Расчет вакуумных систем. Учебно-методическое пособие
.pdfФедеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Казанский государственный технологический университет»
Ф.Д.Путиловский
РАСЧЕТ ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ
Учебно-методическое пособие
Казань
КГТУ
2008
ББК 31.77 УДК 621.52
Расчет вакуумных систем: Учебно-методическое пособие /Ф.Д.Путиловский; Казан. гос. технол. ун-т, 2008. 94 с.
ISBN 978-5-7882-0633-2
Содержит краткое описание методов расчета вакуумных систем и справочные данные по характеристикам вакуумных насосов, газовыделению, проводимости.
Направлено на отработку студентами навыков решения конкретных инженерных задач в части определения характеристик и выбора насосов, согласования насосов при совместной работе, определения времени откачки, времени напуска газа, газовыделения и герметичности с выполнением необходимых расчетов, оформлением пояснительной записки и графическим изображением схемы вакуумной системы.
Предназначено для студентов пятого курса механического факультета специальности «Вакуумная и компрессорная техника физических установок», изучающих дисциплину «Расчет вакуумных систем»
Подготовлено на кафедре «Вакуумная техника электрофизических установок».
Табл. 20. Ил. 50. Библиогр. 6 назв.
Печатается по решению редакционно-издательского совета Казанского государственного технологического университета
Рецензенты: д-р техн.наук К.С.Садыков канд.техн.наук С.А.Конев
© Ф.Д.Путиловский
© Казанский государственный технологический университет, 2008
Введение
Программой изучения дисциплины «Расчет вакуумных систем» предусмотрено выполнение курсовой работы по разработке вакуумной системы установки для осуществления конкретного технологического процесса.
Согласно определению вакуумная система представляет собой совокупность устройств для создания вакуума, приборов для вакуумных измерений, а также для сосудов, вакуумной запорной арматуры и связывающих их трубопроводов.
Каждый элемент вакуумной системы должен быть согласован (соподчинен, взаимоувязан) с другими элементами.
Научной основой разработки вакуумной системы является расчет.
Задача расчета – определить состав, количество и марки вакуумных насосов, размеры соединяющих трубопроводов, марки вакуумной запорной арматуры для обеспечения заданного вакуума в заданное время и состав приборов для проведения измерений.
Целью выполнению студентами курсовой работы является освоение:
∙методов расчета потоков газа, поступающих в сосуд, времени откачки сосуда;
∙порядка выбора вакуумных насосов и согласование высоковакуумных и форвакуумных насосов;
∙правил разработки принципиальных схем вакуумных систем. Настоящие рекомендации базируются на лекционном курсе
«Расчет вакуумных систем». Они являются в некоторой степени путеводителем по расчету и нацелены (призваны) сориентировать внимание студента на главных моментах расчета, особенностях взаимосвязи элементов вакуумных систем между собой и, в конечном счете, на более глубоком изучении дисциплины «Расчет вакуумных систем».
Предлагаемые рекомендации не следует рассматривать как директиву по выполнению расчета. Непрерывное развитие вакуумной техники касается и совершенствования методов расчета.
3
Использование студентом при выполнении курсовой работы современных публикаций, посвященных методам расчета вакуумных систем, желательно и будет учитываться при ее оценке.
Расположение параграфов в рекомендациях соответствует логической структуре расчета вакуумных систем. Все элементы вакуумной системы при выполнении курсовой работы рассматриваются только с позиции ее расчета.
В приложениях изложены необходимые для выполнения курсовой работы справочные данные.
Курсовая работа выполняется студентами индивидуально по теме, предлагаемой преподавателем.
1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ
Исходным документом, на основании которого в технике разрабатывается любое изделие, является техническое задание.
Выполнение студентом курсовой работы проводится на основании технического задания, выдаваемого преподавателем. Пример технического задания приведен в Прил.1.
Технические требования в задании определяют параметры, которые должна обеспечить вакуумная система. В процессе проработки технических требований необходимо уяснить смысловую сторону каждого задаваемого параметра (зачем он задан) и подобрать методику его расчета.
Выполняя курсовую работу, следует руководствоваться следующими замечаниями:
∙данные, необходимые для выполнения работы, но отсутствующие в техническом задании, автор курсовой работы назначает самостоятельно;
∙требования технического задания, которые в процессе выполнения расчетов оказываются невыполнимыми, должны быть скорректированы и согласованы с преподавателем.
Завершающим этапом (результатом) расчета вакуумной системы является разработка принципиальной схемы, но основу принципиальной схемы следует разрабатывать в начале выполнения расчета.
4
Принципиальная схема вакуумной системы представляет собой условное графическое изображение элементов, их взаимосвязь в соответствии с выполняемыми ими функциями в процессе вакуумирования.
