Наша сеть партнеров Banwar
Для створення розрідження в будь-якому вакуумному приладі, який зазвичай являє собою скляний або металевий балон, з нього потрібно видалити частину газу.
Для видалення газу необхідно мати в своєму розпорядженні найпростішу вакуумну систему (рис. 1), яка повинна складатися, принаймні, з трьох елементів: откачного кошти 1 (вакуумного насоса), вакуумпровода 2, що з'єднує насос з відкачуваним обсягом, і відкачуваного обсягу 3 .
До початку відкачування тиск у всіх її частинах однаково і газ в цілому залишається нерухомим. Включення відкачує пристрою, робота якого заснована на принципі безперервного викидання порцій газу через випускний патрубок 4 в атмосферу, приведе до того, що на місце видаленого газу буде безперервно надходити газ по вакуумпровода з відкачуваного об'єкта, і кількість його в системі буде безперервно зменшуватися. Оскільки обсяг системи і температура газу залишаються незмінними, то зменшення його кількості викличе зниження тиску, величину якого можна визначити, застосувавши рівняння Менделєєва Клапейрона
, 
де Р0, Pi і N0, N1 - початковий і кінцевий тиску і кількості молекул в відкачувати обсязі.
Зниження тиску, що описується виразом (1), відповідає статистичному станом, коли з вакуумної системи видалено N0 - N1 молекул газу. Але так як процес відкачування йде безперервно, в вакуумпровода у вхідного патрубка вакуумного насоса тиск P1 буде нижче, ніж тиск P2 на іншому його кінці у відкачуваного об'єкта. Отже, в динамічному режимі (процес відкачування не припиняється) на кінцях вакуумпровода створюється і підтримується різниця тисків P2 - P1, яка називається рушійною різницею тисків. Вона виникає через те, що вакуумпровод чинить опір потоку газу, подібно опору провідника електричного струму. Тому рушійну різниця тисків по формальної аналогії з законом Ома можна назвати падінням тиску уздовж вакуумпровода.
Ввівши поняття потоку Q як кількості газу, що проходить через поперечний переріз вакуумпровода за одиницю часу, опір вакуумпровода R можна виразити через параметри Q і P2 - P1
Однак у вакуумній техніці зручніше користуватися не опором вакуумпровода, а величиною, зворотної опору, яку називають пропускною спроможністю або провідністю U. Тоді
Таким чином, пропускна здатність характеризується кількістю газу, що протікає через будь-який перетин вакуумпровода за одиницю часу при рушійною різниці тисків, що дорівнює одиниці. Пропускна здатність залежить від режимів течії газу і геометричних розмірів трубопроводу.
Для кількісної характеристики ступеня поліпшення вакууму в откачиваемой системі користуються такими параметрами, як швидкість дії насоса Sh і швидкість відкачки обсягу S0.
Швидкість дії насоса визначається обсягом газу, що надходить в одиницю часу з вакуумпровода в насос при впускному тиску P1 тобто .: 
де dVH - нескінченно малий обсяг газу, що входить в насос при тиску P1 за нескінченно малий проміжок часу dx. Перехід до нескінченно малим dVH і dx пов'язаний з тим, що швидкість дії більшості вакуумних насосів залежить від тиску, яке в свою чергу змінюється в часі, а знак мінус у виразі (4) означає процес розрідження, а не стиснення газу.
У вакуумпровода з опором R швидкість зниження тиску у відкачуваного об'єкта буде менше, ніж біля входу в насос. Отже, ефективність насоса не буде повністю використовуватися, тому доводиться вводити поняття швидкості відкачки обсягу S0. За аналогією з рівнянням (4) можна записати: 
Цей вислів також описує зміна обсягу газу, що надходить за одиницю часу з відкачуваного об'єкта в вакуумпровод при тиску P2 в відкачувати обсязі. Параметри Sh і S0 вимірюються в см3 / с, л / с і т.п.
