07ЛекцДеулОсновыПроцОткачки

Report
Основы вакуумной техники
Титул
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н.Э. БАУМАНА
Курс лекций:
Основы Вакуумной Техники
7 лекция
Основы процесса откачки.
Термины и определения.
Деулин Евгений Алексеевич
Простейшая вакуумная система, показанная на рис. состоит из следующих элементов: 1 – насос
2 – вакуумопровод; 3 – реципиент (откачиваемый объём).;
Символами обозначены
Принятые в вакуумной технике термины:
Р1 - Р2 – движущая разность давлений, Па;
S0=dV0/dt – быстрота откачки рециниента
(объекта), м3с-1;
SH =dVН/dt – быстрота действия насоса, м3с-1;
S=dV/dt – быстрота откачки (в рассматриваемом сечении трубопровода), м3с-1;
Q=d(PV)/dt – поток газа, количество газа

проходящего через рассматриваемое
сечение трубопровода в единицу времени,

м3Пас-1
W=(P1-P2)/Q – сопротивление трубопровода,
см-3
U=1/W=Q/(P1-P2) – проводимость трубопро –
вода, м3с-1 .
Этот термин более удобен для расчётов и поэтому только он используется на практике
Когда мы имеем дело со стационарным (постоянным во времени) или квадистационарным
потоком, то для любого сечения трубопровода можно записать:
.
. Q=P1S0=P2SH=PS
Вывод основного уравнения вакуумной техники.
Для стационарного режима откачки реципиента можно записать равенство:
Q=S0P1 =SHP2=U(P1-P2)
Это равенство может быть преобразовано в два выражения:
S0 
U ( P1  P2 )
SH 
U ( P1  P2 )
;. P2
Рассмотрим обратные величины полученных выражений:
1
SH

P1
P2
1
U ( P1  P2 )
S0

P1
U ( P;1  P2 )
Разница между первым и вторым выражением
1
S0

1
SH
1
1
U
S0


1
SH

P1  P2
U ( P1  P2 )
;
даёт выражение называемое основным уравнением вакуумной техники, которое обычно
записывается:
1
S0

1
U

1
SH
или
S0
SHU
SH  U
Это уравнение связывает параметры трёх основных компонентов вакуумной системы: быстроту
действия насоса, проводимость трубопровода и быстроту откачки реципиента , поэтому оно
называется основным уравнением вакуумной техники
Расчёт времени откачки вакуумной системы ( без учёта газовыделения).
Рассмотрим процесс откачки простейшей вакуумной системы, по5казанной на рис.
при этом V –объём реципиента (камеры); P – давление в откачиваемом объёме. За период
времени dt количество откачиваемого через вакуумопровод газа составит:
dG1=S0Pdt
То же самое количество газа dG2 = dG1, вышедшее из камеры приведёт к уменьшению в не
давления на величину dP
dG2= -dPV
откуда следует:G1=G2=S0Pdt= - dPV
dP

 
S0
 dt
После разнесения переменных:
(0)
P
V
В реальной вакуумной системе давление при откачки стремится не к нулю, а предельном
давлению Р1(см..рис.справа), поэтому мы можем предыдущее выражение переписать.
dP
P  P1
 
S0
V
dt
Расчёт времени откачки вакуумной системы .
При анализе процесса откачки высоко и сверх высоко вакуумной системы с учётом
газовыделения стенок из-за процесса десорбции вместо простейшего уравнения :
(0)
S0
dP
P  P1
 
dt
V
Надо использовать уравнения вида:
(

S 0 p нач  V1 A
Q1 A
 dp 



p

нач


V
V
V ts
 dt  t  0
Учитывающие изменение процесса десорбции во времени ( см. слайды № 8,9 )
.
01)
уравнение для расчёта времени откачки объёма V от начального давления P1
до конечного давления Р2. (без учёта газовыделения)
Для этого возьмём интеграл от полученного выраженияpв интервале от P1 до Р2 :
2
SO
dP


 P  P   V dt
1
P1
t
после интегрирования получаем выражение:
S
P
ln( P  P  ) P12   0 t
V
которые в интервале от от P1 до Р2 может быть рассчитано как:
после преобразования
ln
P1  P 
P2  P 
ln( P2  P  )  ln( P1  P )  

S 0, t
V
;
откуда после замены натуральных логарифмов на десятичные:
t  2, 3
V
S0
lg
S0
t
V
P1  P 
P2  P 
,
В последнем выражении P1
P  , поэтому числитель логарифма может быть упрощён.
Окончательно, уравнение для расчёта времени откачки идеального вакуумного объёма V от
начального давления Р1 до давления Р2 (бкз учёта десорбции и натекания газов)
выглядит так: :
t  2, 3
V
S0
lg
P1
P2  P 
Расчёт времени откачки объёма V от начального давления P1 до конечного
давления Р2 с учётом газовыделения, но без учёта десорбции газов со стенок)
График изменения давления во времени удобно представлять в логарифмической
шкале,
S
lg P  lg ( P1  P  )  t
O
2 .3V
как это показано на рисунке, где он описывается прямой линией . Если мы учтём
суммарный поток газов Q
, выделяющихся из вакуумной системы (поток

