новая папка 1 / 641039

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

3161

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра физики и биомедицинской техники

ВАКУУМНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Методические указания

к расчётно-графическому заданию

Липецк Липецкий государственный технический университет

2017

УДК 533.5 (07)

В 148

А.П. Кащенко, Г.С. Строковский, С.Е. Строковская, А.С. Пономарев.

Рецензент канд. физ.-мат. наук Шарапов С.И.

В148 Вакуумное оборудование [Текст]: методические указания к расчетно-

графическому заданию / Сост. А.П. Кащенко [и др.]. – Липецк: Изд-во Липецкого государственного технического университета, 2017. – 18 с.

Вметодических указаниях рассмотрены понятия необходимые для понимания принципа работы вакуумных систем, а также приведена методика расчёта вакуумных систем в стационарном режиме работы. В приложении представлена таблица условных обозначений элементов вакуумных систем.

Методические указания предназначены для студентов 3-го и 4-го курса направления 12.03.04 «Биотехнические системы и технологии» по дисциплинам: «Взаимодействие излучения с веществом», «Физические основы радиологии», «Узлы и элементы биотехнических систем», «Основы конструирования приборов и изделий медицинского назначения», а также студентов 1 курса направления 12.04.04 «Биотехнические системы и технологии» по дисциплинам «Теоретические основы электронно- и ионно-

лучевого оборудования» и «Эксплуатация и обслуживание медицинской техники» всех форм обучения.

Табл.: 1. Ил.: 3. Прил. 1. Библиогр.: 4 назв.

ФГБОУ ВО «Липецкий государственный технический университет», 2017

РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ ПО ТЕМЕ «ВАКУУМНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ»

Вакуумные системы

Откачиваемые объекты и арматура (коммутационные элементы, ловушки,

трубопроводы), соединяясь друг с другом, образуют сложные вакуумные системы. Место соединения двух элементов и более называют узлом вакуумной системы.

Среди большого количества вакуумных систем, используемых в производстве и в научных исследованиях, можно выделить несколько типов систем, предназначенных для получения низкого, среднего, высокого и сверхвысокого вакуума. Для изображения схем вакуумных установок пользуются условными обозначениями элементов вакуумных систем,

приведенными в приложении. Элементы вакуумных систем размещаются в машинах и установках в соответствии с требованиями технологического процесса, удобства эксплуатации, ремонта и т.д., связь между ними осуществляется с помощью соединительных элементов – трубопроводов.

Трубопроводы и затворы

Трубопроводы могут быть гибкими или жёсткими. Гибкие сложнее жёстких и применяются для соединения элементов, не имеющих общей конструкционной базы. В вакуумных машинах и установках для коммутации различных частей вакуумной системы широко используются различные вакуумные затворы (см. прил.).

Вакуумные насосы

Существует два основных метода вакуумной откачки:

механический (рис. 1);

физико-химический (рис. 2).

Механические вакуумные насосы подразделяются на:

3

объёмные (откачка за счет периодического изменения объема рабочей камеры): поршневые, жидкостно-кольцевые, ротационные (пластинчато-

роторные, пластинчато-статорные, многопластинчатые роторные,

золотниковые, двухроторные Рутса);

молекулярные (работают за счет передачи молекулам газа количества движения от твердой, жидкой или парообразной быстродвижущейся поверхности): водоструйные, эжекторные, диффузионные, молекулярные (с

одинаковым направлением движения откачивающей поверхности и молекул газа), турбомолекулярные (с взаимно перпендикулярным движением твердых поверхностей и откачиваемых газов).

К физико-химическим насосам относятся криоконденсационные, ионно-

сорбционные (магниторазрядные), испарительные и криоадсорбционные. Все они, в отличие от механических, работают без вакуумного масла, что устраняет угрозу загрязнения откачиваемого объема.

Рис.1. Диапазоны рабочих давлений механических насосов

Рис.2. Диапазоны рабочих давлений физико-химических насосов

4

Для вакуумной откачки часто бывает необходимо временное увеличение вакуума на несколько порядков. Для этого используются так называемые вакуумные ловушки, которые по принципу действия бывают:

охлаждаемые;

термоэлектрические;

сорбционные;

ионные.

Наибольшее распространение получили охлаждаемые заливные ловушки,

где в качестве криогенной жидкости используется азот. Конструктивно такая ловушка представляет собой два объема (один внутри другого, расстояние между ними мало), один из которых заполняется азотом, а другой является откачиваемым.

