Расчет вакуумных систем. Учебно-методическое пособие

Особенно тщательно следует определять величины обращенных в вакуум поверхностей резиновых уплотнителей фланцевых разъемов, вводов вращения, электрических вводов, так как их газовыделение значительно превышает газовыделение металлов.

2.3. Поток технологического процесса

Поток технологического процесса может быть равен нулю (ускорители заряженных частиц, имитаторы космических условий). Поток технологического процесса может быть как постоянным, так и переменным по времени. Он может быть различным при различных давлениях.

Величина потока технологического процесса и ее зависимость от времени и давления в вакуумной камере являются исходными данными для расчета вакуумной системы и задаются разработчиками процесса.

Состав газов в потоке технологического процесса может отличаться от воздуха. Это отличие необходимо учитывать при выборе насосов, так как быстроты действия некоторых типов насосов зависят от природы газа.

2.3. Сумма потоков, поступающих в сосуд

Характеристики откачиваемого сосуда в виде потоков натекания Qнт, газовыделения Qг и технологического процесса Qт наряду с давлением, которое необходимо обеспечить в откачиваемом сосуде, являются характеристиками откачиваемого сосуда.

Выбор вакуумного насоса, расчет времени откачки производятся по величине суммарного потока, поступающего в

Поскольку поток газовыделения Qг , а в отдельных случаях и поток технологического процесса являются функцией времени, то целесообразно для суммарного потока Q определить его зависимость от времени и представить ее в виде графика Q = f(τ).

11

3.ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ

3.1.Основные характеристики и классификация насосов

Вторую группу элементов вакуумной системы составляют вакуумные насосы. Необходимые характеристики вакуумных насосов не рассчитываются, а выбираются из документации изготовителя (технические условия, паспорт, каталог, сайт).

Основной характеристикой вакуумного насоса является зависимость быстроты действия от давления во входном сечении насоса Sн = f (Pн).

Графическое изображение этой зависимости, соответствующее большинству типов насосов, представлено на рис. 3.1.

Sн

Pн

Рис. 3.1. Зависимость быстроты действия насоса от давления на входе в насос

Наряду с зависимостью быстроты действия от давления Sн=f(Pн) используется зависимость потока газа от давления во входном сечении насоса Qн = f(Pн), графическое изображение которой приведено на рис.3.2.

Наряду с этими характеристиками необходимо знать наибольшее входное давление Рнв, наибольшее выпускное давление и давление, при котором насос может приступить к откачке

сосуда.

Наиболее распространенная ошибка при выборе вакуумного насоса для вакуумной системы состоит в том, что насос выбирается по значению предельного остаточного давления Рост, приводимого в

12

паспорте насоса или каталоге, без учета конкретных условий его работы в составе вакуумной системы. Следует помнить, что

предельное остаточное давление характеризует только качество данного насоса по сравнению с другими насосами того же типа и не может служить характеристикой для выбора насоса для конкретной вакуумной системы.

2

1

Pн

Рис.3.2. Зависимость потока газа, откачиваемого насосом, от давления на входе

В табл.3.1 приведена базовая классификация вакуумных насосов. Насосы одинаковой конструкции, отличающиеся

геометрическими размерами, составляют типоразмерный ряд. Входящие в один типоразмерный ряд насосы работают в одном

диапазоне давлений, имеют разные быстроты действия и, как правило, выпускаются в один и тот же период времени.

Изготовитель каждому типоразмеру насоса (агрегата) присваивает условное обычно буквенно-цифровое обозначение – марку насоса (агрегата). Буквенная часть условного обозначения указывает на принадлежность насоса к конкретной модели (серии), а цифровая часть указывает на конкретный насос типоразмерного ряда.

Марка насоса меняется при замене в производстве одного типоразмерного ряда (насоса) на другой насос более совершенной конструкции и с лучшими характеристиками.

