Шатохин Вакуумная техника Лабораторный практикум 2010

ного разрежения в область высокого вакуума. Срыв характеристики насоса наступает при равенстве pВЫП и давления паровой струи. Величина SН при этом резко уменьшается, а величина впускного давления возрастает.

Наибольшим выпускным давлением pКР называется максималь-

ное значение давления в выходном сечении вакуумного насоса (на стороне предварительного разрежения), при котором насос может осуществлять откачку. Превышение pКР приводит к заметному ухудшению характеристик насоса. Зависимость pН от давления на стороне предварительного разрежения приведена на рис. 2.4. Сначала, с ростом pВЫП, значение pН не претерпевает изменений, а затем, при достижении pКР, оно начинает увеличиваться до тех пор, пока оба этих давления (на входе и на выходе насоса) не сравняются.

pН,

Па

В – воздух

10-5 pКР

10-1 1 10 pВЫП, Па

Значение pКР определяется либо при предельном давлении, если насос предназначен для откачки системы до возможно низкого давления, либо при давлении, соответствующем максимальному потоку нагрузки, если насос предназначен для поддержания требуемого разрежения в системе при удалении большого количества газа.

Строго говоря, для высоковакуумных насосов pН на горизонтальном участке зависимости pН(pВЫП) должно возрастать с увеличением pВЫП вследствие обратной диффузии. Но заметно это ста-

31

новится только для легких газов, где горизонтальный участок может вообще отсутствовать.

Значение pКР высоковакуумных насосов для большинства современных пароструйных насосов составляет 2–20 Па.

Зависимость параметров насоса от мощности нагревателя

При начальном увеличении мощности нагревателя W от нуля до некоторого порогового значения WМИН насос не работает, так как вся подводимая мощность затрачивается на компенсацию тепловых потерь, а не на парообразование. Выше значения WМИН часть мощности расходуется на парообразование, насос начинает работать (рис. 2.5).

0,2 0,8 W, кВт

Механизм удаления молекул газа струей пара из откачиваемого объема обусловлен их диффузией и противодиффузией молекул в струю пара, уменьшающихся с ростом плотности струи П. При увеличении скорости струи vП прямой диффузионный поток растет, а противодиффузия падает. Поэтому SН уменьшается с возрастанием П и увеличивается с ростом vП. С увеличением W выше WМИН вначале vП растет быстрее, чем П, а затем медленнее. Ввиду этого с увеличением W величина SН сначала возрастает, достигает максимума при некоторой оптимальной мощности подогрева WОПТ и затем уменьшается (рис. 2.5, а).

32

масс-спектрометрическом течеискателе WОПТ устанавливается такой, чтобы получить достаточно большую SН по гелию. Это дает возможность увеличить чувствительность прибора.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Принципиальная схема лабораторной установки приведена на рис. 2.7.

PT1 PM

V4

NL

Масло

Р и с. 2.7 Схема лабораторного вакуумного стенда по изучению характеристик высоковакуумного насоса

Диффузионный насос ND подключен к вакуумной камере CV через охлаждаемую ловушку (отражатель) BL и затвор V1. Пред-

34

варительная и вспомогательная откачка системы осуществляются с помощью низковакуумного механического вращательного насоса NL. Линия предварительной (байпасной) откачки через клапан V3 позволяет ускорить получение предварительного разрежения в вакуумной камере. Клапан V2 переключает насос NL в режим вспомогательной откачки высоковакуумного насоса ND.

Бюретка используется при измерении быстроты откачки насоса. Натекатель VF1 предназначен для изменения давления в вакуумной камере CV путем регулировки потока поступающего газа. Клапан V4 позволят переключать откачиваемый поток либо из атмосферы, либо из бюретки.

Натекатель VF2 позволяет менять давление на выходе диффузионного насоса.

Давление в системе контролируется с помощью трех

магниторазрядный вакуумметр РМ. Давление на выходе диффузионного насоса контролируется с помощью вакуумметра РТ2.

ЗАДАНИЯ

Включение установки

Включение установки, а также все последующие операции на лабораторном вакуумном стенде проводятся под наблюдением преподавателя и персонала лаборатории.

Включить питание стенда, открыть водяное охлаждение насоса, установить диапазон измерений тепловых вакуумметров по самой «грубой» шкале, включить питание тепловых вакуумметров.

Задание 1

1.1. Предварительная откачка вакуумной системы

Включить низковакуумный насос NL (по указанию преподавателя низковакуумная откачка может выполняться с помощью централизованной форвакуумной системы лаборатории).

35

Провести откачку низковакуумного тракта, контролируя давление по вакуумметру PT2 и постепенно переключая вакуумметр на более чувствительные шкалы, до давления 2–5 Па (15–20 делений на самой чувствительной шкале).

После получения в низковакуумном тракте предельного давления (2–5 Па), выполнить предварительную откачку высоковакуумной части системы. Зафиксировав начальное давление по вакуумметру PT1, последовательно открыть клапаны V2, V1 и снять временную зависимость p(t) низковакуумной откачки камеры CV (по показаниям вакуумметра PT1). Вакуумметр PT2 предварительно переключить на более «грубую» шкалу, так как изначально произойдет сброс давления из вакуумной камеры. В результате откачки показания обоих тепловых вакуумметров должны практически сравняться.

По полученным данным построить график низковакуумной откачки системы p(t).

1.2. Высоковакуумная откачка

Включить питание диффузионного насоса ND. Прогрев будет длиться 35–40 мин.

