Теоретические основы вакуумной техники
Покупка
Авторы:
Демихов Константин Евгеньевич, Никулин Николай Константинович, Калинкин Дмитрий Александрович
Год издания: 2008
Кол-во страниц: 64
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-7038-3137-3
Артикул: 808689.01.99
Доступ онлайн
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.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 15.03.01: Машиностроение
- 15.03.02: Технологические машины и оборудование
ГРНТИ:
Скопировать запись
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
В корзину