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
где Q – поток газа в вакуумной системе, м3⋅Па/с;
p
– рабочее давление i-го насоса, Па.
i
Выбираемый вспомогательный насос должен иметь
номинальную быстроту действия, большую или равную
рассчитанной по формуле (1.44). Если выбранный насос не
обеспечивает выпускное давление в сечении выпускного патрубка
основного насоса, равное или меньшее p
, то нужно взять насос с
max
большей быстротой действия.
Аналогично выбирают все последовательно включенные
насосы.
3. Определение конструктивных размеров элементов
вакуумной системы.
В зависимости от режима течения газа в системе
рассчитывают общую проводимость сложных трубопроводов,
состоящих из элементов с различными поперечными сечениями.
При последовательном соединении J элементов
сопротивление W
и проводимость UΣ вакуумной системы
Σ
определяются по соответствующим формулам:
J
;
=
WW
∑
Σ
j
j
=
1
J
=
∑
j
Σ
⎞
⎛
11
⎟
⎜
. (1.45,а)
⎟
⎜
UU
=
1
j
⎠
⎝
При параллельном соединении J элементов сопротивление и
проводимость вакуумной системы определяются, соответственно, по
формулам
J
=
j
Σ
⎞
⎛
11
⎟
⎜
;
⎟
⎜
WW
1∑=
j
⎠
⎝
J
=
Σ
.
UU (1.45,б)
j
j
1∑=
Длину трубопроводов выбирают конструктивно, пользуясь
компоновочной схемой.
Расчет проводимостей отдельных элементов вакуумной
системы выполняют по стандартным формулам, приведенным в
справочной литературе, исходя из определенного режима течения
газа. Основываясь на вычисленной проводимости и известной длине
трубопровода, определяют диаметр трубопровода. Различные
элементы вакуумной системы (клапаны, затворы и др.) выбирают по
соответствующим каталогам.
40
После проведения проектировочного расчета необходимо
провести проверочный расчет.
Основные этапы проверочного расчета приведены ниже.
1. Определение газовыделения.
Стационарный поток газа, выходящего из вакуумной камеры,
Q, определяют по формуле (1.35), составляющие которой вычисляют
по уравнениям, приведенным в п.1.4. Отметим, что для
сверхвысоковакуумных камер натекание извне через неплотности
незначительно, газовыделение с охлаждаемых поверхностей также
мало, благодаря предварительному обезгаживанию. Следовательно,
этими составляющими газового потока можно пренебречь.
Поскольку диффузия атмосферных газов через
металлические и керамические оболочки в вакуум при комнатной
температуре пренебрежимо мала, то расчет газопроницаемости Q
прон
проводят только в тех случаях, когда в конструкции вакуумной
камеры имеются нагретые элементы, отделяющие вакуумную камеру
от атмосферы. Заметной газопроницаемостью обладают детали с
малой толщиной стенок типа сильфонов и мембран.
2. Расчет распределения давления.
Давление в сечениях между элементами участка вакуумной
системы определяют следующим образом:
= p
p
где (р
+ Q/Sнi) – давление во входном сечении вакуумного насоса;
пр.i
(Q/U
) – повышение давления на k-м элементе i-го участка
ki
ik
+ Q/Sнi + Q/U
пр.i
, (1.46)
ki
вакуумной системы.
После того, как проведен проверочный расчет строят графики
распределения давления на всех участках вакуумной системы, с
помощью которых можно оценить возможность запуска системы,
области совместной работы насосов, остаточное давление в
вакуумной камере р
расч
.
При неудовлетворительном результате проверочного расчета
необходимо внести изменения в вакуумную схему, выбрать новые
элементы с необходимыми характеристиками и вновь произвести
расчет; либо изменить, если это допустимо, исходные
технологические условия.
41
Пример
Рассмотрим проектировочный расчет вакуумной системы,
схема которой приведена на рис. 1.15. Камера 1 снабжена
манометрами 2 – 6, обеспечивающими измерение давления от
атмосферного до высокого вакуума. Вакуумная система содержит
два насоса: 11 – высоковакуумный и 12 – низковакуумный. В
качестве высоковакуумного можно применить пароструйный насос с
ловушкой 13 или турбомолекулярный без ловушки, а в качестве
низковакуумного – вращательный насос. Система снабжена
клапанами 7 – 10 и газоанализатором 14.
2
3
14
1
7
К течеискателю
10
Вакуумная камера
-3
10
Па
P
≤2×
р
4
6
12
5
13
11
9
Рис. 1.15. Схема высоковакуумной системы
К течеискателю
8
42
Исходные данные
≤2×
Давление в рабочей камере рр = 2⋅10-3 Па;
диаметр рабочей камеры D
высота рабочей камеры Н
материал рабочей камеры – коррозионностойкая сталь;
суммарный поток газовыделения и натекания
Q = 26,8⋅10
Схема трубопроводов вакуумной системы приведена на
рис. 1.16.
