Шестак Вакуумная техника. Концепция разреженного газа 2012

Вопросы контроля и поддержки

1.Сформулируйте основные цели диагностирования технических систем и его основные задачи.

2.Какие мероприятия включает в себя диагностирование вакуумных систем?

3.Почему основным мероприятием диагностирования вакуумных систем является измерение степени разрежения газа?

4.Что такое мановакуумметр?

5.Какая физическая модель для измерений традиционно принята для вакуумных систем? Какие изъяны она содержит?

6.Почему априорная информация об объекте измерений не может быть эталоном или точкой отсчета?

7.Перечислите возможные источники систематических ошибок вакуумных измерений.

8.Что такое абсолютные и относительные измерения? Что такое прямые и косвенные измере-

ния?

9.Что может быть измерено в вакуумной технике методом прямых измерений?

10.Какие три группы методов измерения давлений в низком вакууме можно сформировать? 11.Существует ли молекулярное давление в торричеллиевой пустоте?

12.Запишите уравнение измерения U-образного жидкостного манометра.

13.Что из происходящего в манометре МакЛеода соответствует закону Бойля – Мариотта? 14.Зачем нужно опорное давление в мембранном манометре?

15.Почему в мембранных манометрах применяется компенсация смещения мембраны? 16.Чем ограничиваются пределы измеряемых давлений в мембранных манометрах?

17.Зачем в технических описаниях всех манометров сообщаются сведения о материалах, соприкасающихся с откачиваемой средой?

18.Почему тепловые манометры согласно принципам их действия можно отнести к термодинамическим?

19.Каким образом зонды, введенные в вакуумную систему извне, воздействуют на молекулы газа в этой системе? Приведите три примера.

20.Чем ограничивается диапазон рабочих давлений тепловых манометров?

21.Каким образом после проведения измерений тепловыми манометрами мы узнаем о величине измеренного давления в вакуумной системе?

3.3. Низковакуумные технологии

Рассматриваемые в данном разделе вопросы промышленного применения низковакуумной техники, по замыслу автора, должны расширить кругозор инженера-физика до уровня понимания единства технического и, особенно, технологического пространств, без чего невозможно плодотворно работать в науке и в производстве, невозможно творить, не изобретая «велосипеды».

Собственно изложение вакуумной техники без такого раздела (а ни в одном известном автору учебном издании подобных разделов нет), обречено на изолированность и непонимание со стороны людей, далеких, например, от физики пучков, но имеющих достаточное любопытство и потенциал, чтобы выступить в качестве спонсора или инвестора.

В табл. 3.3.1 приведен далеко не полный перечень производств, применяющих в той или иной степени низковакуумную технику и технологии, но который дает общее представление о значении вакуума в современной жизни.

Таблица 3.3.1 Производства, применяющие низковакуумное оборудование и низковакуумные насосы

191

192

3.3.1. Выбор низковакуумных насосов

S = 60 · 7/3 = 140 л · мин–1 = 8,4 м3 · ч–1 = 2,352 л · с–1.

Пользуясь данными табл. 3.3.2, подберём тип насоса, определенный с помощью рис. 3.3.1: производительность 8,4 м3 · ч–1 и предельное давление менее 75 Па. Затем с помощью каталогов фирмпроизводителей, которые имеются в Интернете, проведем выбор насоса на основании, например, таких критериев: масляный или «сухой», цена, дизайн, вес, габариты и т.п., и сделаем заказ.

Следует иметь в виду, что приведённое вычисление имеет силу, если откачиваемый объём чистый, сухой, пустой, не имеет течей, незапланированной газовой нагрузки и напрямую соединён с насосом.

271 URL: htpp://www.blms/ru/forvakuumnye_nasosy

193

Таблица 3.3.2

К выбору низковакуумных насосов

3.3.2.Централизованные вакуумные системы

Втехнике низкого вакуума часто используются нескольких вакуумных насосов одновременно. В связи с этим производители вакуумного оборудования предлагают так называемые централизованные вакуумные системы (ЦВС). Энергетика ЦВС всегда значительно экономичнее, чем при использовании многих вакуумных насосов. Кроме того, монтаж централизованной вакуумной системы в удалении от мест использования вакуума решает проблему изоляции источников нежелательной высокой температуры и шума, улучшает производственные условия. Представить ЦВС в научной или учебной лаборатории достаточно просто, сложнее выглядит дело на электроламповых заводах, но и

там проблемы были успешно решены еще в ХХ в., а в XXI веке – и в жилом фонде, особенно успешно – в гостиницах272.

Можно представить идеальный мегаполис из фантастической утопии: высотные дома, заполненные светом и чистым воздухом, чистые зелёные лужайки вокруг домов, стерильные больничные здания, безупречные офисные небоскрёбы. И ни единого намёка на аллергены, пыль, дурные запахи и мусор. Не торопитесь сказать, что такое невозможно.

Первый шаг в будущее уже сделан: система вакуумного централизованного пылеудаления (ЦВС) решила проблему уборки помещений. Сор и пыль удаляются с помощью встроенного в здание пылесоса бесшумно, эффективно и без мелкодисперсного остаточного засорения воздуха в помещении

(рис. 3.3.2).

Самое приятное − то, что системы вакуумного централизованного пылеудаления могут быть спроектированы и реализованы в любой нужной конфигурации – для многоэтажного учреждения, загородного дома или городского коттеджа, в индустриальных и коммерческих зданиях. На сегодняшний день подобные системы рассматриваются только для элитных строений как компонент «умного дома»273.

272Встроенные пылесосы – альтернатива традиционным пылесосам – представляет собой стационарную, встроенную в здание систему. Встроенные пылесосы, безусловно, удобны для уборки и поддержания чистоты

впомещениях любого типа, так как «встроенность» пылесоса избавляет от необходимости таскать его за собой. Всё, с чем вы имеете дело, – шланг. Это удобно как в городской типовой квартире, так и многоэтажных гостиницах класса «люкс». См. подробнее: «Системы вакуумного централизованного пылеудаления Puzer Process»

URL: http://www.topclimat.ru/company/puzer/info/4/.

273«Умный дом» (англ. smart house) – дом современного типа, в котором на базе высокотехнологичных интеллектуальных систем все организовано для удобства обитания и функционирования людей.

194

Рис. 3.3.2. Централизованная вакуумная система (система пылесоса) в жилом доме:

1 – силовой агрегат и контейнер-мусоросборник; 2 – трубопроводы; 3, 4 – «вакуумрозетки»; 5 – гибкий шланг; 6 – отвод очищенного воздуха

Система включается автоматически, как только пользователь вставляет шланг в «вакуумрозетку». Остановка работы всей системы происходит автоматически после отключения последнего пользователя.

Разработана система «вакуумсовок», которая также подключается к ЦВС. Достаточно просто смести пыль и мусор к плинтусу, куда встроен совок, и нажать ногой на педаль. Система сделает все остальное. «Вакуумсовок» незаменим при уборке на кухне, в коридоре и вообще везде, где пол покрыт плиткой, линолеумом или паркетом.

ЦВС для пылеуборки могут обслуживать объемы от 200 до 20,000 м3 при давлениях между 104

и 5 · 104 Па.

ЦВС включают: подсистему управления (регулирования), фильтры, вакуумметры, клапаны, шланги и полный комплект всей необходимой фурнитуры, которые собраны в единую, надежно работающую станцию. Для повышения надежности системы могут комплектоваться ресивером274 объ-

емом 90, 250, 500, 1000 или 2000 л.

Вакуумные насосы в данных системах бывают как «сухие», так и с масляным уплотнением.

3.3.3. Регулирование давления в вакуумной системе

Есть множество причин, по которым необходимо изменять или регулировать величину давления в вакуумной системе. Например, при перезагрузке вакуумных камер испытуемыми образцами, при изменении парциального состава остаточного газа, проведении градуировки манометров, исследованиях физических или химических вакуумнозависимых явлений и т.п.

