Расчет вакуумной системы

Контрольная работа

До середины XVII в. понятие «вакуум», в переводе с латинского означающее пустоту, использовалось лишь в философии. Древнегреческий философ Демокрит одним из «начал мира» выбрал пустоту. Позднее Аристотель вводит понятие эфира — неощутимой среды, способной передавать давление. В этот период знания о свойствах разреженного газа еще отсутствовали, но вакуум уже широко использовался в водоподъемных и пневматических устройствах.

Научный этап развития вакуумной техники начинается с 1643 г., когда в Италии Э. Торричелли, ученик знаменитого Г. Галилея, измерил атмосферное давление. В 1672 г. в Германии О. Герике изобрел механический поршневой насос с водяным уплотнением, что дало возможность проведения многочисленных исследований свойств разреженного газа. Изучается влияние вакуума на живые организмы. Опыты с электрическим разрядом в вакууме привели вначале к открытию электрона, а затем и рентгеновского излучения. Теплоизолирующие свойства вакуума помогли создать правильное представление о способах передачи теплоты и послужили толчком для развития криогенной техники.

Успешное изучение свойств разреженного газа обеспечило возможность его широкого технологического применения. Оно началось с изобретения в 1873 г. первого электровакуумного прибора — лампы накаливания с угольным электродом — русским ученым А.Н. Лодыгиным и открытием американским ученым и изобретателем Т. Эдисоном в 1883 г. термоэлектронной эмиссии. С этого момента вакуумная техника становится технологической основой электровакуумной промышленности.

Расширение практического применения вакуумной техники сопровождалось быстрым развитием методов получения и измерения вакуума. За небольшой период времени в начале XX в. были изобретены широко применяемые в настоящее время вакуумные насосы: вращательный (Геде, 1905), криосорбционный (Д. Дьюар, 1906), молекулярный (Геде, 1912), диффузионный (Геде, 1913).

Аналогичные успехи были достигнуты и в развитии способов измерения вакуума. К U — образному манометру Торричелли добавились компрессионный (Г. Мак-Леод, 1874), тепловой (М. Пирани, 1909), ионизационный (О. Бакли, 1916).

Одновременно совершенствуются научные основы вакуумной техники. В России П.Н. Лебедев (1901) впервые использует в своих опытах идею удаления остаточных газов с помощью ртутного пара. В этот же период исследуются фундаментальные свойства газов при низких давлениях, течение газов и явления переноса (М. Кнудсен, М. Смолуховский, И. Ленгмюр, С. Дешман).

4 стр., 1616 слов

Реферат теплоемкость газов

... и твёрдых тел разница между Ср и Cv сравнительно мала. 1. ТЕПЛОЕМКОСТЬ ГАЗОВ Теоретическое вычисление теплоемкости, в частности её зависимости от температуры тела, не может быть осуществлено ... с этим cp всегда больше, чем cv. Для газов (разреженных настолько, что их можно считать идеальными) разность мольных теплоемкостей равна cp -- cv = R, где R - ...

В СССР становление вакуумной техники связано с именем академика С.А. Векшинского (1896-1974), организовавшего в 1928 г. вакуумную лабораторию в Ленинграде, а затем возглавившего научно-исследовательский вакуумный институт в Москве.

До 50-х годов существовало мнение, что давления ниже 10-6 Па получить невозможно. Однако работы американских ученых Ноттингема (1948) по измерению фоновых токов ионизационного манометра и Альперта (1952) по созданию ионизационного манометра с осевым коллектором расширили диапазон рабочих давлений вакуумной техники еще на три-четыре порядка в область сверхвысокого вакуума.

Для получения сверхвысокого вакуума изобретают новые насосы: турбомолекулярный (Беккер, 1958), магниторазрядный (Джепсен и Холанд, 1959); совершенствуются паромасляные и криосорбционные насосы.

Задание

Спроектировать и рассчитать вакуумную систему для отжига деталей в условиях вакуума среднего давления 10 -1 Па. Число соединений выбирается автором. Камера изготавливается из нержавеющей стали. Нагревательный элемент из Мовых полос типа «беличьего колеса». Предусмотреть высокотемпературные токовводы. Обосновать применение всех элементов. Предусмотреть обходной путь откачки.

