5. Разработка конструкции вакуумной камеры

Вакуумные камеры предназначены для создания определенных «чистых» условий исследования, проведения процессов в вакууме или контролируемой среде либо для изоляции технологических процессов (операций) от окружающей среды.

Вакуумные камеры представляют собой часть вакуумной системы, к которым предъявляют следующие основные требования: обеспечение необходимых для проведения технологического процесса остаточного и парциального давлений (р₀ и р_i); получение необходимых вакуумных условий в заданное время t. Для выполнения этих требований при проектировании вакуумной системы определяют поток Q откачиваемого газа во времени, по которому рассчитывают быстроту откачки S₀ системы и выбирают насосы, обеспечивающие необходимые значения S₀, p₀, p_i, t. Для определения значений Q в общем виде необходимо знать объем V_в.к., площадь F_н поверхности, находящейся в вакууме, материал и температуру камеры и ряд других параметров, характерных для каждой конкретной установки и влияющих на значение Q.В зависимости от требований вакуумные камеры подразделяются на низко-, высоко- и сверхвысоковакуумные. Кроме того, к ним могут быть предъявлены требования по «чистоте» вакуума, т. е. допустимо или нет наличие углеродосодержащих компонентов в остаточном газе. Для получения чистого и сверхвысокого вакуума камеры прогревают, что накладывает дополнительные требования к их конструктивным элементам. Обычно различают два типа камер: непрогреваемые и прогреваемые. Вакуумные камеры, как правило, изготавливают из металлов, хотя в лабораторной практике для этих целей часто применяют стекло.

К основным конструктивным элементам вакуумных камер следует отнести обечайки, днища, крышки, патрубки, фланцы.

1. Выбор материала и компоновки вакуумной камеры

Любая вакуумная система выполняет две основные задачи:

1. получение требуемого конечного давления в откачиваемом объекте;

2. возможности получения требуемой эффективной быстроты откачки объекта.

Выполнение этих задач возможно лишь при условии, если есть достаточная герметичность материалов, нет выделения газов или паров внутри вакуумной системы и сопротивление трубопровода сведено к минимуму. С точки зрения удовлетворения этих условий и надо рассматривать материалы для вакуумных систем.

Основным материалом, применяемым для изготовления вакуумной камеры, является металл.

Для изготовления камеры выбираем сталь марки 12Х18Н10Т, так как она выдерживает рабочую температуру, легко подвергается чистке и применяется в сварных конструкциях, работающих в контакте с азотной, кислотной и другими средами окислительного характера; в некоторых органических кислотах средней концентрации, органических растворителях, атмосферных условиях.

Рисунок 5.1 - Схема вакуумной камеры

Вакуумная камера (1000×1600) состоит из цилиндрической обечайки, днища и крышки. В обечайке имеются смотровое окно диаметром 150 мм. По бокам обечайки имеются фланцы для откачки камеры, а также для измерения давления и напуска газа. На днище имеются фланцевое соединение для ввода механического движения.

2. Расчет толщины стенок, днища и крышки вакуумной камеры

Исходные данные:

- диаметр камеры - 1 м; длина – 1,6 м;

- расположение камеры – вертикальное.

Номинальную толщину стенки вакуумной камеры (сосуда) определим по формулам:

где безразмерный коэффициент К₂ определяется как функция отношений К₁ и К₃:

Коэффициент запаса устойчивости (n_у) при расчете сосудов и аппаратов на устойчивость по нижним критическим напряжениям в пределах упругости для рабочих условий следует принимать равным 2,4.

Для стали 12Х18Н10Т допускаемое напряжение при температуре 20°С с учетом поправок σ₂₀ = 160 МПа, модуль упругости Е= 2·10⁵ МПа, наружное давление p_н = 0,1 МПа, испытательное давление – 0,2 МПа.

Рассчитаем значения коэффициентов К₁ и К₃:

По номограмме (рисунок 5.1) определим значение коэффициента К₂:

Рис. 5.1. - Определение коэффициента К2

Значение коэффициента К₂= 0,38. По формуле рассчитаем значение s_p:

Следовательно, выбираем большее значение для s_p = 0,0038 м = 3,8 мм.

С учетом прибавки с₂ =0,4 мм, значение s_p = 3,8+0,4 = 4,2 мм.

Это значение округляем до ближайшего целого значения толщины стального листа, равного 4 мм. Таким образом, s_p = 5 мм.

Расчёт цилиндрической обечайки, нагруженной внешним давлением, сводится к определению допускаемой величины этого внешнего давления. Допускаемое наружное давление рассчитаем по формуле:

где [p]_п – допускаемое напряжение из условия прочности, Па;

[p]_E – допускаемое напряжение из условия устойчивости в пределах упругости, Па.

Допускаемое давление из условия прочности определим из формулы:

Допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости определим по формуле:

где Е - модуль упругости при равновесной температуре, Па;

коэффициент запаса устойчивости по нижним критическим напряжениям в пределах упругости для рабочих условий, n_y=2,4.

- безразмерный коэффициент ( );

Выбираем наименьшее значение В₁:

Тогда:

Вычисляем допускаемое давление [p]:

Обечайка устойчива, так как расчетное давление больше допустимого:

0,16 > 0,1 МПа.

Камера испытывается на герметичность внутренним избыточным давление 0,2 МПа.

Определяем внутреннее допускаемое давление по формуле из ГОСТ 14249-89:

где φ_р – коэффициент прочности сварного шва.

Будем считать, что сварной шов - стыковой, с двусторонним сплошным проваром, выполнен полуавтоматической сваркой, тогда значение φ_р можно принимать равным 0,9.

Обечайка обладает большим запасом прочности, испытательное давление меньше допустимого: 0,2 <1,32 МПа.

Толщину эллиптического днища с внутренним диаметром 1000 мм выбираем такой же, как и толщина обечайки – 5 мм.

Коэффициент приведения радиуса кривизны К_э принимается для эллиптических днищ равным 0,9, прибавка на минусовой допуск как и для обечайки с₂ = 0,4 мм, радиус R = 0,5 м.

Рассчитаем допускаемое давление из условия прочности:

Допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости:

Поскольку 0,2 < 1,79 МПа, следовательно, толщина эллиптического днища выбрана правильно.

Следующим этапом является расчет плоского днища, имеющего патрубок диаметром 10 мм.

Значение коэффициента ослабления К_о для днищ и крышек, имеющих одно отверстие, определяют по формуле:

Поскольку диаметр 1000 мм не превышает размер ширины стандартного раскроя листа 1000 мм, то значение φ можно принимать равным 1. Коэффициент К выбираем п. 10, К = 0,41.

Толщину плоских днищ и крышек сосудов и аппаратов, работающих под внутренним избыточным или наружным давлением, рассчитывают по формулам:

Для стали толщиной 10 мм прибавка с₂ = 0,8 мм, следовательно:

s₁ = s_1p + с =0,01 + 0,0008 = 0,0108 м,

округляем до ближайшего большего целого значения, равного 12 мм. Следовательно, толщина плоского днища камеры равна 12 мм.

Проверим допускаемое давление на плоское днище по формуле:

Поскольку 0,12 > 0,1, следовательно, толщина плоского днища рассчитана правильно.

Теперь рассчитаем плоскую крышку (дверь), имеющего смотровое окно диаметром 150 мм.

Значение коэффициента ослабления К_о:

Поскольку диаметр 1390 мм не превышает размер ширины стандартного раскроя листа 1500 мм, то значение φ можно принимать равным 1. Коэффициент К выбираем п. 11, К = 0,4.

Толщину плоских днищ и крышек сосудов и аппаратов, работающих под внутренним избыточным или наружным давлением, рассчитывают по формулам:

Для стали толщиной 15 мм прибавка с₂ = 0,8 мм, следовательно:

s₁ = s_1p + с =0,015 + 0,0008 = 0,0158 м,

округляем до ближайшего большего целого значения, равного 16 мм. Следовательно, толщина плоской крышки камеры равна 16 мм.

После проверки толщины, выяснилось, что ее не достаточно, поэтому принимаем значение 18 мм.

Проверим допускаемое давление на плоскую крышку по формуле:

Поскольку 0,14 > 0,1, следовательно, толщина плоской крышки рассчитана правильно.