Типовые схемы вакуумных установок

Среди большого количества вакуумных систем, используемых в производстве и научных исследованиях, можно выделить несколько типовых систем, предназначенных для получения низкого, среднего, высокого и сверхвысокого вакуума. Для принципиальных схем вакуумных установок пользуются условными обозначениями элементов вакуумных систем, приведенными в табл. ПЛЗ.

Вакуумная система для получения низкого вакуума (рис. 9.15) обеспечивает в вакуумной камере рабочее давление от 10⁵ до 10¹ Па. Тип насоса 1 выбирают по предельному давлению (табл. 9.7) и составу остаточных газов (рис. 9.16) современных низковакуумных насосов.

Таблица 9.7

Основные характеристики насосов для получения низкого вакуума

Типы иасосов	Обозначение	Предельное давление, Па	Быстрота действия, м’/с
Центробежный	эп	Ю5… ю4	10~3… 10-2
Воздухоструйный	ввн	2-Ю3	10-’… 10~2
Водоструйный	вви	2-103	10~3… ю-2
Водокольцевой насос	вкн	2-103… 104	io-2 …8-Ю-1
Вращательный многопла-
стинчатый	ДРВН	5-Ю2	5 -10-2… 10°
Вращательный масляный	вн	5-10°… 2-103	ю-3… 10-1
Криоадсорбционный	АН	105… 10°	ю-3… ю-‘

Для повышения надежности, а также в случае применения криоадсорбционного насоса, способного поглотить ограниченное количество откачиваемого газа, элементы схемы 1, 2, 5 дублируются. Дополнительные элементы показаны на рис. 9.15 пунктиром.

Клапан 2 позволяет выровнять давления на входном и выходном патрубках насосов с рабочей жидкостью во время их остановки или выпустить в атмосферу газ, десорбируемый при отогреве криоадсорбционного насоса.

Предохранительная камера 3 используется для механических насосов и представляет собой ловушку для паров рабочей жидкости насоса или балластный объем, предотвращающий аварийное проникновение в вакуумную камеру рабочей жидкости насосов. Для насосов других типов не используется. Манометр 4 позволяет в случае необходимости определить работоспособность вакуумного насоса. Клапан 5 отключает вакуумную камеру от насоса после достижения в ней рабочего давления и позволяет дросселировать процесс откачки, предотвращая перегрев механических насосов во время работы при высоких давлениях.

Вакуумная камера 6 может иметь необходимое количество вводов движения 7 и электрических вводов 8. Манометр 9 регистрирует рабочее давление в вакуумной камере и может быть использован для определения при открытом клапане 5 эффективной быстроты откачки насоса и при закрытом клапане 5 — быстроты суммарного газовыделения и натекания в вакуумной камере. Клапан 10 предназначен для напуска воздуха в вакуумную камеру. В процессе наладки установки к клапану 10 может подключаться течеискатель.

В случае необходимости регистрации парциальных давлений всех газов, присутствующих в вакуумной камере, через клапан 11 подключается газоанализатор 12. Вспомогательная вакуумная система 13 необходима для снижения давления анализируемой смеси газов, так как современные вакуумные газоанализаторы могут работать при общем давлении не выше 10^-1 Па.

Коэффициент использования насоса выбирают в соответствии с методикой, изложенной в 9.5. Стоимость участка вакуумной системы между насосом и откачиваемым объектом зависит от числа последовательно соединенных элементов. На рис. 9.17 приведены значения оптимальных коэффициентов использования насоса в зависимости от требуемой эффективной быстроты откачки для различного числа элементов на участке вакуумной системы между насосом и откачиваемым объектом.

