20595

Молекулярная откачка

Лекция

Физика

Молекулы газа находящиеся в канале соударяются с движущейся поверхностью получая приращение количества движения в направлении насоса предварительного разрежения. Дифференциальное уравнение течения газа через канал постоянного поперечного сечения в установившемся режиме к=const можно записать в виде разности прямого и обратного потоков: где проводимость канала с неподвижными сторонами; длина канала или . Для имеет максимальное значение а при имеет место набольшее значение коэффициента компрессии: В связи с тем что...

Русский

2013-07-31

195 KB

4 чел.

102

Молекулярная откачка

Молекулярной откачкой называется удаление газа из вакуумной системы с помощью движущихся поверхностей. В настоящее время существуют две принципиальные схемы молекулярной откачки.

Первая схема представляет собой откачку через канал, одна из стенок которого совершает относительное перемещение VP параллельно оси канала. Молекулы газа, находящиеся в канале, соударяются с движущейся поверхностью, получая приращение количества движения в направлении насоса предварительного разрежения. При этом создается перепад давлений Р21. Максимальная быстрота действия, которая может быть получена в такой схеме, пропорциональна скорости стенки VP.

,

где- площадь поперечного сечения канала; - коэффициент, учитывающий соотношение движущейся и неподвижной частей канала.

Принимая число соударений молекул с движущимися и неподвижными поверхностями одинаковым, определим долю молекул, непрерывно получающих приращение скорости в виде:

и - движущаяся и неподвижная части периметра поперечного сечения канала.

Пример: а=2,5 см; в=1м;  Vр=165м/с; Smax=23л/с.

Дифференциальное уравнение течения газа через канал постоянного поперечного сечения в установившемся режиме (к=const) можно записать в виде разности прямого и обратного потоков:

????

где - проводимость канала с неподвижными сторонами; - длина канала или

, ?????

.

С учетом начальных условий Р=Р1 при l=0, решение этого уравнения получим в виде:

,

тогда в конце канала при , давление

Учитывая, что , получим для быстродействия насоса :

Из этого выражения следует линейная зависимость между  и коэффициентом компрессии  . Для ,  имеет максимальное значение, а при ,  имеет место набольшее значение коэффициента компрессии:

В связи с тем, что проводимость каналов при молекулярном режиме течения  пропорциональна , а «К» возрастает с ростом молекулярной массы и снижением температуры газа.

Такая схема удобна для ??? больших коэффициентов компрессии при малых быстротах откачки.

Вторая схема молекулярной откачки использует для удаления газов зависимость проводимости наклонного канала, двигающегося перпендикулярно газовому потоку со скоростью Vp, от направления течения газа: ????????

??????????????????????????

Для упрощения задачи примем, что пластину с наклонным каналом с обеих сторон бомбардируют нормальные по отношению к поверхности потоки молекул газа и . Остановив пластину и сложив вектор относительной скорости молекул Vp с величиной тепловых скоростей молекул Vар , получим изображенное на рис.   «б» измененное движение молекул.

Поток при  входит по оси канала, а потом  - перпендикулярно оси. Это приводит к тому, что проводимость канала для потоков  и различны.. Приближенно можно приять, что для потока  канал имеет форму трубы, а для потока - форму трубы с поворотом на конце на 900.

Для установившегося режима течения:

,

где  и - проводимости каналов для потоков и соответственно. Значения указанных проводимостей можно определить, пользуясь справочными данными о проводимости прямых стальных труб и труб с напылением.

Из этого выражения следует:

Максимальная скорость действия в данном случае при :

,

где и - вероятность перехода молекул через канал в прямом и обратном направлении.

Максимальная быстрота турбомолекулярных насосов 

при   слабо зависит от рода газа. При уменьшении молекулярной массы газа возрастание проводимости  в последней формуле компенсируется уменьшением второго сомножителя, т.к. при уменьшении  , увеличивается . Наибольший коэффициент компрессии наблюдается при . Если , а  , то:

.

Коэффициент компрессии сильно зависит от рода газа. Легкие  газы имеют меньший коэффициент компрессии.

Величина  для одной ступени невелика (обычно 2÷4), поэтому данная схема удобна для получения больших быстрот действия.

Повышение коэффициента компрессии достигается последовательным соединением нескольких ступеней откачки.

Рассмотрим конструктивные схемы насосов .

Молекулярные насосы с одинаковым направлением движения газа и стенки насоса имеют много несложно конструктивных разновидностей.

