Насосы и компрессоры: Практикум КНИТУ

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Казанский национальный исследовательский
технологический университет
НАСОСЫ И КОМПРЕССОРЫ
Практикум
Казань
Издательство КНИТУ
2022
УДК 621.65(076)
ББК 31.56я7
Н31
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Казанского национального исследовательского технологического университета
Рецензенты:
д-р техн. наук, проф. К. Х. Гильфанов
канд. техн. наук, проф. Ф. Н. Дресвянников
Н31
Авторы: Д. И. Сагдеев, Д. В. Косенков, М. Г. Фомина,
В. А. Аляев
Насосы и компрессоры : практикум / Д. И. Сагдеев, Д. В. Косенков,
М. Г. Фомина, В. А. Аляев; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2022. – 147 с.
ISBN 978-5-7882-3083-2
Рассмотрены основные теоретические положения по газовой динамике
сплошных и разреженных сред, а также расчетные и конструктивные решения
по вакуумным насосам и компрессорам. Содержит девять лабораторных работ: по измерению параметров воздушного потока, исследованию параметров
потока газа и потерь в плоском диффузоре, измерению на типовой вакуумной
установке, измерению длины свободного пробега атомов паров металла при
пониженных давлениях, а также по исследованию работы и снятию основных
характеристик водоструйных, водокольцевых, пластинчато-роторных и мембранных компрессоров и вакуумных насосов.
Предназначен для студентов, обучающихся по направлению подготовки «Технологические машины и оборудование» и профилям подготовки
«Оборудование нефтегазопереработки», «Технологическое оборудование химических и нефтехимических производств» и «Технологические установки
нефтегазового комплекса», очной и заочной форм обучения.
Подготовлен на кафедре вакуумной техники электрофизических
установок.
УДК 621.65(076)
ББК 31.56я7
ISBN 978-5-7882-3083-2
© Сагдеев Д. И., Косенков Д. В., Фомина М. Г.,
Аляев В. А., 2022
© Казанский национальный исследовательский
технологический университет, 2022
2
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ГАЗОВОЙ ДИНАМИКИ
СПЛОШНЫХ СРЕД
1.1. Основные параметры
и экспериментальные методы измерения
потоков газа
Поток газа характеризуется следующими основными параметрами: давлением, температурой, величиной и направлением скорости w , массовым расходом газа M c [1–4].
Давление p и температуру T называют статическими или истинными параметрами. Для их измерения датчики приборов необходимо перемещать вместе с потоком газа. Давление p  и температуру
T * называют параметрами торможения: давление торможения (полное
давление), температура торможения (полная температура). Они получаются при изоэнтропном торможении газа до скорости, равной нулю.
Связь между полными и статическими параметрами:
k
T = T −
p  T  k −1
= 
p  T  
w2
 2kR 


 k −1 .
(1.1)
;
Величину скорости газа невозможно измерить непосредственно
в эксперименте, поэтому ее рассчитывают по результатам замера таких
параметров, как полное давление p  , статическое давление p и температура торможения T  :
k −1


2kR    p  k  , м/с.
(1.2)
w=
T  1−   
 p  
k −1


Обычно для определения статической температуры T и скорости
w используют не формулы (1.1) и (1.2), а таблицы газодинамических функ-
ций  ,  (  ) , (  ) , q (  ) , M . Метод расчета на основе газодинамических
функций проще и сокращает время расчета (прил. 1).
3
Алгоритм расчета параметров газового потока с помощью газодинамических функций:
1) Из эксперимента получают значения p , p, T , T  .
2) Рассчитывают газодинамическую функцию:
 ( ) =
p
, м/с.
p
(1.3)
3) По таблицам газодинамических функций параметров торможения (прил. 1) по найденному значению приведенного давления 
определяют приведенную скорость  (иначе называют коэффициент
скорости), а также функцию приведенной температуры T (  ) .
4) Рассчитывают критическую скорость:
2k
RT  , м/с.
k +1
aкр =
(1.4)
Для воздуха aкр = 18,31 T  , м/с,
w =   aкр , м/с.
(1.5)
5) Определяют статическую температуру:
T = T   (  ) .
(1.6)
6) Если скорость газа не превышает 30 % скорости звука в потоке   0,3 , то газ с достаточной для практики точностью можно считать несжимаемой средой, а для расчета использовать уравнение Бернулли для жидкости (  = const ). В этом случае получают
w=
2

 p − p , м/с,
p = p +
 w2
2
(1.7)
, Па.
(1.8)
Из последнего уравнения следует, что полное давление p  равно
сумме статического давления p и динамического давления
 w2
2
.
7) Массовый расход газа, как и скорость потока, нельзя определить прямым измерением. Для получения величины расхода газа при
равномерном поле скоростей используют формулу
4
Mc =
m  q (  )  F  p
T
, Па,
(1.9)
где m – постоянная для данного газа величина (для воздуха m = 0,0404 );
q (  ) – расходная газодинамическая функция, или приведенный
расход;
F – площадь поперечного сечения канала, м2.
Для расчета расхода по уравнению (1.9) необходимо предварительно измерить величины p , p, T ; по формуле (1.3) определить газодинамическую функцию  (  ) , а затем по таблице газодинамических
функций (прил. 1) по известному  (  ) найти q (  ) . При неравномерном поле скоростей расход рассчитывают по формуле
M c =   wср  F , кг/с,
(1.10)
где wср – средняя скорость потока газа в сечении.
Средняя плотность газа в сечении  записывается как
 =     (  ) , кг/с.
(1.11)
Здесь функция  (  ) определяется с помощью таблицы газодинамических функций по найденному ранее значению  (  ) .
Плотность газа в заторможенном потоке:
 =
p
, кг/с.
RT 
(1.12)
Пример расчета с помощью газодинамических функций параметров торможения газового потока представлен в прил. 2.
При испытании и эксплуатации компрессоров различных типов
наиболее распространенным методом измерения расхода газа является
метод переменного перепада давления с использованием стандартных
сужающих устройств в качестве первичных измерительных преобразователей [4]. В соответствии с этим методом расход газа определяется
по формуле
d2 
0,5
M c =   Kш  Kп    
  ( 2   p ) , кг/с,
 4 
5
(1.13)
где  – коэффициент расхода;
K ш – коэффициент шероховатости;
K п – поправочный коэффициент на притупление входной кромки
отверстия диафрагмы;
 – коэффициент расширения;
d – диаметр отверстия или горловины сужающего устройства;
 – плотность газа перед сужающим устройством, кг/м3;
p – перепад давлений на сужающем устройстве, Па.
1.2. Основные положения для течения
газового потока в каналах переменного
сечения
Диффузором называется канал, в котором происходит преобразование кинетической энергии потока газа в потенциальную [5]. При этом
уменьшается скорость потока газа и возрастает статическое давление. Для
дозвуковых скоростей диффузор представляет собой расширяющийся канал (рис. 1.1). Параметры потока и геометрические величины на входе
в диффузор обозначаются индексом А, а на выходе – индексом Б. Вследствие потерь полное давление p меньше, чем pА . Потери в диффузоре
определяются по уравнению
(1.14)
p = pА − pБ = pА − pБ , кг/с,
где pА , pБ – избыточное полное давление в сечениях А–А и Б–Б.
В диффузорах потери значительно выше, чем в каналах постоянного сечения, или конфузорах. При движении газа в диффузорах профили
скоростей непрерывно деформируются. Положительный градиент давления в диффузоре способствует росту пограничного слоя и при определенных условиях приводит к отрыву потока и образованию вихрей. При отрыве потока резко возрастают потери в диффузоре. Поэтому при его проектировании очень важно заранее определить точку отрыва потока.
Потери в диффузоре зависят от геометрической диффузорности
канала:
Дf =
6
FБ
,
FА
(1.15)
т. е. от отношения площадей поперечного сечения на выходе
и на входе, от угла раскрытия канала  , формы поперечного сечения,
закона изменения площади поперечного сечения по длине диффузора,
условий на входе в диффузор (формы поля скоростей), режима течения
(ламинарный или турбулентный) и сжимаемости газа, которая оценивается числом Маха ( M ).
Рис. 1.1. Схема диффузора
Для практических расчетов потери условно разделяют на два


вида: потери на трение pтр и потери на расширение pрасш , которые
являются потерями на деформацию потока и вихреобразование:


p = pтр
+ pрасш
.
(1.16)
Потери принято оценивать в безразмерном виде. Коэффициент
потерь  представляет собой отношение потерь полного давления
в диффузоре к скоростному напору на входе в диффузор:
=
2  p
.
1  w12
(1.17)
Коэффициент потерь  записывают как сумму коэффициентов
потерь на трение и расширение:
(1.18)
 =  тр + расш ,
 тр =

2  p тр
,
2
1  w1
 расш =
7

2  pрасш
1  w12
.
(1.19)
Рис. 1. 2. Зависимость коэффициента трения от числа Рейнольдса
и относительной шероховатости
Если сечение диффузора имеет форму прямоугольника и расширение происходит в одной плоскости (плоский диффузор), то для
расчета коэффициента потерь на трение используют формулу

  a Д −1
Д f2 − 1
,
(1.20)
+
 тр = тр  А  f
2


4  вА
Дf
2  Д f  sin
2 

где aА , вА – длина сторон входного сечения диффузора.
тр определяют
Коэффициент сопротивления трения
( )
по рис. 1.2 в зависимости от числа Рейнольдса [6]:
Re =
и относительной шероховатости:
8
w1  Dг

(1.21)
=

Dг ,
(1.22)
где Dг – гидравлический диаметр;
 – кинематический коэффициент вязкости газа;
 – средняя высота выступов бугорков шероховатости.
Гидравлический диаметр вычисляют по формуле
4  FA
ПA .
(1.23)
FA = aA  вA ,
(1.24)
П A = 2  (aA + вA ) .
(1.25)
Dг =
Здесь площадь поперечного сечения А–А:
а периметр сечения:
Теоретическое определение коэффициента потерь на расширение  расш практически невозможно. Для этого сначала экспериментально определяют коэффициент потерь  и коэффициент потерь на
трение  тр , а затем как разность вычисляют коэффициент потерь на
расширение:
расш =  − тр .
(1.26)
При малых углах раскрытия канала (   6 ) потери на трение
значительно превосходят потери на расширение. Если увеличивать
угол  , то при неизменной геометрической диффузорности Д f за счет
0
сокращения длины пути l (рис. 1.3) потери на трение уменьшаются,
а потери на расширение увеличиваются.
При достижении определенной величины угла  начинается
отрыв потока, и потери на расширение резко возрастают. Отрыв потока
возникает сначала на отдельном участке диффузора, а затем при
  400 – на всей поверхности. При углах   120 потери на расшире-
ние значительно превышают потери на трение.
9
Рис. 1.3. Влияние угла раскрытия на длину пути газа
Таким образом, существует оптимальный угол раскрытия диффузора  опт , при котором коэффициент потерь  минимальный. При
 опт не происходит отрыва потока. Для прямолинейного конического
диффузора при Д f = 2K 4 оптимальный угол раскрытия составляет
опт  80 , а для плоского прямолинейного диффузора – опт  100 . По-
тери полного давления в диффузоре можно охарактеризовать также коэффициентом восстановления полного давления:
 =
pБ
.
pА
(1.27)
1.3. Приборы для регистрации и методы
измерения параметров газового потока
Для регистрации давления применяются пружинные, жидкостные, электрические и другие манометры. При проведении экспериментов
широкое распространение получили жидкостные манометры. Они просты
конструкционно, дешевые, удобны в эксплуатации, имеют высокую точность измерения, в большинстве случаев их не нужно тарировать. В двухтрубных (U-образных), или дифференциальных (дифманометрах), манометрах измеряется разность высот h (рис. 1.4) между двумя
10
поверхностями жидкости в сообщающихся сосудах. Разность давлений
определяется как давление столба жидкости высотой h (мм):
p1 − p2 = h 10−3  ж  9,81 , Па.
(1.28)
Рис. 1.4. Схема U-образного манометра
При этом давлением столба газа пренебрегают, так как отношение плотностей газа и жидкости очень мало и им можно пренебречь:
г
 0, 002 .
ж
(1.29)
Чаше всего измеряют разность между давлением газа в объекте
p1 и атмосферным (барометрическим) давлением pB . Полученное зна-
чение ( p1 − pB ) называют избыточным давлением, а величина
p1 = pB + h 10−3  ж  9,81, Па,
(1.30)
является абсолютным давлением газа.
Для измерения малых давлений используют микроманометр
многодиапазонный с наклонной трубкой ММН-2400(5)–1,0, представленный на рис. 1.5, который предназначен для измерения избыточного,
вакуумметрического давления неагрессивных к стали, латуни, олову
и полиэтилену газов в пределах до 2400 Па (240 кгс/м) при статическом давлении не более 10000 Па (1000 кгс/м2).
11
Рис. 1.5. Микроманометр многодиапазонный с наклонной трубкой
ММН-2400 (5)-1,0
На плите 21 укреплен герметически закрытый крышкой 16 резервуар 22. На крышке 16 расположены трехходовой кран 17, пробка
18, закрывающая отверстие для заливки и слива спирта, и регулятор нулевого положения мениска спирта в измерительной трубке против нулевого деления шкалы. К стойке 14 плиты 21 конусной осью крепится
кронштейн 6 с колодками 12 и 1, которые соединены стеклянной измерительной трубкой 5, снабженной защитным кожухом 4. Концы измерительной трубки 5 входят в отверстие колодок 12 и 1 и уплотнены
в них сальниками с резиновыми уплотнительными кольцами 2 и зажимными штуцерами 10.
Левая колодка соединена резиновой трубкой 13 с резервуаром 22, правая колодка соединена резиновой трубкой 3 с трехходовым
краном 17. Измерительная трубка 5 устанавливается так, что геометрическая ось вращения кронштейна 6 проходит через «нуль» шкалы.
Шкала, нанесенная на стеклянную измерительную трубку, имеет длину
30 мм; наименьшее деление шкалы – 1 мм.
Для установки кронштейна с измерительной трубкой на требуемый угол наклона к плите 21 прикреплена дуга 20 с пятью отверстиями, соответствующими определенным значениям постоянной
12
прибора К, величина которой обозначена на дуге против каждого отверстия. Кронштейн 6 фиксируется на дуге 20 в необходимом положении с помощью фиксатора 7, который укреплен во втулке кронштейна.
Для установки микроманометра в горизонтальное положение
при градуировке и при замерах на плите установлены два уровня (8 и 9)
с цилиндрическими ампулами. Прибор приводится в горизонтальное
положение двумя регулировочными ножками 15. Заливка спирта в резервуар прибора и слив его осуществляется через отверстие в крышке
прибора, закрытое пробкой 18.
Присоединяют прибор к местам замера резиновыми трубками,
надеваемыми на штуцеры трехходового крана 17. Трехходовой кран
имеет три штуцера, обозначенные буквами а, б и в, и отверстие о для
сообщения с атмосферой. Штуцер а используется для постоянного соединения крана со стеклянной измерительной трубкой.
При изменении избыточного давления резиновая трубка, идущая
от места замера, надевается на штуцер в, а при измерении вакуумметрического давления – на штуцер б. Каналы в трехходовом кране расположены
так, что при повороте его пробки против часовой стрелки до упора резервуар и измерительная стеклянная трубка сообщаются с атмосферой, а отверстия к штуцерам б и в перекрываются; при этом положении трехходового крана контролируется «нуль». При повороте пробки по часовой
стрелке до упора штуцер в сообщается с резервуаром, а штуцер б – со штуцером а и через него – со стеклянной измерительной трубкой; при этом
положение трехходового крана производят замеры.
Принцип действия прибора основан на том, что измеряемое
давление газа (или разность давлений) уравновешивается давлением
столба рабочей жидкости, который образуется в наклонной трубке
(к трубке подводится меньшее давление). При этом условии уровень
спирта в измерительной трубке будет повышаться, а в резервуаре – понижаться.
Истинное значение измеряемой величины Нд связано с видимой длиной столба спирта Нв в измерительной трубке выражением
Нд=NНв, Ра (кгс/м). Величина N, как указано выше, – цена деления
шкалы. Примечание: 1 кгс/м=100000 Ра.
Рассмотрим обтекание цилиндра и полубесконечного тела дозвуковым потоком газа. Параметры газа в невозмущенном потоке,
набегающем на цилиндр или полубесконечное тело, следующие:
13
p0 – статическое давление; p0 – полное давление; pдин – динамическое
давление;  0 , w0 – плотность и скорость газа:
p0 = p0 + pдин , Па,
pдин =
(1.31)
(  w ) , Па.
0
2
0
(1.32)
2
Давление на поверхности цилиндра или полубесконечного тела
обозначается буквой p , а коэффициент давления
p=
2  ( p − p0 )
( w )
0
2
0
.
(1.33)
При изучении распределения давления по поверхности тела целесообразно перейти от p к p , что позволяет устранить влияние величины скорости.
Рассмотрим обтекание цилиндра (рис. 1.6). В точке А ( = 0 )
коэффициент давления p = 1, поэтому, как следует из уравнений (1.31),
(1.32) и (1.33), давление газа в этой точке p равно полному давлению
p0 (давление торможения) в набегающем потоке. В точке Б (при некотором угле   90 ) коэффициент давления равен нулю p = 0 , следовательно, давление в этой точке p равно статическому давлению в по0
токе p0 . В точках В и Г величина p имеет отрицательное значение,
поэтому давление p меньше статического p0 . Таким образом, для замера полного давления необходимо в точке А выполнить приемное отверстие строго навстречу потоку и из этого отверстия сделать отбор
давления на манометр. Для замера статического давления необходимо
сделать отверстие и отбор давления в точке Б.
При обтекании полубесконечного тела (рис. 1.7) давление

в точке А равно полному давлению: p = p0 ( p = 1) . В точке Б на расстоянии,
превышающем
p = p0 ( p = 0 ) .
3d ,
давление
равно
статическому:
Давление в потоке измеряется трубками, зондами, насадками.
Размеры поперечного сечения трубки, зонда, насадки должны быть значительно меньше размеров поперечного сечения канала, чтобы
14
изменение скоростей и давлений в потоке из-за введения прибора было
значительно меньше измеряемых величин.
Рис. 1.6. Распределение давления газа по поверхности цилиндра
Простейшим прибором для измерения давления является круглая трубка, изогнутая под прямым углом так, что ее конец имеет длину,
равную 8–10 диаметрам трубки.
Рис. 1.7. Распределение давления газа по поверхности
полубесконечного тела
15
Такая трубка называется Г-образной или трубкой Пито.
На рис. 1.8 показана Г-образная трубка полного давления 1. Она замеряет полное давление p . Приемное отверстие трубки направлено
строго навстречу потоку.
Рис. 1.8. Трубки полного давления
Для измерения полного давления используется также цилиндрическая трубка 2. Нечувствительность трубок полного давления к углам поворота оси находится в пределах ±(5–15)°. Трубку с протоком 3
применяют для увеличения угла нечувствительности, который составляет ±(40–50)°.
Рис. 1.9. Трубка статического давления
16
Статическое давление в потоке p в случае прямолинейных линий
тока можно измерить непосредственно у стенки через просверленные
в ней отверстия 1 (рис. 1.9). При закрутке или при повороте потока линии
тока криволинейны, возникают центробежные силы, статическое давление переменно по сечению. Поэтому его нужно замерять в каждой точке
сечения с помощью трубок статического давления 2. Носик такой трубки
имеет полусферическую форму, а приемные отверстия 3 располагаются на
расстоянии от носика, равном трем диаметрам трубки.
Приборы, предназначенные для определения направления вектора скорости, называются угломерами. На рис. 1.10 показан Г-образный аэродинамический угломер, состоящий из двух спаренных трубок
0
с наружным углом  = 60 .
Рис. 1.10. Аэродинамический угломер
Каждую трубку соединяют с одним из плеч U-образного дифманометра. Поворачивая угломер, добиваются совпадения уровней
жидкости в обеих ветвях манометра. Это говорит о том, что в обоих
приемных отверстиях давление газа равно, а приемные трубки направлены навстречу потоку.
Для одновременного измерения нескольких параметров потока
применяют комбинированные трубки и зонды. Примером комбинированной трубки служит Г-образная комбинированная трубка – трубка
Прандтля (рис. 1.11). Она позволяет измерять одновременно полное
(в точке А) и статическое (в точках Б) давление газа или разницу этих
давлений, которая равна динамическому давлению и используется для
расчета скорости потока.
17
Рис. 1.11. Трубка Прандтля
При экспериментальном изучении пространственного и плоского потоков применяются пятиканальные шаровые и трехканальные
цилиндрические зонды.
18
2. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ГАЗОВОЙ ДИНАМИКИ
РАЗРЕЖЕННЫХ СРЕД
2.1. Понятие вакуума
Термин «вакуум» используют для описания очень широкого
диапазона физических условий. Он означает почти абсолютную пустоту, пространство, не содержащее вещества, или, точнее, пространство, в котором отсутствуют воздух и иные газы. Согласно другому
определению вакуум – это состояние, при котором давление газа ниже
доминирующего давления окружающей среды, или, конкретнее, атмосферного давления. Первому из определений отвечает межгалактическое пространство, иллюстрация второго – газовая среда во всасывающем патрубке обычного пылесоса.
Вакуум – состояние разреженного газа или пара при давлении
ниже атмосферного. (Здесь и далее курсивом будем выделять
определения по ГОСТ 5197-85.)
Уровень вакуума может быть выражен через давление разреженного газа, его молекулярную концентрацию (плотность), соотношение между средней длиной свободного пробега молекул газа  и характеристическим линейным размером вакуумной камеры d . Это соотношение называют числом Кнудсена:
Kn =