=160
d
в
–5 м3
Па/с.
P
р
D=500
10-3Па
= 0.5 м;
p
= 0,75 м;
р
d
Н=750
=32
н
=1000
l
н
l
=500
в
Рис. 1.16. Схема трубопроводов вакуумной системы
Решение
1. Выбор вакуумной схемы.
Вакуумная схема задана.
2. Выбор высоковакуумного насоса.
Определение скорости откачки рабочей камеры:
43
Выбор типа высоковакуумного насоса.
Выбираем высоковакуумный паромасляный насос типа Н
или НВД.
−
5
108.26
Q
S
р
==
р
p
⋅
=
3
−
102
⋅
3
м
134.0
.
c
Определение номинальной быстроты действия насоса S
.
н
При проведении инженерных расчетов для высоковакуумных
диффузионных насосов можно выбирать S
S
= 2⋅SР = 2⋅0,134 = 0,27 м3/с.
н,в
по выражению (1.41):
н,в
Выбор высоковакуумного насоса.
Выбираем паромасляный диффузионный насос типа
НВД-400 со следующими характеристиками: быстрота действия
= 0,4 м3/с; предельный вакуум р
S
н,в
выпускное давление р
= 1,0 кВт; диаметр впускного патрубка D
p
эн
выпускного патрубка D
= 65 Па; мощность электронагревателя
вып
= 32 мм.
вып
пр
-5
= 10
Па; наибольшее
= 160 мм; диаметр
вп
Определение диаметров трубопроводов.
Принимаем диаметр трубопровода высоковакуумной линии
равным диаметру впускного патрубка: d
= 160 мм; а диаметр
в
низковакуумной линии равным диаметру выпускного патрубка:
= 32 мм.
d
н
3. Определение действительных давлений и скорости
откачки высоковакуумной линии.
Определение характера движения газа.
Для оценки характера движения газа в вакуумном
трубопроводе применяют критерий, определяемый произведением
среднего давления p
на диаметр трубопровода dтр: (pср⋅dтр).
ср
При этом режим течения газа считается:
– вязкостным, если (p
– молекулярным, если (p
– молекулярно-вязкостным, если 4⋅10
) ≥ 1,7 Па⋅м;
ср⋅dтр
ср⋅dтр
) ≤ 4⋅10–3 Па⋅м;
–3
< (pср⋅dтр) < 1,7 Па⋅м.
Для высоковакуумного трубопровода
(p
44
) ≅ 0,5⋅рр⋅dв = 0,5⋅2⋅10–3⋅0,16 = 0,16⋅10–3 Па⋅м.
в,ср⋅dв
Так как полученное значение (p
) ≤ 4⋅10-3 Па⋅м, то в
в,ср⋅dв
высоковакуумном трубопроводе имеет место молекулярный режим
течения газа.
Определение проводимости линии.
Пропускная способность высоковакуумной линии зависит от
сопротивления движению газа в трубопроводе и в месте соединения
рабочей вакуумной камеры с трубопроводом, которое можно
рассматривать как диафрагму.
Проводимость диафрагмы круглого сечения на выходе газа из
рабочей камеры в вакуумпровод вычисляется по формуле
U
Проводимость вакуумпровода диаметром d
длиной l
= 0,5 м при молекулярном режиме течения определяется по
в
= 116⋅Ав = 91⋅(dв)2 = 91⋅0,162 = 2,33 м3/с.
диаф
= 0,16 м и
в
формуле
3
121
⋅
d
=
U
трв,
в
33,1
=
⋅⋅+
zdl
вв
где z = 2 – число поворотов трубопровода на 90
3
16,0121
⋅
=
216,033,15,0
⋅⋅+
м3/с ,
535,0
º
.
Общая пропускная способность высоковакуумной линии
равна
UU
⋅
U
=
в
трв,диаф
=
UU
+
трв,диаф
535,033,2
⋅
+
=
535,033,2
3
м
435,0
.
с
Определение быстроты откачки рабочей камеры.
Эффективную быстроту откачки рабочей вакуумной камеры
можно найти по основному уравнению вакуумной техники:
3
⋅
⋅
SU
=
S
эф
нв
=
+
SU
нв
5,0435,0
=
+
5,0435,0
м
233,0
.
с
Проверка насоса.
Эффективная быстрота откачки должна удовлетворять двум
условиям:
= 0,233 > SР = 0,134 Па⋅м.
1. S
эф
= 0,233 > 0,4⋅S
2. S
эф
= 0,4⋅0,4 = 0,16 Па⋅м.
н,в
45
На основании полученных данных делаем вывод, что насос
+
удовлетворяет обоим условиям.
Определение действительного давления в рабочей камере:
108,26
)(
р
Q
факр
S
эф
⋅
== p
233,0
Проверка режима течения газа в высоковакуумной линии.