Кількість газу, що проходить через будь-який перетин вакуумпровода за одиницю часу, є величина постійна. Тому кількісно потік Q може бути записаний у вигляді: 
де P - тиск газу в будь-якому перетині вакуумпровода; V - об'єм газу, що проходить через той же перетин за час x.
Застосувавши рівняння (6) до перетину вхідного патрубка насоса, отримуємо:
Можна також ввести поняття швидкості дії вакуумної системи S в будь-якому її перетині, де виміряна тиск P. Тоді аналогічно рівнянню (7)
З виразу (8) випливає, що, знаючи
потік газу Q, можна визначити швидкість відкачує дії в будь-якому перетині вакуумної системи, якщо відомо тиск в цьому місці. Скориставшись виразами (3) і (8), знаходимо: 
Віднімаючи з першого рівності друге і вирішуючи щодо 1 / S0, отримаємо основне рівняння вакуумної техніки 
де U - пропускна здатність вакуумпровода, що з'єднує насос з відкачуваним обсягом. Рівняння (10) показує наскільки фактична швидкість відкачування S0 відрізняється від швидкості дії насоса Sh, яка мала б місце за відсутності вакуумпровода.
Основні параметри вакуумних насосів
Найбільший тиск запуску Рз - тиск у вхідному перетині вакуумного насоса, при якому насос може почати роботу. За цим параметром все насоси можна поділити на дві великі групи:
а) насоси, які відкачують пари і гази з обсягу з початковим атмосферним тиском; до них відносяться механічні вакуумні, пароежекторниє, водоструминні і подібні до них насоси;
б) насоси, які для своєї роботи вимагають попереднього розрідження всій вакуумної системи, включаючи і сам насос; до них відносяться молекулярні, сорбційні та інші насоси.
Попереднє розрідження для цих насосів зазвичай створюється насосами першої групи, для яких найбільший тиск запуску P3 дорівнює атмосферному. Для зручності експлуатації насосів другої групи їх часто об'єднують в агрегати з насосами першої групи.
Найбільше випускний тиск Рвих - тиск у вихідному перерізі вакуумного насоса, при якому насос ще може нормально працювати. Цей параметр особливо важливий для високовакуумних дифузійних насосів , У яких перевищення найбільшого випускного тиску 10 - 1 Па може привести до руйнування парового струменя і заносу великої кількості пара в відсмоктується обсяг. Відзначимо, що найбільше випускний тиск дифузійних насосів практично збігається з найбільшим тиском запуску.
Граничне залишковий тиск Рпр - гранично низький тиск, що досягається насосом при роботі без навантаження, тобто коли на вхід насоса не надходять ззовні гази або пари.
Неможливість нескінченного зниження тиску обумовлена тим, що в кожному реальному насосі завжди існує зворотний потік газів і парів з боку випускного патрубка на вихід насоса. Зворотний потік може складатися з пари робочої рідини, газів, що виділяються з конструкційних матеріалів, і газів, натекает з навколишнього середовища через нещільності. Зі зниженням тиску потік відкачуваного газу в насосі зменшується, в той же час зворотний потік залишається практично незмінним; тому настає момент, коли ці потоки стають однаковими і тиск на вході насоса перестає знижуватися. Це і є граничне залишковий тиск, що досягається насосом.
У більшості насосів при досягненні залишкового тиску, крім залишкових газів, на вході є і конденсуються пари, в зв'язку з чим розрізняють повне залишкове тиск, тобто суму парціальних тисків залишкових газів і парів, і тиск залишкових газів.
Контроль основних параметрів вакуумних насосів
При виготовленні та експлуатації вакуумних насосів виникає необхідність в періодичній перевірці основних експлуатаційних параметрів насосів. Вимірювання параметрів зазвичай проводять на випробувальній установці, яка містить, крім випробуваного насоса, вимірювальну камеру, засоби вимірювання тиску, потоку і складу газу, а також необхідну комутуючу апаратуру.
Повний граничне залишковий тиск газу і парів вимірюють зазвичай у насосів об'ємної дії. Для цього проводять відкачку вимірювальної камери до тих пір, поки в ній встановиться, так зване рівноважне тиск, тобто такий тиск, який потім протягом наступних 3 годин зміниться не більше ніж на 10%.
Це усталене рівноважний тиск і приймається за граничне залишковий тиск насоса.
Вимірювання граничного залишкового тиску газів у насосів інших типів проводиться аналогічним чином з тією лише різницею, що перед манометричним перетворювачем, як правило, встановлюють азотну пастку і до вимірювань проводять знегажування насоса і вимірювальної камери.
Слід також особливо підкреслити, що часто виникають помилки у вимірі граничного залишкового тиску, пов'язані з малою провідністю трубопроводу, що з'єднує вимірювальну камеру з манометричним перетворювачем. Зазвичай ця провідність повинна бути не менше 50 л / с, однак, у всіх випадках краще використовувати манометричні перетворювачі відкритого типу.
Вимірювання швидкості дії насосів проводиться наступними методами:
а) Метод постійного обсягу
Розглянемо спочатку теоретичний насос, тобто такий насос, для якого швидкість дії не залежить від тиску. Нехай за малий проміжок часу dx з обсягу V в робочу камеру насоса перейде елементарний об'єм газу dVH, а тиск зменшиться на величину dP. Оскільки температура всієї системи залишається незмінною, то, застосовуючи закон Бойля-Маріотта, отримуємо диференціальне рівняння
яке після множення і ділення лівої частини на dx перетвориться до виду:
Однак швидкість дії реальних насосів є функцією тиску і тільки для обмеженого інтервалу, довжина якого залежить від типу обраного насоса, є постійною. 
Друга особливість вакуумних насосів полягає в тому, що при граничному вхідному тиску швидкість дії їх стає рівною нулю. Це можна пояснити двома причинами: наявністю механічних дефектів конструкції (негерметичність, шкідливі простору - порожнини, розташовані поблизу впускного і випускного отворів, з яких газ при відкачці не видаляється, і т.д.) і присутністю в насосі парів робочих рідин і мастил.
Досліджуючи закон зміни тиску в обсязі V при відкачці реальним насосом (рис. 3), можна строго користуватися виразом (14) і (15) в інтервалі Ра - Рб (рис. 4), в якому Sh залишається величиною постійною. Що стосується ділянок, що примикають до області аб, то тут слід вводити поняття про середню швидкість дії насоса на невеликих інтервалах зміни тиску. Якщо моментам часу τ1 і τ2 відповідають тиску P1 і P2 (рис. 3), то середню швидкість дії насоса в цьому інтервалі слід обчислювати за формулою
де Pnp - граничний тиск насоса.
Визначення швидкості дії насоса за формулою (16) називається методом постійного обсягу і зводиться до зняття експериментальних залежностей P = f (x). Для цього відсмоктується обсяг з манометром приєднують безпосередньо до вхідного патрубка насоса без проміжних вакуумпровода.
Так як Sh змінюється зі зміною Р, найбільш зручно визначати величини Sh з графіка залежності lnP = f (x) шляхом знаходження тангенса кута нахилу дотичної до отриманої кривої (рис. 5).
визначають графічним шляхом. Знайдена в такий спосіб величина Sh називається диференціальної швидкістю дії і характеризує продуктивність вакуумного насоса в будь-який момент часу.
З розглянутого вище випливає, що метод постійного обсягу придатний в тих випадках, коли мова йде про визначення швидкості дії насосів, що не володіють великою продуктивністю.
б) Метод постійного тиску
Для високопродуктивних насосів метод постійного обсягу непридатний, тому що виникають серйозні труднощі в отриманні експериментальних залежностей P = J (x). Від цього недоліку вільний метод постійного тиску, при якому вимірюють потік газу, напускає в вимірювальну камеру, і потім по відповідним співвідношенням визначають швидкість дії насоса. Залежно від очікуваної продуктивності насоса застосовують різні методи вимірювання потоку газу. Для цього відкачують вимірювальну камеру до тиску 0,1 Ph (Ph - тиск, при якому потрібно виміряти швидкість дії). Потім за допомогою натекателем напускають в вимірювальну камеру газ до встановлення тиску Ph і вимірюють при цьому одним із способів потік напускає газу.
Таким чином, швидкість дії насоса при даному тиску визначають за формулою
де Ph - тиск у вхідному перетині насоса.
Встановлюючи натекателем різні тиску Ph в вимірювальній камері і вимірюючи при цьому потік напускає газу, знімають таким чином залежність швидкості дії насоса від впускного тиску Sh = J (Ph).
Методи вимірювання потоку розрідженого газу
Один з найважливіших параметрів вакуумної системи - тиск визначається балансом потоків надходить і відкачуваного газів.
Тому при проведенні різних процесів у вакуумі важливо знати потік відкачуваних газів, тим більше що потік є до певної міри характеристикою якості знегажування або стану поверхні вакуумної системи.
Похибка вимірювання потоку розрідженого газу зазвичай становить від 50 до 100% і багато в чому обумовлена сорбційно-десорбціонную процесами і похибкою визначення розрахункових величин тиску.
а) Метод каліброваного потоку
При реалізації цього методу в робочий об'єм вакуумної системи вводять потік газу Qk, значення якого відомо, а парціальний склад відповідає складу газу, що виділяється з джерела 1. Для визначення потоку з джерела 1 проводять два вимірювання тиску: з підведеною потоком (P2) і без нього (Pi).
Якщо ефективна швидкість відкачки So в місці установки манометричного перетворювача 2 залишається постійною, то на підставі рівнянь:
отримаємо
де Q - потік газу з джерела 1; Qk - відомий вводиться потік газу; P1 - тиск в системі до введення в неї потоку; P2 - тиск в системі після введення в неї потоку.
Сталість ефективної швидкості відкачки перевіряється шляхом повторного вимірювання при іншому значенні вводиться потоку Qk. Якщо виявиться при цьому, що величина вимірюваного потоку Q не змінилася, то це означає, що ефективна швидкість відкачки не змінилася і відліки потоку достовірні.
б) Метод калібрувального опору і двох манометричних перетворювачів
Для вимірювання потоку газу в трубопроводі встановлюють калібрований опір (капіляр, діафрагму) 3 з відомою провідністю. При русі газу на калібрувальному опорі 3 виникає різниця тисків, яка вимірюється за допомогою манометричних перетворювачів 1 і 2, що встановлюються по обидві сторони від опору.
де U - провідність опору 3; P1 - тиск газу, виміряний перед опором перетворювачем 1; P2 - тиск газу, виміряний після опору перетворювачем 2.
Як калібрувального опору найбільш часто використовують тонкі перегородки, в яких робиться кілька отворів. Товщина стінки перегородки повинна бути не менше ніж в 20 разів менше діаметра отворів в ній, яке в свою чергу має бути в стільки ж разів менше розміру трубопроводу.
Описані вище методи застосовують для вимірювання невеликих потоків газів (менше 10-3 м Па / с). Для вимірювання середніх за величиною потоків може бути рекомендований наступний метод.
в) Метод ртутної краплі
До вхідного патрубка насоса 1, швидкість дії якого потрібно визначити, приєднується обсяг 2 з манометром 3 і трубка невеликого перерізу з регульованим натекателем 4. Вхід натекателем 4 повідомляється з атмосферою через капіляр 5 і кран 6. При працюючому насосі і відкритому крані 6 натекателем можна відрегулювати таку кількість що надходить в насос повітря, щоб манометр 3 показав необхідний стабільний тиск Р. Потім в трубку 5 впускается крапля ртуті, кран 6 закривається і з цього моменту часу τ1 крапля ртуті починає своє переміщення. Перекривши натекатель 4 або з'єднавши систему краном 6 з атмосферою, зупиняють переміщення ртуті в трубці 5.
