Расчет вакуумных систем. Учебно-методическое пособие

Характеристика требующегося насоса (насос Д на рис.3.5) должна проходить через точку с координатами Sн и Pн.

Как правило, насоса с необходимой быстротой действия Sн не существует. Следовательно, нужно разрабатывать новый насос или выбирать типоразмер насоса, ближайший к требующемуся. Это насос А или насос В. Насос А обеспечит рабочее давление в сосуде ниже, а насос В – выше заданного. Изменение рабочего давления в сосуде необходимо согласовать с заказчиком вакуумной системы.

После выбора насоса необходимо построить зависимость Sэ=f(Pэ) и убедиться, что согласованное с заказчиком новое рабочее давление в сосуде Ррс соответствует плато эффективной характеристики или находится вблизи ее максимального значения.

3.5.Выбор форвакуумного насоса

Втом случае, когда для обеспечения рабочего давления предполагается использовать насос прокачивающего типа, требующий применения форвакуумной откачки, то одновременно с выбором этого насоса необходимо выбрать и форвакуумный насос.

Необходимое условие согласования работы насосов, последовательно расположенных друг за другом, записывается в виде равенства потока газа на входе в каждый насос, т. е.

При расчете вакуумной системы в первую очередь выбирается насос, откачивающий газ непосредственно из сосуда, а затем к нему подбирается форвакуумный насос. Рассмотрим порядок согласования работы насосов на примере диффузионного насоса.

Характеристики рассматриваемых насосов целесообразно представлять в виде зависимостей Q = f(P) (рис.3.6).

Общее правило согласования работы насосов формулируeтся в следующем виде: при любых потоках, соответствующих

диапазону работы высоковакуумного насоса, давление на входе в форвакуумный трубопровод Рэф должно быть меньше наибольшего выпускного давления высоковакуумного насоса Рвып

21

Эффективная быстрота откачки форвакуумного насоса

Проводимость U форвакуумного трубопровода целесообразно рассчитывать. Диаметр трубопровода принимается равным диаметру выпускного фланца высоковакуумного насоса, а длина – с учетом взаимного расположения насосов. По значениям Sэф и U определяют быстроту действия форвакуумного насоса.

Сосуды больших размеров по экономическим соображениям или из удобства эксплуатации, могут откачиваться несколькими высоковакуумными насосами, подключенными к одному форвакуумному насосу.

Общий форвакуумный насос может быть использован также для случая, когда несколько сосудов откачиваются

22

собственными высоковакуумными насосами. В расчет должны приниматься суммы быстрот действия насосов.

3.6. Выбор насоса для первого периода работы системы вакуумирования – предварительной откачки

3.6.1.Принцип непрерывности протекания характеристик

насосов

В течение первого периода насосы предварительной откачки должны откачать сосуд от атмосферного давления до рабочего или до такого давления, при котором могут приступить к откачке сосуда насосы, обеспечивающие рабочее давление.

Характеристикой этого периода является время откачки сосуда от атмосферного до заданного давления.

Предварительную откачку сосудов высоковакуумных и сверхвысоковакуумных систем могут осуществлять несколько насосов различных типов, обеспечивающих получение давления, необходимого для начала работы высоковакуумного или сверхвысоковакуумного насоса. Эти насосы работают поочередно (эстафетно), обеспечивая откачку в своем диапазоне давлений. Поочередность работы учитывается при построении принципиальной схемы вакуумной системы.

Выбор насосов для обеспечения откачки сосуда до заданного давления необходимо проводить, соблюдая принцип непрерывности характеристик, который заключается в следующем:

эффективные характеристики насосов предварительной откачки, работающих в граничащих областях давлений, при пограничном значении давления должны иметь быстроты

откачки, не равные нулю.

Эффективные характеристики насосов, удовлетворяющих этому принципу, представлены на рис.3.7. Характеристики насосов А и В пересекаются при пограничном значении давления Рпогр..

В зависимости от характеристик сосуда и насоса время откачки рассчитывается разными методами.

3.6.2.Откачка идеального сосуда идеальным насосом. Выбор насоса

Сосуд можно считать идеальным, если Qнт=0, Qг =0, Qт=0 .

23

Pпогр. P

Рис. 3.7. Эффективные характеристики насосов А и В: Р1 – Р 4

– диапазон давлений, в котором может работать насос А; Р1' – Р 4' – диапазон давлений, в котором может работать

насос В; Рпогр – пограничное значение давления

Рассмотрим схему простейшей вакуумной системы (рис. 3.8).

1 3 2

1 2

1 2

Рис.3.8. Простейшая вакуумная система: 1 – откачиваемый сосуд ; 2 – вакуумный насос ;

3 – трубопровод

В сечении 1-1 насос обеспечивает эффективную быстроту откачки Sэ. Время откачки сосуда от начального давления Рнач до конечного Ркон:

24

В формуле (3.12) эффективная быстрота откачки Sэ предполагается известной, а время τ находится. Если задано время откачки τ, то формула 3.12 преобразуется следующим образом:

э= V × ln Pнач . (3.13)

τРк

Вформуле (3.13) искомой является эффективная быстрота откачки. Далее задав или рассчитав проводимость U трубопровода, соединяющего сосуд с откачивающим насосом, по основному уравнению вакуумной техники определяется быстрота действия насоса Sн, постоянная при всех давлениях, в том числе и в диапазоне

3.6.3.Откачка идеального сосуда реальными насосами. Выбор насосов

Основная характеристика реального насоса зависит от давления.

