Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Теоретические основы вакуумной техники

Покупка
Артикул: 808689.01.99
Доступ онлайн
640 ₽
В корзину
Изложены основы молекулярно-кинетической теории газов, теории сорбции, необходимые для понимания процессов, происходящих в вакуумных насосах различного принципа действия и в вакуумных системах в целом. Приведены понятия и законы, используемые при расчете высоковакуумных систем, а также методики определения проводимости их основных элементов при молекулярном, вязкостном и переходном режимах течения газа. Рассмотрены принципы действия основных типов вакуумных насосов. Для студентов 4-го и 5-го курсов машиностроительных и приборостроительных специальностей.
Демихов, К. Е. Теоретические основы вакуумной техники : учебное пособие / К. Е. Демихов, Н. К. Никулин, Д. А. Калинкин. - Москва : Изд-во МГТУ им. Баумана, 2008. - 64 с. - ISBN 978-5-7038-3137-3. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/2063276 (дата обращения: 28.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
Московский государственный технический университет 
имени Н.Э. Баумана 

К.Е. Демихов, Н.К. Никулин, Д.А. Калинкин 

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ  
ВАКУУМНОЙ ТЕХНИКИ 

 

Рекомендовано редсоветом МГТУ им. Н.Э. Баумана 
в качестве учебного пособия 

М о с к в а 
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 
2 0 0 8 

УДК 621.52 
ББК 31.77 
Д 304 

Рецензенты: Б.Т. Маринюк, Ю.Г. Ромочкин 

К.Е. Демихов, Н.К. Никулин, Д.А. Калинкин 
Д 304 
Теоретические основы вакуумной техники: Учеб. посо- 
бие. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. – 64 с.: ил.  

ISBN 978-5-7038-3137-3 

Изложены основы молекулярно-кинетической теории газов, 
теории сорбции, необходимые для понимания процессов, происходящих 
в вакуумных насосах различного принципа действия и в вакуумных 
системах в целом. Приведены понятия и законы, используемые 
при расчете высоковакуумных систем, а также методики 
определения проводимости их основных элементов при молекулярном, 
вязкостном и переходном режимах течения газа. Рассмотрены 
принципы действия основных типов вакуумных насосов. 
Для студентов 4-го и 5-го курсов машиностроительных и приборостроительных 
специальностей.  

УДК 621.52 
                                                                                                         ББК 31.77 

ISBN 978-5-7038-3137-3 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Учебное пособие включает в себя теоретический материал, являющийся 
основополагающим для освоения всех последующих 
курсов по теории и расчету механических и немеханических высоковакуумных 
установок и систем. Изложение подчинено одной 
цели: сообщить в краткой форме основные сведения, знание которых 
необходимо студентам для понимания процессов, протекающих 
в высоковакуумных насосах и системах. 
В основу первой главы предлагаемого учебного пособия положен 
материал второго издания пособия Е.С. Фролова и Н.К. Никулина «
Теоретические основы вакуумной техники» (М.: Изд-во 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1993. 76 с.). При этом добавлены разделы 
по применению вакуумных систем в современной технике и технологии, 
внесены коррективы в изложение некоторых положений, 
устранены неточности в формулировках и определениях. 