d
.
(2.1)
Сферы научного и инженерного интереса к вакууму в настоящее
время охватывают широчайший интервал плотностей – около 15 декад
(миллион миллиардов раз!). Современные промышленные технологии
и исследовательские задачи занимают определенные ниши этого гигантского диапазона. Потребность в высоком вакууме и освоение высоковакуумных технологий обусловлены и неразрывно связаны с развитием физических наук.
При атмосферном давлении в 1 см3 воздуха содержится приблизительно 3·1019 молекул. На околоземных орбитах космических летательных аппаратов концентрация газовых молекул близка к 109 см3. Соответственно, меньше и аэродинамическое сопротивление движению,
19
что позволяет спутникам оставаться на орбитах в течение многих лет.
При атмосферных условиях газовые молекулы сталкиваются друг
с другом, пройдя расстояние всего ~10-6 см. Расстояние, проходимое
молекулой без столкновений в космосе, может достигать нескольких
километров. В высоковакуумной камере межмолекулярные столкновения происходят намного реже, чем соударения молекул со стенками.
Эффект бесстолкновительного перемещения частиц в высоком вакууме используют, например, в телевизионных кинескопах, в которых сфокусированный пучок электронов, не рассеиваясь, свободно пролетает от
электронной пушки до экрана. Давление в кинескопах составляет примерно
одну миллиардную долю атмосферы.
Простейший пример проявления вакуума в природе – дыхание.
При вдохе мускульным усилием мы расширяем легкие, увеличивая их
объем. При этом давление в их полости несколько падает по отношению
к атмосфере, что вызывает приток в легкие дополнительной порции воздуха. Этот же принцип реализован в механических объемных насосах для
получения вакуума. В результате движения функциональных органов
насоса происходит непрерывное изменение объема его рабочей полости,
и газ или всасывается, или сжимается и выталкивается.
Давление в откачиваемой камере определяется динамическим
равновесием между двумя противоположными физическими процессами: удалением газа из камеры вакуумным насосом и поступлением
туда технологического газа и газа, натекающего в камеру из атмосферы
через неплотности самой камеры (неконтролируемые течи) и с ее стенок (газовыделение).
Подразделяют области низкого ( Kn  1 ) , среднего ( Kn  1 ) ,
высокого ( Kn  1 ) и сверхвысокого вакуума. Низкому вакууму на
практике соответствует интервал давлений от атмосферы до 102 Па,
среднему – от 102 до 10-1 Па, высокому – от 10-1 до 10-5 Па. Для сверхвысокого вакуума характерна неизменность поверхностной концентрации адсорбата, т. е. газовых молекул, в ходе технологического процесса
находящихся в связанном состоянии на стенках камеры. Такое состояние для подавляющего большинства вакуумных установок наступает
при давлении ниже I0-5 Па.
Несмотря на условность подобной классификации, она имеет
под собой физический фундамент – различие преобладающих режимов течения газа и, соответственно, закономерностей газокинетических
процессов в каждой из названных областей.
20
2.2. Свойства газов. Давление, плотность,
молекулярная концентрация
Уровень (степень) вакуума принято характеризовать абсолютным давлением разреженного газа. Гипотетическому нулевому давлению отвечает полное отсутствие газа. Международной системой СИ
установлена универсальная единица давления Паскаль (Па), т. е.
1 Па = 1 Н/м2 . Международный стандарт допускает также применение
единиц давления бар и миллибар (мбар), что обусловлено их распространенностью в экспериментальной физике. Один бар эквивалентен
атмосферному давлению при нормальных условиях. Европейские авторы часто используют миллибар. В США почти исключительное применение нашла внесистемная единица торр (мм рт. ст). 1000 мбар эквивалентны 760 торр.
Атмосферное давление при нормальных условиях в системе СИ
равно 101000 Па. В области низкого, или, как его иногда называют, грубого, вакуума давление может определяться как абсолютной величиной, так и соотноситься с атмосферой. Эта традиция восходит к гидрои пневмотехнике, где абсолютное давление измеряют в единицах ата
(атмосфера абсолютная), а относительное, т. е. отсчитываемое от
уровня атмосферы, – в единицах ати (атмосфера избыточная). Следует
также различать физическую атмосферу 1 атм = 760 торр и техническую атмосферу 1ат = 735,5 мм рт. ст.
Коэффициенты для пересчета основных единиц давления приведены в табл. 2.1.
Таблица 2.1
Коэффициенты для перерасчета основных единиц давления
Единица
давления
Па
мбар
мм рт. ст.
(торр)
атм
Па
мбар
10-2
1
1,33
мм рт. ст.
(торр)
7,5∙10-3
0,75
1
1
102
133
1,01∙105
атм
9,87∙10-6
9,87∙10-4
1,32∙10-3
1,01∙103
760
1
Переход от одних единиц к другим можно также осуществить
с помощью номограммы, представленной на рис. 2.1. Здесь численные
значения зафиксированного давления в различных единицах отвечают
21
точкам пересечения горизонтальной линии с соответствующими вертикалями. Иногда уровень разрежения выражают в процентах вакуума.
Атмосферному давлению соответствует 0 % вакуума, а например,
0,1 атм – 90 % вакуума.
Рис. 2.1. Номограмма для перевода различных единиц измерения
давления
22
В вакуумной технике давление не является единственной важной
характеристикой разреженного газа. Оно значимо лишь в области, близкой к атмосфере. В высоком вакууме силы, действующие изнутри на
стенки камеры, не представляют практического интереса – настолько
они малы. Более существенны молекулярная концентрация и, во многих
случаях, количество газа, адсорбированного стенками. Поэтому специалист в вакуумной технике должен приучить себя, говоря о давлении в откачиваемой камере, иметь в виду не «силовой» аспект этого понятия,
а его эквивалент, выражаемый, к примеру, молекулярной концентрацией
в долях ее значения при атмосферных условиях. Верхняя граница подобной понятийной терминологической инверсии пролегает вблизи 10-1 Па.
Движение вниз по шкале давлений (понижение давления) делает ее еще
более оправданной. Не случайно в последние десятилетия нередко высказывается идея вовсе отказаться от давления как показателя уровня вакуума. В качестве альтернативы предлагаются молекулярная концентрация, децибар (как децибел в акустике) или некая характеристика системы
«разреженный газ–поверхность», например коэффициент заполнения
поверхности адсорбированными молекулами или время формирования
на поверхности монослоя адсорбата и т. п. Эти предложения вполне логичны, и их реализация дала бы определенный эффект. Тем не менее
представляется, что наиболее рациональна все же нынешняя система, покоящаяся на единой метрологической шкале на всем диапазоне давлений – от высоких до сверхнизких.
Приближенные оценки молекулярной концентрации, отвечающей заданному уровню вакуума, можно сделать на основе простейших
соображений. Как известно, атомы и простые молекулы большинства
веществ, даже сильно различающихся по массе (например, водорода
и pтути), имеют довольно близкие размеры – около 3Å (3·10-8 см). Значит, молекулярный ряд протяженностью 1 см насчитывает приблизительно 3,3·107 частиц и 1 см3 отвержденного (сконденсированного) газа
в виде плотноупакованной кристаллической решетки будет содержать
около 3,5·1022 молекул.
Известно также, что при фазовом переходе «твердое тело–газ»
объем вещества возрастает примерно в тысячу раз. Соотношение плотностей конденсированного вещества и одноименного газа при атмосферном
давлении составляет: у гелия – 700, водорода – 790, воды – 1600, неона –
1340, азота – 650, воздуха – 715, кислорода и аргона – 800, ртути – 3000.
Из сопоставления вышеприведенных величин следует, что концентрация
23
молекул в атмосферном воздухе близка к 2,5·1025 м-3. Считая, что атмосферное давление равно 105 Па, получим, что предельно достижимому
в настоящее время вакууму (~10-10 Па) соответствует молекулярная концентрация примерно 2,5·1010 м-3.
Некоторые характерные молекулярные параметры воздуха в зависимости от давления представлены в табл. 2.2.
Таблица 2.2
Характерные молекулярные параметры воздуха
при температуре 293 К
Параметры
10
Число соударений
молекул с
поверхностью площадью
1 м2 за 1 с
Средняя
длина свободного пробега молекул, м
Молекулярная концентрация, м-3
5
10
-2
Давление, Па
10-5
10-7
10-10
2,87∙1027
2,87∙1020
2,87∙1017
2,87∙1015
2,87∙1012
6,51∙10-8
6,51∙10-1
6,51∙102
6,51∙104
6,51∙107
2,48∙1025
2,48∙1018
2,48∙1015
2,48∙1013
2,48∙1010
Данные табл. 2.2 позволяют сделать вывод: даже при предельно
достижимом современными средствами откачки вакууме поверхность
площадью всего 1 см2 при комнатной температуре ежесекундно бомбардируют почти 300 миллионов молекул. Их средняя длина свободного пробега превышает диаметр Земли. При давлении в камере ниже
10-3 Па число соударений молекул со стенками многократно превосходит количество межмолекулярных столкновений.
24
2.3. Приборы для регистрации и методы
измерения параметров разреженного
газового потока
2.3.1. Деформационные вакуумметры
Деформационные вакуумметры непосредственно измеряют усилие, возникающее под воздействием давления остаточного газа; диапазон
применения 10-1–105 Па. Принцип действия основан на измерении деформации упругого элемента под действием разности давлений по обеим сторонам. Усилие, возникающее под действием разности давлений, компенсируется в упругом элементе силой упругости. Чем тоньше стенка
и больше геометрический размер упругого элемента, тем больше чувствительность. Величина, пропорциональная перепаду давлений на упругом
элементе, является его деформацией.
В трубчатых вакуумметрах чувствительный элемент представляет
собой полую тонкостенную металлическую (или кварцевую) пружину,
чаще всего в форме петлеобразной или спиральной трубки эллиптического сечения (рис. 2.2). Трубка запаяна с одного конца, другой конец 1 соединяют с вакуумной системой. При изменении разности давлений снаружи трубки (обычно атмосферное давление) и внутри нее полая пружина
сжимается, и радиус ее кривизны меняется. Упругая деформация трубки
с помощью механических (рычажных, зубчатых) трансформирующих
устройств (2 – зубчатая передача, 4 – рычаг) преобразуется в угловое перемещение отсчетного указателя – стрелки 3 или линейное перемещение
светового указателя («зайчика»). Угол поворота стрелки в определенной
степени пропорционален указанной разности давлений и зависит от жесткости пружины. Для измерения абсолютной величины давления необходимо с одной из сторон упругого элемента поддерживать давление постоянным и точно знать его величину. Существует два подхода к выбору
этого давления, называемого опорным. Для больших давлений в качестве
опорного обычно используют атмосферное давление, величина которого
достаточно постоянна и легко измеряется с помощью широко распространенных приборов – барометров. Другой вариант – это использование в качестве опорного давления – давления во много раз меньше, чем измеряемое (~ 100 раз). Его можно считать нулевым.
25
Рис. 2.2. Деформационные вакуумметры с упругим элементом в виде
трубки Бурдона
Наиболее простой способ регистрации деформации – механическое соединение упругого элемента со стрелкой. Но с уменьшением
перепада давления уменьшается и величина деформации, и ее трудно
передавать механически.
Достоинством деформационных вакуумметров является независимость их показаний от состава газовой среды. Важно только,
чтобы газовая среда не взаимодействовала с материалами, из которых
изготовлены элементы вакуумметра. Важной характеристикой деформационных вакуумметров является возможность возникновения остаточной деформации упругого элемента, что приводит к выходу его
из строя. Поэтому для любого деформационного вакуумметра существует допустимый максимальный перепад давления на чувствительном элементе.
Следует отметить также большое влияние температуры
на упругие свойства чувствительного элемента. Поэтому при измерении малых перепадов давления часто применяют термостатирование
упругого элемента. Шкала прибора проградуирована или непосредственно в единицах давления, или в условных единицах (делениях).
26
При этом обычно атмосферному давлению соответствует нулевое показание прибора.
В первом случае измеряемое абсолютное давление р вычисляют
по формуле
p = pатм − p ,
(2.2)
p
где атм – атмосферное давление в месте и в момент измерения;
p – показание вакуумметра.
Во втором случае давление p рассчитывают по формуле
n
p = pатм − pmax
N,
(2.3)
где n – показание прибора в делениях;
ртах – верхний предел измерений вакуумметра, соответствующий
общему числу N делений.
В третьем случае давление p рассчитывают по формуле
p
p = pатм − атм  n = pатм − c  n
N
,
(2.4)
где n – показание прибора в делениях;
p
c = атм – цена деления вакуумметра, соответствующая атмосферN
ному давлению pатм при проведении измерения.
Деформационные вакуумметры по конструкции и наименованиям очень разнообразны. Рассмотрим трубчатые (ВО, ВТИ).
Особо следует остановиться на шкале трубчатых вакуумметров.
У многих из них шкала проградуирована в долях или процентах от атмосферного давления. В этом случае началом отсчета является не «абсолютный ноль», а атмосферное давление. Соответственно, цена деления шкалы таких вакуумметров меняется с изменением атмосферного
давления, что представлено выражением (2.4). Точность измерения вакуумметров ВТИ, ВО, М задается приведенной погрешностью и классом точности. Задается погрешность в процентах от верхнего предела
измерения, т. е. максимального измеряемого давления. Для всего диапазона измерения неизменной остается абсолютная величина погрешности, которая определяется для максимального измеряемого давления. Следовательно, относительная погрешность измерения с уменьшением давления растет. Поэтому первую треть шкалы для точных измерений использовать не рекомендуется.
27
Чувствительность пружинного вакуумметра увеличивается при
уменьшении толщины трубки и при выполнении ее в форме вытянутого
эллипса. В некоторых моделях вакуумметров трубку помещают в герметичный реципиент и откачивают последний до пренебрежимо малого по сравнению с измеряемым давления. Возможна и инверсия:
трубка откачана и помещена в реципиент, в который поступает газ под
измеряемым давлением. При этом, очевидно, деформация трубки
и, следовательно, показание прибора не зависят от атмосферного давления, и оно целиком соответствует измеряемому абсолютному давлению: р = р′.
Отечественная промышленность выпускает ряд сравнительно
простых безынерционных трубчатых (пружинных) вакуумметров,
среди которых имеются и высокоточные – типов ВТИ (вакуумметр точных измерений), ВО (вакуумметр образцовый), классы точности от 0,16
до 1,0, верхний предел измерений (0,6–1,0) 105 Па. Таким образом, давления в области 103–104 Па можно измерить этими приборами с погрешностью 2–3 % (при условии, что точно известно значение атмосферного давления). Зарубежные приборы обычно характеризуют приведенной погрешностью (например, ± 2 %).
Попытки существенно расширить рабочую область трубчатых
вакуумметров к давлениям ниже 103 Па не были успешными. Причины
заключаются как в недостаточной чувствительности упругого элемента
трубки, так и в несовершенстве механических систем регистрации
ее деформации. Хотя это, естественно, ограничивает использование
трубчатых приборов, благодаря их достоинствам – простоте, прочности, относительной точности (в своей области), быстроте срабатывания – они нашли применение в отдельных случаях для измерений низкого вакуума, в частности в системах поверки вакуумметров.
2.3.2. Термопарные вакуумметры
Принцип действия тепловых вакуумметров основан на использовании теплопередачи тех видов, которые связаны с образованием
и чаще всего с поддержанием градиента температур внутри первичного
преобразователя вакуумметра. Для этого там должны быть поверхности с разными температурами, между которыми, очевидно, возникает
28
энергетический обмен в форме теплопередачи. Соответствующее конструктивное исполнение прибора должно обеспечить такое функционирование его, когда закономерности процессов теплопереноса наиболее эффективно выражают связь их характеристик с давлением разреженного газа.
К традиционным видам тепловых вакуумметров относятся уже
давно вошедшие в практику измерений термопарные и терморезисторные вакуумметры. Рассмотрим подробнее термопарные вакуумметры.
Термопарные вакуумметры – вакуумметры косвенного действия, относятся к классу тепловых вакуумметров, диапазон применения 10-2–700 Па. Принцип их действия основан на зависимости количества тепла, передаваемого через слой газа, от его давления. Конвективный перенос тепла проявляется при давлениях газа выше 103 Па
и для диапазона термопарных вакуумметров отсутствует. Перенос
тепла излучением в условиях вакуума не зависит от давления газа и является побочным фактором.
Теплопроводность – молекулярный перенос тепла. Количество
тепловой энергии, передаваемой за счет теплопроводности QT , пропорционально концентрации молекул n . В то же время давление газа:
p = nkT , где n – концентрация молекул газа; k – постоянная Больцмана; T – температура газа, К. Следовательно, можно записать
QT = A    T ,
(2.5)
где A – коэффициент, определяемый геометрией;
T – разность температур между горячей и холодной поверхностями;
 – коэффициент теплопроводности газа,  ~ p, T и зависит от
состава газовой среды.
Следовательно, для термопарных вакуумметров мерой давления является количество тепла, передаваемого через слой газа теплопроводностью.
Для осуществления данного принципа действия вакуумметры
имеют две поверхности с разными температурами. Пространство
между ними заполнено газом, давление которого измеряется. Обычно
в качестве холодной поверхности используется поверхность корпуса
преобразователя, находящаяся при температуре окружающей среды.
Горячая поверхность создается за счет разогрева какого-либо элемента, находящегося внутри корпуса, пропусканием электрического
29
тока, называемого током накала. Наиболее часто в качестве такого элемента используется проволока малого сечения.
Для газовой среды конкретного состава при неизменной температуре холодной поверхности и неизменной геометрии теплообменного устройства с изменением давления газа p будет изменяться температура горячей поверхности Т г , которая пропорциональна давле-
нию ( Т г ~ p ). Но в то же время Т г зависит от тока накала I н ( Т г ~ I н ).
С точки зрения измерения давления p ~ I н  Т г .
В процессе работы либо величину I н , либо величину Т г поддерживают постоянной, и в соответствии с этим существует два режима работы термопарных вакуумметров: режим постоянного тока
накала; режим постоянной температуры. Характер зависимости давления от определяющих его величин при этих режимах работы представлен на рис. 14. Отечественная промышленность выпускает термопарный вакуумметр ВТ–2А и комбинированный вакуумметр ВИТ–2А
с закрытыми преобразователями ПМТ–2 (в стеклянном корпусе)
и ПМТ–4 (в металлическом корпусе). В преобразователях данного
типа термопара (хромель–копель в ПМТ–2 и хромель–алюмель
в ПМТ–4М) и нить нагревателя (проволока диаметром 0,1 мм из технической платины в ПМТ–2 и из никеля в ПМТ–4М) приварены через
перемычки. Типовые градуировочные кривые p = f ( E ) (по воздуху)
для преобразователей ПМТ–2 и ПМТ–4М приведены на рис. 2.3.
Рис. 2.3. Типовые градуировочные кривые термопарных
преобразователей: 1 – для ПМТ–2; 2 – для ПМТ–4М
30
Индивидуальные значения тока I определяет потребитель
(ПМТ–2) или изготовитель (ПМТ–4М) в ходе предварительной калибровки прибора. Последняя заключается в установлении такого значения тока I в диапазоне 90–150 мА, при котором ЭДС E имеет заданное номинальное значение, например 10 мВ, при остаточном давлении
p  10−2 Па. В принципе, I н = const и Т г = const могут быть выбраны любые в определенных пределах, допустимых для конкретного
прибора (по электрическим параметрам и побочным эффектам). Но для
использования и обеспечения единства измерений существуют стандартные градуировочные характеристики для каждого типа преобразователей термопарных вакуумметров.
Перед использованием конкретного преобразователя необходимо провести его калибровку, т. е. определение поддерживаемых постоянными величин I или Т, в зависимости от режима работы в соответствии со стандартными градуировочными характеристиками.
Калибровка преобразователя – это совмещение индивидуальной характеристики преобразователя со стандартной. Обычно калибровка производится при одном или двух выбранных давлениях, которые берутся на краях характеристики, где зависимость от давления
практически отсутствует (рис. 2.3). Это удобно, так как не требует точного знания давления в преобразователе при калибровке.
Уравнение теплового баланса для термопарного преобразователя в общем виде выглядит следующим образом:
Q = QT + QИ + QВ ,
(2.6)
где Q – энергия, подводимая к нагреваемому элементу.
Энергия, отводимая от нагреваемого элемента: QT – теплопроводностью через газ; QИ – теплопроводность за счет излучения; QВ –
теплопроводность по вводам. QИ и QВ – постоянно присутствующие составляющие, не зависящие от давления. Их роль можно уменьшить конструктивными методами, но в любом случае для конкретного преобразователя и конкретной разности температур между горячей и холодной поверхностями величины QИ и QВ постоянны и не зависят от давления.
Эксплуатационная характеристика. Важной эксплуатационной характеристикой термопарных вакуумметров является инерционность их показаний. Так, для преобразователя ПМТ-2, работающего
31
в режиме постоянства тока накала, время установления показаний
достигает 27 с (в отличие от конечного показания в 5 %).
Показания термопарных вакуумметров зависят от рода газа.
Обычно промышленные вакуумметры проградуированы по сухому воздуху или азоту. При измерениях давлений других газов рекомендуется использовать коэффициенты относительной чувствительности
к данному газу :
(2.7)
pГ = pВ + q Г ,
где p Г – действительное значение давления данного газа;
p В – показание вакуумметра, проградуированного по воздуху. Но,
строго говоря, q Г зависит от давления. Поэтому для точных измерений
необходима прямая градуировка конкретного вакуумметра по нужному
газу с использованием абсолютных вакуумметров.
Еще одной важной эксплуатационной особенностью термопарных вакуумметров является влияние на точность измерения давления
колебаний температуры окружающей среды. Радикальным способом
устранения этого влияния является термостатирование корпуса преобразователя. Сейчас наиболее распространенным является способ температурной компенсации – с помощью специального термочувствительного резистора, конструктивно помещенного или на корпусе преобразователя, или в разъеме кабеля, связывающего его с измерительным блоком вакуумметра.
Особенности конструкций. Термопарный вакуумметр состоит
из измерительного блока и преобразователя давления, присоединяемого к вакуумной системе через «грибковое» уплотнение. Преобразователь и измерительный блок соединены электрическим кабелем. Преобразователь служит для выработки электрического сигнала, пропорционального давлению. Измерительный блок состоит из системы питания преобразователя, показывающего прибора и может содержать другие (сервисные) блоки.
Принципиальная схема термопарного вакуумметра изображена
на рис. 2.4. Ток накала от источника питания Б попадает на нагреватель 1, изготовленный из тонкой проволоки. Поверхность нагревателя
является горячей поверхностью преобразователя. Ток накала регулируется переменным резистором R и измеряется миллиамперметром. Температура нагревателя контролируется термопарой 2. Величина термоЭДС измеряется милливольтметром. Корпус преобразователя
32
3 находится при температуре окружающей среды. Свободные концы
термопары вынесены из зоны нагрева, и их температура приближается
к температуре корпуса преобразователя. Но полностью разность температур горячей и холодной поверхностей в преобразователе не учитывается, что снижает точность измерения давления и накладывает ограничения на рабочую температуру окружающей среды преобразователя.
Такая схема соответствует вакуумметрам ВТ–2А–П, ВТ–3, ВТ–6
и термопаре части комбинированных вакуумметров ВИТ. Все они работают с преобразователями ПМТ–2 и ПМТ–4М. ПМТ–2 используется как
в режиме постоянного тока накала, так и в режиме постоянной температуры; ПМТ–4М – только в режиме постоянного тока накала.
Рис. 2.4. Принципиальная схема термопарного вакуумметра
Все эти приборы имеют показывающий прибор для измерения
термоЭДС и тока накала и, соответственно, переключатель положений
«Измерение», «Режим преобразователя». В положении «Измерение»
прибор показывает величину, пропорциональную давлению, в положении «Режим преобразователя» – величину, поддерживаемую постоянной в соответствии с выбранным режимом измерения. На панели имеется ручка резистора, с помощью которой регулируется величина, поддерживаемая постоянной.
ВТ– 2А– П – два диапазона в режиме постоянного тока накала
(два различных тока накала), имеет переключатель диапазонов.
33
ВТ– 3 – два диапазона и два режима работы ( I = const ;
T = const ) соответственно. Имеет переключатель диапазонов.
ВТ– 6 – два диапазона и два режима работы, соответственно. Переключение диапазонов автоматическое.
Термопарные части ВИТ – один диапазон в режиме постоянного тока накала.
Для нового преобразователя ПМТ– 2 необходимо определить
рабочий ток накала и термоЭДС; у ПМТ– 4М рабочий ток указан на
корпусе. В процессе эксплуатации режимы работы преобразователей
необходимо корректировать (примерно один раз в месяц при постоянной эксплуатации.
Приборы ВТ–2А–П, ВТ–3, термопарные блоки ВИТ показывают
сигнал в электрических величинах mV, mA. Для определения давления
пользуются градуировочными графиками или таблицами. По прибору
ВТ–6 отсчет происходят непосредственно в единицах давления.
2.3.3. Ионизационные вакуумметры
Ионизационные вакуумметры – вакуумметры косвенного действия, диапазон применения для p  1 Па (в некоторых конструкциях
верхний предел 102 Па). Принцип их действия основан на зависимости
тока положительных ионов, образованных в результате ионизации молекул разреженного газа, от измеряемого давления. Ионизация заключается в выбивании электронов из электронных оболочек молекул газа
и придании им таким путем положительного заряда.
Ионизационные вакуумметры по способу ионизации газа разделяются на следующие типы:
– электронные ионизационные, в которых ионизация газа осуществляется электронами, эмитируемыми накаленным катодом;
– магнитные – электроразрядные, ионизация газа в которых
происходит в газовом разряде;
– радиоизотопные, в которых газ ионизируется  -частицами,
реже  -частицами, испускаемыми радиоактивными изотопами.
Конструктивно ионизационные вакуумметры состоят из преобразователя давления, герметично присоединяемого к вакуумной системе, и измерительного блока, который обеспечивает требуемый
34
электрический режим работы преобразователя и производит усиление
и измерение его выходного сигнала. Преобразователь и блок соединяются между собой электрическим кабелем.
Принципиальная схема электронно-ионизационного вакуумметра изображена на рис. 2.5.
Прямонакальный катод 1, питаемый электрическим током, эмитирует электроны, которые под действием ускоряющего потенциала
U A устремляется к аноду 2. При этом они ускоряются, т. е. возрастает
их кинетическая энергия. На своем пути электроны сталкиваются с молекулами газа, имеющимися в объеме преобразователя. Если к моменту
столкновения электрон имеет энергию, равную или выше некоторой величины, то в результате столкновения может произойти ионизация молекулы газа. Процесс ионизации газа описывается уравнением
M + e → M ( n)+ + (n + 1)e ,
(2.8)
где M – нейтральная молекула или атом; е – электрон;
M ( n )+ − n кратно заряженный ион. Чаще всего для ионизационных
манометров n =1.
Рис. 2.5. Принципиальная схема электронно-ионизационного
вакуумметра
35
Ионизация электронным ударом происходит, если электрон атома
газа приобретает энергию, равную или превышающую потенциальную
энергии бесконечно удаленного электрона. Минимальная энергия, необходимая для отрыва электрона от атома и удаления его от ядра на расстояние, где силы взаимодействия ядра и электрона пренебрежимо малы,
определяется потенциалом ионизации данного газа. Для ионизации газа
необходимо, чтобы кинетическая энергия ионизирующего электрона была
больше энергии ионизации, т. е.
me e2 / 2  eU i ,
(2.9)
где me , e , e – масса, скорость и заряд электрона;
U i – потенциал ионизации газа.
При движении электронов в разреженном газе число их столкновений с атомами газа, приведших к образованию положительных
ионов, зависит от энергии ионизирующих электронов, их количества
и длины траектории, а также от рода газа, его температуры и давления.
Важной характеристикой процесса ионизации является эффективность
ионизации  , под которой понимают число пар ионов (ион и возникший
электрон), образованных одним электроном с энергией eU на пути в
1 см при давлении газа 133,3 Па и температуре 273 К. Наибольшая эффективность процесса ионизации достигается при энергии электронов,
равной 5–7 минимальным энергиям ионизации.
Первичные электроны и электроны, образовавшиеся в результате ионизации, уходят на положительно заряженный анод 2, образуя в его цепи электронный ток I 2 . Положительные ионы молекул
газа направляются на отрицательно заряженный коллектор 3, где ионы
забирают недостающие им электроны, превращаясь в нейтральные молекулы. В результате этого в цепи коллектора 3 течет электрический
ток, называемый ионным током I i .
Число актов ионизация, а следовательно, и число ионов, созданных фиксированным пучком электронов, пропорционально молекулярной концентрации газа n . Давление газа p и молекулярная концентрация газа n связана между собой известным соотношением
p = n  k  T , где k – постоянная Больцмана. Таким образом, соотношение ионного и электронного токов может служить мерой давления газа
(при известной температуре T ).
36
Уравнение измерения ионизационного манометра:
P=
Ii
I
= i = cI i ,
IeK S
(2.10)
где K – приведенная чувствительность, Па-1 (зависит только от геометрии преобразователя).
Электронный ток обычно поддерживают постоянным. Для каждого типа ионизационного преобразователя приводится либо абсолютная чувствительность S (А/Па), либо постоянная преобразователя
c (Па/А).
Конструкция преобразователя. На рис. 2.6 показана конструкция первого ионизационного преобразователя с цилиндрическим коллектором для измерения высокого вакуума (10–5–10–1 Па) – преобразователя ПИМ–2.
Рис. 2.6. Схема манометрического ионизационного
преобразователя ПМИ–2 с внешним цилиндрическим коллектором
Причины ограничений диапазона измерения в сторону высоких
давлений:
1) С увеличением давления растет число образованных и вторичных
электронов и уменьшается длина свободного пробега электронов и ионов,
что повышает вероятность рекомбинации ионов и частичного ухода их из
области ионизации, в результате чего происходит постепенный переход
к режиму электрического разряда, нарушающему линейную зависимость
ионного тока от электронного тока и давления (в пределе I i = I e ).
2) Малый срок службы вольфрамового катода при высоких давлениях. (Встречаются специально выполненные преобразователи ПМИ–2
с воздухостойким катодом.)
37
Причиной ограничения диапазона измерения в сторону низких давлений является наличие фоновых токов в цепи коллектора, не зависящих от
давления. Наибольший вклад в него вносит ток фотоэлектронной эмиссии
под действием рентгеновского излучения с коллектора. Электроны, попадающие на анод, обладают большой энергией, и при их торможении в материале анода возникает рентгеновское излучение. Часть этого излучения попадает на коллектор и передает энергию находящимся на нем электронам.
В результате этого часть электронов покидает коллектор, вызывая в его
цепи электрический ток, дополнительный к ионному.
Особенности эксплуатации. Недопустимо включение ионизационных вакуумметров при высоких давлениях (выше верхнего предела измерения конкретного преобразователя). Это приводит к перегоранию катода и выходу преобразователя из строя. Поэтому параллельно с ионизационным вакуумметром должен быть присоединен вакуумметр, который не выходит из строя при высоких давлениях и по
которому можно определить достижение разрежения, допустимого для
включения ионизационного вакуумметра. Наиболее часто для этих целей используются тепловые вакуумметры.
Недопустимо наличие рядом с ионизационным преобразователем сильных магнитных и электрических полей. Их присутствие может
внести большую погрешность в процессе измерения давления. Колебания температуры окружающей среды слабо сказываются на работе
ионизационного преобразователя и обычно не учитываются.
Конструктивные особенности вакуумметров типа ВИТ.
Широко распространены комбинированные вакуумметры типа ВИТ
(вакуумметр ионизационно-термопарный). Они состоят как бы из двух
приборов, собранных в одном корпусе. И термопарная, и ионизационная части могут работать совершенно независимо.
В настоящее время встречается два типа таких приборов:
ВИТ–2 и ВИТ–3. Термопарные части этих приборов совершенно одинаковы: работают в режиме постоянного тока накала с преобразователями
ПМТ–2 и ПМТ–4М и являются индикаторными. Ионизационные части
этих вакуумметров отличаются по трем эксплуатационным моментам:
– ВИТ–3 работает с тремя преобразователями (ПМИ–2,
ПМИ–10-2 и ПМИ–51), а ВИТ–2 – только с ПМИ–2 и ПМИ–51;
– ВИТ–3 имеет систему, предохраняющую катод от перегорания;
– показывающий прибор ВИТ-3 имеет обзорную шкалу, позволяющую грубо оценивать уровень давления без переключения диапазонов и в мм рт. ст.
38
3. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ
И ВАКУУМА
3.1. Виды компрессорных машин и вакуумных
насосов
Собирательный термин «насосы и компрессоры» относится
к компрессорам, вентиляторам и вакуумным насосам. Все эти машины
предназначены для нагнетания газа из области низкого давления в область высокого давления или наоборот.
Компрессоры действуют в оптимальном режиме при ε > 1,15.
Неохлаждаемые компрессоры (ε < 2,5–3) называют воздуходувками,
нагнетателями или продувочными насосами.
Вентиляторы в отличие от других компрессорных машин работают почти без повышения давления (в оптимальном режиме ε = 1 –1,15).
Вакуумные насосы предназначены для удаления газов и паров
из сосудов при давлении в них ниже атмосферного. Степень повышения давления может быть высокой, хотя конечное давление обычно
равно атмосферному.
Компрессоры и вакуумные насосы по способу действия можно
разделить на три основные группы: объемные, лопастные и струйные.
При классификации по конструктивному признаку объемные компрессоры подразделяются на поршневые и роторные, а лопастные – на центробежные и осевые.
Кроме того, все компрессоры различаются:
– по конечному давлению – низкого (до 1 МПа), среднего (до 10 МПа),
высокого (до 100 МПа) и сверхвысокого (более 100 МПа) давления;
– по роду перекачиваемого газа – воздушные, кислородные, аммиачные, для природного газа и др.;
– по условиям эксплуатации – стационарные (с массивным фундаментом и постоянным обслуживанием); передвижные (перемещаемые при эксплуатации, иногда без постоянного обслуживания); автономные (с собственными вспомогательными системами, включенными
