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:

, м³с-¹ (1)

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

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

Обычно давление при обезгаживании на два-три порядка выше окончательного давления Р_К 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

Q_å=åg_mim_i/t_об+åg_FiF_i/t_об+Q_Н+Q_И+Q_{П ,} (2)

где:

g_mi, g_Fi- 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;

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

m_i- масса обезгаживаемых прогревом деталей;

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

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

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

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

Q_И=S(Р_НАС-Р_i)V_iF_i- поток газа за счет испарения материалов, обращен­ных внутрь реципиента, м³×Па×с^-1, (при атом Р_НАС, P_i- дав­ление насыщающих паров и парциальное давление вещества в реципиенте Па, V_i=117 м³м^-2с^-1- объем газа, ударяю­щего о единицу поверхности в единицу времени);

Q_П=SF_i^.П^.(DР_i)^1/j.h^-1 - поток газа за счет проницаемости тонких стенок, м³Па^.с^-1 (где П- коэффициент проницаемости; Па^1/jм³×с^-1×м^-1);

DР_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 g_F1. 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: (3)

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

P_i- 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);

Е_S- энергия активации при растворении, кДж/моль;

R- универсальная газовая постоянная;

Т- абсолютная температура;

К_S- 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 Р_С'=(Q_S+Q_Н+Q_И+Q_П)/S₀ могут быть определены лишь ориентировочно и обычно задаются потоками, соизмеримыми с допустимым потоком натекания в системе (Q_Н=10^-10 Вт), а затем уточняются на стадии эс­кизного проектирования, после определения конкретных размеров вакуум­ной камеры и внутренней арматуры. Поток Q_S, 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

(4)

где:

S_Н- 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 S_Н с большим запасом.

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

(5)

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