Газовая нагрузка и минимальная скорость откачки
При проектировании новой вакуумной системы или оценке производительности уже существующей системы необходимо рассматривать два взаимосвязанных фактора: общую газовую нагрузку и скорость откачки. Сначала определяют или оценивают суммарную газовую нагрузку системы, включая объём камеры, газовыделение материалов, проницаемость, площадь поверхности и технологическую нагрузку. После этого можно рассчитать требуемую скорость откачки.
Если известна газовая нагрузка и выбрано давление, которое требуется достичь и поддерживать, по этому соотношению определяется минимальная скорость откачки. Для системы с газовой нагрузкой Q = 1 × 10−5 торр·л/с и требуемым давлением P = 1 × 10−7 торр расчёт выглядит так:
Скорость 100 л/с позволяет поддерживать заданное давление при расчётной газовой нагрузке, но не даёт запаса на её возможное увеличение. В реальной системе газовую нагрузку нельзя определить с полной точностью: на неё влияют влажность, десорбция водяного пара, загрязнение поверхностей и даже небольшие утечки.
Почему скорость насоса не равна скорости в камере
Скорость откачки насоса и эффективная скорость откачки в камере редко совпадают. В условиях молекулярного потока вероятность прохождения молекулы через трубопровод, клапан или другое соединение между камерой и насосом зависит от длины и диаметра траектории. Поток через это соединение можно выразить в тех же единицах объёмного расхода — л/с.
Для упрощённого сравнения пропускную способность прямого соединения можно оценить по формуле:
Рассмотрим насос со скоростью 150 л/с, соединённый с камерой трубкой внутренним диаметром 2,5 дюйма и длиной 4 дюйма. По приведённой формуле пропускная способность составляет 304 л/с. Хотя это значение больше скорости насоса, соединение всё равно ограничивает поток газа и должно рассматриваться как часть откачной системы.
Расчёт эффективной скорости откачки
Эффективную скорость откачки в камере определяют с учётом скорости насоса и пропускной способности соединения:
Для насоса 150 л/с и соединения с пропускной способностью 304 л/с эффективная скорость в камере составляет около 100 л/с. Это соответствует только расчёту для наиболее благоприятного случая и не обеспечивает требуемый запас, принятый в примере.
Увеличение скорости насоса может повысить эффективную скорость откачки, но не всегда является оптимальным решением: более производительный насос увеличивает физический размер и стоимость системы.
Как учесть соединение при проектировании
Если система уже построена и соединение между камерой и насосом нельзя изменить, для получения эффективной скорости 150 л/с в камере в исходном примере потребуется насос со скоростью 300 л/с.
На этапе проектирования ситуацию можно улучшить увеличением диаметра входного отверстия и соединительной трубки. Для условного диаметра 4 дюйма внутренний диаметр составляет примерно 3,83 дюйма. При длине соединения 4 дюйма расчёт по приведённой формуле даёт пропускную способность 1096 л/с.
Преобразованная формула позволяет определить требуемую скорость насоса для заданной эффективной скорости в камере:
При целевой эффективной скорости 150 л/с и пропускной способности 1096 л/с расчётная скорость насоса составляет около 175 л/с. Это заметно меньше, чем при сохранении соединения меньшего диаметра.
Практический вывод
- Оцените суммарную газовую нагрузку камеры и технологического процесса.
- Определите требуемое давление и заложите запас на изменения газовой нагрузки.
- Рассчитайте пропускную способность трубопроводов, клапанов и переходов между камерой и насосом.
- Подберите насос и компоновку системы по эффективной скорости откачки в камере, а не только по паспортной скорости насоса.
При увеличении диаметра трубопровода увеличивается и площадь его внутренней поверхности, а значит, может возрастать газовая нагрузка из-за выделения воды во время откачивания. Поэтому изменение пропускной способности соединения требует оценки всей системы в комплексе.
