Методика проверочного и проектировочного расчета
Проверочный расчет вакуумной системы в нестационарном режиме работы для определения времени откачки часто выполняется для вакуумных систем, спроектированных из условий стационарного режима работы. Необходимость такого расчета возникает также при проектировании новых вакуумных систем, работающих только в нестационарном режиме, в связи с малой точностью проектировочных расчетов.
Для такого расчета в качестве исходных данных следует задать: 1) вакуумную схему установки; 2) характеристики насосов: быстроту действия, предельное давление, давление запуска; 3) характеристики арматуры и трубопроводов; размеры и проводимости; 4) характеристики откачиваемых объектов: размеры и объем; 5) суммарное газовыделение и натекание при нестационарном режиме работы; 6) рабочее давление.
Порядок расчета: 1) проверка условия квазистационарности; 2) построение графиков эффективной быстроты откачки насосов в откачиваемом объекте и быстроты натекания; 3) расчет времени откачки объекта до рабочего давления.
Условие квазистационарности (10.1) проверяется по характеристикам откачиваемого объекта и трубопроводов, которые имеются
Методика проектировочного расчета
Задачей проектировочного расчета вакуумной системы в нестационарном режиме является выбор откачных средств, арматуры и в исходных данных. В результате проверки этого условия уточняется характер нестационарного режима работы, что оказывает влияние на выбор расчетных формул для определения времени откачки. При квазистационарном режиме откачки сосредоточенных объемов можно пользоваться формулами (10.25) и (10.29), а при откачке вакуумных систем с распределенным объемом — формулой (10.34).
Для определения времени откачки строят графики эффективной быстроты откачки всех насосов
в зависимости от давления для сечений входа в откачиваемый объект; 8И1 — быстрота действия насоса (в зависимости от входного давления задается в виде графика); — проводимость вакуумной системы от 1-го насоса до откачиваемого объекта (определяется по характеристикам арматуры и трубопроводов из исходных данных и в общем случае также является функцией давления).
Затем строят график быстроты газовыделения и натекания Sq = Q/p, который в логарифмических координатах, если Q не зависит от давления, имеет вид прямой линии.
При выполнении условия квазистационарности расчет ведется по формуле (10.25) с разбивкой на участки с постоянным Scp в соответствии с рис. 10.5.
Если условие квазистационарности не выполнено, то в молекулярно-вязкостном и вязкостном режимах пользуемся графиком U(p), разделяя его на участки pi,…,pi+i, внутри которых используется среднее значение Ut; расчет ведется по формуле (10.34).
Расчет времени работы форбаллонов без адсорбента осуществляется по формуле (10.35), которую можно представить в виде
Если форбаллон полностью заполнен адсорбентом, то из (10.37) получим время работы форбаллона:
где Кт и е — постоянная адсорбируемости и пористость адсорбента.
размеров трубопроводов из условия обеспечения заданного времени откачки от начального до рабочего давления, при котором осуществляется стационарный режим работы.
Исходными данными для расчета являются: 1) начальное и конечное давления в откачиваемом объекте pi и рк 2) характеристики откачиваемого объекта: объем V, диаметр d и длина /; 3) время откачки в нестационарном режиме /н; 4) дополнительные условия.
Вакуумную схему выбирают в зависимости от требуемой степени вакуума, определяемой по рабочему давлению и диаметру откачиваемого объекта.
Если для откачки до рабочего давления требуется несколько насосов, то общее время откачки должно быть распределено между всеми насосами.
Для выбора номинальной быстроты действия насоса примем, что существует квазистационарный режим работы вакуумной установки.
В области низкого вакуума, воспользовавшись формулой (10.23), получим, что для снижения давления от pi до р2 в камере объемом V за время Afj требуется насос с номинальной быстротой действия
где pi — начальное давление (обычно равно атмосферному); р2— граничное давление в откачиваемом объекте между вязкостным и молекулярно-вязкостным режимами.
Коэффициент использования насоса Кт в области низкого вакуума— величина переменная из-за зависимости проводимости элементов вакуумной системы от давления. Для расчетов с запасом принимаем для Кт минимальное значение, соответствующее стационарному режиму течения при давлении р2. Методика выбора оптимального Ки по эффективной быстроте откачки и числу элементов на участке вакуумной системы от насоса до откачиваемого объекта изложена в гл. 9. В качестве эффективной быстроты откачки приближенно может быть принято значение, определенное по формуле (10.40) при Кт = 1.
В области среднего вакуума давление изменяется от р2 до рз.
Коэффициент использования насоса Кт определяется с запасом при давлении р3 и соответствует молекулярному режиму течения газа.
Номинальную быстроту действия насоса определяем по формуле, аналогичной (10.40):
В области высокого и сверхвысокого вакуума за время Д/3
откачки осуществляется от давления рз до давления рк, которое равно рабочему давлению, заданному в исходных данных. Номинальная быстрота действия насоса может быть определена из уравнения
где Киз — коэффициент использования высоковакуумного насоса, определяемый по методике, изложенной в гл. 9.
Общая проводимость между насосом и откачиваемым объектом
где / — номер соответствующего насоса.
Определенное по формуле (10.43) значение общей проводимости Uoi соответствует давлению р2 — нижней границе вязкостного >ежима течения в откачиваемом объекте, Uo2 — давлению рз— шжней границе молекулярно-вязкостного режима течения в отка-щваемом объекте.
Далее выбор элементов вакуумной системы не отличается от ‘же рассмотренного при стационарном режиме. Общая проводимость выражается через проводимости последовательно соединениях элементов. Разрабатывается компоновочная схема, из которой шределяются длины трубопроводов. Выбирают стандартные элементы— клапаны, ловушки. По проводимостям и длинам трубо-1роводов находят их диаметры. В случае необходимости проекта-)уют нестандартные элементы, составляя их эквивалентные схемы мз элементов с известными проводимостями. После определения )азмеров трубопроводов необходимо найти их объем и проверить тринятое условие квазистационарности (10.1).
Объем форбаллона из условия его работы в течение всего времени существования стационарного режима можно определить, зоспользовавшись формулой (10.35):
где рв — максимальное выпускное давление предыдущего насоса; Зн, Ки — быстрота откачки и коэффициент использования последующего насоса. 1
В том случае, если объем, рассчитываемый по формуле (10.44), соизмерим с объемом трубопровода, то от применения форбаллона можно отказаться. Если величина объема велика, соизмерима с размерами вакуумного агрегата, то можно применять форбал-лон с адсорбентом, объем которого определяется по формуле
(10.37), которую в данном случае можно записать в виде