газовыделения.
Способы охлаждения
Наиболее простой способ охлажде- - иия крионасосов — охлаждение жидким криоагентом, наливаемым в сосуд, наружная поверхность которого служит криопанелью. Наливные насосы выполняют по типу криостатов. Они отличаются простотой конструк- х цин и малой стоимостью, не требуют подсоединения к электросети, водопроводу нли сети сжатого воздуха, в них нет движущихся деталей. Эти насосы легко прогреваются, поэтому их применяют в высоковакуумных системах. В качестве криоагентов обычно используют сжиженные газы (азот, неон, водород или гелий).
Несмотря на относительно высокую стоимость жидкого гелия, ему отдают предпочтение по сравнению с жидким водородом, поскольку последний взрывоопасен. Преимущество жидкого ге- .лия — низкая температура кипения, недостаток — весьма малая скрытая теплота парообразования. следовав тельно. необходимость эффективной защиты от теплопритоков к криопанели насоса.'
! Недостатки насосов наливного типа: необходимость оснащения системой сбора испарившегося рабочего газа; значительные потери холода (после окончания работы газ остается в сосуде); большой расход криоагента, 'необходимого во время пуска насоса для охлаждения криопанелей и экранов от нормальной до рабочей температуры; необходимость установки только в вертикальном положении; трудность получения и поддержания температуры, отличающейся от температуры кипения криоагента при атмосферном давлении. Такие на- । сосы используют в основном для лабораторных исследований.
При охлаждении иасоса парами криоагентов (испарительные насосы) также используют сжиженные газы. В этом случае криопаяели насосов выполняют в виде змеевиков или пло-
——-—-Температура кипения. К, при давлении, ПаКриоагент10’8.10*5.10*2,7.10*1.3.10*7.10» Д1.3-10*7.10’Гелий Водород Неон Азот Кислород4,2 20,4 27,1 77,3 90,04,0 19,6 26,3 75,5 88,03,6 18,4 25,5 72,3 84,53,116,623,467,579,02,615,121,963,574,5' 2.3513,9 21,060,270.4/ 1,7511,719,052,062,31,6't 11,0' 17,5 . 50,0 ‘ 60,0 .——-—-Температура кипения. К, при давлении, ПаКриоагент10’8.10*5.10*2,7.10*1.3.10*7.10» Д1.3-10*7.10’Гелий Водород Неон Азот Кислород4,2 20,4 27,1 77,3 90,04,0 19,6 26,3 75,5 88,03,6 18,4 25,5 72,3 84,53,116,623,467,579,02,615,121,963,574,5' 2.3513,9 21,060,270.4/ 1,7511,719,052,062,31,6't 11,0' 17,5 . 50,0 ‘ 60,0 .Таблица 13.11Таблица 13.11МатериалЗначениее при Т, К300787,3Медь0,030,0190,015Алюминий0,030,0180,011Коррозиоино-0,100,06стойкая сталь Углеродистая0,6стальСеребро0,030,01—МатериалЗначениее при Т, К300787,3Медь0,030,0190,015Алюминий0,030,0180,011Коррозиоино-0,100,06стойкая сталь Углеродистая0,6стальСеребро0,030,01—Таблица 13.2Таблица 13.2
——-—-
Температура кипения. К, при давлении, Па
Криоагент
10’
8.10*
5.10*
2,7.10*
1.3.10*
7.10» Д
1.3-10*
7.10’
Гелий Водород Неон Азот Кислород
4,2 20,4 27,1 77,3 90,0
4,0 19,6 26,3 75,5 88,0
3,6 18,4 25,5 72,3 84,5
3,1
16,6
23,4
67,5
79,0
2,6
15,1
21,9
63,5
74,5
' 2.35
13,9 21,0
60,2
70.4
/ 1,75
11,7
19,0
52,0
62,3
1,6't 11,0' 17,5 . 50,0 ‘ 60,0 .
——-—-
Температура кипения. К, при давлении, Па
Криоагент
10’
8.10*
5.10*
2,7.10*
1.3.10*
7.10» Д
1.3-10*
7.10’
Гелий Водород Неон Азот Кислород
4,2 20,4 27,1 77,3 90,0
4,0 19,6 26,3 75,5 88,0
3,6 18,4 25,5 72,3 84,5
3,1
16,6
23,4
67,5
79,0
2,6
15,1
21,9
63,5
74,5
' 2.35
13,9 21,0
60,2
70.4
/ 1,75
11,7
19,0
52,0
62,3
1,6't 11,0' 17,5 . 50,0 ‘ 60,0 .
Таблица 13.11
Таблица 13.11
Материал
Значениее при Т, К
300
78
7,3
Медь
0,03
0,019
0,015
Алюминий
0,03
0,018
0,011
Коррозиоино-
0,10
0,06
стойкая сталь Углеродистая
0,6
сталь
Серебро
0,03
0,01
—
Материал
Значениее при Т, К
300
78
7,3
Медь
0,03
0,019
0,015
Алюминий
0,03
0,018
0,011
Коррозиоино-
0,10
0,06
стойкая сталь Углеродистая
0,6
сталь
Серебро
0,03
0,01
—
Таблица 13.2
Таблица 13.2
скнх шайб с внутренними каналами. Криопанелн охлаждаются в резуль-, тате циркуляции по каналам и змеевикам паров испаряющегося крио- агента. Циркуляция происходит под действием избыточного давления в сосуде Дьюара или от механического вакуумного иасоса. Эти способы позволяют легко регулировать температуру криопанели в широком диапазоне (выше н ниже нормальной температуры кипения криоагента), что обеспечивает экономичное расходование криоагента. Температуры кипения криоагентов при различных давлениях приведены в табл. 13.1.
В испарительных иасосах испаряющийся в криопанели газообразный гелий часто используют для охлаждения теплозащитных экранов до температур. промежуточных между нормальной и температурой криопанели; при этом отпадает необходимость использования другого криоагента. Поскольку в криопанелях испарительных иасосов нет жидких криоагеитов, то после остановки эти насосы легко отогревать. В этих насосах криопа- иель можно установить в любом пространственном положении.
Способ охлаждения с помощью автономных ожижителей обычно используют в крупных крионасосах. Сжиженный газ собирается в бачке, который служит и криопанелью. Отработанный газ, выходящий из бачка крионасоса, отдает холод в теплообменниках встречному потоку газа, идущему иа сжижение; это существенно повышает экономичность процесса охлаждении насоса. Недостатки этого способа охлаждения — сложность обслуживания и необходимость
достоянного контроля за работой ожи-^М жителя.
Охлаждение, с помощью автономных^Н: газовых холодильных машин (крио-^И генераторов) применяют для малых^Н крионасосов. С помощью криогенера-^И: торов достигается температурный уро-^^В вень 15 ...20 К и холодопроизводи4^И тельность 2 ... 5 Вт. Холодильные^^ машины удобны тем, что для их ра- | боты требуются только электролита- 1 ние и техническая охлажденная вода.
Они работают без расхода рабочего газа (гелия), так как рабочее тело в холодильном цикле криогенератора • ; совершает замкнутый цикл, оставаясь в газовой фазе. Насосы с криогеиера- торами экономичны, так как холод используется непосредственно в месте его получения.
Тепловые нагрузки
Тепловой расчет крионасосов разделяют* на два этапа: определение тепловых нагрузок на криопанель и теплозащитный экраь; определение расхода криоагеитов или мощности криогенных устройств.
Тепловую нагрузку иа криопанель создают потоки: Фи — теплоизлучения с поверхностей, окружающих крио- панель; Фм — теплопроводности через ; тепловые мосты (механические опоры и держатели криопанелей, подвески заливных бачков, трубки для подвода жидких криоагеитов и отвода испаряющихся газов и др.); Фк — возникающие вследствие непрерывной конденсации откачиваемых газов; Фг— теплопроводности остаточных газов от стенки иасоса к криопанели. Следовательно. суммарный тепловой поток ®п ^ — Фи 4" Фм 4- Фк 4* Фр-
При давлении менее 0,1 Па основными источниками тепловых нагрузок на криопанель являются тепловое излучение и теплопроводность по тепловым мостам. Теплота конденсации н 1 теплопроводность остаточных газов в общем балансе тепловых нагрузок составляют незначительную долю и ими можно пренебречь.
Тепловой поток к холодному телу 1, заключенному в полости теплого тела 2,
<^-^VT2--TxV (|3-2> где о =, 5,67-10~8 Вт/(ма К) — постоянная Стефана—Больцмана; впр — приведенная степень Черноты; Ft — площадь поверхности теплого тела; Тх, Та—температуры соответственно холодного н теплого тела.
Для коаксиальных цилиндров, концентрических сфер и параллельных плоскостей приведенную степень черноты определяют, считая диффузионное излучение серым, по формуле
(13.3)
где 8т и е2 — степень черноты соответственно холодного и теплого тела; Fx — площадь поверхности холодного тела.
Экспериментальные значения степени черноты для материалов, наиболее широко применяемых в крионасосах, приведены в табл. 13.2.
Степень черноты криопаиели сильно зависит от количества газа (например, азота), сконденсированного иа единице площади ее поверхности (рис. 13.4).
В табл. 13.3 и 13.4 даны значения тепловых потоков к криопанели (Т = = 4,2 К) от экрана (Г = 77 К) при площади поверхности криопанелн 1 ... 100 дм8 и приведенной степени Черноты е = 0,01 ... 1,0; в приложении — значения тепловых потоков к экрану (Г = 77 К) от теплой стенки насоса (Г = 300 К).
Чернением значение е для теплозащитных экранов можно увеличить До 0,9 и более в очень широком диапазоне длин воли, однако конденсация на этих- поверхностях паров воды
н углеводородов существенно уменьшает в.
Наиболее типичные конструкция экранов и варианты их расположения показаны на рис. 13.5. Характеристики этих вариантов приведены в табл. 13.5.
Тепловой поток через тепловые мосты, Вт:
7,
Фм = уХ(Т2-Та,
(13.4) где F — площадь поперечного сечения моста, м2; / — длина моста, м; л — теплопроводность материала моста, Вт/(м-К); X — средняя теплопроводность материала моста в температурном интервале 7\ .... Та, Вт/(м К). Для уменьшения потоков вследствие теплопроводности обычно используют длинные тонкостенные трубки из металлов с малой теплопроводностью А (коррозиоиио-стойкой стали, нейзильбера, мельхиора) — табл. 13.6. В табл. 13.7 приведены значения теп-
Рнс. 13.4. Зависимость степени черноты б криопанелн or количества ОП конденсата (азота)
Таблица 13.3
'Тепловой поток, Вт, от экрана к криопанелн площадью, дм*.
Си
о
ГП
^
02-10-«4.10-16-10*8-10-1ыо-зi,2-Ю"21,4-10-*1,6-10"*1,8-10"2
4 10-18-10-11 2-10-’1,6-10-82-10-®2,410"*2,8-10-*3,2-10"*3,6-10
одеМО- 1.2-ю-2.4-ю-3-10-3.0.10-42-Ю-М-Ю-
004810-1.6-10-2.4-10-3.2.10-4-10-4.8-10-6,610 ■№»■7.2 0
2-Ю-*З Ю"24-10"*5-Ю"36-10'37-10 38-109-10
0 0612И0-32,4-IO-*3,6- IO-*4,8-10-36-10"*7,2-10~38,4-10"39,6-10"3Ю,8-10~3
0 0714-10-82,8-10"*4,2-10-*5,6-10"37-Ю"38,4-Ю~39,8-Ю"311,2-10-»12,6- 0
00816-10-33 2-10-4.8.10-36,4.10-8-10-9,6-10-11,2-10-12,8-10-14,4- 0 3
0 091’,8-Ю-3,6-10-5,410-7,2-10-9-10-10,8-10-12,6-10-14,4-10 316,2-10^
•о
fc hi
о
о
1102-10-410-610-8-10-1-10—1.210-1.410-
0 204-10-МО-1.210-1,610-2-10-2,410-2,310»3.2103,6-0
»М -!. - М!М0-2,4.10-3.10-3.M0-4.2-10—4,3-10—М-£
£МО-ПМ0-2.МО-3.2.Ю-4-10—..МО-М-Ю-МО-7, ■»
ЫО- 210-3-10-4-10—5-10-МО*7-10»8-109 10
^,0-2 4 0-3 610-4,8-10—МО-7.2-10-8.4-10-9.М0-Ю.З-Ю-
^М-О-£!•-МО-дм^7.10-3.4-10-V">^'«^
0 801 6-IO"23 2-Ю-24,8.10-*6,4-Ю-28-10"*9,6-10 211,2-10 212,8-1014,
0.901'.8.10-3.6-10-5.4-10-WK 9.2-Ю-10.810-12 ММ И.41М Ю 2- Ю,
1.00 \ 210-410-610-1 '■8
X а* < X *
X -о Х о а:
о о о
5
13 П/р Е. С. Фролов*
Тепловой поток.
Вт, от экрана к криопанелн площадью, дм*
—
10
20
30
40
60
60
70
80
90
100
Таблица 13.4
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0,09
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
2 10"* 4-10-8 6-10'* 8-10-* ЫО"2
1,2-10-* 1,4-10-* 1,6-1(Г* 1,8-10~=
2-10-= 4-КУ* 6- 1О~* 8-10~2 ЫО-1
1,2-10-* 1,4-10-1
1,6- io-* 1,8-10-1
2-10-1
4-10-»
6-10"*
8-10-3
Ы0-*
1,2-10-8
1,4-10-*
8-10"*
1,2-10”*
1,6-10-*
2-10"*
2,4-10-*
2,8-10-*
1,2-10~*
1,8-10-*
2,4- IO'2
3 IO-®
3,6- ю-*
4,2-10-*
1,6- IO”»
2,4-10-»
3,2-10-*
4- IO-®
4,8-10~*
5,6- IO"*
2-10-*
3-10-8
4-10-*
5-10-2
6-10-=
7-10-*
2,4-10~*
3,6-10~2
4,8-10~8
6-10"*
7,2-10-*
8,4-10-*
2,8-10-*
4,2-10-®
5,6- IO-*
7-10-»
8,4- IO”»
9,8-10"2
3,2-10-*
4,8-10"*
6,4- IO”»
8-10~*
9,6-10-»
11,2-10-*
3,6-10"*
5,4-10-=
7,2-10~*
9-10-=
10,8-10-*
12,6-10-*
4- 10~2
6-IO*2
8-10-*
1 ■ ю-1
1,2-IO"1
1,4-10"1
8-10~*
1,2-10"1
1,6- ю-1
2- IO"1
2,4- IO"1
2,8-10"1
1,2-10"*
1,8-10-1
2,4-10-1
з- ю-1
3,6- ’О"1
4,2-10-8
1,6- ю-*
2,4-10-1
3,2-10-1
4-10-1
4,8-10-1
5,6-10-1
2-10-1
3-Ю"1
4- IO"1
5-Ю-1
6-10-1
7-10-8
2,4- IO"1
3,6-10-1
4,8-10-1
6-10"1
7,2-10-1
8,4-10“1
2,8-10-1
4,2-10-1
5,6- IO”1
7-IO-1
8,4-10-1
9,8-10~1
3,2-10"»
4,8-IO"1
6,4-IO'1
8- Ю-1
9,6- 10~z
11,2-10"1
3,6-10"*
5,4-10"1
7,2.10-1
9-1О-1
10,8-10-1
12,6-IO’1
4-10~1
6- IO"1
8-10-1
1,0
1,2
1,4
1,6- ю-*
1,8.10-»
3,2-10-*
3,6-10-8
4,8-10~*
5,4- IO-®
6,4-10~*
7,2-10-2
8-10-*
9 10-*
9,6-10~*
10,8-10-*
11,2-10-*
12,6-10-»
12,8-10-*
14,4-10-»
14,4- IO-*
16,2-10-*
1,6-10-8
1,8-10-1
3,2-10-*
3,6- io-*
4,8-10-1
5,4-10-1
6,4- IO"1
7,2-10-1
8-10-1
9-10-1
9,6- IO"1
10,8-10-1
11,2-10-*
12,6-10-1
12,8-10-1
14,4-10-1
14,4-10-8
16,2-10-1
1,6
1,8
2-10~* 4-10-=
6- ю-* 8-10~* ыо-2
1,2-10"*
1,4-10-1
1,6.10-1
1,8-10-1
2- IO"2
4-10-1
6-10-1
8-10-*
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,8
экранов я криопанелей (стрелки с<
j _ экран; 2 — крнопаиель; 3 — корпус
Рис. 18.6. Конструктивные схемы защитных .;
ствуют направлению откачки).
• Сплав
Значение X, Вт/(см. К), при Т, К
4
6
10-
20
40
80
150
300
Нейзильбер Коррозионно-стойкая сталь
0,007
0,0025
0,013
0,004
0,028
0,007
0,740
0,020
0,130
0,046
0,170
0,080
0,18
0,11
0,20
0,15
Т а б л и ц а 13.6
левых потоков через тонкостенные трубки длиной 100 мм из кованой коррозионно-стойкой стали.
Тепловой поток. возникающий
- вследствие теплопроводности остаточных газов, Вт:
Фг = 3,2-Ю-3^ X
X
6+1
®пас ac + PW^cHl-^an *-’
„ у Я
х4
X —Д^ (Т6-Т„), (13.5):
где a — коэффициент аккомодации;' к — показатель адиабаты; АП— мо>(
Конструктивная схема
Геометрический фактор
Вероятность пролета
Коэффициент « тепловой j защиты ^
обозйачение j
значение
Плоскощитковая (см. рнс. 13.5, а)
V4
0,080
0,125
0,250
0,090
0,122
0,134
0,010 1
Наклонно-щитковая (см. рнс. 13.5, б)
Ф.°
45
0,360
0,015;
;
Шевронная (см. рнс. 13.5, а)
Л. °
60
90
120
0,290 0,324 0,360
0,007
Радиально-защитная (см. рнс. 13.5, г)
^2
1.0
1,5
' 0,70
0,84 .
—1
Таблица 13.1
Размеры трубки моста
Тепловой поток Фм> Вт, прн температуре иа концах трубки длиной 100 мм
джаметр, мм
толщкна стенки, мм
площадь поперечного сечення, мм1
Т, = 4 К;
Т, = 77 к
Г, = 77 К;
Т, = 300 К
Ti = 4 К;
т, = зоо к
2
1,13
3,92-10-*
3,78-10~*
4,17-10"*
3
1,76
6,11-10-*
5,88-10~*
6,49-10-*
4
2,39
8,33-10~*
7,99-10-*
8,82-10-*
5
3,02
1,05-10-*
1,02-10-*
1,12-10-1
6
3,64
1,20-10-*
1,21-10-1
1,34- IO"!
7
0,2
4,27
1,48-10-*
1,42-Ю"1
1,57-10-1
8
4,91
1,71-10-*
1,64-10-1
1,81-10-1
9
5,53
1,94-10-*
■ 1,85-10-1
2,04-10-1
10
6,16
2,14-10-*
2,06-10-1
2.27-10-1
11
6,78
2,36-10-*
2,26-10-1
2,50-10-1
4
5,50
1,91-10-*
1,84-10-1
2,03-10-1
10
14,92
5,18-10-*
4,99-10-!
5,51 -10-1
11
12
16,49
18,07
5,72-10-*
6,26-10-*
5,52-10"!
6,05-10-1
6.09- IO"*
6,68-10-1
13
19,63
6,81.10-»
6,57-10-!
7,25-10-1
14
21,21
7,36-10-*
7,09-10-1 .
7,83-10-1
15
22,78
7,90-10-*
7,61-10-1
8,40-10-1
16
24,34
8,44-10-*
8,12-10-1
8,96-10-1
17
0,5
25,92
9,00.10-*
8,67-10-1
9,57-10-1
18
27,49 .
9,55-10-*
9,25-10-1
1,02
21
32,20
1,12-10-1
1,08
1,19
10
22,00 '
7,64-10-*
7,36-10-1
8,12-10-1
14
28,27
9,83-10-*
9,42-10-1
1,04
18
40,84
1,42-10-1'
1,37
1,51
20
53,41
59,69
1.85-10-1
2,07-10-1
1,79
1,99
1,97
2,20
25
75,39 .
2,62-10-1
2,52
2,78
28
84,82
2,94-10-1
2,84
3,13
40
1.0 .
122,53
4,25-10-1
4,10
4,52
45
138,23
4,79-10-1
4,62
5,10
50
153,94
5,34-10-1
5,15
■ 5*68 ,
60
185,35
6,48-10-1
6,24
6^89
70
13»
216,77
7,54-10-1
6,25
8'00
Таблица 13.7
т, к
Значение а для
воздуха
н.
Не
300
0,8 ...0,9
0,3
0,3
77
1,0
0,5
0,6
20
1,0
1,0
0.6
Таблица 13.8
ляриая масса; Тг — температура газа; индексы п и с соответствуют панели и станки.
Ориентировочные значения коэффициента аккомодации а приведены в табл. 13.8.
Тепловой поток, обусловленный конденсацией, Вт:
Фк = V^nP
, /А/, (13.6) j
УглРТг
Рис. 13.6. Зависимость теплового потока Ф , обусловленного конденсацией, от давления р для паров воды, водорода и ааота (линии соответственно /, 2 и 3)
где V — коэффициент конденсации; R =8,314 Дж/(моль-К) — универсальная газовая постоянная; А/ — среднее изменение энтальпии при конденсации.
На рис. 13.6 приведена зависимость теплового потока Фн от давления азота, водорода и паров воды (на единицу площади поверхности криопа- ' иели) при разности температур от 300 К до абсолютного нуля с учетом теплоты испарения и конденсации при у = 1.
Если газ предварительно охлажден, иапример, иа азотоохлаждаемом теплозащитном экране, удельный тепловой поток на криопаиель, обусловленный конденсацией, будет меньше. При высоком вакууме тепловой поток, обусловленный конденсацией, составляет незначительную часть тепловых потоков и им можно пренебречь.
Расход криоагента иа предварительное охлаждение крионасоса в интервале температур от Т1 до Т2 при условии использовании только теплоты испарения криоагеита практически можно определить по формуле
QM = (m^cM(T1-Ta), (13.7)
Если при охлаждении насоса используют теплоту испарения и холод, то расход криоагеита, г:
л ^м 1 г + ^н — ^и^ 5Р Qm~ /г Ч'-НГп-Ги)^ Г
(13.8) где /г — средняя энтальпия охлаждающего газа; Гн — начальная температура; Тц — температура испарения; ёр — средняя удельная теплоемкость газа.
Расход испаряемого криоагеита во время работы криоиасоса
Qk = Фп/г. (13.9)
13.4. Высоковакуумиыеконденсационные иасосы
Условия, необходимые для проведения коидеисациоииой откачки, т. е. процесса десублимации газа, следуют из диаграммы состояния веществ при фазовых превращениях (рис. 13.7). На диаграмме нанесены линии равновесного состояния фаз: О В — парообразной и жидкой, О А — жидкой и твердой, СО — парообразной и твердой. Эти линии разделяют плоскость диаграммы иа три области: область Z соответствует газо- или парообразному состоянию вещества, область // —
Гаа (пар)
Г •, К
Параметры тройной точки
Р. Па
т, к
М2
126,3
1,24-104
63,2
О2
154,8
146
54,4
Н2
33,2
7,2-103
13,9
Аг
150,7
1,52-104
83,9
Ne
44,4 '
4,32-104
24,8
Кг
209,4
7,68-104
115,5
СО,
304,2
14,5-106
216,9
СО
132,9 •
1,54-104
68,1
СН4
191,1
1,18-10*
90,7
Н2О
647,33/
560
273,2
Таблица 13.10
« к
g л К В
Г
Я В О к у в л я я р
О ай® ° Р. я О— о $ В я я Я uS&“§
ч
в
77,3
200,0
162,0
0,021
27,2
87,0
102,0
0,035
20,4
450,0
31,7
0,160
4,2
21,6
2,7
1,400
Табл и-ц а 13.9
з.
I
ЖЗ
N,
Ne
Н,
Не
где m — охлаждаемая масса насоса; г — скрытая теплота парообразования (табл. 13.9); см—средняя удельная теплоемкость.
Значения см, Дж/(г-К), некоторых материалов при температуре 20 ...
77 К (числитель) и 77 ... 293 К (знаменатель) приведены ниже:
Медь 0.10/0,33
Коррозионно-стойкая сталь 0'07/0,36
Алюминий0,17/0,73
Никель0,09/0.86
Монель 0,08/0,33
Конденсируемый газ(пар)
Режим напуска газа
Температура газа, К
Давление конденсации, Па
Температура крно- панели, К
Интенсивность конденсации, мг/(м2. с)
Плотность конденсата, г/см’
Н,0
Непрерывный Периодический
290
300
6,1-10-= 0,13
‘ 77
- 78
19
0,58±0,06 0,55
Непрерывный
300
0,13
78
89
0,49 ,
290
0,5
77
255
1,46±0,18
со.
Периодический
300
0,13
78
4,2
4,2
77,4
77,4
77,4
77,4
1316
1267
450
1217
1383
4183
1
1,25±0,06 1,38±0,21 0,92±0,05 0,93±0,05 1,20±0,06
1,33±0,07
N,
4,2
4,2
367
783
1,62±0,26
1,51±0,19
Таблица 13.11
Газ (пар)
N, Оа н2 нао со со2 сн« Аг ' Ne Кг Хе
жидкой фазе.
Таблица 13.12
т, к
р,. кг/м*
20 ... 6320,6
4,2 ... 13
77
21 ... 65
77 ... 194
20
20 ... 83
4,3 ... 24
14 ...78
130
фазе, область
0,95- 1,43 0,08 0,58 0.98
1,53
. 0,52 1,69 1,44 2,96 3,64
Ш — твердой
критической.
Точку В называют
В области, расположенной выше этой
точки, иет различия между жидким
Таблица 13.13
Газ
т, к
X, Вт/(м. К)
N, Н, СН, Аг Кг Ne
60 ... 62
10 ... 14
14 ... 20
5 ... 20
5 ... 40
4 ... 10
0,1 1,0 0,08 2,2 1,8 1.2
и газообразным состоянием, и при температуре выше критической (Г*) вещество может находиться только в газообразном состоянии. Точка О, называемая тройной, соответствует равновесному состоянию трех фаз: газообразной, жидкой н твердой. Параметры тройных точек для некоторых газов Приведены в табл. 13.10. Направление криооткачки на диаграмме показано линией ed. Точка f соответствует десублимации газа.
Физические свойства конденсата существенно зависят от условии, при которых происходит конденсация газов в твердое состояние, поэтому некоторые значения следует рассматривать как ориентировочные,
В табл. 13.11 приведены значения плотности конденсата при различных условиях конденсации [30], а в табл. 13.12 — плотности р газов в твердофазном состоянии [43].
Эффективность процесса конденсационной откачки во многом зависит от того, как быстро могут быть переданы тепловые нагрузки через слой конденсата, т. е. от его теплопроводности. В табл. 13.13 приведены приближенные значения теплопроводности X конденсатов некоторых газов.
Основные характепистики крнона- сосов — предельное остаточное давление, быстрота действия и ресурс.
Предельное остаточное боса, т. е. давление рпр.
давление на- Па, во вход- $
Рис. 18.8. Зависимость давления Рвас
насыщенных паров различных гааов от темпера тур» Т
Высокоеакуумны* конденсационные насосы,
391
ной полости насоса немного превышает"
давление рВас насыщенных паров при2
температуре ТИ конденсирующей по-а
верхности:’И
Рпр = Риас УТс/Тп, (13.10)ч
где Тс — температура стенки.а
Температуры насыщенного пара наи-н
болееv распространенных в вакуумной технике газов при низких давлениях приведены в табл. 13.14. На рнс. 13.8 дана зависимость давления насыщенных паров от температуры.
Быстрота действия конденсационного насоса S, дм3/с, зависит от проводимости U3 теплозащитного экрана, дм®/с:
S = SHVg/(SH-[-Vg), (13.11) где SH — скорость конденсации иа " криопаиели;
8ц = кп$тРп, (13.12) где кп — коэффициент прилипания; sT — удельная теоретическая быстрота действия.
Коэффициент кя (табл. 13.15) учитывает сложность процесса конденсации и влияние различных факторов на его протекание. В табл. 13.16 при- ; ведены коэффициенты прилипания паров некоторых веществ, легко конденсирующихся иа криопаиелях, при охлаждении жидким азотом (Т = = 77 К).
Удельная теоретическая быстрота Действия $т (для конденсационного насоса — удельная теоретическая скорость конденсации) зависит от вн- " Да течения газа:
при молекулярном течении
sT.M = 3,64V7VM; (13.13)
при нязкостном течении
sT. в = УЖТтКк + Т)- (13.14)
Зиачеиия удельной теоретической скорости конденсации рассматриваемых насосов по некоторым газам при молекулярном режиме течения приведены в табл. 13.17. При вязкостном режиме течения теоретическая скорость коидеисации выше, чем при молекулярном (табл. 13.18). Область переходного режима (рис. 13.9— за-
С
s ■ в
&
О СП О ’•f о о id о о ю ю
QCh^'~’00O4c6ou6^c6 ^ООООСЧОС^СЧ^-^СЧСЧ
о
•* ** о^--o_>d о^ю г--^ ю со сбиэ из со Г —* 04* ссГ CD 04 —
о
ОЮО b~XO о»о ь-ю
*сбо4иэобьГобиэ Ю СО 00 —- U3 CD ОО —' b- --1 О'
о
О *«f О со 1D —' ОО Ю ОО ОО
Ь- ^f CD Ch b- 'ey *«у СО хо IQ LQ Ю СО Ю S О СО ОО
о
С^ 04 О О О —- ОО Ю 04 Ch ^ — QO СО ОО ID ОО СО*’—*сбCO OQ ’«f rf ОО 04 Tf to О ID —’
о
UD 04 О Ch ^ СО ^ —-< Ch СО t'*- гб co Ю CD 4f со* Ch 04* 04* сб
СО —-1’—I ю ОО ID —’ ь-
04—’
т,
- ~^ ^ ^ ~ О QO th’’fСО
‘сб об СО СО сб об тг ь? —Г со
со СО О О СО ю’ <о
£
^Ch CD Ь~ тГ —^to —’ со ^ Ю Ю иб СО со СгГ об со* О ~^ со-со со со со «со
o^oooio^iob.choico О со об ^ ^ тг ю* об сб сб гб 04 со о со со со
1
О СО О ^t^Ch 04 О1 ОЮ О h* О 04 ^ io ” 04 об СО об ^ 04 со со со СО -f 1Q СО ю
7
ь^сооосоосоо4е400
Ю со* СО ^ о* об сб ^ 'f 04 04 Ю 00 04 СО ID СО «5
г*. ОО иэ ь-’““^04 СЮ 00 О СО г-1 СО* со* ^ co CD 00 СО* О* 04* Ь-* об 04 04 ^ Ь- 04 00 Ю со V
СО 04 О ID — СО CD b- О Ch CD 04 io h- об 04 СО Mf {--б о СО иб' 04 04 ОО04 со ^ СО ^
0^04 тг 04 ^-— 04 Ю ^ об О* СО оо* ID 04* io 00* CD* CO 04 04 CO CO 04 CO 04^
О ID 0^00400 S s ^CO сб 04* ^ CO ID ^ сб 04* CO* CO —M 04 04 04 СОО4С0*^04 ^f
C0lD00O400”flDcOCD’^
Ch -* co* 04* 04* 04* of 6 xq ID* CD* 04CO 04 04 ^* 04 co
Т
-^CO O^b^US OO^Ch ID О ID h- o6pc6o4c6-^b^o6^lDb-2 ЮО404 СОО4 CO
5 -у
Z<XXuO^XuZZ
Гмт^ К- - -1 II2Значение &ц прн температуре крнопанели, К.^1012,51617,52022,525771,00,990,960,900,840,800,79Ni3000,650,630,620,610,60, 0,600,604000,490,490,490,490,490,490,49771,01,00,900,810,800,790,79Аг3000,680,680,670,660,660,660,664000,500,500.500,500,500,500,501951,00,980,960,920,900,870,85со23000,750,700.670,650,630,630,63400 ,—0,50• 0,490,490,490,49со3000,900,850,850,850,850,851,854000,730,730,730,730,730,730,73оа77300————1.00,86——Гмт^ К- - -1 II2Значение &ц прн температуре крнопанели, К.^1012,51617,52022,525771,00,990,960,900,840,800,79Ni3000,650,630,620,610,60, 0,600,604000,490,490,490,490,490,490,49771,01,00,900,810,800,790,79Аг3000,680,680,670,660,660,660,664000,500,500.500,500,500,500,501951,00,980,960,920,900,870,85со23000,750,700.670,650,630,630,63400 ,—0,50• 0,490,490,490,49со3000,900,850,850,850,850,851,854000,730,730,730,730,730,730,73оа77300————1.00,86——- Таблица 13.1,51- Таблица 13.1,51Примечание. Для СО при Тг = 77 К и указанных температурах криопанели кп = 1,0.\Примечание. Для СО при Тг = 77 К и указанных температурах криопанели кп = 1,0.\ГмкST. в* дм*/(с- м*), прн Тр = 293 к*r. b/St. мАг1,6717,91,81Na1,4020,11.71Пары1,3324,81,69ВОДЫГмкST. в* дм*/(с- м*), прн Тр = 293 к*r. b/St. мАг1,6717,91,81Na1,4020,11.71Пары1,3324,81,69ВОДЫТаблица 13.18Таблица 13.18
Гм
т^ К
- - -1 II2
Значение &ц прн температуре крнопанели, К.^
10
12,5
16
17,5
20
22,5
25
77
1,0
0,99
0,96
0,90
0,84
0,80
0,79
Ni
300
0,65
0,63
0,62
0,61
0,60
, 0,60
0,60
400
0,49
0,49
0,49
0,49
0,49
0,49
0,49
77
1,0
1,0
0,90
0,81
0,80
0,79
0,79
Аг
300
0,68
0,68
0,67
0,66
0,66
0,66
0,66
400
0,50
0,50
0.50
0,50
0,50
0,50
0,50
195
1,0
0,98
0,96
0,92
0,90
0,87
0,85
со2
300
0,75
0,70
0.67
0,65
0,63
0,63
0,63
400 ,
—
0,50
• 0,49
0,49
0,49
0,49
со
300
0,90
0,85
0,85
0,85
0,85
0,85
1,85
400
0,73
0,73
0,73
0,73
0,73
0,73
0,73
оа
77
300
—
—
—
—
1.0
0,86
—
—
Гм
т^ К
- - -1 II2
Значение &ц прн температуре крнопанели, К.^
10
12,5
16
17,5
20
22,5
25
77
1,0
0,99
0,96
0,90
0,84
0,80
0,79
Ni
300
0,65
0,63
0,62
0,61
0,60
, 0,60
0,60
400
0,49
0,49
0,49
0,49
0,49
0,49
0,49
77
1,0
1,0
0,90
0,81
0,80
0,79
0,79
Аг
300
0,68
0,68
0,67
0,66
0,66
0,66
0,66
400
0,50
0,50
0.50
0,50
0,50
0,50
0,50
195
1,0
0,98
0,96
0,92
0,90
0,87
0,85
со2
300
0,75
0,70
0.67
0,65
0,63
0,63
0,63
400 ,
—
0,50
• 0,49
0,49
0,49
0,49
со
300
0,90
0,85
0,85
0,85
0,85
0,85
1,85
400
0,73
0,73
0,73
0,73
0,73
0,73
0,73
оа
77
300
—
—
—
—
1.0
0,86
—
—
- Таблица 13.1,51
- Таблица 13.1,51
Примечание. Для СО при Тг = 77 К и указанных температурах криопанели кп = 1,0.\
Примечание. Для СО при Тг = 77 К и указанных температурах криопанели кп = 1,0.\
Гм
к
ST. в* дм*/(с- м*), прн Тр = 293 к
*r. b/St. м
Аг
1,67
17,9
1,81
Na
1,40
20,1
1.71
Пары
1,33
24,8
1,69
ВОДЫ
Гм
к
ST. в* дм*/(с- м*), прн Тр = 293 к
*r. b/St. м
Аг
1,67
17,9
1,81
Na
1,40
20,1
1.71
Пары
1,33
24,8
1,69
ВОДЫ
Таблица 13.18
Таблица 13.18
Таблица 13.16
Вещество
*п
| Вещество
*п
Н2О
0,92
1! СН2С1а
0,82
NH3
0,45
| CFaCla
0,76
СН3ОН СяНзОН
1,0
1,0
so2
NaO
0,74
0,61
СС14
1,0
СН8С1
0,56
снаа
0,933
8 CH3COCH8
0,55
Таблица 13.17
Гм
Тп, К
Значение $т, дма/(с- м®), прн Тт, К
293
78.
