Вакуумпроводы и их соединения

 

Для соединения отдельных элементов вакуумных систем применяются вакуумные трубопроводы или вакуумпроводы, чаще всего круглого сечения, которые лучше всего противостоят смятию под воздействием разницы внеш­него (атмосферного) и минимального внутреннего давлений Δ Р_макс = Р_внешн – Р _{мин внутр}, достигающей в промышленных системах для откачки печей величи­ны 10⁵…10¹⁰ Па, а в лабораторных - до 10¹² Па и более. В особых случаях по конструктивным соображениям приходится применять вакуумпроводы квад­ратного, прямоугольного или эллиптического сечения, которые обычно име­ют достаточно короткую длину, более толстые стенки, часто усиливаются на­ружными поперечными ребрами жесткости и изготавливаются из высоко­прочных материалов. Обычные круглые вакуумпроводы выполняются из ма­лоуглеродистой, или конструкционной легированной, или нержавеющей ста­ли, титановых или медных сплавов, стекла и специальной вакуумной резины.

Толщина стенки вакуумпровода рассчитывается с учетом Δ Р_макс и мате- риала. Металлические вакуумпроводы с внутренним диаметром d до 50 мм изготавливаются только из бесшовных труб, обычно холоднотянутых или хо­лоднокатаных. Размер d гостирован.

Соединяются металлические вакуумпроводы с другими элементами сис­тем и друг с другом с помощью приваренных к их концам фланцев через ре­зиновые, фторопластовые или металлические уплотнения, которые уклады­ваются перед сборкой в пазы определенной формы сечения. После затяжки соединения уплотняющий материал должен полностью заполнить пазы обоих фланцев и частично выдавиться в зазор между ними. Конструкция самого уп­лотнения и затяжного устройства усложняется по мере увеличения степени рабочего вакуума в трубопроводе.

Отдельные участки вакуумпроводов в системах низкого и среднего ва­куума соединяются друг с другом с помощью отрезков резиновых вакуум- проводов, при этом внутренние диаметры вакуумпроводов из твердых мате­риалов (стали, сплавы, стекло) и соединительных резиновых муфт должны быть одинаковыми. Резиновые соединительные муфты используются и для соединения твердых вакуумпроводов с насосами, ловушками, вентилями и другими узлами откачных систем и объектов откачки. Для этого все эта эле­менты снабжаются трубчатыми штуцерами, называемыми иногда оливками, внутренний диаметр которых совпадает с d муфты, а на наружной поверхно­сти штуцера выполняются кольцевые пазы полукруглой или треугольной формы для более надежной посадки резиновой муфты. Посадка чаше всего производится с применением специальной уплотняющей вязкой смазки и в некоторых случаях усиливается хомутами. Соединения на резьбовых метал­лических муфтах, широко распространенные в различных трубопроводных устройствах, в вакуумных системах практически не применяются.

Неразъемные соединения отдельных участков трубопроводов с одинако­вым или различным d выполняются методами сварки, пайки, склейки или, реже, тугой посадки. Выбор способа неразъемного соединения определяется предельным вакуумом и материалом трубопроводов.

Для соединения с вакуумпроводами и другими элементами систем меха­нических вращательных насосов или объектов откачки, работа которых со­провождается вибрацией, используются резиновые муфты или гофрирован­ные металлические трубки с приваренными к их концам фланцами, называе­мые сильфонами, причем, при давлении ниже 10^-2 Па резина не применяется.

Резиновые вакуумпроводы, муфты и уплотнительные прокладки изготов­ляются из специальной вакуумной резины, обладающей повышенной стойко­стью к воздействию масел, эфиров и других органических веществ, исполь­зуемых в качестве рабочих материалов или содержащихся в откачиваемой газовой атмосфере, и повышенной плотностью для понижения коэффициен­тов диффузии откачиваемых газов и воздуха. Толщина стенки резинового вакуумпровода или муфты обычно составляет (1…2)·d, то-естъ наружный диа­метр резиновой трубки D=(3…6)·d.

Режим течения газа в вакуумпроводе зависит от степени вакуума и опре­деляется величиной отношения средней длины свободного пробега молекул газа λ к диаметру вакуум провода d, которая определяется при Р=(Р₁·Р₂)/2.[21].

На начальной стадии откачки и при больших скоростях в газе возникают вихри, и такой режим течения называется турбулентным. При дальнейшем снижении Р_сред скорость потока газа снижается, движение носит упорядочен­ный характер, определяемый силами инерции молекул газа. В этом случае режим течения газа называется инерционным или ламинарным. С понижени­ем давления и скорости кроме сил инерции на течение газа начинают дейст­вовать силы внутреннего трения и наступает инерционно-вязкостный режим течения. Все эти режимы течения приходятся на интервал низкого вакуума и сменяют друг друга очень быстро.

Если в той же области низкого вакуума давление уже снижено настолько, что силы инерции малы по сравнению с силами внутреннего трения, то на­ступает вязкостный режим течения, который продолжается уже в диапазоне среднего вакуума. Условная граница перехода от турбулентного режима те­чения к инерционному. инерционно-вязкостному и к началу вязкостного оп­ределяется числом Рейвольдса Re = W·d/µ, где W и µ скорость и кинема­тическая вязкость газа. Верхней границей вязкостного режима течения газа является Re = 1200.

При дальнейшем понижении давления уже в области среднего вакуума снижается вероятность столкновения молекул, то-есть уменьшается роль сил внутреннего трения. При λ /d ~ 4, 6·10^-3 наступает переходный режим те­чения газа, называемый молекулярно-вязкостным.

С дальнейшим понижением давления и переходом в область высокого ва­куума, когда газ настолько разрежен, что молекулы перестают сталкиваться одна с другой и λ /d ≤ 1, 47 наступает молекулярный режим течения газа.

