книги из ГПНТБ / Вакуумные прокатные станы

Зная ХР и длину свободного пути X при комнатной темпера­ туре и давлении в 1 мм рт. ст., можно определить X для любого давления. Например, для воздуха

Свойства газа зависят от соотношения числа взаимных ударов молекул и ударов о стенки сосуда. В практике вместо этого сравни­ вают между собой среднюю длину свободного пути X и внутрен­ ний линейный размер d сосуда, камеры, вакуумпровода и т. п. Состояние газа, когда X > d, принято называть высоким ваку­ умом; X <^ d — низким вакуумом; X я» d — средним вакуумом. Таким образом, вакуум — понятие относительное, зависящее от соотношения X и d.

Течение газов в трубопроводах

Режимы течения газов. В вакуумпроводах газ течет вследствие создаваемого перепада давлений у его концов. Однако характер движения молекул газа различен и зависит от режима течения, который может быть турбулентным, ламинарным или вязкостным

имолекулярным.

Показателем режима потока является критерий Рейнольдса

>2-105 D.

Ввакуумных системах турбулентный поток возможен в на­ чальный момент работы установок, когда откачиваются большие массы воздуха с большой скоростью. В дальнейшем режим тече­ ния меняется.

20

При ламинарном течении отдельные слои протекающей среды имеют различные скорости и скользят один по другому. Лами­ нарное течение характеризуется всеми значениями Q < 2 - 1 0 5 D .

При достаточно низком давлении молекулы летят прямоли­ нейно, независимо одна от другой, имеют меньшее число взаим­ ных столкновений и гораздо чаще сталкиваются со стенками. Средняя длина свободного пути К становится сравнимой с диа­

,D

апри À Г5> -g молекулярный поток.

данное поперечное сечение, является при стационарном режиме

аналогии с металлическими проводниками в случае электросо­ противления) определяется как падение давления на единицу потока:

21

Следовательно,, пропускная способность есть количество газа, протекающее через данный участок при разности давлений на его концах, равной единице давления.

Пропускная способность трубопроводов при различных режимах

где D и I в см, а Рср в мкм рт. ст.

Это уравнение справедливо для случая, когда средняя длина свободного пути X щ .

На рис. 8 показана пропускная способность круглых трубо-

проводов различных диаметров в зависимости от отношения

рассчитанная для воздуха при 20° С по уравнению (16а). Значение пропускной способности для различных газов можно

гPiî

X

22

где F — площадь отверстия;

л/сек

Рис. 8. Зависимость проводимости трубопроводов от диа­ метра для различных отношений 1/D (ламинарное течение)

23

Следовательно, при Р2 < ; 0,ІРі пропускная способность диаф­ рагмы (при вязкостном режиме) не зависит от давлений и их отношения и может использоваться в качестве расчетного пока­

со стенкой трубы. Принимается преимущественно диффузионное отражение молекул от стенки так, что попавшая на стенку мо­ лекула адсорбируется на ней, после чего вылетает в другом на­ правлении.

В трубопровод попадает тем больше молекул, чем больше площадь его поперечного сечения. Количество отраженных мо­ лекул пропорционально поперечному сечению F. Доля отражен­ ных в обратную сторону молекул будет тем меньше, чем меньше поверхность трубопровода ВІ, где В — периметр, а / — длина трубопровода. Пропускная способность (в л/сек) трубопровода круглого сечения радиусом г и длиной /

(18)

Для молекулярного режима течения газа пропускная способ­ ность не зависит от среднего давления.

Для воздуха

Приведенные формулы справедливы для труб с отношением ^ > 2 0 .

На рис. 9 показана зависимость проводимости U цилиндри­ ческого трубопровода для воздуха при молекулярном течении

от диаметра для различных соотношении -^-.

При коротком трубопроводе следует учитывать влияние про­ пускной способности входного отверстия. Влияние изгибов и колен трубопроводов при молекулярном режиме течения газов учитывается специальным коэффициентом, т. е. в расчетную формулу подставляется осевая длина 10, несколько большая геометрической /:

24

Пропускная способность отверстий при молекулярном режиме.

Пропускная способность диафрагмы определяется уравнением

где F — площадь диафрагмы в см2.

25

отверстия, так как пропускная способность трубы UT сравнима

спропускной способностью диафрагмы Ug. Для этого случая

U1 = -+

Подставляя значения UT и ІІд из формул (18а) и (206), получим

от рода газа, так как во все соотношения при этом режиме входит множитель

if 2nkT

У~иг'

26

Для учета влияния температуры необхрдимо значение про­ пускной способности при комнатной температуре (293°К) умно­ жить на

Если, например, температура в вакуумной камере повысилась до 373°К, то пропускная способность для любого газа будет в У 373/273 = 1,16 раза больше.

Пропускная способность системы. Приведенные выше фор­ мулы справедливы для определения пропускной способности отдельных элементов вакуумных систем различной геометриче­ ской формы при разных режимах течения газов. Суммарная

По аналогии с законами электрической цепи общая проводи­

2. РАСЧЕТ ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ ПРОКАТНЫХ СТАНОВ

Любая вакуумная система состоит из следующих основных

27

определение времени откачки газа из установки до заданного давления.

На основании проведенных расчетов и конструктивных сооб­ ражений производится выбор схемы системы и компоновка ее отдельных частей, подбор вакуумных насосов, соединительных трубопроводов и арматуры.

Необходимость проведения расчетов вакуумных систем опре­ деляется тем, что недостаточно мощная вакуумная система не обеспечит требуемого разрежения в камере, следствием чего мо­ жет быть ухудшение качества обрабатываемого металла. Наобо­ рот, излишне мощная вакуумная система усложняет конструк­ цию вакуумной установки, повышает ее стоимость и увеличивает затраты на обслуживание. Неправильный выбор трубопроводов ведет к нерациональному использованию производительности насосов.

Расчет общего количества газопоступлений

Для расчета вакуумной системы стана необходимо определить газопоступление в уже откачанную камеру, которое обусловли­ вает постоянную работу насосов для поддержания определенной степени вакуума.

Газовые поступления в камеру при прокатке металлов в ва­ кууме возможны по следующим причинам.

Газовыделения из прокатываемого металла. Поступление газа в этом случае происходит вследствие уменьшения растворимости газа для ряда металлов при повышении температуры и уменьше­ нии внешнего давления, диссоциации окислов и т. д. В литера­

в вакуумном стане — нагревателей, отражательных экранов и т. д.

Газопоступления, обусловленные натеканием газа. Натекание происходит вследствие наличия неплотностей в оболочке камеры и трубопроводах, недостаточной герметичности вакуумных уплот­

Адсорбцией называется поглощение газов поверхностью твер­ дых тел и образование пленок толщиной в одну или несколько молекул за счет физических сил (поляризационных или ван- дер-ваальсовых).

,28

Абсорбция — растворение газов в металле, т. е. равномерное распределение молекул газа в кристаллической решетке металла.

геометрической и зависит от чистоты их обработки. Необработан­ ные ржавые конструкции адсорбируют большое количество газов, на откачку которых требуется много времени. В связи с этим детали вакуумных систем желательно изготовлять из нержаве­ ющей стали или цветных металлов с высокой степенью чистоты

ной камеры, трубопроводов, нагревательной печи, а также по­ верхность частей рабочей клети стана.

Зная величину поверхности, можно определить газопоступ­

29