13

Таблица 3.1

Базовая классификация вакуумных насосов

Вакуумные насосы

Пригодность насоса для конкретной вакуумной системы определяется быстротой действия насоса и давлением (разрежением), которое он может создать в откачиваемом сосуде.

14

Пригодность насоса для конкретной вакуумной системы определяется быстротой действия насоса и давлением (разрежением), которое он может создать в откачиваемом сосуде.

Впервую очередь при выборе вакуумного насоса следует определить тип насоса, обеспечивающего требуемый диапазон рабочих давлений, а затем на основании расчета конкретный типоразмер насоса.

Вприл. 3 приведены основные характеристики ряда вакуумных

насосов.

Втехническом задании на разработку вакуумной системы могут встретиться эксплуатационные факторы, влияющие на характеристику насоса. Разработчику конкретной вакуумной системы при выборе насоса необходимо характеристики выбираемого насоса скорректировать в соответствии с условиями эксплуатации разрабатываемой вакуумной системы.

При выборе насоса нужно руководствоваться следующим правилом:

если насос используется в тех условиях, которые оговорены в технической документации на насос, то для его применения не требуется согласие разработчика насоса. Если же насос используется в других условиях, то для его применения требуется

согласие разработчика насоса.

Это согласие оформляется официальным документом - протоколом согласования. Нарушение этого правила лишает потребителя гарантий, выдаваемых заводом-изготовителем на насос.

3.2. Эффективность использования насоса

Насос, имеющий быстроту действия Sн, откачивает сосуд с быстротой откачки Sэ , получившей название эффективная быстрота откачки.

По аналогии с применяемым в технике понятием – коэффициент полезного действия для оценки степени использования быстроты действия насоса применяется коэффициент использования насоса - отношение эффективной быстроты откачки к быстроте действия насоса

15

Коэффициент использования насоса показывает, какая доля быстроты действия используется для откачки сосуда. Он всегда меньше единицы.

Согласно основному уравнению вакуумной техники, эффективная быстрота откачки равна

U

Последнее выражение удобно для проведения анализа зависимости Ku от проводимости, которая определяется размерами вакуумпровода, соединяющего насос с откачиваемым сосудом.

Разработчику при выборе проводимости вакуумпровода целесообразно руководствоваться следующим правилом:

размеры соединяющих трубопроводов (вакуумпроводов) при разработке вакуумной системы необходимо стремиться выбирать таким образом, чтобы их проводимость в несколько раз

превышала быстроту действия насоса.

При выборе размеров трубопровода (вакуумпровода) низкого и среднего вакуума нужностремиться выдерживать отношение U/Sн = 6 ÷ 10. В случае высоковакуумных систем, исходя из опыта эксплуатации, можно принимать U/Sн = 1÷2, более высокие значения отношения трудно обеспечить.В процессе расчета вакуумной системы прежде всего определяется эффективная быстрота откачки, поскольку требующееся давление при найденных (рассчитанных) потоках нужно обеспечить в откачиваемом сосуде.

В связи с этим разработчик вакуумной системы по основной характеристике предполагаемого к использованию насоса должен определить эффективные характеристики Sэ = f (Рэ) и Qэ = f (Рэ) и принять решение о пригодности насоса. Или имея значение Sэ , определить Sн требующегося насоса.Определяя зависимость Sэ = f (Рэ) по известной характеристике Sн = f(Рн), следует учитывать, что

16

применение основного уравнения вакуумной техники является недостаточным для определения эффективной

характеристики системы вакуумирования.

Наряду с основным уравнением вакуумной техники при ее определении необходимо применять равенство потоков во входных сечениях насоса и системы вакуумирования (на входе в вакуумпровод). Правильность расчетов проверяется по следующим закономерностям:

эффективная характеристика Sэ=f(Pэ) всегда лежит ниже и правее основной характеристики насоса Sн=f(нP) (рис. 3.3).