газовыделения + поток натекания + обратный поток), то уравнение для расчёта
времени откачки примет вид:
P1
V
t 
lg
S0
Q
P2 

S0
Расчёт времени откачки объёма V от начального давления P1 до конечного
давления Р2 для квазистационавной вакуумной системы
При рассмотрении процесса откачки вакуумной системы, по5казанной на слайде 5, количество
газа, выходящее из камеры: dG1, приводящее к уменьшению в ней давления на величину dP и
равное количеству газа, вошедшему в вакуумопровод dG2 т.е. dG2 = dG1 , Эти количества газа
считаются постоянными (квазистационарными) для данного момента времени G1=G2=S0Pdt= dPV , поскольку не учитывают потоков газа,выделяющихся из вакуумной камеры:
P
V
SO
Уравнения:
t 
lg
lg P  lg ( P1  P  )  t
Q
S

2 .3V
P 
S
Q
даже при учёте суммарного потока газовыделения
из камеры
определяют изменение

давления при откачке
в реальной вакуумной системе стремящимся к нулю или к
«предельному» давлению вакуумной системы,
P1
V
t  2, 3
lg
S0
P2  P 
1
0
2
0
Q

которое определяется существованием стационарного потока
=const
(постоянного для данного момента времени, но убывающего со временем при уменьшении
давления)
Расчёт времени откачки объёма V от начального давления P1 до конечного
давления Р2 с учётом десорбции газов со стенок сосуда
Расчет
количества
адсорбированного
газа
или
заполнения
поверхности при постоянном
давлении в функции времени может быть осуществлен по уравнению
которое приводится к виду d    K dt
2
K1
(1)
 
K 2 поверхности сорбатом
Где  - коэффициент покрытия

K1 
Решение уравнения (1) имеет вид:
(2)
ln  
  K t  ln C
 
Или
где:
K1
 Се


 K 2t

K2 
2
K2
K1 
K2 
 Nu

N 1 пов
 Nu
N 1 пов

p
N 1 пов
1
ts
2 m kT
;
p

N 1 пов
2 m kT

1
 0e
E ад / R 0 T
;
Примечание: уравнения (1) и (2) могут быть решены как в системе “MathCAD”, так
и графическим способом, как это показано в Методическом Пособии для выполнения
ДЗ по ОВТ
Решение уравнения (1) также имеет вид:
 
K1
K2
 Се
 K 2t
(3)

