9. Основные определения вакуумной техники.

Мы рассмотрели основные типы насосов и датчиков давления. Обсудим теперь методы количественного расчета скорости откачки. Простейшая вакуумная система представлена на рис. 5.

Она состоит из откачиваемого сосуда (1), датчиков давления (2), крана (3), трубопровода (4) и насоса (5).

Рис. 5. Простейшая вакуумная система

С началом процесса откачки начинается перемещение газа в сторону насоса. Давление в откачиваемом объеме p понижается. При этом давление p_H на входе в насос еще ниже: p_H < p. Разность p−p_H называют движущей разностью давлений. Под быстротой откачки сосуда S0 понимают объем газа, поступающий за единицу времени из сосуда в трубопровод при давлении p в откачиваемом сосуде:

S₀ = (dV/dt)p.

В качестве основных параметров насосов в вакуумной технике обычно выделяют предельное остаточное давление, быстроту откачки, производительность, наибольшее давление запуска, наибольшее рабочее давление и наибольшее выпускное давление.

Предельное остаточное давление – это минимальное давление, которое достигается при работе насоса без нагрузки, то есть когда насос не подсоединен к откачиваемому объему. Его величина определяется равновесием между количеством газа, удаляемым насосом, и обратным потоком, возвращающимся из насоса на его собственный вход. Быстротой откачивающего действия насоса SH [л/c] (или быстротой действия насоса) при данном впускном давлении p_H называют объем газа, поступающий в работающий насос в единицу времени:

S_H = dV_H/dt

Поток газа, протекающий за единицу времени через входное сечение насоса и равный произведению давления газа на его объем в единицу времени, называется производительностью насоса Q_H [м3• Па/с] = [Вт]:

Q_H = p_HS_H.

Наибольшим давлением запуска называется максимальное давление во входном сечении насоса, превышение которого ведет к ухудшению его характеристик. Не все насосы способны начинать свою работу с атмосферного давления: для работы ряда насосов необходимо предварительное разрежение (фор-

вакуум).

Наибольшее рабочее давление — то давление, при котором насос может работать в течение длительного времени при сохранении своей быстроты действия.

И, наконец, наибольшее выпускное давление — то давление на выходе насоса, при котором насос еще может осуществлять откачку. Данный параметр очень важен, к примеру, для струй-

ныхи турбомолекулярных насосов, у которых при выпускном давлении 102 Па и выше может произойти срыв процесса откачки.

Обычно при количественном описании вакуумной системы проводят аналогию вакуумной системы с электрической цепью и вводят понятие сопротивления трубопровода W. Разность давлений уподобляют напряжению, поток – силе тока. Величину

U =1/W= Q/(p – p_H)

где Q = p_HS_H = pS₀ – поток газа (одинаковый для всех сечений трубопровода), называют проводимостью трубопровода и измеряют в м3/с или в л/с.

9. Сопротивление и проводимость сложного вакуумного трубопровода.

Как показали специальные исследования процессов те­чения газа по трубкам, падение давления вдоль трубки, т. е. движущая разность давлений p1-р2, возникает из-за того, что трубка оказывает сопротивление потоку газа. Это сопротивление можно уподобить сопротивлению проводника электрическому току и аналогично закону Ома написать соотношение

(4-4)

где W—сопротивление трубки потоку газа;

U = 1/W пропускная способность трубки — величина, ана­логичная проводимости электрического провод­ника; при расчетах, связанных с откачкой вакуум­ных систем, удобнее пользоваться именно вели­чиной U.

Представив одно из равенств (4-4) в виде:

(4-5)

мы убеждаемся в том, что пропускную способность трубки можно рассматривать как поток газа через трубку при дви­жущей разности давлений по ее концам, равной единице. Следовательно, размерностью величины U является объем газа в единицу времени.

Однако аналогия закону Ома справедлива лишь при условии, что подобно электрическому току в проводнике по­ток газа Q имеет постоянное значение для любого сечения трубки, включая и ее концы, т. е. если

(4-6)

В вакуумной системе поток газа, имеющий постоянное зна­чение на протяжении всей трубки, устанавливается, напри­мер, при условии, что в откачиваемый объект натекает извне такое же количество газа, какое за то же время вы­брасывается насосом из вакуумной системы; в этом случае поток газа сохраняет постоянство не только по длине труб­ки, но и во времени: несмотря на непрерывную работу на­соса, все величины, входящие в равенства (4-6), сохраняют постоянное значение. Такой поток газа называется стацио­нарным (установившимся во времени).

I Практически такой поток осуществляется лишь в част­ных случаях; вообще же откачка сопровождается, как мы уже говорили, падением как давления р₁ в откачиваемом объекте, так и давления р₂ у входа в насос; в связи с этим уменьшается и движущая разность давлений р₁— р₂ и

среднее давление в трубке p₁-p₂ одновременно с умень­шением давлений может уменьшиться и пропускная способ­ность трубки.

Таким образом, поток газа по трубопроводу вакуумной системы обычно является нестационарным. Тем не менее и в случае нестационарного потока можно допустить, что при непрерывно изменяющихся р₁, р₂ и пропускной способ­ности все же в каждый данный момент поток газа удовле­творяет условию (4-6). Такой нестационарный поток газа принято называть квазистационарным, т. е. сходным со стационарным; сходство заключается в том, что поток газа, не будучи постоянным во времени, все же в любой момент остается одинаковым для любого сечения трубки.

В вакуумных системах, как правило, осуществляется квазистационарный поток газа по трубопроводу; стационар­ный поток газа устанавливается в вакуумной системе в кон­це процесса откачки, когда давление в системе, несмотря на работу насоса, продолжает сохраняться постоянным.

Из условий (4-6) следует, что если известен поток газа Q, то мы всегда можем определить быстроту откачиваю­щего действия в любом сечении трубки; например, быстрота откачки объекта (начало трубки) равна:

(4.7)

быстрота действия насоса (конец трубки) равна:

(4.8)

И вообще быстрота действия в любом сечении неразветвленного трубопровода (между откачиваемым объектом и насосом) равна:

(4.9)

Далее из тех же условий (4-6) следует, что при наличии сопротивления трубки, т. с. при р₁> р₂, быстрота откачки объекта S₀ всегда меньше быстроты действия насоса S_H ; равенство S₀ = S_k может осуществляться, когда р₁ = p₂, т. е. когда откачиваемый объект присоединен к насосу непосредственно, без трубопровода и, следовательно, дав­ление в объекте совпадает с впускным давлением насоса.