Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Расчет и проектирование механизмов и систем технологического оборудования расчет и проектирование вакуумных систем. Курс лекций.pdf
Так как трубопроводы и коммутирующая аппаратура,
соединяющая высоковакуумный и форвакуумный насосы, создают
сопротивление потоку откачиваемого газа, быстрота откачки газов
из высоковакуумного насоса отличается от быстроты действия
S
о2
форвакуумного насоса следующим образом:
US
⋅
S
2н
=
2о
,
(1.31)
US
+
2н
где U – проводимость форвакуумной линии.
Чтобы уменьшить различие между S
и Sо2, необходимо
н2
обеспечить высокую проводимость форвакуумной линии. На
практике это достигается в результате того, что диаметры
трубопроводов форвакуумной линии принимают равными диаметру
впускного патрубка форвакуумного насоса, а длину трубопроводов
стараются выбирать минимальной.
Форвакуумный насос и линия откачки должны обеспечивать
получение в выходном сечении высоковакуумного насоса давления
не более 70 … 80 % от наибольшего выпускного давления; тогда из
условия постоянства газового потока в системе откачки с учетом
уравнения (1.29) будем иметь:
Q
S⋅=
2о
max
,
(1.32)
p
)8,0...7,0(
вып1
а выражение для расчета быстроты действия форвакуумного насоса
принимает вид
Q
S−⋅=
2о
max
p
)8,0...7,0(
вып1
(1.33)
.
Q
max
U
Выбирая форвакуумный насос, необходимо иметь в виду, что
он должен обеспечивать требуемое значение S
при давлении на
н2
входном патрубке, равном
Q
max
p =
2
.
(1.34)
S
2н
При проектировочном расчете вакуумной системы печи,
когда длина трубопроводов еще не известна, принимают U = S
и
н2
быстроту действия форвакуумного насоса рассчитывают по формуле
20
Q
⋅
2
S
=
2н
max
)8,0...7,0(
.
(1.35)
p
⋅
вып1
Если при удалении газов из печи на первой ступени откачки
используют насосы высокого быстродействия (более 10000 л/с), то
более рациональной может оказаться трехступенчатая система
откачки, когда между высоковакуумным и форвакуумным насосами
устанавливается промежуточная (бустерная) ступень (рис. 1.7). В
качестве промежуточной ступени обычно используют двухроторные
и паромасляные бустерные насосы, рабочий диапазон давлений
которых соответствует выпускным давлениям высоковакуумных
насосов.
Рис.1.7. Схема трехступенчатой откачки: 1 – высоковакуумный насос;
2 – бустерный насос; 3 – форвакуумный насос; 4, 6 – клапаны;
5 – датчики давления; 7 – откачиваемый сосуд
Расчет быстроты действия насосов в трехступенчатой
системе проводится описанным выше способом.
В результате применения промежуточной ступени
достигается экономия по массе, габаритам и потребляемой мощности
насосов. Например, для обеспечения работы паромасляного
диффузионного насоса типа Н-20Т, имеющего быстроту действия
20000 л/с и максимальную производительность 1,33 м
3
⋅Па/с
применяют золотниковый двухступенчатый насос типа НВЗ-100Д,
имеющий массу 1000 кг и мощность 15 кВт. Для предварительной
откачки может быть использована комбинация бустерного
паромасляного насоса типа НВБМ-05 и одноступенчатого
золотникового насоса типа НВЗ-20. В этом случае суммарная масса
системы насосов составит 270 кг, а мощность – 4,2 кВт. Этот пример
21
показывает необходимость комплексного подхода к выбору насосов
предварительной откачки.
1.4. Расчет газовых нагрузок
Расчет вакуумных систем и выбор оборудования
основывается на количественной оценке газовых потоков,
поступающих в откачную систему.
Суммарный газовый поток Q, откачиваемый насосом, имеет
следующие составляющие:
Q = Q
где Q
– поток газов через стенки камеры, которое обусловлено
прон
прон
+ Q
диф
+ Q
соед
+ Q
, (1.35)
тех
проницаемостью материалов;
Q
– поток газов вследствие диффузионного газовыделения
диф
материалов элементов конструкции камеры;
– поток газов (натекание) по разборным и неразборным
Q
соед
соединениям;
Q
– технологическое газовыделение, зависящее от обрабаты-
тех
ваемого материала и специфики технологического
процесса.
Суммарный газовый поток обычно принимают стационарным,
так как все составляющие газового потока либо вообще не зависят от
времени работы вакуумной установки, либо изменение газового
потока за время работы установки не превышает величину
погрешности выполняемых расчетов.
Величину потока газов, обусловленного проницаемостью
материалов, можно определить по следующей формуле
N
=
∑
i
−
A
KQ
i
i
0прон
1
zz
−
pp
h
2
i
Q
12
ip
,exp
(1.36)
RTz
где K0i и Qpi – константа проницаемости и теплота активации для
материала i-й стенки вакуумной системы,
соответственно (табл. 1.1);
Аi и hi – площадь и половина толщины i-й стенки,
соответственно;
22
p1 и p2 – значение давления с внутренней и наружной сторон
стенки, соответственно;
z – число атомов в молекуле газа, проникающего через стенку;
Т – абсолютная температура стенки;
R = 8,31 кДж/(кмоль К);
N – число стенок вакуумной камеры, арматуры и трубопроводов,
изготовленных из различных материалов или имеющих
разную толщину.
Расчет потока газов при диффузионном газовыделении
материалов элементов конструкции камеры основан на применении
эмпирических коэффициентов удельного диффузионного
газовыделения (табл. 1.2), зависящих от рода газа, материала и его
предварительной обработки, а также рабочей температуры в камере:
N
(1.37)
диф
i
i
N
==
qqQ
,AA
∑∑
iсрi
11
=−
i
где Аi – площадь i-го материала, присутствующего в вакуумной
системе;
N – число материалов;
qi – удельное диффузионное газовыделение i-го материала;
qср – среднее удельное диффузное газовыделение материалов.
Таблица 1.1
Коэффициенты газопроницаемости вакуумных материалов
Значение коэффициентов в различных газовых
средах
3
ммПа
n
.10–4
–3
–3
–4
–3
–2
⋅⋅
21/
смПа ⋅⋅
⋅pQ
Материалы
Fe
Ni
Pd
Cu
Pt
Al
z
2
2
2
2
2
2
,
K
0
Водород
1,4
3,0.10
1,2.10
2,0.10
1,0.10
3,6.10
10
80,4
115
88,8
139
15,1
360
кДж
3−
кмоль
23
Каучук
Кварц
Fe
Каучук
Резина:
7889
9024
ИРП-1015
ИРП-1368
ИРП-2043
Ag
Каучук
Fe
Пирекс
Каучук
Кварц
1
1
2
1
1
1
1
1
1
2
1
2
1
1
1
5,1.10
2,2.10
3,8
1,5.10
3,0.10
9,0.10
2,3.10
1,0.10
1,3.10
Кислород
3,4
1,0.10
Оксид углерода
1,1
2,3
1,5.10
32.10
–10
Азот
.10–4
.10–3
.10–4
Гелий
.10–10
–10
–5
–5
–7
–4
–4
–8
–5
–5
–6
28,9
36,0
199
27,2
26,0
51,5
49,9
8,80
42,3
189
31,4
156
20,1
27,1
22,8
Таблица 1.2
Удельное диффузионное газовыделение конструкционных
материалов при комнатной температуре
газовыделение
через час после
откачки q
Материал
Обработка
материала
м
Сталь
нержавеющая
Без обработки
Вакуум 450 °С,
15 часов
10–8 – 10
Без обработки
Сталь
конструкционная
Медь
24
Хромирование
Вакуум, 450 °С,
15 часов
Без обработки
Вакуум 450 °С,
10–8 – 10
10–8 – 10
Удельное
3
·Па/(м2·c)
–5
4·10
–10
–4
4·10
–7
1,3·10
2·10
–10
–4
–10
,
i
15 часов
Латунь Без обработки 3·10
Алюминий Без обработки 6·10
Никель Без обработки 7·10
Резина
вакуумная
Без обработки 10
Полиэтилен Без обработки 10
Фторопласт Без обработки 3·10
–4
–6
–6
–2
–4
–4
Натекание происходит из-за наличия неплотностей в оболочке
камеры и трубопроводах; недостаточной герметичности вакуумных
уплотнений, а также вследствие возникновения дефектов в структуре
материала. Скорость натекания можно считать величиной
постоянной.
