Выбор типоразмеров насосов окончательной откачки

Выбор типоразмеров насосов заключается в определении требуемой быстроты откачки и подборе из каталога конкретных марок насосов, обеспечивающих требуемую быстроту откачки. Сначала, в соответствии с разработанной вакуумной системой, выбирается насос окончательной откачки, а затем насосы системы предварительной откачки, а затем насосы системы предварительного разряжения.

Определение требуемой быстроты откачки насосом окончательной откачки S0 производиться по формуле:

Выбор типоразмеров насосов окончательной откачки - student2.ru

, м3с-1 (1)

где Q- поток газовыделения в реципиенте (откачиваемом объеме), м3Пас-1;

PP- рабочее давление (при обезгаживании изделия, работе испарителя и т.п.), Пас-1.

Обычно давление при обезгаживании на два-три порядка выше окончательного давления РК в реципиенте. Поток Q определяется суммой элементарных потоков газов десорбирующих со стенок и диффундирующих из толщи (нагретых) деталей (при обезгаживании изделия, работе испарителя и т.п.), натекающих через неплотности, а также за счёт испарения легколетучих компонентов материалов, газопроницаемости тонкостенных участков реципиента и ориентировочно может быть найден как

Qå=ågmimi/tоб+ågFiFi/tоб+QН+QИ+QП , (2)

где:

gmi, gFi- удельное содержание газа в растворённом (внутри материала конструкции) или сорбированном (на поверхностях, обращенных в вакуум) состоянии для прогреваемых элементов, соответственно, м3Па.кг-1 или м3Па.м-2;

tоб- время (высокотемпературного Т>300° C) обезгаживающего прогрева, с;

mi- масса обезгаживаемых прогревом деталей;

Fi- поверхность, обращенная в вакуум и выделяющая газ, м2;

Q»SgiFi- поток газовыделения из непрогреваемых элементов вакуумной системы, м3Па.с-1;

gi- удельное газовыделение с непрогреваемых поверхностей, м3×Па.м-2×с-1.

QН- суммарный поток газа, натекающий через неплотности вакуум­ной системы, м3×Па×с-1, (определяется чувствительностью ис­пользуемого для контроля вакуумной установки течеискателя);

QИ=S(РНАСi)ViFi- поток газа за счет испарения материалов, обращен­ных внутрь реципиента, м3×Па×с-1, (при атом РНАС, Pi- дав­ление насыщающих паров и парциальное давление вещества в реципиенте Па, Vi=117 м3м-2с-1- объем газа, ударяю­щего о единицу поверхности в единицу времени);

QП=SFi.П.(DРi)1/j.h-1 - поток газа за счет проницаемости тонких стенок, м3Па.с-1 (где П- коэффициент проницаемости; Па1/jм3×с-1×м-1);

i- перепад давлений диффундирующего через стенку газа; Па, j=l для эластомеров, j=2 для металлов, h- толщина стенки, м.

Газосодержание ряда аморфных материалов плохо растворяющих га­зы, но имеющих большую энергию сорбции (например, стекла) определяет­ся содержанием сорбированного на поверхности газа gF1. Для металлов, эластомеров обычно указывается количество растворенных газов. Некоторые дан­ные по газовыделению и газосодержанию приведены в табл.5.

Таблица 5

Газосодержание и газовыделение вакуумных конструкционных материалов.

№ п/п Материал Скорость удельного газавыделен qi, м3×Па×м-2×с-1 Примечания
Сталь малоуглеродистая 4×10-4 Не прогретая (не обезгаженная)
Сталь малоуглеродистая 3×10-8 После прогрева в вакууме при 450°С
Сталь нержавеющая 1×10-4 Не прогретая (не обезгаженная)
Сталь нержавеющая 3×10-9 После прогрева в вакууме при 450°С
Медь МВ (вакуумная) 1×10-5 Не прогретая (не обезгаженная)
Медь МВ (вакуумная) 1×10-9 После прогрева в вакууме при 450°С
Никель 7×10-8 Не прогретая (не обезгаженная)
Вольфрам 1×10-6 Не прогретая (не обезгаженная)
№ п/п Материал Удельное газосодержание, gFi , м3×Па×м-2 Примечания
Стекло 0,5 Выделяется при прогреве в диапазоне 150-400°С
№ п/п Материал Удельное газосодержание gmi , м3×Па×кг-1 Примечания
Молибден 0,3-1 Выделяется при нагреве до 150°С
Вольфрам 0,2-0,7 Выделяется при нагреве до 150°С

Газосодержание основных атмосферных газов в некоторых конструкционных материалах может быть рассчитано на основе данных табл.6, как равновесная концентрация этих газов, образующаяся при плавке по формуле: Выбор типоразмеров насосов окончательной откачки - student2.ru (3)

где: gS- растворимость данного газа в материале, мПа/кг;

Pi- парциальное давление газа над раствором (для атмосферного азота Р=7,8×104 Па, для кислорода Р=2,1×104 Па, для водорода Р=5×10-4 Па, для гелия Р=5,2.10-3 Па)

j- число атомов в молекуле газа (при растворении газа в неме­таллах принимается j=l, а в металлах j=2, т.к. молекулы при растворении в металлах диссоциируют на два атома);

ЕS- энергия активации при растворении, кДж/моль;

R- универсальная газовая постоянная;

Т- абсолютная температура;

КS- константа растворимости.

