Материал: 3433
4
вакуумную систему при разгерметизации, при продувках аэродинамических труб и сопел, при откачке больших потоков газа эжекторными насосами с атмосферного давления.
Инерционно-вязкостный режим проявляется в потоке газа пока на тело действует аэродинамическая сила сопротивления (вакуумная аэродинамическая труба).
По мере уменьшения давления образуются параллельно перемещающиеся слои газа. Скорости перемещения этих слоев относительно стенок постепенно возрастают от нуля до максимума к оси потока. Такое течение называется вязкостным ламинарным. Вязкостное течение реализуется при давлениях в трубопроводе порядка 0,5-30 мм рт.ст. В таком течении начинают проявляться эффекты трения между слоями газа, между газом и стенками вакуумпровода. Процесс ламинарного течения состоит в том, что на хаотическое движение молекул газа, подчиняющееся распределению Максвелла, под влиянием перепада давления накладывается дополнительная составляющая скорости движения в направлении градиента давления.
Объем газа, протекающий через поперечное сечение трубопровода в единицу времени при ламинарном течении, пропорционален перепаду давления на его концах. При постоянном же перепаде давления протекающий объем газа пропорционален размерам трубопровода.
В технологических установках наиболее распространены вязкостный, молекулярно-вязкостный и молекулярный режим течения газа.
Молекулярно-вязкостное течение характеризуется длинами пробега молекул достаточно малыми по сравнению с поперечными размерами трубопроводов и наличием на концах трубопровода не очень больших перепадов давления (меньше 0,528). Для характеристики режима течения гага, обычно используют среднее значение давления
|
1/ 2(P1 P2 ) |
|
P |
(2.1) |
Уменьшение давления сопровождается нарастанием независимости движения молекул друг относительно друга, молекулы движутся прямолинейно, пока не отразятся от стенок сосуда. Такое течение называют молекулярным или Кнудсеновским по имени первого исследователя. Оно реализуется при давлениях менее 10-3 мм рт.ст.
Если число столкновений молекул газа пренебрежительно мало, но еще проявляются макроскопические свойства газа (концентрация порядка 1010 см-3), то течение газа называют свободно-молекулярным.
2.2 Критерии подобия течения газов
Течение газов подобно между собой. Например, течение воздуха при давлении, близком к атмосферному, подобно течению фреона при давлении порядка 100 мм рт.ст. В качестве критерия подобия течений может выступать число Рейнольдса Re, число Кнудсена Kn , произведение давления на размер
5
трубопровода, величина потока газа и др.
Для воздуха при 20°С число Рейнольдса рассчитывается по формуле:
где
где
Re (1/ 89) Q / d , |
(2.2) |
Q - величина потока газа, см3. с-1 атм; |
|
d - диаметр трубопровода, см. |
|
Число Кнудсена можно найти по формуле: |
|
Kn / d , |
(2.3) |
- длина свободного пробега молекулы.
Длина свободного пробега равна (в метрах) определяется:
5 10 5 / P ,
где Р - давление газа, мм рт.ст. Для воздуха при P = 1 Па , |
=5 мм |
||||||
|
При |
Re > 2200, режим течения, как правило, турбулентный, при |
|||||
Re< 1200, режим ламинарный. При Q > 2 |
105 см.3с-1 |
атм |
- режим |
||||
турбулентный, при Q <2 105 см.3с-1 атм - режим ламинарный. Режимы |
|||||||
течения газа и их параметры приведены в таблице 2.1. |
|
|
|||||
Таблица 2.1 – Режимы течения газа |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Критерии |
Re |
Kn |
Pd Па м |
|
Q |
|
Турбулентный |
>2200 |
- |
- |
|
>2 105 |
|
|
Вязкостный |
<1200 |
<10-2 |
1,33 |
|
<2 105 |
|
|
Молекулярновязкостный |
- |
- |
от 1,33 до 0,05 |
- |
||
|
Молекулярно |
- |
>0,33 |
0,05 |
|
- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2.3 Сопротивление течению, проводимость
Для соединительных каналов вакуумной трассы введено понятие "сопротивление течению", эквивалентное понятию электрического сопротивления проводников. Аналогично прохождению электрического тока
вместо сопротивления течению W вводят обратную ему величину , называемую проводимостью.
Применяя понятия: поток газа, сопротивление трубопровода (или его проводимость) для стационарного случая по аналогии с электрической цепью можно получить соотношение, аналогичное закону Ома
Q (P P ) /W U (P P ) |
(2.4) |
|||
2 |
1 |
2 |
1 |
|
2.4 Контрольные вопросы
Контрольные вопросы заложены в ЭВМ. Копии контрольных вопросов ведаются студентам во время подготовки к лабораторной работе. Для включения общего рубильника установки необходимо дать правильные ответы на поставленные вопросы. При подготовке ответов рекомендуется
6
изучить соответствующие разделы учебной литературы.
3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
3.1 Вакуумное оборудование
Лабораторная работа выполняется на установке УВН-2М. Вакуумная схема установки состоит из высоковакуумного диффузионного паромасляного насоса Н-2Т, форвакуумного насоса 2НВР-5ДМ, вакуумпроводов, датчиков измерения давления, коммутирующей арматуры, средств измерения расхода газа.