Вязкостный режим наиболее часто реализуется в вакуумпроводах с d< 50 мм, соединяющих пароструйные насосы с механическими форвакуумными при Р_сред=10...50 Па. При Р_сред < 10 Па наступает молекулярно-вязкостный режим. Молекулярый режим течения наблюдается практически во всех впуск­ных коммуникациях высоковакуумных насосов.

 

Ловушки

 

Ловушками называются устройства, предназначенные для предотвраще­ния попадания паров рабочих веществ насосов в другие участки системы или для защиты самих насосов, трубопроводов и узлов от вредного воздействия паров влаги в других веществ, содержащихся в откачиваемой газопаровой смеси.

В зависимости от рабочего давления ловушки подразделяются на высоко­вакуумные, предназначенные для улавливания паров рабочих жидкостей диффузионных и бустерных пароструйных насосов при молекулярном режи­ме течения пара, и форвакуумные - для улавливания паров рабочих жидко­стей форвакуумных насосов при вязкостном и молекулярно-вязкостном ре­жимах течения пара из насоса.

По принципу действия ловушки делятся на механические, низкотемпера­турные (конденсационные), сорбционные, термические и электрические. Наиболее распространены механические, конденсационные и сорбционные. Чаше всего, за исключением механических, ловушки представляют собой ва­куумные сорбционные или конденсационные насосы избирательного дейст­вия. Основные характеристики ловушек - защитная способность и удельная проводимость.

Во многих случаях при работе с паромасляными диффузионными насо­сами, в которых используются масла с достаточно низким давлением насы­щенных паров, для уменьшения обратного потока довольствуются примене­нием механических ловушек (маслоотражателей), неохлаждаемых или охла­ждаемых проточной водой.

Конструкция механической ловушки с водоохлаждаемым корпусом при­ведена на рис. 5.15, а.

 

Рис.5.15. Механические водоохлаждаемые ловушки: а – шевронного и б – колпачкового типа.

 

Ловушка проста в изготовлении и имеет сравнительно большую удельную проводимость. Защитными элементами являются уголки- шевроны 2, установленные в кольцевом корпусе 1 с таким шагом, чтобы был перекрыт прямой путь для движения молекул пара масла. Они уда­ряются в уголки, час­тично отражаясь об­ратно в насос, а ос­тальные прилипают к уголкам, то-есть кон­денсируются на них. Шевронные ловушки обычно устанавлива­ются на впускном от­верстии пароструйных насосов.

В диффузионных пароструйных насосах часто имеется водоохлаждаемый пароотражательный колпачок (рис. 5.15, б), который предотвращает попадание паров рабочей жидкости в откачиваемый объект.

Колпачок устанавливается над верхним высоковакуумным соплом насоса (см. рис 5.12, поз 4) и опускается в глубь струи с таким расчетом, чтобы он пересекал паразитные линии тока пара. Обычно такие колпачковые ловушки применяются одновременно с охлаждаемой шевронной ловушкой на входе в насос: при этом поток паров рабочей жидкости из насоса в объект откачки снижается в 10²...10³ раз.

Для паромасляных диффузионных насосов в зависимости от требований, предъявляемых к остаточному давлению и составу откачиваемых газов, применяют конденсационные ловушки, охлаждаемые до температур от 243 до 77 К. конструкции которых приведены на рис. 5.16.

 

Рис. 5.16. Конденсационные ловушки: а, б – стеклянные, в – жалюзийная.

 

Ловушка, показанная на рис. 5.16, а, представляет собой систему из двух коаксиальных стеклянных трубок, охлаждаемых с помощью стандартного сосуда Дьюара с хладоагентом, в который ловушка погружается. Ловушки типа самостоятельного сосуда Дьюара, пока­занные на рис. 5.16, б не требуют дополни­тельного резервуара с хладоагентом, так как сжиженный газ, чаше всего - азот, заливается во внутреннюю по­лость самой ловушки. Эти ловушки имеют большую проводимость по сравнению с ловуш­кой, изображенной на рис 5.16, а, но мень­шую защитную спо­собность, так как на­ружная стенка не кон­тактирует с хладоаген­том, а следовательно, имеет близкую к ком­натной достаточно вы­сокую температуру Стеклянные ловушки применяются в основ­ном в лабораторной практике В откачных стеклянных системах.

Выше рассмотрена шевронная механическая водоохлаждаемая ловушка (рис. 5.15, а). Подобная ловушка, называе­мая жалюзийной и охлаждаемая жидким азотом, приведена на рис. 5.16, в. Корпус 1, пластины 3 и хладопровод 2 выполнены из меди или ее теплопро­водных сплавов. Конец хладопровода 2 опущен в сосуд Дьюара с жидким азотом, что обеспечивает достаточно такую температуру пластин 3, на которых конденсируются не только пары рабочей жидкости пароструйного диф­фузионного насоса, но и, например, пары влаги из газов, откачиваемых из объекта.

Такие ловушки работают достаточно долго с периодической очисткой от накопившегося на пластиках 3, корпусе 1 и хладопроводе 2 конденсата масла и водяного льда. Для этого достаточно погрузить конец хладопровода 2 в со­суд с горячей (90...95°С ) водой при закрытом главном вакуумном затворе, отделяющем объект откачки от ловушки при работающем диффузионном насосе.

Ловушки адсорбционного типа чаше всего по конструкции напоминают конденсационные ловушки, изображенные на рис. 5.16, а, на дно корпуса которой насыпан слой адсорбента тела силикагеля или алюмогеля.

 

⇐ Предыдущая22232425262728293031Следующая ⇒

Поделиться: