Лабораторная работа №3 «Определение коэффициента использования диффузионного насоса»

Цель работы: изучить работу диффузионного насоса и определитькоэффициент использования насоса.

Диффузионный насос

Диффузионный насосы предназначены для работы в области высокого и сверхвысокого вакуума, т.е. при давлениях 10⁻³ мм.рт.ст. ÷10⁻⁷ мм.рт.ст. и ниже. Диффузионные насосы применяются совместно с механическими вакуумными насосами с масляным уплотнением.

Чтобы диффузионный насос мог действовать, требуется предварительный вакуум порядка 10 ^{-2 мм рт. ст., что и обеспечивается форвакуумным насосом.}

При таком вакууме средний свободный пробег молекулы газа уже достаточно велик для того, чтобы происходила диффузия газа в струю пара и молекулы пара могли без столкновений достигать холодных стенок насоса и конденсироваться.

Схема устройства паромасляного диффузионного насоса, наиболее распространенного в настоящее время, показана на рисунке 1.

На дне сосуда, обычно металлического, находится испаряющаяся жидкость.

Испарение ее обеспечивается электрическими нагревателями. Откачиваемый объем присоединяется к верхнему концу насоса, а его выхлопной патрубок – к входной трубе форвакуумного насоса. После того как форвакуумный насос создал нужное давление в насосе и откачиваемом объеме, включается нагреватель и жидкость интенсивно испаряться.

Пар поднимается по трубе, помещенной над жидкостью, с большой скоростью выбрасывается из сопла, которым заканчивается труба, а затем конденсируется на стенках и стекает вниз на дно сосуда. Стенки сосуда окружены <<рубашкой>>, внутри которой протекает вода. Нагреватель и холодильник насоса обеспечивают, таким образом, непрерывную циркуляцию пара.

Молекулы откачиваемого газа, поступающие из рабочего объема, увлекаются струей пара, выбрасываемого из сопла, переносятся в нижнею часть насоса, где они попадают в патрубок и удаляются форвакуумными насосом в атмосферу.

Основное значение струи пара сводится к тому, чтобы передать часть своего импульса (кол-во движения) молекулам откачиваемого газа и направить их вниз к выхлопной трубе. Давление газа на выхлопе высоковакуумного насоса равно, очевидно, давлению, создаваемому форвакуумным насосом.

Конструкции паромасляных диффузионных насосов имеют ряд особенностей, связанных с использованием в качестве рабочей жидкости масла. Это прежде всего устройства обеспечивающие фракционирование (т.е. разделение на фракции) неоднородных масел, причем тяжелые фракции (с низким давлением насыщающего пара направляются в сопло первой (высоковакуумной) ступени, им обеспечивается низкое предельное остаточное давление и высокое быстродействие насоса в целом, а легкие фракции (с высоким давлением насыщающего пара) направляются в сопло последней ступени, обеспечивая высокое выпускное давление. Фракционирование масла, стекающего в кипятильник по стенкам корпуса, осуществляется с помощью лабиринтных колец, удлиняющих путь масла до центральной зоны. Легкие фракции успевают испариться на переферии, а более тяжелые в центре, где они испаряются в сопло первой ступени. Предельное остаточное давление пароструйного диффузионного насоса в значительной мере определяется качеством фракционирования и содержанием газа в масле.

При рабочих давления диффузионных насосов, длина свободного пробега молекул откачиваемого газа практически всегда больше диаметра впускного отверстия насоса. При тепловом движении молекулы газа направляются к паровой струе. Механизм удаления газа в диффузионных насосах обусловлен диффузионными процессами. Под действием разности концентраций газа над паровой струей и в струе (концентрация газа в струе вблизи сопла пренебрежительно мала) происходит диффузия газа в струю. Попав в струю молекулы газа получают импульсы от молекул пара в направлении парового потока и уносятся вместе со струей к охлаждаемой стенке корпуса насоса, при этом пар конденсируется, а газ, сжатый в струе до выпускного давления ступени перетекает вдоль стенки на выход насоса. Наряду с прямой диффузией газа происходит и обратная диффузия, однако при оптимальных режимах работы она несоизмеримо мала, хотя в некоторых случаях, например, при откачке легких газов существенно влияет на характеристики насоса.

Задание

• получить предварительный вакуум, достаточный для запуска высоковакуумного насоса;
• после открывания высоковакуумного затвора снять зависимость показаний ионизационной части вакуумметра от времени работы диффузионного насоса. Отсчет давления проводить через равные промежутки давления (1мА для диапазона давлений до 2*10^-7 мА и 0.2 мА после 2*10^-7 мА). Откачку производить до давления 10^-7 мА. Построить зависимость P(t);
• зафиксировать диапазон (начальное и конечное) давления при работе пластинчато-роторного и диффузионного насосов. Измерить геометрические размеры трубопроводов.
• Определить режим течения газа при работе диффузионного насос, рассчитать проводимость трубопроводов, эффективную скорость откачки системы и коэффициент использования насоса.

Результаты работы представить в виде таблиц

Таблица 1

Таблица 2