9. Последовательное соединение насосов.

а)

б)

Рис.4.5. Соединение насосов:

α) параллельное; б) последовательное

Система последовательно соединенных насосов (рис. 4.5, б) очень часто используется в высоковакуумных установках. Если пренебречь собственным газовыделением насосов и соединительных трубопроводов, то в стационарном режиме работы газовый поток Q во всех насосах останется неизменным и можно записать условие постоянства потока в виде

. (4.41)

Из условия (4.41) следует, что требуемые быстроты действия последовательно соединенных насосов уменьшаются пропорционально возрастанию давления:

. (4.42)

Быстрота откачки первого насоса из (4.41)

. (4.43)

Для описания основной характеристики насоса примем выражение (4.12). Из (4.12) и (4.43) можно найти номинальную быстроту откачки:

. (4.44)

Уравнение потоков (4.16) для входного сечения первого насоса

. (4.45)

Решая (4.45) относительно давления р₁, получим с учетом выражения (4.8) для коэффициента использования насоса

. (4.46)

Подставляя (4.46) в (4.44), преобразуем выражение для номинальной быстроты откачки первого насоса:

. (4.47)

Для любого другого последовательно включенного насоса аналогично (4.47), получим следующее выражение для определения номинальной быстроты откачки:

. (4.48)

В качестве давления p'_i-1 можно принимать максимальное выпускное давление предыдущего насоса.

9. Расчёт газовых нагрузок.

Стационарный газовый поток, откачиваемый насосом, во время работы вакуумной установки имеет несколько составляющих:

,

где – проницаемость материалов; – диффузионное газовыделение материала; – натекание через оболочку вакуумной камеры; – стационарное технологическое газовыделение.

Все составляющие газового потока либо вообще не зависят от времени работы вакуумной установки, либо изменение газового потока за время ее работы не превышает точности выполняемых расчетов.

Количественная оценка процессов стационарной проницаемости газа через стенки вакуумной системы, изготовленные из различных материалов или имеющие различную толщину, может быть сделана по формуле

, (4.49)

где K_oi и Q_Pi – соответственно константа проницаемости и теплота активации для материала i-й стенки вакуумной системы; F_i и h_i – cответственно площадь и половина толщины i-й стенки; р₁ и p₂ – давления с внутренней и наружной сторон стенок; п – число атомов в молекуле газа, проникающего через стенку; Т – абсолютная температура стенки; R=8,31 кДж/(кмоль∙К); N – число стенок вакуумной камеры, арматуры и трубопроводов, изготовленных из различного материала или имеющих разную толщину.

Газопроницаемость возрастает при уменьшении толщины стенок вакуумных камер. Особенно это заметно для деталей типа сильфонов, мембран и т. д., где малая толщина детали определяется условиями ее работы. Конструктивными способами уменьшения газопроницаемости кроме выбора материалов являются использование установок с «двойным» вакуумом и охлаждение деталей во время работы непосредственно в вакуумной камере.

Диффузионное газовыделение имеет нестационарную природу, но для большинства газов и материалов постоянная времени этих процессов настолько велика, что они могут рассматриваться как стационарные. Упрощенный метод определения диффузионного газовыделения основан на применении экспериментально определенных значений коэффициентов удельного диффузионного газовыделения, зависящих от рода газа, материала и его предварительной обработки, а также рабочей температуры. Газовый диффузионный поток

, (4.50)

где F_i – площадь i-го материала, присутствующего в вакуумной системе; N – число материалов; q_cp – среднее удельное диффузионное газовыделение материалов вакуумной системы:

. (4.51)

Натекание через оболочку вакуумной камеры происходит в основном по разборным и неразборным соединениям, которые принципиально не могут обеспечить абсолютную герметичность. Натекание может происходить и по дефектам в структуре сплошного материала. Поэтому возможное натекание в вакуумную установку можно оценить по формуле

, (4.52)

где – минимальный поток, регистрируемый течеискателем; – вероятность существования течи, меньшей чувствительности течеискателя; N – число соединений; m – число одновременно проверяемых соединений.

Резервом уменьшения при расчете по формуле (4.52) является уменьшение числа испытаний на герметичность. Предельным случаем является одно испытание, когда m=N, и проверяется негерметичность всей установки. При работе с гелиевым течеискателем такая проверка производится размещением всей установки в атмосфере гелия с помощью полиэтиленовых колпаков или других вспомогательных средств, зависящих от размеров установки.