07ЛекцДеулОсновыПроцОткачки

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:
U ( P1  P2 )
U ( P1  P2 )
S

H
S0 
;. P2
P1
Рассмотрим обратные величины полученных выражений:
P1
1
P2
1


S0 U ( P;1  P2 )
S H U ( P1  P2 )
Разница между первым и вторым выражением
P1  P2
1
1
1
1
1


;


S
S
U
(
P

P
)
0
H
1
2
S0 S H U
даёт выражение называемое основным уравнением вакуумной техники, которое обычно
записывается:
1
1
1
 
S0 U S H
или
SH U
S0
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
S
dP
  0  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.
S
dP
  0 dt
P  P1
V
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

V
dt
Надо использовать уравнения вида:
(

S0 pнач V1 A
Q1 A
 dp 

pнач 
  
V
V
Vts
 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 выраженияpв2 интервале от P1 до Р2 :

после интегрирования получаем выражение:
P1
S
dP
   O dt
P1  P  t V
ln( P  P)
которые в интервале от от P1 до Р2 может быть рассчитано как:
после преобразования
P1  P S0, t
ln

P2  P V
P2
P1

S0
t
V
ln( P2  P)  ln( P1  P)  
;
откуда после замены натуральных логарифмов на десятичные:
S0
t
V
P1  P
V
t  2,3 lg
S0 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: :
P1
V
t  2,3 lg
S0 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
S0
lg
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:
P1
V
S
Уравнения:
t  lg
lg P  lg( P  P)  t O
1
S0
2.3V
Q
P2  
S0
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
S0
lg
P2  P 
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:
Или
где:
ln  
   K 2t  ln C
K2 

K1

 Се  K 2t
K2
K1 
K2 
 Nu
N1пов
 Nu
N1пов
(2)
p

;
N1пов 2 mkT
1
p
1
 
 Eад / R0T ;
ts N1пов 2 mkT  0e
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:
Или:


K1 
ln  
   K 2t  ln C
K2 

K1
 Се  K 2t
K2
(3)
Из уравнения (3) можно найти время, за которое достигается
интересующая нас степень заполнения поверхности :
(4)
1
1
t
K2
ln
K1
1
K2
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
Êóðñî âî é ï ðî åêò
PT
Âàêóóì í àÿ ñèñò åì à
óñò àí î âêè ò àðèðî âêè ô ðèêöèî í í ûõ
âàêóóì åò ðî â
V
PT
PA
P
Âàêóóì í î é ñèñò åì à óñò àí î âêè
äëÿ èññëåäî âàí èÿ
ï ðî öåññî â "ñóõî ãî ò ðåí èÿ")
M
CV
CV
Öèêëî ãðàì ì à ðàáî ò û âàêóóì í î é ñèñò åì û
Î ò êðûò
Çàêðûò
Ï î äñî åäèí åí èå ô î ðâàêóóì í î ãî í àñî ñà
Êëàï àí
VR1
Êëàï àí
VR2
Êëàï àí
VR3
Í àñî ñ
NI
NA
Í àñî ñ
Í àãðåâàò åëü àäñî ðáöèî í í î ãî í àñî ñà
Í àñî ñ
VR2
VR1
VF
NM
Í àò åêàò åëü NF
ðåçèí î âàÿ
ï ðî áêà
VR3
Ýêñï åðèì åí ò
VF
ðåçèí î âàÿ
ï ðî áêà
P, Ï à
5
10
VR
NA
NM
4
10
3
NI
10
BL
2
Ï ðèì å÷àí èå
V=2,5 ë
Sí =1 ë/ ñ
Âàêóóì í àÿ êàì åðà
Ì åõàí è÷åñêèé í àñî ñ Í ÂÐ - 1Ä
Ì àãí èò í ûé ýëåêò ðî ðàçðÿäí ûé í àñî ñ Í Ì ÄÎ - 0,1- 1
Àäñî ðáöèî í í ûé í àñî ñ
1
10
ND
0
10
-1
10
-2
V
VF
VR1
Ñèñò åì à âèäåî í àáëþäåí èÿ
Í àò åêàò åëü
Êëàï àí ï ðî õî äí î é
U=71 ë/ ñ
VR2
Êëàï àí ï ðî õî äí î é
U=71 ë/ ñ
VR3
Êëàï àí ï ðî õî äí î é
Äèô óçèî í í ûé í àñî ñ
U=71 ë/ ñ
ND
VR
Àçî ò í àÿ ëî âóø êà
BL
Çàò âî ð
M
Ýëåêò ðî äâèãàò åëü
PT
Òåï ëî âî é âàêóóì åò ð
PA
Èî í èçàöèî í í ûé âàêóóì åò ð
PD
Äåô î ðì àöèî í í ûé âàêóóì åò ð
10
-3
Ýêâèâàëåí ò í àÿ ñõåì à Ýêâèâàëåí ò í àÿ ñõåì à
ô î ðâàêóóì í î é î ò êà÷êè âûñî êî âàêóóì í î é î ò êà÷êè
CV
âàêóóì í àÿ
êàì åðà
CV
âàêóóì í àÿ
êàì åðà
10
-4
10
-5
10
-6
10
-7
60
CV
âàêóóì í àÿ
êàì åðà
Ç
40
230
230
Ç
40
NI
Ç
20
56
Ç
10
10
0
218
218
Ýêâèâàëåí ò í àÿ ñõåì à
ñâåðõâûñî êî âàêóóì í î é î ò êà÷êè
NM
NI
Sí =100 ë/ ñ
Sí =2 ë/ ñ
380
NI
NM
NA
Í àèì åí î âàí èå
Ç
63
Èí â. ¹ ï î äë.
Ï î äï . è äàò à
Âçàì . èí â. ¹
Èí â. ¹ äóáë.
Ï î äï . è äàò à
Ñï ðàâ. ¹
Ï åðâ. ï ðèì åí .
10
Î áî çí à÷åí èå
CV
0,3
32
32,1
32,7
t , ì èí
Ãðàô èê èçì åí åí èÿ äàâëåí èÿ âî âðåì åí è
NA
Êóðñî âî é ï ðî åêò
Èçì . Ëèñò ¹ äî êóì . Ï î äï . Äàò à
Ðàçðàá. Ðóñàí î â À.Â.
Ï ðî â.
Äåóëèí Å.À.
Ò.êî í ò ð.
Í .êî í ò ð.
Óò â.
Ñõåì à âàêóóì í î é
ñèñò åì û
Óñò àí î âêà äëÿ ò àðèðî âêè
ô ðèêöèî í í ûõ âàêóóì åò ðî â
Ëèò .
Ì àññà Ì àñø ò àá
Ëèñò 1 Ëèñò î â 4
Ì ÃÒÓ èì . Í .Ý. Áàóì àí à
êàô åäðà Ì Ò- 11
ãðóï ï à Ì Ò 11- 71