Графический материал: схема установки, схема конструкции токовводов, распределение давления в вакуумной системе.

1. Расчёт

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

Расчет вакуумной системы 1

Рис. 1: 1 — камера технологического отжига; 2 — насос получения среднего и низкого вакуума. 3 — ловушка; 4,7 — клапаны; 5 — электрический ввод (рис. 2), предназначенный для питания нагревательного элемента типа «беличьего колеса» из Mo-вых полос (рис 3), которая расположена внутри камеры отжига; 6 — манометры


Расчет вакуумной системы 2

Рис. 2

Расчет вакуумной системы 3

Рис 3

2. Расчет стационарного газового потока


Q= Q прон + Qд + Qн + Qт

Q прон

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.

К о i

 расчет стационарного газового потока 1

K oi

Q i =

F i

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.

7 стр., 3063 слов

Курсовые работы датчик давления

... Типы датчиков Существует множество различных датчиков давления являющихся наиболее подходящими для конкретного процесса, но их обычно можно разделить на несколько категорий, а именно: упругие датчики, электрические преобразователи, датчики дифференциального давления и датчики давления вакуума. ...

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:

 расчет стационарного газового потока 2

F i

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:

 расчет стационарного газового потока 3

Q мп

Q н

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

 расчет стационарного газового потока 4

где G — масса обрабатываемых изделий, γ=2 — коэффициент, учитывающий неравномерность процесса газовыделения, t =24 часа.

Q т

3. Выбор насоса


S эф1

По эффективной быстроте откачки при n=5 по графику для пластинчато-роторных насосов определяем коэффициент использования.

 выбор насоса 1

K и

Для нахождения номинальной быстроты действия воспользуемся формулой:

Sm 1 =Q/(Kи1 ∙p1 -pпред1 ) Sm 1 =1,473*10-3 м3 /с.

Ближайший по быстроте действия пластинчато-роторный насос 2НВР-5ДМ имеет следующие характеристики:

Номинальная быстрота действия, м 3 / с …………………. 0.005

Диаметр входного патрубка, мм…………………………… 16

Наименьшее рабочее давление, Па…………………………. 10 -2

Наибольшее выпускное давление, Па……………………… 10 5

Диапазон рабочих давлений, Па………………………. 10 5 …5*10-2

Определение конструктивных размеров трубопроводов и выбор элементов вакуумной системы


U 01

S н1

Составим компоновочную схему рассматриваемого участка вакуумной системы. На рис. 3 показаны внутренние размеры откачиваемого объекта и длины трубопроводов.

Определение конструктивных размеров трубопроводов и выбор элементов вакуумной системы 1

Рис. 4

Участок вакуумной системы состоит из трех элементов: трубопроводов 1,3,5, затвора 2 и ловушки 4 .

U ij

р 1

L 1

Определение конструктивных размеров трубопроводов и выбор элементов вакуумной системы 2

d y

С учетом размеров предыдущего элемента имеем:

Определение конструктивных размеров трубопроводов и выбор элементов вакуумной системы 3

3 =0,037 м. Согласно рекомендуемому ряду диаметров выбираемy =0,063 м. U13 =0,165 м3

Выбираем ловушку, имеющую dу=0,063 м и проводимость U14=0,06м 3 /с. Пятый участок по размеру совпадает с третьим участком, тогда U15=0,06 м3 /с. d3 =0,063 м.

Таким образом, U 13 =0,06 м3 /с, а общая проводимость участка с учетом того, что входная проводимость насоса равна бесконечности:

Определение конструктивных размеров трубопроводов и выбор элементов вакуумной системы 4

Общая проводимость выбранного участка вакуумной системы

,026 м 3 /с. Коэффициент использования пароструйного насоса:

и1 = U01 /(Sн1 + U01 )

Коэффициент использования K и1 =0,785.

Рассчитаем распределение давления по длине участка вакуумной системы от откачиваемого объекта до пластинчато-роторного насоса. Результаты расчета занесены в табл. 1.

Давление во входном сечении насоса:

н1 = pпред1 + Q/ Sн1 , pн1 =0,111 Па.

Перепад давления на элементах

∆p 5 =Q/ U15 =3,214∙10-4 Па;

∆p 4 =Q/ U14 =8,84∙10-4 Па;

∆p 3 =Q/ U13 =3,214∙10-4 Па;

∆p 2 =Q/ U12 =1,598∙10-4 Па;

∆p 1 =Q/ U1 =3,214∙10-4 Па;

∆p 0 =Q/ Uо =1,469∙10-4 Па.

Все расчеты приведены в таблице №1.

Таблица 1

проводимость элементов, м 3

перепад давлений, Па

давление на входе в элемент, Па

давление на выходе из элемента, Па

трубопровод

0.165

3,214∙10 -4

0,1113

0,111

ловушка

0,06

8,84∙10 -4

0,1121

0,1113

трубопровод

0.165

3,214∙10 -4

0,1124

0,1121

клапан

0,332

1,598∙10 -4

0,1126

0,1124

трубопровод

0.165

3,214∙10 -4

0,1129

0,1126

входное отверстие

0,361

1,469∙10 -4

0,113

0,1129

График перепада давления:

Определение конструктивных размеров трубопроводов и выбор элементов вакуумной системы 5

Рис. 5

вакуумный отжиг деталь давление

5. Расчет времени откачки до стационарного режима

 расчет времени откачки до стационарного режима 1

t= 138,2 с.

Последовательность включения и выключения системы

) Включаем пластинчато-роторный насос (2НВР-5Дм).

) Открываем клапан 4. Откачиваем объем до 10-1 Па.

) Откачиваем во время всего процесса отжига.

) Выключаем насос 2.


Заключение

Вакуумная техника с каждым годом все шире применяется в научных исследованиях и производстве. Одновременно увеличивается объем исследований, направленный на ее развитие. Расширяется диапазон работы вакуумных насосов и манометров, совершенствуются теоретические представления о самом вакууме и происходящих в нем физико-химических процессах. В последние годы большие успехи достигнуты при изучении поверхностных явлений, происходящих на границе газ — твердое тело. Разработаны новые приборы для анализа поверхности: Оже-спектрометры, вторично-ионные масс-спектрометры и т.д.

Дальнейшее развитие вакуумной техники будет идти по пути создания еще более эффективных средств получения вакуума, анализа состава и парциальных давлений остаточных газов, течеискания, изучения свойств поверхности, совершенствования методов расчета и проектирования вакуумных систем, конструкции и технологии изготовления вакуумных установок. Неперспективные ранее принципы работы насосов, манометров и других элементов вакуумных систем после совершенствования их конструкции получают широкое применение. Расширение космических исследований ставит перед вакуумной техникой новые задачи по разработке имитационного оборудования для испытания космических аппаратов в земных условиях. Большие перспективы открываются перед вакуумной технологией при создании принципиально новых материалов и особо чистых веществ. Технология производства электронных приборов широко использует вакуумную технику.

Благодаря широкому применению численных методов повышается точность расчетов вакуумных систем. Многие задачи определения параметров течения разреженного газа в сложных элементах вакуумных систем, которые раньше не могли быть решены, теперь вычисляются с необходимой для практики точностью.

Вычислительная техника обеспечивает возможность автоматизации проектирования вакуумных систем. Создаются первые системы автоматизированного проектирования и банки данных современного вакуумного оборудования. Автоматизация инженерного труда позволяет при проектировании вакуумных систем и элементов находить оптимальные решения. Развитие микроЭВМ позволило создать совершенные системы управления вакуумными установками, выполняющими расчет и расшифровку спектров остаточных газов, анализ математических моделей технологических процессов.

Современная вакуумная техника позволяет получать и измерять давления в 1018 раз меньше атмосферного, но даже такое состояние газа еще нельзя назвать идеальным вакуумом: в 1 м3 такого вакуума еще содержатся сотни молекул газа. Идеальный вакуум как среда, в которой могут распространяться гравитационное, электромагнитное и другие поля, является еще предметом тщательного исследования современной теоретической физики.

Список литературы

[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/kontrolnaya/vakuumnyie-sistemyi/

вакуумный отжиг деталь давление

1. Розанов Л.Н. Вакуумная техника — М.: Высшая школа, 1990. -320 с.

. Вакуумная техника: Справочник /Е.С. Фролов, В.Е. Минайчев, А.Т. Александрова и др. — М.: Машиностроение, 1985. — 360 с.

. Основы расчета вакуумных систем. 4437. Щадрин Н.И.