Расчет вакуумных систем. Учебно-методическое пособие

где ε=Р2/Р1 – отношение давлений в областях после (Р2) и до отверстия (Р1). График зависимости Q=f(ε) приведен на рис.5.1. В точке b ε = εкр = 0,528. При ε = εкр поток постоянен и соответствует значению, определенному по формуле (5.1) при ε = εкр. При ε ≥ εкр поток определяется по формуле (5.1) для каждого значения ε.

Расчет ведется следующим образом. Задается площадь отверстия в клапане f1 и рассчитывается зависимость Q = f(ε), принимая за P2 - давление в откачанном сосуде, а за Р1 - давление атмосферное или после газового редуктора.

Далее строится зависимость Q=f(ε). Диапазон изменения ε от ε=εкр до ε=1 разбивается на ряд интервалов bc, cd (рис.5.1), в которых переменная величина Q заменяется постоянными средними значениями Qср.

Рис.5.1. Схема разбивки зависимости Q = f(ε) на интервалы

При изменении давления Р2 от начального, равного Р2а, до Р2b количество газа в сосуде объемом V составит

a время достижения давления Р2b при потоке Qсрав=Qмах

41

Аналогичным образом при изменении давления Р2 от Р2b до P2c

находим Δτbc и т. д.

Время заполнения сосуда равно

Если время τ1 не равно заданному, то искомое значение площади отверстия в клапане f определяется по соотношению

По величине площади f находится диаметр условного прохода клапана напуска и выбирается конкретный типоразмер клапана.

Напускные проходные клапаны с электромагнитным приводом марок КМПН-1,6 и КМПИ-10 имеют диаметры условного прохода 1,6мм и 10мм соответственно. Клапаны предназначены для напуска в вакуумные системы воздуха и неагрессивных газов.

Аварийно-напускные клапаны с электромагнитным приводом марок КМАН-4 и КМАН-10 имеют диаметры условного прохода 4мм и 10мм соответственно. Клапаны применяются для напуска газа в вакуумные системы, в частности в насосы с масляным уплотнением при отключении электроэнергии.

Выбираемый клапан для напуска должен быть работоспособным при перепаде давлений на тарелку клапана, равном

P1-P2.

5.3. Форбаллон

Форбаллон определенного объема обеспечивает условия для работы высоковакуумного насоса с отсеченным форвакуумным насосом.

Исходными данными для расчета объема форбаллона являются: давление на входе в диффузионный насос или его зависимость от времени Pн= f(τ); время, в течение которого диффузионный насос должен работать с выключенным (отсеченным) форвакуумным насосом; наибольшее выпускное давление диффузионного насоса;

42

зависимость Q=f(Pн) диффузионного насоса; зависимость Q=f(Pн) форвакуумного насоса (рис.5.2).

Расчет упрощается, если давление на входе в диффузионный насос Рн постоянно, например, Рн= Рнa. В этом случае быстрота действия диффузионного насоса не зависит от времени и равна Sнa. Из

Р

Рис.5.2. Характеристики диффузионного (А) и форвакуумного (B) насосов,С - линия наибольшего выпускного давления

Искомой величиной может быть время работы диффузионного насоса с форбаллоном известного объема V. После преобразования формулы (5.8), имеем

Sна Pна

5.4.Выхлопные магистрали вакуумных насосов

Вакуумные насосы относительно выхлопной магистрали могут располагаться различным образом (линейно, друг за другом, покругу).

43

Порядок расчета для любой схемы расположения насосов строится следующим образом:

1.Графически изображается схема выхлопной магистрали с указанием длин (l) и предполагаемых диаметров (d) трубопроводов;

2. Выбирается самый удаленный от места выхлопа насос (насос 1). Объемный расход газа на выходе из насоса принимается

где ζ - коэффициент местного сопротивления для трубы; w1=S1 / f1 ;

f1 – площадь поперечного сечения трубопровода; ρ- плотность газа при давлении P1.

4.Определяется давление на выхлопе следующего насоса

Р2= m · Р0 - Р1.

5. По величинам S1 насоса 1, S2 насоса 2 и геометрии второго участка трубопровода от второго до третьего насоса определяется величина потерь давления на этом участке трубопровода. Изменение плотности можно не учитывать, т. к. величина Sвых принимается больше ее фактического значения.

и так далее; расчет производится до определения давления на выхлопе из магистрали Рn , где n - число насосов. Это давление должно удовлетворять условию Рn ≥ P0. Если Рn < P0, то необходимо

44

увеличить размеры диаметров агистрали. При этом необходимо сопоставить значения потерь давления и провести в первую очередь изменения на том участке, где Р максимально.

6. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАЗРАБОТКЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ ВАКУУМНОЙ СИСТЕМЫ

Завершающим этапом выполнения курсовой работы является разработка окончательной принципиальной схемы вакуумной системы.

Принципиальная схема вакуумной системы представляет собой условное графическое изображение элементов, их взаимосвязь в соответствии с выполняемыми ими функциями в процессе вакууммирования.

Принципиальная схема служит основой для проектирования собственно вакуумной системы и системы управления ею, так как она содержит информацию о количестве, марках применяемых элементов (насосов, клапанов и т.д.), о порядке работы элементов.

Разработка принципиальной схемы вакуумной системы ведется в соответствии с правилами, установленными стандартами.

Расчеты и схемы вакуумных систем требуют тщательного выполнения и оформления.

Все без исключения элементы, входящие в состав вакуумной системы, должны графически изображаться на принципиальной схеме. С целью установления единого для всех видов вакуумной техники порядка составления схем разработан ряд стандартов. Эти стандарты определяют обозначения условные графические элементов и правила выполнения принципиальных схем вакуумных систем. Условные графические обозначения элементов вакуумных систем, соответствующие стандартам и дополненные, приведены в прил. 7. Пример принципиальной схемы вакуумной системы дан в прил. 8.

Каждый элемент на принципиальной схеме должен иметь буквенно-цифровое позиционное обозначение. Буквенный код элемента содержит одну прописную букву или несколько прописных букв латинского алфавита.

Например: насос вакуумныйN, насос вакуумныйзолотниковый NJ. Буквенные коды элементов приведены в прил. 7.

45

Одноименные элементы должны иметь порядковые номера позиционного обозначения, выполняемые арабскими цифрами. Порядковые номера должны быть присвоены в соответствии с последовательностью расположения элементов на «вертикалях» схемы сверху вниз, в направлении слева направо. Элементу, встречающемуся на схеме один раз, присваивается цифра 1.

Буквенно-цифровые позиционные обозначения проставляют на схеме с правой стороны или над условным графическим обозначением элемента.

На принципиальной схеме должны присутствовать элементы, необходимые для правильной эксплуатации насоса. На чертеже принципиальной схемы вакуумной системы необходимо приводить спецификацию элементов по форме, приведенной на рис.6.1.

элемента; поле 3 - количество элементов, имеющих один и тот же буквенный код; поле 4 - примечание

Отсутствие в стандартах графического обозначения элемента, необходимого для конкретной вакуумной системы, дает право разработчику предложить свой вариант обозначения.

Трубопроводы являются равноправными элементами схемы вакуумной системы.

Конструктор должен знать длины и диаметры условных проходов трубопроводов. В спецификации к принципиальной схеме вакуумной системы для каждого трубопровода указывается длина и диаметр. Конструктор при разработке чертежей решит, в каких местах целесообразнее разделить их на сборочные единицы.

Описание порядка работы вакуумной системы производится на

46

основе ее принципиальной схемы и рассматривает две задачи:

1)описание является инструкцией по управлению вакуумной системой в процессе ее эксплуатации и по проверке работоспособности отдельных элементов;

2)описание является составной частью технического задания для разработки системы автоматического управления вакуумной

системой.

Описание должно быть подробным. При составлении описания разработчику вакуумной системы целесообразно представить себя в роли оператора, работающего за пультом управления вакуумной системой. Описание должно охватывать подготовку системы к запуску, запуск, работу в процессе технологического цикла, останов и завершение работы всех элементов. При описании используются буквенно-цифровые обозначения элементов на схеме.

