ЛАБОРАТОРНО-ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №1
Основы расчёта вакуумных систем
Цель данного практического занятия – ознакомиться с методикой расчёта и принципами конструирования вакуумных систем.
1. Основные положения вакуумной техники
Технологический процесс получения монокристаллов сапфира осуществляется в вакууме. Это, во-первых, устраняет контакт жидкого расплава (исходного корунда) с атмосферой, следовательно предотвращает насыщение расплава газами, во-вторых, пониженное давление печной атмосферы (вакуум) способствует удалению из исходных материалов растворённых газов и других примесей, вследствие разности парциального давления газов (кислород, водород, азот), растворённых в расплаве, и вакуума, т. е. разряжения в рабочей камере установки. Таким образом, применение вакуума позволяет получать материалы повышенной чистоты, что крайне необходимо для дальнейшего изготовления качественных изделий оптоэлектроники, полупроводниковой, волоконнооптической и лазерной техники.
Для создания и эффективного использования вакуумных установок необходимо знание основных положений вакуумной техники.
Вакуум (от латинского vacuum – пустота) – это такое состояние газа, когда его плотность значительно меньше плотности при давлении в одну физическую атмосферу и при температуре 0 ºС. Физическая (нормальная) атмосфера (атм) соответствует давлению воздуха, которое уравновешивает столб ртути высотой 760 мм (76 см) при плотности ртути 13,595 г/см3 и нормальном ускорении свободного падения 980,665 см/с2. Тогда на один квадратный сантиметр площади такой столб оказывает давление равное его весу, т. е.
1 атм = 76 см · 13,595 г/см3 · 980,665 см/с2 = 1,013 · 106 г/(см·с2) = 1,013 · 106 дин/см2 = 1,013 · 105 Па = 1,033 кгс/см2.
Вместо физической атмосферы часто используют техническую атмосферу (ат): 1 ат = 1 кгс/см2 = 9,81 · 104 Па.
За единицу давления в вакуумной технике принимают один миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.) и паскаль (Па). Кроме этих единиц используют: торр = 1 мм рт. ст. (в честь Э. Торричелли); дин/см2; бар; атм. Для перевода одних единиц давления в другие необходимо использовать данные табл. 1.
Таблица 1
Связь между единицами давления
Единица измерения | мм рт ст | Па | бар | дин/см2 | атм |
1 мм рт. ст. | 1 | 1,33 · 102 | 1,33 · 10-2 | 1,33 · 103 | 1,33 · 10-3 |
1 Па | 7,5 · 10-3 | 1 | 10-5 | 10 | 10-5 |
1 бар | 7,5 · 102 | 105 | 1 | 106 | 0,987 |
1 дин/см2 | 7,5 · 10-4 | 0,1 | 10-6 | 1 | 9,87 · 10-7 |
1 атм | 7,6 · 102 | 105 | 1,01 | 1,01 · 106 | 1 |
Под газом в вакуумной технике понимают как химически индивидуальный газ (например, кислород, водород, азот), так и смесь газов (воздух). Полное давление газовой смеси в замкнутом объёме складывается из суммы парциальных давлений отдельных химически индивидуальных газов и паров.
Парциальное давление – это давление, которое имел бы газ, входящий в состав газовой смеси, если бы он один занимал весь объём равный объёму смеси при той же температуре. Содержание (% объёма) и парциальное давление - Рп (мм рт. ст.) основных газов входящих в состав атмосферного воздуха следующие:
● азот – 78,08 %, Рп = 5,95 · 102;
● кислород – 20,95 %, Рп = 1,59 · 102;
● водород – 5,0 · 10-5 %, Рп = 3,8 · 10-4;
● Н2О – 1,57 %, Рп = 1,19 · 101.
Задача вакуумной техники заключается в том, чтобы в заданном объёме V уменьшить плотность ρ газа. Это возможно за счёт снижения давления Р, что соответствует следующему уравнению:
, (1)
где R = 8,3144 Дж/моль – газовая постоянная;
Т – абсолютная температура по шкале Кельвина;
ρ – плотность газа, г/см3;
М – молекулярная масса, г/моль.
Из уравнения (1) видно, что снижение давления обусловлено не только снижением плотности газа, но также и в результате понижения температуры. Это обстоятельство необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации вакуумных установок, так как во всём замкнутом объёме газа V не всегда поддерживается одинаковая температура.
Взаимосвязь между давлением, температурой и объёмом газа выражается уравнением состояния (2) идеального газа, от которого разряженный газ отличаеся незначительно:
, (2)
где nм – количество молей в объёме V при соответствующих давлении Р и температуре Т.