Величину натекания в вакуумную установку можно оценить
по формуле
Q
ти
NKQ
=
всоед
, (1.38)
m
где Q
– минимальный поток, регистрируемый течеискателем
ти
(табл. 1.3);
– вероятность существования течи, меньшей чувствитель-
К
в
ности течеискателя;
N – число соединений;
т – число одновременно проверяемых соединений.
Потоки газов, регистрируемые течеискателями
Наименьший
Тип течеискателей
регистрируемый
поток, м3·Па/с
Масс-
спектрометрический
То же, с
дросселированием
10
10
–11
–12
откачки
То же, с
накоплением
10
–13
Таблица 1.3
Назначение
Испытание объектов,
допускающих откачку
То же
Испытание небольших
объектов,
25
допускающих откачку
∑
Галогенный с
атмосферным
преобразователем
Галогенный с
вакуумным
преобразователем
Искровой
течеискатель
10
10
10
–7
–9
–5
Проверка полостей,
заполненных
галогеносодержащими
веществами
Испытание объектов,
допускающих откачку
Испытания вакуумных
систем со стеклянными
элементами
Технологическое газовыделение зависит от типа
обрабатываемого объекта и способа осуществления
технологического процесса. Поступление газа в этом случае
происходит вследствие уменьшения растворимости газа в ряде
металлов при повышении температуры и уменьшении внешнего
давления, из-за диссоциации оксидов и т.д. В проектировочных
расчетах его значение принимается постоянным в течение всего
времени существования стационарного режима.
Пример
Рассмотрим расчет общего количества газов, поступающих в
вакуумную камеру прокатного стана типа «клеть – камера».
Для этого необходимо определить газопоступления из
прокатываемого металла и любого нагретого материала,
находящегося в вакуумном стане (нагревателей, отражательных
экранов и т.д.), а также газопоступления, обусловленные натеканием
газа.
Применительно к расчету вакуумного прокатного стана
Крупиным А.В., Линецким Б.Л., Зарапиным Ю.Л. и др. предложено
зависимость (1.35) представить в следующем виде:
A
q
⋅
⎛
10
⎜
=
Q
⎜
⎜
⎝
∑
⋅⋅
Gq
ii
i
τ
j
+
3600
⎞
jгj
⎟
⎟
⎟
⎠
,
qp
+⋅
н
где р – атмосферное давление, равное 760 мм рт. ст.;
(1.39)
26
qi – объем газа, выделяющегося из прокатываемого металла,
экранов, нагревателей и других элементов электрической
печи, см
G
– масса каждой конструкции, кг;
i
– коэффициент десорбции с поверхности различных металлов,
q
гj
находящихся в вакуумной камере, см
А
– площадь поверхности этих металлов, см2;
j
3
на 100 г;
3
/см2⋅ч;
τ – время цикла прокатки, с;
q
– натекание, мм рт. ст.⋅л/с.
н
Исходные данные
Общая площадь поверхности конструкций, изготовленных из
стали Ст.3 и находящихся в вакуумной камере (внутренняя
поверхность вакуумной камеры, суммарная поверхность частей
стана, внутренняя поверхность кожуха нагревательной печи)
А
= 11 м2;
1
поверхность экранов нагревательной печи из нержавеющей
стали А
= 0,55 м2;
2
поверхность экранов нагревательной печи из молибдена
= 0,88 м2;
А
3
прокатываемый металл – молибден;
масса образца – 612 г;
масса молибденовых экранов – 1240 г;
масса экранов из нержавеющей стали – 1060 г;
масса вольфрамовых нагревателей вакуумной печи – 10800 г;
полное время нахождения образца в вакууме – при нагреве,
прокатке, транспортировке – τ = 38 мин.