Описание работы вакуумной системы должно указывать, при каком давлении, измеренном каким вакуумметром (датчиком) необходимо вводить (выводить) в работу следующий элемент вакуумной системы.

Описание порядка работы вакуумной системы должно оформляться самостоятельным разделом пояснительной записки к расчету вакуумной системы.

7.ПАМЯТКА ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

7.1.Общие положения

1.Курсовая работа оформляется в виде пояснительной записки, подписанной студентом и сброшюрованной.

2.В начале записки приводятся исходные данные (технические требования для выполнения работы).

3.Текстовый материал оформляется на формате А4, графический материал – на формате А3. Текст рекомендуется располагать на одной стороне листа. Он может быть написан от руки или напечатан.

4.Любая цифра, приведенная в Технических требованиях, должна быть применена при выполнении работы. Каждый пункт требований должен составлять раздел пояснительной записки.

5.При выполнении расчетов приводится формула, записанная в символах, затем формула с числовыми значениями символов и ответ.

47

Промежуточные вычисления не приводятся. Размерности физических единиц указываются в системе СИ.

6.Каждое действие должно поясняться словами. Например: диаметр d выбираем по конструктивным соображениям.

7.Если насос с нужными характеристиками отсутствует в каталогах, разрешается применять предполагаемый насос. Характеристики этого насоса принимаются в соответствии с таковыми для известных насосов этого же типа.

8.При необходимости – выйти с предложением скорректировать исходные данные.

9.В тексте приводятся сноски на источники, из которых заимствованы формулы или другие данные, использованные при выполнении работы. Например: согласно [1], получаем… Цифра в скобках соответствует порядковому номеру источника, указываемого

всписке литературы.

10.В пояснительной записке необходимо дать описание работы вакуумной системы, используя нумерацию и обозначения элементов, приведенных на схеме.

11.Общий объем курсовой работы должен составлять не менее 20 страниц текста, принципиальную схему вакуумной системы и несколько графиков.

7.2.Порядок оформления пояснительной записки

1.Титульный лист (лист 1). Оформляется согласно Приложению 6.

2.Содержание (лист 2). Указываются по порядку разделы с указанием номеров страниц.

3.Введение (лист 3). Указывается, чему посвящена работа, ее цели

изадачи.

4.Технические требования (лист 4).

5.Разделы записки с графиками и таблицами, имеющими номера и названия.

6.Принципиальная схема вакуумной системы.

7.Описание работы принципиальной схемы.

8.Выводы по результатам работы.

9.Список литературы

48

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1

ПРИМЕР ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ Техническое задание на разработку вакуумной системы

напылительной установки

1.Цель (работы) разработки: выбор оптимального варианта вакуумной системы (ВС).

2.Задачи разработки: на основании технических требований произвести расчетное обоснование выбора средств откачки, вакуумной арматуры, размеров вакуумпроводов, составить принципиальную схему ВС и дать анализ возможных вариантов ВС, определить основную характеристику (зависимость быстроты действия от давления на входе) системы вакуумирования, сформулировать технические характеристики ВС, дать описание ее работы.

3.Технические требования, предъявляемые к вакуумной

системе.

3.1.ВС должна обеспечивать за время τ1 получение давления в вакуумной камере Р1.

3.2.Газовыделение технологического процесса (напуск газа в

камеру) Qтп начинается после достижения Р1. Рабочее давление в камере Р2 должно поддерживаться в течение времени τ2.

3.3.Перед вскрытием вакуумная камера заполняется сухим

азотом из баллонов. Время заполнения камеры τ3. Баллоны с сжатым азотом находятся на расстоянии l1 от камеры. Давление в баллонах Р3.

3.4. Вакуумная камера цилиндрической формы, из углеродистой стали, объемом V. Отношение диаметра камеры к длине равно d/l.

3.5.Насосы предварительного разрежения и форвакуумные

насосы находятся на расстоянии l2 от камеры и высоковакуумных насосов.

3.6.Система вакуумирования не должна загрязнять откачиваемый сосуд парами рабочих жидкостей насосов предварительного разрежения и форвакуумных.

49

Приложение 2

Удельные потоки газовыделения материалов при нормальной температуре после пяти часов выдержки в вакууме

50