Объём газа V в вакуумной технике имеет очень важное значение, т. к. под объёмом V понимают:
- чисто геометрический, заданный объём рабочего пространства установки или всей вакуумной системы;
- объём газа, который необходимо удалить не только из рабочего объёма, а также газ выделяющийся из шихты, футеровки печи и тигля, материала нагревателей и т. п.
Очевидно, что при уменьшении плотности газа в процессе вакуумирования, в качестве физической характеристики вакуума можно использовать соотношение между длиной свободного пробега λ молекул газа и характерным (конструктивным) размером Dк. В качестве размера Dк принимается расстояние между стенками или экранами вакуумной камеры, диаметр вакуумного трубопровода и т. п. Величина λ зависит от радиуса молекулы r и количества n молекул в единице объёма:
. (3)
В табл. 2 приведены количество молекул в 1 см3 и средняя длина свободного пробега молекул воздуха при различных давлениях при температуре 20 ºС.
В зависимости от величины отношения λ/ Dк различают: низкий вакуум при λ/ Dк << 1, средний вакуум при λ/ Dк ≈ 1, высокий вакуум при λ/ Dк >> 1.
Таблица 2
Влияние вакуума на количество n молекул в 1 см3 и
длину свободного пробега λ молекул при температуре 20 ºС
Величина вакуума, мм рт. ст. | Количество молекул n в 1 см3 | Средняя длина свободного пробега, см |
760 | 2,5 · 1019 | 6,2 · 10-6 |
1 | 3,3 · 1016 | 4,7 · 10-3 |
10-1 | 3,3 · 1015 | 4,7 · 10-2 |
10-2 | 3,3 · 1014 | 4,7 · 10-1 |
10-3 | 3,3 · 1013 | 4,7 |
10-4 | 3,3 · 1012 | 4,7 · 10 |
10-5 | 3,3 · 1011 | 4,7 · 102 |
10-6 | 3,3 · 1010 | 4,7 · 103 |
10-7 | 3,3 · 109 | 4,7 · 104 |
10-8 | 3,3 · 108 | 4,7 · 105 |
На рис. 1 приведена зависимость, позволяющая определить степень (глубину) вакуума в зависимости от предельных значений Dк: минимальное значение Dк = 0,65 см (6,5 мм) и максимальное значение Dк = 65 см (650 мм). Таким образом, для большинства промышленных вакуумных установок высокому вакууму соответствует давление ≤ 10-4 мм рт ст и низкому – давление выше 10-2 мм рт. ст.
Рис. 1. График зависимости глубины вакуума
от длины свободного пробега молекул
Процесс создания вакуума, т. е. уменьшение плотности газа до значения, меньше атмосферного называется разрежением. Разряжение, осуществляемое путём удаления газа из замкнутого объёма, называется «откачкой». При откачке газ из рабочего объёма перемещается по трубопроводу к вакуумному насосу и далее в атмосферу. Перемещение газа по трубопроводу под действием разности давлений называется « течением газа». Характер, режим течения газа зависит от степени вакуума.
При высоком вакууме течение газа происходит в молекулярном режиме, длина свободного пробега молекул возрастает, и они перемещаются в трубопроводе независимо друг от друга.
При среднем вакууме течение газа происходит в вязкостно-молекулярном режиме, и имеет ламинарный, спокойный характер.
При низком вакууме течение газа происходит в вязкостном режиме и имеет турбулентный, песпорядочный характер.
Граница между вязкостным и вязкостно-молекулярным режимами может быть принята (10…40) Па или (0,07…0,35) мм рт. ст., и граница между вязкостно-молекулярным и молекулярным режимами находится в пределах (0,1…1,0) Па или (10-4…10-3) мм рт. ст.
Режим (характер) движения газа по трубопроводу необходимо в дальнейшем учитывать при расчёте пропускной способности трубопровода.
Количество газа протекающего в 1 секунду через поперечное сечение трубопровода называется потоком газа или производительностью вакуумной системы в данном конкретном сечении трубопровода. Величина потока газа обозначается Q и рассчитывается по выражению:
, (4)
где Р – давление в данном сечении (участке) трубопровода;
S – быстрота действия вакуумной системы на этом же участке.
Используя формулу (4) можно определить производительность вакуумной системы в конкретном месте (сечении) трубопровода.
Например, если Р1 – давление в разряжаемом объёме, а S – быстрота откачки газа из этого объёма, тогда произведение Р1·S характеризует поток газа у входа в трубопровод, т. е. является производительностью вакуумной системы на входе газа из рабочего объёма в трубопровод.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 |
Основные порталы (построено редакторами)