СО,
78
9,4
Na
20,4
11,8
6,1
Од
20,4
11,0
5,7
Ne
4,2
13,9
7,2
н.
4,2
44,1
22,7
штрихована) для скорости конден-1 сации четко не определена. Однако сохранить скорость конденсации в вязкостном режиме на максимальном уровне длительное время невозможно, та« как довольно быстро увеличиваете толщина конденсата, следовательно повышается температура поверхно
SSРис. 13.9. Зависимость теоретической (кривая /) и действительной (кривая 2) скорости конденсации от давления ори различных режимах течения:/ — молекулярном; II — переходном; ill — вязкостномРис. 13.9. Зависимость теоретической (кривая /) и действительной (кривая 2) скорости конденсации от давления ори различных режимах течения:/ — молекулярном; II — переходном; ill — вязкостном
S
S
Рис. 13.9. Зависимость теоретической (кривая /) и действительной (кривая 2) скорости конденсации от давления ори различных режимах течения:
/ — молекулярном; II — переходном; ill — вязкостном
Рис. 13.9. Зависимость теоретической (кривая /) и действительной (кривая 2) скорости конденсации от давления ори различных режимах течения:
/ — молекулярном; II — переходном; ill — вязкостном
стного слоя и уменьшается скорость конденсации.
На рис. 13.9 показана качественная зависимость скорости конденсации от режима течения газа. Действительная скорость конденсации 5Д всегда меньше теоретической ST. Это объясняется тем, что всегда йп< 1, а при вязкостном режиме течения и тем, что затруднен теплообмен между крно- панелью и откачиваемым газом.
Ресурс конденсационного насоса определяется допустимой толщиной конденсата. Температура Тк поверхностного слоя конденсата из-за наличия температурного градиента (по толщине) не должна превышать температуры, прн которой давление насыщенных паров откачиваемых газов превышает допускаемое. Толщина слоя конденсата (криоосадка)
4=х (Тк - Гп)/(ФЙ + Фк). (13.15)
В практических расчетах для области высокого вакуума потоком Фк можно пренебречь.
Пример расчета. Прн расчете высоковакуумных конденсационных насосов примем следующие допущения: режим течения газа — молекулярный; температурное сопротивление конденсата (криоосадка) пренебрежимо мало; свойства поверхностей» находящихся на одинаковых температурных уровнях, идентичны.
Упрощенную методику расчета рассмотрим на примере конденсационного насоса (рис. 13.10). Требуемая быстрота действия по азоту S = 2000 дм8/с.
Площадь поверхности криопанелн прн ее температуре Тк =4,2 К я коэффицнен- ге прилипания Ап = 1 (для азота) крио- панели
Fn = sKS«Pn> <1316> Пренебрегая изменением коэффициента аккомодации молекул откачиваемого газа на экране, можно считать, что прн Гр = = 300 К удельная теоретическая скорость конденсации азота sT = 11,9 дм8/(с. см*). Вероятность пролета молекул через шевронный экран Рп = 0,29 (см. табл. 13.6). Тогда
Fn = 2000/(11.9-0.29) «600 см*.
* Задавшись соотношением размеров бачка 2гg = А, найдем диаметр н высоту бачка (т. е. размер крнопанели);
2rg — А — l/Fn/(l,5n) « 11,5 см.
При ’ определении тепловой нагрузки на криопаиель примем степень черноты
крнопаиелж вп = 0,5 (с учетом покрытия ее слоем конденсата); тогда по формуле (13.2) получим Фи п = 6,28-10~* Вт.
Для определения тепловой нагрузки на теплозащитный экран найдем площадь его поверхности из условия, что он удалей от бачка на 1 см. При этом условии F9 = 885 см*. Прн зачерненной наружной поверхности теплозащитного экрана (еэ = =в 0,9) по формуле (13.2) получим Фи 9 « « 36,5 Вт.
Далее определим потоки через тепловые мосты, которыми являются трубки подвеса гелиевого и азотного бачков. Гелиевый бачок подвешен на двух трубках длиной I = 40 см, 0,25 длины которых контактирует с азотоохлаждземой поверхностью. Диаметр трубок 11 мм, толщина стенки 0,2 мм. Для трубок нэ коррозионностойкой стали ло табл. 13.7 в диапазоне
Рис. 18.10. Расчетная схема коидеиса» цноиного насоса
температур 4 ... 77 К получим Фм< ц ■ = 0,016 Вт.
Тепловой поток на азотный бачок передается через две трубки гелиевого бачка (0,25 длины) и две трубки азотного бачка (0,5 общей длины трубок гелиевого бачка); тогда ло табл. 13.7: Фм в = 0,452 -|- 4- 0,226 = 0,678 Вт.
Таким образом, тепловая нагрузка на гелиевый бачок (крнопанель) Фц =■ = Фи. п + °м- п ^^ Вт- а на азот- иый бачок (экран) Фд — Фи, е + Фм. э * ~ 37,2 Вт.
Последний этап расчета — определение расхода криоагентов. По табл. 13.9, в которой приведена скорость испарения крио- агента на 1 Вт теплового потока, определим расход гелия (0,11 дм*/ч) н жидкого азота (~ 0,8 дм’/ч).
Эффективность и экономичность криооткачки существенно зависят от конструктивных схем иасоса и теплозащитного экрана, а также от расположения иасоса относительно камеры.
Низковакуумные конденсационные насосы
Низковакуумная откачка газов конденсационными насосами, как и высоковакуумная, возможна, если температура криопанели ниже темпё- ■ратуры насыщенных паров откачиваемого газа. При откачке воздуха до низкого и среднего вакуума (от атмосферного до давления 1 Па) температура насыщенных паров изменяется от 81,6 до 34,5 К. В связи с этим в иизковакуумных насосах наиболее распространены криоагенты, переохлажденные откачкой паров жидкого й твердой? азота, жидкого иеоиа с температурой 75 ... 11 К.
Конструктивно низковакуумиые насосы разделяют иа имеющие сборник жидкого конденсата (если откачка воздуха происходит при р > 5,9 кПа) и без сборника жидкого конденсата. При использовании жидкого крио- агеита конструкция иасоса включает сосуд для криоагеита; если криопа- иель охлаждается газообразным крио- агеитом, то он циркулирует по змеевику, находящемуся в тепловом контакте с криоагеитом.
Большая часть низковакуумных насосов снабжена предварительными теплообменниками с жидким азотом, в которых откачиваемый воздух перед конденсацией на криопаиелн охлаждается до температуры 80 К. Для
уменьшения энергозатрат на откачку и количества используемого в насосе криоагеита его подают в криопаиелн в рефрижераторном режиме.
Осиовиые преимущества иизковакуумных конденсационных иасосов — высокая чистота остаточной, атмосферы; отсутствие шумов и различных выбросов в окружающую среду; малые капитальные затраты иа изготовление; недостатки — повышенные энергозатраты при откачке газов с давлением, близким к атмосферному; необходимость установки для получения криоагеита.
В настоящее время разработаны низковакуумиые конденсационные насосы для откачки камер объемом от МО"3 до 120 м&.
Методика расчета низковакуумиых конденсационных иасосов. При расчете низковакуумиых насосов основное внимание уделяют определению массы требуемого для откачки криоагеита или мощности охлаждающих устройств, а также интенсивности процессов теплообмена в предварительных теплообменниках и в конденсирующем элементе для нахождения длительности процесса откачки.
В отличие от высоковакуумных насосов в иизковакуумиом насосе расход криоагента определяется не теплопри- токамн излучением и через тепловые мосты, а количеством теплоты, выделяемой при коидеисации.
Масса газа, откачиваемого крионасосом,
=» ^у^" (Ро " ₽иас)* О3*1?) где V — объем откачиваемой камеры; Тт — температура газа в откачиваемой камере; /^ — газовая постоянная; р0 — начальное давление откачки; Рнас — давление насыщенных паров откачиваемого газа при температуре криоагента.
Скорость процесса коидеисации откачиваемого газа в жидкую фазу, как правило, превышает скорость поглощения теплоты криоагеитом, поэтому время откачки при использовании жидкого криоагента
/“тА/[фуд(д7'кр)/7п], d318’ где Qo — количество теплоты, отдаваемой откачиваемым газом при охлаж-
дении до температуры конденсации и при конденсации; Фуд (АГКр)—тепловой поток при кипении криоагеита; Fn— площадь поверхности криопакели.
При откачке в рефрижераторном режиме
(13.19) где Q — холодопроизводительность криогенной рефрижераторной установки.
Масса расходуемого при откачке жидкого криоагеита
mH — tripQ^r, (13.20) где г — скрытая теплота парообразования криоагеита.
Мощность, затрачиваемая на откачку в рефрижераторном режиме:
N — Not^ NomrQo/Q, (13.21) где ^0 — мощность электрооборудования криогенной установки.
Если иизковакуумиый насос снабжен теплообменником для предварительного охлаждения откачиваемого газа на температурном уровне, отличном от температуры конденсации (например, при использовании жидкого азота, кипящего при атмосферном давлении), то интенсивность охлаждения газа зависит от режима течения газа (турбулентное или ламинарное) и определяется критериальным уравнением
Nu- f (Re, Pr, Z/d), где Nu, Re н Рг — критерии Нуссельта, Рейнольдса и Прандтля; Z — длина участка охлаждения; d — характерный диаметр.
Значение критерия Нуссельта позволяет рассчитать коэффициент теплоотдачи и температуру, до которой охлаждается газ в предварительном теплообменнике.
При конденсации откачиваемого газа в иизковакуумном насосе в твердую фазу время откачки определяется скоростью увеличения толщины слоя криоосадка на охлажденных панелях, при этом справедливо соотношение
Q'Pk
2АТПХИ ’
(13.22)
где К — толщина криоосадка; Хн, QS рн —.соответственно теплопровод
ность, теплота десублимациики плотность криоосадка; АТК — 'перепад температуры в крноосадке; а — коэффициент теплоотдачи от криопаиели к криоагеиту.
Адсорбционные иасосы
Принцип действия адсорбционного насоса основан на температурной обратимости физической адсорбции, т. е. поглощении газа твердым сорбентом' при снижении температуры и выделении его сорбентом при повышении температуры.
Адсорбционные насосы применяют в системах безмасляной откачки для получения как форвакуума, так и весьма низких* давлений (до 10-6 Па) в замкнутых объемах.
В качестве сорбента в насосах применяют пористые вещества с сильно развитой внутренней поверхностью (Гад ^ 1000 м2/г), к которым относятся синтетические и природные цеолиты, активные угли и силикагели. На практике наиболее широко используют углеродные гранулированные сорбенты типа СКТ, специализированный вакуумный цеолит СаЕН-4В и специализированный углеродный тканый сорбент типа КУТ-2.
Адсорбционные насосы создают вакуум, свободный от углеводородов, имеют практически неограниченный срок службы и при эксплуатации не создают шума.
Адсорбционный насос представляет собой устройство, содержащее слой сорбента толщиной ие более 30 мм внутри корпуса на развитой тепло- обменной поверхности _криопанели, омываемой криоагентом. Корпус насоса снабжен, как правило, двумя патрубками: один (большего диаметра) служит для подсоединения к камере, другой (меньшего диаметра) — для проведения регенерации. Насос включает устройство для иагрева сорбента и предохранительный мембранный узел на случай аварийного повышения давления в объеме насоса.
Недостатки адсорбционного насоса — необходимость периодической регенерации и значительное время пуска.
Основные характеристики адсорбционных насосов — быстрота дейст-
х
Диаметрчастиц, мкм
Таблица 13.19
£
с
В
и « В
Пористость
среднюю температуру вычисляют по формулам соответственно:
Тад = 0,5 (Та т Тнр);
Тад = Тнр -ф- (Гэ — Тнр) X
X
1
D^ — Од 2 In (Da/Dc) j ’
1
2
3
4
5
80 200 350 500 630
200
350
500
630
1000
105
245
400
555
755
0,295 0,325 0,350 0,400 0,415
0,315 0,340 0,395 0,425 0,460
^ад — ^кр •+
В с (Та — Ткр)
Ва-Вс
вня
по откачиваемому газу н ресурс —
определяются температурой сорбента и его удельной сорбционной емкостью.
Температура сорбента в адсорбционных насосах всегда выше температуры криоагеита и характеризуется функцией распределения или полем, которое прн расчете удобно заменить сред-
3 Гэ — Укр) ОСОЭ
где Ткр — температура криоагента; Та — температура на периферии адсорбционного слоя, принимаемая рав- . ной температуре теплозащитного эк
рана; Вс и Da — диаметры сосуда соответственно для криоагента и теп-
ней температурой Тад, отнесенной к массе сорбента. Средняя температура сорбента определяется системой тепловой защиты. Для реальных систем при использовании для защиты сорбента от теплового потока шевронных или жалюзийных охлаждаемых теплозащитных экранов средняя температура на 10 ... 20 К выше температуры криоагента. Прн использовании пористых теплозащитных экранов, изготовленных из медного порошка, средняя температура сорбента превышает температуру крноагента на несколько градусов.
С точки зрения эффективности тепловой защиты сорбента, а также технологичности конструкции насоса пористый теплозащитный экран предпочтителен. Пористые экраны изготовляют нз порошков фосфористой медн спеканием прн температуре 1073 .. 1425 К в восстановительной среде при свободной насыпке в специальные пресс-формы. Прн этом используют порошки различных фракций, основные параметры которых, а также получаемых экранов приведены в табл. 13.19.
Для адсорбционных кассет основных
лозащитного экрана.
Если экран охлаждают лоты на криогенную через тепловые мосты,
температура
Тэ = гкр4
где Фуд
видов
плоской, цилиндрической,
сферической — с пористыми экранами
ФуДП/М
П^Дм
отводом теп- поверхность его средняя
ФудП=
12п2Мэ ’
(13.24)
— удельный тепловой поток
на единицу поверхности
экрана;.
П — периметр теплозащитного экрана; ZM и ^м —длина и толщина теплового моста; п — число тепловых мостов; Хм и Хд — теплопроводность материалов соответственно моста и экрана; da — толщина экрана.
Теплопроводность материала экрана определяется пористостью Па этого материала и теплопроводностью компактного (монолитного) материала, используемого для изготовления экрана. Теплопроводность материала экрана можно определить по эмпирической формуле
Х8 = 0,14Х„(1-Пэ)/(1+П3), (13.25) где Хн — теплопроводность компактного (монолитного) материала исходного порошка.
Удельный ’ тепловой поток для наливных насосов
Фуд^^прМ*^), (13 26) где Т, — температура корпуса насоса.
Приведенную степень черноты для цилиндрической и сферической кассеты определяют по формуле (13.3); для плоской кассеты
®пр = [1/еэ + 1/®з—Ц *• (13.27) где еэ н е2 — степени черноты соответственно поверхности экрана и внутренней поверхности корпуса (для пористых экранов из порошка фосфорита меди еэ = 0,3 и практически не зависит от размера частиц и температуры экрана).
Для насосов с охлаждаемым корпусом (погружных) тепловой поток определяют опытным путем.
В уравнения для определения средней температуры сорбента не входят его теплофнзнческие параметры, поскольку стационарное температурное поле в слое сорбента при отсутствии внутренних тепловых источников полностью определяется граничными условиями, т. е. температурами экрана, ребер н криоагента. Теплофизическне параметры сорбента влияют на время его охлаждения, а также иа скорость нагрева при регенерации. В связи с этим для расчета нестационарных тепловых процессов необходимо знать теплофизические характеристики слоев сорбента в условиях вакуума н криогенных температур; Ориентировочные данные для цеолитов приведены в табл. 13.20.
Углеродные сорбенты имеют более высокую теплопроводность, чем цеолиты, поэтому для адсорбционных насосов, в которых используют активные углн, характерна меньшая тепловая инерционность, чем для цеолитовых. Точных данных по теплопроводности слоев углеродных сорбентов в условиях вакуума и криогенных температур нет.
Удельная сорбционная емкость сорбента и — основной расчетный параметр, который зависит . от давления, температуры и условий подготовки сорбента. Прн определении удельной сорбционной емкости фактор подготовки учитывают коэффициентом регенерации рр, который показывает, какая часть потенциальной сорбционной емкости сорбента реализуется в насосе. Для цеолита СаЕН-4В значения коэффициента регенерации в
Цеолита
я
о
9
X я
2 я
S в
Гранули-
1 ... 2
5... 6
, 0,3 ... 0,4
рованные
Порошко-
4 ... 5
1 ... 2
2,0 ... 3,0
вые
Таблица 13.20
Примечания: 1. а — температуропроводность; z X — теплопроводность слоя; а — коэффициент теплоотдачи. 2. Для указанных цеолитов удельная массовая теплоемкость 400 Дж/(кг-К), степень черноты поверхности слоя 0,3 ... 0,4.
зависимости от давления, температуры и времени регенерации приведены в табл. 13.21. При отклонении реального процесса регенерации от приведенных параметров ориентировочные значения коэффициента регенерации можно определить интерполяцией. При проектных расчетах для углеродных сорбентов с учетом их гидрофобности можно принять Рр = 0,90 ... 0,95.
Для определения емкостных характеристик сорбентов используют графические зависимости удельной сорбционной емкости от давления при постоянной температуре сорбента (изотермы адсорбции).
На рис. 13.11, а приведены изотермы адсорбции водорода на используемых в вакуумной технике сорбентах прн Т = 20,4 К. При этой температуре удельная сорбционная емкость сорбентов велика (о > 10s Па-м3/кг) даже при очень низких давлениях (р ^ ^ 10-4 Па). Многие промышленные системы не требуют таких низких давлений, поэтому в ннх допустимы более высокие температуры. На рис. 13.11, б приведены изотермы адсорбции азота при Т = 77 К.
Для определения удельной сорбционной емкости графическим методом необходима сетка изотерм. При ее отсутствии можно воспользоваться аналитической зависимостью удельной
Ксосо sr к*8 юсо НS SсеО Я ф&кВ■В■ S 0586 О. вУ S Я 4>СВ 86 СО«В58 5ь~- сч <£> сч тр c>| | 2 2 2 2 200000*0с^ О ^ — СО сч о WCSWbCOGOO CD N S t> Ь S Й Ю 0*0000000biОХООООСОГ-О—- СЧСЧ^ОООООООО ^ Ю Ю Ю Ю Ю LQ_LO ООООООООbiСЧ ю о СЧ со О) ю о о о СО СЧ ^ ^ -sb -ЧТ ^ -sb о* о* о* о* о о* о* оbiсо-^^сосооосог^ СОГОЮЮСООЬ'Ь^ — сч сч сч сч сч cn сч о о о о о о о осbiО’З'Ь^ЮСЧОЮО - со m О О - оо* о* о о* о сГ о* оbiоеоооог^юсч 00 оСО^Ь^тЬ-чЬ^^^ о" о* о о* о о* о* о*biО'#'^—*С>Ю—*СО ЮСЧ’ЧЬЮШЮГ-Ь-ооооооооксооеооосог^осч mooooooo—< —< — СЧ СЧ СЧ СЧ оооооооо5 со со«^-^ЮСООООООООО Г^ m ^ w w ^ —и w ^ х±| W0 ю Win ю юооооооооbiошооо—• счсо -i W W S SN N сососоеососососо ооооооооw1ЛС0Ю — СОЮЬ-ОО ОСОWWWIOW сч сч сч СЧ СЧ СЧ СЧ, сч оооооооог^сооосчсо^иою —•COCO'^^^’^-sbоооооооо. В* S Я S «&1—о о о о о о — счсо^юоКсосо sr к*8 юсо НS SсеО Я ф&кВ■В■ S 0586 О. вУ S Я 4>СВ 86 СО«В58 5ь~- сч <£> сч тр c>| | 2 2 2 2 200000*0с^ О ^ — СО сч о WCSWbCOGOO CD N S t> Ь S Й Ю 0*0000000biОХООООСОГ-О—- СЧСЧ^ОООООООО ^ Ю Ю Ю Ю Ю LQ_LO ООООООООbiСЧ ю о СЧ со О) ю о о о СО СЧ ^ ^ -sb -ЧТ ^ -sb о* о* о* о* о о* о* оbiсо-^^сосооосог^ СОГОЮЮСООЬ'Ь^ — сч сч сч сч сч cn сч о о о о о о о осbiО’З'Ь^ЮСЧОЮО - со m О О - оо* о* о о* о сГ о* оbiоеоооог^юсч 00 оСО^Ь^тЬ-чЬ^^^ о" о* о о* о о* о* о*biО'#'^—*С>Ю—*СО ЮСЧ’ЧЬЮШЮГ-Ь-ооооооооксооеооосог^осч mooooooo—< —< — СЧ СЧ СЧ СЧ оооооооо5 со со«^-^ЮСООООООООО Г^ m ^ w w ^ —и w ^ х±| W0 ю Win ю юооооооооbiошооо—• счсо -i W W S SN N сососоеососососо ооооооооw1ЛС0Ю — СОЮЬ-ОО ОСОWWWIOW сч сч сч СЧ СЧ СЧ СЧ, сч оооооооог^сооосчсо^иою —•COCO'^^^’^-sbоооооооо. В* S Я S «&1—о о о о о о — счсо^юоГаз' В, м*/кг, для§щ чСаЕН-4ВСКТ-4;КУТ-2N. .3,8-10-85,0.10-®12 560о22,3-10-29 630Аг2,3-10"81,4-10-®9 630на1,7-КУ"12,5-10”15 000сн41,6.10-®2,0-10-®16 300Не—1,0.10-1585Газ' В, м*/кг, для§щ чСаЕН-4ВСКТ-4;КУТ-2N. .3,8-10-85,0.10-®12 560о22,3-10-29 630Аг2,3-10"81,4-10-®9 630на1,7-КУ"12,5-10”15 000сн41,6.10-®2,0-10-®16 300Не—1,0.10-1585Таблица 13.22Таблица 13.22эмпирическая константа;эмпирическая константа;где Вгде Вv — -у- ехр —Аv — -у- ехр —А7" ад /. РнасР® V8 Р7" ад /. РнасР® V8 РАдсорбентUlg- 10*, м*/кгА-10’, к-Цеолит2,42,9Уголь4,00,6Угольная ткань3,00,4КУТ-2АдсорбентUlg- 10*, м*/кгА-10’, к-Цеолит2,42,9Уголь4,00,6Угольная ткань3,00,4КУТ-2Т а б л и ц а 13.21Т а б л и ц а 13.21Рис. 13.11. Изотермы адсорбции водорода при Т = 20,4 К (а) и азота при Т = 77 К (Г) для сорбентов:Рис. 13.11. Изотермы адсорбции водорода при Т = 20,4 К (а) и азота при Т = 77 К (Г) для сорбентов:/ — активный уголь СКТ-4; 2 — угольная ткань КУТ-2; 3 — цеолит СаЕН-4В/ — активный уголь СКТ-4; 2 — угольная ткань КУТ-2; 3 — цеолит СаЕН-4В
К
со
со sr к
*8 ю
со Н
S S
се
О Я ф
&
к
В
■
В
■ S 05
86 О. в
У S Я 4>
СВ 86 СО
«В
58 5
ь~- сч <£> сч тр c>
| | 2 2 2 2 2
00000*0
с
^ О ^ — СО сч о WCSWbCOGOO CD N S t> Ь S Й Ю 0*0000000
bi
ОХООООСОГ-О—- СЧСЧ^ОООООООО ^ Ю Ю Ю Ю Ю LQ_LO ОООООООО
bi
СЧ ю о СЧ со О) ю о о о СО СЧ ^ ^ -sb -ЧТ ^ -sb о* о* о* о* о о* о* о
bi
со-^^сосооосог^ СОГОЮЮСООЬ'Ь^ — сч сч сч сч сч cn сч о о о о о о о о
с
bi
О’З'Ь^ЮСЧОЮО - со m О О - о
о* о* о о* о сГ о* о
bi
оеоооог^юсч 00 о
СО^Ь^тЬ-чЬ^^^ о" о* о о* о о* о* о*
bi
О'#'^—*С>Ю—*СО ЮСЧ’ЧЬЮШЮГ-Ь-
оооооооо
к
сооеооосог^осч mooooooo—< —< — СЧ СЧ СЧ СЧ оооооооо
5 со со
«
^-^ЮСООООООООО Г^ m ^ w w ^ —и w ^ х±| W0 ю Win ю ю
оооооооо
bi
ошооо—• счсо -i W W S SN N сососоеососососо оооооооо
w
1ЛС0Ю — СОЮЬ-ОО ОСОWWWIOW сч сч сч СЧ СЧ СЧ СЧ, сч оооооооо
г^сооосчсо^иою —•COCO'^^^’^-sb
оооооооо
. В* S Я S «&1
—о о о о о о — счсо^юо
К
со
со sr к
*8 ю
со Н
S S
се
О Я ф
&
к
В
■
В
■ S 05
86 О. в
У S Я 4>
СВ 86 СО
«В
58 5
ь~- сч <£> сч тр c>
| | 2 2 2 2 2
00000*0
с
^ О ^ — СО сч о WCSWbCOGOO CD N S t> Ь S Й Ю 0*0000000
bi
ОХООООСОГ-О—- СЧСЧ^ОООООООО ^ Ю Ю Ю Ю Ю LQ_LO ОООООООО
bi
СЧ ю о СЧ со О) ю о о о СО СЧ ^ ^ -sb -ЧТ ^ -sb о* о* о* о* о о* о* о
bi
со-^^сосооосог^ СОГОЮЮСООЬ'Ь^ — сч сч сч сч сч cn сч о о о о о о о о
с
bi
О’З'Ь^ЮСЧОЮО - со m О О - о
о* о* о о* о сГ о* о
bi
оеоооог^юсч 00 о
СО^Ь^тЬ-чЬ^^^ о" о* о о* о о* о* о*
bi
О'#'^—*С>Ю—*СО ЮСЧ’ЧЬЮШЮГ-Ь-
оооооооо
к
сооеооосог^осч mooooooo—< —< — СЧ СЧ СЧ СЧ оооооооо
5 со со
«
^-^ЮСООООООООО Г^ m ^ w w ^ —и w ^ х±| W0 ю Win ю ю
оооооооо
bi
ошооо—• счсо -i W W S SN N сососоеососососо оооооооо
w
1ЛС0Ю — СОЮЬ-ОО ОСОWWWIOW сч сч сч СЧ СЧ СЧ СЧ, сч оооооооо
г^сооосчсо^иою —•COCO'^^^’^-sb
оооооооо
. В* S Я S «&1
—о о о о о о — счсо^юо
Газ
' В, м*/кг, для
§
щ ч
СаЕН-4В
СКТ-4;
КУТ-2
N. .
3,8-10-8
5,0.10-®
12 560
о2
2,3-10-2
9 630
Аг
2,3-10"8
1,4-10-®
9 630
на
1,7-КУ"1
2,5-10”1
5 000
сн4
1,6.10-®
2,0-10-®
16 300
Не
—
1,0.10-1
585
Газ
' В, м*/кг, для
§
щ ч
СаЕН-4В
СКТ-4;
КУТ-2
N. .
3,8-10-8
5,0.10-®
12 560
о2
2,3-10-2
9 630
Аг
2,3-10"8
1,4-10-®
9 630
на
1,7-КУ"1
2,5-10”1
5 000
сн4
1,6.10-®
2,0-10-®
16 300
Не
—
1,0.10-1
585
Таблица 13.22
Таблица 13.22
эмпирическая константа;
эмпирическая константа;
где В
где В
v — -у- ехр —А
v — -у- ехр —А
7" ад /. Рнас
Р® V8 Р
7" ад /. Рнас
Р® V8 Р
Адсорбент
Ulg- 10*, м*/кг
А-10’, к-
Цеолит
2,4
2,9
Уголь
4,0
0,6
Угольная ткань
3,0
0,4
КУТ-2
Адсорбент
Ulg- 10*, м*/кг
А-10’, к-
Цеолит
2,4
2,9
Уголь
4,0
0,6
Угольная ткань
3,0
0,4
КУТ-2
Т а б л и ц а 13.21
Т а б л и ц а 13.21
Рис. 13.11. Изотермы адсорбции водорода при Т = 20,4 К (а) и азота при Т = 77 К (Г) для сорбентов:
Рис. 13.11. Изотермы адсорбции водорода при Т = 20,4 К (а) и азота при Т = 77 К (Г) для сорбентов:
/ — активный уголь СКТ-4; 2 — угольная ткань КУТ-2; 3 — цеолит СаЕН-4В
/ — активный уголь СКТ-4; 2 — угольная ткань КУТ-2; 3 — цеолит СаЕН-4В
сорбционной емкости от температуры и давления — термическим уравнением адсорбции. В вакуумной технике обычно применяют два уравнения: Генрн и Дубинина—Радушке- вича.
Уравнение Генри, справедливое для ; вакуумных сорбентов при степени за- , полнения 0^0,15, имеет вид
о = Вр ехр [Дак/С^'^ад)]. (13.28) j
Еад — адсорбционный потенциал (теплота адсорбции); R — универсальная газовая постоянная.
Значения В и Дад приведены в табл. 13.22.
Уравнение Дубинина—Радушке- вича, удовлетворительно описывающее адсорбцию на цеолитах и углеродных сорбентах при 0 5» 0,15, имеет вид -г
где а>о — удельный объем адсорбционного пространства (табл. 13.23); а — молярный объем пара в адсорбированной фазе, принимаемый равным
молярному объему жидкости; А — постоянная пористой структуры (см. табл. 13.23); рнас — давление насы
щенного пара при температуре 7"ад; р — коэффициент аффинности, зависящий от рода газа (для азота р = 1,0; для кислорода р = 0,90, для аргона р = 0,87).
При выборе сорбента кроме емкост
ных характеристик следует учитывать требования техники безопасности. Так, углеродные сорбенты нежелательно использовать в системах, где они могут контактировать с жидким кислородом (это может привести к взрыву), однако применение углеродных адсорбентов в совокупности с пористыми экранами в насосах для откачки сред с большой долей кислорода взрывобезопасно; при откачке агрессивных сред необходимо применять специальные кислотостойкие сорбенты.
После выбора сорбента по описанной
методике находят его удельную сорбционную емкость с учетом коэффицнен- " та регенерации рр и определяют поглотительную способность насоса пря рабочем давлении.
Предельное остаточное давление адсорбционного насоса
Рпр — Ро Xх V” + Рр^адД ехр [gaa/t^Tp)]Vh-Ь РрМадВ ехр lEag/(Rfa^ Х
X ТбД
х(13.29)
где Ро — начальное давление в объеме иасоса перед пуском; VH — внутренний объем насоса; Мад — масса сорбента в насосе; Тп — температура газа в объеме насоса перед пуском, , как правило, равная температуре окружающей среды.
Быстроту откачки адсорбционной полости в зависимости от ее геометрических характеристик и коэффициента прилипания £п удобно определять графически (рис. 13.12). Для определения быстрота откачки 5ВХ на входе в адсорбционную полость необходимо знать коэффициент прилипания ки, отношение h/z\ длины' адсорбционной полости к ширине и проводимость UBX входного - сечения адсорбционной полости.
Рис. 13Л2. Зависимость относительной быстроты откачки односторонней адсорбционной полости от ее геометрического । фактора
Коэффициент прилипания характеризуется отношением действительной быстроты действия адсорбционной кассеты к теоретической:
Ап = 5д/5Т.(13.30)
Действительная быстрота действия адсорбционной кассеты
5д = 5ад[/8/(5ад+1/э), (13.31)
где 5ад— быстрота Откачки адсорбционного слоя за экраном; Ue = = u3Fa — проводимость экрана (ыэ — удельная проводимость экрана; Fb — площадь поверхности экрана).
Удельная проводимость пористых экранов, м®/(м2-с),
^-21.66^-14^^, (13.32)
гдеДч — средний размер частиц исходного порошка, из которого изготовлен экран (см, табл. 13.19), м; dg—толщина экрана, м; Пэ — пористость материала экрана (см. табл. 13.19); Тг — температура газа, поступающего к экрану (обычно принимают равной температуре корпуса насоса), К; М — молекулярная масса откачиваемого газа.
Для шевронных экранов U8 = = (0,20 ... 0,25)3т.
Быстрота откачки адсорбционного слоя
п ^эфРр^ ехр [Дад/^Тад)]
(13.33)
где ОЭф — эффективный коэффициент диффузии (для азота и кислорода О8ф яе 2-10“12 м2/с; для аргона ОЭф as as 10-12 м2/с); В — см. табл. 13.22; ка — коэффициент формы зерна адсорбента (для плоских, цилиндрических и сферических зерен соответственно ка = 1/3; 1/8 и 1/15); /?а—характерный размер зерна.
Теоретическая быстрота действия
ST = 36,4FB VfjM. (13.34)
Проводимость входного сечения адсорбционной полости вычисляют по известным уравнениям вакуумной
техники, а начальную быстроту дей- сгвия насоса — по формуле
*Se = Sax^n/(Звх + ^п), (13-35)
где Uя — проиодимосгъ входного патрубка насоса.
Найденная таким образом быстрота действия насоса соответствует малой степени заполнения сорбента газом (8 я» 0).
Поглотительная способность насоса определяется предельным объемом газа, который может поглотить иасос при заданном равновесном давлении над адсорбентом:
L = Л4адо, (13.36)
где Мад— масса сорбента в насосе, кг; о — удельная емкость сорбента при заданном режиме подготовки, Па X X ма/кг.
Масса адсорбента
Мад = Ур, (13.37)
где V — объем адсорбционной кассеты, м3; р — насыпная плотность сорбента, кг/м8.
Адсорбционные насосы относятся к устройствам периодического действия; по мере насыщения сорбента давление в вакуумной системе возрастает, а быстрота действия уменьшается. Зависимость быстроты действия от степени заполнения 6 можно описать полуэмпирической зависимостью
3 = So exp (—Ак0), (13.38)
где So — начальная быстрота действия иасоса при 0 as 0; Ан — постоянная насыщения (кК = 5 ... 10);0 =
= mit — степень насыщения адсорбента газом, показывающая, какая часть поглотительной способности иасоса израсходована (т — количество газа, поглощенного сорбентом, Па X X м8).
Постоянная насыщения кк зависит от диаметра пор адсорбента: с его увеличением кя уменьшается. Так, для цеолитов тапа Е и А постоянная кн ял 10, для цеолитов типа X — Ан ^ а/ 7, для углеродных сорбентов —
«5.
Время, в течение которого адсорб- ■ ционный насое обеспечивав* давление не выше требуемого (р ^ рр):<р=-™ ln4Sopp/Q), (13-39)Время, в течение которого адсорб- ■ ционный насое обеспечивав* давление не выше требуемого (р ^ рр):<р=-™ ln4Sopp/Q), (13-39)где рр — рабочее давление, Па; Q — поток газа, Па-м3/с.
Время, в течение которого адсорб- ■ ционный насое обеспечивав* давление не выше требуемого (р ^ рр):
<р=-™ ln4Sopp/Q), (13-39)
Время, в течение которого адсорб- ■ ционный насое обеспечивав* давление не выше требуемого (р ^ рр):
<р=-™ ln4Sopp/Q), (13-39)
Если время (р больше или равно продолжительности рабочего цикла установив, то достаточно одного насоса; в противном случае требуются дополнительные насосы, которые в зависимости от условий работы установки можно подключать параллельно или последовательно.
Пример расчета наливного иасоса (рис. 13.13).
Исходные данные. Размеры насоса: диаметр сосуда для крноагента Dr = 6,98 м; диаметр пористого теплоизоляционного экрана D^ = 0.12 м; диаметр корпуса насоса D, ^" 0,2 м; диаметр входного патрубка D^ — 0,1 м; высота корпуса насоса &х =» 0,4 м; высота адсорбционной кассеты AQ = 0,3 м; число тепловых мостов п = 3; длина и толщина теплового моста 1М =» 0,02 м н dRI = 0,003 м: толщина пористого экрана dg = 0,003 м.
Элементы конструкции имеют следующие теплофизические характеристики: степень черноты внутренней поверхности корпуса е2 ~ 0,7, пористого экрана е9 = 0,3. Экран изготовлен из порошка фракции № 3 со средним размером частиц d, ■• = 0,4’10-* м, пористостью Hg — 0,38 и теплопроводностью материала порошка ^к — 320 Вт/(м* К); теплопроводность материала моста ^ =» 400 ВтДм-Ц).
Сорбент — цеолит СаЕН-4В с насыпной плотностью р — 650 кг/м*; зерна сферической формы диаметром 1,5 мм. Крноагеит — жидкий азот (*Нр = 78 К). Температура корпуса (окружающей среды) Tt = То ® 300 К. Начальное давление ро — 1 Па. Условия подготовки адсорбента соответствуют коэффициенту регенерации Эр — 0,23. Постоянная насыщения =» 10.
Определить поглотительную способность насоса при рабочем давлении Др = — Н)—* Па, быстроту действия насоса и время непрерывной работы при потоке газа Q = 5-10~* Па*м*/с. Натекающий газ — азот.
Решение.
Внутренний объем насоса
22
уа — яО^ — 0,25лПэАэ
= 0,25-3,14.0,2«-0,4 — 0,25-3,14-0,12».0,3 = 9,'2-10-« м«.
А-АА-АкгкгVVадсорбцион-адсорбцион-Рис. 13.13. Расчетная схема кого насосаРис. 13.13. Расчетная схема кого насосасет^бЪеМ сор6ента в адсорбционной кас-
А-А
А-А
кг
кг
V
V
адсорбцион-
адсорбцион-
Рис. 13.13. Расчетная схема кого насоса
Рис. 13.13. Расчетная схема кого насоса
V =0,25я (в2 - »2) hc —
= 0,25-3,14 (0,12* — 0,03») 0,3 = 1,9-10—• м»
Масса сорбента [см. формулу (13.33)1 Мад = 1,9-10-*-650 = 1,23 кг.
Приведенная степень черноты системы корпус—экран [см. формулу (13.3)1
®пр
'э'э1, 0,12
'э
'э
оТ + -67Г
= 0,28.= 0,28.Удельный тепловой поток на экран [см. формулу (13.26)!z
= 0,28.
= 0,28.
Фуд " ^пр0 (У 2Тэ).
Так как температура экрана близка температуре криоагента и, следовательно, значительно ниже температуры корпуса, 4
значением Тэ можно пренебречь ввиду его малости.
Тогда
фуД = епраТ2 -о.гв.б.бт-ю^-зоа4 =
= 128,6 Вт/м*.
Теплопроводность материала экрана [см. (13.25)]
Ч«- 0,14-320 ™~" = 20 Вт/(м-К). w1 -Г" U, ио
Средняя температура экрана [см.
где П = лОэ] .
?-„ , 128,6-3,14-0,12-0.02 ,
’=1"Т*400-0,003+
12816 0.14 0,!2>* _
12-32-20-0,003°
Технические Характеристики крионасоссеТехнические Характеристики крионасоссе4034030,12* ' 0.12’ — 0,08’0,12* ' 0.12’ — 0,08’Тад = 78 + (87Тад = 78 + (871/э = 21,561/э = 21,560,4-10—3-3,14-0,12-0.30,4-10—3-3,14-0,12-0.30,0030,003х-х-5вх5вх<<ПараметрПараметрПараметр-Значение параметра для насосаНВК-1А-Р1НВК-06-Р1НВК-1К-Р1НВК-1А-Р1Пу, ммX олодопроизводитель- ность при Г = 20 К, Вт250 31602503250Быстрота действия по- воздуху, дм8/с1000 ... 13006001000 ... 13001000Предельное остаточное давление (в обезгажеииой системе), Па5-10-75-10-’5-10-«10“’Давление пуска, Па1015-10—11,5-10-1Поглотительная способность по воздуху, Па.дм850-108 '104Максимальный газовый поток (в течение 1 ч), Па. дм3/с500—100—Время охлаждения до Т = = 20 К, мин60поч6050Максимальная температура прогрева блока криооткачки, к353343353—Мощность, кВт6,01,56,02,5Время непрерывной работы (без отогрева пане-' ли), чГабаритные размеры, мм:200200блока криооткачки589Х455Х Х410—580Х455Х Х410—компресрорной установки840Х 1090Х Х670—S40X 1090ХХ670—Длина трубопроводов и кабелей, соединяющих блок криооткачки с компрессорной установкой, м30—30—Периодичность технического обслуживания, ч3 000—3 000—Ресурс, чМасса, кг:15 00010 00015 0005000блока криооткачки401340120ком пр ессор нойу ста-новки270—270Параметр-Значение параметра для насосаНВК-1А-Р1НВК-06-Р1НВК-1К-Р1НВК-1А-Р1Пу, ммX олодопроизводитель- ность при Г = 20 К, Вт250 31602503250Быстрота действия по- воздуху, дм8/с1000 ... 13006001000 ... 13001000Предельное остаточное давление (в обезгажеииой системе), Па5-10-75-10-’5-10-«10“’Давление пуска, Па1015-10—11,5-10-1Поглотительная способность по воздуху, Па.дм850-108 '104Максимальный газовый поток (в течение 1 ч), Па. дм3/с500—100—Время охлаждения до Т = = 20 К, мин60поч6050Максимальная температура прогрева блока криооткачки, к353343353—Мощность, кВт6,01,56,02,5Время непрерывной работы (без отогрева пане-' ли), чГабаритные размеры, мм:200200блока криооткачки589Х455Х Х410—580Х455Х Х410—компресрорной установки840Х 1090Х Х670—S40X 1090ХХ670—Длина трубопроводов и кабелей, соединяющих блок криооткачки с компрессорной установкой, м30—30—Периодичность технического обслуживания, ч3 000—3 000—Ресурс, чМасса, кг:15 00010 00015 0005000блока криооткачки401340120ком пр ессор нойу ста-новки270—270Таблица 13.25Таблица 13.25Таблица 13.24Таблица 13.24Значение параметра для насосаЗначение параметра для насосаПараметрЗначение параметра для насоса и агрегата (ЦВА)(ЦВН)ЦВН-1,5-3ЦВН-0,3-2ЦВА-1,5-3ЦВА-0,3-1Предельное остаточное давление, Па262-10-82.10-8Объем откачиваемого сосуда, м80,10,030,10,03ПараметрЗначение параметра для насоса и агрегата (ЦВА)(ЦВН)ЦВН-1,5-3ЦВН-0,3-2ЦВА-1,5-3ЦВА-0,3-1Предельное остаточное давление, Па262-10-82.10-8Объем откачиваемого сосуда, м80,10,030,10,03Таблица 13.26Таблица 13.26
Технические Характеристики крионасоссе
Технические Характеристики крионасоссе
403
403
0,12* ' 0.12’ — 0,08’
0,12* ' 0.12’ — 0,08’
Тад = 78 + (87
Тад = 78 + (87
1/э = 21,56
1/э = 21,56
0,4-10—3-3,14-0,12-0.3
0,4-10—3-3,14-0,12-0.3
0,003
0,003
х-
х-
5вх
5вх
<
<
Параметр
Параметр
Параметр
-Значение параметра для насоса
НВК-1А-Р1
НВК-06-Р1
НВК-1К-Р1
НВК-1А-Р1
Пу, мм
X олодопроизводитель- ность при Г = 20 К, Вт
250 3
160
250
3
250
Быстрота действия по- воздуху, дм8/с
1000 ... 1300
600
1000 ... 1300
1000
Предельное остаточное давление (в обезгажеииой системе), Па
5-10-7
5-10-’
5-10-«
10“’
Давление пуска, Па
10
1
5-10—1
1,5-10-1
Поглотительная способность по воздуху, Па.дм8
50-108 '
104
Максимальный газовый поток (в течение 1 ч), Па. дм3/с
500
—
100
—
Время охлаждения до Т = = 20 К, мин
60
поч
60
50
Максимальная температура прогрева блока криооткачки, к
353
343
353
—
Мощность, кВт
6,0
1,5
6,0
2,5
Время непрерывной работы (без отогрева пане-' ли), ч
Габаритные размеры, мм:
200
200
блока криооткачки
589Х455Х Х410
—
580Х455Х Х410
—
компресрорной установки
840Х 1090Х Х670
—
S40X 1090Х
Х670
—
Длина трубопроводов и кабелей, соединяющих блок криооткачки с компрессорной установкой, м
30
—
30
—
Периодичность технического обслуживания, ч
3 000
—
3 000
—
Ресурс, ч
Масса, кг:
15 000
10 000
15 000
5000
блока криооткачки
40
13
40
120
ком пр ессор нойу ста-
новки
270
—
270
Параметр
-Значение параметра для насоса
НВК-1А-Р1
НВК-06-Р1
НВК-1К-Р1
НВК-1А-Р1
Пу, мм
X олодопроизводитель- ность при Г = 20 К, Вт
250 3
160
250
3
250
Быстрота действия по- воздуху, дм8/с
1000 ... 1300
600
1000 ... 1300
1000
Предельное остаточное давление (в обезгажеииой системе), Па
5-10-7
5-10-’
5-10-«
10“’
Давление пуска, Па
10
1
5-10—1
1,5-10-1
Поглотительная способность по воздуху, Па.дм8
50-108 '
104
Максимальный газовый поток (в течение 1 ч), Па. дм3/с
500
—
100
—
Время охлаждения до Т = = 20 К, мин
60
поч
60
50
Максимальная температура прогрева блока криооткачки, к
353
343
353
—
Мощность, кВт
6,0
1,5
6,0
2,5
Время непрерывной работы (без отогрева пане-' ли), ч
Габаритные размеры, мм:
200
200
блока криооткачки
589Х455Х Х410
—
580Х455Х Х410
—
компресрорной установки
840Х 1090Х Х670
—
S40X 1090Х
Х670
—
Длина трубопроводов и кабелей, соединяющих блок криооткачки с компрессорной установкой, м
30
—
30
—
Периодичность технического обслуживания, ч
3 000
—
3 000
—
Ресурс, ч
Масса, кг:
15 000
10 000
15 000
5000
блока криооткачки
40
13
40
120
ком пр ессор нойу ста-
новки
270
—
270
Таблица 13.25
Таблица 13.25
Таблица 13.24
Таблица 13.24
Значение параметра для насоса
Значение параметра для насоса
Параметр
Значение параметра для насоса и агрегата (ЦВА)
(ЦВН)
ЦВН-1,5-3
ЦВН-0,3-2
ЦВА-1,5-3
ЦВА-0,3-1
Предельное остаточное давление, Па
2
6
2-10-8
2.10-8
Объем откачиваемого сосуда, м8
0,1
0,03
0,1
0,03
Параметр
Значение параметра для насоса и агрегата (ЦВА)
(ЦВН)
ЦВН-1,5-3
ЦВН-0,3-2
ЦВА-1,5-3
ЦВА-0,3-1
Предельное остаточное давление, Па
2
6
2-10-8
2.10-8
Объем откачиваемого сосуда, м8
0,1
0,03
0,1
0,03
Таблица 13.26
Таблица 13.26
Средняя температура сорбента 1см. формулу (13.23)1
2 1п (0,12/0,08) j
Удельная сорбционная емкость сорбента при рабочем давлении [см. (13.28), табл. 13.223 при учете режима регенерации
о=0,25-3,в-Ю-^-10-2 ехр[ 12560/(8,314-83)] == 1004 Па-м8/кг.
Поглотительная способность [см, (13.36)1
L = 1,23- 1,004 = 1,24.10’ Па-м*.
Предельное остаточное давление [см. (13.29)1
9,2-10-’ 4- 0,25.1,23-3,8-10-’ X
X ехр (12 560/(8,314-300)] - "пр- 1 9,2-10-’ + 0,25-1,23-3,8-Ю-’ X Х
X ехр [12 560/(8,314-83)1
х^ = 5,5-10- Па.
Быстрота откачки адсорбционного слоя за экраном 1см. (13.33)1
2-10-‘2-0,25-3,8-10-’ X
S = Х Мр [1256°/(8-314'83)1 . „ ад (7715) (1,5-10-’)’'=
= 1,65 м’/с.
Проводимость пористого экрана [см. (13.31) и (13.32)1
X 0,38’ У—-~ = 0,16 м’/с.
Действительная быстрота откачки ад- сорбциоиной кассеты [см. (13.31)1
1,65-0,16 А
S — ■ -и ।— = 0,146 м*/с.
Д (1,65-4-0,16)#
Теоретическая быстрота действия [см. (13.34), где Ра = лОаАс]
ST = 36.4-3.14'0,12-0,3 V300/28 = 13,5 м’/с
Коэффициент прилипания [см. (13.30)1 kn = 0,146/13,5 = 1,08-10-’.
Проводимость входного сечения адсорбционной полости [с«. (3.!7), где F = - 0,25 (dj - ©э)]
UBX =36.4-0,25л (Ог-°э) У^Й”
= 36,4.0,25.3.14 (0,2» — 0,12») У 300/28 == 2,39 м’/с.
Быстроту откачки на входе в адсорбционную полость определим графически. При йп = 1,08-10—* и А/Л = 2НС(О1 — — D^ = 2-0.3/(0,2 — 0,12) = 7,5 по графику (см. рис. 13.12) найдем S„_/O' _ = 0,05, откуда
вх = 0,05-2.39 = 0,12 м’/с.
Проводимость входного патрубка ( верстия)
Un = 36,4-0,25лОп VT2/M = 36'4,°'2Ь
Начальная быстрота действия иасоСа 1см. (13.35)1
So = 0,12.0,94/(0,12 + 0,94) = 0,11 м’/с.
Время работы насоса при заданных ; давлении и потоке газа [см. (13.39)1 '
= J^4--1-0!- In £0,11 -10-*/(5-10-*)J р 5-10-‘-Ю
= 1.96-10’ с.
Технические характеристикикрионасосов
Основные технические характеристики конденсационных насосов типа ГСВ приведены в табл. 13.24, насосов на базе холодильных газовых машин — в табл. 13.25, адсорбционных цеолитовых насосов и агрегатов — в табл. 13.26, адсорбционных насосов с пористыми экранами — в табл. 13.27.
Быстрота действия, дм3/с Предельное остаточное давление, Па: без прогрева с прогревом
Расход, дм3/ч: жидкого гелия жидкого азота
Емкость сосуда, ДМ8: гелиевого азотного
ПараметрЗиачевие параметра для насоса (ЦВН) в агрегата (ЦВА)ЦВН-1,5-3ЦВН-0,3-2ЦВА-1,5-3ЦВА-0,3-1Время откачкя (без учета времени предварительного охлаждения), ч'Расход жидкого азота, дм3/чМасса цеолита, кг Продолжительность регенерации при р = 106 Па, ч Мощность нагревателя, Вт1,00,51.53,03501.50,350,32,01302,90,753,0■ 3,03501,00,085 Л0,6 Л2-0 Л130 ЛПараметрЗиачевие параметра для насоса (ЦВН) в агрегата (ЦВА)ЦВН-1,5-3ЦВН-0,3-2ЦВА-1,5-3ЦВА-0,3-1Время откачкя (без учета времени предварительного охлаждения), ч'Расход жидкого азота, дм3/чМасса цеолита, кг Продолжительность регенерации при р = 106 Па, ч Мощность нагревателя, Вт1,00,51.53,03501.50,350,32,01302,90,753,0■ 3,03501,00,085 Л0,6 Л2-0 Л130 ЛПродолжение табл. 13.26 ]Продолжение табл. 13.26 ]РАЗДЕЛ 4> ВАКУУМНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ИСПЫТАНИЯРАЗДЕЛ 4> ВАКУУМНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ИСПЫТАНИЯГлава 14. ВакуумметрияГлава 14. ВакуумметрияПараметрКС4205 ‘1КС4023КС4107Быстрота действия по азоту, м8/с800,0200,025Масса сорбента, кг:СаЕН-4В6750,4800,680СКТ-4—0,3300,470Поглотительная способность поазоту, Па-м8, при давлении, Па:1,1-10-*3014010-3—12502,0-10*8-1033,4-10310 1—6.6-1082,8-103ПараметрКС4205 ‘1КС4023КС4107Быстрота действия по азоту, м8/с800,0200,025Масса сорбента, кг:СаЕН-4В6750,4800,680СКТ-4—0,3300,470Поглотительная способность поазоту, Па-м8, при давлении, Па:1,1-10-*3014010-3—12502,0-10*8-1033,4-10310 1—6.6-1082,8-103Таблица 13.27Таблица 13.27Значение параметра длн насосаЗначение параметра длн насосаЗначение параметра для насосаЗначение параметра для насосаПараметрПараметрНасос- секцняНасос- секцняБыстрота действия по азоту, м3/сМасса сорбента, кг:СаЕН-4ВСКТ-4Поглотительная способность по азоту, Па-м3, при давлении, Па:ю-3Быстрота действия по азоту, м3/сМасса сорбента, кг:СаЕН-4ВСКТ-4Поглотительная способность по азоту, Па-м3, при давлении, Па:ю-3Ю-1Ю-10,100- 0,1500,1650,0703,9002,7003,6002,5000,6003,5003,12-1083-103—5,10^8,1 -10*2,34-10*7,8-102'2,20-10*6-10^—42-10*1,89-10*1,80-10*4,8-10*—0,100- 0,1500,1650,0703,9002,7003,6002,5000,6003,5003,12-1083-103—5,10^8,1 -10*2,34-10*7,8-102'2,20-10*6-10^—42-10*1,89-10*1,80-10*4,8-10*—НКС-100 | НКС-100В | ВАН-160НКС-100 | НКС-100В | ВАН-160Примечания: 1, Предельное остаточное давление для всех указанных иасосов 10_* Па, диапазон рабочих давлений для насосов ИКС-100В и ВАН-160 р = 10 .., 10-* Па, для остальных — р — 10* ... 5-10_* Па. 2. Поглотительная способность дана для сорбентов СаЕН-4В (числитель) и СКТ-4 (знаменатель)-Примечания: 1, Предельное остаточное давление для всех указанных иасосов 10_* Па, диапазон рабочих давлений для насосов ИКС-100В и ВАН-160 р = 10 .., 10-* Па, для остальных — р — 10* ... 5-10_* Па. 2. Поглотительная способность дана для сорбентов СаЕН-4В (числитель) и СКТ-4 (знаменатель)-эту зависимость приводят в паспортеэту зависимость приводят в паспортеРис. 14.1. Погрешность в диапазоны измерений промышленных (сплошные линии) и лабораторных (штриховые линии) вакуумметров:Рис. 14.1. Погрешность в диапазоны измерений промышленных (сплошные линии) и лабораторных (штриховые линии) вакуумметров:
Параметр
Зиачевие параметра для насоса (ЦВН) в агрегата (ЦВА)
ЦВН-1,5-3
ЦВН-0,3-2
ЦВА-1,5-3
ЦВА-0,3-1
Время откачкя (без учета времени предварительного охлаждения), ч'
Расход жидкого азота, дм3/ч
Масса цеолита, кг Продолжительность регенерации при р = 106 Па, ч Мощность нагревателя, Вт
1,0
0,5
1.5
3,0
350
1.5
0,35
0,3
2,0
130
2,9
0,75
3,0
■ 3,0
350
1,0
0,085 Л
0,6 Л
2-0 Л
130 Л
Параметр
Зиачевие параметра для насоса (ЦВН) в агрегата (ЦВА)
ЦВН-1,5-3
ЦВН-0,3-2
ЦВА-1,5-3
ЦВА-0,3-1
Время откачкя (без учета времени предварительного охлаждения), ч'
Расход жидкого азота, дм3/ч
Масса цеолита, кг Продолжительность регенерации при р = 106 Па, ч Мощность нагревателя, Вт
1,0
0,5
1.5
3,0
350
1.5
0,35
0,3
2,0
130
2,9
0,75
3,0
■ 3,0
350
1,0
0,085 Л
0,6 Л
2-0 Л
130 Л
Продолжение табл. 13.26 ]
Продолжение табл. 13.26 ]
РАЗДЕЛ 4
> ВАКУУМНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ИСПЫТАНИЯ
РАЗДЕЛ 4
> ВАКУУМНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ИСПЫТАНИЯ
Глава 14. Вакуумметрия
Глава 14. Вакуумметрия
Параметр
КС4205 ‘1
КС4023
КС4107
Быстрота действия по азоту, м8/с
80
0,020
0,025
Масса сорбента, кг:
СаЕН-4В
675
0,480
0,680
СКТ-4
—
0,330
0,470
Поглотительная способность по
азоту, Па-м8, при давлении, Па:
1,1-10-*
30
140
10-3
—
12
50
2,0-10*
8-103
3,4-103
10 1
—
6.6-108
2,8-103
Параметр
КС4205 ‘1
КС4023
КС4107
Быстрота действия по азоту, м8/с
80
0,020
0,025
Масса сорбента, кг:
СаЕН-4В
675
0,480
0,680
СКТ-4
—
0,330
0,470
Поглотительная способность по
азоту, Па-м8, при давлении, Па:
1,1-10-*
30
140
10-3
—
12
50
2,0-10*
8-103
3,4-103
10 1
—
6.6-108
2,8-103
Таблица 13.27
Таблица 13.27
Значение параметра длн насоса
Значение параметра длн насоса
Значение параметра для насоса
Значение параметра для насоса
Параметр
Параметр
Насос- секцня
Насос- секцня
Быстрота действия по азоту, м3/с
Масса сорбента, кг:
СаЕН-4В
СКТ-4
Поглотительная способность по азоту, Па-м3, при давлении, Па:
ю-3
Быстрота действия по азоту, м3/с
Масса сорбента, кг:
СаЕН-4В
СКТ-4
Поглотительная способность по азоту, Па-м3, при давлении, Па:
ю-3
Ю-1
Ю-1
0,100
- 0,150
0,165
0,070
3,900
2,700
3,600
2,500
0,600
3,500
3,12-108
3-103
—
5,10^
8,1 -10*
2,34-10*
7,8-102'
2,20-10*
6-10^
—42-10*
1,89-10*
1,80-10*
4,8-10*
—
0,100
- 0,150
0,165
0,070
3,900
2,700
3,600
2,500
0,600
3,500
3,12-108
3-103
—
5,10^
8,1 -10*
2,34-10*
7,8-102'
2,20-10*
6-10^
—42-10*
1,89-10*
1,80-10*
4,8-10*
—
НКС-100 | НКС-100В | ВАН-160
НКС-100 | НКС-100В | ВАН-160
Примечания: 1, Предельное остаточное давление для всех указанных иасосов 10_* Па, диапазон рабочих давлений для насосов ИКС-100В и ВАН-160 р = 10 .., 10-* Па, для остальных — р — 10* ... 5-10_* Па. 2. Поглотительная способность дана для сорбентов СаЕН-4В (числитель) и СКТ-4 (знаменатель)-
Примечания: 1, Предельное остаточное давление для всех указанных иасосов 10_* Па, диапазон рабочих давлений для насосов ИКС-100В и ВАН-160 р = 10 .., 10-* Па, для остальных — р — 10* ... 5-10_* Па. 2. Поглотительная способность дана для сорбентов СаЕН-4В (числитель) и СКТ-4 (знаменатель)-
эту зависимость приводят в паспорте
эту зависимость приводят в паспорте
Рис. 14.1. Погрешность в диапазоны измерений промышленных (сплошные линии) и лабораторных (штриховые линии) вакуумметров:
Рис. 14.1. Погрешность в диапазоны измерений промышленных (сплошные линии) и лабораторных (штриховые линии) вакуумметров:
Классификация
Полное давление измеряют специальными приборами — манометрами. Манометры, предназначенные для измерения давлении меньше атмосферного, называют- вакуумметрами. Основным элементом вакуумметров является измерительный преобразователь давления (ПД). Кроме того, как правило, они включают измерительный блок (ИБ). ПД — устройство, вакуумно-плотно присоединяемое к вакуумной камере, воспринимающее непосредственно измеряемое давление и преобразующее его в другую физическую величину. ИБ вакуумметра — устройство, обеспечивающее требуемый электрический режим работы ПД, усиление и измерение его выходного сигнала.
Вакуумметры классифицируют по принципу действия и методу измерения давления. На рис. 14.1 приведены погрешности и диапазоны давлений, измеряемых вакуумметрами различных классов.
По методу измерения различают вакуумметры, основанные на прямых и косвенных измерениях давления. К первой группе относят вакуумметры, измеряющие непосредственно давление как отношение силы к площади чувствительного элемента. Это жидкостные, грузопоршневые и деформационные вакуумметры, отличающиеся независимостью показаний от рода газа. Наименьшее давление, которое можно измерить вакуумметрами этой группы, 10~* ... 10~6 Па. Ко второй группе относят вакуумметры, принцип действия которых основан на использовании зависимости некоторых физических процессов от давления. Такие вакуумметры измеряют физические величины, связанные с давлением определенными функциональными зависимостями (силу тока, напряжение, ЭДС,
частоту и др.). Это — ионизационные, вязкостные, радиометрические и тепловые вакуумметры; ях показания зависят от рода газа. Диапазон измерений и вид градуировочной характеристики устанавливают по результатам их градуировки для соответствующего газа с использованием образцовых средств измерений. Диапазоны измерений и погрешности современных образцовых вакуумметров различных классов показаны на рис. 14.2.
Метрические характеристики промышленных вакуумметров обычно приводят для воздуха или азота. Шкалы вакуумметров градуируют в единицах давления, относительных единицах или в единицах физической величины, связанной с давлением определенной функциональной зависимостью. Для вакуумметров с нелинейной градуировочной характеристикой
3, 7 — ионизационных (Z — магнитных электрораэрядных, 3 — электронных, 7 — радиоизотопных); 2 — тепловых; 4 — вязкостных; 5 — деформационных; 6 — жидкостных
Рис. 14.2. Погрешности и диапазоны измерения образцовых вакуумметров:Рис. 14.2. Погрешности и диапазоны измерения образцовых вакуумметров:
Рис. 14.2. Погрешности и диапазоны измерения образцовых вакуумметров:
Рис. 14.2. Погрешности и диапазоны измерения образцовых вакуумметров:
/ — мембранных; 2 — жидкостных (компрессионных); 3 — ионизационных электронных; 4 — тепловых; 5 — вязкостных
Некоторые приборы этой группы позволяют измерять давлеиве до 10~13 Па.
Жидкостные вакуумметры
Принцип действия жидкостных вакуумметров основан на уравновешивании измеряемого давления или разности давлений давлением столба жидкости. Об измеряемом давлении судят по высоте уравновешивающего столба жидкости, т. е. измерение давления сводится к измерению линейной величины. В этих вакуумметрах жидкость является чувствительным элементом, реагирующим на изменения давления. Жидкостные вакуумметры подразделяют на U-образные и компрессионные.
U-образиые вакуумметры — жидкостные вакуумметры, состоящие из
Рис. 14.3. 17-образные вакуумметры с от- крытым (с) и закрытым (б) коленом
сообщающихся сосудов, в которых ,< измеряемое давление определяют по ' одному или нескольким уровням жид- ’ кости. Простейший U-образный | вакуумметр представляет собой изо- j гнутую в виде буквы U стеклянную трубку постоянного сечения, запол- § иенную рабочей жидкостью. Для ( исключения . погрешности измерений, а вызванной действием капиллярных 5 сил, внутренний диаметр стеклянной J трубки должен быть не менее 7 мм. Один конец трубки соединяют с ва- ■ куумной системой, другой может быть открытым нли запаянным (рис. 14.3).
Давление в закрытом колене должно быть значительно меньше измеряе
мого. Для поддержания давления на 4 этом уровне применяют периодическую или постоянную откачку. Измеряемое давление р, Па:
для манометра с открытым коленом
Р = Ра —Рж8^1
для манометра с закрытым коленом^ Р = Рж£ АЛ,
где ра — атмосферное давление, Па; Рж — плотность рабочей жидкости-1 при температуре измерения, кг/м3; g — ускорение свободного падения, м/с3; Д/г — разность уровней жидкости, м.
Диапазон измеряемых давлений зависит от свойств жидкости, геометрических размеров прибора и способа определения уровня жидкости. В качестве рабочей выбирают жидкость с малыми давлением насыщенного пара и способностью к растворению газов. Для измерения давлений, близких^ и атмосферному, необходимо выбирать! жидкости большой плотности (ртуть)! а для измерения самых малых данлеЯ иий — жидкости с минимальной плот! иостью. Ниже указана плотность рЕ кг/м8, различных жйдкостей при Т =■ = 293 К:Я
Вода
Спирт этиловый
Дибутилфталат
Ртуть
Масло:
вм-з
ВМ-5
5Ф4Э
Погрешность измерения давления определяется В первую очередь погрешностью отсчета уровня жидкости, неравномерностью сечения трубок, влиянием температуры и др.
Нижний предел измеряемого давления ограничивается возможностью измерения с требуемой точностью малой разности уровней в соответствии с формулой
Pmtn ~ 19 3Рж§ Д^тШ = 10 1рж§Од/б» где A/imltt — минимально допускаемая разность уровней, мм; ah — абсолютная погрешность отсчета уровней, мм; 6 — требуемая относительная погрешность измерения, %.
Значения минимального давления Pmin, измеряемого с погрешностью 10% , при различной абсолютной погрешности ah отсчета уровней ртути и масла ВМ-З приведены в табл. 14.1.
На практике используют различные U-образные вакуумметры — чашечный, ' укороченный, наклонный, поплавковый, двухжидкостный с переменным сечением трубки и др. Наиболее распространен укороченный двухтрубный вакуумметр. Ниже приведен диапазон измеряемых давлений, гПа, для промышленных двухтрубных вакуумметров типа МВ (абсолютная погрешность измерения для всех вакуумметров ±0,196 гПа); । МВ 9,8 •. . . 0 ... 9,8
МВ 15,68 0... 15,68
МВ 24,5 0... 24,5
МВ 39,2 0... 39,2
МВ 58,8 0... 58,8
МВ 98,0 0... 98,0
Компрессионный вакуумметр — жидкостный вакуумметр, в котором для измерения абсолютного давления разреженного газа последний предварительно сжимают. Принцип действия вакуумметра (рнс. 14.4) следующий. Находящийся в измерительном баллоне 3 объемом V газ, давление р которого необходимо измерить, сжимается в измерительном капилляре 2 до некоторого объема 7г вследствие принудительного подъема жидкости из резервуара 4. Давление рх в измерительном капилляре уравновешивается давлением столба жидкости
Таблица 14.1
Способ
Pmln
, Па
отсчета
ah*
уровня
мм
ртуть
масло ВМ-З
Линейкой
1.0
1,3-103
83,0
Нониусным устройством
0,1
1,3- 10s
8,3
штангенциркуля Катетометром
0,02
27,0
1,7
Интерференционный
Ю-®
1,3-10~2
8,3-10-4
в сравнительном капилляре 1 и давлением газа в вакуумной системе:
Рх = pVjVx = p>„g | h2 — hx | + р. Измеряемое давление, Па:
Р = Cp^g | h0 — hx j | h2 — hx | X
X 1О-3/(1-С|Ло-Л1|), где С = 0,25лбР/У — постоянная вакуумметра, мм-1; % — координата вер- шины запаянного конца капилляра, мм; d — внутренний диаметр измерительного капилляра, мм.
В качестве рабочей жидкости чаще всего используют ртуть, так как она
не смачивает стекло и плохо растворяет газы. При работе с компрессионным вакуумметром разности _лс — ht и й2 — /ij не должны быть меньше 7. мм.
Применяют три способа измерения давления компрессионным вакуум-, метром:
уровень ртути в измерительном капилляре поднимают до определенного значения ht и получают линейную зависимость давления от разности уровней Аа — ^1 (способ позволяет измерять давления в узком диапазоне);
уровень ртути в сравнительном капилляре доводят до конца запаянного капилляра (йа — й0) и получают квадратичную зависимость давления от разности уровней йд — ht, т. е. р ~ (Йо — Й!)2;
уровень ртути в измерительном капилляре повышают до получения максимально возможной разности уровней в капиллярах, соблюдая-усло-
Первые два способа определения
пользоватьсяпользоватьсядавления позволяют
пользоваться
пользоваться
графиком или таблицей, но высокой
точности установления заданного уровня ртути добиться весьма сложно. Третий способ, лишенный этого недостатка, предпочтительный. Погрешности измерения компрессион- . иыми вакуумметрами обусловлены погрешностями определения постоянной вакуумметра и уровней ртути в капиллярах, депрессией ртути в капиллярах, отличием формы мениска ртути от формы запаянного конца измерительного капилляра, степенью точности принятых в расчет значений g и рж, а также погрешностью из-за . откачивающего действия струи ртутного пара, направленной нз компрессионного вакуумметра к вымораживающей ртутные пары ловушке.
Компрессионные вакуумметры обычных конструкций позволяют измерять давление в диапазоне 10-3 ... 4-103 Па. Минимальная погрешность измерения 1 . ..3%. Обычно компрессионные вакуумметры применяют в качестве образцовых приборов.
Деформационные вакуумметры
В деформационных вакуумметрах давление определяют по деформации упругого элемента под действием раз-
давления в трубке поддавления в трубке подиости давлений. Их показания и зависят от рода газа. Такие вакуум метры различают по типу чувстви тельного элемента и способу измерени деформации.
давления в трубке под
давления в трубке под
По типу чувствительного элемент вакуумметры подразделяют на труб чатые, сильфонные и мембранные. Д формацию чувствительного элемент определяют механическими, оптнч скими илн электрическими способами'! В последнем случае для определения деформации применяют тензопреобра- зователи, индукционные, механо- тронные и другого типа датчики, обеспечивающие преобразование линейного (механического) перемещения чувствительного элемента в электрический сигнал (сила тока, напряжение, частота).
Трубчатые (пружинные) вакуумметры (трубки Бурдона) представляют собой запаянную с одного конца тонко- ' стенную трубку эллиптического сечення, изогнутую по дуге окружности (пружину); другой конец трубки соединяют с вакуумной системой. При
изменении
действнем разности давлений между наружным (атмосферным) и давлением внутри трубки меняется радиус ее кривизны, что приводит к перемещению запаянного конца трубки и повороту ’ на некоторый угол стрелки, связанной с ним системой зубчатых передач. Показания прибора зависят от атмосферного давления. Обычно атмосферному давлению соответствует нулевое показание прибора. Измеряемое давление, Па:
р = ра(1 — n/N), где п — отсчет измеряемого давления в делениях шкалы; N — число делений шкалы прибора, соответствующее разности показаний при р — р& и Р = 0.
В табл. 14.2 и 14.3 приведены основные технические характеристики
соот-соот-промышленныхпромышленныхвакуумметров — (рис. 14.5)
соот-
соот-
промышленных
промышленных
ветственно трубчатоговетственно трубчатогои сильфонного типов.
ветственно трубчатого
ветственно трубчатого
Применение механотронного преобразователя перемещения позволяет повысить чувствительность деформационного вакуумметра сильфонного типа, а использование набора мехаио-
ВакуумметрМодельКласс точностиВерхний х предел измерений, МПаГабаритные размеры (см. рнс 14.5), ммD^1А.А.Образцовый (ВО)1120112270,40,250,11602502053101251656090Точных измерений (ВТИ).12180,6; 1,00,06; 0,116020512560ВакуумметрМодельКласс точностиВерхний х предел измерений, МПаГабаритные размеры (см. рнс 14.5), ммD^1А.А.Образцовый (ВО)1120112270,40,250,11602502053101251656090Точных измерений (ВТИ).12180,6; 1,00,06; 0,116020512560Таблица 14.2 -Таблица 14.2 -Примечание. Для вакуумметров указанных моделей d = 27 ммПримечание. Для вакуумметров указанных моделей d = 27 ммтронов — расширить диапазон измерения.
Вакуумметр
Модель
Класс точности
Верхний х предел измерений, МПа
Габаритные размеры (см. рнс 14.5), мм
D
^1
А.
А.
Образцовый (ВО)
11201
1227
0,4
0,25
0,1
160
250
205
310
125
165
60
90
Точных измерений (ВТИ).
1218
0,6; 1,0
0,06; 0,1
160
205
125
60
Вакуумметр
Модель
Класс точности
Верхний х предел измерений, МПа
Габаритные размеры (см. рнс 14.5), мм
D
^1
А.
А.
Образцовый (ВО)
11201
1227
0,4
0,25
0,1
160
250
205
310
125
165
60
90
Точных измерений (ВТИ).
1218
0,6; 1,0
0,06; 0,1
160
205
125
60
Таблица 14.2 -
Таблица 14.2 -
Примечание. Для вакуумметров указанных моделей d = 27 мм
Примечание. Для вакуумметров указанных моделей d = 27 мм
Цифровой блокировочный широкодиапазонный вакуумметр сильфонного типа ВМБ-133/1,3-002 выполнен на базе четырех механотронов.
Габаритные размеры вакуумметра 520Х 174X570 мм, масса 15 кг, цифровой отсчет в Па и в мм рт. ст., автоматическое переключение диапазонов, аналоговый выход 0 ... 10 В, приведенная погрешность 3%. Ниже указаны диапазоны измерений, Па, механотроиных преобразователей:
6МДХ12С0,13.. 1,3-102
6МДХ4С1,3...1,3-103
6МДХ5С13...1,3-10*
Рис. М.5. Габаритный чертеж трубчатого вакуум метраРис. М.5. Габаритный чертеж трубчатого вакуум метра6МДХ11С6,7-103 ... 10s
Рис. М.5. Габаритный чертеж трубчатого вакуум метра
Рис. М.5. Габаритный чертеж трубчатого вакуум метра
измерения давления агрессивных газовых сред.
Основные недостатки сильфонных преобразователей давления — их высокая чувствительность к вибрациям и гистерезис, градуировочной характеристики вследствие консольности чувствительного элемента н его больших линейных деформаций. Этих недостатков лишены преобразователи с мембранным чувствительным элементом.
ВакуумметрМодельВерхний предел измерений р, МПаКласс точностиВС-Э192230,0251,0; 1,595230,04 0,060,10,6; 1,0; 1,5/0,6; 1,0; 1,50,6: 1,0; 1,5МАС-Э1923195310,04 0,060,11,51,0; 1,51,0; 1,592330,0062,5МАС-ЭЗ95330,010,0160,025_ 0,041,5; 2,51,0; 1,50,6; 1,0; 1,50,6; 1,0; 1,5ВакуумметрМодельВерхний предел измерений р, МПаКласс точностиВС-Э192230,0251,0; 1,595230,04 0,060,10,6; 1,0; 1,5/0,6; 1,0; 1,50,6: 1,0; 1,5МАС-Э1923195310,04 0,060,11,51,0; 1,51,0; 1,592330,0062,5МАС-ЭЗ95330,010,0160,025_ 0,041,5; 2,51,0; 1,50,6; 1,0; 1,50,6; 1,0; 1,5Чувствительные элементы мех анотронов (сильфоны) выполнены из коррозионно-стойкой стали 36НХТЮ, что позволяет использовать их дляЧувствительные элементы мех анотронов (сильфоны) выполнены из коррозионно-стойкой стали 36НХТЮ, что позволяет использовать их дляТаблица 14.3Таблица 14.3Б мембранных вакуумметрах чувствительным элементом служит тонкая плоская или гофрированная герметичная мембрана (реже мембранная маио-
Вакуумметр
Модель
Верхний предел измерений р, МПа
Класс точности
ВС-Э1
9223
0,025
1,0; 1,5
9523
0,04 0,06
0,1
0,6; 1,0; 1,5
/0,6; 1,0; 1,5
0,6: 1,0; 1,5
МАС-Э1
9231
9531
0,04 0,06
0,1
1,5
1,0; 1,5
1,0; 1,5
9233
0,006
2,5
МАС-ЭЗ
9533
0,01
0,016
0,025
_ 0,04
1,5; 2,5
1,0; 1,5
0,6; 1,0; 1,5
0,6; 1,0; 1,5
Вакуумметр
Модель
Верхний предел измерений р, МПа
Класс точности
ВС-Э1
9223
0,025
1,0; 1,5
9523
0,04 0,06
0,1
0,6; 1,0; 1,5
/0,6; 1,0; 1,5
0,6: 1,0; 1,5
МАС-Э1
9231
9531
0,04 0,06
0,1
1,5
1,0; 1,5
1,0; 1,5
9233
0,006
2,5
МАС-ЭЗ
9533
0,01
0,016
0,025
_ 0,04
1,5; 2,5
1,0; 1,5
0,6; 1,0; 1,5
0,6; 1,0; 1,5
Чувствительные элементы мех анотронов (сильфоны) выполнены из коррозионно-стойкой стали 36НХТЮ, что позволяет использовать их для
Чувствительные элементы мех анотронов (сильфоны) выполнены из коррозионно-стойкой стали 36НХТЮ, что позволяет использовать их для
Таблица 14.3
Таблица 14.3
Измерительный комплексДиапазон измерений, кПаОтносительная погрешность выходного сигнал-а, %Масса, кгДлина 1, ммИКДбТДа-100,13 ... 1,30,85128128ИКД6ТДа-200,13 ... 2,63128ИКД6ТДа-308,13 ... 3,9128ИКД6ТДа-50*0,13 ... 6,5■ 128110ИКДбТДа-100‘о,13 ... 130,7ИКД6Т Да-2000,13 ... 26110ИКД6ТДа-2500,13 ... 321,0ПОИКД6ТДа-4000,13 ... 52105ИКД6ТДа-8000,13 ... 100*Измерительный комплексДиапазон измерений, кПаОтносительная погрешность выходного сигнал-а, %Масса, кгДлина 1, ммИКДбТДа-100,13 ... 1,30,85128128ИКД6ТДа-200,13 ... 2,63128ИКД6ТДа-308,13 ... 3,9128ИКД6ТДа-50*0,13 ... 6,5■ 128110ИКДбТДа-100‘о,13 ... 130,7ИКД6Т Да-2000,13 ... 26110ИКД6ТДа-2500,13 ... 321,0ПОИКД6ТДа-4000,13 ... 52105ИКД6ТДа-8000,13 ... 100*1 Диаметр комплексов 86 мм.1 Диаметр комплексов 86 мм.Нет отчетного устройства. Выходной си™алНет отчетного устройства. Выходной си™алПпимечаиие Нет отчетного устройства. Выходной сигнал — напряжение от 0 до 6 В. Нелинейность характеристики не превышает ±3/6, для приборов типа 10 и 20 ие более ±1,5 А.Ппимечаиие Нет отчетного устройства. Выходной сигнал — напряжение от 0 до 6 В. Нелинейность характеристики не превышает ±3/6, для приборов типа 10 и 20 ие более ±1,5 А.тростатическими метод измерения).тростатическими метод измерения).а также механо-а также механо-метрическая коробка), по прогибу которой под действием разности давлений судят об измеряемом давлении. По одну сторону от мембраны давление пренебрежимо мало по сравнению с измеряемым, что обеспечивает возможность измерения абсолютного давления. Для определения прогиба мембраны применяют оптические и (чаще) электрические методы. В последнем случае прогиб измеряют' с помощью тензопреобразователей или способом компенсации прогиба мембраны элек- силами (нулевой
Измерительный комплекс
Диапазон измерений, кПа
Относительная погрешность выходного сигнал-а, %
Масса, кг
Длина 1, мм
ИКДбТДа-10
0,13 ... 1,3
0,85
128
128
ИКД6ТДа-20
0,13 ... 2,6
3
128
ИКД6ТДа-30
8,13 ... 3,9
128
ИКД6ТДа-50
*0,13 ... 6,5
■ 128
110
ИКДбТДа-100
‘о,13 ... 13
0,7
ИКД6Т Да-200
0,13 ... 26
110
ИКД6ТДа-250
0,13 ... 32
1,0
ПО
ИКД6ТДа-400
0,13 ... 52
105
ИКД6ТДа-800
0,13 ... 100
*
Измерительный комплекс
Диапазон измерений, кПа
Относительная погрешность выходного сигнал-а, %
Масса, кг
Длина 1, мм
ИКДбТДа-10
0,13 ... 1,3
0,85
128
128
ИКД6ТДа-20
0,13 ... 2,6
3
128
ИКД6ТДа-30
8,13 ... 3,9
128
ИКД6ТДа-50
*0,13 ... 6,5
■ 128
110
ИКДбТДа-100
‘о,13 ... 13
0,7
ИКД6Т Да-200
0,13 ... 26
110
ИКД6ТДа-250
0,13 ... 32
1,0
ПО
ИКД6ТДа-400
0,13 ... 52
105
ИКД6ТДа-800
0,13 ... 100
*
1 Диаметр комплексов 86 мм.
1 Диаметр комплексов 86 мм.
Нет отчетного устройства. Выходной си™ал
Нет отчетного устройства. Выходной си™ал
Ппимечаиие Нет отчетного устройства. Выходной сигнал — напряжение от 0 до 6 В. Нелинейность характеристики не превышает ±3/6, для приборов типа 10 и 20 ие более ±1,5 А.
Ппимечаиие Нет отчетного устройства. Выходной сигнал — напряжение от 0 до 6 В. Нелинейность характеристики не превышает ±3/6, для приборов типа 10 и 20 ие более ±1,5 А.
тростатическими метод измерения).
тростатическими метод измерения).
а также механо-
а также механо-
Рис. 14.6. Габаритный чертеж преобразователя <Сапфнр-22»
Таблица 14.4Таблица 14.4тронными, индукционными' и струнными методами.
Таблица 14.4
Таблица 14.4
Мембранные деформационные вакуумметры с оптико-механической деформацией мембраны выпускают двух типов: ОМ6 и ОМ7. Масса вакуумметров 3.5 кг, габаритные размеры 160X98X250 мм. Верхние пределы измерений вакуумметров типа ОМ6: 1,3; 2,7; 4,0; 7>, 10; 130; 270 и 400 кПа: класс точности 1,0. Вакуумметр ОМ7 имеет веохний предел измерений 0,13 кПа. класс точности 2,5.
Характеристики мембранных деформационных измерительных комплексов давлений с индукционным преобразователем деформации (типа ИКДбТДа) приведены в табл. 14.4. Высокая точность измерений давления приборами типа ОМ способствует их применению в качестве образцовых при градуировке и поверке рабочих средств измерений, однако отсутствие электрического выходного сигнала не позволяет применять их в автоматизированном оборудовании.
Для непрерывного преобразования значения измеряемого давления в унифицированный токовый сигнал в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами можно приме-
нить мембранные измерительные преобразователи типа «Сапфнр-22э (рис. 14.6) с тензопреобразователями (табл. 14.5); предельные значения выходных сигналов 0 ... 5; 0 ... 20 мА или 4 ... 20 мА постоянного тока.
Наиболее распространен емкостный способ определения прогиба мембраны. При этом мембрана вместе с дополнительным неподвижным электродом образует обкладки электрического конденсатора, емкость которого зависит от измеряемого давления ри. При незначительных прогибах относительное изменение емкости конденсатора прямо пропорционально давлению. что позволяет получить линейную зависимость выходного сигнала (/вых вакуумметру от давления.
Для уменьшения влияния окружающей температуры на дрейф нули в вакуумированной камере устанавливают дополнительный электрод, расположенный около наружной поверх^ иости мембраны. При этом для определения давления измеряют разность емкостей двух конденсаторов. Схема сравнения вырабатывает напряжение постоянного тока, пропорциональное
Рис. 14.7. Принципиальная схема мембранно-емкостного преобразователя давление (а) и структурная схема (Я) его измерительного устройства:Рис. 14.7. Принципиальная схема мембранно-емкостного преобразователя давление (а) и структурная схема (Я) его измерительного устройства:I — вакуумированная камера; 2 — обкладки конденсаторов; j -■ мембрана; 4 — измерительна я камера; Г ■— генератор переменного напряжения (30 ... 50 кГц); СР — схема сравнения; У ПТ — усилитель постоя иного тока; Д — регулятор ие линейности
Рис. 14.7. Принципиальная схема мембранно-емкостного преобразователя давление (а) и структурная схема (Я) его измерительного устройства:
Рис. 14.7. Принципиальная схема мембранно-емкостного преобразователя давление (а) и структурная схема (Я) его измерительного устройства:
3SПреобразователь»iо6чS Sи5кX2,51,04,01,020206,00,54,010,00,25;0,560,5Сапфир-22 ДА20301016250,2540405,02040601000,25;1600,52500,251,00,40,50,60,522101,00,258,01,00,5,1,60,251,60,52,50,252,522204,04,0Сапфир-22ДВ6,010,00,5'6,010,0162230250,25250,55 0400,25400,5402240600,25;1000,53SПреобразователь»iо6чS Sи5кX2,51,04,01,020206,00,54,010,00,25;0,560,5Сапфир-22 ДА20301016250,2540405,02040601000,25;1600,52500,251,00,40,50,60,522101,00,258,01,00,5,1,60,251,60,52,50,252,522204,04,0Сапфир-22ДВ6,010,00,5'6,010,0162230250,25250,55 0400,25400,5402240600,25;1000,5Таблица 14.5Таблица 14.5Примечание. Размеры преобразователей (см. рис. 14.6): h = 112 мм; D = НО мм; для модели 2210 — Н = = 255 мм; L = 182 мм; для остальных моделей, приведенных в таблице, Н = 205 мм, L = 136 мм.
3S
Преобразователь
»i
о
6
ч
S S
и
5
к
X
2,5
1,0
4,0
1,0
2020
6,0
0,5
4,0
10,0
0,25;
0,5
6
0,5
Сапфир-22 ДА
2030
10
16
25
0,25
40
40
5,0
2040
60
100
0,25;
160
0,5
250
0,25
1,0
0,4
0,5
0,6
0,5
2210
1,0
0,25
8,0
1,0
0,5
,1,6
0,25
1,6
0,5
2,5
0,25
2,5
2220
4,0
4,0
Сапфир-22ДВ
6,0
10,0
0,5'
6,0
10,0
16
2230
25
0,25
25
0,5
5 0
40
0,25
40
0,5
40
2240
60
0,25;
100
0,5
3S
Преобразователь
»i
о
6
ч
S S
и
5
к
X
2,5
1,0
4,0
1,0
2020
6,0
0,5
4,0
10,0
0,25;
0,5
6
0,5
Сапфир-22 ДА
2030
10
16
25
0,25
40
40
5,0
2040
60
100
0,25;
160
0,5
250
0,25
1,0
0,4
0,5
0,6
0,5
2210
1,0
0,25
8,0
1,0
0,5
,1,6
0,25
1,6
0,5
2,5
0,25
2,5
2220
4,0
4,0
Сапфир-22ДВ
6,0
10,0
0,5'
6,0
10,0
16
2230
25
0,25
25
0,5
5 0
40
0,25
40
0,5
40
2240
60
0,25;
100
0,5
Таблица 14.5
Таблица 14.5
Вакуумметр
Диапазонизменений.
5 = 3
Sa5
£ о я О в я
ВДГ-1
10 ... 10*
10
ВД-1
1,3 ...
1,3-10*
ВД-2
1,3- 10-а ...
13,3
ПДД-МОА
1,3 ...
1,3-10*
5
РДД-1 (реле)
0,13 ... 133
41 О ИЮ " 2
я ч
10,0
5,8
4,0
1,0
1,0
Габарит-ные раз-мерыизмери-тельногоблока,мм
165Х
Х230Х
Х420
120Х
X 158ХХ345
270Х
X 120ХХ173
0 83Х
Х212
Примечание
Цифровой с одним каналом блокировки; аналоговый выход 0 ... 10 В; коррозионностойкий преобразователь
Таблица 14.6
Стрелочный; нет аналогов го выходного сигнала
Аналоговый сигнал 0 ... 10В на полный диапазон, пропорциональный измеряемому давлению. Питание от источника постоянного иа- пряжеяня ±15 В. Нет отсчетного устройства
разности измеряемых емкостей. Для получения линейной зависимости выходного сигнала от давления применяют регулятор нелинейности, создающий нелинейность характеристики измерительного устройства для обеспечения коррекций градуировочной характеристики преобразователя.
Принципиальная схема преобразователя и схема измерения прогиба мембраны емкостным способом приведены на рис. 14.7.
Мембранные вакуумметры емкостного типа обладают наивысшей чувствительностью по сравнению с деформационными выкуумметрами всех типов. Они позволяют измерять давление от 10* до 10~* Па, причем одним
14.4. Тепловые вакуумметры
Принцип действия тепловых вакуумметров основан на зависимости теплопроводности разреженного газа от давления. Давление измеряют косвенным методом, т. е. измеряют какую- либо физическую величину, которая зависит от тепловой энергии, отводимой газом от чувствительного элемента вследствие теплопроводности. Вид зависимости этой физической величины от давления устанавливают экс-
преобразователем можно измерять давления, различающиеся на 3—4 порядка. Характеристики промышленных мембранных вакуумметров приведены в табл. 14.6.
0 87Х Возможность регулирова Х235 иия порога срабатывания
пернментально градуировкой вакуумметра по образцовому средству измерения. Градуировочные характеристики тепловые вакуумметров нелинейны.
Преобразователь давления теплового вакуумметра представляет собой баллон, внутри которого расположен , нагреваемый • электрическим током чувствительный элемент (обычно нить). По конструкции тепловые преобразователя подразделяют на термопарные и терморезисторные.
Существуют два способа измерения давления тепловыми вакуумметрами: прн постоянном токе нагревания (накала) чувствительного элемента и прн постоянной температуре нити. Первый способ обеспечивает большую чувствительность прибора при ннзкнх давлениях, второй — расширение диапазона измерений в сторону высоких давлений.
Электрические схемы питания термопарного и терморезнсторного .-преобразователей даны на рис. 14.8.
Преобразователя могут работать в режимах постоянной силы тока нли постоянной температуры ннтн. Мерой давления прн работе по методу постоянной температуры ннтн является сила тока нагрева, напряжение нли мощность, подводимые к нити, прн работе по методу постоянной силы тока — температура нити, которую, определяют по ее сопротивлению (терморезисторные преобразователи), с помощью термопары (термопарные преобразователи), по изменению натяжения нити (струнные частотные тепловые преобразователи), изменению линейных размеров или, угла изгиба чувствительного элемента (биметаллические реле).
Т епловые вакуумметры измеряют полное давление газов и паров в диапазоне 10-2 ... 104 Па. Они не выходят из строя прн нарушениях герметич- аостн до атмосферного давления в преобразователе . (температура нити ие превышает 420 К)- Возможность измерения ннзкнх давлений ограничена влиянием побочного теплообмена, ito обусловливает малое отношение -ющностн, отводимой от нити газом, с мощности, например, теплового излучения ннтн. Нижний предел измерений может быть смещен на один-два
Рис. 14.8. Электрические схемы питания термопарного (а) и терморезнсторного (<Г) преобразователей:
1, 4 — преобразователи (/ — термопарный, 4 — терморезисторный): 2 — иагре- ’ веемая нить; 3 — термопара
порядка в область низких давлений повышением чувствительности прибора прн охлаждении корпуса преобразователя до температуры жидкого азота. Верхний предел измерений ограничен давлением, при котором теплопроводность газа не зависит от давления (длина свободного пути молекул становится меньше расстояния между нагретым элементом и стенкой). Верхний предел измерений можно увеличить вплоть до атмосферного давления использованием конвективной теплопередачи. Характеристики такого' конвекционного вакуумметра сильно зависят от ориентации преобразователя в пространстве.
Зависимость теплопроводности от рода газа обусловливает зависимость
Рис. 14.9. Градуировочные характеристики преобразователей терморезисторного ПМТ-6 (кривые /, 2) и термопарного ПМТ-2 (кривые 3, 4^ работающих в режиме постоянной температуры инти: /, 3 — для паров воды; 2, 4 — для азота
от него показаний тепловых вакуумметров. Давление различных газов рь Ла, рассчитывают по показаниям ва-
Рис» 14.10. Градуировочные характеристики термопарного преобразователя ПМТ-2, работающего в режвые постоянного тока:
1 — для паров воды; 2 — для азота
куумметра, отградуированного по воздуху (азоту), согласно формуле
Рт-Рт^Я» (14.1)
где Рп
— показания вакуумметра
; я —
относительная чувствительность
ва-
куумметра,
зависящая от
рода
газа:
Газ
Возд^
;х Не Ne
Аг
Кг
Я • •
l,0t
) 0,89 0,76
0,64
0,43
Газ
Хе
н2 ' СО
СО2
СН»
Я • •
0,45
1,49 1,03
1.06
1,64
Газ
С2Н2
С2Н, С2Нв
H2S
о2
Я * •
1,67
1,16 1,26
1,41
1,30
Для измерения давленяя паров воды используют градуировочные характеристики (рис. 14.9; 14.10).
Для газов, не указанных выше, относительную чувствительность вычисляют по формуле
а = аг (^г + ^ (^в — ^ ] / ^
4 ОвЙ+))№-1) V М^ ’
где а — коэффициент аккомодации (см. табл. 13.8); I? — показатель адиабаты: М — молекулярная масса; индексы г и в соответствуют газу и воз-
АУЛУ •
Для смеси газов относительная чувствительность ,
^см " ОДх “Ь ЭДг 4~ ЗДз + • • • i (14.2) где Ci, с^ eg, ... — молярные доли компонентов смеси; дъ ^2, д^, ... — коэффициенты относительной чувствительности соответствующих газов.
На точность измерений существенно влияют длина и д наметь нити, состояние поверхности чувствительного элемента (например, загрязнение парами масла) и температура корпуса. Вследствие неконтролируемости значений коэффициента аккомодации приборы этого типа ие относятся к прецизион
ным.
Для снижения погрешности измерений тепловой вакуумметр подвергают калибровке при атмосферном и <яУ" левом» давлении (на один-два порядка меньше наименьшего измеряемого).
При атмосферном давлении и нулевом сопротивлении резистора ^ (рис. 14.11), изменяя резистором R1 силу тока моста, устанавливают по вольтметру V максимальный отсчет, соответствующий максимальному дав-
Рис. 14.11. ПринципиальнаяРис. 14.11. Принципиальнаяэлежтричесжая схема двухточечной калибровки терморевя- сториого преобразователя:элежтричесжая схема двухточечной калибровки терморевя- сториого преобразователя:/ — преобразователь; 2 —/ — преобразователь; 2 —источник постоянного токаисточник постоянного токалению по градуировочной характеристике, и балансируют мост (/ ~ 0) резистором R2. Затем уменьшают сялу тока моста до нуля, откачивают вакуумную систему с калибруемым преобразователем до «нулевого» давленая; балансируют мост увеличением силы тока моста резистором RL а затем резистором R3 устанавливают нулевое показание вольтмето а. Калнбровку _ выполняют дважды.
Рис. 14.11. Принципиальная
Рис. 14.11. Принципиальная
элежтричесжая схема двухточечной калибровки терморевя- сториого преобразователя:
элежтричесжая схема двухточечной калибровки терморевя- сториого преобразователя:
/ — преобразователь; 2 —
/ — преобразователь; 2 —
источник постоянного тока
источник постоянного тока
Точность измерений можно повысить струнным методом измерения температуры, как в вакуумметре ВТСО-1. Выходным сигналом вакуумметра является частота, зависящая от давления газа:
f = f0 V1 — к/ф (р) 1 где /о — частота собственных колебаний нити (струны) в магнитном поле при атмосферном давлении и силе тока накала, равной 0; К — постоянная; Ф (р) — функция давления.
Важная эксплуатационная характеристика тепловых вакуумметров — быстродействие.
Постоянная времени теплового вакуумметра зависит в основном от постоянной времени преобразователя давления, характеризующей инерционность чувствительного элемента; последняя зависит от начального и конечного давления. Наибольшей инерционностью обладают термопарные преобразователи, работающие в ре
жиме постоянного * тока (2 ... 4 с), наименьшей — преобразователи сопротивления, работающие в режиме постоянной температуры .(50 ...
100 мс). При уменьшения давления инерционность увеличивается.
Основные характеристики тепловых преобразователей давления и Baz' куумметров приведены в табл. 14.7
и 14.8.
14.5. Ионизационные вакуумметры
Принцип действия ионизационных вакуумметров основан на зависимости ионного тока, возникшего в результате ионизации молекул разреженного газа, от измеряемого давления.
По способу ионизации газа ионизационные вакуумметры подразделяют на три типа; электронные ионизационные, в которых ионизация газа осуще- ствл я ется эл ек тр снам и, у скор я емы м и электрическим полем; радиоизотопные, в которых для ионизации газа применяют излучение радиоизотопных источников; магнитные электрораз- рядные, действие которых основано на зависимости тока электрического разряда в магнитном поле от измеряемого давления. Чувствительность ионизационных вакуумметров всех типов зависит от рода газа, давление которого измеряют.
Электронные ионизационные вакуумметры. Измерительный преобразова-
Преобразователь
Диапазон измерения, Па
Относительная погрешность измерения, %
Габаритные размеры, мм
Масса, кг
Материал
Соединение „ с вакуумной, системой
ПМТ-6-3
ПМТ-6-ЗФ
ПМТ-6-ЗНХ
ПМТ-6-ЗР
ПМТ-6-ЗМ ПМТ-6-ЗМ-1 ПМТ-6-ЗС
2,6 ... 3,9-10* (индикация в диапазонах 4- 10s ... 106 и 0,26 ... 2,6)
—30 ...
—|— 50
0 25X141
0 80X132
0 30X140
0 25X156
0 25X141
0 25X133
0 25Х 162
0,1
0,6
0,06
0,10
0,06 0,04 0,06
Металл
Штуцерное jsy16) ■ Фланцевое™ (Sy20)
Накладным хомутом .0 30
Резьбовое
Штуцерное
(Syl6)
ПДТ-20
4-Ю-2 ...
1,3-10* (индикация в диапазоне 1,3-10* ... 106) 4-Ю'"2 ... 10
10 ...3-10*
±20 ±25
0 35X265
0,06
Стекло С52-1
Паяное, штуцерное , (»у Ю) ;
ПМТ-2
0,1 ... 7-102
±20
0 32X260
0,05
ПМТ-16
З-Ю"2 ... 13
13 ... 1,3-10®
±40
±60
0 33,5Х Х285
0,10
ПМТ-4М
0,1 ...7-Ю2
±30
0 32X108
0,04
Металл
Штуцерное , (ПуЮ) |
ПДТ-18
6-10-2 ... 4-10® 6-Ю"2 ... 1,0 1,0 ...4-10® (индикация в диапазоне
4-10* ... 1 106)
—40 ...
+40
0 25 ...
155
0,065
То же I (Sy16) I
и
и
ПДТ-8
1,3-ю-2... 6,7-102
±15
0 24Х11С
0,075
Штуцерное (Sy 18)
ПДТ-9
1,3-10-® ... 13
±20
0 24Х ПС
0,075
ПДТСО-2-1
0,5 ... 7-10®
±10
0 56Х 12(
0,3
Таблиц а 14.7
Я
Примечание. Здесь и далее в диапазоне индикации погреши! ие нормирована.- .
О жО ж
О ж
О ж
Вакуумметр
Преобразователь
Диапазон измерений, Па
Относительная погрешность измерении, %
Габаритные размеры, мм
Масса, кг
Примечание
ВТБ 2/3-002
ПДТ-18
6-10-* ... 4-10* (индикация в диапазоне 4-10» ... Ю5)
—50 ... -F70
120Х 158Х 455
5,5
Цифровой; аналоговый выход 0 ... 10 В; два канала блокировки
ДВТ-3/0-001
ПМТ-6-ЗМ
1 ... 4-10»
—50 ...+100
74Х 49Х 52
0,2
Датчик вакуума, выдающий аналоговый сигнал 0 ...
10 В. Нет отсчетного устройства
212Х 128X490
14,0
Цифровой; восемь измерительных каналов; аналоговый выход 0 ... 10 В
УКВ-3/0-002
ВТЦ-1
ПДТ-8
ПДТ-9
1,3-10-= ... 6.7-10
1,3-10"» ... 13
±20
±30
260Х 1 ЮХ 250
2,0
Цифровой; аналоговый выход 0 ... 10 В; один канал блокировки
'S
■ и
X
й й hi
S: х R to Q « R О X X Й
кX
3
к
со
Коэффициентн.D,NH,Н,Ососо.NOО,^30,440,450,641,101,021,601,150,870,380,411,231,031,061,391,240,96?р10,440,461,020,831,031,580,870,83Яр*0,47—1,210,941,051,42-0,960,93Коэффициентн.D,NH,Н,Ососо.NOО,^30,440,450,641,101,021,601,150,870,380,411,231,031,061,391,240,96?р10,440,461,020,831,031,580,870,83Яр*0,47—1,210,941,051,42-0,960,93Табл и а а 14.9 *Табл и а а 14.9 *Значение ? дляЗначение ? дляКоэффициентвоздухаH,SНС1N,OSF,-CF,C1,N,^э0,971,301,242,502,90-i.di0,752,031,61' 1,302,41—i,l0,971,000,881,38—2,92Я ре0,882,461,821,463,454,25 .КоэффициентвоздухаH,SНС1N,OSF,-CF,C1,N,^э0,971,301,242,502,90-i.di0,752,031,61' 1,302,41—i,l0,971,000,881,38—2,92Я ре0,882,461,821,463,454,25 .Значение q дляЗначение q дляметров к одноатомным газамметров к одноатомным газампоперечное сечени.поперечное сечени.и парам относительноеи парам относительноепо азоту, найденные экспериментально, ионизации; 2 — число электронов в мо- лекуле ■ газа (в нейтральном , атоме Jпо азоту, найденные экспериментально, ионизации; 2 — число электронов в мо- лекуле ■ газа (в нейтральном , атоме J, Газ . .. . НеNeArКгЯо ■ •. . 0,190,331,371,91Газ . .. . ХеHgCdNaЯэ - -. . 2,803,32,41,0, Газ . .. . НеNeArКгЯо ■ •. . 0,190,331,371,91Газ . .. . ХеHgCdNaЯэ - -. . 2,803,32,41,0ниже:ниже:приведеныприведены10-=D0/z);(14.4)(14.5)10-=D0/z);(14.4)(14.5)абсолютныеабсолютныеАтом г, . .N0,500 0О Н С ,464 0,236 0.58.F 8 0,243Атом г, . .Cl 1,589 2Br IР S,204 3,050 2,050 1,990Молекула D,Br2 190,1С12 F, 238,9 154,8la 148,7Молекула DoСО 1070,0NO Oj 697,1 493,8N3O 1109,3Молекула D.Ne 942,0Не 431,9НС1427,3Атом г, . .N0,500 0О Н С ,464 0,236 0.58.F 8 0,243Атом г, . .Cl 1,589 2Br IР S,204 3,050 2,050 1,990Молекула D,Br2 190,1С12 F, 238,9 154,8la 148,7Молекула DoСО 1070,0NO Oj 697,1 493,8N3O 1109,3Молекула D.Ne 942,0Не 431,9НС1427,3Коэффициентсн4с3н.с,н.С4Н,„СЕн„С,н14с,н14с.н„с,н„Яа1,492,533.804,375,505,65Яр!1,632,743,644.575,606,777,728,188,86^р81,502,503,504.515.546,607,588,609,60фре '1,532,593,654.715,776,837,898,9510,0КоэффициентЗначение qдляс„н.с,н4с,н.С4Н,Cg HteС.н„с,н„С,Н„Сю НюЯа1,662,143,163,60Яр12,062,273,253.824,816,497,228,7210,37‘Ура1,441,973,004.055,106,148,209,2610,30фра1,652,123.744,245,306,368,489,5410,60Коэффициентсн4с3н.с,н.С4Н,„СЕн„С,н14с,н14с.н„с,н„Яа1,492,533.804,375,505,65Яр!1,632,743,644.575,606,777,728,188,86^р81,502,503,504.515.546,607,588,609,60фре '1,532,593,654.715,776,837,898,9510,0КоэффициентЗначение qдляс„н.с,н4с,н.С4Н,Cg HteС.н„с,н„С,Н„Сю НюЯа1,662,143,163,60Яр12,062,273,253.824,816,497,228,7210,37‘Ура1,441,973,004.055,106,148,209,2610,30фра1,652,123.744,245,306,368,489,5410,60Таблица 14.10Таблица 14.10Значение q дляЗначение q дляКоэффициентСвН,Цикло- С3Н6Цикло- Св НюЦикло- Св Н12С,Н4СН,(СН,),СОс.н,онЯа5,18'5.706.812,802,409р15,193.756.006,60———Фр24,72 ,.3,135,20 •6.255,743,322,76Яра4,943,74 , •5.306.366,003,643,06КоэффициентСвН,Цикло- С3Н6Цикло- Св НюЦикло- Св Н12С,Н4СН,(СН,),СОс.н,онЯа5,18'5.706.812,802,409р15,193.756.006,60———Фр24,72 ,.3,135,20 •6.255,743,322,76Яра4,943,74 , •5.306.366,003,643,06Значение q дляЗначение q для
Коэффициент
н.
D,
NH,
Н,О
со
со.
NO
О,
^3
0,44
0,45
0,64
1,10
1,02
1,60
1,15
0,87
0,38
0,41
1,23
1,03
1,06
1,39
1,24
0,96
?р1
0,44
0,46
1,02
0,83
1,03
1,58
0,87
0,83
Яр*
0,47
—
1,21
0,94
1,05
1,42-
0,96
0,93
Коэффициент
н.
D,
NH,
Н,О
со
со.
NO
О,
^3
0,44
0,45
0,64
1,10
1,02
1,60
1,15
0,87
0,38
0,41
1,23
1,03
1,06
1,39
1,24
0,96
?р1
0,44
0,46
1,02
0,83
1,03
1,58
0,87
0,83
Яр*
0,47
—
1,21
0,94
1,05
1,42-
0,96
0,93
Табл и а а 14.9 *
Табл и а а 14.9 *
Значение ? для
Значение ? для
Коэффициент
воздуха
H,S
НС1
N,O
SF,-
CF,C1,
N,
^э
0,97
1,30
1,24
2,50
2,90
-i.di
0,75
2,03
1,61
' 1,30
2,41
—
i,l
0,97
1,00
0,88
1,38
—
2,92
Я ре
0,88
2,46
1,82
1,46
3,45
4,25 .
Коэффициент
воздуха
H,S
НС1
N,O
SF,-
CF,C1,
N,
^э
0,97
1,30
1,24
2,50
2,90
-i.di
0,75
2,03
1,61
' 1,30
2,41
—
i,l
0,97
1,00
0,88
1,38
—
2,92
Я ре
0,88
2,46
1,82
1,46
3,45
4,25 .
Значение q для
Значение q для
метров к одноатомным газам
метров к одноатомным газам
поперечное сечени.
поперечное сечени.
и парам относительное
и парам относительное
по азоту, найденные экспериментально, ионизации; 2 — число электронов в мо- лекуле ■ газа (в нейтральном , атоме J
по азоту, найденные экспериментально, ионизации; 2 — число электронов в мо- лекуле ■ газа (в нейтральном , атоме J
, Газ . .