Выбрав предполагаемый к использованию насос (насосы) и определив проводимость трубопровода предварительной откачки, рассчитывают эффективную характеристику насоса (насосов) Sэ=f(Pэ).

Эффективную характеристику реального насоса (насосов) разбивают на ряд интервалов. В каждом интервале переменная быстрота заменяется постоянной (рис.3.9). Таким образом, последовательно в каждом интервале давлений идеальный сосуд откачивается идеальным насосом за определенное время.

Время откачки сосуда от начального до конечного давлений находят как сумму этих времён по формуле

25

Данный метод пригоден для реальных вакуумных систем низкого вакуума, когда Q = Qнт + Qг + Qт << Sэ× Рк.

3.6.4. Откачка реального сосуда реальным насосом при

постоянном потоке в сосуд. Выбор насоса

Откачку сосуда, в который подается поток газа Q=const, условно можно представить следующим образом. Эффективная быстрота откачки насоса делиться на две доли. Одна доля эффективной быстроты откачки насоса Sп используется для откачки этого потока, а другая доля – Sс на понижение давления в сосуде,

26

Зная Sэ и Sп при каждом давлении можно, найти их разность

и построить зависимость Sс=f(P) (рис. 3.11). Поскольку поступающий в сосуд газ непрерывно откачивается долей быстроты откачки Sп, то сосуд можно рассматривать идеальным и он откачивается насосами, характеристики которых Sс=f(P) представлены на рис. 3.11.

Последовательность расчета времени откачки сосуда такова. Выбираются типы насосов, которые будут использованы для

предварительной откачки, и назначаются интервалы давлений, в которых будут работать эти насосы. В зависимости от интервала заданных давлений от Рнач до Рк это будет один или несколько насосов

Используя значения Sн и проводимости, рассчитывают эффективные быстроты откачки насосов и строят графики Sэ=f(Pэ)

27

(рис. 3.10). По заданной величине потока Q строится зависимость быстроты заполнения сосуда от давления Sп=Q/P (см. рис. 3.10).

So

Рис. 3.11. Быстрота откачки сосуда: А' –быстрота S0

насоса А; Б' –быстрота S0 насоса Б

Определяются быстроты Sс при различных давлениях и строятся зависимости Sс=f(P) для каждого насоса (рис. 3.11). С такими быстротами откачивается сосуд. Диапазоны давлений, соответствующие каждому насосу, разбиваются на интервалы, а в каждом интервале определяется средняя быстрота откачки, постоянная для данного интервала горизонтальные (пунктирные линии на рис. 3.11).

По формуле (3.15) подсчитывается время откачки сосуда, вместо Sэi подставляется S0i. Если полученное время не удовлетворяет, то выбираются другие насосы и расчет повторяется.

Рассмотренный метод применим, когда поток, поступающий в сосуд, соизмерим с потоками, откачиваемыми системой вакуумирования, или когда Sэ /V³ 10.

3.6.5. Откачка реального сосуда реальными насосами при переменном потоке в сосуд. Выбор насосов

Реальный сосуд характеризуется зависимостью Q= f (τ ).

Рассмотрим последовательность расчета, когда потоки натекания и технологического процесса отсутствуют. В этом случае суммарный

28

времени откачки. Задаемся давлением, например, Ра и по эффективной характеристике определяем Qа (рис. 3.13). Затем по характеристике газовыделения при известном Qа определяем τа (рис. 3.12). В координатах Р – τ строится точка а по значениям Ра и τа (рис. 3.14). Задаваясь рядом значений давлений, определяются соответствующие им значения времени, и строится график изменения давления в сосуде от времени откачки (рис. 3.14).

P

а

Pа

Рк

Рис.3.14. Изменение давления в сосуде от времени откачки

По графику определяется τк - время достижения требуемого давления Рк.

Далее следует проверить, не будет ли заметно влиять на общую продолжительность время откачки газа, находившегося в сосуде в начальный момент. По формуле 3.14 определяется эффективная быстрота откачки идеального насоса, откачивающего сосуд с заданным объемом от давления Рнач до давлений Рк за требуемое время. Опыт эксплуатации вакуумных систем показывает, что она не должна превышать 10% эффективной быстроты откачки, которую обеспечивает выбранный насос. В том случае, если указанная рекомендация не выполняется, то необходимо выбрать другой насос и повторить расчет. В расчетах реальных систем вместо Qг=f(τ) принимается зависимость Q=f(τ), учитывающая потоки газовыделения, натекания и технологического процесса.

Этот вариант расчетаследует применять, когда отношение Sэ /V < 10.

30