Производится расчет газовой нагрузки

Расчёт газовых нагрузок.

При вакуумной обработке изделий в процессе откачки устанавливается стационарный газовый поток

Q_стац = Q_nрон + Q_ст + Q_нат+ Q_изд, (5)

где

Q_nрон - поток за счёт проницаемости материалов вакуумной камеры и вакуумпроводов

Q_ст – газоотделение материалов внутренних стенок вакуумной камеры и вакуумпроводов;

Q_нат – поток за счет натекания мест соединения;

Q_изд – поток газа за счет стационарного технологического газовыделения из обрабатываемых деталей.

1.Наиболее существенной составляющей потока газа, поступающего в вакуумную систему, является технологический поток из обрабатываемых изделий Q_изд. Технологическое газообразование зависит от материалов обрабатываемого изделия и способа осуществления технологического процесса (давление насыщенных паров рабочей жидкости). Его можно оценить по формуле

, м³∙Па/с, (6)

где G – масса обрабатываемых деталей, кг;

q_изд – удельное газовыделение из материала обрабатываемых изделий, м³∙Па/кг;

ζ - коэффициент, учитывающий неравномерность процесса газовыделения, обычно ζ = 1,5 – 3.

Поток газов может быть определен в л∙мм рт.ст./с, тогда

, л∙мм рт.ст./с.

Значения величины q_изд удельного газовыделения для некоторых материалов при различных температурахприводятся в (Б.И.Королев, В.И.Кузнецов, А.И.Пипко, В.Я. Плисковский Основы вакуумной техники. «Энергия », М.: 1975.) на стр404 - приложение 17, а также

таблица 1стр.14.

2. Поток газа за счет стационарной проницаемости газов через стенки вакуумной системы, изготовленных из различных материалов или имеющих различную толщину, может быть определен из выражения

, (7)

где k_oi , Q_pi – константа проницаемости и теплота активации для материала i-го элемента вакуумной установки;

F_i и h_i - площадь и половина толщины стенки i-го элемента вакуумной установки;

p₁ и p₂ - давление с внутренней и наружной сторон стенок элементов;

m - число атомов в молекуле газа (Н₂ - 2);

N - число элементов вакуумной системы;

R – 8,31 кДж/к·моль·^○К;

Т – абсолютная температура стенки элемента.

Q_pi = Q_D ± Q_S (Q_D – энергия активации при диффузии, Q_S – энергия активации при растворении) [Л.Н. Розанов Вакуумная техника. § 2.5, стр. 38 - 41].

Таблица 1.Количество газов,

выделяющихся из различных металлов, м ³• Па/кг

Зависимость растворимости газов в металлах от давления представляет собой степенную функцию с показателем степени 1/m. Это связано с тем, что газы растворяются в металлах в ато­марном состоянии и перед растворением происходит диссоциация молекул на атомы. Например, для кислорода m= 2, а реакция диссоциации имеет вид O₂ ↔ O + O.

(8)

В неметаллах, атомы кристаллической решетки которых связаны между собой ионной или ковалентной связью, растворение газов происходит в молекулярном состоянии. Образуются истин­ные растворы, и зависимость растворимости газов от температуры и давления имеет вид

. (9)

Значения постоянных n ₀ и Q_sхарактеризующих растворимость основных газов в металлах и неметаллах, и значения раствори­мости n приведены в табл. 2.

Абсорбционный процесс растворения газов в твердых телах осуществляется за счет диффузии молекул газа в кристаллическую решетку или по границам зерен. Диффузионный поток пропорцио­нален градиенту концентрации. Так как для стационарного газо­вого потока через стенку толщиной 2hградиент концентрации dn / dx = (n₁ – n₂) / 2h , то

(10)

где q— число молекул, проходящих в единицу времени через еди­ницу площади поперечного сечения в направлении оси х; D — коэффициент диффузии; n₁ и n₂ — концентрации газа на границах стенки.

Таблица 2.Растворимость газов в твердых телах стр 39

Абсорбент	Диапазон температур, оС		Qs · 10-6 Дж/кмоль
Водород
α – Fе	300 ...900	0,17	I 55,7
Γ - Fе	900... 1400	0,20	50,6
 - Fе	1400... 1540	3,25	12,9
Ni	200... 1400	0,10	24,7
Нержавеющая сталь (18% Сг, 8% N1)	400 ...600	0,06	19,7
Сu	400... 1000	0,18	76,7
Мо	420... 1095	0,03	58,7
А1	25... 690	Практически не растворяется
Pt	400... 1300	0,60
Ag	400 ...900	0,02	49,9
Pd	300 ...1200	0,15	9,63
	Азот
Си, Аg	20 ...400	Не растворяется
Мо	936 ...2400	1,92
W	1200... 2400	1,09
	Кислород
Fе	800 ..Л 000	0,20	17,5
Сu	600... 1050	0,24	33,5

При повышении температуры коэффициент Dсильно возрас­тает:

(11)

Здесь Q_D — энергия активации при диффузии; m— число атомов в молекуле газа для металлов, для неметаллов m = 1; D₀— коэф­фициент пропорциональности, не зависящий от температуры.

Значения D₀ и Q_D при диффузии газов в конструкционных ма­териалах, приведенные в табл. 3, нужно рассматривать как ­ при­ближенные в связи с тем, что на них влияют внутренние напря­жения в материале. В тех случаях, когда диффузия происходит в основном по

Растворимость s некоторых газов вметаллах (Королев стр398)

Таблица 3. Коэффициенты, характеризующие диффузию газов в металле

Коэффициенты	O2	N2	CO	С
-Fe	Ni	Fe	-Fe	Ni	Ni
D0 10 7, м2/с   QD 10 6, Дж/кмоль	3,9 ·10-5 83,8	1,9 ·10 -2	28,5		5,4

Коэффициенты диффузииD некоторых газоввметаллах (Королев, к таблице 3)

Таблица 4. Коэффициенты газопроницаемости

вакуумных материалов (К_о)

Материалы	n	K0	Qp·10-3
Водород
Fе Ni Pd Сu Рt Аl Каучук Кварц		1,4∙10-4 3,0∙10-3 1,2∙10-3 2,0∙10-4 1,0∙10-3 3,6∙10-2 5,1∙10-5 2,2∙10-10 2 Азот	80,4 88,8 15,1 28,9 36,0
Fе Каучук Резина: ИРП-1015 ИРП-1368 ИРП-2043		3,8∙10-4 1,5-10-5   3,0-10-7 0,9∙10-3 2,3∙10-4 1,0∙10-8 1,3∙10-5 Кислород	27,2   26,0 51,5 49,9 8,80 42,3
Аg Каучук		3,4∙10-3 1,0∙10-5 Оксид углерода	31,4
Fе		1,1∙10-4 Гелий
Пирекс Каучук Кварц		2,3∙10-10 1,5∙10-6 32∙10-10	20,1 27,2 22,8

границам зерен и дефектам упаковки, необходимо дополнительно

учитывать характер механической обработки, раз­меры и ориентацию кристаллов.

Подставляя в (11) выражение для D и n из (9 - 10), получим выражение для газопроницаемости металлов

Таблица 4.1 Проницаемость Р металлов для некоторых газов

,

где K₀ = D₀S₀— константа проницаемости. Коэффициенты газопроницаемости вакуумных материалов представлены в таблице 4.

Газопроницаемость возрастает при уменьшении толщины стенок и повышении их температуры.

3.Диффузионное газовыделение имеет нестационарную природу, но для большинства газов и материалов постоянная времени этих процессов настолько велика, что они могут рассматриваться как

стационарные.

Газовый диффузионный поток определяется

Q_д= , (12)

где F_i – площадь поверхности i-го элемента;

q_i - удельное диффузионное газовыделение материалов i-го элемента вакуумной системы, таблица 5;

N - число элементов вакуумной системы;

Таблица 5. Удельное диффузионное газовыделени конструкционных

материалов при комнатной температуре стр.199

4. Натекание по разборным и неразборным (места сварки) соединениям элементов вакуумной системы оценивается по формуле

, (13)

где К_В - вероятность существования течи, K_В » 0.2;

N – число соединений.

Q_ти - минимальный поток, который может быть зарегистрирован течеискателем;

m – число одновременно проверяемых соединений, обычно m = N, тогда

Q_нат = К_вQ_ти. (14)

Q_ти = 10^-5 – 10^-11 [м³Па/с] , см. таблицу 6.

