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
4. Определение общего количества газов, которое
=++
необходимо откачивать из системы:
=
i
=
3
i
⎛
⎜
⎜
⎝
∑
i
⋅=
г
=
ii
1
∑
⎞
⎟
⎟
⎠
=
i
+⋅
pAqQ
3
⋅
Gq
ii
1
τ
=+⋅
qp
н
=
4,9956,528,41
мм рт.ст.⋅см3/с.
1.5. Методика расчета вакуумной
системы технологического
оборудования
Процесс обработки металлов в вакууме происходит в
специальной вакуумной камере, в которой находится
обрабатываемое изделие, а также рабочие органы устройства,
осуществляющие воздействие на металл (валки, матрицы и т.п.).
Рабочая вакуумная камера соединена с вакуумной откачной
системой.
Расчет вакуумной системы необходим для правильного
выбора состава ее элементов, что дает необходимую гарантию
качества конечного продукта, рационального использования
элементов вакуумной системы, а также их согласованной работы.
Кроме того, весьма важен экономический фактор, так как неверный
выбор элементов вакуумной системы может привести к
существенному удорожанию технологического процесса и,
соответственно, получаемых изделий.
Расчет вакуумной системы производят после теплового
расчета рабочей печи, когда выбраны материалы и определены
основные конструктивные размеры элементов, узлы печи и их
температура.
Исходными данными для расчета являются:
–
рабочее давление в вакуумной камере р
геометрические размеры вакуумной камеры D
–
–
поток газов Q, м
3
⋅ Па/с;
, Па;
р
и Hр, м;
р
30
– время работы в стационарном режиме t, ч;
справочные данные по элементам вакуумных систем и
–
материалам, применяемым в них;
– особые или дополнительные условия.
Расчет вакуумной системы осуществляют, как правило, в два
этапа.
Проектировочный расчет – обычно применяют при
разработке новых установок, когда вакуумная схема установки еще
не определена; в процессе проектировочного расчета уточняют
принципиальную вакуумную схему установки, типы насосов,
размеры соединительных трубопроводов и арматуры;
Проверочный расчет предназначен для уточнения
результатов проектировочного расчета и определения характеристик
уже существующих установок; при этом главной задачей является
уточнение распределения давления в вакуумной системе.
С целью создания оптимальных вакуумных систем для
технологического оборудования, на основе современных источников
и справочных данных разработана общая блок-схема расчета
вакуумной системы с алгоритмами выбора вакуумных схем и
насосов (рис. 1.8).
31
32
Рис. 1.8. Порядок расчета вакуумной системы
Основные этапы проектировочного расчета приведены ниже.
1. Выбор вакуумной схемы.
Выбор вакуумной схемы производят, исходя из
технологических условий процесса, по аналогии с реальными
установками такого же назначения. Для безокислительной обработки
давлением тугоплавких и редких металлов и сплавов на их основе
может использоваться вакуум различной глубины, а также различные
защитные газы.
Порядок выбора типовой вакуумной схемы представлен на
рис. 1.9. В зависимости от глубины вакуума существует несколько
типовых вакуумных схем, предназначенных для получения низкого
(схема №1), среднего (схема №2), высокого и сверхвысокого вакуума
(схема №3).
Рис. 1.9. Порядок выбора типовой вакуумной схемы
33
Схема для получения низкого вакуума включает насос
(центробежный, вращательный, водоструйный и др.), защитную
ловушку и клапаны (рис. 1.10).
10
9
8
Вакуумная
камера
7
6
5
11 12
E
4
3
2
1
13
Рис.1.10. Вакуумная система для получения низкого вакуума
3 – предохранительная камера; 4 и 9 – манометры; 6 – откачиваемый
объект; 7 – механический вакуумный ввод; 8 – электрический ввод;
12 – газоанализатор; 13 – вспомогательная вакуумная система
5
– 102 Па): 1 – насос; 2, 5, 10 и 11 – клапаны;
(10
В схеме для получения среднего вакуума кроме основного
насоса (двухроторный, бустерный пароструйный и др.),
обеспечивающего получение среднего вакуума, имеется насос
предварительного разрежения, соединенный последовательно с
основным насосом и одновременно с вакуумной камерой (рис. 1.11).
34
13 14 15 16
12
11
10
E
17
Вакуумная
камера
18
19
9
8
7
6
5
4
3
2
1
20
Рис. 1.11. Вакуумная система для получения низкого и среднего
вакуума (10
2, 3, 6, 14, 15, 17, 18 и 19 – вакуумные клапаны; 4, 8, 12 и 20 –
манометры; 5 – маслоотражатель; 7 – насос для получения среднего
вакуума; 9 – электрический ввод; 10 – механический вакуумный ввод;
11 – вакуумная камера; 13 – газоанализатор; 16 – гигроскопатор
5
– 10-2 Па): 1 – насос предварительного разрежения;
В схемах для получения высокого и сверхвысокого вакуума в
качестве основных насосов используют турбомолекулярные,
пароструйные, магнито-разрядные и др. (рис. 1.12, 1.13).
Вспомогательные насосы включены последовательно с основным
насосом для обеспечения его стабильной работы. Во всех схемах
35
используют защитные ловушки, затворы и клапаны, а также
контрольно-измерительную аппаратуру.
13 14 1615
12
11
10
E
Вакуумная
камера
9
8
7
6
5
4
3
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
2
1
Рис.1.12. Вакуумная система для получения низкого, среднего и
высокого вакуума (10
5
– 10–5 Па): 1 – насос для получения низкого
вакуума; 2, 5, 15 – 17, 19 – 21, 24 и 27 – клапаны; 3, 8 и 25 – ловушки;
4 – форвакуумный баллон; 6, 12 – 13, 22 – 23 и 28 – манометры;
7 – насос для получения высокого вакуума; 9 – механический
вакуумный ввод; 10 – электрический ввод; 11 – откачиваемый объект;
14 – газоанализатор; 18 – гигроскопатор; 26 – насос для получения
среднего вакуума
36
10 11 12
E
9
8
7
6
5
4
Рис. 1.13. Вакуумная установка для получения сверхвысокого
вакуума: 1 – насос для получения низкого вакуума; 2, 6, 13, 16 и 19 –
клапаны; 3, 5, 9, 10, 11, 14 и 15 – манометры; 4 – насос для получения
сверхвысокого вакуума; 7 – вакуумный блок, прогреваемый до 400 ºС;
8 – откачиваемый объект; 12 – газоанализатор; 17 – ловушка;
Вакуумная
камера
3
2
1
18 – насос для получения высокого вакуума
13 14 15
16
17
18
19
2. Выбор вакуумных насосов.
Порядок выбора вакуумных насосов представлен на рис. 1.14.
При выборе типа насоса необходимо учитывать особенности
технологического процесса. Поток газов, откачиваемых насосом,
принимают постоянным во времени.
37
Рис. 1.14. Порядок выбора вакуумных насосов
38
Для выбора типа насоса сначала необходимо определить
эффективную быстроту откачки вакуумной камеры S
, м3/с:
эф
S
где Q – поток газа, поступающий в вакуумную систему, м
– рабочее давление в вакуумной камере, Па.
р
р
= Q/pр , (1.40)
эф
3
⋅Па/с;
Далее определяют номинальную быстроту действия
вакуумного насоса S
S
, м3/с:
н
= k S
н
, (1.41)
эф
где k – коэффициент использования насоса; для турбонасосов,
струйных и криогенных насосов k = 2; для сорбционных
насосов k = 4; для насосов объемного действия k = 1,3 …1,4.
На основе справочной литературы выбирают вакуумный
насос, имеющий номинальную быстроту действия, большую или
равную полученной по формуле (1.41).
Выбор типа насоса производят, исходя из условия
р
где р
– предельное давление насоса, Па;
пр
< рр/k, (1.42)
пр
k – коэффициент использования насоса.
Если это условие не выполняется, то необходимо выбрать насос с
меньшим значением р
.
пр
Если вакуумная схема содержит дополнительные насосы, то
для их выбора необходимо знать рабочее давление p
вспомогательного насоса:
i
p
где p
– наибольшее выпускное давление предыдущего насоса
max,(i–1)
= (0,5 …0, 75) ⋅ p
i
max,(i–1)
(1.43)
(для насосов, сжимающих газ) или наибольшее рабочее
давление (для сорбционных насосов); его определяют
по паспортным или справочным данным.
Вспомогательный насос должен быть способен откачивать
объем газов, поступающих из основного насоса, и поддерживать
необходимое давление на выходе основного насоса. Газовый поток
считают одинаковым в любом сечении вакуумной системы.
После выбора типа вспомогательного насоса определяют
номинальную быстроту откачки выбранного насоса S
S
= Q/pi , (1.44)
нi
м3/с:
нi,
39