Проектирование и эксплуатация вакуумного технологического

Казань 2015 г.
1
1. Газодинамика сплошных сред
Понятие о рабочем теле и модели жидкости. Параметры торможения потока газа. Характерные
скорости. Уравнение Гюгонио и его анализ. Уравнение обращения воздействий. Движение газа в
трубе при наличии трения.
Общие свойства вязких течений. Уравнение Навье-Стокса.
Пограничный слой. Общие сведения. Течение в суживающихся и расширяющихся каналах.
Основные характеристики сопла Лаваля и трубки Вентури.
2. Физика вакуума
Проводимость элемента вакуумной системы. Проводимость последовательно и параллельно
соединенных элементов.
Формула проводимости для переходного режима течения по Кнудсену. Расчет проводимости
трубопровода круглого сечения в вязкостном режиме. Влияние входа в элемент на его
проводимость. Функция распределения Максвелла. Анализ полей температур в сплошной и
молекулярных средах. Коэффициент аккомодации. Влияние характера взаимодействия газа с
поверхностью твердого тела на течение газа.
Движение газа через отверстие в тонкой стенке в молекулярном режиме. Плотность газа на оси
отверстия (х=0).
Особенности поведения газа при низких давлениях. Понятия – вакуумная установка,
вакуумная система, система вакуумирования. Состав вакуумной системы в общем случае.
Основное уравнение вакуумной техники. Газовыделение и газопроницаемость материалов. Теория
испарения. Особенности испарения элементов, соединений и сплавов. Уравнение Герца-Кнудсена.
Распределение испаряемых молекул по направлениям. Виды сорбции. Физическая сорбция.
Теплота сорбции, ее влияние на время адсорбции. Хемосорбция. Промышленные адсорбенты.
Влияние температуры и давления. Поверхность пористого адсорбента. Изотермы адсорбции на
идеальной поверхности. Уравнение Ленгмюра. Молекулярно-ситовое действие цеолитов.
Основные правила построения принципиальных схем вакуумных систем. Условные графические и
буквенно-цифровые обозначения элементов вакуумной системы. Назначение принципиальной
схемы вакуумной системы.
3. Расчет и конструирование элементов вакуумного оборудования
Расположение сил и моментов, действующих на элемент оболочки при действии внутреннего
давления. Методы укрепления зоны отверстий вакуумных сосудов. Характерные деформации
(волны сжатия) коротких и длинных цилиндров под действием наружного давления. Расчетная
длина сосудов, ограниченных конической, сферической, эллиптической и плоской крышками.
Основные принципы выбора материалов вакуумных систем. Основные требования к материалам,
используемым в вакуумной технике? Расчет на прочность плоских круглых крышек сосудов.
Материалы уплотнителей, используемых в вакуумной технике.
Требования, предъявляемые к конструированию сварных сосудов. «Жесткий» и «гибкий» вал.
Преимущества и недостатки.
Выбор рабочей скорости для «жесткого» и «гибкого» вала.
4. Поршневые насосы
Основные виды компрессоров. Типовые схемы крейцкопфной и безкрейцкопфной машин.
Отличие компрессора двойного действия от компрессора с одной рабочей полостью. Мертвые
точки, описанный объем, мертвый объемы, стандартные точки всасывания и нагнетания.
Индикаторная диаграмма. Виды и назначение. Понятие идеального компрессора (ИК). Отличия
действительного компрессора (ДК) от ИК.
Отличия индикаторной диаграммы ИК и действительного компрессора.
Производительность ДК. Устройство и работа поршневого вакуумного насоса Изменение числа
ступеней и порядок их работы. Расчет объема всасывания. Особенности насоса типа НВМ.
Безмасляность. Требования к материалам мембран. Откачные параметры. Расчетные формулы.
5. Вакуум-измерительные приборы
Классификация вакуумметров.
2
Деформационные вакуумметры. Принцип действия и классификация. Гидростатические
вакуумметры. Принцип действия и уравнение измерения давления. Ионизационные вакуумметры
с внутренним и внешним коллектором. Верхний и нижний пределы измерения давления
электронно-ионизационных вакуумметров. Магнитные электроразрядные вакуумметры. Принцип
действия Компрессионный вакуумметр. Принцип действия. Тепловые вакуумметры. Принцип
действия, типы.
Методы измерения парциальных давлений газов. Типы и основные характеристики массспектрометров. Эксплуатационные требования, предъявляемые к масс-спектрометрам. Методы
оперативного контроля толщины покрытий в вакууме. Методы контроля скорости осаждения
покрытий в вакууме. Принцип действия и конструкции датчиков контроля толщины покрытий по
массе (весовой датчик, кварцевый резонатор, вибрационный датчик). Резистивный метод контроля
толщины покрытий в вакууме. Применение, преимущества и недостатки.
Оптический контроль толщины покрытий в вакууме. Применение, преимущества и
недостатки. Ионизационный метод оперативного контроля скорости осаждения покрытий в
вакууме. Метод электронно-эмиссионной спектроскопии для контроля скорости осаждения
покрытий в вакууме.
6. Роторные насосы
Вакуумные насосы. Классификация вакуумных насосов. Области рабочих давлений. Быстрота
действия, предельное остаточное давление, наибольшее входное давление, наибольшее выпускное
давление, основная характеристика вакуумного насоса. Откачка паров воды вакуумными насосами
с масляным уплотнением. Газобалластное устройство, принцип его работы. Принцип действия и
устройство многопластинчатого насоса. Быстрота действия. Область рабочих давлений. Принцип
действия и устройство пластинчато-статорного насоса. Быстрота действия. Область рабочих
давлений. Принцип действия и устройство пластинчато-роторного насоса. Быстрота действия.
Область рабочих давлений. Принцип действия и устройство двухроторного насоса. Быстрота
действия. Область рабочих давлений. Принцип действия и устройство золотникового насоса.
Быстрота действия. Область рабочих давлений.
Принцип действия и устройство водокольцевого насоса. Быстрота действия. Область рабочих
давлений.
7. Насосы динамического действия
Определение молекулярных вакуумных насосов, их основные конструктивные схемы.
Признаки классификации молекулярные насосы.
Работа ступени классического молекулярного насоса. Работа ступени турбомолекулярного
насоса. Основные откачные параметры классического и турбомолекулярного насосов. Основные
закономерности изменения откачных параметров молекулярных насосов.
Классификация вихревых насосов. Работа вихревого насоса. Понятия подачи, напора,
давления. Уравнение Эйлера. Типы лопастей. Влияние угла наклона лопаток на характеристику
вихревого колеса. Степень реактивности. Основное уравнение вихревого насоса Торцевые
уплотнения. Основные элементы современного торцевого уплотнения.
Группы торцевых уплотнений, их отличия. Степень разгрузки. Схема и работа бесконтактного
торцевого уплотнения. Материалы, применяемые в торцевых уплотнениях.
9. Струйные и сорбционные вакуумные насосы
Струйные вакуумные насосы. Принцип откачки молекул газа струйными насосами. Механизм
увлечения откачиваемого газа рабочим телом в зависимости от режима течения. Основные
характеристики вакуумных насосов. Бустерные вакуумные насосы. Конструкция вакуумных
насосов. Рабочие жидкости, используемые в бустерных насосах. Эксплуатация и назначение.
Диффузионные вакуумные насосы. Конструкция вакуумных насосов. Характеристики
диффузионных насосов. Рабочие жидкости для диффузионных насосов. Преимущества и
недостатки. Миграция паров рабочей жидкости из диффузионных насосов, улавливающие
устройства.
Адсорбционные вакуумные насосы. Межмолекулярные силы взаимодействия между адсорбентом
и газом. Механизм откачки газа различными адсорбентами. Конденсационный вакуумный насос.
Принцип действия, коэффициент прилипания, толщина криоосадка. Испарительно–геттерные
3
вакуумные насосы.. Принцип действия. Магниторазрядные вакуумные насосы. Ячейка Пеннинга,
конструктивная схема.
10. Вакуумные технологии
Классификация ВТП. ВТП химической технологии. Основные кинетические закономерности
ВТП. Постановка задач оптимизации ВТП. Общая характеристика гидромеханических процессов.
Общая характеристика тепловых процессов. Конденсация. Поверхностная конденсация.
Конденсация смешением. Испарение. Выпаривание. Классификация выпарных аппаратов.
Простое и многократное выпаривание. Однокорпусные и многокорпусные выпарные установки.
Дистилляция и ректификация. Выбор давления (вакуума) в аппарате. Молекулярная дистилляция
(МД). Сублимация. Кристаллизация. Способы кристаллизации. Основные понятия и определения
криовакуумных технологий и нанотехнологий.
11. Электрические явления в вакууме
Элементарные процессы на границе между твердым телом и вакуумом (газом). Условия
возникновения эмиссии. Отличия прохождения электрического тока в твердых телах и жидкости..
Силы, удерживающие электроны внутри металла. Влияние внешнего электрического поля на
работу выхода электрона из металла. Термоэлектронные катоды. Конструктивные особенности и
основные параметры катодов. Автоэлектронная эмиссия. Использование автоэлектронной
эмиссии. Вторичная электронная эмиссия.
Разряды в вакууме, их классификация. Необходимые условия развития разряда. Зависимость
типов разрядов от плотности тока и давления. Виды вольт - амперной характеристики газового
разряда.
Тлеющий разряд. Характерные признаки, составные части тлеющего разряда. Внешний вид
тлеющего разряда. Переход из тлеющего разряда в дуговой. Распределение потенциала в дуговом
разряде. Дуговые разряды. Классификация дугового разряда. Искровой разряд. Стример. Условия
образования. Коронный разряд. Условия возникновения. Развитие коронного разряда.
Напряженность электрического поля. Внешний вид коронного разряда. Плазма. Образование
плазмы в разрядном промежутке. Виды ионизаций. Дать определение плазме. Квазинейтральность
плазмы. Дебаевский радиус.
4