3. Проницаемость. Поток газопроницаемости тонкостенного элемента по I-му газу (h2, He и т. Д.) может быть рассчитан по формуле

Q_пi = ;

где q_п, – коэффициент проницаемости для данной пары “газ – материал”;

F – площадь тонкой стенки (оболочки, сильфона манжеты);

∆p – перепад давления проникающего газа на стенке, Па; ∆p_i = p_i – p’₁

δ - толщина стенки, м;

j – показатель диссоциации газов в материале стенки (1 – для полимеров, резин; 2 – для металлов).

q_п = q₀*exp ,

где q₀ – константа проницаемости, м²*Па^1/j*с^-1

Е_п – энергия активации проницаемости, Дж*моль^-1

Напомним, что основным газом, диффундирующим (проникающим) через резину является гелий, с парциальным давлением в атмосфере р₁=5,32*10^-1 Па. Основным газом, диффундирующим через сталь является водород с парциальным давлением в атмосфере р₁=3,99*10^-2 Па.

При давлении в вакуумной камере р=10^-5 Па, откачиваемой диффузионным насосом, парциальные давления этих газов составят: р₂=10^-8 Па (Не), р₂=10^-7 Па (Н₂).

Таким образом при расчетах потоков проницаемости можно принять:

QпO2 ≈ 0;

Q_пN2 ≈ 0;

Q_пHe ≈ ;

Q_пH2 ≈ Q_пi = ;

Q_∑ Q_пHe+Q_пH2 +

Рис. 2. Схема проникновения (диффузии) газов через уплотнительные элементы:

а) уплотнительное кольцо,

б) манжета сальникового ввода.

Таблица 4.

Коэффициенты проницаемости атмосферных газов через металлы.

Газ	∆р, [Па]	Материал	Т, [К]	qп, [Па1/j*м2*с-1]
Н2	5*10-2	Fe	293	1,4*10-12
Н2	5*10-2	Fe	700	1*10-8
N2	8*104	Fe	293	1*10-22
Не	3*10-1	Кварц Si02	293	4*10-14
Не	3*10-1	Кварц Si02	600	3*10-12
Не	3*10-1	Боросиликатное стекло SiO2, B2O3	293	1*10-15
Не	3*10-1	Резина ИРП-1345М	293	6*10-9

Таблица 5.

Константы и энергии активации проницаемости Н₂ через различные материалы.

Материал	q0, [Па1/j*м2*с-1]	Еп,	j для Н2
Фторопласт-4	3,6*10-6	1,7*104	1
Резина ИРП-1578	1*10-3	4*104	1
Сталь Х18Н10Т	8,9*10-4	6,8*104	2
Сталь О3Х18Н12В4	4*10-3	1,5*108	2
Сталь 36НХТ10	7*10-6	8,6*107	2

Рис.3. График зависимости потока проникающего водорода Q_п от Т для сильфона D*d*h*n=22*10*0,08*10.

Пример 5. Рассчитать поток газопроницаемости манжеты из материала ИРП-1345М.

Dв=20мм =0,02 м; D=30мм=0,03м; δ=0,3мм=3*10^-4м.

Коэффициент проницаемости:

q_п =6*10^-9 .

Площадь стенки манжеты:

F≈ .

Перепад давления поникающего газа на стенке:

(∆р_Не)′=3*10^-1 Па.

Поток газопроницаемости:

Q_{п Не-резина} .

Пример 6. Рассчитать поток газопроницаемости сильфона из стали Х18Н10Т с размерами

D*d*h*n=63*47,5*0,16*15, где n – число гофр сильфона, см. рис. 4.

Рис. 4. Схема проникновения (диффузии) газов (водорода) через металлический сильфон:

1 – заглушка, приваренная к торцу сильфона;

2 – кольцо обжимное (для лучшей приварки сильфона);

3 – сильфон;

4 – стенка (фланец);

5 – кольцо распорное (для лучшей приварки сильфона).

Суммарная площадь стенок сильфона:

F_∑= *2*n = 4,1*10^-2 м²;

δ = 1,6*10^-4 м;

Перепад давления поникающего газа на стенке:

(∆р)^1/2=(5*10^-2)^1/2 Па^1/2=2,2*10^-1 Па^1/2.

Коэффициент проницаемости:

q_п = 10^-12 .

Поток газопроницаемости:

Q_{п Н2-Fe} = .