Знаючи діаметр трубки d і відзначаючи відстань I, яке крапля ртуті пройшла, за час τ2 - X1, обчислюють об'єм газу V откачанного насосом з трубки 5 при атмосферному тиску. На підставі рівності потоків газу в трубці 5 при атмосферному тиску і в будь-якому перетині обсягу 2 при тиску Р маємо
Недолік цього методу пов'язаний з використанням ртуті, через токсичність якої потрібно мати спеціальне обладнання і суворо дотримуватися правил техніки безпеки.
Дозування потоків більше 0,2 м Па / с можна проводити за допомогою ротаметрів, в яких використовується опір руху потоку газу, що створюється поплавком, що знаходяться у вертикальній конічної трубці.
Обертальні пластинчасті насоси
Свою назву пластинчасті насоси отримали з-за наявності в їх конструкції пластин, які в одному типі насосів обертаються разом з ротором (пластинчато-роторні), а в іншому - розташовані в статорі (пластинчато-статорні насоси).
Пластинчато-роторний насос складається з циліндричного ротора 2 (рис. 6), вісь обертання якого розташована ексцентрично відносно осі статора 1 так, що ротор і статор торкаються один одного в верхній точці по котра утворює. Ротор по діаметру має проріз (отвір), в яку поміщені дві пластини 6 і 7, що притискаються до циліндричної поверхні статора пружиною 8. Крім того, в корпусі статора є вхідні
Обсяг 3, розташований з боку вхідного отвору, називається порожниною впуску; обсяг 4, відокремлений пластинами від вхідного і вихідного отворів - порожниною перенесення і обсяг 5 - порожниною випуску.
При обертанні роторів в напрямку стрілки, обсяг порожнини 3 збільшується і відбувається всмоктування газу, а порожнину випуску зменшується, що призводить до стиснення газу і виштовхування його назовні. Після того як пластина 6 пройде випускний отвір, порожнина перенесення стає порожниною випуску, а всмоктування ще триває. Коли ж пластина 6 пройде загальну творчу і вихідний отвір, порожнина всмоктування переходить в порожнину перенесення і процес починається заново.
Обсяги, розташовані між загальною утворює і отворами в статорі, є "шкідливими" просторами. Шкідливість простору у вихідного отвору полягає в тому, що в ньому газ сильно стиснутий, в той час як в порожнині всмоктування створюється розрідження, в результаті чого можливий прорив газу в відкачувати систему.
Поверхні, що труться пластинчастих насосів повинні бути добре оброблені і потребують постійної мастилі. Мастило, крім того, служить для заповнення простору 5 в кінці стиснення. Це необхідно для відкриття випускного клапана, коли вакуум, створюваний насосом, наближається до граничного і тиск стисненого газу недостатньо для відкриття вихлопного каналу.
Граничний вакуум, створюваний пластинчато-роторними насосами, залежить не тільки від величини шкідливого простору, але також від якості обробки поверхонь, їх змащення і сорти масла. Зазвичай для одного ступеня граничний вакуум досягає значення 10-1 - 10-2 мм рт. ст.
Для отримання кращого граничного вакууму застосовують послідовне з'єднання двох насосів, як показано на рис. 7. Вони виконуються в одному блоці, і тоді насос називається двоступінчастим. Для двоступеневих насосів граничний тиск близько 10-3 мм рт. ст. Для збільшення швидкості відкачки вакуумної системи допускається паралельне включення механічних насосів.
У пластинчато-обмотки насосі пластина 3 розташована в статорі 1 (рис. 8). Так як ротор 2 насаджений ексцентрично по відношенню до камери і обертається навколо осі симетрії в циліндричної порожнини статора, пластина під дією пружини
До основних переваг пластинчато-статорних насосів відносяться малий обсяг шкідливого простору у вихідного отвору і меншу кількість таких місць всередині насоса, через які газ зміг би просочуватися в відкачувати систему.
Принцип газового баласту
Обертальні механічні насоси непридатні для ефективної відкачки обсягів, що містять значні кількості конденсуються пари, так як останні не підкоряються закону Бойля-Маріотта. При стисненні тиск пара залишається постійним, а його надлишок переходить в рідку фазу і, змішуючись з маслом, утворює емульсію. Тому через вихлопної клапан насоса викидається зволожений стиснене повітря, а основна маса пара, яка потрапила в насос, залишається в сконденсованому стані у вигляді масло-рідинної емульсії або розчиняється в маслі, що призводить до швидкого погіршення граничного тиску насоса.
Були запропоновані різні методи усунення цього недоліку, наприклад, нагрівання масла, центрифугування. Найбільш зручною виявилася продування газу з використанням газобалластного пристрою, який встановлюється в корпусі насоса і може бути по необхідності відкрито або закрито. У таких насосах пари не конденсуються внаслідок того, що в певний момент робочого циклу в камеру насоса подається атмосферне повітря, і ступінь стиснення газопарові суміші значно знижується. Розглянемо для прикладу роботу газобалластного пластинчато-роторного насоса (рис. 9).
Для впуску баластного газу використовується додатковий отвір D, що знаходиться перед вихлопних клапаном. Коли пластина проходить отвір D, в область перенесення впорскується деяку кількість повітря при атмосферному тиску. При цьому вихлопної клапан відкриється до того, як відбудеться конденсація парів.
У вакуумних насосах з продувкою ступінь стиснення за рахунок газового баласту знижується до 10, тому такі, насоси в стані відкачувати пари води при парціальних тисках до декількох десятків міліметрів ртутного стовпа.
Вплив газового баласту на швидкість дії і граничний вакуум насоса показано на рис. 10, з якого видно, що граничний вакуум з продувкою (крива 2) гірше, а швидкість відкачування з боку низького тиску менше, ніж для звичайного насоса (крива 1).
Однак, якщо граничний тиск, що отримується за допомогою баластного пристрою, вже досягнуто, це означає, що основна маса конденсуються пари з откачиваемой системи видалена. Тому доступ баластного газу слід перекрити, після чого може бути отримано більш високий граничний вакуум.
Мета даної роботи - визначення швидкості дії механічного насоса методом постійного обсягу. Вакуумна схема установки наведена на рис. 11.
Механічний насос 1 може відкачувати обсяг 2 або через вакуумпровод 6, або через вакуумпровод 7. Необхідна комутація здійснюється триходовим краном 8. Кран 9 служить для напуску атмосферного повітря в механічний насос після його зупинки. Величина тиску в обсязі 2 вимірюється деформаційних 3 і термопарним 4 манометрами. Кран 5 служить для напуску атмосферного повітря в обсяг 2.
Порядок виконання роботи
Перед початком роботи
- Крани 5 і 9 відкриті;
- Кран 8 закритий.
включення установки
- Закрити крани 9 і 5 і відкачувати обсяг через вакуумпровод 6. Для зняття кривої відкачки об'єкта одночасно з пуском електродвигуна насоса включається секундомір, потім проводиться реєстрація часу досягнення певних значень тиску.
- Коли тиск в системі перестане зменшуватися, фіксують граничний тиск Рпр системи.
- Результати вимірювань заносять в таблицю, форма якої наводиться нижче:
Показання деформаційного манометра переводяться в одиниці тиску з урахуванням атмосферного тиску. При використанні термопарного вакуумметра тиск знаходять по калібрувальним графіками для лампи ПМТ-2 .
- За кривої відкачки, при використанні відповідних формул, наведених раніше, знаходять So і будують графік залежності Sh = J (P). При розрахунках опором вакуумпровода від обсягу 2 до манометрам знехтувати.
- Потім проводять ту ж процедуру при відкачці обсягу через трубопровід 7.
- Залишковий (граничне) тиск насоса і системи.
- Швидкість відкачки: конструктивна (геометрична), теоретична і дійсна.
- Продуктивність насоса.
- Суть методу постійного обсягу для експериментального визначення швидкості відкачки.