Принцип действия механического и диффузионного насоса. Насосы реферат. Области применения весьма широки. Практически ни одно технологически сложное производство не обходится без применения вакуума
 Скачать 136.5 Kb.
|
|
ВВЕДЕНИЕ Началом научного этапа в развитии вакуумной техники можно считать 1643 г, когда Торричелли впервые измерил атмосферное давление. В 1672 году Отто фон Герике изобретает механический поршневой насос с водяным уплотнителем. Изучалось поведение различных систем и живых организмов в вакууме. Наконец, в 80-х годах 19 в. Человечество шагнуло в технологический этап создания вакуумных приборов и техники. Это было связано с открытием А.Н. Лодыгиным электрической лампы накаливания с угольным электродом (1873) и открытием Т.А. Эдисоном термоэлектронной эмиссии (1883). Начинают изобретаться такие вакуумные насосы: вращательный (Геде, 1905), криосорбционный (Дж. Дьюар, 1906), молекулярный (Геде, 1912), диффузионный (Геде, 1913); манометры: компрессионный (Г. Мак-Леод, 1874), тепловой (М. Пирани, 1909), ионизационный (О. Бакли, 1916). В СССР становление вакуумной техники началось с организации вакуумной лаборатории на ленинградском заводе “Светлана”. Началось бурной развитие электроники и новых методов физики. Области применения весьма широки. Практически ни одно технологически сложное производство не обходится без применения вакуума. В электронной технике: осветительные лампы, газоразрядные, генераторные и сверхвысокочастотные приборы, телевизионные и рентгеновские трубки. В производстве микросхем и приборов: нанесение тонких плёнок, ионное внедрение, плазмохимическое травление, электронолитографию. В металлургии: плавка и переплав металлов в вакууме освобождает их от растворённых газов, что придаёт им высокую прочность, пластичность и вязкость. Машиностроение: электроннолучевая сварка, диффузионная сварка, плазменная обработка. Химическая промышленность: вакуумные сушильные аппараты, вакуумная пропитка, вакуумные фильтры. Основной инструмент современной ядерной физики – ускоритель частиц – немыслим без вакуума. Поддержание почти космического вакуума требуется в установках для проведения экспериментов. 1. Механический насос Рассмотрим принцип действия механического насоса на примере поршневого агрегата. У неработающего насоса давления под поршнем и во всасывающем трубопроводе равны между собой. При движении поршня вверх (всасывающий ход) объем цилиндра под поршнем увеличивается, увеличивается и объем воздуха в нем. Давление падает, и под поршнем образуется разрежение. Всасывающий клапан открывается, так как снизу на него давит газ или вода с давлением большим, чем давление в цилиндре под поршнем насоса. Через клапан вода или газ поступает в цилиндр насоса, стремясь занять полностью объем, описываемый поршнем. Нагнетательный клапан в это время закрыт, так как сверху на него давит большее давление, чем снизу.  Рисунок 1 – поршневой насос простого действия: 1 – клапанная коробка; 2– всасывающий клапан; 3 – нагнетательный клапан; 4 – поршень; 5 – шток; 6 – цилиндр. Ход поршня ограничивается конструктивно в обе стороны. Поэтому вводятся понятия верхняя и нижняя точки поршня (при горизонтальном положении цилиндра соответственно левая и правая крайние точки). Как только поршень насоса дойдет до верхней точки и пойдет вниз, всасывание заканчивается и начинается нагнетательный ход. Поршень давит на газ или жидкость, находящуюся под ним, и давление в цилиндре повышается. Под действием возрастающего давления со стороны цилиндра всасывающий клапан закрывается, а нагнетательный открывается. Жидкость или газ выталкивается из цилиндра насоса. Как только поршень дойдет до нижней точки и пойдет снова вверх, описанный процесс повторится и таким образом производится перекачивание жидкости или газа. Следовательно, потребляемая насосом мощность затрачивается на создание разрежения в цилиндре во время всасывающего хода и на выталкивание жидкости или газа с необходимым напором из цилиндра в трубопровод во время нагнетательного хода поршня. 