в состав агрегата);
– по системе охлаждения – без искусственного охлаждения;
с воздушным охлаждением; с внутренним водяным охлаждением;
39
с внешним охлаждением в одном, двух и т. д. промежуточных охладителях; охлаждаемые впрыскиванием жидкости.
Основными параметрами, характеризующими работу компрессора, являются объемная подача V (исчисляется обычно при условиях
всасывания), начальное ( p1 ) и конечное ( p2 ) давления, степень повы-
шения давления  = p2 p1 , частота вращения n и мощность N на
валу компрессора. Ориентировочные значения основных параметров
компрессорных машин различных типов, применяемых в промышленности, приведены в табл. 3.1.
Таблица 3.1
Основные характеристики компрессорных машин и вакуумных
насосов
Тип
Назначение
Поршневые
Вакуум-насосы
Компрессоры
Вакуум-насосы
Газодувки
Компрессоры
Вентиляторы
Газодувки
Компрессоры
Вентиляторы
Роторные
Центробежные
Осевые
Компрессоры
Подача,
м3 / мин
0–100
0–500
0–100
0–500
0–500
0–6000
0–5000
100–4000
50–10000
100–
15000
Степень
повышения
давления
1–50
2,5– 000
1–50
1,1–3
3–12
1–1,15
1,1–4
3–20
1–1,04
Частота
вращения
n, об/мин
60–1500
100–3000
250–6000
300–15000
300–15000
300–3000
300–3000
1500–45000
750–10000
2–20
500–20000
3.2. Вакуумные насосы как своеобразные
компрессоры
В принципе, в вакуумный насос можно превратить любой компрессор, подсоединив откачиваемую камеру к его входу. Однако для
достижения требуемых характеристик, особенно в области высокого
вакуума, компрессоры необходимо подвергнуть существенной конструктивной модификации.
40
Закономерности поведения газов, рассмотренные в работах
[7, 9, 10, 17], лежат в основе функционирования насосов для создания низкого и высокого вакуума. Фактически насос – это энергопотребляющее
устройство для перемещения рабочего тела (жидкости или газа) из области
низкого в область высокого давления. Компрессор выполняет аналогичные
функции с той лишь разницей, что он предназначен только для сжимаемых
сред. Традиционно слово «насос» у большинства людей ассоциируется
с транспортировкой жидкостей. Исключение составляет лишь вакуумная
техника. Причина тому – чисто историческая. Три с половиной столетия
назад для создания вакуума камеру заполняли водой, которую затем откачивали пожарными насосами. Большинство механических объемных вакуумных насосов по существу не отличаются от обычных компрессоров.
Их своеобразие состоит в том, что рабочая камера присоединена к входному
отверстию, а не к выходному. Степень сжатия газа в вакуумных насосах гораздо выше, чем в обычных компрессорах, хотя разность давления на входе
и на выходе не превышает одной атмосферы. Подводя итог, можно сказать,
что большинство механических вакуумных насосов – это компрессоры для
разреженных газов.
Высоковакуумные насосы имеют две дополнительные особенности: одна из них – существование молекулярного потока по крайней мере
на входе в насос, другая – необходимость предварительного вакуумирования для приведения насоса в рабочее состояние.
Таким образом, высоковакуумный насос, как и компрессор,
осуществляет сжатие газа. Правда, начальное давление газа может быть
сколь угодно меньше атмосферного. Максимальное давление в выходном отверстии, как правило, близко к 10–500 Па, хотя насосы некоторых модификаций способны функционировать и при выпускном давлении до 5000 Па. В принципе, оно может достигать даже атмосферного,
что, правда, непрактично.
По этой причине большинство высоковакуумных насосов, как
правило, работают последовательно с насосами, называемыми форвакуумными. Форвакуумный насос – вакуумный насос, предназначенный
для поддержания давления в выходном сечении насоса более высокого
вакуума, при котором последний может обеспечивать заданные
параметры откачки. Вакуумная схема работы такого агрегата
представлена на рис. 3.1.
И высоковакуумный, и форвакуумный насосы имеют очень высокую степень сжатия, порядка 106. Форвакуумный насос, однако, создает
гораздо больший абсолютный перепад давления, около 105 Па, тогда как
41
типичный высоковакуумный – не более 50–100 Па. Для некоторых современных турбомолекулярных насосов, впрочем, достижим перепад и более
5000 Па.
Рис. 3.1. Вакуумная схема агрегата из диффузионного насоса
и форвакуумного механического вращательного насоса
Нередко вакуумные условия выходят за рамки обычных представлений о газовом континууме. К примеру, при давлениях ниже
10-1 Па в вакуумной системе может преобладать молекулярный режим течения. Это приводит к различию важнейших параметров откачки индивидуальных газов, составляющих откачиваемую смесь. Так, вполне реально
получить разные значения производительности и максимальной степени
сжатия для газов различной молекулярной массы.
Как уже отмечалось, все насосы, независимо от конструкции,
размеров и откачиваемой среды, можно охарактеризовать двумя взаимосвязанными рабочими параметрами – производительностью (быстротой действия) и перепадом давлений между выходом и входом (отношением давлений). Качественно взаимосвязь этих параметров представлена на рис. 3.2. Точный характер кривой не имеет принципиального значения. В зависимости от решаемой задачи фиксируются давление на входе в насос, давление на его выходе либо разность этих давлений. Вместо абсолютных величин может фиксироваться также отношение давлений.
42
Рис. 3.2. Рабочая диаграмма вакуумного насоса
Как видно из рис. 3.2, возможны два предельных эксплуатационных режима насоса. Один из них – режим максимального потока, когда
клапаны на входе и на выходе полностью открыты. В этом режиме перекачиваемый поток (быстрота действия) максимален, а давления на входе
и на выходе почти одинаковы. Отношение этих давлений близко к единице, а их разность p близка к нулю.
Другой предельный режим отвечает ситуации, когда клапан
на входе в насос полностью закрыт. В этом режиме разность давлений
и их отношение максимальны, а перекачиваемый поток отсутствует.
На практике любой насос работает между предельными режимами. Характер кривой между двумя этими точками может быть различным.
При испытаниях насосов первая предельная точка характеристики реализуется при полном открытии натекателя VF1, установленного на входе в насос (см. рис. 3.1), а вторая – при его полном закрытии.
Производительность (быстроту действия) при снятии характеристики
насоса изменяют за счет плавной регулировки степени открытия натекателя. При этом в соответствии с рабочей характеристикой насоса меняются и давления на входе и выходе.
Повторим, что даже в «абсолютно» герметичной вакуумной системе всегда существует некоторый газовый поток, формируемый газовыделением со стенок и натеканием извне. При постоянном выходном
давлении, что характерно для механических объемных насосов, этот
поток малосуществен. В этом случае важнейшей характеристикой
можно считать входное давление насоса, а не отношение или разность
выходного и входного давлений.
43
Максимально достижимое отношение и разность этих давлений
принципиально значимы для высоковакуумных насосов. Проиллюстрируем этот тезис на примере простейшего контура, включающего
гидравлический насос, фильтр и циркулирующую в контуре жидкость
(рис. 3.3).
Рис. 3.3. Схема замкнутого перекачивающего устройства
Аналогом насоса будет гальваническая батарея в электрической
цепи; фильтр будет тождествен резистору. Предположим, что насос поднимает давление от 1 до 10 атм, т. е. отношение давлений 10, а их разница – 9 атм. Присоединив теперь к контуру через клапан сосуд высокого
давления, доведем давление до 100 атм и закроем клапан. Это будет аналогом ситуации, как если бы был поднят потенциал «земли» электрической цепи. Новые значения давлений в контуре будут 101 и 110 атм, а их
разница останется прежней. Сохранится и скорость потока, так как насос
и плотность жидкости существенно не изменились. Однако новое отношение давлений составит 1,09 вместо прежнего 10.
Рассмотрим теперь открытый контур (рис. 3.4).
Рис. 3.4. Схема перекачивающего устройства открытого типа
44
Насос перекачивает жидкость из одного резервуара в другой, поднимая при этом поршень в правом резервуаре. Когда разница давлений
между выходным и входным сечениями насоса достигнет предельно возможной для него величины, перемещение жидкости прекратится.
Представим далее, что мы повышаем давление в правом резервуаре, устанавливая на поршень груз. Это будет аналогом ситуации, как
если бы в электрическую цепь была включена батарея обратной полярности, имеющая более высокую разность потенциалов: электрический
ток изменит направление. Такая же инверсия произойдет и с потоком
жидкости в рассматриваемом контуре, а насос начнет работать в «обратную сторону», если, разумеется, его конструкция это позволит.
Данный случай перекачки жидкости имеет прямую аналогию
с откачкой с помощью вакуумного агрегата, состоящего из пароструйного насоса высокого вакуума и форвакуумного механического насоса
(см. рис. 3.1). Допустим, на выходе из высоковакуумного насоса мы
устанавливаем регулирующий вентиль V F 2 и начинаем плавно поднимать давление, создавая подпор прямому потоку газа. Пароструйный
насос до какого-то момента (до некоторого выходного давления) продолжает нормально работать, и давление на его входе практически не
повышается (рис. 3.5). Однако при некотором давлении на выходе произойдет срыв его работы, что приведет к резкому росту давления на
входе за счет обратного потока с выхода. Давление, при котором происходит такой процесс, называют давлением срыва работы насоса.
Рис. 3.5. Зависимость давления на входе в насос от давления
на выходе (кривая противодавления)
45
Очевидно, что доводить давление на выходе до давления срыва
крайне нежелательно, поскольку это приводит не только к резкому росту давления на входе (а значит, и в вакуумной камере), но и к попаданию паров масла с обратным потоком из паромасляного насоса в откачиваемый объем. Поэтому очень важным параметром насоса является
наибольшее выпускное давление – наибольшее давление в выходном
сечении вакуумного насоса, при котором насос еще осуществляет
откачку. Очевидно, что выбор типа форвакуумного насоса можно осуществлять только во взаимосвязи с насосом высокого вакуума как по
производительности, так и по диапазону рабочих давлений. Более подробно вопрос согласования насосов хорошо рассмотрен в литературе
по вакуумной технике [1–3]. Приведенный пример показывает, что разница давлений на выходе и входе и их отношение являются важнейшими параметрами насоса.
Как уже отмечалось, рабочую характеристику вакуумного
насоса удобно представлять в виде графической зависимости быстроты
действия от давления на входе (рис. 3.6). Эта зависимость к тому же
наглядно демонстрирует предельные параметры насоса.
Рис. 3.6. Зависимость быстроты действия от давления на входе
в насос
46
Высоковакуумные насосы имеют экстремально высокую степень
сжатия. Отнюдь не уникальны насосы со степенью сжатия 10б и выше. Эти
насосы весьма эффективны и по критерию быстроты действия. Она достигает 50 % и даже, в отдельных случаях, 100 % теоретически возможного значения. Однако высоковакуумные насосы имеют крайне низкую энергетическую эффективность. Лишь малая часть потребляемой энергии преобразуется в работу сжатия откачиваемого газа. Ее основная доля затрачивается на
нагрев, охлаждение и фрикционные потери.
Для получения высокого вакуума необходимы средства откачки, обладающие одновременно большой быстротой действия и высокой степенью сжатия (компрессией). Быстрота действия лимитируется размерами насоса. Поэтому при заданных размерах необходимо
добиваться как можно большей компрессии. У объемных механических
насосов с масляным уплотнением, диффузионных и турбомолекулярных насосов она составляет 106 и более. Для сравнения укажем, что
у серийных воздуходувок, авиационных компрессоров и автомобильных двигателей компрессия не превышает 10. Это сопоставление убедительно демонстрирует специфичность технических решений современных вакуумных насосов. Поэтому важные составляющие успеха
в изготовлении и эффективном использовании высоковакуумного оборудования – профессионализм пользователя и его осведомленность
о принципе действия, конструкции и эксплуатационных особенностях
этого оборудования.
3.3. Типовая характеристика вакуумного
насоса
Основным элементом любой вакуумной системы является вакуумный насос. Согласно ГОСТ 5197-85 вакуумный насос – устройство,
предназначенное для создания, повышения и поддержания вакуума.
Рабочая характеристика вакуумного насоса представляет собой
зависимость быстроты действия от давления на входе (рис. 3.7). Практически любой насос имеет в некотором диапазоне входных давлений
постоянную быстроту действия, которая называется номинальной
быстротой действия насоса S н .
max
Справа и слева этот участок ограничивается наибольшим ( рраб )
min
и наименьшим ( р раб ) рабочим давлением соответственно.
47
Рис. 3.7. Типовая рабочая характеристика
высоковакуумного насоса
Наибольшее рабочее давление насоса – наибольшее давление во
входном сечении насоса, при котором насос длительное время сохраняет номинальную быстроту действия.
Наименьшее рабочее давление насоса – наименьшее давление
во входном сечении насоса, при котором насос длительное время сохраняет номинальную быстроту действия.
Рабочий диапазон давлений определяется принципом действия
насоса. В этом диапазоне обеспечивается наиболее эффективное использование насоса.
При работе любого насоса в его входном сечении имеется, пусть и
очень малый, обратный поток в сторону откачиваемого объема. Этот поток состоит из паров рабочей жидкости и газов, растворенных в ней и выделяющихся в вакууме, газа, перетекающего со стороны выхода на сторону входа через рабочий механизм насоса, и т. д. Соотношение между
прямым и обратным потоками определяет давление pвх , устанавливающееся во впускном отверстии. По мере откачки (понижения давления)
прямой поток уменьшается, а обратный или увеличивается, или остается практически неизменным. При выравнивании прямого и обратного
потоков быстрота действия насоса становится равной нулю. Этому моменту соответствует достижение насосом предельного остаточного
давления.
Предельное остаточное давление – давление, к которому
асимптотически
стремится
давление
в
стандартизованном
48
испытательном объеме без напуска газа при нормально работающем
насосе. Это один из ключевых параметров любого насоса, который
обязательно указывается в его паспорте.
Полное остаточное давление в системе складывается из парциальных давлений находящихся в ней индивидуальных газов. Насосы
объемного действия, например насосы с масляным уплотнением,
имеют примерно одинаковую быстроту действия по различным газам.
Однако для большинства высоковакуумных насосов при молекулярном
режиме характерна селективность откачки; различные газы откачиваются ими с разной быстротой.
Необходимо четко различать предельное остаточное давление
собственно насоса и предельно достижимое давление в вакуумной камере. Газовые нагрузки в камере часто на несколько порядков больше,
чем поток газа, выделяющегося внутри насоса. Источники газа могут
быть в вакуумной системе или в самом насосе. В дополнение к газовыделению конструкционных материалов источниками газовой нагрузки
могут быть смазки, рабочие жидкости (в частности, в пароструйных
насосах) и реэмиссия ранее поглощенных газов. Поэтому в камере далеко не всегда можно достичь предельного давления, на которое способен насос. Обычно приводимые паспортные данные о параметрах
насоса, в частности о предельном остаточном давлении, отвечают минимальным газовым нагрузкам на входе в насос. Именно поэтому при
испытаниях насосов, в том числе и на предельное остаточное давление,
измерения проводят с установленным на входе насоса стандартизованным испытательным объемом.
Определить расчетным путем предельное остаточное давление
большинства насосов и систем (в первую очередь высоко- и средневакуумных) не представляется возможным в связи с целым рядом неустойчивых потоков, например таких как: состояние чистоты и степень
обезгаженности рабочей жидкости насоса и стенок откачиваемого объема, время выдержки системы под вакуумом, род откачиваемого ранее
газа, температурные режимы и т. д.
В целом давление на входе в насос pвх можно представить как
сумму ряда компонент, зависящих от внешних и внутренних газовых нагрузок и обратных перетеканий газа в насосе. Расчетная формула имеет вид
n p
 n Q
 n Q
вых i
,
pвх =   i  +   i 
+
S
S
K
 i =1 i внеш  i =1 i внутр i =1 i
49
(3.1)
где Qi и Si – поток и быстрота откачки i-го газа;
pвыхi – парциальное давление i-го газа на выходе из насоса;
K i – степень сжатия (степень повышения давления) насоса для i-го газа.
На практике доминирующим может быть любое из этих слагаемых.
Первое слагаемое (внешние источники) – это влияние потоков, формируемых в откачиваемом объеме, в том числе потоков технологического процесса (если таковые имеются). Оно включает течи, десорбционные потоки
с поверхности и потоки газопроницаемости, например натекание гелия из
атмосферы через стеклянные стенки. Второе слагаемое (внутренние источники) – влияние потоков самого насоса, в первую очередь потоков, связанных с рабочей жидкостью. Третье слагаемое – влияние конструкции насоса.
Для газоулавливающих насосов третье слагаемое должно быть заменено на
давление, определяемое количеством поглощенных молекул. Предельное
остаточное давление самого насоса составляют два последних слагаемых.
Источником газовыделения является и сама измерительная аппаратура. Для определения истинной величины предельного остаточного
давления насоса следует вычесть вклад всех внешних источников газа.
Обычно этого не делают из-за большой трудоемкости необходимых экспериментов. Экспериментально же остаточное давление находят, проводя
измерение по стандартизованной методике, при этом стремятся сделать
условия проведения испытаний максимально одинаковыми.
Для достижения давлений ниже 10-6 Па все оборудование, включая
измерительную аппаратуру, должно отвечать требованиям сверхвысоковакуумной технологии. Нередко то, что принимается за предельное остаточное
давление насоса, на самом деле является характеристикой системы в целом.
Например, с применением стандартной эластомерной прокладки для герметичного подсоединения к камере ионизационного манометрического преобразователя фиксируется измеряемое давление на уровне ~ 3·10-6 Па независимо оттого, каким бы низким в действительности это давление ни было.
Чтобы наглядно оценить значимость первого слагаемого в соотношении (3.1), можно воспользоваться хрестоматийным примером с отпечатками пальцев. Для того чтобы отпечаток был виден невооруженным глазом,
толщина слоя краски должна превышать 100 молекулярных слоев. Допустим, площадь отпечатка равна 1 см2. Тогда в нем содержится по меньшей
мере 1017 молекул. Допустим, что вещество, образующее отпечаток, внесено
в камеру, откачиваемую насосом с быстротой действия 100 л/с при давлении 10-6 Па. При атмосферном давлении 1 л газа содержит около 1022 молекул. При давлении 10-6 Па концентрация уменьшается до 1011 молекул на
50
литр (1013 молекул в 100 л). Тогда время, необходимое для «откачки» отпечатка, составит 104 с (1017/1013), т. е. примерно 2,8 ч.
3.4. Классификация вакуумных насосов
и компрессоров
Классификация вакуумных насосов и компрессоров, разработанная на кафедре вакуумной техники электрофизических установок
КНИТУ, представлена на рис. 3.8.
ПО ХАРАКТЕРУ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НА ОТКАЧИВАЕМЫЙ ГАЗ
Вакуумные насосы (34) и компрессоры,
прокачивающие газ через себя
(газоперекачивающие – 28)
Вакуумные насосы (34)
и компрессоры,
поглощающие газ
(газоулавливающие – 56)
ПО ПРИНЦИПУ ДЕЙСТВИЯ (ПРИНЦИПУ УДАЛЕНИЯ ГАЗА)
Вакуумные насосы
и компрессоры
объёмного действия (39)
Вакуумные насосы
и компрессоры
кинематического
(скоростного) действия
Вакуумные
насосы сорбционного действия (57)
Вакуумные
насосы конденсационного
действия (56)
Возвратнопоступательные (42)
Вращательные (42)
Механические (38)
Струйные (52)
Мембранный
(-)
Жидкостно(водо)кольцевой (39)*
Молекулярный (51)
Водо(жидкостно)струйный (47)
Адсорбционный (58)
Конденсационный (64)
Поршневой
(31)
Пластинчатостаторный (37)
Турбомолекулярный (143)
Газоструйный
(48)
ГеттерноИспарительный
(60)
Криоконденсационный (65)
Диффузионный
(масляный
и ртутный) (51)
Испарительный ионногеттерный (61)
Пластинчатороторный (37)
Плунжерный
(38)
Двухроторный
(40)
Бустерный
(диффузионноэжекторный)
(52)
Пароэжекторный
(50)
Магнитный
электроразрядный (63)
Криоадсорбционный
(65)
Рис. 3.8. Классификация вакуумных насосов и компрессоров
(39)* – номер по ГОСТ [14].
51
По величине вакуума насосы можно разделить на четыре основные группы (рис. 3.9). Насосы и компрессоры каждой из указанных
групп различаются по конструктивным признакам. По конструкции
и рабочему процессу отличаются друг от друга насосы и компрессоры
трех основных классов: механические (объемные и скоростные), поглотительные (газоулавливающие), струйные (все скоростные).
Рис. 3.9. Основные группы вакуумных насосов
Эффективность технологических процессов различных производств зависит от рационального выбора последовательности технологических операций (технологии производства) и правильного выбора
аппаратурного оформления насосного, компрессорного и вакуумного
откачного оборудования.
3.5. Вакуумные насосы и компрессоры
кинетического (скоростного) действия
Струйные вакуумные насосы – это скоростные насосы, действие которых основано на увеличении удаляемого газа направленной
52
струей жидкости, пара или газа, истекающей из рабочего сопла с высокой скоростью.
Классификация струйных вакуумных насосов и компрессоров,
в которых полностью изменяется агрегатное состояние одного из взаимодействующих потоков, представлена на рис. 3.10.
Название
группы
аппаратов
Состояние
взаимодействующих
сред
Свойства
взаимодействующих
сред
Степень
сжатия,
создаваемая
аппаратом
1,2-2,5
Равнофазные
Разнофазные
Изменяющейся
фазности
Агрегатное
состояние
рабочей и
инжектируемой
сред одинаково
Агрегатное
состояние
рабочей и
инжектируемой
сред
неодинаково
Агрегатное
состояние
рабочей и инжектируемой
сред
изменяется
Упругие среды
>2,5
<1,2
Неупругие
среды
Рабочая –
упругая, инжектируемая –
неупругая
Рабочая – неупругая, инжектируемая –
упругая
Рабочая и инжектируемая –
неупругие
Рабочая –
упругая, инжектируемая –
неупругая
Рабочая – неупругая, инжектируемая –
упругая
Название аппарата
Газо(паро)струйные
компрессоры
Газо(паро)струйные
эжекторы
Газо(паро)струйные
инжекторы
Любая
Струйные насосы
Любая
Струйные аппараты
для
пневмотранспорта
Любая
Водовоздушные
эжекторы
Любая
Струйные аппараты
для
гидротранспорта
Любая
Пароводяные
инжекторы
Любая
Пароводяные
смешивающие
подогреватели
Рис. 3.10. Классификация струйных вакуумных насосов
и компрессоров
Струйные аппараты, в которых полностью изменяется агрегатное
состояние одного из взаимодействующих потоков, можно разделить на
два типа. К первому типу относятся аппараты, в которых рабочей средой
является пар, а инжектируемой – жидкость (парожидкостные
53
инжекторы), ко второму типу – аппараты, в которых рабочей средой является жидкость, а инжектируемой – пар (струйные подогреватели).
В названии струйного аппарата вначале, как правило, указывается
рабочая среда. В этих названиях в значительной мере учтена установившаяся терминология. Каждый из указанных типов струйных аппаратов имеет
свои характерные особенности, которые должны учитываться при его расчете. В то же время все струйные аппараты имеют много общего, поскольку
процесс их работы описывается обычно тремя уравнениями. Для расчета
аппаратов, которые менее изучены, приходится применять уравнения, частично построенные на эмпирических закономерностях.
В зависимости от агрегатного состояния вещества струи различают жидкоструйные, пароструйные и газоструйные насосы. По самому веществу (рабочему телу) насосы могут быть водоструйные, пароводяные, паромасляные, парортутные и др. В зависимости от области
действия и механизма захвата откачиваемого газа струей различают
эжекторные, диффузионные и бустерные насосы.
Эжекторные насосы – низко- и средневакуумные струйные
насосы, в которых происходит турбулентно-вязкостное увлечение газа
поверхностным слоем струи и перемешиванием. Распространены пароводяные эжекторные насосы как самостоятельное много-ступенчатое
откачное средство, т. е. ряд эжекторных сопел, включенных последовательно, а также эжекторные сопла в качестве последней ступени в составе паромасляных насосов.
Применяются также воздушные эжекторы, устанавливаемые на входе
в водокольцевые насосы для понижения остаточного давления, и воздушные
эжекторы как самостоятельные водоструйные вакуумные насосы.
В области давлений ниже 1 Па (высокий и сверхвысокий вакуум, молекулярный режим течения) в проточном тракте насосов работают диффузионные сопла, откачивающее действие которых основано
на диффузионном проникновении молекул откачиваемого газа в объем
высокоскоростной разреженной струи рабочего пара, имеющей в момент истечения практически нулевое парциальное давление газа.
Ступень любого струйного насоса (рис. 3.11) содержит сопло 1,
приемную камеру или входной патрубок 2, камеры смешения 3 конической, цилиндрической или кольцевой формы. Для более полного сжатия откачиваемого газа в ступень включают диффузор 4, в котором кинетическая энергия смеси переходит в энергию давления. Для разгрузки проточного тракта от паров или организации замкнутого цикла
воспроизводства рабочего тела применяют конденсатор.
54
Рис. 3.11. Принципиальная схема ступени: 1 – сопло; 2 – входной
патрубок; 3 – коническая камера смешения; 4 – диффузор
Эффективность ступени зависит от формы сопла и отношения
давления рабочего тела, срабатываемого на сопле (чем выше скорость
истечения рабочего тела из сопла, тем эффективнее ступени). Поэтому
сверхзвуковые сопла имеют большие преимущества. Они состоят из
сужающегося разгонного участка (наиболее узкое критическое сечение, в котором должна достигаться местная скорость звука
a = ( 2  k  g  R  T ) ( k + 1) расширяющегося участка, где происходит
дальнейшее увеличение скорости рабочего тела сверх скорости звука.
Сужающиеся сопла являются дозвуковыми, так как скорость истечения
из них при самых больших срабатываемых отношениях давлений не
может превысить скорости звука.
3.6. Вакуумные насосы и компрессоры
объемного действия
Механический вакуумный насос – насос, откачивающее действие которого основано на перемещении газа вследствие механического движения рабочих частей насоса.
В свою очередь, механические насосы подразделяются на объемные, скоростные и объемно–скоростные.
Объемный вакуумный насос – механический насос, в котором
перемещение газа осуществляется за счет периодического изменения
объема рабочей камеры.
55
Скоростной (кинетический) вакуумный насос – насос, в котором перемещение газа осуществляется за счет передачи молекулам газа
импульса от движущейся поверхности.
Объемно-скоростной (комбинированный) вакуумный насос –
насос, в котором часть газа переносится за счет объемной откачки, а перетекания через каналы носят скоростной характер.
По характеру движения рабочих частей насоса различают возвратно-поступательные и вращательные (роторные) вакуумные насосы.
Механические вакуумные насосы:
1) Скоростные вакуумные насосы (молекулярные; турбомолекулярные; центробежные; осевые).
2) Объемные вакуумные насосы (золотниковые; поршневые;
мембранные; водокольцевые; спиральные; многопластинчатые).
3) Объемно-скоростные вакуумные насосы (двухроторные;
винтовые «сухие»; кулачково-зубчатые).
Вращательный объемно-механический вакуумный насос – насос,
рабочей частью которого являются вращательные элементы, создающие
периодическое изменение объема рабочей камеры. Большая часть вакуумных насосов относится к роторным (вращательным) насосам.
Наибольшее распространение получили: водокольцевые вакуумные
насосы (ВВН), золотниковые вакуумные насосы (НВЗ), пластинчато-роторные вакуумные насосы (НВР), пластинчато-статорные, центробежные вакуумные насосы (ЦВН), осевые вакуумные насосы (ОВН), спиральные вакуумные насосы (СпВН), различные виды двухроторных вакуумных насосов (типа Рутс, винтовые, кулачково-зубчатые).
По характеру повышения давления газа в рабочем объеме роторные вакуумные насосы можно подразделить на три группы:
1. Вакуумные насосы с полным внутренним сжатием – насосы,
в которых повышение давления происходит в результате непрерывного
уменьшения объема полостей сжатия (водокольцевые ВВН;
золотниковые НВЗ; пластинчато-роторные НВР; пластинчатостаторные; многопластинчатые РВН; винтовые; кулачково-зубчатые;
спиральные).
2. Вакуумные насосы с полным внешним сжатием – насосы, в которых перенос газа со входа на выход происходит в постоянных отсеченных объемах. При этом давление в отсеченных объемах не изменяется,
а повышение давления происходит вследствие обратного течения газа
в момент соединения выходного патрубка с отсеченным объемом (двухроторные типа Рутс; двухроторные с трехлепестковым ротором).
56
3. Вакуумные насосы с частичным внутренним сжатием –
насосы, в которых в одной камере осуществляется повышение давления за счет изменения ее объема, а в другой – перенос газа осуществляется при постоянном давлении и объеме (ВНЧС).
3.7. Эксплуатационные характеристики
вакуумных насосов
Откачную эксплуатационную характеристику вакуумного
насоса составляют несколько кривых, отражающих взаимосвязь параметров процесса откачки. Основной характеристикой любого вакуум-
ного насоса является зависимость быстроты действия на входе в насос
S вх от давления в том же сечении рвх .
Быстрота действия, или скорость откачки S вх (л/с, м3/с) –
это объем газа, протекающий в единицу времени через входное сечение
насоса при идеальных условиях.
Для каждого насоса можно построить три вида зависимостей
S вх = f ( pвх ) : расчетную, паспортную, экспериментальную.
Расчетная зависимость строится по уравнению
(3.2)
Sвx = Sг  (1 − pост pвх ) ,
где рост – предельное остаточное давление (давление, к которому
асимптотически стремится давление в стандартизированном испытательном объеме без выпуска газа и при нормально работающем насосе);
рвх – давление на входе в насос;
S г (л/c) – геометрическая (теоретическая) быстрота действия вакуумного насоса.
Геометрическая (теоретическая) быстрота действия вакуумного
насоса – это максимальный объемный расход, который достигался бы
без встречных перетеканий через неплотности насоса и других потерь
объема всасывания ( Vвс ) за один оборот вала и числом всасываний в секунду (частотой вращения ротора n , об/с)
S г = Vвс  n .
57
(3.3)
Поскольку в процессе всасывания объем камеры изменяется от
минимального до максимального, то
Vвс = Vmax i − Vmin i
,
где i – число ячеек. Если камера содержит i ячеек, то
(
(3.4)
) .
Vвс = Vmax i − Vmin i  i
(3.5)
Аналогично находится объем всасывания, если насос имеет i камер одинаковых размеров, работающих параллельно. Если камеры неодинаковых размеров, то Vвс вычисляется как сумма объемов всех параллельно работающих камер:
рост = 1   рвых (Vmax Vmin ) + 2  pнас.р.ж. + Qг Sост ,
(3.6)
где 1 – коэффициент встречных перетеканий и перепуска;
 2 – динамический коэффициент;
рвых – давление в выходном сечении насоса;
рнас.р.ж. . – давление насыщения паров рабочей жидкости при рабочей температуре насоса Т раб ;
Qг – поток газовыделений;
S ост – внутренняя остаточная быстрота действия, компенсирующая Qг .
Для объемных вакуумных насосов, работающих в области низкого вакуума, существенное значение имеет только первое слагаемое
в правой части уравнении (3.6), которое в основном зависит от отношения Vmax Vmin . Два последних слагаемых оказывают значительное влияние при работе вакуумного насоса в области среднего и высокого вакуума, где величина давления насыщенных паров рабочей жидкости
и поток газовыделений становятся сравнимы соответственно с рост
и откачиваемым потоком.
Экспериментально рост находится по зависимости рвх = f ( )
как асимптотический предел кривой изменения давления. На рис. 3.12
показан пример данной зависимости. Масштаб по оси рвх – логарифмический.
58
Рис. 3.12. Пример построения зависимости рвх = f ( )
Для снятия зависимости рвх = f ( ) должен быть заготовлен
соответствующий протокол испытания (табл. 3.2).
Таблица 3.2
Протокол экспериментальной зависимости рвх = f ( )
рвх , дел.
рвх , Па
,с
Графа « рвх » (в делениях) должна быть заранее заполнена. При
работе с деформационным вакуумметром рекомендуется проводить замеры времени при следующих делениях шкалы прибора; 0.2; 0.3; 0,4;
0,5 и т. д. до достижения насосом остаточного давления. Для термопарного вакуумметра удобно регистрировать время при давлениях, соответствующих значениям делений шкалы вакуумметра: 10; 15; 20; 30;
40 и т. д. до рост .
Перед включением насоса необходимо убедиться, что все натекатели на измерительном колпаке закрыты. Затем при одновременном
запуске насоса включается секундомер, и в протоколе регистрируется
время, за которое достигается соответствующее давление. Измерения
заканчиваются по достижении насосом остаточного давления.
59
Измерение быстроты действия S вх начинается после снятия зависимости рвх = f ( ) т. е. после достижения насосом остаточного
давления. Быстрота действия определяется при постоянном давлении.
В откачиваемом объеме устанавливается некоторое значение рвх за
счет создания определенного потока газа через натекатель. Фиксируется значение потока (расхода) по соответствующим приборам. Далее,
не прекращая откачки, натекателем устанавливают в откачиваемом
объеме другое значение рвх и снова фиксируют значение потока.
В каждом десятичном диапазоне давлений рвх следует проводить не
менее трех измерений. Полученные экспериментальные данные записывают в протоколы (табл. 3.2–3.4).
Поток газа Q в зависимости от его величины измеряется методом бюретки, методом ротаметра или газовым счетчиком.
Поток газа методом ротаметра вычисляется по формуле
(3.7)
Q = S рот  pатм = Sвх  pвх ,
где ратм – атмосферное давление;
S рот – расход газа на ротаметре, который определяется по делениям
шкалы прибора как высота подъема поплавка. Затем по градуировочной характеристике, прилагаемой к каждому ротаметру, определяют
расход соответствующий данному количеству делений. Результаты заносятся в табл. 3.3.
Таблица 3.3
Протокол экспериментального определения зависимости
S вх = f ( рвх ) с использованием ротаметра
рвх ,
дел.
рвх ,
Па
S рот ,
S рот ,
дел.
м3 / с
Q,
м 3 Па / с
S вх ,
м3 / с
Поток газа методом газового счетчика определяется делением
количества делений на время:
дел
.
(3.8)
S сч =
с
Быстрота действия на входе в насос определяется по формуле
60
S вх =
Результаты заносятся в табл. 3.4.
Q
.
рвх
(3.9)
Таблица 3.4
Протокол экспериментального определения зависимости
S вх = f ( рвх ) с использованием газового счетчика
рвх ,
дел.
рвх ,
Па
S сч ,
S сч ,
,с
дел.
м3 / с
Q,
3
м Па / с
S вх ,
м3 / с
Значение потока газа методом бюретки (рис. 3.13) вычисляется по формуле
h
(3.10)
Q = kб ,