Насос а) имеет в статоре 3 набор цилиндрических канавок 4, входное и выходное отверстия в которых разделены перегородкой 1. Ротор 2 вращается с большой частотой так, что его линейная скорость близка к тепловой скорости молекулы. Спиральный паз 1 (на схеме б)) на поверхности статора 2 и цилиндрическая поверхность ротора 3 образуют рабочий канал.

Нормальная работа таких насосов возможна при зазоре между ротором и статором не превышающем 0,1 мм. Проникновение паров масел, применяющихся для смазки подшипниковых узлов, в откачиваемый объект во время роботы насоса очень мало, но сильно возрастает при остановке насоса.

Быстрота действия насоса пропорциональна частоте вращения ротора (n=30.000÷40.000) об/мин. . Предельное давление 10-5Па при коєффициенте компреси 105÷106.

Молекулярне насосы с взаимно-перпендикулярным движением рабочих поверхностей и откачиваемого газа получили широкое распространение.

Схемы насосов с горизонтальным и вертикальным расположением вала ротора показаны на рис.       .

В корпусе 2 установлены неподвижные статорные колеса 4, между которыми вращаются колеса 3, закрепленные на роторе 1. Роторные и статорные колеса выполняются в виде дисков с прорезями ( зеркально отображенные).

Быстрота действия ТМИ слабо зависит от рода газа. Рпр=10-7÷10-8Па.

К достоинствам ТМИ относятся:

  •  высокая удельная быстрота действия~2л/с·м2 площади входного сечения;
  •  достаточно широкий диапазон рабочих давлений 10-8÷10 Па;
  •  быстрый запуск (~10 мин.);
  •  практически безмасляный  спектр.????

Пароструйная откачка

При пароструйной откачке молекулы откачиваемого газа, поступающие в насос через входной патрубок 1, взаимодействуют со струей пара, имеющей звуковую или сверхзвуковую скорость, и приобретают дополнительную скорость в направлении насоса предварительного разрежения, присоединенного к патрубку 6. В камере 3 происходит смешение паровой струи, выходящей из сопла 2 и откачиваемого газа. Запирающий канал 4 (диффузор) создает сопротивление обратному потоку газа, обеспечивая коэффициент компрессии насоса. Разделение откачиваемого газа и рабочего пара осуществляется в камере 5 в процессе конденсации рабочего пара на охлажденных поверхностях , после чего откачиваемый газ выходит из насоса через выходной патрубок, а сконденсировавшийся пар поступает по трубопроводу 7 в кипятильник 8 , где вновь испаряется и по паропроводу 9 попадает в рабочее сопло 2, обеспечивая непрерывность процесса.

Взаимодействие откачиваемого газа с паровой струей зависит от степени вакуума.

При низком вакууме молекулы, находящиеся в пограничном с паровой струей слое, за счет сил внутреннего трения увлекают другие слои газа. Такие насосы называют эжекторными.

Рассмотрим принцип действия такого насоса. Быстрота действия насоса при заданных значениях давлений на входе в насос Р 2 и выходе из насоса Р 5 , а также производительности насоса определяются по J-Sэ диаграмме рабочего пара.

Кривая АВ определяет давление насыщенного пара рабочей жидкости. Из начального состояния в кипятильнике рабочий пар (точка 1, давление Р1, энтальпия I1;сечение 1 на схеме сопла) адиабатически расширяется и переходит в состояние (точка 2), соответствующее давлению Р2 и энтальпии  J2 струи рабочего пара в откачиваемом объекте (сечение 2).

Адиабатические процессы на J-Sэ диаграмме соответствуют прямым линиям, параллельным оси  J. Закон сохранения энергии для  адиабатического истечения газа (пара), при котором работа расширения газа равна приращению его кинетической энергии, можно записать в виде:

,

где - скорость паровой струи на выходе из сопла в сечении 2.

Откачиваемый газ находится в сечении ( точка и сечение 3) и имеет энтальпию J3. Смешение потока откачиваемого газа G2 с паровой струей по закону сохранения энергии приведет к изменению скорости:

,

где - скорость смеси в сечении 4.

В диффузоре, расположенном между ее чекиями 4 и 5, парогазовая смесь адиабатически сжимается до давления  Р5, причем точка 5,соответствующая сечению 5, должна лежать на кривой АВ. Это можно использовать жля нахождения точки 4 графическим построением. В процессе адиабатического сжатия кинетическая энергия струи переходит в энтальпию, что позволяет записать:

.

Из этих уравнений можно найти выражение для теоретической быстроты действия насоса:

,

где - плотность газа в сечении 2-3. Быстрота действия насоса лежит в диапазоне от нескольких десятков до нескольких тысяч литров в секунду.

Максимальное выпускное давление не может быть больше Р1- давление рабочего пара в кипятильнике насоса, поэтому в случае паромасляного насоса оно ~102Па, а для пароструйного (~2÷3)103Па.

Предельнымостаточным давлением эжекторного насоса является давление перехода из среднего вакуума в высокий, когда происходит расширение паровой струи и нарушение оптимального режима работы  Рпр~(10-1÷10-2) Па.

При истечении струи пара в высоком вакууме происходит ее расширение за счет тепловых скоростей молекул.

В случае равенства скорости истечения струи и скорости звука, струя выходитиз сопла под углом 450 к его оси.  

Давление пара в струе значительно большеЮ чем давление откачиваемого газа. Наилучшие условия для захвата молекул газа обеспечиваются тогда, когда давление пара в струе соответствует среднему вакууму.

Теоретическая быстрота действия диффузионного насоса определяется геометрическими размерами сопла и парциального давления откачиваемого газа в паровой струе.

,

где А- проекция паровой струи, доступной для молекул откачиваемого газа, на плоскость перпендикулярную оси Х;  - количество молекул откачиваемого газа, ударяющихся и вытекающих в единицу времени с единицы площади А; n- концентрация газа у входа в насос (Xi)/

В соответствии с выражением для Nq  и vap формула для теоретической быстроты действия насоса имеет вид:

,

где Т и ТГ- температура газа в паровой струе и у входа в насос; nГ- концентрация газа в паровой струе. Так как  , то

,

.

Таким образом, такие молекулы откачиваются с меньшей быстротой действия. Реальная быстрота действия оказывается меньше из-за неполного захвата молекул откачиваемого газа паровой струей, т.к. у струи типа «паровая опушка» поток молекул газа, имеющих тепловые скорости больше, чем скорость паровой струи.

Если учесть коэффициент захвата струи Н0, то то выражение для роста быстроты действия можно записать в виде:

Н0~0,3

Для определения коэффициента компрессии и предельного давления рассмотрим процессы, протекающие в паровой струе диффузионного насоса.

Концентрацию газа в точке Х паровой струи обозначим nГ(х), а составляющие скорости паровой струи по направлению оси Х- через W.

Проводимость откачки будет равна разности прямого и обратного потоков:

где , , где D- коэффициент диффузии газа.

Прямой поток откачиваемого газа в насосе движется за счет соударений молекул газа и пара совместно с паровой струей, а обратный поток возникает за счет теплового движения молекул, диффундирующих в противоположном направлении. Если  достигнуто предельное давление, то Q=0,а оттуда:

  (*)

Считая, что газ в струе подчиняется закону газового состояния, получаем:

  (**)

Проинтегрировав уравнение (*) с учетом (**) в пределах от х1 до х2 и от Р1 и Р2, получим:

.

Обозначив длину паровой струи , перепишем это выражение в виде:

 

Таким образом, коэффициент компрессии для заданной геометрии струи, определяется отношением проекции скорости паровой струи на ось х к коэффициенту диффузии откачиваемого газа в паровой струе. Для увеличения коэффициента компрессии необходимо повышать скорость паровой струи и увеличивать ее плотность, т.к. коэффициент диффузии D обратно пропорционален плотности паровой струи.

Рассмотрим конструкции пароструйных насосов:

Принципиальная схема эжекторного насоса

Насос состоит из:

  •  кипятильника –1;
  •  сверхзвукового эжекторного сопла Лаваля –2;
  •  камеры смешения-5;
  •  впускного и выпускного фланцев-3,4.

Камера смешения теплоизолирована от корпуса насоса. На выпускном патрубке имеется холодильник –6, охлаждаемый водой. Сконденсировавшийся на стенках холодильника пар стекает по трубке 7, обеспечивающей непрерывную циркуляцию рабочей жидкости в насосе.

Диффузионный насос

Диффузионный насос состоит из:

кипятильника-1;

диффузионного сопла-2, закрепленного на паропроводе 6; холодильника-4; впускного и выпускного патрубков-3,5.

Пары рабочей жидкости проходят из кипятильника по паропроводу, через зонтичное сито и конденсируется на стенках насоса, охлажденных холодильником. За время движения пара от конца сита до стенок насоса, в струю пара диффундирует откачиваемый газ. После конденсации парогазовой смеси, выделившийся газ откачивается через выпускной патрубок насоса предварительного разрежения , а сконденсировавшийся пар стекает по стенкам насоса в кипятильник через зазор между паропроводом и корпусом насоса.

Влияние зазора а и угла наклона сопла α на предельное давление и быстроту действия диффузионного насоса приведены на рис.

При превышении зазора «а» свыше оптимального значения «а0», уменьшается скорость струи W у стенок насоса, что приводит к увеличению обратного потока. Аналогично и влияние угла α.

Основной характеристикой пароструйных насосов является зависимость быстроты действия насоса от давления на входе в насос.

В средней области рабочих давлений быстрота действия постоянна и равна Smax. При Р<Рпр S уменьшатся из-за наличия обратного потока газа и пара из насоса в откачиваемый объем. При работе Р  S уменьшается из-за снижения скорости диффузии молекул газа в струе.

Рпр при малых значениях Рвых слабо зависят от изменения Рвых. Срыв характеристики насоса наступает при равенстве выпускного давления и давления паровой струи (Рв). При увеличении мощности подогрева (N) S имеет экстремум, а максимальное выпускное давление Рв растет непрерывно.

К рабочим жидкостям пароструйных насосов предъявляются требования:

  1.  минимальная упругость паров при комнатной температуре и максимальная при рабочей температуре в холодильнике;
  2.  стойкость к разложению при нагревании;
  3.  минимальная способность растворять газы;
  4.  химическая стойкость по отношению к откачиваемому газу и материалу насоса;
  5.  малая теплота парообразования.

  1.  Минимальная упругость пара при комнатной температуре обеспечивает Рпр. Максимальное давление паров при рабочей температуре увеличивает Рвып и уменьшает N.
  2.  Стойкость к разложению при нагревании – срок службы максимального Рвып.
  3.  Растворимость газов в рабочей жидкости приводит к увеличению обратного потока газа через сопло вместе с паровой струей.
  4.  Химическая стойкость – срок службы.
  5.  Малая теплота парообразования – малое N.

Для уменьшения Рпр необходимо на пути обратного потока установить ловушку. Ловушка – конденсирующие,??????? , сорбирующие.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

49609. Расчёт токов короткого замыкания для оценки параметров основного оборудования подстанций сети. Выявление необходимости реактирования линий 10 кВ, отходящих от подстанций 4.99 MB
  В первой части расчетнопояснительной записки представлены обоснование и выбор вариантов схем электрической сети произведен выбор основных параметров схем сравнение техникоэкономических показателей схем и определение наилучшего варианта. Вторая часть содержит теоретические выкладки и пример практического расчета по теме: Расчёт токов короткого замыкания для оценки параметров основного оборудования подстанций сети. ФОРМИРОВАНИЕ ВАРИАНТОВ СХЕМ СЕТИ. ВЫБОР НОМИНАЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ СЕТИ.
49610. Расчет защиты зерноочистительного комплекса 1.82 MB
  Чтобы обеспечить бесперебойную и качественную работу необходимо применять защиту для электродвигателей. Для этого существует множество аппаратов, которые способны обеспечить защиту, как по току, так и по напряжению.
49611. Усилитель мощности звуковой частоты при усилении низких частот звукового тракта 572 KB
  Вследствие корреляции между величинами R и β в едином технологическом цикле при проектировании усилителя следует учитывать два предельных случая: компоненты схемы имеют значения Rмин и βмин или Rмакс и βмакс величина относительного разброса для конкретного технологического цикла известна разработчику заранее. Для разработки данного усилителя мощности следует произвести предварительный расчёт и оценить количество и тип основных элементов. При проектировании усилителя следует использовать такие элементы чтобы их параметры...
49616. Расчет релейной защиты элемента электроэнергетической сети 662 KB
  Чебоксары 2009 год Задание Выполнить расчет релейной защиты элемента электроэнергетической сети: выбрать тип и основные параметры элемента защиты марка провода тип опор длина схему прилегающей сети и режим его работы; рассчитать основную или резервную защиту элемента сети: рассчитать схему замещения элемента сети; выбрать реле защиты и схему его включения; рассчитать основные режимы короткого замыкания; рассчитать уставки защиты; выполнить расчет чувствительности защиты; сделать выводы по расчету; нарисовать схему...
49617. Проектирование районной электрической сети 3.19 MB
  В данной работе проводится учебное проектирование электрической сети питающей 6 пунктов и имеющей один источник питания также выявляется необходимость реактирования линий 10 кВ отходящих от подстанции. В первом разделе работы проводится анализ исходных данных и устанавливаются батареи статических конденсаторов БСК в соответствие с требованиями приказа Минэнерго от 20022007 №49 в следующем разделе формируются варианты сети и выбираются номинальные напряжения участков схем сети. Проводится сопоставление вариантов...