2. Диффузионный насос Принцип действия диффузионного насоса состоит в использовании энергии паровой струи, которая образует поток газа в направлении откачки благодаря диффузии газа в паровую струю. Рассмотрим модель диффузионного насоса (рис. 1), иллюстрирующую основные процессы, связанные с откачкой газа.  Рисунок 2 – Схема пароструйной откачки: а) - идеализированная паровая струя, б) - форма сечения паровой струи при истечении ив сопла в вакуум, в) - зависимость концентрации газа вдоль паровой струи. Представим себе цилиндр длиной L с непроницаемыми стенками, в котором движется паровая струя, имеющая скорость Un и концентрацию n. Верхнее сечение цилиндра можно принять за всасывающий патрубок, а нижнее основание выполняет роль конденсатора паровой струи. Все молекулы газа, попадающие в цилиндр, диффундируют в паровую струю и переносятся ею на расстояние L, В сечении х = L паровая струя конденсируется, а молекулы продолжают движение по инерции. При истечении паровой струи в вакуум происходит ее расширение за счет тепловых скоростей молекул, сопровождающихся изменением плотности по длине струи. Процесс переноса газа паровой струей можно представить в виде двух потоков молекул, направленных противоположно друг другу: поток молекул откачиваемого газа:  поток, молекул, диффундирующих в противоположном направлении:  В этих уравнениях v' - количество молекул газа, проходящих через единичную площадь поверхности струи в секунду, D - коэффициент диффузии газа в паровую струю. Если достигнуто предельное давление, то молекулярные потоки уравниваются, откуда  . (1)Полагая, что газ в струе пара подчиняется уравнению газового состояния, получим  (2)Проинтегрировав выражение (2) в пределах от х=0 до x=L и от Ро до P1, имеем  (3)Таким образом, отношение Р1/Р0 характеризует степень сжатия (компрессии) газа паровой струей. Следовательно, паровая струя в вакуумном диффузионном насосе не только переносит газ в направлении откачки, но и сжимает его. Анализ выражения (3) показывает, что степень компрессии, а соответственно и величина вакуума, пропорциональны скорости паровой струи Un и ее длине и обратно пропорциональны коэффициенту диффузии D. Следовательно, для увеличения коэффициента компрессии необходимо повышать скорость паровой струи и увеличивать ее плотность. В связи с этим целесообразно применять в качестве рабочих жидкостей высокомолекулярные масла, молекулы которых имеют большую массу и размер. Теоретическая быстрота действия диффузионного пароструйного насоса в связи с малым количеством откачиваемого газа определяется размерами сопла и давлением газа в паровой струе:  (4)где А - проекция поверхности паровой струи на плоскость, перпендикулярную вектору откачки (оси X); v и v - количество молекул, пересекающих единичную площадку в противоположных направлениях в секунду; n - концентрация газа в сечении х = L. В соответствии с выражениями для v и Uap формулу для определения быстроты действия насоса можно переписать:  где Т и Тгс - температура газа у входа в насос и в паровой струе; nгс - концентрация гага в паровой струе. Так как nrc/n = Рпред/Р, формула для определения теоретического быстродействия диффузионного пароструйного насоса приобретает следующий вид:  (6)или  (7)ЗАКЛЮЧЕНИЕ Помимо рассмотренных механического и диффузионного насосов, существуют механизмы, использующие другие принципы, обладающие своими преимуществами и недостатками. Также могут различаться конструкции, вводиться дополнительные узлы. Различные насосы конструируются под различные цели, и использование их в другой области применения нецелесообразно (не стоит пытаться создать высокий вакуум агрегатом, способным создавать только низкий). Для решения этой задачи используются комбинированные схемы, например, создание низкого вакуума достигается ротационным насосом, а более высокий вакуум дает молекулярный насос. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Розанов Л.Н. Вакуумная техника. // М.: «Высшая школа», 1982. 2. Королёв Б.И. Основы вакуумной техники. // М.: «Высшая школа», 1958. |