где h – высота подъема масла в делениях;
 – время, за которое масло поднимется на заданную высоту;
k б – коэффициент бюретки (количество газа в PV-единицах, при-
ходящееся на одно деление бюретки (м 3 Па / дел ) – см. прил. 12:
kб = pатм  V1 + V  h1   м  g ,
(3.11)
где V1 и h1 – объем и высота одного деления бюретки, м;
 м – плотность масла в бюретке, кг / м 3 ;
g – ускорение свободного падения, м/с2 ;
ратм – атмосферное давление в помещении, Па;
Vб – объем бюретки (мерной трубки со шлангом), м 3 . Объем бюретки находится по формуле
Vб =

(d  l + d
4
2
тр
тр
2
шл
)
 lшл ,
(3.12)
где d тр и l тр – диаметр и длина мерной трубки соответственно;
d шл , lшл – диаметр и длина шланга, соединяющего бюретку с нате-
кателем.
61
Рис. 3.13. Общая схема измерительной бюретки: 1 – соединительный
трубопровод; 2 – кран; 3 – измерительная бюретка (пипетка);
4 – стакан; 5 – вакуумное масло ВМ-3; 6 – натекатель;
7 – вакуумная камера
В прил. 12 представлены характеристики и вычисленные значения
коэффициентов бюреток, которые находятся в лаборатории вакуумных
насосов кафедры вакуумной техники электрофизических установок.
По полученным из эксперимента значениям S вх и рвх строится график Sвх = f ( рвх ) (рис. 3.14), на который наносят только экспериментальные точки и проводят осредненную экспериментальную
кривую S эксп .
Рис. 3.14. Пример построения расчетной, паспортной
и экспериментальной характеристик насоса
62
Паспортная характеристика строится на основании данных паспорта на насос. Большинство роторных насосов в некотором диапазоне
давлений имеет постоянную (номинальную) быстроту действия. Для построения паспортной характеристики насоса используются следующие
паспортные данные: рост – предельное остаточное давление; наибольшее
и наименьшее рабочие давления; S н – номинальная быстрота действия.
max
min
Эти данные определяют характерные точки S н , рраб , рраб , по которым
,
строится паспортная характеристика (табл. 3.5).
Таблица 3.5
Расчет теоретической быстроты действия насоса S вх
Расчетная, паспортная и экспериментальная характеристики
наносятся на единый график Sвх = f ( рвх ) . Пример построения этих
характеристик представлен на рис. 3.14. Оси должны иметь размерность ( Па, м 3 / с) и название параметра ( рвх , Sвх ) . Расчетные и паспортные точки соединяют линиями.
Экспериментальная характеристикa S вх = f ( pвх ) строится
с использованием уравнения
S вх = Q / pвх ,
(3.13)
где Q – поток газа на входе в насос (л∙Па/с, л∙мм рт. ст./с, л∙атм/с).
Таким образом, быстрота действия вакуумного насоса S вх – это отношение потока газа Q к равновесному давлению pвх , замеренному
в определенном сечении измерительного колпака.
Для измерения S вх непосредственно на вход насоса устанавливается измерительный колпак (камера), через который измеряемый поток газа может поступать в насос и который должен быть оборудован
средствами для измерения давления (вакуумметры) и напуска газа
(натекатели). Типовая вакуумная схема стенда для снятия характеристики S вх = f ( pвх ) представлена на рис. 3.15. Выбор типов
63
вакуумметров и расходомеров зависит от диапазонов измеряемых давлений и расходов. Подача газа в камеру осуществляется через рассеиватель, представляющий собой трубку, направляющую поток газа
в сторону, противоположную откачке, за счет чего достигается рассеивание газа по камере, его более равномерное распределение, что особенно важно при измерении низких давлений.
Объем измерительной камеры должен составлять не менее пяти
объемов всасывания Vвс захватываемого вакуумного насоса при одном
цикле сжатия. Некоторые параметры измерительных камер в зависимости от Vвс по ГОСТ Р 53335–2009 представлены в табл. 3.6.
Вакуумная схема типового стенда для снятия экспериментальной зависимости быстроты действия представлена на рис. 3.15.
Рис. 3.15. Вакуумная схема типового стенда для снятия
экспериментальной зависимости быстроты действия
CV – камера вакуумная; PD – вакуумметр деформационный;
РТ – вакуумметр тепловой; NL – насос вакуумный вращательный объемный газобаластный; VF – клапан регулировочный дозирующий; VП –
клапан с ручным приводом; В – бюретка. Параметры измерительной камеры представленной на рис. 33.
64
Таблица 3.6
Параметры измерительных камер в зависимости от V
Объем всасывания
Объем измерительной
V
вакуумного насоса вс , л
камеры Vк , л
Диаметр камеры D,
мм
От 0 до 0,26 включительно
1,3
100
Свыше 0,26 до 1,1
Свыше 1,1 до 4,2
Свыше 4,2 до 17
Свыше 17 до 65
5,4
21
84
325
160
250
400
630
Свыше 65 до 260
1300
1000
Конструкция и размеры измерительной камеры выполнены
в соответствии с рис. 3.16. Соединение измерительной камеры с насосом должно осуществляться через переходник (рис. 3.16).
Рис. 3.16. Вакуумная измерительная камера: 1 – напускная трубка;
2 – патрубок для подсоединения вакуумметра
65
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
ПО НАСОСАМ И КОМПРЕССОРАМ
Лабораторная работа 1
Технология проведения измерений
параметров воздушного потока
Цель работы: ознакомиться с методикой измерения и устройством приборов для измерения параметров потока газа.
Описание экспериментальной установки
Схема экспериментальной установки представлена на рис. 4.1.
Компрессор сжимает воздух и подает его в нагнетательный трубопровод. Эксперименты проводятся на прямолинейном участке трубопровода. Для изменения направления потока перед исследуемым сечением
канала установлена поворотная лопатка 1 с угловым лимбом 2. В исследуемом сечении может быть установлен угломер 3 с угловым лимбом 4 и дифманометром 5 для измерения направления потока. Вместо
угломера в сечении могут быть установлены трубки полного и статического давления.
Рис. 4.1. Схема экспериментальной установки
66
Порядок проведения работы
1. Включить компрессор (пылесос) и установить необходимый
расход газового потока.
2. В исследуемом сечении установить зонд статического давления.
*
Передвигая зонд по сечению, провести измерение величины h в шести
точках j =1,...,6, которые указаны на линейке, прикрепленной к трубопроводу. Результаты занести в таблицу, представленную на рис. 35.
3. В исследуемом сечении установить зонд полного давления. Пе*
редвигая зонд по сечению, провести измерение величины h в шести
точках j =1,...,6, которые указаны на линейке, прикрепленной к трубопроводу. Результаты занести в таблицу, представленную на рис. 35.
4. В средней части канала определить угол нечувствительности
для цилиндрического зонда полного давления и зонда полного давления с протоком.
5. Поворотной лопаткой 1 отклонить поток в канале на угол
л =300. С помощью угломера 3 замерить угол поворота потока п
в средней части канала.
6. Выключить компрессор.
7. Замерить барометрическое давление в мм рт. ст.
8. Замерить температуру воздуха в помещении t °C.
Обработка результатов эксперимента
1. Пересчитать барометрическое давление по формуле
pВ = В  10−3   рт  9,81 , Па,
(4.1)
где  рт – плотность ртути;  рт = 13600 кг/м3.
*
2. Определить полную температуру воздуха T в помещении:
T * = t + 273 , К.
(4.2)
3. Определить плотность воздуха в помещении, полагая, что она
равна плотности воздуха в исследуемом сечении:
 = p В /( RT ) , кг / м 3 ,
(4.3)
где R=287,З Дж/(кг∙К).
67
4. Определить избыточное статическое давление в сечении
в точках с номерами j =1,...,6:
p j = hj 10 −3   ж  9,81 , Па,
(4.4)
3
где 𝜌ж – плотность воды, 𝜌ж =1000 кг/м .
5. Определить избыточное полное давление в каждой точке сечений j =1,...,6:
p *j = h*j 10 −3   ж  9,81 , Па.
(4.5)
6. Рассчитать скорость воздуха в каждой j -й точке сечения:
2
(4.6)
w =
 p  − p , м/с.
j

j
j
7. Определить среднюю скорость в исследуемом сечении:
wср = ( w1 + w2 + w3 + w4 + w5 + w6 ) / 6 , м/с.
(4.7)
8. Найти площадь поперечного сечения трубопровода:
F = Lr  Lв , м 2 ,
(4.8)
где Lr = 0,075 м, Lв = 0,075 м – горизонтальный и вертикальный
размер сечения,
9. Рассчитать расход воздуха через сечение трубопровода:
М сеч = wср  F   , кг/с.
(4.9)
10. Рассчитать с помощью газодинамических функций параметры торможения по результатам опытов (см. прил. 2).
Образец оформления результатов эксперимента
Расчеты результатов эксперимента выполнить в электронной
таблице Excel пакета Microsoft Office на листах формата А4, которые
должны содержать: номер лабораторной работы, полное наименование,
таблицу результатов с расчетами, графики, а также внизу страницы номер бригады и список студентов.
При построении графика зависимости скорости газового потока по
сечению канала (профиля скоростей) необходимо учитывать скорость потока
на стенке равной нулю за счет эффекта прилипания на границе твердое тело–
газ или жидкость. Необходимо совместить на одном графике зависимости
давлений (полного, статического и динамического) по сечению канала.
68
Рис. 4.2. Результаты обработки экспериментальных данных
по лабораторной работе 1
Выводы по проделанной работе
В выводах по проделанной работе необходимо отметить о том,
как изменяются величины (от какого значения и до какого) и почему.
Объяснить, что изображено на графиках и почему. Вывод должен быть
инженерным с числовыми значениями.
69
Лабораторная работа 2
Исследование параметров потока газа
и потерь в плоском диффузоре
Цель работы: изучить методы определения параметров потока
газа и потерь в диффузоре.
Описание экспериментальной установки
Установка (рис. 4.3) состоит из плоского прямолинейного диффузора 1, трубы 2, по которой воздух, сжимаемый в компрессоре (пылесосе), подводится к диффузору, измерительных зондов полного (3)
и статического (4) давлений и щита 5 с дифманометрами.
Рис. 4.3. Схема установки
70
Испытуемый диффузор представляет собой канал прямоугольного
поперечного сечения, образованный двумя горизонтальными стенками
6 и 7 и боковыми стенками 8. Началом диффузора является сечение А–А,
а концом – сечение Б–Б. Одна сторона сечения постоянна по всей длине
диффузора
в Б =85 мм, а другая увеличивается от а А =75 мм до
а Б = 130 мм. В верхней стенке имеются отверстия для введения зондов
при замере давлений в точках 1–10 по длине диффузора, а также на входе и
выходе из него.
Порядок проведения работы
1. Включить компрессор (пылесос) и установить необходимый
расход газового потока.
2. Зондом статического давления провести замеры в точках
с номерами от I до 10 и записать показания дифманометра hi в таблицу, представленную на рис. 4.4.
3. Зондом полного давления провести замеры в точке 1 сечения
А–А и в точках 6, 7, 8, 9, 10 сечения Б–Б и записать показания дифма*
нометра hi в таблицу, представленную на рис. 4.4.
4. Выключить компрессор.
5. Замерить барометрическое давление В в мм рт. ст.
6. Замерить температуру воздуха в помещении t °С.
Обработка результатов эксперимента
Замеры в сечении А–А проводят в точке 1. Поэтому параметры
воздуха с индексами 1 и А соответственно одинаковы.
1. Определить избыточное статическое давление в точках 1–10
по формуле
(4.10 )
p j = hj  10−3  ж  9,81 , Па,
где  ж – плотность воды,  ж = 1000 кг/м3.
Результаты занести в таблицу, представленную на рис. 4.4.
2. Рассчитать избыточное полное давление в точках 1, 6, 7, 8, 9,
10 по формуле
p*j = hj* 10−3 ж  9,81
71
.
(4.11)
Результаты занести в таблицу, представленную на рис. 4.4.
3. По значениям x j из таблицы (см. рис. 4.4) рассчитать относительные расстояния от сечения А–А до точек замера давлений
x = xj / l
, где l – длина диффузора. Результаты записать в таблицу,
представленную на рис. 4.4.
4. Рассчитать среднее по сечению Б–Б избыточное полное давление:
*
pБср
=
*
p6* + p7* + p8* + p9* + p10
, Па.
5
(4.12)
5. Определить потери полного давления в диффузоре:
*
p* = p*A − pБср
, Па.
(4.13)
6. Найти динамическое давление в сечении А–А при входе
в диффузор (в точке 1):
1 w12
= p *A − p A , Па.
2
(4.14)
Dг = 4FA / П А , м .
(4.15)
pB = B 10 −3   рт  9,81, Па,
(4.16)
7. По формуле (1.18) рассчитать коэффициент потерь в диффузоре  .
8. Определить в сечении А-А:
– площадь поперечного сечения: FA = a A  в А , м 2 ;
– периметр сечения:
П А = 2(а А + в А ), м 2 ;
– гидравлический диаметр, где:
а А = 0,055 м , в А = 0,085 м
9. Пересчитать барометрическое давление по формуле
где
 рт
= 13600 кг/м3 – плотность ртути.
10. Определить абсолютную температуру окружающей среды:
T * = t + 273 , К.
(4.17)
11. Найти температуру воздуха на входе в диффузор. Поскольку
скорость воздуха w1 не превышает 50 м/с, то динамическая добавка
к температуре не превышает значения
T1 =
k −1 2
1,4 − 1
w1  0,5 =
50 2  0,5 = 1,244 K,
kR
1,4  287,3
72
(4.18)
а следовательно, ею можно пренебречь.
В результате получаем
T1 = T * = T6 , K.
(4.19)
12. Рассчитать абсолютное статическое давление при входе
в диффузор (сечение А–А, p A = p1 ):
p A = p B + p A , Па.
(4.20 )
13. Определить плотность воздуха при входе в диффузор:
pA
, кг/м 3 ,
RT1
(4.21)
2(p1* − p1 ) , м/c.
1
(4.22)
1 =
где R = 287,3 Дж/(кг∙К).
14. Найти скорость воздуха при входе в диффузор:
w1 =
Результат занести в таблицу (см. рис. 4.4).
15. По формуле (1.21) рассчитать число Рейнольдса для сечения
А–А. Кинематический коэффициент вязкости воздуха:
(4.23)
 = 1,5 10−5 , м 2 / c .
16. Определить относительную высоту бугорков шероховатости:
(4.24)
 =  / Dг ,
где  = 5 10 −4 м – высота бугорков шероховатости стенок диффузора.
17. Используя найденные значения Re и  , по рис. 1.2 определить коэффициент сопротивления трения тр .
18. Найти геометрическую диффузорность канала:
F
a
Дf = Б = Б ,
FA а А
(4.25)
где а А  0,055 м , а Б = 0,13м .
19. По формуле (1.19) рассчитать коэффициент потерь на трение в диффузоре  тр при угле раскрытия диффузора θ=10°.
20. По формуле (1.26) определить коэффициент потерь на рас-
ширение в диффузоре  расш .
73
21. Рассчитать абсолютное статическое давление в ядре потока
при выходе из диффузора (в сечении Б–Б):
p6 = pВ + p6 , Па.
(4.26)
22. Определить плотность воздуха в ядре потока сечения Б–Б:
6 =
p6
3
,
.
RT6 кг/м
(4.27)
23. По ширине канала а Б плотность изменяется незначительно,
поэтому для сокращения расчетов полагаем, что
6 = 7 = 8 = 9 = 10 .
24. Определить скорости в точках j= 6, 7, 8, 9, 10:
Wj =
(
2  p*j − p j
j
), м / c .
(4.28)
(4.29)
Результаты занести в таблицу (см. рис. 4.4).
25. По результатам расчетов по (4.29) построить эпюру скоростей в сечении Б–Б (см. рис. 4.4).
26. Используя данные таблицы, построить график распределения избыточного статического давления по длине диффузора, т. е.
p j = f ( x j ) (см. рис. 4.4).
27. Используя данные таблицы (см. рис. 44), построить график
изменения скорости по длине диффузора, т. е. w j = f ( x j ) , а также аппроксимировать опытные данные уравнением прямой линии.
Образец оформления результатов эксперимента
Расчеты результатов эксперимента выполнить в электронной
таблице Excel пакета Microsoft Office на листах формата А4, которые
должны содержать: номер лабораторной работы, полное наименование,
таблицу результатов с расчетами, необходимые графики, а также
(внизу страницы) номер бригады и список студентов.
Выводы по проделанной работе
В выводах по проделанной работе необходимо написать о том,
как изменяются величины (от какого значения и до какого) и почему.
Объяснить, что изображено на графиках и почему. Вывод должен быть
инженерным с числовыми значениями.
74
Рис. 4.4. Результаты обработки экспериментальных данных
по лабораторной работе 2
75
Лабораторная работа 3
Технология проведения измерений
на типовой вакуумной установке
Цели работы:
1) ознакомиться с назначением основных элементов вакуумной
установки;
2) научиться вводить в действие типовую вакуумную установку
для получения высокого вакуума.
Основные положения вакуумной техники
Вакуумные системы могут быть предназначены для получения
низкого, среднего, высокого и сверхвысокого вакуума. В тексте используются термины и определения согласно ГОСТ 5197-70, ГОСТ 24054-80,
ОСТ 11.066.001-71 и OCT 11.293.031-81. Основными элементами вакуумной системы являются: средства откачки (вакуумные насосы), соединительные трубопроводы, запорная арматура, средства улавливания паров
рабочих жидкостей (ловушки), откачиваемый объем и средства измерения
давления (манометры различных типов). Вакуумные системы в зависимости от величины создаваемого вакуума могут содержать один или несколько вакуумных насосов. Основными параметрами, характеризующими и любую вакуумную систему, являются создаваемый вакуум (предельное остаточное давление), быстрота откачки и длительность откачки
до заданного давления.
Поток газа Q связан с быстротой откачки соотношением
(4.30)
Q = S p,
S
=
(
dV
/
d

)
где
– быстрота откачки, или объем газа при данном дав-
лении, откачиваемый в единицу времени.
Теоретическое нахождение длительности откачки для реальных
условий сопряжено с большими математическими трудностями, поэтому длительность откачки будем определять для так называемого
квазистационарного течения газа при следующих допущениях:
– разность давлений на концах трубопровода мала по сравнению со средним давлением в нем (т. е. проводимость трубопровода
U →  );
76
– объем трубопровода значительно меньше объема откачиваемого сосуда;
– в трубопроводе в каждый момент времени существует только
один режим течения газа.
В случае, если быстрота откачки S n и поток натекания Q не
измеряются, длительность откачки объема V от начального давления
Pнач до конечного давления p может быть найдена по формуле
v
 0 =  ln
s
Q
S
Q .
p−
S
pнач −
Если еще можно пренебречь потоком натекания (т. е. p 
(4.31)
Q
), то
S
V pнач
ln
(4.32)
S
p .
Поскольку принято, что проводимость трубопроводов велика, то
согласно основному уравнению вакуумной техники быстроту откачки
можно принять равной быстроте действия насоса (агрегата), т. е. S = S n .
0 
Порядок проведения работы
1. Изучить назначение элементов экспериментального стенда
для получения высокого вакуума. Изобразить принципиальную схему
стенда. На схему нанести все вакуумные элементы или устройства, необходимые для осуществления и контроля заданных вакуумных процессов, и все вакуумные связи между ними.
Элементы и устройства на принципиальной вакуумной схеме
изображают с помощью условных графических обозначений. Размеры
основных графических обозначений элементов вакуумных систем
представлены в [7, 9, 14, 15].
Вакуумные связи изображают с помощью линии связи Трубопроводы на схеме показывают сплошными линиями независимо от
функций, которые они выполняют в установке (рис. 4.5).
77
Рис. 4.5. Пример выполнения принципиальной вакуумной схемы
Каждый элемент, входящий в вакуумную систему, должен
иметь позиционное обозначение, состоящее из буквенного обозначения
(кода), указывающего вид элемента, и порядкового номера (номера элемента), проставляемого после буквенного кода.
Буквенный код элемента должен содержать одну или несколько
прописных букв латинского алфавита. Первая буква кода элемента –
общий буквенный код (он обязателен!) – должна соответствовать виду
группы элементов, к которой принадлежит данный элемент (например,
клапан тарельчатый VT относится к видам клапанов V ).
Порядковые номера элементам вакуумных схем присваиваются
в соответствии с последовательностью расположения элементов на
схеме сверху вниз и в направлении слева направо.
Позиционные обозначения проставляются на схеме рядом
с условными графическими обозначениями элементов с правой стороны или над ними.
78
2. Включить форвакуумный насос. Произвести предварительное вакуумирование установки. Давление контролировать по вакуумметру. Давление замерять через каждые 2 мин до достижения стационарного состояния.
3. Включить высоковакуумный насос (давление в системе при
этом должно быть равно ~ 1 Па). Через 2–3 мин снова измерить давление (до достижения стационарного состояния). Результаты всех измерений занести в табл. 4.1.
Таблица 4.1
Первичные опытные данные
п/п
1
2
3
4
5
6
…
…
…
 , мин
p , Па
ln p
Обработка результатов эксперимента
Обработка результатов эксперимента проводится с помощью
ЭВМ по следующему алгоритму:
1. Построить в координатах lg p −  кривую набора вакуума.
2. Определить по графику длительность откачки и предельное
остаточное давление для каждого насоса.
3. Рассчитать по уравнению (4.32) теоретическое значение длительности откачки. Величины S n принять по паспортным данным на
высоковакуумный насос (агрегат).
4. Сравнить полученные величины предельного остаточного
давления и их значения по паспортам насосов. Обсудить причины возможного расхождения.
5. Сравнить экспериментальные и теоретические значения длительности откачки. Если они различаются значительно, то объяснить
причины расхождения.
79
Рис. 4.6. Результаты обработки экспериментальных данных
по лабораторной работе 3
80
Образец оформления результатов эксперимента
Расчеты результатов эксперимента выполнить в электронной
таблице Excel пакета Microsoft Office на листах формата А4, которые
должны содержать: номер лабораторной работы, полное наименование,
таблицу результатов с расчетами, графики, а также (внизу страницы)
номер бригады и список студентов.
Выводы по проделанной работе
В выводах по проделанной работе необходимо отметить, как изменяются величины: (от какого значения и до какого) и почему. Объяснить, что изображено на графиках и почему. Вывод должен быть инженерным с числовыми значениями.
Лабораторная работа 4
Исследование длины свободного пробега
атомов паров металла при пониженных
давлениях
Цели работы:
1) ознакомиться с основным положениями молекулярно-кинетической теории газов;
2) освоить метод определения длины свободного пробега.
Основные положения молекулярно-кинетической теории газов
Молекулярно-кинетическая теория газов разработана на основе
гипотезы молекулярного хаоса. Смысл гипотезы заключается в следующем. Газ состоит из отдельных молекул, которые непрерывно движутся и взаимодействуют друг с другом только при соударениях. Траекторией молекул является ломаная линия, все направления движения
молекул равновероятны. Существует определенное распределение молекул по скоростям, но каждая отдельно взятая молекула в процессе
столкновения меняет свою скорость по величине и направлению.
Скорости молекул зависят от их массы и температуры. При термодинамическом равновесии доля молекул, имеющих скорости
81
в интервале от c до c + dc , описывается функцией распределения
Максвелла, которая в полярных координатах имеет вид
c2
c2
exp(
−
)dc ,
3/ 2
2 RT
 (2 RT )
4
f (c)dc =
(4.33)
где R – удельная газовая постоянная;
Т – температура.
Средняя скорость газа находится из выражения
cср =  0 cf (c)dc
.
(4.34)
Чисто столкновений, испытываемых молекулой в единицу времени:
Z=
2 2 ncср
2
где  – сечение столкновений;
,
(4.35)
 – кинетический диаметр;
n – числовая плотность.
Расстояние, пройденное молекулами между последовательными столкновениями (свободный пробег молекул), для различных молекул неодинаково. Поэтому вводится средняя длина свободного пробега l , которая может быть выражена через Z и cср :
l=
cср
Z
=
1
2 2 n
.
(4.36)
Экспериментальное определение длины свободного пробега
будем проводить при испарении вещества и осаждении его на стеклянной пластине (рис. 4.7). Источник молекул будем считать точечным.
Испаряемые молекулы распространяются изотропно по всем направлениям. С поверхности испарителя в единицу времени уходит N 0 молекул. Если они не сталкиваются между собой, то площадку S , находящуюся от испарителя на расстоянии Lm , достигнет N m молекул:
Nm = N0
m
1 S  cos  m
= N0

,
4
4
L2m
82
(4.37)
где  m = (S  cos  m )  L2m – телесный угол, в котором площадка S видна
из испарителя; S  cos  m – проекция площадки S на плоскость, перпендикулярную направлению пучка молекул.
В результате столкновений молекул часть из них покинет пучок
N m . Рассчитаем такое ослабление пучка и уменьшение количества
осажденных молекул на стеклянной пластине. Обозначим через n0
числовую плотность молекул в пучке в начальный момент  = 0 . За
интервал времени от  до  + d плотность молекул уменьшится на
dn . В момент времени  величина dn пропорциональна плотности молекул в пучке, числу столкновений Z в интервал времени d :
dn = −nZd .
(4.38)
Рис. 4.7. Схема к расчету определения длины свободного пробега
молекул: 1 – испаритель; 2 – столик с отверстиями; 3 – стеклянная
пластинка
83
Знак «минус» указывает на уменьшение числа молекул в пучке
в зависимости от времени. Интегрируя это уравнение от n0 до n и от
0 до  , получим
dn = −nZd .
(4.39)
Выразив Z через c / l по уравнению (4.36) и  через Lτ / c , где Lτ –
путь, пройденный молекулой за время  , найдем
L
n = n0 exp( −  ) .
(4.40)
l
Примем путь молекулы Lτ = Lm , тогда в соответствии с (4.40)
L
выражение (4.37) следует умножить на exp( − m )
l
S  cos  m
L
exp( − m ) .
(4.41)
2
4Lm
l
Ll
Подставив в (4.41) cos  m = −
(см. рис. 4.7) и обозначив
Lm
Nm = N0
A=(
N 0 SL1 получим
)
4
L
A − lm
.
e
L3m
(4.42)
J m = J 0 e − xm .
(4.43)
1 J0
ln
x Jm ,
(4.44)
Nm =
Величину N m можно найти на основе закона Бугера по изменению интенсивности светового луча при пропускании его через рассматриваемое пятно осажденного металла на стекло:
N
Откуда
Nm =
где J 0 и J m – интенсивности луча, прошедшего через чистую стеклянную пластину и пластину с напыленным металлом соответственно;
x – коэффициент поглощения металла.
Совместное решение уравнений (4.42) и (4.44) дает
84
ln
J0
L
x
= A 3 exp( − m ) .
Jm
l
Lm
(4.45)
J0
L
) = ln xA − m .
Jm
l
(4.46)
Прологарифмируем это выражение:
ln( L3m ln

J 
Графическая зависимость ln L3m ln( 0 ) от Lm согласно уравнеJm 

нию (4.46) является линейной, поэтому средней длиной свободного пробега
будет величина, обратная тангенсу угла наклона прямой. Схема экспериментальной установки и измерительная ячейка изображены на рис. 4.8.
Порядок проведения работы
1. Снять колпак, измерить расстояния L1 и X T .
2. Протереть испаритель ватой, смоченной спиртоэфирной смесью.
Кусочек алюминия промыть этой же смесью и поместить в испаритель.
3. На столик положить тщательно вымытую и просушенную
стеклянную пластину.
4. Установить колпак.
5. Включить вакуумный агрегат и начать откачку установки. Вакуум контролировать термопарным и ионизационным датчиками давления.
−2
6. По достижении вакуума  10 Па с помощью лабораторного
автотрансформатора подать ток на испаритель, наблюдая визуально за
испарением, продолжительность которого составляет 20–60 с. На пластине должны появиться слегка видимые слои осаждаемого металла.
7. Измерить вакуум, соответствующий моменту напыления
пленки, и отключить электропитание испарителя
8. Отключить вакуумную систему, подать воздух в измерительную ячейку.
9. Снять колпак и извлечь стеклянную пластинку с нанесенной
металлической пленкой.
10. Провести фотометрирование, последовательно пропуская
монохроматический луч света через ненапыленное и напыленное места
пластины, фиксируя величину сигналов J 0 и J T
11. Результаты измерений занести в табл. 4.2.
85
№ пятна
1
2
3
4
5
6
Таблица 4.2
7
Xm
Jm
Обработка результатов эксперимента
Обработка результатов эксперимента проводится с помощью
электронной таблицы Excel пакета Microsoft Office по следующему алгоритму:
1. Рассчитать величины для расчета в следующем порядке:
J

1)  0 J  ;
m

4)
X = Lm 
;
  J0
2) ln 


J m  ;
3)
L = L + X ;
2
m
2
2
m
(4.47)

J0
 3

J

 3
 .
5)  Lm  ln 0 J  ; 6) Y = ln  Lm  ln
J
m 

m

Рис. 4.8. Схема экспериментальной установки: 1 – испаритель;
2 – столик с отверстиями; 3 – стеклянная пластинка
86
2. Построить графическую зависимость Y = f ( X ) .
3. Обработать зависимость уравнением прямой
Y = a0 + a1  X и получить значения коэффициентов a0 и a1
линии
4. Вычислить длину свободного пути атомов металла из обратной величины коэффициента a1 – l =
1
a1 .
5. Рассчитать сечение столкновения и кинетический диаметр
атомов. Для этого в уравнение (4.36) нужно ввести поправку Максвелла, после чего уравнение приобретет следующий вид:
1
l=
  2  n  1+
m  T  ,
m T
(4.48)
где m , T  и m , T относятся к молекулам воздуха и металла соответственно, а n = p / kT ;
k = 1,37 10−23 Дж/К – постоянная Больцмана;
p и T давление и температура в вакуумной системе в момент испарения.
Образец оформления результатов эксперимента
Расчеты результатов эксперимента выполнить в электронной
таблице Excel пакета Microsoft Office на листах формата А4, которые
должны содержать: номер лабораторной работы, полное наименование,
таблицу результатов с расчетами, графики, а также (внизу страницы)
номер бригады и список студентов.
Выводы по проделанной работе
В выводах по проделанной работе необходимо отметить, как изменяются величины (от какого значения до какого) и почему. Объяснить, что изображено на графиках и почему. Вывод должен быть инженерным с числовыми значениями.
87
Рис. 4.9. Результаты обработки экспериментальных данных
по лабораторной работе 4
88
Лабораторная работа 5
Исследование работы и снятие основных
характеристик водоструйных компрессоров
и вакуумных насосов
Цели работы:
1) изучить конструкцию, рабочий процесс, эксплуатационные
характеристики водоструйного насоса ВВСН–0,03;
2) изучить состав стенда для испытаний насоса, технику безопасности и порядок работы на нем;
3) получить и построить графически экспериментальную, расчетную и паспортную характеристики;
4) выявить достоинства и недостатки конкретного насоса и область его применения.
Основные характеристики водоструйного вакуумного насоса
Водоструйные ВН – воздушные эжекторные одноступенчатые
насосы, откачивающее действие которых основано на увлечении воздуха или другого откачиваемого газа струей воды, истекающей из
сужающегося сопла, за счет граничного трения и смешивания (турбулентно-вязкостное увлечение).
Работают насосы в области давлений от I до 0,05 атм. Водоструйные насосы предназначены для создания вакуума при различных лабораторных работах: перегонке, возгонке, высушивании, для ускорения фильтрования, при перекачивании жидкостей и т. д. Насосы изготавливают
различной формы и размеров. Они бывают стеклянными, металлическими
и пластмассовыми и работают от водопроводной системы. Основным элементом является сопло. Вода, проходя с большой скоростью через сопло,
создает разрежение, окружающий воздух увлекается в направлении течения струи и выводится наружу. Отечественная промышленность выпускает стеклянные водоструйные насосы в соответствии с ГОСТ 25336-82,
их формы и размеры показаны на рис. 4.10.
Зазор между соплом и диффузором не должен превышать
0,3 мм, иначе насос не будет работать. Чтобы проверить, работает ли
водоструйный насос, его присоединяют с помощью шланга к водопроводному крану. Медленно пускают воду, а боковое отверстие насоса
закрывают влажным пальцем. Если палец присасывается быстро, то
насос исправен.
89
Рис. 4.10. Принципиальная схема водоструйного насоса:
1 – сужающее сопло; 2 – диффузор; 3 – корпус
Описание экспериментального стенда для исследования
водоструйного насоса
Стенд, предназначенный для определения эксплуатационных
характеристик водоструйного насоса в виде кривой набора вакуума
pвх = f ( ) и кривой быстроты действия S вх = f ( pвх ) при постоянной
90

регистрации значений параметров рабочего тела (воды) pраб , Tраб , Vраб
и окружающих условий pвых , T , которые необходимы для построения расчетной характеристики и сопоставления последней с эксплуатационной, представлен на рис. 4.11.
Рис. 4.11. Стенд для исследования работы и снятия основных
характеристик водоструйных компрессоров и вакуумных насосов
91
Испытательный стенд (см. рис. 4.11) включает следующие элементы:
– стеклянный насос, работающий от водопроводной сети;
– ротаметр, с помощью которого измеряется расход воды;
 ;
– вентиль водопроводный, регулирующий Vраб
– манометр водяной, фиксирующий pраб ;
– датчик температуры воды Tраб ;
– откачиваемая камера объемом V;
– датчик давления в камере pвх на интервал от 1 до 0,01–0,02 атм;
– кран камеры запорный;
– натекатель для изменения потока Q и давления pвх при снятии кривой быстроты действия;
– бюретка масляная (на ожидаемый интервал потоков Q);
– кран бюретки;
– барометр для контроля pвых ;
– термометр комнатный;
– секундомер.
Стенд снабжен измерительным инструментом для обмера сопла
( d c ), камеры смешения ( d к ).
Струя воды (рис. 4.12), истекающая из сопла со скоростью wс ,
в камере 3 увлекает частицы газа, достигающие поверхности факела
струи или смешивающиеся с его расширяющейся частью, и выталкивает их в диффузор 4, где кинетическая энергия смеси преобразуется
в энергию давления. В результате давление газа в камере 3 понижается
по сравнению с давлением в приемной камере 2, и под действием этого
перепада устанавливается течение газа. Процесс идет непрерывно с понижением давления в камере 2 до достижения равновесного pост , при
котором работа струи лишь компенсирует встречные перетекания, связанные с диффузией газа и испарением рабочего тела. Наименьшее дав-
pост , которое может быть достигнуто водоструйным насосом
при достаточной скорости истечения wс , соответствует давлению
ление
насыщения паров воды
0,02–0,03 атм).
pнас.раб (рабочая температура примерно
92
Характерные сечения: вх – вход в насос; с – срез сопла; к – камера смешения.
Расчетные размеры: d c – диаметр среза сопла, d к – диаметр
камеры смешения.
Рис. 4.12. Принципиальная схема водоструйного насоса:
1 – сужающее сопло; 2 – приемная камера; 3 – камера смешения
(в данном случае цилиндрическая); 4 – диффузор
(элемент, улучшающий характеристики, но не обязательный)
Обработка результатов эксперимента
Обработка результатов эксперимента проводится с помощью
ЭВМ по следующему алгоритму.
Для построения кривой набора вакуума pвх = f ( ) , представленной на рис. 4.13, необходимо подготовить протокол, в котором
93
предусмотрены графы для каждого измеряемого параметра в одной или
нескольких размерностях. После построения кривой записывают значение остаточного давления pост .
Для построения кривой быстроты действия S вх = f ( pвх ) , представленной на рис. 4.13, необходимо подготовить протокол, в котором
предусмотрены графы для каждого измеряемого параметра в одной или
нескольких размерностях.
Например,
в
протоколе
испытаний,
представленном
на рис. 4.13, кроме основных величин p (атм) и  (с) , должны записываться расход воды V  (л/с), давление pраб (атм) и температура воды
t раб (°С), а также один раз – барометрическое давление и температура
помещения.
Для каждой точки pвх после измерения Q вычисляется, а также
записывается показание ротаметра V  воды и вычисляется объемный коэффициент эжекции Kэv = Sвх V  . По данным обмеров находят площади
Fc =   dc2 4 и Fк =   (dк2 − dc2 ) 4 , по которым вычисляются скорости истечения воды из сопла ( wc = V  Fc ) и прохождения газом камеры смешения ( wк = Sвх Fк ), а также скоростной коэффициент эжекции Kэw = wк wс ,
результаты вычислений заносятся в протокол испытаний.
По результатам измерений быстроты действия дополнительно,
на отдельном графике, строятся четыре кривые изменения
Sвх , V , Kэv , Kэw во всем рабочем интервале pвх – от pост до 1 атм.
Провести испытание насоса. Заполнить протоколы с записью параметров рабочего тела. Построить кривые pвх = f ( ) и pвх = f ( pвых )
и S вх = f ( pвх ) по данным испытаний (эксперимента).
Провести неполную разборку-сборку насоса для обмера рабочих органов. По данным обмеров и вычислений построить расчетную
кривую S вх = f ( pвх ) в единых координатах с паспортной и экспериpвых
 Fc

ментальной, предварительно построив кривую p = f  F , K эw  или
вх
 к

F

pотк ( pвых − pвх )
=
= f  c , K эv 
pраб ( pраб − pвх )
F
 к
.
94
Порядок выполнения лабораторной работы
1. Ознакомиться со стендом испытаний насоса, вакуумной схемой, чертежами и паспортными данными (прил. 8, 12, 13 соответственно).
2. Определить, какие экспериментальные зависимости нужно
снять, какие методы и приборы для этого используются. Подготовить
соответствующие протоколы испытаний.
3. Снять кривую набора вакуума рвх = f ( ) .
4. Построить экспериментальную кривую набора вакуума
рвх = f ( ) с обязательной регистрацией предельного остаточного
давления ( рост ).
5. Снять кривую быстроты действия S вх = f ( pвх ) в интервале
max
от остаточного давления до наибольшего рабочего давления рраб .
6. Начертить принципиальную схему насоса с указанием размеров, необходимых для расчета объема всасывания Vвc .
7. Провести обмер рабочей камеры насоса на разбираемом образце. Занести результаты в карту обмера насоса.
8. Используя соответствующую формулу, рассчитать объем
всасывания насоса Vвc и геометрическую быстроту действия S г .
9. С помощью уравнения (3.2) рассчитать ряд значений
Sвх и построить расчетную характеристику S вх = f ( pвх ) .
10. Построить паспортную характеристику S вх = f ( pвх ) .
11. На едином графике построить расчетную, паспортную и экспериментальную характеристику Sвх = f ( рвх ) , представленные на
рис. 3.14. Расчетные и паспортные точки соединяют линиями.
12. Составить отчет и подготовиться к его защите, используя
контрольные вопросы.
95
Рис. 4.13. Результаты обработки экспериментальных данных
по лабораторной работе 5
96
Образец оформления результатов эксперимента
Расчеты результатов эксперимента выполнить в электронной
таблице Excel пакета Microsoft Office на листах формата А4, которые
должны содержать: номер лабораторной работы, полное наименование,
таблицу результатов с расчетами, графики, а также (внизу страницы)
номер бригады и список студентов (рис. 4.13).
Выводы по проделанной работе
В выводах по проделанной работе необходимо указать, как изменяются величины (от какого значения до какого) и почему. Объяснить, что изображено на графиках и почему. Выводы должны быть инженерными с числовыми значениями.
На последнем листе должны содержаться выводы по составлению расчетной, паспортной и экспериментальной кривых быстроты откачки насоса.
Лабораторная работа 6
Исследование работы и снятие основных
характеристик водокольцевых компрессоров
и вакуумных насосов
Жидкостно-кольцевой вакуумный насос (ЖКВН) ‒ механический объемный вращательный насос, в котором рабочие камеры образуются лопатками рабочего колеса и прилегающим к стенке корпуса
вращающимся кольцом рабочей жидкости.
Водокольцевой вакуумный насос (ВВН) ‒ это ЖКВН, рабочей
жидкостью в котором является вода.
Достоинства водокольцевого вакуумного насоса: простота конструкции и высокая надежность (в частности, в данном насосе отсутствуют
клапанные устройства, часто выходящие из строя в других насосах); достаточно низкий уровень шума; отсутствие обратного потока паров масла в откачиваемый объем. Соответствующий подбор рабочей жидкости позволяет
откачивать различные агрессивные, химически активные, взрывоопасные
газы и смеси. Существенным достоинством является также возможность откачки парогазовых смесей, содержащих капельную жидкость, пыль, твердые инородные включения.
97
Недостатки водокольцевого вакуумного насоса: высокие затраты мощности на вращение жидкостного кольца и, соответственно,
невысокий КПД; высокое предельное остаточное давление, определяемое давлением насыщенных паров рабочей жидкости; наличие обратного потока паров воды в откачиваемый объем.
Описание конструкции и принципа действия
Основными элементами водокольцевого вакуумного насоса
(рис. 4.14) являются цилиндрический корпус 1 и эксцентрично расположенное в нем рабочее колесо 2, состоящее из ступицы с лопатками.
При вращении колеса рабочая жидкость за счет центробежных сил отбрасывается к стенкам корпуса. Таким образом, между ступицей колеса
и внутренней поверхностью вращающегося жидкостного кольца 3 образуется серповидная полость 4, которая делится лопатками на отдельные ячейки с изменяющимся по углу поворота колеса объемом.
От сечения I‒I до сечения II‒II объем ячеек увеличивается, давление
в них понижается, и газ всасывается через окно всасывания 5. От сечения
II‒II до сечения III‒III объем рабочих ячеек уменьшается, и газ сжимается.
При соединении ячейки с окном нагнетания 6 часть газа выталкивается через него в водоотделитель 7. Оставшийся в мертвом объеме газ возвращается на всасывание, что приводит к ухудшению характеристик насоса. Окно
всасывания 5 и выходной патрубок 8, а также окно нагнетания 6 и водоотделитель 7 соединены друг с другом каналами в торцевой крышке насоса.
Рис. 4.14. Схема водокольцевого вакуумного насоса: I ‒ рабочий
цилиндр; 2 ‒ рабочее колесо; 3 ‒ вращающееся жидкостное кольцо;
4 ‒ серповидная рабочая полость; 5 ‒ окно всасывания; б ‒ окно
нагнетания; 7 ‒ водоотделитель; 8 ‒ входной патрубок
98
По месту подвода и отвода откачиваемого газа водокольцевые
вакуумные насосы подразделяются на насосы с осевым и насосы с радиальным подводом и отводом газа. По форме лопаток различают водокольцевые вакуумные насосы с прямыми радиальными, криволинейными радиальными и нерадиальными лопатками (рис. 4.15).
Рис. 4.15. Форма лопаток ВВН: а ‒ прямые радиальные;
б ‒ криволинейные; в ‒ прямые нерадиальные
Рис. 4.16. Стенд для исследования работы и снятия основных
характеристик водокольцевого вакуумного насоса ВВН‒1,5
99
Объектом исследования данной лабораторной работы является
насос ВВН‒1,5. Основные геометрические размеры ВВН‒1,5 приведены на рис. 4.16, а паспортные данные ‒ в прил. 14, 15. Это насос с осевым подводом и отводом газа и прямыми радиальными лопатками.
Окна всасывания и нагнетания, через которые газ подается в ячейки
и удаляется из них, выполнены в торцевой крышке в виде серпообразных отверстий (см. рис. 4.14).
Условное обозначение: ВВН ‒ водокольцевой вакуумный насос.
Цифры после букв ВВН перед тире означают рабочее давление всасывания
насоса при номинальной быстроте действия: 1 − pраб = 0,4 атм ;
2 − pраб = 0,2 атм . Если цифры нет, то pраб = 0,3 атм . Цифры после тире указывают номинальную быстроту действия водокольцевого вакуумного
3
насоса в м мин . Например, ВВН 1‒3 ‒ водокольцевой вакуумный насос,
имеющий при рабочем давлении 0,4 атм быстроту действия в м3/мин.
Основные расчетные выражения водокольцевого вакуумного
насоса
Геометрическую быстроту действия водокольцевого вакуумного насоса определяют по формуле
Sг = Vвс  n = Vяч  i  n ,
(4.49)
где Vяч ‒ максимальный объем рабочей ячейки объема (в момент «конец всасывания»);
i ‒ число рабочих ячеек;
n ‒ частота вращения рабочего колеса.
Если не учитывать погружение лопаток в жидкостное кольцо,
то для насосов с прямыми радиальными лопатками поперечное сечение
ячейки можно рассматривать как трапецию со сторонами a, b и высотой
h (рис. 4.17). Реально в ВВН лопатки погружены в водяное кольцо на
глубину hпог  2  7 мм. Тогда Vяч определится из уравнения
V
яч
a +b

=
 ( h − hпогр )  L ,
2


где L ‒ длина рабочего колеса.
100
(4.50)
Для расчета S r необходимо провести обмер рабочей камеры
ВВН‒1,5 и заполнить карту обмера (табл. 4.3). Паспортная характеристика ВВН‒1,5 строится с использованием данных табл. 4.3.
Рис. 4.17. Основные размеры ВВН‒1,5: Ι ‒ выход в атмосферу;
ΙΙ ‒ всасывание; ΙΙΙ ‒ подвод воды; ΙV ‒ отвод воды; V ‒ слив воды
из сальника
Рис. 4.18. Геометрия рабочей ячейки ВВН
101
Таблица 4.3
Карта обмера насоса ВВН-1,5
Наименование параметра
Обозначение
Диаметр условного прохода
Dу, мм
Диаметр колеса
D, мм
Диаметр ступицы колеса
d, мм
Число рабочих ячеек
Значение
i
Малое основание рабочей ячейки
а, мм
Большое основание рабочей ячейки
b, мм
Высота рабочей ячейки
h, мм
Длина рабочего колеса
L, мм
Частота вращения колеса
n, об/с
Обработка результатов эксперимента
1. Ознакомиться с чертежами и паспортными данными (по паспорту или по данным соответствующей таблицы прил. 14, 15).
2. Ознакомиться со стендом испытаний насоса и вакуумной схемой (прил. 9).
3. Определить, какие экспериментальные зависимости нужно
снять, какие методы и приборы для этого используются. Подготовить
соответствующие протоколы испытаний.
4. Снять кривую набора вакуума рвх = f ( ) .
5. Построить экспериментальную кривую набора вакуума рвх = f ( )
с обязательной регистрацией предельного остаточного давления рост .
6. Снять кривую быстроты действия S вх = f ( pвх ) в интервале
max
от остаточного давления до наибольшего рабочего давления р раб .
102
7. Начертить принципиальную схему насоса с указанием размеров, необходимых для расчета объема всасывания Vвc .
8. Провести обмер рабочей камеры насоса на разбираемом образце. Занести результаты в карту обмера насоса в соответствующую
таблицу (табл. 4.3).
9. Используя соответствующую формулу, рассчитать объем
всасывания насоса Vвc и геометрическую быстроту действия S г .
10. С помощью уравнения (4.39) рассчитать ряд значений
Sвх и построить расчетную характеристику S вх = f ( pвх ) .
11. Построить паспортную характеристику S вх = f ( pвх ) .
12. На едином графике построить расчетную, паспортную и экспериментальную характеристику
Sвх = f ( рвх ) , представленные
на рис. 3.14. Расчетные и паспортные точки соединить линиями.
13. Составить отчет и подготовиться к его защите, используя
контрольные вопросы.
Образец оформления результатов эксперимента
Расчеты результатов эксперимента выполнить в электронной
таблице Excel пакета Microsoft Office на листах формата А4, которые
должны содержать: номер лабораторной работы, полное наименование,
таблицу результатов с расчетами, графики, а также (внизу страницы)
номер бригады и список студентов (рис. 4.19).
Выводы по проделанной работе
В выводах по проделанной работе необходимо написать о том
как изменяются величины: от какого значения до какого значения и почему. Объяснить, что изображено на графиках и почему. Вывод должен
быть инженерным с числовыми значениями.
На последнем листе должны содержаться выводы по составлению расчетной, паспортной и экспериментальной кривых быстроты откачки насоса.
103
Рис. 4.19. Результаты обработки экспериментальных данных
по лабораторной работе 6
104
Лабораторная работа 7
Исследование работы и снятие основных
характеристик пластинчато-роторных
компрессоров и вакуумных насосов
Пластинчато-роторный ВН (НВР) – это механический, объемный вращательный насос с масляным уплотнением, в котором рабочая
камера изменяющегося объема образуется между стенками цилиндра,
ротором и пластинами, скользящими в пазах ротора.
Описание конструкции и принципа действия
Основными элементами пластинчато–роторного насоса
(рис. 4.20) являются рабочий цилиндр 1, размещенный в маслозаполненном корпусе 2.
Рис. 4.20. Схема пластинчато-роторного насоса 2НВР–5ДМ:
1 – рабочий цилиндр; 2 – корпус; 3 – ротор; 4 – пластины;
5 – пружины; б – отсечной клапан; 7 – напускной клапан;
8 – газобалластное устройство; 9 – выпускной клапан;
10 – смотровое стекло; 11 – пружина; 12 – выходной патрубок;
13 – канал газобалласта
105
Внутри цилиндра в направлении, указанном стрелкой, вращается
эксцентрично установленный ротор 3. В прорезях ротора размещены пластины 4, которые прижимаются к поверхности цилиндра и скользят по ней
за счет центробежных сил и, частично, за счет сил упругости пружин 5. При
вращении ротора рабочая полость, образованная внутренней поверхностью
цилиндра, ротором, пластинами и торцевыми крышками, делится на полости А и Б (рис. 4.21). Объем полости А возрастает до максимального объема
Vвc , объем полости Б уменьшается, обеспечивая процесс сжатия газа
(рис. 4.21). Герметичность между полостями обеспечивается за счет прилегания пластин к поверхности цилиндра и масляной пленки, покрывающей
внутренние стенки рабочего цилиндра. Выхлоп газа осуществляется через
клапан 9, расположенный под маслом, за счет чего осуществляется его герметизация.
Рис. 4.21. Изменение объема рабочей камеры
Достоинства НВР: большая по сравнению с насосами вакуумными золотниковыми уравновешенность ротора и, как следствие, более
высокие частоты вращения (от 1500 до 3000 об/мин) и лучшие удельные
характеристики; лучшая по сравнению с насосами вакуумными золотниковыми герметичность рабочей камеры, вследствие контакта пластин с цилиндром и, соответственно, более высокая степень сжатия одной камеры.
Недостатки НВР: интенсивный износ пластин и цилиндра, ведущий к сокращению ресурса работы и надежности; наличие обратного
потока паров масла из рабочего цилиндра в откачиваемый объем.
106
Большинство пластинчато-роторных насосов с целью повышения степени сжатия (снижения предельного остаточного давления) выпускаются в двухступенчатом исполнении. Соединение ступеней последовательное (2НВР–5ДМ, НВР–16Д, НВР–250Д). В этом случае канал выхлопа первой (входной) НВР ступени соединяется с входом второй (рис. 4.22). Сжимаемый газ последовательно проходит обе ступени
и выталкивается через клапан выхлопа второй ступени 9(2).
Рис. 4.22. Схема двухступенчатого НВР
В большинстве конструкций предусмотрен также дополнительный клапан выхлопа на первой ступени 9(1), срабатывающий при высоких входных давлениях, и уменьшающий нагрузку на насос. Клапаны
9(1) и 9(2) самодействующие, которые открываются за счет перепада
давлений. Поэтому по мере понижения давления в цилиндре клапан
9(1) перестает открываться, и весь выхлоп происходит через клапан
второй ступени 9(2). Ступени располагают на одном валу, разделяя их
промежуточной крышкой. Поскольку быстрота действия насоса определяется быстротой действия первой ступени, то длина цилиндра первой ступени всегда в несколько раз больше второй.
Назначение и работа напускного и отсечного клапанов
При выключении любого вакуумного насоса в откачиваемом объеме, а значит, и в рабочем цилиндре насоса, как правило, сохраняется вакуум. За счет перепада давлений масло постепенно заполнит рабочий
107
цилиндр насоса и будет подниматься в откачиваемый объем, что недопустимо. По этой причине для эксплуатации вакуумных насосов с масляным
уплотнением чаще всего используется схема, представленная на рис. 4.23.
В этом случае при выключении насоса NI клапан VE2 закрывают и отсекают насос от откачиваемого объема, сохраняя в последнем вакуум. Клапан VE1 открывается, и атмосферный воздух напускается в рабочий цилиндр насоса.
Недостатками такой схемы являются: клапан VE2 за счет своего
сопротивления уменьшает быстроту действия насоса; существенно возрастает стоимость откачной системы; снижается надежность за счет
возможного выхода из строя клапанов.
Рис. 4.23. Вакуумная схема стенда с напускным (VE1) и отсечным
(VE2) клапанами
В насосе 2НВР-5ДМ напускной и отсечной клапаны предусмотрены в конструкции самого насоса (рис. 4.20 и рис. 4.24). Напускной
клапан 7 приводится в действие за счет центробежного механизма, расположенного на муфте, передающей вращение от электродвигателя на
вал насоса (рис. 4.24). При включении насоса напускной клапан 7 закрывается, а отсечной 6 под собственным весом падает вниз, и входной
патрубок соединяется с рабочим цилиндром насоса (рис. 4.24б). При
108
выключении насоса напускной клапан 7 за счет центробежного механизма открывается, и атмосферный воздух, попадая под седло клапана,
поднимает его вверх, и откачиваемый объем отсекается от цилиндра
насоса (рис. 4.24а). Затем воздухом заполняется рабочий цилиндр.
Рис. 4.24. Схема работы напускного и отсечного клапанов
Рабочий цикл пластинчато-роторных насосах совершается за
один оборот вала.
Объем всасывания определяют по формуле
(4.51)
Vвc = Vяч  Z ,
где Vяч – максимальный объем ячейки (при ее отсоединении от всасывающего патрубка);
Z – число ячеек (пластин).
С достаточной точностью Vяч в положении ротора
(см. рис. 4.20, 4.21г) можно определить по формуле
   D2
 d2 
 L,
Vяч = 
+ Dе −
8 
 8
где D – диаметр цилиндра;
d – диаметр ротора;
L – длина ротора первой (входной) ступени;
e = (D − d ) 2 – эксцентриситет.
109
(4.52)
Объектом исследования данной лабораторной работы является
пластинчатого-роторного вакуумный насос марки 2НВР–5ДМ, размещенный на стенде, представленном рис. 4.25.
Рис. 4.25. Стенд для исследования работы и снятия основных
характеристик двухступенчатого пластинчато-роторного
вакуумного насоса 2НВР–5ДМ
Основные геометрические размеры пластинчатого-роторного
вакуумного насоса 2НВР-5ДМ представлены на рис. 4.26, а паспортные
данные – в табл. 12. Для расчета S г необходимо провести обмер рабочей камеры 2НВР-5ДМ и заполнить карту обмера (табл. 4.4).
110
Рис. 4.26. Основные размеры 2НВР-5ДМ
Таблица 4.4
Карта обмера насоса 2НВР–5ДМ
Наименование параметра
Параметр
Диаметр условного прохода
Dy,мм
Диаметр рабочего цилиндра
D, мм
Диаметр ротора
d , мм
Эксцентриситет
е, мм
Длина рабочего цилиндра
L, мм
 , мм
Толщина пластин
Частота вращения ротора
n, об/с
111
Значение
Обработка результатов эксперимента
1. Ознакомиться со стендом испытаний насоса и вакуумной схемой (прил. 10), чертежами и паспортными данными (по паспорту или
по данным соответствующей таблицы прил. 16).
2. Определить, какие экспериментальные зависимости нужно
снять. Какие методы и приборы для этого используются. Подготовить
соответствующие протоколы испытаний.
3. Снять кривую набора вакуума рвх = f ( ) .
4. Построить экспериментальную кривую набора вакуума рвх = f ( )
с обязательной регистрацией предельного остаточного давления ( рост ).
5. Снять кривую быстроты действия S вх = f ( pвх ) в интервале
max
от остаточного давления до наибольшего рабочего давления р раб .
6. Начертить принципиальную схему насоса с указанием размеров, необходимых для расчета объема всасывания ( Vвc ).
7. Провести обмер рабочей камеры насоса на разбираемом образце. Занести результаты в карту обмера насоса в соответствующую
таблицу (табл. 4.4).
8. Используя соответствующую формулу, рассчитать объем
всасывания насоса ( Vвc ) и геометрическую быстроту действия ( S г ).
9. С помощью уравнения (3.2) рассчитать ряд значений
Sвх и построить расчетную характеристику S вх = f ( pвх ) .
10. Построить паспортную характеристику S вх = f ( pвх ) .
11. На едином графике построить расчетную, паспортную и экспериментальную характеристику Sвх = f ( рвх ) , представленные на
рис. 3.14. Расчетные и паспортные точки соединяют линиями.
12. Составить отчет и подготовиться к его защите, используя
контрольные вопросы.
Образец оформления результатов эксперимента
Расчеты результатов эксперимента выполнить в электронной таблице Excel пакета Microsoft Office на листах формата А4, которые должны
содержать: номер лабораторной работы, полное наименование, таблицу результатов с расчетами, графики, а также (внизу страницы) номер бригады
и список студентов.
112
Выводы по проделанной работе
В выводах по проделанной работе необходимо написать о том
как изменяются величины: от какого значения до какого значения и почему. Объяснить, что изображено на графиках и почему. Вывод должен
быть инженерным с числовыми значениями.
На последнем листе должны содержаться выводы по составлению расчетной, паспортной и экспериментальной кривых быстроты откачки насоса.
Рис. 4.27. Результаты обработки экспериментальных данных
по лабораторной работе 7
113
Лабораторная работа 8
Исследование работы и снятие основных
характеристик мембранных компрессоров
и вакуумных насосов
Мембранный вакуумный насос – это насос объемного действия,
в котором сжатие и выброс газа происходят в результате возвратно-поступательного движения мембраны.
Описание конструкции и работы мембранного насоса
Мембранный вакуумный насос НВМ–01 (рис. 4.28) состоит из
корпуса, в котором расположена рабочая камера, образованная клапанной крышкой и упругой герметичной мембраной.
Рис. 4.28. Схема мембранного насоса НВМ -01: 1 – шатун;
2 – мембрана; 3 – клапанная коробка; 4 – всасывающий патрубок;
5 – всасывающий клапан; 6 – выхлопной клапан; 7 – выхлопной
патрубок: 8 – герметичная перегородка; 9 – кривошип
114
Мембрана приводится в колебательное движение с помощью
кривошипно-шатунного механизма от электродвигателя. В верхней части рабочей камеры расположены всасывающий и выхлопной клапаны,
которые сделаны из тонкой резины. В верхней части крышки размещены всасывающий патрубок для присоединения откачиваемого объема и выхлопной для выброса газа в атмосферу.
Лабораторный стенд для исследования основных характеристик
представлен на рис. 4.29.
Рис. 4.29. Стенд для исследования работы и снятия основных
характеристик исследуемого мембранного насоса НВМ-01
115
Порядок выполнения лабораторной работы
Вычертить принципиально-конструктивную схему насоса по
паспорту или в соответствии с рис. 4.28 с указанием размеров, необходимых для определения максимального объема рабочей камеры Vmax .
Провести разборку насоса и обмер рабочей камеры или ячейки. Заполнить карту обмера в виде табл. 4.5.
Таблица 4.5
Карта обмера мембранного насоса
Диаметр
условного
прохода
D y , мм
Наименование параметра
Диаметр камеры больший
D, мм
Диаметр
камеры
меньший
d, мм
Величина рабочего хода
мембраны L,
мм
Вычислим геометрическую быстроту действия.
Объем всасывания мембранного ВН определяется по формуле
Vвс = 2 Vус.кон ,
(4.53)
где Vус.кон – объем усеченного конуса, который рассчитывается как
 h
 h  R2 + R  r + r 2 =
 D2 + D  d + d 2 ,
3
12
где R, D – радиус и диаметр большего основания конуса;
r, d – радиус и диаметр меньшего основания конуса;
h – высота конуса.
Результаты расчета оформить в виде табл. 4.6.
Vус.кон =

(
)
(
)
(4.54)
Таблица 4.6
Расчет геометрической быстроты действия НВМ-0.1
D,
дм
d, дм
D2 ,
дм 2
d2,
дм 2
Dd ,
дм 2
h, дм
Vвс ,
дм
3
N,
об/с
Sr ,
м3 / с
Используя уравнение (3.3), вычислить ряд значений теоретической быстроты S вх и построить расчетную кривую в тех же координатах, в которых построены экспериментальная и паспортная характеристики. Расчет оформить в виде табл. 4.6.
Заполнить другие листы отчета и подготовить ответы на контрольные вопросы
116
Обработка результатов эксперимента
1. Ознакомиться со стендом испытаний насоса и вакуумной схемой (прил. 11), чертежами и паспортными данными (по паспорту или
по данным соответствующей таблицы прил. 17).
2. Определить, какие экспериментальные зависимости нужно
снять. Какие методы и приборы для этого используются. Подготовить
соответствующие протоколы испытаний.
3. Снять кривую набора вакуума рвх = f ( ) .
4. Построить экспериментальную кривую набора вакуума рвх = f ( )
с обязательной регистрацией предельного остаточного давления ( рост ).
5. Снять кривую быстроты действия S вх = f ( pвх ) в интервале
max
от остаточного давления до наибольшего рабочего давления р раб .
6. Начертить принципиальную схему насоса с указанием размеров, необходимых для расчета объема всасывания Vвc .
7. Провести обмер рабочей камеры насоса на разбираемом образце. Занести результаты в карту обмера насоса в соответствующую
таблицу (рис. 4.30).
8. Используя соответствующую формулу, рассчитать объем
всасывания насоса Vвc и геометрическую быстроту действия S г .
9. С помощью уравнения (3.2) рассчитать ряд значений Sвх
и построить расчетную характеристику S вх = f ( pвх ) .
10. Построить паспортную характеристику S вх = f ( pвх ) .
11. На едином графике построить расчетную, паспортную и эксSвх = f ( рвх ) , представленные
периментальную характеристики
на рис. 3.14. Расчетные и паспортные точки соединить линиями.
12. Составить отчет и подготовиться к его защите, используя
контрольные вопросы.
Образец оформления результатов эксперимента
Расчеты результатов эксперимента выполнить в электронной
таблице Excel пакета Microsoft Office на листах формата А4, которые
должны содержать: номер лабораторной работы, полное наименование,
таблицу результатов с расчетами, графики, а также (внизу страницы)
номер бригады и список студентов.
117
Выводы по проделанной работе
В выводах по проделанной работе необходимо указать, как изменяются величины: от какого значения до какого и почему. Объяснить, что изображено на графиках и почему. Выводы должны быть инженерными с числовыми значениями. На последнем листе должны содержаться выводы по составлению расчетной, паспортной и экспериментальной кривых быстроты откачки насоса.
Рис. 4.30. Результаты обработки экспериментальных данных
по лабораторной работе 8
118
Вопросы охраны труда и техники
безопасности
К проведению экспериментов студенты допускаются только после сдачи учебного теста, изучения описания лабораторной работы.
Включение установки без разрешения преподавателя запрещается. Запрещается также подносить к всасывающему отверстию установки какие-либо предметы. Работа на установке производится только в присутствии преподавателя. При обнаружении любых опасностей необходимо
срочно сообщить преподавателю, ведущему лабораторную работу.
119
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Сагдеев, Д. И. Газовая динамика сплошных сред: учебно-методическое пособие / Д. И. Сагдеев, Т. В. Максимов. – Казань: Изд-во
КНИТУ, 2011. – 156 с.
2. Газовая динамика: метод. указания /сост.: А. В. Палладий,
С. Л. Фосс, И. А. Райзман. – Казань: Изд-во КНИТУ, 2003. – 52 с.
3. Виноградов, Б. С. Прикладная газовая динамика / В. С. Виноградов. ‒ М.: Изд-во Университета дружбы народов им. П. Лумумбы,
1965. – 348 с.
4. ГОСТ 8.563.1-97. Измерение расхода и количества жидкостей
и газов методом переменного перепада давления. Диафрагмы, сопла
ИСА 1932 и трубы Вентури, установленные в заполненных трубопроводах круглого сечения.
5. Соколов, Е. Я. Струйные аппараты / Е. Я. Соколов, Н. М. Зингер. – М.: Энергия, 1970. – 288 с.
6. Идельчик, И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / И. Е. Идельчик. – М.‒Л.: Госэнергоиздат, 1954. – 316 с.
7. Вакуумная техника: справочник / К. Е. Демихов [и др.]; под
общ. ред. К. Е. Демихова, Ю. В. Панфилова. – 3-е изд., перераб. и доп. –
Москва: Машиностроение, 2009. – 589 с.
8. Кузьмин, В. В. Техника измерения вакуума: монография /
В. В. Кузьмин, В. А. Аляев. – Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та,
2009. – 300 с.
9. Газовая динамика сплошных и разреженных сред: метод. указания. Ч. 2 / сост.: К. Б. Панфилович [и др.]. – Казань, 2005. – 40 с.
10. Хабланян, М. Х. Вакуумная техника. Оборудование, проектирование, технологии, эксплуатация. Ч. 1. Инженерно-физические основы: учебное пособие / М. Х. Хабланян, Г. Л. Саксаганский, А. В. Бурмистров. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2013. – 232 с.
11. Розанов, Л. Н. Вакуумная техника: учебник для вузов /
Л. Н. Розанов. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Высшая шк., 2007, – 391 с.
12. Пинко, А. И. Конструирование и расчет вакуумных систем /
А. И. Пинко, В. Я. Плисовский, Е. А. Пенчко. – М.: Энергия, 1970. – 504 с.
13. Тагиров, Р. Б. Введение в физику высокого вакуума и его применение / Р. Б. Тагиров. – Казань: Изд-во КГУ, 1967. – 236 c.
14. ГОСТ 5197-85. Вакуумная техника. Термины и определения.
М.: Изд-во стандартов, 1985. – 36 с.
120
15. ГОСТ 2.796-81. Схемы вакуумные. Условные обозначения.
М.: Изд-во стандартов, 1981.– 8 с.
16. ГОСТ Р 53335-2009. Оборудование вакуумное. Насосы вакуумные объемного действия. Измерение рабочих характеристик. Ч. 1.
Измерение быстроты действия (скорости откачки).
17. Струйные вакуумные насосы: метод, указания / сост.:
Л. А. Беляев [и др.]. – Казань, 1989. – 44 с.
18. Правдин, П. В. Лабораторные приборы и оборудование из
стекла и фарфора: справочник / П. В. Правдин. – Москва: Химия,
1988. – 336 с.
19. Кузнецов, В. И. Механические вакуумные насосы / В. И. Кузнецов. – М.– Л.: Госэнергоиздат, 1959. – 280 с.
20. Нестеров, С. Б. Расчет сложных вакуумных систем / С. Б. Нестеров, Ю. К. Васильев, А. В. Андросов. – М.: Изд-во МЭИ, 2001.
21. Механические вакуумные насосы / Е. С. Фролов, И. В. Автономова, И. Васильев [и др.]. – М.: Машиностроение, 1989. – 288 с.
22. Безмасляные механические форвакуумныс насосы / сост.:
А. Б. Цейтлин, И. Ю. Гинденбург. – М., 1990. – 27 с.
23. Кузнецов В. И. Объемный КПД двухроторных вакуумных
насосов / В. И. Кузнецов // Физика и техника вакуума. – Казань, 1974. –
С. 177–185.
121
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение. 1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0,30
0,31
0,32
0,33
0,34
0,35
0,36
0,37
0,38
0,39
0,9850
0,9840
0,9829
0,9819
0,9807
0,9796
0,9784
0,9772
0,9759
0,9747
0,9485
0,9451
0,9415
0,9379
0,9342
0,9303
0,9265
0,9224
0,9183
0,9141
0,9630
0,9605
0,9579
0,9552
0,9525
0,9497
0,9469
0,9439
0,9409
0,9378
0,4557
0,4697
0,4835
0,4972
0,5109
0,5243
0,5377
0,5509
0,5640
0,5769
0,4804
0,4970
0,5135
0,5302
0,5469
0,5636
0,5804
0,5973
0,6142
0,6312
1,0496
1,0528
1,0559
1,0593
1,0629
1,0661
1,0696
1,0732
1,0768
1,0805
0,9037
0,8977
0,8917
0,8854
0,8791
0,8727
0,8662
0,8595
0,8528
0,8460
0,2760
0,2850
0,2947
0,3040
0,3134
0,3228
0,3322
0,3417
0,3511
0,3606
0,40
0,41
0,42
0,43
0,44
0,45
0,46
0,47
0,48
0,49
0,9733
0,9720
0,9706
0,9692
0,9677
0,9663
0,9647
0,9632
0,9616
0,9600
0,9097
0,9053
0,9008
0,8962
0,8915
0,8868
0,8819
0,8770
0,8719
0,8668
0,9346
0,9314
0,9281
0,9247
0,9212
0,9178
0,9142
0,9105
0,9067
0,9029
0,5897
0,6024
0,6149
0,6272
0,6394
0,6515
0,6633
0,6750
0,6865
0,6979
0,6182
0,6654
0,6826
0,6998
0,7172
0,7346
0,7521
0,7697
0,7874
0,8052
1,0842
1,0880
1,0918
1,0957
1,0996
1,1036
1,1076
1,1116
1,1156
1,1197
0,8391
0,8321
0,8251
0,8179
0,8108
0,8035
0,7963
0,7889
0,7816
0,7741
0,3701
0,3796
0,3892
0,3987
0,4083
0,4179
0,4275
0,4372
0,4468
0,4565
0,50
0,51
0,52
0,53
0,54
0,55
0,56
0,57
0,58
0,59
0,9583
0,9567
0,9549
0,9532
0,9514
0,9496
0,9477
0,9459
0,9439
0,9420
0,8616
0,8563
0,8509
0,8455
0,8400
0,8344
0,8287
0,8230
0,8172
0,8112
0,8991
0,8951
0,8911
0,8871
0,8829
0,8787
0,8744
0,8701
0,8657
0,8612
0,7091
0,7201
0,7309
0,7416
0,7520
0,7623
0,7724
0,7823
0,7920
0,8015
0,8230
0,8409
0,8590
0,8771
0,8953
0,9136
0,9321
0,9506
0,9692
0,9880
1,1239
1,1279
1,1320
1,1362
1,1403
1,1445
1,1486
1,1528
1,1569
1,1610
0,7666
0,7592
0,7517
0,7442
0,7366
0,7290
0,7215
0,7139
0,7064
0,6987
0,4663
0,4760
0,4858
0,4956
0,5054
0,5152
0,5251
0,5350
0,5450
0,5549
0,60
0,61
0,62
0,63
0,64
0,65
0,66
0,9400
0,9380
0,9359
0,9339
0,9317
0,9296
0,9274
0,8053
0,7992
0,7932
0,7870
0,7808
0,7745
0,7681
0,8567
0,8521
0,8475
0,8428
0,8380
0,8332
0,8283
0,8109
0,8198
0,8288
0,8375
0,8459
0,8543
0,8623
1,0069
1,0258
1,0449
1,0641
1,0842
1,1030
1,1226
1,1651
1,1691
1,1733
1,1772
1,1812
1,1852
1,1891
0,6912
0,6836
0,6760
0,6685
0,6610
0,6535
0,6460
0,5649
0,5750
0,5850
0,5951
0,6053
0,6154
0,6256
122
1
0,67
0,68
0,69
2
0,9252
0,9229
0,9207
3
0,7617
0,7553
0,7488
4
0,8233
0,8183
0,8133
5
0,8701
0,8778
0,8852
6
1,1423
1,1622
1,1822
0,70
0,71
0,72
0,73
0,74
0,75
0,76
0,77
0,78
0,79
0,9183
0,9160
0,9136
0,9112
0,9087
0,9063
0,9037
0,9012
0,8986
0,8960
0,7422
0,7356
0,7289
0,7221
0,7154
0,7086
0,7017
0,6948
0,6878
0,6809
0,8082
0,8030
0,7978
0,7925
0,7872
0,7819
0,7764
0,7710
0,7655
0,7599
0,8924
0,8993
0,9061
0,9126
0,9189
0,9250
0,9308
0,9364
0,9418
0,9469
0,80
0,81
0,82
0,83
0,84
0,85
0,86
0,87
0,88
0,89
0,8933
0,8907
0,8879
0,8852
0,8824
0,8796
0,8767
0,8739
0,8709
0,8680
0,6738
0,6668
0,6597
0,6526
0,6454
0,6382
0,6310
0,6238
0,6165
0,6092
0,7543
0,7486
0,7429
0,7372
0,7314
0,7256
0,7197
0,7138
0,7079
0,7019
0,90
0,91
0,92
0,93
0,94
0,95
0,96
0,97
0,98
0,99
0,8650
0,8620
0,8589
0,8559
0,8527
0,8496
0,8464
0,8432
0,8399
0,8367
0,6019
0,5946
0,5873
0,5800
0,5726
0,5653
0,5579
0,5505
0,5431
0,5357
1,00
1,01
1,02
1,03
0,8333
0,8300
0,8266
0,8232
0,5283
0,5209
0,5135
0,5061
Продолжение прил. 1
7
1,1929
1,1967
1,2005
8
0,6386
0,6311
0,6237
9
0,6359
0,6461
0,6565
1,2024
1,2227
1,2431
1,2637
1,2845
1,3054
1,3265
1,3478
1,3692
1,3908
1,2042
1,2078
1,2114
1,2148
1,2183
1,2216
1,2249
1,2280
1,2311
1,2341
0,6163
0,6090
0,6017
0,5944
0,5872
0,5800
0,5729
0,5658
0,5587
0,5517
0,6668
0,6772
0,6876
0,6981
0,7086
0,7192
0,7298
0,7404
0,7511
0,7619
0,9618
0,9565
0,9610
0,9652
0,9691
0,9729
0,9764
0,9796
0,9826
0,9854
1,4126
1,4346
1,4567
1,4790
1,5016
1,5243
1,5473
1,5704
1,5938
1,6174
1,2370
1,2398
1,2425
1,2451
1,2475
1,2498
1,2520
1,2541
1,2560
1,2579
0,5447
0,5378
0,5309
0,5241
0,5174
0,5107
0,5040
0,4974
0,4908
0,4843
0,7727
0,7835
0,7944
0,8053
0,8163
0,8274
0,8384
0,8496
0,8608
0,8721
0,6959
0,6898
0,6838
0,6776
0,6715
0,6653
0,6591
0,6528
0,6466
0,6403
0,9879
0,9902
0,9923
0,9941
0,9957
0,9970
0,9981
0,9989
0,9953
0,9999
1,6412
1,6652
1,6895
1,7140
1,7388
1,7638
1,7891
0,9989
1,8404
1,8665
1.2595
1,2611
1,2625
1,2637
1,2648
1,2658
1,2666
1,8146
1,2676
1,2678
0,4779
0,4715
0,4652
0,4589
0,4527
0,4466
0,4405
1,2671
0,4285
0,4225
0,8833
0,8947
0,9062
0,9177
0,9292
0,9409
0,9526
0,9644
0,9761
0,9880
0,6340
0,6276
0,6212
0,6148
1,0000
0,9999
0,9995
0,9989
1,8929
1,9195
1,9464
1,9737
1,2679
1,2678
1,2675
1,2671
0,4167
0,4109
0,4051
0,3994
1,0000
1,0120
1,0241
1,0363
123
1
1,04
1,05
1,06
1,07
1,08
1,09
2
0,8197
0,8163
0,8127
0,8092
0,8056
0,8020
3
0,4987
0,4913
0,4840
0,4766
0,4693
0,4619
4
0,6084
0,6019
0,5955
0,5890
0,5826
0,5760
5
0,9980
0,9969
0,9957
0,9941
0,9924
0,9903
6
2,0013
2,0291
2,0573
2,0858
2,1147
2,1439
1,10
1,11
1,12
1,13
1,14
1,15
1,16
1,17
1,18
1,19
0,7983
0,7947
0,7909
0,7872
0,7834
0,7796
0,7757
0,7719
0,7679
0,7640
0,4546
0,4473
0,4400
0,4328
0,4255
0,4184
0,4111
0,4040
0,3969
0,3898
0,5694
0,5629
0,5564
0,5498
0,5432
0,5366
0,5300
0,5234
0,5168
0,5102
0,9880
0,9856
0,9829
0,9800
0,9768
0,9735
0,9698
0,9659
0,9620
0,9577
1,20
1,21
1,22
1,23
1,24
1,25
1,26
1,27
1,28
1,29
0,7600
0,7560
0,7519
0,7473
0,7437
0,7396
0,7354
0,7312
0,7269
0,7277
0,3827
0,3757
0,3687
0,3617
0,3548
0,3479
0,3411
0,3343
0,3275
0,3208
0,5035
0,4969
0,4903
0,4837
0,4770
0,4704
0,4638
0,4572
0,4505
0,4439
1,30
1,31
1,32
1,33
1,34
1,35
1,36
1,37
1,38
1,39
0,7183
0,7140
0,7096
0,7052
0,7007
0,6962
0,6917
0,6872
0,6826
0,6780
0,3142
0,3075
0,3010
0,2945
0,2880
0,2816
0,2753
0,2690
0,2628
0,2566
0,4374
0,4307
0,4241
0,4176
0,4110
0,4045
0,3980
0,3914
0,3850
0,3785
Продолжение прил. 1
7
1,2664
1,2655
1,2646
1,2633
1,2620
1,2602
8
0,3938
0,3882
0,3827
0,3773
0,3719
0,3665
9
1,0486
1,0609
1,0733
1,0858
1,0985
1,1111
2,1734
2,2034
2,2337
2,2643
2,2954
2,3269
2,3588
2,3911
2,4238
2,4570
1,2584
1,2564
1,2543
1,2519
1,2491
1,2463
1,2432
1,2398
1,2364
1,2326
0,3613
0,3560
0,3508
0,3457
0,3407
0,3357
0,3307
0,3258
0,3210
0,3162
1,1239
1,1367
1,1496
1,1627
1,1758
1,1890
1,2023
1,2157
1,2292
1,2428
0,9531
0,9484
0,9435
0,9384
0,9331
0,9275
0,9217
0,9159
0,9096
0,9033
2,4906
2,5247
2,5593
2,5944
2,6300
2,6660
2,7026
2,7398
2,7775
2,8158
1,2286
1,2244
1,2200
1,2154
1,2105
1,2054
1,2000
1,1946
1,1887
1,1826
0,3115
0,3068
0,3022
0,2976
0,2931
0,2886
0,2842
0,2798
0,2755
0,2713
1,2566
1,2708
1,2843
1,2974
1,3126
1,3126
1,3413
1,3558
1,3705
1,3853
0,8969
0,8901
0,8831
0,8761
0,8688
0,8614
0,8538
0,8459
0,8380
0,8299
2,8547
2,8941
2,9343
2,9750
3,0164
3,0586
3,1013
3,1448
3,1889
3,2340
1,1765
1,1699
1,1632
1,1562
1,1490
1,1417
1,1341
1,1261
1,1180
1,1098
0,2670
0,2629
0,2574
0,2547
0,2507
0,2467
0,2427
0,2389
0,2350
0,2312
1,4002
1,4153
1,4305
1,4458
1,4613
1,4769
1,4927
1,5087
1,5248
1,5430
124
1
2
3
4
5
6
1,40
1,41
1,42
1,43
1,44
1,45
1,46
1,47
1,48
1,49
0,6733
0,6687
0,6639
0,6592
0,6544
0,6496
0,6447
0,6398
0,6349
0,6300
0,2505
0,2445
0,2385
0,2326
0,2267
0,2209
0,2152
0,2095
0,2010
0,1985
0,3720
0,3656
0,3592
0,3528
0,3464
0,3401
0,3338
0,3275
0,3212
0,3150
0,8216
0,8131
0,8046
0,7958
0,7869
0,7778
0,7687
0,7593
0,7499
0,7404
1,50
1,51
1,52
1,53
1,54
1,55
1,56
1,57
1,58
1,59
0,6250
0,6200
0,6149
0,6099
0,6047
0,5996
0,5944
0,5892
0,5839
0,5786
0,1930
0,1876
0,1824
0,1771
0,1720
0,1669
0,1619
0,1570
0,1522
0,1474
0,3088
0,3027
0,2965
0,2904
0,2844
0,2784
0,2724
0,2665
0,2606
0,2547
1,60
1,61
1,62
1,63
1,64
1,65
1,66
1,67
1,68
1,69
0,5733
0,5680
0,5626
0,5572
0,5517
0,5463
0,5407
0,5352
0,5296
0,5240
0,1427
0,1381
0,1336
0,1291
0,1248
0,1205
0,1163
0,1121
0,1081
0,1041
1,70
1,71
1,72
1,73
1,74
1,75
1,76
0,5183
0,5126
0,5069
0,5012
0,4954
0,4896
0,4837
0,1003
0,0965
0,0928
0,0891
0,0856
0,0821
0,0787
Продолжение прил. 1
7
8
9
3,2798
3,3263
3,3737
3,4219
3,4710
3,5211
3,5720
3,6240
3,6766
3,7308
1,1012
1,0924
1,0835
1,0742
1,0648
1,0551
1,0453
1,0351
1,0249
1,0144
0,2275
0,2238
0,2201
0,2165
0,2129
0,2094
0,2059
0,2024
0,1990
0,1956
1,5575
1,5741
1,5909
1,6078
1,6250
1,6423
1,6598
1,6776
1,6955
1,7137
0,7858
0,7209
0,7110
0,7009
0,6909
0,6807
0,6703
0,6599
0,6494
0,6389
3,0037
3,8418
3,8990
3,9574
4,0172
4,0778
4,1398
4,2034
4,2680
4,3345
1,0037
0,9927
0,9816
0,9703
0,9590
0,9472
0,9353
0,9233
0,9111
0,8988
0,1923
0,1890
0,1858
0,1825
0,1794
0,1762
0,1731
0,1700
0,1670
0,1640
1,7321
1,7506
1,7694
1,7885
1,8078
1,8273
1,8471
1,8672
1,8875
1,9081
0,2489
0,2431
0,2374
0,2317
0,2261
0,2205
0,2150
0,2095
0,2041
0,1988
0,6282
0,6175
0,6067
0,5958
0,5850
0,5740
0,5630
0,5520
0,5409
0,5298
4,4020
4,4713
4,5422
4,6144
4,6867
4,7647
4,8424
4,9221
5,0037
5,0877
0,8861
0,8734
0,8604
0,8474
0,8343
0,8210
0,8075
0,7939
0,7802
0,7664
0,1611
0,1581
0,1552
0,1524
0,1495
0,1467
0,1440
0,1413
0,1386
0,1359
1,9290
1,9501
1,9716
1,9934
2,0155
2,0380
2,0607
2,0839
2,1073
2,1313
0,1934
0,1881
0,1830
0,1778
0,1727
0,1677
0,1628
0,5187
0,5075
0,4965
0,4852
0,4741
0,4630
0,4520
5,1735
5,3167
5,3520
5,4449
5,5403
5,6383
5,7390
0,7524
0,7383
0,7243
0,7100
0,6957
0,6813
0,6669
0,1333
0,1306
0,1281
0,1255
0,1230
0,1205
0,1181
2,1555
2,1802
2,2053
2,2308
2,2567
2,2831
2,3100
125
1
1,77
1,78
1,79
2
0,4779
0,4719
0,4660
3
0,0754
0,0722
0,0691
4
0,1578
0,1530
0,1482
5
0,4407
0,4296
0,4185
6
5,8427
5,9495
6,0593
1,80
1,81
1,82
1,83
1,84
1,85
1,86
1,87
1,88
1,89
0,4600
0,4540
0,4479
0,4418
0,4357
0,4296
0,4234
0,4172
0,4109
0,4047
0,0660
0,0630
0,0602
0,0573
0,0546
0,0520
0,0494
0,0469
0,0445
0,0422
0,1435
0,1389
0,1343
0,1298
0,1253
0,1210
0,1167
0,1124
0,1083
0,1042
0,4075
0,3965
0,3855
0,3746
0,3638
0,3530
0,3423
0,3316
0,3211
0,3105
1,90
1,91
1,92
1,93
1,94
1,95
1,96
1,97
1,98
1,99
0,3983
0,3920
0,3856
0,3792
0,3727
0,3662
0,3597
0,3532
0,3466
0,3400
0,0399
0,0377
0,0356
0,0336
0,0316
0,0297
0,0279
0,0262
0,0245
0,0229
0,1002
0,0962
0,0923
0,0885
0,0848
0,0812
0,0776
0,0741
0,0707
0,0674
2,00
2,01
2,02
2,03
2,04
2,05
2,06
2,07
2,08
2,09
0,3333
0,3267
0,3199
0,3132
0,3064
0,2996
0,2927
0,2859
0,2789
0,2720
0,0214
0,0199
0,0185
0,0172
0,0159
0,0147
0,0136
0,0125
0,0115
0,0105
2,10
2,11
2,12
2,13
0,2650
0,2580
0,2509
0,2439
0,0096
0,0087
0,0079
0,0072
Продолжение прил. 1
7
0,6523
0,6378
0,6232
8
0,1156
0,1132
0,1106
9
2,3374
2,3653
2,3937
6,1723
6,2893
6,4091
6,5335
6,6607
6,7934
6,9298
7,0707
7,2162
7,3673
0,6085
0,5938
0,5791
0,5644
0,5497
0,5349
0,5202
0,5055
0,4909
0,4762
0,1085
0,1062
0,1039
0,1016
0,0994
0,0971
0,0949
0,0928
0,0906
0,0885
2,4227
2,4523
2,4824
2,5132
2,5449
2,5766
2,6094
2,6429
2,6772
2,7123
0,3002
0,2898
0,2797
0,2695
0,2596
0,2497
0,2400
0,2304
0,2209
0,2116
7,5243
7,6858
7,8540
8,0289
8,2098
8,3985
8,5943
8,7984
9,0112
9,2329
0,4617
0,4472
0,4327
0,4183
0,4041
0,3899
0,3758
0,3618
0,3480
0,3343
0,0864
0,0843
0,0823
0,0803
0,0782
0,0763
0,0743
0,0724
0,0704
0,0685
2,7481
2,7849
2,8525
2,8612
2,9007
2,9414
2,9831
3,0301
3,0701
3,1155
0,0642
0,0610
0,0579
0,0549
0,0520
0,0491
0,0464
0,0437
0,0411
0,0336
0,2024
0,1934
0,1845
0,1758
0,1672
0,1588
0,1507
0,1427
0,1348
0,1272
9,464
9,706
9,961
10,224
10,502
10,794
11,102
11,422
11,762
12,121
0,3203
0,3074
0,2942
0,2811
0,2683
0,2556
0,2431
0,2309
0,2189
0,2070
0,0668
0,0648
0,0630
0,0612
0,0594
0,0576
0,0558
0,0541
0,0524
0,0507
3,1622
3,2104
3,2603
3,3113
3,3642
3,4190
3,4759
3,5343
3,5951
3,6583
0,0361
0,0338
0,0315
0,0294
0,1198
0,1125
0,1055
0,0986
12,500
12,901
13,326
13,778
0,1956
0,1843
0,1733
0,1626
0,0490
0,0473
0,0457
0,0440
3,7240
3,7922
3,8633
3,9376
126
Окончание прил. 1
1
2,14
2,15
2,16
2,17
2,18
2,19
2
0,2367
0,2296
0,2224
0,2152
0,2079
0,2006
3
0,0065
0,0058
0,0052
0,0046
0,0041
0,0036
4
0,0273
0,0253
0,0233
0,0215
0,0197
0,0180
5
0,0921
0,0857
0,0795
0,0735
0,0678
0,0623
6
14,259
14,772
15,319
15,906
16,537
17,218
7
0,1522
0,1420
0,1322
0,1226
0,1134
0,1045
8
0,0424
0,0408
0,0393
0,0377
0,0361
0,0346
9
4,0150
4,0961
4,1791
4,2702
4,3642
4,4633
2,20
2,21
2,22
2,23
2,24
2,25
2,26
2,27
2,28
2,29
0,1933
0,1860
0,1786
0,1712
0,1637
0,1563
0,1487
0,1412
0,1336
0,1260
0,0032
0,0028
0,0024
0,0021
0,0018
0,0015
0,0012
0,0010
0,0008
0,0007
0,0164
0,0149
0,0135
0,0121
0,0116
0,0096
0,0081
0,0074
0,0065
0,0056
0,0570
0,0520
0,0472
0,0427
0,0408
0,0343
0,0290
0,0268
0,0234
0,0204
17,949
18,742
19,607
20,548
21,983
22,712
23,968
25,361
26,893
28,669
0,0960
0,0878
0,0799
0,0724
0,0695
0,0585
0,0496
0,0461
0,0404
0,0352
0,0331
0,0316
0,0391
0,0287
0,0255
0,0258
0,0256
0,0229
0,0216
0,0202
4,5674
4,6778
4,7954
4,9201
5,0533
5,1958
5,3494
5,5147
5,6940
5,8891
2,30
2,31
2,32
2,33
2,34
2,35
2,36
2,37
2,38
2,39
0,1183
0,1106
0,1029
0,0952
0,0874
0,0796
0,0717
0,0638
0,0559
0,0480
0,0005
0,0004
0,0003
0,0002
0,0002
0,0001
0,9 10-4
0,6 10-4
0,4 10-4
0,2 10-4
0,0048
0,0040
0,0034
0,0028
0,0022
0,0017
0,0013
0,0010
0,0007
0,0005
0,0175
0,0148
0,0124
0,0103
0,0083
0,0063
0,0051
0,0038
0,0028
0,0019
30,658
32,937
35,551
38,606
42,233
46,593
51,914
58,569
67,114
78,613
0,0302
0,0256
0,0217
0,0180
0,0146
0,0111
0,0090
0,0068
0,0049
0,0034
0,0189
0,0175
0,0161
0,0148
0,0135
0,0122
0,0109
0,0096
0,0084
0,0071
6,1033
6,3399
6,6008
6,8935
7,2254
7,6053
8,0450
8,5619
9,1882
9,9624
2,40
2,41
2,42
2,43
2,44
2,449
0,0400
0,0320
0,0239
0,0158
0,0077
0
0,1 10-4
0,5 10-5
0,2 10-5
0,5 10-6
0,3 10-7
0
0,0003
0,0002
0,8 10-4
0,3 10-4
0,4 10-5
0
0,0012
0,0007
0,0003
0,0001
0,5 10-5
0
94,703
118,94
159,65
242,16
499,16
0
0,0022
0,0012
0,0006
0,0002
0,2 10-4
0
0,0059
0,0047
0,0035
0,0025
0,0011
0
10,957
12,306
14,287
17,631
25,367
0
127
Приложение 2
Пример расчета параметров торможения с помощью
газодинамических функций
В потоке газа измерено: p = 101300 н/м2 (нормальное давление),
p = 143000 н/м2,
T  =324 К.
Воспользуемся таблицей газодинамических функций, представленной в прил. 1. и произведем расчеты основных параметров газового потока в условиях торможения.
Алгоритм определения скорости газового потока w :
1. Газ – воздух с показателем k =1,4 и R =287,4.
2. Вычисляем  ( ) =
p 101300
=
= 0,7084  0,7085 .
p* 143000
3. По таблицам газодинамических функций (прил.1) для k =1,4
по величине π(λ)=0,7085 находим λ=0,75.
4. Определяем критическую скорость:
aкр = 18,31  Т * = 18,31  324 = 329,6 м/с.
5. Определяем скорость газового потока
w =   aкр = 0,75  329,6 = 247, 2 м/с.
Как видно из приведенного примера, весь расчет сводится
к очень простым операциям.
Таблицы газодинамических функций особенно эффективны
при массовых расчетах.
Расчет приведенной скорости  из приведенного давления  ( ) :
P
k − 1 2 kk−1
 ( ) =  = (1 −
 ) ,
k +1
P
=
k −1


1 − ( ( )) k  * (k + 1)


(k − 1)
Все расчеты представляются в виде таблиц и графиков.
128
Приложение 3
Анализ знаков для оценки режимов течения газов
в пароэжекторном вакуумном насосе (НВЭ)
Запишем уравнение обращения воздействий для газового потока в НВЭ, схема которого представлена на рис. П3.1:
dw
dF dМ сек 1
k −1
k
−
− 2 dL − 2 dQe − 2 dLr .
( M 2 − 1) =
w
F
М сек a
a
a
Рис. П3.1. Схема насоса вакуумного эжекторного: A – вход водяного
пара высокого давления; B – выход парогазовой смеси при давлении
p = 1,1 ратм ; С – всасывающий патрубок, p  pатм ; 1 – входная
сужающаяся часть сопла Лаваля; 2 – выходная расширяющаяся
часть сопла Лаваля; 3 – приемная камера НВЭ; 4 – входная
сужающаяся часть входного коллектора; 5 – камера смешения;
6 – выходная расширяющаяся часть диффузора, p  1,1 pатм
Рассмотрим случай течения газов в НВЭ, где основным является
геометрическое воздействие, т. е. dF  0, а dМсек=dL=dLr=dQe=0, что
позволяет получить уравнение Гюгонио в виде
(
)
dw
dF
M 2 −1 =
.
w
F
129
Также нам для анализа знаков необходимы уравнение Бернулли
и уравнение состояния соответственно:
 w2 
dp
 = 0 ,
+ d 

 2 
p = RT .
Рассмотрим процессы, протекающие в разных частях НВЭ. Для
этого проведем анализ знаков, предварительно задавшись числом
Маха:
1 – входная сужающаяся часть сопла Лаваля:
M  1,
(+)
↑w
(−)
(
)
dw
dF
,
M 2 −1 =
w
F
(−)
↓p
(−)
(+)
 w2 
 = 0 ,
+ d 

 2 
dp
↓p = ↓ ρRT ↓.
2 – выходная расширяющаяся часть сопла Лаваля:
M 1,
↑w
(+)
(
(+)
)
dw
dF
,
M 2 −1 =
w
F
(−)
↓p
(+)
(+)
 w2 
 = 0 ,
+ d 

 2 
dp
↓p = ↓ ρRT ↓.
130
3 – приемная камера НВЭ. Приемная камера подсоединяется через фланец к любому технологическому оборудованию, работающему
при пониженных давлениях (в условиях вакуума).
4 – входная сужающаяся часть входной коллектора:
M 1,
(−)
↓w
(+)
(
)
dw
dF
,
M 2 −1 =
w
F
(+)
↑p
(−)
(−)
 w2 
 = 0 ,
+ d 

 2 
dp
↑p = ↑ ρRT ↑.
5 – камера смешения. В камере смешения M  1. Задача данного
устройства – обеспечить хорошее перемешивание рабочего тела (водяной пар) и паров откачиваемого газа.
6 – выходная расширяющаяся часть диффузора:
M  1,
↓w
(−)
(
(+)
)
dw
dF
,
M 2 −1 =
w
F
(+)
↑p
(−)
(−)
 w2 
 = 0 ,
+ d 

 2 
dp
↑p = ↑ ρRT ↑.
131
Приложение 4
Вакуумная схема к лабораторной работе 1
132
Приложение 5
Вакуумная схема к лабораторной работе 2
133
Приложение 6
Вакуумная схема к лабораторной работе 3
134
Приложение 7
Вакуумная схема к лабораторной работе 4
135
Приложение 8
Вакуумная схема к лабораторной работе 5
136
Приложение 9
Вакуумная схема к лабораторной работе 6
137
Приложение 10
Вакуумная схема к лабораторной работе 7
138
Приложение 11
Вакуумная схема к лабораторной работе 8
139
Приложение 12
Характеристики лабораторных бюреток кафедры ВТЭУ
Наименование
бюретки
Коэффициент
бюретки
(л∙мм∙рт. ст.)/дел
Высота
одного
деления
бюретки
h1дел, дм
Внутренний
диаметр
бюретки
hст, дм
Высота градуированной
части
бюретки
Lст, дм
Длина
соединительного
шланга
Lшл, дм
Внутренний
диаметр соединительного шланга
dшл, дм
Красная
0,00710
0,010
0,0365
2,49
16,25
0,0359
Синяя
0,00710
0,105
0,0365
2,50
15,33
0,0359
Желтая
0,05259
0,105
0,1000
3,40
14,83
0,0380
Голубая
0,08930
0,100
0,1423
3,45
10,76
0,0837
Бесцветная
0,14026
0,010
0,1500
4,46
14,24
0,0704
Приложение 13
Характеристики лабораторных ротаметров кафедры ВТЭУ
(расчетное выражение ротаметра S рот = a0 + a1  h ,
где h – высота подъема масла в бюретке)
№ п/п
Коэффициенты
Марка ротаметра
а0
а1
-2
1,588∙10-3
1
РМ-0,63 ГУЗ
1,362∙10
2
РМ-2,5 ГУЗ
4,729∙10-2
6,439∙10-3
3
РМ-6,3 ГУЗ
2,307∙10-1
1,596∙10-2
4
РМ-7 ГУЗ
6,987∙10-1
4,813∙10-2
5
РМ-40 ГУЗ
6,542∙10-1
1,148∙10-1
140
Приложение 14
Паспортные характеристики водокольцевых вакуумных насосов
ВВН1-3
ВВН16
ВВН1-12
–
–
0,055
(0,33)
–
–
0,1
(6)
–
–
0,2
(12)
5,6
5,16
9,6
18,6
0,16
0,2
0,13
0,25
0,38
81,5
2,2
134
5,5
380
7,5
280
7,5
590
18,5
890
30
25
25
25
25
25
16,7
Напряжение, В
220/380
220/380
220/380
Габаритные
размеры, мм, не
более
815×
×332×
×315
695×
×354×
×650
1225×
×435×
×855
Показатель
Номинальная
производительность
(м3/мин) при
давлении, МПа
0,02
0,03
0,04
Потребляемая
мощность при
номинальной
производительности,
кВт
Расход воды,
л/с,
не более
Масса насоса, кг
Мощность, кВт
Частота
вращения, с-1
ВВН10,75
ВВН11,5
ВВН13Н
–
–
0,0125
(0,75)
–
–
0,026
(1,6)
–
0,05(3)
1,5
2,8
0,05
–
220/380
380/660
1145×
×385×
×720
220/380
1500×
×720×
×1370
220/380
380/660
1840×
×700×
×1220
Приложение 15
Паспортная зависимость быстроты действия от давления
водокольцевого вакуумного насоса ВВН–1,5
pвх,
атм
Sвх,
л/с
Sвх,
м3/мин
0,07
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0
8,3
21,2
25
25,5
26,5
26,6
26,6
0,07
0,50
1,27
1,50
1,53
1,59
1,60
1,60
141
Приложение 16
Паспортные характеристики пластинчато-роторных вакуумных насосов
№
п/п
1
2
Параметр
Быстрота действия в диапазоне давлений на входе от атмосферного до 0,26 кПа
(2 мм рт. ст.),м3/ч (л/c)
Предельное остаточное давление при применении масла,
кПа (мм рт. ст.), не более
Парциальное без газобалласта
Полное без газобалласта
НВР–0,1Д
НВР–0,1Д
0,4 (0,12)
2∙10-4 (1,52∙103)
6,7∙10-3 (5∙10-2)
НВР–1
НВР–4,5Д
2НВР–5ДМ
2НВР–5ДМ
2НВР–5ДМ
2НВР–250ДМ
36 (1)
4,5 (1,25)
19,8(5,5)
60(17,6)
90 (25)
230 (63)
ВМ–1С ТУ 38.101–1187–88:
3,3∙10-3 (2,5∙10-4)
1,33 (10)
1,1∙10-3 (8∙10-3)
6,7∙10-3 (5∙10-2)
Полное с газобалластом
2,6∙10-3
(2,0∙10-2)
1,0∙10-3 (7,5∙10-3)
6,7∙10-4 (5∙10-3)
6,7∙10-3 (5∙10-2)
ВМ–6 ТУ 38.041–58–3–90:
Парциальное без газобалласта
–
4,0∙10-4 (3∙10-3)
1,3∙10-3 (1∙10-4)
2,7∙10-3 (2∙10-4)
Полное без газобалласта
1,33 (10)
1,99∙10-3 (1,5∙10-2)
1,3∙10-3 (1∙10-2)
Полное с газобалластом
–
1,06∙10-2(8,0∙10-2)
6,7∙10-3 (5∙10-2)
Наибольшее рабочее давле3
1,33 (10)
1,33 (10)
0,133 (10)
1,33 (10)
ние, кПа (мм рт.ст.)
Объём откачиваемого сосуда,
4
0,07
0,7
1
3,5
12
25
м3, не более
Наибольшее давление паров
5
воды на входе в насос, кПа
1,33 (10)
2,66 (20)
(мм рт. ст.)
Количество рабочей жидко6
0,05
0,14-0,015
0,5-0,15
1,2±0,1
6
14
сти, заливаемой в насос, л
Габаритные размеры, мм,
189 (209)***
224
250
340
555
850
1080
не более: длина
7
ширина
71
143
130**
170
300**
330**
высота
93
118
190
191**
280
400**
526**
8
Масса, кг, не более *
1,7
2,5
8
10
26
100
210
* Без учёта рабочей жидкости.
** Без учёта рабочей жидкости.
*** Без учёта рабочей жидкости.
Примечание. Быстрота действия и предельное остаточное давление обеспечиваются при температуре окружающего и откачиваемого воздуха 10…25 °С и атмосферном давлении на выходе.
В насосе 2НВР-250Д предусмотрено водяное охлаждение. Расход воды составляет 6 л/мин.
142
Приложение 17
Паспортные характеристики
мембранного вакуумного насоса НВМ–0,1
(в двухступенчатом исполнении)
143
СОДЕРЖАНИЕ
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ГАЗОВОЙ ДИНАМИКИ СПЛОШНЫХ СРЕД... 3
1.1. Основные параметры и экспериментальные методы измерения
потоков газа............................................................................................ 3
1.2. Основные положения для течения газового потока в каналах
переменного сечения ............................................................................. 6
1.3. Приборы для регистрации и методы измерения параметров
газового потока .................................................................................... 10
2. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ГАЗОВОЙ ДИНАМИКИ РАЗРЕЖЕННЫХ
СРЕД........................................................................................................... 19
2.1. Понятие вакуума ........................................................................... 19
2.2. Свойства газов. Давление, плотность, молекулярная
концентрация ....................................................................................... 21
2.3. Приборы для регистрации и методы измерения параметров
разреженного газового потока ........................................................... 25
2.3.1. Деформационные вакуумметры ........................................... 25
2.3.2. Термопарные вакуумметры .................................................. 28
2.3.3. Ионизационные вакуумметры .............................................. 34
3. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ И ВАКУУМА ................... 39
3.1. Виды компрессорных машин и вакуумных насосов ................. 39
3.3. Типовая характеристика вакуумного насоса ............................. 47
3.4. Классификация вакуумных насосов и компрессоров ............... 51
3.5. Вакуумные насосы и компрессоры кинетического
(скоростного) действия ....................................................................... 52
3.6. Вакуумные насосы и компрессоры объемного действия ......... 55
3.7. Эксплуатационные характеристики вакуумных насосов ......... 57
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО НАСОСАМ
И КОМПРЕССОРАМ ............................................................................... 66
Лабораторная работа 1 ........................................................................ 66
144
Лабораторная работа 2 ........................................................................ 70
Лабораторная работа 3 ........................................................................ 76
Лабораторная работа 4 ...................................................................... 81
Лабораторная работа 5 ....................................................................... 89
Лабораторная работа 6 ...................................................................... 97
Лабораторная работа 7 .................................................................... 105
Лабораторная работа 8 ..................................................................... 114
Библиографический список ................................................................... 120
Приложения ............................................................................................ 122
145
УЧЕБНОЕ ИЗДАНИЕ
Дамир Исмагилович Сагдеев
Дмитрий Валерьевич Косенков
Марина Георгиевна Фомина
Валерий Алексеевич Аляев
НАСОСЫ И КОМПРЕССОРЫ
Редактор Л. Г. Шевчук
146
Подписано в печать 18.02.2022
Бумага офсетная
Печать цифровая
9,25 уч.-изд. л.
Тираж 100 экз.
Формат 6084 1/16
8,61 усл. печ. л.
Заказ 12/22
Издательство Казанского национального исследовательского
технологического университета
Отпечатано в офсетной лаборатории Казанского национального
исследовательского технологического университета
420015, Казань, К. Маркса, 68
147