Задание.

Сконструировать и рассчитать вакуумную схему для получения высокого вакуума 10^-2 Па. Камера технологического отжига деталей при температуре 700^оС (100 пластин никелевых размером 75х50х2 мм) из нержавеющей стали с объемом 1,5 м³. Оценить время установления стационарного режима. Обосновать применение всех элементов.

Расчет.

Исходя из задания составим принципиальную схему системы, обеспечивающей получения необходимого давления в рабочей камере.

Рисунок 1

1 – камера технологического отжига; 4,7,8,12 – клапаны; 4,11 – ловушки; 6 – манометры; 2 – насос для получения высокого вакуума; 5 – электрический ввод (рис. 2); 3 – насос получения среднего и низкого вакуума.

Рисунок 2

Расчет стационарного газового потока.

Стационарный газовый поток, откачиваемый насосом, во вре­мя работы вакуумной установки имеет несколько составляющих: Q= Q_прон + Q_д + Q_н + Q_т ,

где Q_прон - проницаемость материалов; Q_д - диффузионное газовы­деление материала; Q_н - натекание через оболочку вакуумной ка­меры; Q_т - стационарное технологическое газовыделение.

Все составляющие газового потока либо вообще не зависят от времени работы вакуумной установки, либо изменение газово­го потока за время ее работы не превышает точности выполняе­мых расчетов. Рассмотрим подробнее каждую из указанных составляющих.

Количественная оценка процессов стационарной проницаемости газа через стенки вакуумной системы, изготовленные из различ­ных материалов или имеющие различную толщину, может быть сделана с учетом констант проницаемости К_оi и Q_pi по формуле:

где K_oi и Q_i — соответственно константа проницаемости и тепло­та активации для материала i-й стенки вакуумной системы; F_i и h_i - соответственно площадь и половина толщины i-й стенки; p₁ и р₂ - давления с внутренней и наружной сторон стенок; n - 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 различного материала или имеющих разную тол­щину.

Для нашего случая по табличным данным берём Q_i=80,4∙10³ кДж/кмоль, n=2, p₁=10^-2 Па, p₂=10⁵ Па, h_i =0,15 м, T=973 К, K_oi=1,88∙10^-4,

F_i = 7,86 м² (исходя из объема камеры). Тогда получаем Q_прон=4∙10^-5 м³∙Па/с.

Газопроницаемость возрастает при уменьшении толщины сте­нок вакуумных камер. Особенно это заметно для деталей типа cильфонов, мембран и т. д., где малая толщина детали определяется условиями ее работы. Конструктивными способами уменьше­ния газопроницаемости кроме выбора материалов являются ис­пользование установок с «двойным» вакуумом и охлаждение де­талей во время работы непосредственно в вакуумной камере.

Диффузионное газовыделение имеет нестационарную природу, но для большинства газов и материалов постоянная времени этих процессов настолько велика, что они могут рассматриваться как стационарные. Упрощенный метод определения диффузионного газовыделения основан на применении экспериментально опреде­ленных значений коэффициентов удельного диффузионного газо­выделения, зависящих от рода газа, материала и его предварительной обработки, а также рабочей температуры. Газо­вый диффузионный поток:

где F_i — площадь i-гo материала, присутствующего в вакуумной системе; N — число материалов, q_i – удельное диффузионное газовыделение i-го материала. Для нашего случая F_j =7,86 м², по таблице выбираем q_i для нержавеющей стали равное 10^-8 м³∙Па/(м²∙с). Тогда получаем Q_д =7,86∙ 10^-8 м³∙Па/с.

Натекание через оболочку вакуумной камеры происходит в ос­новном по разборным и неразборным соединениям, которые прин­ципиально не могут обеспечить абсолютную герметичность. Нате­кание может происходить и по дефектам в структуре сплошного материала. Поэтому возможное натекание в вакуумную установ­ку можно оценить по формуле:

где Q_мп - минимальный поток, регистрируемый течеискателем; К_в - вероятность существования течи, меньшей чувст­вительности течеискателя; N - число соединений; m- число од­новременно проверяемых соединений. Для нашего случая берём К_в= 0,2, m=N, Q_мп =10^-11 м³∙Па/с. Тогда Q_н =2∙10^-12 м³∙Па/с.

Резервом уменьшения Q_н при расчете по формуле явля­ется уменьшение числа испытаний на герметичность. Предельным случаем является одно испытание, когда m=N, и проверяется негерметичность всей установки. При работе с гелиевым течеис­кателем такая проверка производится размещением всей установ­ки в атмосфере гелия с помощью полиэтиленовых колпаков или других вспомогательных средств, зависящих от размеров уста­новки.

Технологическое газовыделение зависит от типа обрабатывае­мого объекта и способа осуществления технологического процес­са.

где G – масса обрабатываемых изделий, γ=1,5 – коэффициент, учитывающий неравномерность процесса газовыделения, t=24 часа.

Q_т =1,622∙10^-6 м³∙Па/с. Тогда получаем Q≈4∙10^-5 м³∙Па/с.