. . Не
Ne
Ar
Кг
Яо ■ •
. . 0,19
0,33
1,37
1,91
Газ . .
. . Хе
Hg
Cd
Na
Яэ - -
. . 2,80
3,3
2,4
1,0
, Газ . .
. . Не
Ne
Ar
Кг
Яо ■ •
. . 0,19
0,33
1,37
1,91
Газ . .
. . Хе
Hg
Cd
Na
Яэ - -
. . 2,80
3,3
2,4
1,0
ниже:
ниже:
приведены
приведены
10-=D0/z);
(14.4)
(14.5)
10-=D0/z);
(14.4)
(14.5)
абсолютные
абсолютные
Атом г, . .
N
0,500 0
О Н С ,464 0,236 0.58.
F 8 0,243
Атом г, . .
Cl 1,589 2
Br IР S
,204 3,050 2,050 1,990
Молекула D,
Br2 190,1
С12 F, 238,9 154,8
la 148,7
Молекула Do
СО 1070,0
NO Oj 697,1 493,8
N3O 1109,3
Молекула D.
Ne 942,0
Не 431,9
НС1
427,3
Атом г, . .
N
0,500 0
О Н С ,464 0,236 0.58.
F 8 0,243
Атом г, . .
Cl 1,589 2
Br IР S
,204 3,050 2,050 1,990
Молекула D,
Br2 190,1
С12 F, 238,9 154,8
la 148,7
Молекула Do
СО 1070,0
NO Oj 697,1 493,8
N3O 1109,3
Молекула D.
Ne 942,0
Не 431,9
НС1
427,3
Коэффициент
сн4
с3н.
с,н.
С4Н,„
СЕн„
С,н14
с,н14
с.н„
с,н„
Яа
1,49
2,53
3.80
4,37
5,50
5,65
Яр!
1,63
2,74
3,64
4.57
5,60
6,77
7,72
8,18
8,86
^р8
1,50
2,50
3,50
4.51
5.54
6,60
7,58
8,60
9,60
фре '
1,53
2,59
3,65
4.71
5,77
6,83
7,89
8,95
10,0
Коэффициент
Значение q
для
с„н.
с,н4
с,н.
С4Н,
Cg Hte
С.н„
с,н„
С,Н„
Сю Ню
Яа
1,66
2,14
3,16
3,60
Яр1
2,06
2,27
3,25
3.82
4,81
6,49
7,22
8,72
10,37
‘Ура
1,44
1,97
3,00
4.05
5,10
6,14
8,20
9,26
10,30
фра
1,65
2,12
3.74
4,24
5,30
6,36
8,48
9,54
10,60
Коэффициент
сн4
с3н.
с,н.
С4Н,„
СЕн„
С,н14
с,н14
с.н„
с,н„
Яа
1,49
2,53
3.80
4,37
5,50
5,65
Яр!
1,63
2,74
3,64
4.57
5,60
6,77
7,72
8,18
8,86
^р8
1,50
2,50
3,50
4.51
5.54
6,60
7,58
8,60
9,60
фре '
1,53
2,59
3,65
4.71
5,77
6,83
7,89
8,95
10,0
Коэффициент
Значение q
для
с„н.
с,н4
с,н.
С4Н,
Cg Hte
С.н„
с,н„
С,Н„
Сю Ню
Яа
1,66
2,14
3,16
3,60
Яр1
2,06
2,27
3,25
3.82
4,81
6,49
7,22
8,72
10,37
‘Ура
1,44
1,97
3,00
4.05
5,10
6,14
8,20
9,26
10,30
фра
1,65
2,12
3.74
4,24
5,30
6,36
8,48
9,54
10,60
Таблица 14.10
Таблица 14.10
Значение q для
Значение q для
Коэффициент
СвН,
Цикло- С3Н6
Цикло- Св Ню
Цикло- Св Н12
С,Н4СН,
(СН,),СО
с.н,он
Яа
5,18
'5.70
6.81
2,80
2,40
9р1
5,19
3.75
6.00
6,60
—
—
—
Фр2
4,72 ,.
3,13
5,20 •
6.25
5,74
3,32
2,76
Яра
4,94
3,74 , •
5.30
6.36
6,00
3,64
3,06
Коэффициент
СвН,
Цикло- С3Н6
Цикло- Св Ню
Цикло- Св Н12
С,Н4СН,
(СН,),СО
с.н,он
Яа
5,18
'5.70
6.81
2,80
2,40
9р1
5,19
3.75
6.00
6,60
—
—
—
Фр2
4,72 ,.
3,13
5,20 •
6.25
5,74
3,32
2,76
Яра
4,94
3,74 , •
5.30
6.36
6,00
3,64
3,06
Значение q для
Значение q для
Относительные чувствительности по азоту электронных ионизационных вакуумметров к многоатомным газам и парам, а также к органическим соединениям, найденные экспериментально (<7э) и рассчитанные (д^, приведены соответственно в табл. 14.9 и 14.10.
Кроме того, коэффициенты относительной чувствительности можно вычислить по формулам [19, 24]:
^Р1 = Чт^, = ?! (14.3)
Qpg = 4,06- 10-2г ехр (7,88
%3= L ”ЧГЬ где QT н QNj — полные
поперечные сечения ионизации соответственно газа и азота, см-2; у —
число электронов равно атомному но- 8 меру); Do — энергия диссоциации | газообразных молекул на атомы при | температуре О К, кДж/моль; -т; — | число атомов одного рода, входящих I в состав молекулы; г; — относительное Я эффективное сечение ионизации данного атома.
Значения п и D6 соответственно для атомов и молекул различных веществ ‘ при Т — 0 приведены ниже:
V
Кроме того' значение: Do можно рассчитать по формуле
' тD» = 2 MiE6i,i=l
тде т — число типов связей в молекуле; п. — число связей данного типа в молекуле; Eot — средняя энергия связи i-ro типа, кДж/моль (табл. 14.11).
Результаты расчета относительной чувствительности q по формулам (14.3)—(14.5) приведены в табл. 14.9, 14.10. В соответствии с формулой (14.4) коэффициенты относительной чувствительности к парам вакуумных масел МФТ-1; ПФМС-2/5л; ФМ-1; 5Ф4Э равны соответственно 27,1; 30,6; 29,7 и 24,6. Коэффициенты относительной чувствительности для смеси газов рассчитывают по формуле (14.2).
Основные характеристики промышленных электпонных ионизационных преобразователей и вакуумметров приведены соответственно в табл. 14.12 и 14.13.
Радиоизотопные вакуумметры. В радиоизотопных вакуумметрах ионизация газа осуществляется а- нлн Р-ча- стипами, излучаемыми радиоактивными изотопами. Преобразователь давления содержит источник а- или P-излучения, коллектор ионов и анод, находящийся под положительным потенциалом относительно коллектора, что обеспечивает попадание на коллектор' образовавшихся ионов. Эти вакуумметры имеют линейную градуировочную характеристику и позволяют измерять давления в диапазоне 10-3 ... 106 Па с погрешностью до 5%. Основные преимущества радиоизо •
422
ВАКУУММЕТРИЯ
Таблица 14.11
тонных вакуумметров — неперегора- ющий катод н высокая стабильность чувствительности. Коэффициенты от- иосительной чувствительности радио- Ц
. изотопных вакуумметров к различным Ц газам приведены ниже:Щ
Газ .... N2 Не NeАг
q .... . 1,0 0,21 0,51,2■
Связь
Соединения. /, группы
ч о
■#
Щ
С —С С — С
С = С с —с
с —с
с —н с — н с —н с —н
Парафины Олефины Ацетиленовые Бензольное кольцо
Альдегиды и кетоны
Парафины Олефины Ацетиленовые Бензольное кольцо
331,8
587,8
823,1
487.1
350,5
413.0
415.9
402,9
421,2
Газ ... . Н2 СОа Н.0 (СН3)аСО ■ q , . . . . 0,23 1,5 0.88 2,7■
Магнитные электроразрядные вакуум- метры. Простейший магнитный элек- троразрядный преобразователь давления представляет собой помещенную в магнитное поле двухэлектродную систему (катод и анод). В системе возникает самостоятельный разряд при высоком напряжении между ее электродами. Принципиальные схемы преобразователей приведены на рнс. 14.13.
В общем случае градуировочная
С — С1 C-F
Галогеналкины
318,0
486,6
характеристика 'имеет вид
С= О С —О С= О Н —О Н — О H-S N — Н N = О С = О
СО2 Спирты Кетоны Н2О Спирты HaS
NHg, амины no2 со
799,1
333,1
705,8
458,7-
438,0
363,2
385,0
464.8
1070,0
1 i Яр ,
где /,- — сила измеряемого тока, А;|^И S — абсолютная чувствительность, A/Па: п — показатель степени (в за-^^И висимостн от типа преобразователя п = 0.9 ... 1,7).
Вакуумметоы позволяют измерять давление в диапазоне 10-12 ... 10а Па. Благодаря отсутствию накаленного катода значительно возрастает срок службы преобразователей. Выделяемая в иих тепловая энергия (мош-
1112 3
/' I /
Рис.
давления:
а — Пениинга; 6 — магнетронный; в — инверсно-магнетронный; 1 — катод; 2 — анод: 3 — экран: И — вектор напряженности магнитного поля
Примечание. Здесь /е — сила электронного тока; (/8. и и ^и. к — напряжение соответственно между анодом катодом и между ионным коллектором и катодом.
Вакуумметр
Преобразователь
Диапазон измерений, Па
Относительная погрешность измерения. %
Габаритные размеры, мм
Масса, кг
Примечание
ВИТ-2
ПМТ-2 ПМТ-4М
ПМИ-2
ПМИ-3-2 ПМИ-51
ПМТ-2 ПМТ-4М
ПМИ-2 ПМИ-3-2 ПМИ-10-2 ПМИ-51
ИМ-12 МИ-12-8
ИМ-12 МИ-12-8
ПМИ-27
ПМИ-10-2
0.13... 13
±60 —70 ... +250
320X 280X 215
10
(в
«с ж
Стрелочныйto
to Ж Ч
2,4- 10-S ... 0,13
2,6-10-» ... 1,3 ю-»... 1
±30
ВИТ-3
0,13 ... 13
485Х 230Х 360
15
2,4-10-» ...0,13
2,6-10-» ... 1,3
2-10~3 ... 1,3-10*
IO"4 ... 1,
10~7 ... 10"*
7-10"» ... 10-*
10-’ ... 10"» , 7.10-8 ... 10"»
4-10"» ... 13
2-10"* ... 1,3-10*
±35 ±35 ±35 ±30
ВИ-12
448Х 340Х 287
30
ВИ-14
480Х 220Х 360
20
РВИЦБ-1А
100Х 158X230
3
Цифровой; два канала блокировки; аналоговый выход 0 ... 10 В
Вакуумметр
Преобразователь
Диапазон намерений. Па
Относительная погрешность измерения, %
Габаритные размеры, мм
Массаг кг
Примечание
ВИО-1
ПМИ-39-2
7-10-» ... 0,1
±(Ю ... 30)
410Х 181X360
228Х 95Х 328
259X 180X322
25
Образцовый; состоит из трех блоков
ВИЦБ 2/7-002
ПМИ-51
1-10-»... 10
(индикация в диапазоне 1-10~6 ...
6,7-10-9)
6,7-10”» ... 1 -10-4
1-.10-» ... 1-Ю"1
ЫО"» ... 1
1 ... 10
±40
±35
±60
±40
240Х 158Х 470
9
Цифровой; аналоговый выход 0 ... 10 В; два канала блокировки
ВИЦ 9/0-001
ПМИ-55
7-10-® ... 1 7-Ю"» ... 1-10-’ ЫО"7...!
±55 ±25
242X160Х 445
15,8
Цифровой; аналоговый выход 0 ... 10 В; выход в дво- ичио-десятичном коде; ручное и дистанционное управление
ВППД-1
ПМК-1
2-10-8 ... 1-10"* 2-Ю-8 ... 1.10-7 МО"7 ... МО"*
—50 ...
+ 100 ±30
366Х 177X420
12,0
Цифровой; аналоговый выход 0 ... 10 В. Измерение парциальных давлений в диапазоне 2-10-8 ...
... 1-10-2 Па для газов с массовыми числами от 2 до 99
Продолжение табл. 14.13
№ СЛ
5
I
Преобразователь
Ua- к» кВ
В, Тл
Диапазон измерения, Па
Габаритные размеры, мм
Масса, кг
Соединение * с вакуумной системой
ПММ-22
ПММ-28
ПММ-32-1
ПММ-38
ПММ-42
ПММ-44
ПММ-46
2,0
0,04
0,045
0,11
0,125
0,11
0,094
0,18
1-,3-Ю-* ... 1,3
1,3-10-* ... 1,3-10*
1,3-10-’ ... 1,3
1,3-10-* ... 1,3
Ю'* ... 0,1
1,3-10-* ... 1,3
2-10~и ...0,13
0 90X80
0 7&Х ИЗ
0 90X85
0 90X85
150Х 150Х 150
0 24X83
95Х 98Х 106
1,3
0,6
0,9 0,8 2,0
0,1
1,8
Фланцевое ф^ 50)
Фланцевое (Dy 20)
2,5
Фланцевое (Dy 50)
Штуцерное (Dy 16)
Фланцевое (Dy 50)
5,5
В — магнитная индукция.
Здесь
П
Uа. *—напряжение между анодом и катодом,
римечаиие.
к
■е»
О
X
я
о
я
о
X .»
о
I я
fa
P'S
5
а
ж
ж о
о
х
р
Р о
■в* я
X
я
Е *
2?
сп
о
fa. s
я fa
ё я
О .
я S3 ж
X х
ж о
вэ СУ о
Р» х ж
Z я
2 О
Ж fa X
я о fa ж о
to fa го х X
X Е X
fa ГО Ж Ж
К х
ж X Е
X о to
X К
Е ^“
2
§ X о
X 2
• го
X
X я
Й х
5 X ж ж
X 8 о
X о
X
X X
— X to о
X х о я 9 Я О -Q о
s й го §
ОЗхз Е
X о о
° ^ fa to
О'fa X О X
н 2 о g
fa 2 ГО
fa о ^ ^ g S
х fa
» 3
5 о
2 о
К X о
§3
8 Л>
Ш я НО
S§
^я
и и о S S м 2 Е S "О е
О К.
* g X
X Jy я g 2 fa s $ ■5 s 7 X
?з кВ
Е ^
Й 5
fa ж X о г> у 5
-Е
Spa а х
а у “
X X
X о о
о»
8
Z о
Н X "О СУ
О Р» «ё
О>
со
fa S
*а X » if« и Е я ЕЕ о
Яс X
о
о ж X Е
^ 8
я о
2 я
Вакуумметр
Преобразователь
Диапазон намерений, Па
Относительная погрешность измерения, %
Габаритные размеры, мм
Масса, кг
Примечание
РВМ-1М
ВЭМБ-1,'
ВМБ-8
ВМБ-10
ВМБ-11
ВМБ-12
ВМБ-14
ПММ-22
ПММ-28 •
ПММ-32-1
ПММ-38
ПММ-46
ПММ-44
ПММ-32-1
10"* ... 1
10-* ... 10*
10-’ ... 1
10-*... 1
10-* ...0,1
10-* ... 1
10-’ ... 1
±60
±60
100Х 158X315
245Х 177Х 310
240Х 158Х 335.
240Х 158Х 388
120Х 158Х 395
80Х 158Х 395
80Х 158Х 467
4,5
7,0
7,5
9,0
11,8
3,5
4,0
Два канала блокировки; аналоговый выход 0 ... 10 В Стрелочный; один канал блокировки
—40 ...Н-80
±60
Стрелочный; два канала блокировки; аналоговый выход 0 ... 10 В
—40 ... +80
—50 ...+80
Светоцифровой; один канал блокировки; аналоговый выход 0 ... 10 В
—40 ...+80
Светоцифровой; два канала блокировки; аналоговый выход 0 ... 10 В
ВМЦБ-12
ПММ-32-1
10-* ... 0,1
—50 ... + Ю0
100Х 158Х 230
3,0
Цифровой; два канала блокировки; аналоговый выход 0 ... 10 В
ВМБ 1/8-001
.ПММ-46
Г0-* ... 0,1
—40 ...+80
120X158X 463
10,2
Светоцифровой; пять каналов блокировки; аналоговый выход 0 ... 10 В
Таблица 14.15
Ионизационный. вакууметры
Вакуумметр
Преобразователь
Диапазон измерений, Па
Относительная погрешность измерения, %
Габаритные размеры, мм
Масса, кг
Примечание
ВТИ-1
ПММ-42
10"5 ...0,1
±60
240Х 158Х 336
10,0
Стрелочный
ВМБ-16
ПММ-46
2-10"п ... МО"1 (индикация в диапазоне
2- IO”11 • .7-IO"8) 7-10-= ... МО’2 ЫО"2 .. 1-10"1
—40 ... +80
—55 ... + 130
320Х 158X 480
15,0
Цифровой; аналоговый выход 0 ... 10 В; два канала, блокировки
to
.—-— >
ДВЭ-0/7-007
ПММ-32-1 ■
2-10-7 ... 1
—50 ...+100
56Х 72Х 156
0,6
Без отсчетного устройства;^
аналоговый выходной сиг-5
нал 0 л. 10 В
УКВ-3/7-001
ПММ-32-1
ПМТ-6-3
2-10-’ ... 4- Ю3
2-10-’ ... 1
1 ... 4-10»
—50 ...+100
212Х 128X490
14,0
Цифровой; одни высокова-. is
куумный канал и четыре^
низковакуумных; аналоговые выходы 0 ... 10 В по ^аждому каналу
ВТМ-2
ПМТ-6-3
ПММ-32-1
1,3 ... 3,9-103 (индикация
в диапазонах
1,3-КГ1 ... 1,3 и
3,9-103 ... 1-105)
1,3 ... 1 • ю-в
1,3-10"1 ... 1 - IO-®
1,3 ... 1,3- КГ1
—35 ... +60
—35 ...+60
—45 ... +85
360Х 180Х 400
12,0
Цифровой; аналоговый выход 0 ... 10 В
£Еi а, Вв£Еi а, Вв<О<О
£Е
i а, В
в
£Е
i а, В
в
<О
<О
8 0 х •У
В)
Е 0
0
л о
§
я
Я
^ я
0 0 а 0
5
Ха S
§
X 0
"я Я 0
0 я н
0
3 я Ха
я о я 0 я 4
£
§
0» я
0»
§ о
о
со
я я н
Ха
0
я 15 0 О Ох
15
Sa 0 Я я 0 2
Я
о о о
0
0 Я
я 2 О
X о 8
О 2
2 СО X о я
Ха СО S 0 я я
)3 В) к к о
о
в со
X
к к а
8
Я а а Я а л Я о
ж
0 о 0 X
15 я Ох о
13 СО
со со я 2
Я СО X о Ха 5
0 Sa Я 0 СО
5
я о
я 0 Яе
Я
О
£ 5
Ха со Я я о 2
х g я о
2 со 0 я
<< 5
Sa Я Я Я
5 о я
X "to
X Я 2
Я 15 0 & 15 0» из О 0 со я Sa
2
8 о Л S s g 5 ° Я = s> 5 5 * &i ,Е § ita z to
15 Л 15 a |g Ш
• 15 о ?□§ 0 15 4 5& =
Я о Я Е со ясХ 5 п Is!
2 to
о о Я
X 4 о 2 3 15
Я 15 0
Я 15
О 0 S
Я Я я
X о
S3 Я Я 0 §
се 0 Я Я я к Е я я. о
о
I со 0
Я 15 0
£ я я о
Ха
to со О 0 to
Й Sa 0
я О 0 Е
Е 0 я я
2
*0* о s а 0 *< О 0 s
15 § СО -о £ Я 0 33 я to
Я S3
» 5
я
2 I
я Sa О Ж
я о я я о
О
X S3 о я 0 я я 0
О’
S3 я я 0 Яс я
2 со S3 0 Я о 0
15 СО Ох о я 0 0
Ха СО I
to СО to
0 л о 0
Sa Я я к ж
О
Я о
я я я
я 0 Я 4
о
8
Os й Я « я ■о и S 7 9 л
о
о я
0 0
S
5
X о 2
Ха 0 СО 15
Я
0 я я о
о
X со
Ха СО S 0
я о я
8
2
Ха СО 0
о X со
ж
со СО
я 15
Я
Масс-спектрометры
Принцип разделения ионов
Область применения
Группа
Тяп
Статические
Панорамный (фарвитрон)
В продольном электростатическом поле с параболическим ‘ распределением потенциала
Качественный анализ газов (индикаторный прибор)
С магнитным отклонением
В однородном поперечном магнитном поле
Высокоточный количественный анализ состава газовой среды в высоко- * вакуумных устаноцках
Динамические
Омега- трониый
В радиочастотном электрическом и постоянном магнитном взаимно перпендикулярных полях
Измерение парциальных давлений (преимущественно легких газов), анализ физико-химических процессов в высоком вакууме
Квадрупольный
В высокочастотном электр ичес ком поле анализатора, образованного четырьмя параллельными электродами
Измерение парциальных давлений в широком диапазоне масс, контроль и управление технологическими процессами
Моно- полирный
В высокочастотном электрическом поле анализатора, ' образованного двумя электродами
ВреМя- пролетный
По времени пребывания в пространстве дрейфа, свободном от электрических и магнитных полей
Исследование газовой ки! нетики с контролем газо! вых процессов длитель] ностью до нескольких ми] кросекунд 1
Радиочастотный
В радиочастотном продольном электрическом поле
Газовый анализ в при мышленных установкад| анализ молекулярных nd3 токов пара в установках вакуумного нанесения пленок
Таблица 15.1
Таблица 15.2Продолжение табл. 15.2
Газ
Ион
Массовое число
Относительная высотаГав
пика
Ион
Массовое число
Относительная высота пика
н>
нг н Нз н HD+
2
1
3
1,00
0,06
°.01 , СН4' .
СН+ СНГ CH? СН+ С+
16
15
14
13
12
1,00
0,80
0,14
0,06
0,02
Не
Не+
4
1,00' ,
Ne
Ne+
20
22
1,00
°’10 с,н.
CgHt СгН+
ог СН+
НГ
26
25
24
13
2
1,00 0,20 0,05 0,04 0,04
N,
NJ
N|* и N+ (1^16^+
28
14
29
1,00
0,08
0*^1 С,Н<е1
W СзН? с,нг
28
27
26
1,00
0,50
0,50
о.
о, 03+ и 0+
32
16
1,00
0 10
QHf СНГ СзНГ СзНГ С,НГ С,НГ и СНГ с,н+
28
27
30
29
26
15
25
14
1,00 0,28 0,26 0,20 0,18
0,03
0 0
Кг
Кг+
84
86
82
83
1,00
0,33
0,20
0,20dgH,
Кг8+
42
43
41
41,5
0,19 0,06 0,04 0 04
С2Н+ W СзН? СзНГ CsHt СзНГ СзНГ
29
28
44
27
43
39
41
1,00 0,60
0,45
0,40
0,31
0,20 0,16
Hg
Hg+
Hgs+
200
100
1,00
0,5... 0,7
С,Н3 ”
Аг
Ar+ Ага+ Аг+
40
20
36
1,00
0,15
0,004
с«н,о+
31
46
1,00
0,24
Н,О
н,о+ ОН+ 0+ НГ '
/ 18
17
16
2
1,00W *’
0,30
0,02
0,01 с,н.о
СзН,О+
43
58 .
1,00 0,36
СО
С0+ 0+ с+ 13С0+
28
16
12
29
1,00
°.13 С4Н10О
0,03
0,01
С4н"ог
31
74
1,00
0,28
со.
cot С0+ о.+ с+
44
28
16
12
1 массовые числа zu, zy, 14, 24, 13, 1,0012 дают пики от 0,1 до 0,01.
0,12*8 Массовые числа 6, 38, 37, 15, 30,
0,0814 дают пики от 0,1 до 0,01.
0,04** Большое число других пиков.
Прибор2,6и «С .° S . о a s С 556 в6 ° л3 55 к оо, s 8Диапазон регистрируемых масс ионов, а. е. м.Рабочий 1 диапазон 1 Давлений, 1Па 1НаименованиеМаркаИПДО-13-10"8202...10010~* ... JОмегатронИПДО-25-10-»351 ... 2503-10 8 I10-3 ... J5-10"» ЯРадиочастотныйМХ-4301io-8251 ... 10010-3 ... 10-»1масс-спектрометрМХ-64015- 10” 7501 .12.. 4;.. 5610-® ... КУЯИмпульсный вре- мяпролетный масс- аиализатор (хронотрон)РМС-2М5-10-’452 10 40... 12;.. 60;.. 200КГ* ... 10-Я.. 250МСХ-ЗАio-730110-3 ... 10“|КвадрупольныйМСХ-2ММСХ-4io-101001.. 25010-»,... 10-|10"»>1001.. 60010-= ... 10-1масс-спектрометрУ А В.Э-100/2-0061110-»1002.. 1001.10-3 ... 1ПУ7 IРадиочастотныйЭФМ-110-750i.. 50;10"1 ... юЯоднополярный масс-спектрометрКМ-2id-7300122.. 100.. 30010-® ... 10вЛинейный резо-МХ-7301КУ»200 е1.. 20010-® ...нансный масс-ана- лнзатор (фарви- трон)АПДМ-1АПДМ-210"u10-7400201;2..400.. 2005-10-® ...'■ КУ“ i IO-3 ... IO-”Статический масс-MX-130410-7 10-71001.. 12010® ... io-7спектрометрMX-130680024450;90010® ... IO-7МСД-110“8602„. 15010"» ... 10-8Прибор2,6и «С .° S . о a s С 556 в6 ° л3 55 к оо, s 8Диапазон регистрируемых масс ионов, а. е. м.Рабочий 1 диапазон 1 Давлений, 1Па 1НаименованиеМаркаИПДО-13-10"8202...10010~* ... JОмегатронИПДО-25-10-»351 ... 2503-10 8 I10-3 ... J5-10"» ЯРадиочастотныйМХ-4301io-8251 ... 10010-3 ... 10-»1масс-спектрометрМХ-64015- 10” 7501 .12.. 4;.. 5610-® ... КУЯИмпульсный вре- мяпролетный масс- аиализатор (хронотрон)РМС-2М5-10-’452 10 40... 12;.. 60;.. 200КГ* ... 10-Я.. 250МСХ-ЗАio-730110-3 ... 10“|КвадрупольныйМСХ-2ММСХ-4io-101001.. 25010-»,... 10-|10"»>1001.. 60010-= ... 10-1масс-спектрометрУ А В.Э-100/2-0061110-»1002.. 1001.10-3 ... 1ПУ7 IРадиочастотныйЭФМ-110-750i.. 50;10"1 ... юЯоднополярный масс-спектрометрКМ-2id-7300122.. 100.. 30010-® ... 10вЛинейный резо-МХ-7301КУ»200 е1.. 20010-® ...нансный масс-ана- лнзатор (фарви- трон)АПДМ-1АПДМ-210"u10-7400201;2..400.. 2005-10-® ...'■ КУ“ i IO-3 ... IO-”Статический масс-MX-130410-7 10-71001.. 12010® ... io-7спектрометрMX-130680024450;90010® ... IO-7МСД-110“8602„. 15010"» ... 10-8Таблица 15.3Таблица 15.3• В области• В области70 а. е. М;70 а. е. М;• главной линии. Имея спектры чистых молекулярной и Аг++);• главной линии. Имея спектры чистых молекулярной и Аг++);массы (например, Аг*массы (например, Аг*Рис. 15.1. Принципиальная схема магнитного масс-спектрометраРис. 15.1. Принципиальная схема магнитного масс-спектрометра
Прибор
2,6
и «С .
° S . о a s С 55
6 в
6 ° л
3 5
5 к о
о, s 8
Диапазон регистрируемых масс ионов, а. е. м.
Рабочий 1 диапазон 1 Давлений, 1
Па 1
Наименование
Марка
ИПДО-1
3-10"8
20
2
...100
10~* ... J
Омегатрон
ИПДО-2
5-10-»
35
1 .
.. 250
3-10 8 I
10-3 ... J
5-10"» Я
Радиочастотный
МХ-4301
io-8
25
1 .
.. 100
10-3 ... 10-»1
масс-спектрометр
МХ-6401
5- 10” 7
50
1 .
12
.. 4;
.. 56
10-® ... КУЯ
Импульсный вре- мяпролетный масс- аиализатор (хронотрон)
РМС-2М
5-10-’
45
2 10 40.
.. 12;
.. 60;
.. 200
КГ* ... 10-Я
.. 250
МСХ-ЗА
io-7
30
1
10-3 ... 10“|
Квадрупольный
МСХ-2М
МСХ-4
io-10
100
1
.. 250
10-»,... 10-|
10"»
>100
1
.. 600
10-= ... 10-1
масс-спектрометр
У А В.Э-100/2-006
1110-»
100
2
.. 100
1.10-3 ... 1
ПУ7 I
Радиочастотный
ЭФМ-1
10-7
50
i
.. 50;
10"1 ... юЯ
однополярный масс-спектрометр
КМ-2
id-7
300
12
2
.. 100
.. 300
10-® ... 10в
Линейный резо-
МХ-7301
КУ»
200 е
1
.. 200
10-® ...
нансный масс-ана- лнзатор (фарви- трон)
АПДМ-1
АПДМ-2
10"u
10-7
400
20
1;
2
..400
.. 200
5-10-® ...'■ КУ“ i IO-3 ... IO-”
Статический масс-
MX-1304
10-7 10-7
100
1
.. 120
10® ... io-7
спектрометр
MX-1306
800
2
4
450;
900
10® ... IO-7
МСД-1
10“8
60
2
„. 150
10"» ... 10-8
Прибор
2,6
и «С .
° S . о a s С 55
6 в
6 ° л
3 5
5 к о
о, s 8
Диапазон регистрируемых масс ионов, а. е. м.
Рабочий 1 диапазон 1 Давлений, 1
Па 1
Наименование
Марка
ИПДО-1
3-10"8
20
2
...100
10~* ... J
Омегатрон
ИПДО-2
5-10-»
35
1 .
.. 250
3-10 8 I
10-3 ... J
5-10"» Я
Радиочастотный
МХ-4301
io-8
25
1 .
.. 100
10-3 ... 10-»1
масс-спектрометр
МХ-6401
5- 10” 7
50
1 .
12
.. 4;
.. 56
10-® ... КУЯ
Импульсный вре- мяпролетный масс- аиализатор (хронотрон)
РМС-2М
5-10-’
45
2 10 40.
.. 12;
.. 60;
.. 200
КГ* ... 10-Я
.. 250
МСХ-ЗА
io-7
30
1
10-3 ... 10“|
Квадрупольный
МСХ-2М
МСХ-4
io-10
100
1
.. 250
10-»,... 10-|
10"»
>100
1
.. 600
10-= ... 10-1
масс-спектрометр
У А В.Э-100/2-006
1110-»
100
2
.. 100
1.10-3 ... 1
ПУ7 I
Радиочастотный
ЭФМ-1
10-7
50
i
.. 50;
10"1 ... юЯ
однополярный масс-спектрометр
КМ-2
id-7
300
12
2
.. 100
.. 300
10-® ... 10в
Линейный резо-
МХ-7301
КУ»
200 е
1
.. 200
10-® ...
нансный масс-ана- лнзатор (фарви- трон)
АПДМ-1
АПДМ-2
10"u
10-7
400
20
1;
2
..400
.. 200
5-10-® ...'■ КУ“ i IO-3 ... IO-”
Статический масс-
MX-1304
10-7 10-7
100
1
.. 120
10® ... io-7
спектрометр
MX-1306
800
2
4
450;
900
10® ... IO-7
МСД-1
10“8
60
2
„. 150
10"» ... 10-8
Таблица 15.3
Таблица 15.3
• В области
• В области
70 а. е. М;
70 а. е. М;
• главной линии. Имея спектры чистых молекулярной и Аг++);
• главной линии. Имея спектры чистых молекулярной и Аг++);
массы (например, Аг*
массы (например, Аг*
Рис. 15.1. Принципиальная схема магнитного масс-спектрометра
Рис. 15.1. Принципиальная схема магнитного масс-спектрометра
газов, по интенсивности масс-спектра смеси можно определить состав и парциальное давление компонентов смеси.
Расшифровка масс-спектра затруднена по многим причинам. Основные из них: '
доминирование в спектрах однозарядных ионов, наряду с которыми имеются и двухзарядные; массовое число последних вдвое меньше их
наличие компонентов, состоящих I из нескольких изотопов и дающих | пики интенсивности отдельных изо- I топов в их количественном соотно- | шении;J
при нонизацнн молекул под дей- | ствием электронного луча и накален- | ного катода частичная диссоциация | , сложных молекул на простые состав- I
ляющне, которые дают в спектре соот- |
ветствующие пики иоиов (например, СО2 дает пики COt, СО+, С+, О+ и OJ); иногда различным веществам соответствуют пики с одним и тем же массовым числом (например, массовое число 15 соответствует CHJ и О+); большое число «осколочных» пиков (для спектров органических соединений), по которым можно составить представление лишь приближенное об исходном анализируемом продукте.
Для выс^ковакуумиых герметичных систем не характерно присутствие кислорода; кислород преимущественно дает соединения СО (массовое число 28) и СОа (массовое число 44). Признак натекания воздуха через течи — параллельный рост пиков азота (массовое число 28), кислорода (массовое число 32) и аргона (массовое число 40). 4
Идентифицировать вещества можно только с учетом характерного наличия дополнительных сопутствующих пиков, поскольку в масс-спектрах всех соединений при неизменной энергии ионизирующих электронов соотношение пиков примерно постоянно и практически не зависит от типа масс-спектрометра. В табл. 15.2 приведены ориентировочные спектральные характеристики некоторых газов и паров, наиболее часто применяемых в вакуумной технике, табл. 15.3 —- технические данные измерителей парциальных давлений н масс-анализаторов.
Статическиемасс-спектрометры
В магнитном масс-спектрометре (рис. 15.1) анализируемый газ ионизируется в ионном источнике 2 пучком медленных электронов, эмитируемых накаленным катодом 3 и нейтрализуемых на коллектрре 1. Ионы вытягиваются из ионизатора через узкую выходную щель, ускоряются и дополнительно фокусируются полем электрических линз 4. Лучок И моно- энергетических ионов, имеющих разные скорости в соответствии с их массами Mt и зарядами е, попадает в зону действия поперечного магнитного поля магнита 5 и, изменив направление движения под влиянием
лоренцовой силы, поступает через выходную щель на коллектор 6 ионов различных масс. Далее ионный ток коллектора проходит через усилитель 7 и подается на регистрирующий прибор 8. Обычно угол развертки газо- аналитических масс-спектрометров 90; 120 или 180°.
Массовые числа ионов связаны с параметрами анализатора уравнением
Л1,./е = 4,79-107г^/1/, (15.1)
где г^ — радиус траектории иона в магнитном поле;, Нт — напряженность магнитного поля; U — ускоряющее напряжение в источнике ионов.
Анализ уравнения (15.1) показывает, что возможны два способа развертки .масс-спектра: магнитный (изменением Н^ и электростатический (изменением иу
Разрешающая способность магнитных масс-спектрометров
Р = f i/[6i + 6а + а (63)], где bt — ширина щели на выходе из источника ионов; Ьг — ширина щели перед коллектором ионов; о (63) — суммарное расширение ионного пучка в плоскости щели шириной 5а в результате аберраций.
