7. Проводимость трубопровода при вязкостном режиме течения.

В вакуумной технике при давлениях,близких к атмосферному,и в области низкоговакуума преобладает вязкостный режим течения.Области режимов течения при расчетах проводимости трубопроводов различают числом Кнудсена.В случае цилиндрических трубопроводов принимают,чтовязкостный ламинарный режим течения имеет место при Kn>0,33.

Проводимость цилиндрического трубопровода при вязкостном режиме течения прямо пропорциональна среднему давлению в трубопроводе и четвертой степени радиуса трубопровода и обратно пропорциональна длине трубопровода.

8 Проводимость трубопровода при молекулярном режиме течения. При откачке сильно разреженного газа средняя длина свободного пробега молекул во много раз превышает эффективный размер трубопровода ( >>L_эф); течение газа по трубопроводу осуществляется в молекулярном режиме. При этом молекулы газа сталкиваются преимущественно со стенками трубопровода. В отличие от вязкостного течения плотного газа в этом случае нет смысла говорить о слоистом течении и внутреннем трении.

Рассмотрим вначале молекулярное течение газа через малое отверстие площадью S в перегородке, разделяющей сосуд на две части (рис. 1.41). Пусть температуры в обеих частях сосуда одинаковы (Т₁ = Т₂), а давления различны (p₁ > p₂).

Число молекул, переходящих в единицу времени из первой части сосуда во вторую

а из второй части в первую 

Результирующее число молекул, прошедших через отверстие в единицу времени,

(1.144)

Из соотношения для числа молей газа _ выразим массу М газа:

Тогда

(1.145)

Итак, масса М разреженного газа, проходящего в единицу времени через отверстие, прямо пропорциональна разности давлений по обе стороны отверстия и корню квадратному из молярной массы газа , а также обратно пропорциональна корню квадратному из термодинамической температуры Т. Медленное истечение газа через малые отверстия называется эффузией. Зависимость М() положена в основу использования молекулярной эффузии разреженного газа через капилляры или пористые перегородки для разделения газов и обогащения газовых смесей более легким компонентом.

Проводимость цилиндрического трубопровода при молекулярном режиме течения газа

(1.149)

в отличие от проводимости при вязкостном режиме (см. (1.143)) прямо пропорциональна третьей степени радиуса трубопровода и не зависит от давления.

9 Классификация вакуумных насосов

Получение высокого вакуума в вакуумных устройствах достигается путем откачки газа специальными вакуумными насосами. Не существует насоса, который бы мог произвести откачку во всем диапазоне давлений от атмосферного давления до высокого или сверхвысокого вакуума. Для достижения вакуума требуемой степени используется соответствующая схема откачки с применением насосов различных типов. По области рабочих давлений вакуумные насосы подразделяют на насосы предварительного разрежения и высоковакуумные. Насосы предварительного разрежения, или форвакуумные, откачивают газ, удаляемый из вакуумной системы, обычно непосредственно в атмосферу. Они используются для создания предварительного разрежения, необходимого для запуска высоковакуумных насосов на следующей стадии откачки. Высоковакуумные насосы используются для получения высокого вакуума. Высоковакуумные насосы эффективно работают только в том случае, когда откачиваемые ими газы поступают в пространство, в котором давление ниже атмосферного, например в работающий форвакуумный насос. По числу рабочих ступеней вакуумные насосы подразделяют на одноступенчатые и многоступенчатые. К одноступенчатым относятся насосы, в которых перепад давлений создается действием одной рабочей ступени. В многоступенчатых насосах перепад давлений создается последовательным действием нескольких рабочих ступеней. Счет ступеней откачки ведется начиная со ступени, создающей наиболее высокую степень вакуума. В основу получения вакуума положены два основных подхода: 1) удаление газа из откачиваемого объема за пределы вакуумной системы; 2) связывание газа в самой вакуумной системе. Первый подход реализован в газоперемещающих насосах, к числу которых относятся механические и струйные насосы. Второй подход реализуется в насосах поверхностного действия.

О сновные параметры вакуумных насосов. Для характеристики работы вакуумного насоса любого типа вводится ряд параметров, к числу которых относятся: 1) быстрота действия; 2) коэффициент использования; 3) производительность; 4) предельное давление; 5) наименьшее рабочее давление; 6) наибольшее рабочее давление; 7) наибольшее давление запуска; 8) наибольшее выпускное давление.

Рассмотрим схему простейшей вакуумной системы (рис. 2.2), состоящей из вакуумной камеры CV, вакуумного насоса N и тру бопровода Т, соединяющего вакуумную камеру с насосом. Пусть при откачке на выходе вакуумной камеры в сечении I поддерживается давление р1, а на входе вакуумного насоса в сечении II – давление р2. Поскольку поток газа в трубопроводе направлен от вакуумной камеры к насосу, то р1 > р2.

Быстрота откачки насоса в произвольном сечении трубопровода определяется как объем газа, откачиваемого в единицу времени через сечение трубопровода при давлении в данном сечении:

Быстрота откачки вакуумной камеры, или эффективная быстрота откачки насоса, определяется как объем газа, выходящий в единицу времени из откачиваемой вакуумной камеры через ее выходное сечение I при давлении р1:

Быстрота действия насоса определяется как объем газа, удаляемый насосом в единицу времени через впускное сечение II насоса при давлении в этом сечении р2:

Отношение эффективной быстроты откачки насоса к быстроте его действия называется коэффициентом использования насоса:

Поток газа, проходящий через сечение II впускного патрубка насоса, называется производительностью насоса:

П редельное давление вакуумного насоса − это наименьшее давление, которое может обеспечить насос, работая без откачиваемого объекта. Наименьшее рабочее давление насоса − это наименьшее давление, при котором насос длительное время сохраняет номинальную быстроту действия. Наибольшее рабочее давление насоса − это наибольшее давление, при котором насос длительное время сохраняет номинальную быстроту действия. Давление запуска вакуумного насоса − это наибольшее давление во впускном сечении насоса, при котором насос может начать работу. Наибольшее выпускное давление насоса − это наибольшее давление в выпускном сечении вакуумного насоса, при котором насос еще может осуществлять откачку. Наглядно параметры вакуумного насоса представлены на его основной рабочей характеристике (рис. 2.4). В диапазоне давлений от наименьшего до наибольшего рабочих давлений, называемом рабочим диапазоном, обеспечивается эффективное использование насоса. Использование насоса для работы в интервале давлений между наименьшим рабочим и предельным нецелесообразно из-за ухудшения его характеристик. При необходимости откачки в этой области давлений следует использовать другой более высоковакуумный насос, имеющий другую рабочую характеристику.

10 . Основное уравнение вакуумной техники. При длительной непрерывной работе вакуумного насоса в трубопроводе устанавливается стационарный поток откачиваемого газа, одинаковый в любом сечении трубопровода:

С другой стороны, поток газа в трубопроводе

где U − проводимость трубопровода.

Выразим быстроту действия насоса и эффективную быстроту откачки

Перепишем выражения в виде

Вычитая от верхнего уравнения нижнее получим

Выражение устанавливает связь между быстротой откачки насоса , быстротой действия насоса и проводимостью трубопровода и называется основным уравнением вакуумной техники.

Получим выражение для быстроты откачки :

Из выражения следует, что при заданной проводимости трубопровода и любой быстроте действия вакуумного насоса

максимально достижимая быстрота откачки вакуумной камеры не превышает проводимости трубопровода. Откачивающая способность насоса может быть максимально реализована только при , т.е. когда насос подсоединен непосредственно к вакуумной камере. В этом случае коэффициент использования насоса

стремится к единице.