Вакуумная система для получения низкого и среднего вакуума (рис. 9.18) имеет два вакуумных насоса. Насос 7 обеспечивает получение среднего вакуума, а насос 1 создает предварительное разрежение. В качестве насоса для получения среднего вакуума могут применяться двухроторные, пароэжекторные и адсорбционные насосы (табл. 9.8). Насос 1 должен обеспечивать получение низкого вакуума. Быстрота действия и предельное давление насоса предварительного разрежения должны быть согласованы с характеристиками насоса для получения среднего вакуума. Оптимальные значения коэффициентов использования двухроторных насосов в зависимости от эффективной быстроты откачки и числа последовательно соединенных элементов приведены на рис. 9.19.

При остановке насоса 1 (рис. 9.18), закрывая клапан 2 и открывая клапан 3, можно выравнять давление на его входном и выходном патрубках. Манометр 4 необходим для проверки работоспособности насоса /. Отражатель 5 предотвращает проникновение паров рабочей жидкости насоса 1 в насос 7 и вакуумную камеру 11. Клапаны 6, 18, 19 позволяют работать в режимах «прямой» и «обходной» откачки, соответствующих прохождению

Основные характеристики насосов для получения среднего вакуума

Типы насосов	Обозначение	Предельное давление, Па	Быстрота действия. м3/с
Двухроторный	двн	5-Ю-3	5-Ю-3 …5
Бустерные пароструйные	БН	5-Ю-1	0,45… 15
Криоадсорбционные	АН	10°… 10-3	10-3… 5

Таблица 9.9

Основные характеристики высоковакуумных насосов

Типы насосов	Обозначение	Предельное давление, Па	Быстрота действия, м3/с
Пароструйные	н	io-4… ю-5	5-Ю-3 …40
Турбомолекулярные	тмн	10-6… 10-7	1 10~2… 5
Гетероионные	гин	5-Ю-7	0,45… 4,5

откачиваемого газа через оба насоса или через один насос предварительного разрежения. В последнем случае в откачиваемом объекте обеспечивается получение низкого вакуума.

Манометр 20 позволяет определить эффективность работы отражателя 5, а манометр 8 при закрытом клапане 18 контролирует предельное давление насоса 7.

Вакуумная камера снабжена электрическими 9 и механическими 10 вводами, манометром 12, газоанализатором 13, клапаном 14 для подключения течеискателя и клапанов 15, 17 с гигроско-патором 16 для напуска воздуха в вакуумную камеру. Гигроско-патор 16 предотвращает попадание в вакуумную камеру паров воды, содержащихся в атмосферном воздухе, что существенно сокращает время откачки вакуумной камеры до рабочего давления.

Вакуумная система для получения низкого, среднего и высокого вакуума (рис. 9.20) содержит все элементы предыдущей схемы и дополнительный высоковакуумный насос 7 (табл. 9.9). В качестве высоковакуумного насоса могут применяться пароструйные, турбомолекулярные и гетероионные. Состав остаточных газов пароструйного и турбомолекулярного насосов показан на рис. 9.21. Ловушка 8 (рис. 9.20) предотвращает проникновение паров рабочей жидкости пароструйных насосов в вакуумную ка-„ меру. Для турбомолекулярных и гетероионных насосов ловушка 8 не устанавливается. Клапан 21 коммутирует насос с вакуумной камерой. Манометр 22 позволяет контролировать эффективность работы насоса 7 и ловушки 8 при закрытом клапане 21. Манометры 12 и 13 измеряют давление в вакуумной камере соответственно в области среднего и высокого вакуума. Для обеспечения в вакуумной камере высокого вакуума все насосы включаются последовательно. Если в камере необходимо получить средний вакуум, то насос 26 подключается через клапан 19 к откачиваемому объекту. При этом клапан 24 может быть закрыт. Аналогично, через клапаны 20 и 5 низковакуумный насос непосредственно подключается к откачиваемому объекту или к насосу 26. При работе системы в режиме высоковакуумной откачки газовые потоки очень малы. Это позволяет отключить насос 1 на длительное время и работать на форвакуумный баллон 4. Схему можно упростить за счет сокращения коммутационной аппаратуры 5, 19, 20, 21, 24, однако это значительно снизит производительность работы системы в нестационарных режимах.

