Министерство образования Российской Федерации

Новосибирский государственный технический Университет

Э.В. Клещин

Методические указания к выполнению лабораторной работы №3

«Принцип действия, классификация, основные параметры и характеристики вакуумных насосов» по дисциплине «Криовакуумная техника»

Новосибирск 2009

Введение

Работа дает общее представление о классификации, основных параметрах и характеристиках, области действия, принципе работы применяемых в настоящее время вакуумных насосов.

В работе изложены положения методики расчета криоадсорбционного насоса, изучение которой позволяет выполнить расчет параметров насоса для заданных исходных данных.

Работу следует представить на листах формата А4 с соблюдением требований стандартов ЕСКД.

Содержание отчета: цель работы, исходные данные, расчет криоадсорбционного насоса.

Цель работы - расчет характеристик криоадсорбционного насоса.

1. Общие сведения о вакуумных насосах

1.1. Классификация вакуумных насосов

По принципу действия промышленные вакуумные насосы, используемые для получения давлений равных и меньше 100Па, разделяют на следующие группы.

1. Насосы объемного действия, в которых перемещение газа осуществляется путем периодического изменения объема рабочей камеры. К ним относятся: водокольцевые, механические с масляным уплотнением (пластинчато-роторные, пластинчато-статорные, плунжерные или золотниковые), механические с деформируемой камерой (для создания так называемого чистого вакуума, то есть без наличия паров масла) и двухроторные.

2. Эжекторные насосы( водоструйные, пароэжекторные, и диффузионные) в которых происходит турбулентно-вязкостное увлечение газа струей рабочей жидкости или пара.

3. Молекулярные (турбомолекулярные) насосы, которые осуществляют откачку путем сообщения молекулам откачиваемого газа дополнительной скорости в определенном направлении.

4. Сорбционные насосы, которые осуществляют откачку газов их сорбцией (поглощением) на поверхности или в объеме твердых тел. К ним относятся: адсорбционные, геттерные (испарительные, электродуговые, ионные, орбитронно-ионные) и магнитные электроразрядные

5. Криогенные насосы, которые осуществляют откачку путем конденсации откачиваемых газов и паров на поверхностях, охлаждаемых до сверхнизких (криогенных) температур. Разновидностями криогенных насосов являются конденсационные и криоадсорбционные насосы.

1.2. Области действия вакуумных насосов

Низковакуумные насосы работают в области давлений от 1,03∙10⁵ Па (атмосферное давление) до 100 Па. К ним относятся некоторые насосы объемного действия, некоторые из криогенных, эжекторных и сорбционных насосов.

Средневакуумные насосы работают в области давлений 100…0,1 Па. К ним также относятся некоторые насосы объемного действия, эжекторного и сорбционного типов.

Высоковакуумные насосы работают в области давлений 0,1…10^-5 Па. К ним относятся некоторые из эжекторных , молекулярные и некоторые из сорбционных насосов.

Сверхвысоковакуумные насосы работают в области давлений ниже 10^-5 Па. К ним относятся некоторые из эжекторных и сорбционных насосов, молекулярные и криогенные насосы.

1.3. Основные параметры и характеристики вакуумных насосов

Основными параметрами вакуумных насосов являются:

• наибольшее давление запуска;

• наибольшее выпускное давление;

• наибольшее рабочее давление;

• предельное остаточное давление;

• быстрота действия;

• производительность.

Наибольшим давлением запуска р_нач называется наибольшее давление во входном сечении вакуумного насоса, при котором насос может начать работать.

Наибольшим выпускным давлением р_наиб называется давление в выходном сечении вакуумного насоса, при котором насос еще может осуществлять откачку. Рассматриваемый параметр особенно важен для струйных насосов, у которых превышение наибольшего выпускного давления 1…100Па может привести к разрушению паровой струи и попаданию большого количества пара рабочей жидкости в откачиваемый сосуд.

Наибольшим рабочим давлением р_раб называется наибольшее давление во входном сечении вакуумного насоса, при котором насос длительное время сохраняет номинальную быстроту действия.

Предельным остаточным давлением р_ост называется наименьшее давление, которое может быть достигнуто при работе насоса без нагрузки, то есть когда во входное сечение насоса не поступают извне газы или пары.

При работе с нагрузкой предельное остаточное давление будет иметь место тогда, когда давление во входном сечении насоса перестанет уменьшаться , то есть быстрота действия насоса становится равной расходу обратного потока (обратный поток может состоять из паров рабочей жидкости, проникающий через механизм насоса, выделяющихся из конструкционных материалов, и газов, натекающих из окружающей среды через неплотности).

Быстротой действия вакуумного насоса S_н, м³/с называется быстрота откачки (объемный расход), получаемая (ый) во входном сечении насоса при данном давлении.

Качество насоса тем лучше, чем шире диапазон давлений, в пределах которого быстрота действия насоса мало изменяется. Для каждого типа насосов существует кривая зависимости быстроты действия насоса S_н от давления р_н

S_н = f (р_н). (1.1)

Быстрота действия вакуумного насоса может быть определена по формуле

(1.2)

где Т – температура газа, К;

М – молекулярная масса, кг/кмоль;

α ≤ 1 – коэффициент, характеризующий вероятность захвата молекул газа впускным отверстием насоса;

А – площадь впускного отверстия, м²;

р_ост – предельное остаточное давление насоса, Па;

р_н – давление во впускном сечении насоса, Па.

Производительностью насоса ,Втназывается поток газа во входном сечении насоса при данном давлении. Производительность насоса, также как и быстрота действия, зависит от давления и при достижении предельного остаточного давления близка к нулю. Производительность и быстрота действия насоса связаны соотношением

(1.3)

Во всех сечениях i трубопровода, соединяющего откачиваемый объем с насосом

(1.4)

где р – давление на выходе из откачиваемого объема, Па;

– объемный расход газа при давлении р, удаляемого из откачиваемо- го объема, называмый обычно эффективной быстротой откачки, или быстротой откачки объекта, м³/с.