K1 
ln   
   K 2 t  ln C
K2 

Из уравнения (3) можно найти время, за которое достигается
интересующая нас степень заполнения поверхности :
(4)
1
1
t
ln
K1
K2
1
K2
Или:
Расчет времени откачки до заданного давления с учётом десорбции
графическим способом (см. мет. Пособие для выполнения ДЗ по курсу ОВТ)
На рис. представлены . Зависимости скоростей удельного газовыделения q' различных
металлов от времени откачки при комнатной температуре:.
1 - алюминий; 2 - дюралюминий необработанный; 3 - мягкая сталь; 4-дюралюминий промытый
бензолом и ацетоном; 5 - латунь необработанная; 6 - латунь, промытая бензолом и ацетоном; 7 дюралюминий; 8 - медь необработанная; 9 - нержавеющая сталь необработанная; 10 - латунь; 11 нержавеющая сталь; 12 - медь, промытая бензолом и ацетоном; 13 - дюралюминий протравленный,
промытый бензолом и ацетоном; 14 - латунь протравлении промытая бензолом и ацетоном; 15 медь протравленная, промытая бензолом и ацетоном.
Расчет времени откачки до заданного давления с учётом десорбции
графическим способом (см. мет. Пособие для выполнения ДЗ по курсу ОВТ)
На рис. представлено изменение потока газовыделения со стенок вакуумной камеры.
На графиках представлены: 1 - суммарное газовыделение с поверхностей стенок и
уплотнителя; 2 – газовыделение с поверхностей стенок камеры; 3 - газовыделение с
поверхности уплотнителя, изготовленного из фторопласта
Пример расчет времени откачки при выполнении КП и ДЗ по курсу ОВТ)
На графике
справа внизу представлен процесс изменения давления в рабочей
камере при смене насосов (форвакуумный, высоковакуумный, сверхвысоковакуумный) и
смене характера изменения давления (без и с учётом процесса десорбции) :
PA
PD
Êó ð ñ î â î é ï ð î å ê ò
PT
Âà ê ó ó ì í à ÿ ñ è ñ ò å ì à
óñò àí î âêè ò àðè ðî âêè ô ðèêö èî í í û õ
âàêó óì å ò ð î â
V
PT
PA
P
Âàêóóì í î é ñèñò åì à ó ñò àí î â êè
äëÿ èñ ñëåä î âàí èÿ
ï ðî ö åññî â "ñóõî ã î ò ð å í è ÿ ")
M
CV
CV
Öèêëî ãðàì ì à ðà áî ò û âàêóóì í î é ñèñ ò åì û
Î ò êð û ò
Çà êðû ò
Ï î äñ î å ä èí å í è å ô î ðâ àê ó óì í î ã î í à ñî ñà
Êë à ï à í
V R1
Êë à ï à í
V R2
Êë à ï à í
V R3
Í à ñî ñ
NI
Í àñî ñ
NA
Í àã ð åâ à ò å ë ü à äñ î ðá ö è î í í î ãî í à ñ î ñ à
Í àñî ñ
NM
Í à ò å êà ò åë ü NF
V R2
V R1
VF
ðåç èí î âàÿ
ï ðî áêà
Ýê ñ ï å ðè ì åí ò
VF
ðåç èí î âàÿ
ï ðî áêà
V R3
P, Ï à
5
10
VR
NA
NM
4
10
3
NI
10
BL
2
Ì å õ àí è÷ å ñê è é í àñ î ñ Í ÂÐ - 1Ä
Sí =1 ë/ ñ
NM
Ì àã í èò í û é ý ëå êò ð î ð à ç ðÿ äí û é í à ñî ñ Í Ì Ä Î - 0 ,1- 1
Sí =10 0 ë / ñ
À ä ñ î ð áö è î í í û é í à ñ î ñ
Sí =2 ë / ñ
V
Ñèñò åì à âèä åî í àá ëþ ä åí è ÿ
VF
Í à ò å êà ò å ë ü
10
ND
0
10
-1
10
-2
10
V R1
Êë àï àí ï ðî õ î ä í î é
U=7 1 ë / ñ
V R2
Êë àï àí ï ðî õ î ä í î é
U=7 1 ë / ñ
V R3
Êë àï àí ï ðî õ î ä í î é
U=7 1 ë / ñ
ND
Ä è ô óç è î í í û é í à ñî ñ
VR
À ç î ò í à ÿ ëî â óø ê à
BL
Çàò âî ð
M
Ýë å ê ò ð î ä â è ã à ò å ë ü
PT
Òåï ë î âî é âàêó óì å ò ð
PA
Èî í è ç à ö è î í í û é â à ê ó ó ì å ò ð
PD
Ä å ô î ð ì àö è î í í û é âà êó ó ì å ò ð
-3
Ýêâèâàëåí ò í àÿ ñõ åì à Ýêâèâàëåí ò í àÿ ñõåì à
ô î ðâ àêóó ì í î é î ò ê à÷êè âû ñ î êî â àêóó ì í î é î ò ê à÷ êè
CV
âà ê óó ì í à ÿ
êà ì åð à
CV
âà ê óó ì í à ÿ
êà ì åð à
10
-4
10
-5
10
-6
10
-7
60
CV
âà ê óó ì í à ÿ
êà ì åð à
Ç
40
2 30
Ç
40
2 30
2 18
Ç
10
NI
10
0
Ç
20
56
Ýê â è â à ë å í ò í à ÿ ñ õ å ì à
ñâ åðõâû ñî ê î âàê óóì í î é î ò êà÷ êè
NM
NI
2 18
Ñï ð à â . ¹
Ï î äï . è äàò à
äóáë.
Èí â. ¹
Âç à ì . è í â . ¹
Ï î äï . è äàò à
ï î äë.
V =2 ,5 ë
NI
NA
Èí â. ¹
Ï ð èì å ÷ à í è å
Âà ê óó ì í à ÿ êàì å ðà
38 0
CV
1
Í àè ì åí î âà í èå
Î á î ç í à÷ å í è å
Ç
63
Ï åðâ. ï ðèì åí .
10
0 ,3
32
32 ,7
32 ,1
t , ì èí
Ãðàô èê è ç ì åí åí èÿ äàâëåí èÿ âî âðåì å í è
NA
Êó ð ñ î â î é ï ð î å ê ò
Èç ì . Ë è ñ ò
¹ äî êóì .
Ðà ç ð à á . Ðó ñ à í î â À . .
Ï ðî â .
Ä å ó ë è í Å.À .
Ò.ê î í ò ð .
Í .ê î í ò ð .
Óò â .
Ï î äï . Ä à ò à
Ñõåì à â àêóóì í î é
ñèñò åì û
Óñò àí î âê à ä ëÿ ò àðè ðî âêè
ô ð èê ö èî í í û õ â àê ó óì å ò ðî â
Êî ï è ðî âà ë
Ë èò .
Ì àññà
Ì àñø ò àá
Ë èñò 1 Ë èñò î â
4
Ì ÃÒÓ è ì . Í .Ý . Á à ó ì à í à
ê à ô å ä ð à Ì Ò- 11
ã ð ó ï ï à Ì Ò 11- 7 1
Ô î ðì àò
A1

similar documents