Перепад давлений в высоковакуумной линии равен
5
−
⋅
Q
р
в
==Δ
U
в
108,26
435,0
Давление на входе диффузионного насоса равно
вфакрвн,
−
5
3
3
−
⋅=
р
.Па10616,0
3
−−
⋅=<⋅=
.Па102Па1015,1
333
−−−
⋅=⋅+⋅=Δ+= ррр
.Па1077,110616,01015,1)(
Вычисление критерия (p
=⋅
dр
всрв,
1077,11015,1
=
⋅+⋅
) проводим по формуле
ср⋅dтр
)(
рр
вн,факp
=
d
2
33
−−
в
−
3
.мПа10233,016,0
⋅⋅=⋅
2
Делаем вывод, что режим течения газа – молекулярный.
4. Выбор низковакуумного насоса.
Выбор типа насоса.
Выбираем механический объемный насос типа ВН или РВН.
Определение минимальной скорости откачки выбранного
насоса:
−
5
108,26
Q
S
5,1min
нн,
max
==
p
вн,
⋅
5,1
⋅=
35
−
./cм1002,4
10
Выбор низковакуумного насоса.
Выбираем механический объемный многопластинчатый
насос типа РВН-25 со следующими характеристиками: диапазон
рабочих давлений 2⋅10
4
– 1⋅105 Па; быстрота откачки в рабочем
46
интервале давлений – 0,42 м3/с; предельное давление – 104 Па;
частота вращения ротора – 600 об/мин; диаметр впускного патрубка
= 150 мм.
D
вп
5. Определение действительных давлений и скорости
откачки низковакуумной линии.
Определение характера движения газа.
По аналогии с п.3 находим значение критерия
(p
н,ср⋅dн
) ≅ 0,5⋅р
= 0,5⋅65⋅0,032 = 1,04 Па⋅м.
вып⋅dн
Делаем вывод, что режим течения – молекулярновязкостный.
Определение проводимости линии.
Общую проводимость низковакуумного трубопровода
определяем как сумму проводимостей при молекулярном и
вязкостном режимах течения газа:
3
d
=
⋅
UUU
032,0121
⋅⋅+
1032,033,11
1219,0
вязн,молн,н
+
⋅=⋅+=
1
н
33,1
нн
23
⋅⋅⋅
65032,06809,0
9,0
zdl
⋅⋅+
⋅+
680
2
pd
⋅⋅
вып
н
l
н
1017,41080,3
=
−− 33
≅⋅+⋅=
33−
./см108
⋅≅
Определение быстроты откачки на выходном патрубке
высоковакуумного насоса.
По аналогии с п.3 находим эффективную быстроту откачки
53
SU
нн,н
S
эф
+=SU
=
нн,н
−−
1002,4100,8
⋅⋅⋅
53
−−
1002,4100,8
⋅+⋅
⋅=
35
−
./см100,4
Определение действительного давления на выпускном
патрубке диффузионного насоса производится следующим образом:
5
−
108,26
р
факвып
S
эф
Q
)(
⋅
==
−
5
104
⋅
=<=
р
вып
.Па65Па7,6
47
Проверка режима течения газа в низковакуумной линии.
+
Перепад давлений в низковакуумной линии равен
5
−
108,26
Q
р
н
U
н
⋅
==Δ
3
−
108
⋅
2
−
⋅=
.Па1035,3
Давление на входе в механический насос равно
2
−
ррр
нфакрнн,
=⋅+=Δ+=
Па.73,61035,370,6)(
Вычисляем критерий (p
dр
нсрн,
Делаем вывод, что режим течения газа – молекулярно-
вязкостный.
)(
)(
=⋅ d
рр
2
):
ср⋅dтр
73,670,6
нн,факp
=
в
+
м.Па214,0032,0
⋅=⋅
2
48
2. МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО
ОБОРУДОВАНИЯ
2.1. Классификация вакуумного
технологического оборудования
Вакуумное технологическое оборудование находит широкое
применение при производстве прецизионных композиционных
металлических материалов, что связано с повышенными
требованиями к их качеству и с необходимостью разработки новых
материалов, обладающих заданным комплексом физикомеханических и служебных свойств.
Такое оборудование предназначено для проведения физикохимических и технологических процессов в вакууме или
контролируемой газовой среде, когда необходима изоляция
технологических процессов от воздействия атмосферы или для
создания особых условий при проведении экспериментов.
Применительно к вакуумному оборудованию целесообразно
использовать схему классификации по совокупности определенных
признаков, достоинством которой является одновременный учет
различных характеристик оборудования и возможность дальнейшего
развития схемы классификации и уточнения отдельных ее элементов.
На основе анализа данных, приведенных в литературных
источниках, и экспертного опроса специалистов в качестве
классификационных признаков для рассматриваемого оборудования
можно принять следующие:
назначение, которое делит оборудование на технологическое
(производственное), научно-исследовательское и испытательное
(уровень А);
режим работы – характеризует оборудование непрерывного,
периодического и полунепрерывного действия (уровень Б);
49