Решение
1. Определение общего количества газовыделений.
Для молибдена, вакуумированного при 5⋅10
содержание газов составляет 1,48 … 2,53 см
Объем газа, выделяющегося из одного образца при
= 2,5 см3 на 100 г, будет равен
q
1
q
⋅G = 2,5⋅6,12 = 15,3 см3 .
1
Молибденовые экраны нагревательной печи выделяют объем газа
q
= 2,5⋅12,4 = 31 см3 .
1⋅G1
3
/100 г.
-3
мм рт. ст., общее
27
Стальные экраны при коэффициенте газовыделения
= 10,3 см3 на 100 г выделяют объем газа
q
2
q
= 10,3⋅10,6 = 109,7 см3 .
2⋅G2
Вольфрамовые нагреватели при коэффициенте газовыделения
из вольфрама q
q
= 0,019 см3 на 100 г выделяют объем газа
3
= 0,019⋅108 = 2,05 см3 .
3⋅G3
Общий объем газовыделений
=
3
i
=⋅+⋅+⋅+⋅=⋅
∑
i
=
ii
1
= 15,3 + 31,0 + 109,7 + 2,0 = 158 см
GqGqGqGqGq
3322111
3
.
Общее количество газовыделений из металла
3
==i
⋅
Gq
∑
i
⋅=⋅=
г
pVpQ
ii
1
τ
760
158
⋅=
6038
⋅
2. Количество газа, натекающего в вакуумную камеру, в
соответствии с п.1 принимаем равным
q
= 5 мм рт. ст.·см3/сек.
н
3
/ссмрт.ст.мм6,52
⋅=
.
3. Определение количества газа, поступающего в вакуумную
камеру вследствие десорбции.
Определение десорбции с поверхности конструкций из стали
Ст.3.
Кроме внутренних поверхностей вакуумной камеры, кожуха
печи и частей клети стана, изготовленных из стали Ст.3, необходимо
учесть еще внутреннюю поверхность трубопроводов, находящихся
под рабочим давлением. Однако диаметр трубопроводов пока
неизвестен, поэтому невозможно определить площадь их внутренней
поверхности, а, следовательно, десорбцию с нее. Можно
ориентировочно задать эту величину, а затем, если расчетная
поверхность трубопроводов будет значительно отличаться от
принятой, сделать перерасчет.
28
Пусть внутренняя поверхность трубопроводов равна 2 м2.
=++
Тогда площадь поверхности конструкций, изготовленных из
стали Ст.3, будет равна
А
= 11 + 2 = 13 м2 = 13⋅104 см2.
1
Принимая коэффициент десорбции для малоуглеродистой
стали q
= 1,5⋅10-3 cмз/(cм2·ч), определяем величину десорбции с
г1
поверхности из стали Ст.3:
34
⋅⋅⋅
105,11013
=⋅−Аq
11г
3600
=
3
./ссм0542,0
Определение десорбции с экрана из нержавеющей стали.
Коэффициент десорбции для нержавеющей стали
q
= 6⋅10–4 см3/см2⋅ч, тогда десорбция равна
г2
44
⋅⋅⋅
=⋅−Аq
22г
3600
1061055,0
=
3
Определение десорбции с молибденовых экранов.
Коэффициент десорбции для молибдена
q
= 3,08⋅10–5 см3/см2⋅ч, тогда десорбция равна
г3
54
1008,31088,0
=⋅−Аq
3г3
3600
⋅⋅⋅
=
Суммарный объем газа, выделяющийся в вакуумной камере
вследствие десорбции, равен
=
3
i
=⋅+⋅+⋅=⋅
∑
i
=
ii
1
AqAqAqAq
33г2г211гг
./ссм0542,0
3
./ссм00006,0
=
0552,000006,00009,00542,0
см3/с.
Суммарное количество газа, выделяющегося в вакуумной
камере вследствие десорбции, следующее:
3
=
i
мм рт.ст.⋅см
⎛
⎜
∑
⎜
1
=
i
⎝
⎞
⋅
pAq
⎟
г
ii
⎟
⎠
8,417600552,0
=⋅=⋅
3
/с.
29