Параметром, определяющим типы применяемых вакуумных насосов, является рабочее давление в откачиваемом сосуде. Следовательно, зная величину рабочего давления можно определить (выбрать) тип насоса. Условные графические обозначения элементов на принципиальной схеме хороши тем, что они не определяют размеры элементов и поэтому величины рабочего давления достаточно для первоначального построения схемы.
В лекционном курсе все элементы вакуумной системы разбиты на шесть групп и дано описание выполняемых ими функций. Анализируя технические требования следует определить, с помощью какого элемента (по смыслу) можно обеспечить выполнение конкретного требования.
Например:
1. Напуск атмосферного воздуха в сосуд нужно обеспечить за 5 минут. Следовательно, выполнение этого пункта требует введения в
принципиальную схему напускного клапана.
2.Выбранный насос может требовать применения форвакуумного насоса. Это должно быть отражено на схеме.
Втехнических требованиях заложена «смысловая подсказка», позволяющая определить необходимость конкретного элемента.
Например, технологический процесс должен проводиться при выключенных форвакуумных насосах. Выполнение этого пункта требует применения форбаллона.
Впроцессе разработки принципиальной схемы вакуумной системы (предварительной и окончательной) целесообразно представить себя в роли оператора, управляющего вакуумной системой в первом периоде ее работы (предварительная откачка сосуда) и во втором периоде (поддержание рабочего давления), а также при запуске и останове. Такое представление позволит внести в принципиальную схему необходимые клапаны (затворы), датчики давления.
Набор элементов принципиальной схемы вакуумной системы должен обеспечивать возможность проверки работоспособности каждого насоса.
5
2. ОТКАЧИВАЕМЫЙ СОСУД
Откачиваемый сосуд является элементом вакуумной системы, форму и размеры которого определяет разработчик технологического процесса с учетом размеров технологического объекта и производительности вакуум-технологической установки. Поэтому основные сведения об откачиваемом сосуде, необходимые для расчета вакуумной системы, приводятся (излагаются) в техническом задании.
С позиции расчета вакуумной системы откачиваемый сосуд характеризуется количеством газа, находящегося в сосуде (давлением газа) и потоками натекания, газовыделения и технологического процесса, поступающими в сосуд. Определение этих потоков является первым шагом расчета вакуумной системы.
2.1. Поток натекания
Одной из характеристик любого элемента вакуумной системы является его герметичность.
Герметичность элемента характеризуется величиной потока
натекания газа Qнт, попадающего |
в элемент через все имеющиеся |
||
течи, и он |
является мерой герметичности. В курсовой |
работе |
|
герметичность вакуумной системы оценивается величиной |
потока |
||
натекания в откачиваемый сосуд. |
|
|
|
Величину допустимого потока натекания Qнт можно определить |
|||
несколькими методами. |
|
|
|
Зная величину потока технологического процесса Qт, оценку |
|||
приемлемого |
потока натекания |
Qнт вакуумной системы |
можно |
производить по отношению |
|
|
|
|
Qнт = Qт × Кн , |
(2.1) |
|
где Кн − коэффициент, показывающий долю производительности насоса, которой можно пожертвовать на компенсацию натекания.
Численное значение коэффициента Кн принимается в интервале 0,1 − 0,01.
Поток натекания для вакуумной системы низкого и среднего вакуума можно рассчитать по формуле
6
|
Qнт = Sэ·Pд , |
(2.2) |
где |
Pд − допустимое давление в сосуде перед |
началом |
технологического процесса; Sэ − эффективная быстрота откачки системы вакуумирования при Pд.
Один из методов определения величины возможного потока натекания в вакуумную систему основан на использовании характеристик течеискателя. Поток натекания рассчитывают по формуле
Qнт=кв·Nс·Qтu/т , |
(2.3) |
где Qтu – минимальный поток, регистрируемый |
течеискателем; |
кв – вероятность существования течи, меньшей чувствительности течеискателя; Nс – число разборных и неразборных соединений; т – число одновременно проверяемых соединений.
Величина Qтu для масс-спектрометрического течеискателя равна 10 -11 м3·Па/с, для галогенного течеискателя −10 -9 м3·Па/с. Потоки натекания, определённые по вышеприведённой формуле, достаточно малы и могут назначаться для высоко и сверхвысоковакуумных систем.
Следующий метод определения потока натекания высоковакуумных систем основан на статистических данных.
В качестве удельного потока натекания qн принята величина потока натекания, приходящаяся на единицу объема: qн= Qнт / V; размерность этой величины − Па/с. Зависимость qн от внутреннего объема сосуда (элемента) V приведена на рис.2.1 и в табл 2.1. По известному объему и удельной величине натекания определяется поток натекания Qнт.
Приведенная на рис. 2.1 зависимость описывается формулой
ln( 104qн)=5,94 exp[-0,11(ln 103V)1,25 . |
(2.4) |
Вакуумные системы и их элементы проверяются на герметичность согласно ОСТ 11 0808-92 "Системы вакуумные. Методы контроля герметичности". В конструкторской и технологической документации требования герметичности
7
Рис.2.1. Зависимость удельного потока натекания qн от внутреннего объема сосуда (элемента) V
Таблица 2.1
Удельный поток натекания при различных объемах
Объем |
м3 |
10−3 |
10−2 |
10−1 |
100 |
101 |
сосуда |
||||||
(элемента) |
|
|
|
|
|
|
Удельный |
|
4,96·10−3 |
1,1·10−3 |
2,1·10−4 |
7·10−5 |
3,8·10−5 |
поток |
Па/с |
|||||
натекания |
|
|
|
|
|
|
qН |
|
|
|
|
|
|
записываются по величине суммарного натекания (потока натекания). Рекомендации по метрологической экспертизе конструкторской и технологической документации предлагают требования по герметичности и ее контролю в документации записывать следующим образом:
1. Натекание атмосферного воздуха внутрь собранного изделия не более потока Qнт м3·Па /c.
2.Контроль герметичности осуществлять манометрическим (масс-спектрометрическим) методом по ОСТ 11 0808-92.
8
В курсовой работе требования по герметичности должны быть записаны на принципиальной схеме вакуумной системы.
2.2.Поток газовыделения
Споверхностей стенок откачиваемого сосуда и внутрикамерных технологических устройств при снижении давления
всосуде происходит выделение газов. Процесс газовыделения обладает двумя особенностями: во-первых, газовыделение снижается
взависимости от времени нахождения сосуда под откачкой; во- вторых, зависимость газовыделения от времени повторяется после каждого напуска в сосуд воздуха.
Экспериментальные исследования показали, что временная зависимость удельного потока газовыделения для различных материалов при постоянной температуре описываются или экспоненциальной, или степенной зависимостями
q = k |
1 |
e -aτ |
; |
(2.5) |
|
г |
τ -n |
|
|
||
q = k |
2 |
, |
(2.6) |
||
г |
|
|
|
|
|
где qг – удельный поток газовыделения в рассматриваемый момент откачки; τ − время откачки; k1, k2, a, n − постоянные.
Во многих случаях уменьшение газовыделения со временем при комнатной температуре соответствует уравнению (2.6), причем для металлов и керамики n равно примерно единице, для эластичных материалов и пластиков n = 0,5. В некоторых случаях наблюдается изменение удельного потока газовыделения по экспоненциальной зависимости, например, у полиэтилена.
Сравнение материалов по газовыделению проводится по величинам удельного газовыделения, полученным при одинаковых температурах и времени выдержки под вакуумом.
В прил. 2 приведены данные по удельным потокам газовыделе- ния материалов.
Данные прил. 2 и уравнения (2.5) и (2.6) позволяют найти зависимость qг=f(τ) для указанных материалов. Рассмотрим это на примере. В качестве материала выбираем медь М-1, травленую,
9
промытую бензолом и ацетоном. Используем уравнение (2.6). Поскольку медь является металлом, то можно принять значение n = 1.
Согласно прил. 2, удельное газовыделение меди qго=8,5·10-7 м3 Па
м2 × с
определено привременивыдержкиввакуумеτ0 = 5 ч. Следовательно, можно записать
q |
го |
= k |
τ |
-1. |
(2.7) |
|
2 |
|
о |
|
|
Из равенства (2.7) находим коэффициент k2 |
|
||||
k2= qго·τ о. |
(2.8) |
||||
Подставив вышеприведенные численные значения qго и τо в равенство (2.8), получим численное значение k2, необходимое для определения функции qг=f(τ). Таким образом зависимость удельного
потока газовыделения от времени описывается выражением |
|
qг (τ) = τ0· qго /τ . |
(2.9) |
Поток газовыделения рассматриваемого материала зависит от площади его поверхности f, обращенной в вакуум, и определяется по формуле
Qг (τ) =qг(τ)· f. |
(2.10) |
Общий поток газовыделения вакуумной системы, в которой используется несколько материалов, находится как сумма потоков каждого материала
n |
|
Qг (τ ) = ∑qг i (τ ) × fi , |
(2.11) |
i=1 |
|
где n – количество материалов, примененных в вакуумной системе. При расчете потока газовыделения необходимо учитывать
наличие сварных швов, газовыделение которых на порядок выше чем у свариваемых материалов. Поверхности сварных швов, обращенные в вакуум, определяется по чертежам.
10