Методика ориентировочного расчета вакуумной системы установок для высокотемпературной металлографии » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Методика ориентировочного расчета вакуумной системы установок для высокотемпературной металлографии

15.05.2021

Точный расчет вакуумных систем трудоемкий и очень сложный. Поэтому при проектировании установок для работ в области высокотемпературной металлографии целесообразно проводить хотя бы примерный расчет элементов вакуумной системы.

Вернемся к рис. 39, а, на котором показана принципиальная простейшая схема типовой вакуумной системы установки для исследования металлов при нагреве в вакууме. Основная часть установки — рабочая камера 1 объемом V л, в которой поддерживается остаточное давление P0 = 1*10в-5 мм рт. ст. Эта камера цилиндрическим патрубком 2 соединяется с пароструйным насосом 3. Патрубок имеет внутренний диаметр D1, длину L1 и обладает определенной пропускной способностью C1 л/сек. Для максимального использования скорости откачки вакуумного насоса необходимо выполнять соединительные трубопроводы возможно большего диаметра при наименьшей длине.

При молекулярном потоке основными характеристиками пароструйного насоса 3 являются скорость откачки S1 при заданном давлении P0 и критическое противодавление Pf, при котором может работать этот насос.

Следующий элемент рассматриваемой вакуумной системы — трубопровод 4, соединяющий выходной патрубок пароструйного насоса 3 с ротационным масляным насосом 5. Трубопровод 4 обладает определенной пропускной способностью C2 л/сек, зависящей от его длины L2 и диаметра D2, а также от остаточного давления в этой зоне вакуумной системы.

Основным параметром ротационного насоса является скорость откачки S2 при противодавлении Pf.

Как указывалось выше, в установках для высокотемпературной металлографии допустима скорость натекания до Aq = 1*10в-5 мм рт. ст. л/сек (общее натекание Qн = АqV).

Скорость натекания воздуха должна находиться в следующем соотношении с фактической скоростью откачки пароструйным насосом S' и требуемым разрежением P0:
Методика ориентировочного расчета вакуумной системы установок для высокотемпературной металлографии

Из уравнения (33) получаем при P0 = 1*10в-5 мм рт. ст. и Qн = 10в-4 мм рт. ст. л/сек скорость откачки

В свою очередь величина Sр' может быть найдена из равенства

где С — пропускная способность трубопровода.

При молекулярном потоке пропускная способность трубопровода круглого сечения и большой длины не зависит от абсолютной величины остаточного давления и определяется равенством

Для определения пропускной способности короткого трубопровода необходимо учитывать сопротивление откачке, создаваемое переходом из камеры диаметром D0 в трубопровод диаметром D1. Для молекулярного потока пропускная способность короткого трубопровода может быть вычислена по формуле

Вводя вместо знаменателя формулы (36) коэффициент размера трубопровода а, получаем

В табл. 12 приведено значение а для различных соотношений D и L, вычисленное по формуле (36), а также определенное П. Клаузинтом с точностью до 1 % .

Вернемся к рассматриваемому примеру. При длине трубопровода L = 20 см и диаметре D = 8 см отношение L/D = 2,5. Из таблицы 12 получаем величину а = 0,65. Пропускная способность трубопровода в нашем примере будет составлять

Обычно применяют двухступенчатый пароструйный фракционирующий масляный насос типа ЦВЛ-100, скорость откачки на входном фланце насоса Sp = 140 л/сек, Технические данные этого насоса приведены в табл. 5.

Подставляя найденное значение С, а также величину Sp для выбранного насоса в уравнение (34), находим Sp' = 83 л/сек, что вполне обеспечивает требуемое разрежение при указанном выше натекании в рабочую камеру.

Пароструйный насос ЦВЛ 100 может работать при противодавлении со стороны патрубка, соединяемого с ротационным насосом, не выше P = 5*10в-2 мм рт. ст. Такое разрежение должен обеспечить ротационный насос 5 (рис. 39,а).

Длина соединительного трубопровода L2 между ротационным и пароструйным насосами (из конструктивных соображений) составляет в установках для высокотемпературной металлографии около 50 см при диаметре трубопровода D2 = 1 см. В указанную длину входят вакуумный одноходовой металлический или стеклянный кран, обозначенный на рис. 39, с цифрой 6, диаметр отверстия в пробке которого также равен 1 см.

Применив в рассматриваемой схеме ротационный форвакуумный насос типа ВН-461, имеющий скорость откачки Sф = 0,83 л/сек и обеспечивающий разрежение на входе в насос до 1*10в-3 мм рт. ст., определим влияние соединительного трубопровода 6, снижающего скорость откачки.

Принимая среднее значение давления в трубопроводе 6 равным Pср = 5*10в-3 мм рт. ст., или 5 мк рт. ст., можно определить характер потока, проходящего через трубопровод, подставив значение длины свободного пробега молекул воздуха для данного разрежения (λ = 5/Рмк = 1 см), а также величину диаметра трубопровода D2=1 см в уравнения (26) и (27). Из уравнения (27) следует, что в трубопроводе 6 (в данном случае) возникает молекулярный поток; так как λ меньше 1/3D2, вязкостный поток образоваться не может [поскольку из уравнения (26) следует, что в нашем случае λ значительно больше 1/100D2].