Эффективная характеристика системы вакуумирования Qэ=f(Pэ) всегда лежит правее основной характеристики насоса Qн=f(Pн) (рис. 3.4), поскольку поток газа на входе в трубопровод и насос один и тот же.

3.3.Периоды работы вакуумной системы

Вмомент первоначального запуска установки и в начале каждого технологического цикла в вакуумной камере давление соответствует атмосферному. Следовательно, прежде чем начать

17

технологический процесс необходимо в вакуумной камере понизить давление до рабочего. В связи с этим в работе любой вакуумной системы имеются два периода:

-первый период - откачка сосуда от атмосферного давления до рабочего или близкого к нему. Потоки откачиваемого газа и давление в сосуде зависят от времени вакуумирования;

-второй период - поддержание рабочего давления.

P

Рис.3.4. Характеристики: I – Q н=f(Pн) насоса;

II– Q э=f(Pэ) эффективная

Втечение первого периода работы вакуумной системы откачивается газ, содержавшийся в сосуде при атмосферном давлении, и газы, поступающие в сосуд в результате газовыделения, натекания, а в некоторых случаях и технологического процесса. Быстрота действия системы вакуумирования для этого периода определяется исходя из заданного времени откачки сосуда до рабочего давления или близкого к нему. Насосы, используемые в этом периоде, носят название – насосы предварительной откачки.

Во время предварительной откачки в сосуде создается давление, при котором могут приступить к откачке сосуда насосы, обеспечивающие рабочее давление. Предварительная откачка может выполняться насосами разных типов. Форвакуумная откачка также может выполняться насосами разных типов. В конкретной вакуумной

18

системе и предварительную, и форвакуумную откачку могут выполнять насосы одного и того же типа, и даже одни и те же насосы, но в разное время.

В течение второго периода работы откачиваются газы, поступающие в сосуд во время технологического процесса. Это потоки натекания Qнт, газовыделения Qг, технологического процесса Qт.. Эффективная быстрота откачки насоса для этого периода должна обеспечивать заданное рабочее давление в сосуде Ррс.

3.4. Выбор насоса для второго периода работы системы вакуумирования – поддержания рабочего давления

Суммарный поток, откачиваемый насосами в этом периоде работы системы вакуумирования, определяется по формуле (2.11)

За величину потока газовыделения Qг принимается её максимальное значение в этом периоде, соответствующее времени предварительной откачки.

В зависимости от конкретного назначения вакуумной системы слагаемые потоки могут существенно отличаться друг от друга. Эффективная быстрота откачки равна

где Ррс - рабочее давление в сосуде.

Быстрота действия вакуумного насоса находится по основному уравнению вакуумной техники

связывающему рассчитанную эффективную быстроту откачки Sэ, быстроту действия насоса Sн и проводимость U вакуумпровода, состоящего из элементов вакуумной системы (патрубков, вакуумной арматуры, трубопроводов, ловушек), расположенных между насосом

иоткачиваемым сосудом.

Ввыражении (3.5) величины Sн и U неизвестны. Целесообразнее задавать значение U, а Sн определять. Величина U

должна быть больше Sэ. Причем для нахождения Sн может

19

потребоваться несколько вариантов расчета. Рассмотрим ход решения.

Задаемся значением U, определяем Sн по основному уравнению

Рабочее давление на входе в насос Ррн определяется по равенству потоков на входе в систему вакуумирования и входе в насос, SэPрс = SнPрн . Значение Sн найдено, давление на входе в

насос

По величинам Sн и Ррн необходимо выбрать насос.

На рис.3.5 приведен пример характеристик насосов, принадлежащих к одному типоразмерному ряду. Следует отметить, что количество насосов в ряду ограничено, а насосы одного типоразмерного ряда могут существенно отличаться по быстроте действия.

P

Pн Pн1

Рис.3.5. Характеристики насосов одного типа; А,В,С – выпускаемые ; D – подлежащий разработке

20