Панорамный масс-спектрометр (фар- витрон) ~+ рис. 15.2, а — служит для качественной оценки состава остаточных газов. Анализируемый газ ноии-
Я
Рис. 15.2. Принципиальная схема анализатора панорамного масс-спектрометраРис. 15.2. Принципиальная схема анализатора панорамного масс-спектрометравзаимно пер- радиочастот- (напряженно- приложенного 3, и постоян-взаимно пер- радиочастот- (напряженно- приложенного 3, и постоян-
Рис. 15.2. Принципиальная схема анализатора панорамного масс-спектрометра
Рис. 15.2. Принципиальная схема анализатора панорамного масс-спектрометра
взаимно пер- радиочастот- (напряженно- приложенного 3, и постоян-
взаимно пер- радиочастот- (напряженно- приложенного 3, и постоян-
зируется электронами, эмитируемыми накаленным катодом /, проходящими через диафрагму-модулятор 2 и ускоряемыми полем сетки 3. Ионы, образовавшиеся в анализаторе при прохождении электронов, ускоряются параболическим полем, образованным электродами 4 н 5, я под воздействием этого поля совершают колебания между сеткой 3 и сигнальным электродом 7, имеющими нулевые потенциалы. На электрод 6 подается максимальный отрицательный потенциал U (рис. 15.2,6). Каждый вид ионов наводит на сигнальном электроде 7 напряжение собственной частоты. Анализ ионов по массам заключается в измерении частот сигнальных напряжений узкополосным усилителем. Частота колебаний иоиов
где Ка — коэффициент, определяемый геометрией анализатора.
Частота колебаний ионов не зависит от места их возникновения. Для получения развертки масс-спектра в панорамном масс-спектрометре изменяют резонансную частоту диафрагмы- модулятора 2.
Динамическиемасс-спектрометры
Омегатронный масс-спектрометр (омегатрон) —- рис. 15.3 — один из самых распространенных. Электроны, эмитированные катодом 5 накала, проходят через отверстия в улавливающих пластинах 6 и попадают на коллектор ионов. Узкий пучок электронов, проходя через камеру 2 анализатора, ионизирует находящиеся там молекулы газа. Ионы с различными массами подвергаются одновре
менному воздействию пендикулярных полей: ного электрического стью | Е | = £ sin cot), между пластинами 1 и
ного магнитного поля напряженностью Нт от внешнего магнита (на рисунке не показан). Ионы, для которых ча- стота кругового движения в данном магнитном поле совпадает с частотой приложенного высокочастотного напряжении, попадают в резонанс с этим полем, ускоряются им и, двигаяс
по раскручивающейся спирали, дости гают коллектора 4 ионов. Силу ионноп
тока резонансных ионов регистрирует^™ измерительный прибор.
Ионы с другими массами вращаютс^|^И вокруг электронного пучка, то при-^И ближаясь к нему, то удаляясь от него. | Пространственный заряд, образуемый ^ нерезонансными нонами, постепенно g рассеивается и рекомбинирует на . пластинах диэлектрика.
Рис. 15.3. Принципиальная схема анализатора омегатрониого масс-спектрометра
Развертку масс-спектра в омегатроне получают изменением частоты высокочастотного напряжения. Резонансная' частота, МГц, связана с массовым числом иона соотношением
_ 15,ЗЯт
Мф 1
Разрешающая способность омега- ,трона обратно пропорциональна массе иона тл
Р = eH^til^E^tY
где л0 — расстояние от коллектора ионов до оси электронного пучка.
С увеличением массового числа раз- решающаи способность уменьшается, поэтому омегатрон может анализировать с достаточной точностью только легкие газы.
Квадрупольный масс-спектрометр обладает высокими разрешающей способностью и чувствительностью. Его преимущество — отсутствие магнитных полей. Принципиальная схема анализатора (без корпуса) приведена иа рис. 15.4. Исследуемый газ ионизируется пучком электронов, эмитируемых катодом накала и проходящих к коллектору электронов в коробке ионизатора L Из ионизатора ионы поступают через диафрагму 2 в анализатор, представляющий собой высокочастотный электрический квадруполь и образованный четырьмя параллельными стержнями (электродами) 3 круг-; лого сечения. Противолежащие электроды попарно соединены, и между ними приложено высокочастотное напряжение U„ + U cos (со0, где и U^ — напряжение соответственно Постоянного и переменного тока. Ион, движущийся вдоль оси стержней, раскачивается высокочастотным полем. Амплитуда колебаний ионов зависит от их массовых чисел и напряжений на стержнях.
Траектории ионов могут быть устой- ‘чивыми и неустойчивыми. Ионы с устойчивыми траекториями (амплитуда их колебаний меньше рассто- ' яния rQ от центральной оси квадруполя до стержня) проходят через анализатор и попадают на- коллектор 4, создавая в цепи коллектора ток, сила которого
Ряс. 15.4. Принципиальная схема анализатора квадрупольного масс-спектрометра
пропорциональна парциальному давлению. По мере продвижения ионов с неустойчивыми траекториями вдоль анализатора амплитуда нх увеличивается. Сталкиваясь, с электродами^ ионы нейтрализуются.
Дли получения развертки масс- спектра изменяют напряжения на электродах ионизатора. Массовые числа ионов, имеющих устойчивые траектории, связаны с параметрами поля соотношением
MtJe=\,39dO-5Uj(j^),
где / — частота, МГц-.
Разрешающая способность квадрупольного масс-спектрометра
р = 0,75/(1 — Т/Ттах).
где у — U^U^— отношение, определяющее диапазон масс ионов с устойчивыми траекториими; Утах— 0,168.
Точность определения у должна быть очень высокой, поскольку эта характеристика определяет разрешающую способность масс-спектрометра.
Монополярный масс-спектрометр представляет собой модификацию квадрупольного, его преобразователь — один квадрант квадруполя (рис. 15.5). Преобразователь состоит из круглого стержня 1 и угловой пластины 2, которая находится под потенциалом земли. На стержень 1
Ряс. 15.5. Принципиальная схема анализатора моиополярного масс-спектрометра
Ркс. 15.6. Принципиальная схема анализатора времяпролетного масс-спектрометра
подается высокочастотное напряжение Ucos cot.
Ионы из источника проходят в зазор между электродами. Для ионов, проходящих через монополярный анализатор:
Mt/e = 9,8.1O-6Uj(qr2of2), где q — параметр, в первом приближении равный 4у (для монополярных масс-спектрометров у= 0,5 ... 1,4).
Разрешающая способность монополярного масс-спектрометра
q^L^P Mj 4^уск 5’
где L — длина анализатора; U7CH —. ускоряющее напряжение ионов в источнике.
Времяпролетный масс-спектрометр (хронотрон) — рнс. 15.6 — является наиболее быстродействующим. Камера ионизации 3 имеет катод накала /, управляющий электрод 2 и коллектор 5 электронов. В ионном источнике длительность ионизирующего электронного импульса порядка 0,1 мкс. После Прекращения ионизации образовав-
q
Рнс. 15.7. Принципиальная схема анализатора радиочастотного масс-спектрометра
шиеся ионы выталкиваются в ускоряющую камеру 6 при подаче на выталкивающий электрод 4 импульса напряжении той же длительности. Под действием ускоряющего напряжения ^уск ионы приобретают одинаковые энергия. Анализатором яонов служит камера дрейфа 7, свободная от полей. В ней ноны по ннерцни движутся к коллектору 10. Скорость движения отдельных яонов зависит от их энергий и массовых чисел, поэтому при пролете от источника до коллектора ионы разделяются на группы в соответствии с их массовыми числами. Время пролета иойов от источника до детектора D
ti = £д 1/гК^^^ск) *
где Ад — длина камеры дрейфа.
Попав на коллектор, группы нонов создают в его цепи ток, сила которого пропорциональна парциальному давлению. Перед коллектором нонов обычно устанавливают систему, сеток, из которых ближайшая к коллектору 9 является антядннатронной. Супрессорная сетка 8 не пропускает на коллектор ионы рассеяния, энергия которых меньше энергии'нонов в пакете.
Разрешающая способность прибора р = 0,5^/Д^,
где Д^ — временная характеристика ионного пакета с отношением М.^!е, определяемая пространственной шириной пакета, разбросом начальных скоростей ионов, влиянием поля объемного заряда пакетов яонов н др.
Преимущество радиочастотного масс- спектрометра (рис. 15.7) — отсутствие ограничения площадей поперечных сечений ионного пучка и выходного отверстия. Электроны, эмитированные катодом накала 1, ионизируют газ в камере 2 и попадают на коллектор 3 электронов. Ионы ускоряются напряжением t/уск в направлении анализатора масс-спектрометра, который представляет собой несколько трехсетчатых каскадов 4, расположенных на определенном расстоянии один от другого. Между крайней и центральной сетками каждого каскада приложено высокочастотное напряжение, в зависимости от которого часть ионов при движении получает энергию и
соответствующее дополнительное ускорение, а другая часть — отдает энергию и тормозится. Перед коллектором 6 ионов установлены тормозящие сетки 5, через которые проходят только ионы с максимальной энергией. Сила тока коллектора пропорциональна парциальному давлению. Масса ионов, получающих максимальный прирост энергии, связана с параме
трами анализатора соотношением
Мие = Ки^1^, где К — коэффициент пропорциональности; /с — расстояние между сетками в каскаде.
Для получения развертки масс- Спектра в радиочастотном масс-спектрометре изменяют ускоряющее напряжение или частоту.
Глава 16. Испытания на герметичность
2лг3и ..^ (Р2Р1Ь2лг3и ..^ (Р2Р1Ь(16.1)(16.1)
2лг3и ..
^ (Р2Р1Ь
2лг3и ..
^ (Р2Р1Ь
(16.1)
(16.1)
Общие сведения
Испытания на герметичность проводят для определения степени герметичности вакуумной аппаратуры (установок) и их элементов, а также выявления отдельных течей (тече- нскание).
Методы теченскания относятся к методам контроля пробными веществами и основаны на регистрации . протекающих через течи пробных веществ. В зависимости от рода пробного вещества методы испытаний на герметичность подразделяют на две группы: газовые и жидкостные. Метод испытаний выбирают в зависимости от назначения изделий, их конструктивно- технологических особенностей, требований к степени герметичности, а также технико-экономических характеристик испытаний. При этом метод должен обеспечивать проведения испытаний в условиях, соответствующих действующим на предприятии -требованиям по технике безопасности и промышленной санитарии.
Степень герметичности вакуумных систем и их элементов характеризуется потоком воздуха через все имеющиеся в них течи (через суммарную течь), выявленным при испытаниях и приведенным к нормальным условиям. Если при испытаниях натекание нли утечка . не зафиксированы, можно утверждать, что вакуумная система или ее элементы герметичны в пределах порога чувствительности проведенных испытаний. Для определения степени негерметичности нормальными считают условия перетекания .воздуха при температуре 293 ± 5 К
v из атмосферы в объем, откачанный до давления меньше 10 Па, пря атмосферном давлении 10й ± 4-Ю3 Па.
Для систем, находящихся под постоянной откачкой, параметрами, определяющими герметичность, являются необходимое равновесное . давление и эффективная быстрота" откачки. Для изолированных вакуумных . систем требования к герметичности определяются их объемом н допускаемым возрастанием давления во времени.
Методы испытаний на герметич- . ность изложены в соответствии с ГОСТ 24054—80 и ОСТ 11 293.031-81.
В связи с неопределенностью размеров н формы течей для оценки потоков через них следует применять моделнро- вание: течн типа пор представляют в виде прямых каналов круглого сечения, течи типа щелей н трещин— * в виде каналов прямоугольного сечения.
Режим перетекания газов через течи в вакуумных системах в зависимости от размеров н формы течи, природы газа, температуры и среднего давлении "В канале течи может быть молекуляр- | ным, вязкостным и молекулярновязкостным.
Поток следует рассчитывать по формулам:
для молекулярного течения через канал круглого сечения
2лг8 3/""W,Ум.К- 3/ и лМ ^"^Pil —
Рис. 16,1. Зависимость Y (Q) от X (г, А) для каналов круглого сечения (линия /) и щелевндных (линия 2)Рис. 16,1. Зависимость Y (Q) от X (г, А) для каналов круглого сечения (линия /) и щелевндных (линия 2)для молекулярного течения через канал щелевидного сечеиия_ 2to2 / %RT .. _Ум.щ--д,- V Т^-Р^-для молекулярного течения через канал щелевидного сечеиия_ 2to2 / %RT .. _Ум.щ--д,- V Т^-Р^-2л62д f3/- (р^ — рО; (16.2)2л62д f3/- (р^ — рО; (16.2)
Рис. 16,1. Зависимость Y (Q) от X (г, А) для каналов круглого сечения (линия /) и щелевндных (линия 2)
Рис. 16,1. Зависимость Y (Q) от X (г, А) для каналов круглого сечения (линия /) и щелевндных (линия 2)
для молекулярного течения через канал щелевидного сечеиия
_ 2to2 / %RT .. _
Ум.щ--д,- V Т^-Р^-
для молекулярного течения через канал щелевидного сечеиия
_ 2to2 / %RT .. _
Ум.щ--д,- V Т^-Р^-
2л62д f
3/- (р^ — рО; (16.2)
2л62д f
3/- (р^ — рО; (16.2)
газа, м/с; Ано — длинная и короткая стороны щелевидного сечения, м; т) — динамическая вязкость газа, Па-с. ■
Для молекулярно-вязкостного течения через каналы круглого и щелевидного сечений можно рекомендовать упрощенную формулу
Q—Увз ~г См- (16.5) |
Если известен поток через течь 3 в нормальных условиях, то поток j через течь в условиях, отличных от j нормальных, определяют по форму- 1 лам: J
при вязиостном режиме течения
- #вэ = чвз — “, (10.6) J ЧВ Ра —л
при молекулярном режиме течения | S»==^ 1/^."Ьг- (16.7)1 где .ра — атмосферное давление, Па; индексы пив соответствуют произвольному газу и воздуху.
Соотношение между определяющим размером канала течи и потоком
через нее в общем случае молекулярно- । вязкостного режима течения харак- | теризует зависимость (рис. 16.1), | построенную с использованием выра- j жений для . безразмерного потока и й безразмерного радиуса (или «раскры- I тия» щели). Основное исходное урав- I некие имеет вид I
для вязкостного течения через канал круглого сечеиия
QBa.K = -^F^-p^ (I6'3)
для вязкостного течения через канал щелевидного сечения
Q^ = 4^l&-£y (16.4)
В формулах (16.1)—(16.4): ■ Q — поток, Па м8/с; г — радиус канала круглого сечения, м; / — длина канала, м; R — универсальная газовая постоянная, Дж/(моль-К); Т — абсолютная температура, К; М — молярная масса газа, кг/моль; р^ и pt — давление соответственно иа входе в канал и выходе из него, Па; v — средняя тепловая скорость движения молекул
У к = акг4 + ркг3;
Ущ = “щЛ3 + Рщй2> (168)
Где “и16Т)/’
„ b^pi — p^ •
®щ ~24^’
о 2л - , х.
Рщ = "зТ" 6 Uh —Р^-
Для каналов круглого и щелевид
иого сечений:
безразмерный поток
1^к "Укак/Р • Ущ " Ущащ/Рщ?
(16.9
относительный определяющий размер
Хн = ^н/Рк» Хщ = /КХщ/^Щ.
(16.10)
В табл. 16.1 приведены данные к определению потока В газа через течь в молекулярно-вязкостном режиме при различных определяющих размерах г круглого канала или h (при различных М),щелевидного канала. Соотношения между потоком газа через течь и ее определяющими размерами при заданных значениях / и Ub (при I > г, A): Z — В1 для круглого канала радиусом г; Z — Btib для трещин с раскрытием А.
Верхней границей существования молекулярного режима течения ориентировочно можно считать: для круглых течей 10-8 Па-м8/с, для щелевидных 10-4 Па-м8/с. Течение в нормальных условиях ориентировочно считают чисто вязкостным при Вн > 10-4 Па^/с и Вщ ^ 1 Па-м8/с.
Допускаемый поток натекания в систему:
при необходимости достижения равновесного давления р в процессе откачки с эффективной быстротой So
Q№n^W><\(i6.li)
при ограничении изменения давления Др в объеме У, изолируемом от откачиой системы иа время Ы,
Удои < А3(/Др/Д^, (16.12)
где Аэ — коэффициент запаса по степени герметичности, вводимый для учета возможного влияния газовыде- ления на установившееся давление; пн -— критическая концентрация компонента в натекающей газовой смеси (при определяющей роли общего газового потока нк— 1); U — проводимость системы.
Исходя из допускаемых потоков натекания в вакуумные системы, следует установить допускаемые потоки натекания их отдельных элементои, подлежащих независимой проверке.
Если возможны пористость отливок и наличие течей в листовом материале, из которого изготовлены оболочки про-
Т а б л и ц а 16.1
Z
г, и
к, м
1,3. io-18
5,0-10"8
2,1-10"10
6,7-10"12
8,5-10~8
4,6-10"10
1,3-10"11
LMO"7
6,5-10-10
6,7-10"11
1,8-10-’
1,5-10-в
1,3-10"10
2,2-10-’
2, МО"»
6,7-10"10
3,7-10"7
4,7-10-8
1,3-10-»
4,5-10-’
6,5-10-8
6,7-10-8
7,2-10-’
1,5- IO"8
1,3.10"8
8,8-10-’
2, МО-8
6,7-10"8
1,4-IO”6
4,6.10-8
1,3.10-’
1,7- 10”0
6,4-10-8
6,7-10'6
4,8.10-fl
4, МО"7
1,3.IO'6
5,7-10-8
5,5-10-’
6,7-10-6
8,7-10-8
1,М0-8
1,3-10-4
1,0-10-6
1,4-10-8
6,7-10"4
1,5-10-6
2,7-10-8
1,3-10-8
1,8-10~6
3,5-10-8
1,3-10-2
3,3-10-6
7,9-10-8
6,7-10-*
4,9- 10"в
1,4-Ю-6
0,1
5,9-10~в
1,7-IO*6
0,67
8,8-10-6
з,о- ю-6
1.3
1,М0"4
3,8-IO"6
веряемых элементов, допускаемый поток
УдоП. ЭЛ ^ УдоП^Эл/^* (16.13) где /"эд и F — площади поверхностей соответственно элемента и вакуумной системы, м.
Если все течи находятся в разборных или сварных соединениях, то
Одой. ЭЛ ^9доп‘элД> (16.14) где /ал и / — длины сварных соединений соответственно элемента и системы, м.
В вакуумных системах, подлежащих контролю герметичности, должен быть обеспечен доступ пробного газа ко всем поверхностям оболочек, отделяющим вакуумный объем от атмосферы, сварным швам, разборным и неразборным уплотнениям, а также должна быть предусмотрена возможность свободного прохождения пробного газа к контролируемым участкам поверхности и от иих к течеискателю. В сложных вакуумных системах предусматривают возможность секционирования системы в процессе тече-
Рис. 16.2. Многослойные сварные швы:а — с течью; б — со сквозным каналом, в — со сквозным каналом и штуцером; / — силовые слои шва; 2 — герметизирующие слои шва; 3 — дополнительная планка или обечайка;4 — штуцерРис. 16.2. Многослойные сварные швы:а — с течью; б — со сквозным каналом, в — со сквозным каналом и штуцером; / — силовые слои шва; 2 — герметизирующие слои шва; 3 — дополнительная планка или обечайка;4 — штуцерискания для быстрого нахождения участка с течью.
Рис. 16.2. Многослойные сварные швы:
а — с течью; б — со сквозным каналом, в — со сквозным каналом и штуцером; / — силовые слои шва; 2 — герметизирующие слои шва; 3 — дополнительная планка или обечайка;
4 — штуцер
Рис. 16.2. Многослойные сварные швы:
а — с течью; б — со сквозным каналом, в — со сквозным каналом и штуцером; / — силовые слои шва; 2 — герметизирующие слои шва; 3 — дополнительная планка или обечайка;
4 — штуцер
Конструкция вакуумной системы должна исключать образование внутренних течей, которые могут стать источниками длительного поступления воздуха в вакуумную систему, а также плохо откачиваемых полостей; в последних может задерживаться пробный газ, вызывающий повышенный уровень фонового сигнала тече- искателя. В местах явного образования полостей (например, за резьбовым соединением внутренних детален, за их сопряжением и др.) следует предусматривать прорези нлн проточки, обеспечивающие их эффективную откачку.
Вакуумную систему снабжают штуцерами, фланцами и другими деталями для присоединения вакуумных иасосов, преобразователей вакуумметров и течеискателей (необходимых для контроля герметичности), а также вспомогательного оборудования (чехлов, вакуумных присосок, разъемных камер и др.).
При выборе режима испытаний следует иметь в виду, что В МНОГОСЛОЙНЫХ’ сварных швах возможно образование сложных течей Б с промежуточными полостями А, ' увеличивающими время прохождения пробного газа (рис. 16.2, я). Возможно также образование внутренних течей В в полость за первым герметизирующим швом. Испытание многослойных швов упрощается, если они выполнены со сквозными, по возможности секционированными, каналами Г за герметизирующим швом (рис; 16.2, б), Выведенные
через штуцера секции такого канала”! можно откачивать, контролируя изменение давления в вакуумной системе, или продувать через них пробный газ. Варианты выполнения швов со, сквозными каналами приведены на| рис. 16.2, б, в.]
Перед испытанием вакуумных си Я стем и их элементов, длительное время хранившихся на воздухе, необходим^ подготовить их к испытаниям — освободить течи от влаги. Для удаления воды из течей с потоком натекания менее 10~б Па-мэ/с систему прогревают в условиях вакуума при температуре выше 623 К- Поверхности непрогрева- емых вакуумных систем следует промывать летучей жидкостью с малым поверхностным напряжением, например ацетоном, с последующим прогревом. Из течей с потоком натекания более 10~бПа-м3/с воду удаляют в процессе откачки (без прогрева).
Перед испытаниями на герметичность поверхность оборудования должна быть тщательно промыта и обезжирена растворителями, рекомендуемыми для вакуумных систем, и просушена для освобождения каналов течей от растворителей.
Если программой испытаний предусмотрены испытания на вибростенде или испытания на прочность (сжатие, растяжение, тепловые удары, неравномерные нагрев, охлаждение и др.), проверка на герметичность должна быть заключительным этапом испытаний.
Испытания следует проводить в три этапа, каждый раз выбирая метод и способ проведения, позволя-
ющие решать конкретную задачу этапа. Цель первого этапа (предварительных испытаний) — оценка общей герметичности испытуемого объекта, второго — поиск течей, который проводят при установлении факта негерметичности, третьего (заключительного) — проверка соответствия степени герметичности вакуумной системы техническим требованиям (проводят при испытаниях вакуумных систем или сборочных единиц).
Этап поиска течей рекомендуется разбивать на два подэтапа: выделение негерметичных участков контролируемой вакуумной системы с помощью чехлов, охватывающих отдельные участки системы, или секционированием вакуумной системы с поочередной подачей пробного газа на отдельные участки (для обеспечения оперативности испытаний крупногабаритных си-
стем выделенный негерметичный участок желательно разделить на более мелкие для локализации течей; при этом сокращается время испытаний и снижается вероятность пропуска течей); уточнение места расположения течей обдувом тонкой струей или с помощью щупа.
После устранения выявленных течей описанную часть испытаний повторяют до тех пор, пока на предварительных испытаниях не будет установлено, что система герметична.
Классификация основных методов контроля герметичности вакуумных систем и их элементов, а также способов проведения испытаний в соответствии с ОСТ И 293.031—81 приведена в табл. 16.2.
Основные параметры течеискателей приведены в табл. 16.3.
Таблица 16.2
Метод контроля
Метод проведения испытаний
Этап испытаний
Область применения
Манометр ически й
—
Первый— третий
Все виды испытаний вакуумных систем'
С использованием вакуумных присосок -
Второй
Поиск течей в незамкнутых или газонаполненных элементах ъакуум-
. ных систем
Накопление в вакууме
Третий
Контроль малогабаритных вакуумных систем и их элементов
Обдува; применение гелиевых чехлов (камер)
Первый— третий
Испытания непрерывно
откачиваемых объектов
Масс-спе'ктроме- трический ■
Испол ьзова н ивубарокамеры
.Первый, третий
Испытания элементов вакуумных систем, работающих при избыточном давлении
442ИСПЫТАНИЯ НА ГЕРМЕТИЧНОСТЬм
■_Общие сеедения
■:—443
Продолжение табл. 16.2
Метод контроля
Метод проведения испытаний
Этап испытание .
Область применения
Тип прибора
Принци Действе!
—^г——
Порог чувстви- 1 тельност» (по пробному газу Па. м3/с
Пробны газ ).
$ Питание
1
^аиЛИЦ
К ь
5®
к д Габаритные
5 £ размеры, мм v 2 не более
S §
а 16.2
X
S V и V
I 5 §
Масс-спектрометрический 1
Накопление проб- ного газа в атмосферном чехле
ПервЫЙ- треТИЙ
Испытания газонапол-—
ненных или незамкнутых ■П ш-6 **
Масс- спектрометр и - ческий
5- 10-и
Гелий
Трехфазная сеть; . 220/380 В; 1
50 Гц
600Х 780Х X 1250
250
элементов ирн невозмож-ИПТИ 7 *1
ности проведения ва-■
куумных испытаний■щш-7М)
5-10-12
■ ПТИ 10
5-IO"13
14'70Х
!00_Х 675X620
215
Применение щупа
Второй,- третий
При использовании спо- И СТИ-8 ** соба накопления при ат- ■
б-ю-^
1250Х X 550X600
260
мосферном давлении■^^ ^
]245Х
Катарометрический
—
Второй
■ГТИ-3 *1
■(ГТИ-ЗА)
Галогенный
| 2-10"’
Хладон и другие галогены
1
2
220 В; _
Х70Х 1325
30 315Х230Х Х210
9
Контроль газонаполнен-■ ВАГТИ-4 *2
ных систем и элементов■
2-Ю-’*2
5- 10-е **
50 Гц
11
30 388Х245Х Х300
18
Аммиачный
—
7-10-’
12 аккумуляторов КНГК-10
- 286Х203Х X 135 (зарядное устройство); 296X293X
X 135 (измерительный блок)
6
Галогенный
Использование щупа н опрессовка объекта
Контроль вакуумных
стем с низкими требов^^^^еБГТИ-5
пнями к степени гермс^^^И тичности
В ысокочастотного разряда
Первый, второй
Контроль герметичности
вакуумных систем со■ ГТИ-6
стеклянными элементами
ТП7101
ю-7*2 •
10"» *»
" 220 В;__
50 Гц75
360Х160Х 1 Х200
10 '
Пузырьковый
—
Первый
Контроль систем, рабо- тающих при избыточном давлении
Катаро- | метрический
2.10-"
Гелий, хладон, ДИОКСИД углерода
127/220 В;; — 50 Гц
I24X 162X I Х78 (стабилизатор);
164Х 136Х Х62 (преобразователь)
3,5
3
Люми несцентный и цветной
—
Второй
Поиск места течи; опре-И043-009Искро-
деление структуры течейвы^
в элементах вакуумных
систем*i Сняты с произволе
■«а п Я атмосФеРиого
Для вакуумного п
тва.
преобразов реобпазоват
ателя. ели
220 В; 60
50 Гц
250X2 ЮХ Х200
ные промежутки времени, построить При испытаниях газонаполненныхзависимость (рис. 16.3, кривая 2) систем испытуемый элемент помещаютные промежутки времени, построить При испытаниях газонаполненныхзависимость (рис. 16.3, кривая 2) систем испытуемый элемент помещаютсоответствующее моменту временисоответствующее моменту времениQ = V Ьр!М,Q = V Ьр!М,(16.15)(16.15)тельтельего &в него &в нмано-изме-мано-изме-
ные промежутки времени, построить При испытаниях газонаполненныхзависимость (рис. 16.3, кривая 2) систем испытуемый элемент помещают
ные промежутки времени, построить При испытаниях газонаполненныхзависимость (рис. 16.3, кривая 2) систем испытуемый элемент помещают
соответствующее моменту времени
соответствующее моменту времени
Q = V Ьр!М,
Q = V Ьр!М,
(16.15)
(16.15)
тель
тель
его &в н
его &в н
мано-изме-
мано-изме-
Манометрический метод
С помощью вакуумметра можно определить суммарный поток натекания через течн в систему и обнаружить места течей. Завышенные показания вакуумметра по сравнению с расчетными илн полученными ранее свидетельствуют о наличии течей в системе, если при заливке жидкого азота в охлаждаемые ловушки давление практически не меняется.
Для определения суммарного потока натекания через течи необходимо отсоединить испытуемую систему от средств откачки н по показаниям - вакуумметра, снятым через определен-
давления от времени, определяемую суммарным потоком газовыделения внутренних поверхностей системы и потоком натекания через течн. Суммарный поток определяется углом наклона касательной / к кривой 2 в её начальной точке, поток натека-. ния — углом наклона прямолинейного участка кривой 2 к оси абсцисс. Для определения потока натекания необходимо: установить момент времени t, в который начинается близкое к Линейному изменение давления (при этом устанавливается равновесный поток газовыделения и дальнейшее повышение давления в системе происходит только вследствие натекания через течи); измерить давление рт в вакуумной системе, соответствующее моменту времени ^выждать время наблюдения М и измерить давление р2,
изменение давленияизменение давленияРис. 16.3. Зависимость давления в изолированной вакуумной системе от времениРис. 16.3. Зависимость давления в изолированной вакуумной системе от времени*2» Др*2» Дропределить
изменение давления
изменение давления
Рис. 16.3. Зависимость давления в изолированной вакуумной системе от времени
Рис. 16.3. Зависимость давления в изолированной вакуумной системе от времени
*2» Др
*2» Др
за время наблюдения М и суммарный поток натекания
где V — объем проверяемой системы, в?; Ы — время наблюдения, с.
В системах с большим газовыделе- нием манометрический преобразова-
целесообразно подсоединить
через охлаждаемую ловушку, применение которой повышает эффективность поглощения продуктов газовыделения и позволяет уменьшить время выхода на линейный участок характеристики (см. рис. 16.3). При измерениях уровень жидкого азота в ловушке . должен быть постоянным.
в вакуумную камеру, в -которую подают воздух под избыточным давлением. О степени негерметичности судят по изменению показаний манометрических преобразователей вакуумной камеры при известном изменении избыточного давления в элементе. Место течи определяют по изменению показаний вакуумметра при подаче на отдельные участки поверхности пробного вещества. Наиболее чувствительны к течн неабсолютные манометрические преобразователи, показания которых зависят от рода газа. Для получения количественной оценки обнаруживаемых течей предварительной градуировкой манометрического .пре-
образователя устанавливают чувствительность по воздуху пробному газу йп.
При работе с неабсолютным метри ческим преобр азователем
ненне его сигнала вследствие замены потока воздуха через течи потоком пробного вещества может быть обусловлено тремя факторами: различными скоростями натекания воздуха и пробного вещества через течн; различными значениями быстроты откачки воздуха и пробного вещества насосами испытуемой системы; различными чувствительиостямн манометрического преобразователя к воздуху и пробному веществу. Рекомендуется использовать пробное вещество, по которому все три фактора действуют в одном направлении, вызывая увеличение или уменьшение
показаний вакуумметра, т. е. чтобы удовлетворялось неравенство
knSBQn/(kBSnQB) ^> 1, (16.^6) нли
^nSBQn/l^B^nQn) ^ 1» (16,17) где SB и Sn — быстрота действия насоса прн откачке соответственно воздуха и пробного вещества, м3/с; QB и Qn — поток через течь соответственно воздуха и пробного вещества, Па-м3/с; ^в н ^п — коэффициенты чувствительности манометрических преобразователей соответственно к воздуху и пробному веществу, А/Па.
При использовании манометрического преобразователя с линейной характеристикой испытания второго этапа можно проводить с количественной оценкой обнаруживаемых течей. Для этого необходимо: снять показания р! манометрического преобразователя, отградуированного по воздуху, до подачи пробного вещества на течь; обдуть пробным газом или смочить пробной жидкостью предполагаемые места течн и снять показания вакуумметра р2 при вновь установившемся давлении; определить изменение давлений Ар = р2 — pi по воздушному эквиваленту и рассчитать поток газа через течь, вызвавший реакцию вакуумметра:
для молекулярного режима
BM = vSnAp/(6v-P); (16.18) для вязкостного режима
Ввз-^пАр/(б^-р), (16.19) где v — Мп/Мв — отношение молярных масс пробного вещества и воздуха; б = Sn/SB — отношение эффективных быстрот действия по пробному веществу и воздуху; £ = &п//гв — - коэффициент относительной чувствительности манометрического преобразователя по пробному веществу; £ = = Лп^Лв — отношение динамических вязкостей пробного вещества и воздуха.
Если в испытуемой системе применено селективное средство откачкн с Sn = 0, то обнаруженный поток газа через течь оценивают пр формуле
^-^АрпДА/Р), (16.20) где Дрп — изменение давления пробного вещества за время А/.
При испытании вакуумных систем жидкие пробные вещества рекомендуется применять лишь в тех случаях, когда требуется обнаружить поток газа через течь В ^ 10-6 Па-м3/с; в этом случае сигнал о течи больше, чем при работе с пробным газом. Экспериментально установлено, что реакция вакуумметра на пары ацетона почти на три порядка превышает реакцию на гелий.
Манометрический метод испытания на герметичность широко применяют, так как практически в каждой вакуумной установке есть по крайней мере один из наиболее распространенных вакуумметров, который можно использовать для выявления и поиска течей. Это позволяет проводить испытания без применения дополнительного оборудования.
Масс-спектрометрическнйметод
Масс-спектрометрический метод основан на принципе ионизации газов и паров с последующим разделенйем образовавшихся ионов в магнитных н электрических полях. Этот метод — наиболее чувствительный и универсальный. Разнообразие объектов ис-. следования по объему н рабочим характеристикам обусловливает разнообразие способов реализации метода: с применением обдува и гелиевых чех? лов (камер), щупа, барокамеры, вакуумных присосок, метода накопления.
Перед , началом испытаний масс- спектрометрические течеискатели градуируют с помощью диффузионной гелиевой течи типа «Гелит» в соответствии с инструкцией по эксплуатации, прилагаемой к каждому образцу течи. Градуировкой определяют цену деления шкалы выходного прибора тече- нскателя
SQ = $ Не/(аНе""аф)> (16-20 - где QHe — поток гелия от течи «Гелит», Па-м8/с; аНе — установившийся сигнал течеискателя при измерении гелиевой течн, мВ; аф — сигнал течеискателя, обусловленный фоном гелия, мВ. Предельные возможности течеискателя . характеризуются порогом
зз2255445)5)з4з4Рис. 16.4. Схемы испытаний на герметичность:Рис. 16.4. Схемы испытаний на герметичность:/ — испытуемая система: 2 — дроссельный клапан; 3 — течеискатель; тельный механический насос; 5, 7 — клапаны; 6 — пароструйный/ — испытуемая система: 2 — дроссельный клапан; 3 — течеискатель; тельный механический насос; 5, 7 — клапаны; 6 — пароструйныйокружающейокружающей4 — вспомога- насос4 — вспомога- насос
з
з
2
2
5
5
4
4
5)
5)
з
4
з
4
Рис. 16.4. Схемы испытаний на герметичность:
Рис. 16.4. Схемы испытаний на герметичность:
/ — испытуемая система: 2 — дроссельный клапан; 3 — течеискатель; тельный механический насос; 5, 7 — клапаны; 6 — пароструйный
/ — испытуемая система: 2 — дроссельный клапан; 3 — течеискатель; тельный механический насос; 5, 7 — клапаны; 6 — пароструйный
окружающей
окружающей
4 — вспомога- насос
4 — вспомога- насос
1
чувствительности, т. е. минимальным потоком пробного газа, регистрируемым течеискателем:
Qmm ~ 2 ДаАзо(16.22)
' minф Qi''
где Даф — минимальная амплитуда флуктуаций фонового сигнала. мВ. Вакуумные системы и отдельные элементы испытывают по одной из трех схем, показанных на рис. 16.4, в зависимости от суммарного газового потока Q2, предварительно рассчитанного или найденного экспериментально. По первому варианту (рис. 16.4, я), как правило, испытывают отдельные. элементы вакуумных систем, суммарный газовый поток которых не пре-' вышает предельно допускаемый поток течеиска^еля Qnon. Вспомогательный механический насос 4 отключают сразу после достижения форвакуума в системе и соединительных коммуникациях. Если суммарный газовый поток Qs проверяемого элемента пре- вышает предельно допускаемый поток течеисхателя (?доп, испытания проводят с работающим механическим насосом. Дроссельный клапан 2 течеиска- теля 3 открывается до получеиня максимально допускаемого давления, в анализаторе рдоП — 0,02 Пй.