Снять зависимость давления в вакуумной камере CV от времени. Измерения проводить сначала по тепловому вакуумметру PT1 на самой чувствительной шкале, и при приближении к пределу измерений включить магниторазрядный вакуумметр PM. Продолжить регистрацию давления по вакуумметру PM.

Регистрируя давление в вакуумной камере, найти оптимальную мощность подогрева, добившись получения наименьшей величины предельного вакуума.

По полученным данным построить график высоковакуумной откачки системы p(t).

Задание 2

Экспериментальные характеристики S(p)

Эффективная быстрота откачки вакуумной камеры SЭФ в со-

ответствии с основным уравнением вакуумной техники (1.11):

36

где U – проводимость вакуумной арматуры между камерой и насосом. При наличии поступающего в вакуумную камеру постоянного газового потока Q выполняется соотношение (1.10) – Q = SЭФ·p, где p – давление в камере. Следовательно, возможно определение быстроты откачки насоса по известному значению газового потока и измеренному давлению в вакуумной камере.

Для измерения данной характеристики необходимо, во-первых, изменить величину давления в системе регулировкой газового потока и, во-вторых, определить быстроту откачки. Давление в вакуумной камере изменяется с помощью соответствующей регулировки потока натекания Q через натекатель VF1 и измеряется вакуумметром PM.

Возможны два источника потока натекания:

атмосферный воздух при открытом клапане V4 (этот источник используется при выборе давления p в системе);

воздух, находящийся в бюретке при атмосферном давлении (при закрытом клапане V4), этот источник используется при определении потока Q (необходимо помнить, что количе-

ство газа ограничено объемом бюретки и, следовательно, лимитировано время его использования).

Быстрота откачки SЭФ при известном давлении в камере p может быть найдена из уравнения SЭФ = Q/p. Поток газа Q определяется как отношение количества газа (pБ·VБ), откаченного вакуумной системой из бюретки через натекатель за время t, где VБ – объем газа в бюретке, pБ – давление в бюретке.

При откачке газа из бюретки происходит подъем масла, так как давление в ней уменьшается на величину p = h∙ М/ Р, где h – высота подъема масла; М – плотность масла; Р – плотность ртути (здесь считается, что высота столбика масла h является мерой давления – 15 мм масляного ст. = 1 мм рт. ст.). Одновременно уменьшается объем газа в бюретке на величину V = h d2/4, где d – внутренний диаметр бюретки. Таким образом, откаченное за времяt количество газа в случае подъема масла на высоту h составляет

(pБ·VБ) = VБ· p + pатм· V = h∙(VБ· М/ Р + pАТМ· d2/4). (2.7)

37

Выражение в скобках представляет собой постоянную величину, называемую «постоянной бюретки» КБ. В данной работе величина равна KБ=1,33 л·Па/мм. В этом случае быстрота откачки равна

Проведение измерений

Включить подсветку шкалы бюретки, клапан V4 открыт. Плавно, придерживая за корпус, открывать натекатель VF1

(микрометрический винт) и установить давление в вакуумной камере системы в районе 90 делений по шкале магниторазрядного вакуумметра.

Закрыть клапан V4, после чего зафиксировать время подъема масла в бюретке на высоту 100 мм. Открыть клапан V4 и опустить масло на исходный уровень. Повторить измерения несколько раз для получения наиболее достоверного среднего значения.

Проделать предыдущие два действия для значений давления в камере, соответствующих 85, 80 и 75 делениям по шкале магниторазрядного вакуумметра. Записать в таблицу данные зависимости времени подъема масла в бюретке на высоту 100 мм от величины давления. После проведения измерений не забыть оставить от-

крытым клапан V4.

Рассчитать значения быстроты откачки по формуле (2.8). По полученным данным построить зависимость S (p).

Задание 3

Измерение характеристики p(pВЫП)

Закрыть натекатель VF1, получить в вакуумной камере наименьшее предельное давление pПР (по вакуумметру PM). Записать полученный результат.

Открывая натекатель VF2 на низковакуумном тракте установки, увеличивать pВЫП, фиксируя значения давления в камере p (по вакуумметру PT1) и на выходе диффузионного насоса pВЫП (по вакуумметру PT2). Производить увеличение pВЫП до тех пор (ориентировочно 10 Па или 7–8 делений по чувстви-

38

тельной шкале теплового вакуумметра) пока не начнет увеличи-

ваться давление в камере. Допускается рост давления в камере

не более чем на 50%.

Зафиксировать найденное значение pКР. Закрыть натекатель

VF2.

По полученным данным построить зависимость p(pВЫП).

Выключение установки

Выключение установки производится с разрешения и под контролем преподавателя.

Проверить, закрыты ли натекатели VF2, VF1 (клапан V4 должен быть открыт), выключить подсветку шкалы бюретки.

Выключить питание диффузионного насоса ND. Через 30– 40 мин после выключения диффузионного насоса закрыть V2.

Выключить насос ND (при откачке через централизованную форвакуумную систему лаборатории выключения насоса не требуется).

Отключить питание стенда, закрыть водяное охлаждение.

ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ ОТЧЕТА

Отчет по работе должен содержать:

1)принципиальную схему вакуумной системы лабораторного стенда в условных графических изображениях;

2)таблицы экспериментальных данных по каждому заданию;

3)графики низковакуумной и высоковакуумной откачки;

4)экспериментальную зависимость быстроты откачки насоса от давления над насосом;

5)график зависимости давления над насосом от выпускного давления;

6)найденные значения параметров: pПР, WОПТ, S0, pКР, указанные с расчетными экспериментальными погрешностями.

39