ВВЕДЕНИЕ 

Вакуум – такое состояние разреженного газа, когда давление 
его ниже атмосферного.  
Применение среды с такими параметрами и первые вакуумные 
устройства для получения вакуума известны еще с I века до н.э. 
(как сообщал древнегреческий ученый Ктесибей). Впоследствии 
средства вакуумной откачки совершенствовались и превратились в 
устройства, имеющие различные принципы действия. Они необходимы 
для обеспечения огромного числа современных технологических 
процессов, проходящих в широком диапазоне давлений от 
атмосферного(105 Па) до 10-11 Па и ниже. 
Вакуумные технологии нашли широкое применение в металлургии, 
химии, нефтехимии, химическом машиностроении, электротехнике, 
энергетике, угледобывающей и горнорудной промышленностях, 
электрофизическом аппаратостроении, космонавтике, авиации, 
научном приборостроении, в научных исследованиях и т. д. 
Развитие металлургической промышленности связано с интенсивным 
использованием вакуумной техники (в металлургии печей 
и средств внепечной обработки, в технологических процессах, 
обеспечивающих выплавку высокочистых металлов и сплавов).  
В порошковой металлургии вакуумная технология находит применение 
для завершающей стадии компактирования – спекания твердых 
сплавов, постоянных магнитов и др. Вакуумные процессы 
электронно-лучевой и термодиффузионной сварки позволяют по-
лучать неразъемные соединения приборов, деталей конструкций 
машин и сооружений в ядерной, автомобильной, электронной и 
других отраслях промышленности. 
Одним из эффективных методов повышения качества стали яв-
ляется раскисление стали углеродом в вакууме с целью существен-
но снизить содержание кислорода и получить мелкую дендритную 
структуру слитков. Процесс вакуумной дегазации, т. е. удаление из 
жидкого металла растворенных в нем газов, не только обеспечивает 
получение металла с минимальным содержанием вредных приме-
сей, но и способствует улучшению его свойств. 

Современные установки для вакуумирования стали в ковше с 
электромагнитным перемешиванием обеспечивают хорошую дега-
зацию всего находящегося в ковше металла и равномерное распре-
деление вводимых в ковш раскислителей и легирующих добавок. 
Вакуумирование стали в струе применяется для удаления во-
дорода из стали при отливке слитков для крупных поковок. Рас-
пространение этого варианта внепечной обработки объясняется 
сравнительной простотой практического осуществления и высокой 
скоростью дегазации.  
Электропечи получили широкое распространение в таких от-
раслях промышленности, как атомная, космическая и др. Вакуум-
ная плавка металлов и сплавов в печах позволяет значительно сни-
зить содержание газов и количество неметаллических включений, 
обеспечить высокую однородность и плотность слитка за счет на-
правленной кристаллизации жидкого металла, значительно улуч-
шить физико-механические свойства металла. 
Дуговые печи при давлении порядка 10…10-1 Па используют 
для выплавки качественных сталей: нержавеющих, конструкцион-
ных, электротехнических, шарикоподшипниковых, жаропрочных 
сплавов и тугоплавких металлов. 
Индукционные печи применяют для плавки и разливки раз-
личных металлов и сплавов, электронно-лучевые печи – для полу-
чения особо чистых металлов. В печах этого типа нагрев осущест-
вляется благодаря бомбардировке поверхности нагреваемого 
предмета быстро движущимися электронами. 
Вакуумные электропечи сопротивления являются наиболее 
универсальными, так как имеют много областей применения, на-
пример, их используют для нагрева длинномерных изделий, боль-
ших и тяжелых деталей в подвешенном состоянии для предохранения 
их от деформации, для отжига и т. д. 
Дистилляция металлов и сплавов в вакууме – один из технологических 
процессов вакуумной плавки, предназначенный для удаления 
из металла вредных примесей в газообразном состоянии в 
целях получения чистого металла для ракетной техники, атомной 
энергетики и других отраслей промышленности. Вакуумная дистилляция 
осуществляется преимущественно в вакуумных дуговых 
и индукционных печах при давлении ниже 10-1 Па. 
Сварка в вакууме предназначена для получения неразъемных 
соединений элементов приборов, деталей (узлов) конструкций 
машин, используемых в точном машиностроении, микроэлектронике, 
при создании атомных реакторов и др. Различают два вида 

сварки в вакууме: электронно-лучевую (сварка плавлением) и термодиффузионную (
сварка давлением). 
Спекание металлических и керамических порошковых материалов 
является одной из важнейших технологических операций, 
применяемых в порошковой металлургии. Методом спекания изготавливают 
конструкционные детали машин и механизмов; 
фильтры для очистки жидкостей и газов, уплотнительные мате-
риалы для газовых турбин, вакуумного и другого оборудования, 
контакты, магниты, ферриты для изделий электро- и радиотехни-
ческой промышленности и др.  
В химической промышленности применение вакуумных тех-
нологий позволяет осуществлять дегазацию изоляционных масел и 
синтетических материалов; дистилляцию фармацевтических про-
дуктов и консервирующих веществ для пищевых продуктов; ад-
сорбционную очистку нефтепродуктов; сублимационную сушку 
пищевых продуктов, медицинских препаратов и т. д. 
Вакуумная дистилляция – технологический процесс разделе-
ния жидких смесей на различающиеся по составу отдельные фрак-
ции путем их частичного испарения в вакууме с последующей 
конденсацией образовавшихся паров.  
Молекулярная дистилляция применяется: 
• для регенерации нефтепродуктов и отработанных минераль-
ных масел из двигателей, редукторов, трансформаторов, турбин; 
• для производства рабочих жидкостей вакуумных насосов; 
• для очистки термически нестойких органических веществ, 
например эфиров фталевой, себациновой и других кислот; 
• для выделения витаминов из рыбьего жира и др. 
Вакуумная ректификация применяется в нефтяной промышлен-
ности для разделения нефти на бензин, мазут и другие продукты. 
Вакуумную сушку используют для чистых химических про-
дуктов, взрывоопасных и термочувствительных материалов и т. д. 
Фильтрацию в вакууме применяют для разделения различных 
суспензий и, в некоторых случаях, для разделения коллоидных 
растворов. 
Выпаривание в вакууме применяется в химическом производ-
стве для сгущения растворов или для полного удаления раствори-
телей. 
Кристаллизация в вакууме – вакуумный химико-технологический 
процесс выделения твердой фазы из жидкого расплава данного веще-
ства или из раствора. Это один из основных способов получения 
твердых веществ в чистом виде. 

Вакуум используется также в электрических аппаратах высо-
кого напряжения, электротехническом оборудовании специально-
го назначения (термоядерные установки, ускорители), электрообо-
рудовании транспорта, светотехнике и инфракрасной технике. В 
электротехнологию включают технологии вакуумной металлур-
гии, вакуумное напыление, вакуумную плавку, электросварку, ва-
куумную пайку. В аппаратах высокого напряжения используются 
вакуумные выключатели, вакуумные дугогасительные камеры, 
вакуумные коммутационные устройства. 
В электротехнической промышленности вакуумная техника 
находит применение в сушильных и пропиточных установках для 
производства трансформаторов, конденсаторов, кабелей и т. д. 
При производстве тонкопленочных солнечных элементов 
большую роль играет вакуумная технология. Вакуумное оборудование 
необходимо, например, при физическом осаждении из паровой 
фазы – вакуумном испарении; оно должно обеспечивать давление 
10-4…10-6 Па при больших скоростях откачки.  
При создании электрофизических установок определяющим 
фактором являются вакуумные условия. Так, фоновое давление в 
термоядерных реакторах с магнитным удержанием плазмы не 
должно превышать 10-8…10-6 Па. К электрофизическим установкам 
относятся и электронные и ионные ускорители, ускорительно-
накопительные комплексы, термоядерные системы для исследований 
возможности получения управляемой термоядерной  
реакции, установки дефектоскопии, установки, предназначенные 
для фундаментальных и прикладных исследований строения материи 
и т. п. 
Космический вакуум, разреженная космическая газообразная 
материя, оказывает разнообразные воздействия на материалы, узлы 
и блоки приборов, находящихся вне гермоотсеков космических 
летательных аппаратов. Для создания условий, моделирующих 
космический вакуум, применяют специальные вакуумные установки, 
обеспечивающие давление 10-3…10-12 Па. 
Наиболее широкое применение находит вакуум в приборостроении 
при создании так называемых электровакуумных приборов, 
являющихся одним из основных направлений современной 
электроники. Давление остаточных газов в рабочем режиме обычно 
не превышает 10-4 Па. 

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ОТКАЧКИ 

ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ 

1.1. Основные понятия 

В процессе откачки газа из сосуда 1 (рис. 1) через соединительный 
вакуумпровод 2 вакуумным насосом 3 в сосуде постоянно 
понижается давление р0 до предельного значения рпр, т. е. до тех 
пор, пока количество откачиваемого газа не станет равным количеству 
газа, натекающему в сосуд из окружающей его среды, и 
газовыделению с внутренних стенок сосуда. В этом случае в системе 
устанавливается стационарный режим течения и в любом ее 
сечении поток газа Q остается постоянным. 

Рис. 1. Схема системы откачки: 

1 – сосуд; 2 – вакуумпровод; 3 – вакуумный насос 

Поток газа Q – это расход газа, Па·м3/с, в котором количество 

газа выражено произведением его давления на объем при данной 
температуре: 

0 ,
Q
S p
=
 

где S0 = (dV/dt)p – быстрота откачки, или объем газа при данном 
давлении, откачиваемый в единицу времени, м3/с; p – давление в 
рассматриваемом сечении, Па. 

Быстрота действия вакуумного насоса Sн – это объем газа, 

поступающий во всасывающий патрубок насоса в единицу 
времени при данном давлении, 

н
2
,
Q
S
p
=
 

где р2 – давление во всасывающем патрубке насоса. 

Быстрота откачки объекта S0 – это объем газа при данном давлении, 
откачиваемый в единицу времени через сечение вакуумного 
трубопровода, соединяющего объект откачки с насосом: 

0
0
.
Q
S
p
=
 

Проводимость элемента вакуумной системы U – это способность 
элемента проводить газ, м3/c. Она определяется как отношение 
потока газа Q, проходящего через элемент вакуумной системы, 
к разности давлений (р1 – р2) на его концах: 

1
2
.
(
)
Q
U
p
p
=
−
 

Величину W, обратную проводимости элемента вакуумной 

системы, называют сопротивлением: 

1
2
1
.
p
p
W
U
Q
−
=
=
 

Проводимость сложных вакуумных систем, состоящих из отдельных 
элементов, определяют аналогично сопротивлению электрических 
цепей. 

При последовательном соединении n элементов вакуумной 

системы с известной проводимостью Ui (сопротивлением Wi) проводимость 
системы U определяют по формуле 

1

1
1
i n

i
i
U
U

=

=
=∑
, 

(общее сопротивление соответственно составит 

1

i n

i
i
W
W
=

=
=∑
). 

Необходимо учитывать, что при последовательном соединении 
сопротивление составного элемента уменьшается на величину сопротивления 
входа в элемент. Например, для элементов одного 
диаметра проводимость U системы 

0
1
2

1
1
1 ,
i n
i n

i
i
i
i
U
U
U

=
=

=
=
=
−
∑
∑
 

где 
i
U 0  – проводимость входа i-го элемента. 
При параллельном соединении n элементов вакуумной системы ее 

общая проводимость U равна сумме проводимостей всех элементов: 

1
,
i n

i
i
U
U
=

=
=∑
 

(общее сопротивление определяют из соотношения 

1

1
1
i n

i
i
W
W

=

=
=∑
). 

1.2. Основное уравнение вакуумной техники 

Быстроту откачки объекта S0 определяют по быстроте действия 

насоса Sн и проводимости трубопровода U при условии постоянства 
потока газа Q = const. 

Из условия Q = S0p0 = U(p0 – p2) = Sнp2 = const следует 

 

0

1
1
1 .
H
S
U
S
=
+
 
(1) 

Доступ онлайн
640 ₽
В корзину