Минимальные размеры обнаруживаемой течи при испытании со вспомогательным механическим насосом зависят от давления в проверяемом элементе, предельного остаточного давления механического насоса и уровня фонового сигнала, определяемого про-
тиводиффузией гелия из атмосферы через механический насос. , Проверяемый элемент присоединяют к’входному фланцу течеисхателя непосредственно илн с помощью присоединительных трубок с достаточно высокой проводимостью по гелию (не менее 10“2 м3/с).
Применение второго варианта | (рис. 16.4, б) целесообразно в двух случаях: при испытаниях элементов вакуумной системы нли объемов с боль- ; шими потоками- газовыделения и нате- 1
кания. когда объем отбираемого в тече- । искатель газа достаточен для созда- -^ иия в анализаторе предельно допускаемого давления рДоп при соединении течеискателя с высоковакуумной системой: при большом и нестабильном фоновом сигнале, создаваемом механическим насосом (если этот сигнал нельзя устранить).
Схема, приведенная на рис. 16.4, в, позволяет получить наиболее высокую чувствительность в широких пределах изменения объема, различных потоках газовыделения проверяемых элементов и системы в целом, а также при разной длительности подачи гелия. Схема обеспечивает возможность максимального отбора газа в течеискатель, малое время установления сигнала н, следовательно, . наибольшую чувствительность (если поступление газов нз форвакуумной линии приводит к увеличению фонового сигнала).
До тех пор, пока через течеискатель проходит предельно допускаемый поток, минимальные размеры обнаружи-
ваемой течи не зависят от числа параллельных линий откачки и лимитируются суммарным газовым потоком испытуемой вакуумной системы. Чувствительность максимальна в условиях, когда весь газовый поток линии, к которой подсоединен течеискатель, меньше или равен максимально- допускаемому потоку через течеиска- тель, а механический насос этой линии отключен. При испытании больших объемов следует сводить к минимуму объем форвакуумной линии, к которой присоединен течеискатель, а также применять пароструйные насосы с большой быстротой действия.
Испытания на герметичность вакуумных систем можно проводить с помощью масс-спектрометрических анализаторов парциального давления, устанавливаемых наряду с манометрическими преобразователями на высоковакуумных системах. С их помощью можно оценить общую степеиь негерметичности по содержанию кислорода в остаточных газах системы. Места течей устанавливают по изменению пиков масс-спектра, соответствующих выбранному пробному газу. Наименьшие размеры обнаруживаемой течи при таких испытаниях сравнительно велики вследствие значительной быстроты действия пароструйных насосов. В качестве пробных вешеств целесообразно применять аргон и гелий.
Способы обдува и гелиевых чехлов (камер) применяют при испытаниях непрерывно откачиваемых вакуумных систем, первый для обнаружения мест течей, второй — для определения степени негерметичности оболочки проверяемой системы или ее элемента, оперативного выявления негерметичных участков и течей сложной конфигурации, повышения чувствительности испытаний систем с большой постоянной времени откачки.
Гелиевую камеру обычно используют для испытаний малогабаритных систем; при контроле крупногабаритных систем камеру можно заменить полиэтиленовым чехлом. Способ гелиевых чехлов или камер дает более объективные и точные результаты (поток натекания- через течи), чем способ обдува. При обдуве больше ска
зываются разбавление гелия воздухом, временные характеристики1 течей и испытаний, невозможность выявления течей из-за быстрого перемещения обдувателя над отдельными участками испытуемой поверхности или случайного пропуска этих участков. Для проведения испытаний течеискатель соединяют с испытуемой системой по одной из схем, показанных на рис. 16.4.
Испытания по первому варианту (рис. 16.4. а) проводят в следующем порядке. Откачивают систему / и все соединительные коммуникации вспомогательным насосом 4; при достижении в системе давления менее 10 Па плавно открывают дроссельный клапан 2, устанавливая в течеискателе рабочее давление рраб ^ Рдоп! включают течеискатель 3 и приступают к поиску течей; по мере обнаружения и устранения течей плавно открывают дроссельный клапан 2/После полного его открытия перекрывают клапан 5, отделяющий механический насос, если давление в течеискателе не начнет превышать предельно допускаемого, при котором обеспечивается обнаружение течи с минимальными размерами. Иногда полное открытие дроссельногр клапана невозможно из-за высокого предельного остаточного давления механического насоса; тогда перекрывают механический насос. Если давление при этом не уменьшается, значит насос не является причиной повышения давления и его следует подключить вновь.
Испытания по схемам, показанным на рис. 16.4, б, в, проводят в следующем порядке. Откачивают механическим насосом 4 систему 7, включая патрубок, соединяющий ее с течеиска- телем 3. Если в системе удается получить давление меньше предельного выпускного давления пароструйного насоса 6, включают его. В противном случае откачку системы проводят только механическим насосом 4; плавно открывая дроссельный клапан 2 тече- искателя, устанавливают в системе течеискателя 3 рабочее давление; включают катод и приступают к поиску течей. Если после устранения ряда течей давление в системе снизится настолько, что можно включить пароструйный иасос 6, его включают и
Рис. 16.5. Схема испытаний иа герметичность с помощью вакуумных присосок: а — схема установки (/ — течеискатель;
2 — дроссельный клапан течеискателя; 3 — манометрический преобразователь: 4, 6» 9 — клапаны; 5 — вакуумная присоска;
7- — механический вакуумный насос; 3 — течь «Гелнт»); б — присоска
продолжают испытания после достижения в системе высокого вакуума.
По мере обнаружения н устранения течей плавно открывают дроссельный кл-апан 2 течеискателя. Если прн полностью открытом дроссельном клапане давление в течеискателе 3 ниже рабочего, то для увеличения чувствительности течеискателя при работе по схеме, показанной на рис. 16.4, в, перекрывают трубопровод к механическому насосу 4 системы (давление прн этом не должно превышать рабочего), закрыв клапан 5, н стремятся работать иа более чувствительных шкалах течеискателя компенсацией фоновых сигналов.
Для уточнения места течи следует использовать способы, препятствующие попаданию гелия в течи, располо-f женные на участках поверхности, смежных с обдуваемыми. Эффективно создание у обдувателя воздушной струн, смещающей поток гелия в одном на- правленнн. При этом ступенчатое перемещение обдувателя позволяет точнее установить место течи.
Если градуировку выполняют с помощью течи «Гелит», поток гелия через обнаруженную течь
Q = sQ (« - аф) сНе, (16.23) где а — сигнал течеискателя; сНе —
концентрация гелия в смесн гадов, подаваемой на течь.
Способ вакуумных присосок применяют при контроле герметичных листовых заготовок для вакуумных систем и их незамкнутых, а также газонаполненных элементов.
Прн испытаниях вакуумные присоски устанавливают на проверяемые участки поверхности, с противоположной стороны которых подают гелий (рис. 16.5). Прн проверке незамкнутых элементов (например, сварных швов обечаек) гелий можно подавать с помощью полиэтиленового чехла, наклеенного на поверхность липкой лентой. Присоску предварительно откачивают механическим насосом и соединяют с течеискателем специальным штуцером.
При использовании присосок испытания рекомендуется проводить в такой последовательности. По течи «Гелнт», установленной на входе течеискателя, определить цену деления s^; установить присоску на заведомо герметичном участке проверяемой поверхности; открыть клапан 6 (при этом дроссельный клапан 2 течеискателя открыт, клапан 4 закрыт), зафиксировать момент начала откачки и откачать присоску до давления, не превышающего 7 Па; перекрыть клапан 6 н открыть клапан 4. Через заданное время после начала откачки присоски несколько раз определить фоновый сигнал а*, переуплотняя присоску, и подсчитать разброс- фоновых сигналов Да* и значение Qmin по формуле (16.22). Установить присоску ' на проверяемом участке и, выполнив те же операции, что и при определении аф, зафиксировать сигнал течеискателя а. Если а — аф < (2 ... 3)Х . ХДаф, проверяемый участок следует считать герметичным в пределах чувствительности, определяемой зиаче- нием Qmln.
При малом разбросе фонового сигнала Даф можно повысить чувствительность испытаний компенсацией фонового сигнала «ф и переводом измерений на более чувствительную шкалу. Разброс Даф не должен превышать 10 ... 20% по выбранной шкале.
Измерения проводят следующим образом. Включают компенсационную
схему течеискателя н прн одновременном переключении шкалы плавным изменением компенсирующего напряжения уменьшают показания выходного прибора так, чтобы стрелка установилась на расстоянии одной трети от начала отсчета выбранной для измерения шкалы. Измеряют скомпенсированные показания выходного прибора течеискателя ак. Затем переключатель шкал переводят в исходное положение и тумблером исключают компенсацию (положение потенциометра схемы компенсации при этом не должно меняться).
После уплотнения присоски иа контролируемом участке (через заданное после начала откачки время) измеряют сигнал выходного прибора течеискателя. Если а л; аф, следует тумблером перевести измерение на более чувствительную шкалу. Если отклонение полученного сигнала от ак не превышает (2 ... 3) Ааф, течь отсутствует.
Способ барокамеры применяют для проверки герметичности элементов вакуумных систем, работающих прн избыточном давлении.
Для проведения испытаний элемент помещают в откачиваемую барокамеру. Внутреннюю полость элемента заполняют гелием или смесью, содержащей гелий. Теченскатель подсоединяют к барокамере (см. рис. 16.4, б, в) и, отградуировав систему, определяют значения s^ и Qmtn по формулам (16.21) и (16.22). Порядок проведения испытаний аналогичен описанному для способа обдува гелиевых чехлов (см. рис. 16.4, б, б).
Испытания с накоплением пробного газа проводят в следующем порядке. С помощью течи «Гелнт», установленной на барокамере, определяют цену деления выходного прибора течеискателя по объему гелия в системе испытания. Для этого при подсоединенных течи н сорбционном насосе отключают пароструйный насос и определяют цену деления шкалы выходного прибора течеискателя, Па-м8/мВ:
$9 = <5неД</(аНв-аф). (16.24)
Затем перекрывают течь «Гелит», откачивают барокамеру пароструй*
15 п/р Е. С. Фролова
Ряс. 16.6. Схема испытаний на герметичность способом щупа:
/ — щуп; 2 — гибкий трубопровод; 3 — манометрический преобразователь; 4 — дроссельный клапан течеискателя; 5 — теченскатель; б — механический вакуумный насос; 7 — клапан
ным насосом до установившегося давления, отключают пароструйный насос, определяют фоновый сигнал течеискателя «ф через определенное время А/ после отключения пароструйного насоса, подсоединяют пароструйный насос, заполняют внутреннюю полость изделия гелием или смесью с концентрацией гелня сНб) отключают пароструйный насос, определяют сигнал течеискателя через то же время М.
Суммарный поток гелня
а — аф 1
<16-25>
Способ шупа применяют для обнаружения мест течей в элементах вакуумных систем, работающих под избыточным давлением, а также для определения степени негерметичности этих элементов при испытаниях способом накопления гелня в чехле прн атмосферном давлении. Испытания способом щупа проводят при заполнении испытуемого элемента гелием (илн смесью гелня с балластным газом) до максимально допускаемого давления.
Щуп / (рис. 16.6) представляет собой устройство, проводимость которого обеспечивает прохождение через него потока 2* 10-3 ... 10“2 Па-м3/с; оптимальный поток (2 ...5) 10~3 ПаХ Хм8/с, Расстояние между всасывающим соплом щупа н входом в вакуумный объем должно быть минимальным. Гибкий трубопровод 2 должен быть герметичным и обладать предельно малым газовыделеннем н «памятью» по гелию. Длина трубопровода также
должна быть минимальной, но достаточной для исследования наиболее удаленных участков системы. Рекомендуются трубопроводы, состоящие из металлических трубок с короткими резиновыми вставками.
Щуп с гибким трубопроводом можно заменить капиллярным зондом, представляющим собой длинный гибкий капилляр из коррозионно-стойкой стали с" распределенным вакуумным сопротивлением. Капилляр длиной 4 ... 5 мм, диаметром 0,1 ...0,2 мм создает рабочий поток газа (4 ... 6)-3 Па-м3/с. Капиллярный зонд не требует регулирования и обеспечивает высокую стабильность газового потока.
Испытания способом щупа проводят в следующем порядке. Заполняют испытуемое изделие гелием до максимально допускаемого давления для данного изделия. Присоединяют щуп / с трубопроводом 2 (нли капиллярный зонд) ко входу течеискателя 5. механическим насосом 6 через клапан 7 откачивают систему трубопроводов, клапан 7 оставляют открытым. Регулируют шуп на оптимальную проводимость. Поток регулируют, например, по сигналу манометрического преобразователя на входе течеискателя; потоку (2 ...51 10"3 Па-м3/с соответствует давление 7 ... 30 Па. Открывают входной клапан течеискателя так. чтобы давлеиие в анализаторе составляло 0,01 Па: проверяют чувствительность течеискателя, поднося всасывающее сопло тупа или свободный конец капиллярного зоида к диффузионной течи типа «Релит», закрытой пробкой со сквозным отверстием диаметром 0.1...0,2 мм (можно использовать пробку, которой комплектуется течь «Гелит»): компенсируют фоновый сигнал на удобную для работы шкалу. Перемещая шуп вдоль поверхности испытуемого изделия, заполненного гелиевой смесью, определяют место течи. При приближении к месту течи поток газа, всасываемого щупом, обогащается гелием, что индицируется течеискателем.
Минимальный обнаруживаемый поток через течь определяют по формулам (16.21) и (16.22). При градуировке щуп подносят к отверстию в пробке течи «Гелит» на расстояние около
0,2 мм. Чувствительность в значительной мере зависит от скорости перемещения и расположения щупа относительно течи. В связи с тем, что при градуировке и испытаниях трудно добиться идентичности условий, зарегистрированный поток через течи можно оценить лишь ориентировочно. Поток газа через течь в зависимости от давления в испытуемом элементе можио оценить по формуле (16.6).
Для повышения точности получаемых результатов испытания целесообразно проводить с помощью насадки, идентичной по профилю обследуемой поверхности, чтобы большая часть гелиевого облака захватывалась щупом. Точное расположение места течи рекомендуется определять зоидом с иглой.
Герметичность всего элемента системы или его отдельной части можно проверить, собрав вытекающий через течи гелий в полиэтиленовый чехол, содержащий атмосферный воздух. Степень герметичностн определяют по повышению концентрации гелия в чехле, измеряемой с помощью щупа в начале и в конце испытания. Этот способ основан на накоплении пробного газа, проникающего через течи, в сосуде, изолированном от откачной системы, и последующем перепуске накопленного гелня в течеискатель после откачки всех остальных газов сорбционным насосом. Такой способ позволяет обнаружить с помощью тече- искателей типа ПТИ потоки до 10-14 Па-м3/с.
Испытания по способу накопления с применением сорбционного насоса можно осуществить, например, с помощью простейшей установки (рис. 16.7). Установка позволяет производить накопление в нескольких испытуемых элементах одновременно либо заменять или откачивать одни элементы, в то время как в других проходит накопление.
Минимальный обнаруживаемый поток через течь определяется значением и стабильностью фоновых гелиевых потоков в испытуемой системе. Для уменьшения этих потоков в со- едииеииях системы применяют металлические уплотнения. В части системы, которую лишь иа короткое время от-
деляют от средств откачки, можно устанавливать резиновые уплотнения. Для присоединения к течеискателю проверяемых деталей и сборочных единиц следует использовать специальные быстроразъемиые приспособления, обеспечивающие высокую степеиь герметичности при малом газовыделении.
Испытания по способу накопления проводят в следующем порядке (рис. 16.7): открывают клапаны 3, 6, S, 12 и откачивают систему форвакуумным насосом // (клапан 2 закрыт); закрыв клапан 12 и откоыв клапан 2, откачивают систему высоковакуумным насосом течеискателя / или вспомогательным высоковакуумным насосом, если объем проверяемого объекта велик. Охлаждают сорбционный наоос 9 жидким азотом, закрывают клапаи 3, а затем клапан 6 и осуществляют накопление фонового гелия в испытуемых изделиях 5 в течение времени Ы. Закрывают клапан 2; кратковременным открытием клапанов 6 перепускают накопленный газ в объем насоса 9, открывают клапан 4, перепускают накопленный фоновый гелий в течеиска- тель /, зафиксировав максимальный сигнал аф иа лейте самопишущего потенциометра, и закрывают клапан 2.
Из-за возможной нестабильности фонового сигнала такой опыт рекомендуется повторить несколько раз н определить среднее значение аф н Даф. Течь можно обнаружить, если вызываемый ею сигнал удовлетворяет условию
а > Нф + 2 Даф. (16.26)
Далее на изделие надевают чехол (полиэтиленовый или резиновый) и заполияют его гелием. Выполнив те же операции, что и при определении аф, фиксируют максимальный сигнал а течеискателя, определяют цену деления Sq течеискателя с помощью гелиевой течи 4. Последнюю операцию выполняют в определенной последовательности: накапливают гелий в течи (все клапаны установки закрыты), открывают клапаны 6 и 8 и кратковременным открытием клапана 3 перепускают накопленный гелий в насос 9 (клапаны 6 открыты для сохранения одинаковых- условий испытаний и градуировки), открывают клапаи 2 и,
Рис. 16.7. Схема испытаний иа герметичность способом накопления с применением сорбционного цеолитового насоса:
/ — течеискатель; 2, 3. 6 — 8, 12 — клапаны; 4 — гелиевая течь; 5 — испытуемые изделия; 9 — насос; 10 — манометрический преобразователь; И — механический форвакуумный иасос
перепустив накопленный гелий в течеискатель,, регистрируют фоновый сигнал аНе течеискателя от течи. Определяют цену деления выходного прибора течеискателя по уравнению (16.24), а поток гелия, вытекающего в изделие, — по формуле (16.25).
Галогенный метод
Галогенный метод основан на свойстве накаленной пластины в присутствии галогенов или галогеносодержащих веществ (хладоиа, хлорида метила и др.) пезко увеличивать эмиссию положительных ионов, регистрируемых течеискателем. Галогенные течеискатели имеют анализаторы двух типов — вакуумный и атмосферный. Течеискатели с вакуумными анализаторами применяют для контроли ва- куумиых систем с относительио низкими требованиями к герметичности, течеискатели с атмосферными анализаторами — для контроля газонаполненных систем, работающих в вакууме и допускающих опрессовку галогеио- содержащим газом.
При испытаниях вакуумный анализатор рекомендуют присоединить к вы- соковакуумиой части системы. При таком расположении анализатора минимальный обнаруживаемый поток газа через течь уменьшается, так как повышается стабильность температуры эмит-
тера (колебания форвакуумного давления приводят к нестабильности этой температуры) и соответственно силы фонового тока, исключаются эффекты сорбции хладона на переходных коммуникациях и снижается степень загрязнения анализатора.
Контроль герметичности систем галогенным течеискателем с атмосферным анализатором следует проводить способом, аналогичным способу щупа.
Поток газа через течь, зависящий от давления опрессовки и концентрации галогена в контролируемой системе, вычисляют по формуле (16.6) для вязкостного режима течения газа.
Помещение, в котором проводят испытания галогенным течеискателем, должно быть оборудовано системой приточно-вытяжной вентиляции. Содержание галогенов в атмосфере помещения ие должно превышать 10~4%.
Течеискатели следует градуировать в соответствии с инструкцией по эксплуатации.
Катарометрический метод
Катарометрический метод применяют при проведении атмосферных испытаний н для обнаружения течей в газонаполненных системах с допускаемым потоком натекания Qnon < 10“® ПаХ Хм3/с.
Катарометрический течеискатель реагирует на изменение теплопроводности газовой смеси при добавлеиии к воздуху пробных газов, отличающихся по теплопроводности от воздуха. При этом благодаря применению компенсационной схемы течеискатель нечувствителен к общему уровню фона пробных газов.
В качестве пробных можно использовать газы, существенно отличающиеся по теплопроводности от воздуха. Ниже приведены относительные тепло- проводностя некоторых газов (индексы г и в соответствуют газу и воздуху):
дующем порядке. Заполняют испытуемую систему пробным газом под избыточным давлением, перемещают анализатор течеискателя вдоль контролируемой поверхности. Приближение его к месту течи сопровождается попаданием в течеискатель пробного газа н изменением теплопроводности газовой смеси. При этом меняются температура и электрическое сопротивление нагретой инти анализатора, что регистрирует выходной прибор течеискателя.
Метод высокочастотногоразряда
Метод высокочастотного разряда основан иа возбуждении высокочастотного разряда при давлении Ю3 ... 10-1 Па в вакуумных системах, имеющих стеклянные участки.
Контроль герметичности необходимо проводить в следующем порядке. Подготовить к работе искровый течеискатель в соответствии с техническим описанием и паспортом, прикосновением электрода течеискателя к контролируемой стеклянной поверхности или к металлическому стержню, впаянному в стекло, возбудить высокочастотный алектрический разряд в вакууме; для обнаружения течей в стеклянных оболочках вакуумных систем перемещать электрод вдоль контролируемой поверхности откачанной вакуумной системы и следить за характером и цветом искрового разряда.
Цвет свечения разряда зависит от состава газовой смеси; газовыделению соответствует серый цвет, натекание воздуха вызывает лилово-красное свечение; если поток воздуха через течь заменить парами ацетона, бензина, эфира или диоксида углерода, цвет свечения из лилово-красного станет серым.
ГазХр/ХвГазХр/ХвИспытания на герметичностьГазХр/ХвГазХр/ХвИспытания на герметичностьСО20,674О21,015СО20,674О21,015Аг0,674СН41,318Аг0,674СН41,318Хладон-127,300Не6,040Хладон-127,300Не6,040Хладон-229,300Н27,130Хладон-229,300Н27,130катар о- метрическнм методом проводят в еле-катар о- метрическнм методом проводят в еле-иад стеклянной оболочкой при отсут-ствии в ней течей на конце электродаиад стеклянной оболочкой при отсут-ствии в ней течей на конце электродаВ процессе перемещения электрода
Газ
Хр/Хв
Газ
Хр/Хв
Испытания на герметичность
Газ
Хр/Хв
Газ
Хр/Хв
Испытания на герметичность
СО20,674
О21,015
СО20,674
О21,015
Аг0,674
СН41,318
Аг0,674
СН41,318
Хладон-127,300
Не6,040
Хладон-127,300
Не6,040
Хладон-229,300
Н27,130
Хладон-229,300
Н27,130
катар о- метрическнм методом проводят в еле-
катар о- метрическнм методом проводят в еле-
иад стеклянной оболочкой при отсут-ствии в ней течей на конце электрода
иад стеклянной оболочкой при отсут-ствии в ней течей на конце электрода
виден пучок искр, направление которых не связано с какнми-лнбо фиксированными точками иа контролируемой поверхности системы. При приближении электрода к месту течи разряд формируется в тонкий и яркий пучок, направленный на течь.
При контроле герметичности методом высокочастотного разряда возможен пробой стеклянной стенки контролируемого элемента. Для исключения пробоя не следует задерживать электрод с высокочастотным разрядом над каким-либо участком стеклянной поверхности.
Пузырьковый метод
Пузырьковый метод применяют прн предварительных испытаниях отдельных элементов прогреваемых вакуумных систем, способных выдерживать избыточное давление. Испытания проводят в следующем порядке. Испытуемый объект заполняют воздухом или пробным газом под избыточным давлением, погружают объект в жидкость нли смачивают его поверхность мыльным раствором. Наличие течи определяют по пузырькам, появляющимся на наружной поверхности объекта. Поток газа, вытекающего через течь,
Q = 0,4nnD3npJM, (16.27)
где пп — число пузырьков, появившихся за время наблюдения A#; Dn — диаметр пузырьков.
Так, при диаметре наименьшего поддающегося наблюдению пузырька 0,5 мм и частоте появления пузырьков пп/М = 1/30 с-1 минимальный регистрируемый поток натекания составит 10-7 Па-м8/с. После проведении испытаний объект извлекают из жидкости и просушивают, сохраняя в нем давление пробного газа или воздуха.
Порог чувствительности можно увеличить повышением давления в испытуемом объекте нли откачкой газа над испытуемой жидкостью.
Аммиачный метод
Аммиачный метод основан на химическом взаимодействии аммиака, проникающего через течи, с индикаторным веществом, нанесенным иа по
верхность испытуемого объекта. Испытания с помощью аммиачного метода необходимо проводить в следующем порядке. Испытуемую систему заполняют аммиаком в виде аммиачно- воздушной смеси под избыточным давлением: на участки поверхности с предполагаемой течью накладывают бинт, смоченный нитратом ртути. Для повышения точности результатов испытаний рекомендуется применять индикатор метиловый красный.
Место течи определяют по образующимся иа биите пятнам. Минимальный обнаруживаемый поток аммиака составляет 10“8 Па*м3/с.
Люминесцентный метод
Люминесцентный метод применяют в основном при отработке технологии герметизации для визуального наблюдения «устья» течей, а при изготовлении шлифов с разрезом по месту течи для исследования структуры каналов течей. Общие требования к проведению испытаний этим методом изложены в ГОСТ 18442—80. Сущность метода заключается в том, что испытуемый объект полностью или частично погружают в раствор люминофора в органической жидкости, так чтобы он не попал во внутреннюю полость. При наличии течи под действием капиллярных сил раствор втягивается внутрь течи и через некоторое время проходит иа ее противоположную сторону, где по мере испарения растворителя скапливается подсохший люминофор.
Обследуя поверхность испытуемого изделия в ультрафиолетовом излучении (ртутно-кварцевая лампа), можно обнаружить места течей в виде светящихся точек и линий. Этим методом можно индицировать течи до 10-6... 10“8 Па-м3/с. При наблюдении используют лиизы для фокусировки ультрафиолетового излучения, что увеличивает площадь видимой поверхности светящегося сигнала и его яркость.
Необходимо выбирать люминофор, цвет свечения которого исключает появление ложных сигналов. В качестве растворителей используют трихлорэтилен, бензол и тетрахлорид углерода. При проведении испытаний
люминесцентным методом необходимо соблюдать правила работы с этими растворителями.
Главное преимущество метода — отсутствие необходимости в откачке испытуемых объектов.
Глава 17. Испытания вакуумных насосов и агрегатов
Общие сведения
После изготовления н ремонта, а также в процессе эксплуатации насосов и агрегатов их подвергают испытаниям для оценки пригодности к эксплуатации.
Основные параметры вакуумных насосов и агрегатов, подлежащих испытаниям: предельное остаточное давление, быстрота действия (кроме адсорбционных насосов), наибольшее выпускное давление (для пароструйных насосов), наибольшее давление запуска и наибольшее рабочее давление (для геттерных насосов), наибольшее отношение давлений (для двухроторных насосов), максимальный откачиваемый объем в диапазоне рабочих давлений (для адсорбционных насосов).
Для напуска воздуха в испытательную установку следует применять сухой воздух, имеющий точку росы не выше 233 К (условия и порядок проведения испытаний изложены в соответствии с ОСТ 11 295.021—74).
Испытательная установка включает испытуемый насос (агрегат) с присоединенной к нему измерительной
камерой, аппаратуру для измерения давления и потока газа, а также соединительную и запорную арматуру.
Диаметр D измерительной камеры (рис. 17.1, а) для всех насосов, кроме механических с масляным уплотнением и адсорбционных, должен быть равен условному проходу D^ на входе испытуемого насоса, но не менее 100 мм. При D^<C ЮО мм между измерительной камерой и испытуемым насосом устанавливают переходник (рис. 17.1, б).
В испытательной установке для измерения потоков газа с помощью диафрагм предусматривают две камеры (рис. 17.2) — измерительную 1 и напускную 2, изготовленные из коррозионно-стойкой стали. Диафрагмы 4 устанавливают при измерении потоков менее 10~4 Па-м3/с, а также потоков в безмасляных системах. Диафрагма может служить одновременно вакуумным уплотнением фланцевого соединения между измерительной и напускной камерами.
Рис. 17.1. Измерительная камера (а) и переходник (<1:/ — напускная трубка; 2 — фланец или штуцер для присоединения манометрическогопреобразователяРис. 17.1. Измерительная камера (а) и переходник (<1:/ — напускная трубка; 2 — фланец или штуцер для присоединения манометрическогопреобразователяПроводимость (Уд диафрагм выбирают в зависимости от требуемой быстроты действия S испытуемого на-
Рис. 17.1. Измерительная камера (а) и переходник (<1:
/ — напускная трубка; 2 — фланец или штуцер для присоединения манометрическогопреобразователя
Рис. 17.1. Измерительная камера (а) и переходник (<1:
/ — напускная трубка; 2 — фланец или штуцер для присоединения манометрическогопреобразователя
Рис. 17.2. Схема установки для измерения потока газа с помощью диафрагм:
/ — измерительная камера; 2 — напускная камера; 3, 5 — манометрические преобразователи; 4 — диафрагма
coca (агрегата). Проводимость (Уд рекомендуется принимать равной 0,1 S.
Диаметр диафрагмы
d„ = 0,59 Vu^MI^T^
где М — молекулярная масса газа; к — коэффициент Клаузинга; Т — температура газа, К.
Рекомендуемая толщина диафрагмы 0,5 мм.
Для измерения давления в одном диапазоне рекомендуется выбирать вакуумметры и манометрические преобразователи одного типа.
Поток таза можно измерять бюретками, ротаметрами, с помощью диафрагм и т. д. Допускаемые погрешности измерения потока Q газа; ±3% при Q > 1 Па-м3/с, ±5% при Q = 1 ... 10~4 Па-м3/с, ±20% при Q < 10-4 Па-м3/с.
Перед сборкой все поверхности испытательной установки, которые будут находиться в вакууме, следует очистить и обезжирить в соответствии с инструкцией по эксплуатации насоса (агрегата). После сборки испытательную установку необходимо проверить на герметичность. Здесь следует учитывать, что по быстроте действия насосы зарубежных фирм несколько превосходят аналогичные отечественные иасосы. Это объясняется различием в методиках измерения. Обычно в зарубежной практике при измерениях вводят поправку на проводимость участка между штуцером 2 (см. рис. 17.1) на измерительном колпаке и входным сечением насоса. При
учете этой поправки, рассчитанной по обычным формулам вакуумной техники. получают быстроту действия насоса на 8 ... 10% больше значения, определенного без поправки (как принято в отечественной практике).
Испытания механическихнасосов (агрегатов) с маслянымуплотнением
Параметры механических насосов с масляным уплотнением проверяют на установке, схема которой приведена на рис. 17.3.
Измерительная камера должна иметь объем
V > 5VBC — 3005/п, где VBC — объем всасывания за один оборот насоса; 5 — требуемая быстрота действия испытуемого насоса, дм3/с; п — частота, вращения, мин-1.
Между испытуемым насосом и измерительной камерой допускается устанавливать переходник (см. рис. 17.1, б).
Предельное остаточное давление измеряют в следующем порядке. Включают испытуемый насос 1 (рис. 17.3) согласно инстоукции по эксплуатации. Откачивают измерительную камеру 2 при закрытом натекателе 4 до установления в ней равновесного давления. Равновесным считают давление, которое в течение 3 ч изменяется не более чем на 10%. Это значение принимают за предельное остаточное давление насоса. Давление следует измерять
Рнс. 17.3. Схема установки для испытаний механических вакуумных насосов с масляным уплотнением и адсорбционных:
1 — испытуемый насос (агрегат); 2 — измерительная камера; 3, 6 — манометрические преобразователи; 4 — натекатель;
5 — напускная трубка
Рис. 17.4. Схема системы иапуска rasa:
/ — закрытая бюретка: 2 — кран бюретки; 3 — фланец для присоединения к измерительной камере; 4 — фланец для присоединения к напускной камере при измерении методом диафрагм; 5 — манометрический преобразователь; 6 — промежуточная камера; 7 — клапаи; 8 — газовый баллон с редуктором
при закрытом натекателе с периодичностью не менее 1 ч.
Быстроту действия измеряют методом постоянного давления следующим образом. Включают испытуемый насос и откачивают измерительную камеру до предельного остаточного давления. Допускается откачивать камеру до давления, равного ОД рвх, где рвх— давление во входном сечении насоса, прн котором требуется измерить быстроту его действия. Не прекращая откачки, в измерительной камере устанавливают давление газа рвх так, чтобы результаты трех последних измерений давления не отличались более чем на 10%. Одновременно измеряют поток Q газа, поступающего в измерительную камеру через натекатель. Вычисляют быстроту действия насоса при заданном давлении рвх по формуле S = Q/pBX.
Для получения зависимости между быстротой действия испытуемого насоса и давлением рвх следует определить быстроту действия иасоса при различных давлениях не менее 3 раз в каждом десятичном диапазоне (для значений в интервалах от 2 до 3; от 5 до 6; от 8 до 10). Измерения начинают с самого низкого давления. Эту зависимость изображают графически в полулогарифмических координатах 1g р—S.
Быстроту действия по определенному газу измеряют с помощью закрытой бюреткн в следующем порядке. К на- текателю испытательной установки подсоединяют систему иапуска газа (рис. 17.4). Откачивают собранную систему до предельного остаточного давления; при этом натекатель на ис
пытательной установке и кран 2 бюретки 1 открыты, а клапан 7 закрыт. После достижения указанного давления закрывают натекатель на испытательной установке и открывают клапан. Промежуточную камеру 6 наполняют газом до атмосферного давления. Измеряют быстроту действия в указанном порядке.
Для газобалластных насосов одну серию измерений предельного остаточного давления и быстроты действия следует выполнять с закрытым, а вторую — с полностью открытым газобалластным устройством.
Испытания двухроторныхнасосов (агрегатов)
Параметры двухроторных вакуумных насосов (агрегатов) проверяют иа установке, схема которой приведена на рис. 17.5. Длина трубопроводов от выходного фланца испытуемого насоса 1 до манометрического преобразователя 7 на выходном трубопроводе должна быть ие более 150 мм, а от манометрического преобразователя до натекателя — не менее 200 мм. Предельное остаточное давление и быстроту действия измеряют согласно
Рис. 17,5. Схема установки для испытаний двухроторных и пароструйных насосов и агрегатов;
/ — испытуемый насос (агрегат); 2 — вз- мерительиая камера; 3, 6, 7 — манометрические преобразователи; 4, 8 — натека- тели; 5 — напускная трубка; 9 — клапан;
10 — форвакуумный насос
методике, изложенной для механических насосов.
Если в качестве форвакуумного насоса 10 использован газобалластный иасос, то одну серию измерений предельного остаточного давления и быстроты действия следует проводить с закрытым, а вторую — с полностью открытым газобалластным устройством .
Наибольшее отношение давлений ттах определяют в следующем порядке. Измерительную камеру 2 откачивают до предельного остаточного давления и измеряют давление на выходе испытуемого насоса рВых- Постепенно увеличивают с помощью натекателя 8 на выходном трубопроводе давление рвых Д° значения, допускаемого инструкцией по эксплуатации насоса. При этом измеряют давления рвых и Ро для заданного ряда давлений в измерительной камере. Для каждого измерения вычисляют отношение давлений ттах — Рвых/Ро- Строят зависимость в полулогарифмических координатах 1g Рвых — ^тах‘
Испытания турбомолекулярных насосов (агрегатов)
Параметры турбомолекулярных насосов проверяют, на установке, схема которой дана на рис. 17.6. Испытуемый насос (агрегат) прогревают в соответствии с инструкцией по эксплуатации. Одновременно для обезгажи- ваиия измерительной 2 и напускной 6 камер с установленными на них нате- кателем 4 и манометрическими преобразователями 3, 7 их прогревают при температуре не выше 673 К.
