Разработка вакуумной системы

Наличие средств откачки определенного вида определяет стандартную схему откачки. Для нашего случаясхема приведена на рис.1. Разработка данного чертежа необходима для описания процесса откачки.

Для приведенной схемы подключения можно иметь следующий технологический процесс откачки.

1. Включить электрическое питание на установку.

2. Открыть пневматическую магистраль.

3. Включить механический насос 1.

4. Включить вакууметр термопарный (преобразователей 6, 9).

5. Открыть клапан 2 и произвести откачку турбомалекулярного насоса 4 до давления 5*10^-2 торр.

6. Включить турбомалекулярный насос 4.

7. Закрыть клапан 2, открыть клапан 7 и произвести откачку камеры 8 до давления 5*10^-2 торр.

8. Закрыть клапан 7, открыть клапан 2.

9.

Открыть высоковакуумный клапан 5 и произвести откачку 1*10^-6 торр.

Рис. 4 Высоковакуумная система откачки. 1-механический насос, 2, 3, 7, 11 – электромагнитные вакуумные клапаны, 4 – турбомолекулярный насос, 5 – высоковакуумный клапан, 6, 9 –манометрические преобразователи Пирани, 10 – ионизационный преобразователь.

Исходя из разработанного процесса мы должны обратить внимание на два параметра: предварительный вакуум в камере 5*10^-2 торр и придельное остаточное давление 1*10^-6 торр. Данные параметры выбираются если на рассматриваемую установку производитель не объявляет свои параметры. Тогда придельный вакуум может быть скорректирован.

Для определения длин вакуумопроводов и их диаметров необходимо прорисовать схему установки в известном масштабе. Из рисунка следует, что диаметр вакуумопровода механический насос камера 25 мм и его длина 800 мм. Диаметр вакуумопровода турбомолекулярный насос камера 63 мм, его длина 80+120 мм и имеется поворот трубы на 90⁰.

Исходные данные

Из выявленных выше разделов можно формировать исходные данные.

Скорость откачки механического насоса – 4 м³/ч =1,1 л/с.

Скорость откачки турбомолекулярным насосом – 68 л/с.

Длина магистрали механический насос-камера – 80 см.

Диаметр трубопровода механический насос-камера – 2,5 см.

Длина трубопровода турбомолекулярный насос – камера по оси магистрали – 12+8-6,3=13,7 см. (расчет по средней линии)

Диаметр трубопровода турбомолекулярный насос – камера – 6,3 см.

Трубопровод турбомолекулярный насос – камера имеет угол 90⁰.

Объем камеры – 36 л.

Площадь поверхности камеры – 6600 см².

Материал камеры – нержевеющая сталь.

Величина предварительного разряжения в камере - 5·10^-2 торр.

Предельный вакуум в камере 1·10^-6 торр.

Найти время откачки - ?.

Рис. 5 Эскиз расположения вакуумной камеры, трубопроводов и вакуумных насосов

Расчет

1). Найдем диапазоны давлений в трубопроводе механический насос-камера в котором осуществляется вязкостный режим течения газа.

Критерий вязкостного режима течения газа в магистрали механического насоса d=25 мм, d/L>100, L=L₁/p.

L₁ - cредняя длина свободного пробега молекулы воздуха при давлении 1 Торр в воздухе при температуре 20 ⁰С. L₁=0,472 мм

p_{вяз min}=100·L₁/d=47.2/25=1.888 Торр

От 760 до 1,9 торр режим откачки вязкостный.

2). Найдем диапазоны давлений в трубопроводе механический насос-камера в котором осуществляется молекулярно-вязкостный режим течения газа.

Критерий молекулярно-вязкостного режима течения газа в магистрали механического насоса от d/L=1 до d/L>100, L=L₁/p, d=25 мм:

p_{мол-вяз min}=1·L₁/d=0,472/25=1.888·10^-2 Торр

От 1,9·10^-2 до 1,9 Торр режим откачки молекулярно-вязкостный.

3) Проводимость трубопровода в вязкостном режиме течения газа:

,

где р₀=(р₁+р₂)/2 среднее давление между давлением в камере и на входе механического насоса, d-диаметр, L-длина трубопровода (л/с, Торр, см⁴, см).

4). Проводимость трубопровода в молекулярно-вязкостном режиме течения газа (л/с, Торр, см⁴, см):

,

^* если трубопровод имеет повороты, то поправка на длину трубопровода ΔL суммируется к общей длине.

5). Длительность откачки вакуумной камеры механическим насосом.

5.1) Теория.

Обозначим объем откачиваемого объекта через V, давление в нем в данный момент времени — через p₁ и быстроту откачки объекта — через S₀. Будем предполагать, что ни натекания, ни внутреннего газовыделения в вакуумной системе нет.

Положим, что за промежуток времени dt давление в откачиваемом объекте снижается на dp₁ Тогда количество газа, поступающее в трубку за промежуток времени dt, равно S₀ p₁dt, а убыль газа в объекте за этот промежуток времени равна Vdp₁.

Эти количества газа, очевидно, равны по абсолютной величине, но противоположны по знаку, следовательно,

.

Отсюда

.

Так как

.

То

(1)

При вычислении длительности откачки, достаточной для снижения давления в откачиваемом объекте до заданного значения, приходится пользоваться различными вариантами формулы (1) в зависимости от соотношения между быстротой действия насоса S_Н и пропускной способностью вакуумпровода U.