При длине трубопровода L2 = 50 см и его диаметре D2 = 1 см отношение L2/D2 = 50, а коэффициент а = 0,93 (табл. 12). Из равенства (37) определяем пропускную способность этого трубопровода:

По формуле (33) находим фактически необходимую скорость откачки Сф, подставляя величины скорости натекания воздуха в вакуумную систему Qн = 10в-5 мм рт. ст. л/сек и остаточного давления на выходном патрубке пароструйного насоса Рф = 5*10в-2 мм рт. ст.:

Проверяем, насколько удовлетворяет требуемой скорости откачки пропускная способность трубопровода форвакуумной системы и производительность примененного насоса:

Отсюда получаем S'ф = 0,67 л/сек больше 2*10в3 л/сек.

Следовательно, выбранные параметры вакуумной системы вполне обеспечат создание требуемого остаточного давления в рабочей камере.

Для определения пропускной способности трубопроводов для воздуха (при 20 С) при вязкостном и молекулярном потоках можно вместо приведенных выше расчетных формул пользоваться графиками, изображенными на рис. 43 и 44.

На рис. 43 приведены зависимости пропускной способности цилиндрического трубопровода длиной 20—100 см, имеющего диаметр 1, 2 и 4 см при вязкостном потоке. Такие параметры трубопроводов наиболее часто встречаются в лабораторных установках.

Пропускная способность трубопровода при вязкостном потоке зависит от величины остаточного давления. Поэтому на рис. 43 дана пропускная способность при трех значениях давления: при P = 1000 мк (сплошные линии), при P = 100 мк (штрих-пунктир) и при P = 10 мк (пунктирные линии).

Так как при молекулярном потоке (рис. 44) пропускная способность трубопровода не зависит от абсолютной величины остаточного давления, то приводимые на графике данные характеризуют закономерность изменения пропускной способности трубопровода при соблюдении условия существования такого потока (λ > 1/3 D).

При расчете вакуумной системы представляет интерес определение длительности процесса откачки рабочей камеры от атмосферного давления (Pa = 760 мм рт. ст.) до остаточного давления, при котором начинает работать пароструйный насос. Это противодавление составляет, как указано выше, для применяемых нами насосов P2 = 5*10в-2 мм рт. ст.

Время откачки может быть определено из уравнения:

Подставляя в уравнение (38) значение V= 10 л, S'ф = 0,67 л/сек, Pa = 760 мм рт. ст. и P2 = 5*10в-2 мм рт. ст., получим

Время, в течение которого давление в рабочей камере уменьшается вдвое, можно найти из равенства

В нашем примере длительность этого периода составит

В общем виде изменение давления за время t = nt1/2 определяется из равенства

Для обеспечения работы вакуумной системы в условиях, рассматриваемых нами, необходимо уменьшить остаточное давление от атмосферного, равного Pа = 7,6*10в5 мк рт. ст., до противодавления насоса ЦВЛ-100, составляющего Pп = 5*10в-2 мм рт. ст., или 50 мк рт. ст., г. е. примерно в 15 200 раз. Так как 2в14 = 16000, то на основании уравнения (40) затраты времени должны составить t = 14*t1/2. В нашем примере это время равно

При присоединении к рабочей камере объемом V = 10 л пароструйного насоса, имеющего скорость откачки Sр = 140 л/сек, уменьшенную с учетом влияния сопротивления трубопровода до S'р = 15,7 л/сек, снижение давления в рабочей камере вдвое произойдет за время

Соотношение между противодавлением на выходе пароструйного насоса P2 = 50 мк рт. ст. и требуемым разрежением в рабочей камере P0 = 0,1 мк рт. ст. составляет Р2/Р0 = 500 = 2в9. В этом случае теоретически пароструйный насос снизит давление от P2 до P0 за время

Пользоваться приведенным приближенным расчетом времени понижения давления в вакуумной камере можно в том случае, если в системе имеются сухие газы. Если же на стенках вакуумной камеры находятся капельки сконденсированной воды, спирта, бензола и других веществ, обладающих значительной упругостью пара, то остаточное давление в вакуумной системе не будет понижаться до тех пор, пока эти вещества не испарятся и не будут удалены насосами.

Следует отметить, что если вакуумная система длительное время (порядка нескольких часов) остается открытой для доступа атмосферного воздуха, то на стенках адсорбируются и окклюдируются водяные пары, значительно снижающие действительную скорость откачки по сравнению с расчетной. Поэтому следует рекомендовать всегда сокращать до минимума время разгрузки и загрузки рабочей камеры, а после окончания опыта производить откачку, позволяющую оставлять вакуумную систему при низком остаточном давлении во время перерывов в работе.

В рассмотренных выше условиях откачки не учтены неизбежные газовыделения, происходящие при нагреве отдельных частей вакуумной системы, а также изучаемых металлических образцов. Количество выделяющихся при нагреве адсорбированных и окклюдированных газов зависит от размеров нагретых зон, их температуры, физических свойств материала, его предварительной обработки и ряда других факторов и в каждом отдельном случае должно определяться опытным путем.

Нагрев образца обычно начинают после достижения в вакуумной системе определенного разрежения. Скорость нарастания температуры образцов следует выбирать с учетом количества выделяющихся газов, а также быстроты откачки. Для предотвращения значительного повышения остаточного давления в рабочей камере при начале нагрева образца необходимо, чтобы откачивающая система успевала удалять выделяющиеся при этом газы. Снижение остаточного давления можно устранять, регулируя интенсивность нагрева. При прочих равных условиях уменьшение геометрических размеров зоны нагрева, а также размеров образцов вызывает понижение газовыделения и позволяет повысить скорость нагрева. Это необходимо учитывать при проведении опытов, связанных с изучением влияния продолжительности нагрева на изменение строения и свойств исследуемых материалов.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: