Расчет газовых нагрузок

Нестационарное газовыделение из конструкционных материалов состоит из следующих независимых компонентов: десорбционного и диффузионного газовыделения, газопроницаемости, натекания.

Десорбционное газовыделение связано с десорбцией газов и паров с внутрикамерных деталей, стенок камеры, трубопроводов и арматуры. Особенно нежелательными являются пары воды и масел, адсорбируемые на внутренних поверхностей вакуумной камеры. Вода конденсируется на стенках во время напуска атмосферного воздуха при загрузке обрабатываемых изделий, источником паров масел могут являться вакуумные насосы.

Изотерма адсорбции паров воды на нержавеющей стали, полученная экспериментально, представлена на рис. 10.1. Количество адсорбированных паров воды при давлениях 665… 0,665 Па находится в пределах 0,152… 0,013 м³-Па/м². На этом же рисунке по оси ординат показано количество мономолекулярных слоев воды на поверхности стали, полученное из выражения

где     2,45-10²⁰ — количество молекул газа в 1 м³ при давлении

1 Па и температуре 298 К; ai=4,9-10¹⁸ 1/м² — количество молекул воды, необходимое для образования одного монослоя на поверхности 1 м².

Для аналитического описания изотермы адсорбции паров воды можно воспользоваться уравнением Фрейндлиха, записанном в виде

где К=0,0185 и п=2,9—константы, зависящие от природы адсорбента, адсорбируемого газа и температуры поверхности вакуумной камеры; р — давление паров воды в камере, Па.

Конструктивным способом уменьшения десорбционного газовы-деления паров воды является использование шлюзовых загрузочных устройств, благодаря которым изделие попадает в вакуумную камеру без нарушения вакуума.

Диффузионное газовыделение сопровождается поглощением или выделением газа с поверхности деталей, расположенных внутри вакуумной камеры. Ограничим рассмотрение случаев, когда массообмен происходит только в поверхностном слое, толщина которого значительно меньше общей толщины деталей. При этом деталь можно рассматривать как полубесконеч-ное тело. Длина детали должна быть существенно больше ее толщины, что позволяет считать задачу одномерной.

Предположим, что начальная концентрация газа в детали постоянна и равна «о- Давление газа над поверхностью детали также будем считать постоянным, а равновесную концентрацию газа

в детали, соответствующую этому давлению, обозначим через s_m. Независимость So и s_m от времени соответствует граничным условиям первого рода.

На практике такая задача часто встречается, когда обезгажи-вание деталей происходит при постоянных температуре и давлении, а коэффициент диффузии достаточно мал: D<0,lh²/tmax, ГДе h — половина толщины детали; £_тах — максимальная длительность процесса массообмена.

Математически данную задачу можно записать в следующем виде:

Результаты расчетов по формуле (10.5) для различных отношений x/h при поглощении газа, когда s_m>So, показаны на рис. 10.2, а, а при выделении газа, когда So>Sm,— на рис. 10.2, б.

Так как удельный газовый поток через единицу поверхности, обращенную в вакуум,

которая представляет собой отношение достигнутой степени массообмена к максимально возможной при данных условиях.

На рис. 10.3 показаны графики зависимости удельного безразмерного потока 1 и эффективности массообмена 2 от безразмерного времени т.

Пользоваться приведенными формулами можно для твердых гел любой формы при т^О, 1, откуда следует приведенное ограничение по коэффициенту диффузии. При этом тело еще может счи-гаться бесконечным в направлении оси х. Максимальная эффек-гивность массообмена, которая может быть достигнута при условии т^О, 1, составляет 36%.

В тех случаях, когда требуется получить большие степени мас-:ообмена или т>0,1, необходимо учитывать форму деталей, из которых выделяется или поглощается газ. Для этого нужно искать решение задачи (10.4) при новых граничных условиях. Для деталей типовой формы — шара, пластины, цилиндра — такие решения имеются в специальной литературе.

Диффузионное газовыделе-ние сильно зависит от рода материала и его предварительной обработки. Конструктивным способом борьбы с диффузионным газовыделением является выбор материалов, предварительно прошедших обезгажи-вание при высокой температуре (более 1000°С) в печах вакуумного или водородного отжига. Для материалов, не допускающих высокотемпературной обработки, используется их охлаждение в процессе работы.

Рассмотренный случай газовыделения или газопоглощения относится к деталям, расположенным внутри вакуумной камеры. Для стенок вакуумной камеры кроме нестационарного диффузионного газовыделения из объема материала наблюдается газопроницаемость— дополнительный поток, являющийся следствием разности давлений газа в объемах, разделяемых перегородкой.

Решение задачи можно записать в функции безразмерного времени x~Dt²lh²:

Тогда скорость газопроницаемости в момент времени г