Рабочая камера образована колпаком установки с объемом 120 л. Для измерения потока газа служат расходомеры бюреточного и дифференциального типа. Регулировка потока газа осуществляется с помощью игольчатого, либо шлангового натекателей VF1 или VП1.
Рисунок 2.1 - Схема экспериментальной установки
Вращательный насос NL1 (2НВР-5ДМ) при помощи клапанов VП2 и VПЗ может быть подключен либо к измерительному колпаку С, либо к диффузионному насосу ND1 (H-2T) для создания разряжения на выходе диффузионного насоса.
7
3.2 Измерительное оборудование
Манометрические преобразователи PT5-PT6 совместно с диафрагмой DP1 образуют потокомер, позволяющий измерять поток газа, поступающий в вакуумную систему установки. Для измерения потока газа при оценке проводимости трубопровода удобно применять расходомер бюреточного типа. Принцип действия такого расходомера основан на всасывании объема жидкости при атмосферном давлении, равном расходу газа в вакуумную систему.
Порядок работы с бюреточным расходомером заключается в следующем:
1)включается питание отсчетного устройства и нажимается кнопка ГОТОВО;
2)устанавливаются нулевые отметки счетчика импульсов;
3)немного открывается натекание газа;
4)перекрывается верхний кран расходомера.
За счет убыли газа, столб жидкости поднимается. При проходе фотодатчиков автоматически запускается система отсчета (50 импульсов в секунду). 15 мм высоты бюретки соответствует 1 см. После того как жидкость поднимется выше датчиков, следует сразу открыть верхний кран расходомера. Отсчет потока проводят из анализа времени. Для этого нужно
число импульсов разделить на 50. При этом учитывают, что 1 см3.атм.с-1 = =10-1 Па.м3.с-1 = 7,6.10-1 тор. л.с-1 = 3,6.103 см3/ час. Наиболее удобный
переводной множитель: 1 см3 ам/час = 2,4.10-4 тор. л/с.
3.3 Порядок работы на установке
При работе на установке необходимо соблюдать следующий порядок включения и выключения установки:
а) порядок включения. Все клапаны и вентили должны быть закрыты, а тумблеры выключены. После того, как все будет проверено, подается вода в систему охлаждения диффузионного насоса. Установка подключается к электросети, при этом загорается лампа СЕТЬ. Включается механический насос NL 1. При нормальной работе насоса давление на его входе должно быть в пределах 1-10 Па. Открывается клапан VР2 на выходе диффузионного насоса и система откачивается до давления 1-10 Па. Включается нагреватель диффузионного насоса и фиксируется давление на его входе. После выхода насоса Н-2Т на рабочий режим (через 40-90 мин после включения) при давлении на входе диффузионного насоса менее 10-1 Па открывается клапан VT1, а клапан обводной системы VПЗ закрывается;
б) порядок выключения. Сначала выключается измерительная аппаратура, закрываются все вентили, клапаны и затворы, кроме вентиля VП2 на выходе диффузионного насоса. Выключается нагреватель диффузионного
8
насоса. Для ускорения охлаждения насоса с него снимается нагреватель и включается вентилятор для обдува насоса. Проверяется температура днища насоса. Она должна быть не более 70°. Затем выключается механический насос, напускается воздух в объем насоса нажатием кнопки «НАТЕКАТЕЛЬ».
ПРИМЕЧАНИЕ. Выключение без закрытия затворов или без напуска газа приведет к засасыванию масла из форвакуумного насоса в вакуумпроводы и в диффузионный насос.
Во избежание аварийных режимов рекомендуется держать закрытым тарельчатый клапан на входе диффузионного насосе и открывать его только на время проведения откачки камеры до высокого вакуума. Подключение расходомеров следует проводить только после открытия натекателя во избежание выброса масла из расходомера.
Во избежание выхода диффузионного насоса из строя не рекомендуется выключать откачку диффузионного насоса при температуре днища насоса более 70°.
При снятой плитке нагревателя температура должна быть такой чтобы ладонь не днище выдерживала 1-2 мин. Эксперименты следует планировать так, чтобы учесть время выхода диффузионного насоса на режим (40-50 мин) и выхода из режима (30 - 40 мин). При проведении экспериментов с напуском газа ионизационные датчики давления должны быть отключены.
3.4 Задание по экспериментальной части
В ходе выполнения работы у студентов формируется способность строить простейшие физические и математические модели приборов, схем, устройств и установок электроники и наноэлектроники различного функционального назначения, а также использовать стандартные программные средства их компьютерного моделирования (ПК-19).
3.4.1.Ознакомиться с вакуумной схемой установки и привести условные обозначения ее элементов.
3.4.2.Привести зависимости производительности вакуумных насосов от давления.
3.4.3.Зарисовать конструкции датчиков давления, применяемых в работе (термопарного и датчика сопротивления) и оценить предельные возможности измерения давлений с их помощью.
3.4.4.Снять зависимости расхода газа бюреточным расходомером при различных длинах исследуемого трубопровода.
3.4.5.Измерить распределение давления газа в системе и оценить режимы течения газа в ее отдельных участках (обводной системе, на выходе диффузионного насоса, на выходе насосов, в трактах напуска газа и т.д.).
3.4.8.Оценить скорость откачки механического насоса в зависимости от расхода газа.
3.4.7.Привести алгоритмы включения и выключения установки.
3.4.8. Снять кривую естественного газоотделения в камере (при