Если система предназначена для работы только в области высокого вакуума, то насос 26 с манометром 23 и клапанами 19 и 24 из схемы можно исключить. В этом случае увеличится время откачки вакуумной камеры до рабочего давления. Рекомендации по выбору оптимальных коэффициентов использования высоковакуумных насосов приведены на рис. 9.22.

Вакуумная система для получения сверхвысокого вакуума (рис. 9.23) содержит прогреваемый вакуумный блок 7. Прогрев до 400°С уменьшает газовыделение всех элементов вакуумной системы, непосредственно подключаемых к сорбционному насосу 4. Состав остаточных газов сверхвысоковакуумных систем показан на рис. 9.24. Основные характеристики сверхвысоковакуумных насосов приведены в табл. 9.10.

Камера снабжена несколькими манометрами 9, 10, И, обеспечивающими измерение давления от атмосферного до сверхвысокого вакуума. Манометр 5 контролирует работоспособность насоса 4. Высоковакуумная часть системы собирается на двух насосах: 18 и 1. В качестве высоковакуумного насоса 18 можно использовать пароструйный насос с ловушкой 17 или турбомолеку-

С помощью трубопровода I давление понижается от атмосферного до 10² Па, а с помощью II — от 10² до 5 Па.

Каждый трубопровод откачивается одним механическим насосом. Трубопроводы II и III имеют двухроторные насосы. Резервный агрегат может быть подключен к любому из трех трубопроводов.

Включение и работа централизованной вакуумной системы для откачки вакуумной камеры Vt осуществляются в следующем порядке:

• 1) откачка в течение 2… 3 мин от атмосферного давления через трубопровод I, затвор Di открыт, C_b Ki и закрыты, клапан Bi открыт, высоковакуумные насосы /7; приготавливаются к работе;
• 2) с помощью реле времени производится переключение с трубопроводов I на II, при этом затвор Di закрывается, затвор С открывается, откачка ведется до давления ~5 Па;
• 3) манометрический преобразователь Л4ц, например типа МТ-6, в схеме блокировочного вакуумметра при давлении ~5 Па подключает к установке паромасляный насос 771, при этом затворы Bi и С закрываются, затворы Ei и Ki открываются;

• 4) после того как в объеме получено рабочее давление, паромасляные насосы в помощью манометра М12 переключаются на трубопровод III, при этом затвор £1 закрывается, a Bi открывается.

Для бесперебойной работы централизованной вакуумной системы при аварии могут применяться две защиты: 1) централизованного трубопровода от вакуумных установок; 2) вакуумных установок от централизованного трубопровода.

Первая защита срабатывает от вакуумных реле Мц…..Мщ при давлении в вакуумной установке выше допустимого (для пароструйных насосов ~6… 8 Па); при этом клапаны          автоматически

закрываются. Вторая защита срабатывает от вакуумного реле Рг или Рз, установленного в централизованных трубопроводах, если давление в нем превысит то же самое допустимое значение; при

этом клапаны Bi,…,B_n или Ei…..Е_п автоматически закрываются.

В качестве реле Р₂, Рз, Л4ц,… ,М_п могут применяться манометрические преобразователи, имеющие релейную характеристику.

Централизованные откачные системы в описанном виде рассчитаны на применение высоковакуумных насосов, требующих непрерывного предварительного разрежения. Для высоковакуумных сорбционных насосов централизованная система откачки может работать без трубопровода III.

Если число вакуумных установок не слишком велико или их общий объем соизмерим с объемом централизованного трубопровода, то можно отказаться от трубопровода I. Таким образом, могут применяться двух- и однотрубопроводные централизованные системы откачки.

Экономические соображения позволяют определить целесообразность применения защит при аварии. Если вероятность аварии мала, а ее последствия легкоустранимы, то эксплуатация обеих или одной из защит оказывается нерентабельной.