Решения вопросов, которые возникают при реализации регулирования давления, хорошо представлены в специализированной литературе.

Проблемы создания систем регулирования могут быть сведены к двум основным:

1)проведение динамических измерений;

2)выбор адекватных клапанов и управления работой клапанными системами.

274 Вакуумные ресиверы, обладая достаточным объемом, являются защитными устройствами, которые удерживают вакуум на некотором уровне давления, обеспечивая безопасную работу в течение времени принятия решения, связанного с внезапным отключением питания.

195

На рис. 3.3.3 приведен пример системы регулирования. Видим, что регуляторы потока (клапанные системы) используются дважды: и для напуска газа, и для изменения скорости откачки системы.

Рис. 3.3.3. Схема системы регулирования давления в вакуумной системе

Вакуумметр измеряет давление в камере. Быстрота отклика вакуумметра должна быть существенно меньше постоянной времени регулирования. Измеренное давление сравнивается с заданной контрольной точкой в системе управления, которая управляет клапанами, установленными на входе вакуумной камеры и между вакуумным насосом и вакуумной камерой. Управляемые клапаны меняют проводимость каналов, создавая и поддерживая в камере необходимое для процесса давление, зависящее от количества газа, поступающего на вход камеры.

Выбор клапанов в вакуумной технике также является непростой задачей. Общее название «вакуумный клапан» относится к четырем видам устройств в зависимости от их функционального назначения:

1)вакуумный клапан – для регулирования или полного прекращения потока газа в вакуумной системе;

2)вакуумный затвор – для соединения и разобщения элементов вакуумной системы (часто эти клапаны называют шиберами);

3)напускной вакуумный клапан – для осуществления напуска газа в вакуумную систему;

4)вакуумный натекатель – для обеспечения напуска в вакуумную систему малых потоков газа и их регулирования.

По конструкции вакуумные клапаны во многом напоминают вентили, применяемые в водопроводных и газовых системах, однако отличаются от последних лучшей герметичностью и наличием проходных отверстий большого размера, не сильно снижающих пропускную способность трубопровода.

На рис. 3.3.4 приведены фотографии модельного ряда вакуумных затворов (шиберов) компании

VAT (Швейцария) и их условное изображение.

Обычный уровень негерметичности вакуумного клапана менее 10-9 Вт, рабочий диапазон давле-

ний: от 1,2 · 105 до 1,0 · 10−10 Па. Максимальный перепад давлений на заслонке затвора (в закрытом положении): 1,2 · 105 Па в любом направлении. Средняя наработка до первого сервисного обслуживания: 50 000 циклов.

На рис. 3.3.5 изображен автоматический клапан безопасности, не требующий для срабатывания внешних команд.

Автоматический вакуумный клапан безопасности V предназначен для увеличения давления в насосе N в случае отключения электрического питания.

196

онное перемещение иглы в седле, при котором изменяется пропускная способность канала,

обеспечивает плавную регулировку потока натекания от 10 до 10–8 Вт.

батывания натекателя – 12 мс. Средний ресурс – 10 000 циклов.

3.3.4. Вакуумная арматура

По назначению вакуумная арматура может быть классифицирована следующим образом:

•соединительные патрубки;

•фланцы;

•гибкие герметизирующие звенья (сильфонные патрубки);

•вакуумные смотровые окна;

•загрузочные вакуумные устройства (шлюзы, магазинно-бункерные устройства, системы с дифференциальной откачкой);

•заглушки;

•механические вакуумные вводы;

•манипуляторы;

•электрические вакуумные вводы;

•затворы;

•клапаны;

•противоаварийные устройства.

Основные системные характеристики и параметры вакуумной арматуры:

1)цель применения;

2)диапазон давлений, в котором арматура работоспособна;

3)габаритные и установочные размеры, конфигурация рабочей области и собственная пропускная способность;

4)для клапанов – время срабатывания, количество срабатываний, предельное значение потока натекания;

5)при наличии электропривода – потребляемая мощность;

6)вес;

7)удобство монтажа;

8)унификация креплений, уплотнений;

9)надежность и стоимость.

Фланец – основной компонент вакуумно-плотного разъемного соединения – один из самых интересных пассивных элементов вакуумных систем, во многом определяющий качество и надежность вакуумной системы в целом.

Вакуумно-плотные разъемные соединения используются для быстрого и легкого соединения отдельных устройств и узлов и обеспечивают доступ к тем или иным элементам вакуумной системы.

В вакуумной технике используют неподвижные, опорные и накидные фланцы. Соединение фланцев может быть однородным (например, фланцы, прижимаемые болтами или скобами) или разнородным (например, фланцы, прижимаемые болтами, присоединяются к фланцам, прижимаемым

198

скобами, при помощи болтов или скоб, либо при помощи болтов и накидных фланцев) с применением эластомерных277 или металлических уплотнителей.

В случае применения эластомерных уплотнителей необходимое условие герметичности вакуумных соединений – совместимость фланцев при затягивании болтов с линейными напряжениями278. Существует специальная методика затягивания болтов крепежа, чтобы избегать возможных микроперекосов и, соответственно, микротечей из-за нелинейных напряжений. Болты обычно затягивают через один, делая это постепенно, сохраняя примерно одинаковую степень закрученности всех болтов. То есть не нужно затягивать один болт сразу до максимально возможной степени – сила натяжения должна по возможности быть одинаковой для всех болтов крепежа.

Затягивание болтов крепежа вакуумных фланцев – своего рода искусство!

Линейное напряжение, воздействующее на единицу длины тороидального эластомерного уплотнителя (прокладки) в результате равномерного затягивания болтов (mболт,штук , создающих необходимое давление 200 Н/мм2, рассчитывают для каждого фланца по выражению

где σ – линейное напряжение, Н/мм; d1 – внутренний диаметр прокладки, мм; d2 – диаметр сечения сжатой прокладки, мм; sболт – сечение стержня болта, мм2.

Часть фланцевого соединения с тороидальным уплотнителем, прижимаемого болтами, представлена на рис. 3.3.9.

Рис. 3.3.9. Часть фланцевого соединения с тороидальным уплотнителем (а) и величины линейных напряжений затягивания для разных d1 (б), рассчитанные по выражению (3.3.1)

Существует несколько стандартизованных типов вакуумных соединений, разных по сфере применения. Они отличаются между собой конструкцией собственно фланцев, а также материалом и конструкцией используемого уплотнения.

Изображенный на рис. 3.3.10 фланец типа KF получил название от сокращений: Quick Flange (QF) или Klein Flange (KF). Обозначение KF принято в международных системах качества ISO, DIN и Pneurop. KF-фланец изготавливается со специальным пазом для эластичного уплотнителя, надетого на металлическое кольцо. Крепится фланец с помощью круглого зажима («хомута»). Стандартные размеры нормируются по номинальному диаметру (Ду) проходного отверстия фланца в диапазоне от

16 до 50 мм.

Американский стандарт ASA включает один фланец с канавкой (рис. 3.3.11) для размещения эластомерного уплотнителя, другой – плоский.

Из-за эластомерного уплотнения такое соединение имеет ограничения при использовании по температурному диапазону 0 – 180 °С и по диапазону давлений 105 – 10–5 Па. У фланцев стандарта ASA диаметр проходного отверстия Ду может быть в два раза больше, чем у фланцев стандарта KF.

277Эластомерное (эластичное) уплотнительное кольцо (О-ринг) может быть изготовлено из резины (буна), флуорополимера (витона), силиконового каучука или тефлона. Уплотнительное кольцо может помещаться в специальный паз или же использоваться в комбинации с центральным кольцом или как «фиксированное» кольцо, которое удерживается на месте специальным металлическим кольцом.

278ГОСТ Р52856 – 2007: ИСО 1609:1986 «Вакуумная техника. Размеры фланцев». Линейные напряжения обеспечиваются при затягивании болтов, например.

199