Объемная откачка
Объемная откачка
В процессе объемной откачки выполняются следующие основные операции: 1) всасывание газа за счет расширения рабочей камеры насоса; 2) уменьшение объема рабочей камеры и сжатие находящегося в ней газа; 3) удаление сжатого газа из рабочей камеры в атмосферу или насос предварительного разрежения
Диаграмма работы насосов объемного действия — зависимость объема Ук и давления рк в камере насоса от времени показана на рис. 4.6. В течение времени / осуществляется всасывание газа (область /), в промежутке от до /3— сжатие газа (область II), от /3 до Ц— выхлоп (область III), затем цикл повторяется вновь. Кривые 1 и 3 представляют собой соответственно зависимости объема и давления в рабочей камере от времени. Кривая 2 соответствует изменению давления в режиме работы с напуском балластного газа в момент времени t2.
Балластный газ напускается при откачке паров воды или органических растворителей, давление насыщенных паров которых рт при рабочей температуре в насосе находится в промежутке от предельного давления рпр до максимального выпускного давления. Напуск балластного газа снижает степень сжатия и предотвращает конденсацию откачиваемых паров в объеме насоса.
Геометрическая быстрота объемной откачки равна произведению объема рабочей камеры насоса на частоту циклов откачки п: Sr= = VKn.
Сопротивление входного патрубка уменьшает быстроту откачки. Согласно основному уравнению вакуумной техники (4.7), максимальная быстрота действия насоса где Kk=U(—pnplp)/(Sr+ U) — коэффициент подачи.
Реальная быстрота действия оказывается в Кк раз меньше, чем геометрическая быстрота откачки. Для увеличения быстроты откачки необходимо увеличивать объем рабочей камеры Ук и проводимость входного патрубка U. Частота циклов п имеет оптимальное значение, при превышении которого возможен перегрев насоса или
где U — проводимость входного патрубка насоса.
Реальная быстрота откачки окажется еще меньше из-за обратного потока газа в насосе. Обратный поток появляется вследствие перетечек газа и наличия вредного пространства в насосе, а в высоком вакууме — из-за диффузии паров рабочей жидкости из насоса в откачиваемый объект.
Производительность откачки при молекулярном режиме течения газа равна разности прямого и обратного потоков:
где Q— Qu—Smaxp*
При р~рир производительность откачки Q=0, что позволяет в этом случае, согласно (4.11), записать
Подставляя это выражение в (4.11), получим для любого р
С учетом (4.10) это выражение можно записать в следующем виде:
незаполнение рабочей камеры откачиваемым газом. Современные насосы работают при п=1400 об/мин.
Для определения предельного давления запишем уравнение материального баланса
где Ур — объем откачиваемого объекта (реципиента); VK — объем рабочей камеры насоса; VB — объем вредного пространства ; Рвых — давление выхлопа; ai — коэффициент, учитывающий газовыделение насоса и степень прорыва газа; ро, pi — начальное и конечное давления в откачиваемом объекте.
Решим уравнение (4.13) относительно давления рь
Осуществляя еще один цикл откачки, получим
После откачки п циклов можно получить следующее выражение:
Здесь первое слагаемое при п->-оо стремится к нулю, второе может быть подсчитано по формуле для суммы бесконечно убывающей геометрической прогрессии:
При п->оо (4.14) можно представить в более простом виде:
где Go — количество газа в откачиваемом объекте до начала цикла откачки; Gb — количество газа, поступающего в откачиваемый объем в процессе откачки; G — количество газа в объекте и насосе после выполнения одного цикла откачки. Это уравнение можно переписать в виде
Из этого выражения видно, что предельное давление определяется отношением объема вредного пространства к объему рабочей камеры насоса, давлением выхлопа и коэффициентом аь учитывающим газовыделение насоса и прорыв газов из камеры сжатия в камеру всасывания насоса. Общий газовый поток самого насоса состоит из газовы-деления основных деталей, выделения газов, растворенных в рабочей жидкости, упругости паров рабочей жидкости,
натеканий через соединения в корпусе насоса. Предельное давление объемной откачки можно улучшить уменьшая общий обратный поток из насоса. Этого можно добиться применяя ловушки, предотвращающие проникновение паров рабочей жидкости насоса в откачиваемый объект, или последовательно соединяя две ступени откачки для уменьшения прорыва газов из камеры сжатия в камеру всасывания.
Потребляемая вращательным насосом мощность W расходуется на сжатие откачиваемого газа до выхлопного давления (полезная мощность IVn) и на преодоление сил трения (мощность потерь №тр): № = №п + №тр. Диаграмма работы насоса в координатах р, V, представленная на рис. 4.7, определяет работу единичного цикла сжатия. Как известно из термодинамики, в случае политропического процесса работа сжатия
здесь Vi — наибольший объем рабочей камеры насоса; т — показатель политропы; pi и ра— давления всасывания и выхлопа.
Работа одного цикла сжатия (заштрихованная область на рисунке)
где Уа— объем рабочей камеры насоса в момент достижения выхлопного давления ра. Так как для политропического процесса справедливо соотношение paVam=PiVim, то
Подставляя выражения (4.15) и (4.17) в (4.16), получим
Так как полезная мощность, потребляемая насосом,
где /ц=1/п — время цикла, то, воспользовавшись выражением для А, будем
иметь
Так как Sr= V}n, можно записать
Продифференцируем (4.19) по pi и приравняем нулю полученное выражение:
Из анализа (4.19) и (4.20) следует, что Ц7п=0 при pi = 0 и pi = ра, максимальная потребляемая мощность.