Предельное остаточное давление измеряют в следующем порядке. Включают испытуемый насос (агрегат) 1 согласно инструкции по эксплуатации и проверяют частоту вращения ротора иа соответствие паспортным данным. Включают нагреватели 10 и 9 насоса и камеры и, не прекращая откачки, прогревают испытательную установку н насос (натекатель 4 камеры должен быть открыт, а его входное отверстие заглушено). Выключают нагреватели и измеряют предельное остаточное давление в соответствии с ранее описанной методикой.
Рис. 17.8. Схема установки для испытаний турбомолекулярных и сверхвысикивакуум- иых диффузионных насосов и агрегатов: / — испытуемый насос (агрегат); 2 — измерительная камера; 3, 7, 11 — манометрические преобразователи; 4, 12 — натека- телн; 5 — напускная трубка; 6 — напускная камера; 8 — диафрагма; 9, 10 — нагреватели; 13 — клапан; 14 — форвакуумный насос
При давлении ниже 0,1 Па быстроту действия измеряют методом постоянного давления в следующем порядке. Откачивают измерительную камеру 2 до предельного остаточного давления (допускается откачивать камеру до давления, равного 0,1 рвх> гДе Рвх— давление, при котором требуется измерять быстроту действия). Закрывают натекатель 4 камеры и снимают заглушку с его входного отверстия. С помощью натекателя камеры в ней устанавливают давление рвх. Число измерений должно быть не менее трех; результаты трех последних измерений ие должны отличаться более чем иа 10%. Одновременно измеряют давление рн в напускной камере 6. При заданном давлении рвх вычисляют быстроту действия иасоса (агрегата)
S = t/д (рн/рвх О’
Определение зависимости между быстротой действия иасоса н давлением на его входе, измерение быстроты дей-
ствия насоса по какому-либо тазу, а также при рвх > 0,1 Па следует проводить по методике для механических вакуумных насосов с масляным уплотнением.
Прн испытаниях турбомолекуляр- иых насосов (агрегатов) одновременно с измерением давления неиоходнмо проверять частоту вращения ротора на соответствие паспортным данным.
Испытании пароструйныхнасосов (агрегатов)
Параметры пароструйных насосов проверяют на установке, аналогичной показанной на рнс. 17.5.
Предельное остаточное давление и быстроту действия определяют согласно методике, изложенной для механических вакуумных насосов с масляным уплотнением. При измерении предельного остаточного давления паро- ртутных вакуумных насосов (агрегатов) перед манометрическими преобразователями следует устанавливать азотные ловушки.
Наибольшее выпускное давление при предельном остаточном давлении измеряют в следующем порядке. Измерительную камеру 2 откачивают до предельного остаточного давления р0. С помощью натекателя # на выходном трубопроводе давление в измерительной камере увеличивают до 1,5 р0* Давление, измеренное в этот момент манометрическим преобразователем 7, принимают за наибольшее выпускное давление насоса (агрегата).
Наибольшее выпускное давление при давлении, соответствующем максимальной производительности испытуемого насоса (агрегата), измеряют в следующем порядке. Включают испытуемый насос 1 (агрегат) согласно инструкции по эксплуатации и откачивают измерительную камеру до давления в 10 раз меньше давления, соответствующего максимальной производительности насоса (агрегата). С помощью натекателя 4 в измерительной камере 2 устанавливают давление р, соответствующее максимальной производительности насоса (агрегата). С помощью натекателя 8 на выходном трубопроводе в измерительной камере Увеличивают давление до 1,5 р0. Дав
ление, измеренное в этот момент маио- метрическим преобразователем 7, принимают за наибольшее выпускное давление.
Для испытании сверхвысоковакуумных диффузионных насосов (агрегатов) используют установку, собранную по схеме, которая показана на рнс. 17.6, без нагревателя насоса.
Предельное остаточное давление и быстроту действия сверхвысоковакуумных диффузионных насосов измеряют согласно методике, приведенной для турбомолекулярных насосов.
Наибольшее выпускное давление при предельном остаточном давлении измеряют в следующем порядке. Откачивают измерительную камеру 2 до предельного остаточного давления р0. С помощью натекателя 12 на выходном трубопроводе увеличивают давление в измерительной камере до 1,5 р0. Давление, измеренное в этот момент манометрическим преобразователем 11, принимают за наибольшее выпускное давление насоса (агрегата).
Наибольшее выпускное давление при входном давлении, соответствующем максимальной производительности испытуемого насоса I (агрегата), измеряют в следующем порядке. Включают испытуемый насос (агрегат) согласно инструкции по эксплуатации и откачивают измерительную камеру 2 до давления в 10 раз меньше давления, соответствующего максимальной производительности насоса (агрегата). С помощью натекателя 4 в измерительной камере устанавливают давление р, соответствующее максимальной производительности насоса (агрегата). С помощью натекателя 12 на выходном трубопроводе давление в измерительной камере увеличивают до 1,5 р. Давление, измеренное в этот момент манометрическим преобразователем 11, принимают за наибольшее выпускное давление насоса (агрегата).
Испытанияадсорбционныхнасосов (агрегатов)
Параметры адсорбционных вакуумных насосов проверяют на установке, схема которой дана на рис. 17.3.
Объем измерительной камеры (см. рис. 17.1, о) должен быть равен мак-
симальному откачиваемому объему Ушах з диапазоне рабочих давлений. Между испытуемым насосом н измерительной камерой допускается устанавливать переходник (см. рис. 17.1,6).
Предельное остаточное давление измеряют согласно методике, разработанной для механических насосов с масляным уплотнением.
Максимальный откачиваемый объем Утах в диапазоне рабочих давлений проверяют в следующем порядке. Включают испытуемый насос 1 (агрегат) согласно инструкции по эксплуатации. Откачивают измерительную камеру 2 до давления 1,33 Па; при этом через каждые 15 мин измеряют давление. Строят зависимость давления, на входе в насос от времени откачки в полулогарифмических координатах 1g Рвх т-
Испытания геттерных насосов(агрегатов) и крионасосов
Параметры геттерных насосов и крно- насосов проверяют на установке, схема которой дана на рис. 17.7.
Форвакуумную систему, которая должна обеспечивать откачку установки до давления, необходимого для пуска испытуемого насоса (агрегата), следует выбирать в соответствии с инструкцией по эксплуатации насоса (агрегата). Проникновение в установку паров рабочего вещества (масла, геттера н др.) и продуктов его разложения не допускается.
Предельное остаточное давление измеряют в следующем порядке. Включают форвакуумную систему и откачивают испытательную установку до давления, необходимого для запуска испытуемого насоса (агрегата) 1. При этом натекатель 4 должен быть открыт, его входное отверстие заглушено, клапан 9 открыт. Включают нагреватель 11 и, не прекращая откачки, прогревают установку в соответствии с инструкцией по эксплуатации насоса (агрегата). Температура прогрева не выше 673 К- Выключают нагреватель н после охлаждения установки до температуры 333 ... 343 К закрывают клапан 9. Измерительную камеру 2 откачивают до предельного
Рис. 17.7. Схема установки для испытаний геттерных насосов и крионасосов (агрегатов):
/ — испытуемый насос (агрегат); 2 — измерительная камера; 3, 7, 10 — манометрические преобразователи; 4 — натекатель; 5 — напускная трубка; 6 — напускная камера; 8 — диафрагма; 9 — клапан;
11 — нагреватель
остаточного давления в соответствии с методикой, изложенной для механических насосов с масляным уплотнением.
Быстроту действия измеряют в следующем порядке. Откачивают измерительную камеру 2 до предельного остаточного давления. Измеряют быстроту действия в соответствии с методикой, изложенной для турбомолекулярных насосов.
Прн измерении быстроты действия испарительных геттерно-нонных насосов (агрегатов) допускается использовать закрытую бюретку и систему напуска газа по схеме, показанной на рис. 17.4.
Наибольшее рабочее давление измеряют в следующем порядке. Включают испытуемый насос (агрегат) 1 (см. рис. 17.7) согласно инструкции по эксплуатации. В испытательной установке с помощью натекателя 4 устанавливают давление, равное предполагаемому наибольшему рабочему. Если при работе насоса (агрегата) в течение 1 ч давление в измерительной камере 2 меняется не более чем на
460 ИСПЫТАНИЯ ВАКУУМНЫХ НАСОСОВ И АГРЕГАТОВ460 ИСПЫТАНИЯ ВАКУУМНЫХ НАСОСОВ И АГРЕГАТОВ
460 ИСПЫТАНИЯ ВАКУУМНЫХ НАСОСОВ И АГРЕГАТОВ
460 ИСПЫТАНИЯ ВАКУУМНЫХ НАСОСОВ И АГРЕГАТОВ
10%, давление на входе насоса принимают за наибольшее рабочее давление. Если давление меняется более чем на 10%, следует уменьшить давление в испытательной установке и повторить измерение.
Наибольшее давление запуска измеряют в следующем порядке. Включают испытуемый насос (агрегат) 1 согласно инструкции по эксплуатации. Откачивают испытательную установку до давления 10~4 Па. Выключают насос (агрегат). Наполняют испытательную установку воздухом до атмосферного давлении, открыв натекатель 4. Закрывают натекатель, открывают клапан 9 и откачивают испытательную установку с помощью форвакуумной системы до давления, равного ожидаемому давлению запуска. Измеряют давление манометрическими преобразователями, установленными иа измерительной камере 2. Закрывают клапан 9. Включают испытуемый насос и регистрируют время откачки испытательной установки до давления 10~4 Па. Если время откачки составляет 7 ... 10 мин, давление в начале откачки принимают за наибольшее давление запуска. Если время откачки больше 10 мия, опыт повторяют, уменьшив начальное давление
в испытательной установке; если время откачки меньше 5 мин, опыт повторяют, увеличив давление.
Для новых или прошедших капитальный ремонт магнитных электрораз- рядных насосов перед испытаниями необходимо измерить предельное остаточное давление по изложенной методике. Затем следует включить испытуемый насос (агрегат) и провести тренировку, поддерживая в испытательной установке натекателем давление в пределах 10-2 ... 10-3 Па, откачать систему в течение 2 ... 3 ч, после чего повторить прогрев установки в течение 10 ч при температуре не выше 673 К.
Испарительные геттерные и конденсационные насосы, не откачивающие инертные газы, следует испытывать при открытом клапане 9. Эффективная быстрота действия форвакуумной системы должна составлять не более 15% номинальной быстроты действия испытуемого насоса.
Вакуумные крионасосы проверяют иа установке, схема которой дана иа рис. 17.7. Предельное остаточное давление и быстроту действия измеряют согласно методике, изложенной для геттер ных насосов.
Продолжение приложения
8
Тепловой поток, Вт, от стенки насоса к экрану площадью, дм*
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0,01
4,6-IO"1
9,2-10"1
13,8-10"1
18,4-1О’1
2,3
2,76
3,22
3,68
4,14
4,6
0,02
9,2-10"1
1,84
2,76
3,68
4,6
5,52
5,52
6,44
7,36
8,28
0,03
1,38
2,76
4,14
5,52
6,9.
8,28
9,66
11,04
12,42
13,8
0,04
1,84
3,68
5,52
7,36
9,2
11,04
12,88
14,75
16,56
18,4
0,05
2,3
4,6
6,9
9,2
11,5
13,8
16,1
18,4
20,7
23
0,06
2,76
5,52
8,28
11,04
13,8
16,56
19,32
22,08
24,84
27,6
0,07
3,22
6,44
9,66
12,88
16,1
19,32
22,54
25,76
28,98
32,2
0,08
3,68
7,36
11,04
14,72
18,4
22,08
25,76
29,44
33,12
36,8
0,09
4,14
8,28
12,42
16,56
20,7
24,84
28,98
33,12
37,26
41,4
0,10
4,6
9,2
13,8
18,4
23
27,6
32,2
36,8
41,4
46
0,20
9,2
18,4
27,6
36,8
46
55,2
64,4
73,6
82,8
92
0,30
13,8
27,6
41,4
55,2
69
82,8
96,6
110,4
124,2
138
0,40
18,4
36,8
55,2
73,6
92
110,4
128,8
147,2
165,6
184
0,50
23
46
69
92
115
138
161
184
207
230
0,60
27,6
55,2
82,8
110,4
138
165,6
193,2
220,8
248,4
276
0,70
32,2
64,4
96,6
128,8
161
193,2
225,6
257,6
289,8
322
0,80
36,8
73,6
110,4
147,2
184
220,8
257,6
294,4
331,2
368
0,90
41,4
82,8
124,2
165,6
207
248,4
289,8
331,2
372,6
414
1,00
46
92
138
188
230
276
322
368
414
460
Р §’ё
я г. X
р
X
<о5
§5
, ь
9
9 £
в
я р
S’?
я ■ X ж
Я
-в §
я Я я
^СО
я
§
to
ь
tog
Я
8 я
fa К Е ф
в
КЗ
я X
5
^ W
5
я
я
Ол 3
gs
о •В* 9 4
,-у р
:. Е
ф
§
О
ГВ
О а хэ р 8 Л X X X
я
р и и
я
я X
^ X у
to?
Я Г.
3 я
я я
я
я р я
8 д Р д Б F
00 н сир
9
я
* * Я • Ф
S3
- Я х 2 g Е я
СО о
CD СОХ)
я
я р Z я я
я s
Ь Б
я я я
к
й 2 .7 Р
я Р
X
я S р
*
со s
5
X я
я
я fa ф я X X
fa
2 2
Е £3
X X х • о а 5 ^- X?
03» Р о
Pg
X
S"Q
Ф ^
рря
к я
се
Б я
я р я
рж
*
я
fa я
ф ^-
я х
К
to
■• * 8
х
я
X со я
я X
Я X Ж
я
г
и К s'
? S 9
р —. Е О я * д _
я
to Z
X я 2 о я у = g Т) о s
to S Z р
я
Е.
Е
2
р х
я
Я
я
Я
И
Cv
4J Я СП Я
«3
~ д
5 с Ы ^
к 5
№
Я о р
• я
to р
г» я
У
я
X X с
5'
:- Зя
X и > • 3 >
S?L§ 1 1 3 <D
Е S
3
X
*
X
а fa р я Е
я
Я
и
г р я
Р
а
К
с я
я с я я я
X
я
s г
в
X
с Ю р
я с
я я
Р
х>
3
к 3
я г»
X X р
$-§-
Р
я
5 № ^ ^g 00 Д Я
CD g
Q Ж
ь
Xs
я
2
ПЧО я
X о
я
Ж
X -
к я
к о Z
«* X to —
^£ 7=
3 § *
2 "
. я *
>мд
к 9^
я
я
я
я
я я
3
Б
я
я
я о я
я
я
Е
3
я
я
я 3 и
я о я я
05^5
фо юХд
Я
и
х
оз top-
? 5 К -
я и я о
Я
XI»
Р слу
я
3 р
я
к
К
к р X
w
*
я р
X
to я
х<
X
Я
X
03
3
я я
г
а р
W р
ф
2 8
Ж
Е
fa
я с
SS • к=
Ор fa Е ф о я Е -5 2 9
и о §
“£
о
К
Б
Б я с fa р
!5и
я к
и
я р я я X
Е х
Р
Йь сл Е ■ ■
я
2 и »
« = S
х я
я X ж
я
и Zo'g
я
о
я Z
я
X tos
s
я
Б я X
СО я г^ а • о •• я
^toto~ ,о fa я та _ ГС я
5 я
Xs
Хя
я
3
g 5 go
X
х ■*
г
Я Ж >
= 5
CD*
х
'. я
я
я
8
р
Ь ф ю X а р
ь
ГА
р> S3
X
>
Е
CDs
я я я
я
ДОЗ
я >
>
* с29и
оя Е
>£
2 я
fa ф я
Р ТЗ
•8 to 5 оо х
р § 8 Я
я х о о
5з X "4 го
Е
по физическим основам вакуумной техники. Киев: Вища школа, 1981. 264 с.
Львов Б. Г., Шувалов А. С. Современные свер'хвысоковакуумиые уплотнения. М.: Высшая школа, 1984. 72 с.
Львов Б. Г., Шувалов А. С. Техническое обслуживание новой вакуумной коммутационно-регулнрую- щей аппаратуры. М.: Высшая школа, 1987. 80 с.
Серия азотных форвакуумных ловушек на условные проходы £>у = = 16 , 32 , 63, 100 и 160 мм/В. Г. Мартыненко, В. Л. Першии, С. Ф. Гришин и др.//Вопросы атомной науки и техники. Харьков: ХФТИ АН СССР, 1980. Вып. 4 (14). С. 26—27 (Сер. Общая и ядерная физика).
Медников М. И. Вводы движения в вакуум. М.: Машиностроение, 1974. 182 с.
МииайчевВ. Е. Вакуумные крионасосы. М.: Энергия, 1976. 151 с.
Минайчев В. Е., Мирош- кин С. И. Обзоры по электронной технике//Орбитронные геттер но-ионные насосы М.: ЦНИИ «Электроника». 1970. Вып. 4 (201) (Сер. Микроэлектроника).
Найдич Ю. В. Контактные явления в металлических расплавах. Киев: Наукова думка. 196 с.
Номенклатурный каталог на освоенные и серийно выпускаемые изделия вакуумного машиностроения на 1989 г. М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1989. 14 с.
Одинокое В. В. Шлюзовые системы в вакуумном оборудовании. М.: Высшая школа, 1981. 55 с.
Передача движения в вакуум/ Е. А. Деулин, Э. П. Амосов, Ю. А. Хруничев и др. М.: ЦИНТИхим- иефтемаш, 1975. 58 с. (Сер. Криогенное и кислородное машиностроение).
Петрунин И. Е. Физико-химические процессы при пайке. М.: Высшая школа, 1972. 560 с.
Пипко А. И., Плисковский В. Я-> Пенчко Е. А. Конструирование и расчет вакуумных систем. М.: Энергия, 1970. 505 с.
Рот А. Вакуумные уплотнения: Пер. с англ.М.: Энергия, 1971. 464 с.
Саксаганский Г. Л. Молекулярные потоки в сложных вакуумных структурах. М.: Атомиздат, 1980. 216 с.
Сильфоиы/Л. Е. Андреева, А. И. Беседа, Ю. А. Багдаиова и др. М.: Машиностроение, 1975. 159 с.
Слободенюк Г. И. Квадрупольные масс-спектрометры. М.: Атомиздат, 1974. 272 с.
Соколов Е. А., Зингер Н. М. Струйные аппараты. М.: Энергия, 1970. 287 с.
Справочник по физико-техническим основам криогеиики/М. П. Малков, И. Б. Данилов, А. Г. Зельдович и др.: Под ред, М. П. Малкова. М.: Энергия, 1973. 392 с.
Таблицы физических величин Под ред. И. К- Кикоина. М.: Атомиздат, 1976. 1008 с.
Усюкин И. П. Установки, машины и аппараты криогенной техники. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982. 296 с.
Физико-химические свойства окислов/Под ред. Г. В. Самсонова. М.: Металлургия, 1969. 455 с.
Фролов Е. С. Турбомолекуляр- ные вакуум-насосы. М.: Машиностроение, 1980. 119 с.
Фролов Е. С., Никулин Н. К. Теоретические основы процессов высокого вакуума. М.: МВТУ им. Н. Э. Баумана, 1978. 72 с.
Фролов Е. С., Автономова И. В., Васильев В. И. и др. Механические вакуумные иасосы. М.: Машиностроение, 1989 . 284 с.
Цейтлин А. Б. Пароструйные вакуумные иасосы. М.—Л.: Энергия, 1965. 396 с.
Чайлдс У. Физические постоянные: Пер. с англ. М.: Физматлит, 1962. 76 с.
Liu В. X. and Jang Z. J. Ап Investigation of the characteristics of different Sorbents for Trapping oil Molecules. Proc. 8 th Int. Vac. Congr., Cannes, 1980. V. 2.
Richman J. Consideration in Utilization of Large Mechanical Vacuum Pumping Sistems, Ind. Heat, 1986, 53, N 6, pp. 18—20.
Sawada T., Suzuki M., Taniguchi O. The axial molecular pump. Part 1, — sehent. Papers Inst. Phys, and Chem. Res., 1968, N 2, pp. 49—64.
A
Авогадро число 23, 30
Агрегат вакуумный 7 — пароструйный 330 — типа АВР 241 НВЗ и АВЗ 260
Аппаратура запорио-регулирующая 150
Б
Баллон предохранительный 7 — уравнительный 7 Бойля—Мариотта закон 31 Быстрота действия вакуумного насоса И, 42 — откачки 11, 42 эффективная 11
В
Вакуум 4
— низкий 4
— высокий 4
средний 4
сверхвысокий 4
Вакуумметр 11 абсолютный 11 быстродействие 415 деформационный 408 дифференциальный 11 жидкостный 406 — компрессионный 407 — U-образный 406 ионизационный 415 — магнитный электроразрядиый 422 — радиоизотопный 421 — электронный 415 классификация 405 тепловой 412 условное обозначение 15 чувствительность относительная 414 Вакуумметрия 405 Вводы вакуумные 8 механические 173 конструкции 185 электрические 185 принципиальные схемы передачи движения 174—179
Вероятность перехода молекул газа че
рез межлопаточные каналы 272 Вещество пробное 13 Воздух атмосферный парциальное давление компонентов 24 состав 21 Время откачки 5 Вязкость газов 37 — динамическая 38
F
Газы идеальный 28 нормальное состояние 5 основное уравнение состояния 30 остаточный 5 разреженный 5 — режимы течения 43 — скольжение 41
Газовыделен ие 7
Гей-Люссака закон 31
Генри уравнение 398
Герметичность 13
норма 13
Геттер 341
физические свойстна 342
Гребенка 7
условное обозначение 19
Д
Давление атмосферное 5 — газа 5,
абсолютное 5 парциальное 5 — запуска вакуумного иасоса наибольшее 11, 297 — насыщенных паров 390 — остаточное предельное 5, 296 Дальтона закон 32 Диффузия в газах 38
Длина свободного пути частицы 5 — средняя 5 — эффективная 5
Дубинина—Радушкевича уравнение 398
Е
Емкость сорбционная 397
Ж
Жидкость рабочая 215, 313, 318
3
Закон Бойля—Мариотта 31
— Гей-Люссака 31
— Дальтона 32
— Максвелла 34
Замазка вакуумная 75
Замуровывание атомов 341
Заряд электрона 23
Затворы вакуумные 8, 154 конструкции 154—158 характеристики 154—158
Звенья герметизирующие гибкие 200 диафрагма резиновая 200 компенсатор резиновый линзовый 201 сильфоны 201 — конструкции 201 — основные параметры 202—204
И
Испарители 345
К
Камеры вакуумные 137 классификация 137 конструктивные элементы 137 охлаждение 143 прогрев 143 условные обозначения 17 Клапан вакуумный 8, 159 конструкции 159—167 напускной 169 условные обозначения 19 характеристики 159—167 Клапейрона уравнение 30
Клаузинга коэффициент 48, 49
— значения для трубопроводов различного сечения 50—52
— формула 48
Кнудсена число 44
Константы физические 23
— основные для газов 31
Концентрация газа молекулярная 5
Коэффициент аккомодации 6, 40 — диффузии 5, 39 — эжекции объемный 299 306 Крионасосы испытания 459 классификация 378 принципы действия 378 способы охлаждения 381 тепловые нагрузки 382 технические характеристики 402 — условное обозначение 16
Л
Лак вакуумный 75 Ловушки 8, 331
высоковакуумные 332 — адсорбционные 336 — механические 332 принципиальные схемы 334 — низкотемпературные 333 защитная способность 332 классификация 331 конденсационная 8, 333 назначение 331 сорбционная 8, 337 удельная проводимость 332 условное обозначение 17 форвакуумные 337 —' адсорбционная 337 -г низкотемпературная 337 Дошмидта число 23
М
Максвелла закон 33 Масло вакуумное 267 Маслоотражатель 332 Масса молекулярная 30 Масс-спектрометрня 429—437 Масс-спект рометры динамические 434 — времяпролетные 435 — квадрупольные 435 — монополярные 435 — омегатронные 434 — радиочастотные 436 классификация 429 статические 433 — магнитные 433 — панорамный 434 условное обозначение 17 Материалы вакуумных систем керамика 84—86 клей 89 металлы тугоплавкие 82 — цветные 83 пластмассы 87, 88 резины 88, 89 ситаллы 84—87 стали и сплавы для работы при низких температурах 80 стали жаропрочные 79 — коррозионно-стойкие 79, 80 — легированные 79 — углеродистые 76 стекло 84, 85 титан и его сплавы 81, 82 чугуны 76
Н
Насосы вакуумные адсорбционный 378, 395 — расчет 401
— технические характеристики 403 геттерные 376
геттерно-ионные 354
— орбитронные 358
испарительные геттерные 348
— характеристики 352, 353
— электродуговые 351
комбинированные 371
конденсационно-адсорбционный 378 конденсационный 378
— высоковакуумный 389
расчет 393
— низковакуумный 394
расчет 394
криогеттерный 378
криозахватиый 378
магнитные электроразрядные 363
механические 206
— водокольцевой 215
— газобалластиые 265
— двухроторные 206, 232
— испытания 454
классификация 232
принципиальная схема 233
расчет 235
технические характеристики 241
— жидкостно-кольцевые 206, 215
классификация 215
— расчет 217
— технические характеристики 224 многопластинчатый 249 молекулярный 9
объемного действия 9 пластинчато-роторные 249
— конструктивная схема 250
— технические характеристики 255
— условное обозначение 16, 255 пластинчато-статориые 251
конструктивная схема 251
плунжерные 259
откачная характеристика 265
размеры 260
техническая характеристика 262 поршневые 206
классификация 206
конструкция 213
принцип действия 206
расчет 209
технические характеристики 212
с масляным уплотнением 249
выбор рабочей жидкости 251
испытания 454
откачные характеристики 255
расчет 252
струйные 296
диффузионные 316
рабочие жидкости 318
технические характеристики 321 — жидкоструйные 297 — испытания 458
— классификация 296
основные характеристики 296
пароструйные бустерные 310
пароэжекторные 299
эжекторные 296 турбомолекулярные 268 — испытания 457 — конструкция 269
откачная характеристика 291
— размеры 272
— расчет 282, 291
— технические характеристики 272 центробежный 10 условные обозначения 16 Натекаиие 13 Натекатель 8, 167 конструкция 167 принцип действия 168 условное обозначение 20
О
Обезгаживанне 7
Окна вакуумные 189 коэффициенты защиты от запыления 191
Опрессовка 14
Откачка 5
— ионная 343
П
Плаика постоянная 23
Плотность газа 5
Порог чувствительности 14
Пост откачной 7
Постоянная газовая универсальная 23
Поток газа 6
Проводимость 43
— статистический метод расчета 54 — пример расчета 61
— элемента вакуумной системы 42, 43 Производительность вакуумного насоса 296
С
Система вакуумная 7
— централизованная, расчет 58
Скачок температурный 41
Скорость света в вакууме 23
Смазка вакуумная 7, 75
Соединения вакуумные герметичные классификация 97, 98 паяные 102—105 разъемные 107—137 сварные 98—102
с помощью глазурей, ситаллоцементов
и эпоксидных смол 97, 106
Сопротивление элемента вакуумной си
стемы 43
Сорбент 395
Сорбция 343
Сосуд Дьюара, условное обозначение 18
— откачиваемый 7
Средства откачки электрофизические
341
Степень негерметичности 13
Стефана—Больцмана постоянная 23
Схемы вакуумные принципиальные 15
буквенные коды элементов 15
правила выполнения 15
пример выполнения 20
размеры основных обозначений 21
Сюзерлеида постоянная 36
Т
Теплопроводность газов 36
Техника вакуумная 4
материалы 75, 76
основное уравнение 43
термины и определения 4
Течеискание 13
методы контроля герметичности 441
— галогенный 451
— искровой 452
— катарометрический 452
— люминесцентный 453
— манометрический 444
— масс-спектрометрический 445
течеискатель 14
Течение газа 6, 43
— вязкостное 6, 44
— молекулярное 6, 47
Течь 13
внутренняя 440
калиброванная 14
перекрытие 13
Трубопровод вакуумный 7
— байпасный 7
условное обозначение 18 форвакуумный 7
У
Уравнение Генри 398
— Дубинина—Радушкевича 398
— Клапейрона 30
Условный проход 7
ряд нормальных размеров 14
Установка вакуумная 241
с насосами типа 2ДВН 241, 243
типовые схемы 243
Устройства вакуумные 169
дозаторное 266
загрузочные 197
напускные 169
противоаварийные 169
распределительные 173
Утечка 13
Ф
Фильтр выхлопной 8
Форвакуум 5
Чувствительность относительная вакуумметров 414
— магнитных электроразрядиых 426
— радиоизотопных 421
— тепловых 414
— электронных ионизационных 419
Ш
Шлаиг вакуумный 8
Шлиф 8
Шлюз ваауумиый 7
Э
Экран теплозащитный 380, 386 пористый 399 шевронный 400
Элементы вакуумной системы 7
проводимость 6
условные обозначении 14
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие , 3
Раздел 1
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ВАКУУМНОЙ ТЕХНИКИ4
Глава 1. Общие сведения , . .4
Понятие вакуума . . . ,4
Термины и определения4
Условные проходы элементов вакуумных систем. . .14
Принципиальные вакуумные схемы 15
Единицы физических величин 21
Соотношение единиц дав-' леиия и потока газа21
Состав атмосферного воздуха 21
Некоторые физические константы 23
Приведение массы тела в атмосфере к массе тела в вакууме 25
Газокииетические пара
метры 25
Основные области применения вакуумной технологии 25
Глава 2. Основные сведения из молекулярно-кинетической теории газов 28
Давлениегаза28
Законы идеального газа 30
Барометрическая формула 32
Скорость молекул газа.
Закон распределения молекул газа по скоростям 33
Средняя длина свободно
го пути молекул газа. . , ,35
Теплопроводность газов36
Вязкость газов37
Диффузия в газах. . .38
Законы взаимодействия
молекул газа с поверхностью твердого тела".40
Скольжение разреженных газов 41
Температурный скачок41
Глава 3. Течение разреженных газов и проводимость элементов вакуумныхсистем 42
Основные понятия ...42
Основное уравнение вакуумнойтехники 43
Режимы течения газов43
Вязкостный режим течения 44
Молекулярный режим течения 47
Переходный режим течения ,52
Статистический метод определения проводимости вакуумных систем 54
Расчет централизованных вакуумных систем ....58
Процесс откачки газа из вакуумной системы 59
Пример расчета проводимости сложного трубопровода 61
Определение проводимости вакуумных систем методом угловых коэффициентов 63
Раздел 2
КОНСТРУКЦИОННЫЕ ЭЛЕ
МЕНТЫ ВАКУУМНЫХ СИ
СТЕМ 75
Глава 4. Материалы вакуумных систем 75
Общие сведения , ...75
Чугун 76
Углеродистые стали ...76
Легированные стали,,79
Жаропрочные стали и сплавы79
470
ОГЛАВЛЕНИЕ
Коррозионно-стойкие стали
Стали и сплавы для работы при низких температурах
Титан и его сплавы. . .
Тугоплавкие металлы. . 4.10. Цветные металлы и сплавы 4.11. Стекло, керамика, ситал- лы
Пластмассы ......
Резины
Клеи
Легкоплавкие металлы и сплавы
Вакуумные свойства материалов Глава 5. Вакуумные герметичные соединения 5.1. Общие сведения и классификация 5.2. Сварные соединения . . . 5.3. Паяные соединения . . . 5.4. Вакуумно-плотные соединения на основе глазурей, си- таллоцемеитов и эпоксидных смол 5.5. Разъемные соединения. .
Сверхвысоковакуумные разъемные соединения с расплавляемыми уплотнителями Глава 6. Вакуумные камеры . .
Классификация камер. .
Обечайки
Днища
Крышки
Прогрев и охлаждение камер
Расчет на прочность. . . Глава 7. Запорно-регулирую- щая аппаратура
Классификация и предъявляемые требования . . . .
Затворы
Клапаны
Натекатели
Противоаварийиые и напускные устройства и системы
Распределительные устройства
Глава 8. Конструкционные элементы вакуумных установок
8.1. Механические вакуумные вводы
79
80
81
82
83
84
87
88
89
89
91
97
97
98
102
106
107
131
137
137
138
140
140
150
150
154
159
167
169
173
173
173
Прецизионные манипуляторы 184
Электрические вакуум- , ные вводы 185
Вакуумные окна . . . .189
Загрузочные вакуумные устройства 197
Гибкие герметизирующие звенья 200
Заглушки 205
Раздел 3
ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ . .
Глава 9. Механические вакуумные насосы
Поршневые насосы . . .
Жидкостно-кольцевые насосы
Двухроторные насосы . .
Пластинчато-роторные и пластинчато-статорные насосы
Плунжерные насосы . . .
Турбомолекулярные насосы
Глава 10. Струйные вакуумные насосы
Классификация. Основные характеристики
Жидкостно-струйные насосы
Пароэжекторные насосы
Бустерные насосы . . .
Диффузионные насосы . .
Вакуумные пароструйные агрегаты
Глава 11. Вакуумные ловушки
Назначение и классификация
Высоковакуумиые ловушки
Форвакуумные ловушки
Глава 12. Электрофизические средства откачки
Принцип действия и классификация
Испарительные геттер- ные насосы
Геттер ио-ионные насосы
Магнитные электрораз- рядные насосы
Комбинированные насосы
Геттерные вакуумные насосы
316
330
331
331
332
337
341
341
348
354
363
371
376
Глава 13. Низкотемпературные средства откачки (крио
Глава 16. Испытания иа гер
насосы) 378
Принцип действия и классификация 378
Способы охлаждения..381
Тепловые нагрузки...382
Высоковакуумные конденсационные насосы389
Низковакуумные конденсационные насосы 394
Адсорбционныенасосы395
Технические характеристики крионасосов 402
Раздел 4
ВАКУУМНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ИСПЫТАНИЯ 405
Глава 14. Вакуумметрия . . .405
Классификация . . . .405
Жидкостные вакуумметры 406
Деформационные вакуумметры 408
Тепловые вакуумметры412
Ионизационные вакуумметры 415
Глава 15. Масс-спектрометрия429
Общие сведения . . . .429
Статические масс-спектрометры 433
Динамические масс-спектрометры . . ' 434
метичность 437
Общие сведения . . . .437
Манометрический метод444
Масс-спектрометрический метод 445
Галогенный метод . . .451
Катарометрический метод452
Метод высокочастотного разряда 452
Пузырьковый метод ...453
Аммиачный метод ...453
Люминесцентный метод453
Глава 17. Испытания вакуум
ных иасосов и агрегатов...454
Общие сведения . ...454
Испытания механиче
ских насосов (агрегатов) с масляным уплотнением455
Испытания двухроторных насосов (агрегатов). . . .456
Испытания турбомоле- кулярных насосов (агрегатов)457
Испытания пароструйных иасосов (агрегатов). . .458
Испытания адсорбцион
ных насосов (агрегатов). . . .458
Испытания геттерных насосов (агрегатов) и крноиа- сосов 459
Приложение 461
Список литературы463
Предметный указатель . . . .465
* При температуре 293 К-
Примечание. Механические . состоянии.
ведены "ниже (здесь и далее рэл — удельное электрическое сопротивление):
Температура, К: плавления . ’ 1356
кипения’ 2873
Р при Т = 293 К,г/см3. .8,96
а-10е, К-1, в 'интервале температур, К:к
273 ... 373 ' 16,4
398 ... 573 17,7
273 ... 873 . . . ,. . . .18,6
273... 1073 19,3
X, Вт/(см-К) 3,95
рэл при 7 = 273 К, Ом м 1,67-10-» ов, МПа . • 220
I — НМДО-0.25;2 - НМДО-0,1; 3 —
НМДО 0,025;4 — НМ ДО-0,01