Способы измерения давления в вакуумном объеме

Существуют два основных способа измерения давления:

прямой;

косвенный.

В первом случае давление измеряется непосредственно. Такой способ используется в манометрах, которые делятся на механические, жидкостные и т.д. Манометры (измерители прямого действия) в электрофизических высоковакуумных установках используются сравнительно редко, главным образом в форвакуумных линиях.

Во втором случае измеряется какая-либо физическая величина, значение которой связано с давлением в объеме. Пересчет на давление производится с помощью градуировочной характеристики (или же градуируется шкала прибора в единицах давления). В зависимости от измеряемой физической величины используются следующие вакуумные датчики (см. прил.):

термопарные (измеряется температура нагревательного элемента,

которая зависит от теплопроводности остаточного газа, определяющейся в свою очередь его давлением);

5

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

ионизационные (измеряется ток ионов остаточного газа, зависящий от концентрации молекул газа, т.е. давления);

магнитоионизационные (отличаются от предыдущих тем, что ионизация молекул остаточного газа происходит в ячейке Пеннинга).

Расчёт вакуумных систем в стационарном режиме работы

Условием стационарного режима работы вакуумной системы является равенство эффективной скорости откачки Sэф и скорости газовыделения SQ1):

где F i – площадь i-го материала, присутствующего в вакуумной системе, м2; qср – среднее удельное газовыделение материала вакуумной системы, Па·м/с.

1 В вакуумной технике принято эти величины определять как объем газа,

натекающий или откачиваемый в единицу времени dV / dt . Тогда, очевидно,

ему соответствует поток газа p dV / dt

6

Проводимость диафрагмы при вязкостном и молекулярном течении газа соответственно:

где di – диаметр диафрагмы, м.

Проводимость отверстия произвольной формы при вязкостном и

Эффективная быстрота откачки согласно (1) и условию стационарности:

где Ки – оптимальное значение коэффициента использования насоса; рпр –

предельное давление выбранного насоса, Па.

В общем случае Ки зависит от типа насоса, эффективной быстроты откачки и числа элементов между насосом и откачиваемым объектом. Ки

рассчитывается по специальной методике или выбирается из справочной литературы [1]. Окончательный выбор насоса осуществляется при соблюдении

условия:

низковакуумной откачки. Выбор дополнительного насоса осуществляется по его требуемому рабочему давлению:

7

Дальнейший расчет проводится согласно формулам (7 – 9).

Определение размеров основных трубопроводов производится по

уравнению:

где Uo – проводимость всего участка системы от насоса до откачиваемой камеры, м3/с; Sн и Ки – характеристики выбранного насоса.

При расчёте необходимо стремиться к тому, чтобы все элементы участка

(трубопроводы, клапаны, ловушки и т. д.) имели одинаковую проводимость.

Поскольку для последовательно соединенных n элементов общая проводимость

то требуемая проводимость любого трубопровода

U n Uо , (13)

где n – общее число элементов на участке от насоса до откачиваемой камеры.

Для трубопровода в общем случае

а для вязкостного режима течения газа проводимость входного отверстия

8

несколько порядков. При d D проводимость входного отверстия считается

бесконечно большой. Для предварительной оценки диаметра трубопровода можно считать, что он близок к диаметру входного патрубка насоса dв х .

Проводимость трубопровода для вязкостного и молекулярного течения:

где l и d – длина и диаметр трубопровода соответственно, м; р – среднее давление в трубопроводе, Па (принимается равным рабочему давлению в камере).

Для определения режима течения используется критерий Кнудсена

молекулярным, при 5 10 3 Kn 1,5 – молекулярно-вязкостным. Для последнего режима в технологических расчетах

выражения (17, 18) в формулу (13), получаем уравнение, которое разрешается относительно d (округляя его до рекомендуемого согласно ГОСТ 18626-73 [4]).

9

Построение эпюры давления в вакуумной системе

При определении давлений необходимо помнить следующее.

1. Общее газовыделение вакуумной системы в стационарном режиме

работы складывается из собственного и технологического газовыделения

вакуумной системы можно определить по потоку Q и проводимости k-го

Второе слагаемое в выражении (25) постоянно, а третье только возрастает. На ловушке возможно как увеличение, так и снижение давления в зависимости от того, какое из двух слагаемых формулы (25) вносит наиболее существенный вклад в изменение давления.

Примерный график распределения давления между насосом и откачиваемым объектом показан на рис. 3.

10