Таблица 6

материал газ диапазон температур, °С KS, м3×Па×Па-1×кг-1 Е×10-3, * кДж×кмоль-1
нерж. сталь a-Fe g-Fe Ni Cu Mo Н2 400-600 300-900 9000-1400 200-1400 400-1000 420-1000 0,06 0,17 3,20 0,10 0,18 0,03 -19,7 -55,7 -50,6 -24,7 -76,7 -58,7
Cu, Ag Mo W N2 20-400 936-2400 1200-2400 не растворяется 1,92 1,09 - -161 -312
Fe Cu O2 800-1000 600-1000 0,20 0,14 -17,5 -33,5

(* знак ”-” обозначает, что газы образуют в материале истинные растворы)

На этапе эскизной разработки технического предложения последние четыре компонента формулы (2), определяющие предельное давление ва­куумной системы РС'=(QS+QН+QИ+QП)/S0 могут быть определены лишь ориентировочно и обычно задаются потоками, соизмеримыми с допустимым потоком натекания в системе (QН=10-10 Вт), а затем уточняются на стадии эс­кизного проектирования, после определения конкретных размеров вакуум­ной камеры и внутренней арматуры. Поток QS, обычно формирующий ос­новную долю газовыделения из камеры может быть значительно сокращен за счет предварительного прогрева элементов системы, что видно из табл. 5.

Определение типоразмера насоса окончательной откачки заключает­ся в выборе по справочнику (или из табл.7) такой марки насоса требу­емого типа, который обеспечивает

Выбор типоразмеров насосов окончательной откачки - student2.ru (4)

где:

SН- быстрота действия насоса (выбранного типоразмера), м3с-1.

S0- требуемая быстрота откачки, м3с-1.

U- проводимость трубопровода окончательной откачки реципиента, м3с-1.

Таблица 7

Некоторые характеристики вакуумных насосов

№ п/п Тип насоса Марка насоса (типоразмер) Преде-льное давле-ние РН, Па Быст-рота дейст-вия, м3с-1 Диаметр присое-дините-льного фланца Ду, мм Диапа-зон рабо-чих давле-ний РР, Па
      Механический   Механический   Механический   Механический ВН-494   ВН-461   НВР-1Д   НВР-3Д 3×10-1   3×10-1   7×10-1   7×10-1 0,0002 0,0001 0,00078 0,0003 0,001 0,0004 0,003 0,001       105-102 105-1* 105-102 105-1* 105-102 105-1* 105-102 105-1*
Двухроторный Двухроторный Двухроторный Двухроторный ДВН-5-2 ДВН-50-2 ДВН-150 ДВН-500 6.10-2 6.10-2 7.10-1 4.10-1 0,008 0,04 0,12 0,5 102-6 102-6 102-6 102-6
Адсорбционн. Адсорбционн. ЦВН-01-2 ЦВН-1-2 6.10-1 6.10-1 0,002 0,006 102-1 102-1
Турбомолекул Турбомолекул Турбомолекул ТМН-100 ТМН-200 ТМН-5000 2×10-7 2×10-7 2×10-7 0,13 0,25 5,0 1-10-5 1-10-5 1-10-5
      Диффузионный   Диффузионный   Диффузионный   Диффузионный Н-0,15С   Н-1С   Н-5С М-1   Н-2Т-3 3.10-4   7.10-5   7.10-5   4.10-4   0,015   0,1   0,5   1,5       2.10-1- 3.10-4 2.10-1- 7.10-5 7.10-2- 7.10-5 3.10-2- 4.10-4
Магниторазр. Магниторазр. Магниторазр. Магниторазр. Магниторазр. НМДО-0,01-1 НМДО-0,025-1 НМДО-0,1-1 НМДО-0,25-1 НМДО-0,63-1 7.10-7 7.10-7 7.10-7 7.10-7 7.10-7 0,01 0,025 0,1 0,3 0,6 10-2-10-5 10-2-10-5 10-2-10-5 10-2-10-5 10-2-10-5
Ионно-сорбц. НМТО-01-1 1×10-9 0,2 10-2-10-7
Сорбц.охлажд Сорбц.охлажд   СОН-А-1 НВТО-20М 1×10-11 1×10-10 0,5 4,5 10-2-10-9 10-2-10-8

*- в указанном диапазоне давлений быстрота действия насоса снижается (см. столбец 5)

Так как ряды реальных типоразмеров насосов ограничены, то часто приходится выбирать типоразмер имеющий SН с большим запасом.

Поскольку на этом этапе расчета трубопровод также еще не выб­ран, то вначале может быть рекомендовано ориентировочное соотношение для определения проводимости трубопровода:

Выбор типоразмеров насосов окончательной откачки - student2.ru (5)

В проверочном расчете, величина U, принятая как основа для рас­чета размеров трубопровода должна быть уточнена.

Наши рекомендации