Расчет стационарного газового потока.

Стационарный газовый поток, откачиваемый насосом, во вре­мя работы вакуумной установки имеет несколько составляющих: Q= Q_п + Q_д + Q_н + Q_т ,

где Q_п - проницаемость материалов; Q_д - диффузионное газовы­деление материала; Q_н - натекание через оболочку вакуумной ка­меры; Q_т - стационарное технологическое газовыделение.

Все составляющие газового потока либо вообще не зависят от времени работы вакуумной установки, либо изменение газово­го потока за время ее работы не превышает точности выполняе­мых расчетов. Рассмотрим подробнее каждую из указанных составляющих.

Количественная оценка процессов стационарной проницаемости газа через стенки вакуумной системы, изготовленные из различ­ных материалов или имеющие различную толщину, может быть сделана с учетом констант проницаемости Ко и Q_p по формуле [Розанов; Стр. 197; 9.51]:

Q_п =

где Koi и Qi — соответственно константа проницаемости и тепло­та активации для материала i-й стенки вакуумной системы; F_i и h_i - соответственно площадь и половина толщины i-й стенки; p₁ и р₂ - давления с внутренней и наружной сторон стенок; п - число атомов в молекуле газа, проникающего через стенку; Т - абсолютная температура стенки; R= 8,31 кДж/(кмоль*К); N - число стенок вакуумной камеры, арматуры и трубопроводов, из­готовленных из различного материала или имеющих разную тол­щину.

Для нашего случая по табличным данным берём Qi=199*10³ кДж/кмоль, n=2, p₁=1·10^-5 Па, p₂=10⁵ Па, h_i =2*10^-3 м, T=300 К, Koi=3,8*10^-4, F_i =1,571 м² . Тогда получаем

Q_п=2,34*10^-16 м³*Па/с.

Газопроницаемость возрастает при уменьшении толщины сте­нок вакуумных камер. Особенно это заметно для деталей типа cсильфонов, мембран и т. д., где малая толщина детали определяется условиями ее работы. Конструктивными способами уменьше­ния газопроницаемости кроме выбора материалов являются ис­пользование установок с «двойным» вакуумом и охлаждение де­талей во время работы непосредственно в вакуумной камере.

Диффузионное газовыделение имеет нестационарную природу, но для большинства газов и материалов постоянная времени этих процессов настолько велика, что они могут рассматриваться как стационарные. Упрощенный метод определения диффузионного газовыделения основан на применении экспериментально опреде­ленных значений коэффициентов удельного диффузионного газо­выделения, зависящих от рода газа, материала и его предварительной обработки, а также рабочей температуры. Газо­вый диффузионный поток

Q_д =

где F_j — площадь j-гo материала, присутствующего в вакуумной системе; N — число материалов, q_i – удельное диффузионное газовыделение i-го материала. Для нашего случая F_j =1,571 м² , по таблице выбираем q_i для обработанной нержавеющей стали равное 10^-8 м³*Па/(м²*с). Тогда получаем Q_д =1.571* 10^-8 м³*Па/с.

Расчитаем натекание через оболочку вакуумной камеры происходит в ос­новном по разборным и неразборным соединениям, которые прин­ципиально не могут обеспечить абсолютную герметичность. Нате­кание может происходить и по дефектам в структуре сплошного материала. Поэтому возможное натекание в вакуумную установ­ку можно оценить по формуле Q_н = Кв* N* Q_ти / т ,

где Q_ти - минимальный поток, регистрируемый течеискателем; Кв - вероятность существования течи, меньшей чувст­вительности течеискателя; N - число соединений; т - число од­новременно проверяемых соединений. Для нашего случая берём Кв=0,2, m=N, Q_ти =10^-9 м³*Па/с. Тогда Q_н =2*10^-10 м³*Па/с.

Резервом уменьшения Q_н при расчете по формуле явля­ется уменьшение числа испытаний на герметичность. Предельным случаем является одно испытание, когда m=N, и проверяется негерметичность всей установки. При работе с гелиевым течеис­кателем такая проверка производится размещением всей установ­ки в атмосфере гелия с помощью полиэтиленовых колпаков или других вспомогательных средств, зависящих от размеров уста­новки.

Технологическое газовыделение зависит от типа обрабатывае­мого объекта и способа осуществления технологического процес­са. В проектировочных расчетах его значение принимается по­стоянным в течение всего времени стационарного режима. По аналогии со сходными по значению вакуумными установками выбираем Q_т =4,4*10^-7 м³*Па/с.

Q=∑Qi

Тогда получаем Q=1,023*10^-7 м³*Па/с.

Выберем для нашего расчёта вакуумную систему установки, обеспечивающую возможность получения сверхвысокого вакуума (см. схему установки на рис.1).