В проектировочных расчетах его значение принимается постоянным в течение всего времени стационарного режима откачки и выбирается величиной по аналогии со сходными по назначению вакуумными системами

Таблица 6. Потоки газов, регистрируемые течеискателями

Итак,

Q_стац = Q_nрон + Q_ст + Q_нат+ Q_изд.

ВЫБОР РЕЖИМОВ ТЕЧЕНИЯ ГАЗА

Устройство вакуумной системы зависит от особенностей технологического процесса, типа насосов, наличия арматуры и т. д.

Элементы вакуумных систем размещаются в вакуумных установках в соответствии с требованиями технологического процесса, удобства эксплуатации, ремонта и т. д. Связь между ними осуществляется при помощи соединительных эле­ментов — трубопроводов.

Номинальный диаметр отверстия в трубопроводе назы­вается

условным проходным диаметром и обозначается Д_у. Размеры условных диаметров регламентируются ГОСТ 18626—73.

По назначению трубопроводы разделяются на соедини­тельные, распределительные и ответвления. Длина трубопро­вода обычно назначается из конструктивных соображений, связанных с удобством размещения элементов. Диаметр тру­бопровода определяется при проектировочном расчете, исходя из требований его пропускной способности.

Пропускная способность трубопровода — это отношение потока газа, проходящего через трубопровод, к разности дав­лений на его концах.

При расчете и конструировании вакуумных систем боль­шое значение имеют правильно выбранные размеры соедини­тельных трубопроводов.

Режимы течения газа

Производя расчет вакуумных систем, необходимо учитывать режим течения газа по трубопроводу.

В вакуумной технике различают три основных режима: вязкостный, молекулярно-вязкостный и молекулярный, харак­терные соответственно для низкого, среднего и высокого ва­куума.

При вязкостном режиме течения в поперечном сечении трубопровода существует постоянное распределение скоростей движущегося газа, определяемого силами внутреннего трения в газах. Молекулярный режим течения можно рассматривать как движение отдельных молекул, не связанных друг с дру­гом. Промежуточный режим - молекулярно-вязкостный - учитывает особенности обоих названных режимов течения газа.

Границы существования режимов течения газа опреде­ляются по величине критерия Кнудсена – к_н - отношению средней длины свободного пути моле­кул газа кк диаметру трубопровода d.

.

Таблица 3.Длина свободного пробега молекул газа (Королев, стр 384)

Газы	р Т
Н2	11,04	12,26	8,39	9,31
Не	17,53	19,36	13,32	14,72
Ne	12,42	13,75	9,44	10,45
Воздух	5,98	6,20	4,54	5,09
О2	6,33	7,10	4,81	5,40
Аг	6,20	6,67	4,71	5,31
СО2	3,88	4,40	2,95	3,34
Кг	4,85	5,34	3,69	4,06
Хе	3,47	3,93	2,64	2,98
N2	5,99	—	-	-

Длина свободного пробега молекул газа может быть рассчитана с помощью выражения

, м · Па (22)

где - диаметр молекул газа (Таблица 3); n₀ – концентрация молекул газа при давлении газа р₀=1 Па и температуре Т = 273 К, , м.

Таблица9.Средняядлина свободного пути

молекулгазовпридавлении 1 Па (Розанов, стр. 21)

Таблица 10. Характеристики молекул некоторых газов

Если взаимные столкновения между молекулами газа преобладают над столкновениями молекул со стенками, т.е. l << d , то критерий Кнудсена Kn << 1 , а точнее Kn £ 5×10^-3 , то такой вакуум называется низким и режим течения газа в вакуумпроводе вязкостный. Если критерий Кнудсена Kn ³ 1,5 , то вакуум называется высоким и режим течения газа в вакуумпроводе молекулярный. И если критерий Кнудсена 5×10^-3 < Kn < 1,5 , то режим течения газа в вакуумпроводе молекулярно-вязкостный.

При расчете вакуумных систем в условиях стационарного потока приходится, в первую очередь, устанавливать связь между тремя основными характеристиками вакуумной систе­мы: быстротой действия насоса S_н, быстротой откачки объек­та S₀ и пропускной способностью вакуумной системы между насосом и откачиваемым объектом U.

Поиск по сайту: