2. Задание

• изучить вакуумную систему установки;

• нарисовать схему вакуумной системы;

• расписать последовательность получения высокого вакуума.

Лабораторная работа №2 «Определение коэффициента использования механического насоса»

Цель работы: оценить влияние длины трубопровода на коэффициент использования механического насоса.

1. Теоретические основы

Быстротой откачки объема или эффективной быстротой от­качки S_o называется объем газа, поступающий в единицу времени из сосуда в трубопровод при данном давлении Р в откачиваемом объеме. По определению , при данном давлении Р в сосуде.

Быстротой дейст­вия вакуумного насоса S_H при данном впускном давлении Р_н на­зывается объем газа, поступающий в работающий насос в едини­цу времени при этом давлении.

По аналогии с S₀ и S_Н можно говорить, что быстрота дейст­вия откачки вакуумной системы в любом сечении трубопровода S_i = dV_i/ dt при давлении Р_i причем dV_i, — объем газа, проходя­щий через сечение трубопровода за промежуток времени dt и из­меряемый при том же давлении Р_i.

Поскольку в вакуумной системе отсутствуют натекания и газовыделение, то количество газа Q_i протекающего в единицу времени в любом сечении трубопровода, может быть определено как произведение давления Р_i в этом сечении на объем газа S_i проходящего через него в единицу времени:

Это количество газа принято называть потоком газа в дан­ном сечении трубопровода. Обычно поток газа измеряется в сле­дующих единицах: pV/t = м³Па/с

Поток газа, протекающий во входном сечении вакуумного насоса, Q_H называется производительностью насоса при данном впускном давлении P_н.

Так как во всех сечениях трубопровода, соединяющего от­качиваемый сосуд с насосом, поток газа Q_i одинаков, то можно записать:

При расчетах ваку­умных систем чаще пользуются величиной проводимости трубо­провода U:

.

Проводимость U измеряется обычно в м³/с или л/с. Тогда для любой разности давлений (р₁-р₂) поток определится как: Q=U(p₁-p₂).

Установим взаимосвязь между тремя параметрами вакуум­ной системы: S₀, S_H и U. Из уравнения (1) получаем: S₀=Q/p₁, S_H=Q/p₂

Получаем основное уравнение вакуумной техники:

Введем в основное уравнение коэффициент использования насоса

Режимы течения газов по трубопроводам

Во время откачки вакуумной системы давление газа в ней обычно уменьшается, и одновременно с этим меняются режимы течения газа в трубопроводах. В вакуумной технике различают три режима течения газов по трубопроводам:

Вязкостный, молекулярный, молекулярно-вязкостный.

Вязкостный режим течения наблюдается в низком вакууме, когда длина свободного пробега молекул газа λ много меньше диаметра трубопровода d (λ << d). В этих условиях число столк­новений между молекулами намного превышает число ударов о стенки. Газ в целом движется с различной скоростью по попереч­ному сечению трубопровода.

Молекулярный режим течения газа имеет место в условиях высокого вакуума, когда длина свободного пробега λ много больше диаметра трубопровода d (λ >> d). В этом случае моле­кулы практически не взаимодействуют друг с другом, а сталки­ваются только со стенками трубопровода.

Молекулярно-вязкостный режим реализуется при среднем вакууме (λ ~ d), когда длина свободного пробега молекул газа соизмерима с диаметром трубопровода.

Для определения режимов течения газа используются кри­терии Кнудсена.

1) Молекулярный режим течения газа имеет место, когда .

Па*м

2) Для вязкостного режима должно выполняться условие , что соответствует Па*м

3) Молекулярно-вязкостный режим будет иметь место при условии

Па*м

Проводимость трубопроводов зависит от его геометрии и режимов течения газов. Для трубопроводов круглого сечения имеем:

- вязкостный режим течения газов (воздух при 293 К):

,

где d,l - диаметр и длина трубопровода, м;

- среднее давление газа в трубопроводе.

U_В — проводимость трубопровода в вязкостном режиме, м³ /с

Среднее давление определяется как ,

где р₁, р₂ – давления на концах трубопровода.

- молекулярный режим течения газа:

,

где М— молекулярная масса, кг/кмоль;

Т— температура газа, К;

d, I — диаметр и длина трубопровода, м;

U_M — проводимость трубопровода в молекулярном режиме,м³ /с.

- молекулярно-вязкостный режим течения газа:

,

Когда не требуется большой точности, то можно принять b =0,9. Формулы справедливы для длинных трубо­проводов при l > d.