Лекция № 15

Вакуумная система для получения сверхвысокого вакуума ( Р < 10^-5)

Такая система (рис.15.1)содержит прогреваемый вакуумный блок 7. Прогрев до 400°С уменьшает газовыделение всех элементов вакуумной системы, непосредственно под­ключаемых к насосу 4. Состав остаточных, газов сверхвысоковакуумных систем показан на рис. 15.2. Основные характеристики сверхвысоковакуумных насосов приведены в табл. 15.1.

Таблица 15. 1

Основные характеристики сверхвысоковакуумных насосов

Типы насосов	Обозначение	Предельное давление, Па	Быстрота действия, м3/с
Пароструйные с ловушкой	ПН	10-8	5·10-3…0,5
Магниторазрядные	НМД	5·10-8	6·10-3…1,2
Криоконденсационные	КН	10-11	0,5…40

Камера снабжена несколькими вакуумметрами 9, 10, 11, обеспечивающими измерение давления от атмосферного до сверхвысокого вакуума. Вакуумметр 5 контролирует работоспособность насоса 4. Высоковакуумная часть системы собирается на двух насосах: 18 и 1. В качестве высоковакуумного насоса 18 можно использовать пароструйный насос с ловушкой 17, турбомолекулярный или криоадсорбционный насос без ловушки. Клапан 16 служит для под­ключения течеискателя к вакуумной системе, а вакуумметры 14 и 15 – для измерения давления в области среднего и высокого вакуума. В качестве низ­ковакуумного насоса 1 чаще всего используется вращательный насос. Схема высоковакуумной откачки максимально упрощена, так как используется только в нестационарном режиме при запуске установки.

В тех случаях, когда требуется повышенная надежность системы по предот­вращению попадания паров рабочей жидкости в вакуумную камеру, в качестве предварительной системы откачки используются агрегаты с криоадсорбционными насосами.

Оптимальные значения коэффициентов использования сверхвысоковакуумных насосов в зависимости от их быстроты действия в откачиваемом объекте и числа элементов в схеме между насосом и откачиваемым объек­том приведены на рис. 15.3.

Состав атмосферного воздуха приведен в таблице 15.2.

Таблица15.2

Состав атмосферного воздуха

Газ	Содержание газа в воздухе %	Парциальное давление газа, Па
Азот	78,09	7,9·104
Кислород	20,95	2,1·104
Аргон	0,93	9,4·102
Криптон	1,1·10-4	1,1·10-1
Неон	18·10-4	1,83
Гелий	5,3·10-4	5,4·10-1
Водород	0,5·10-4	5,1·10-2
Неконденсируемые газы (суммарно при 20К)	2,38·10-3	2,42

15.1. Методика расчета вакуумных систем

Расчет вакуумной системы сложного технологического оборудования выполняется, как правило, в два этапа.

Проектный расчет, в результате которого определяются принципиальная схема вакуумной системы, типы и размеры насосов, коммутирующие элементы и ориентировочные размеры соединительных трубопроводов.

Поверочный расчет, в результате которого уточняются характеристики насосов, размеры трубопро­водов и коммутирующих элементов, определяется время достижения заданного рабочего давления.

В качестве исходных величин для расчета обычно заданы конечное давление в рабочей камере, поток газов, геометрические размеры рабочей камеры, характер тех­нологического процесса, для осуществления которого предназначена установка, время достижения заданного давления.

Часто при расчете вакуумной системы приходится определять поток газов, поступающих в нее. Для этого должны быть известны исходные характеристики про­дукции, позволяющие рассчитать поток газов.

Проектный расчет выполняется в следующей последовательности:

1. Исходя из заданных значений парциального и пол­ного давлений, определяют типы насосов, обеспечиваю­щие откачку рабочей камеры до заданного давления.

2. По заданному или найденному расчетом потоку газов выбирают конкретный типоразмер насоса, обеспе­чивающего откачку до заданного давления; на этом эта­пе расчета поток газов, откачиваемых насосом, прини-­ мают постоянным во времени.

3. Выбирают вспомогательные насосы и насосы предварительного разрежения. Обычно на этом этапе расчета вспомогательные насосы выбирают в соответ­ствии с паспортными характеристиками основных насо-­ сов окончательной откачки.

4. Определяют принципиальную схему вакуумной системы, назначают ориентировочные размеры вакуумных трубопроводов, выбирают коммутирующие элементы, средства измерения давления и т. п.

5. Исходя из заданного времени предварительной откачки рабочей камеры, выбирают насос предварительно­го разрежения.

После проведения проектного расчета конструируют вакуумную систему. В процессе конструирования уточня­ют все размеры вакуумных трубопроводов, типоразмеры коммутирующих элементов и т. п.

Поверочный расчет выполняется в следующей последовательности:

1. В соответствии с окончательными размерами ва­куумной системы рассчитывают значение эффективной быстроты откачки системы.

2. Рассчитывают время достижения заданного давле­ния в рабочей камере, при этом учитывают кинетику газовыделения и натеканий. При отсутствии этих данныхв задании на проектирование выполняется их расчет.

3. Рассчитывают время предварительной откачки; при этом учитывают предельное остаточное давление, давление на­соса предварительного разрежения, газовыделение и натекание, а также изменение быстроты действия насоса и проводимости трубопроводов в зависимости от давле­ния.

В случае, если полученное в результате расчета вре­мя достижения требуемого конечного давления или предварительного разрежения превышает заданное, уве­личивают проводимость соответствующего участка ва­куумной системы за счет увеличения сечений трубопро­водов или выбирают насос с большей быстротой дейст­вия.

При необходимости применения нестандартных эле­ментов производят их конструирование и расчет.

Пример

Определить время, необходимое для откачки ка­меры с внутренним диаметром 260 мм и высотой 250 мм, изготов­ленной из малоуглеродистой стали, до давления p₁ = 6,65·10^-3 Па. Суммарная площадь поверхности фторопластовых уплотнителей обращенных, в вакуумную полость, равна 50 см². Эффективная быстрота откачки вакуумной системы при давлении 6,65·10^-3 Па равна S₀ = 10^-2 м³/с.

Решение

Площадь поверхности металлических стенок камеры будет:

А_мет = 2π·26²/4 + 26-25==3100 см² ==0,31 м².

Умножив соответствующие ординаты кривой рис. 15.4 на 0,31 м³ и кривой рис. 15.5 на 0,005 м², получим кривые скорости газовыде­ления в камере (кривые 2 и 3 на рис. 15.6). Сложим ординаты по­лученных кривых и построим кривую 1 скорости суммарного газо­выделения.

Поток газов, удаляемых вакуумной системой при давлении p₁ = 6,65·10^-3 Па, равен:

Q′ = p₁S_o = 6, 65·10^-3 ·10^-2 = 6,65·10 ^-5 м³ ·Па/с.

Теперь через точку Q' = 6,65·10^-5 м³ ·Па/с на оси ординат про­ведем горизонталь до пересечения с кривой 1 скорости суммарного газовыделения. В результате получим, что давление р₁ = 6,65·10^-3 Па будет достигнуто примерно через 2,4 ч.