Основы вакуумной техники Курс лекций: Основы Вакуумной Техники 7 лекция Основы процесса откачки. Термины и определения. Деулин Евгений Алексеевич Титул МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н.Э. БАУМАНА

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: Р 1 - Р 2 – движущая разность давлений, Па; S 0 =dV 0 /dt – быстрота откачки рециниента (объекта), м 3 с -1 ; S H =dV Н /dt – быстрота действия насоса, м 3 с -1 ; S=dV/dt – быстрота откачки (в рассматри- ваемом сечении трубопровода), м 3 с -1 ; Q=d(PV)/dt – поток газа, количество газа проходящего через рассматриваемое сечение трубопровода в единицу времени, м 3 Пас -1 W=(P 1 -P 2 )/Q – сопротивление трубопровода, см -3 U=1/W=Q/(P 1 -P 2 ) – проводимость трубопро – вода, м 3 с -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=P 1 S 0 =P 2 S H =PS

Вывод основного уравнения вакуумной техники. Для стационарного режима откачки реципиента можно записать равенство: Q=S 0 P 1 =S H P 2 =U(P 1 -P 2 ) Это равенство может быть преобразовано в два выражения: ;. Рассмотрим обратные величины полученных выражений: ; Разница между первым и вторым выражением даёт выражение называемое основным уравнением вакуумной техники, которое обычно записывается: или 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: dG 1 =S 0 Pdt То же самое количество газа dG 2 = dG 1, вышедшее из камеры приведёт к уменьшению в ней давления на величину dP dG 2 = -dPV откуда следует:G 1 =G 2 =S 0 Pdt= - dPV После разнесения переменных: (0) В реальной вакуумной системе давление при откачки стремится не к нулю, а предельному давлению Р 1 (см..рис.справа), поэтому мы можем предыдущее выражение переписать.

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) Надо использовать уравнения вида: ( 01) Учитывающие изменение процесса десорбции во времени ( см. слайды 8,9 ).

уравнение для расчёта времени откачки объёма V от начального давления P 1 до конечного давления Р 2. (без учёта газовыделения) Для этого возьмём интеграл от полученного выражения в интервале от P 1 до Р 2 : после интегрирования получаем выражение: которые в интервале от от P 1 до Р 2 может быть рассчитано как:, после преобразования ; откуда после замены натуральных логарифмов на десятичные:, В последнем выражении, поэтому числитель логарифма может быть упрощён. Окончательно, уравнение для расчёта времени откачки идеального вакуумного объёма V от начального давления Р 1 до давления Р 2 ( бкз учёта десорбции и натекания газов ) выглядит так: :

Расчёт времени откачки объёма V от начального давления P 1 до конечного давления Р 2 с учётом газовыделения, но без учёта десорбции газов со стенок) График изменения давления во времени удобно представлять в логарифмической шкале, как это показано на рисунке, где он описывается прямой линией. Если мы учтём суммарный поток газов, выделяющихся из вакуумной системы (поток газовыделения + поток натекания + обратный поток), то уравнение для расчёта времени откачки примет вид:

Расчёт времени откачки объёма V от начального давления P 1 до конечного давления Р 2 для квазистационавной вакуумной системы При рассмотрении процесса откачки вакуумной системы, по5казанной на слайде 5, количество газа, выходящее из камеры: dG 1, приводящее к уменьшению в ней давления на величину dP и равное количеству газа, вошедшему в вакуумопровод dG 2 т.е. dG 2 = dG 1, Эти количества газа считаются постоянными (квазистационарными) для данного момента времени G 1 =G 2 =S 0 Pdt= - dPV, поскольку не учитывают потоков газа,выделяющихся из вакуумной камеры: Уравнения: 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, 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 P 1 до конечного давления Р 2 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 (1) Где - коэффициент покрытия поверхности сорбатом Решение уравнения (1) имеет вид: (2) Или где: 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: (3) Или: Из уравнения (3) можно найти время, за которое достигается интересующая нас степень заполнения поверхности : (4)

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) :