Расчет высоковакуумной системы откачки

1. Определяем границы режимов течения газа в форвакуумной системе

1. Турбулентно-вязкостный режим

, где D – наименьший диаметр вакуумного трубопровода в системе от 10⁵ Па до p_турб.

_{D=16мм=0,016м}

p_труб=

Следовательно, турбулентный режим будет при давлении 10⁵ – 13.3 Па

1.2. Вязкостный и молекулярно – вязкостный режим

- коэффициент Кнудсена

- вязкостный режим

(от р_турб до р_в)

Р_В==4.7 Па

Следовательно, вязкостный режим будет при давлении 13.3 – 4.7 Па

3. Молекулярно-вязкостный и молекулярный режим

молекулярно – вязкостный режим (от р_в до р_мв)

р_М∙В==0,14 Па

Следовательно, молекулярно-вязкостный режим будет при давлении

4.7 – 0.14 Па

2. Рассчитаем длительность откачки при турбулентном режиме течении газов (от атмосферного давления до 13,3 Па)

При этом S_н=const для механического насоса, а проводимость трубопровода гораздо больше быстроты действия насоса, и газовыделения в системе не учитываются:

S_н=0,05 м³/с Q′_Σ=0

1. Рассчитаем откачиваемый объем высоковакуумной системы

V’’_Σ= V₄ + V₅ + V₈ + V₇ + V₉ + V₁₀ + V₁₃ + V₁₆+V₁₇ = [м³] где

V₄ – объем затвора V₅=π

V₄=3,14∙0,08²∙0,06=0,0012 м³

V₅ – объем переходника V₈=π

V₅=3,14∙0,08²∙0,102=0,0020 м³

V₇ – объем азотной ловушки V₇=π

V₇=3,14∙0,16²∙0,211=0,0237 м³

V₈ – объем переходника V₈=π

V₅=3,14∙0,16²∙0,102=0,0082 м³

V₉ – объем диффузионного насоса V₉=π

V₉=3,14∙0,25²∙1.092=0,2144м³

V₁₀ – объем вакуумного шланга V₁₀=π

V₁₀=3,14∙0,05²∙0,508=0,00398 м³

V₁₃ – объем клапана V₁₃=π

V₁₃=3,14∙0,05²∙0,26=0,002 м³

V₁₆ – объем тройника

V₁₆=V₁₆^’+V^’₁₆=πL₁₆R₁₆² +π(L₁₆^’-R₁₆)∙R²₁₆=π L₁₆+ L₁₆^’- )

V₁₆=3,14∙0,05²∙(0,1+0,216 -0,05)=0,00208 м³

V₁₇ – объем водоохлаждаемой ловушки V₁₇

V₁₇=3,14∙0,05²∙0,229=0,00179 м³

V’’_Σ =V₄+ V₅ + V₈ + V₇ + V₉ + V₁₀ + V₁₃ + V₁₆+V₁₇=0,25935 [м³]

2. Определяем длительность откачки

, где

n – показатель политропы (P.S. Политропным процессом называется термодинамический процесс, в котором удельная теплоемкость с газа постоянна. Величина называется показателем политропы)

Так как Q′_Σ=0, то , где

n=1,2 (для воздуха) p_нач=10⁵ Па, p=p_турб

t₁=c мин

3. Рассчитаем длительность откачки высоковакуумной системы в вязкостном режиме течения газов (от13.3 до 4.7Па)

1. Определяем среднее давление в системе

, где

==15.65 [Па]

1. Определяем проводимость элементов высоковакуумной системы в вязкостном режиме

Проводимость переходников (поз. 8 ,5) трубопровода (поз.10) и тройника (поз.16) рассчитываем по формуле:

U_5B=1360∙=136.751 [м³/c]

U_8B=1360∙=2188.028 [м³/c]

U_10B=1360∙= 4.223[м³/c]

U_16B=1360∙= 8,831 [м³/c]

Проводимость затвора (поз.5), азотной ловушки (поз.7), водоохлаждаемой ловушки (поз.17) и клапана (поз.13) берём из каталога:

U_4B=7 [м³/c]

U_7B=4.2 [м³/c]

U_17B=330 [м³/c]

U_13B=0,015 [м³/c]

Проводимость входного и выходного фланцев высоковакуумного насоса (диффузионного или турбомолекулярного) рассчитываем по формуле:

, где F – площадь входного сечения трубопровода

_{U’9B=200∙3,14∙(0,5)2/4=9. 817 [м3/c]}

_{U’’9B=200∙3,14∙(0,1)2/4=1,57 [м3/c]}

Определяем общую проводимость для вязкостного режима:

+

+

=2690.435 [м³/c]

3. Рассчитаем эффективную быстроту откачки камеры через высоковакуумную систему механическим насосом

[м³/c] ;

S₀==0,049 [м³/c]

1. Рассчитаем длительность откачки высоковакуумной системы в вязкостном режиме (Q′_Σ=0– газовыделение не учитывается)

, где p_нач=p_турб; p=p_в

t₂== 5.5c0,91 мин

4. Рассчитаем длительность откачки высоковакуумной системы в молекулярно – вязкостном режиме течения газов (от 4.7 до 0,14 Па)

4.1 Определяем среднее давление в системе

, где p₁=p_В; p₂=p_М-В

== 2,42 [Па]

2. Определяем проводимость элементов высоковакуумной системы в молекулярно – вязкостном режиме

, где

Z – эмпирический коэффициент для воздуха при Т=293К

, где D – диаметр трубопровода, [м]

- среднее давление в трубопроводе, [Па]

Проводимость переходника (поз.5,8) трубопровода (поз.10) и тройника (поз.16) рассчитываем по формуле:

, где

К – коэффициент Клаузинга, представляющий собой вероятность

прохождения молекул газа от входного сечения рассматриваемого элемента трубопровода до выходного. (Приложение 4)

_{U5MB=U5B+U5M∙Z}

U_5М=

Т.к. L₅/D = 0,102/0,16=0.6375 , следовательно, из таблицы K=0,61

U_5М=∙0,61= 2.963[м³/c]

U_5МВ=U_5B+U_5M∙Z

Z==0,811

U_5МВ=136.751 +2.963∙0,811= 139.154 [м³/c]

_{U5MB=U5B+U5M∙Z}

U_8М=

Т.к. L₈/D = 0,102/0,32=0.32 , следовательно, из таблицы K=0,77

U_8М=∙0,77= 29.931[м³/c]

U_8МВ=U_8B+U_8M∙Z

Z==0,81

U_8МВ=2188.028 +29.931∙0,81= 2212.27 [м³/c]

U_10МВ=U_10B+U_10M∙Z

Т.к. L₁₀/D₁₀ = 0,508/0,1=5.08, следовательно, из таблицы K=0,2

U_10М=∙0,2= 0,0476[м³/c]

U_10МВ=U_10B+U_10M∙Z

Z==0,5111

U_10МВ=4.223+0,00476∙0,5111= 4.225 [м³/c]

U_16МВ=U_15B+U_15M∙Z

U_16М=

Т.к. L_16расч/D₁₆ = 0,241/0,1=2,41 , следовательно, из таблицы K=0,32

U_16М=∙0,32= 0, 1606 [м³/c]

U_16МВ=U_16B+U_16M∙Z

Z==0,5111

U_16МВ=8.831 +0,1606∙0,5111= 8.913[м³/c]

Проводимость затвора (поз.4), азотной ловушки (поз.7), водоохлаждаемой ловушки (поз.17) и клапана (поз.13) берём из каталога:

U_4МВ=7 [м³/c]

U_7МB=4.2 [м³/c]

U_17B=330 [м³/c]

U_13B=0,015 [м³/c]

Проводимость входного и выходного фланцев высоковакуумного насоса в молекулярном режиме рассчитываем по формуле:

, где F – площадь входного сечения трубопровода, м²

U^’_9M=116F₁=116∙π

U^’_9M=116∙3,1422.776 [м³/c]

U^’_9MВ=U^’_9B+U^’_9M∙Z

U_9МВ^’=9.817+22.776∙0,81= 28.265 [м³/c]

U^’_9M=116F₂=116∙π

U^’_9M=116∙3,140,91 [м³/c]

U^’_9MВ=U^’’_9B+U^’’_9M∙Z

U_9МВ^’=1,577 +0,91∙0,81= 2,32 [м³/c]

Определяем общую проводимость для молекулярно-вязкостного режима:

+

= 2736.362[м³/c]

4.3. Рассчитаем эффективную быстроту откачки камеры через высоковакуумную систему, при этом учитывая изменение быстроты действия насоса S_н при давлении (по кривой откачки) -S′_н

[Па]

S_н^’=0,049[м³/с]

S₀==0,0489 [м³/c]

4.4. Рассчитаем длительность откачки высоковакуумной системы откачки в молекулярно – вязкостном режиме течения газов с учетом газовыделения

Q_∑^’ =2.7510^-5 [м³*Па/c]

, где ;

18.85[c]

8. Суммарная длительность откачки высоковакуумной камеры механическим насосом составит

=t₁+t₂+t₃=38.42+5.5+18.85=мин

= 1.04мин